CN116358647A - 一种用于水冷基板入口流量和冷却液温度测试的装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及流量测试技术领域，公开了一种用于水冷基板入口流量和冷却液温度测试的装置，水冷基板进、出水口处分别开有检测孔，检测孔为密封性管螺纹孔，可以安装流体快插接头，快插接头通过软管连接压差表；也可以安装管螺纹温度传感器。一种用于水冷基板入口流量和冷却液温度测试的方法，流量测试包括以下步骤：a，通过有限元仿真得到水冷基板入口流量‑压降数据；b，利用最小二乘法提取压降‑流量响应曲线，并得到关系方程；c，测定水冷基板进出水口间的压降x；d，代入关系方程计算流量y的数值。即通过测量水冷基板进出口间的压降，间接计算水冷基板入口流量。检测孔上安装管螺纹温度传感器，还可以测得水冷基板进出水口处冷却液的温度。
Description
技术领域
本发明涉及流量测试技术领域，具体为一种用于水冷基板入口流量和冷却液温度测试的装置和方法。
背景技术
牵引变流器是交流传动系统机车和动车组的重要组成部分，牵引变流器工作时，变流器中的功率模块（通常采用IGBT器件）会产生一定的热量，如果这些热量不能及时有效的散发出去，就会使功率模块的效率大大降低，甚至导致电子器件损坏，使变流器无法正常工作。为解决牵引变流器中功率模块的散热问题，常对功率器件采用水冷却系统进行散热，以提高系统效率。
根据主电路结构，变流器中将有数个功率模块，通过水冷系统中的多个支管路连接，结构如图4所示，变流器功率模块中电力电子器件产生的热量通过水冷基板与循环流过水冷基板的冷却液进行热量交换。
作为高速列车牵引变流器的核心器件，IGBT模块的可靠运行直接影响系统的整体稳定性。随着变流器功率密度、功率等级和开关频率的不断提高，IGBT器件内部及其电力电子系统的发热问题越来越严重，需要对功率模块的热设计和IGBT 模块的热可靠性进行研究，该方向已经成为目前的研究重点，即需要了解IGBT 模块的结温及其热分布情况；但由于IGBT器件封装的限制，其结温很难直接通过实验手段获得，目前业内采用的间接计算的方法，即在给定的入口流量下和入口温度下，获得水冷基板的表面温度以及IGBT壳温，进而推算出IGBT的结温；而入口流量和入口温度作为输入条件，如何更准确的获得这两个数值是整个IGBT结温计算的重要前提。
总管路的入口流量直接给定条件下，如图4所示，由于支管路的管路结构和位置不同，各支管路的流量分配并不是均匀的，如果简单的将每个支管路中的流量视为总管路流量进行平均，用得到的平均流量进行该支管路IGBT结温计算，会导致计算偏差，尤其是对于支管路非对称设计的水冷系统设计，误差会更大，因此不能简单的用总流量除以支路个数得到各支管路流量；热交换器处的冷却液温度是可以测量的，但热交换器和水冷基板之间还有较长的水冷管路，热交换器处的冷却液温度并不完全等同于第一个水冷基板入口处温度，而且水冷管路中存在多个串联的水冷基板，由于前面水冷基板的冷却液需要带走其上安装的IGBT等电子器件的热量，后面的水冷基板入口温度将会逐个升高。
对于流量检测：目前原理上可以采用在支管路和水冷基板连接处之间加装流量计或者采用超声波流量计，对支管路进行流量检测；但是，在实际操作中，采用流量计或者超声波流量计进行流量测量时，要求被测管路为长直管路，管路长度需大于15~20倍的管径，也即，管径为16mm，管路长度需要达到240~320mm，由于变流柜的结构非常紧凑，管路结构空间非常有限，如图4，即便是支路管路最长处远远无法达到安装流量计或超声波流量计对于直管路的长度要求，因此该方案在实践中没有操作可能性。
对于温度检测：通常是在水冷基板入口附近的基板表面上安装温度传感器，将该处的基板表面的温度粗略的视为内部冷却液的入口温度；虽然水冷基板采用的是导热较好的铝合金材质，但基板表面固体温度和内部冷却液温度数据还是存在差别的，测量结果存在偏差。
发明内容
本发明为了解决变流柜中各支管路所连接的水冷基板入口流量及冷却液温度测定准确性的要求，提高测量数据的精度，同时需要满足变流柜的空间限制要求等问题，提供了一种用于水冷基板入口流量和冷却液温度测试的装置和方法。
本发明采用如下技术方案实现：
一种用于水冷基板入口流量和冷却液温度测试的装置，水冷基板的进水口和出水口处分别开有检测孔，检测孔为密封性管螺纹孔，每个检测孔上均安装有流体快插接头，流体快插接头通过软管连接压差表。
一种用于水冷基板入口流量和冷却液温度测试的方法，包括以下步骤：
a，建立有限元仿真模型及仿真计算
基于实际水冷基板三维结构，采用ANSYS软件进行不同流量下水冷基板的流场仿真计算，定义进口流量，通过仿真计算得到进出口压降，多次改变输入流量，得到对应的进出口压降值，并制成水冷基板压降-流量数据表；
b，绘制响应曲线
根据步骤a中制成的水冷基板压降-流量数据表，通过参数拟合，利用最小二乘法提取关于流体压降-流量的响应曲线，并得到压降-流量关系方程；
c，测量压差
在水冷基板的检测孔上均安装有流体快插接头，流体快插接头通过软管连接在压差表上，测定该水冷基板的进出口之间的压降x；
d，计算流量
将压降x代入压降-流量关系方程，计算流量y的数值，流量数值测试完成；
e，测量温度
取下流体快插接头，在检测孔上安装管螺纹的温度传感器，通过连接温度巡检仪测得水冷基板进出口处冷却液的温度。
实施时，本发明所设计的一种用于水冷基板入口流量和冷却液温度测试的装置，测量入口流量时，水冷基板的进水口和出水口处分别开有检测孔，检测孔为密封性管螺纹孔，每个检测孔上均安装有流体快插接头，流体快插接头通过软管连接压差表；
测量温度时，检测孔内的流体快插接头替换为温度传感器，温度传感器的探头设有与检测孔配合的螺纹口，温度传感器的探头高度小于水冷基板的厚度。
使用时，一种用于水冷基板入口流量和冷却液温度测试的方法，包括以下步骤：
a，建立有限元仿真模型及仿真计算
基于实际水冷基板三维结构，采用ANSYS软件进行不同流量下水冷基板的流场仿真计算，定义进口流量，通过仿真计算得到进出口压降，多次改变输入流量，得到对应的进出口压降值，并制成水冷基板压降-流量数据表；具体为：
a.a，根据三维模型进行ANSYS仿真建模；
a.b，进行材料属性设置；
a.c，进行边界条件设置；
a.d，对模型进行网格划分；
a.e，进行求解设置；
a.f，进行计算，得到模型的流场分布和压降数值；
制成水冷基板压降-流量数据表；数值仿真手段已经广泛应用于工业产品设计中，可以大大节约时间成本和试验成本，同时，不同流量的调节无需增加相应的装备，免去试验步骤，有利于数据的快速得出；
b，绘制响应曲线
根据步骤a中制成的水冷基板压降-流量数据表，通过参数拟合，利用最小二乘法提取关于流体压降-流量的响应曲线，并得到压降-流量关系方程，由于水冷基板内流阻的存在，在不同的输入流量下，进出口压降值不同，即流量是输入条件，压降是输出结果；压降-流量关系方程是非线性的；
c，测量压差
在水冷基板的检测孔上均安装有流体快插接头，流体快插接头通过软管连接在压差表上，测定该水冷基板的进出口之间的压降x；
d，计算流量
将压降x代入压降-流量关系方程，计算流量y的数值，流量数值测试完成；
e，测量温度
取下流体快插接头，在检测孔上安装管螺纹的温度传感器，通过连接温度巡检仪测得水冷基板进出口处冷却液的温度；为计算IGBT壳温提供更准确的输入条件。
温度测量与流量测量彼此独立，无先后顺序要求，可进行温度测量和流量测量或其中任一。
与现有技术相比本发明具有以下有益效果：
本发明设计的一种用于水冷基板入口流量和冷却液温度测试的装置，采用简单的装置，满足变流柜中的空间结构紧凑的要求，不改变原有管路，不对水冷管路进行加长处理，无需额外增加空间，同时可以适用于各类不同内部结构和尺寸水冷基板，对水冷基板的改造处理简单，成本低，效率高，测量结果准确，适合推广。
本发明提出的一种用于水冷基板入口流量和冷却液温度测试的方法，是一种间接测试流量的方法，对于结构确定的水冷基板，利用其输入流量和进出口压降的关系，通过在水冷基板表面进水口、出水口附近打孔，通过流体快插接头连接压差表测量得到水冷基板进、出口的压降数值，从而计算得到水冷基板输入流量的数值，开拓性的通过压降和流量的关系，绘制响应曲线并计算数学关系式，得到流量的实际数值，通过一定量的模拟仿真数据采集和计算，可以得到较为准确的响应曲线，数值仿真手段已经广泛应用于工业产品设计中，可以大大节约时间成本和试验成本，同时将流体快插接头替换为温度传感器，就可以直接测量得到进出水口处冷却液的温度值，代替现有技术中的间接测量，温度数据准确，为研究人员提供了更准确的试验参数。
附图说明
图1为本发明的安装模型图。
图2为本发明中水冷基板结构示意图。
图3为本发明实施例中压降与流量的函数关系图。
图4为水冷却系统管路结构示意图。
图中：1-水冷基板，2-流体快插接头，3-软管，4-压差表，5-检测孔。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施例进行详细说明。
一种用于水冷基板入口流量和冷却液温度测试的装置，如图1、2所示：测量入口流量时，水冷基板1的进水口和出水口处分别开有检测孔5，检测孔5为密封性管螺纹孔，每个检测孔5上均安装有流体快插接头2，流体快插接头2通过软管3连接压差表4；
测量温度时，检测孔5内的流体快插接头2替换为温度传感器，温度传感器的探头设有与检测孔5配合的螺纹口，水冷基板1的厚度是有限制的，通常为15~20mm，为了更准确的测量内部冷却液的温度，温度传感器的探头高度小于水冷基板1的厚度，避免温度传感器的探头抵到水冷基板1的另一侧安装面。
一种用于水冷基板入口流量和冷却液温度测试的方法，包括以下步骤：
a，建立有限元仿真模型及仿真计算
基于实际水冷基板三维结构，采用ANSYS软件进行不同流量下水冷基板的流场仿真计算，定义进口流量，通过仿真计算得到进出口压降，多次改变输入流量，得到对应的进出口压降值，并制成水冷基板压降-流量数据表；具体为：
a.a，根据三维模型进行ANSYS仿真建模；
a.b，进行材料属性设置；
a.c，进行边界条件设置；
a.d，对模型进行网格划分；
a.e，进行求解设置；
a.f，进行计算，得到模型的流场分布和压降数值；
制成水冷基板压降-流量数据表；如表1所示，数值仿真手段已经广泛应用于工业产品设计中，可以大大节约时间成本和试验成本，同时，不同流量的调节无需增加相应的装备，免去试验步骤，有利于数据的快速得出；
表1水冷基板压降-流量数据
| 序号 | 支管路a进口流量(L/min) | 支管路a进出口压降（Pa） |
| 1 | 29.7927084 | 34613.711 |
| 2 | 30.80023464 | 36574.652 |
| 3 | 31.77461616 | 38604.137 |
| 4 | 32.76584472 | 40666.668 |
| 5 | 33.74700168 | 42735.595 |
| 6 | 34.6362324 | 44791.876 |
| 7 | 35.70785064 | 47134.116 |
| 8 | 36.74357736 | 49322.684 |
| 9 | 37.76831688 | 51602.345 |
| 10 | 38.80276176 | 53930.799 |
| 11 | 39.81193608 | 56317.241 |
| 12 | 40.81341936 | 58755.977 |
| 13 | 41.81893128 | 61238.355 |
| 14 | 42.8207808 | 63766.853 |
| 15 | 43.82391216 | 66339.179 |
| 16 | 44.81807064 | 68970.642 |
| 17 | 45.82632936 | 71634.545 |
| 18 | 46.82451648 | 74357.161 |
| 19 | 47.81592816 | 77131.122 |
| 20 | 48.83022984 | 79928.428 |
| 21 | 49.8480108 | 82786.335 |
b，绘制响应曲线
根据步骤a中制成的水冷基板压降-流量数据表，通过参数拟合，如图3所示，利用最小二乘法提取关于流体压降-流量的响应曲线，其中，x轴为支管路a进出口压降（Pa），y轴为支管路a进口流量（L/min），并得到支管路a的压降-流量关系方程y = -1.66×10-09x2 +0.0006095x + 10.71，压降-流量关系方程是非线性的；由于水冷基板1内流阻的存在，在不同的输入流量下，进出口压降值不同，即流量是输入条件，压降是输出结果；
c，测量压差
在水冷基板1的检测孔上均安装有流体快插接头2，流体快插接头2通过软管3连接在压差表上，测定该水冷基板1的进出口之间的压降x；
d，计算流量
将压降x代入压降-流量关系方程，计算流量y的数值，流量数值测试完成；
e，测量温度
取下流体快插接头2，在检测孔5上安装管螺纹的温度传感器，通过连接温度巡检仪测得水冷基板进出口处冷却液的温度；为计算IGBT壳温提供更准确的输入条件。
本发明要求保护的范围不限于以上具体实施方式，而且对于本领域技术人员而言，本发明可以有多种变形和更改，凡在本发明的构思与原则之内所作的任何修改、改进和等同替换都应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种用于水冷基板入口流量和冷却液温度测试的装置，包括水冷基板（1），其特征在于：所述水冷基板（1）的进水口和出水口处分别开有检测孔（5），所述检测孔（5）为密封性管螺纹孔，每个检测孔（5）上均安装有流体快插接头（2），所述流体快插接头（2）通过软管（3）连接压差表（4）。
2.根据权利要求1所述的一种用于水冷基板入口流量和冷却液温度测试的装置，其特征在于：测量温度时，所述检测孔（5）内的流体快插接头（2）替换为温度传感器。
3.根据权利要求2所述的一种用于水冷基板入口流量和冷却液温度测试的装置，其特征在于：所述温度传感器的探头高度小于水冷基板的厚度。
4.根据权利要求3所述的一种用于水冷基板入口流量和冷却液温度测试的装置，其特征在于：所述温度传感器的探头设有与检测孔（5）配合的螺纹口。
5.一种用于水冷基板入口流量和冷却液温度测试的方法，其特征在于：包括以下步骤：
a，建立有限元仿真模型及仿真计算
基于实际水冷基板三维结构，采用ANSYS软件进行不同流量下水冷基板的流场仿真计算，定义进口流量，通过仿真计算得到进出口压降，多次改变输入流量，得到对应的进出口压降值，并制成水冷基板压降-流量数据表；
b，绘制响应曲线
根据步骤a中制成的水冷基板压降-流量数据表，通过参数拟合，利用最小二乘法提取关于流体压降-流量的响应曲线，并得到压降-流量关系方程；
c，测量压差
在水冷基板（1）的检测孔（5）上均安装有流体快插接头（2），所述流体快插接头（2）通过软管（3）连接在压差表（4）上，测定该水冷基板（1）的进出口之间的压降x；
d，计算流量
将压降x代入压降-流量关系方程，计算流量y的数值，流量数值测试完成；
e，测量温度
取下流体快插接头（2），在检测孔（5）上安装管螺纹的温度传感器，通过连接温度巡检仪测得水冷基板进出口处冷却液的温度。
6.根据权利要求5所述的一种用于水冷基板入口流量和冷却液温度测试的方法，其特征在于：所述步骤a中，ANSYS仿真具体包括以下步骤：
a.a，根据三维模型进行ANSYS仿真建模；
a.b，进行材料属性设置；
a.c，进行边界条件设置；
a.d，对模型进行网格划分；
a.e，进行求解设置；
a.f，进行计算，得到模型的流场分布和压降数值。
7.根据权利要求5所述的一种用于水冷基板入口流量和冷却液温度测试的方法，其特征在于：所述压降-流量关系方程是非线性的。
8.根据权利要求5所述的一种用于水冷基板入口流量和冷却液温度测试的方法，其特征在于：温度测量与流量测量彼此独立，无先后顺序要求，可进行温度测量和流量测量或其中任一。
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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