CN117133733A - 一种高散热性能水冷散热器及其设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高散热性能水冷散热器及其设计方法，散热器包括从上到下依次固定连接的上盖板、基板和下盖板，上盖板和/或下盖板贴设功率器件；上盖板和下盖板上均设置有水腔，上盖板和下盖板的所述水腔内均交错间隔设置有若干扰流柱，扰流柱用于使得流入的冷却介质在流过时形成旋涡和湍流，提高为功率器件散热的效率；基板的中部设置有进水汇流区和出水汇流区，对应于进水汇流区和出水汇流区的位置，基板上设置有进水通道和出水通道，进水汇流区用于使得从进水通道流入的冷却介质汇流并进入上盖板和下盖板的水腔内，出水汇流区用于使得流过扰流柱的冷却介质汇流并从出水通道流出，本发明可广泛应用于特高压直流输电领域中。

Description

一种高散热性能水冷散热器及其设计方法

技术领域

本发明涉及特高压直流输电领域，特别是关于一种高散热性能水冷散热器及其设计方法。

背景技术

柔性直流输电是一种新型的输电方式，它采用直流电流进行输电，具有输电距离远、输电损耗小、稳定性好等优点，被广泛应用于电力系统中。然而，柔性直流输电系统在运行过程中会产生大量的热量，需要使用水冷散热器来冷却，以保证系统的正常运行。

随着柔性直流输电的电压等级、输送容量的不断提升，特别是当柔性直流额定电流提升至5kA级时，通流能力提升难度大，对核心设备柔直换流阀可靠性及其水冷散热器的性能提出了更高的要求，提升其内部IGBT（绝缘栅双极型晶体管）水冷散热器的散热性能成为主要研究方向。

然而，目前应用在柔直领域的水冷散热器普遍采用螺旋跑道式流道，其散热性能优化空间较小，流阻偏大，为进一步提升水冷散热器的散热性能，亟需一种适用于大容量柔直换流阀散热需求的水冷散热器。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种适用于大容量柔直换流阀散热需求的高散热性能水冷散热器及其设计方法。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一方面，提供一种高散热性能水冷散热器，包括从上到下依次固定连接的上盖板、基板和下盖板，所述上盖板和/或下盖板贴设功率器件；

所述上盖板和下盖板上均设置有水腔，所述上盖板和下盖板的所述水腔内均交错间隔设置有若干扰流柱，所述扰流柱用于使得流入的冷却介质在流过时形成旋涡和湍流，提高为功率器件散热的效率；

所述基板的中部设置有进水汇流区和出水汇流区，对应于所述进水汇流区和出水汇流区的位置，所述基板上设置有进水通道和出水通道，所述进水汇流区用于使得从所述进水通道流入的冷却介质汇流并进入所述上盖板和下盖板的所述水腔内，所述出水汇流区用于使得流过所述扰流柱的冷却介质汇流并从所述出水通道流出。

进一步地，所述扰流柱为柱状实体结构，若干所述扰流柱呈六边形结构交错间隔设置在所述水腔内。

进一步地，所述上盖板和下盖板的所述水腔内所述扰流柱的数量与位置相同，成镜像对称结构。

进一步地，所述上盖板和下盖板的所述水腔的面积取决于压接功率器件的尺寸。

进一步地，所述基板的进水通道和出水通道成直线或曲线连接至对应所述汇流区。

进一步地，所述上盖板和下盖板的所述水腔的面积和形状取决于采用的功率器件的品牌和型号。

另一方面，提供一种高散热性能水冷散热器的设计方法，包括：

根据功率器件的接触面面积和发热功率，初步确定水冷散热器的内部结构；

基于初步确定的水冷散热器的内部结构和预先设定的设计要求，对水冷散热器的流体散热进行仿真和分析，得到最终的水冷散热器的内部结构。

进一步地，所述根据功率器件的接触面面积和发热功率，初步确定水冷散热器的内部结构，包括：

根据功率器件的接触面面积，确定水冷散热器内上盖板和下盖板的水腔的面积和形状；

根据功率器件的发热功率，初步确定水冷散热器内上盖板和下盖板的水腔上扰流柱的数量、半径和间距，使得水冷散热器与冷却介质的对流换热系数最优，初步确定水冷散热器的内部结构。

进一步地，所述基于初步确定的水冷散热器的内部结构和预先设定的设计要求，对水冷散热器的流体散热进行仿真和分析，得到最终的水冷散热器的内部结构，包括：

对水冷散热器流体散热进行仿真及分析，得到水冷散热器的流体散热仿真结果；

根据仿真结果，确定初步确定的水冷散热器的内部结构是否满足预先设定的要求，若不满足，则对初步确定的扰流柱的数量、半径和间距进行微调后进行重新仿真及分析；若满足，则得到最终的水冷散热器的内部结构。

进一步地，所述根据仿真结果，确定初步确定的水冷散热器的内部结构是否满足预先设定的要求，若不满足，则对初步确定的扰流柱的数量、半径和间距进行微调后进行重新仿真及分析；若满足，则得到最终的水冷散热器的内部结构，包括：

根据仿真结果，确定初步确定的水冷散热器的功率器件的结温：

式中，为功率器件的结温，/>为水冷散热器上加载的功率器件的发热功率，/>为功率器件的结到壳热阻，/>为功率器件的壳到水冷散热器热阻，/>为水冷散热器热阻；

当功率器件的结温和仿真结果满足预先设定的要求时，对初步确定的扰流柱的数量、半径和间距进行微调后进行重新仿真及分析；

当功率器件的结温和仿真结果满足预先设定的要求时，得到最终的水冷散热器的内部结构。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：

1、本发明采用双层水腔内设置交错排列的扰流柱结构，在不改变水冷散热器外形尺寸的前提下，扰流柱的设计可以使冷却介质在流过散热器时形成旋涡和湍流，增加散热器的有效传热面积，提高散热效率。

2、本发明设置的扰流柱也可以大大减少冷却介质的流阻损失，且流体在腔内的流速分布更加均匀，更有利于带走更多热量。此外，这种结构可以避免散热器在长期运行过程中容易被污物和沉积物堵塞。

综上所述，本发明可以广泛应用于特高压直流输电领域中。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。在整个附图中，用相同的附图标记表示相同的部件。在附图中：

图1是本发明一实施例提供的水冷散热器结构示意图；

图2是本发明一实施例提供的水冷散热器外观结构示意图；

图3是本发明一实施例提供的内部扰流柱的结构示意图；

图4是本发明一实施例提供的侧视结构示意图；

图5是本发明一实施例提供的方法流程示意图；

图6是本发明一实施例提供的水冷散热器应用于柔直半桥压接的结构示意图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本发明的示例性实施方式。虽然附图中显示了本发明的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整地传达给本领域的技术人员。

应理解的是，文中使用的术语仅出于描述特定示例实施方式的目的，而无意于进行限制。除非上下文另外明确地指出，否则如文中使用的单数形式“一”、“一个”以及“所述”也可以表示包括复数形式。术语“包括”、“包含”、“含有”以及“具有”是包含性的，并且因此指明所陈述的特征、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但并不排除存在或者添加一个或多个其它特征、步骤、操作、元件、部件、和/或它们的组合。文中描述的方法步骤、过程、以及操作不解释为必须要求它们以所描述或说明的特定顺序执行，除非明确指出执行顺序。还应当理解，可以使用另外或者替代的步骤。

尽管可以在文中使用术语第一、第二、第三等来描述多个元件、部件、区域、层和/或部段，但是，这些元件、部件、区域、层和/或部段不应被这些术语所限制。这些术语可以仅用来将一个元件、部件、区域、层或部段与另一区域、层或部段区分开。除非上下文明确地指出，否则诸如“第一”、“第二”之类的术语以及其它数字术语在文中使用时并不暗示顺序或者次序。因此，以下讨论的第一元件、部件、区域、层或部段在不脱离示例实施方式的教导的情况下可以被称作第二元件、部件、区域、层或部段。

为了便于描述，可以在文中使用空间相对关系术语来描述如图中示出的一个元件或者特征相对于另一元件或者特征的关系，这些相对关系术语例如为“内部”、“外部”、“内侧”、“外侧”、“下面”、“上面”等。这种空间相对关系术语意于包括除图中描绘的方位之外的在使用或者操作中装置的不同方位。

本发明实施例提供的高散热性能水冷散热器及其设计方法，通过采用双层水腔内设置交错排列设置的扰流柱结构，在不改变水冷散热器外形尺寸的前提下，扰流柱的设计可以使冷却介质在流过散热器时形成旋涡和湍流，增加散热器的有效传热面积，提高散热效率。同时，可以大大减少冷却介质的流阻损失，且冷却介质在腔内的流速分布更加均匀，更有利于带走更多热量。

实施例1

如图1至图4所示，本实施例提供一种高散热性能水冷散热器，包括上盖板1、基板2、下盖板3、水腔4、扰流柱5、进水汇流区6、出水汇流区7、进水通道8和出水通道9。

上盖板1、基板2和下盖板3从上到下依次固定连接，上盖板1和/或下盖板3贴设功率器件。

上盖板1和下盖板3上均设置有水腔4，上盖板1和下盖板3的水腔4内均交错间隔设置有若干扰流柱5，扰流柱5用于使得流入的冷却介质在流过时形成旋涡和湍流，增加散热器的表面积，提高为功率器件散热的效率。基板2的中部设置有进水汇流区6和出水汇流区7，对应于进水汇流区6和出水汇流区7的位置，基板2上设置有进水通道8和出水通道9，进水汇流区6用于使得从进水通道8流入的冷却介质汇流并进入上盖板1和下盖板3的水腔4内，出水汇流区7用于使得流过扰流柱5的冷却介质汇流并从出水通道9流出。

在使用时，水冷散热器整体横向放置，外接水管和水泵，由水泵提供一定压力的额定流量，冷却介质由于压力的作用，在水冷散热器内分为上下两层，从而达到双面散热的效果。具体地，冷却介质按照一定流量由进水通道8流入，在进水汇流区6汇流后，分别进入上盖板1和下盖板3的水腔4内，在上盖板1和下盖板3的水腔4内，流过一定数量的扰流柱5在出水通道9汇流区汇流后，从出水通道9流出。

在一个优选的实施例中，若功率器件接触面为圆形，则上盖板1和下盖板3的水腔4采用圆形结构；若功率器件接触面为方形，则上盖板1和下盖板3的水腔4采用方形结构，即上盖板1和下盖板3的水腔4的面积和形状取决于采用的功率器件的品牌和型号。

在一个优选的实施例中，扰流柱5为柱状实体结构，若干扰流柱5呈六边形结构交错间隔设置在水腔4内。

在一个优选的实施例中，上盖板1和下盖板3的水腔4内扰流柱5的数量与位置相同，成镜像对称结构。

在一个优选的实施例中，上盖板1和下盖板3的水腔4的面积取决于压接功率器件的尺寸，保证功率器件的有效散热。

在一个优选的实施例中，进水汇流区6和出水汇流区7可以采用柱状腔体结构。

在一个优选的实施例中，基板2的进水通道8和出水通道9成直线或曲线连接至对应的汇流区。

在一个优选的实施例中，上盖板1、基板2与下盖板3焊接连接。

实施例2

如图5所示，本实施例提供一种高散热性能水冷散热器的设计方法，包括以下步骤：

1）根据功率器件的接触面面积和发热功率，初步确定水冷散热器的内部结构，具体为：

1.1）根据功率器件的接触面面积，确定水冷散热器内上盖板1和下盖板3的水腔4的面积和形状。

具体地，例如：如图6所示，功率器件的接触面为圆形，因此水冷散热器内上盖板1和下盖板3的水腔4采用圆形，水腔4深度为。

1.2）根据功率器件的发热功率，初步确定水冷散热器内上盖板1和下盖板3的水腔4上扰流柱5的数量、半径和间距，使得水冷散热器与冷却介质的对流换热系数最优，初步确定水冷散热器的内部结构：

式中，为对流换热系数，/>为水冷散热器上加载的功率器件的发热功率，/>为水冷散热器与冷却介质的温差，/>为扰流柱5的半径，/>为扰流柱5数量。

2）基于初步确定的水冷散热器的内部结构和预先设定的设计要求，对水冷散热器的流体散热进行仿真和分析，得到最终的水冷散热器的内部结构，具体为：

2.1）对水冷散热器流体散热进行仿真及分析，得到水冷散热器的流体散热仿真结果。

具体地，在有限元仿真软件中导入初步确定的水冷散热器的内部结构的模型，设置水冷散热器上加载的功率器件的发热功率和冷却介质的流量，得到水冷散热器的流体散热仿真结果。

具体地，水冷散热器的流体散热仿真结果包括水冷散热器表面最高温度值、进出水口温度值、仿真云图（用于确定水冷散热器表面均温性）、水冷散热器截面温度分布、水冷散热器内流体区域压力分布和水冷散热器流体区域速度分布。

2.2）根据仿真结果，确定初步确定的水冷散热器的内部结构是否满足预先设定的要求，若不满足，则对初步确定的扰流柱5的数量、半径和间距进行微调，进入步骤2.1）；若满足，则得到最终的水冷散热器的内部结构：

2.2.1）根据仿真结果和功率器件的器件手册给定值，确定初步确定的水冷散热器的功率器件的结温。

具体地，功率器件的结温为：

式中，为功率器件的结温，/>为水冷散热器上加载的功率器件的发热功率，/>为功率器件的结到壳热阻，/>为功率器件的壳到水冷散热器热阻，/>为水冷散热器热阻。

2.2.2）当功率器件的结温和仿真结果满足预先设定的要求时，对初步确定的扰流柱5的数量、半径和间距进行微调，进入步骤2.1）。

具体地，当功率器件的结温小于等于功率器件规格书上要求值的0.8倍降额要求且进出水通道流阻小于传统螺旋跑道式结构流阻且水冷散热器表面均温性良好（即水冷散热器表面温度变化梯度小，且功率器件底部与水冷散热器地接触面温度分布与水冷散热器进出水口位置无关）时，则认为水冷散热器的内部结构满足要求。

具体地，对初步确定的扰流柱5的数量、半径和间距进行微调的过程为：采用有限元仿真软件的模型前处理模块SCDM，将扰流柱5的数量、半径和间距设置为参数化变量，通过不同的参数设置及排列组合，进行仿真优化分析，得到微调后的扰流柱5的数量、半径和间距。由于有限元仿真软件的模型前处理模块SCDM的具体处理过程为现有技术公开的内容，因此具体过程在此不多做赘述。

2.2.3）当功率器件的结温和仿真结果满足预先设定的要求时，得到最终的水冷散热器的内部结构。

上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式和制作工艺等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (10)

1.一种高散热性能水冷散热器，其特征在于，包括从上到下依次固定连接的上盖板、基板和下盖板，所述上盖板和/或下盖板贴设功率器件；

所述上盖板和下盖板上均设置有水腔，所述上盖板和下盖板的所述水腔内均交错间隔设置有若干扰流柱，所述扰流柱用于使得流入的冷却介质在流过时形成旋涡和湍流，提高为功率器件散热的效率；

所述基板的中部设置有进水汇流区和出水汇流区，对应于所述进水汇流区和出水汇流区的位置，所述基板上设置有进水通道和出水通道，所述进水汇流区用于使得从所述进水通道流入的冷却介质汇流并进入所述上盖板和下盖板的所述水腔内，所述出水汇流区用于使得流过所述扰流柱的冷却介质汇流并从所述出水通道流出。

2.如权利要求1所述的一种高散热性能水冷散热器，其特征在于，所述扰流柱为柱状实体结构，若干所述扰流柱呈六边形结构交错间隔设置在所述水腔内。

3.如权利要求1所述的一种高散热性能水冷散热器，其特征在于，所述上盖板和下盖板的所述水腔内所述扰流柱的数量与位置相同，成镜像对称结构。

4.如权利要求1所述的一种高散热性能水冷散热器，其特征在于，所述上盖板和下盖板的所述水腔的面积取决于压接功率器件的尺寸。

5.如权利要求1所述的一种高散热性能水冷散热器，其特征在于，所述基板的进水通道和出水通道成直线或曲线连接至对应所述汇流区。

6.如权利要求1所述的一种高散热性能水冷散热器，其特征在于，所述上盖板和下盖板的所述水腔的面积和形状取决于采用的功率器件的品牌和型号。

7.一种基于权利要求1至6任一项所述的高散热性能水冷散热器的设计方法，其特征在于，包括：

根据功率器件的接触面面积和发热功率，初步确定水冷散热器的内部结构；

基于初步确定的水冷散热器的内部结构和预先设定的设计要求，对水冷散热器的流体散热进行仿真和分析，得到最终的水冷散热器的内部结构。

8.如权利要求7所述的设计方法，其特征在于，所述根据功率器件的接触面面积和发热功率，初步确定水冷散热器的内部结构，包括：

根据功率器件的接触面面积，确定水冷散热器内上盖板和下盖板的水腔的面积和形状；

根据功率器件的发热功率，初步确定水冷散热器内上盖板和下盖板的水腔上扰流柱的数量、半径和间距，使得水冷散热器与冷却介质的对流换热系数最优，初步确定水冷散热器的内部结构。

9.如权利要求7所述的设计方法，其特征在于，所述基于初步确定的水冷散热器的内部结构和预先设定的设计要求，对水冷散热器的流体散热进行仿真和分析，得到最终的水冷散热器的内部结构，包括：

对水冷散热器流体散热进行仿真及分析，得到水冷散热器的流体散热仿真结果；

根据仿真结果，确定初步确定的水冷散热器的内部结构是否满足预先设定的要求，若不满足，则对初步确定的扰流柱的数量、半径和间距进行微调后进行重新仿真及分析；若满足，则得到最终的水冷散热器的内部结构。

10.如权利要求9所述的设计方法，其特征在于，所述根据仿真结果，确定初步确定的水冷散热器的内部结构是否满足预先设定的要求，若不满足，则对初步确定的扰流柱的数量、半径和间距进行微调后进行重新仿真及分析；若满足，则得到最终的水冷散热器的内部结构，包括：

根据仿真结果，确定初步确定的水冷散热器的功率器件的结温：

；

式中，为功率器件的结温，/>为水冷散热器上加载的功率器件的发热功率，/>为功率器件的结到壳热阻，/>为功率器件的壳到水冷散热器热阻，/>为水冷散热器热阻；

当功率器件的结温和仿真结果满足预先设定的要求时，对初步确定的扰流柱的数量、半径和间距进行微调后进行重新仿真及分析；

当功率器件的结温和仿真结果满足预先设定的要求时，得到最终的水冷散热器的内部结构。