水冷散熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模塊

-.z......資料...水冷散熱器構(gòu)造設(shè)計(jì)模塊更改信息登記表版本更改原因更改說(shuō)明更改人更改時(shí)間目錄TOC\o"1-2"\h\z前言4摘要：5關(guān)鍵詞：5一.來(lái)源6二.適用圍6三.水冷散熱器的構(gòu)造設(shè)計(jì)6四.典型應(yīng)用案例：10五.構(gòu)造設(shè)計(jì)要點(diǎn)13參考文獻(xiàn)13前言摘要：本設(shè)計(jì)模塊介紹了水冷散熱器的構(gòu)造形式，該構(gòu)造主要應(yīng)用于風(fēng)能產(chǎn)品功率模塊散熱器構(gòu)造設(shè)計(jì)中。關(guān)鍵詞：散熱器水冷構(gòu)造密封接頭來(lái)源當(dāng)前風(fēng)力發(fā)電所處環(huán)境地惡劣性，以及機(jī)艙體積的狹小，需要對(duì)功率器件局部有較高的防護(hù)等級(jí)和高效的散熱，水冷具有高效的散熱性能和可以完全密封，我們采用水冷的方式對(duì)主功率系統(tǒng)進(jìn)展散熱；主功率模塊上IGBT的散熱需要通過(guò)水冷散熱器將熱量帶走，由于需要充分考慮水冷散熱器的構(gòu)造設(shè)計(jì)。本設(shè)計(jì)模塊中的構(gòu)造形式來(lái)源于水冷預(yù)研工程及風(fēng)能產(chǎn)品線1.25MW上電水冷變流器產(chǎn)品。相關(guān)產(chǎn)品已經(jīng)通過(guò)生產(chǎn)并得到驗(yàn)證。適用圍該構(gòu)造形式可用于大功率、高密度、高防護(hù)等級(jí)的功率器件散熱，如風(fēng)能和大功率變頻器等。由于應(yīng)用情況各有不同，請(qǐng)根據(jù)推薦使用圍合理選擇。水冷散熱器的構(gòu)造設(shè)計(jì)1、水冷散熱器的構(gòu)造形式水冷散熱器是通過(guò)流經(jīng)其部的流體將安裝在其上的器件的熱量帶走，其包含了部有流道的散熱器本體及連接外部進(jìn)出流體的進(jìn)出接頭〔如圖1〕。進(jìn)、出水接頭散熱器本體進(jìn)、出水接頭散熱器本體圖1水冷散熱器可按照器件安裝在散熱器上的安裝散熱面，將散熱器分為單面水冷散熱器、雙面水冷散熱器以及多面水冷散熱器。圖2為單面水冷散熱器。IGBT水冷散熱器IGBT水冷散熱器圖2單面水冷散熱器圖3為雙面水冷散熱器：圖3雙面水冷散熱器從兩種布局方式可以看出：?jiǎn)蚊嫠渖崞鞯钠骷季趾?jiǎn)單，但整個(gè)散熱器的尺寸較大，不易加工；相對(duì)于單面水冷散熱器，雙面水冷散熱器的器件布局緊湊，水冷散熱器的尺寸小，易于加工。2、水冷散熱器的流道形式水冷散熱器的部流道形式?jīng)Q定了整個(gè)散熱器的散熱效果，按照流體在部流動(dòng)方式可區(qū)分為：純并聯(lián)流道、純串連流道以及串聯(lián)并聯(lián)結(jié)合流道。每種流道方式有各自特點(diǎn)：串聯(lián)流道：阻力大，流速較高；并聯(lián)流道：阻力較串聯(lián)流道小，流速低。參考熱仿真建議采用串并聯(lián)組合的方式，在功率器件下方的流道設(shè)計(jì)為并聯(lián)流道，各個(gè)器件下方的并聯(lián)流道之間采用匯流流道相串聯(lián)〔如下列圖〕。圖4串聯(lián)并聯(lián)結(jié)合流道3、水冷散熱器本體的構(gòu)造形式及密封水冷散熱器本體是散熱器的最主要局部，在設(shè)計(jì)時(shí)一定要考慮到加工方式和密封。按照加工方式可分為：機(jī)械加工水冷散熱器、釬焊水冷散熱器、型材水冷散熱器。通過(guò)鉆孔、銑槽的方式加工出流道板的流道及流道的連接，將流道板同蓋板連接形成機(jī)械加工水冷散熱器本體，蓋板同流道板可采用螺釘連接和焊接的方法；使用螺釘連接需在蓋板和流道板間增加O型圈，利用O型圈的彈性變形保證密封〔如圖5〕；使用焊接方法焊接流道板和蓋板，需要保證焊接質(zhì)量，保證不會(huì)有泄漏；工藝孔可采用螺紋堵頭加螺紋密封膠的方法封堵，保證密封〔如圖6〕。圖5機(jī)械加工水冷散熱器機(jī)械加工水冷散熱器的流道主要用鉆孔方法獲得，加工工藝簡(jiǎn)單，機(jī)加工量大，但不可防止其流道轉(zhuǎn)折為直角、存在死角，會(huì)增加流道的流阻和在死角處留有氣體，直接影響水冷散熱器的散熱效率；同時(shí)由于鉆孔工藝的限制，散熱器的尺寸不能太大，有一定的限制〔同孔的尺寸有關(guān)〕。對(duì)于使用O型圈密封的散熱器，由于要銑出標(biāo)準(zhǔn)的溝槽來(lái)放置O型圈，會(huì)導(dǎo)致散熱器尺寸加大。圖6機(jī)械加工水冷散熱器在蓋板上銑出需要的流道，再將蓋板和中間焊接板釬焊形成釬焊水冷散熱器本體〔如圖7〕；此焊接為平面釬焊接，其密封由焊接質(zhì)量保證，必要時(shí)可釬焊后再在散熱器的一周焊縫增加氬弧焊。釬焊水冷散熱器的流道是在蓋板上銑加工出來(lái)，流道的轉(zhuǎn)角可以采用園角和很平滑過(guò)渡，可以很大程度上減小散熱器部流道的流阻。圖7釬焊水冷散熱器型材水冷散熱器利用型材作為散熱器中間體，形成水冷散熱器的主要流道，在端蓋上銑加工除部流道連接，再將端蓋同中間體焊接而成型材水冷散熱器的本體〔如圖8〕。型材水冷散熱器中間體采用了型材，其流道可以由型材直接加工而成，對(duì)于復(fù)雜流道及難以型材加工的流道，也可以采用幾個(gè)組合的方法，將簡(jiǎn)單流道同簡(jiǎn)單的零件組合而成。端蓋同中間體的連接為焊接，其密封質(zhì)量同型材水冷散熱器一樣，也是取決于焊接質(zhì)量。端蓋中間體端蓋端蓋中間體端蓋圖8型材水冷散熱器4、水冷散熱器接頭連接及密封水冷散熱器接頭與主體的連接也是有兩種方式：焊接〔如圖7焊接接頭〕和機(jī)械連接〔如圖8機(jī)械連接接頭〕。設(shè)計(jì)接頭時(shí)，不僅要考慮接頭同散熱器主體的連接方法和密封方式，還要考慮接頭同主管道間連接方法和密封方式，由此確定接頭的材料；采用焊接方法連接接頭同主體時(shí)需要考慮接頭同散熱器主體之間材料的可焊性；接頭同主管道間以軟管通過(guò)螺紋連接，需要考慮接頭螺紋強(qiáng)度，保證重復(fù)拆裝螺紋不會(huì)損壞。典型應(yīng)用案例：在風(fēng)能1.25MW上電水冷工程中，功率大，功率柜防護(hù)等級(jí)為IP54,功率模塊和電容組采用了水冷散熱，下部電感采用了風(fēng)冷散熱。功率模塊采用了雙面布IGBT的雙面水冷散熱器，三個(gè)功率模塊水平放置，整個(gè)功率柜的布局緊湊，三個(gè)功率模塊放置在同一水平位置，在功率模塊下方安裝一接水板，保證在偶然功率模塊漏液發(fā)生的情況下，漏液也不會(huì)影響到電容、電感等電氣件，容易實(shí)現(xiàn)功率模塊漏液的防護(hù)。主管道軟管功率模塊主管道軟管功率模塊圖9風(fēng)能1.25MW工程圖10功率模塊此散熱器由于雙面安裝IGBT，采用了雙層流道，兩個(gè)蓋板分別銑加工出流道，整個(gè)散熱器從進(jìn)水口經(jīng)過(guò)一層蓋板流道后，從中間焊接板到另一層蓋板，最后到出水口，總的流道為串聯(lián)流道，在每個(gè)器件下方，為保證散熱的均勻，流道設(shè)計(jì)為并聯(lián)。這樣的串、并聯(lián)流道，保證了散熱器上每個(gè)IGBT器件的散熱平均。圖11水冷散熱器在加工方式上，每個(gè)蓋板銑加工出流道后，同中間焊接板通過(guò)釬焊，形成了散熱器的本體，為了保證散熱器不會(huì)從焊接處出現(xiàn)泄漏，在散熱器的焊縫四周再進(jìn)展氬弧焊，保證了焊接的可靠；為了不使蓋板上器件安裝孔處泄漏，需要控制器件安裝孔的深度，不會(huì)打穿蓋板。由于蓋板為銑加工，設(shè)計(jì)中可以將流道的每個(gè)轉(zhuǎn)角處倒圓處理，使流道沒(méi)有尖角出現(xiàn)，大大減少了在散熱器部流道中的壓力損失。蓋板材料為防銹鋁3A21,中間焊接板也采用防銹鋁3A21材料，中間焊接板主要起到將兩層流道隔離，防止流道泄漏而影響散熱效率；蓋板同中間焊接板加工完成后，清洗、組裝定位加預(yù)緊力、進(jìn)真空爐釬焊。由于在真空爐釬焊過(guò)程有高溫、降溫過(guò)程，對(duì)于材料相當(dāng)于回火，因此螺紋不能夠在釬焊前加工，需要在釬焊后再進(jìn)展加工螺紋。散熱器接頭同主管道之間用軟管連接，接頭同軟管接頭局部按照德國(guó)DIN標(biāo)準(zhǔn)接頭尺寸設(shè)計(jì)，采用24°錐面加O形圈密封形式密封(DIN3865)〔如下列圖〕。圖12管接頭接頭同散熱器主體的連接，最初采用了焊接接頭，接頭材料選擇鋁合金，此種接頭加工簡(jiǎn)單，容易同散熱器主體焊接，但軟管接頭為鋼制螺紋，與軟管接頭配合，散熱器上的接頭容易損壞，接頭損壞，整個(gè)散熱器只能報(bào)廢。圖12焊接接頭將散熱器接頭優(yōu)化后，將散熱器接頭材料更改為不銹鋼304，提高螺紋連接強(qiáng)度，接頭同散熱器本體以螺釘連接緊固。圖13螺釘連接接頭螺釘連接接頭同散熱器本體的連接密封，設(shè)計(jì)上采用多個(gè)方面進(jìn)展密封，直徑15的凸出插入散熱器本體孔中，減少外泄漏間隙；在接頭上設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)溝槽，放置標(biāo)準(zhǔn)20*2.65的O型圈，使用O型圈進(jìn)展密封；在接頭和散熱器本體間涂加防水膠，保證無(wú)泄漏。圖14螺釘連接接頭構(gòu)造設(shè)計(jì)要點(diǎn)這里只是提出釬焊水冷散熱器設(shè)計(jì)中需要考慮的局部重要問(wèn)題，具體設(shè)計(jì)需要根據(jù)選用的水冷散熱器的形式具體分析，最重要的是保證散熱效果、保證密封、無(wú)泄漏。1、釬焊水冷散熱器本體流道