密閉式冷卻循環(huán)水系統(tǒng)

1、1密閉式冷卻循環(huán)水系統(tǒng)應(yīng)用中的若干問題一、水冷卻系統(tǒng)對于電力電子器件的必要性與世界經(jīng)濟的快速發(fā)展相伴隨，節(jié)能節(jié)電的綠色經(jīng)濟成為世界各國所追求的目標。為達到電能的高效率運用，電力電子器件的應(yīng)用范圍在迅速擴大，而大功率器件本身的制造技術(shù)也在飛速發(fā)展，其結(jié)果是器件的電流密度不斷增加，器件本身的發(fā)熱量和表面的功率密度也快速加大。為了保證電力電子器件的可靠運行，從而對器件的冷卻系統(tǒng)提出了更高的要求。1、水冷與風(fēng)冷的比較：在大功率器件應(yīng)用的初期，是把功率器件固定在鋁或銅制的散熱器表面，靠自然風(fēng)冷降溫，功率再增加后就采用強迫風(fēng)冷（對同樣的散熱器面積，強迫風(fēng)冷可以提高幾倍的散熱量）。在加大散熱器面積的努力受到

2、機柜體積限制后，人們開始采用熱管，把熱量傳導(dǎo)到機柜之外再通過風(fēng)冷散熱器散熱，或在熱管尾部的翅片部分再使用強迫風(fēng)冷等。當(dāng)發(fā)熱功率再繼續(xù)增加，風(fēng)冷這條路再往下走就很困難了。因為熱管的長度是有限的，功率器件的熱量也總是散在室內(nèi)，大量熱的積聚就會使室溫增加。為了把室溫控制到能容許的限度，最后就要在室內(nèi)加空調(diào)降溫，但空調(diào)的制冷所消耗的電能是與制冷量成比例的，其能耗比大約為3：1，或略多一點。有許多單位試過這種方法，發(fā)現(xiàn)這樣會增加設(shè)備成本，和很大的運行成本。也有人試過用管道把熱風(fēng)從室內(nèi)導(dǎo)到室外，除了管道會占用室內(nèi)寶貴的空間外，隨之帶來的問題是空氣中的灰塵和污染物會隨著冷風(fēng)一起大量進入室內(nèi)，一段時間后，散熱

3、器附近積滿了灰塵，甚至引起絕緣擊穿和漏電。以上所述是為了把風(fēng)冷與水冷作比較。作為導(dǎo)熱介質(zhì)，lm3空氣升高1C帶 走的熱量大約只有1m3水升高1C帶走熱量的3200分之一，直徑一英寸（約25mm）的水管所流過的水量（按2m/s流速計）能帶走的熱量如果換成用風(fēng)帶走（風(fēng)速按6m/s計），就需截面積大1000倍的送風(fēng)管路（直徑約790mm）。即使風(fēng)冷通過管道進行，傳送距離也不能太遠，否則就要采用風(fēng)壓較高的風(fēng)機送風(fēng)，它帶來的噪聲有時又讓人難以忍受（而水冷系統(tǒng)使用的管路即使有幾十米或更長，也沒有任何傳送上的困難）。由于水冷散熱器的傳熱系數(shù)要遠大于風(fēng)冷散熱器，水冷散熱器的體積也遠小于風(fēng)冷散熱器。2、與油冷比

4、較：除了風(fēng)冷，常用的冷卻方式還有油冷。水冷裝置在電力系統(tǒng)中被大量使用之前，油冷一直用得很普遍，甚至今天還在大量用于變壓器等電力設(shè)備上。與水冷系統(tǒng)相比較，油冷的缺點主要是油的熱容量較?。s比水小一半），導(dǎo)熱率比水小20%，粘度則要大10倍或更高，作為一種流動的傳熱介質(zhì)來看，油的綜合導(dǎo)熱能力比水差。另一個缺點是其化學(xué)穩(wěn)定性遠不如水，油使用時間長了會降解，冷卻用油使用幾年以后就要過濾或更換，而水則不會。油的可燃性在電力系統(tǒng)的應(yīng)用上也不能說不是個缺點，還有漏出的油還會造成污染，等等。油比水好的地方，是它的絕緣性好，但純水在深度純化后，其絕緣性完全可以滿足幾乎最高等級工作電壓的絕緣要求。二、如何保證功率

5、器件的熱安全當(dāng)電路設(shè)計確定之后，如何保證系統(tǒng)的可靠性，冷卻就成了最重要的問題。功率器件的正確選擇和合理的冷卻設(shè)計才能保證大功率器件的安全運行。功率器件的發(fā)熱來自于芯片，隨著器件輸出功率的增大，發(fā)熱也隨之增加。但半導(dǎo)體材料的溫度承受能力是由其物理和化學(xué)特性決定的，對硅半導(dǎo)體來講，其允許結(jié)溫大約在125C至175C之間，溫度過高，輕則影響工作壽命，重則會造成器件內(nèi)部擊穿。功率器件的熱阻：Rtl=/tlIQ,其中Q：芯片的發(fā)熱功率，單位：W/tl:芯片與管売間的溫差，單位：CRt1是指芯片上的熱量從芯片傳到管殼表面時，其傳送的熱量與芯片和管殼間的溫差的比值，單位是WIC。我們也可以導(dǎo)出水冷散熱器的熱

6、阻：Rt2=/t2/Q/t2:水冷散熱器表面溫度與冷卻水的溫差當(dāng)把功率器件固定在水冷散熱器上降溫時，功率器件發(fā)的熱先從芯片傳到管売表面，再從管売經(jīng)水冷散熱器傳到冷卻水上，芯片與冷卻水之間的溫差即是這兩部分溫升之和，即：/t=/tl+/t2設(shè)功率器件芯片溫度t：t=/tl+/t2+t3其中t3：循環(huán)水溫為了使功率器件的芯片溫度t不超過安全范圍，應(yīng)保證系統(tǒng)的合理熱阻。從使用角度看，首先應(yīng)正確選擇器件的型號，保證在額定輸出功率時，/tl不超標；其次是合理的水冷散熱器的設(shè)計，保證/t2不超標；最后是水冷系統(tǒng)的設(shè)計，保證在當(dāng)?shù)貧鉁貤l件下，冷卻水溫t3滿足系統(tǒng)散熱的要求。對合理的水冷散熱器（水冷板）的內(nèi)部

7、水路設(shè)計，要適當(dāng)減小水流通道截面積，保證足夠的水流速；改變水流通道表面形狀，從平滑變成粗糙，使水的流動從層流變紊流，加劇水的翻滾；在熱量集中處下方的水流通道中，適當(dāng)增加一些支撐體（與表面金屬體相連的柱狀、條狀等），以減小熱區(qū)的熱阻，等等。這些都可以有效的減小/t2，提高傳熱效率。在水冷系統(tǒng)的設(shè)計中，也有個方案選擇問題。例如在同樣的環(huán)境溫度條件下，水-水換熱方式就比水-風(fēng)換熱器具有較低的循環(huán)水溫，合理選擇冷卻系統(tǒng)中水-水或水-風(fēng)換熱器的換熱面積，也可以從另一方面保證器件芯片在安全的工作溫度范圍。當(dāng)然，正確的水冷散熱器（即水冷板）的設(shè)計是首先應(yīng)該考慮的。合理的方案選擇正是為了在技術(shù)要求和經(jīng)濟性之間

8、找到平衡點。三、如何選擇水冷卻的換熱方式功率器件所發(fā)的熱量最終要從芯片轉(zhuǎn)移到自然界，轉(zhuǎn)移到大氣中去。但不同的冷卻方式，循環(huán)水溫與環(huán)境溫度的關(guān)系是不一樣的，價格和經(jīng)濟性也不同。目前共有如下三種常用散熱方式。水-風(fēng)換熱方式：一般是采用帶鋁翅片的鋁管串聯(lián)或并聯(lián)起來作為水的通路，用電風(fēng)扇進行強迫風(fēng)冷。循環(huán)水在管內(nèi)密閉式流動，其熱量通過管壁外的風(fēng)帶走。此時，管內(nèi)水溫將永遠高于外部環(huán)境的空氣溫度，其溫差取決于散熱器面積大小和結(jié)構(gòu)。為了在散熱效果和經(jīng)濟性之間取得一個平衡，一般設(shè)計時，循環(huán)水溫與環(huán)境溫度之差可在15C到5C之間選擇。例如某地區(qū)夏季最高氣溫為40C,如水風(fēng)換熱器換熱溫差選10C，此時從換熱器出口

9、的水溫為50C。這個溫度值在大多數(shù)場合均可滿足功率器件的需要。水-水換熱方式：這種方法首先必須有一個冷卻塔，通過板式換熱器把內(nèi)循環(huán)水的熱量與冷卻塔中的外循環(huán)冷卻水的熱量進行交換，把內(nèi)循環(huán)水溫降下來。冷卻塔的出水溫度除和冷卻塔的風(fēng)量及有效面積有關(guān)外，最終影響的因素是大氣環(huán)境的濕球溫度。濕球溫度是一個既和環(huán)境溫度（干球溫度）有關(guān)，又和大氣相對濕度有關(guān)的量，濕球溫度高于當(dāng)時大氣的露點溫度（使空氣得以結(jié)露的物體表面溫度），又低于大氣溫度。它是用蒸發(fā)法降低水溫的最低極限值。例如某地的濕球溫度一年中最高設(shè)計參考值為28C,冷卻塔的循環(huán)水的出水溫度設(shè)計值一般比濕球溫度高3-4C，屆時冷卻塔出水溫度應(yīng)為31-

10、32C，如果環(huán)境中相對濕度不是太高，一般冷卻塔出水溫度可能比環(huán)境溫度低。若板式換熱器內(nèi)外水之間的設(shè)計平均溫差為5C,那水冷系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)水的輸出水溫僅為36-37，這個溫度要比前面說到的水風(fēng)換熱器夏季出水的最高溫度50C低多了。由此看來,采用水-水換熱方式在水溫上比水風(fēng)換熱器好,但是它要大量消耗水是首先要解決的問題，在嚴重缺水地區(qū)就不可取。而且冷卻塔要占據(jù)一定面積和空間，運行和維護要比水風(fēng)換熱器復(fù)雜一些，這些因素在實際應(yīng)用時應(yīng)綜合考慮。制冷方式：當(dāng)某些設(shè)備要求的冷卻水溫遠低于當(dāng)?shù)刈罡邭鉁貢r，如30C以下，甚至更低，用水-風(fēng)換熱器和水-水換熱器就都無法實現(xiàn)了，此時就必須考慮用制冷機給循環(huán)水降溫。制冷

11、機的特點是其出水溫度范圍可以從很低開始，直到30C附近，范圍較寬，溫度控制精度也較高。前面曾提到制冷機用于空氣降溫時的設(shè)備費用和運行費用都要遠高于水-風(fēng)換熱方式，維護也復(fù)雜些，用于水冷時也如此。因此，制冷機是在其他方法都達不到溫度要求時的一種可能的選擇。四、水冷系統(tǒng)中的其他參數(shù)（電阻率，水壓，流量）的保證1、循環(huán)水的電阻率：在電力電子器件的水冷卻系統(tǒng)中，循環(huán)水的電阻率是水的純度的一個重要指標，水質(zhì)越純，電阻率越高。如果被冷卻的器件外殼不帶電，例如IGBT等，循環(huán)水的電阻率要求可以低一些，如0.1MQcm這個純度的水可以保證不會結(jié)垢和造成管路堵塞，也不會引起腐蝕。若被冷卻器件表面帶電，為了防止在

12、高電位差情況下引起通過水路的漏電，水的電阻率應(yīng)在2MQcn以上或更高，具體數(shù)值和工作電壓與被冷卻對象特性有關(guān)。為了保證循環(huán)水的高純度，就要求所有接觸循環(huán)水的容器、管路、被冷卻元件的表面必須是具有低溶出度的材料，如不銹鋼，沒有添加任何易溶雜質(zhì)的高分子材料，如PPRUPVCPVDF,和表面經(jīng)過氧化處理的鋁管等。銅和其他易溶出的金屬材料不可直接使用（除非在表面涂覆保護層）。即便如此，循環(huán)水在長期運行中，也會因上述材料的少量溶出逐漸變得純度不合格。對應(yīng)的措施是在循環(huán)水路中串聯(lián)純化裝置，其中裝有離子交換樹脂，水在循環(huán)過程中，總在不斷的被提純。水的最終純度取決于純化速度和溶出速度的動態(tài)平衡。離子交換樹脂也

13、有壽命，工作幾年后，樹脂飽和了，水質(zhì)會下降，到時必須更換。2、工作水壓：冷卻循環(huán)系統(tǒng)的水流動力由循環(huán)水泵提供，在額定的水泵工作水壓下，系統(tǒng)的流量可得到保證。水壓的分配首先要滿足被冷卻系統(tǒng)的需要，要了解（或通過測試得到）每一個被冷卻的器件的需要的水壓降和額定流量，按其最大值確定系統(tǒng)的額定水壓。這其中還要考慮管路帶來的水壓降，尤其是管路較長或管路水阻較大時。最后還要考慮到水冷系統(tǒng)內(nèi)部管路引起的水壓降。系統(tǒng)設(shè)計時，水泵揚程的選擇要比上述三部分水壓之和略大一些，使用中再通過閥門進行調(diào)節(jié)。3、流量分配：被冷卻系統(tǒng)在使用中最常見的問題是怎樣在各個被冷卻元件中合理分配流量。實際上，被冷卻系統(tǒng)的各個元件在水路

14、上都是并聯(lián)的，他們的進出水口之間的水壓相同，但每個器件的水阻和需水量卻并不同，這就要求在最后調(diào)試時進行流量調(diào)整。調(diào)整的辦法是先通過調(diào)節(jié)干路的總閥門，使進出水干管間的水壓差維持在設(shè)計值，并依次在被冷卻器件的水路上串聯(lián)一個流量計，如流量計顯示實際水流量超標，可在其進水管端加阻尼件，通過改變水流截面的辦法調(diào)整流量，直7到達到設(shè)計流量。用此法找到每種器件的阻尼量，把所有被冷卻元件調(diào)整一遍，使流量的分配達到設(shè)計值。五、水冷系統(tǒng)的可靠性保證在大型電力電子裝置中，水冷系統(tǒng)只是一個輔助系統(tǒng)，且運行中間基本是無人值守。但水冷系統(tǒng)的任何故障都可能威脅到整個裝置的安全，因此水冷系統(tǒng)的可靠性就顯得非常重要。提高可靠性

15、除了正確合理的設(shè)計，選取可靠的配套部件和優(yōu)質(zhì)原材料外，根據(jù)多年的實踐，我們認為還應(yīng)注意以下幾個問題：1、冷卻水路的可靠性保證：首先是保證不漏水，哪怕是滲漏也不行。考慮到電力系統(tǒng)的高電壓工作環(huán)境和密閉式循環(huán)水路的特點，這個要求很必要。引起漏水的主要部位是管路部分的連接密封，尤其是小直徑的水接頭，數(shù)量很大，它的漏水占事故率的比例最大。經(jīng)過多年的實踐，我們已經(jīng)找到解決滲漏問題的方法，從設(shè)計、原材料選擇、加工工藝和質(zhì)量管理等幾方面進行了改進，使漏水率大幅下降。此外，對于較大型設(shè)備還在監(jiān)控系統(tǒng)中增加了滲漏檢測和報警，這進一步提高了系統(tǒng)可靠性。影響水路運行壽命的另一個關(guān)鍵部位是水泵，它是系統(tǒng)中唯一的連續(xù)運

16、動機械部件，水泵的密封件和軸承的磨損是決定其壽命的重要因素。解決的方法是：選用質(zhì)量好的品牌的產(chǎn)品；采用雙泵，一備一用，并定時切換；對可靠性要求更高的設(shè)備，可酌情采用屏蔽泵（其壽命比一般離心泵高幾倍，且從原理上保證不會漏水，但價格較高）。2、冗余設(shè)計和電磁兼容：系統(tǒng)的冗余設(shè)計的一個例子，就是上面提到的水泵的一備一用。除此以外在系統(tǒng)的控制方面還會考慮控制系統(tǒng)本身，如檢測儀表的冗余，包括控制器PLC的冗余。水冷系統(tǒng)的檢測儀表是用來對一些重要的 系統(tǒng)參量，例如溫度、流量、壓力、液位、電導(dǎo)率等進行檢測、發(fā)出報警或跳閘信號用的。冗余即是采用兩個或以上的儀表同時檢測一個量，當(dāng)某個儀表出現(xiàn)故障時，控制軟件可以采用正確信息，排除故障儀表發(fā)出的錯誤信息。在重要場合，尤其是特大型系統(tǒng)，往往會采取這些措施，來保證系統(tǒng)的可靠性。符合電磁兼容標準要求是保證系統(tǒng)可靠運行的另一方面。尤其當(dāng)水冷系統(tǒng)本身處于強電磁干擾環(huán)境中時，更顯重要。因此應(yīng)按照相關(guān)技術(shù)標準進行電