用於電子功率模塊冷卻的水冷基板試驗臺及其試驗方法

2023-10-04 06:37:39

專利名稱：用於電子功率模塊冷卻的水冷基板試驗臺及其試驗方法
技術領域：
本發明涉及一種水冷基板及其試驗方法，尤其涉及一種用於電子功率模塊冷卻的水冷基板試驗臺及其試驗方法。
背景技術：
水冷基板是用於電子功率模塊冷卻元件，電子功率模塊包括電力機車及動車組變流器用功率模塊及風電設備變流器用功率模塊等。水冷基板性能測試驗的準確程度直接關係電子功率模塊能否正常使用，現水冷基板性能試驗臺存在如下問題(I)冷卻液流量不能保持恆定有較大波動；(2)冷卻液進口溫度難控制，調節周期長；(3)試驗系統運行一段時間有氣泡產生，影響測量準確性(4)溫度壓力採集的實時性較差，很難直觀確認系統是否處於平衡狀態。

發明內容
本發明所解決的技術問題是克服現有技術的不足，提供一種測量準確，控制方便的水冷基板試驗臺及其試驗方法。本發明採用的技術方案是用於電子功率模塊冷卻的水冷基板試驗臺，包括以下系統-數據採集系統包括溫度傳感器、壓力傳感器、電子流量計和數據採集卡；-自動控制系統包括PC機、電磁閥、直流可控電源和變頻泵；-儲液除氣保壓系統包括可變容積隔膜膨脹水箱、真空泵、雙向自動控壓閥和抽氣閥；-加熱系統包括預熱段加熱單元和試驗段加熱單元；-冷卻系統包括散熱器和變頻風機；-連接管路包括不鏽鋼管、快速插頭，過濾器、截止閥和放氣閥。數據採集系統採集試驗臺的各項數據，提供給自動控制系統，根據計算，自動控制系統控制儲液除氣保壓系統，加熱系統和冷卻系統的運轉，連接管路，將各系統的部件連接到一起，組合一個完整的用於電子功率模塊冷卻的水冷基板試驗臺。連接管路在每個測試儀器的前端不鏽鋼管長度大於等於10倍不鏽鋼管直徑。連接試驗段加熱單元的不鏽鋼管外層包覆保溫棉。變頻泵進出口安裝有過濾器。用於電子功率模塊冷卻的水冷基板試驗臺的試驗方法，其特徵在於包括使冷卻液流量恆定的方法，包括以下步驟步驟一先確定冷卻液的最大流量；步驟二 估算在旁通管路電磁閥關閉，所有閥全開情況下的系統阻力，確認變頻泵的出口壓力；步驟三調節變頻泵出口壓力，使主管路流量略大於額定流量；
步驟四根據電子流量計的管路流量反饋，PC機控制電磁閥開啟，使主管路流量穩定在額定流量。還包括準確快速調節水冷基板進口冷卻液溫度的方法，包括以下步驟 步驟一先確定水冷基板試驗段入口冷卻液溫度T3和水冷基板散熱量；步驟二 計算出水冷基板試驗段出口冷卻液溫度T4等於散熱器進口冷卻液溫度T5，要求散熱器的最大散熱功率應大於水冷基板加熱功率；步驟三根據冷卻系統匹配原理圖調節變頻風機轉速，使散熱器出口冷卻液溫度T6不大於試驗段入口冷卻液溫度T3 ；步驟四PC機通過計算自動調節預熱段加熱單元加熱功率使預熱段出口冷卻液溫度T2/驗段入口冷卻液溫度T3穩定在額定值，自動調節水冷基板加熱功率至額定值。還包括取出水冷基板試驗臺內的空氣及溶解在冷卻液中不凝氣體的方法，包括以下步驟步驟一在試驗前通過預熱段加熱單元把系統冷卻液加熱至50-70°C ；步驟二 關閉雙向自動控壓閥，開動真空泵運行5-10分鐘，使溶解在冷卻液內的不凝氣體析出；步驟三關閉真空泵，開動變頻泵運行5-10分鐘，在此過程開通抽氣閥進行二次排氣;步驟四再關閉變頻泵，重起真空泵進行抽氣5-10分鐘；步驟五抽氣完畢後打開雙向自動控壓閥，使可變容積隔膜膨脹水箱系統壓力穩定，接近大氣壓力。本發明的有益效果是(1)保證試驗系統內冷卻液流量穩定且提高測量精度；(2)準確快速調節水冷基板進口冷卻液溫度；(3)有效去除系統內空所及溶解在冷卻液內的不凝氣體；(4)實時檢測測量數據包括冷卻液流量，水冷基板進出口溫度、壓力，散熱器及預熱段進出口溫度，測量數據以數值-時間二維圖顯示在PC操作界面上，方便判斷試驗狀態；
(5)實現冷卻系統快速安裝，以便適用不同型號的水冷基板試驗。


圖1為本發明用於電子功率模塊冷卻的水冷基板試驗臺及其試驗方法的水冷基板試驗臺的示意圖；圖2為本發明用於電子功率模塊冷卻的水冷基板試驗臺及其試驗方法的冷卻系統匹配原理圖。
具體實施例方式下面結合附圖對發明作進一步說明。如圖1所示為本發明用於電子功率模塊冷卻的水冷基板試驗臺及其試驗方法的水冷基板試驗臺的示意圖。用於電子功率模塊冷卻的水冷基板試驗臺，包括以下系統-數據採集系統1:包括溫度傳感器11、壓力傳感器12、電子流量計13和數據採集卡14等；溫度傳感器11可使用Omega凱裝T型熱電偶測量管路中冷卻液的溫度，直徑
3.可選，使用Omega T型熱電偶線安裝在水冷基板測溫面監測板面溫度，熱電偶線頭部直徑O. 8-lmm,精度O. 1°C，;壓力傳感器12採用Setra_209，精度2. 5%，量程可根據試驗要求進行選擇；電子流量計13採用靶式流量計，可以直接把測試數據返饋給上位PC機21同時顯示在LED數字顯示屏上，量程可根據試驗要求進行選擇；-自動控制系統2:包括PC機21、電磁閥22、直流可控電源23和變頻泵24等；PC機21採用具有RS232/RS485接口的臺式機，作業系統為WIN7/XP。電磁閥22採用Parker公司的流體控制閥，與管道連接接口為G3/4螺紋；直流可控電源23由臺灣瑞領公司提供，由PC機21控制輸出功率，電源規格根據試驗臺要求選型；變頻泵24採用臥式恆壓變頻水泵，可以自動調節變頻水泵的出口壓力，因此保證系統流量穩定。-儲液除氣保壓系統3:包括可變容積隔膜膨脹水箱31、真空泵32、雙向自動控壓閥33和抽氣閥34等。實現儲液除氣保壓系統功能的裝置可採用上海徐淨排氣定壓補水機組。-加熱系統4:包括預熱段加熱單元41和試驗段加熱單元42等。預熱段的加熱單元41根據試驗水冷板入口冷卻液溫度要求進行訂製；試驗段的加熱單元42根據試驗水冷板的模擬加熱功率要求進行訂製，材料為通電發熱的金屬合金絲與絕熱保溫的耐火纖維經特殊的加工工藝組合在一 起。-冷卻系統5:包括散熱器51和變頻風機52等。散熱器51為板翅式散熱器,散熱器51冷卻液入口溫度為水冷基板的出口溫度，散熱器51冷卻液出口溫度小於等於水冷基板的入口溫度，要求在環境溫度小於30°C時,散熱器51的散熱量應不小於水冷基板的散熱量，變頻風機52採用無級電壓調速工作方式。-連接管路6:包括不鏽鋼管61、快速插頭62，過濾器63、截止閥64和放氣閥65等。所述連接管路6採用Φ 28x8不鏽鋼管61、接頭採用G3/4管螺紋、接頭與接頭連接採用快速插頭62，過濾器63、截止閥64等；快速插頭62螺紋側採用G3/4螺紋，過濾器63和截止閥64根據冷卻液材質及管徑選型。數據採集系統I採集試驗臺的各項數據，提供給自動控制系統2，根據計算，自動控制系統2控制儲液除氣保壓系統3,加熱系統4和冷卻系統5的運轉，連接管路6,將各系統的部件連接到一起，組合一個完整的用於電子功率模塊冷卻的水冷基板試驗臺。連接管路6在每個測試儀器的前端不鏽鋼管61長度要求大於等於10倍不鏽鋼管直徑。連接試驗段加熱單元42的不鏽鋼管61外層包覆保溫棉。變頻泵24進出口安裝有過濾器25。圖1中Pl表示膨脹水箱內的壓力，P2表示試驗段進口冷卻液壓力，P3表示試驗段出口冷卻液壓力，Tl表示預熱段進口冷卻液溫度，T2表示預熱段的出口冷卻液溫度，T3表示試驗段的進口冷卻液溫度，T4表示試驗段出口冷卻液溫度，T5表示換熱器進口冷卻液溫度，T6表示換熱器出口冷卻液溫度。用於電子功率模塊冷卻的水冷基板試驗臺的試驗方法，包括使冷卻液流量恆定的方法，包括以下步驟步驟一先確定冷卻液的最大流量；步驟二 估算在旁通管路電磁閥22關閉，所有閥全開情況下的系統阻力，確認變頻泵24的出口壓力；
步驟三調節變頻泵24出口壓力，使主管路流量略大於額定流量；步驟四根據電子流量計13的管路流量反饋，PC機11控制電磁閥22開啟，使主管路流量穩定在額定流量。用於電子功率模塊冷卻的水冷基板試驗臺的試驗方法，還包括準確快速調節水冷基板進口冷卻液溫度的方法，包括以下步驟步驟一先確定水冷基板試驗段入口冷卻液溫度T3和水冷基板散熱量；步驟二 計算出水冷基板試驗段出口冷卻液溫度T4等於散熱器51進口冷卻液溫度T5，要求散熱器51的最大散熱功率應大於水冷基板加熱功率；步驟三根據冷卻系統匹配原理圖(如圖2所示)調節變頻風機52轉速，使散熱器51出口冷卻液溫度T6不大於試驗段入口冷卻液溫度T3 ；步驟四PC機21通過計算自動調節預熱段加熱單元41加熱功率使預熱段出口冷卻液溫度T2/驗段入口冷卻液溫度T3穩定在額定值，自動調節水冷基板加熱功率至額定值。用於電子功率模塊冷卻的水冷基板試驗臺的試驗方法，還包括取出水冷基板試驗臺內的空氣及溶解在冷卻液中不凝氣體的方法，包括以下步驟步驟一在試驗前通過預熱段加熱單元41把系統冷卻液加熱至50_70°C ；步驟二 關閉雙向自動控壓閥33，開動真空泵32運行5_10分鐘，使溶解在冷卻液內的不凝氣體析出；步驟三關閉真空泵32，開動變頻泵24運行5-10分鐘，在此過程開通抽氣閥34進行二次排氣；步驟四再關閉變頻泵24，重起真空泵32進行抽氣5-10分鐘；步驟五抽氣完畢後打開雙向自動控壓閥33，使可變容積隔膜膨脹水箱31系統壓力穩定，接近大氣壓力。最後應說明的是雖然以上描述了本發明的具體實施方式
，但是本技術領域的普通技術人員應當理解，這些僅是舉例說明，可以對這些具體實施方式
做出多種變更或修改，而不背離本發明的原理和實質，本發明的保護範圍由權利要求書限定。
權利要求
1.用於電子功率模塊冷卻的水冷基板試驗臺，其特徵在於包括以下系統 -數據採集系統(I):包括溫度傳感器(11)、壓力傳感器(12)、電子流量計(13)和數據採集卡(14)； -自動控制系統(2):包括PC機(21)、電磁閥(22)、直流可控電源(23)和變頻泵(24)；-儲液除氣保壓系統(3):包括可變容積隔膜膨脹水箱(31)、真空泵(32)、雙向自動控壓閥(33)和抽氣閥(34)； -加熱系統(4):包括預熱段加熱單元(41)和試驗段加熱單元(42)； -冷卻系統(5):包括散熱器(51)和變頻風機(52)； -連接管路(6):包括不鏽鋼管(61)、快速插頭(62)，過濾器(63)、截止閥(64)和放氣閥(65)。
數據採集系統(I)採集試驗臺的各項數據，提供給自動控制系統(2)，根據計算，自動控制系統(2)控制儲液除氣保壓系統(3)，加熱系統(4)和冷卻系統(5)的運轉，連接管路(6)，將各系統的部件連接到一起，組合一個完整的用於電子功率模塊冷卻的水冷基板試驗臺。
2.根據權利要求1所述的用於電子功率模塊冷卻的水冷基板試驗臺，其特徵在於連接管路(6)在每個測試儀器的前端不鏽鋼管(61)長度大於等於10倍不鏽鋼管直徑。
3.根據權利要求1所述的用於電子功率模塊冷卻的水冷基板試驗臺，其特徵在於連接試驗段加熱單元(42 )的不鏽鋼管(61)外層包覆保溫棉。
4.根據權利要求1所述的用於電子功率模塊冷卻的水冷基板試驗臺，其特徵在於變頻泵(24)進出口安裝有過濾器(25)。
5.用於電子功率模塊冷卻的水冷基板試驗臺的試驗方法，其特徵在於包括使冷卻液流量恆定的方法，包括以下步驟 步驟一先確定冷卻液的最大流量； 步驟二 估算在旁通管路電磁閥(22)關閉，所有閥全開情況下的系統阻力，確認變頻泵(24)的出口壓力； 步驟三調節變頻泵(24)出口壓力，使主管路流量略大於額定流量； 步驟四根據電子流量計(13 )的管路流量反饋，PC機(11)控制電磁閥(22 )開啟，使主管路流量穩定在額定流量。
6.根據權利要求5所述的用於電子功率模塊冷卻的水冷基板試驗臺的試驗方法，其特徵在於還包括準確快速調節水冷基板進口冷卻液溫度的方法，包括以下步驟 步驟一先確定水冷基板試驗段入口冷卻液溫度T3和水冷基板散熱量； 步驟二 計算出水冷基板試驗段出口冷卻液溫度T4等於散熱器(51)進口冷卻液溫度T5，要求散熱器(51)的最大散熱功率應大於水冷基板加熱功率； 步驟三根據冷卻系統匹配原理圖調節變頻風機(52)轉速，使散熱器(51)出口冷卻液溫度T6不大於試驗段入口冷卻液溫度T3 ； 步驟四PC機(21)通過計算自動調節預熱段加熱單元(41)加熱功率使預熱段出口冷卻液溫度T2/驗段入口冷卻液溫度T3穩定在額定值，自動調節水冷基板加熱功率至額定值。
7.根據權利要求5所述的用於電子功率模塊冷卻的水冷基板試驗臺的試驗方法，其特徵在於還包括取出水冷基板試驗臺內的空氣及溶解在冷卻液中不凝氣體的方法，包括以下步驟 步驟一在試驗前通過預熱段加熱單元(41)把系統冷卻液加熱至50-70°C ； 步驟二 關閉雙向自動控壓閥(33)，開動真空泵(32)運行5-10分鐘，使溶解在冷卻液內的不凝氣體析出； 步驟三關閉真空泵(32)，開動變頻泵(24)運行5-10分鐘，在此過程開通抽氣閥(34)進行二次排氣； 步驟四再關閉變頻泵(24)，重起真空泵(32)進行抽氣5-10分鐘； 步驟五抽氣完畢後打開雙向自動控壓閥(33)，使可變容積隔膜膨脹水箱(31)系統壓力穩定，接 近大氣壓力。
全文摘要
用於電子功率模塊冷卻的水冷基板試驗臺，包括以下系統數據採集系統1，自動控制系統2，儲液除氣保壓系統3，加熱系統4，冷卻系統5和連接管路6。水冷基板試驗臺及其試驗方法包括使冷卻液流量恆定的方法，準確快速調節水冷基板進口冷卻液溫度的方法和取出水冷基板試驗臺內的空氣及溶解在冷卻液中不凝氣體的方法。本發明保證試驗系統內冷卻液流量穩定且提高測量精度；準確快速調節水冷基板進口冷卻液溫度；有效去除系統內空所及溶解在冷卻液內的不凝氣體；實時檢測測量數據，測量數據以數值-時間二維圖顯示在PC操作界面上，方便判斷試驗狀態；實現冷卻系統快速安裝，以便適用不同型號的水冷基板試驗。
文檔編號G01D21/02GK103063249SQ20121056792
公開日2013年4月24日 申請日期2012年12月24日 優先權日2012年12月24日
發明者王碩 申請人:中國北車集團大連機車研究所有限公司