一種提高功率單元效能的水管變徑計算方法與流程

2023-05-21 21:28:16 1

本發明屬於大功率電力電子變換器領域，尤其涉及一種提高功率單元效能的水管變徑計算方法。
背景技術：
：當今時代，無論在國防、軍工、民用等重要領域，電力電子設備得到了廣泛的應用，其穩定性和可靠性也因此引起人們關注。在影響電力電子裝置的可靠性的多種因素中，散熱是至關重要的一個。在眾多的散熱方式中，水冷散熱以其較高的對流換熱係數，優秀的散熱效率，使其得到了廣泛的應用。如圖1是功率單元水路的示意圖，冷卻水從單元的總進水管流入，在支進水管處分流為支進水管一、支進水管二，再先後分別流經兩個水冷板和支出水管，在匯流至總出水管。在整個水循環的過程中，冷卻水在密閉的水路中循環，在流經水冷板時，發熱元件(主要是igbt)產生的熱量與冷卻液充分交換。作為功率耗散的媒介，冷卻水的流量越大，對發熱元件功率的耗散越有利，主要體現在水冷板的熱阻會隨著流量的加大而減小，即：間接提高了水冷板的導熱能力。而水管直徑影響流量的大小，因此需要合理設計水管，有利於各發熱元件的散熱。技術實現要素：為克服現有技術的不足，本發明的目的是提供一種提高功率單元效能的水管變徑計算方法，在成熟可靠的水管加工工藝基礎之上，調整水管的內徑，依據熱傳遞和流體力學理論，經過推導和計算，優化水路，更大程度地提高提高發熱元件的使用效率。為實現上述目的，本發明通過以下技術方案實現：一種提高功率單元效能的水管變徑計算方法，其特徵在於，合理分配功率單元各支路水管管徑，實現合理分配各支路冷卻水流量；而流量又影響功率單元水冷系統的散熱效能，具體包括以下步驟：1)igbt的結溫：tj_igbt＝p_igbt×(rth_igbt+rth_hs)+tin(1)式(1)中：p_igbt是igbt的損耗；rth_igbt是igbt的熱阻；rth_hs是水冷板的熱阻；tin是水冷板進水溫度；2)放電電阻的結溫：tj_resistor＝p_resistor×(rth_hs+rth_grease)+tin(2)式(2)中：p_resistor是放電電阻的損耗；rth_grease是放電電阻導熱矽脂的熱阻；3)rth_hs水冷板的熱阻計算：rth_hs＝[tmax-tin-p/(v×c×ρ)]×(a/p)(3)式(3)中：p是水冷板上發熱元件的損耗；c是冷卻水的比熱容；v冷卻水的流速；tmax是水冷板表面允許的最高溫度；ρ是冷卻水的密度；a是被冷卻區域的面積；4)各支路中水管內冷卻水流阻：h＝2×l×f×ρ×q2/(π×d3)+4×k×ρ×q/(π×d2×2000)(4)式(4)中：f是摩擦係數；l是水管長度；k是阻力係數；q是冷卻水流量；d是水管直徑；5)q冷卻水流量滿足各支路水管流量總和等於總水管的流量。與現有技術相比，本發明的有益效果是：調整水管的內徑，改變水冷板的冷卻效率，實現了優化水路的目的，依據熱傳遞和流體力學理論，經過推導和計算，再輔之以仿真，使得電力電子變換器功率單元的水冷散熱在一定程度上實現了水路優化，更大程度地開發了單元的功率變換能力。附圖說明圖1是功率單元水路的結構示意圖。圖2是功率單元水路的原理圖。圖3是放電電阻支路水管的縮徑示意圖。圖中：1-總進水管21-支進水管一22-支進水管二31-支出水管一32-支出水管二4-總出水管5-放電電阻61-水冷板一62-水冷板二7-絕緣墊板8-igbt。具體實施方式下面結合說明書附圖對本發明進行詳細地描述，但是應該指出本發明的實施不限於以下的實施方式。作為功率耗散的媒介，冷卻水的流量越大，對發熱元件功率的耗散越有利，主要體現在水冷板的熱阻會隨著流量的加大而減小，即：間接提高了水冷板的導熱能力(主要是熱阻rth_hs的減小)，經過推導，得到rth_hs水冷板的熱阻計算公式：rth_hs＝[tmax-tin-p/(v×c×ρ)]×(a/p)(3)式(3)中：p是水冷板上發熱元件的損耗；c是冷卻水的比熱容；v冷卻水的流速；tmax是水冷板表面允許的最高溫度；ρ是冷卻水的密度；a是被冷卻區域的面積；tin是水冷板進水溫度。從式(3)中不難看出，流量越大，水冷板的熱阻越小。冷卻水流量對水系統的散熱能力有著至關重要的作用。套用基爾霍夫定律：在任一瞬間，對總管中的任一節點，流進某一節點的水流量之和恆等於流出這一節點的流量之和，圖1中，流經總水管的總流量等於path1～path2兩個支路水管流量之和，即：總進水管1流量＝進水支管一流量+進水支管二流量；總出水管4流量＝出水支管一流量+出水支管二流量；q_pm_in＝q_path1+q_path2(5)將流體理論參數等效到電路學中，水壓差相當於電勢差，流量相當於電流，流阻相當於電阻，圖1結構圖可等效圖2的原理圖，據此不難看出，支路流阻的變化會使得其流量隨之變化，而水管縮徑可有效的調整流阻。在圖2的各支路中，水冷板的流阻-流量特性一般由廠家提供，而水管內冷卻水流阻的特性可依據下面公式得出：h＝2×l×f×ρ×q2/(π×d3)+4×k×ρ×q/(π×d2×2000)(4)式(4)中：f是摩擦係數；l是水管長度；k是阻力係數；q是冷卻水流量；d是水管直徑；用水管縮徑的方式調整各支路流阻進而影響流量的分配，間接提高水冷散熱的靈活性，優化功率單元的運行效能。在總流量不變的情況下，增加發熱量較小的放電電阻5支路的流阻，進而間接增加壓接式igbt(以下簡稱：ppigbt)支路的流量，使其結溫不變的同時，能夠運行在更嚴苛的工況。igbt的結溫：tj_igbt＝p_igbt×(rth_igbt+rth_hs)+tin(1)式(1)中：p_igbt是igbt的損耗；rth_igbt是igbt的熱阻；rth_hs是水冷板的熱阻；tin是水冷板進水溫度；見圖1，根據水路結構及各發熱元件熱阻，由式(1)可知，在水冷板進水溫度tin一定時，igbt的結溫即是tin+溫升。利用相同原理得到放電電阻5的結溫：tj_resistor＝p_resistor×(rth_hs+rth_grease)+tin(2)式(2)中：p_resistor是放電電阻5的損耗；rth_grease是放電電阻5導熱矽脂的熱阻；結合式(4)和圖2所示原理圖，建立模型，進而估算各支路流阻不同時的流量分配。實施例：1、流量分配的理想值在功率單元中，依賴水冷散熱的元件主要是ppigbt和放電電阻5。其中，放電電阻5的發熱量一般遠低於ppigbt，可以考慮適當降低放電電阻5水冷板的冷卻水流量。計算理想的水冷板熱阻值，見表1：表1數據代號數值單位放電電阻5損耗p_resistor200wppigbt損耗p_igbt2000w功率單元最高進水溫度tin60℃放電電阻5最高溫度t_r_max75℃ppigbt最高結溫t_igbt_max100℃放電電阻5導熱矽脂熱阻rth_grease0.061℃/wppigbt熱阻rth_igbt0.01℃/w按照發熱元件的最高溫度來倒推，可以得出理想的水冷板的熱阻值，據此，由式(1)可得：100＝2000×(0.01+rth_hs_igbt)+60，計算可得ppigbt水冷板熱阻理想值為：rth_hs_igbt＝0.01(℃/w)由式(2)可得：75＝200×(rth_hs_resistor+0.061)+60，計算可得放電電阻5水冷板熱阻理想值為：rth_hs_resistor＝0.014(℃/w)由水冷板廠家給出的熱阻-流量關係如表2：表2表2是美爾森提供的某型號水冷板的熱阻特性數據，查表得出：ppigbt支路水冷板理想流量為6(l/min)，放電電阻5支路水冷板理想流量為4(l/min)2、支路水管縮徑量的計算求得了各支路的流量之後，建立如圖2的水路模型。水流過兩個支路後，在支路的兩端會產生流阻。支路中包括水管和水冷板，水冷板的水路特性是廠家提供的。水管的流阻-流量可以通過式(4)擬合得到二次關係式，因此，通過計算非常繁瑣，仿真則更加便利、準確。ppigbt支路的水管無縮徑，內徑定為4mm，根據式(4)計算得到q和h的二次多項式：h＝1.7492×q2+0.0027794×q-0.00059982為了增加放電電阻5支路的流阻，其水管需要縮徑，見圖3，水管的內徑由粗變細，據此來增加水管的流阻；根據式(4)和圖2，最終確定縮徑至3.2mm時，得到放電電阻5支路水管多項式為：h＝4.47×q2+0.0027794×q-0.00059982得到：在總流量10l/min時，ppigbt支路和放電電阻5支路的流量分別為：6l/min和4l/min，滿足了流量分配的要求，進而滿足了水冷板熱阻的要求。本發明優點是在功率單元成本較高的物料保持不變得情況下，只通過調整水管的結構，即可提高發熱元件的使用效率，間接地降低了功率單元的使用成本，在不失穩定性的同時，提高了經濟性。當前第1頁12