水冷散热技术 Johnson 讲师介绍 Johnson 工程热物理硕士 多年工作经验、曾就职于GE,EMERSON,华为等 企业 设计产品涵盖风电、光伏、户外柜、变频器、 UPS、通讯电源等 丰富的液体冷却设计经验 主要内容 水冷散热简介 水冷散热器设计与加工 冷却介质 换热器设计 整机设计 腐蚀与预防 实例讲解 水冷散热简介 为什么要用水冷？ 功率越来越大 体积越来越小 风冷的局限性 功率密度越来越大 水冷散热简介 水与空气的物性参数对比（50℃） 物性参数水空气 密度(kg/m3)9881.093 比热容(kJ/(kg·K))4.1741.005 导热系数(W/(m·K))0.6480.0283 运动粘度(×10-6m2/s)0.55617.95 普朗特数3.540.698 水冷散热简介 冷却方法的选择 水冷散热简介 水冷散热的优点 强大的载热能力 热量定向移动 静音环保，密封防尘 实时监测，使用安全 使用灵活，分离式散热 适用于高功率密度场合，热流密度大，热阻小 水冷散热简介 水冷散热的缺点 冷却成本高（相对于风冷） 冷却系统的可靠性低 受环境条件的限制 水冷散热简介 技术原理 冷却工质在泵的驱动下，通过LCS管路，把热量从 液冷散热器转移到环境，从而实现散热目的。
工质通常为纯水 为防冻，采用乙（丙）二醇水溶液 绝缘要求，去离子水，或变压器油 水冷散热系统构成 传统开放式液冷系统 构成：散热器、换热器、水泵、蓄水池或连水龙头上 优点：系统压力小，泄露风险小，组成灵活， 缺点：蓄水池使液冷系统得体积增大， 同时需要监控管路中水的流量 水冷散热系统构成 半开放式液冷系统 半开放式液冷系统的冷却水不需要经过水槽，水槽的 作用是预存储一定量的冷却液，当循环系统因渗漏而 导致冷却液不足时，可以通过水槽补充冷却液 水冷散热系统构成 闭式循环系统 构成：泵、换热器、散热器、管路 大功率电子设备（特别是对介质有较高要求时）采用 水冷散热系统构成 完整的闭式循环水冷系统 水冷散热系统构成 膨胀罐的作用 平衡压力 补充介质 调整背压 水冷散热系统构成 水泵的工作曲线 水冷散热系统构成 双回路循环系统 液-液式换热器、冷水机 主要内容 水冷散热简介 水冷散热器设计与加工水冷散热器设计与加工 冷却介质 换热器设计 整机设计 腐蚀与预防 实例讲解 常见水冷散热器形式 钻孔式(Gun-drilled cold plate) 优点： 加工简单 两侧均可安装器件 通过合理的设计，器件的 安装位置可不受限制 缺点： 尺寸受限 管道直角相交，流阻大 只能圆截面、热阻稍大 易泄露 常见水冷散热器形式 常见水冷散热器形式 浮泡式(Blister liquid cold plate) 优点： 流道可以灵活设计 器件安装位置不受限制 适合大批量生产 盲孔，器件安装位置灵活 缺点： 器件在厚铝板一侧，热阻大 散热器开盲孔，比较厚，重 焊接层不致密，存在泄漏风 险，且不易检漏 常见水冷散热器形式 普通嵌管式 (General Tube Liquid Cold Plates) 优点： 工艺简单，成本低 适用于大批量的生产 耐腐蚀，不易渗漏 缺点： 管与板间的接触热阻较大 管的弯曲半径影响 常见水冷散热器形式 接触型嵌管式 (Hi-contact Tube Cold Plates) 优点： 散热效率高，热阻小 适用于大批量的生产 耐腐蚀，不易渗漏 缺点： 成本稍高 管的弯曲半径影响 常见水冷散热器形式 扩展表面式(Extended Surface Cold Plates ) 优点 传热面积大，换热系数高， 热阻小 适合大批量生产 缺点： 流阻稍大 对焊接工艺要求高 成本高 常见水冷散热器形式 微通道型（Micro channel cold plate） 优点： 质量和尺寸较小 保证流量的条件下，散 热能力强，热阻小 缺点： 微通道尺寸小，对防粉尘颗 粒要求高； 无法预留螺钉孔，器件安装 困难 流动阻力比较大 常见水冷散热器形式 铣槽式(Milled channels Cold Plates) 优点 流道设计灵活 可以通过流道设计平衡 流阻和热阻 缺点： 盲孔，安装器件位置受限 对焊接要求较高 水冷散热器设计与加工 步骤 管道布局详细设计 相容性； 同一系统 内避免出 现两种以 上金属 （不锈钢 除外） 流量确定基材选择 温升控制 （经济性） 工质选择 计算所需 流量 螺钉避位 芯片位置 控制流速 管道组合 关系的考量 排气需要 可加工性 建模仿真 与优化 水冷散热器设计与加工 流量确定 能量守恒方程 流量 根据环境条件确定工质，获得密度和比热容 由经济性考虑，设定工质温升 根据总的发热量，确定流量 TVcQ P TcQV P / 水冷散热器设计与加工 管道截面形式 水冷散热器设计与加工 对水冷散热器的热阻网络分析 水冷散热器设计与加工 对流热阻分析 水力直径 D=4A/x A—— 截面积，x——湿周 比较截面积相同的长方形，正方形和圆形管道 D长 1750.0090.1321750900 脂肪族类(PAO)1750.0090.13722150770 硅树脂(硅油)9铝和铝合金特效长期存储和使 用中稳定性差 主要使用，解决 稳定性 铬酸盐多种金属6-11效果好，便宜毒性大、易被 还原、用量大 组合使用 脂肪酸多金属缓冲剂消耗缓慢，对铝合 金传热性能更好 -作为长寿命产品 腐蚀与预防 气蚀 流体在高速流动和压力变化 条件下，与流体接触的金属 表面上发生洞穴状腐蚀破坏 的现象 电化学腐蚀 液体局部压力低于汽化压力 液体温度升高 排气不完全 主要内容 水冷散热简介 水冷散热器设计与加工 冷却介质 换热器设计 整机设计 腐蚀与预防 实例讲解实例讲解实例讲解实例讲解 实例讲解 1.25MW双馈风电变流器设计 方案对比 实例讲解 1.25MW双馈风电变流器设计 网侧：总损耗为676W， 其中IGBT为 516W， 二极管为160W 。
实例讲解 1.25MW双馈风电变流器设计 流量确定 实例讲解 1.25MW双馈风电变流器设计 实例讲解 1.25MW双馈风电变流器设计 管径散热器最高温度管路压降 网侧转子侧 管径散热器最高温度管路压降 网侧转子侧 12mm66.766.67249Pa 10mm6564.916320Pa 8mm6665.823686Pa 实例讲解 2MW全功率风电变流器设计 实例讲解 损耗 140.2W 47.7W 实例讲解 尺寸限制 275 300 实例讲解 温度均匀性 实例讲解 流速 实例讲解 流动阻力 Q&A 谢谢大家谢谢大家 。