密闭式冷却循环水系统应用中的若干问题

电气的基本知识点

密闭式冷却循环水系统应用中的若干问题

密闭式冷却循环水系统
应用中的若干问题
天津市华瑞赛晶兴路水科技有限公司 沈英魁
一、水冷却系统对于电力电子器件的必要性
与世界经济的快速发展相伴随，节能节电的绿色经济成为世界各国所追求的目标。为达到电能的高效率运用，电力电子器件的应用范围在迅速扩大，而大功率器件本身的制造技术也在飞速发展，其结果是器件的电流密度不断增加，器件本身的发热量和表面的功率密度也快速加大。为了保证电力电子器件的可靠运行，从而对器件的冷却系统提出了更高的要求。
1、水冷与风冷的比较：在大功率器件应用的初期，是把功率器件固定在铝或铜制的散热器表面，靠自然风冷降温，功率再增加后就采用强迫风冷（对同样的散热器面积，强迫风冷可以提高几倍的散热量）。在加大散热器面积的努力受到机柜体积限制后，人们开始采用热管，把热量传导到机柜之外再通过风冷散热器散热，或在热管尾部的翅片部分再使用强迫风冷等。当发热功率再继续增加，风冷这条路再往下走就很困难了。因为热管的长度是有限的，功率器件的热量也总是散在室内，大量热的积聚就会使室温增加。为了把室温控制到能容许的限度，最后就要在室内加空调降温，但空调的制冷所消耗的电能是与制冷量成比例的，其能耗比大约为3：1，或略多一点。有许多单位试过这种方法，发现这样会增加设备成本，和很大的运行成本。也有人试过用管道把热风从室内导到室外，除了管道会占用室内宝贵的空间外，随之带来的问题是空气中的灰尘和污染物会随着冷风一起大量进入室内，一段时间后，散热器附近积满了灰尘，甚至引起绝缘击穿和漏电。
以上所述是为了把风冷与水冷作比较。作为导热介质，1m3空气升高1℃带走的热量大约只有1m3水升高1℃带走热量的3200分之一，直径一英寸（约25mm）的水管所流过的水量（按2m/s流速计）能带走的热量如果换成用风带走（风速按6m/s计），就需截面积大1000倍的送风管路（直径约790mm）。即使风冷通过管道进行，传送距离也不能太远，否则就要采用风压较高的风机送风，它带来的噪声有时又让人难以忍受（而水冷系统使用的管路即使有几十米或更长
，也没有任何传送上的困难）。由于水冷散热器的传热系数要远大于风冷散热器，水冷散热器的体积也远小于风冷散热器。
2、与油冷比较：除了风冷，常用的冷却方式还有油冷。水冷装置在电力系统中被大量使用之前，油冷一直用得很普遍，甚至今天还在大量用于变压器等电力设备上。与水冷系统相比较，油冷的缺点主

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要是油的热容量较小（约比水小一半），导热率比水小20%，粘度则要大10倍或更高，作为一种流动的传热介质来看，油的综合导热能力比水差。另一个缺点是其化学稳定性远不如水，油使用时间长了会降解，冷却用油使用几年以后就要过滤或更换，而水则不会。油的可燃性在电力系统的应用上也不能说不是个缺点，还有漏出的油还会造成污染，等等。油比水好的地方，是它的绝缘性好，但纯水在深度纯化后，其绝缘性完全可以满足几乎最高等级工作电压的绝缘要求。
二、如何保证功率器件的热安全
当电路设计确定之后，如何保证系统的可靠性，冷却就成了最重要的问题。功率器件的正确选择和合理的冷却设计才能保证大功率器件的安全运行 。
功率器件的发热来自于芯片，随着器件输出功率的增大，发热也随之增加。但半导体材料的温度承受能力是由其物理和化学特性决定的，对硅半导体来讲，其允许结温大约在125℃至175℃之间，温度过高，轻则影响工作寿命，重则会造成器件内部击穿。功率器件的热阻：
Rt1=⊿t1 / Q， 其中 Q：芯片的发热功率 ，单位：W
⊿t1：芯片与管壳间的温差，单位：℃
Rt1是指芯片上的热量从芯片传到管壳表面时，其传送的热量与芯片和管壳间的温差的比值，单位是 W/ ℃。 我们也可以导出水冷散热器的热阻：
Rt2=⊿t2/ Q ⊿t2：水冷散热器表面温度与冷却水的温差
当把功率器件固定在水冷散热器上降温时，功率器件发的热先从芯片传到管壳表面，再从管壳经水冷散热器传到冷却水上，芯片与冷却水之间的温差即是这两部分温升之和，即： ⊿t=⊿t1+ ⊿t2
设功率器件芯片温度t： t = ⊿t1+ ⊿t2 + t3
其中t3：循环水温
为了使功率器件的芯片温度t不超过安全范围，应保证系统的合理热阻。从使用角度看，首先应正确选择器件的型号，保证在额定输出功率时，⊿t1不超标；其次是合理的水冷散热器的设计，保证⊿t2不超标；最后是水冷系统的设计，保证在当地气温条件下，冷却水温t3满足系统散热的要求。
对合理的水冷散热器（水冷板）的内部水路设计，要适当减小水流通道截面积，保证足够的水流速；改变水流通道表面形状，从平滑变成粗糙，使水
的流动从层流变紊流，加剧水的翻滚；在热量集中处下方的水流通道中，适当增加一些支撑体（与表面金属体相连的柱状、条状等），以减小热区的热阻，等等。这些都可以有效的减小⊿t2，提高传热效率。
在水冷系统的设计中，也有个方案选择问题。例如在同样的环境温度条件下，水-水换热方式就比水-风换热器具

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有较低的循环水温，合理选择冷却系统中水-水或水-风换热器的换热面积，也可以从另一方面保证器件芯片在安全的工作温度范围。当然，正确的水冷散热器（即水冷板）的设计是首先应该考虑的。合理的方案选择正是为了在技术要求和经济性之间找到平衡点。
三、 如何选择水冷却的换热方式
功率器件所发的热量最终要从芯片转移到自然界，转移到大气中去。但不同的冷却方式，循环水温与环境温度的关系是不一样的，价格和经济性也不同。目前共有如下三种常用散热方式。
水-风换热方式：一般是采用带铝翅片的铝管串联或并联起来作为水的通路，用电风扇进行强迫风冷。循环水在管内密闭式流动，其热量通过管壁外的风带走。 此时，管内水温将永远高于外部环境的空气温度，其温差取决于散热器面积大小和结构。为了在散热效果和经济性之间取得一个平衡，一般设计时，循环水温与环境温度之差可在15℃到5℃之间选择。例如某地区夏季最高气温为40℃，如水风换热器换热温差选10℃，此时从换热器出口的水温为50℃。这个温度值在大多数场合均可满足功率器件的需要。
水-水换热方式：这种方法首先必须有一个冷却塔，通过板式换热器把内循环水的热量与冷却塔中的外循环冷却水的热量进行交换，把内循环水温降下来。冷却塔的出水温度除和冷却塔的风量及有效面积有关外，最终影响的因素是大气环境的湿球温度。湿球温度是一个既和环境温度（干球温度）有关，又和大气相对湿度有关的量，湿球温度高于当时大气的露点温度（使空气得以结露的物体表面温度），又低于大气温度。 它是用蒸发法降低水温的最低极限值。例如某地的湿球温度一年中最高设计参考值为28℃，冷却塔的循环水的出水温度设计值一般比湿球温度高3-4℃，届时冷却塔出水温度应为31-32℃，如果环境中相对湿度不是太高，一般冷却塔出水温度可能比环境温度低。若板式换热器内外水之间的设计平均温差为5℃，那水冷系统内循环水的输出水温仅为36-37℃，这个温度要比前面说到的水风换热器夏季出水的最高温度50℃低多了。由此看来，采用水-水换热方式在水温上比水风换热器好，但是它要大量消耗水是首先要解决的问题，在严重缺水地
区就不可取。而且冷却塔要占据一定面积和空间，运行和维护要比水风换热器复杂一些，这些因素在实际应用时应综合考虑。
制冷方式：当某些设备要求的冷却水温远低于当地最高气温时，如30℃以下，甚至更低，用水-风换热器和水-水换热器就都无法实现了，此时就必须考虑用制冷机给循环水降温。制冷机的特点是

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其出水温度范围可以从很低开始，直到30℃附近，范围较宽，温度控制精度也较高。前面曾提到制冷机用于空气降温时的设备费用和运行费用都要远高于水-风换热方式，维护也复杂些，用于水冷时也如此。因此，制冷机是在其他方法都达不到温度要求时的一种可能的选择。
四、 水冷系统中的其他参数（电阻率，水压，流量）的保证
1、循环水的电阻率：在电力电子器件的水冷却系统中，循环水的电阻率是水的纯度的一个重要指标，水质越纯，电阻率越高。如果被冷却的器件外壳不带电，例如IGBT等，循环水的电阻率要求可以低一些，如0.1MΩ·cm。这个纯度的水可以保证不会结垢和造成管路堵塞，也不会引起腐蚀。若被冷却器件表面带电，为了防止在高电位差情况下引起通过水路的漏电，水的电阻率应在2 MΩ·cm以上或更高，具体数值和工作电压与被冷却对象特性有关。
为了保证循环水的高纯度，就要求所有接触循环水的容器、管路、被冷却元件的表面必须是具有低溶出度的材料，如不锈钢，没有添加任何易溶杂质的高分子材料，如PPR UPVC PVDF，和表面经过氧化处理的铝管等。铜和其他易溶出的金属材料不可直接使用（除非在表面涂覆保护层）。
即便如此，循环水在长期运行中，也会因上述材料的少量溶出逐渐变得纯度不合格。对应的措施是在循环水路中串联纯化装置，其中装有离子交换树脂，水在循环过程中，总在不断的被提纯。水的最终纯度取决于纯化速度和溶出速度的动态平衡。离子交换树脂也有寿命，工作几年后，树脂饱和了，水质会下降，到时必须更换。
2、 工作水压：冷却循环系统的水流动力由循环水泵提供，在额定的水泵工作水压下，系统的流量可得到保证。水压的分配首先要满足被冷却系统的需要，要了解（或通过测试得到）每一个被冷却的器件的需要的水压降和额定流量，按其最大值确定系统的额定水压。这其中还要考虑管路带来的水压降，尤其是管路较长或管路水阻较大时。最后还要考虑到水冷系统内部管路引起的水压降。系统设计时，水泵扬程的选择要比上述三部分水压之和略大一些，使用中再通过阀门进行调节。
3、 流量分配：被冷却系统在使用中最常见的问题是怎样在各个被
冷却元件中合理分配流量。实际上，被冷却系统的各个元件在水路上都是并联的，他们的进出水口之间的水压相同，但每个器件的水阻和需水量却并不同，这就要求在最后调试时进行流量调整。
调整的办法是先通过调节干路的总阀门，使进出水干管间的水压差维持在设计值，并依次在被冷却器件的水路上串联一个流量计，

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如流量计显示实际水流量超标，可在其进水管端加阻尼件，通过改变水流截面的办法调整流量，直到达到设计流量。用此法找到每种器件的阻尼量，把所有被冷却元件调整一遍，使流量的分配达到设计值。
五、 水冷系统的可靠性保证
在大型电力电子装置中，水冷系统只是一个辅助系统，且运行中间基本是无人值守。但水冷系统的任何故障都可能威胁到整个装置的安全，因此水冷系统的可靠性就显得非常重要。提高可靠性除了正确合理的设计，选取可靠的配套部件和优质原材料外，根据多年的实践，我们认为还应注意以下几个问题：
1、 冷却水路的可靠性保证：首先是保证不漏水，哪怕是渗漏也不行。考虑到电力系统的高电压工作环境和密闭式循环水路的特点，这个要求很必要。引起漏水的主要部位是管路部分的连接密封，尤其是小直径的水接头，数量很大，它的漏水占事故率的比例最大。经过多年的实践，我们已经找到解决渗漏问题的方法，从设计、原材料选择、加工工艺和质量管理等几方面进行了改进，使漏水率大幅下降。此外，对于较大型设备还在监控系统中增加了渗漏检测和报警，这进一步提高了系统可靠性。
影响水路运行寿命的另一个关键部位是水泵，它是系统中唯一的连续运动机械部件，水泵的密封件和轴承的磨损是决定其寿命的重要因素。解决的方法是：选用质量好的品牌的产品；采用双泵，一备一用，并定时切换；对可靠性要求更高的设备，可酌情采用屏蔽泵（其寿命比一般离心泵高几倍，且从原理上保证不会漏水，但价格较高）。
2、 冗余设计和电磁兼容：系统的冗余设计的一个例子，就是上面提到的水泵的一备一用。除此以外在系统的控制方面还会考虑控制系统本身，如检测仪表的冗余，包括控制器PLC的冗余。水冷系统的检测仪表是用来对一些重要的系统参量，例如温度、流量、压力、液位、电导率等进行检测、发出报警或跳闸信号用的。冗余即是采用两个或以上的仪表同时检测一个量，当某个仪表出现故障时，控制软件可以采用正确信息，排除故障仪表发出的错误信息。在重要场合，尤其是特大型系统，往往会采取这些措施，来保证系统的可靠性。
符合电磁
兼容标准要求是保证系统可靠运行的另一方面。尤其当水冷系统本身处于强电磁干扰环境中时，更显重要。因此应按照相关技术标准进行电磁兼容试验。试验的核心问题是要保证水冷系统的控制部分在强干扰环境下不出现烧毁，发出错误信号，误动作，并能和上位机保持正常通信。这些干扰主要包括产生于机箱外部的静电干扰

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、沿着电源线和电缆线传递的串模干扰和共模干扰。防止措施主要是采用电源滤波器，屏蔽电缆，隔离干扰的变压器，通信用光缆等。采取这些措施以后，水冷却系统对电磁环境的适应能力大大增强了。
随着密闭式循环水冷系统用途的不断扩展，实践还会不断提出更高更新的要求，其中可靠性会是一个永恒的主题，我们相信，我国制造业通过自己的努力和广大用户的支持，一定会交出更好的答卷。

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