(2020年整理)水冷散热器结构设计模块.doc

水冷散热器结构设计模块更改信息登记表

目录

前言

摘要：

本设计模块介绍了水冷散热器的结构形式，该结构主要应用于风能产品功率模块散热器结构设计中。

关键词：

散热器水冷结构密封接头

一. 来源

当前风力发电所处环境地恶劣性，以及机舱内体积的狭小，需要对功率器件部分有较高的防护等

级和高效的散热，水冷具有高效的散热性能和可以完全密封，我们采用水冷的方式对主功率系统进行

散热；主功率模块上IGBT的散热需要通过水冷散热器将热量带走，由于需要充分考虑水冷散热器的结

构设计。

本设计模块中的结构形式来源于水冷预研项目及风能产品线1.25MW上电水冷变流器产品。相关

产品已经通过生产并得到验证。

二. 适用范围

该结构形式可用于大功率、高密度、高防护等级的功率器件散热，如风能和大功率变频器等。由

于应用情况各有不同，请根据推荐使用范围合理选择。

三. 水冷散热器的结构设计

1、水冷散热器的结构形式

水冷散热器是通过流经其内部的流体将安装在其上的器件的热量带走，其包含了内部有流道的散

热器本体及连接外部进出流体的进出接头（如图1）。

散热器本体

进、出水接头

图1

水冷散热器可按照器件安装在散热器上的安装散热面，将散热器分为单面水冷散热器、双面水冷

散热器以及多面水冷散热器。

图2为单面水冷散热器。

图 2 单面水冷散热器

图3为双面水冷散热器：

图 3 双面水冷散热器

从两种布局方式可以看出：单面水冷散热器的器件布局简单，但整个散热器的尺寸较大，不易加工；相对于单面水冷散热器，双面水冷散热器的器件布局紧凑，水冷散热器的尺寸小，易于加工。 2、水冷散热器的流道形式

水冷散热器的内部流道形式决定了整个散热器的散热效果，按照流体在内部流动方式可区分为：纯并联流道、纯串连流道以及串联并联结合流道。

每种流道方式有各自特点：串联流道：阻力大，流速较高；并联流道：阻力较串联流道小，流速低。

参考热仿真建议采用串并联组合的方式，在功率器件下方的流道设计为并联流道，各个器件下方的并联流道之间采用汇流流道相串联（如下图）。

水冷散热器

IGBT

图4 串联并联结合流道

3、水冷散热器本体的结构形式及密封

水冷散热器本体是散热器的最主要部分，在设计时一定要考虑到加工方式和密封。

按照加工方式可分为：机械加工水冷散热器、钎焊水冷散热器、型材水冷散热器。

通过钻孔、铣槽的方式加工出流道板的流道及流道的连接，将流道板同盖板连接形成机械加工水冷散热器本体，盖板同流道板可采用螺钉连接和焊接的方法；使用螺钉连接需在盖板和流道板间增加O型圈，利用O型圈的弹性变形保证密封（如图5）；使用焊接方法焊接流道板和盖板，需要保证焊接质量，保证不会有泄漏；工艺孔可采用螺纹堵头加螺纹密封胶的方法封堵，保证密封（如图6）。

图 5 机械加工水冷散热器

机械加工水冷散热器的流道主要用钻孔方法获得，加工工艺简单，机加工量大，但不可避免其流道转折为直角、存在死角，会增加流道的流阻和在死角处留有气体，直接影响水冷散热器的散热效率；同时由于钻孔工艺的限制，散热器的尺寸不能太大，有一定的限制（同孔的尺寸有关）。对于使用O型圈密封的散热器，由于要铣出标准的沟槽来放置O型圈，会导致散热器尺寸加大。

图 6 机械加工水冷散热器

在盖板上铣出需要的流道，再将盖板和中间焊接板钎焊形成钎焊水冷散热器本体（如图7）；此焊接为平面钎焊接，其密封由焊接质量保证，必要时可钎焊后再在散热器的一周焊缝增加氩弧焊。

钎焊水冷散热器的流道是在盖板上铣加工出来，流道的转角可以采用园角和很平滑过渡，可以很大程度上减小散热器内部流道的流阻。

图7 钎焊水冷散热器

型材水冷散热器利用型材作为散热器中间体，形成水冷散热器的主要流道，在端盖上铣加工除内部流道连接，再将端盖同中间体焊接而成型材水冷散热器的本体（如图8）。

型材水冷散热器中间体采用了型材，其流道可以由型材直接加工而成，对于复杂流道及难以型材加工的流道，也可以采用几个组合的方法，将简单流道同简单的零件组合而成。

端盖同中间体的连接为焊接，其密封质量同型材水冷散热器相同，也是取决于焊接质量。

端盖

端盖

中间体

图8 型材水冷散热器

4、水冷散热器接头连接及密封

水冷散热器接头与主体的连接也是有两种方式：焊接（如图7焊接接头）和机械连接（如图8机械连接接头）。

设计接头时，不仅要考虑接头同散热器主体的连接方法和密封方式，还要考虑接头同主管道间连接方法和密封方式，由此确定接头的材料；采用焊接方法连接接头同主体时需要考虑接头同散热器主体之间材料的可焊性；接头同主管道间以软管通过螺纹连接，需要考虑接头螺纹强度，保证重复拆装螺纹不会损坏。

四. 典型应用案例：

在风能1.25MW上电水冷项目中，功率大，功率柜防护等级为IP54, 功率模块和电容组采用了水冷散热，下部电感采用了风冷散热。功率模块采用了双面布IGBT的双面水冷散热器，三个功率模块水平放置，整个功率柜的布局紧凑，三个功率模块放置在同一水平位置，在功率模块下方安装一接水板，保证在偶然功率模块漏液发生的情况下，漏液也不会影响到电容、电感等电气件，容易实现功率模块漏液的防护。

功率模块

软管

主管道

图9 风能1.25MW项目

图10 功率模块

此散热器由于双面安装IGBT，采用了双层流道，两个盖板分别铣加工出流道，整个散热器从进水口经过一层盖板流道后，从中间焊接板到另一层盖板，最后到出水口，总的流道为串联流道，在每个器件下方，为保证散热的均匀，流道设计为并联。这样的串、并联流道，保证了散热器上每个IGBT 器件的散热平均。

图11 水冷散热器

在加工方式上，每个盖板铣加工出流道后，同中间焊接板通过钎焊，形成了散热器的本体，为了保证散热器不会从焊接处出现泄漏，在散热器的焊缝四周再进行氩弧焊，保证了焊接的可靠；

为了不使盖板上器件安装孔处泄漏，需要控制器件安装孔的深度，不会打穿盖板。

由于盖板为铣加工，设计中可以将流道的每个转角处倒圆处理，使流道没有尖角出现，大大减少了在散热器内部流道中的压力损失。

盖板材料为防锈铝3A21,中间焊接板也采用防锈铝3A21材料，中间焊接板主要起到将两层流道隔离，防止流道内泄漏而影响散热效率；盖板同中间焊接板加工完成后，清洗、组装定位加预紧力、进真空炉钎焊。

由于在真空炉钎焊过程有高温、降温过程，对于材料相当于回火，因此螺纹不能够在钎焊前