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水冷散热器结构设计模块

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目录第 3 页

前言 (5)

摘要： (7)

关键词： (7)

一.来源 (8)

二.适用围 (9)

三.水冷散热器的结构设计 (9)

四.典型应用案例： (15)

五.结构设计要点 (19)

参考文献 (20)

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前言第 5 页

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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

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一.来源

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当前风力发电所处环境地恶劣性，以及机舱体积的狭小，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部的流体将安装在其上的器件的热量带走，其包含了部有流道的散热器

本体及连接外部进出流体的进出接头（如图 1 ）。

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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。

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水冷散热器

IGBT

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

水冷散热器的部流道形式决定了整个散热器的散热效果，按照流体在部流动方式可区分为：

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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）。

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 ）。

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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。

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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。

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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。