水冷散热器结构设计模块doc.docx

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水冷散热器结构设计模块

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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

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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。

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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

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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

加工，需要在钎焊后再进行加工螺纹。

散热器接头同主管道之间用软管连接，接头同软管接头部分按照德国DIN标准接头尺寸设计，

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采用24°锥面加O形圈密封形式密封（DIN3865）（如下图）。

图12管接头

接头同散热器主体的连接，最初采用了焊接接头，接头材料选择铝合金，此种接头加工简

单，容易同散热器主体焊接，但软管接头为钢制螺纹，与软管接头配合，散热器上的接头容易损坏，

接头损坏，整个散热器只能报废。

图12焊接接头

将散热器接头优化后，将散热器接头材料更改为不锈钢304，提高螺纹连接强度，接头同

散热器本体以螺钉连接紧固。

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图13螺钉连接接头

螺钉连接接头同散热器本体的连接密封，设计上采用多个方面进行密封，直径15的凸出插

入散热器本体孔中，减少外泄漏间隙；在接头上设计标准沟槽，放置标准20*2.65的O型圈，使用O

型圈进行密封；在接头和散热器本体间涂加防水胶，保证无泄漏。

图14螺钉连接接头

五.结构设计要点

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这里只是提出钎焊水冷散热器设计中需要考虑的部分重要问题，具体设计需要根据选用的水冷散

热器的形式具体分析，最重要的是保证散热效果、保证密封、无泄漏。

1、钎焊水冷散热器本体

流道设计要无尖角，减少流道面积突变，保证小的流阻。

保证本体的密封，无泄漏；可采用充压检验、氦检方法检验，检验时要全检。

盖板上的螺纹孔必须是盲孔，不可打穿。

2、钎焊水冷散热器接头

接头要考虑同外接管路的连接强度、密封问题，与散热器本体连接方法、加工方法、密封。

参考文献

1、《DMBM0.402.491》液体冷却散热器检验标准

2、TS-E000001850液冷散热器设计总结

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