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聊一聊液体冷却

来源: 原创 / 作者: Jason1028 / 时间: 2017-11-20 22:58
Jason 第一次正式接触液冷大约是在 07 年,风能产品还没有火起来。水冷散热还主要是电脑发烧友在用,但电脑的液冷系统太过简易,无法满足风电产品高压高功率密度,长达 20 年的可

 

    Jason第一次正式接触液冷大约是在07年,风能产品还没有火起来。水冷散热还主要是电脑发烧友在用,但电脑的液冷系统太过简易,无法满足风电产品高压高功率密度,长达20年的可靠性要求。没有可以参考的文献,也没有完整的样机。项目组坐飞机参加各种展会也没有发现集成的供水系统(很好的创业机会对不对?),只好买各种配件组装,利用温度和压力编制控制逻辑。
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年后的今天,新能源汽车的兴起,再一次提升了液冷的热度。这一次,液冷概念不再是那么生僻了。数以千百计的工程师用各种软件做各式水冷板的仿真,也有不少培训机构,在案例中加一两个水冷仿真的例子,就宣称涵盖了液体冷却的内容,对外宣传说,原理是相通的,通过这两个算例就可以熟练掌握液体冷却了。但是,Jason觉得,仿真仅仅是液冷设计的九牛一毛,液体冷却是一个庞大的系统工程。比如,你可以为了提高功率密度,简简单单的把高压变频器的IGBT散热器换成水冷板,而不去计较供水系统的构成吗?那会出事故的!

相对于风冷产品,液体冷却需要关注:

1.安全方面的考虑:这里的安全,一方面是对产品来讲的,一方面是指人的安全。液冷系统有点像核电站,稳定运行时非常好,处理不好就成了切尔诺贝利。不管是渗漏的工质,还是凝露的液滴,都有可能引起电器绝缘性能的问题,造成事故。对于高电压产品,如果工质的电导率没有控制好,也会有人触电的风险。认为兆瓦级产品,仅仅把电脑用的水冷系统规模放大一点就ok,这种想法是错误的。

提及凝露,其原理很简单,热设计网公众号(wwwresheji)也先后推出过3篇相关文章。但是实际产品中凝露的产生又是很复杂的,可以说五花八门。有人在热设计网的QQ群(319322744)里问Jason,防凝露,温差控制多少度?这个貌似不可以用一个固定数值。汽车电子的环境温度可以到85℃左右,一般工业产品,环境温度仅有40℃,这需要设计者好好看看焓湿图。此外,产品说明书中对于RH的要求也不同,有的产品甚至宣称工作的RH可以达到95%,这样的话,控制温差也不好使,当然也有办法解决,只是稍微复杂一点。

2.可靠性问题:高可靠性的产品,比如变流器,设计者需要根据工质的电导率计算带电状态下金属腐蚀的速度,以保证20年后,经过腐蚀的系统还能承受工质的压力而不泄露。除了腐蚀,还需要考虑欠压时泵的气蚀。

此外还有环境对于液冷系统的影响,温度、海拔、盐雾等等,从而变更材料与设计参数。

3.工艺的选择:现有N种工艺方法可以制成一个密闭回路,让工质在内腔里循环。但是不同的工艺各有优缺点,可靠性、成本、性能各有差异,Jason曾找到一种古老的工艺,成本可以降低50%左右。此外密封的方法也是很多的,需要因地制宜的选择。

3.装配与维护:排气绝对是最容易被忽视的一个。几年前,一次技术交流会,一个做储能产品的同仁说,他们有一款产品,大批量生产后,发现散热的核心部件附近,注液时,气体无法排空,导致温度比较高,而且有压力波动。了解详细设计方案之后,Jason给了一些优化方案,尽量较少对原产品的改动。

4.散热性能:有人认为,水冷散热能力强大,通点水就可以了。但是人们对功率密度的追求是没有止境的。总要求你在方案设计时,把体积进一步减小。此时,需要设计者结合产品特性,加工工艺等做出规划。仿真仅仅是验证想法的一个手段而已。关于提升性能,限于篇幅,Jason会在以后的文章中与大家分享。

液体冷却的牵扯的东东太多。当然,你可以说,我是做电动汽车驱动器的,只负责水冷板的设计,其他的整车厂的事。但事实上,你的设计如果造成整车设计的成本或风险增加,你的产品设计方案有可能在技术PK中被淘汰。整车厂的技术实力是非常强悍的,毕竟,谁也不想车辆出售之后再被召回吧。

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