1.水冷板散热器的基本原理

水冷板散热器是电力电子冷却中应用较广的技术之一。如图2－4所示，水冷板冷却系统通常由泵、水冷板、循环管路和外部散热器组成，发热器件热量先以热传导方式传递给水冷板，再由水冷板的冷却工质将热量带走，冷却工质通过外部冷散热器散热后再次回到水冷板，循环往复来达到冷却效果。水冷板是目前优异的电力电子设备冷却技术，具有以下优点［48］：

1）结构简单、加工方便。

2）温度梯度小、热量分布均匀、冷却效率高。

3）间接冷却，设备可靠性高，冷却液污染小。

4）热载荷范围广，能有效冷却高热流密度的电力电子设备。

图2－4 水冷板冷却系统

2.水冷板散热器的基本结构

水冷板的结构形式多样。根据流道沿程构型可分为直流道、S形流道和Z形流道等；根据流道截面形状可分为矩形流道、圆形流道和V形流道等；此外还有特殊结构流道，如顺排翅片型、叉排翅片型等。为了强化水冷板的散热性能，研究者设计了许多新型技术，如在流道中添加分流板，在水冷板内部填充多孔介质，使用微通道冷板，使用纳米流体作为冷却介质等。

根据电力电子器件产生的热流密度不同，可分为三个等级［49］：高热流密度（HHF：102～103 W／cm2）、超高热流密度（UHF：103～104 W／cm2）和极端高热流密度（EHF：＞104 W／cm2），针对不同的热流密度需要采用不同的冷板结构及冷却方式。按照通道当量直径Dh的不同，可以把冷板的通道分为［50］：传统型（Dh＞6mm）、紧凑型（Dh＝1～6mm）、微通道（Dh＝1～100μm）和过渡型（Dh＝0.1～1 mm）。紧凑型和微通道冷板也是当前研究热点之一。

Araki等［51］总结了水冷板的多种构型，如图2－5所示。由于图2－5所示水冷板基本结构较为对称和均一，因此更适用于单热源模块或热流密度变化较小的热源模块。

图2－5 水冷板的基本结构

a）平行直线形 b）S形 c）波浪形 d）斜肋形 e）外出入口螺旋形 f）内出入口螺旋形 g）螺旋S形 h）双层螺旋S形(www.daowen.com)

（1）矩形直通道水冷板散热器

矩形直通道水冷板散热器如图2－6所示，主要由基板与翅片构成，上、下两面为基板中间由翅片支撑，基板与翅片共同构成流体通道。发热器件与基板紧密贴合减小热阻，冷却剂通过由进口通道向出口通道的流动带走发热器件的热量。为了提高散热效果，基板一般选用导热系数较高的金属材料，如铜、铝等。如图2－6b所示，矩形直通流道水冷板散热器的主要结构参数包含翅片厚度、翅片高度、翅片间距及基板厚度。

图2－6 矩形直通道水冷板散热器

a）总体结构 b）单个通道结构

（2）S形流道水冷板散热器

S形流道散热器相比直流道散热器具有流道方向改变的特点，弯头处流向改变能增加扰动，增大对流换热系数和改善散热效果，同时能节省进水量，但同时流动阻力显著提高。如图2－7所示，冷却液从入口处进入，通过S形流道吸收热量后再从出口处流出。

图2－7 S形流道水冷板散热器［52］

（2）Z形流道水冷板散热器

Z形流道水冷板散热器是在直流道与S形流道散热器基础上的一种改进，它由纵向流道与横向流道构成，横向流道连接流道的出口与入口，而出口处的横向流道与入口处的横向流道通过纵向流道相互连通，其结构如图2－8所示。

图2－8 Z形流道水冷板散热器［52

相比于S形流道形式，Z形流道采用多条流道通过发热器件下部的方式，可以有效对各个发热器件进行散热并缩短冷却液的流程和压降。此外，Z形流道可以根据发热器件的位置对流道进行灵活的设计，S形流道不能过度地迁就发热器件的位置进行设计。但是，传统Z形流道在实际应用中容易出现各个分支流道流量分配不均的问题，对冷板散热的效果会产生很大的影响。