液冷系统传热介质的优化方案

时间：2023-06-27 理论教育 版权反馈

【摘要】：当风冷不能解决电力电子热流密度增大的瓶颈，冷却液作为传热介质被引入电力电子设计。电力电子设备的液冷系统的传热介质可以分为水类传热介质和无水防冻液。下面介绍常用的几种电力电子冷却用的传热介质。

液冷系统传热介质的优化方案

当风冷不能解决电力电子热流密度增大的瓶颈，冷却液作为传热介质被引入电力电子设计。

冷却液需要考虑几种特性：可燃可爆性、有无毒性、腐蚀性、导热性、黏性、成本、使用寿命。电力电子设备的液冷系统的传热介质可以分为水类传热介质和无水防冻液。水冷介质包括纯水和水类防冻液。

早期的冷却液是水，因为水的来源比较广，水结冰体积增大使蓄水箱和水管胀裂。早期的水处理工业远没有现在发达，因此早期的冷却水在一定程度上可以称为水溶液。第一，这些水溶解的离子在高温状况下很容易产生水垢，形成一层隔热层，阻塞水管，抑制传热速度；第二，溶解在水里的盐类还会在金属管道中形成电化学腐蚀管道；第三，这些水里还有微生物，吸附在管道上造成微生物腐蚀；还有溶解的离子导致水的电阻率小，容易漏电。目前的电力电子冷却的水类防冻液都克服了上面几种缺点。水中加入添加剂，使得防冻液的凝固点降低，常用的添加剂有以下几类：氯化钠、氯化钙、乙醇、乙二醇、甲醇、醋酸钠、碳酸钾等。下面介绍常用的几种电力电子冷却用的传热介质。

1.纯水

根据《静止无功补偿装置水冷却设备》（GB／T 29629－2013）规定，内冷却水采用密闭式循环的去离子水，习惯上称为纯水，部分内冷却水经旁路由去离子装置去除杂质离子，内冷却水及其补充水的水质要满足电导率和pH值的相关要求，见表3－11。

表3－11 内冷却水的电导率和pH值

注：表中参数为水温在25℃时的测量值

根据现场使用情况，水质要求可适当调整。在寒冷地区，可在内冷却水中加一定比例的有机防冻液。电导率是判断水中离子杂质的重要指标，控制电导率是因为在高压电场作用下，如果内冷水中有离子存在，会使内冷水具有导电性能而导致泄漏电流和能量损耗增加，严重时会发生电气闪络，泄漏电流量可以用式（3－19）估算［84］：

式中，Is为泄漏电流值；U为晶闸管组件层间或散热器冷却水管进、出口电压；L为冷却水回路水管长；S为冷却水管内孔面积；KH2O为水的电导率。

2.乙二醇和丙二醇防冻液

目前我国陆地风电水冷型防冻液主要采用乙二醇防冻液，海上风电变流器的冷却系统内采用丙二醇替代乙二醇。电力电子设备的冷却防冻液没有固定的标准，一般参考相近行业的标准。例如防冻液可以参考汽车发动机用的防冻液标准《乙二醇型和丙二醇型发动机冷却液》（NB／SH／T 0521—2010）。该标准借鉴最新美国发动机冷却液标准为ASTM D3306—2011。NB／SH／T 0521—2010标准中规定的理化性能指标要求涉及密度、冰点、沸点、灰分、pH值、水分、储备碱度、氯含量、对汽车有机涂料的影响等9个项目［85］。除密度、冰点、沸点、灰分外，NB／SH／T 0521—2010标准对乙二醇和丙二醇型发动机冷却液的其他理化性能指标要求是相同的。这4个指标之所以有差异，是因为乙二醇和丙二醇本身的性质存在差异：

1）乙二醇（ethylene glycol）又名“甘醇”“1，2－亚乙基二醇”，是一种无色透明、稍有甜味和吸湿性的黏稠液体，其密度为1110 kg／m3，沸点（101.3 kPa）约为198℃，冰点为－13℃；对动物有毒性，人类致死剂量约为1.6 g／kg。

2）丙二醇是无色透明、稍有甜味的黏稠液体，密度为1038.1 kg／m3，沸点（101.3 kPa）约为187℃，冰点为－68℃。对眼和皮肤无刺激作用。未见中毒报道。

乙二醇和丙二醇是空调、工艺冷冻、食品等行业的中最常用的低温载冷剂，《ASHRAE Handbook 2005》（见表3－12）和http：／／webbook.nist.gov描述了丙二醇和丙二醇的物理特性。

表3－12 乙二醇和丙二醇的一般特性（《ASHRAE Handbook 2005》

乙二醇和丙二醇的水溶液的物性与纯溶液的物性既可以查阅相关资料，也可以进行软件分析查阅。吴献忠等人采用PRHV与Lee－Kesler－Plǒcker（LKP）模型相结合的方法与Coolpack软件进行了比较，计算出的物性相差很小［86］。因此本书也采用Coolpack获得相关的数据与NB／SH／T 0521—2010进行对比，见表3－13。两者均可以通过相关软件或自编软件与查询标准数据库的资料获得其物性数据。(www.daowen.com)

表3－13 乙二醇和丙二醇水溶液的冰点