電力電子產品水冷回路PVDF材質水管熱脹冷縮分析

徐國良，巢鑫迪，孫德林

(常州博瑞電力自動化設備有限公司，江蘇 常州 213025)

傳統的風冷散熱方式難以保證SVG設備的穩定運行。水冷方式由于其散熱效率很高，能有效避免風冷散熱時產生的設備氧化腐蝕和凝露等問題。純水冷卻系統是指冷卻水通過換流閥熱交換器進行熱交換升溫后由循環水泵驅動進入室外冷卻器，周而復始地進行冷卻。

直流PVDF以其優異的綜合性能在航空航天與機械工程、能源產業及電工電子等領域有著廣泛的應用，也是用于電力電子冷卻回路水管的理想材料。PVDF水管作為電力電子產品內部的主要輸水管路，以多種不同結構形式布置在產品內部，各水管間連接形式主要有法蘭、活接等。利用水管結構理論計算PVDF管道熱脹冷縮尺寸，針對水管樣品工作環境的差異，利用管道局部結構仿真，分析PVDF水管熱參數，對比結構對PVDF水管的影響及管道膨脹處理方法，為冷卻管路的應用和推廣提供數據。

1 PVDF冷卻水管

1.1 PVDF結構及特性

冷卻水管材質采用聚偏氟乙烯(Poly Vinylidene Fluoride，PVDF)，外觀為白粉體或顆粒，擁有卓越的力學特性，常溫下拉伸強度達到56 MPa，兼具良好的耐磨性、耐候性、抗紫外線、較高的熱穩定性及化學穩定性。PVDF聚偏氟乙烯具有電絕緣性能和特殊的抗老化性能，具體參數如表1所示。

表1 材料力學性能Tab.1 Mechanical properties of materials

1.2 PVDF冷卻水管工作環境

水管用于電力電子換流閥的冷卻回路，為了保證水管管路的穩定性，用低含氧量的去離子水作冷卻介質，設計的冷卻水管道橫截面有多種規格，以提供多組的對比數據。水管內徑42.6 mm，外徑50 mm，工作于常規的室內環境中，相對濕度約為60%。

1.3 PVDF冷卻水管理論計算

根據PVDF水管膨脹長度計算公式，長度變化(mm)等于膨脹系數(mm/m·℃)乘以管道長度(m)乘以溫度差(℃)，可以得出水管試樣樣品收縮長度，例如：生產溫度23℃，安裝溫度13℃，10 m長PVDF水管試樣收縮長度17 mm。

ΔL=α×L×ΔT

(1)

ΔL=長度變化(毫米)

α=膨脹系數(毫米/米·℃)

ΔT=溫度差(℃)

L=管道長度(米)

2 水管試樣仿真分析

針對現場管路在零下溫度中的使用情況，進行模擬試驗，對比仿真數據與理論數據，對比熱脹冷縮應變理論計算結果，給出PVDF管道膨脹處理方法。

對冷卻水管及其局部結構構建了三維有限元仿真模型，運用ANSYS仿真軟件對水管局部結構進行仿真；分析了在高低溫環境下PVDF水管的應力應變關系；不同管路通過膨脹長度計算公式得出PVDF管路收縮長度。

2.1 冷卻水管局部結構仿真建模

PVDF-D40管(帶螺帽)，生產溫度22℃，0℃與-20℃工況下，管夾距離活接固定距離為1 000 mm時應力和應變情況，PVDF水管結構設計如圖1所示。

圖1 PVDF水管結構示意圖Fig.1 Structure diagram of PVDF water pipe

2.2 有限元建模及結果分析

采用ANSYS Workbench軟件，對試驗管路進行仿真分析，忽略支撐對管路徑向變形的影響。采用軟件中workbench等建模工具創建仿真模型，忽略安裝接頭、倒圓角等特征，采用Mesher-HD網格類型劃分網格，求解計算得到的應變圖和應力云圖如圖2、圖3所示。

圖2 PVDF水管應變云圖Fig.2 PVDF pipe strain nephogram

圖3 PVDF水管應力云圖Fig.3 PVDF water pipe stress nephogram

0℃工況下，管夾距離活接固定距離為1 000 mm時應力和應變情況：應力6.636 0e-12 MPa，變形量為0.785 04 mm。

-20℃工況下，管夾距離活接固定距離為1 000 mm時應力和應變情況：應力1.190 5e-11 MPa，變形量為1.498 7 mm。

3 水管試樣高低溫分析

針對水管試樣管路樣品，把PVDF水管放在溫控箱內，注滿水，通過溫度變化、施加水壓等方法來檢驗密封性。試驗設備為高低溫測試平臺、氣候模擬試驗箱(溫控箱)等。試驗對象的PVDF規格為D40。根據試驗標準要求，綜合考慮到PVDF水管允許的工作溫度，選取低溫溫度為-20℃。

恒溫測量。PVDFD40管路，溫度為23.1℃，恒溫1.5 h，選取樣品長度均為524 mm。

圖4 PVDF水管試樣長度Fig.4 Length of PVDF water pipe sample

低溫測量。水管試樣置于-15℃ 2 h后，D40PVDF水管試樣尺寸收縮 1.5 mm，實際長度為 522.5 mm。

保壓測試。對試樣管路施加系統額定運行壓力的1.2倍，試壓過程注意分級加壓，水開始逐漸結冰，保持3 h后各管路無變形或漏水現象，管路無任何異常。

圖5 PVDF水管試樣低溫長度Fig.5 Length of PVDF water pipe sample in low temperature

連續運行測試。保壓測試完成后，恢復額定運行壓力連續運行3 d。每隔1 d觀察各水接頭滲漏情況，連續3 d無異常。

根據試驗得出，PVDF 管路在-15℃條件下，長度明顯縮短1.5 mm，但是水接頭無明顯滲漏情況。

4 管道膨脹處理方法

經過水管試樣仿真分析和水管試樣高低溫分析可以得出冷卻回路中PVDF管道膨脹處理方法，在管道轉角處設計膨脹壁，膨脹壁計算公式：

(2)

LBS=膨脹臂長度；d=管外徑；ΔL=原管的膨脹量；C=系數。

圖6 PVDF水管L型膨脹壁Fig.6 Expansion wall of L-type PVDF water pipe

5 結論

經水管試樣仿真分析和水管試樣高低溫分析，管道在低溫環境下測試使用無異常，但根據試驗數據和《工業常用塑料管道設計手冊》，若特殊情況，溫度低于零下，建議在安裝過程中使其在20℃～24℃環境下放置24 h再進行安裝。

管道設置L型膨脹壁以保證管道有足夠的變形空間，使其膨脹變形發生在拐角處，減少應力和應變積聚，提升產品運行的可靠性。