电力电子产品水冷回路PVDF材质水管热胀冷缩分析

徐国良，巢鑫迪，孙德林

(常州博瑞电力自动化设备有限公司，江苏 常州 213025)

传统的风冷散热方式难以保证SVG设备的稳定运行。水冷方式由于其散热效率很高，能有效避免风冷散热时产生的设备氧化腐蚀和凝露等问题。纯水冷却系统是指冷却水通过换流阀热交换器进行热交换升温后由循环水泵驱动进入室外冷却器，周而复始地进行冷却。

直流PVDF以其优异的综合性能在航空航天与机械工程、能源产业及电工电子等领域有着广泛的应用，也是用于电力电子冷却回路水管的理想材料。PVDF水管作为电力电子产品内部的主要输水管路，以多种不同结构形式布置在产品内部，各水管间连接形式主要有法兰、活接等。利用水管结构理论计算PVDF管道热胀冷缩尺寸，针对水管样品工作环境的差异，利用管道局部结构仿真，分析PVDF水管热参数，对比结构对PVDF水管的影响及管道膨胀处理方法，为冷却管路的应用和推广提供数据。

1 PVDF冷却水管

1.1 PVDF结构及特性

冷却水管材质采用聚偏氟乙烯(Poly Vinylidene Fluoride，PVDF)，外观为白粉体或颗粒，拥有卓越的力学特性，常温下拉伸强度达到56 MPa，兼具良好的耐磨性、耐候性、抗紫外线、较高的热稳定性及化学稳定性。PVDF聚偏氟乙烯具有电绝缘性能和特殊的抗老化性能，具体参数如表1所示。

表1 材料力学性能Tab.1 Mechanical properties of materials

1.2 PVDF冷却水管工作环境

水管用于电力电子换流阀的冷却回路，为了保证水管管路的稳定性，用低含氧量的去离子水作冷却介质，设计的冷却水管道横截面有多种规格，以提供多组的对比数据。水管内径42.6 mm，外径50 mm，工作于常规的室内环境中，相对湿度约为60%。

1.3 PVDF冷却水管理论计算

根据PVDF水管膨胀长度计算公式，长度变化(mm)等于膨胀系数(mm/m·℃)乘以管道长度(m)乘以温度差(℃)，可以得出水管试样样品收缩长度，例如：生产温度23℃，安装温度13℃，10 m长PVDF水管试样收缩长度17 mm。

ΔL=α×L×ΔT

(1)

ΔL=长度变化(毫米)

α=膨胀系数(毫米/米·℃)

ΔT=温度差(℃)

L=管道长度(米)

2 水管试样仿真分析

针对现场管路在零下温度中的使用情况，进行模拟试验，对比仿真数据与理论数据，对比热胀冷缩应变理论计算结果，给出PVDF管道膨胀处理方法。

对冷却水管及其局部结构构建了三维有限元仿真模型，运用ANSYS仿真软件对水管局部结构进行仿真；分析了在高低温环境下PVDF水管的应力应变关系；不同管路通过膨胀长度计算公式得出PVDF管路收缩长度。

2.1 冷却水管局部结构仿真建模

PVDF-D40管(带螺帽)，生产温度22℃，0℃与-20℃工况下，管夹距离活接固定距离为1 000 mm时应力和应变情况，PVDF水管结构设计如图1所示。

图1 PVDF水管结构示意图Fig.1 Structure diagram of PVDF water pipe

2.2 有限元建模及结果分析

采用ANSYS Workbench软件，对试验管路进行仿真分析，忽略支撑对管路径向变形的影响。采用软件中workbench等建模工具创建仿真模型，忽略安装接头、倒圆角等特征，采用Mesher-HD网格类型划分网格，求解计算得到的应变图和应力云图如图2、图3所示。

图2 PVDF水管应变云图Fig.2 PVDF pipe strain nephogram

图3 PVDF水管应力云图Fig.3 PVDF water pipe stress nephogram

0℃工况下，管夹距离活接固定距离为1 000 mm时应力和应变情况：应力6.636 0e-12 MPa，变形量为0.785 04 mm。

-20℃工况下，管夹距离活接固定距离为1 000 mm时应力和应变情况：应力1.190 5e-11 MPa，变形量为1.498 7 mm。

3 水管试样高低温分析

针对水管试样管路样品，把PVDF水管放在温控箱内，注满水，通过温度变化、施加水压等方法来检验密封性。试验设备为高低温测试平台、气候模拟试验箱(温控箱)等。试验对象的PVDF规格为D40。根据试验标准要求，综合考虑到PVDF水管允许的工作温度，选取低温温度为-20℃。

恒温测量。PVDFD40管路，温度为23.1℃，恒温1.5 h，选取样品长度均为524 mm。

图4 PVDF水管试样长度Fig.4 Length of PVDF water pipe sample

低温测量。水管试样置于-15℃ 2 h后，D40PVDF水管试样尺寸收缩 1.5 mm，实际长度为 522.5 mm。

保压测试。对试样管路施加系统额定运行压力的1.2倍，试压过程注意分级加压，水开始逐渐结冰，保持3 h后各管路无变形或漏水现象，管路无任何异常。

图5 PVDF水管试样低温长度Fig.5 Length of PVDF water pipe sample in low temperature

连续运行测试。保压测试完成后，恢复额定运行压力连续运行3 d。每隔1 d观察各水接头渗漏情况，连续3 d无异常。

根据试验得出，PVDF 管路在-15℃条件下，长度明显缩短1.5 mm，但是水接头无明显渗漏情况。

4 管道膨胀处理方法

经过水管试样仿真分析和水管试样高低温分析可以得出冷却回路中PVDF管道膨胀处理方法，在管道转角处设计膨胀壁，膨胀壁计算公式：

(2)

LBS=膨胀臂长度；d=管外径；ΔL=原管的膨胀量；C=系数。

图6 PVDF水管L型膨胀壁Fig.6 Expansion wall of L-type PVDF water pipe

5 结论

经水管试样仿真分析和水管试样高低温分析，管道在低温环境下测试使用无异常，但根据试验数据和《工业常用塑料管道设计手册》，若特殊情况，温度低于零下，建议在安装过程中使其在20℃～24℃环境下放置24 h再进行安装。

管道设置L型膨胀壁以保证管道有足够的变形空间，使其膨胀变形发生在拐角处，减少应力和应变积聚，提升产品运行的可靠性。