2021年第25卷第2期
郎君通信作者，柯建明，李玉梅
(中车株洲电力机车有限公司，湖南株洲512000)
摘要：随着科技进步和工业能力的发展，工业设备的发热功率越来越高，为了保证设备的正常稳定运转，对设备的冷却要求也提出了更高的要求。对冷却技术中最有效的水冷冷却技术进行了详细介绍，从水冷冷却系统的系统组成、技术特性、系统问题解决方案、工程应用等内容进行了介绍。着重介绍了水冷冷却技术存在的缺点和解决措施。对水冷冷却技术未来的研究热点和应用趋势作了展望。ktkp-073
关键词：水冷冷却；系统构成；技术性能；技术方案；概述
Review on tie application oO wateo-cooling technology
LANG J uv C01"01：0""0。、,KE Jianming,LI Yumei
(CRRC Zhuzhou Locomotive Co.,Ltd,Zhuzhou412000,China)
Abstroct:W让h the pro o re s s of science and1x011010/ang the develonmepi of industrial capacity,the heating power of industriai 6X11111)6x0is becoming higher ana highee E01*0x0to ensure the normai ana staple operation oU the6X11:11)60,higher0X11:1011)6x10 are pud fornarp for the head dissinadon oU the equipment.E this papet,the most ePective cooling1x011(00/；water-cooling technology, is introUuceX in detail, incluUing the system composition,technicoi characteCstics,technical solutions to system proUlems and engineeCng applications-Among them,the shoCcomings o O water-cooling1x011(00/and Vs corresyonding solutions are indo-duced.Finady,the research hotsyot and appacation trend oO water-cooling16000010/in the future are bCefy prosyected.
Kes wordt:Water-cooling;system composing;technical performance;technical progosai;symmarp
dol:10.3969/j.ivn.1206-8554.2021.22.212
0引言
水冷冷却技术是一种高效的冷却技术，由于其采用的冷却介质一一水一一比热容较大，能在较小温升的情况下带走更多热量，因此其冷却效率很高。随着工业技术的发展，大型工业设备和电力器件的发热问题，越来越影响着产品的性能和使用寿命。人们亟需寻一种能使大型设备器件快速、有效、安 全的冷却技术。
常用的设备冷却方式包括自然冷却、风冷冷却、液冷冷却、冷媒冷却等。自然冷却依靠设备本身进行散热，冷却效果一般，受设备形状、安装位置影响较大。风冷冷却依靠空气流动带走设备热量，可以通过调节冷却风量以调节冷却功率。由于受到空气导热能力限制，风冷冷却的冷却能力有限，一般用在设备发热功率较小场合。液冷冷却依靠液态冷却介质循环带走设备热量。液态介质中，通常选择比热容较大的介质做冷却介质。水的比热容较大，冷却系统温度均一性较好，适合发热量较大的工况。冷媒冷却依靠独立的压缩机降低介质温度，冷却效果最好，但系统组成较复杂，成本较高。
在现代工程应用中，常见的工程设备发热量功率较大。同时，工程设备控制成本的要求又较高。因此热载流量大、冷却效果好、成本较低的水冷冷却技术再次进入工程人员的视野。针对水冷冷却的系统组成、技术特性、解决方案、工程应用等分别进行简要介绍。1水冷冷却系统组成
如图1所示，根据水冷冷却系统的功能划分，水冷冷却系统主要分为5大部分，分别是：循环水泵、散热器、冷却介质、循环管路、换热器，此外还会有膨胀水箱（补水箱）等辅助部件。
3
5
4
膨
胀
罐
3IIIII
散热
供氧器
吸热
1—循环水泵;2—散热器;3—冷却介质；4—循环管路;
5—换热器；一膨胀水箱（补水箱）。
图1水冷冷却系统
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循环水泵负责整个水冷冷却系统内冷却介质的循环。根据系统循环管路的长短、散热流量的大小，选择合适扬程、流量的水泵。散热器是降低介质温度的部件。根据需要散热功率的大小，设计散热器形状和计算散热面积，保证散热的合理高效。冷却介质是水冷冷却系统中带走热量的载体，负责将发热部件的热量带走，并通过散热部件将热量散到水冷冷却系统外部，通常采用大比热容的水或者其他溶剂作为冷却介质。循环管路是整个系统的“血管”，连接着系统的各个部件，一般选用耐腐蚀、耐老化、易加工、密封性好的材料，常用的有金属管材和高分子复合材料管材。换热器负责将发热部件的热量传递到冷却介质中。换热器效率的高低影响着整个水冷冷却系统的冷却效果，一般都采用导热系数高的金属材质。膨胀水箱内部储存冷却介质，主要在冷却介质热胀冷缩时，调节压力；当介质泄漏/减少后，还可以起到补充介质作用。
水冷冷却系统应用场景的不同，水冷冷却系统部件的形状、位置可能发生变化，但无论水冷冷却系统的大或者小，简单或者复杂，其中的主要部件组成不会发生变化。
2水冷冷却技术的特点
水冷冷却技术早在20世纪就已经商业化应用。在实际使用中，虽然依靠冷却介质大比热容的特性，使得水冷冷却有着良好的冷却效果，但也存在着一定的不足。下面分别对水冷冷却系统的优点和缺点进行简要介绍。
0.1水冷冷却系统的优点
水冷冷却系统由于采用大比热容介质一一液态水作为其冷却介质，水冷冷却系统具有以下优点。
3单位体积载热能力大：大比热容介质，相同温升能带走更多热量。
2）热量定向移动：冷却介质单向循环，保证部件发热量及时带走。
4散热方式灵活：可根据散热需要，灵活设计冷却系统和换热器。
4）冷却系统低噪音：系统只有水泵工作噪音，较风冷冷却风扇噪音低很多。
0.2水冷冷却系统的缺点
虽然水冷冷却系统优点明显，但因为冷却介质本身特性和结构限制，水冷冷却系统中不可避免地存在以下缺点。
1）冷却系统可靠性低：水冷冷却管路较多、介质容易泄露，且泄漏检测困难。
2）部件绝缘能力不高：水冷冷却系统多金属部件，绝缘能力较低，应用范围受限。
3/使用受温度限制较大：低温易使冷却介质（水或其混合溶液）冻结，应用受温度限制较大。
4）冷却系统成本较高：水冷冷却系统复杂，同样散热功率较风冷冷却系统成本高。
可以看岀，水冷冷却系统的优点明显，但由于其本身固有
Voi.28,Nc.2,2201
的缺点，也一度限制了水冷冷却系统的发展。近些年，随着设备散热要求越来越高，采用水冷冷却的设备也越来越多。相应的，对水冷冷却系统缺点的改进研究也日益增多。
3水冷冷却系统缺点的解决方案
针对水冷冷却系统在实际应用中存在的诸多缺点，工程人员相应地提岀了解决措施。
3.1冷却系统可靠性低的问题
水冷冷却系统中管路、接头较多，导致水冷冷却系统经常岀现介质泄露问题，这对于一些精密仪器、设备是不允许的。科研人员对该问题进行相应的改进研究，主要改进方式分为介质泄露预防和介质泄漏检测两大方面。
3.1.1介质泄漏预防⑴
全自动挤出中空吹塑机
介质泄露通常岀现在循环管路的接头、器件连接部位。因此，介质泄露预防，主要在管路设计上进行改进，对于一些管路不好改进的位置，可采用改进器件布置设计。
管路改进设计中，常采用优化管路布置、减少管路接头、改善接头连接工艺等，目的在于减少管路泄漏的可能。在器件优化布置上，一般在管路全包裹设计中，管路底部增加接水盘，防止水冷系统泄漏对本部位以及下层设备的损害。
3.1.2介质泄漏检测一2
在普通的管道输送泄露检测中，比如自来水管道泄漏检测、石油输送管道泄漏检测，可以利用泄漏点大流量的特点，采用流量监测法、声波法、负压波测量法等方法检测。但在水冷冷却系统中，管路压力、流量较小，常规检测方法通常失效。对于这种小流量、渗透性泄漏，工程中有应用且可靠的检测方法是感应电缆/垫感应检测法。
感应电缆/垫是一种通电后能在其周围形成感应电场的电缆/垫。当有水滴滴落或者异物在其周围时，引起电场变化，感应电缆/垫就能感应并报警。通常感应电缆/垫布置在水冷冷却管线下部。感应电缆监测灵敏、性能稳定、适应性强，实际使用效果比传感器加接水盘效果好很多。
3.2绝缘可靠和高导热率问题
水冷冷却技术中，水冷冷却系统的高导热率和良好绝缘是相互矛盾的。水冷冷却系统在保证高导热率的时候，往往绝缘特性不好。
为保证系统绝缘可靠，水冷冷却系统中一般采用改性冷却介质、增加绝缘层等方法。但这些方法又带来新的问题：更换冷却介质，比如介质水换成油类，能达到绝缘要求，但系统的冷却效率降低，同时又增加了设备防火的难度；由于绝缘材料导热系数较低，一般属于弱导热材料，增加绝缘层/漆，增加绝缘层/漆会降低系统的导热能力。在绝缘可靠和导热效率取舍上，需要根据实际使用需求，对两者性能进行合理取舍。
3.3环境限制
在水冷冷却技术应用中，环境的限制主要体现在使用温度的限制。在导热效果最好的水冷冷却系统中，冷却介质的熔点
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0C。低于0C，介质结冰，系统不能运行，甚至管路胀裂。因此，常用的水冷系统中，一般采用改性冷却介质。通常在常规冷却介质中添加醇类进行改性，最常用的是添加39%~45%乙二醇的水溶液做
冷却介质。该比例范围的冷却介质导热能力稍低于水，熔点一般在-15C~-20°C（熔点随浓度不同而变化）2氐温时具有较好的流动性。
此外，冷却介质在低温环境中（冷却介质没有冻结），还可以作为加热介质对部件加热。此时，需要在循环管系统增加加热装置，借助循环管路对整个系统加热。
至于水冷系统成本较风冷系统高的缺点，这是由于水冷系统增加水冷冷却的相关设备。随着水冷系统部件集成化，未来水冷冷却系统的成本可以控制在较低水平。
4水冷冷却技术的应用成果
水冷冷却技术应用的历史悠久，早在20世纪69年代2EM 公司就率先将水冷冷却技术应用在大型计算机/服务器的冷却中。随着各种大功率电子器件的研发成功，大功率电子器件的发热问题亟待解决。由于水冷冷却技术其出的冷却效果，逐步应用在各种大功率器件的冷却场景中。
目前，水冷冷却技术广泛应用在大型发电机冷却、大型冶金设备冷却、大功率电力电子设备冷却、电动汽车电池包冷却中，甚至生活中的家用电脑、投影仪等小型设备，都有采用水冷冷却的产品，且冷却效果很好。下面对水冷冷却技术在一些重要行业的应用成果进行简要介绍。
1）大型发电机冷却。大型（MW级别，汽轮、水力发电机能达到百MW级别以上）发电机中，发电过
程产生大量热量。为保证发电机正常工作，需要及时、高效地将产生热量带走，多采用水冷冷却技术。汽轮发电机、水力发电机中，常采用水冷冷却发电机卩；风力发电机中，发电机通常采用自然冷却，水冷冷却多用在变频设备上一6。
2）大型冶金设备冷却。冶金设备工作环境温度过高，导致其正常使用寿命较低。一般轧制半成品的设备常采用水冷冷却，以延长使用寿命［1-I1］o
3）大功率电力电子设备冷却。电力电子设备的发热问题，一直是制约其应用拓展的瓶颈。在20世纪74年代后，大功率电力电子器件的研发成功，使得解决大功率电力电子器件发热的需求更加迫切。因此在20世纪80年代后，有人逐步将水冷冷却技术引入到诸如雷达少］、大功率变频器［1］、大型电台发射器［14、大规模电站设备飞］、大功率激光发射装置［15-19］、舰船系统设备等大发热量设备/系统［20-21］中。经过实践验证，上述设备在使用水冷冷却方案后，设备冷却效果良好。
4）电动汽车电池包冷却。在电动汽车中，水冷冷却主要用于动力电池包的冷却。动力电池在使用过程中，由于电流和功率较大，导致动力电池发热量很大。为了保证动力电池的正常输出、延长电池使用寿命，降低动力电池使用温度成了散热技术主攻方向口2］。降低动力电池使用温度的措施，主流汽车厂商选择水冷冷却方案。动力电池的水冷冷却系统设计主要围绕着动力电池包散热结构设计⑦］、动力电池内部散热结构设计［°］、热管理系统设计［25-04］等进行。
在电动汽车动力电池的水冷冷却方案中，以特斯拉、奔驰、宝马、通用、大众、丰田、本田、比亚迪、上汽等汽车企业的技术和产品较为领先，动力电池的水冷冷却实际应用效果较好。同时，北汽新能源、长安、吉利、华晨等众多国内其他车企，也在积极进行电动汽车动力电池水冷冷却技术的相关研究。此外，相关的动力电池生产商，诸如松下公司、LG化学、宁德时代等动力电池生产商也在积极研究相关动力电池的水冷冷却技术，如图2所示。
图0某型号电动汽车电池包水冷冷却系统
5）生活中的水冷冷却产品。生活中，我们能见到的水冷冷却技术，最常见的就是家用电脑的水冷机箱①］，部分电脑主机厂商已经推出成熟的水冷冷却产品。办公产品中也有采用水冷冷却技术的产品，最近松下公司就开发出了采用水冷冷却技术的投影仪回］。
水冷冷却的另一重要应用场景是大型服务器/工作站的散热冷却。研究人员对水冷服务器的水冷系统、冷却方案都有深入研究［39-34］。近年来，随着服务器的发热功率增加,IBM、华为等公司已经各自开发出适合大型服务器的浸入式水冷冷却系统。水冷冷却技术已经成为大功率发热设备的一种重要冷却方式。
5结语
水冷冷却技术是一种便捷、高效的冷却技术。虽然，目前
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的水冷冷却技术还存在一些技术难题没有攻克，比如绝缘特性和高导热率难以同时兼得、泄漏危害最小化的研究等，但是，水冷冷却技术的大导热能力依然有很大的优势。尤其在大功率电力电子设备和电动车动力电池的设备冷却应用中，水冷冷却技术有着岀表现。
未来，在水冷冷却技术应用上，解决水冷冷却技术的绝缘和高导热率矛盾将成为水冷技术的热点；同时，水冷冷却技术的应用范围会越来越广泛，从工业中的大功率发热器件、汽车中的动力电池包，到日常生活中的水冷冷却电脑主机、大发热量的投影仪，水冷冷却技术势必成为一种主流的大热流量散热冷却方式。
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作者简介：
郎君(1990-)，男，河北唐山人，硕士研究生，助理工程师，研究方向：轨道交通车辆储能电源结构设计、储能电源散热。
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