CN105658027A - 用于电子部件冷却的液冷板 - Google Patents

Abstract

用于电子部件冷却的液冷板，包括基板和盖板，基板上开设有多个平行的直槽，前后相邻的直槽首尾相接，直槽之间通过连接槽连通，直槽与连接槽之间圆弧过渡；基板上的直槽、连接槽和盖板围成供冷却液流过的流道，每个直槽的底壁上开设有第一凹槽，第一凹槽的宽度占流道宽度的60％～80％。本发明具有能兼顾液冷板温升和冷却液压降，实现液冷板温升和冷却液压降同时的大幅度降低的优点。

Description

用于电子部件冷却的液冷板

技术领域

本发明涉及一种适于安装在电子设备、发电机上的热交换器设备，特别是一种液冷板。

技术背景

液冷板具有优良的散热性能，其是对中、高功率密度的设备，液冷板可以有效地带走功率器件、印刷电路板组装件或分机设备中的耗散热量。液冷板冷却***的特点是：(1)冷板上的温度梯度小，热分布均匀，可带走较大的集中热负载；(2)由于采用间接冷却的方式，可使电子元器件不与冷却剂直接接触，减少各种污染，提高工作的可靠性；(3)与直接冷却相比较，冷却剂的耗损少，同时也便于采用较有效的冷却剂，提高冷却效率；(4)冷板装置的组件简单，结构紧凑，便于维修。综合上述这一系列优点，使得冷板在散热器件上的应用有着广阔的前景。

液冷板是通过在整个板表面上均匀地散热以解决电器设备的生热问题。常用的液冷板是使用盘管或者夹在至少两个平板之间的板翅片而设计的流动通路。使用盘管或者板翅片来制成流动通路(流道)的缺点在于：盘管需要用直管弯制而成，一根直管可能只能制成盘管的一部分，因此盘管上具有焊接处，可能会出现漏点。用板翅片夹在两个平板之间，板翅片与平板钎焊形成流动通路(流道)，钎焊之处也可能出现漏点。另外，弯制盘管和钎焊板翅片与平板都存在工艺复杂的问题。

为了克服上述缺点，中国专利ZL200580049517.9披露了一种改进的热交换器设备，其适于冷却安装在设备的至少一个外表面上的电子部件，该设备包括：基板；盖板；包覆片材，其插置在基板和盖板之间，其中包覆片材被刚性地接合以形成单个整体式板；位于所形成的板的一端或相对两端处的至少一个入口和至少一个出口，以用于冷却介质进出，基板被构造成具有多个流动通道，每个通道包括几个加工的凹槽，其具有与电子部件的相应热轨迹对应的预定的变化的尺寸，从而优化热传递速率，并且多个互连部设计在构成连续且平行的流动通路之一的凹槽之间。这种热交换器中，流动通道为通过数控机床构造在基板上的多个凹槽。流体通道具有变化的深度和变化的宽度。通过对流道的设计，使冷却液在高热通量区域的流体速度加快、强化热传递量，在低热通量区域降低流体速度，使得流体压降最小。

压降和温升是衡量冷板性能的重要的指标，温升表征冷板的散热能力，压降决定了冷板冷却液驱动泵的功率，冷板性能优化措施都基于该两项性能指标。压降和温升的同时降低在理论上存在矛盾，现有的优化技术措施在降低一个指标的同时会引起另一指标性能提高。

由傅里叶定律：

冷板温升：

式中：Δt——冷板温升

q_m——冷板中冷却液流量

C_p——冷却液比热容

——热源功率

冷板压降：

$\mathrm{\Δ}P=f^{\′}\frac{L}{d}*\frac{u^2}{2g}---\left(2.2\right)$

$u=\frac{q_m}{{\mathrm{\ρA}}_c}$

式中：Δp——冷板压降

f′——哈根—玻伊塞利摩擦系数

L——冷板管道等效长度

d——水力直径

u——管内冷却液流速

A_c——管道横截面积

由(2.1)、(2.2)可得：

由(3)式可知，冷板温升Δt与压降ΔP成反比，而ZL200580049517.9披露的热交换器设备中，高热通量区域的冷却液流速加快，则将导致流体压降升高。其优化措施不能兼顾压降和温升。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能兼顾液冷板温升和冷却液压降，实现液冷板温升和冷却液压降同时的大幅度降低的用于电子部件冷却的液冷板。

用于电子部件冷却的液冷板，包括基板和盖板，基板上开设有多个平行的直槽，前后相邻的直槽首尾相接，直槽之间通过连接槽连通，直槽与连接槽之间圆弧过渡；基板上的直槽、连接槽和盖板围成供冷却液流过的流道，其特征在于：每个直槽的底壁上开设有第一凹槽，第一凹槽的宽度占流道宽度的60％～80％。流道以盖板以顶，以基板为底，盖板封闭直槽的壁面为流道的顶壁。通过对不同宽度的流道仿真计算，凹槽宽度在60％-80％流道宽度这个区间冷却效果最好，凹槽的深度受流道尺寸影响不大。

进一步，每个直槽内具有多个槽道，每个槽道的底壁上开设底部凹槽，每个槽道的顶壁上开设顶部凹槽，底部凹槽的宽度和顶部凹槽的宽度分别占所在槽道宽度的60％～80％。

进一步，顶部凹槽和底部凹槽的深度均为0.2mm。太深凹槽内的冷却液不易与流道内的冷却液进行热交换，太浅对流道边界层的绕流程度达不到最大，0.2mm深度的凹槽热交换效果最好。

进一步，所述的流道具有两个入口，一个出口，出口位于两个入口之间。将流道设置为两个入口，冷却液分别两个入口进入，这样冷却液只需从任意入口流动到出口即可，无需完全流经整个流道的行程，冷却液的压降大幅降低。

进一步，出口位于流道行程的1/2处。冷却液从入口到出口的行程为流道长度的1/2，这样冷却液在冷板中所走的路程减少了一半，冷却液的压降大幅降低。

本发明的优点在于：

1、增加凹槽结构后，流体通道的底壁和顶壁凹凸不平，从而使冷却液边界层湍流加剧，边界层厚度变薄，对流换热效果得到加强，液冷板温升降低。同时凹槽结构使流道的横截面积变大，相同入口流量情况下压降得到降低。从而能兼顾液冷板温升和冷却液压降，实现液冷板温升和冷却液压降同时的大幅度降低。

2、通过在流道上设置两个入口，出口位于两入口之间，从而减少了冷却液在流经的行程，压降得到降低。

附图说明

图1是基板的立体示意图。

图2是基板的俯视图。

图3是图2的B-B向剖视图。

图4是图3的A部放大图。

图5是未开设凹槽的流道的轴向截面图。

图6是开设有凹槽的流道的轴向截面图。

图7是温度边界层示意图。

图8是未开设凹槽的流道的压降和温度仿真云图。

图9是开设有凹槽的流道的压降和温度仿真云图。

图10是未开设凹槽的流道纵向横截面A-A的示意图。

图11是未开设凹槽的流道A-A截面温度等值线图。

图12是开设有凹槽的流道A-A截面温度等值线图。

图13是未开设凹槽的流道A-A截面速度等值线图。

图14是开设有凹槽的流道A-A截面速度等值线图。

图15是未开设凹槽的流道A-A截面场协同角等值线图。

图16是开设有凹槽的流道A-A截面场协同角等值线图。

图17是流道具有两入口单出口的示意图。

图18是未开设凹槽的单入口单出口流道的压降和温度仿真云图。

图19是未开设凹槽的两入口流道的压降和温度仿真云图。

图20是开设有凹槽的单入口单出口流道的压降和温度仿真云图。

图21是开设有凹槽的两入口流道的压降和温度的仿真云图。

具体实施方式

实施例1

如图1和图2所示，用于电子部件冷却的液冷板，包括基板1和盖板，基板1上开设有多个平行的直槽11，前后相邻的直槽11首尾相接，直槽11之间通过连接槽12连通，直槽11与连接槽12之间圆弧过渡；基板1上的直槽11、连接槽12和盖板围成供冷却液流过的流道，每个直槽11的底壁上开设有第一凹槽13，第一凹槽13的宽度占流道宽度的60％～80％。流道以盖板以顶，以基板1为底，盖板封闭直槽11的壁面为流道的顶壁。通过对不同宽度的流道仿真计算，凹槽宽度在60％-80％流道宽度这个区间冷却效果最好，凹槽的深度受流道尺寸影响不大。

如图3和图4所示，每个直槽11内具有多个槽道111，每个槽道111的底壁上开设底部凹槽，每个槽道111的顶壁上开设顶部凹槽，底部凹槽的宽度和顶部凹槽的宽度分别占所在槽道111宽度的60％～80％。如图1和图2所示，槽道111是由于在每个直槽11内等间隔放置肋板112分割而成。

如图6所示，顶部凹槽和底部凹槽的深度均为0.2mm。太深凹槽内的冷却液不易与流道内的冷却液进行热交换，太浅对流道边界层的绕流程度达不到最大，0.2mm深度的凹槽热交换效果最好。

本实施例以5mm宽流道的顶部增加3.9mm宽，0.2mm深的顶部凹槽14，底壁表面增加3.9mm宽，0.2mm深的底部凹槽13为例说明，如图5和图6所示。

图5是未开设凹槽的流道一组3条槽道的轴向截面示意图，由图5可知，未开设凹槽的流道结构深15mm，宽5mm。图6是开设凹槽的流道轴向截面，在未开设凹槽的流道的上下表面增加宽3.9mm，深0.2mm凹槽结构。

根据对流强化传热理论，当流体温度与壁面温度不同时，管壁和流体必有热量交换。靠近壁面处流体温度发生显著变化的薄层叫温度边界层。在该边界层内流体温度达到主流区温度的99％，如图7所示。

引入热阻概念，热阻由式(4.1)定义：

$\mathrm{\θ}=\frac{t1-t2}{P}---\left(4.1\right)$

式中：θ——热阻

t1——热源温度

t2——导热***终点温度

P——热源功率

由上式可得边界层热阻占整个传热过程的99％，因此对边界层换热条件的改善是提升冷板换热性能的关键。

在流道的底壁和顶壁分别增加凹槽后，边界层湍流加剧，边界层厚度变薄，对流换热效果得到加强，冷板温升降低。同时凹槽使流道的横截面积变大，相同入口流量情况下压降得到降低。未开设凹槽的流道和开设凹槽的流道在相同入口条件(入口流速：3.15m/s，入口温度：45℃)的温度和压降云图对比如图8、图9所示。

由图8和图9可知，开设凹槽的流道比未开设凹槽的流道压降降低了0.03bar，最大温升降低了1.74℃。

为更好的说明开设凹槽的流道的优越性，取未开设凹槽的流道结构和开设凹槽的流道结构的纵向截面A-A(图10)在fluent里面进行分析，显示流道截面的温度等值曲线、速度等值曲线和场协同角分布如图11、图12、图13。

由图11和图12可以看出开设凹槽的流道的温度入口发展段变长，由未开设凹槽的流道结构的0.29m增长到0.34m。温度入口发展段变长，轴向坐标值相等的情况下温度边界层厚度变薄，对流换热得到强化。

由上图13和图14可以看出，未开设凹槽的流道中心速度为2.6m/s，开设凹槽的流道中心速度为2.8m/s。冷却液速度大，在相同的时间能够进行更多的热交换，带走更多的热量。

如图15和图16可知，开设凹槽的流道中心区域场协同角值变小，分布更加均匀。场协同角是衡量温度梯度和速度梯度协同性的重要指标，该值越小说明二者之间的协同性越好。由此可知开设凹槽的流道的散热性比未开设凹槽的流道要好。

实施例2

本实施例与实施例一的区别之处在于：所述的流道具有两个入口I1、I2，一个出口E，出口E位于两个入口I1、I2之间，如图17所示。将流道设置为两个入口I1、I2，冷却液分别两个入口I1、I2进入，这样冷却液只需从任意入口流动到出口即可，无需完全流经整个流道的行程，冷却液的压降大幅降低。

出口E位于流道行程的1/2处。冷却液从入口I1、I2到出口E的行程为流道长度的1/2，这样冷却液在冷板中所走的路程减少了一半，冷却液的压降大幅降低。

图18和图19中仿真的是流道中未开设凹槽，仅为入口数量不同的压降和温度仿真云图。

在流道设置两入口后，冷却液在冷板中所走路程减少一半，压降得到降低。如图18所示，未开设凹槽的流道压降1.2bar，最高温度59.34℃。如图19所示，两入口流道压降1.03bar，最高温度58.94℃。

由图18和图19对比可知，两入口流道比单入口流道的压降降低了0.17bar，最大温升也略有降低。

如图20所示，未开设凹槽的但入口流道压降1.2bar，最高温度59.34℃，温升14.34℃。

如图21所示，2入口开设凹槽的流道压降0.98bar，最高温度56.67℃，温升11.67℃。

由图20和图21对比可知，2入口开设凹槽的单入口流道比未开设凹槽的两入口流道压降降低了0.22bar，最大温升降低了2.67℃。压降降低了18.3％，温升降低了18.6％，冷板整体性能得到大幅提升。

本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也及于本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。

Claims (5)

1.用于电子部件冷却的液冷板，包括基板和盖板，基板上开设有多个平行的直槽，前后相邻的直槽首尾相接，直槽之间通过连接槽连通，直槽与连接槽之间圆弧过渡；基板上的直槽、连接槽和盖板围成供冷却液流过的流道，其特征在于：每个直槽的底壁上开设有第一凹槽，第一凹槽的宽度占流道宽度的60％～80％。

2.如权利要求1所述的用于电子部件冷却的液冷板，其特征在于：每个直槽内具有多个槽道，每个槽道的底壁上开设底部凹槽，每个槽道的顶壁上开设顶部凹槽，底部凹槽的宽度和顶部凹槽的宽度分别占所在槽道宽度的60％～80％。

3.如权利要求2所述的用于电子部件冷却的液冷板，其特征在于：顶部凹槽和底部凹槽的深度均为0.2mm。

4.如权利要求1-3之一所述的用于电子部件冷却的液冷板，其特征在于：所述的流道具有两个入口，一个出口，出口位于两个入口之间。

5.如权利要求4所述的用于电子部件冷却的液冷板，其特征在于：出口位于流道行程的1/2处。