CN114521093A - 一种单元流路、换热器设计方法、液冷板 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种单元流路、换热器设计方法、液冷板，所述单元流路包括：两个换热器并联构成的换热器组和两个分流器；一个分流器位于所述换热器组的上游，另一个分流器倒置位于所述换热器组的下游，构成分流器—换热器组—分流器的流路拓扑结构；所述换热器具有不对称的上下游结构且在几何位置上与所要冷却的功率器件相对应。本发明具有换热效率高、功率容量大、体积紧凑、资源集约利用的特点，并可以根据功率器件的布局特点灵活调整流路，特别适合于解决高热流密度、大功率电子模块的冷却问题，并有助于解决此类电子模块的组阵应用难题。

Description

一种单元流路、换热器设计方法、液冷板

技术领域

本发明涉及适合于小型化电子设备的热管理和结构设计，用于高热流密度功率器件的冷却技术领域，特别是一种单元流路、换热器设计方法、液冷板。

背景技术

冷板(cooling plate)是换热器(heat exchanger)的一种衍生品，用于实现固体与流体之间的热交换。目前，多回流道整体式液冷板是用于大功率电气、电子、动力设备散热的主流形式。其设计原则是针对大面积均匀热源的均温设计以及最大化利用热侧面积，可实现中等热耗散功率、中等热流密度的电子模块(或电气模块，以下为简化描述统称为电子模块)的冷却，且对电子模块的种类、数量和排列顺序不敏感，适应性较好，可称之为通用液冷板。但是，工程实践中发现，均温设计的液冷板不能针对局部高热流密度点热源强化局部换热能力，导致一些区域过换热，而另一些区域欠换热，浪费了冷却液的热容量。其设计特点和性能难以满足具有分布式点热源特点的某类电子模块的冷却要求。

某类电子模块通常包括由多个功率器件组成的电路，具有典型的分布式点热源的特点。此外，对更高性能、更高集成度和集成环境适应性的不断追逐，也使得电子模块需要更有效的冷却。因此，针对此类电子模块的冷却需求，有必要发展有别于通用液冷板设计思路的专用液冷板。专用液冷板可以针对其功率器件的布局特点强化局部换热能力，较好地解决非均匀、分布式点热源的冷却问题。

发明内容

鉴于此，本发明提供了一种单元流路、换热器设计方法、液冷板，具有换热效率高、功率容量大、体积紧凑、资源集约利用的特点，并可以根据功率器件的布局特点灵活调整流路，特别适合于解决高热流密度、大功率电子模块的冷却问题。

一方面，本发明公开了一种仅由换热器和分流器组成的单元流路，包括：两个换热器并联构成的换热器组和两个分流器；一个分流器位于所述换热器组的上游，另一个分流器倒置位于所述换热器组的下游，构成分流器—换热器组—分流器的流路拓扑结构；所述换热器具有不对称的上下游结构且在几何位置上与所要冷却的功率器件相对应。

优选地，所述换热器的上游结构是一个具有较大扩展角的扩压器，扩压器的扩展角介于120°～150°之间，轮廓转折处设计圆角平滑过渡；所述换热器的下游结构是一个具有较小收缩角的喷管，喷管的收缩角介于45°～90°之间。

优选地，两个所述分流器的结构相同，其功能均由分流器结构和冷却液的流动方向组合确定；冷却液正向流动时，分流器依靠其主路和两个支路结合点的对称结构和楔角实现动压均匀二分流；冷却液逆向流动时，分流器实现二合一汇流；在主路和两个支路结合点，分流器两个支路的夹角不超过150°；主路与支路轮廓相接处设计有圆角平滑过渡。

另一方面，本发明还公开了一种适应微通道传热的层流特性的换热器设计方法，适用于上述所述的换热器，所述换热器还包括由若干微通道和散热齿相间排列而成的换热区，换热区呈顺流向矩形，顺流向为矩形长边，沿流动展向为矩形短边，引导功率器件的热量主要沿垂直于流动平面的方向传导至散热齿，并与冷却液换热。

优选地，换热器的微通道截面的高宽比小于15，散热齿厚度与微通道宽度之比值大于0.8，微通道的通道长度不大于层流态热初始段长度。

优选地，单个换热器可用于1～2个功率器件的热量收集；所述换热区长边等于微通道的通道长度，换热区短边等于1个功率器件的边长或者2个功率器件的边长之和，换热区的长宽比介于1.5～3之间。

优选地，所述换热器长度由换热区长度、扩压器长度和喷管长度3段组成，换热器宽度等于换热区短边。

另一方面，本发明还公开了一种液冷板，所述液冷板包括多个串联连通的上述所述的单元流路，所述单元流路的数量可根据功率器件的数量而增减。

优选地，所述单元流路的数量为2；由2个所述单元流路、级间段、进液腔、出液腔、第一引流段和第二引流段组成的单回式流路使进液口和出液口同侧；2个所述单元流路为第一单元流路和第二单元流路；所述进液腔通过所述第一引流段与所述第一单元流路相连通，所述第一单元流路的出液口通过所述级间段与所述第二单元流路相连通，所述第二单元流路的出液口通过所述第二引流段与所述出液腔相连通。

优选地，所述进液腔与进液口匹配，所述出液腔与出液口匹配；所述进液腔和所述出液腔的高度均等于所述液冷板的高度，所述第一引流段和所述第二引流段的高度均等于所述换热器的微流道高度；所述进液腔与所述第一引流段之间以及所述出液腔与所述第二引流段之间均设有一个过渡折角。

由于采用了上述技术方案，本发明具有如下的优点：具有换热效率高、功率容量大、体积紧凑、资源集约利用的特点，并可以根据功率器件的布局特点灵活调整流路，特别适合于解决高热流密度、大功率电子模块的冷却问题，并有助于解决此类电子模块的组阵应用难题。该液冷板示例可用于最常用的此类电子模块。通过工程样机验证，使用0.2mm槽宽特征尺寸的微通道换热器，可有效解决热流密度不超过200W/cm2、热耗散功率不超过75W的功率器件冷却问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明实施例中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例的一种仅由换热器和分流器组成的单元流路轮廓示意图；

图2为本发明实施例的一种换热器横截面的几何参数定义示意图；

图3为本发明实施例的一种换热器平面轮廓的几何参数定义示意图；

图4(a)为本发明实施例的一种非对称上下游结构换热器流线示意图；

图4(b)为现有技术的一种对称上下游结构换热器流线示意图；

图5为本发明实施例的一种用于某类电子模块冷却的液冷板流路示意图；

图6为本发明实施例的一种用于电子模块冷却的一体化液冷板与功率器件位置示意图；

图7为本发明实施例的一种用于电子模块冷却的一体化液冷板结构示意图。

附图标号：冷板盒体-1，流道盖板-2，扩压器-3，换热区-4，喷管-5。

具体实施方式

结合附图和实施例对本发明作进一步说明，显然，所描述的实施例仅是本发明实施例一部分实施例，而不是全部的实施例。本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明实施例保护的范围。

为了更加清晰的描述本发明的技术方案，特做以下解释说明：

换热器(heat exchanger)：由若干规则排列的散热齿、壁板、流道(含上下游扩张段)组成的一个结构整体，两个面分别作为流体进口和出口，其余面为封闭面；可以独立结构件形式(如商用计算机CPU或GPU的冷却装置)出现，存在明显的结构可分离面，也可以集成形式(如本发明中)出现，没有结构可分离面。本发明中用于说明流路单元的整体设计，其结构特征可以拆分到不同的零件上。

流道：设计用于容纳冷却液流动的大截面通道。

某类电子模块的核心是多组有规律排列的功率器件。功率器件的热耗散功率通常到此类电子模块热耗散功率的90％以上。由于单组内电路组成完全相同，各组之间并联，因而功率器件排列整齐，且集中在平面电路的某个局部区域，具有典型的非均匀、分布式点热源的特点。单个功率器件通常同时具有高热流密度和大功率的属性，点热源特点突出，导热体的(平面)热扩展效果非常差。

本发明实施例能够很好的适应于上述功率器件的冷却。

实施例一：

参见图1，为本发明实施例的一种仅由换热器和分流器组成的单元流路示意图，包括：两个换热器并联构成的换热器组和两个分流器；一个分流器位于换热器组的上游，另一个分流器倒置位于换热器组的下游，构成分流器—换热器组—分流器的流路拓扑结构；参见图4(a)，换热器具有不对称的上下游结构且在几何位置上与所要冷却的功率器件相对应。

本实施例中，换热器的上游结构是一个具有较大扩展角的扩压器3，扩压器3的扩展角a介于120°～150°之间，轮廓转折处设计圆角平滑过渡；换热器的下游结构是一个具有较小收缩角的喷管5，喷管5的收缩角b介于45°～90°之间。

换热器的上下游结构是换热器的附属结构，本发明实施例提出了流向轴对中的不对称上下游结构，利用扩展角更大的扩压器3(上游结构)形成较高的压力势促进液体较均匀地分配到每个微通道内，并较大地压缩后台阶流的涡尺寸；利用收缩角更小的喷管5(下游结构)加速流动，增强抽吸效应，促进微通道内的顺压流动。为了平衡流动功能与结构紧凑性之间的矛盾，扩压器3的扩展角a介于120°～150°之间，喷管5的收缩角b介于45°～90°之间。扩压器3轮廓转折处设计较大的圆角以平滑过渡。

本实施例中，两个分流器的结构相同，其功能均由分流器结构和冷却液的流动方向组合确定；冷却液正向流动时，分流器依靠其主路和两个支路结合点的对称结构和楔角实现动压均匀二分流；冷却液逆向流动时，分流器实现二合一汇流；在主路和两个支路结合点，分流器两个支路的夹角不超过150°，形成一个楔角以导流；主路与支路轮廓相接处设计有圆角平滑过渡，以消除尖角导致的转折处流动收缩现象。

分流器支路与换热器之间的存在一定长度的连接流道。该直流道越长，整流效果越好；直流道越短，单元流路越紧凑。

实施例二：

针对功率器件通常同时具有高热流密度和大功率的特点，有必要采用微通道换热器增强冷却能力。为适应微通道传热的层流特性并有效利用非充分发展段层流较高的对流换热系数。参见图2、图3、图4(a)和图4(b)，本发明提供了一种适应微通道传热的层流特性的换热器设计方法的实施例，适用于实施例一中的换热器，换热器还包括由若干微通道和散热齿相间排列而成的换热区4，换热区4呈顺流向矩形，顺流向为矩形长边，沿流动展向为矩形短边，引导功率器件的热量主要沿垂直于流动平面的方向传导至散热齿，并与冷却液换热，而在流动平面内的热扩展效应几乎可忽略。

本实施例中，换热器的微通道截面的高宽比(l/w)小于15，散热齿厚度与微通道宽度(t/w)之比值大于0.8，微通道的通道长度不大于层流态热初始段长度X_fd,t，且层流态热初始段长度X_fd,t满足公式(1)：

其中，Re_D为雷诺数，Pr为普朗特数，D_h为通道的水力学等效直径。

首先，关于换热器横截面几何参数的选择，包括：齿片高度(或通道高度)l、通道宽度w和齿片宽度t。根据传热学中毕奥数(Bi)的定义：

其中，k_s为固体导热系数，h为对流换热系数，L为特征长度；Bi数表征了对流换热与固体热传导之间的相对强弱关系。通常地，传热能力由高到低排列为：液体对流换热、金属固体导热、气体对流换热。

对于风冷板，金属固体导热深度较大，换热器的通道截面适合采用较大的高宽比(l/w)，其值常大于20，导致风冷板厚度较大。风冷板的散热齿厚度较小，散热齿厚度与通道宽度之比值常小于0.2。

对于液冷板，金属固体导热深度较小，换热器通道截面适合采用较小的高宽比(l/w)，其值常小于15，且高度相关于散热齿厚度与通道宽度的比值(t/w)，导致液冷板厚度较小。液冷板散热齿厚度较大，散热齿厚度与通道宽度之比值常大于0.8。

本实施例中，单个换热器可用于1～2个功率器件(单点或双点热源)的热量收集；换热区4长边等于微通道的通道长度L_f，换热区4短边W等于1个功率器件的边长或者2个功率器件的边长之和，换热区4的长宽比L_f/W介于1.5～3之间。

当流体进入管道内部流动时，壁面处会形成流动边界层。流动边界层厚度沿流向增大，当对侧的流动边界层相互接触后，进入流动充分发展段。摩擦系数从流动边界层初始点开始单调下降，然后在充分发展段内保持为常数值。当流体与管壁之间存在温差时，壁面处会形成热边界层。热边界层厚度也沿流向增大，当对侧的热边界层相互接触后，进入热充分发展段。对流换热系数从热边界层初始点开始单调下降，然后在充分发展段内保持为常数值。

微通道的通道长度L_f的选择：

当流体进入管道内部流动时，壁面处会形成流动边界层。流动边界层厚度沿流向增大，当对侧的流动边界层相互接触后，进入流动充分发展段。摩擦系数从流动边界层初始点开始单调下降，然后在充分发展段内保持为常数值。当流体与管壁之间存在温差时，壁面处会形成热边界层。热边界层厚度也沿流向增大，当对侧的热边界层相互接触后，进入热充分发展段。对流换热系数从热边界层初始点开始单调下降，然后在充分发展段内保持为常数值。

根据传热学中普朗特数(Pr)的定义：

其中，ν为粘性系数，α为热扩散系数；Pr数表征了动量扩散与热扩散的相对强弱关系。水的Pr数约为6，常用冷却液的Pr数约为54，表明使用水或常用冷却液做介质，流动边界层的发展要远快于热边界层，可以利用流体处于流动充分发展段较小的摩擦系数和热初始段较大的对流换热系数来设计换热器的流向长度。

层流态的流动初始段长度X_fd,h和热初始段长度X_fd,t可按下式计算：

其中，Re_D为雷诺数，Pr为普朗特数，D_h为通道的水力学等效直径。

换热区4长边等于流动通道长度L_f，换热区4短边W约等于功率器件边长。通常，换热区4的长宽比(L_f/W)介于1.5～3之间，可以较好地平衡流动的入口段效应与经济型换热器之间的矛盾。

本实施例中，换热器长度L由换热区4长度L_f、扩压器3长度和喷管5长度3段组成，换热器宽度W等于换热区4短边。

实施例三：

参见图5、图6和图7，其中，图7给出了液冷板结构的A-A剖面图和B-B剖面图。作为单元流路的应用，本发明提供了一种液冷板的实施例，液冷板包括多个串联连通的上述实施例一中的单元流路，单元流路的数量可根据功率器件的数量而增减。参见图6，液冷板与所要冷却的功率器件相接触，具体是液冷板中的换热器与功率器件位置相对应。

作为最简单的一种示例，单元流路的数量为2；由2个单元流路、级间段、进液腔、出液腔、第一引流段和第二引流段组成的单回式流路使进液口和出液口同侧；2个单元流路为第一单元流路和第二单元流路；进液腔通过第一引流段与第一单元流路相连通，第一单元流路的出液口通过级间段与第二单元流路相连通，第二单元流路的出液口通过第二引流段与出液腔相连通。本实施例中的液冷板还包括冷板盒体1和流道盖板2，2个单元流路和流道盖板2均设置在液冷板内，且流道盖板2设置在2个单元流路的上方。冷板盒体1包括相对设置的结构安装面。单元流路中的换热器与其所要冷却的功率器件的位置相对应，从而达到冷却功率器件的目的。图7中的引流道指的是第二引流段。

液冷板中冷却液的流动：(1)冷却液由进液口经进液腔和引流段至第一级单元流路，由分流器均分为两路分别进入并联的2个换热器并充分换热后，再由下游的倒置分流器汇合为一路流出；(2)经由级间段流至第二级单元流路，由分流器均分为两路分别进入并联的2个换热器并充分换热后，再由下游的倒置分流器汇合为一路流出；(3)经引流道和出液腔流至出液口排出。

本实施例中，进液腔与进液口匹配，出液腔与出液口匹配；进液腔和出液腔的高度均等于液冷板的高度，第一引流段和第二引流段的高度均等于换热器的微流道高度；进液腔与第一引流段之间以及出液腔与第二引流段之间均设有一个过渡折角。

更为具体的是，第一单元流路包括第一分流器、并联连接的第一换热器和第二换热器、第二分流器，第一分流器通过并联连接的第一换热器和第二换热器与第二分流器相连通；第一分流器的进液端与第一引流段的出液端相连通，第二分流器的出液端与级间段的进液端相连通。第二单元流路包括第三分流器、并联连接的第三换热器和第四换热器、第四分流器，第三分流器通过并联连接的第三换热器和第四换热器与第四分流器相连通；第四分流器的出液端与第二引流段的进液端相连通，第三分流器的进液端与级间段的出液端相连通。

流阻、对流换热效果、流速和流道结构之间存在函数关系。相等流速时，流道的截面积越小，则等效水力直径越小，流阻越大，对流换热效果也越好。在冷却液集约利用方面，液冷板只在需要功率器件下方布置流道，使冷却液流经所有换热器并充分换热，不使冷却液空流，且使用微通道换热器以增强冷却效果。在动力资源集约利用方面，换热器为了更高的换热效率而分配了较大的流阻，流道其余部分则尽可能考虑低流阻设计，如采用较大的通道截面，整流，或减少液体浸润面积等。

本发明实施例的一体化液冷板由冷板盒体和流道盖板组成，通过焊接连为一体。

本发明实施例提出了一种用于功率器件冷却的单元流路设计方法及装置，具有换热效率高、功率容量大、体积紧凑、资源集约利用的特点，并可以根据功率器件的布局特点灵活调整流路，特别适合于解决高热流密度、大功率电子模块的冷却问题，并有助于解决此类电子模块的组阵应用难题。该液冷板示例可用于最常用的此类电子模块。通过工程样机验证，使用0.2mm槽宽特征尺寸的微通道换热器，可有效解决热流密度不超过200W/cm²、热耗散功率不超过75W的功率器件冷却问题。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (10)

1.一种仅由换热器和分流器组成的单元流路，其特征在于，包括：两个换热器并联构成的换热器组和两个分流器；一个分流器位于所述换热器组的上游，另一个分流器倒置位于所述换热器组的下游，构成分流器—换热器组—分流器的流路拓扑结构；所述换热器具有不对称的上下游结构且在几何位置上与所要冷却的功率器件相对应。

2.根据权利要求1所述的单元流路，其特征在于，所述换热器的上游结构是一个具有较大扩展角的扩压器，扩压器的扩展角介于120°～150°之间，轮廓转折处设计圆角平滑过渡；所述换热器的下游结构是一个具有较小收缩角的喷管，喷管的收缩角介于45°～90°之间。

3.根据权利要求1所述的单元流路，其特征在于，两个所述分流器的结构相同，其功能均由分流器结构和冷却液的流动方向组合确定；冷却液正向流动时，分流器依靠其主路和两个支路结合点的对称结构和楔角实现动压均匀二分流；冷却液逆向流动时，分流器实现二合一汇流；在主路和两个支路结合点，分流器两个支路的夹角不超过150°；主路与支路轮廓相接处设计有圆角平滑过渡。

4.一种适应微通道传热的层流特性的换热器设计方法，适用于权利要求1-3任一项所述的换热器，其特征在于，所述换热器还包括由若干微通道和散热齿相间排列而成的换热区，换热区呈顺流向矩形，顺流向为矩形长边，沿流动展向为矩形短边，引导功率器件的热量主要沿垂直于流动平面的方向传导至散热齿，并与冷却液换热。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，换热器的微通道截面的高宽比小于15，散热齿厚度与微通道宽度之比值大于0.8，微通道的通道长度不大于层流态热初始段长度。

6.根据权利要求4或5所述的方法，其特征在于，单个换热器可用于1～2个功率器件的热量收集；所述换热区长边等于微通道的通道长度，换热区短边等于1个功率器件的边长或者2个功率器件的边长之和，换热区的长宽比介于1.5～3之间。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述换热器长度由换热区长度、扩压器长度和喷管长度3段组成，换热器宽度等于换热区短边。

8.一种液冷板，其特征在于，所述液冷板包括多个串联连通的权利要求1-3任一项所述的单元流路，所述单元流路的数量可根据功率器件的数量而增减。

9.根据权利要求8所述的液冷板，其特征在于，所述单元流路的数量为2；由2个所述单元流路、级间段、进液腔、出液腔、第一引流段和第二引流段组成的单回式流路使进液口和出液口同侧；2个所述单元流路为第一单元流路和第二单元流路；所述进液腔通过所述第一引流段与所述第一单元流路相连通，所述第一单元流路的出液口通过所述级间段与所述第二单元流路相连通，所述第二单元流路的出液口通过所述第二引流段与所述出液腔相连通。

10.根据权利要求9所述的液冷板，其特征在于，所述进液腔与进液口匹配，所述出液腔与出液口匹配；所述进液腔和所述出液腔的高度均等于所述液冷板的高度，所述第一引流段和所述第二引流段的高度均等于所述换热器的微流道高度；所述进液腔与所述第一引流段之间以及所述出液腔与所述第二引流段之间均设有一个过渡折角。

Images