CN109890186B - 一种具有对称拓扑结构的冷却器流路及双散热面液冷板 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有对称拓扑结构的冷却器流路及双散热面液冷板，冷却器流路以冷却器流路的中间点为界，分为前半程流动序列与后半程流动序列，前半程流动序列与后半程流动序列镜像对称，流动方向可互易，所述冷却器流路包括了至少两种技术规格的换热器，前半程流动序列和后半程流动序列中的换热器均按串并联的混合结构布置。双散热面的液冷板至少包括有一个如上所述的冷却器流路。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，可根据射频电子模块的热源特点定制化设计，特别适合于解决高热流密度、大功率射频电子模块的散热问题，并有助于解决射频电子模块的组阵应用难题。

Description

一种具有对称拓扑结构的冷却器流路及双散热面液冷板

技术领域

本发明涉及一种具有对称拓扑结构的冷却器流路及双散热面液冷板，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、大功率射频电子模块的高效冷却。

背景技术

冷板是换热器的一种衍生品。换热器用于实现流体与流体之间的热交换。应用范围最广泛的间壁式换热器(不同流体介质之间不直接接触)的热量是从高温流体经由换热器壁板传递至低温流体，实现两种流体之间的热交换。换热器壁板(管材或板材)多选用导热系数较高、强度和韧性较好、易于获取和加工的金属材料制成。冷板可以理解为半个换热器，用于实现流体和固体之间的热交换。冷板的热量是从固体侧热源经由冷板壁板传递至低温流体，或者从高温流体经由冷板壁板传递至固体侧热沉，实现固体与液体之间的热交换。由于热交换对象的特点不同，换热器可以间隔布置冷、热流体，通过空间层叠实现较高的面积体积比，而冷板只能布置一层流体，难以实现较高的面积体积比。

冷板常用于电气、电子、动力设备散热，根据使用的流体介质不同，可分为风冷板和液冷板两大类。由于液体的密度、比热容和导热系数都远大于气体，在同等可用温差条件下，液冷板的换热效率和功率容量远大于风冷板，体积也更紧凑。在没有其它具有更高权重的影响因素的情况下，大功率设备散热优选液冷板。目前，液冷板主要包括盘管式和整体式两大类。

水管冷板是最早出现的盘管式冷板，由金属薄板、金属管材和金属肋材胀接或铆接制成。金属管材在一个平面内折弯成多回式盘管(或称为蛇形盘管)以增加平面内管路密度，通过肋材与金属薄板胀接或铆接为一体，构成“流体—管壁—肋材—薄板—固体侧热源(或热沉)”的热路。水管冷板的结构简陋、成本较低，但缺点也很明显：1)肋材截面较薄，与胀接或铆接方式共同成为传热瓶颈；2)接触热源的金属薄板强度和平面度较差，填充接触面之间空气隙的热界面材料较厚，进一步限制了换热效率和功率容量的增加。

埋管冷板是水管冷板的改进，通过在一块金属厚板上加工出多回式凹槽，并胀接埋入多回式盘管，消除了肋材传热瓶颈，构成“流体—管壁—厚板—固体侧热源(或热沉)”的热路，且金属厚板的强度和平面度较好，填充接触面之间空气隙的热界面材料较薄，增大了换热效率和功率容量。随着热耗散功率的进一步增大，管路与厚板之间的接触热阻也线性增大，而管材折弯半径限制了平面内管路密度的增大，难以进一步提高换热效率和功率容量。

整体式冷板是盘管式冷板的改进，通过在一块金属厚板上加工出多回式流道，然后与盖板焊接为一体，构成“流体—壁板—固体侧热源(或热沉)”的热路。整体式冷板完全消除了冷板内部的接触热阻，且流道密集度与加工方法无关，能够完全填充满冷板面积，极大地提高了液冷板的换热效率和功率容量，是目前用于大功率设备散热的主流形式。

多回流道整体式液冷板(以下简称多回流道式液冷板)用于电气、电子、动力设备散热，设计原则是针对大面积均匀热源的均温设计，不限制电子模块(或电气模块，以下为简化描述统称为电子模块)的排列顺序，也对电子模块的种类和数量不敏感。工程实践中发现，多回流道式液冷板存在如下缺点：

1)串联单路流道，流道长度较大，流阻较大，为缓解流阻增大趋势不得不采用较大的流道截面积，对流换热系数较小，只能通过增大流道密集度以增大面积体积比，或增大流量以增大对流换热系数，以此增大液冷板的换热效率和功率容量。但流道密集度受限于流道截面积和液冷板总面积而存在上限值，流阻正比于流量的平方，也因泵动力而存在上限值。流道长度较大，流动在同等流量下更容易由层流态转戾为湍流态，湍流区占比较大，进一步增大了流阻，导致泵动力不足的问题更突出。

2)液冷板流道和散热面的温度梯度较明显，为减小散热面温度梯度而增大流量导致系统能效降低。

3)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效率，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。

多回流道式液冷板可作为液冷机架的主液冷板，实现中等热耗散功率、中等热流密度的电子模块的散热，且对电子模块的种类、数量和排列顺序不敏感，适应性较好，是一种通用性较好的液冷板设计方案。通常，液冷机架包括平行布置的两块液冷板，电子模块装入液冷板之间的空间，三者呈工字型，构成两路“热源—模块盒体—液冷板壁板—流体”的热路。但此散热方案的热路迂长，热阻较大，难以满足高热流密度、大功率射频电子模块(以下简称为射频电子模块)的散热要求。射频电子模块要求以整个盒体底面接触液冷板，以缩短热路，扩大接触面积，有效减少热阻。多回流道式液冷板的设计特点和性能难以满足具有非均匀、分布式点热源特点的射频电子模块的散热要求。

整体式液冷板的散热器总是与一侧壁板天然地成为一体，而与另一侧壁板通过焊料(或焊接界面)连接。受限于焊接工艺能力，焊料(或焊接界面)的导热系数比金属基体材质小，且虚焊会导致导热路径中断。因而，整体式液冷板总是一侧的散热能力较强，而另一侧的散热能力较差，通常只作为单散热面的液冷板使用。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种具有对称拓扑结构的冷却器流路及双散热面液冷板，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，可根据射频电子模块的热源特点定制化设计，特别适合于解决高热流密度、大功率射频电子模块的散热问题，并有助于解决射频电子模块的组阵应用难题。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种具有对称拓扑结构的冷却器流路，以所述冷却器流路的中间点为界，分为前半程流动序列与后半程流动序列，所述前半程流动序列与后半程流动序列镜像对称，流动方向可互易，所述冷却器流路包括了至少两种技术规格的换热器，所述前半程流动序列和所述后半程流动序列中的换热器均按串并联的混合结构布置。

进一步地，所述串并联的混合结构包括至少四个换热器，每两个换热器串联后，再并联。

进一步地，所述冷却器流路的中间点为级间混合器。

具体地说，所述具有对称拓扑结构的冷却器流路包括：

进液口；

第一引流段，与所述进液口连通；

第一换热器B和第二换热器B，均与所述第一引流段连通；

第一换热器A和第二换热器A，分别与所述第一换热器B和所述第二换热器B连通；

级间混合器，其进液端分别与所述第一换热器A和所述第二换热器A连通；

第三换热器A和第四换热器A，均与所述级间混合器的出液端连通；

第三换热器B和第四换热器B，分别与所述第三换热器A和所述第四换热器A连通；

第二引流段，分别与所述第三换热器B和所述第四换热器B连通；

出液口，与所述第二引流段连通。

进一步地，所述第一换热器B、所述第二换热器B、所述第三换热器B和所述第四换热器B的技术规格相同，所述第一换热器A、所述第二换热器A、所述第三换热器A和所述第四换热器A的技术规格相同，并且所述第一换热器A的技术规格高于所述第一换热器B，所述第一换热器B、所述第一换热器A、所述第三换热器A和所述第三换热器B，所述第二换热器B、所述第二换热器A、所述第四换热器A和所述第四换热器B均为阵列通道式换热器。

一种双散热面的液冷板，其至少包括有一个如上所述的冷却器流路。

进一步地，所述液冷板外观为一个厚度较小的板件，具有2个大表面和4个小表面，两两对侧布置，所述2个大表面作为散热面，所述余下对侧布置的2个小表面作为结构安装面，所述余下1个小表面作为流体接口面，所述进液口和所述出液口同侧，所述两个散热面之间有对称基准面A，所述两个结构安装面之间有对称基准面B。

进一步地，所述液冷板在散热面法向的层结构分配为壁板—流道—隔板—流道—壁板，所述层结构以基准面A镜像对称，所述第一换热器B和所述第二换热器B以基准面A镜像对称，所述第一换热器A和所述第二换热器A以基准面A镜像对称，所述第三换热器B和所述第四换热器B以基准面A镜像对称，所述第三换热器A和所述第四换热器A以基准面A镜像对称，所述第一引流段、所述第二引流段和所述级间混合器为隔板两侧的换热器组共用。

进一步地，所述液冷板在基准面A两侧均为U型流道，所述U型流道以基准面B镜像对称，所述第一换热器B和所述第三换热器B以基准面B镜像对称，所述第一换热器A和所述第三换热器A以基准面B镜像对称，所述第二换热器B和所述第四换热器B以基准面B镜像对称，所述第二换热器A和所述第四换热器A以基准面B镜像对称。

进一步地，所述两种不同技术规格的换热器分别对应不同的散热需求，所述换热器A面积较大且换热能力较强，用于冷却末级功率器件，所述换热器B面积较小且换热能力较弱，用于冷却驱动级功率器件，所述第一换热器B和所述第一换热器A之间、所述第二换热器B和所述第二换热器A之间、所述第三换热器B和所述第三换热器A之间、所述第四换热器B和所述第四换热器A之间，分别设置了扩张段以衔接两种不同宽度的换热器。

进一步地，所述第一引流段、所述第二引流段和所述级间混合器均利用流动转向的自然整流效果而不再设置收缩段衔接。

进一步地，以基准面A对称，所述液冷板由1件冷板盒体和2件散热器共3个零件组成，通过焊接连为一体。

进一步地，它还包括有：

所述冷板盒体以基准面A和基准面B镜像对称，包括所述进液口、所述第一引流段、所述换热器A(4个)、所述换热器B(4个)、所述级间混合器、所述第二引流段和所述出液口的全部流道轮廓，还包括隔板。

进一步地，它还包括有：

所述散热器以基准面B镜像对称，包括盖板、所述换热器A(2个)的全部齿列、所述换热器B(2个)的全部齿列，及齿列外侧的保护结构。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明结构简单、设计科学合理，使用方便，将液冷板设计为一个“热端小系统”，具有空间优化和平面优化的双重特点，空间利用率高，换热效率高、功率容量大、体积紧凑、资源集约利用，并可根据射频电子模块功率器件和电路布局的特点灵活调整流道，特别适合于解决高热流密度、大功率射频电子模块的散热问题。由于散热面增加一倍，且体积紧凑、资源集约利用，也有助于解决射频电子模块的组阵应用难题。通过工程样机和飞行试验验证，液冷板厚度相当，液体接口减少一半，散热面增加1倍，功率容量增加1倍，射频电子模块的工作温度相对于使用普通液冷板降低了约35.0％。

附图说明

图1为本发明具有对称拓扑结构的冷却器流路示意图(箭头表示流动方向，流动方向可互易)。

图2为本发明液冷板总体设计示意图。

图3为本发明液冷板的流线图(单侧，其中双侧共用部分的第一引流段、第二引流段和级间混合器叠加有第二幅流线图)。

图4为本发明冷板盒体结构示意图。

图5为本发明冷板盒体的立体结构示意图。

图6为本发明散热器结构示意图。

其中，附图标记对应的名称为：

1-冷板盒体、2-散热器、201-进液口、202-第一引流段、203-第一换热器B、204-第二换热器B、205-第三换热器B、206-第四换热器B、207-第一换热器A、208-第二换热器A、209-第三换热器A、210-第四换热器A、211-级间混合器、212-第二引流段、213-出液口。

具体实施方式

下面结合附图说明和实施例对本发明作进一步说明，本发明的方式包括但不仅限于以下实施例。

实施例1

如图1所示，本发明提供的一种具有对称拓扑结构的冷却器流路，以所述冷却器流路的中间点为界，分为前半程流动序列与后半程流动序列，所述前半程流动序列与后半程流动序列镜像对称，流动方向可互易，所述冷却器流路包括至少两种技术规格的换热器，所述前半程流动序列和所述后半程流动序列中的换热器均按串并联的混合结构布置。所述串并联的混合结构包括至少四个换热器，每两个换热器串联后，再并联。所述冷却器流路的中间点为级间混合器。

具体地说，本发明所述冷却器流路其包括：进液口201；第一引流段202，与所述进液口201连通；第一换热器B203和第二换热器B204，均与所述第一引流段202连通；第一换热器A207和第二换热器A208，分别与所述第一换热器B203和所述第二换热器B204连通；级间混合器211，其进液端分别与所述第一换热器A207和所述第二换热器A208连通；第三换热器A209和第四换热器A210，均与所述级间混合器211的出液端连通；第三换热器B205和第四换热器B206，分别与所述第三换热器A209和所述第四换热器A210连通；第二引流段212，分别与所述第三换热器B205和所述第四换热器B206连通；出液口213，与所述第二引流段212连通。

本发明所述第一换热器B203、所述第二换热器B204、所述第三换热器B205和所述第四换热器B206的技术规格相同，所述第一换热器A207、所述第二换热器A208、所述第三换热器A209和所述第四换热器A210的技术规格相同，并且所述第一换热器A207的技术规格高于所述第一换热器B203，所述第一换热器B203、所述第一换热器A207、所述第三换热器A209和所述第三换热器B205，所述第二换热器B204、所述第二换热器A208、所述第四换热器A210和所述第四换热器B206均为阵列通道式换热器。

如图1所示，本发明具有对称拓扑结构的冷却器流路中冷却液的流向为：(1)冷却液由进液口201经第一引流段202分别至第一换热器B203和第二换热器B204的上游，均分为两路，一路依次流经串联的第一换热器B203和第一换热器A207，另一路依次流经串联的第二换热器B204和第二换热器A208；(2)两路冷却液在级间混合器211内一边流动，一边混合，消除因两侧散热面热负荷略有差异导致的液体温度不均匀；(3)冷却液流至第三换热器A209和第四换热器A210的上游，再次均分为两路，一路依次流经串联的第三换热器A209和第三换热器B205，另一路依次流经串联的第四换热器A210和第四换热器B206；(4)两路冷却液在第二引流段212汇集并经由出液口213流出。

实施例2

如图1-2所示，本发明提供的一种双散热面的液冷板，其至少包括有一个上述冷却器流路。所述液冷板外观为一个厚度较小的板件，具有2个大表面和4个小表面，两两对侧布置，所述2个大表面作为散热面，余下对侧布置的2个小表面作为结构安装面，余下1个小表面作为流体接口面，所述进液口201和所述出液口213同侧，所述两个散热面之间有对称基准面A，所述两个结构安装面之间有对称基准面B。

本发明所述液冷板在散热面法向的层结构分配为壁板—流道—隔板—流道—壁板，所述层结构以基准面A镜像对称，所述第一换热器B203和所述第二换热器B204以基准面A镜像对称，所述第一换热器A207和所述第二换热器A208以基准面A镜像对称，所述第三换热器B205和所述第四换热器B206以基准面A镜像对称，所述第三换热器A209和所述第四换热器A210以基准面A镜像对称，所述第一引流段202、所述第二引流段212和所述级间混合器211为隔板两侧的换热器组共用。

本发明所述液冷板在基准面A两侧均为U型流道，所述U型流道以基准面B镜像对称，所述第一换热器B203和所述第三换热器B205以基准面B镜像对称，所述第一换热器A207和所述第三换热器A209以基准面B镜像对称，所述第二换热器B204和所述第四换热器B206以基准面B镜像对称，所述第二换热器A208和所述第四换热器A210以基准面B镜像对称。

本发明所述两种不同技术规格的换热器分别对应不同的散热需求，所述换热器A207、208、209、210面积较大且换热能力较强，用于冷却末级功率器件，所述换热器B203、204、205、206面积较小且换热能力较弱，用于冷却驱动级功率器件，所述第一换热器B203和所述第一换热器A207之间、所述第二换热器B204和所述第二换热器A208之间、所述第三换热器B205和所述第三换热器A209之间、所述第四换热器B206和所述第四换热器A210之间，分别设置了扩张段以衔接两种不同宽度的换热器。

本发明所述第一引流段202、所述第二引流段212和所述级间混合器211均利用流动转向的自然整流效果而不再设置收缩段衔接。

如图2-4所示，本发明所述液冷板的流道由所述第一引流段202、所述级间混合器211和所述第二引流段212分隔为两段，每段均由分隔板51及分隔板两侧以基准面A镜像对称的两个流道腔52和53(或54和55)组成，每个流道腔内包括串联的1个换热器A、1个换热器B及衔接两个换热器的扩张段。

如图2-4所示，本发明液冷板中冷却液的流向为：(1)冷却液由进液口201经第一引流段202至分隔板51上游，由分隔板51均分为两路，一路进入流道腔52，另一路进入流道腔53；(2)在流道腔51内，冷却液依次流经第一换热器B203和第一换热器A207并充分换热，同样，在流道腔52内，冷却液依次流经第二换热器B204和第二换热器A208并充分换热；(3)两路冷却液在级间混合器211内一边流动，一边混合，消除因两侧散热面热负荷略有差异导致的液体温度不均匀；(4)在级间混合器211出口处，冷却液由分隔板51再均分为两路，一路进入流道腔54，另一路进入流道腔55；(5)在流道腔54内，冷却液依次流经第三换热器A209和第三换热器B205并充分换热，同理，在流道腔55内，冷却液依次流经第四换热器A210和第四换热器B206并充分换热；(6)两路冷却液在第二引流段212汇集并经由出液口213流出。

本发明所述液冷板还包括有：以基准面A对称，所述液冷板由1件冷板盒体1和2件散热器2共3个零件组成，通过焊接连为一体。

本发明所述液冷板还包括有：所述冷板盒体1以基准面A和基准面B镜像对称，包括所述进液口201、所述第一引流段202、所述换热器A207、208、209、210、所述换热器B203、204、205、206、所述级间混合器211、所述第二引流段212和所述出液口213的全部流道轮廓，还包括隔板。

本发明所述液冷板还包括有：所述散热器2以基准面B镜像对称，包括盖板、所述换热器A207和209，或者208和210的全部齿列、所述换热器B203和205，或者204和206的全部齿列，及齿列外侧的保护结构。

因本发明以“热端小系统”的观点说明液冷板的设计，部分术语需说明以避免混淆，特解释如下：

热端小系统(hot-top miniature system)：由多个(或多种)换热器、分流器、混合器等流路部件以及连通流道构成的流动网络(系统)，承担热量的收集和输运功能。

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。本发明中用于说明液冷板的整体设计，其结构特征拆分到不同的零件上。

散热器(heat sink)：由热扩展器(heat spreader)和若干规则排列的散热齿组成，热扩展器通常是一块平板，或者是热管增强板。

流道：设计用于容纳冷却液流动的大截面通道。

流动序列：流路部件在流路中依据流向而确定的位置关系。

技术规格：在基于相同的技术原理和相似设计的一族设备中，用于表征性能的一组技术参数和几何特征尺寸。

根据毕奥数定义：

其中，k_s为固体导热系数，h为对流换热系数，L为流动特征长度。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，散热器通道截面适合采用较大的高宽比，导致风冷板厚度较大；对于液冷板，散热器通道截面适合采用较小的高宽比，导致液冷板厚度较小。本发明提出的双散热面液冷板利用了液冷板较薄的几何特点，实现了将两块(单散热面)液冷板压缩为一体以节约体积资源的构想。

本发明提出的双散热面液冷板基于一种具有对称拓扑结构的流路开展设计。本发明提出的一种具有对称拓扑结构的流路是由换热器A、换热器B、级间混合器、引流道这4种部件组成的串并联混合结构的流动网络，具有如下特点：(1)流路具有对称拓扑结构，即以流程中间点为对称面，其前半程的流动序列与后半程镜像对称，流动方向可互易；(2)设计了多种(通常是两种)技术规格(即，流道截面特征尺寸、流向长度、散热齿数量等)的换热器以分别匹配射频电路中不同功率器件的散热需求，以期集约利用资源，并可根据射频电路的具体设计调整流动序列；(3)流路具有串并联的混合结构，多个换热器分组排列，在流动序列中构成为四级串联方案，即，由单个换热器A和单个换热器B先串联为一个单元，再并联为一个单元组合，两个单元组合之间设置级间混合器以消除不同并联单元之间的流动差异。

本发明提出的双散热面液冷板利用了液冷板较薄的几何特点，实现了将两块(单散热面)液冷板压缩为一体以节省空间资源的构想。本发明提出的双散热面液冷板(以下简称为液冷板)主要由3个零件组成，分别是冷板盒体1件和散热器2件，通过焊接连为一体。在总体设计上，液冷板具有空间优化和平面优化的双重特点。

在空间优化方面，液冷板外观仍为一块厚度较小的板件(六面体)，具有2个大面积表面和4个小面积表面，利用面积最大的对侧两表面作为散热面，散热面之间的任意对侧两表面作为结构安装面，一个表面布置液体接口，余下最后一个表面空置。两散热面之间有对称基准面A，两结构安装面之间有对称基准面B。在液冷板内部，散热面法向的层结构分配为壁板—流道—分隔板—流道—壁板，两侧结构以基准面A镜像对称。分隔板两侧的流道共用一对通液口，通液口的厚度为单侧流道厚度的两倍，可减小通液口的节流流阻。在层结构分配中，流道高度由最优换热器设计确定，壁板厚度由耐压壳体强度要求确定，而由于分隔板两侧总是静压平衡，分隔板厚度可以尽可能小，由机加工和焊接工艺能力确定。

射频电子模块包括多个末级功率器件、驱动级功率器件和集成电路，为平面电路布局，利用盒体底面(或导热岛结构)接触液冷板，以缩短热路，扩大接触面积，有效减小热阻。两个射频电子模块背靠背紧贴液冷板散热，两侧散热面内投影的末级功率器件位置完全重合，而驱动级功率器件位置正好相反。

在平面优化方面，分隔板一侧流道为平面布局以压缩高度，平面内流道为单回式(或称为U型流道)以使进/出液口同侧，单回式流道的两支以基准面B镜像对称，进/出液口和流向可互易，以保证散热面两侧的射频电子模块的散热效果差异最小。根据射频电子模块的电路布局特点，平面内单回式流道串联集成了2个换热器A和2个换热器B，由级间混合器和引流段连通。换热器A布置在末级功率器件正下方，单个换热器A负责多个末级功率器件(一般为射频电子模块末级功率器件数量的一半)的散热。换热器B布置在驱动级功率器件正下方，负责驱动级散热。根据功率器件的热流密度、热耗散功率和布局特点，换热器A和B可以选择相同或不同的流道截面特征尺寸，以及不同规模的换热器大小。一般的，末级器件的热耗散功率远大于驱动级器件，即换热器A所占面积大于换热器B。本液冷板在较小的换热器B和较大的换热器A之间设置了扩张段(或受缩段)以较好地衔接两种通径大小的换热器。利用U型流道的转弯段布置级间混合器，并利用进/出液口与换热器B之间的转弯段布置引流道。级间混合器与换热器A之间、以及引流段与换热器B之间，利用流动转向的自然整流效果而不再设置收缩段衔接。转弯段设计可有效缩减流动主轴线方向的尺寸，并将该方向体积资源主要用于布置换热器组。

液冷板中冷却液的流动：(1)冷却液由进液口经引流段至第一级换热器(并联的换热器B)上游，由分隔板均分为两路；(2)每一路冷却液依次流经换热器B(第一级)和换热器A(第二级)并充分换热，汇入级间混合器；(3)两路冷却液在级间混合器内一边流动，一边混合，消除因两侧散热面热负荷略有差异导致的液体温度不均匀，然后流至第三级换热器(并联的换热器A)上游，由分隔板再均分为两路；(4)每一路冷却液依次流经换热器A(第三级)和换热器B(第四级)并充分换热，汇入引流段，由出液口流出。

根据流体力学和传热学中雷诺数(Re)和努塞尔数(Nu)的定义：

其中，ρ_f流体密度，k_f为流体导热系数，μ为流体动力粘度，U为流体特征速度，L为流动特征长度，h为对流换热系数；对于内流，流体特征速度为平均流速，流动特征长度L为等效水力直径D_h。

流阻、对流换热效果、流速和流道结构之间存在如下关系：

Nu＝C₂|

其中，f为摩擦因子，ΔP为流阻，L为流向长度，C₁和C₂为与流道截面几何形状相关的常数。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，液冷板只在需要散热的器件下方布置流道，使冷却液依次流经所有换热器并充分换热，不使冷却液空流，且换热器的流道截面较小以增强换热效果。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。

本发明的液冷板由冷板盒体1件和散热器2件组成，通过焊接连为一体。冷板盒体以基准面A和B对称，包含完整的流道、外部接口等特征；散热器由盖板、换热器A和B的齿列组成，并在齿列外侧设计了保护结构用于中转过程中保护散热齿、以及焊接准备过程中定位零件位置。换热器A和B的散热齿和流道分解到冷板盒体和散热器两个零件上，既有利于流道轮廓的优化设计以及换热器的齿列最大化，也有利于分别针对流道和散热齿的选择不同的最优加工工艺，以及避免在同一个零件上加工流道和散热齿时的刀具路径干涉困难。由于散热齿天然地与散热面为一体，焊接优先保证液冷板流道框架连为一体以形成高强度的耐压壳体，允许散热齿与流道底面存在一定程度的虚焊，从而减小了焊接难度。

本发明提出的双散热面液冷板，将液冷板设计为一个具有对称拓扑结构的流路的“热端小系统”，具有空间优化和平面优化的双重特点，空间利用率高，换热效率高、功率容量大、体积紧凑、资源集约利用，并可根据射频电子模块功率器件和电路布局的特点灵活调整流道，特别适合于解决高热流密度、大功率射频电子模块的散热问题。由于散热面增加一倍，且体积紧凑、资源集约利用，也有助于解决射频电子模块的组阵应用难题。通过工程样机和飞行试验验证，液冷板厚度相当，液体接口减少一半，散热面增加1倍，功率容量增加1倍，射频电子模块的工作温度相对于使用普通液冷板降低了约35.0％。

为了本领域技术人员更好地理解本技术方案，现特提供以下实例进行阐述。

如图4-6所示的双散热面液冷板中，作为一个实例的各主要尺寸为：

液冷板的平面尺寸为132mm×102mm，取决于射频电子模块的外形尺寸；

液冷板厚度为12mm，因两件射频电子模块背靠背紧贴安装，并与电气母板盲插连接，厚度尺寸需取负公差(-0.05，0)；

通液孔直径为3.5mm；

液冷板的层结构分配：壁板为2.5mm，流道为3mm，分隔板为1mm；

换热器A/B的通道截面特征尺寸：槽宽×高度为0.5mm×3mm，齿厚为0.5mm；

以65％乙二醇水溶液作为冷却液，供液温度为55℃，流量为1.5L/min，总热负荷约170W时，所有功率器件的安装面壳温都不超过90℃，最高壳温之间差异不超过2℃，冷却液温升约2.0℃，流阻不超过15kPa。

以65％乙二醇水溶液作为冷却液，供液温度为55℃，流量为2.5L/min，总热负荷约170W时，所有功率器件的安装面壳温都不超过90℃，最高壳温之间差异不超过1.5℃，冷却液温升约1.2℃，流阻不超过35kPa。

本发明的涵盖范围包括：一种具有对称拓扑结构的冷却器流路、液冷板总体设计、以及换热器、流道、零件拆分设计等内部和关联结构特征。以下为方便描述而在正文和附图中出现的内容不在本发明涵盖范围内，该部分的任何变化也不影响本发明的权利要求范围，包括：液冷板外部附属结构(如安装孔、通液孔、减重腔、倒角、圆角等)、附件(如导向销)。

上述实施例仅为本发明的优选实施方式之一，不应当用于限制本发明的保护范围，但凡在本发明的主体设计思想和精神上作出的毫无实质意义的改动或润色，其所解决的技术问题仍然与本发明一致的，均应当包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种适用于液冷板的具有对称拓扑结构的冷却器流路，其特征在于，所述冷却器流路仅由级间混合器、引流道、以及至少两种技术规格的换热器组成，以所述冷却器流路的中间点为界，分为前半程流动序列与后半程流动序列，所述前半程流动序列与后半程流动序列镜像对称，流动方向可互易，所述前半程流动序列和所述后半程流动序列中的换热器均按串并联的混合结构布置；

所述冷却器流路包括：

进液口（201）；

第一引流段（202），与所述进液口（201）连通；

第一换热器B（203）和第二换热器B（204），均与所述第一引流段（202）连通；

第一换热器A（207）和第二换热器A（208），分别与所述第一换热器B（203）和所述第二换热器B（204）连通；

级间混合器（211），其进液端分别与所述第一换热器A（207）和所述第二换热器A（208）连通；

第三换热器A（209）和第四换热器A（210），均与所述级间混合器（211）的出液端连通；

第三换热器B（205）和第四换热器B（206），分别与所述第三换热器A（209）和所述第四换热器A（210）连通；

第二引流段（212），分别与所述第三换热器B（205）和所述第四换热器B（206）连通；

出液口（213），与所述第二引流段（212）连通。

2.根据权利要求1所述的一种适用于液冷板的具有对称拓扑结构的冷却器流路，其特征在于，所述第一换热器B（203）、所述第二换热器B（204）、所述第三换热器B（205）和所述第四换热器B（206）的技术规格相同，所述第一换热器A（207）、所述第二换热器A（208）、所述第三换热器A（209）和所述第四换热器A（210）的技术规格相同，并且所述第一换热器A（207）的技术规格高于所述第一换热器B（203），所述第一换热器B（203）、所述第一换热器A（207）、所述第三换热器A（209）和所述第三换热器B（205），所述第二换热器B（204）、所述第二换热器A（208）、所述第四换热器A（210）和所述第四换热器B（206）均为阵列通道式换热器。

3.一种双散热面的液冷板，其特征在于，其至少包括有一个如权利要求1或2所述的冷却器流路。

4.根据权利要求3所述的一种双散热面的液冷板，其特征在于：其至少包括有一个如权利要求1所述的冷却器流路；所述液冷板具有2个大表面和4个小表面，两两对侧布置，所述2个大表面作为散热面，余下对侧布置的2个小表面作为结构安装面，余下1个小表面作为流体接口面，所述进液口（201）和所述出液口（213）同侧，两个所述散热面之间有对称基准面A，两个所述结构安装面之间有对称基准面B；

所述液冷板在散热面法向的层结构分配为壁板—流道—隔板—流道—壁板，所述层结构以基准面A镜像对称，所述第一换热器B（203）和所述第二换热器B（204）以基准面A镜像对称，所述第一换热器A（207）和所述第二换热器A（208）以基准面A镜像对称，所述第三换热器B（205）和所述第四换热器B（206）以基准面A镜像对称，所述第三换热器A（209）和所述第四换热器A（210）以基准面A镜像对称，所述第一引流段（202）、所述第二引流段（212）和所述级间混合器（211）为隔板两侧的换热器组共用；

所述液冷板在基准面A两侧均为U型流道，所述U型流道以基准面B镜像对称，所述第一换热器B（203）和所述第三换热器B（205）以基准面B镜像对称，所述第一换热器A（207）和所述第三换热器A（209）以基准面B镜像对称，所述第二换热器B（204）和所述第四换热器B（206）以基准面B镜像对称，所述第二换热器A（208）和所述第四换热器A（210）以基准面B镜像对称。

5.根据权利要求4所述的一种双散热面的液冷板，其特征在于：所述两种不同技术规格的换热器分别对应不同的散热需求，所述换热器A（207、208、209、210）面积较大且换热能力较强，用于冷却末级功率器件，所述换热器B（203、204、205、206）面积较小且换热能力较弱，用于冷却驱动级功率器件，所述第一换热器B（203）和所述第一换热器A（207）之间、所述第二换热器B（204）和所述第二换热器A（208）之间、所述第三换热器B（205）和所述第三换热器A（209）之间、所述第四换热器B（206）和所述第四换热器A（210）之间，分别设置了扩张段以衔接两种不同宽度的换热器。

6.根据权利要求4所述的一种双散热面的液冷板，其特征在于：所述第一引流段（202）、所述第二引流段（212）和所述级间混合器（211）均利用流动转向的自然整流效果而不再设置收缩段衔接。

7.根据权利要求4-6任意一项所述的一种双散热面的液冷板，其特征在于，它还包括有：以基准面A对称，所述液冷板由1件冷板盒体（1）和2件散热器（2）共3个零件组成，通过焊接连为一体。

8.根据权利要求7所述的一种双散热面的液冷板，其特征在于，它还包括有：所述冷板盒体（1）以基准面A和基准面B镜像对称，包括所述进液口（201）、所述第一引流段（202）、所述换热器A（207、208、209、210）、所述换热器B（203、204、205、206）、所述级间混合器（211）、所述第二引流段（212）和所述出液口（213）的全部流道轮廓，还包括隔板。

9.根据权利要求7所述的一种双散热面的液冷板，其特征在于，它还包括有：所述散热器（2）以基准面B镜像对称，包括盖板、所述换热器A（207和209，或者208和210）的全部齿列、所述换热器B（203和205，或者204和206）的全部齿列，及齿列外侧的保护结构。

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