CN110793370A - 一种水冷管板式换热器的设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种水冷管板式换热器的设计方法，所述换热器包括基板和盖板，盖板和基板装配在一起形成流体空间，所述基板上设置挡板和圆柱形肋片，所述挡板包括位于基板中心的第一挡板、包围在第一挡板外部的第二挡板和包围在第二挡板外部的第三挡板，通过上述参数设计努塞尔数等公式。本发明通过大量的研究对换热器结构进行了模拟，首次确定了上述结构的努塞尔数等公式，可以通过上述各式预估水冷板的散热性能和泵功消耗。

Description

一种水冷管板式换热器的设计方法

技术领域

本发明换热器技术领域，具体涉及一种导流结构与柱肋相结合的板式换热器。

背景技术

平板式换热器是目前各类换热器中换热效率最高的一种换热器，它具有占用空间小，安装拆卸方便的优点。其由冲压成形的凹凸不锈钢板组成，两相临板片之间的凹凸纹路成180度相对组合，因此板式热交换器两板片之间的凹凸脊线形成了交错的接触点，将接触点以真空焊接方式结合后，就形成了板式热交换器的耐高压交错流通结构，这些交错的流通结构使得板式热交换器内的冷热流体产生强烈紊流而达到高换热效果。

扁平管近些年被广泛应用于汽车空调单元以及住宅或商业空调换热器。此种扁平管内部设置多个小的通道，在使用时，换热流体流过扁平管内的多个通道。因为扁平管换热面积大，因此能够大大提高换热效果。

平板式换热器被广泛应用于化工、石油、制冷、核能和动力等工业，由于世界性的能源危机，为了降低能耗，工业生产中对换热器的需求量也越来越多，对换热器的质量要求也越来越高。近几十年来，虽然紧凑式换热器(板式、板翅式、压焊板式换热器等)、热管式换热器、直接接触式换热器等得到了迅速的发展，但由于管壳式换热器具有高度的可靠性和广泛的适应性，其仍占据产量和用量的统治地位，据相关统计，目前工业装置中管壳式换热器的用量仍占全部换热器用量的70％左右。

平板式换热器结垢后，采取常规的蒸汽清扫、反冲洗等方式对换热器进行清洗，生产实践证明，效果不是很好。只能将换热器的封头拆卸下来，采用物理清理的方式，但采取该种方式进行清洗，操作复杂、耗时长，人力、物力投资较大，对连续化的工业生产带来极大的困难。

浸没式换热器，是间壁式换热器种类之一。它结构简单，制造、安装、清洗和维修方便，价格低廉，又特别适用于高压流体的冷却、冷凝，所以现代仍得到广泛应用。这种换热器多以金属管子绕成，或制成各种与容器相适应的情况，并沉浸在容器内的液体中。

研究和工程应用都表明，浸没式液冷和热管都各自有着优异的换热性能。除此以外，相变材料由于其吸热放热过程温度平稳，可以使得整个系统达到均温的效果，因而在换热领域得到广泛应用。

在间接液体冷却方案中，采用水冷板换热器进行换热。水冷板是一个内有流道结构的金属换热器件，通常由铜或铝制成。将换热流体与水冷板基板底面直接接触，传热的热量传导至水冷板，然后水冷板与内部的冷媒进行对流换热将热量带走。整个液冷系统利用泵为工质的循环提供动力，相对于风冷系统，液冷系统结构更加紧凑。而且所使用的冷媒多为与冷板材料兼容的去离子水、指定百分比的乙二醇—去离子水、纳米流体等介质，它们具有比空气更高的比热容和导热系数，在散热效果上优于风冷。此外，相比于风冷系统，间接液冷系统噪音水平明显降低。

近年来，为满足换热需求，已展开对间接液冷系统的研究，涉及冷板结构、冷媒选取、管道布置等诸多方面，发现水冷板结构对液冷系统换热和功耗的影响尤为显著。水冷板一般可分为基板、流道、盖板三部分。盖板及软管接头并无统一的标准，不同厂商有不同的结构形式，基板和流道可按照设备和热设计功耗进行各种不同的配置，这也是影响水冷板散热性能的主要因素。

柱肋：增设肋片有助于增加换热面积，并且可以增强对流场的扰动。通过增加肋片强化换热已被广泛应用于换热器中。但此次设计不能单一地考虑散热效果，还应从系统经济性的角度出发，尽量避免增设肋片后出现的压降急剧增大而散热改善效果极小的局面。再考虑冷媒进口时温度相对更低，所以，在中心高流速区域不布置肋片，以期改善冷板压降，在周边低流速区域布置圆柱型肋片，加强扰动并增加换热面积，弥补冷媒温度升高所导致的散热能力的损失。

导流结构：为避免冷媒与冷板对流换热过程中出现流动死区，借鉴换热器中广泛采用的折流板，在冷板中布设一些长直型的挡板作为导流结构，在流场某些区域改变冷媒的流向，以期改善冷媒在冷板中的流场分布。

综上，将这种从盖板中间进口、双边出口，结合导流结构和柱肋的水冷板引入到换热器中，有目的性的进行高效换热，并保证一定的均温性，满足换热器正常工作要求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种水冷板换热器，这种水冷板改变常见水冷板的冷媒进出口方式，并增设了挡板改善冷媒在冷板中的均流性，以及布设柱肋改善水冷板的散热特性。

为达到上述目的，本发明的技术方案如下：

一种水冷板换热器，包括基板和盖板，盖板和基板装配在一起形成流体空间，所述基板上设置挡板和圆柱形肋片，所述挡板包括位于基板中心的第一挡板、包围在第一挡板外部的第二挡板和包围在第二挡板外部的第三挡板；

第一挡板包括四块，相邻的第一挡板之间设置间隔，相邻的第一挡板之间呈垂直关系，四块第一挡板的延长线形成第一正方形；

第二挡板包括四块，相邻的第二挡板之间设置间隔，相邻的第二挡板之间呈垂直关系，四块第二挡板的延长线形成第二正方形，所述每块第一挡板的延长线通过两块第二挡板的中点；

第三挡板包括四块，相邻的第三挡板之间设置间隔，相邻的第三挡板之间呈垂直关系，四块第三挡板的延长线形成第三正方形，所述每块第二挡板的延长线通过两块第三挡板的中点；

第二挡板和第三挡板之间设置多个圆柱形肋片；

所述基板还包括设置在第三挡板外部的第四挡板，所述第四挡板为平行设置的两块，两块第三挡板的延长线经过一块第四挡板的中点；

所述换热器包括设置在盖板上的流体进口和流体出口，所述冷流体进口设置第一正方形的中心位置，所述流体出口设置两个，分别设置在两块第四挡板所形成的平行线的外部位置。

作为优选，流体进口和流体出口位于同一直线上，流体进口位于两个流体出口的中间位置。

作为优选，基板和盖板是长方形结构。

作为优选，基板上设置凹槽，盖板上设置凸柱，通过凹槽和凸柱的配合使得基板和盖板连接。

作为优选，凹槽设置在基板的对角位置，位于两块第四挡板所形成的平行线的外部位置。

作为优选，凹槽是孔。

作为优选，盖板侧壁的下部设置垂至于侧壁的向外的延伸部，延伸部上设置螺孔，以与基板上相应位置的螺孔相配合。

本发明具有如下优点：

1）本发明通过大量的研究对换热器结构进行了模拟，首次确定了上述结构的努塞尔数等公式，可以通过上述各式预估水冷板的散热性能和泵功消耗。

2）本方案中冷媒从盖板中心区域流入，在冷媒刚进入冷板时，温度尚低，与换热区域温差大，冷却能力强，可以更有效地控制换热区域的温度。

3）本方案中，冷板内部设有导流结构，有效减少冷媒流动死区，进一步改善热流面的均温性。

4）本方案中采用圆柱型肋片，增强了对流场的扰动，并且扩展了换热面积，利于强化换热。

5）本方案采用单进口、双出口的流动方式，改善了以往单进单出的流动方式所导致的温度沿流动方向逐渐升高的现象，更进一步地改善了散热的均温性。

附图说明：

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1为所述中心扩散型冷板的结构爆炸视图；

图2为冷板基板结构示意图；

图3为冷板盖板结构示意图；

图4为冷板盖板尺寸示意图。

图中：1、水冷板进口；2、水冷板出口（201，202）；3、定位结构（在基板与盖板装配时，301与303，302与304相互配合）；4、导流结构（第一挡板401，第二挡板402，第三挡板403，第四挡板404）均为挡板；5、圆柱型肋片（501，502）；6、盖板留白区域601、602（此处加工螺纹孔，并与基板对应位置的螺纹孔通过螺钉配合、紧固，防止冷媒泄露）。10基板，20盖板。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施例对本公开做进一步的说明。

如图1-3所示的一种水冷板换热器，包括基板10和盖板20，盖板20和基板10装配在一起形成空腔，空腔内供冷却流体（优选水）流动，所述基板10上设置挡板401-404和圆柱形肋片501、502，所述挡板包括位于基板中心的第一挡板401、包围在第一挡板401外部的第二挡板402和包围在第二挡板402外部的第三挡板403；

作为优选，如图1-2所示，第一挡板401包括四块，相邻的第一挡板401之间设置间隔，相邻的第一挡板401之间呈垂直关系，四块第一挡板401的延长线形成第一正方形；

第二挡板402包括四块，相邻的第二挡板402之间设置间隔，相邻的第二挡板402之间呈垂直关系，四块第二挡板402的延长线形成第二正方形，所述每块第一挡板401的延长线通过两块第二挡板402的中点；

第三挡板403包括四块，相邻的第三挡板403之间设置间隔，相邻的第三挡板403之间呈垂直关系，四块第三挡板403的延长线形成第三正方形，所述每块第二挡板402的延长线通过两块第三挡板403的中点；

第二挡板402和第三挡板403之间设置多个圆柱形肋片501；

所述基板还包括设置在第三挡板403外部的第四挡板404，所述第四挡板404为平行设置的两块，两块第三挡板403的延长线经过一块第四挡板404的中点；

所述换热器包括设置在盖板20上的流体进口1和流体出口2，所述流体进口1设置第一正方形的中心位置，所述流体出口2设置两个，分别是201、202，分别设置在两块第四挡板404所形成的平行线的外部位置。

通过上述结构，冷媒从盖板中心区域流入，在冷媒刚进入冷板时，温度尚低，与发热元器件温差大，冷却能力强，可以更有效地控制CPU封装结构热点区域的温度。

本申请的换热器的冷板内部设有导流结构，尤其是通过设置多层的正方形挡板，使得流体流动范围广泛，有效减少冷媒流动死区，进一步改善热流面的均温性。

本申请的换热器中，通过在第二和第三挡板、第三和第四挡板之间设置圆柱型肋片，没有在第一挡板内部以及第一和第二挡板之间设置圆柱形肋片，使得内部空间小的区域（第一挡板内部以及第一和第二挡板之间）的流动阻力小，在外部空间增大区域加强扰动，即增强了对流场的扰动，并且扩展了换热面积，利于强化换热，也能够避免流动阻力过大，适应范围广泛。

本申请采用单进口、双出口的流动方式，使得冷流体从中部向两侧流动，改善了以往单进单出的流动方式所导致的温度沿流动方向逐渐升高的现象，更进一步地改善了散热的均温性。

挡板401-404是导流结构作用，可视为更大尺寸的长直型肋片。通过设置这些挡板，也能起到扰流以及强化传热的作用。

作为优选，流体进口1和流体出口201、202位于同一直线上，流体进口1位于两个流体出口201、202的中间位置。通过上述设置，使得流体分配更加均匀，散热性能更加均匀。

作为优选，基板10和盖板20是长方形结构。进一步优选是正方向结构。

作为优选，基板10上设置凹槽303、304，盖板20上设置凸柱301、302，通过凹槽和凸柱的配合使得基板和盖板连接。

作为优选，凹槽303、304设置在基板10的对角位置，位于两块第四挡板404所形成的平行线的外部位置。

作为优选，凹槽303、304是孔。

作为优选，所述的凸柱301、302设置螺纹孔。通过螺纹连接方式连接盖板10和基板20。

作为优选，盖板20侧壁的下部设置垂至于侧壁的向外的延伸部，延伸部上设置螺孔，以与基板上相应位置的螺孔相配合。

在第二挡板和第三挡板之间，从基板的中心向外，距离基板的中心越远，相邻的圆柱形肋片501之间距离越远。主要是随着距离基板的中心越远，越靠近第三挡板，流体的流动空间越小，流速会相对变快，通过设置相邻的圆柱形肋片501之间距离越远，使得流体流速保持相对的稳定，使得整体换热能够达到相对的均匀，避免局部受热不均匀，造成局部过早的损坏。

进一步优选，在第二挡板和第三挡板之间，从基板的中心向外，距离基板的中心越远，相邻的圆柱形肋片501之间距离越远的幅度不断的增加。上述的分布也是符合流体流动以及换热的分布规律变化，通过数值模拟和实验发现，能够进一步提高换热效率。

在第三挡板和第四挡板之间，从基板的中心向外，距离基板的中心越远，相邻的圆柱形肋片501之间距离越近。主要是随着距离基板的中心越远，流体的流动空间越大，流速会相对变慢，通过设置相邻的圆柱形肋片501之间距离越近，使得流体流速保持相对的稳定，使得整体换热能够达到相对的均匀，避免局部受热不均匀，造成局部过早的损坏。

进一步优选，在第三挡板和第四挡板之间，从基板的中心向外，距离基板的中心越远，相邻的圆柱形肋片501之间距离越近的幅度不断的增加。上述的分布也是符合流体流动以及换热的分布规律变化，通过数值模拟和实验发现，能够进一步提高换热效率。

盖板下部设置热源，例如CPU。也可以设置其它他热流体，例如其它热流体与水冷板换热器进行换热。

采用中心扩散型水冷板对热源进行间接液冷散热的液冷系统包括：泵、管路系统、水冷板、冷媒、换热器等主要部分。其中水冷板由基板、盖板、流道组成。基板底面与CPU封装结构直接接触（接触面称之为热流面），流经水冷板的冷媒将其产生的热量带走。冷媒选用去离子水、指定百分比的乙二醇—去离子水等介质。在所设计的中心扩散型冷板中，冷媒从所述盖板中心区域入口处进入水冷板的腔体，经过所述基板导流结构，冷媒逐渐从冷板中心进口区域流向冷板腔体的四周，并且在流动过程中与各个流道（包括柱肋）表面对流换热，最后在所述冷板边角处汇流后，从水冷板盖板两侧出口流出，带走热源产生的热量。

进一步地说，所述盖板加工有冷媒的进出口。冷板进口内径为2mm左右，加工在所述盖板中心区域，接口的具体结构形式应保证冷媒不发生泄露。此外盖板应加工有能与基板配合的定位和紧固结构，以便进行装配。

进一步地说，所述冷板出口，内径与进口尺寸一致，但相对于以往传统水冷板，所述中心扩散型冷板改变了冷媒单进单出的流动方式，取而代之的是单进双处，因此在此次设计中，将出口加工在盖板两侧，可有效改善冷板热流面的均温性。但这需要在液冷系统增设三通阀等器件。

进一步地说，所述导流结构，实际就是一些挡板，可视为更大尺寸的长直型肋片，为减小流阻，对所述导流结构进行圆角处理。冷媒从所述中心扩散型冷板的盖板流入，经过所述导流结构，逐渐流向边角区域，可避免所述冷板四个边角区域出现流动死区。

进一步地说，所述柱肋布置在冷板腔体的低流速、高温区域。在此次冷板结构设计中，柱肋统一设计为圆柱型柱肋。所述柱肋高度设定为4.7mm，其排列方式根据各个需要布设肋片的区域的冷媒大致流向确定为叉排或者顺排。

进一步地说，所述盖板、基板在进行尺寸设计时，除了考虑CPU封装结构尺寸以外，还应留有一定的裕量，以便进行钻孔、攻丝等加工生成定位、紧固结构。

间接液冷系统运行时，去离子水从冷板进口1流入冷板，经过对称分布的挡板（挡板分布关于冷板轴线对称，下同）401分流，呈发散状从四个方向流向四周；当流过挡板402时，去离子水再次分流，并由挡板402、403导流至柱肋501（柱肋也是关于冷板轴线对称分布）区域，当经过挡板403之后，从水平方向流出的去离子水在左右两侧挡板404处分流，从竖直方向流出的去离子水在盖板内壁处分流，在经过柱肋502区域后流向水冷板的四个最外围的边角区域，有效地减少流动死区。最终去离子水分别在左右两处挡板404外侧汇流，然后经由盖板两处出口201、202流出水冷板。在冷板内部流动过程中，去离子水将来自薄型功率组件（CPU）、经热流面导至水冷板的热量吸收，最后随着去离子水流出水冷板，热量一并被带走。流出水冷板的去离子水经由外部换热器重新冷却至要求温度，再一次流入水冷板参与散热，完成一个循环。

本发明还对上述结构进行了进一步的研究，研究了上述结构的换热情况。

第一挡板的长度设定为L ₁ ，且第二挡板的长度设定为L ₂ ，且第三挡板的长度设定为L ₃ ，第四挡板的长度设定为L ₄ ，且所述各类挡板厚度一致，统一设定为w；

第二挡板和第三挡板之间、第三挡板和第四挡板之间均设置多个圆柱形肋片，直径统一设定为d，第三挡板和第四挡板之间的圆柱形肋片如此设置：水冷板出口201，202的轴线的连线的方向多排圆柱形肋片，相邻排均采用叉排,同一排相邻的圆柱形肋片柱肋中心轴线距离S ₁ ，相邻排的圆柱形肋片柱肋中心轴线距离S ₂ ；

第二挡板和第三挡板之间的圆柱形肋片如此设置：相对的两个第三挡板之间设置多排圆柱形肋片，多排圆柱形肋片与第三挡板平行设置，相邻排均采用叉排,同一排相邻的圆柱形肋片柱肋中心轴线距离S ₁ ，相邻排的圆柱形肋片柱肋中心轴线距离S ₂ 。

S ₁ 、S ₂ 以及其余结构尺寸参数标注如图4所示。当S ₁ 、S ₂ 变化时，即不是固定数值时，采取S ₁ 、S ₂ 的平均值。

所述冷板流动换热性能与冷板流道结构的尺寸参数经模拟计算拟合得关系式如下：

上述各式中：Nu _f 为平均努塞尔数，Dp _w 为冷板进出口压降，Re为冷媒的进口雷诺数，D _e 为挡板的等效直径，N _baffle 、P _baffle 为修正因子，S ₁ ，S ₂ ，d，L ₁ ，L ₂ ，L ₃ ，L ₄ ，w为冷板流道相关结构尺寸，皆如前文所述；各个物理量定义式分别如下：

式5中ρ为换热流体（去离子水）密度，u为换热流体进口速度，d ₁ 为换热流体进口管径，μ为换热流体动力粘度；

上述式7中，h为平均换热系数，λ为换热流体导热系数；

式8中Q为电子元器件热设计功耗，A为基板与冷媒接触的面的总面积（包括柱肋扩展表面），鉴于此水冷板应用的电子元器件热管理场合多关心器件最高温度，故而在公式拟合的过程中，将温差定义方式采用冷板最高温度与进口冷媒的温度之差：

由上述各式可以预估此类水冷板的散热性能和泵功消耗。

虽然本发明已以较佳实施例披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

Claims (3)

1.一种水冷管板式换热器的设计方法，所述换热器包括基板和盖板，盖板和基板装配在一起形成流体空间，所述基板上设置挡板和圆柱形肋片，所述挡板包括位于基板中心的第一挡板、包围在第一挡板外部的第二挡板和包围在第二挡板外部的第三挡板；

所述冷板流动换热性能与冷板流道结构的尺寸参数关系式如下：

上述各式中：Nu _f 为平均努塞尔数，Dp _w 为冷板进出口压降，Re为冷媒的进口雷诺数，D _e 为挡板的等效直径，N _baffle 、P _baffle 为修正因子。

2.如权利要求1所述的换热器，其特征在于，各个物理量定义式分别如下：

式5中ρ为换热流体（去离子水）密度，u为换热流体进口速度，d ₁ 为换热流体进口管径，μ为换热流体动力粘度；

。

3.如权利要求1所述的换热器，其特征在于，盖板侧壁的下部设置垂至于侧壁的向外的延伸部，延伸部上设置螺孔，以与基板上相应位置的螺孔相配合。

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