CN111336843B - 一种圆形结构的水冷板式换热器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种圆形结构的水冷板式换热器，包括基板和盖板，第一挡板、第二挡板、第三挡板是以基板中心点为圆心的圆弧结构；第一挡板包括圆形方向上等间距分布的多块，相邻的第一挡板之间设置间隔；第二挡板包括圆形方向上等间距分布的多块，相邻的第二挡板之间设置间隔；第三挡板包括圆形方向上等间距分布的多块，相邻的第三挡板之间设置间隔；第二挡板和第三挡板之间设置多个圆柱形肋片；第一挡板和第二挡板之间设置多个圆柱形肋片；第三挡板外部设置多个圆柱形肋片。本发明采用圆形结构，能够满足圆形结构的换热需要。

Description

一种圆形结构的水冷板式换热器

技术领域

本发明是对在先申请的进一步改进，涉及换热器技术领域，具体涉及一种导流结构与柱肋相结合的智能控制的圆形结构板式换热器。

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，两相邻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，在冷板中布设一些圆弧形挡板作为导流结构，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。因此针对此种情况，在本发明人以前的发明中，本发明人进行了改进，发明了导流结构与柱肋相结合的板式换热器。但是实际应用中发现换热器智能化程度不高，无法实现智能控制，也无法实现换热均匀，因此需要设计一种根据进行智能化控制的板式换热器。

发明内容

本发明的目的在于提供一种板式换热器，这种板式换热器除了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，还能够实现智能控制，实现板式换热器的换热均匀。

为达到上述目的，本发明的技术方案如下：

一种圆形结构的水冷板式换热器，包括基板和盖板，基板和盖板是圆形结构，盖板和基板装配在一起形成圆形空腔，空腔内供冷却流体流动，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、第二挡板、第三挡板是以基板中心点为圆心的圆弧结构；

第一挡板包括圆形方向上等间距分布的多块，相邻的第一挡板之间设置间隔；

第二挡板包括圆形方向上等间距分布的多块，相邻的第二挡板之间设置间隔；

第三挡板包括圆形方向上等间距分布的多块，相邻的第三挡板之间设置间隔；

第二挡板和第三挡板之间设置多个圆柱形肋片；第一挡板和第二挡板之间设置多个圆柱形肋片；第三挡板外部设置多个圆柱形肋片。

作为优选，相对的两个第一挡板圆弧中点的连线之间是互相垂直；

相对的两个第二挡板圆弧中点的连线之间是互相垂直，所述相对的第一挡板的圆弧中点的连线与相对的第二挡板的圆弧中点的连线形成的夹角是45°；

相对的第三挡板圆弧中点的连线之间是互相垂直，所述相对的第三挡板的圆弧中点的连线与相对的第二挡板的圆弧中点的连线形成的夹角是45°；

所述圆柱形肋片围绕基板的中心点呈圆形分布。

作为优选，所述第一挡板之间的间隔的中点与基板圆心的连线的延长线经过第二挡板的中点以及第三挡板之间的间隔的中点；

所述第二挡板之间的间隔的中点与基板圆心的连线的延长线经过第一挡板的中点以及第三挡板的中点。

本发明具有如下优点：

1）本发明采用圆形结构，能够满足圆形结构的换热需要。

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。

6）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。

7）本发明通过上述的自动检测和控制第一阀门的开度大小，可以通过输出的流体的温度自动检测换热器的换热情况，可以检测换热器对热量的吸收情况，如果输出温度过高，这说明换热情况不好，需要增加流量进行换热，如果输出温度过低，表明流体流量过大，容易造成损失，因此可以降低流体流量，也同时为了防止热源温度太低。上述措施避免换热流体过多或者过少，导致无法及时的进行换热和散热，避免热源温度过高或者过低，从而影响热源的运行。

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5设置旁通管路脉动结构示意图；

图6设置旁通管路脉动结构另一示意图；

图7阀门控制结构示意图；

图8根据出口温度控制流量结构示意图。

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）均为挡板；5、圆柱型肋片（501，502，503）；6、留白区域601、602（盖板留白区域601、基板留白区域602加工螺纹孔，对应位置的螺纹孔通过螺钉配合、紧固，防止冷媒泄露），71第一阀门，72第二阀门，73第三阀门，74旁通阀，75主路阀，8，脉动发生装置， 10基板，11主管路，12旁通管路，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所示的一种圆形结构的水冷板式换热器，包括基板10和盖板20，基板10和盖板20是圆形结构，盖板20和基板10装配在一起形成圆形空腔，空腔内供冷却流体（优选水）流动，所述基板10上设置挡板401-403和圆柱形肋片501-503，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；第一挡板、第二挡板、第三挡板是以基板中心点为圆心的圆弧结构；

作为优选，如图1-2所示，第一挡板401包括圆形方向上等间距分布的多块，优选四块，相邻的第一挡板401之间设置间隔。

第二挡板402包括圆形方向上等间距分布的多块，优选四块，相邻的第二挡板402之间设置间隔；

第三挡板403包括圆形方向上等间距分布的多块，优选四块，相邻的第三挡板403之间设置间隔；

第二挡板402和第三挡板403之间设置多个圆柱形肋片502；第一挡板401和第二挡板402之间设置多个圆柱形肋片501；第三挡板403外部设置多个圆柱形肋片503。

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设置圆形的中心位置，所述流体出口2设置两个，分别是201、202，分别设置在圆柱形肋片503的外部位置，位于盖板20的两侧。

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，与热源温差大，冷却能力强，可以更有效地控制热源热点区域的温度。

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圆弧形挡板，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。

作为优选，相对的两个第一挡板401圆弧中点的连线之间是互相垂直。

作为优选，相对的两个第二挡板402圆弧中点的连线之间是互相垂直，所述相对的第一挡板401的圆弧中点的连线与相对的第二挡板402的圆弧中点的连线形成的夹角是45°。

作为优选，相对的第三挡板403圆弧中点的连线之间是互相垂直，所述相对的第三挡板403的圆弧中点的连线与相对的第二挡板402的圆弧中点的连线形成的夹角是45°。

作为优选，所述圆柱形肋片503围绕基板的中心点呈圆形分布。

作为优选，所述第一挡板401之间的间隔的中点与基板圆心的连线的延长线经过第二挡板的中点以及第三挡板403之间的间隔的中点。

作为优选，所述第二挡板402之间的间隔的中点与基板圆心的连线的延长线经过第一挡板的中点以及第三挡板403的中点。

上述优选的结构使得挡板和圆柱形肋片分布更加均匀，提高换热效果。

本申请的换热器中，通过在第一和第二挡板、第二和第三挡板之间以及第三挡板外设置圆柱型肋片，没有在第一挡板内部设置圆柱形肋片，使得内部空间小的区域（第一挡板内部）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401-403是导流结构作用，可视为更大尺寸的圆弧型肋片。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，所述水冷板进口1和水冷板出口201、202分别设置第一温度传感器、第二温度传感器和第三温度传感器，分别用于检测进口1、两个出口201、202的流体温度，所述第一温度传感器、第二温度传感器和第三温度传感器分别与控制器数据连接。

作为优选，所述水冷板进口1和水冷板出口201、202的管路上分别设置第一阀门71、第二阀门72和第三阀门73，所述第一阀门71、第二阀门72和第三阀门73分别与控制器进行数据连接，所述控制器控制第一阀门71、第二阀门72和第三阀门73的开闭以及开度的大小，从而控制进口1、两个出口201、202的流体的流量。

作为一个优选，所述控制器根据检测的两个出口201、202的流体温度来自动控制进口1的流体的流量。作为优选，所述进口1的流量是通过控制第一阀门71的开度来进行的。两个出口201、202的流体温度是通过两个出口201、202的平均温度来计算的。

作为优选，当检测的温度高于设定的第一温度，控制器控制第一阀门71开度增加，从而增加进入换热器的流体流量；当检测的温度低于设定的第二温度，控制器控制第一阀门71开度降低，从而减少进入换热器的流体流量。第一温度高于第二温度。

通过上述的自动检测和控制第一阀门71的开度大小，可以通过输出的流体的温度自动检测换热器的换热情况，可以检测换热器对热量的吸收情况，如果输出温度过高，这说明换热情况不好，需要增加流量进行换热，如果输出温度过低，表明流体流量过大，容易造成损失，因此可以降低流体流量，也同时为了防止热源温度太低。上述措施避免换热流体过多或者过少，导致无法及时的进行换热和散热，避免热源温度过高或者过低，从而影响热源的运行。

作为优选，所述控制器检测第二温度传感器、第三温度传感器的温度来自动控制第二阀门72和第三阀门73的开度，从而调整出口201、202的流体流量。在实际运行中，可能存在左边和右边换热不均匀的情况，导致两边温度不同，通过调整流体流量可以使得整体输出温度保持均衡，避免局部温度过高或者过低。

作为优选，当检测的出口201的温度高于出口202的温度一定数值（优选2摄氏度以上）时，控制器自动控制第二阀门72的开度降低，第三阀门73的开度增加，从而使得第二出口流体流量降低，第一出口流体流量上升；当检测的出口202的温度高于出口201的温度一定数值（优选2摄氏度以上）时，控制器自动控制第三阀门73的开度降低，第二阀门72的开度增加，从而使得出口202流体流量降低，出口201流体流量上升。通过调整出口202、201的流体流量，从而调整参与两侧流体的换热量，从而保证两侧温度保持均匀，避免局部温度过高，导致热源没有及时进行换热。

作为优选，基板的外壁面（基板下部的外壁面，即和热源基础的壁面）设置第四温度传感器和第五温度传感器，所述第四温度传感器设置在进口1和出口202之间的基板的外壁面上，第五温度传感器设置在进口1和出口201之间的基板的外壁面上。第四温度传感器、第五温度传感器和控制器数据连接，控制器根据第四温度传感器、第五温度传感器的数据自动控制两个出口201、202的流体的流量。

通过检测第四温度传感器、第五温度传感器的温度，可以判断出左边区域和右边区域的换热量的大小，根据两侧换热量的大小自动控制两侧的流体分配，保证使得内部流体换热均匀，下壁面表面温度均匀。

作为优选，第四温度传感器检测的温度高于第五温度传感器检测的温度一定数值（优选2摄氏度以上）时，控制器自动控制出口202流量降低，出口201流量升高；第五温度传感器检测的温度高于第四温度传感器检测的温度一定数值（优选2摄氏度以上）时，控制器自动控制出口202流量升高，出口201流量降低。

作为优选，第四温度传感器检测的温度高于第五温度传感器检测的温度一定数值（优选2摄氏度以上）时，控制器自动控制第二阀门72的开度降低，第三阀门73的开度增加，从而使得第二出口流体流量降低，第一出口流体流量上升；第五温度传感器检测的温度高于第四温度传感器检测的温度一定数值（优选2摄氏度以上）时，控制器自动控制第三阀门73的开度降低，第二阀门72的开度增加，从而使得出口202流体流量降低，出口201流体流量上升。通过调整出口202、201的流体流量，从而调整参与两侧流体的换热量，从而保证两侧温度保持均匀，避免局部温度过高，导致热源没有及时进行换热。

作为优选，所述第四温度传感器、第五温度传感器可以分别设置多个。通过多个温度传感器的平均值来作为控制数据。

作为优选，所述的基板的外壁面设置温度传感器，所述温度传感器和控制器数据连接，控制器根据温度传感器的数据自动控制进口1的流体流量。

作为优选，控制器根据时间顺序提取温度数据，通过相邻的时间段的温度数据的比较，获取其温度差，控制器根据温度差自动控制进口1的流体流量。

如果在前时间段的温度为T1，相邻的在后时间段的温度为T2，如果T1<T2，控制器控制第一阀门71开度增加，从而增加进入换热器的流体流量；如果T1>T2，控制器控制第一阀门71开度降低，从而减少进入换热器的流体流量。

通过上述的自动检测和控制第一阀门71的开度大小，可以通过基板的壁面温度自动检测换热器的换热情况，可以根据热源的输出温度情况调整流量，如果输出温度过高，这说明换热情况不好，需要增加流量进行换热，如果输出温度过低，表明流体流量过大，容易造成损失，因此可以降低流体流量，也同时为了防止热源温度太低。上述措施避免换热流体过多或者过少，导致无法及时的进行换热和散热，避免热源温度过高或者过低，从而影响热源的运行。

在进口1的管路上设置脉动发生装置8，通过脉动发生装置8来使得进入板式换热器中的流体是脉动流。

作为优选，所述圆柱形肋片是弹性结构，通过弹性结构可以使得流体流动的时候冲刷圆柱形肋片，肋片会脉动性的摆动，从而促进除垢。

作为优选，圆柱形肋片可以是弹簧。

作为优选，进口1的管路上包括主管路11和旁通管路12，主管路11上并联设置旁通管路12，所述脉动发生装置8设置在旁通管路12上，与旁通管路12并联的主管路11以及旁通管路12上分别设置主路阀75和旁通阀74，通过主路阀75和旁通阀74的开闭来决定是否需要产生脉动流以及脉动流的大小。

脉动发生装置8优选为电磁泵。

当发现换热器换热能力下降，或者其他情况需要除垢的时候，旁通阀打开，主路阀关闭，水经过电磁泵，产生脉动流。旁通阀74，用于调节脉动流的产生的时间和发生强度，从而诱导和控制脉动流冲刷圆柱形肋片，提高换热效率。配置的旁通阀74，适用于不需要脉动流振动工况可以将其关闭，将主路阀75打开。

所述系统还包括控制器，电磁泵、主路阀75、旁通阀74与控制器进行数据连接，所述控制器可以控制电磁泵频率的大小以及主路阀75、旁通阀74的开闭和幅度大小。

正常工作情况下，主路阀75打开，旁通阀74关闭，流体正常进入换热器进行换热。当需要进行振动除垢或者提高换热效果的时候，例如换热效率下降，此时控制器控制旁通阀打开，主路阀关闭，控制器控制电磁泵产生脉动流。

当然作为优选,可以一直采用脉动流的方式进行换热。

作为优选，可以控制旁通阀和主路阀的开度的大小，自动调整脉动流和正常流的大小。

控制器可以根据需要控制脉动流的大小。例如当换热组件振动噪音过大，或者换热效果相对较好，结垢情况不严重，控制器自动控制脉动流的频率或者流量减小，避免设备损坏。

当换热器的振动噪音过大，可以控制旁通阀的阀门开度变小，主路阀的开度变大，从而调整脉动流和正常流的流量大小，实现整体换热流量保持不变，从而保持整体换热效率。

如果振动噪音减小到一定程度，可以控制旁通阀的阀门开度变大，主路阀的开度变小，从而调整脉动流和正常流的流量大小，实现整体换热流量保持不变，从而保持整体换热效率。

作为优选，噪音的大小可以通过仪器检测，所述仪器与控制器数据连接，通过控制器检测的数据自动调整旁通阀和主路阀的开度。

作为优选，可以人工进行调整。

通过上述的智能控制，可以实现换热器中脉动流产生以及产生的频率和速度。

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是圆形结构。

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，位于圆柱形肋片503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。

在第一挡板和第二挡板之间，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，越靠近第二挡板，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，在第一挡板和第二挡板之间，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。

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。

同理，在第三挡板外，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。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。具体理由和前面相同。

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。

采用该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。冷板进口半径为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出，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，可视为更大尺寸的圆弧型肋片。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，除了考虑热源封装结构尺寸以外，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；当冷媒流过挡板401后，去离子水流至挡板401、402之间的柱肋501（柱肋也是关于冷板轴线对称分布）区域；经过挡板402分流之后，去离子水流至挡板402、403之间的柱肋502区域；经过挡板403分流之后，去离子水流至挡板403、盖板内壁之间的柱肋503区域；最终，去离子水在冷板两处出口201、202处汇流，并流出冷板。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。

第一挡板的内径设定为R ₁ ，且第二挡板的内径设定为R ₂ ，且第三挡板的内径设定为R ₃ ，且所述各类挡板厚度一致，统一设定为2mm；并且，作为优选，第一挡板与第二挡板（即第一挡板和第二挡板半径的差）、第二挡板与第三挡板、第三挡板与盖板内壁之间的柱肋分布区域（即环状区域）的宽度（即第一挡板和第二挡板半径的差、第二挡板与第三挡板半径的差、第三挡板与盖板内壁半径的差）相等，并设定为D；

第一挡板和第二挡板之间、第二挡板和第三挡板之间、第三挡板和盖板内壁之间均设置多个圆柱形肋片，直径统一设定为d，圆柱形肋片如此设置：考察图2冷板基板结构示意图和图3冷板盖板结构示意图，将冷板两出口连线方向定义为主流方向，两定位结构连线方向（与主流方向垂直）定义为扩散方向。各个柱肋区域排布方式一致，均采用叉排；考察图2冷板基板结构平面图，在扩散方向上，设置多排柱肋，每排柱肋的中心轴线的连线沿着相对的第二挡板的中心线的连线平行，如图2所示。同一排相邻的柱肋中心轴线距离S ₁ ；考察图2冷板基板结构平面图，相邻排柱肋中心连线的距离为S ₂ ；

其余结构优选的尺寸参数标注如图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，S ₁ 、S ₂ 定义方式如前文所述，R为圆形换热面半径，单位为毫米，此发明中换热面半径为32mm，将此值代入式(2)中可得式(3)，N、P为修正因子，如前文所述：D为各个宽度相等的环形柱肋区域的宽度，d为圆柱形肋片的直径。各个物理量定义式分别如下：

式6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，d为圆柱形肋片直径；

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)

1.一种圆形结构的水冷板式换热器，包括基板和盖板，基板和盖板是圆形结构，盖板和基板装配在一起形成圆形空腔，空腔内供冷却流体流动，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、第二挡板、第三挡板是以基板中心点为圆心的圆弧结构；

第一挡板包括圆形方向上等间距分布的多块，相邻的第一挡板之间设置间隔；

第二挡板包括圆形方向上等间距分布的多块，相邻的第二挡板之间设置间隔；

第三挡板包括圆形方向上等间距分布的多块，相邻的第三挡板之间设置间隔；

第二挡板和第三挡板之间设置多个圆柱形肋片；第一挡板和第二挡板之间设置多个圆柱形肋片；第三挡板外部设置多个圆柱形肋片。

2.如权利要求1所述的水冷板式换热器，其特征在于，相对的两个第一挡板圆弧中点的连线之间是互相垂直；

相对的两个第二挡板圆弧中点的连线之间是互相垂直，所述相对的第一挡板的圆弧中点的连线与相对的第二挡板的圆弧中点的连线形成的夹角是45°；

相对的第三挡板圆弧中点的连线之间是互相垂直，所述相对的第三挡板的圆弧中点的连线与相对的第二挡板的圆弧中点的连线形成的夹角是45°；

所述圆柱形肋片围绕基板的中心点呈圆形分布。

3.如权利要求1所述的水冷板式换热器，其特征在于，所述第一挡板之间的间隔的中点与基板圆心的连线的延长线经过第二挡板的中点以及第三挡板之间的间隔的中点；

所述第二挡板之间的间隔的中点与基板圆心的连线的延长线经过第一挡板的中点以及第三挡板的中点。

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