CN113468463B - 一种两相冷板的参数计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例涉及液冷冷板技术领域，公开了一种两相冷板的参数计算方法。本发明实施例提供的两相冷板的参数计算方法,包括：获取给定干度和预设槽道宽度下微通道的总热阻随槽道深度的第一变化曲线；获取给定干度和预设槽道宽度下微通道的总压损随槽道深度的第二变化曲线；根据所述第一变化曲线和所述第二变化曲线，得到所述微通道的槽道深度范围。本发明实施例提供的两相冷板的参数计算方法，能够提高两相冷板的散热效率，提高使用该两相冷板的通讯系统的电源使用效率，降低通讯系统的能耗。

Description

一种两相冷板的参数计算方法

技术领域

本发明实施例涉及液冷冷板技术领域，特别涉及一种两相冷板的参数计算方法。

背景技术

近年来通讯行业采用的液冷冷板功率密度一致处于攀升趋势，基于此，从单相液冷冷板逐渐演进至泵驱两相液冷冷板（即，两相微通道冷板、两相冷板），流动形态也由原来的单相无水工质发展为两相液冷工质，较为常用的冷媒工质，如R134a；换热的基本原理就是采用低阻均温的流动沸腾换热微通道冷板技术，通过合理控制冷板流道内蒸发状态参数，如干度、压力、饱和温度、流量等，实现最佳的气液两相分布和流形分布，这种通过工质潜热释放的换热方式可以获得远高于单相液冷数倍的换热系数，且设计流量只有单相液冷的若干分之一，因此采用该种两相液冷的系统的PUE（Power Usage Effectiveness，电源使用效率）可以明显高于采用单相液冷的系统的PUE。

两相冷板的设计方法业界无指导标准，由于各种应用物理边界、介质、场景、摆放方式的不同，至今没有统一的方法理论进行准确计算，难以做到两相冷板的最优化设计，导致现有的两相冷板的散热效率普遍不高，通讯系统的能耗较大。

发明内容

本发明实施方式的目的在于提供一种两相冷板的参数计算方法，能够提高两相冷板的散热效率，提高使用该两相冷板的通讯系统的电源使用效率，降低通讯系统的能耗。

为解决上述技术问题，本发明的实施方式提供了一种两相冷板的参数计算方法包括：获取给定干度和预设槽道宽度下微通道的总热阻随槽道深度的第一变化曲线；获取给定干度和预设槽道宽度下微通道的总压损随槽道深度的第二变化曲线；根据所述第一变化曲线和所述第二变化曲线，得到所述微通道的槽道深度范围。

本发明实施方式相对于现有技术而言，通过获取给定干度和预设槽道宽度下微通道的总热阻随槽道深度的第一变化曲线，获取给定干度和预设槽道宽度下微通道的总压损随槽道深度的第二变化曲线，根据所述第一变化曲线和所述第二变化曲线，得到所述微通道的槽道深度范围，由于第一变化曲线能够反映总热阻随槽道深度的变化趋势，第二变化曲线能够反映总压损随槽道深度的变化趋势，从而能够通过找到总热阻和总压损均较小的槽道深度范围，平衡了平衡总热阻和总压损，使得微通道的槽道深度设置在该范围内时两相冷板的散热效率较高，进而提高使用该两相冷板的通讯系统的电源使用效率较高，降低通讯系统的能耗。

附图说明

一个或多个实施例通过与之对应的附图中的图片进行示例性说明，这些示例性说明并不构成对实施例的限定，附图中具有相同参考数字标号的元件表示为类似的元件，除非有特别申明，附图中的图不构成比例限制。

图1是本发明的实施方式中的两相冷板的参数计算方法的流程图；

图2是本发明的实施方式中的两相冷板的参数计算方法的示意图；

图3是本发明的实施方式中两相冷板的结构图；

图4是本发明的实施方式中微通道散热单元的结构示意图；

图5是本发明的实施方式中的总热阻的计算方法的示意图；

图6是增强F因子图表；

图7是抑制S因子图表；

图8是本发明的实施方式中两相冷板的总热阻和总压损随通道深度变化的示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的各实施方式进行详细的阐述。然而，本领域的普通技术人员可以理解，在本发明各实施方式中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，即使没有这些技术细节和基于以下各实施方式的种种变化和修改，也可以实现本申请所要求保护的技术方案。

发明人发现，理论上干度相同条件下，微通道的宽度越小，同等热流密度下对应的综合换热系数越大，但微通道的槽道截面的高度和宽度共同影响两相换热的综合性能，若槽道宽度一定时，槽道深度过大会导致流速降低，对流换热的液膜减薄局部过度蒸发带来传热恶化；而槽道深度过小会导致截面收缩流速剧烈增加，摩擦阻力损失增大；因此，如何综合考量换热性能和流动阻力两个因素是提高两相冷板的散热效率的关键。

本发明的实施方式涉及一种两相冷板的参数计算方法。本实施方式的核心在于，两相冷板的参数计算方法包括：获取给定干度和预设槽道宽度下微通道的总热阻随槽道深度的第一变化曲线，获取给定干度和预设槽道宽度下微通道的总压损随槽道深度的第二变化曲线，根据所述第一变化曲线和所述第二变化曲线，得到所述微通道的槽道深度范围。

通过获取给定干度和预设槽道宽度下微通道的总热阻随槽道深度的第一变化曲线，获取给定干度和预设槽道宽度下微通道的总压损随槽道深度的第二变化曲线，根据所述第一变化曲线和所述第二变化曲线，得到所述微通道的槽道深度范围，由于第一变化曲线能够反映总热阻随槽道深度的变化趋势，第二变化曲线能够反映总压损随槽道深度的变化趋势，从而能够通过找到总热阻和总压损均较小的槽道深度范围，平衡了总热阻和总压损，使得微通道的槽道深度设置在该范围内时两相冷板的散热效率较高，进而提高使用该两相冷板的通讯系统的电源使用效率较高，降低通讯系统的能耗。

下面对本实施方式的两相冷板的参数计算方法的实现细节进行具体的说明，以下内容仅为方便理解提供的实现细节，并非实施本方案的必须。

参见图1、图2，本发明实施方式中的两相冷板的参数计算方法，可以包括以下步骤：

S11：获取给定干度、冷却液流量、热耗以及两相冷板的微通道齿形参数。

如图3所示，为一种两相冷板的结构示意图，两相冷板可以包括底板和盖板，以及多个肋片，其中，Lcp为微通道长度，Wcp为冷板宽度，Hb为底板厚度，Wch为通道宽度，Hch为通道深度，Ww为肋片厚度。

需要说明的是，肋片可以是与底板一体，也可以通过焊接成型，并且，不仅限于图中所示的平直矩形微通道翅片，包括三角形，梯形或倒梯形通道等都在本发明的设计方法保护范围内。本实施例仅作为解释说明，不代表本方法只适用于该种形式的两相冷板结构。

如图4所示，为一种两相冷板中的微通道传热单元的结构示意图，其中，Lcp为微通道长度，Hb为底板厚度，Wch为通道宽度，Hch为通道深度，Ww为肋片厚度。

S12：根据给定干度、冷却液流量、热耗和微通道齿形参数，得到总热阻随槽道深度的第一变化曲线。

本步骤可以为，根据所述冷却液流量、所述热耗和所述微通道齿形参数，计算出单通道的质量流量和热流密度，然后根据所述质量流量、所述热流密度和所述给定干度，得到预设槽道宽度下微通道的总热阻随槽道深度变化的所述第一变化曲线。

具体的，利用Chen公式（JOHNC.CHEN公式），根据所述质量流量、所述热流密度和所述给定干度，得到两相换热系数表达式h_tp=h_cv*F+h_nb*S，其中，h_tp为总热阻，h_cv为流动换热系数，F为对流换热增强因子，h_nb为核态沸腾换热系数，S为核态沸腾的抑制因子，根据所述两相换热系数表达式，得到所述第一变化曲线。

本实施例中，可以先利用传热学平直肋片效率公式，计算单通道内的有效换热面积，利用冷媒物性拟合公式，拟合液体工质的温度T和压力P的对应函数关系T=f(P)，然后再利用Chen公式，根据所述质量流量、所述热流密度、所述给定干度、所述有效换热面积和函数关系T=f(P)，得到两相换热系数表达式h_tp=h_cv*F+h_nb*S，具体可参考图5。

其中，有效换热面积用来计算两相冷板的对流换热热阻，进而计算对流换热温差ΔTw，然后与假定的ΔTsat作比较，直到差值为零说明假定的ΔTsat合理。

用于计算管内饱和沸腾的Chen关联式参考如下：

(1-1)

其中，q为热流密度，单位W/m²；h_tp为两相换热系数，单位W/（m²·K）；T_w为壁温，单位℃；T_sat为蒸发饱和温度，单位℃；ΔTsat为壁温和饱和温度之差，单位℃；

(1-2)

其中，h_mic为对流换热系数，单位W/（m²·K）；h_mac为泡核沸腾换热系数，单位W/（m²·K）；

(1-3)

其中，F为对流换热增强因子，无量纲；G为质量流率，单位kg/(m²·s)；x为干度，无量纲；D_h为单通道水力直径，单位m；μ_f为液相动力粘度，单位（Pa·s）；Pr_f为液相普朗特数，无量纲；k_f为液相导热系数，单位W/（m²·K）；

(1-4)

其中，c_pf为液相定压比热容，单位J/（kg·K）；ρ_f为液相密度，单位kg/m³；σ为表面张力，单位N/m；h_fg为两相工质潜热值，单位J/kg；ρ_g为气相密度，单位kg/m³；ΔP_SAT为ΔT_SAT对应的压差，单位为Pa；S为核态沸腾的抑制因子，无量纲；

(1-5)

其中，X_tt为马蒂内利数，无量纲；

(1-6)

其中，Re_TP为两相雷诺数，无量纲；Re'_TP为修正后两相雷诺数，无量纲；

(1-7)

(1-8)

其中，Re_f为单相雷诺数，无量纲；

(1-9)

其中，Re'_TP为修正后两相雷诺数，无量纲；

(1-10)

其中，X_tt为马蒂内利数，无量纲；μ_g为气相动力粘度，单位（Pa·s）；

计算h_tp的步骤：

1) 计算1/X_tt;

2) 用式（1-5）计算F值，或查图6；

3) 用式（1-3）计算hmac；

4) 计算Re_TP；

5) 用式（1-6）计算S值，或查图7；

6) 选定ΔT_sat范围，用式（1-4）计算h_mic；

7) 计算对应的h_tp；

8) 计算对应的q，并作q=f(h_tp)图；

9) 用已知的q值，从q=f（h_tp）图中求出h_tp和ΔT_sat。

冷板微通道肋效率及有效换热面积的计算公式参考如下：

(2-1)

其中，D_h为单通道水力直径，单位m；W_ch为槽道宽度，单位m；H_ch为槽道高度，单位m；

(2-2)

其中，m为常数，无量纲；h_tp为两相换热系数，单位W/（m²·K）；λ_cp为冷板导热系数，单位W/（m·K）；W_w为肋片宽度，单位m；

(2-3)

其中，η为肋效率，无量纲；H_ch为槽道高度，单位m；

(2-4)

其中，h_eff为冷板基板面积对应的等效换热系数，单位W/（m²·K）；h_tp为两相换热系数，单位W/（m²·K）；W_cp为冷板的宽度，单位m；N_ch为微通道槽道的数量；

(2-5)

其中，R_tp为冷板的两相换热热阻，L_cp为微通道槽道的长度，单位m；A_cp为冷板基板面积，单位m²；

(2-6)

其中，R_cond为冷板基板导热热阻，单位K/W；H_b为冷板基板厚度，单位m；

(2-7)

其中，R_tot为冷板总热阻，单位K/W。

R134a饱和蒸汽压方程拟合公式如下：

其中，P为压力，单位Pa；T为开氏温度，单位K；Tc为工质的临界温度，单位K；Pc为工质的临界压力，单位为Pa；式（4-1）中a1、a2、a3、a4为拟合系数，其中a1=-7.93205862，a2=1.15087923，a3=0.808139777，a4=-3.72529322。

S13：获取给定干度和预设槽道宽度下微通道的总压损随槽道深度的第二变化曲线。

本步骤可以为，获取总压损表达式，其中，所述总压损至少包括摩擦压降、加速压降和局部压降之和，根据所述总压损表达式，得到所述第二变化曲线。

其中，可以利用Steinhagen两相阻力关联式，根据所述给定干度、所述质量流量和所述微通道齿形参数，计算出所述摩擦压降；利用均相模型，根据所述给定干度、所述质量流量和所述微通道齿形参数，计算出所述加速压降和/或所述局部压降。

需要说明的是，第一变化曲线的获取和第二变化曲线的获取是两个没有绝对先后关系的步骤，其中任一者均可以先执行，也可以二者同时执行。

用于计算摩擦压降的Steinhagen两相阻力关联式参考如下：

(4-1)

(4-2)

(4-3)

其中，

为两相比摩阻，单位Pa/m；

为液相比摩阻，单位Pa/m；

为气相比摩阻，单位Pa/m；f_f为液相摩擦因子，无量纲；f_g为气相摩擦因子，无量纲；G为质量流率，单位kg/(m²·s)；

(4-4)

(4-5)

(4-6)

其中，f_forg为液相或气相摩擦因子，无量纲；Re_forg为液相或气相的雷诺数，无量纲；μ_forg为液相或气相的动力粘度，单位（Pa·s）；D_h为单通道水力直径，单位m；

(4-7)

(4-8)

其中，ΔP_a为两相加速压损，单位Pa；x为干度，无量纲；α为空泡份额，无量纲；ρ_f为液相密度，单位kg/m³；ρ_g为气相密度，单位kg/m³；G为质量流率，单位kg/(m²·s)；

(4-9)

其中，ΔP_j为两相局部收缩压损，单位Pa；v_fg为液相和气相比体积之差，v_f为液相比体积，v_g为气相比体积，单位m³/kg；θ为收缩前后的截面面积之比，无量纲；C_c为收缩系数，查表1取值；x为干度，无量纲；G为质量流率，单位kg/(m²·s)；

单相湍流C_c的取值参考如表1：

表1

两相流突缩接头的局部阻力计算公式如下：

(4-10)

其中，ΔP_j ^’为两相局部扩张压损，单位Pa；γ为扩张前后的截面面积之比，无量纲。

S14：根据第一变化曲线和第二变化曲线，得到微通道的槽道深度范围。

本步骤具体可以包括：截取所述第一变化曲线中总热阻小于热阻需求阈值的第一曲线段，截取所述第二变化曲线中总压损小于压损需求阈值的第二曲线段，根据所述第一曲线段和所述第二曲线段中槽道深度的重合区域，确定所述槽道深度范围。也就是说，确定的槽道深度范围对应的总热阻和总压损均较小，从而能够平衡换热性能和流动阻力两个因素的影响，槽道深度设置在该范围内时，具有较高的散热效率。

实际应用中，上述“截取第一变化曲线中的第一曲线段，截取第二变化曲线中的第二曲线段”的步骤也可以省略，直接根据“第一变化曲线中总热阻小于热阻需求阈值的部分”和“第二变化曲线中总压损小于压损需求阈值的部分”中槽道深度的重合区域，确定槽道深度范围即可。

进一步的，根据所述第一曲线段和所述第二曲线段中槽道深度的重合区域，确定所述槽道深度范围，具体可以包括：根据所述第一曲线段和所述第二曲线段中槽道深度的重合区域，以及所述第一变化曲线中总热阻取最小值时的槽道深度值，确定所述槽道深度范围。

本实施例中，干度（蒸汽干度，Mass vapour quality），是指质量含气率；空泡份额（Void fraction），是指截面含气率；汽化潜热（Latent heat of vaporization），是指饱和状态气液焓差，也可以称作相变潜热；过冷沸腾（Subcooled boiling），是指液体主流温度未达到饱和温度的沸腾，也可以称作欠热沸腾；临界热流密度（Critical heat flux），也可以称作烧毁点、沸腾危机。

下面举例进行说明：

为了计算简便，对两相换热问题简化为单通道换热问题，并做出如下假设：

①冷板进口过冷度为零，微通道内为饱和沸腾状态；

②微通道冷板肋片温度沿着齿根到齿顶的法向方向上均匀分布，表面换热热阻远远大于肋片的导热热阻，且齿顶绝热，即符合等截面平直肋片的肋效率公式；

③热源在冷板上均匀分布，热源正下方每根肋片的换热量相等，且在相邻微通道肋片和基板间不发生热交换，即绝热边界；

④冷板内部所有通道的质量流量均匀分布，各通道之间不存在不稳定的沸腾如蒸干或回流现象，且饱和沸腾未达到临界热流密度。

本示例中，以微通道传热单元的各项齿形参数如表2所示为例：

表2

本示例中，以一个2400W的热源为例，得到两相冷板的总热阻与总压降随通道深度变化如图8所示。

从图8可以看出，当通道宽度一定时，热流密度一定，出口干度一定时，两相微通道的冷板的热阻随槽道深度增大并非单调递减规律，原因在于虽然小尺寸通道截面对应更高的两相换热系数和较高的肋效率，但热阻同时取决于换热系数和换热面积，当槽道深度大于一定值时，冷板的两相换热系数htp已经变化趋缓，接近池沸腾状态，虽然槽道高度增加导致总的换热面积增加，但肋效率降低对应有效换热面积逐渐减小且通流截面增加还会导致流速降低，对流换热系数降低，因此在槽道高度大于一定值时，冷板总热阻随槽道高度增大呈增加趋势；通过以上算例可以看出，对于0.5mm的宽度槽道，高度超过6mm，热阻已经开始增大，单一增加通道高度无法减小冷板热阻；同时，为了获得更低的压降，最优槽道高度应该热阻取最小值以后对应的区段范围进行选取，具体取值需结合热阻和流阻综合选取最优值。

需要说明的是，虽然假定冷板进口的工质过冷度为0℃，作为计算案例，但实际上，本实施例中的两相冷板的参数计算方法适用于欠热沸腾状态和饱和沸腾状态，压力适用范围为0.09~3.45MPa，流量适用范围为54~4070kg/（m²s），热流密度小于2.4MW/m²，对冷板的出口干度适用范围是0~0.7，微通道水力直径d_h大于0.5mm，适用于加热面润湿较好的水平流动。并且，不仅限于平直矩形微通道翅片，包括三角形、圆形、椭圆形、梯形或倒梯形通道等都在本发明的设计方法应用范围内。其中，两相冷板可以为各类气液两相工质的液冷微通道冷板，不仅限于冷媒类场景，其他工质如氨都可适用。

本实施方式提供的两相冷板的参数计算方法，能够通过找到总热阻和总压损均较小的槽道深度范围，平衡了平衡总热阻和总压损，使得微通道的槽道深度设置在该范围内时两相冷板的散热效率较高，进而提高使用该两相冷板的通讯系统的电源使用效率较高，降低通讯系统的能耗。

本领域的普通技术人员可以理解，上述各实施方式是实现本发明的具体实施例，而在实际应用中，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本发明的精神和范围。

Claims (8)

1.一种计算两相冷板参数的方法，其特征在于，包括：

获取给定干度和预设槽道宽度下微通道的总热阻随槽道深度的第一变化曲线；

获取给定干度和预设槽道宽度下微通道的总压损随槽道深度的第二变化曲线；

根据所述第一变化曲线和所述第二变化曲线，得到所述微通道的槽道深度范围；

所述获取给定干度和预设槽道宽度下微通道的总热阻随槽道深度的第一变化曲线，具体包括：

获取给定干度、冷却液流量、热耗以及所述两相冷板的微通道齿形参数；

根据所述给定干度、所述冷却液流量、所述热耗和所述微通道齿形参数，得到所述第一变化曲线；

所述根据所述给定干度、所述冷却液流量、所述热耗和所述微通道齿形参数，得到所述第一变化曲线，具体包括：

根据所述冷却液流量、所述热耗和所述微通道齿形参数，计算出单通道的质量流量和热流密度；

根据所述质量流量、所述热流密度和所述给定干度，得到所述第一变化曲线。

2.根据权利要求1所述的计算两相冷板参数的方法，其特征在于，所述根据所述第一变化曲线和所述第二变化曲线，得到所述微通道的槽道深度范围，具体包括：

截取所述第一变化曲线中所述总热阻小于热阻需求阈值的第一曲线段；

截取所述第二变化曲线中所述总压损小于压损需求阈值的第二曲线段；

根据所述第一曲线段和所述第二曲线段中槽道深度的重合区域，确定所述槽道深度范围。

3.根据权利要求2所述的计算两相冷板参数的方法，其特征在于，根据所述第一曲线段和所述第二曲线段中槽道深度的重合区域，确定所述槽道深度范围，具体包括：

根据所述第一曲线段和所述第二曲线段中槽道深度的重合区域，以及所述第一变化曲线中所述总热阻取最小值时的槽道深度值，确定所述槽道深度范围。

4.根据权利要求1所述的计算两相冷板参数的方法，其特征在于，所述根据所述质量流量、所述热流密度和所述给定干度，得到所述第一变化曲线，具体包括：

利用Chen公式，根据所述质量流量、所述热流密度和所述给定干度，得到两相换热系数表达式h_tp=h_cv*F+h_nb*S；

其中，h_tp为总热阻，h_cv为流动换热系数，F为对流换热增强因子，h_nb为核态沸腾换热系数，S为核态沸腾的抑制因子；

根据所述两相换热系数表达式，得到所述第一变化曲线。

5.根据权利要求4所述的计算两相冷板参数的方法，其特征在于，所述利用Chen公式，根据所述质量流量、所述热流密度和所述给定干度，得到两相换热系数表达式h_tp=h_cv*F+h_nb*S之前，还包括：

利用传热学平直肋片效率公式，计算单通道内的有效换热面积；

利用冷媒物性拟合公式，拟合液体工质的温度T和压力P的对应函数关系T=f(P)；

所述利用Chen公式，根据所述质量流量、所述热流密度和所述给定干度，得到两相换热系数表达式h_tp=h_cv*F+h_nb*S，具体包括：

利用Chen公式，根据所述质量流量、所述热流密度、所述给定干度、所述有效换热面积和函数关系T=f(P)，得到所述两相换热系数表达式h_tp=h_cv*F+h_nb*S。

6.根据权利要求1所述的计算两相冷板参数的方法，其特征在于，所述获取给定干度和预设槽道宽度下微通道的总压损随槽道深度的第二变化曲线，具体包括：

获取总压损表达式，其中，所述总压损至少包括摩擦压降、加速压降和局部压降之和；

根据所述总压损表达式，得到所述第二变化曲线。

7.根据权利要求6所述的计算两相冷板参数的方法，其特征在于，所述获取给定干度和预设槽道宽度下微通道的总压损随槽道深度的第二变化曲线之前，还包括：

获取给定干度、质量流量以及所述两相冷板的微通道齿形参数；

利用Steinhagen两相阻力关联式，根据所述给定干度、所述质量流量和所述微通道齿形参数，计算出所述摩擦压降。

8.根据权利要求6所述的计算两相冷板参数的方法，其特征在于，所述获取给定干度和预设槽道宽度下微通道的总压损随槽道深度的第二变化曲线之前，还包括：

获取给定干度、质量流量以及所述两相冷板的微通道齿形参数；

利用均相模型，根据所述给定干度、所述质量流量和所述微通道齿形参数，计算出所述加速压降和/或所述局部压降。

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