CN113747761A - 一种非等距并行通道双出口液冷板 - Google Patents

一种非等距并行通道双出口液冷板 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种非等距并行通道双出口液冷板；包括金属基板和金属盖板，工质进口、第一工质出口、第二工质出口；金属基板开设有凹槽，凹槽在两块金属板焊接完成后形成通道，包括分配通道、汇合通道和若干并行通道；所述液冷板的工质进口与分配通道相连，第一工质出口与汇合通道相连，第二工质出口与某条并行通道平行；所述第二工质出口的中心线将液冷板划分为左右两个通道区域，左或右通道区域中心线附近的通道宽度相等且较大，其余通道宽度相等且较小。本发明的非等距结构布局的并行通道双工质出口液冷板，其散热性能，不仅明显优于常规液冷板，而且具有更低的能耗。

Description

一种非等距并行通道双出口液冷板
技术领域
本发明涉及新能源汽车动力电池散热领域，尤其涉及一种非等距并行通道双出口液冷板。
背景技术
随着电子器件工艺的日益成熟，集成度的不断提高，工作性能的迅速提升，电子器件的发热量也急剧增加，而高温会影响电子器件性能，严重时甚至导致失效或者引发事故。
研究表明，温度每升高10℃，电子器件的寿命减少一半。温度过高、温度分布不均匀都会影响电子器件的工作稳定性并缩短其使用寿命。因此，需要设计高效的散热系统及时将电子器件的产热排出，以保证其安全稳定的运行。
常见的电子器件散热方式主要包括风冷、液冷和相变冷却，其中液冷式散热系统换热系数大，近年来发展迅速。
液冷方式主要包括直接液冷和间接液冷，其中并行通道液冷板因具有结构紧凑、封装性能好、噪音小、能耗低等优点而在电子器件散热领域受到青睐。
然而，并行通道结构容易造成液冷板通道间流量分配不均，从而导致液冷板温差较大，不利于保证电子器件的均温性。另一方面，液冷板的高能耗也限制了其在电子器件散热领域的广泛应用。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点和不足，提供一种流量分配的非等距并行通道双出口液冷板。本发明的非等距结构布局的并行通道双工质出口液冷板，其散热性能，不仅明显优于常规液冷板，而且具有更低的能耗。
本发明通过下述技术方案实现：
一种非等距并行通道双出口液冷板，包括作为液冷板的金属基板1和金属盖板11；金属基板1上开设有多条相互连通的凹槽；
凹槽作为液冷循环流动的通道，金属盖板11作为金属基板1的密封盖板；二者结合后，形成液冷板；
所述通道包括：
并行通道2，并行通道2数量为若干条相互平行的通道，
分配通道3，
汇合通道4；
所述分配通道3与汇合通道4，分别位于金属基板1边缘，二者轴线相互平行；
所述并行通道2，位于分配通道3与汇合通道4之间，其轴线垂直于分配通道3和汇合通道4的轴线；
所述分配通道3包括工质进口5，连接在分配通道3的入口端；
所述汇合通道4包括第一工质出口6和第二工质出口7；所述第一工质出口6连接在，汇合通道4与并行通道2的末端交汇处；
所述第二工质出口7，连接在汇合通道4上。
所述第二工质出口7，连接在汇合通道4上，具体是指，第二工质出口7通道的轴线，与汇合通道4的通道轴线垂直、与并行通道2的通道轴线平行；冷却工质从工质进口5流入，经过分配通道3进入并行通道2，随后流入汇合通道4，最后从第一工质出口6和第二工质出口7流出；流经液冷板过程中，冷却工质带走热量。
所述第二工质出口中心线9，与第n条并行通道2的中心线重合，n与N的比值范围为0.5～0.9；其中N为并行通道2数量，N≥6。
通过第二工质出口中心线9将金属基板1，板划分为左右两个区域；其中，左侧区域通道数为n，右侧区域通道数为N-n+1。
所述左侧区域的并行通道2之间的宽度布局为：以左通道区域中心线8为基准，其中，与左通道区域中心线8相邻的两条并行通道2的宽度，大于其余并行通道2之间的通道宽度。
当左侧区域并行通道2的通道数n为奇数时，通道宽度分布为[a,a,…,b,…,a,a/2]；当n为偶数时，通道宽度分布为[a,a,…,b,b，…,a,a/2]；其中，b为左通道区域中心线8相邻的两条并行通道2的宽度，a为左通道区域其余并行通道2的宽度。
所述右侧区域的并行通道2之间的宽度布局为：以右通道区域中心线10为基准，其中，与右通道区域中心线10相邻的两条并行通道2的宽度，大于其余并行通道2之间的通道宽度。
当右侧区域的并行通道2的通道数N-n+1为奇数时，通道宽度分布为[a/2,a,…,c,…,a,a]；当N-n+1为偶数时，通道宽度分布为[a/2,a,…,c,c,…,a,a]；其中，c为右通道区域中心线10相邻的两条并行通道2的宽度，a为右通道区域其余并行通道2的宽度。
a的取值为2mm～5mm，b和c的取值，通过并行通道2数量和通道总宽度算出，表达式如下：
Figure BDA0003243298070000041
Figure BDA0003243298070000042
其中sl和sr分别为左侧和右侧区域的并行通道2的总宽度，当左侧区域fl，或右侧区域fr通道数为偶数时，fl，或fr的值为2；当左侧区域fl，或右侧区域fr通道数为奇数时，fl，或fr值为1。
所述工质进口5的通道轴线，与分配通道3的通道轴线平行。
本发明相对于现有技术，具有如下的优点及效果：
1、本发明提出的非等距并行通道双出口液冷板，具有两个工质出口，增大了出口截面积，有效降低了冷板的能耗；第二工质出口位置对应冷板的最高温度点附近，增加了最高温度点附近通道的流量，从而显著降低液冷板的最高温度，提高了液冷板的换热效率。
2、本发明提出的非等距并行通道双出口液冷板，其中第二工质出口的中心线将液冷板分为左右两个通道区域，两个通道区域通道均采用中间通道宽度大，其余通道宽度小的设计，这样的设计可以使更多流量通过两个区域中温度较高的中心位置，从而进一步降低液冷板的最高温度，提高液冷板的冷板性能。
3、本发明提出的非等距并行通道双出口液冷板，第二工质出口通道的轴线，与汇合通道的通道轴线垂直、与并行通道的通道轴线平行，这样的结构布局，可进一步使更多流量通过两个区域中温度较高的中心位置，流阻大大减小，加快了液冷板的最高温度的降温速度，有效加强了液冷板的冷板性能。
4、本发明提出的非等距并行通道双出口液冷板，技术手段简便易行，具有结构紧凑、能耗低、均温性能好、运行安全可靠等优点，能广泛应用于高热流密度电子器件的冷却中。
附图说明
图1是本发明非等距并行通道双出口液冷板的金属基板结构示意图。
图2是本发明非等距并行通道双出口液冷板的金属盖板结构示意图。
图3是本发明非等距并行通道双出口液冷板的结构参数示意图。
图4是图3的侧视结构参数示意图。
图5是现有技术中的常规液冷板结构示意图。
图6是常规液冷板和本发明的最高温度分布对比图。
具体实施方式
本发明公开了一种非等距并行通道双出口液冷板，包括作为液冷板的金属基板1和金属盖板11；金属基板1上开设有多条相互连通的凹槽；
凹槽作为液冷循环流动的通道，金属盖板11作为金属基板1的密封盖板；二者结合后，形成液冷板；金属基板1和金属盖板11的密封结合，一般采用焊接密封。
所述通道包括：
并行通道2、分配通道3、汇合通道4；其中，并行通道2数量为若干条相互平行的通道；
所述分配通道3与汇合通道4，分别位于金属基板1边缘，二者轴线相互平行。
所述并行通道2，位于分配通道3与汇合通道4之间，其轴线垂直于分配通道3和汇合通道4的轴线。
所述分配通道3包括工质进口5，连接在分配通道3的入口端；所述工质进口5的通道轴线，与分配通道3的通道轴线平行。
所述汇合通道4包括第一工质出口6和第二工质出口7；所述第一工质出口6连接在，汇合通道4与并行通道2的末端交汇处。
所述第二工质出口7，连接在汇合通道4上，具体是指：第二工质出口7通道的轴线，与汇合通道4的通道轴线垂直、与并行通道2的通道轴线平行；冷却工质从工质进口5流入，经过分配通道3进入并行通道2，随后流入汇合通道4，最后从第一工质出口6和第二工质出口7流出；流经液冷板过程中，冷却工质带走热量。
所述第二工质出口中心线9，与第n条并行通道2的中心线重合，n与N的比值范围为0.5～0.9；其中N为并行通道2数量，N≥6。
通过第二工质出口中心线9将金属基板1，板划分为左右两个区域；其中，左侧区域通道数为n，右侧区域通道数为N-n+1。
所述左侧区域的并行通道2之间的宽度布局为：以左通道区域中心线8为基准，其中，与左通道区域中心线8相邻的两条并行通道2的宽度，大于其余并行通道2之间的通道宽度。
当左侧区域并行通道2的通道数n为奇数时，通道宽度分布为[a,a,…,b,…,a,a/2]；当n为偶数时，通道宽度分布为[a,a,…,b,b，…,a,a/2]；其中，b为左通道区域中心线8相邻的两条并行通道2的宽度，a为左通道区域其余并行通道2的宽度。
所述右侧区域的并行通道2之间的宽度布局为：以右通道区域中心线10为基准，其中，与右通道区域中心线10相邻的两条并行通道2的宽度，大于其余并行通道2之间的通道宽度。
当右侧区域的并行通道2的通道数N-n+1为奇数时，通道宽度分布为[a/2,a,…,c,…,a,a]；当N-n+1为偶数时，通道宽度分布为[a/2,a,…,c,c,…,a,a]；其中，c为右通道区域中心线10相邻的两条并行通道2的宽度，a为右通道区域其余并行通道2的宽度。
a的取值为2mm～5mm，b和c的取值，通过并行通道2数量和通道总宽度算出，表达式如下：
Figure BDA0003243298070000071
Figure BDA0003243298070000072
其中sl和sr分别为左侧和右侧区域的并行通道2的总宽度，当左侧区域fl，或右侧区域fr通道数为偶数时，fl，或fr的值为2；当左侧区域fl，或右侧区域fr通道数为奇数时，fl，或fr值为1。
以下通过具体实施方式，对本发明作进一步描述。
本发明实施举例，如图3所示的液冷板：
其长度(lc)为352mm，宽度(wc)为260mm，厚度(hc)为2mm；
冷却工质进口长度(lin)和出口长度(lout)均为65mm；
冷却工质进口宽度、出口宽度、分配通道宽度以及汇合通道宽度(wcc)均为12mm，壁厚(wec)为1mm；
并行通道数(N)为14，液冷板的通道厚度(hcd)为0.6mm，第二工质出口与10号通道中心线重合，即n的值为10，左通道区域通道宽度之和(sl)为114mm，右通道区域通道宽度之和(sr)为54mm，通道宽度(a)为2mm；
根据公式计算得到通道宽度(b)为49.5mm，通道宽度(c)为47mm，各并行通道之间的固体部分宽度(wd)为14mm。
液冷板的材质为铝，密度为2702kg/m3，比热容为903J/(kg·K)，热导率为237W/(m·K)；
冷却工质为冷却水，其密度为997.56kg/m3，比热容为4181.72J/(kg·K)，热导率为0.62W/(m·K)，动力粘度为8.89×10-4kg/(m·s)；
冷却水的进口质量流量为150g/s，环境温度为303.15K，施加在液冷板表面的等效热流密度为7000W/m2。
图4是常规液冷板的结构。其液冷板的通道宽度均匀，其值(wpc)为12mm，各并行通道之间的固体部分宽度(wd)为14mm。常规液冷板中所有并行通道宽度之和与本发明实施例相同，二者总体积也相同。
采用数值模拟的方法，分别计算本发明和常规液冷板的温度场，得到不同并行通道冷却的固体部分的最高温度分布对比图，如图5所示。
图5结果显示，本发明液冷板温度相比常规液冷板更加均匀。常规液冷板的最高温度、温差和能耗分别为318.8K，15.5K和143.7W，而本发明的液冷板对应的最高温度、温差和能耗分别为310.7K、7.5K和92.5W，分别减小了8.1K、51％和36％。
由此可见，本发明的非等距结构布局的并行通道双工质出口液冷板，其散热性能，不仅明显优于常规液冷板，而且具有更低的能耗。
本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种非等距并行通道双出口液冷板，包括作为液冷板的金属基板(1)和金属盖板(11)；金属基板(1)上开设有多条相互连通的凹槽；
凹槽作为液冷循环流动的通道，金属盖板(11)作为金属基板(1)的密封盖板；二者结合后，形成液冷板；
其特征在于，所述通道包括：
并行通道(2)，并行通道(2)数量为若干条相互平行的通道，
分配通道(3)，
汇合通道(4)；
所述分配通道(3)与汇合通道(4)，分别位于金属基板(1)边缘，二者轴线相互平行；
所述并行通道(2)，位于分配通道(3)与汇合通道(4)之间，其轴线垂直于分配通道(3)和汇合通道(4)的轴线；
所述分配通道(3)包括工质进口(5)，连接在分配通道(3)的入口端；
所述汇合通道(4)包括第一工质出口(6)和第二工质出口(7)；所述第一工质出口(6)连接在，汇合通道(4)与并行通道(2)的末端交汇处；
所述第二工质出口(7)，连接在汇合通道(4)上。
2.根据权利要求1所述非等距并行通道双出口液冷板，其特征在于：
所述第二工质出口(7)，连接在汇合通道(4)上，具体是指，第二工质出口(7)通道的轴线，与汇合通道(4)的通道轴线垂直、与并行通道(2)的通道轴线平行；冷却工质从工质进口(5)流入，经过分配通道(3)进入并行通道(2)，随后流入汇合通道(4)，最后从第一工质出口(6)和第二工质出口(7)流出；流经液冷板过程中，冷却工质带走热量。
3.根据权利要求2所述非等距并行通道双出口液冷板，其特征在于：
所述第二工质出口中心线(9)，与第n条并行通道(2)的中心线重合，n与N的比值范围为0.5～0.9；其中N为并行通道(2)数量，N≥6。
4.根据权利要求3所述非等距并行通道双出口液冷板，其特征在于：
通过第二工质出口中心线(9)将金属基板(1)，板划分为左右两个区域；其中，左侧区域通道数为n，右侧区域通道数为N-n+1。
5.根据权利要求4所述非等距并行通道双出口液冷板，其特征在于：
所述左侧区域的并行通道(2)之间的宽度布局为：以左通道区域中心线(8)为基准，其中，与左通道区域中心线(8)相邻的两条并行通道(2)的宽度，大于其余并行通道(2)之间的通道宽度。
6.根据权利要求5所述非等距并行通道双出口液冷板，其特征在于：
当左侧区域并行通道(2)的通道数n为奇数时，通道宽度分布为[a,a,…,b,…,a,a/2]；当n为偶数时，通道宽度分布为[a,a,…,b,b，…,a,a/2]；
其中，b为左通道区域中心线(8)相邻的两条并行通道(2)的宽度，a为左通道区域其余并行通道(2)的宽度。
7.根据权利要求6所述非等距并行通道双出口液冷板，其特征在于：
所述右侧区域的并行通道(2)之间的宽度布局为：以右通道区域中心线(10)为基准，其中，与右通道区域中心线(10)相邻的两条并行通道(2)的宽度，大于其余并行通道(2)之间的通道宽度。
8.根据权利要求7所述非等距并行通道双出口液冷板，其特征在于：
当右侧区域的并行通道(2)的通道数N-n+1为奇数时，通道宽度分布为[a/2,a,…,c,…,a,a]；当N-n+1为偶数时，通道宽度分布为[a/2,a,…,c,c,…,a,a]；
其中，c为右通道区域中心线(10)相邻的两条并行通道(2)的宽度，a为右通道区域其余并行通道(2)的宽度。
9.根据权利要求8所述非等距并行通道双出口液冷板，其特征在于：
a的取值为2mm～5mm，b和c的取值，通过并行通道(2)数量和通道总宽度算出，表达式如下：
Figure FDA0003243298060000031
Figure FDA0003243298060000032
其中sl和sr分别为左侧和右侧区域的并行通道(2)的总宽度，当左侧区域fl，或右侧区域fr通道数为偶数时，fl，或fr的值为2；当左侧区域fl，或右侧区域fr通道数为奇数时，fl，或fr值为1。
10.根据权利要求9所述非等距并行通道双出口液冷板，其特征在于：
所述工质进口(5)的通道轴线，与分配通道(3)的通道轴线平行。
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