CN115790209A - 一种提供均匀边界的板式高性能冷却块及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种提供均匀边界的板式高性能冷却块及其使用方法，本发明属于换热设备技术领域。冷却块包括：冷却芯体，用于冷却液体流过并进行对流换热；固定组件，用于将所述冷却芯体固定在热源上以对热源进行冷却。常规冷却器换热面积固定，且流通面积较大，流体壁面剪切力导致流通截面内中心速度大而壁面速度小，导致冷却均匀性不好，同时流速较小导致换热能力不足。本发明提出的板式高性能冷却块与之相比，一方面减小了流通面积增加了换热面积，另一方面提高了模块化程度，方便安装，具有较强的适应性和冷却均匀性，提高了换热能力。

Description

一种提供均匀边界的板式高性能冷却块及其使用方法

技术领域

本发明涉及热交换设备测量技术领域，具体涉及一种提供均匀边界的板式高性能冷却块及其使用方法。

背景技术

换热器是进行热交换操作的通用工艺设备，广泛应用于核能、化学、动力、冶金等工业部门中。特别是在舰船、潜艇、飞行器的动力循环系统中，换热器对于传递、调配工质之间的能量有着重要作用。

在能源动力循环领域，冷却器作为冷阱是系统必不可少的设备之一，随着科技水平的不断提升，人们对核电站、火电站、航空发动机内动力系统的环保友好性越来越重视，提高效率、降低成本是冷却器优化改进的方向之一；在某些领域，需要冷却的热源往往以板片状出现，例如光伏发电、新能源汽车、芯片等，针对这些特殊形状的热源，常规使用的套管式冷却器、管壳式冷却器效果较差。尤其在一些特殊环境下，它们不能同时满足换热比表面积大、冷却边界均匀的要求。

发明内容

为了解决现有冷却器冷却效果较差的问题，本发明提供了一种提供均匀边界的板式高性能冷却块。本发明的冷却模块为微通道紧凑换热器提供均匀且高效的冷却边界，提高了换热能力。

本发明通过下述技术方案实现：

一种提供均匀边界的板式高性能冷却块，包括：

冷却芯体，用于冷却液体流过并进行对流换热；

固定组件，用于将所述冷却芯体固定在热源上以对热源进行冷却。

作为优选实施方式，本发明的冷却芯体包括一个密封板和至少一个流道板；

所述密封板和至少一个所述流道板从上至下依次叠放成整体，且保证流道板上加工有流道的一侧内置；

所述密封板和流道板对应位置上开设有流体进出口和压紧孔，其中，流体进出口用于冷却液体的进出，压紧孔用于配合所述固定组件实现所述冷却芯体的装配；

所述密封板和流道板对应位置设置有包围全部流道的密封槽，密封槽内安装密封条。

作为优选实施方式，本发明在所述密封板上的流体进出口以及非底部流道板上的流体进出口均为通孔，在底部流道板上的流体进出口为盲孔，其深度与该流道板上的流道深度相同；在所述密封板和流道板上的压紧孔均为通孔。

作为优选实施方式，本发明的密封条通过过盈配合方式安装在所述密封槽中。

作为优选实施方式，本发明的密封板和流道板的形状大小完全相同；

所述密封板和流道板的厚度为1-10mm。

作为优选实施方式，本发明的流道板的流道水力直径为1-5mm，流道横截面积形状为半圆形、矩形或梯形；

所述流道在流体流动方向上的形状为连续微通道或不连续微通道结构。

作为优选实施方式，本发明中与所述热源相邻的所述流道板上与加工有流道的一侧相对的另一侧加工有1-2个测温槽；

所述测温槽用于安装测温仪表，所述测温仪表用于测量所述冷却块和热源之间的金属温度。

作为优选实施方式，本发明的流体进出口连接有接管；

所述接管管径为5-20mm，且所述接管5的材料和密封板的材料相同。

作为优选实施方式，本发明的流道内壁面增设流体扰动结构。

作为优选实施方式，本发明的固定组件包括压紧螺母和压紧螺柱；

所述压紧螺柱双端带有螺纹，所述压紧螺柱穿过堆叠在一体的密封板和流道板的压紧孔，在压紧螺柱双端使用压紧螺母拧紧使所述冷却芯体被挤压，完成所述冷却块的装配。

作为优选实施方式，本发明的压紧螺母采用钛合金、不锈钢或铜加工而成；

所述压紧螺母的直径为5-50mm，压紧螺母内径和压紧螺栓的外径匹配且螺纹互相咬合。

作为优选实施方式，本发明的冷却液体采用水、油、乙醇或氮气。

另一方面，本发明提出了基于如上所述的一种提供均匀边界的板式高性能冷却块的使用方法，包括：

将所述冷却块直接安装在热源的上表面；

或者，在热源上攻螺纹，将固定组件的压紧螺柱直接拧入热源，再用固定组件的压紧螺母将所述冷却块压紧固定在热源的上表面；

或者，在热源的上下两个表面分别通过固定组件压紧固定至少一个冷却块。

本发明具有如下的优点和有益效果：

常规冷却器换热面积固定，且流通面积较大，流体壁面剪切力导致流通截面内中心速度大而壁面速度小，导致冷却均匀性不好，同时流速较小导致换热能力不足。本发明提出的板式高性能冷却块与之相比，一方面减小了流通面积增加了换热面积，另一方面提高了模块化程度，方便安装，具有较强的适应性和冷却均匀性，提高了换热能力。

本发明提出的板式高性能冷却块可广泛应用于需要冷却板式热源的多种环境中，为向板式热源提供均匀且高效的冷却边界提供技术支撑。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为本发明实施例的冷却芯体结构示意图。

图2为本发明实施例的板式高性能冷却块组装剖面图。

图3为本发明实施例的板式高性能冷却块使用示意图。

附图中标记及对应的零部件名称：

1-密封板，2-流道板，3-流道，4-密封条，5-接管，6-压紧螺母，7-压紧螺柱，8-测温槽，9-测温仪表，10-热源。

具体实施方式

在下文中，可在本发明的各种实施例中使用的术语“包括”或“可包括”指示所发明的功能、操作或元件的存在，并且不限制一个或更多个功能、操作或元件的增加。此外，如在本发明的各种实施例中所使用，术语“包括”、“具有”及其同源词仅意在表示特定特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合，并且不应被理解为首先排除一个或更多个其它特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合的存在或增加一个或更多个特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合的可能性。

在本发明的各种实施例中，表述“或”或“A或/和B中的至少一个”包括同时列出的文字的任何组合或所有组合。例如，表述“A或B”或“A或/和B中的至少一个”可包括A、可包括B或可包括A和B二者。

在本发明的各种实施例中使用的表述(诸如“第一”、“第二”等)可修饰在各种实施例中的各种组成元件，不过可不限制相应组成元件。例如，以上表述并不限制所述元件的顺序和/或重要性。以上表述仅用于将一个元件与其它元件区别开的目的。例如，第一用户装置和第二用户装置指示不同用户装置，尽管二者都是用户装置。例如，在不脱离本发明的各种实施例的范围的情况下，第一元件可被称为第二元件，同样地，第二元件也可被称为第一元件。

应注意到：如果描述将一个组成元件“连接”到另一组成元件，则可将第一组成元件直接连接到第二组成元件，并且可在第一组成元件和第二组成元件之间“连接”第三组成元件。相反地，当将一个组成元件“直接连接”到另一组成元件时，可理解为在第一组成元件和第二组成元件之间不存在第三组成元件。

在本发明的各种实施例中使用的术语仅用于描述特定实施例的目的并且并非意在限制本发明的各种实施例。如在此所使用，单数形式意在也包括复数形式，除非上下文清楚地另有指示。除非另有限定，否则在这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明的各种实施例所属领域普通技术人员通常理解的含义相同的含义。所述术语(诸如在一般使用的词典中限定的术语)将被解释为具有与在相关技术领域中的语境含义相同的含义并且将不被解释为具有理想化的含义或过于正式的含义，除非在本发明的各种实施例中被清楚地限定。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例：

为了向板式热源提供均匀且高效的冷却边界，提高换热能力，本发明实施例提供了一种提供均匀边界的板式高性能冷却块，其主要包括压合固定的冷却芯体和固定组件。其中，

冷却芯体，用于充入冷却液体通过对流换热为发热表面进行冷却；

固定组件，将组装好的冷却芯体固定在任意发热表面上，防止芯体的晃动。

具体如图1-2所示，本发明实施例的冷却芯体包括密封板1、流道板2、流道3、密封条4和接管5。其中，密封板1和流道板2对应位置开有包围全部流道3的密封槽，密封条4利用过盈配合安装在密封槽中，接管5焊接固定在密封板1上的流体进出口位置。

密封板1可采用但不限于隔热材料制成，例如，陶瓷、亚克力、铬、锰等导热能力差的材料；流道板2可采用但不限于导热金属材料制成，例如，不锈钢、钛合金等导热能力好的金属材料。本发明实施例在流道板2上加工获得下凹的流道3，且流道3覆盖整个流道板2上密封条4以内至少90%的区域。本发明实施例通过冷却块内的流道几乎占据冷却块全部截面，冷却剂通过流道的全部角落没有死区，因此能够完全覆盖整个冷却块进行冷却，提高了冷却均匀性。

本发明实施例还在密封板1和流道板2对应位置加工出用于冷却流体进出的流体进出口以及用于压紧装配的压紧孔。其中，在密封板1上的流体进出口为通孔，在流道板2上的流体进出口为盲孔，其深度与流道3的深度相同。在密封板1和流道板2上的压紧孔均为通孔。同时在密封板1的任意一侧和流道板2带有流道的一侧加工出大小位置相同、且可包裹全部流道3范围的密封槽，使用尺寸稍大于密封槽的密封条4通过过盈配合安装，将密封板1带有密封槽和一侧与流道板2带有密封槽的一侧叠加组合，使流道3内置。

本发明实施例中，密封板1和流道板2的形状大小完全相同，且密封板1和流道板2的厚度为1-10mm。本发明实施例图1所示仅为冷却芯体的一种结构实例，但不对此进行限制。在另外的优选实施方式中，本发明实施例的密封板1和流道板还可以采用其他形状，例如矩形、正方形、圆形等形状，且其尺寸大小根据实际情况设置。

本发明实施例中的冷却块厚度薄，流道浅，从而使得冷却剂的流通横截面积很小，在毫米量级，导致流速较大、湍流程度较大，因此流体处于湍流，冷却能力强。

本发明实施例中，流道板2上的流道水力直径为1-5mm，可以采用但不限于化学蚀刻、光刻、车铣等工艺获得流道3，且流道横截面积形状可以是半圆形、矩形或梯形等几何形状。流道在流体流动方向上满足尽可能铺满整个流道板的前提下，流道形状可以是折线、曲线等连续微通道或水滴形、三角形等不连续通道的流动结构。

本发明实施例中，冷却液体的进出口接管5管径优选为5-20mm，且接管5可采用和密封板1相同的材料。

本发明实施例中，密封条4可采用但不限于石棉、聚四氟乙烯等柔软易变形材料，密封条4的直径优选为1-5mm。

为了进一步提高冷却能力，本发明实施例还可在流道3内壁面增设凸起、凹陷、涡发生器等流体扰动结构。

一种可选的实施方式中，在与热源相邻的流道板2上与设置有流道一侧相对的另一侧，通过机械加工或化学蚀刻等方式获得1-2个测温槽8，该测温槽8用于安装测温仪表9，当在测温槽8内放置测温仪表9，即可测量冷却块和热源之间的金属温度，用作监视，以保护冷却块的温度不会过高以致损坏冷却块。

固定组件包括压紧螺母6和压紧螺柱7，其中，压紧螺柱7双端带有螺纹，将其穿过叠放在一起的密封板1和流道板2上的压紧孔后，在压紧螺柱7双端使用压紧螺母6拧紧使冷却芯体充分被挤压，使得密封条4充满密封槽形成密封，即可完成冷却块的装配。

本发明实施例中，压紧螺母6可采用但不限于钛合金、不锈钢、铜等材料加工而成，压紧螺母6的直径优选为5-50mm，压紧螺母6的内径和压紧螺柱的外径形同且螺纹互相咬合。

本发明实施例图2仅以一块流道板为例进行示例性说明，但不对此进行限制。在另外的优选实施例中，可以采用至少两个流道板2，当使用多个流道板时，至少两个流道板2依次堆叠，依次堆叠的至少两个流道板2的顶部叠放密封板1，依次堆叠的至少两个流道板2中，上一个流道板充当下一个流道板的密封板（即使流道内置），除最底层的流道板外，中间流道板的流体进出口全部为通孔，将从上至下堆叠的密封板1和至少两个流道板2采用压紧螺柱和压紧螺母固定。堆叠多层流道板可以增加该冷却块的冷却能力。

本发明实施例的冷却块可采用的冷却液体包括水、油、乙醇、氮气等流体。

如图3所示，本发明实施例提出的上述冷却块的使用方式为：

当热源10外形较小，如图3中的1）所示，可将冷却块直接放置或粘接在热源10的上表面即可；

当热源10外形较大，如图3中的2）所示，可在热源10上攻螺纹，将压紧螺柱直径拧入热源10，再用压紧螺母将冷却块压紧固定在热源10的上表面即可；

当热源10厚度较大且双面发热时，如图3中的3）所示，可采用两个冷却块，通过压紧螺柱和压紧螺母将两个冷却块分别压紧固定在热源10的上下两个表面，同时冷却。

本发明实施例在冷却过程中，需要在测温槽内安装或者焊接测温仪表，以检测冷却过程中冷却块和热源之间的金属温度，避免温度过高损坏冷却块。

本发明实施例可根据实际冷却需求，可将多个冷却块串联、并联，例如当热源特别大时，可以将多个冷却块沿热源表面阵列排布，通过软管将其进出口接管顺次连接即可。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (13)

1.一种提供均匀边界的板式高性能冷却块，其特征在于，包括：

冷却芯体，用于冷却液体流过并进行对流换热；

固定组件，用于将所述冷却芯体固定在热源上以对热源进行冷却。

2.根据权利要求1所述的一种提供均匀边界的板式高性能冷却块，其特征在于，所述冷却芯体包括一个密封板和至少一个流道板；

所述密封板和至少一个所述流道板从上至下依次叠放成整体，且保证流道板上加工有流道的一侧内置；

所述密封板和流道板对应位置上开设有流体进出口和压紧孔，其中，流体进出口用于冷却液体的进出，压紧孔用于配合所述固定组件实现所述冷却芯体的装配；

所述密封板和流道板对应位置设置有包围全部流道的密封槽，密封槽内安装密封条。

3.根据权利要求2所述的一种提供均匀边界的板式高性能冷却块，其特征在于，在所述密封板上的流体进出口以及非底部流道板上的流体进出口均为通孔，在底部流道板上的流体进出口为盲孔，其深度与该流道板上的流道深度相同；在所述密封板和流道板上的压紧孔均为通孔。

4.根据权利要求2所述的一种提供均匀边界的板式高性能冷却块，其特征在于，所述密封条通过过盈配合方式安装在所述密封槽中。

5.根据权利要求2所述的一种提供均匀边界的板式高性能冷却块，其特征在于，所述密封板和流道板的形状大小完全相同；

所述密封板和流道板的厚度为1-10mm。

6.根据权利要求2所述的一种提供均匀边界的板式高性能冷却块，其特征在于，所述流道板的流道水力直径为1-5mm，流道横截面积形状为半圆形、矩形或梯形；

所述流道在流体流动方向上的形状为连续微通道或不连续微通道结构。

7.根据权利要求2所述的一种提供均匀边界的板式高性能冷却块，其特征在于，与所述热源相邻的所述流道板上与加工有流道的一侧相对的另一侧加工有1-2个测温槽；

所述测温槽用于安装测温仪表，所述测温仪表用于测量所述冷却块和热源之间的金属温度。

8.根据权利要求2-7任一项所述的一种提供均匀边界的板式高性能冷却块，其特征在于，所述流体进出口连接有接管；

所述接管管径为5-20mm，且所述接管5的材料和密封板的材料相同。

9.根据权利要求2-7任一项所述的一种提供均匀边界的板式高性能冷却块，其特征在于，所述流道内壁面增设流体扰动结构。

10.根据权利要求1-7任一项所述的一种提供均匀边界的板式高性能冷却块，其特征在于，所述固定组件包括压紧螺母和压紧螺柱；

所述压紧螺柱双端带有螺纹，所述压紧螺柱穿过堆叠在一体的密封板和流道板的压紧孔，在压紧螺柱双端使用压紧螺母拧紧使所述冷却芯体被挤压，完成所述冷却块的装配。

11.根据权利要求10所述的一种提供均匀边界的板式高性能冷却块，其特征在于，所述压紧螺母采用钛合金、不锈钢或铜加工而成；

所述压紧螺母的直径为5-50mm，压紧螺母内径和压紧螺栓的外径匹配且螺纹互相咬合。

12.根据权利要求1-7任一项所述的一种提供均匀边界的板式高性能冷却块，其特征在于，所述冷却液体采用水、油、乙醇或氮气。

13.基于权利要求1-12任一项所述的一种提供均匀边界的板式高性能冷却块的使用方法，其特征在于，包括：

将所述冷却块直接安装在热源的上表面；

或者，在热源上攻螺纹，将固定组件的压紧螺柱直接拧入热源，再用固定组件的压紧螺母将所述冷却块压紧固定在热源的上表面；

或者，在热源的上下两个表面分别通过固定组件压紧固定至少一个冷却块。

Images