CN116685133A - 一种散热面板、水冷散热器及散热面板加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种散热面板、水冷散热器及散热面板加工方法，涉及冷却散热技术领域，散热面板包括用于构成一部分流体流动通道的面板基体，面板基体的表面多排布置散热通道，散热通道内可供流体流动，散热通道的底面呈倾斜设置，相邻的两排散热通道之间形成波浪形起伏，当流体沿散热通道流动时，冷却流体的流动方向在垂直方向发生改变，流体在流动的过程中与散热通道发生碰撞，使冷却流体的流动状态发生急剧变化，产生紊流形成冲刷，破坏散热通道内表面的热膜，提高散热翅片的传热效率。

Description

一种散热面板、水冷散热器及散热面板加工方法

技术领域

本发明涉及冷却散热技术领域，更进一步涉及一种散热面板。此外，本发明还涉及一种水冷散热器及散热面板加工方法。

背景技术

特高压直流输电具有输送距离远、输送容量大、损耗低的优势,是实现我国能源资源优化配置的重要途径之一。随着特高压直流输电技术的不断成熟和完善，直流电流将从原有的5000A提升到6250A，2小时过负荷将达到6690A，电流提升幅度如此之大，对直流输电核心设备晶闸管换流阀提出了更高的要求。水冷散热器是晶闸管换流阀的重要组成部分，现有技术中，水冷散热器为了满足将直流电流从4000A提升至5000A的散热要求，水冷散热器的内部水道已经过多次优化，散热器的散热效率和热阻几乎到达极限，已经很难再进一步提升其散热性能使其满足6250A工况的散热要求。散热器6250A工况散热要求在同样的流体流量下，要达到更低的热阻，均温性更好，如散热功率4.8kW，流量为9L/min工况下，热阻小于等于3K/kW，台面均温性小于4℃。

影响散热面板散热能力的因素主要有散热面积和传热系数，由于依靠增加散热面积来提高散热器的散热能力会受到换流阀安装空间的限制，所以提高散热器散热能力的重要手段是提高传热系数，而提高散热系数主要依赖于散热翅片的结构。

如图11所示，目前本领域中散热翅片结构主要为螺旋流道结构，在基板上采用铣削加工的方法直接加工出来。在散热器使用过程中，由于冷却介质具有黏度，会在散热器的翅片表面形成热膜，该热膜的导热能力很低，会阻止冷却液与翅片本体之间的热交换，导致散热器的传热效率降低，从而降低散热器的散热能力。

对于本领域的技术人员来说，如何提升水冷散热的散热能力，是目前需要解决的技术问题。

发明内容

本发明提供一种散热面板，能够使冷却流体的流动状态发生急剧变化，产生紊流冲刷散热翅片的表面，破坏散热翅片表面的热膜，提高散热翅片的传热效率，具体方案如下：

一种散热面板，包括用于构成一部分流体流动通道的面板基体，所述面板基体的表面多排布置散热通道，所述散热通道的底面呈倾斜设置，相邻的两排所述散热通道之间形成波浪形起伏，用以使冷却流体的流动方向在垂直方向发生改变。

可选地，所述散热通道成排设置散热翅片，冷却流体从相邻的两个所述散热翅片之间流动；

相邻的两排所述散热翅片交错设置，冷却流体能够冲击到所述散热翅片上，以使冷却流体的流动方向在水平方向发生改变。

可选地，所述面板基体的表面设有至少两个集水道，所述集水道用于使进入的冷却流体成排分布，并使换热后的冷却流体汇聚流出。

可选地，所述散热通道底面与所述面板基体表面之间的倾斜角θ的角度范围为15～45°；所述散热通道的纵深方向与竖直线之间的夹角α为15～45°。

可选地，所述散热通道由成排钻设的独立盲孔构成，相邻两排所述散热通道的所述盲孔在排布方向上相互交错；

位于不同排的所述盲孔相互连通形成供冷却流体流通的连接通道。

可选地，所述盲孔形成所述散热翅片的四个曲面侧壁，所述连接通道形成所述散热翅片的四个平面侧壁。

可选地，所述散热通道由连续的波浪形通道构成，相邻的两排所述散热通道在排布方向上相互交错，并在垂直于排布方向存在重叠。

可选地，所述散热翅片的截面为菱形。

本发明还提供一种水冷散热器，包括基座和上述任一项所述的散热面板，所述基座和所述面板基体相互密封盖合形成用于流通冷却流体的空间；所述基座设置用于进液的进液流道和用于出液的出液流道，

冷却流体经过所述进液流道并流入所述散热通道，从所述出液流道流出。

可选地，所述面板基体设置两个；所述基座设置导流道，所述进液流道通过所述导流道将流体引导到两个所述面板基体，流过两个所述面板基体的流体经过所述导流道汇聚到所述出液流道。

本发明还提供一种散热面板加工方法，包括：

将面板基体固定在倾斜工作台工装，使所述面板基体与水平面形成加工倾角β；

刀具垂直于水平面对所述面板基体进行铣削加工，包括：

所述刀具沿波浪形走刀，以在所述面板基体加工形成一排波浪形通道；错位加工下一排波浪形通道，以使相邻的两排波浪形通道在垂直于排布方向存在重叠；

或者，刀具先在所述面板基体上成排钻设独立盲孔，相邻两排所述盲孔在排布方向上相互交错；后由刀具将位于不同排的所述盲孔相互连通形成供冷却流体流通的连接通道。

本发明提供一种散热面板，包括用于构成一部分流体流动通道的面板基体，面板基体的表面多排布置散热通道，散热通道内可供流体流动，散热通道的底面呈倾斜设置，相邻的两排散热通道之间形成波浪形起伏，当流体沿散热通道流动时，冷却流体的流动方向在垂直方向发生改变，流体在流动的过程中与散热通道发生碰撞，使冷却流体的流动状态发生急剧变化，产生紊流形成冲刷，破坏散热通道内表面的热膜，提高散热翅片的传热效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的散热面板一种具体实施例的轴测图；

图2为本发明提供的散热面板一种具体实施例的正视图；

图3为图2中A-A方向的剖面图；

图4为冷却流体的流动方向在垂直方向发生改变的示意图；

图5为冷却流体的流动方向在水平方向发生改变的示意图；

图6为基座一种具体实施例的轴测图；

图7为本发明提供的水冷散热器一种具体实施例的轴测图；

图8为本发明提供的水冷散热器一种具体实施例的侧视图；

图9为图8中B-B方向的剖面图；

图10为面板基体固定在倾斜工作台工装的示意图；

图11为目前本领域中散热翅片结构主要为螺旋流道结构。

图中包括：

面板基体1、散热通道2、散热翅片3、集水道4、基座5、进液流道51、出液流道52、导流道53、倾斜工作台工装6。

具体实施方式

本发明的核心在于提供一种散热面板，能够使冷却流体的流动状态发生急剧变化，产生紊流冲刷散热翅片的表面，破坏散热翅片表面的热膜，提高散热翅片的传热效率。

为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面将结合附图及具体的实施方式，对本发明的散热面板及水冷散热器进行详细的介绍说明。

结合图1至图3所示，本发明提供一种散热面板，包括用于构成一部分流体流动通道的面板基体1，散热面板与其他的结构相互装配后，共同形成流体流动通道；面板基体1的表面多排布置散热通道2，散热通道2为调协在面板基体1上的凹槽状结构，液体能够在散热通道2流动，由于面板基体1上的散热通道2为非封闭式结构，需要面板基体1与其他的结构相互装配后，将散热通道2形成封闭的通道结构，以供流体在其内部流动。例如面板基体1与基座5相互配合组装，在面板基体1与基座5形成供液体流动的封闭式散热通道2，散热通道2能够供其内部的流体单向流动。

结合图3所示，其中展示了面板基体1的断面结构，散热通道2的底面呈倾斜设置，这里所指的底面为图3所示的方向，面板基体1为一块具有一定厚度的板件，在图3的面板基体1上表面设置凹槽，面板基体1的下表面为实体结构。流体按照如图3中的箭头所示的方向流动，从面板基体1的一端流向面板基体1的另一端。

结合图2所示，散热通道2呈阵列状分布，图2中左右方向(X轴)为排，上下方向(Y轴)为列；如图3所示，相邻的两排散热通道2之间形成波浪形起伏，用以使冷却流体的流动方向在垂直方向发生改变。结合图3所示，当流体在相邻的两排散热通道2之间流动时，流体并非沿着同一方向不变运动，而是在垂直方向上存在上下起伏运动，这里所指的垂直方向为图3当中的上下方向(Z轴)，在流体整体趋势从左向右流动的过程中，流体不断斜向上方、斜向下方改变流动的方向。

采用本发明提供的散热面板结构，由于流体不断在垂直方向上改变运动方向，可使流体在流动的过程中与散热通道2发生碰撞，使冷却流体的流动状态发生急剧变化，产生紊流形成冲刷效果，破坏散热通道2内表面的热膜，提高散热翅片的传热效率。

在上述方案的基础上，本发明的散热通道2当中成排设置散热翅片3，在一排散热通道2当中设置若干间隔分布的散热翅片3，相邻的两个散热翅片3之间形成供流体通过的通道空间，冷却流体从相邻的两个散热翅片3之间流动。

相邻的两排散热翅片3交错设置，冷却流体能够冲击到散热翅片3上，以使冷却流体的流动状态在水平方向发生改变。结合图2，上下相邻的两排散热翅片3并非一一相对，以最上方的两排为例，其中第一排的散热翅片3之间存在间隙，第二排的散热翅片3正对第一排散热翅片3的间隙设置，一般第二排的散热翅片正对第一排散热翅片3的间隙中间，以使流体均匀流动。结合图2所示，其中的箭头表示流体的流动方向，其中主要展示了沿Y轴方向分布的一列散热翅片3周围的流体流动方向，流体进入散热通道2后，从第一排散热翅片3之间的间隙通过，到达第二排时正对冲击到散热翅片3，散热翅片3使流体分为两路，分别进入到两侧的间隙当中继续流动，流体在逐排流动的过程中，在X轴方向的横向上不断发生方向的改变，从而产生紊流形成冲刷效果，破坏散热通道2内表面的热膜，提高散热翅片3的传热效率。

当散热器中散热翅片3的表面形成热膜时，这层热膜会阻止冷却介质与散热翅片3之间的热交换，降低散热翅片3的传热效率，因此要消除散热翅片3表面的热膜。本发明的散热面板可使散热流体在垂直方向与横向分别产生冲刷效果，能够更加有效且充分地破坏散热通道2内表面的热膜，最大程度地提高散热翅片3的传热效率。

本发明消除热膜的途径是使冷却流体形成紊流，通过紊流在散热翅片3表面的冲刷作用消除热膜。要使冷却流体形成紊流，冷却流体的雷诺数(Ra＝v/υ,v为流体流速，υ为流体粘度，Ra为雷诺数)就不能低于某个数值(一般不小于2400)，粘度大的流体所要求的流速越高，而流体阻力(简称为流阻)与流速的平方成正比，因此当流速高时流阻也随之增大。传热效率与流阻是矛盾存在的两个方面，流阻大则传热效率高，流阻小则传热效率低。因此如果采用提高冷却流体流速的方法使得冷却流体形成紊流时，虽然消除了散热翅片3表面的热膜，但流速的提高直接导致流阻增大，直接影响冷却水泵循环的工况条件。而本发明对散热翅片3的结构进行改进，在不增大冷却流体流速的情况下，冷却流体不但与散热翅片3发生水平方向上的碰撞，同时与散热翅片3发生垂直方向上的碰撞，使冷却流体的流动状态发生急剧变化，产生紊流冲刷散热翅片3的表面，破坏散热翅片3表面的热膜使冷却流体形成紊流，达到提高传热效率的目的。

结合图1、图2所示，面板基体1的表面设有至少两个集水道4，集水道4为长条形的空槽结构，其内部能够流畅地流经流体，集水道4用于使进入的冷却流体成排分布，并使换热后的冷却流体汇聚流出。如图2所示，上方的集水道4用于流入冷却流体，下方的集水道4用于流出冷却流体；集水道4的长度(X轴)大于或者等于一排散热通道2的长度(X轴)，流入的冷却流体均匀地分散到第一排散热通道2的各个位置，使流体均匀地分布到各个位置，以使散热通道2的各个位置均流通冷却流体。

结合图4所示，散热通道2底面与面板基体1表面之间的倾斜角θ的角度范围为15～45°，散热通道2的纵深方向与竖直线之间的夹角α为15～45°，以上均包括两个端点值。散热通道2的纵深方向呈倾斜设置，散热通道2的纵深方向与散热通道2底面相互垂直。

在上述任一技术方案及其相互组合的基础上，本发明在此提供一种散热通道2的设置形式，散热通道2由成排钻设的独立盲孔构成，相邻两排散热通道2的盲孔在排布方向上相互交错；位于不同排的盲孔相互连通形成供冷却流体流通的连接通道。对于一排盲孔来说，各个盲孔相互独立钻设，一排盲孔沿X轴排列分布，盲孔之间并不直接连通；当各排的盲孔钻设完成后，再将位于不同排的盲孔相互连通，连通两排相邻盲孔的通道形成供冷却流体流通的连接通道，连接通道的长度方向为X轴和Y轴之间的倾斜方向，连接通道和盲孔共同构成散热通道2，以供流体流通。

按照上述的加工方式，由盲孔形成散热翅片3的四个曲面侧壁，连接通道形成散热翅片3的四个平面侧壁，散热翅片3为八边形柱状结构，具有四个内凹的曲面侧壁和四个平面侧壁。当然，散热翅片3并不仅限于上述的四个曲面侧壁和四个平面侧壁，还可以是八个表面都是平面或者都是曲面的造型，这些具体的实施方式都应包含在本发明的保护范围之内。例如图5所示的结构中，散热翅片3的八个侧壁都是平面造型。

在上述任一技术方案及其相互组合的基础上，本发明在此提供另一种散热通道2的设置形式，散热通道2由连续的波浪形通道构成，相邻的两排散热通道2在排布方向上相互交错，并在垂直于排布方向存在重叠，这里所指的重叠方向是Y轴方向。当一排波浪形的通道加工完成后，一排形成连续的通道；在加工下一排波浪形通道时，与前一排波浪形通道相互交错并且存在连通，以使冷却流体在相邻的两排波浪形通道之间流动，由各排波浪形通道形成散热通道2。

在波浪形通道的加工方式中，散热翅片3的截面为菱形，结合图2所示，在铣削加工一排波浪形通道的过程中，形成菱形散热翅片3的两个侧壁，在铣削加工下一排波浪形通道的过程中，形成菱形散热翅片3的另两个侧壁。当然，本发明中采用波浪形通道的加工结构，并不仅限于形成截面形状为菱形的散热翅片3，散热翅片3的侧壁还可以是弧面或者其他造型。

本发明还提供一种水冷散热器，结合图6至图9，水冷散热器包括基座5和上述的散热面板，基座5和面板基体1相互密封盖合形成用于流通冷却流体的空间；基座5设置用于进液的进液流道51和用于出液的出液流道52，冷却流体经过进液流道51并流入散热通道2，流经散热通道2之后，冷却流体从出液流道52流出。

优选地，本发明的面板基体1设置两个；基座5设置导流道53，进液流道51通过导流道53将流体分别引导到两个面板基体1，流过两个面板基体1的流体经过导流道53汇聚到出液流道52。进液流道51和出液流道52相互平行设置，并且垂直于导流道53，导流道53的作用是将冷却流体分为两路，分别流向两个水冷散热器，以使冷却流体分别流入不同的散热通道2，分别发挥冷却散热作用。

使用时，将晶闸管贴合在面板基体1上，热量从晶闸管等发热元件导入到水冷散热器中，在冷却流体流动过程中，热量被冷却流体带出。面板基体1设置两个，可以同时对两侧的晶闸管进行散热。

本发明还提供一种散热面板加工方法，包括如下步骤：

将面板基体1固定在倾斜工作台工装6，使面板基体1与水平面形成加工倾角β；结合图6，倾斜工作台工装6用于固定面板基体1的表面呈倾斜设置，与水平面存在夹角，此夹角为加工倾角β，加工倾角β＝倾斜角θ，以确定散热通道2的纵深方向的倾角。

刀具垂直于水平面对面板基体1进行铣削加工，包括以下两种情况：

第一种，刀具沿波浪形走刀，以在面板基体1加工形成一排波浪形通道；错位加工下一排波浪形通道，以使相邻的两排波浪形通道在垂直于排布方向存在重叠。采用此种加工方式，一次走刀过程可以加工一整排连通的波浪形通道，加工效率更高。

第二种，刀具先在面板基体1上成排钻设独立盲孔，相邻两排盲孔在排布方向上相互交错；后由刀具将位于不同排的盲孔相互连通形成供冷却流体流通的连接通道。采用此种加工方式，在加工各个盲孔时分别进刀，之后再铣削通道将盲孔连通，需要进行多次进刀过程。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理，可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (11)

1.一种散热面板，其特征在于，包括用于构成一部分流体流动通道的面板基体(1)，所述面板基体(1)的表面多排布置散热通道(2)，所述散热通道(2)的底面呈倾斜设置，相邻的两排所述散热通道(2)之间形成波浪形起伏，用以使冷却流体的流动方向在垂直方向发生改变。

2.根据权利要求1所述的散热面板，其特征在于，所述散热通道(2)成排设置散热翅片(3)，冷却流体从相邻的两个所述散热翅片(3)之间流动；

相邻的两排所述散热翅片(3)交错设置，冷却流体能够冲击到所述散热翅片(3)上，以使冷却流体的流动方向在水平方向发生改变。

3.根据权利要求2所述的散热面板，其特征在于，所述面板基体(1)的表面设有至少两个集水道(4)，所述集水道(4)用于使进入的冷却流体成排分布，并使换热后的冷却流体汇聚流出。

4.根据权利要求2所述的散热面板，其特征在于，所述散热通道(2)底面与所述面板基体(1)表面之间的倾斜角θ的角度范围为15～45°；所述散热通道(2)的纵深方向与竖直线之间的夹角α为15～45°。

5.根据权利要求2至4任一项所述的散热面板，其特征在于，所述散热通道(2)由成排钻设的独立盲孔构成，相邻两排所述散热通道(2)的所述盲孔在排布方向上相互交错；

位于不同排的所述盲孔相互连通形成供冷却流体流通的连接通道。

6.根据权利要求5所述的散热面板，其特征在于，所述盲孔形成所述散热翅片(3)的四个曲面侧壁，所述连接通道形成所述散热翅片(3)的四个平面侧壁。

7.根据权利要求2至4任一项所述的散热面板，其特征在于，所述散热通道(2)由连续的波浪形通道构成，相邻的两排所述散热通道(2)在排布方向上相互交错，并在垂直于排布方向存在重叠。

8.根据权利要求7所述的散热面板，其特征在于，所述散热翅片(3)的截面为菱形。

9.一种水冷散热器，其特征在于，包括基座(5)和权利要求1至8任一项所述的散热面板，所述基座(5)和所述面板基体(1)相互密封盖合形成用于流通冷却流体的空间；所述基座(5)设置用于进液的进液流道(51)和用于出液的出液流道(52)，

冷却流体经过所述进液流道(51)并流入所述散热通道(2)，从所述出液流道(52)流出。

10.根据权利要求9所述的水冷散热器，其特征在于，所述面板基体(1)设置两个；所述基座(5)设置导流道(53)，所述进液流道(51)通过所述导流道(53)将流体引导到两个所述面板基体(1)，流过两个所述面板基体(1)的流体经过所述导流道(53)汇聚到所述出液流道(52)。

11.一种散热面板加工方法，其特征在于，包括：

将面板基体(1)固定在倾斜工作台工装(6)，使所述面板基体(1)与水平面形成加工倾角β；

刀具垂直于水平面对所述面板基体(1)进行铣削加工，包括：

所述刀具沿波浪形走刀，以在所述面板基体(1)加工形成一排波浪形通道；错位加工下一排波浪形通道，以使相邻的两排波浪形通道在垂直于排布方向存在重叠；

或者，刀具先在所述面板基体(1)上成排钻设独立盲孔，相邻两排所述盲孔在排布方向上相互交错；后由刀具将位于不同排的所述盲孔相互连通形成供冷却流体流通的连接通道。