CN220489099U - 用于超大功率固态光源的水冷装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种用于超大功率固态光源的水冷装置，该装置包括固态光源、水冷板、冷却液管道和冷水机；所述固态光源为发热源，所述冷水机包括制冷系统和水泵，所述制冷系统用于将冷却水降温，并通过水泵将冷却水通过冷却液管道输送到固态光源处；所述水冷板用于将固态光源的热量传导至冷却水中。本实用新型提出的水冷板方案在冷却液主流道内增加翅片排布，一方面增加了水冷板和冷却液的接触面积，提高了散热效果，实现了超大功率固态光源的有效散热；另一方面避免了系统压降的大幅增加，提高了系统整体散热性能，降低了散热成本。
Description
技术领域
本实用新型属于散热技术领域，特别是一种用于超大功率固态光源的水冷装置。
背景技术
现有的大功率固态光源多采用铝型材翅片+风扇或者热管翅片+风扇(CN210954582U)的方式进行散热，运行时风扇噪音大，同时系统散热稳定性受外部环境影响较大，导致固态性能不稳定，降低系统可靠性。相对于水冷散热，风扇散热效率慢，无法满足有限面积下，超大功率固态光源的散热需求。部分固态光源(CN210668363U)也会采用水冷散热，但是由于散热功率要求不高，流道设计比较简单。
水冷散热方式应用广泛，一般应用于动力电池(CN108520988A、CN212676374U)、激光器(CN209844198U)、大功率IGBT(CN215527713U)等电子器件的散热，这些器件体积较大，相对发热密度较小，所以一般采用单流道的设计方案就可以满足要求。
一些方案(CN215342568U)通过增加微流道来增加水冷板与冷却液的接触面积来提高散热效果，但是微流道多通道工艺的多次折弯会极大增加冷却液的压降，增加水冷机或水泵的负担，这种方案只能适用于低流速的冷却液，降低了整体的散热效率。
实用新型内容
本实用新型的目的在于针对上述现有技术存在的问题，提供一种用于超大功率固态光源的水冷装置。
实现本实用新型目的的技术解决方案为：一种用于超大功率固态光源的水冷装置，该装置包括固态光源、水冷板、冷却液管道和冷水机；所述固态光源为发热源，所述冷水机包括制冷系统和水泵，所述制冷系统用于将冷却水降温，并通过水泵将冷却水通过冷却液管道输送到固态光源处；所述水冷板用于将固态光源的热量传导至冷却水中。
进一步地，所述水冷板包括上盖和下盖，两者安装配合后中间形成冷却液主流道，该流道内设置阵列式翅片，翅片分布区域与固态光源安装区域相对应；所述冷却液主流道为S型弯折结构。
进一步地，所述固态光源和阵列式翅片分别安装在上盖的上、下表面；或，所述阵列式翅片和固态光源分别安装在下盖的上、下表面。
进一步地，所述上盖的上表面或下盖的下表面设有凹槽，所述固态光源安装在凹槽内。
进一步地，所述阵列式翅片的分布面积大于固态光源的尺寸，且位于固态光源正下方的翅片分布更密集。
进一步地，所述下盖为上部开口的空心腔体结构，所述上盖作为端盖盖于下盖上。
进一步地，所述上盖和下盖为结构完全相同的矩形结构，两者安装配合后，两端分别通过左端盖、右端盖固定。
进一步地，所述S型弯折结构的折弯处为圆角，且圆角半径与流道宽度相同。
进一步地，所述翅片端面为平面或圆弧形或菱形。
进一步地，所述上盖和下盖之间设置密封圈。
进一步地，所述上盖和下盖的材质均为高热导率金属材料。
本实用新型与现有技术相比，其显著优点为：在冷却液主流道内增加翅片排布，一方面增加了水冷板和冷却液的接触面积，提高了散热效果，实现了超大功率固态光源的有效散热；另一方面避免了系统压降的大幅增加，提高了系统整体散热性能，降低了散热成本。
下面结合附图对本实用新型作进一步详细描述。
附图说明
图1为用于超大功率固态光源的水冷装置的示意图。
图2为一个实施例中水冷板结构图，其中图2中的(a)为水冷板整体结构图，图2中的(b)为水冷板爆炸视图1，图2中的(c)为水冷板爆炸视图2。
图3为一个实施例中水冷板仿真结果图，其中图3中的(a)为水冷板温度分布图(环境温度：25℃)，图3中的(b)为流道内冷却液流速图(初始流量：130L/min)。
图4为一个实施例中水冷板的俯视流道图。
图5为一个实施例中水冷板翅片端面形状示意图，其中图5中的(a)为平面，图5中的(b)为弧形，图5中的(c)为菱形。
图6为一个实施例中水冷板截面图。
图7为一个实施例中水冷板结构图，其中图7中的(a)为水冷板整体结构图，图7中的(b)为水冷板爆炸视图1，图7中的(c)为水冷板爆炸视图2。
图8为一个实施例中水冷板结构图，其中图8中的(a)为水冷板整体结构图，图8中的(b)为水冷板爆炸视图。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
需要说明，若本实用新型实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
在一个实施例中，结合图1，提供了一种用于超大功率固态光源的水冷装置，该装置包括固态光源1、水冷板2、冷却液管道3和冷水机4；所述固态光源1为发热源，所述冷水机4包括制冷系统和水泵，所述制冷系统用于将冷却水降温，并通过水泵将冷却水通过冷却液管道输送到固态光源处；所述水冷板2用于将固态光源的热量传导至冷却水中。
所述水冷板包括上盖和下盖，两者安装配合后中间形成冷却液主流道，该流道内设置阵列式翅片，翅片分布区域与固态光源安装区域相对应；所述冷却液主流道为S型弯折结构。
所述固态光源和阵列式翅片分别安装在上盖的上、下表面；或，所述阵列式翅片和固态光源分别安装在下盖的上、下表面。例如：所述下盖为上部开口的空心腔体结构，所述上盖上具有阵列式翅片排布，并作为端盖盖于下盖上。或所述上盖为具有阵列式翅片排布的腔体结构，所述下盖作为端盖盖于上盖上。
所述上盖的上表面或下盖的下表面设有凹槽，所述固态光源安装在凹槽内。
所述阵列式翅片的分布面积大于固态光源的尺寸，且位于固态光源正下方的翅片分布更密集。
所述S型弯折结构的折弯处为圆角，且圆角半径与流道宽度相同。
所述翅片端面为平面或圆弧形或菱形。
所述上盖和下盖之间设置密封圈。
水冷板的设计在整个系统中至关重要。根据固态光源外部尺寸及发热功率的不同，水冷板有不同的设计方案。
进一步地，在其中一个实施例中，水冷板典型方案1如图2所示。所述水冷板2包括为腔体结构的下盖23，以及作为端盖的安装于下盖23上方开口处的上盖21，上盖和下盖之间设置密封圈22，所述下盖23的腔体中设有S型弯折结构的槽道，所述上盖和下盖安装配合(凸起与槽道相配合)形成冷却液主流道，该流道内设置阵列式翅片，翅片分布区域与固态光源安装区域相对应。所述上盖21上设有凹槽，所述固态光源1安装在所述凹槽中，所述阵列式翅片固定安装在上盖21的下表面，如图6所示，这使得光源尽量靠近冷却液流道，降低热源与冷却之间的热阻。这里，翅片高度由固态光源的发热功率等因素决定。
在本实施例中，水冷板整体尺寸：350mm*280mm*42mm，固态光源面积：225mm*210mm。上盖材质和下盖材质为铝合金，上盖一般采用铝型材拉伸工艺制作，下盖的腔体一般采用压铸方式制作，这两种加工方式都可以低成本实现大批量制造。上盖部分的翅片排布由固态光源的规格决定，翅片分布面积应不小于固态光源的尺寸。翅片高度由固态光源的发热功率等因素决定，为了降低加工难度，翅片厚度应不小于1.5mm，间距不小于2.5mm，翅片高度不大于25mm。
使用solidworks flow simulation对水冷装置进行仿真，设置冷水机流量为130L/min，固态热功率15kw，环境温度25℃，各表面良好接触。仿真结果如图3所示，固态光源基板平均温升不大于15.3℃，水冷板压降不大于0.11MPa。可以满足固态光源的散热需求。
如图4所示，在该方案中优选地，水冷板主流道弯折了3次，形成M型结构，这里折弯一般不多于5次，过多的折弯会导致系统压降过大，反而会导致散热效果变差。折弯处结构处理为圆角，圆角半径与流道宽度相同，避免冷却液在半封闭结构处出现回流。主流道中对应于固态光源的位置用密齿排布，排布越密集，散热效果越好，综合加工难度，翅片厚度设计为1.5mm，间距为2.5mm。图4中截面1、截面2、截面3处的冷却液流量应相同或相似，避免液体在部分流道内出现回流。
如图5所示，将翅片端面由普通的平面改为圆弧形或者菱形，可以很好地减小冷却液流动时的阻力，经过仿真可以减小约10％的压降，同时不会明显降低水冷板的散热效果。
这种散热方式一方面通过增加翅片，增加冷却液与水冷板的接触面积，提高了散热效率，另一方面不会明显增加压降，减轻了水冷机的运行负担，降低了整个系统的散热成本。
进一步地，在其中一个实施例中，水冷板典型方案2如图7所示，所述水冷板6包括腔体结构的下盖61，以及作为端盖的安装于下盖61上方开口处的上盖63，上盖和下盖之间设置密封圈62。该方案与上述方案1的区别是翅片结构在下盖的腔体内而非端盖上，固态光源安装在下盖下表面的凹槽中。加工方式为机床铣削加工，材料可以采用紫铜、铝合金等高热导率材料。
进一步地，在其中一个实施例中，水冷板典型方案3如图8所示，所述水冷板5包括4个部分：上盖51、下盖52、左盖53和右盖54。上盖51和下盖52为完全相同的矩形结构，两者相配合的一面分别对应设置卡槽，安装配合后形成S型弯折结构冷却液主流道，两端再分别通过左盖53和右盖54固定。4个零件组成内部完整流道，四周接缝处通过密封条及填充密封胶进行密封，内部流参数可与上述方案1保持一致。
这里，阵列式翅片可以全部安装在上盖51或下盖52的卡槽中，也可以一部分安装在上盖51的卡槽中，一部分安装在下盖52的卡槽中。
这里，该水冷板结构中的四个零件可以通过机床铣削方式进行加工，该加工方式可以采用紫铜、铝合金等导热性较好的材料，但是成本较高。为降低成本，上下盖采用铝型材拉伸工艺制作，左右盖可以采用压铸方式制作，以实现低成本大批量制造。
以上显示和描述了本实用新型的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，本实用新型不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本实用新型的原理，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种用于超大功率固态光源的水冷装置，其特征在于，该装置包括固态光源、水冷板、冷却液管道和冷水机；所述固态光源为发热源，所述冷水机包括制冷系统和水泵，所述制冷系统用于将冷却水降温，并通过水泵将冷却水通过冷却液管道输送到固态光源处；所述水冷板用于将固态光源的热量传导至冷却水中；
所述水冷板包括上盖和下盖，两者安装配合后中间形成冷却液主流道，该流道内设置阵列式翅片，翅片分布区域与固态光源安装区域相对应；所述冷却液主流道为S型弯折结构。
2.根据权利要求1所述的用于超大功率固态光源的水冷装置，其特征在于，所述固态光源和阵列式翅片分别安装在上盖的上、下表面；或，所述阵列式翅片和固态光源分别安装在下盖的上、下表面。
3.根据权利要求1所述的用于超大功率固态光源的水冷装置，其特征在于，所述上盖的上表面或下盖的下表面设有凹槽，所述固态光源安装在凹槽内。
4.根据权利要求1所述的用于超大功率固态光源的水冷装置，其特征在于，所述阵列式翅片的分布面积大于固态光源的尺寸，且位于固态光源正下方的翅片分布更密集。
5.根据权利要求1所述的用于超大功率固态光源的水冷装置，其特征在于，所述下盖为上部开口的空心腔体结构，所述上盖作为端盖盖于下盖上。
6.根据权利要求1所述的用于超大功率固态光源的水冷装置，其特征在于，所述上盖和下盖为结构完全相同的矩形结构，两者安装配合后，两端分别通过左端盖、右端盖固定。
7.根据权利要求1所述的用于超大功率固态光源的水冷装置，其特征在于，所述S型弯折结构的折弯处为圆角，且圆角半径与流道宽度相同。
8.根据权利要求1所述的用于超大功率固态光源的水冷装置，其特征在于，所述翅片端面为平面或圆弧形或菱形。
9.根据权利要求1所述的用于超大功率固态光源的水冷装置，其特征在于，所述上盖和下盖之间设置密封圈。
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