CN221006014U - 一种针柱浸没式换热器 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于换热器领域，具体涉及一种针柱浸没式换热器。该针柱浸没式换热器包括冷媒流道板和针柱导热板。其中，冷媒流道板内设置有至少一条蛇形分布的流道槽；冷媒流道板的侧面设置有冷媒入口和冷媒出口；冷媒入口和冷媒出口分别和流道槽的端部连通。针柱导热板包括盖板和针柱阵列。盖板的上表面用于与目标物接触；针柱阵列固定连接在盖板的下表面。针柱阵列由多根相互平行且垂直连接在盖板下表面的针柱构成；针柱阵列的分布位置与流道槽的位置相对应，二者装配时，针柱嵌入到流道内。其中，冷媒流道板采用低导热材料，而针柱导热板采用高导热材料。本实施例实用新型解决了现有换热器的换热效率不高，以及液冷系统中的振动问题。

Description

一种针柱浸没式换热器

技术领域

本实用新型属于换热器领域，具体涉及一种针柱浸没式换热器。

背景技术

换热器是一种在不同温度的两种或两种以上物料之间实现热量传递的节能设备，在换热器上，热量由温度较高的流体传递给温度较低的流体，以满足目标物的散热或其它温度控制的需求。换热器在暖通、压力容器、化工、石油、冶金、电力、船舶、机械、食品、制药、电子等领域有着非常广泛的应用。例如在电子芯片使用的散热器中，就需要通过换热器将芯片表面的热量导出到散热鳍片，再通过风冷或液冷的手段进行散热。

在电子设备中，采用的换热器主要包括热管换热器、管式换热器、平板换热器、浸没式换热器等多种类型。这些散热器可以产生良好的热量传递效果，但是现有的各类换热器的换热效率仍存在提升的空间。此外，现有的管式换热器和浸没式换热器通常应用于液冷系统中，液冷系统运行过程中液态的冷媒会循环流动，这些冷媒中一旦混入气体杂质，则可能在冷媒循环过程中可能产生振动，振动现象会限制液冷系统在一些特殊场景下的应用。

实用新型内容

为了解决现有换热器的换热效率不高，以及液冷系统中的振动问题，本实用新型提供一种针柱浸没式换热器。

本实用新型提供的产品是通过以下技术方案来实现的：

一种针柱浸没式换热器，其用于在目标物与流经的冷媒之间实现热传递。针柱浸没式换热器包括冷媒流道板和针柱导热板。其中，冷媒流道板内设置有至少一条向下凹陷的蛇形分布的流道槽；冷媒流道板的侧面设置有冷媒入口和冷媒出口；冷媒入口和冷媒出口分别和流道槽的端部连通。本实用新型的冷媒流道板采用低导热材料制备而成。

针柱导热板采用高导热材料制备而成，包括盖板和针柱阵列。盖板的上表面用于与目标物热接触；针柱阵列固定连接在盖板的下表面。针柱阵列由多根相互平行且垂直连接在盖板下表面的针柱构成；针柱阵列的分布位置与流道槽的位置相对应。当盖板和冷媒流道板组合装配后，流道槽和盖板形成连续的封闭式冷媒流道；且各个针柱嵌入到冷媒流道内。

在本实用新型的其中一种方案中，冷媒流道板中设置一条流道槽，流道槽由两排呈交指型分布的隔板构成，流道槽呈S型延伸；冷媒入口和冷媒出口分别位于冷媒流道槽的左右两侧。

在本实用新型的另外一种方案中，冷媒流道板中设置两条流道槽。两条流道槽对称设置，二者从位于冷媒流道板的上侧或下侧的中段处的同一个冷媒入口处引出，并呈S型的路径分别向冷媒流道板左右两侧的两个冷媒出口处延伸。流道槽中对应冷媒入口中间的位置设有一条分流隔板。

作为本实用新型进一步的改进，盖板和针柱阵列为一体式结构，并采用银、金、铜，或者是导热系数不低于铜的合金材料或复合材料制备而成。采用一体式结构有助于提高针柱导热板的结构强度和热导率，降低不同结构的界面间的热阻。

作为本实用新型进一步的改进，冷媒流道板采用有机树脂制备而成，其上表面设置有与盖板形状相匹配的凹槽。本实施例中在冷媒流道板表面设置凹槽有助于使得冷媒流道板和针柱导热板连接更加紧密。

作为本实用新型进一步的改进，针柱导热板与冷媒流道板通过密封胶粘接固定，或采用紧固件固定连接。

作为本实用新型进一步的改进，针柱导热板和冷媒流道板铆接固定。针柱导热板的下表面还设置有多个压铆定位销钉，压铆定位销钉分布在针柱阵列的外周；冷媒流道板的对应位置设有多个定位销孔。

作为本实用新型进一步的改进，针柱浸没式换热器中还包括管道接头，管道接头的一端与冷媒入口或冷媒出口连接，另一端为用于与管道连接的变径端。

作为本实用新型进一步的改进，冷媒流道槽的周向还设置有多个连接孔；连接孔用于将针柱浸没式换热器与目标物连接。

作为本实用新型进一步的改进，针柱浸没式换热器中还包括一个保温壳体，保温壳体采用绝热材料制备而成，保温壳体中包括一个与冷媒流道板形状相似且尺寸更大的空腔，保温壳体在装配状态下罩设于冷媒流道板外部。

本实用新型提供的技术方案，具有如下的有益效果：

本实用新型设计了一种由针柱导热板和冷媒流道板构成的新型的针柱浸没式换热器，该款换热器中包含一个供冷媒进行输送流道，并将导热板以针柱阵列的形式嵌入到流道内部，进而从增大导热面积和促进冷媒热对流的两个维度达到增大换热器换热效率的目的。此外，本实施例中的针柱浸没式换热器还有抑制振动的“稳流”效果，因而非常适合将其应用于对环境振动敏感的设备采用的热交换系统中。

附图说明

附图用来提供对本实用新型的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本实用新型的实施例一起用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的限制。在附图中：

图1为本实用新型实施例1中提供的针柱浸没式换热器在结构示意图。

图2为本实用新型实施例1中提供的针柱浸没式换热器的拆解示意图。

图3为本实用新型实施例1提供的针柱浸没式换热器中冷媒流道板的结构示意图。

图4为本实用新型实施例1提供的针柱浸没式换热器中针柱导热板的结构示意图。

图5为本实用新型实施例1安装管道接头后的针柱浸没式换热器的结构示意图。

图6为本实用新型实施例1中提供多通道的针柱浸没式换热器的冷媒流道板的结构示意图。

图中标记为：1、针柱导热板；2、冷媒流道板；3、管道接头；11、盖板；12、针柱；13、压铆定位销钉；21、流道槽；22、销孔；23、冷媒入口；24、冷媒出口；25、连接孔；26、凹槽；27、平行隔板；28、分流隔板。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

实施例1

本实施例提供一种针柱浸没式换热器，其用于在目标物与流经的冷媒之间实现热传递。本实施例中的针柱浸没式换热器是采用循环冷媒进行致冷或致热的换热器，因此其内部设置有用于供冷媒流通的冷媒流道。如图1和图2所示，本实施例中提供的是一种内部仅包含有一条冷媒流道单通道型针柱浸没式换热器，其包括冷媒流道板2和针柱导热板1两个主要组件。其中，冷媒流道板2内设置有至少一条向下凹陷的蛇形分布的流道槽21；如图3所示，本实施例中的流道槽21由呈交指型分布的多条平行隔板27构成。冷媒流道板2的左右两个侧面分别设置有冷媒入口23和冷媒出口24；冷媒入口23和冷媒出口24分别和流道槽21的末端连通。特别地，本实施例中的冷媒流道板2采用具有较低的导热系数的材料制备而成。

本实施例中的针柱导热板1采用高导热材料制备而成，其包括盖板11和针柱阵列。盖板11的上表面为用于与目标物接触的光滑平面。针柱阵列固定连接在盖板11的下表面。如图4所示，针柱阵列由多根相互平行且垂直连接在盖板11下表面的针柱12构成；针柱阵列的分布位置与流道槽21的位置相对应。

如图1所示，当本实施例中的针柱浸没式换热器的针柱导热板1和冷媒流道板2组合装配后，盖板11会对流道槽21的上口进行密封，进而在盖板11和冷媒流道板2之间形成一条连续的蛇形分布的冷媒流道；且各个针柱12嵌入到冷媒流道内。在针柱浸没式换热器中，冷媒流道分别具有一个冷媒入口23和一个冷媒出口24，二者分布在如图1所示的矩形换热器的左上角和右下角。其中，矩形结构仅仅是本实施例的方案中针柱浸没式换热器形态的一种示例，本实施例方案对针柱浸没式换热器的整体外形不做限制。

从图1中可以看到，本实施例中提供针柱浸没式换热器的正面包含一片光滑的针柱导热板1的盖板11，背面则是完整的冷媒流道板2。由于针柱导热板1由高导热系数的材料制备而成，而冷媒流道板2则由低导热系数的材料制备而成，所以在实际使用过程中盖板11一侧作为热接触面，与需要散热的目标物或者热源等组件直接紧密贴合。例如，在将本实施例提供针柱浸没式换热器应用到电子产品主板中CPU的风冷系统中时，可以将盖板11的光滑表面贴合在CPU芯片表面。而在将本实施例提供针柱浸没式换热器应用到基于半导体致冷片设计的热交换系统中时，则可以将盖板11直接贴合在作为冷源或热源的半导体制冷片上。

本实施例方案中将盖板11的上表面设计为光滑平面是为了与大多数芯片、半导体致冷片等平面型目标物进行紧密结合，以提升二者之间的接触面积和导热效率。而在将本实用新型的针柱浸没式换热器应用于其它非平面形目标物中时，针柱导热板1中盖板11的上表面也可以设计为与目标物外轮廓随形的其它结构。例如，当本实施例方案应用于球形的待散热的目标物时，则将盖板11的表面形状设计的凹球面形，以提高二者的接触面积。

在实际应用过程中，为了进一步提高盖板11与目标物之间的导热效果，还可以在二者的界面间填充导热工质。导热工质选择具有较高的导热系数的材料，导热工质有助于降低各热界面的热阻。在实际应用的方案中，导热工质包括且不限于液态金属导热剂、液态金属导热膏和相变液态金属片、导热硅脂(胶)、导热银脂(胶)，等。实施例中采用液态金属工质，液态金属工质的导热系数为73W/m·K，厚度在0.1mm至0.5mm之间，相变温度小于30℃，材料的黏度合适，与界面材料的湿润性良好。

在本实施例较为优化的方案中，盖板11和针柱阵列采用一体式结构，一体式结构既可以提高整个针柱导热板1的结构强度，还可以提高针柱导热板1的导热效果，消除分体式结构中材料界面间存在热阻。本实施例中的针柱导热板1采用银、金、铜，或者是导热系数不低于铜的合金材料或复合材料制备而成。其中，本实施例对针柱阵列中的针柱12的外形结构不做限定，根据加工工艺的不同，每根针柱12可以采用圆柱形，也可以采用方柱形。根据材料的不同，针柱导热板1可以采用铸造、机加工、3D打印等任意一种工艺加工而成。

与此相对地，本实施例中的冷媒流道板2采用有机树脂制备而成。具体地，冷媒流道板2的材料可以采用聚醚酰亚胺(Polyetherimide，简称PEI)、电木、聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯、聚丙烯等。其中，聚醚酰亚胺是一种无定形聚醚酰亚胺所制造的超级工程塑料，具有最佳的耐高温及尺寸稳定性，以及良好的抗化学性、阻燃、电气性、高强度、高刚性等。因此非常适合用于制备所需的冷媒流道板2。

以计算机系统中采用的液冷散热系统这一典型应用场景为例，本实施例提供的针柱浸没式换热器的工作原理如下：将针柱浸没式换热器的盖板11与CPU芯片紧密贴合之后，处于高温状态中的芯片会将热量传导到盖板11上，并使得整个针柱导热板1升温到高温状态，与此同时，液冷系统源源不断地将处于低温状态的冷媒沿着冷媒入口23灌入到针柱浸没式换热器中，低温状态的冷媒会在冷媒流道中不断与插入其中的各个针柱12接触，每个针柱12相当于一个微型加热棒，对温度较低的冷媒进行加热，进而使得冷媒的温度升高，而针柱导热板1的温度降低。冷媒温度升高后，再经冷媒出口24流出，然后通过冷却系统中的散热组件将热量散失掉。处于高温状态的冷媒释放热量后会重新变为低温状态并回到针柱浸没式换热器的冷媒入口23处，并进入冷媒通道，执行下一轮循环。

在液冷散热系统完整工作循环中，针柱浸没式换热器可以源源不断的将热量从CPU芯片转移到冷媒中，并最终散失到环境中。达到对CPU芯片进行致冷的目的。

在整个液冷散热系统中，本实施例中的针柱浸没式换热器的最大优势即为具有较高的热传导效率。从图2中可以看出：与传统的管式换热器和浸没式换热器相比，一方面，本实施例中冷媒的通道中嵌入了大量的针柱12，因此在相同流量冷媒的流通状态下，本实施例方案中的冷媒与换热器间的接触面积更大，因而有助于提高冷媒和换热器间的热传导效率。另一方面，各个针柱12在冷媒循环流动过程中会将单股流体“打散”为多股流体，多股流体在流道内部相互冲击，这种效果类似于对流体进行搅拌，加速冷媒内部的热对流，进一步提升二者间的热传导效率。

另外，本实施例中的针柱12在整液冷散热系统中还具有抑制振动的效果，这是因为冷媒流道中的针柱阵列可以将冷媒入口23处流入到换热器内的具有较大冲击力的湍流迅速“切碎”为很多细小的紊流，各个紊流彼此消耗使得流体在流动过程势能被削弱，进而冷媒出口24处合流为不具有冲击力的平稳流体。该针柱浸没式换热器在一定程度上起到了“稳流器”的作用。

这种特殊的抑制振动的性能在一些特定的对振动敏感的设备中可以发挥非常关键的作用。例如在采用半导体致冷片作为冷源或热源的热交换系统中，将本实施例的针柱浸没式换热器安装在半导体制冷片上之后。该针柱浸没式换热器可以将流入的非目标温度的具有冲击力的冷媒转换为符合目标温度并不具有冲击力的冷媒，然后送入到需要控制温度的目标环境中，既实现对目标环境进行升温或降温，又可以防止向目标环境中引入振动源。

本实施例中，冷媒流道板2的上表面设置有与盖板11形状相匹配的凹槽26，当冷媒流道板2与针柱导热板1扣合后，盖板11恰好卡入到冷媒流道板2中的凹槽26上，以使得二者的连接紧密度提升。

在实际产品生产和组装过程中，可以通过多种技术手段对针柱导热板1和冷媒流道板2进行固定连接。例如在某些实施例中，可以通过密封胶对二者进行粘接固定，具体地在二者相接处的界面间涂抹密封胶水，装配完成并待胶水固化后，则可以得到所需的针柱浸没式换热器。在其他一些实施例中，也可以通过铆钉、螺钉等紧固件对针柱导热板1和冷媒流道板2进行固定连接。

具体地，如图3和图4所示，本实施例中的针柱导热板1和冷媒流道板2通过铆接固定。针柱导热板1的下表面还设置有多个压铆定位销钉13，压铆定位销钉13分布在针柱阵列的外周；冷媒流道板2的对应位置设有多个定位销孔22。当需要对二者进行装配时，先将导热板下表面的压铆定位销钉13插入到冷媒流道板2上对应的定位销孔22中，然后将钉帽放入到定位销孔22中，并采用其它组装治具将压铆定位销钉13与钉帽压接固定，即可完成针柱浸没式换热器的装配。本实施例中压铆定位销钉13不仅有助于实现稳定连接，还可以在装配过程对两个主要组件进行定位，提高针柱浸没式换热器的装配精度。

当然，将本实施例中固定的压铆定位销钉13替换为可拆卸的螺钉，并在盖板11和冷媒流道板2的周向位置设置相应的螺孔，也可以实现对针柱导热板1和冷媒流道板2进行可拆卸的固定连接。

如图5所示，为了便于与外围的管道进行连接，本实施例的针柱浸没式换热器中还在冷媒入口23和冷媒出口24位置设置了管道接头3。冷媒流道板2的冷媒入口23和冷媒出口24为带有内螺纹的螺纹孔；管道接头3的一端为与冷媒流道板2的螺纹孔匹配连接的螺纹端，另一端为用于与管道连接的变径端。装配过程中，技术人员将管道接头3中带有外螺纹的螺纹端拧紧到冷媒流道板2中的冷媒入口23和冷媒出口24中的螺纹孔中。然后再将管道套设在管道接头3中的变径端上，其中，变径端中还包括一个外径缩小的内缩段，必要时还可以通过卡箍在内缩段处将管道和管道接头3锁死。

本实施例中通过管道接头3中螺纹端的外螺纹和冷媒流道板2中含有内螺纹的螺纹孔将二者紧密连接。在其他实施例中，还可以采用过盈配合的方式对二者进行连接，此时管道接头3的螺纹端可以替换为不具有螺纹的光滑端，而螺纹孔则可以采用尺度匹配的普通的圆孔。

此外，在本实施例提供的针柱浸没式换热器中，如图2和图3所示，冷媒流道槽21中对应针柱导热板1一侧的周向还设置有多个连接孔25。这些连接孔25位于定位销孔22的外侧，并且不与针柱导热板1相接，本实施中预留这些连接孔25的目的是为了将针柱12换热器安装到目标物上。例如在电子设备中，可以利用螺钉透过这些连接孔25将针柱浸没式换热器安装到主板上。即：连接孔25用于在针柱浸没式换热器安装时，便于与目标物间进行定位和连接。

实施例2

本实施例提供一种针柱浸没式换热器，本实施例与实施例1的区别在于，实施例1的方案为仅具有一条冷媒流道的单通道针柱浸没式换热器，而本实施例提供的是一种具有至少一个冷媒入口23和至少两个冷媒出口24的多通道的针柱浸没式换热器。

具体地，如图6所示，冷媒流道板2中设置两条流道槽21。两条流道槽21对称设置，二者从位于冷媒流道板2的上侧或下侧的中段处的同一个冷媒入口23处引出，并呈蛇形的路径分别向冷媒流道板2左右两侧的两个冷媒出口24处延伸。流道槽21中对应冷媒入口23中间的位置设有一条分流隔板28。

在图6的冷媒流道中，当冷媒从冷媒入口23进入到针柱浸没式换热器中之后，冷媒会被分流隔板28分为两股流体，其中一股向左经过左侧的冷媒流道，并从左侧的冷媒出口24流出。另外一股向右经过右侧的冷媒流道，并从右侧的冷媒出口24流出。

同样以实施例1中提及的采用半导体制冷片为冷源或热源的热交换系统为例，对本实施例提供的具有多个冷媒流道的针柱浸没式换热器进行介绍。在实际应用过程中，可以将图6所示的双通道针柱浸没式换热器安装在由多个半导体制冷片构成的致冷片阵列中，得到热交换系统。

在这种热交换系统中，技术人员可以控制不同的半导体制冷片按照不同的状态运行，进而在双通道针柱浸没式换热器中不同冷媒流道分布的区域形成不同温度的冷源或热源。此时，在相同的循环速率下，即使在冷媒入口23处的冷媒具有相同的温度，但是从不同冷媒流道流出的冷媒也可以具有不同的温度。这使得热交换系统可以实现同时对不同区域进行差异化的温度调节。

需要强调的是：以上仅仅是采用具有两个冷媒流道的针柱浸没式换热器对本实施例的多通道方案进行介绍。在其他实施例中，通过对针柱浸没式换热器的形状以及冷媒入口23和冷媒出口24进行调整，并合理设计每个冷媒流道的路径，可以得到具有更多冷媒通道的针柱浸没式换热器，并结合热交换系统实现更复杂的温度控制，而这仍属于本实施例方案的保护范围。

在本实施例的方案中，当针柱浸没式换热器应用于热交换系统中时，还可以将在冷媒流道板2的外侧设置一个保温壳体，保温壳体采用绝热材料制备而成。保温壳体中包括一个与冷媒流道板2形状相似且尺寸更大的空腔，保温壳体在装配状态下罩设于冷媒流道板2外部，并与冷媒流道板2不接触，二者之间腔室中的空气进一步增加了保温壳体的绝缘和隔热效果。

以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改。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 (10)

1.一种针柱浸没式换热器，其用于在目标物与流经的冷媒之间实现热传递，其特征在于，所述针柱浸没式换热器包括：

冷媒流道板，其内设置有至少一条向下凹陷的蛇形分布的流道槽；所述冷媒流道板的侧面设置有冷媒入口和冷媒出口；所述冷媒入口和冷媒出口分别和流道槽的端部连通；所述冷媒流道板采用低导热材料制备而成；以及

针柱导热板，其采用高导热材料制备而成，包括盖板和针柱阵列；所述盖板的上表面用于与目标物热接触；所述针柱阵列固定连接在盖板的下表面；所述针柱阵列由多根垂直连接在盖板下表面的针柱构成；所述针柱阵列的分布位置与流道槽的位置相对应；当所述盖板和冷媒流道板组合装配后，流道槽和盖板形成连续的冷媒流道；且各个针柱嵌入到所述冷媒流道内。

2.如权利要求1所述的针柱浸没式换热器，其特征在于：所述冷媒流道板中设置一条流道槽，所述流道槽由两排呈交指型分布的隔板构成；所述冷媒入口和冷媒出口分别位于所述冷媒流道槽的左右两侧。

3.如权利要求1所述的针柱浸没式换热器，其特征在于：所述冷媒流道板中设置2条流道槽；两条流道槽对称设置，二者从位于冷媒流道板的上侧或下侧的中段处的同一个冷媒入口处引出，并呈S型的路径分别向冷媒流道板左右两侧的两个冷媒出口处延伸；所述流道槽中对应冷媒入口中间的位置设有一条分流隔板。

4.如权利要求1或2所述的针柱浸没式换热器，其特征在于：所述盖板和针柱阵列为一体式结构，并采用银、金、铜，或者是导热系数不低于铜的合金材料或复合材料制备而成。

5.如权利要求4所述的针柱浸没式换热器，其特征在于：所述冷媒流道板采用有机树脂制备而成，其上表面设置有与所述盖板形状相匹配的凹槽。

6.如权利要求1所述的针柱浸没式换热器，其特征在于：所述针柱导热板与所述冷媒流道板通过密封胶粘接固定，或采用紧固件固定连接。

7.如权利要求6所述的针柱浸没式换热器，其特征在于：所述针柱导热板和所述冷媒流道板铆接固定；所述针柱导热板的下表面还设置有多个压铆定位销钉，所述压铆定位销钉分布在所述针柱阵列的外周；所述冷媒流道板的对应位置设有多个定位销孔。

8.如权利要求1所述的针柱浸没式换热器，其特征在于：所述针柱浸没式换热器中还包括管道接头，所述管道接头的一端与所述冷媒流道板的冷媒入口或冷媒出口连接，另一端为用于与管道连接的变径端。

9.如权利要求8所述的针柱浸没式换热器，其特征在于：冷媒流道槽的周向还设置有多个连接孔；所述连接孔用于将针柱浸没式换热器与目标物连接。

10.如权利要求1所述的针柱浸没式换热器，其特征在于：其还包括一个保温壳体，所述保温壳体采用绝热材料制备而成，所述保温壳体中包括一个与所述冷媒流道板形状相似且尺寸更大的空腔，所述保温壳体在装配状态下罩设于所述冷媒流道板外部。