CN101377392A - 热交换器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种用于从热发生器(200)移除热能的热交换器(100)，其包括用于工作流体的至少一个导管(110)，该至少一个导管(110)布置在至少45°的竖立位置，每个导管具有外壁(112)和用于在导管(110)内形成至少一个蒸发槽道(120)和至少一个冷凝槽道(130)的至少一个内壁(114)。此外，热交换器(100)包括用于将热量传递到蒸发槽道(120)的第一传热元件(150；183)和用于将热量从冷凝槽道(130)传递走的第二传热元件(180)。

Description

热交换器
技术领域
本发明大体涉及一种热交换器。本发明尤其涉及一种可用于功率电子元件的热交换器。
背景技术
低压驱动系统在全球业者中具有竞争市场。这将严格低成本条件施加到其设计中。在典型的系统中，功率电子元件例如分离的或者集成的(即模块类型)的半导体元件、感应器、电阻器、电容器和铜制母线被非常接近地组装。PCB面板和控制电子也存在于所有设计中。在操作期间，这些元件散发出数量可变的热量。另外，这些元件可容忍可变等级的温度。环绕驱动系统的环境条件也在空气温度、湿度、灰尘和化学含量方面变化。除了系统的电气性能之外，驱动系统的热管理和集成概念不得不考虑所有这些提出的因素。
半导体元件和功率电阻器通常具有板式安装设计，用于通过螺栓连接到或者按压到保持在适当地冷的温度的平面上。风扇吹动空冷型铝散热器和泵送水冷型冷却板是这种热交换面的典型例子。其它元件例如感应器、电容器和PCB电路元件通常通过气流进行冷却。
典型地，允许元件例如扼流电感器、铝散热器和直流连接的电容器在驱动系统的一侧上伸出，而更多精密的元件则集中在另一侧上。来自风扇的冷却空气流过电容器、散热器和扼流器，电容器、散热器和扼流体的温度限制顺序相反(例如需要使电容器比扼流器保持得更冷)。精密元件可以进一步由另外的风扇以更高的防护等级封闭和冷却。
通常地使用术语＂防护(IP)等级＂来表示电子产品提供的环境保护程度。许多驱动产品是以IP20或者IP21的形式提供的，并且以防护54作为标准，或者可选择地提供更高的防护等级。由于较低的防护等级，故可能设计成使得外界空气在驱动外壳内通流，同时仍然提供充分的保护。可以采用空气过滤器来减少空气中的颗粒。外壳壁上的朝下的通风口防止了垂直水滴的进入。然而由于更高的防护，外界空气与驱动外壳的内部空气之间的分离变得重要。对于最高的防护程度而言，防水外壳是必要的。
通常在高防护等级的外壳中采用空气对空气的热交换器，以便将热量散发到周围，同时完全地分离机柜内部和外部的空气量。在这种装置中还使用了热管和热电致冷元件。
EP0409179A1表示了一种用于具有导管的电脑的热管，其包括将蒸发器与冷凝管分离的外壁和内壁。该装置仅仅用于蒸发器部分的水平位置和发热元件。
在US2007/0133175中，表示了一种具有传热元件的散热装置。传热元件制成基板的形式，基板与发热元件和热管接触。基板包括用于更好地接触热管的沟槽和用于将板安装到其上安装有电子元件的基底上的安装孔。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种允许有效散热的热交换器。
该目的是通过根据独立权利要求1设计的热交换器和根据独立权利要求12的制造热交换器的方法实现。本发明的其它的优选改进根据从属权利要求。
根据第一方面，本发明提供一种用于从热发生器移除热能的热交换器，其包括用于工作流体的至少一个导管，该导管布置在至少45°的竖立位置，每个导管具有外壁和用于在该导管内形成至少一个蒸发槽道和至少一个冷凝槽道的至少一个内壁。此外，热交换器包括用于将热量传递到蒸发槽道的第一传热元件和用于将热量从冷凝槽道传递走的第二传热元件。
本发明允许使用双相传热原理，以便在不需要泵送单元的情况下有效地移除输入的热量。这导致成本降低和可靠性改进。本发明提供了一种用于热虹吸型热交换器的新颖构造，该热交换器可以用来冷却电路元件，尤其用于冷却低压交流驱动系统。通过在多端口导管的单独沟道中分离向上行进的流体流和向下流动的流体流，可将本发明用作环热虹吸构造。可将数量和大小不同的槽道用于向上行进流和向下流动流，以便优化沸腾和冷凝性能。
在优选实施例中，第一传热元件包括安装元件，安装元件具有用于安装热发生器的安装面和用于与导管外壁的与蒸发槽道相关的部分建立热接触的接触面。
在进一步优选的实施例中，至少一个导管布置在垂直位置。在另一个优选实施例中，至少一个蒸发槽道和至少一个冷凝槽道在至少一个导管内平行地对齐。
在进一步优选的实施例中，热交换器包括多个导管。此外，优选的是，第二传热元件包括设置在导管外壁的一部分上，优选地仅仅设置在导管外壁的与冷凝槽道相关的部分上的冷却鳍片。
在进一步优选的实施例中，热交换器包括分配歧管，优选为集管，集管连接到至少一个导管的至少一端上。
此外，优选的是，安装元件包括基板，基板具有用于安装热发生器的平面状安装面和与安装面相对的接触面，接触面包括与导管外壁的一部分相符合的至少一个槽道。因此，将热交换器设计成可有效地将平板安装的元件所产生的热量例如排出到周围空气中，同时还允许分离系统外壳内部和外部的空气量。由此，优选的是，扁平管的平面状外侧壁垂直于基板的平面状安装面定向，而且安装元件包括在安装面上的至少一个安装孔或者至少一个安装槽。此外，优选的是，热交换器包括两个安装元件，从而允许整个系统的紧凑设计。
在进一步优选的实施例中，导管是具有平面状外侧壁的扁平管，尤其，具有扁平管的百叶窗鳍片设计为空气提供了高的传热系数，且在气流中和紧凑尺寸中的压降较小。
在进一步优选的实施例中，安装元件由铝或者铜制成。此外，优选的是，导管由铝制成。特别地，优选的是，使用在汽车工业中普遍的硬钎焊铝来实现减少的制造成本、较小的尺寸和良好的热液压性能。本发明适于通常在汽车致冷工业中使用的热交换器芯体装配机。这种可获得的批量制造设备的再使用减少了成本。
在进一步优选的实施例中，热交换器包括用于将第一环境从第二环境分离的分离元件，由此第一环境的温度高于第二环境的温度。
根据本发明的另一方面，提供了一种制造热交换器的方法。因此，该方法包括步骤:提供用于工作流体的至少一个导管，每个导管具有外壁和用于在该至少一个导管内形成至少一个蒸发槽道和至少一个冷凝槽道的至少一个内壁；并且将安装元件连接到至少一个导管上，该安装元件具有用于安装热发生器的安装面和用于与导管外壁的与蒸发槽道相关的部分建立热接触的接触面。
在发明方法的优选实施例中，热交换器的元件在单点箱式硬钎焊(one-shot oven braze)工艺中结合在一起。此外，优选的是，在硬钎焊工艺之前，热交换器的元件上覆盖有硬钎焊合金，优选地覆盖有AlSi硬钎焊合金。优选的是，在硬钎焊工艺之前，将助焊剂施加到热交换器的元件上，而且在非氧化性气氛(non-oxidizing atmosphere)中执行硬钎焊工艺。
在发明的进一步优选实施例中，除了安装元件之外的所有元件在单点箱式硬钎焊工艺中结合，并且安装元件被按压到导管的外壁上，其中两者之间存在导热填隙材料。
附图说明
在附图中描述了本发明的实施例，并且在随后的描述中详细描述。
在附图中:
图1表示了本发明的第一实施例。
图2是图1所示的实施例的截面图。
图3表示本发明的第二实施例的详细视图。
图4表示了本发明的进一步实施例。
图5表示了本发明的进一步实施例。
图6表示了本发明的进一步实施例。
图7表示了本发明的进一步实施例；及
图8是图7所示的实施例的截面图。
在附图中，相同的标号表示相同的或者类似的部件。
标号列表:
100   热交换器
110   导管
112   导管的外壁
114   导管的内壁
120   蒸发槽道
130   冷凝槽道
150   第一传热元件
160   安装面
165   安装孔
170   接触面
175   沟槽
180   第二传热元件
183   加热鳍片
190   分配歧管
195   支承杆
200   热发生器
250   分离元件
260   第二环境
270   第一环境
具体实施方式
参考图1描述了根据本发明的第一优选实施例的热交换器100。
如图1所示，热交换器100包括用于工作流体的多个导管110，每个导管110具有外壁112，并且每个导管110具有用于在导管110内形成至少一个蒸发槽道120和至少一个冷凝槽道130的内壁114(参考图2)。此外，热交换器包括用于将热量传递到蒸发槽道的第一传热元件150和用于将热量从冷凝槽道传递走的第二传热元件180。导管110布置在垂直位置，但是至少45°的其它位置也是可能的。蒸发槽道120和冷凝槽道130在导管110内平行地对齐。
在图1所示的实施例中，第一传热元件包括安装元件150，安装元件150具有用于安装热发生器的安装面160和用于与导管外壁112的与蒸发槽道120相关的部分建立热接触的接触面170。
特别地，在图1所示的实施例中，安装元件150具有基板的形式，基板具有用于安装热发生器的平面状安装面和与安装面相对的接触面170，接触面170包括与导管110的外壁112相符合的沟槽175。此外，第二传热元件180包括设置在导管110的外壁112上的冷却鳍片，并且用作分配歧管190的两个集管连接到导管110的每端。在热量来自热发生器200的情况下，工作流体在蒸发槽道内上升到上分配歧管190，并且从上分配歧管190到达冷凝槽道130，流体在冷凝槽道130内冷凝并且下降到下分配歧管190。
在图1所示的实施例中，导管110具有平坦多端口挤出铝管的形式。因此，扁平管110的平面状外侧壁垂直于基板150的平面状安装面160定向。优选地，两个支承杆195也附接在组件的侧端。侧杆195为组件添加了机械强度，并且封闭了最靠外侧的鳍片180，以便强迫空气流过鳍片180。
安装元件包括用于将热发生单元安装于其上的两个安装孔165。作为位于基板150的平坦侧面上的安装孔的备选例，可以使用位于平坦表面160上的T形槽来借助螺栓和螺母附接该元件。T形槽可以作为挤出部的一部分而包含在平坦表面160上，用于消除制造安装孔所需要的辅助加工步骤。可以将T形槽设计成与鳍柱上方的区域重合，从而减少热流在基板内的干扰。
图1所示的热交换器100以环热虹吸原理工作。热交换器内充有工作流体。可以使用任何制冷流体，一些例子是R134a、R245fa、R365mfc、R600a、二氧化碳、甲醇和氨。该装置垂直地安装或者与垂直位置成小角度地安装，从而使鳍片180高于基板150。优选地调整内部流体量，从而使液体水平位不低于基板150的水平。
基板150的沟槽175将电气元件所产生的热量传导到多端口扁平管110的前侧。从图2可以看出，仅仅扁平管的由基板沟槽175覆盖的部分，即蒸发槽道120直接地接收热量。一些热量还将可以传导通过扁平管的壁。根据初始充入量，蒸发槽道120完全地或者局部地充满工作流体。由于热量和蒸汽在槽道内由于浮力效应而上升，故蒸发该蒸发槽道120的流体。一些液体量也夹带在蒸汽流内并且在槽道中被向上推动。
在基板水平的上方，扁平管110具有位于两侧的空冷鳍片180。这些鳍片180典型地通过通常由冷却风扇或者吹风机(未示出)所产生的对流气流冷却。使用自然对流也是可能的。在自然对流的情况下，优选的是，以相对于垂直位置增大的角度安装系统。蒸发槽道120内部的蒸汽和液体的混合物到达顶侧的集管190，并且向下流动到冷凝槽道130。当流过冷凝槽道130时，由于槽道130由鳍片180冷却，故蒸汽返回地冷凝为液体。冷凝液体向下流动到底部集管190并且返回地流动到蒸发槽道120，从而结束循环。
正如所有热虹吸型装置一样，优选地抽出(即排出)内部的所有空气及其他非冷凝的气体，并且使系统局部地填充(即充有)工作流体。为此，将排出阀和填充阀(未示出)包含在组件内。集管的自由端是用于这种阀的适当位置。也可以利用单个阀，用于填充和排出。备选地可以将热交换器抽空、填充并且永久密封。在这种情况下，没必要使用阀。
在图1所示的实施例中，冷却鳍片180完全地覆盖扁平管110的侧面。结果，在蒸发槽道120内向上行进的蒸汽将在其一位于基板150的水平上方就开始冷凝。这可导致向上行进的蒸汽和向下流动的冷凝液体的交叉流，这可增加流的压降并且阻碍热交换器的运行。
为了避免这种情形，参考图3描述本发明的进一步的实施例。因此，仅仅将冷却鳍片180设置在导管110外壁112的与冷凝槽道130相关的部分上。同理，优选的是，使冷却空气在图3所示的方向上流动，以便使最冷的气流首先撞击冷凝槽道侧。
基板150优选地由高导热材料例如铝或者铜制成。可以借助挤出、铸造、机械加工或者这些普通工艺的组合来制造。基板不必制成扁平管组件的精确尺寸。事实上，优选的是，将基板制造得较大，以便为系统添加热容。板的一侧与扁平管接触。如图3所示，基板具有位于局部地覆盖多端口扁平管的侧面上的沟槽。槽道的形状定制为与扁平管相符。板的另一侧制造得平坦，以便接收板式安装的发热元件200例如功率电子电路元件(例如IGBT、IGCT、二极管、功率电阻器等等)。具有或者不具有螺纹的安装孔165设置在平坦表面上，以便借助螺栓来固定元件。
图3表示了本发明的进一步实施例。在基本设计的这种变型中，两个基板面对相反方向地组装起来。每个基板具有在扁平管的两侧与蒸发槽道120重叠的沟槽165。这种配置在电路布局中产生主要的优点，这是因为它减小了内部元件之间的距离。与图3中的配置类似，冷却鳍片180对齐，以便仅仅覆盖冷凝部分。
应当注意的是，并不是两个基板都需要设计成可接收如上所述的板式安装的发热元件。还可能的是，板的其中之一仅仅用作质量块，以便增加系统的热容。
图1-图4所示的多端口扁平管具有对称的内部槽道布局，由此使环热虹吸构造内的向上行进的流和向下流动的流共用相同的多端口管。为此，设计独立地用于这些两个流的槽道是优选的。例如，在蒸发槽道120的内部产生了制冷剂蒸汽-液体混合物流的最大压降。为此，如图5所示，将较大的槽道截面积分配给这些槽道可能是优选的。
如图6所示，对于冷凝槽道130而言，具有位于内壁面上的分隔壁或者另外的鳍片状特征的较小槽道将优选地用于增加内部槽道表面，因此增加了传热表面。
当在多端口管的内部使用不同尺寸的槽道时，具有围绕管周缘的不同壁厚也可能是必要的，以便使所有部分等同地抵抗内压力。例如，当使用围绕小冷凝槽道的较薄壁厚时，可以增加围绕尺寸较大的蒸发槽道的壁厚。与使用均匀的并且厚的蒸发器厚度相比，这种方法可以节省材料成本。用于铝质多端口挤出扁平管中的典型壁厚为0.2到0.75毫米的数量级。
根据本发明的另一方面，提供了一种制造热交换器100的方法。因此，该方法包括步骤:提供用于工作流体的至少一个导管110，每个导管110具有外壁112和用于在导管110内形成至少一个蒸发槽道120和至少一个冷凝槽道130的至少一个内壁114；并且将安装元件150，183连接到导管110，安装元件150，183具有用于安装热发生器的安装面和用于与导管外壁的与蒸发槽道相关的部分建立热接触的接触面。
在组装以后，优选地在单点箱式硬钎焊工艺中将热交换器元件结合在一起。将铝软钎焊并且硬钎焊到铝上特别地复杂，这是因为位于铝上的氧化层防止焊料合金变湿。采用各种方法来完成此任务。优选地，在基铝材料上覆盖AlSi硬钎焊合金(也称作覆层)，其在比基体铝合金低的温度(大约590℃)下熔化。铝管借助已经附接为薄层的覆层而挤出成型。还可通过将管浸渍到熔池或者通过喷洒而将助焊材料施加到管上。当在烘箱中加热部件时，焊剂发生作用以便以化学方法除去铝的氧化层。受控气氛包含可忽略的氧气(通常使用氮气环境)，以便在工艺期间不会形成新的氧化层。在没有氧化层的情况下，熔化的硬钎焊合金能使相邻的部件变湿并且能封闭组装起来的元件之间的间隙。当部件被冷却下来时，建立了可靠的和气密性的连接。此外，还使冷却鳍片和管被结合，以便确保它们之间良好的热接触面。
基板与扁平管之间具有良好的热接触面是非常合乎需要的。理想的是，也将基板槽道在箱式硬钎焊工艺期间硬钎焊在扁平管上。事实上，可能的是，当组件通过硬钎焊烘箱时将基板用作用于扁平管组件的保持夹具。组装整个装置并且以点焊形式对其硬钎焊将确保基板上的槽道与扁平管位置精确地匹配。备选地，可以采用辅助的低温软钎焊工艺，以便在硬钎焊热交换器芯体以后使基板与扁平管相连接。需要低温软钎焊以便保证在用于软钎焊的再加热期间硬钎焊接头不会脱落。
软钎焊连接或者硬钎焊连接的潜在缺点可能是基板的平坦表面的变形(即翘曲)。表面的精细化可能需要后硬钎焊表面加工操作。备选地，可以将基板槽道压配到扁平管上，或者可以使用具有填隙能力和高导热率的胶合材料。
此外，使用具有百叶窗鳍片的平坦的多端口管是优选的。与圆形管相比，扁平管对气流产生较小的压降。另外，多端口设计增加了内部传热表面。百叶窗鳍片在没有显著增加压降的情况下增加了传热系数(百叶窗是在鳍片表面上的扭曲裂缝)。鳍片从板状铝条上切出，并且弯曲成所示的手风琴形状。可通过＂拉动手风琴＂而在组装期间容易地调整鳍片之间的间距。在扁平管端部的两个圆形集管构成了分配歧管。最重要的是，可以以完全自动化的方式来堆叠并且组装热交换器芯体的所有这些元件。
参考图7描述根据本发明的进一步优选实施例的热交换器100。
如图7所示，热交换器100包括用于工作流体的多个导管110，每个导管110具有外壁112，并且每个导管110具有内壁114，内壁114用于在导管110内形成至少一个蒸发槽道120和至少一个冷凝槽道130。此外，热交换器包括用于将第一环境270从第二环境260分离的分离元件250，由此使得第一环境270的温度高于第二环境260的温度。
从图8可以看出的是，冷却鳍片180设置在导管110外壁112的与冷凝槽道130相关的部分上，而加热鳍片183则设置在导管110外壁112的与蒸发槽道120相关的部分上。加热鳍片183和冷却鳍片180分别作为第一传热元件和第二传热元件。
图7和图8所示的热交换器100也以环热虹吸原理进行工作。热交换器内充有工作流体。可以使用任何制冷流体，一些例子是R134a、R245fa、R365mfc、R600a、二氧化碳、甲醇和氨。
加热鳍片183将热量从第一环境270传导到热交换器100的蒸发槽道120。一些热量也将可传导通过扁平管的壁。根据初始充入量，蒸发槽道120完全地或者局部地充满工作流体。由于热量和蒸汽在槽道内由于浮力效应而上升，故蒸发槽道120内的流体蒸发。一些液体量也夹带在蒸汽流内并且在槽道中被向上推动。
蒸发槽道120内部的蒸汽和液体的混合物到达顶侧的集管190，并且向下流动到槽道130。当流过冷凝槽道130时，由于槽道130通过位于第二更冷环境中的鳍片180而被冷却，故蒸汽返回地冷凝成液体。冷凝液体向下流动到底部集管190，并且返回地流动到蒸发槽道120内，从而结束循环。

Claims (15)

1.一种用于从热发生器(200)移除热能的热交换器(100)，其包括:
a)用于工作流体的至少一个导管(110)，其布置在至少45°的竖立位置，每个导管(110)具有:
a1)外壁(112)和
a2)至少一个内壁(114)，其用于在所述导管(110)内形成至少一个蒸发槽道(120)和至少一个冷凝槽道(130)；所述热交换器(100)还包括:
b)用于将热量传递到所述蒸发槽道的第一传热元件(150；183)；和
c)用于将热量从所述冷凝槽道传递走的第二传热元件(180)。
2.根据权利要求1所述的热交换器(100)，其特征在于，所述至少一个导管(110)布置在垂直位置。
3.根据权利要求1或2所述的热交换器(100)，其特征在于，所述至少一个蒸发槽道(120)和至少一个冷凝槽道(130)在所述至少一个导管(110)内平行地对齐。
4.根据权利要求1到3中的任一项所述的热交换器(100)，其特征在于，所述第一传热元件(150；183)包括安装元件(150)，所述安装元件(150)具有:
b1)用于安装所述热发生器(200)的安装面(160)，和
b2)用于与所述导管(110)外壁(112)的与所述蒸发槽道(120)相关的部分建立热接触的接触面(170)。
5.根据权利要求1到4中的任一项所述的热交换器(100)，其特征在于，所述第二传热元件(180)包括设置在所述导管(110)外壁(112)的与所述冷凝槽道(130)相关的部分上的冷却鳍片。
6.根据权利要求1到5中的任一项所述的热交换器(100)，其特征在于，分配歧管(190)连接到所述至少一个导管(110)的至少一端上。
7.根据权利要求4到6中的任一项所述的热交换器(100)，其特征在于，所述安装元件(150)包括基板，所述基板具有用于安装所述热发生器(200)的平面状安装面(160)和与所述安装面(160)相对的接触面(170)，所述接触面(170)包括与所述导管(110)的外壁(112)的一部分相符合的至少一个沟槽(175)。
8.根据权利要求1到7中的任一项所述的热交换器(100)，其特征在于，所述导管(110)是具有平面状外侧壁的扁平管，和/或所述导管(110)由铝制成。
9.根据权利要求1到8中的任一项所述的热交换器(100)，其特征在于，所述蒸发槽道(120)具有比所述冷凝槽道(130)更大的截面积，和/或所述冷凝槽道(130)具有比所述蒸发槽道(120)更大的内部表面。
10.根据权利要求1到9中的任一项所述的热交换器(100)，其特征在于，所述热交换器(100)包括用于将第一环境从第二环境分离的分离元件(250)，由此所述第一环境的温度高于所述第二环境的温度。
11.根据权利要求1到10中的任一项所述的热交换器(100)，其特征在于，所述第一传热元件(150；183)包括设置在所述导管(110)外壁(112)的与所述蒸发槽道(120)相关的部分上的加热鳍片(183)。
12.一种制造用于从热发生器移除热能的热交换器的方法，其包括:
a)提供用于工作流体的至少一个导管(110)，每个导管(110)具有外壁(112)和至少一个内壁(114)，所述至少一个内壁(114)用于在所述至少一个导管(110)内形成至少一个蒸发槽道(120)和至少一个冷凝槽道(130)；和
b)将用于将热量传递到所述蒸发槽道(120)的第一传热元件(150；183)和用于将热量从所述冷凝槽道(130)传递走的第二传热元件(180)连接到所述至少一个导管(110)上。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述热交换器(100)的元件在单点箱式硬钎焊工艺中结合在一起，和/或在所述硬钎焊工艺之前，所述热交换器的元件覆盖有硬钎焊合金，优选地覆盖有A1Si硬钎焊合金。
14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，在所述硬钎焊工艺之前将助焊材料施加到所述热交换器(100)的元件上，和/或在非氧化性气氛中进行所述硬钎焊工艺。
15.根据权利要求12到14中的任一项所述的方法，其特征在于，除了所述安装元件(150)之外的所有元件在单点箱式硬钎焊工艺中结合，并且所述安装元件(150)按压在所述导管(110)的外壁(112)上，其中在所述安装元件(150)与所述外壁(112)之间存在导热填隙材料。
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