CN101566443A

CN101566443A - 热交换装置

Info

Publication number: CN101566443A
Application number: CNA2009101321494A
Authority: CN
Inventors: B·阿戈斯蒂尼; B·耶辛
Original assignee: ABB Research Ltd Switzerland
Current assignee: ABB Research Ltd Switzerland; ABB Research Ltd Sweden
Priority date: 2008-04-24
Filing date: 2009-04-24
Publication date: 2009-10-28
Also published as: EP2112689A3; EP2112689A2; US20090266514A1

Abstract

一种热交换装置包括基部(10)和多个翅片(20，30)。所述多个翅片(20，30)与所述基部(10)热接触，以允许热从所述基部传递给所述翅片。此外，所述翅片包括容纳工作流体的至少一个相应通道(21，31)。所述翅片(20，30)以至少第一行和第二行设置。所述行优选地相对于彼此横向移位。此外，所述第一行和第二行可以相对于彼此交错。

Description

热交换装置

技术领域

本发明的实施例涉及热交换装置，例如散热器，尤其是具有翅片的热交换装置和包括这种热交换装置的功率模块。本发明的实施例也涉及制造热交换装置的方法。

背景技术

集成电路技术的进步已经导致集成电路装置具有增大的电路密度、增大的时钟频率以及增大的单位容积功率消耗。因而，先进的集成电路装置(如微处理器)产生大量的热。为了保持性能并防止由于热引起的降级，集成电路通常连接到散热器，将热从集成电路装置传递并驱散。已知的散热器由普通金属制成且具有基部和翅片。热交换装置可以是主动的(例如由风扇从外部提供动力)或被动的(没有外部动力供应且通常包含对流空气流)。

为了有效地从诸如电气装置的部件驱散增加的热量，人们可能认为简单地增加散热器尺寸就足够了，例如通过增加翅片高度。然而，这样做使得翅片效率降低，主要是因为翅片的有限导热率。因而，性能增加将与尺寸增加不成正比，相反在一些情况下会饱和。

美国专利No.7,150,312B2描述了一种具有堆叠阵列的低型面(lowprofile)热管的冷却系统，每个热管带有从中延伸穿过的多个微管。堆叠的低型面热管设置成与生热部件热连接。热传递流体容纳在低型面热管的微管中并从生热部件去除热。

然而，上述系统仍具有改进的空间，尤其是关于其热传输效率、其制造成本及其重量。

发明内容

鉴于上述内容，该目的通过根据权利要求1所述的热交换装置、根据独立权利要求的包括至少一个这种热交换装置的功率单元和制造这种热交换装置的方法来解决。

术语“功率模块”在下文理解为包括至少一个功率电子器件和/或功率电气装置的组件，所述组件热连接到根据本发明的至少一个热交换装置。请注意，术语功率电子器件和/或功率电气装置和发热装置以及术语部件在下文以可互换的方式理解。

在本发明的一个方面，所述热交换装置包括基部，所述基部能与至少一个发热装置(即，至少一个功率部件)热连接，以接收热并允许热从基部(10)传输给翅片的外表面。所述热交换装置也包括多个翅片。所述多个翅片例如通过粘合与所述基部热接触，即热连接，以允许热从所述基部传输给所述翅片，即，所述翅片的外表面。此外，至少一个翅片是多端口管，所述多端口管包括与工作流体成流体连通的多个通道。术语翅片的外表面应当理解为包括沿翅片的圆周方向，沿至少一个通道的形状和类型表示的方向延伸的壳体表面。此外，所述外表面包括每个翅片的端表面，其中，所述端表面位于所述翅片相对于基板的远端。所述翅片以至少一个第一行和至少一个第二行设置成以第一方向和第二方向延伸的矩阵。在下文中，每行被认为包括至少两个翅片。所述第一行和第二行中的至少一行以第一方向延伸。

在一个实施例中，所述第一行和第二行相对于彼此横向移位。换句话说，所述至少一个第一行和所述至少一个第二行在第一方向相对于彼此交错。在此，术语交错指的是在以第一和第二方向延伸的截面中以第一方向看时，所述行中的一行中的至少一个翅片的投影中心位于两个相邻行中当一行以横向方向几何投影在另一行上时的两个相邻翅片的中心之间。所述中心应当理解为相对于其专用翅片的截面的区域中心。除了上述翅片之外，热交换装置可包括额外的翅片。所述额外的翅片可以不属于上述行中的任何行。

关于热交换装置在上文阐述的益处总体上类似地适用于在下文公开的功率模块和制造热交换装置的方法。类似地，关于制造热交换装置的方法的益处也适用于热交换装置和功率模块。

在本发明的另一方面，所述目的通过一种制造热交换装置的方法解决，所述方法包括以下动作/步骤：

a)提供基部和多个翅片，其中，所述翅片中的至少一个包括带有多个通道的多端口管；

b)将所述多个翅片热连接到所述基部，以便形成矩阵，其中，所述矩阵包括至少一个第一行和至少一个第二行；

c)将工作流体引入所述多个翅片和所述基部中的至少一个；和

d)防止所述工作流体逸出所述热交换装置，即所述多个翅片和所述基部中的至少一个。

根据实施例，所述基部热连接并机械连接到所述多个翅片。同样，所述多个翅片包括相应的管，所述管容纳工作流体。在所述方法的一个实施例中，至少一个第一行和至少一个第二行中的翅片彼此设置成使得所述行相对于彼此交错和/或齿状交错(indented)。借助于合适的闭合机构(例如，塞)，或借助于例如通过焊接、粘结、铜焊等等来永久性地密封合适的填充开口，来防止工作流体逸出，所述填充开口设置用于将工作流体引入热交换本体中翅片和/或基部中的至少一个的步骤。

在本发明的又一方面，所述目的通过包括至少一个发热装置(如功率电子器件和/或电气装置)的功率模块解决，所述发热装置热连接到根据本发明的至少一个热交换装置。

附图说明

结合附图参考以下说明，可以获得对本发明的方法和设备的更充分的理解，在附图中：

图1是根据本发明第一实施例的热交换装置的透视图；

图2是根据本发明第二实施例的热交换装置的透视图，其中，所述翅片被水平切割；

图3a-3c是包括通道的不同翅片的水平截面图；和

图4是图1的热交换装置的交错翅片的俯视图的摘引。

具体实施方式

在参考附图的本发明的实施例的以下说明中，相同的附图标记用于相应的部分。本发明在此示例性地说明，且可以进行各种变型。

图1示出了本发明第一实施例的热交换装置1的透视图。热交换装置1是用于从至少一个生热部件(由至少一个发热功率电子器件和/或电气装置(未示出)形成)去除热的散热器。图1的热交换装置1包括基部10和翅片20，30，所述翅片设置在基部10的顶面上且与基部10热接触。此外，示出了环境冷却介质(通常是空气)的流5。流5优选由风扇或一些其它主动流产生机构产生。

基部10适于用其底面与生热部件(未示出)热连接。在热交换装置的工作期间，生热部件所产生/发出的热流向基部10，并从那里流向翅片20，30，翅片20，30继而经由其外表面将热驱散到具有足够低温度的环境介质(通常是空气)。热交换装置1可以是被动的或主动的。在主动情况下，通过动力装置(如在翅片20，30区域中产生环境介质流的风扇或泵)改进环境介质的散热，以有助于增加热容量。

生热部件可以螺栓连接、焊接、夹持、粘接或以任何其它合适方式连接到基部10，以实现与基部10的有效热连接。此外，基部10甚至可以与生热部件整体形成。在图1中，基部10定形为长方体。在可选实施例中，基部也可以不同地定形，例如，例如取决于空间要求为弧形或弯曲形状和/或其它的几何形状。

基部10可以由金属(例如铝)制成且可以是实心的。可选地，基部10可以具有中空本体部分，在工作时内部有工作流体(类似于翅片20，30，见下文)。在任何情况下，基部具有至少200W/(mK)的导热率是优选的。在一个实施例中，基部10具有内部有工作流体的至少一个中空本体部分，且在基部10中设置翅片的侧上有至少一个开口，所述中空本体部分通过所述开口流体连接至所述通道，且流体能够通过所述开口从基板10流向翅片20，30的至少一个通道21，31。当然，在基板10中也可以有多个开口，用于使流体通到多个或全部通道21，31。在任何情况下，中空本体部分和连接至中空本体部分的通道形成流体的密封容积。换句话说，所述第一行和/或第二行中的至少两个翅片的通道经由基部10的中空本体部分或多个中空本体部分彼此流体连接。

在中空本体部分的实施例中，中空本体部分设计成使得它形成工作流体的流体贮存器，用于例如在热交换装置以不垂直于地面的方式设置时防止通道变干，以及用于平衡工作流体，使得每个翅片的通道获得足够的工作流体，甚至在基部上的热分布不对称的情况下也是如此。

类似地，翅片可以由任何材料制成。总体而言，用于基部10的上述材料也可以用于翅片20，30(更准确地说用于翅片在图2中的通道21，31之外的部分)，特定地可以由与基部10相同的材料制成。

为了将热有效地传递给环境介质，翅片20，30应当具有大的外表面，因而期望大的翅片尺寸。这意味着热需要传输经过长的距离。然而，在具有实心翅片的常规散热器中，因为翅片材料的有限导热率，增加翅片尺寸最终没有带来显著的性能改进。该问题由翅片20，30至少部分克服，这从其内部结构的以下说明将显而易见。

翅片的热管工作

至少一个翅片20，30包括多端口管，所述多端口管带有在其中延伸的多个通道。虽然所述通道在图1中看不到，但是它们可以在图2中看到，图2示出了与图1类似的实施例，其中，翅片20，30被水平切割以便于图示说明，使得通道21，31可以看到。

当热交换装置工作时，通道21，31容纳工作流体(未示出)。由于工作流体，通道21，31用作热管。热管允许热根据以下热管循环有效地传递，甚至经过相对长的距离：

1)在通道的较高温度侧(即，靠近基部10)，作为液体的工作流体蒸发为蒸汽，从而吸收热能。

2)蒸汽沿通道移动到通道的较低温度端(即，翅片20，30与基部10相对的远端)。

3)蒸汽冷凝回液体，从而释放热能。

4)作为液体的工作流体流回到较高温度端，在此循环可以在步骤1重新开始。

为了进行上述热管循环，任何液体可以用作工作流体。优选地，基于以下标准选择工作流体：

-与通道壁材料的相容性(例如，水与铝通道壁不相容，但与铜通道壁相容)；

-蒸发时足够的潜热(这决定热管能够处理的最大热负荷)；和

-合适的工作压力范围(见上文)，尤其是低于翅片能够处理的最大压力的工作压力，例如取决于翅片材料和翅片结构细节低于2bar，10bar或100bar。

合适的工作流体是例如水、乙二醇、乙醇、其它公知的制冷剂、或其混合物。同样，可以使用与通道壁材料相容的任何其它液体。

由于热管工作，通道21，31具有改进的传导效率。因而，大量的热可以经过相对长的距离(也称为翅片高度)带出，甚至在没有显著的温度梯度时也是如此。在一些情况下，与具有相同尺寸的实心翅片的常规散热器相比，翅片效率(对于一些给定温度梯度而言由翅片传输的热)甚至在两倍以上。

因而，上述机构允许相对长的翅片，尤其是在沿大致垂直于基部10接触表面延伸的高度方向。在下文中，翅片尺寸标记为第一尺寸L、第二尺寸W和第三尺寸H，如图1所示。附图显示，所述翅片相对于在第二方向3的截面与其最长的延伸部分对齐，而所述翅片20，30的翅片行以第一方向2延伸，第一方向2设置成大致垂直于处于水平的第二方向3。

因而，可以提供具有大高度H的翅片，例如具有H∶W比为至少1∶1，优选至少2∶1或甚至至少5∶1。此外，翅片的H∶L比可以为至少10∶1或甚至至少50∶1。此外，W∶L比可以选择为至少2∶1且优选为至少10∶1。在一个实施例中，各个翅片的绝对尺寸为W＝20-40mm，L＝约2mm，H＝100-200mm。

更正式地，方向限定如下：第二方向3由相应行限定为该行延伸的方向；第一方向2由相应行限定为在由所述行或基部10限定的平面中与第二方向3正交的方向；第三方向4是与第一和第二方向3正交的方向，或更简单地说，与处于共同虚平面中的基部10的表面正交。根据这些限定的方向可以因翅片而不同，例如在弯曲行的情况下。

通道的进一步益处在于在常规全金属翅片中翅片内部的大部分金属在根据本发明的热交换装置中由工作流体取代，使得根据本发明的翅片比常规翅片显著更轻。

翅片是多端口管

对于上述热管工作，原理上翅片20，30中每个翅片包括至少两个通道就足够了。然而，在优选实施例中，翅片形成为具有多个平行的细长通道21，31(优选在高度方向，即在以第三方向4延伸的第三尺寸H方向)的多端口管。在图2中，翅片20，30被水平切割，以暴露通道21，31。

取决于实施例，带有平行通道的多端口管是铝多端口管。它们通常使用简单的铝挤压过程制成，因而能以相对低的成本获得。这是相对于其它更常规的热管系统的显著益处，在常规的热管系统中，裁制的冷却翅片/热管在翅片高度方面受如可制造性、冷却特性和有限热容量的因素影响。使用标准的多端口管型面在本质上有助于降低总体成本，因为翅片的第三尺寸H允许对上述不断变化的因素具有更大的灵活性。

在图2中，所示通道21，31具有细长带状准方形截面。除了准方形或矩形截面之外，可以使用任何其它合适的截面，只要功能基本上保持不变即可。通道21的其它截面的一些示例在图3a-3c中示出。图3a再次示出了图2的方形截面。可选地，如图3b和3c所示，通道21的内表面可以包括鳍状凸起和/或槽状凹部。翅片30的通道31可以类似地形成。取决于热交换装置的实施例，热交换装置可以包括在形状、尺寸和截面方面单一类型的翅片，而其它实施例特征在于具有不同截面的至少两种翅片。

更一般地，通道21，31的截面可以是凸的(如图3a)或凹的(如图3b，3c)。内部通道表面可以是大致光滑的(如图3a)或不是光滑的(如图3b，3c)，“大致”意味着如果边缘限定截面的整体形状，则忽略所述边缘，如图2的方形的角部。

例如如果沿通道有重力梯度(例如，如果翅片在竖直方向对齐)，那么如图3a的光滑内表面和/或凸的截面是合适的，因为热管循环的步骤4(见上文)由作用于液体上的重力辅助。另一方面，不光滑内表面和/或凹截面，尤其是带槽或鳍部的通道，如图3b，3c所示，是优选的，尤其是对于水平对齐的翅片而言，因为步骤4可以由凹的结构(例如，鳍状凸起和/或槽状凹部)由于工作流体表面张力而提供的毛细泵送作用辅助。作为鳍状凸起或槽状凹部的替代，其它毛细泵送机构可以设置在通道21，31中，例如，通道内部的杆(这种通道将也描述为凹的)。取决于翅片20，30的特定性质，一个翅片中的至少两个通道包括不同尺寸、形状和/或截面的通道。

翅片20和30及其通道21，31可以具有任何形状，尤其是通过挤压制造的任何形状。虽然图1和2示出了大致长方体翅片，但是取决于预期的空气流和其它几何形状约束可以使用具有任何形状的翅片(例如，圆柱形翅片等)。在第一方向2具有至少一对大致平坦的相对侧面的翅片形状在某种程度上是优选的。在图2中，通道示出为以直线和/或平直行设置，但是翅片内的一个或更多通道的任何其它设置也是可行的。

翅片在基部上的设置

在图1和2中，翅片以两个不同的行设置，即第一行翅片20和第二行翅片30。所述行相对于彼此横向移位。例如，翅片可以m×n的矩阵设置，其中m和n≥2(m是矩阵的行，n是矩阵的列)。在其它实施例中，除了横向移位之外或取代横向移位，第一行可以与第二行以一些其它方式区分。这种区分可以例如基于翅片的尺寸或形状。

以多行设置具有以下效果：由于翅片被分成几行，环境介质流也分成几个区域。这些区域的存在可以总体上增加从翅片到环境介质的热传递。该效果对于交错设置尤其明显，如下文所述。作为进一步的益处，由于多行设置，一个标准尺寸的翅片20，30可以用于不同尺寸和形状的基部10，因而减少贮备的不同部件的数量，即热交换装置具有不同的主要数据。

图1和2所示的实施例表明，第一行和第二行相对于彼此交错。术语交错的意思参考图4最佳地理解，图4是图1的热交换装置的翅片20，30的俯视图的摘录。各行翅片20和30由虚线表示。此外，翅片的中心由实心十字表示。此外，中间翅片30的中心横向投影到其它行(翅片20的行)由粗水平箭头表示，而箭头头部表示中心在其它行上的投影位置。在图4中可以看出，投影中心(即，箭头头部)在纵向方向位于其它行的两个相邻翅片的中心之间。这说明了术语交错的更概括的定义，指的是如果选择行的翅片在横向方向投影到另一行上，选择行的至少一个翅片的投影中心(在图4中：由箭头头部表示的翅片30的中间一个的投影中心)在第二方向3上位于其它行的两个相邻翅片的中心之间。在图4中，投影箭头与两行都正交(所述行平行且以第一方向2延伸)。同样，对于弯曲和/或不平行的行，投影定义成使得投影箭头与行截面正交，所述中心被投影到该行截面上。

另一实施例的第一行和第二行翅片在第一方向2交错，且在第二方向3以齿状方式交替，如图1，2和4所示。取决于实施例，第一行和第二行彼此纵向偏移预定偏移量。如图4所示，偏移量可以是一行的两个相邻翅片中心之间在第一方向2的间距的约0.5(即一半)。换句话说，第一行相对于第二行在第二方向3移位预定第一偏移量6，具体地第一偏移量6在其最长的范围内至少与翅片20，30一样长，和/或在第一方向2移位预定第二偏移量7，第二偏移量7是第一行的两个相邻翅片20之间的距离的约一半。

行之间的横向间距也可以变化。在图1中，第一行从第二行大致横向移位约第一偏移量6。在图2中，第一行和第二行具有横向重叠，使得第一行和第二行翅片在第二方向3彼此以交错方式设置。

如果所述行是交错的，由于边界层的产生，增加了热传递。这是因为对于翅片之间的典型雷诺数(例如，3000)而言，流动是轻微紊流但接近于层流(层流和紊流之间的过渡通常在雷诺数约2300到约10000的范围内)。因而，产生边界层需要的长度通常长于在环境介质的流动方向的散热器长度。为了完全产生边界层，且散热器在流动方向(即第二方向3)的长度是200mm，典型数量是约1000mm的长度。

根据模型计算，对于单行具有200mm长度的翅片，热传递系数将在流动方向减少因子3.3(与完全产生的边界层相比)。如果取而代之使用例如5行交错的40mm长的翅片(总共200mm长度)，则减少仅1.2比值，因而比单行的情况下具有更好的热传递性能。对于交错设置，需要较大的压降。该要求可以通过使用较短的散热器(由于交错翅片的效率增加)部分补偿。

散热器的制造

翅片20，30可以通过挤压过程制造。随后，所述通道通过任何用于填充热管的已知方法用工作流体填充。根据一个示例性方法，通道首先被抽空，然后工作流体填充到通道中，然后通道的端部通过任何合适的方法密封，例如通过用于密封热管使得工作流体不能逸出热交换装置的任何公知方法。然后，翅片连接到基部。为此，可以使用在常规散热器中用于将翅片堆叠到基部上的任何组装方法。

可选地，所述翅片可以设置有具有通道的上部和实心(即，没有通道)的下部。这种翅片可以如上文所述制成，而此外，翅片的下部被机械地压实，使得通道在该部分中不存在，籍此任选地将材料添加到下部(在压实之前添加到通道中或添加到外部)，以补偿或过分补偿由于压实引起的截面面积的任何损失。然后，翅片的下部可以任何合适的方式彼此连接，籍此基部由这些下部形成。

借助于这些方法，产生翅片，所述翅片的通道在两端都封闭，因而彼此不连通。具体地，属于不同翅片的通道彼此不流体连通。换句话说，所述至少一个第一行的通道21，31和所述至少一个第二行的通道21，31彼此不流体连接。

在前述说明中，本发明已经参考其具体示例性实施例进行描述。然而，显而易见的是，在不偏离由所附权利要求阐述的本发明的更宽精神和范围的情况下可以对其进行各种变型和变化。例如，热交换装置可以包括比上述翅片更多的翅片(例如，单独的翅片或第三、第四行翅片等)。因此，说明书和附图仅仅认为是说明性的。

Claims

1.一种热交换装置(1)，包括：

基部(10)，所述基部(10)能与至少一个发热装置热连接以接收热，和

多个翅片(20，30)，所述多个翅片(20，30)与所述基部(10)热接触，以允许热从所述基部(10)传输给所述翅片(20，30)的外表面，其中，至少一个翅片(20，30)是多端口管，所述多端口管包括多个通道(21，31)，所述翅片(20，30)以至少一个第一行和至少一个第二行设置成以第一方向(2)和第二方向(3)延伸的矩阵，其中，所述第一行和第二行中的至少一行以第一方向(2)延伸。

2.根据权利要求1所述的热交换装置，其中，所述第一行和所述第二行在第一方向(2)彼此交错。

3.根据权利要求2所述的热交换装置，其中，所述矩阵的所述至少一个第一行和所述至少一个第二行在第二方向(3)彼此齿状交错。

4.根据权利要求2或3所述的热交换装置，其中，所述第一行相对于所述第二行在第二方向(3)移位预定第一偏移量(6)，具体地第一偏移量(6)在其最长的范围内至少与翅片(20，30)一样长，和/或在第一方向(2)移位预定第二偏移量(7)，第二偏移量(7)是第一行的两个相邻翅片(20)之间的距离的约一半。

5.根据权利要求1到4中任何一项所述的热交换装置，其中，所述通道(21，31)中的至少一个具有光滑内表面，且/或其中，所述通道(21，31)中的至少一个具有带有鳍状凸起和槽状凹部中的至少一个的内表面。

6.根据权利要求1到5中任何一项所述的热交换装置，其中，所述第一行和/或所述第二行中的至少两个翅片的通道(21，31)经由所述基部(10)彼此流体连接。

7.根据权利要求1到6中任何一项所述的热交换装置，其中，所述至少一个第一行的通道(21，31)和所述至少一个第二行的通道(21，31)彼此不流体连接。

8.根据权利要求1到7中任何一项所述的热交换装置，其中，所述翅片(20，30)各具有以第一方向(2)延伸的第一尺寸(L)和以第二方向(3)延伸的第二尺寸(W)，其中，第二尺寸与第一尺寸的比为至少2∶1，优选为至少5∶1。

9.根据权利要求8所述的热交换装置，其中，所述翅片(20，30)各自在由通道(21，31)中的至少一个限定的方向上受第三尺寸(H)限制，且其中第三尺寸与第二尺寸的比是至少1∶1，优选为至少2∶1。

10.根据权利要求1到9中任何一项所述的热交换装置，其中，所述第一行相对于第二行在第二方向(3)横向偏移。

11.根据权利要求1到10中任何一项所述的热交换装置，其中，所述第一行和第二行中的至少一行的翅片(20，30)以直线和/或平直方式大致对齐。

12.根据权利要求6所述的热交换装置，其中，所述基部(10)包括至少一个中空本体部分，所述至少一个中空本体部分在设置翅片(20，30)的侧面上由至少一个开口流体连接，所述开口将通道(21，31)流体连接，使得工作流体能够经由所述至少一个中空本体部分在至少两个翅片(20，30)的通道(21，31)之间流动。

13.一种制造热交换装置(1)的方法，包括以下步骤：

a)提供基部(10)和多个翅片(20，30)，其中，所述翅片(20，30)中的至少一个包括带有多个通道(21，31)的多端口管；

b)将所述多个翅片(20，30)热连接到所述基部(10)，以便形成矩阵，其中，所述矩阵包括至少一个第一行和至少一个第二行；

c)将工作流体引入所述多个翅片(20，30)和所述基部(10)中的至少一个；和

d)防止所述工作流体逸出所述多个翅片(20，30)和所述基部(10)中的至少一个。

14.根据权利要求13所述的制造热交换装置(1)的方法，其中，所述热交换装置(1)是根据权利要求1到12中任何一项所述的热交换装置。

15.一种功率模块，所述功率模块包括至少一个发热装置，如功率电子器件和/或电气装置，所述发热装置热连接到根据权利要求1到12中任何一项所述的至少一个热交换装置(1)。