CN101713618B

CN101713618B - 流量分配器组件及带流量分配器组件的冷却单元

Info

Publication number: CN101713618B
Application number: CN2009101791589A
Authority: CN
Inventors: 勒内·伦多夫
Original assignee: Danfoss Drives AS
Current assignee: Danfoss Power Electronics AS
Priority date: 2008-10-03
Filing date: 2009-09-29
Publication date: 2012-03-21
Anticipated expiration: 2029-09-29
Also published as: CN101713618A; EP2172731A2; EP2172731A3; US20100181057A1; US8794301B2

Abstract

本发明涉及流量分配器组件及带流量分配器组件的冷却单元。用于分配流体流经过至少两个待冷却表面的流量分配器组件包括第一流量分配器(1a)和第二流量分配器(1b)。每一流量分配器中形成有一组流动池(3)，并包括连接区域。第一和第二连接区域适于通过以下方式相互连接：第一和第二流量分配器连接以形成流量分配器组件(13)，且组合的第一和第二连接区域限定入口集液器(9)和出口集液器(10)，入口集液器和出口集液器流体连接到第一组流动池和第二组流动池中的每一个。冷却单元(17)包括外壳(14)和布置在外壳内部的流量分配器组件(13)。该流量分配器组件易于制造且成本低廉。

Description

流量分配器组件及带流量分配器组件的冷却单元

技术领域

本发明涉及一种流量分配器组件，其用于分配流体流经过至少两个待冷却表面。另外，本发明涉及一种包括该流量分配器组件的冷却单元。

背景技术

已知通过引导流体流经过表面而提供对于该表面的冷却。有时候，期望能够同时引导流体流经过两个待冷却表面。

US 5,526,231披露了一种用于多个功率半导体器件的冷却单元。通过四边形管形成冷却单元，其中功率半导体器件在该管的装配区域中、以良好导热性在外部固定到该四边形管。四边形管具有制冷剂入口和制冷剂出口。四边形管包含布置在制冷剂入口之后的区域中的分层单元，该区域与装配区域重叠。在分层单元和制冷剂出口之间的区域中，四边形管包含多个涡流产生元件，用于使制冷剂流产生涡流。分层单元的形式可以是引入四边形管的插入件。

EP 1 795 852披露了一种用于半导体元件的冷却装置。该冷却装置包括外壳，该外壳具有插入其内部的分配器。该分配器的第一侧内形成有多个流动池(flow cell)，分配器的相反的第二侧内形成有入口集液器和出口集液器。提供到入口集液器的冷却流体分配到流动池，通过流动池引导经过待冷却表面，并被收集在出口集液器中。流体从出口集液器离开冷却装置。

US 5,526,231和EP 1 795 852中所披露的冷却单元适于引导流体流动经过仅一个待冷却表面。

发明内容

本发明的目的是提供一种流量分配器组件和冷却单元，其适于同时地引导流体流经过至少两个待冷却表面。

本发明的进一步目的是提供一种流量分配器组件，其适于同时地引导流体流经过至少两个待冷却表面，且该流量分配器组件易于制造。

本发明的又一目的是提供一种流量分配器组件，其适于同时地引导流体流经过至少两个待冷却表面，其可以采用节约成本的方式制造。

根据本发明的第一方面，通过提供一种流量分配器组件来实现上述或其它目标，该流量分配器组件用于分配流体流经过至少两个待冷却表面，该流量分配器组件包括：

第一流量分配器，该第一流量分配器中形成有第一组流动池，且该第一流量分配器包括第一连接区域，和

第二流量分配器，该第二流量分配器中形成有第二组流动池，且第二流量分配器包括第二连接区域，

其中，第一连接区域和第二连接区域适于通过以下方式相互连接：第一流量分配器和第二流量分配器连接以形成流量分配器组件，且组合的第一连接区域和第二连接区域限定入口集液器(inlet manifold)和出口集液器(outletmanifold)，入口集液器和出口集液器流体连接到第一组流动池和第二组流动池中的每一个。

在本文中，术语“流量分配器组件”应当理解成两个或多个部件连接以形成一个能够分配流体流动的单元的结构。根据本发明的流量分配器组件适于同时分配流体流经过至少两个待冷却表面。有利地，待冷却表面可以是冷却板(cold plate)或者其它需要冷却的表面。

流体流可以是液流，气流或者气液混合流，这取决于特定应用。

流量分配器组件包括第一流量分配器和第二流量分配器。第一流量分配器中形成有第一组流动池。应当注意，在本文中，术语“流动池组”应当理解成形成在流量分配器中的一个或多个流动池。因而，第一组流动池可以是单个流动池，其布置成引导流体流经过一个或多个待冷却表面，或者其可以是两个或多个流动池，通过特定图案和方式布置，从而它们引导流体流经过一个或多个待冷却表面。

相似地，第二流量分配器中形成有第二组流动池。如上所述，其应当理解为在第二流量分配器中形成一个或多个流动池，且对于第一组流动池所做的评述同样适用于此处。

第一组流动池和第二组流动池的流动池优选地布置成以下方式：第一组流动池的流动池和第二组流动池的流动池适于引导流体流经过单独的待冷却表面。如果流量分配器组件适于分配流体流经过恰好两个待冷却表面，第一组流动池优选地布置成分配流体流经过一个表面，而第二组流动池布置成分配流体流经过另一表面。

第一流量分配器包括第一连接区域，而第二流量分配器包括第二连接区域。第一连接区域和第二连接区域适于通过以下方式相互连接：第一流量分配器和第二流量分配器连接以形成流量分配器组件。因而，通过使两个流量分配器的连接区域相互连接而形成流量分配器组件。连接区域可以采用永久的方式或者可拆卸方式相互连接。另外，当连接区域相互连接时，形成入口集液器和出口集液器。入口集液器和出口集液器均流体连接到第一组流动池和第二组流动池的每一个流动池。因而，进入入口集液器的流体被引导进入每一个流动池，通过每一个流动池，流出流动池并最终进入出口集液器，在该处其再次被收集。

优点是，由于在流量分配器的连接区域相互连接时集液器自动形成，因此入口集液器和出口集液器由连接区域限定，且不必采取另外的步骤来形成集液器。这使得流量分配器组件的制造简易并节约成本。

由于本发明的流量分配器组件包括两个相互连接的流量分配器，每一个都适于分配流体流经过待冷却表面，流量分配器组件适于同时引导流体流经过至少两个待冷却表面。

第一流量分配器和/或第二流量分配器可以包括流体入口和/或流体出口。流体入口优选地布置成使入口集液器与流体源相互流体连接，而流体出口优选地布置成使出口集液器和流体排出口相互流体连接。因此，流体被经由流体入口提供到流量分配器组件，并且流体经由流体出口离开流量分配器组件。

流体入口以及流体出口可以形成在流量分配器之一中，而另一流量分配器既不设置流体入口，也不设置流体出口。替代地，流体入口可以形成在一个流量分配器中，而流体出口形成在另一流量分配器中。作为另一选择，流体入口及流体出口可以形成在第一流量分配器以及第二流量分配器中。

第一流量分配器和第二流量分配器可以是相同的。根据该实施例，由于制造第一流量分配器和第二流量分配器仅需要一个制造模具，因此流量分配器组件非常易于制造且成本低廉。然而，选择性地，流量分配器可以彼此不同，只要连接区域适于如上所述地相互连接。

第一连接区域和第二连接区域可适于滑动接合，以使连接区域相互连接。根据该实施例，有利地，连接区域可分别设置有匹配的轨道或凹槽和壁部分或突出，布置成以下方式：形成在一个连接区域上的轨道或凹槽适于容纳形成在另一连接区域上的壁部分或者突出。连接区域均可设置有轨道/凹槽以及壁部分/突出，布置成滑动接合另一连接区域处的对应部分。

选择性地，连接区域可以采用其它方式连接，例如，通过使连接区域卡掣在一起。

第一组流动池的至少两个流动池和/或第二组流动池的至少两个流动池可在入口集液器和出口集液器之间限定平行流径。这应当理解为，平行布置的流动池中的每一个都经由池入口直接连接到入口集液器，并经由池出口直接连接到出口集液器。因而，进入每一平行流动池的流体具有大致相同的温度。由此，被这些流动池冷却的表面的温度梯度明显减小。

选择性地或另外地，所有流动池或者一些流动池可以串联地布置。

流动池中的至少一个可以在入口集液器和出口集液器之间限定曲折流径。根据该实施例，流过流动池的流体的流向改变，可能数次。这使得流体混合，由此获得更一致的流体温度。因此，离待冷却表面最近的流体温度降低，且流体的冷却能力可以最大程度地利用。

流量分配器组件可以适于连接到另一大致相同的流量分配器组件。例如可以通过两个流量分配器组件的流量分配器的流体入口和流体出口提供该连接。在此情况下，从流量分配器组件的集液器串联连接的意义上说，流量分配器组件将正常地串联连接。由此，可以形成延长的入口集液器和延长的出口集液器。应当注意，流量分配器组件的流动池仍可在上述集液器之间并联或串联地连接。

流量分配器组件可进一步包括沿第一流量分配器和第二流量分配器远离彼此的方向推第一流量分配器和第二流量分配器的装置。在优选实施例中，流量分配器的形式是一种板，其在一侧上形成有流动池，并且在相对侧上形成有入口集液器和出口集液器的部分以及连接区域。当两个流动分配器的连接区域相互连接时，形成有集液器部分的一侧彼此相对，并由此形成集液器。因此，流动池朝向相反。

待冷却表面布置成以下方式：它们与流动池接触，即两个大致相对的表面可以分别由第一组流动池和第二组流动池冷却。因此，当第一流量分配器和第二流量分配器沿远离彼此的方向被推动时，流动池被推向待冷却表面。由此，流量分配器可以补偿待冷却表面的不均匀度，例如由于表面弯曲或者由于表面中的结构所引起的。因此，确保流动池和待冷却表面之间的紧密接触。

用于沿第一流量分配器和第二流量分配器彼此远离的方向推第一流量分配器和第二流量分配器的装置可包括一组弹性指状部，该弹性指状部布置在一个或两个流量分配器上、在形成连接区域及集液器部的一侧上。

根据本发明的第二方面，通过以下实现以上及其它目标：提供一种冷却单元，其包括限定内腔的外壳，和根据本发明第一方面的流量分配器组件，该流量分配器组件插入外壳的内腔。

应当注意到，本领域技术人员会容易认识到结合本发明第一方面所述的任意特征也可与本发明的第二方面相结合，反之亦可。

待冷却表面优选地是外壳的壁。

第一流量分配器和第二流量分配器都可包括端盖，该端盖适于邻接外壳的开口，流量分配器通过该开口插入外壳的内腔。根据该实施例，当流量分配器插入外壳的内腔时，外壳自动封闭。选择性地，冷却单元可以设置有单独的端盖。

流量分配器的端盖可以设置有密封装置，用于提供端盖和外壳之间的密封。根据该实施例，当流量分配器插入外壳的内腔时，外壳以实质流体密封的方式自动地封闭。

每一个端盖都可设置有流体入口和流体出口，该流体入口建立流体源和入口集液器之间的流体连接，而该流体出口建立出口集液器和流体排出口(fluid drain)之间的流体连接。流量分配器可以制成有盲流体入口(blindedfluid inlet)和盲流体出口(blinded fluid outlet)。在期望特殊流量分配器设置有流体入口和/或流体出口的情况下，相关入口和/或出口被简单地打开，例如通过镗穿相关入口/出口。

第一流量分配器和第二流量分配器可以通过大致相对彼此布置的外壳中的开口插入外壳的内腔中。根据该实施例，外壳优选地形成管状结构，且流量分配器从管的相对端部分、优选地以滑动方式插入。流量分配器的连接区域优选地适于如上所述滑动地接合。

外壳可限定至少两个待冷却表面，且第一组流动池的流动池可布置成分配流体流经过第一待冷却表面，而第二组流动池的流动池可布置成分配流体流经过第二待冷却表面。第一待冷却表面和第二待冷却表面可以布置成彼此大致相对。

外壳可以是挤压冷却板(cold plate)。

附图说明

现在参照附图进一步详细地描述本发明：

图1显示了根据本发明实施例的流量分配器组件的流量分配器的立体图；

图2显示了从相反角度观察的图1的流量分配器的立体图；

图3显示了图1和2中所示种类的两个流量分配器的立体图，其处于相互联接以形成流量分配器组件；

图4显示了根据本发明第一方面、用于冷却单元的外壳的立体图；

图5显示了包括装配的图4的外壳和图1-3的流量分配器的冷却单元的立体图；

图6显示了部分剖开的图5的冷却单元；

图7显示了图5和6中所示种类的两个冷却单元；

图8显示了图5和6的冷却单元的部分截面图；

图9显示了根据本发明第二实施例的冷却单元的部分截面图；和

图10显示了根据本发明第三实施例的冷却单元的截面图。

具体实施方式

图1是根据本发明实施例的流量分配器1的立体图。流量分配器1包括大致平面的板部分2，该板部分2的第一侧中形成有多个流动池(flow cell)3。端盖4布置在大致平面的板部分2的端部。流体入口5和流体出口6设置在端盖4上。端盖4还设置有O形圈7，该O形圈7适于提供相对于外壳的密封，该外壳中插入有流量分配器。以下进一步描述其。

图2是图1的流量分配器1的立体图。在图2中，以相反角度显示流量分配器1，显示了大致平面的板部分2的相反侧。大致平面的部分2的该侧设置有三个纵向壁8。每一个纵向壁8都包括单壁部8a和双壁部8b。在单壁部8a中，纵向壁8由单一实心壁形成。在双壁部8b中，纵向壁8分成两个部分，该两个部分之间形成凹槽。该凹槽的大小和形状允许其容纳另一相同流量分配器1的单壁部8a。

因而，通过以下方式使两个相同的流量分配器1联接以形成流量分配器组件：将一个流量分配器1的单壁部8a容纳在另一流量分配器1的双壁部8b的凹槽中，从而使纵向壁8滑入彼此，反之亦可。由此形成两个单独的腔，其被中间的纵向壁8隔开。这两个腔分别形成入口集液器9和出口集液器10。因此，纵向壁8形成连接区域，且当两个相同的流量分配器1的连接区域相互联接时，自动地形成入口集液器9和出口集液器10。

入口集液器9流体连接到流体入口5，且出口集液器10流体连接到流体出口6。

入口集液器9经由池入口(cell inlet)11进一步流体连接到每一个流动池3，且出口集液器10经由池出口(未显示)流体连接到每一个流动池3。经由流体入口5进入入口集液器9的流体被经由池入口11提供到每一个流动池3，被沿流动池3引导，并经由池出口进一步到出口集液器10。流体经由流体出口6从出口集液器10离开系统。其将在以下进一步描述。

大致平面的板部分2进一步设置有八个指状部12。当流量分配器1如上所述地连接到另一流量分配器1时，指状部12将沿使流量分配器1远离彼此的方向对流量分配器1施力，由此朝对应待冷却表面推动流动池3。

图3是流量分配器组件13的立体图，其包括图1和2所示种类的两个流量分配器1。流量分配器1布置成它们的集液器侧面对彼此。流量分配器1以滑动方式连接，从而允许一个流动分配器1的纵向壁8的单壁部8a容纳在另一流量分配器1的纵向壁8的双壁部8b的凹槽中。在图3中，下流量分配器1的单壁部8a布置成靠近上流量分配器1的双壁部8b，且使流量分配器1以滑动方式更靠近彼此将使得单壁部8a容纳在双壁部8b的凹槽中，由此形成如上所述的入口集流器9和出口集流器10。

图4是根据本发明第一实施例的用于冷却单元的外壳14。外壳14的形式是限定两待冷却表面15的机加工冷却板。外壳14由挤压工艺初始成形，并随后进行机加工而获得表面15的正确平面度。两个开口16(其中一个可见)设置在外壳14的相反端部。图1-3中所示种类的流量分配器1可以经由开口16插入外壳14内部，并如图3所示装配。由此两个流量分配器1的流动池3布置成靠近待冷却表面15。

图5是根据本发明第一实施例的冷却单元17的立体图。冷却单元17包括图4中所示种类的外壳14，和图1-3中所示种类的两个流量分配器1。两个流量分配器1处于正经由开口16插入外壳14内部的过程。因而，流量分配器1正如图3中所示地装配。当流量分配器1的端盖4邻接外壳14时，O形圈7提供端盖4和外壳14之间的密封。

图6显示了装配状态下的图5的冷却单元17。冷却单元17的一部分被剖开，从而展示冷却单元17的内部。冷却单元17包括剖除部分的截面被放大以显示细节。从图6可清楚看出，流量分配器1已如上所述地装配，即一个流量分配器1的单壁部8a被容纳在另一流量分配器1的双壁部8b的凹槽中。也可以看出，流动池3布置成靠近待冷却表面15，以及指状部12正沿使流量分配器1彼此远离的方向对流量分配器1施力，由此推动流动池3与待冷却表面15牢固邻接。O形圈7提供端盖4和外壳14之间的密封。

图7是图5和6中所示种类的两个冷却单元17的立体图。图7图示说明了：通过使冷却单元17的流体入口5和流体出口6彼此连接，可以使该两个冷却单元17流体连接。未连接到另一入口/出口或流体源或流体排出口的入口/出口柱螺栓(stud)可以塞住。在图7所示系统中，流体经由流体入口5a被提供到系统，进入冷却单元17a的入口集液器。通过由两个冷却单元17a、17b的连接柱螺栓形成的流体入口5b，一些流体被进一步引导到冷却单元17b的入口集液器。流体从入口集液器穿过两个冷却单元17a、17b的流动池，进入对应的出口集液器。通过由两个冷却单元17a、17b的连接柱螺栓形成的流体出口6a，流体被从冷却单元17a的出口集液器引导到冷却单元17b的出口集液器。最后，流体经由流体出口6b流出系统。因而，在图7所示的系统中，两个冷却单元17a、17b的入口集液器流体连接以形成一个大的入口集液器，且两个冷却单元17a、17b的出口集液器流体连接以形成一个大的出口集液器。

图8是图5和6中所示种类的冷却单元17的一部分的截面图。图8图示说明了外壳14内的流动分配器1a、1b的彼此相关位置。也可以看出，O形圈7提供端盖4和外壳14之间的密封。可以看出，端盖4形成流量分配器1a的一部分。

图9是根据本发明第二实施例的冷却单元17的一部分的横截面。根据该实施例，端盖4是单独部件，即，其并不形成流量分配器1中一个的一部分。为了提供端盖4和外壳14之间充分的密封，添加另外的O形圈7。

图10是根据本发明第三实施例的冷却单元17的横截面。根据该实施例，外壳14包括四个待冷却表面15。每个流量分配器1a、1b布置成分配流体流经过由流动池3冷却的两个表面15。

Claims

1.一种用于分配流体流经过至少两个待冷却表面(15)的流量分配器组件(13)，所述流量分配器组件(13)包括：

第一流量分配器(1a)，所述第一流量分配器(1a)中形成有第一组流动池(3)，所述第一流量分配器(1a)包括第一连接区域，和

第二流量分配器(1b)，所述第二流量分配器(1b)中形成有第二组流动池(3)，所述第二流量分配器(1b)包括第二连接区域，

其中，所述第一连接区域和所述第二连接区域适于通过以下方式相互连接：所述第一流量分配器(1a)和所述第二流量分配器(1b)连接以形成所述流量分配器组件(13)，且组合的所述第一连接区域和所述第二连接区域限定入口集液器(9)和出口集液器(10)，所述入口集液器(9)和所述出口集液器(10)流体连接到所述第一组流动池(3)和所述第二组流动池(3)中的每一个流动池(3)。

2.根据权利要求1所述的流量分配器组件(13)，其中，所述第一流量分配器(1a)和/或所述第二流量分配器(1b)包括流体入口(5)和/或流体出口(6)。

3.根据权利要求1或2所述的流量分配器组件(13)，其中，所述第一流量分配器(1a)和所述第二流量分配器(1b)是相同的。

4.根据权利要求1或2所述的流量分配器组件(13)，其中，所述第一连接区域和所述第二连接区域适于滑动接合以使所述连接区域互相连接。

5.根据权利要求1或2所述的流量分配器组件(13)，其中，所述第一组流动池(3)的至少两个流动池(3)和/或所述第二组流动池(3)的至少两个流动池(3)限定在所述入口集液器(9)和所述出口集液器(10)之间的平行流径。

6.根据权利要求1或2所述的流量分配器组件(13)，其中，所述流动池(3)中的至少一个限定所述入口集液器(9)和所述出口集液器(10)之间的曲折流径。

7.根据权利要求1或2所述的流量分配器组件(13)，其中，所述流量分配器组件(13)适于连接到至少另一个大致相同的流量分配器组件(13)。

8.根据权利要求1或2所述的流量分配器组件(13)，进一步包括用于沿着使所述第一流量分配器(1a)和所述第二流量分配器(1b)远离彼此的方向对所述第一流量分配器(1a)和所述第二流量分配器(1b)施力的装置(12)。

9.一种冷却单元(17)，所述冷却单元(17)包括限定内腔的外壳(14)和根据前述权利要求中任意一项所述的流量分配器组件(13)，所述流量分配器组件(13)插入所述外壳(14)的内腔中。

10.根据权利要求9所述的冷却单元(17)，其中，所述第一流量分配器(1a)和所述第二流量分配器(1b)每一个都包括端盖(4)，所述端盖(4)适于邻接所述外壳(14)的开口(16)，所述流量分配器(1)通过所述开口(16)插入所述外壳(14)的内腔中。

11.根据权利要求10所述的冷却单元(17)，其中，所述流量分配器(1)的端盖(4)设置有密封装置(7)，所述密封装置(7)用于提供所述端盖(4)和所述外壳(14)之间的密封。

12.根据权利要求10或11所述的冷却单元(17)，其中，所述端盖(4)中的每一个都设置有流体入口(5)和流体出口(6)，所述流体入口(5)建立流体源与所述入口集液器(9)之间的流体连接，而所述流体出口(6)建立所述出口集液器(10)和流体排出口之间的流体连接。

13.根据权利要求9-11中的任意一项所述的冷却单元(17)，其中，所述第一流量分配器(1a)和所述第二流量分配器(1b)通过所述外壳(14)中的开口(16)插入在所述外壳(14)的内腔中，其中所述开口(16)布置成彼此大致相对。

14.根据权利要求9-11中的任意一项所述的冷却单元(17)，其中，所述外壳(14)限定至少两个待冷却表面(15)，并且其中所述第一组流动池(3)的流动池(3)布置成分配流体流经过至少第一待冷却表面(15)，而所述第二组流动池(3)的流动池(3)布置成分配流体流经过至少第二待冷却表面(15)。

15.根据权利要求14所述的冷却单元(17)，其中，所述第一待冷却表面(15)和所述第二待冷却表面(15)布置成彼此大致相对。

16.根据权利要求9-11中任意一项所述的冷却单元(17)，其中，所述外壳(14)是挤压冷却板。