CN102573407B - 热交换器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种热交换器(1)，该热交换器(1)包括：布置成在所述热交换器(1)的第一端与第二端之间提供流体路径的至少第一组通道(2)和第二组通道(3)；布置在所述热交换器(1)的所述第一端处和所述第二端处的连接部分(5、6)；用于传递热负荷到流体的第一传热元件；以及用于传递来自所述流体的热负荷的第二传热元件(8)。为了获得高效价廉的热交换器，通道具有毛细管尺寸，连接部分(5)包括流体分配元件，并且第一和第二传热元件与所有通道接触。

Description

热交换器
技术领域
本发明涉及一种热交换器，特别涉及一种适于在冷却电子设备中使用的改进的热交换器。
背景技术
先前，由EP-A-20 31 332已知一种热交换器，其具有在热交换器的第一端与第二端之间延伸的蒸发器通道和冷凝器通道。热交换器的相对端设置有连接部分，该连接部分在蒸发器通道与冷凝器通道之间提供流体路径。第一传热元件布置在热交换器的第一端附近，用于将热负荷传递到所述蒸发器通道中的流体。类似地，第二传热元件布置在热交换器的第二端附近，用于将热负荷从所述冷凝器通道中的流体传递到周围环境。
上述热交换器在对例如附接至第一传热元件的电力电子设备降温方面非常有效。由于热虹吸式构造，冷却可以不需要泵设备就能实现。
然而，上述解决方案的缺陷是需要将热交换器安装在特定位置以使其适当地工作。这种限制存在问题，因为在某些实施中，能够将热交换器安装成倒置或在水平位置会是有利的。
发明内容
本发明的目的是解决上述缺陷并且提供一种对热交换器所安装的位置较不敏感的高效价廉的热交换器。本发明的该目的和其他目的是利用如独立权利要求1中限定的热交换器来实现。
热交换器包括具有毛细管尺寸的至少第一和第二组通道，以及在相对端处的流体分配元件。第一和第二传热元件与第一和第二组通道的所有通道相接触，以分别将热负荷从通道中的流体传递到通道中的流体。其使得热交换器能够如Pulsating Heat Pipe(脉动热管)(PHP)一样工作。在这种包括具有毛细管尺寸的通道的解决方案中，由于通道内的蒸汽的双向膨胀，在小的通道回路热管中产生振荡。因此，热交换器以任何定向工作，而无需显著的另外的成本，并且与其他解决方案相比，流体体积较小。
在从属权利要求中公开了本发明的优选实施方式。
附图说明
以下通过示例且参照附图对本发明进行更详细地描述，其中：
图1示出了热交换器的第一实施方式；
图2示出了第一流体分配元件；
图3示出了第二流体分配元件；
图4示出了第一传热元件；
图5示出了热交换器的功能；以及
图6示出了热交换器的替代性实施方式。
具体实施方式
图1示出了热交换器1的第一实施方式。热交换器1包括在热交换器1的第一端与第二端之间延伸的至少第一组通道2和第二组通道3。在热交换器1的第一端处布置有第一连接部分5，用于在第一组通道2与第二组通道3的通道之间提供流体路径，其将在下文解释。在热交换器1的第二端处布置有第二连接部分6。
在所示示例中，通道的数量多于两组。这些通道具有毛细管尺寸。在本文中，“毛细管尺寸”是指毛细管大小的通道，这该情况下，这些通道具有如下尺寸，该尺寸足够小使得气泡只可以沿纵向(换言之，沿通道的与径向相对的纵向)增大，并由此通过推动液体产生脉动效应。
热交换器还包括布置在热交换器1的第一端附近的传热元件7，用于传递热负荷到所述至少第一组通道2和第二组通道3的通道中的流体。图1的热交换器优选地用于电子设备中，诸如变频器中，用于将热传导离开产生大量热负荷的部件。在该情况下，可以将电子电路附接到第一传热元件7。传热元件7将所述热负荷传递到所述至少第一组通道2和第二组通道3的所有通道中的流体。其可以被实现使得第一传热元件7与通道中的每个通道接触。
热交换器1还包括第二传热元件8，在所示意的实施方式中，第二传热元件8包括在第一组通道2和第二组通道3的通道的壁之间延伸的翅片，以将热从热交换器1内部的流体传递到周围环境。这样，可以将热负荷从所有通道中的流体传递到翅片，并进一步将热负荷从翅片传递到第二传热元件8周围的空气。
图2示出了第一流体分配元件11。图2的第一流体分配元件11例如可以用在图1示出的热交换器1的第一连接部分5内部。
在热交换器1的第一端与第二端之间延伸的通道9一起组成至少第一组2和第二组3，每组包括多个通道9。在所示实施方式中，热交换器1包括在热交换器1的第一端与第二端之间延伸的多个平行的管10。这些管10已经被管10的内壁分成通道9。因此，每个管10包括一组通道的通道9。例如，管10或管子可以是MPE(MultiPort Extruded(多口挤压))管。
通道9具有毛细管尺寸。在该示例中，通道9被制成毛细管大小，使得在它们的内壁上不需要另外的毛细管结构。被考虑毛细管的通道或管子的直径取决于在内部使用(沸腾)的流体。例如，下述公式可以用于估计合适的直径：
D＝(西格玛/(g*(rhol-rhov)))^0.5，
其中，西格玛是表面张力，g是重力加速度，rhov是蒸汽密度，以及rhol是液体密度。对于适合在图中示出的热交换器中使用的流体，R134a(四氟乙烯)、R145fa和R1234ze(四氟丙烯)，该公式给出从1mm到3mm的值。所示热交换器的长度可以是从大约20cm到2m或者甚至更长。
第一流体分配元件11布置成引导流体从第一组通道2的一个或更多个预定通道9到所述第二组通道3的一个或更多个预定通道9内。在所示意的示例中，第一流体分配元件11已经由多个板12到15来实现，所述板中的一些板包括开口，用于在各组通道的通道9之间提供流体路径。
最低的板12设置有紧密环绕管10的开口。之后的板13布置在最低的板12的上部并设置有开口17，该开口17允许流体从第一组通道2的预定通道传递到第二组通道3的预定通道，如图2中的箭头所示。由于图2示出了具有多于两组通道的示例，所以，对于所有示出的组，开口17允许流体从一组通道的预定通道传送到相邻组通道的预定通道。仅仅到或从下述通道9的流动是可行的，该通道9的开口位于板13的开口17处。到或从其他通道9的流动被板13的下表面阻挡。
第三板14作为板13上部的盖子布置，目的是确保流体的流动仅发生在板13的开口17定位的位置处。然而，第三板14还包括(在该示例中)位于热交换器的最外面的管10处的两个孔18。在图2中仅示出了孔18中的一个。这样，第三板14与第四板15中的孔19配合限定通道，其使得流体可以从位于左边最外侧的管的一个或更多个预定通道流到位于右边最外侧的管的一个或更多个预定通道，反之亦然。这种通道的存在将使得热交换器像闭合回路型脉动热管一样工作。
最后，最上面的板16作为第四板15上部的盖子布置，目的是防止从由开口19限定的通道泄露。尽管不是所有实施方式中都需要，但是在所示意的示例中，最上面的板16设置有可以连接到管和阀的开口，为的是在必要时填充或排空热交换器。此外，该开口可以用于例如压力和/或温度测量。
作为所示意的实施方式的替代，可以从该图2中移除板14和15。在该情况下，最左边和最右边的管10的通道之间不存在流通路径。因此，热交换器像开放回路型脉动热管一样工作。
图3示出了第二流体分配元件。图3的第二流体分配元件21例如可以用在图1所示的热交换器1的第二连接部分6的内部。
第二流体分配元件21在属于同一组的通道9之间引导流体，如图3中的箭头所示。因此，第二流体分配元件21引导流体从所述第一组2的一个或更多个通道9到同一第一组2的一个或更多个通道9内。
作为示例，在所示实施方式中，第二流体分配元件21利用两块板22和23来实现。第一板22设置有开口24，开口24紧密环绕包括所述组通道2、3的管10并且在每组通道内的通道9之间提供流体路径。板23作为盖子布置在板22上部。尽管不是所有实施方式中都需要，但是在所示示例中，板23设置有可以连接到管和阀的开口，为的是在必要时填充或排空热交换器。此外，该开口可以用于例如压力和/或温度测量。
图3还示出了第二传热元件8，在该示例中，第二传热元件8包括在管10的壁之间延伸的翅片。翅片已经被定尺寸为沿着它们的整个侧面接触管10。因此，第二传热元件8布置成传递来自管10内所包含的通道组的所有通道9中的流体的热负荷。
图4示出了第一传热元件7。第一传热元件7可以用在图1的热交换器中。
传热元件7主要包括一块具有良好导热率的材料。合适的材料包括金属，例如，诸如铝之类。具有良好导热率的相同材料或另外的材料可以用于管。在图4中，上平面26可以用于附接例如需要有效冷却的电子部件。下表面25设置有凹槽，凹槽内已经布置管子10。每个管子包括一组通道的通道9，诸如第一组通道2或第二组通道3的通道9。凹槽足够深以使第一传热元件7接触管子10的整个侧壁。因此，第一传热元件7接收来自所示意的组的通道中包括的所有通道9的热负荷。
图5示出了根据图1至图4构造的热交换器的功能。
热交换器1具有类似于Compact Thermosyphon Heat Exchanger(紧凑型热虹吸式热交换器)(COTHEX)的构造的构造。然而，通道具有毛细管尺寸，并且第一端和第二端的连接部分设置有流体分配元件，该流体分配元件引导来自不同组的通道之间的预定通道的流体。其使得热交换器可以如Pulsating Heat Pipe(脉动热管)(PHP)一样工作。在该解决方案中，由于通道内部的蒸汽双向膨胀，在小的通道回路热管中产生振荡。在操作期间，由于由限制在小的通道中的气泡的快速膨胀造成的流体动力的不稳定性，液塞和拉长的蒸汽气泡将在冷区域和热区域之间振荡，由此提供几乎与重力无关的流体速度。从而，图中所示热交换器以任何定向都能工作(但是，其中某些性能根据定向变化)。由于出现周期振荡，所以没有优选流动方向，因此不需要上升管和下降管。
在图5中，第一传热元件所定位在的热交换器的下部27作为接收热负荷并将热负荷传递到热交换器的通道中的流体内的蒸发器工作。第二传热元件所定位在的热交换器的上部28作为将热负荷从热交换器的通道中的流体传递到周围环境的冷凝器工作。然而，应该注意到，本文中的“下”和“上”仅是指例如图5中作为示例所示的热交换器的位置，这是因为热交换器也可以用在与图5所示示例相比较而言颠倒的位置。在热交换器内转移流体不需要泵，这是因为热交换器作为脉动热管工作。此外，不需要到/来自冷凝器或蒸发器的单独的冷凝器管、蒸发器管、上升管或下降管。因此，即使仍可以实现高效冷却，但流体体积却相对较小。
图6示出了热交换器1′的替代性实施方式。图6的热交换器与图1所示的热交换器非常类似。因此，将主要参照这些实施方式之间的不同描述图6的实施方式。
在图1中，第一传热元件7作为可以附接电子电路的板呈现。这样，热从板传导到包括有流体的通道。然而，在图6中，第一传热元件7′包括在通道的壁之间延伸的翅片。因此，来自第一传热元件7′的周围环境的热经由翅片传递到通道中的流体。为了得到足够的热传导，如果需要，可以生成热气流，以经由第一传热元件7′的翅片进行传送。在该实施方式中以及在之前阐述的实施方式中，也可以利用类似的冷气流，目的是传递热量离来第二传热元件8。
如图3中所示，可以以相同的方式成形并布置第一传热元件7′和第二传热元件8的翅片，使得翅片与包括这些组的通道9的管10的整个侧壁接触。
需要理解，以上描述和附图仅用于示意本发明。对本领域的技术人员将明显的是，在不偏离本发明范围的情况下可以对本发明进行修改和改型。特别地，应该注意到，分配元件的设计仅作为示例提供，因为其他的设计也可行。

Claims (7)

1.一种热交换器(1；1′)，包括：
至少第一组通道(2)和第二组通道(3)，所述第一组通道(2)和第二组通道(3)布置成在所述热交换器(1；1′)的第一端与第二端之间提供流体路径，
连接部分(5、6)，所述连接部分(5、6)布置在所述热交换器(1；1′)的所述第一端处和所述第二端处，
第一传热元件(7；7′)，所述第一传热元件(7；7′)布置在所述第一端附近，用于将热负荷传递到所述至少第一组通道(2)和第二组通道(3)中的流体，以及
第二传热元件(8)，所述第二传热元件(8)布置在所述第二端附近，用于传递来自所述至少第一组通道(2)和第二组通道(3)中的所述流体的热负荷，其特征在于：
所述至少第一组通道(2)和第二组通道(3)的通道(9)具有毛细管尺寸，
布置在所述热交换器(1；1′)的所述第一端处的所述连接部分(5)包括第一流体分配元件(11)，所述第一流体分配元件(11)布置成将流体从所述第一组通道(2)中的一个或更多个预定通道(9)引导到所述第二组通道(3)中的一个或更多个预定通道(9)内，
布置在所述热交换器(1；1′)的所述第二端处的所述连接部分(6)包括第二流体分配元件(21)，所述第二流体分配元件(21)布置成将流体从所述第一组通道(2)中的一个或更多个通道(9)引导到所述第一组通道(2)中的一个或更多个通道(9)内，
所述第一传热元件(7；7′)布置成将所述热负荷传递到所述至少第一和第二组通道(2、3)的所有通道(9)中的流体，以及
所述第二传热元件(8)布置成将所述热负荷传递离开所述至少第一和第二组通道(2、3)的所有通道(9)中的所述流体。
2.根据权利要求1所述的热交换器，其特征在于：所述第一组通道(2)和所述第二组通道(3)分别包括被各自的管(10)的内壁分开的通道。
3.根据权利要求1所述的热交换器，其特征在于：所述第一流体分配元件(11)包括通道(19)，所述通道(19)在位于所述热交换器的一侧上的最外面的一组通道中的一个或更多个预定通道与位于所述热交换器的相对侧上的最外面的一组通道(2)中的一个或更多个预定通道之间提供流体路径。
4.根据权利要求1所述的热交换器，其特征在于：所述第一和第二流体分配元件(11、21)中的至少一个包括彼此上下布置的多个板(12-16；22、23)，并且所述板中的一些板包括用于在所述至少第一和第二组通道(2、3)中的通道(9)之间提供流体路径的开口(17、19；24)。
5.根据权利要求1所述的热交换器，其特征在于：所述第一传热元件(7)包括用于容纳电子部件的第一表面(26)和具有凹槽的第二表面(25)，所述凹槽用于接触所述通道(9)的壁，以将由所述电子部件产生的热传递到所述通道(9)中的所述流体。
6.根据权利要求1所述的热交换器，其特征在于：所述第一传热元件(7′)包括在所述通道(9)的壁之间延伸的翅片，以将热从所述第一传热元件(7′)的周围环境传递到所述通道(9)中的所述流体。
7.根据权利要求1所述的热交换器，其特征在于：所述第二传热元件(8)包括在所述通道(9)的壁之间延伸的翅片，以经由所述翅片将热从所述通道(9)中的所述流体传递到周围环境。
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