CN102980427A

CN102980427A - 热交换器

Info

Publication number: CN102980427A
Application number: CN2012102809115A
Authority: CN
Inventors: 布鲁诺·阿戈斯蒂尼; 马蒂·考拉宁
Original assignee: ABB Research Ltd Switzerland
Current assignee: ABB Schweiz AG
Priority date: 2011-09-06
Filing date: 2012-08-08
Publication date: 2013-03-20
Anticipated expiration: 2032-08-08
Also published as: EP2568789B1; US20130233014A1; US9032743B2; EP2568789A1; CN102980427B

Abstract

本发明涉及一种热交换器（1），包括：蒸发器（2），所述蒸发器（2）具有一对基板（4、5），每个基板具有第一表面（6），使得通道（7、8）从所述蒸发器（2）的第一端部处的歧管（9）延伸至所述蒸发器（2）的第二端部处的歧管（10），一些通道（7）嵌入到所述基板（4、5）中，一些通道（8）布置在所述基板（4、5）的外部；冷凝器（3），所述冷凝器具有通道（17），所述通道（17）从所述冷凝器的第一端部处的歧管（15）延伸至所述冷凝器（3）的第二端部处的歧管（16）；至少一个上升管道（14）和至少一个返回管道（18）。

Description

热交换器

技术领域

本发明涉及一种热交换器并特别地涉及一种适合于在冷却电子设备中使用的改进的热交换器。

背景技术

之前已知一种热交换器，其具有在热交换器的第一和第二端部之间延伸的蒸发器通道和冷凝器通道。在热交换器的相对的端部设置有连接零件，连接零件在蒸发器通道和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部附近，用于将热负载转移至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部附近，用于将来自在所述冷凝器通道中的流体的热负载转移至周围环境。

上述热交换器在冷却例如附接至第一传热元件的电力电子设备方面非常有效。由于热虹吸类型的构造，能够在不需要泵送单元下实现冷却。

但是，上述解决方案的缺点是，热交换器的通道在可发生流体泄漏的地方易受外部损害，由于该地方缺少冷却，这又可导致损坏。另外，难以确保流体在冷凝器和蒸发器中的均匀的分布。

发明内容

本发明的目标是解决上面提到的缺点并提供一种改进的热交换器。该目标通过根据独立权利要求1的热交换器而实现。

使用这样一对基板，该基板的各自的第一表面上具有通道以使得所述板的第一表面转为彼此面对，这种使用导致具有蒸发器的热交换器，该热交换器被在机械方面非常好的保护以免于外部冲击。由于在蒸发器和冷凝器之间的连接，获得了相同的流体分布以及良好的热效率。

本发明的优选的实施方式在从属权利要求中被公开。

附图说明

在下文中，将通过以举例的方式并参照附图，更详细地描述本发明，附图中：

图1示出了热交换器的实施方式；

图2和图3示出了图1的蒸发器的细节；

图4示出了图1的歧管及其连接；

图5示出了图1的冷凝器的细节；以及

图6示出了双相热虹吸的原理。

具体实施方式

图1至图5示出了热交换器1的第一实施方式。热交换器包括蒸发器2，所述蒸发器2用于接收热负载并用于将该热负载传递至蒸发器2的通道中的流体中。流体传递至冷凝器3，流体的热负载被从所述冷凝器3处传递至冷凝器3的周围环境。接着流体从冷凝器3返回至蒸发器2。

图2和图3示出了蒸发器2的细节。蒸发器2具有两个基板4和5，所述基板4和5具有转向为朝着彼此的第一表面6。这样的方案可被用于冷却附接至基板4和5的电子部件，例如，在热交换器1可被用到如变频器或逆变器的电子设备中的情况。两个基板的第一表面6设置有从蒸发器2的第一端部处的歧管9延伸至蒸发器2的第二端部处的歧管10的通道7和8。一些通道7被嵌入到基板4和5中以提供蒸发通道，而剩下的通道8被设于基板4和5的外部以便为从蒸发通道7出来的非汽化的液体提供返回路径。在示出的例子（图1）中，蒸发器2的第二端部（具有歧管10）被设于高于蒸发器的第一端部（具有歧管9）的高度处。

在示出的例子中，通道7和8被布置到管道中，所述管道的内部的和外部的壁将通道7和8彼此分开。在该例子中，通道被设于多个MPE（多端口挤出的）管道之内，MPE管道被部分地布置到制造在基板4和5的表面中的平行的凹槽中。

通道7和8能够是毛细管尺寸。在本文中，“毛细管尺寸”指的是定尺寸成毛细管的大小的通道，这意味着它们具有足够小的尺寸以使得气泡在纵向方向中（换言之，为通道的相对于径向方向的纵向方向中）唯一地生长并因而通过推动流体而产生所谓的气泡升力效应。被考虑为毛细管的通道或管的直径取决于流体或在（沸腾的）内部使用的制冷剂。下面的公式，例如，能够被用于评估适合的直径：D=（σ/（g﹡（ρl-ρv）））^0.5，其中，σ为表面张力，g为重力加速度，ρv为蒸气密度，ρl为液体密度。该公式为R134a（四氟乙烷）、R145a和R1234ze（四氟丙烯）——这是一些适合用于在图中示出的热交换器中的流体的例子——给出的值为1mm至3mm，。

蒸发器的第一和第二端部设置有歧管9和10，歧管9和10将蒸发器的通道7和8彼此连接。在图4中，示出了蒸发器2的第二端部的歧管10的更多细节。类似的歧管9也可被采用于蒸发器的第一端部中。在示出的例子中，歧管10由两个单独的管11和12组成，每个管将一个基板4、5的通道7、8彼此连接。管11和12具有大至等于容纳通道7和8的MPE管道的深度的直径，并且所述管为两列MPE管道中的每一个提供通道。为了确保有效的流体循环以及均匀的流体分布，管11和12通过连通端口13彼此连接，连通端口13允许在管11和12之间的流体连通。理想地，连通端口13被尽可能均匀地分布并且应当有尽可能多的连通端口13。

代替示出的歧管，能够利用由单件组成的歧管，该单件具有零件11、12和13的功能。该歧管允许液体和/或蒸气从通道7、8出来而至上升管道14及返回管道18以及从上升管道14及返回管道18去往通道7、8。歧管形成用于液体回到MPE管的通道中的路径，并且它也形成用于蒸气去往管道14的路径。

图4还示出上升管道14附接于蒸发器2的第二歧管10。由于端口13允许管11和12之间的流体连通，因此仅用一个上升管道将在蒸发器2的第二端部（在图中为上端部）处的歧管10与在冷凝器3的第二端部（在图中为上端部）处的歧管16互连是足够的。但是，为了提供更有效的解决方案，如图1所示，两个上升管道可连接在蒸发器的第二端部处的歧管10与在冷凝器的第二端部处的歧管16之间。歧管10和16以及上升管道14为气体形成从蒸发器2进行至冷凝器3的路径。

例如，如图5中所示出的，冷凝器3包括从在冷凝器3的第一端部的歧管15延伸至在冷凝器3的第二端部的歧管16的通道17。冷凝器17的通道可为毛细管尺寸的，但是，这并不是在所有的实施方式中都是必要的。在图1示出的例子中，冷凝器3的第二端部设于高于冷凝器的第一端部的高度处，此外，冷凝器的第一端部设于高于蒸发器的第二端部的高度处。

在示出的例子中，冷凝器和蒸发器形成倾斜的角度。为了使该系统在没有任何泵的情况下以重力和蒸气工作，冷凝器应当被设于蒸发器之上。另外，冷凝器和蒸发器的位置是自由的。管道14、18的长度和形式也相应地改变。

冷凝器3可通过使用多个平行的管道——如MPE管道（布置为在如图3所示的相似的列中）——而被实施，这些管道的内部和外部的壁将通道17彼此分开。在示出的例子中，冷凝器3已被实施为包括两列这样的管道19：每个列的管道的外壁通过翅片互连以便有效地将热量传导至在通道17之间在它在冷凝器3中通过的路径中通过的空气流中。因此，当流体经由通道17流至在冷凝器3的第一端部处的歧管15时，被引入到在冷凝器3的第二端部处的歧管16中的流体被通过冷凝器的空气或其他气体冷却。歧管15和16可以在图4中示出的相同的方式被实施，换言之，两个单独的管通过连通端口彼此连接。

代替在冷凝器的通道17之间流动的空气或其它适合的气体，热交换器能够为液体对液体的类型，在这种情况中，液体在通道间流动。例如，在专利EP-A1-2282624中已知一种液体冷却的冷凝器。

设于冷凝器3的第一端部（在图中为下端部）的歧管15由返回管道18连接至在蒸发器2的第一端部（在图中为下端部）处的歧管9。由于允许在歧管9和15之间的流体连通的连通端口，单个的返回管道18是足够的。但是，为了提供更有效的解决方案，如图1所示，两个返回管道18可连接至在冷凝器3的第一端部处的歧管15与在蒸发器的第一端部处的歧管9之间。歧管9和15以及管道18为流体形成从冷凝器回到蒸发器的路径。

图6示出双相热虹吸的原理。图1中示出的热交换器可根据该原理操作。

容纳在通道中的流体在蒸发器20中被加热，以便引起蒸气经由歧管21进行至冷凝器22。在冷凝器处，热负载被传递至周围并且由此产生的液体经由第二歧管23返回到蒸发器20。

在示出的例子中，热交换器由铝制成。所有的零件被切割、滚轧、弯曲和/或挤出。蒸发器和冷凝器由钎焊工艺分别制造，管道14和18通过焊接附接至蒸发器和冷凝器。但是，应当注意到，存在许多的变型方案。

该材料能够是除了铝的其它材料。一般能够使用铜。但是，也能够使用其它的材料，并且在不同的零件中能够使用不同的材料。通常，适合于使用的材料具有良好的热传导性。

可用许多不同的制造方法来制造这些零件，并且可用不同的方式完成组装，而不限于钎焊和焊接。根据制造和组装方法，零件的数量可不同于示出的例子中的数量。

在示出的例子中，管道和通道的主要形状是圆形的。自然地，根据制造方法，该形状也可以是不同的。

应当理解的是，上文的说明和附图仅仅意在描述本发明。对本领域的技术人员而言明显的是，本发明在不背离发明范围的情况下可作变化和改进。

Claims

1.一种热交换器（1），包括：

蒸发器（2），用于接收热负载，

冷凝器（3），用于将热负载传递至周围环境，以及

管道，所述管道将所述蒸发器（2）和所述冷凝器（3）彼此连接，以便在所述蒸发器和所述冷凝器之间传递流体，其特征在于：

所述蒸发器（2）包括一对基板（4、5），每个基板均具有第一表面（6），使得通道（7、8）从位于所述蒸发器（2）的第一端部处的歧管（9）延伸至位于所述蒸发器（2）的第二端部处的歧管（10），一些通道（7）嵌入到所述基板（4、5）中，而一些通道（8）布置在所述基板（4、5）的外部，

所述蒸发器（2）的所述一对基板（4、5）布置为使得它们各自的第一表面（6）朝向彼此，

所述冷凝器（3）包括通道（17），所述通道（17）从位于所述冷凝器的第一端部处的歧管（15）延伸至位于所述冷凝器（3）的第二端部处的歧管（16），

所述热交换器（1）包括至少一个上升管道（14），所述至少一个上升管道（14）将位于所述蒸发器（2）的第二端部处的所述歧管（10）连接至位于所述冷凝器（3）的第二端部处的所述歧管（16），并且

所述热交换器（1）包括至少一个返回管道（18），所述至少一个返回管道（18）将位于所述冷凝器（3）的第一端部处的所述歧管（15）连接至位于所述蒸发器（2）的所述第一端部处的所述歧管（9）。

2.根据权利要求1所述的热交换器，其特征在于，所述蒸发器（2）和所述冷凝器（3）中的至少一个具有毛细管尺寸的通道（7、8、17）。

3.根据权利要求1所述的热交换器，其特征在于，所述蒸发器（2）的至少所述第一端部或所述第二端部包括由两个单独的管（11、12）组成的歧管（9、10），所述两个单独的管每一个将一个基板（4、5）的通道（7、8）的端部彼此互连，所述两个单独的管（11、12）通过连通端口（13）彼此连接，所述连通端口（13）允许在所述两个单独的管（11、12）之间的流体连通。

4.根据权利要求1所述的热交换器，其特征在于，所述的一对基板（4、5）各自的第一表面（6）的所述通道（7、8）被布置到管道中，所述管道的内壁将所述通道（7、8）彼此分开，所述管道部分地穿入到所述基板（4、5）的第一表面（6）中。

5.根据权利要求1所述的热交换器，其特征在于，所述冷凝器（3）的所述通道（17）被布置到管道中，所述管道的内壁和外壁将所述通道（17）彼此分开。

6.根据权利要求5所述的热交换器，其特征在于，所述冷凝器（3）包括在所述管道的壁之间延伸的翅片。

7.根据权利要求5或6所述的热交换器，其特征在于，所述冷凝器（3）包括至少两列管道（19），所述至少两列管道（19）的内壁和外壁将所述通道（17）彼此分开，所述冷凝器（3）的至少所述第一端部或第二端部包括由两个单独的管（11、12）组成的歧管（15、16），所述两个单独的管每一个将其中一列所述管道的通道（17）彼此互连，所述两个单独的管（11、12）通过连通端口（13）彼此连接，所述连通端口（13）允许在所述两个单独的管之间的流体连通。

8.根据权利要求1所述的热交换器，其特征在于，所述热交换器（1）包括两个上升管道（14），所述两个上升管道（14）将位于所述蒸发器（2）的第二端部处的所述歧管（10）的相对的端部连接至位于所述冷凝器（3）的所述第二端部处的所述歧管（16）的相对的端部，并且所述热交换器包括两个返回管道（18），所述两个返回管道（18）将位于所述冷凝器（3）的第一端部处的所述歧管（15）的相对的端部连接至位于所述蒸发器（2）的第一端部处的所述歧管（9）的相对的端部。

9.根据权利要求1所述的热交换器，其特征在于，所述热交换器（1）包括两个上升管道（14），所述两个上升管道（14）将位于所述蒸发器（2）的上端部处的所述歧管（10）的相对的端部连接至位于所述冷凝器（3）的上端部处的所述歧管（16）的相对的端部，并且所述热交换器包括两个返回管道（18），所述两个返回管道（18）将位于所述冷凝器（3）的下端部处的所述歧管（15）的相对的端部连接至位于所述蒸发器（2）的下端部处的所述歧管（9）的相对的端部。

10.根据权利要求1所述的热交换器，其特征在于，位于所述蒸发器（2）的第二端部处的所述歧管（10）设置在高于位于所述蒸发器（2）的第一端部处的所述歧管（9）的高度，并且位于所述冷凝器（3）的第二端部处的所述歧管（16）设置在高于位于所述冷凝器（3）的第一端部处的所述歧管（15）的高度。

11.根据权利要求1所述的热交换器，其特征在于，冷却气或冷却液在所述冷凝器的所述通道（17）之间传递。

12.根据权利要求1所述的热交换器，其特征在于，所述热交换器（1）包括：

两个上升管道（14），右手上升管道（14）将位于所述蒸发器（2）的第二端部处的所述歧管（10）的右端部连接至位于所述冷凝器（3）的第二端部处的所述歧管（16）的右端部，而左手上升管道（14）将位于所述蒸发器（2）的第二端部处的所述歧管（10）的左端部连接至位于所述冷凝器（3）的第二端部处的所述歧管（16）的左端部，

两个返回管道（14），右手返回管道（18）将位于所述蒸发器（2）的第一端部处的所述歧管（9）的右端部连接至位于所述冷凝器（3）的第一端部处的所述歧管（15）的右端部，而左手返回管道（18）将位于所述蒸发器（2）的第一端部处的所述歧管（9）的左端部连接至位于所述冷凝器（3）的第一端部处的所述歧管（15）的左端部。

13.根据权利要求1所述的热交换器，其特征在于：

在所述蒸发器（2）中，位于所述第二端部处的所述歧管（10）设置为高于位于所述第一端部（9）处的所述歧管，一些通道（7）是嵌入到所述基板（4、5）中的蒸发通道，并且一些通道（8）布置在所述基板（4、5）的外部以为从所述蒸发通道出来的非汽化的液体提供返回路径，

在所述冷凝器（3）中，位于所述第二端部处的所述歧管（16）设置为高于位于所述第一端部处的所述歧管（15），并且

位于所述冷凝器（3）的第一端部处的所述歧管（15）设置在高于位于所述蒸发器（2）的第二端部处的所述歧管（10）。