CN106338211A - 热交换器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及热交换器(1)包括：基板(2)，其用于接收来自一个或多个电气构件(3)的热负载；蒸发器(5)，其与基板(2)的表面处于热接触，以将所述热负载在蒸发器通道(7)中传递到第一流体；和冷凝器(8)，其消散来自第一流体的热。为了提供高效热交换器，热交换器包括收集空间(16)，其接收来自冷凝器(8')的第一流体，并且定位成高于蒸发器通道(7)的下端的收集空间(16)与蒸发器通道(7)的下端处于流体连通，以将接收自冷凝器(8)的第一流体传送到蒸发器通道(7)的下端。

Description

热交换器
技术领域
本发明涉及热交换器，且更具体地涉及冷却电气构件的热交换器。
背景技术
之前已知散热器接收来自电气构件的热且将接收的热消散到环境中。这种解决方案的问题在于冷却能力不够。
之前还已知热交换器包括基板，用于接收来自一个或多个电气构件的热负载。具有蒸发器通道的蒸发器与基板处于热接触，以将热负载在蒸发器通道中传递到流体。提供具有冷凝器通道的冷凝器来接收来自蒸发器通道的经加热流体。冷凝器将来自冷凝器通道中的流体的热消散到环境。
上面描述的热交换器用来通过将冷凝器和蒸发器布置成直立位置，使得冷凝器的最下部部分定位在比蒸发器的最上部部分更高的高度，来提供两相冷却。
为了使用散热器对现有装置提供更高效的冷却，将有利的是，上面提到的散热器可用更高效的热交换器替代，如上面提到和描述的那样。但是，已知热交换器的形状和大小使得这个成问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种热交换器，其能够给电气构件提供更高效和足够的冷却且具有的形状和大小使得能够在各种装置中使用热交换器，诸如在现有装置中，代替之前安装的散热器。这个目的利用根据独立权利要求1的热交换器和根据独立权利要求14的功率模块实现。
附图说明
在下面，将借助于示例且参照附图更详细地描述本发明，
图1和2示出热交换器的第一实施例，以及
图3和4示出热交换器的第二实施例。
具体实施方式
图1和2示出热交换器的第一实施例，其提供两相冷却。图1示出热交换器1的外部视图而图2示出热交换器1在移除壳体的一些部分之后的内部。在下面的阐述中，将以示例的方式假想，示出的热交换器为提供对流冷却的环型热虹吸，这也称为有限空间沸腾，并且比池沸腾具有更高的总热效率。
热交换器1包括基板2，其具有第一表面，以接收来自一个或多个电气构件3的热负载。一个备选方案在于，一个或多个电气构件3附连到基板的第一表面4，如示出的示例中那样。
蒸发器5具有管36，其具有内纵向壁6，内纵向壁6将管36分成蒸发器通道7，蒸发器5与基板的第二表面处于热接触，以将基板2接收的热负载在蒸发器通道7中传递到第一流体中。管36可为由例如铝挤制的MPE管(多端口挤制)。在示出的示例中，多个这种扁平管36沿着基板2的第二表面抵靠彼此而堆叠，以彼此平行，使得管36的蒸发器通道7彼此平行地延伸，这确保蒸发器能处理高热通量密度。在示出的示例中，基板的第二表面为与第一表面4相反的表面。蒸发器通道7中的流体接收的热使第一流体蒸发，并且向上移动到蒸发器通道7的上端32。蒸发器通道的上端32表示有利于流体流出蒸发器通道的上部开口所处的位置。
热交换器还包括具有冷凝器通道9的冷凝器8，冷凝器通道9具有上端33，以接收来自蒸发器通道7的上端32的第一流体。冷凝器通道9的上端33的竖向高度大体与蒸发器通道7的上端32的高度相同。“大体”表示一种解决方案，其中冷凝器通道9的上端33和蒸发器通道7的上端32大致在相同高度，但是对于实际设计，可存在略微的高度差异。
在示出的示例中，基板2的上端37的竖向高度高于冷凝器通道9的上端33的竖向高度或与之相同。冷凝器通道9的上端33表示冷凝器通道9的有利于流体流到冷凝器通道9中的上部开口所处的位置。
在图2中，基板2的上端37位于与蒸发器通道7的上端32相同的竖向高度。但是，在其它实施方式中，基板的上端可位于低于蒸发器通道的上端的高度，或备选地，在高于蒸发器通道的上端的高度。在实践中，基板可一直延伸到顶部23的内表面，使得基板的上端37接触或几乎接触顶部23的内表面。
冷凝器8传递来自第一流体的热，使得发生冷凝，并且第一流体在冷凝器中返回到液体状态。为了有利于消散，热交换器设有用于第二流体11的流通道10。在示出的示例中，以示例的方式假想，第二流体11为空气，其从壳体12的底部中的入口引入两个流通道10，并且通过壳体12的顶部23中的出口13从流通道排出。自然，在一些实施方式中，第二流体的流方向可为相反的。在示出的示例中，冷凝器以三个波状板实现，其布置在三个不同的位置14，换句话说，在流通道10的两侧，并且还在流通道10的不漏的壁之间的空间中。流通道10设有翅片15，以使热消散更高效。
热交换器1设有收集空间16，其接收来自冷凝器8的第一流体。在示出的实施例中，收集器布置在低于冷凝器的高度，以接收来自多个冷凝器通道9的下端35的第一流体。因此，利用适当的管道，可收集来自冷凝器的不同的部分的第一流体。收集空间16与蒸发器通道7的下端34处于流体连通17，以将接收自冷凝器通道8的下端35的第一流体传送到蒸发器通道7的下端34。在示出的示例中，这个流体连通17利用返回管29实现，返回管29提供单个流通道，用于由于重力而移动向蒸发器的液体。冷凝器通道9的下端35表示有利于流体流出冷凝器通道9且进入收集空间16的下部开口所处的位置。蒸发器通道的下端34表示有利于流体流到蒸发器通道7中的下部开口所处的位置。
如特别在图2中可看出的那样，蒸发器5和冷凝器8布置成沿着彼此在基本直立位置，使得蒸发器通道7的上端32和冷凝器通道9的上端33大致在相同竖向高度。在实践中，轴线冷凝器可完全位于蒸发器的上端和下端之间的高度，备选地其小部分(诸如长度的不到10%)可位于蒸发器的上端的高度上方。但是，蒸发器5比冷凝器8更长。冷凝器的总长度(在竖向方向上)可为蒸发器的总长度的大约一半。因此，蒸发器通道7的下端34位于冷凝器通道9的下端35的高度的下面。这确保，在处于液体状态的第一流体在热交换器1的下部部分中积聚到由线18示出的高度的情况下，例如，冷凝器通道9在这种情况下不被处于液体状态的第一流体淹没，而是相反，仅包含蒸气，并且在那个特定时刻向下通过冷凝器通道9移动向收集空间16的量的处于液体状态的第一流体。这种未淹没的冷凝器利用其整个表面区域高效地消散热。
冷凝器8的尺寸可设置成使得在液体状态下通过收集空间16从冷凝器8返回到蒸发器5的第一流体为饱和的且不过冷。这确保，一旦热在蒸发器5中传给它，其将立刻开始沸腾。这有助于确保基板2的温度在基板2的整个表面区域上保持大致恒定，并且在蒸发器通道7内实现高效的气泡泵作用。为了确保这一点，蒸发器通道7优选为毛细大小的通道。在这个背景下，“毛细大小”表示一种通道，其具有足够小的大小，以便气泡仅在纵向方向上生长(换句话说，在通道的纵向方向上，与径向方向相反)且从而通过将液体推向上而产生所谓的气泡升力。被看作毛细管的通道的直径依赖于在内部使用(沸腾)的第一流体或制冷剂。例如，以下公式可用来估计适当的直径：D=(sigma/(g*(rhol-rhov)))^0.5，其中sigma为表面张力，g为重力加速度，rhol为气体密度而rhov为液体密度。对于杜邦公司在商标“Freon”下销售的普遍使用的流体，例如，典型地这种毛细通道的内直径为大约1.5mm。因此，气泡将沿着通道方向仅朝着最低压力点生长，并且因此将液体向上推到蒸发器通道7的顶部。
不是通过管道在蒸发器通道7的上端32和冷凝器通道9的上端33之间提供流体路径，而是室19设置在热交换器1的上端中。在示出的示例中，这个室19通过设置不漏流体的壁20的尺寸来形成，壁20分开热交换器1的壳体12的第一区段21与热交换器1的壳体的第二区段22，使得这个不漏的壁20不一直到达壳体12的顶部23。因此形成在容纳蒸发器5的第一区段21和容纳冷凝器8的第二区段22之间提供流体路径的室19。使用这种室19在蒸发器通道7的上端32和冷凝器通道9的上端33之间提供流体路径的优点在于，最小化压力损失，并且处于蒸气状态的第一流体均匀地分布在冷凝器中。室19可容易地尺寸设置成足够大，使得其提供的横截面流通面积大于例如所有蒸发器通道7的上端32的组合的横截面流通面积。
如根据上面的阐述清楚的那样，第一流体在不漏流体壳体内进行流体循环，而不需要使用泵。因为重力用于使处于液体状态的冷凝的第一流体从冷凝器返回到蒸发器，所以热交换器1在使用期间需要处于基本直立位置。示出的热交换器可由金属板、杆和挤制管制造，它们切割成适当的尺寸且通过例如硬钎焊附连到彼此上。由于这个原因，热交换器的制造成本可保持较低并且热交换器可制造成期望尺寸，诸如以替代现有电气柜中的传统的散热器，其中冷却仅基于将热消散到空气流中，而不需要使用在散热器内循环的任何冷却流体。
图3和4示出热交换器1'的第二实施例。第二实施例非常类似于结合图1和2阐述的实施例。因此，在下面，图3和4的实施例将主要通过指出在这些实施例之间的差异而阐述。
图3示出热交换器1'的外部视图而图4示出热交换器1'在移除壳体的一些部件之后的内部。而且热交换器1'的下部部分从图4中省去。
类似于在之前的实施例中，热交换器1'包括接收来自一个或多个电气构件3的热的基板2，以及多个MPE管，MPE管抵靠彼此而堆叠，以为蒸发器5提供蒸发器通道7。在这个实施例中，冷凝器8'实施成包括多个组件24'。各个组件包括一对板25'，间隔件元件26'沿着板25'的边缘布置，以使板保持彼此隔开一距离。因此间隙设置在各对板25'之间。由板25'和间隔件元件26'限定的这个间隙提供冷凝器通道9'。为了增强接触第一流体的表面区域，偏移条27'可布置在这个间隙中，如图4中示出。这些偏移条27'可用于打破液体层，从而减小与液体膜的厚度成比例的冷凝热阻。
各个组件24'的上前端中的间隙31' (通过移除空间元件26'的一部分)允许来自蒸发器通道7的上端32'的第一流体进入冷凝器通道9'，冷凝器通道9'由板25'、间隔件元件26'和偏移条27'提供。类似地，各个组件24'的下前端中的间隙28' (通过移除空间元件26'的一部分)允许第一流体离开冷凝器通道9'和进入收集空间16'。
从图4可看到，蒸发器通道7与间隙31'对准，使得离开蒸发器通道7的流体基本与冷凝器通道9'的入口(间隙31')成直线。这最小化压降。自然，在一些实施例中，不一定所有蒸发器通道与冷凝器通道的入口对准。从图4还可看到，冷凝器通道9'的上端33'在大体与蒸发器通道7的上端32'的高度相同的竖向高度上。由于冷凝器通道的设计的原因，冷凝器通道可略微延伸高于蒸发器通道7的上端32'的高度，但是，这个高度差是较小的。
在图3和4的实施例中，收集空间16'和蒸发器通道(未示出在图4中)的下端35' 之间的流体连通17'以管29'实现。因此，不是如图1和2的实施例中那样提供单个单独的返回管，而是额外层的MPE管可堆叠在管36'上，从而提供蒸发器通道7，并且堆叠在基板的第二表面上，并且这个额外层的管29'用作返回管，提供从收集空间16'到蒸发器通道7的下端的流体连通17'。这种解决方案的优点在于，不需要单独的返回管位于壳体12的外部，如图1中示出，而是用作返回管的管29'也可封闭到热交换器的壳体12'中，实际上封闭在第一区段21'中，如图3中可看到的那样。
类似于图1和2的实施例中那样，具有翅片15'的流通道10'设置成通过冷凝器8'，以允许第二流体11穿过冷凝器8'，使得热可从冷凝器8'消散到第二流体11'，第二流体11'可为空气。在图3和4的实施例中，这些流通道10位于组件24'之间，组件24'通过间隔杆30'彼此分开。
在图4中，基板2不一直延伸到蒸发器通道7的上端32'，以在这个图中更清楚地示出蒸发器的上端。但是，在许多实施方式中，有利的是使用一直延伸到蒸发器通道7的上端32'的基板2，在这种情况下，基板2的上端37与蒸发器通道7的上端32'在相同竖向高度上。基板10可甚至延伸超过蒸发器通道7的上端32'，使得其接触或几乎接触顶部23'的内表面。
要理解，上面的描述和附图仅意图示出本发明。对于本领域技术人员将显而易见的是，可改变和修改本发明，而不脱离本发明的范围。

Claims (14)

1.一种环热虹吸型的热交换器(1，1')，包括：
基板(2)，其具有第一表面(4)，以接收来自一个或多个电气构件(3)的热负载，
具有蒸发器通道(7)的蒸发器(5)，所述蒸发器与所述基板(2)的第二表面处于热接触，以将所述热负载在所述蒸发器通道(7)中传递到第一流体，
具有冷凝器通道(9，9')的冷凝器(8，8')，所述冷凝器通道(9，9')具有上端(33，33')，以接收来自所述蒸发器通道(7)的上端(32，32')的第一流体且在所述冷凝器通道(9，9')中消散来自所述第一流体的热，以及
收集空间(16，16')，其用于接收来自所述冷凝器(8，8')的第一流体，其中所述收集空间(16，16')定位成高于所述蒸发器通道(7)的下端(34，34')且与所述蒸发器通道(7)的下端(34，34')处于流体连通，
其特征在于，所述蒸发器(5)设有管(36，36')，其具有内纵向壁，从而将所述管(36，36')分成所述蒸发器通道(7)，以及
其中所述蒸发器(5)包括多个所述管(36，36')，其沿着所述基板(2)的第二表面抵靠彼此而堆叠，以彼此平行，使得所述管(36，36')的蒸发器通道(7)彼此平行地延伸，以及
其中从所述冷凝器(8，8')接收到所述收集空间(16，16')的第一流体在所述热交换器(1，1')的运行状态中传送到所述蒸发器通道(7)的下端(34，34')，以及
其中所述热交换器(1，1')包括在所述热交换器(1，1')的上部部分中的室(19)，其与所述蒸发器通道(7)的上端(32，32')和所述冷凝器通道(9，9')的上端(33，33')处于流体连通，以将所述第一流体从所述蒸发器(5)传送到所述冷凝器(8，8')。
2.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(1，1')包括在所述热交换器(1，1')的上部部分中的室(19)，其与所述蒸发器通道(7)的上端(32，32')和所述冷凝器通道(9，9')的上端(33，33')处于流体连通，以将第一流体从所述蒸发器传送到所述冷凝器。
3.根据权利要求2所述的热交换器，其特征在于，将第一流体从所述蒸发器传送到所述冷凝器的所述室(19)的横截面流通面积大于所有所述蒸发器通道(7)的上端(32，32')的组合的横截面流通面积。
4.根据权利要求1到3中的任一项所述的热交换器，其特征在于，所述热交换器(1，1')包括用于第二流体(11)的流通道(10，10')，其与所述冷凝器(8，8')处于热接触，以接收消散自所述第一流体的热。
5.根据权利要求1到4中的任一项所述的热交换器，其特征在于，
所述热交换器(1，1')被不漏的壳体(12，12')封闭，所述不漏壳体(12，12')具有第一区段(21，21')，其中所述基板(2)和所述蒸发器(7)以竖向位置布置，以及所述不漏壳体(12，12')具有第二区段(22)，其中所述冷凝器(8，8')以竖向位置布置，
所述收集空间(16，16')位于低于所述冷凝器(8，8')的高度处，
返回管(29，29')从所述收集空间(16，16')延伸到所述第一区段(21，21')的底部部分，以在所述冷凝器(8，8')和所述蒸发器通道(7)的下部部分之间提供流体连通(17)，以及
用于第二流体(11)的流通道(10，10')具有不漏流体的壁且在竖向方向上延伸通过所述第二区段(22，22')。
6.根据权利要求5所述的热交换器，其特征在于，从所述收集空间(16，16')延伸到所述第一区段(21，21')的底部部分的所述返回管(29，29')在所述不漏壳体(12，12')内延伸。
7.根据权利要求5或6所述的热交换器，其特征在于，所述返回管(29')为具有内纵向壁的管，所述内纵向壁将所述管分成通道。
8.根据权利要求4到7中的任一项所述的热交换器，其特征在于，所述第二流体(11)为空气，并且所述流通道(10，10')设有翅片(15，15')，以将热消散到流过所述流通道的空气。
9.根据权利要求1到8中的任一项所述的热交换器，其特征在于，所述冷凝器通道(8')由包括成对的板(25')的组件(24')提供，其中间隔件元件(16')使所述板(25')彼此分开，以便提供由所述板(25')和所述间隔件元件(26')限定的冷凝器通道。
10.根据权利要求1到9中的任一项所述的热交换器，其特征在于，所述冷凝器(8，8')的长度小于所述蒸发器(5)的长度。
11.根据权利要求1到10中的任一项所述的热交换器，其特征在于，
所述蒸发器通道(7)的上端(32')与所述冷凝器通道(9')的上端(33')中的间隙(31')对准，这允许流体从所述蒸发器通道(7)进入所述冷凝器通道(9')。
12.根据权利要求1到11中的任一项所述的热交换器，其特征在于，所述冷凝器通道(9，9')的上端(33，33')在大体与所述蒸发器通道(7)的上端(32，32')的竖向高度相同的竖向高度上。
13.根据权利要求1到12中的任一项所述的热交换器，其特征在于，所述基板(2)的上端(37)在高于所述冷凝器通道(9，9')的上端(33，33')的竖向高度或与之相同的竖向高度上。
14.一种功率模块，包括一个或多个电气构件(3)，其在热方面连接到至少一个根据权利要求1到13中的任一项所述的热交换器(1，1')的基板(2)上。
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