CN106341971A - 冷却设备和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及冷却设备，其包括基板(10)、蒸发器(1)和冷凝器(14)。为了获得简单和高效的冷却设备，蒸发器(1)为多孔铝蒸发器，其具有毛细结构，该毛细结构具有孔，以及在蒸发器的第二端(8)和第一端(7)之间延伸通过蒸发器(1)的多个大尺寸蒸发器通道。沿着蒸发器(1)的第二表面(16)延伸的补偿室(2)接收来自冷凝器(14)的第一流体，使得通到蒸发器(1)的第二表面(16)中的孔被提供第一流体。

Description

冷却设备和方法
技术领域
本发明涉及冷却设备和制造冷却设备的方法。
背景技术
电气装置的趋势一直是，装置的尺寸应当制造得越来越小，同时装置变得越来越高效，这导致具有较高功率密度的装置。由于这一点出现的一个问题在于提供足够的冷却，以便避免由于运行温度过高而产生的问题。传统的散热器将热消散到周围空气中不能够满足所有实现中的要求。
之前，已知冷却设备，其包括蒸发器和冷凝器。蒸发器将热负载接收到第一流体中，并且将这个第一流体传送到冷凝器，冷凝器将热负载消散到周围。
但是上面提到的已知设备提供的属性仍然不是最佳的。
发明内容
本发明的目标是提供一种冷却设备，其能够提供高效和足够的冷却。这个目标利用根据独立权利要求1的冷却设备、根据独立权利要求13的功率模块和根据独立权利要求14的制造方法实现。
蒸发器包括多孔铝，其具有毛细结构，毛细结构具有多个毛细孔和多个较大蒸发器通道，使用该蒸发器使得能够容易获得具有良好的冷却属性且可有利地用于各种实施方式中的冷却设备。在这方面，用语"铝"不仅表示纯铝，而且还表示各种铝合金，制造这种冷却设备的备选方案在于使用3D打印来制造蒸发器或其一部分。照这样，具有适当和高效结构的蒸发器可以成本高效的方式获得。
附图说明
在下面，将以示例的方式且参照附图来更详细地描述本发明，其中
图1到4示出冷却设备和制造冷却设备的方法的第一实施例，
图5到8示出冷却设备的尺寸设置，以及
图9示出蒸发器。
具体实施方式
图1到4示出冷却设备和制造冷却设备的方法的第一实施例。在以下阐述中，作为示例而假设，冷却设备为CLHP(毛细环热管)，其通过使用薄膜蒸发而提供冷却。图1示出蒸发器1的多孔结构，其另外可包括其它部分，图2示出蒸发器1结合补偿室2而使用，图3为冷却设备3的外部视图，而图4示出冷却设备3的细节，其中壳体4被移除。
图1中示出的蒸发器1可例如使用3D打印机制造。一个备选方案为用可硬钎焊铝来3D打印蒸发器1。这个可硬钎焊铝材料可实际上由铝合金构成，换句话说，铝和其它材料的混合物。这使得能够获得毛细多孔结构，其在蒸发器3的整个结构中具有微孔。另外，蒸发器提供高热传递面积，这使得能够处理高热通量密度。为了确保处于蒸气状态的流体可高效传播通过蒸发器，蒸发器设有蒸发器通道6，其通过蒸发器1从蒸发器1的第二端8延伸蒸发器7的第一端。蒸发器1的第二端8处于流体可从蒸发器通道6的最下部部分进入蒸发器通道6所处的位置处，如图2中示出，并且蒸发器的第一端在流体可从蒸发器1的最上部部分离开蒸发器通道6所处的位置，如图4中示出。蒸发器通道6具有比孔5大的尺寸，诸如直径。虽然孔的尺寸称为孔直径，但是这不表示孔必须是圆形的。实际上，在同一蒸发器中的单个孔的形状和尺寸可改变。
从图1中可看到，蒸发器通道6位于示出的蒸发器1的中间部分中，换句话说，不在第一表面9或第二表面16中(如示出在图9中的蒸发器中)，而是嵌入第一表面9和第二表面16之间的位置处。用语"嵌入"表示一种解决方案，其中蒸发器通道6位于蒸发器1的材料内且不通往蒸发器的第一表面9或第二表面16。可通过3D打印获得的这种解决方案的优点在于，较大的第一表面9保持完整(除了孔5)，以便热传递，使得热可高效传递到蒸发器7。还可行的是，将蒸发器通道6布置成若干层，换句话说，将它们嵌入第一表面9和第二表面16之间的不同的深度处，如图1中示出。这使得能够对于蒸发器通道6获得较大总横截面流动面积。
为了使用蒸发器1制造冷却设备，示出在图2中的补偿室2可投入使用。在图2中，蒸发器布置成使得第一表面9与基板10的表面处于热接触。一旦基板10接收来自一个或多个电气构件11的热负载，则热负载传递到存在于蒸发器1中的第一流体。热负载使蒸发器1的管芯中的第一流体蒸发。由蒸气压力驱动，第一流体作为蒸气12通过笔直蒸发器通道6而流向冷凝器14。
仅冷凝器14的第二端15示出在图2中。冷凝器的第二端15在流体可离开冷凝器和进入补偿室所处的位置。在冷凝器14中，第一流体冷凝成液体13，其进入补偿室2。蒸发器1管芯表面中的液体/蒸气界面(弯月面)产生的毛细压力提供泵送力，这确保第一流体在冷却设备内循环，而不管使用的冷却设备的定向。因此，冷却设备用作定向自由的毛细环热管。因此冷却设备容易实现成产品。
从冷凝器14的第二端15获得的液体13进入补偿室2。在补偿室2中，毛细力将第一流体以液体13状态沿着蒸发器1的第二表面16泵送。这确保蒸发器1的接收来自基板10的热的区域的永久性湿润。通到蒸发器1的第二表面16中的孔5被提供第一流体。进入孔5的流体由毛细力在大体垂直于蒸发器通道6的方向的方向上移动得更深入蒸发器1的结构，如箭头17所示出。因此，补偿室2用作液体存储器，确保第一流体以液体状态足够地供应到蒸发器1。
图1中示出且在图2中示出的冷却设备中使用的蒸发器1可制造成使得孔的孔隙率(换句话说，尺寸)在第一端7和第二端8之间改变。这使得能够主动地操纵和控制通过整个蒸发器的均匀和最佳流。一个备选方案在于，与位于第二端8附近的孔的尺寸(即，它们更靠近第二端8)相比，孔在第一端7附近(即，它们更靠近第一端7)较狭窄且因此具有较小尺寸。照这样，对于第一流体在第一端7处产生更多的阻力，这促进第一流体沿着补偿室2流向第二端8。当通过3D打印进行制造时，在孔隙率方面的这种变型容易获得，如之前所阐述。
图3为冷却设备3的外部视图。从示出在图3中的壳体的形状4可看到，冷却设备3包括第一区段18，其容纳基板10、电气构件11、蒸发器1和补偿室2。冷却设备3的第二区段19包括冷凝器14和用于第二流体36的流通道21。流通道32允许第二流体36(诸如空气)通过冷却设备3的第二区段19，从壳体4的底部部分中的入口流到壳体4的顶板20中的出口。自然，在其它实施方式中流方向可不同。流通道32与冷凝器14处于热接触，以接收从第一流体消散的热。
图4为冷却设备的简化图，其示出冷却设备3的细节，其中壳体4被移除。在图4中，冷却设备3的下部部分未显示。但是，这些下部部分如图2中示出的那样实施。图4中示出的冷却设备3的上部部分以及图2中示出的冷却设备的下部部分形成CLHP。因而CLHP为不依赖于定向的，示出的设备可以任何定向安装和使用，甚至上下颠倒，冷凝器14相对于地球重力的作用方向在底部处，并且尽管如此，获得第一流体的充分循环，以实现高效冷却。
在图4中，基板10不一直延伸到蒸发器1的第一端7，以便在这个图中更清楚地示出蒸发器的第一端。但是，在许多实施方式中，有利的是使用一直延伸到蒸发器7的第一端的基板。基板10可甚至延伸超过蒸发器1的第一端7，使得其接触或几乎接触顶板20的内表面。
不是经由管在蒸发器1的第一端7和冷凝器14的第一端21之间提供流体路径，而是室22设置在设备3的第一端中。在示出的示例中，由壳体4、蒸发器和冷凝器限定的这个室22示出在图3中，并且其位置在图4中示出。这个室22在包含蒸发器1的第一区段18和包含冷凝器的第二区段19之间提供流体路径。使用这种室22来在蒸发器1的第一端7和冷凝器14的第一端21之间提供流体路径的优点在于最大程度地减小压力损失。室22可容易地尺寸设置成足够大，使得其提供的横截面流动面积例如与蒸发器通道6的总横截面流动面积大致相同或更大。冷凝器14的第一端21在流体可从室22进入冷凝器所处的位置。
在示出的实施例中，冷凝器14实施成包括多个组件24。各个组件包括成对的板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。因此第一间隙设置在各对板25之间。由板25和间隔件元件26限制的这个第一间隙形成冷凝器通道23。为了增强接触第一流体的表面面积，偏移条27、翅片或任何其它冷凝增强结构可布置在这个第一间隙中，如图4中示出。可利用偏移条27或类似结构获得的优点在于，这些会打破液体层，从而减小冷凝热阻力，这与液体膜厚度成比例。
各个组件24的第一前端中的第二间隙31(通过移除空间元件26的一部分)允许来自蒸发器1的第一端7的第一流体进入冷凝器通道23，冷凝器通道23设置为板25、间隔件元件26和偏移条27之间的第一间隙。类似地，各个组件24的第二前端中的第三间隙28(通过移除间隔件元件26的一部分)允许第一流体离开冷凝器14的冷凝器通道23和进入补偿室2。
流通道32设有翅片33且延伸通过冷凝器14，以允许第二流体36传送通过冷凝器14。在示出的实施例中，这些流通道32位于组件24之间，它们由间隔件杆30彼此分开。
示出的冷却设备可由3D打印的蒸发器、金属板和杆制造，它们切割成适当的尺寸且通过例如硬钎焊、软钎焊或类似技术附连到彼此上。在实践中，例如在炉中，在单个钎焊步骤中，能够以机械的方式使冷却设备的构件彼此连接。由于这个原因，设备的制造成本可保持较低，并且具有高的热性能的设备可制造成期望尺寸，以替代现有电器柜中的传统的散热器。
图5到8示出图1到4中示出的冷却设备的尺寸。
为了足够高效地工作，必须产生毛细压力，以将第一流体泵送通过蒸发器，第一流体必须流过孔，摩擦压力损失尽可能小，并且蒸发器必须允许热在多孔结构的主体中高效消散。为了满足这些要求和获得高效冷却设备，需要适当地确定蒸发器的尺寸。
图5示出压力和孔直径之间的依赖性。在图6中，曲线图34示出孔隙率和压力之间的依赖性，而曲线图35示出孔隙率和导热率之间的依赖性。图7示出通道数量N(图1中示出的通道N)和压力之间的依赖性。图8示出通道直径和压力之间的依赖性。
对于普遍在电气装置的冷却设备中使用的第一流体，蒸发器的适当的尺寸为大约75%孔隙率，孔尺寸为大约15微米，通道的数量N为50而通道直径为1.5毫米×1.5毫米。利用这样的尺寸，适于使用的第一流体为例如R245fa(1,1,1,3,3-五氟丙烷)。
图9示出蒸发器的备选实施例。图9的实施例非常类似于之前阐述的实施例。因此将主要通过指出与之前的实施例的差异来阐述图9的实施例。
在图9中，示出蒸发器1'和附连到蒸发器1'的第一表面9上的基板10的端视图。从图9可看到，通到蒸发器1'的端表面的蒸发器通道6布置成不同于之前的实施例。最上层的蒸发器通道6布置成蒸发器1'的第一表面9中的凹槽，而最下层的蒸发器通道6嵌入第一表面9和第二表面16之间的位置处。这个的结果是，基板10和蒸发器9之间的接触面积小于之前的实施例。这个的原因是，上部表面9中的凹槽减小接触面积，并且因此还减小从基板到蒸发器的导热性。
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，本发明可改变和修改，而不脱离本发明的范围。

Claims (16)

1.一种冷却设备(3)，包括：
基板(10)，其用于接收来自一个或多个电气构件(11)的热负载，
蒸发器(1)，其具有与所述基板(10)的表面处于热接触的第一表面(9)，以在所述冷却设备(3)的运行状态中将所述热负载传递到所述蒸发器(1)中的第一流体，其中所述蒸发器(1)包括具有毛细孔(5)的多孔结构，
冷凝器(14)，其用于接收来自所述蒸发器(1)的第一端(7)的第一流体和消散来自所述第一流体的热，和
补偿室(2)，其沿着所述蒸发器(1)的第二表面(16)延伸，所述第二表面(16)为与所述第一表面(9)相反的表面，所述补偿室(2)接收来自所述冷凝器(14)的第一流体，使得通到所述蒸发器(1)的第二表面(16)中的孔(5)被提供第一流体，
其特征在于，所述冷却设备(3)为毛细环热管，
其中所述蒸发器(1)的多孔结构为多孔铝结构，其具有毛细孔(5)和在所述蒸发器的第二端(8)和第一端(7)之间延伸通过所述蒸发器(1)的大尺寸蒸发器通道(6)，和
其中所述蒸发器通道(6)在所述第一表面(9)和所述第二表面(15)之间的位置处嵌入所述蒸发器(1)中并且布置成不止一个层，使得各个层包括多个蒸发器通道(6)。
2.根据权利要求1所述的冷却设备，其特征在于，所述蒸发器通道(6)布置成不止一个层，使得各个层包括多个蒸发器通道(6)。
3.根据权利要求1或2所述的冷却设备，其特征在于，所述蒸发器通道(6)在所述第一表面(9)和所述第二表面(16)之间的位置处嵌入所述蒸发器(1)中。
4.根据权利要求1到3中的任一项所述的冷却设备，其特征在于，所述冷却设备(3)包括在所述设备的第一端中的室(22)，其与所述蒸发器(1)的第一端(7)和所述冷凝器(14)的第一端(21)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，所述室(22)的横截面流动面积为与所有所述蒸发器通道(6)的总横截面流动面积类似的尺寸或更大。
5.根据权利要求1到4中的任一项所述的冷却设备，其特征在于，所述设备包括用于第二流体(36)的流通道(32)，其与所述冷凝器(14)处于热接触，以接收从所述第一流体消散的热。
6.根据权利要求1到5中的任一项所述的冷却设备，其特征在于，所述第二流体(16)为空气，并且所述流通道(32)设有翅片(30)，以将热消散到流过所述流通道(32)的空气中。
7.根据权利要求1到6中的任一项所述的冷却设备，其特征在于，所述冷凝器(14)设有组件(24)，其包括成对的板(25)，间隔件元件(26)使所述板彼此分开，以便提供受所述板(25)和所述间隔件元件(26)限制的冷凝器通道(23)。
8.根据权利要求1到7中的任一项所述的冷却设备，其特征在于，所述孔(5)的尺寸为1到100微米且所述蒸发器通道(6)的直径为0.5到5毫米。
9.根据权利要求1到8中的任一项所述的冷却设备，其特征在于，所述蒸发器通道(6)在所述第一表面(9)和所述第二表面(16)之间嵌入所述蒸发器中。
10.根据权利要求1到9中的任一项所述的冷却设备，其特征在于，所述孔的尺寸在所述蒸发器的所述第一端(7)和所述蒸发器(8)的所述第二端之间改变。
11.根据权利要求10所述的冷却设备，其特征在于，邻近所述第一端(7)的孔的尺寸小于邻近所述第二端(8)的孔的尺寸。
12.根据权利要求10所述的冷却设备，其特征在于，邻近所述第一端(7)的孔的尺寸大于邻近所述第二端(8)的孔的尺寸。
13.一种功率模块，其包括一个或多个电气构件(11)，所述一个或多个电气构件(11)在热方面连接到根据权利要求1到12中的任一项所述的冷却设备(3)的基板(10)。
14.一种用于制造冷却设备(3)的方法，其特征在于，所述方法包括：
使用3D打印机制造蒸发器(1)，所述蒸发器(1)具有毛细多孔结构，所述毛细多孔结构具有孔(5)和多个大尺寸蒸发器通道(6)，所述多个大尺寸蒸发器通道(6)在所述蒸发器(1)的第一表面(9)和第二表面(15)之间的位置处嵌入所述蒸发器(1)，并且布置成不止一个层，使得各个层包括多个蒸发器通道(6)，所述多个蒸发器通道(6)在所述蒸发器的第二端(8)和第一端(7)之间延伸通过所述蒸发器(1)，
提供补偿室(2)，其沿着所述蒸发器(1)的第二表面(16)延伸，以经由通到所述第二表面(16)中的孔(5)将第一流体供应到所述蒸发器，和
提供从所述蒸发器(1)和所述补偿室(2)到冷凝器(14)的第一端(21)和相应地第二端(15)的流体路径，以在所述冷却设备(3)的运行状态中将蒸发的第一流体从所述蒸发器(1)传送到所述冷凝器(14)和将冷凝的第一流体从所述冷凝器(14)传送到所述补偿室(2)。
15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，在单个硬钎焊步骤期间，所述冷却设备(3)的构件以机械的方式彼此连接。
16.根据权利要求13或14所述的方法，其特征在于，所述冷却设备(3)为根据权利要求1到12中的任一项所述的冷却设备。
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