CN113758324A - 用于低压驱动器的回路式热管 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种回路式热管(100)，该回路式热管包括带有包封件(101)的蒸发器(101)、蒸发器腔(102)、主毛细管结构(104)以及位于主毛细管结构(104)中的多个槽(114)。回路式热管(100)的包封件(101)具有热接受侧和具有形成蒸发器腔(102)的开口(112)的侧壁(111)。蒸发器腔(102)包括主毛细管结构(104)，主毛细管结构邻近包封件(101)的热接受侧并且延伸到蒸发器腔(102)的侧壁(101)。主毛细管结构(104)中的多个槽(114)中的每个从侧壁(111)之一中的开口(112)延伸到相反的侧壁(111)中的开口(112)，并且构造成将蒸汽从主毛细管结构(104)运输到开口(112)。

Description

用于低压驱动器的回路式热管
技术领域
本发明涉及一种回路式热管、回路式热管的使用以及包括回路式热管的电功率装置。
背景技术
热管理是如今的尺寸优化和成本优化的电功率装置的重要方面。使得功率电子设备更紧凑或增大其电流额定值典型地提高对冷却的需求。在用于例如使电功率装置冷却的可用的先进冷却技术中，两相毛细管热控制装置(诸如，热管、蒸汽腔、毛细管泵送回路以及回路式热管(LHP))尤其有前途。两相回路在抵抗重力的操作、最大热传输能力以及光滑壁式柔性运输管路的方面提供优于热管和蒸汽腔的优点。
作为两相装置的热管和蒸汽腔大幅度地改进散热，但这样的事实(即在这样的装置中，蒸汽和液体在同一体积中沿相反方向循环并且因此妨碍彼此)对在冷却性能的方面的限制之一施加影响。回路式热管系统不受该限制，因为，回路式热管系统具有用于蒸汽和液体的专用管路。在常规CLHP中，所产生的蒸汽典型地在将蒸汽运载到冷凝器区的单个蒸汽管路中被收集。这与相当小的摩擦压力损失相关联，所述摩擦压力损失在总压力损失中占主要地位，并且因此在很大程度上确定最大流体流动速率并且限制冷却性能。
发明内容
期望提供具有改进的冷却性能的冷却单元。
该问题通过独立权利要求的主题而解决。实施例通过从属权利要求、下文的描述以及附图而提供。
所描述的实施例类似地相关于回路式热管、用于确定介质的液体性质的方法、测量系统的使用、回路式热管的使用以及电功率装置。协同效应可能起因于实施例的不同组合，但是它们可能未被详细地描述。
技术用语以其常识使用。如果向某些用语传达具体含义，则将在下文中在使用用语的情境下赋予用语的定义。
根据第一方面，提供了一种回路式热管，该回路式热管包括带有包封件的蒸发器、蒸发器腔、主毛细管结构、位于主毛细管结构中的多个槽以及冷凝器。回路式热管的包封件具有热接受侧和形成蒸发器腔的带有开口的侧壁。蒸发器腔包括邻近包封件的热接受侧并且延伸到蒸发器腔的侧壁的主毛细管结构、诸如芯。主毛细管结构中的多个槽中的每个从侧壁之一中的开口延伸到相反的侧壁中的开口，并且构造成将蒸汽从主毛细管结构运输到开口。即，槽中的每个可将在槽中产生的蒸汽传导至位于蒸发器腔的两个侧壁处的与该槽对应的开口。因而，提出了如下的回路式热管冷却单元的设计：在其中，主毛细管结构的每个槽具有以最小流动阻力将蒸汽运载到冷区的专用蒸汽管路。
根据实施例，冷凝器带有多个路径、每个路径具有入口且回路式热管进一步包括连接到蒸发器和冷凝器的多个蒸汽导管。多个蒸汽导管构造成将蒸汽从开口传导至冷凝器路径的入口，并且，冷凝器路径构造成在入口处接收蒸汽以使蒸汽冷凝，并且构造成将经冷凝的蒸汽作为过冷的液体传导至蒸发器。
换而言之，冷凝器包括也充当补偿腔的多个冷凝区段。即，路径中的每个形成针对在主毛细管结构中蒸发的液体而补偿液体的一个或多个补偿腔。以此方式，冷凝和补偿例如以某种3D-矩阵遍及冷凝器的可扩展的体积分布。即，例如，主芯槽、蒸汽导管以及冷凝腔的数量可根据使用和系统的要求而变化。通过提供多个蒸汽导管，流体流阻力减小，由此扩大流体流的操作范围并且因此增大冷却容量。
类似于主芯中的槽，这保持压力损失低并且分别增大蒸汽流和液体流的容量，并且时下进一步提供针对有效地散热到环境中的前提条件，如在下文中进一步描述的那样。连接到同一蒸发器腔的多个冷凝腔提供流体分布的均一性。
这些腔中的每个可配备有副芯的延伸，以促进使过冷的液体均一地返回到主芯。这与这样的常规LHP设计形成对照，即该常规LHP设计与单个液体管路和单个补偿腔相关联，从而可能引起过冷的液体分布的不均匀性。
根据实施例，蒸发器腔进一步包括副毛细管结构，副毛细管结构带有邻近主毛细管结构并且延伸到蒸发器腔的侧壁的平坦部分，其中，副毛细管结构构造成向主毛细管提供过冷的液体，以便补偿主毛细管中的蒸发的液体。副毛细管结构接收来自经冷凝的蒸汽的液体，并且向主毛细管结构提供液体，以便补偿主毛细管中的蒸发的液体。例如，回路式热管具有这样的取向使得冷凝器中的路径具有倾斜，以致于经冷凝的蒸汽由于重力而沿到蒸发腔的方向向下流动。例如，回路式热管(其在本公开中也被称为回路式热管冷却单元)取向成使得蒸发器为回路式热管的底侧，并且，冷凝器中的路径沿上至下的方向与蒸发器垂直地取向。然而，如果不存在足够的梯度，则第二毛细管结构可如针对下文的实施例而描述的那样延伸。
根据实施例，蒸发器腔的副毛细管结构进一步包括针状地从副毛细管结构的平坦部分延伸到多个路径中的路径侵入部分。该侵入部分实现在补偿腔中接收经冷凝的蒸汽。由于主毛细管结构和副毛细管结构的不同结构以及压力差的原因，在补偿腔中生成的液体经由针状的部分穿过副毛细管结构的平坦部分传导至蒸发腔中的主毛细管结构。此外，该布置促进在路径水平地取向或取向成使得液体不由于重力流动到蒸发腔的情况下也使液体均一地返回。冷凝腔的形状和垂直横截面可变化，以促进冷凝并且减小蒸汽压降。
根据实施例，蒸发器包括用于机械地使蒸发腔稳定的支承元件。例如，蒸发器腔具有矩形形状。从一个侧壁伸展到另一个侧壁的肋形件和/或针形件可使蒸发器腔的相反的平坦壁连接。肋形件在槽之间穿透主芯和副芯两者，从而使蒸汽流在主芯槽中畅通无阻。以此方式，改进蒸发器腔的机械完整性。这些结构元件阻止可能由通过工作流体的升高的压力而施加于大的平坦壁上的力引起的蒸发器腔的鼓起(bulging)。
根据实施例，多个蒸汽导管布置成环绕冷凝器的层。蒸汽导管因此与蒸发器一起形成回路式热管的外壳。此外，路径的入口布置于蒸发器的相反侧上、构造成从蒸汽导管接收蒸汽。例如，如果蒸发器竖直地取向(即，热接受侧具有与地面平行的法向向量)，则蒸汽导管的层位于也与该法向向量平行的平面上。每个蒸汽导管层可例如起始于蒸发器包封件的一个侧壁上，围绕冷凝器路径沿着三侧以矩形方式伸展，并且终止于蒸发器包封件的另一个侧壁处。所有蒸汽导管层于是都形成带有开放的顶侧和底侧的竖直外壳或某种包封件。开放的顶侧和底侧可用于将空气流引入，从而支持冷凝器的冷却。“矩形”意味着实质上矩形。例如，拐角可为圆形的。
根据实施例，多个蒸汽导管中的每个蒸汽导管连接到多个冷凝腔。该连接可经由例如位于与蒸发器相反的一侧处的蒸汽导管的出口端口和与一个蒸汽导管层对应的多个冷凝器路径的入口端口建立。
根据实施例，回路式热管进一步包括使蒸汽导管彼此流体地连接的管道。这样的管道可布置成与蒸汽导管层垂直。垂直管道可例如布置于蒸汽导管矩形的拐角处，位于蒸发器的对面处。该布置和蒸汽导管与多个冷凝腔的连接允许蒸汽的均匀分布。
根据实施例，主毛细管结构由带有第一孔隙度的第一多孔结构和带有第一孔隙尺寸的孔隙形成，并且，副毛细管结构由带有与第一孔隙度不同的第二孔隙度的第二多孔结构和带有与第一孔隙尺寸不同的第二孔隙尺寸的孔隙形成。孔隙尺寸可特定于所选择的工作流体并且特定于热载荷要求。主毛细管结构的孔隙尺寸通常小于副毛细管结构的孔隙尺寸。
毛细管结构材料的正确选择对于所提出的冷却系统的功能性而言为关键的。应当满足以下的标准：主芯孔隙和副芯孔隙的尺寸应当对于毛细管力而言足够小以将液体保持于由冷却单元相对于重力的取向给定的高度处。取决于工作流体的选取，主芯的平均孔隙半径可典型地在2 μm与50 μm之间选择。可能存在其中孔隙尺寸处于该范围之外的情况。例如，在水是工作流体的情况下，副芯半径可选取成与100 μm一样大。而且，主芯孔隙的尺寸应当对于毛细管力而言足够小以执行毛细管泵送。在另一侧上，芯孔隙的尺寸应当足够大，并且，芯孔隙度应当高，以使芯内部的液体的流动阻力最小化。此外，通过制冷剂液体而使芯材料良好地润湿是至关重要的。此外，芯的材料应当具有低的导热性，以防止从蒸发器腔的底部到浸透有过冷的液体的副芯的热流动，因而防止内腔内部的液体的沸腾并且减小流体的饱和压力。
制冷剂可为纯化合物或不同制冷剂的掺合物，只要它们满足上文中所提出的要求。
根据实施例，回路式热管进一步包括用于使冷凝腔冷却的金属翅片。金属翅片布置成实质上与路径垂直(即，与蒸汽传导层的平面垂直)，并且使得沿着金属翅片的空气流是可能的。空气流可例如由外部风扇或附接到回路式热管的风扇提供。只要用于强制空气对流蒸发器的翅片的不同的设计和几何结构具有与冷凝腔的良好热接触，则它们是可行的。
根据实施例，回路式热管进一步包括位于管道的端部处的进入端口。进入端口允许将制冷剂装载到热管中。在具有多于一个管道的情况下，这样的进入端口可设于每个管道处。特定的量的制冷剂(即，工作流体)必须装载到冷却系统(即，回路式热管冷却单元)中，以在所有环境条件和所有标称热载荷下都足以产生液体和蒸汽的不间断循环。最初将工作流体填充到系统中的特定程序以及使该系统密封的类型可自由地选取。针对装置操作条件(诸如，环境温度和待耗散的热损失)的给定的预期范围，流体被选择成使得流体与冷却单元的材料兼容。润湿接触角(即，流体/芯关系)应当最小，制冷剂液体应当具有足够低的粘度以使芯内部的液体的流动阻力最小化，制冷剂蒸发或沸腾的潜热应当足够大以传送足够的冷却容量，并且，蒸汽压力应当足够低以便未使蒸发器腔破裂。
在基本热通量(base heat flux)相对地均匀并且不使用增材制造的情况下，可不存在使蒸汽导管流体地连接的管道。在此情况下，装载端口应当布置于合适的位置处。
根据实施例，蒸发器腔、蒸汽导管、冷凝腔以及管道形成密封的系统。以此方式，冷却液体不离开该系统(即，回路式热管冷却单元)，以便防止干涸(dryout)。
根据第二方面，提供了用于冷却电功率装置(例如，晶体管或其它电子装置)的如上所述的回路式热管的使用，其有利地具有平坦散热侧。
根据第三方面，提供了电功率装置，其包括如上所述的回路式热管。
所提出的回路式热管冷却系统可制造为包括蒸发器腔、毛细管结构、复合流体循环管道以及用于与空气流对流换热的翅片的单一件。特别地，采用增材制造允许使工作流体蒸汽流和空气流优化，以便减小压力损失和总热阻。而且，增材制造允许造成毛细管性质(诸如，孔隙度和毛细管尺寸)的空间变化，因而允许使工作流体的液相在主芯和副芯内部的流动优化。
附图说明
上文中所提出的特征以及本发明的其它特征、方面和优点参考附图和下文的描述将变得更好理解。
图1显示回路式热管的总体视图的示意图，
图2显示回路式热管的另外的示意图，
图3a显示蒸发器腔的示意图，
图3b显示蒸发器腔的内部结构的示意图，
图3c显示蒸发器的与x轴线垂直的横截面的示意图，
图4显示主毛细管结构和副毛细管结构的示意图，
图5a显示冷凝器的与z轴线垂直的横截面的示意图，
图5b显示冷凝器的与y轴线垂直的横截面的示意图。
具体实施方式
图1在没有冷凝器和蒸汽导管细节的情况下显示回路式热管100的示意图。回路式热管100包括被带有热接受侧(例如，在其中热源150可如图1中所显示的那样安装的底侧)的包封件101环绕的蒸发器110。假设热源150(例如，晶体管)具有与y轴线垂直地取向的平坦表面。该平坦表面与蒸发器腔102的平坦底部处于良好热接触。蒸发器腔102是带有可承受在工作流体与环境之间的压力差的壁的矩形箱。包封件101进一步包括形成蒸发器腔102的带有开口112的侧壁111。回路式热管110的冷凝器部分120显示为箱。冷凝器120及其构件在下文中更详细地描述。蒸发器腔102包括邻近包封件101的热接受侧的主芯或毛细管结构104。主毛细管结构104延伸到蒸发器腔102的侧壁111并且包括多个槽114，所述多个槽114中的每个从侧壁111之一中的开口112延伸到相反的侧壁111中的开口。槽114构造成将蒸汽从主毛细管结构104运输到开口112。
图2显示与图1中的回路式热管100对应的回路式热管100的另外的示意图。另外，显示了：成层的蒸汽导管106，其环绕冷凝器120；管道108，其使蒸汽导管106彼此流体地连接；以及金属翅片109，其布置成实质上与路径(在图2中不可见)垂直，并且使得空气流沿着金属翅片109是可能的。蒸汽导管106和蒸发器101因此围绕冷凝器形成具有开放的顶侧和底侧的外壳。此外，描绘了位于管道108的端部处的进入端口118。
图3a、图3b以及图3c显示蒸发器腔的示意图、不带有主毛细管结构104的蒸发器腔102的内部结构的示意图以及与x轴线垂直的蒸发器(蒸发器101)的横截面的示意图。
为了改进蒸发器腔102的机械完整性，如图3b中所图示的，许多肋形件113和针形件123使蒸发器腔102的相反的平坦壁连接。肋形件113在槽114之间穿透主芯104和副芯105两者，从而使蒸汽流在主芯槽114中畅通无阻。
蒸发器腔箱102的每个yz侧具有开口112的规则阵列。与热源150相反的、蒸发器腔102的xz侧具有用于冷凝腔107的开口122的若干阵列。
在蒸发器腔102的内部，存在主芯104和副芯105，主芯104和副芯105被夹在腔102内部并且延伸到蒸发器腔的壁111。芯104、105两者具有特定于所选择的工作流体并且特定于热载荷要求的具有不同的孔隙尺寸和孔隙度的多孔结构。主芯104的孔隙尺寸通常小于副芯105的孔隙尺寸。在主芯104的邻近热源150的一侧上，存在沿着x轴线的槽114的阵列。槽114的数量等于位于蒸发器腔102的yz壁111上的开口112的数量；槽114的横截面形状和面积由热载荷要求确定并且在3D打印的LHP的情况下由可打印性的要求确定。每个槽114在蒸发器腔102的相反的yz壁111处的两个开口112之间延伸。每个开口112连接到运输蒸汽并且使蒸汽分布于冷凝腔107之间的专用导管106。每个蒸汽导管106连接到多个冷凝腔107，所有将冷凝物引导至同一副芯105。每个冷凝腔107的底部以副芯115层为特征，这促进液体返回到主芯104。由于冷凝腔107收集过冷的液体，因而冷凝腔107也发挥多个补偿腔的作用。
蒸汽导管106经由管道108流体地连接，管道108允许蒸汽导管106之间的蒸汽交换。这在(a)基本热通量是强烈地非均一的从而导致在个别的蒸发器槽114中的不均等的蒸汽产生和(b)冷凝腔107与空气流之间的换热例如在空气入口与空气出口之间不均匀时，促进冷凝腔107之间的更均匀的蒸汽分布。管道108还用于装载制冷剂，并且在增材制造的情况下，用于从回路式热管系统的内部体积移除金属粉末。
蒸发器腔102、蒸汽导管106、冷凝腔102以及管道108形成密封的系统。制冷剂借助于位于管道108的端部处的进入端口118装载到该系统中。
为了冷凝需要的在冷凝腔107中的蒸汽的冷却经由在冷凝腔107之间沿着z轴线流动的空气的强制对流来提供。与冷凝腔107的壁处于良好热接触的金属翅片109的多个阵列用来扩大在工作流体与空气流之间的传热的有效面积。旨在增加传热并且减少空气压力损失而优化翅片109的数量、翅片109的几何结构和材料。
在正常操作条件下，副芯105以过冷的液体填充。副芯105的毛细管尺寸应当能够保持液体相对于重力而处于x轴线的任何取向中。由于副芯105与主芯104直接接触，因而流体流动到副芯105中并且使主芯104浸湿。供应到蒸发器的基座的热量引起位于蒸发器腔的底部附近的主芯内部的液体蒸发。造成穿过液体-蒸汽表面的压力差的、主芯孔隙结构的毛细管力正驱动来自副芯的液体，以补充液体的蒸发量。蒸汽通过在主芯104中切割的槽114逸出。由于蒸汽导管的入口与槽114的出口直接相对，因而来自每个槽114的蒸汽以最小阻力流动到对应的蒸汽导管中。
蒸汽导管106将流体流引导至冷凝器120。只要冷凝腔107的壁比进来的蒸汽更冷，冷凝最后在壁的内侧上发生。壁的冷却通过驱动在冷凝腔107之间的空气流而产生。在蒸发器110的基座水平地取向的情况下，冷凝腔107内部的冷凝物直接地向下流动到副芯105中。如果底板并非水平的，则冷凝物的小部分流动到冷凝腔107的底部并且流动到副芯105层中，这将冷凝物引导至蒸发器腔102中的副芯105。由于存在多个冷凝腔107，因而该布置向主芯104提供相当均匀的液体供应，从而防止初步的局部干涸。
回路式热管100的紧凑性可在不改变几何布局和尺寸的情况下改造现有的散热器。在增材制造的情况下，回路式热管100由单一件生产，因而排除与机械接触、铜焊(brazing)或钎焊(soldering)相关联的热阻。冷却单元可在相对于重力的不同取向下操作。
针对所公开的实施例的其它变型可由本领域技术人员在实践要求保护的发明中通过研究附图、公开内容以及所附权利要求而理解且实现。在权利要求中，单词“包括”不排除其它元件或步骤，并且，不定冠词“一”或“一个”不排除多个。在互不相同的从属权利要求中叙述某些措施的单纯事实不指示这些措施的组合不可用于获利。权利要求中的任何参考符号不应当被解释为限制权利要求的范围。

Claims (15)

1.一种回路式热管(100)，包括：
蒸发器(110)，所述蒸发器包括带有热接受侧和形成蒸发器腔(102)的带有开口的侧壁的包封件(101)；
所述蒸发器腔(102)包括主毛细管结构(104)，所述主毛细管结构邻近所述包封件(101)的所述热接受侧并且延伸到所述蒸发器腔(102)的所述侧壁；
在所述主毛细管结构(114)中的多个槽，所述多个槽中的每个从在所述侧壁之一中的开口(112)延伸到在相反的侧壁中的开口(112)，所述多个槽构造成将蒸汽从所述主毛细管结构(104)运输到所述开口(112)；以及
冷凝器(120)。
2. 根据权利要求1所述的回路式热管(100)，其特征在于，所述冷凝器(120)包括多个路径，每个路径具有入口；并且其中，所述回路式热管(100)进一步包括连接到所述蒸发器和所述冷凝器的多个蒸汽导管(106)；其中，
所述多个蒸汽导管(106)构造成将所述蒸汽从所述开口(112)传导至所述冷凝器路径的所述入口；以及
所述冷凝器路径构造成在所述入口处接收所述蒸汽以使所述蒸汽冷凝，并且构造成将所述经冷凝的蒸汽作为过冷的液体而传导至所述蒸发器(110)。
3.根据权利要求1或2所述的回路式热管(100)，其特征在于，所述蒸发器腔进一步包括：
副毛细管结构(115)(105)，其带有邻近所述主毛细管结构(104)并且延伸到所述蒸发器腔的所述侧壁的平坦部分；
其中，所述副毛细管结构(115)构造成向所述主毛细管结构(104)提供过冷的液体，以便补偿所述主毛细管结构(104)中的蒸发的液体。
4.根据权利要求3所述的回路式热管(100)，其特征在于，所述副毛细管结构(115)进一步包括针状地从副毛细管结构(115)的所述平坦部分延伸到所述多个路径中的路径侵入部分。
5.根据前述权利要求中的任一项所述的回路式热管(100)，其特征在于，所述蒸发器包括用于机械地使所述蒸发腔(102)稳定的支承元件(113、123)。
6. 根据权利要求2至5中的任一项所述的回路式热管(100)，其特征在于，
所述多个蒸汽导管(106)布置成环绕所述冷凝器的层，从而与所述蒸发器一起形成所述回路式热管(100)的外壳；以及
所述路径的所述入口布置于所述蒸发器的相反侧上，构造成从所述蒸汽导管(106)接收所述蒸汽。
7.根据权利要求2至6中的任一项所述的回路式热管(100)，其特征在于，所述多个蒸汽导管(106)的每个蒸汽导管(106)连接到多个冷凝腔(107)。
8.根据权利要求2至7中的任一项所述的回路式热管(100)，其特征在于，所述回路式热管(100)进一步包括使蒸汽导管(106)彼此流体地连接的管道(108)。
9.根据权利要求8所述的回路式热管(100)，其特征在于，所述管道布置于在所述蒸发器的相反侧上的拐角处。
10.根据权利要求3至9中的任一项所述的回路式热管(100)，其特征在于，所述主毛细管结构(104)由带有第一孔隙度的第一多孔结构和带有第一孔隙尺寸的孔隙形成，并且，所述副毛细管结构(115)由带有与所述第一孔隙度不同的第二孔隙度的第二多孔结构和带有与所述第一孔隙尺寸不同的第二孔隙尺寸的孔隙形成。
11.根据前述权利要求中的任一项所述的回路式热管(100)，其特征在于，所述回路式热管(100)进一步包括用于使所述冷凝腔冷却的金属翅片(109)；
其中，所述金属翅片(109)布置成实质上与所述路径垂直，并且使得沿着所述金属翅片(109)的空气流是可能的。
12.根据权利要求10或11所述的回路式热管(100)，其特征在于，所述热管进一步包括位于管道(108)的端部处的进入端口(118)。
13.根据权利要求10至12中的任一项所述的回路式热管(100)，其特征在于，所述蒸发器腔(102)、所述蒸汽导管(106)、所述冷凝腔(107)以及所述管道(108)形成密封的系统。
14.一种用于使电功率装置(150)冷却的根据前述权利要求中的任一项所述的回路式热管(100)的使用。
15.一种电功率装置(150)，包括根据权利要求1至中14的任一项所述的回路式热管。
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