CN116917683A - 微通道热交换器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种适用于冷却电子部件的微通道类型的蒸发器(100)，所述交换器(100)包括板状主体(10)，所述板状主体(10)具有与待冷却的电子部件的外部联接表面(11)，其中所述板状主体(10)在内部承载用于两相冷却流体的入口歧管(12)和用于热交换的下游的所述流体的出口歧管(13)，其中所述入口歧管(12)和所述出口歧管(13)通过放置在所述板状主体(10)内在所述联接表面(11)处的热交换室(14)以及通过两相冷却流体的单向循环装置(T)流体连通，其中所述单向循环装置(T)容纳在所述板状主体(10)中，并且构造成允许流体的液相全部地从所述出口歧管(13)向所述入口歧管(12)循环。

Description

微通道热交换器

技术领域

本发明涉及一种热交换器，尤其涉及一种所谓“微通道”类型的并通过两相流体操作的蒸发器。

本发明的蒸发器特别适合用作用于冷却处理单元、电力电子设备和/或数据中心的装置，并且其被配置为解决与使用蒸发的两相流相关联的典型的不稳定性。

背景技术

目前，越来越多的注意到使用两相流体的热交换系统，因为它们在传热系数和热负荷运输能力方面提供了高性能。

在电子领域中，关于用于冷却电子设备的系统，两相流体热交换器对于小规模的应用(例如，个人电脑的CPU)以及对于大规模系统(即数据中心)导致特别令人感兴趣。

然而，这样的技术方案具有一些已知的缺点，其中主要是两相流体的流动不稳定性，从而负面地影响热交换系统的性能，这在一些情况下可危害操作连续性或甚至损坏该系统所关联的电子设备。

这样的流动不稳定性可被分类为静态的或动态的，静态的即它们引起操作条件中的变化，随时间变化恒定，动态的在两个或更多个操作条件之间引起在时间上的连续的变化，并且可在装置(交换器)的和系统的层面处检测到，例如在泵回路和尤其是热虹吸器的情况下。

在小规模的应用中，刚刚描述的问题尤其在热交换器领域中被感受到，特别是在所谓的“微通道”蒸发器中。

如在本领域中已知的，微通道交换器的特征在于，穿过其的热载体流体确实被限制在具有毫米级或更低量级的尺寸的路径(或通道)内。

微通道交换器中两相流体的不稳定性可能是严重的。总之，这种不稳定性源自流体的两相性质，尤其源自所述通道内的液相/蒸汽的不同行为。不稳定性可涉及例如交换壁的温度的快速且不受控制的增加和/或在入口/出口歧管与通道本身之间的连续波动中确定压力/流体流量的不佳分布。

不罕见的是，通过使规划交换器免受此问题的影响复杂化，在同一交换器中同时存在(和叠加的效果)不同来源的不稳定性(和相对效果)。

为了解决由微通道蒸发器中的两相流体的流动所产生的不稳定性，提出了在通道中的入口处采用孔口/限制，以便促进使流体穿越的优选方式。然而，高压降和已经在歧管区域中形成了蒸汽的风险不会使这种技术方案充分适用，尤其是在热虹吸回路中。

在其它情况下，建议引入局部位于交换器上游和/或下游的压力损失，以提供入口膨胀容器和/或改变通道的几何形状，使得它们具有发散的伸展部。

即使在这些情况下，已知的技术方案也体现了未完全解决上述问题的折衷。

发明内容

本发明所确定和解决的技术问题因此是提供一种微通道类型的热交换器，特别是蒸发器，其允许消除以上关于已知技术提到的一个或多个缺点。

这种问题通过根据权利要求1所述的蒸发器来解决。

在从属权利要求中阐述了本发明的优选特征。

在本上下文中，与表述“热交换器”或“蒸发器”相关联的术语“微通道”确认了热交换器领域的技术人员已知的一种类型的热交换器，或交换器，其中，在使用中，穿越热交换区域的热载体流体导致被限制在具有毫米量级或更低量级的水力直径的路径中。

本发明的热交换器是微通道类型的热交换器，并且它适用于冷却电子部件。

所述交换器特别是蒸发器，并且包括板状主体，所述板状主体具有与待冷却的电子部件的外部联接表面。板状主体在内部承载用于两相冷却流体的入口歧管和用于热交换的下游的所述流体的出口歧管。

入口歧管和出口歧管通过布置在板状主体内部的在所述联接表面处的热交换室流体连通。

上述入口歧管和出口歧管还通过冷却流体的单向循环装置流体连通，该单向循环装置容纳在板状主体中并且构造成允许流体的液相全部地从出口歧管向入口歧管循环。

应当理解，这样的技术方案有利地允许提供一种微通道类型的蒸发器，其以完全安全性在高性能下工作，因为不需要规划以获得从热交换室出来的蒸汽标题(title)等于1的理想条件(并且从而由于临界热流条件而具有不稳定性的风险)。

即，可以回收热交换的下游的流体的液相并通过强制循环的专用装置将其从出口歧管送到入口歧管。这样，即使出口歧管容纳具有低于1的标题的蒸汽，液相也与蒸汽相分离，但是它不会逆着交换室中的流动返回，相反，其在所提供的操作方向上在所述相机中再循环，这是通过返回到入口歧管以再次穿越该室并到达出口歧管实现的。

换句话说，可以限制两相流的动态不稳定性以改善热交换并优化后者的性能。

此外，本发明提供了一种微通道蒸发器和两相流体，其在已知的“被动”操作之前，尤其是在提供热虹吸器或脉动热装置的应用中，在其内部承载用于控制流体流的循环的装置，从而允许在不稳定性的情况下“自动”控制循环。

在优选实施例中，单向循环装置包括特斯拉阀。然而，任何其它类型的静态单向阀也是适用的。

有利地，通过实施具有减小的整体尺寸的止回阀，至少由于其不具有其操作所需的可移动机械部件，可以获得具有简单的构造的且可靠的有效的技术方案。

从以下对一些作为示例而非用于限制的目的示出的实施例的详细描述，本发明的其它优点、特征和使用模式将是显而易见的。

附图说明

将参照附图中的图，其中：

图1和图1A分别示出了根据本发明的热交换器的第一实施例的示意性视图、俯视图和截面图；

图1B和图1C分别示出了图1和图1A中所示的交换器的部件的俯视图和对应的截面图；

图2和图2A分别示出了根据本发明的热交换器的第二实施例的示意性视图、俯视图和截面图；

图2B和图2C分别示出了图2和图2A中所示的交换器的部件的俯视图和相应的截面图；

图3和图3A分别示出了根据本发明的热交换器的第三实施例的示意性视图、俯视图和截面图；

图3B和图3C分别示出了图3和图3A中所示的交换器的第一和第二部件的俯视图；

图4示出了根据第一实施例或第二实施例的本发明的交换器的优选应用的示意性视图；

图5A和图5B分别示出了根据第三实施例的本发明的交换器的优选应用的示意性侧视图和图5A的细节的示意性俯视图。

具体实施方式

首先参照图1、图1A-图1C，示出了根据本发明的热交换器，该换热器整体上用附图标记100标示并根据第一实施例实施。

本发明的交换器100是所谓的“微通道”类型的热交换器，其适合于与电子系统(例如，处理单元、电力电子设备和数据中心)相关联地使用。

具体地，本发明的热交换器被用作蒸发器并且导致适合用于冷却电子部件，或者还是用在用于冷却电子系统的装置中，例如热虹吸类型的冷却装置。

热交换器(或蒸发器)100包括具有大致板状的总体尺寸的主体10。板状主体10的外表面11被提供用于与待冷却的(未示出的)电子部件联接。

优选地，所述联接表面11是平面的，并且板状主体10具有大致四边形的几何形状。在实施例中，所述表面11被配置成用于借助于界面材料(例如导热膏或片)与电子部件热联接。

根据本文描述的热交换器的实施例中的每一个，板状主体10可以包括锚固装置，例如图1和图2中以附图标记15标示的突出部，以与待冷却的电子部件联接。

一般而言，板状主体10在内部承载适于接收两相冷却流体的入口歧管12和用于热交换下游的所述流体的出口歧管13。

优选地，交换器100使用商业上标示为R1234ze(E)或R1233zd(E)类型的冷却流体。它们都是零GWP流体，并且适合于在常温下蒸发。本发明特别适合于流体R1233zd(E)，因为由于其热物理特性，其在没有本发明的配置的微通道交换器中经受强不稳定性。

板状主体10然后包括用于入口歧管12中的流体入口的入口端口10’和用于离开出口歧管13的流体出口的出口端口10”。可以提供用于(重新)填充交换器内的冷却流体的附加开口10”’。

入口歧管12和出口歧管13通过布置在板状主体10内部并且定位在联接表面11处的热交换室14流体连通。

在本发明的优选实施例中，热交换室14在其内部包括流动通道14a，在其中冷却流体的所述运动被限制。所述流动通道14a使入口歧管12和出口歧管13流体连通。

参照如上所述的板状主体10的四边形几何形状，入口歧管12和出口歧管13优选地沿着板状主体10的相对的周边边缘定位。

所述流动通道14a优选地沿着彼此平行的各个伸展的主导方向d延伸。根据应用的类型或所采用的实施例，流动通道14a可以通过金属泡沫结构获得，或者可以实施为多个肋部，优选地呈翼片141的形式，如在例如图1A-图1C中可见的。流动通道14a优选地具有包括在0.2毫米(mm)和1.0毫米(mm)之间的水力直径。

优选地，入口歧管12和出口歧管13具有伸展的主导方向，其与流动通道14a的伸展方向d正交或基本上正交。

根据第一实施例，并且如在图1B中可见的，入口歧管12和出口歧管13通过用于冷却流体的单向循环装置(用附图标记T标示)进一步流体连通。

所述单向循环装置T容纳在板状主体10中，并且构造成允许冷却流体的液相专门从出口歧管13朝向所述入口歧管12循环。

图1B中以箭头F示出了热交换室14中的流体穿越方向。在图1B中以箭头L_P示出了单向循环装置T中的冷却流体的液相的穿越方向。

图1B还示出了入口歧管12中的流体的入口方向I，以及离开出口歧管13的蒸汽相的出口方向G_P。

在操作条件下，交换器中的入口流体I倾向于穿越热交换室14从入口歧管12流向出口歧管13，而无需能够经过单向循环装置T，该单向循环装置T定向在对来自入口歧管12的流的最大阻力的方向上。

由于冷却流体流的不稳定性，并且在入口歧管12和出口歧管13之间的压力差为负的情况下，累积在出口歧管13中的流体液相L_P通过穿越单向循环装置T朝向入口歧管12再循环，该单向循环装置T定向在对来自出口歧管13的流体流的较小阻力的方向上。

应当注意，仅发生液相L_P从出口歧管13向入口歧管12的再循环，并且其仅在交换器100中发生不稳定现象的情况下才发生。换句话说，当且仅当出口歧管13中的静态压力值超过入口歧管12中的静态压力值(不稳定状况)，单向循环装置T激活，并且在入口歧管12和出口歧管13之间恢复正低气压。

歧管12、13中的压力的(重新)平衡的过程可以是静态的(即，在静态不稳定性的情况下，其在时间上仅发生一次)或在时间上连续(在动态不稳定性的情况下)。

如前所述，因此有利地利用了由于流体的两相混合而引起的不稳定性，以允许液相L_P在交换器内不蒸发的再循环。

第一有利效果是通过减小交换器本身的内部两相回路中的压降，获得离开交换器100的更高质量(标题)的蒸汽。

关于交换器在复杂冷却系统中的应用，可以进一步解决确实在系统层面的不稳定性，因为在交换器层面的不稳定性能在两个歧管12、13之间再现，而在冷却系统本身的其余部分上没有任何持续不良影响。

此外，液相L_P的再循环允许冷却流体在热交换室14中的一种或脉动运动。实验数据表明，由于热交换室14中的(特别是在流动通道14a的壁上的)液体膜更薄，脉动运动比两相流体的流动的常规单向运动更有效。

此外，通过有效地允许蒸发器安全地工作而远离临界热条件，脉动运动有利于将液体重新集成在通道14a的壁上，其中它变干。

优选地，单向循环装置T包括流体二极管，例如止回阀，并且有利地其定位在热交换室14的外部，但还是在板状主体10的内部。以这种方式，保证了单向循环装置T的正确操作，这意味着不会由于换热的流体的行为而导致被调节。

独立于本发明的实施例，上述单向循环装置T优选地包括所谓的特斯拉阀。然而，任何其它类型的静态单向阀还是适用的。

如本领域技术人员已知的，这样的装置优选地包括第二流动通道T_a，其允许流体优选地在其内部沿一方向流动并且防止其沿相反的方向流动，有利地，无需为其操作提供可移动部件。

第二流动通道T_a可包括环和凹部，其成形为使得流体穿越方向导致为基本上平行于热交换室14的流动通道14a的伸展方向d。

应当理解，这样的技术方案甚至允许集成在用于控制流体循环的微通道交换器装置中，其具有有着紧凑的整体尺寸的结构，并且其特征在于结构简单和低成本。

具体参照图1B和图1C，交换器100的板状主体10可以由联接在一起的基板10A和盖元件10B形成，例如可逆地联接在一起，以允许检查热交换室14。根据优选实施例，基板10A和盖元件10B焊接到彼此。

联接表面11优选地对应于所述基板10A的外表面，并且优选地其延伸的宽度至少等于热交换室14的平面延伸量。

有利地，交换室14的流动通道14a和/或单向循环装置T的第二流动通道T_a保持由基板10A和盖元件10B的联接限定。

另外，在本发明的交换器的第一实施例中，可以看出，热交换室14导致介于入口歧管12和出口歧管13之间。这样的技术方案在交换器100的减小的竖直整体尺寸方面提供了优点。

现在将参照图2、图2A-图2B以及通过详述相对于上述第一实施例的区别特征来描述交换器的第二实施例。

在这种情况下，第二单向循环装置T’容纳在板状主体10中并且构造成防止冷却流体从所述入口歧管12向交换器中的流体的入口端口10’循环。

有利地，第二单向循环装置T’的选定定位防止了在入口歧管12中从出口歧管13再循环的流体的液相L_P流向入口端口10’。事实上，这样的缺点可以在入口歧管12中的压力增加之后通过使流体经由入口端口10’流动而不穿越热交换室14而发生。

大体上，存在于入口歧管12中的冷却流体的液相L_P然后被迫穿越热交换室14。以这种方式，还降低了在入口歧管12本身中产生蒸汽的风险。

关于第二单向循环装置T’的结构模式和类型，关于第一实施例针对单向循环装置T所描述的相同考虑可以是有效的。

图3、图3A-图3C示出了本发明的微通道交换器的第三实施例。根据这样的变型，热交换室14和单向循环装置T相互叠加于彼此。这样的布置在交换器的减小的侧部总体尺寸方面提供了优点。

在所示的示例中，单向循环装置T包括彼此平行间隔开的三个特斯拉阀。实施例变体可以提供不同数量的阀和/或取向。

类似于前述实施例，即使在这种情况下，板状主体10也包括联接在一起的基板10A和盖元件10B。流体的入口端口10’和出口端口10”在盖元件10B中获得，优选地在后者的侧面上获得。

不同地，第三实施例包括介于入口和出口歧管12、13和热交换室14之间的流体的分配装置30。

具体地，在盖元件10B中获得入口歧管12和出口歧管14，并且热交换室14被放置在它们下方。在其它方面，流体的分配装置30介于基板10A和盖元件10B之间。

如在图3A和图3B中可见，所述分配装置优选地成形为类似于包括由贯通开口32、33中断的实心区域31的板30。所述贯通开口位于在上的入口歧管12和出口歧管13处。

贯通开口32、33实现歧管12、13与热交换室14之间的流体连通。

通过穿越分配装置30的第一开口32，进入相应歧管12的流体落入在下的热交换室14中。一旦流体已经穿越所述摄像机14，其通过穿越所述分配装置30的第二不同开口33而在出口歧管13中上升。

例如，贯通开口可包括入口槽32和出口槽33，两者优选地具有分别与入口歧管12以及与出口歧管13相关联的连续伸展部。

优选地，贯通开口32、33中的每一个具有与单向循环装置T中的液相的穿越方向L_P和/或热交换腔室14中的流体的穿越方向F正交的伸展方向。然而，在后一种情况下不适用于图3C的实施例示例，其中流动通道14a被成形为确定多个流体穿越方向，以防入射到彼此。

优选地，所述贯通开口32、33具有的延伸部等于其相关联的相应歧管12、13的延伸部。

根据有利方面，分配装置30的中间位置允许限定热交换室14内部的流动通道14a。换句话说，流动通道14a导致被板30的所述实心区域31的面向热交换腔室14的面封闭在上部部分上。

类似地，分配装置之间的联接，特别是与上述那个相对的实心区域31的面和盖元件10B之间的联接，允许限定用于接收冷却流体的入口歧管12和出口歧管13腔室。

本发明的应用示例

如前所述，本发明的微通道交换器100在冷却电子设备中找到了优选的使用目标。

极其有利的应用提供了本发明的交换器在用于冷却个人电脑和/或数据中心的热虹吸系统中的实施方式。然而，这并不排除所提出的技术方案可以为在不同系统(用于电力电子设备或基于泵的系统的热虹吸器)中的应用提供使用有效性。

事实上，热虹吸系统通常为遭受压降波动的两相流体提供上升管道(上升管)。此外，热虹吸器通常相对于由电子设备分散的热流以相对适度的质量流流量致动，然后由于密度波动导致的不稳定性是显著的。来自这种类型的冷却系统遭受的额外的不稳定性是由于用于数据中心的热虹吸器通常具有许多并联连接的交换器的事实。

所提出的具有本发明的微通道交换器的高稳定性技术方案允许热虹吸系统处理高的热负荷值。此外，本发明的交换器可以容易地修改以与另外的已知技术方案协作，例如通过实施发散的流动通道和/或入口膨胀容器。

图4的示例示意性地示出了实现本发明的交换器(特别是作为蒸发器)的第一实施例或第二实施例的热虹吸冷却系统(例如用于处理器)。

通过用附图标记L标示的所谓的液体管线(下降管)和用附图标记G标示的所谓的蒸汽管线(上升管)，蒸发器100的入口端口10’和出口端口10”将后者流体连接到冷凝器C，其例如用次级流体(空气或其它)冷却。通过交换由(未示出的)计算机处理单元所产生的热量而产生蒸汽。蒸汽通过蒸汽管线G流动并在冷凝器C中以液相冷凝。在此获得的液体经由液体管线L通过重力流动，回到蒸发器100并完成自然循环。

图5A和图5B的示例示意性地示出了用于数据中心200的热虹吸冷却系统，实现了本发明的交换器(特别是蒸发器)的第三实施例。

本发明导致对于数据中心特别有利，因为它提供了并行使用许多蒸发器，由于并行蒸发的流，可能发生额外的不稳定性。

参照图5A，放置在服务器机架201的上部部分中的冷凝器C连接到下降管L和上升管G。两条管线并联连接到蒸发器100，与待冷却的电子部件(例如CPU、GPU、存储卡等)一样多。由电子部件产生的热量触发蒸发器100内的冷却流体的蒸发。

由于密度差，蒸汽倾向于经由上升管G向上流动。通过向次级流体(例如水或其他热传递流体)丢弃积聚的热量，在冷凝器C中，蒸汽以液相冷凝。这里获得的液体经由下降管L通过重力流动，并且通过完成自然循环而再次在所有蒸发器100中穿越。

在图5A的示例中，示出了应用于一个单个服务器机架201的热虹吸器。然而，需要注意的是，数据中心200中的每个机架可以由相同的冷却系统服务，这样，每个机架将与专用热虹吸器相关联。次级流体可以用冷却器、外部环境(空气、含水层或其它)、用于热回收的使用者(建筑物的加热、电力生产)或其它来丢弃热量。

蒸发器100的连接的架构在图5B中以举例的方式示出。

在服务器201的层面上，通过允许连接到下降管G和上升管G的液相l的配件和蒸汽相g的配件，它们被并联连接。蒸发器100和电子部件之间的热接触优选地由热界面材料(导热膏、片或其它)保证。

已经参照优选实施例描述了本发明。这意味着属于同一发明核心的其它实施例可以存在，如在此所描述的权利要求的保护范围所限定的。

Claims (13)

1.一种适用于冷却电子部件的微通道类型的蒸发器(100)，所述蒸发器(100)包括板状主体(10)，所述板状主体(10)具有与待冷却的电子部件的外部联接表面(11)，其中所述板状主体(10)在内部承载用于两相冷却流体的入口歧管(12)和用于热交换的下游的所述流体的出口歧管(13)，其中所述入口歧管(12)和所述出口歧管(13)通过所述板状主体(10)内在所述联接表面(11)处的热交换室(14)以及通过两相冷却流体的单向循环装置(T)流体连通，其中，所述单向循环装置(T)容纳在所述板状主体(10)中，并且构造成允许流体的液相全部地从所述出口歧管(13)向所述入口歧管(12)循环。

2.根据权利要求1所述的蒸发器(100)，其中所述单向循环装置包括特斯拉阀(T)。

3.根据前述权利要求中任一项所述的蒸发器(100)，其中所述单向循环装置(T)在所述热交换室(14)的外部。

4.根据前述权利要求中任一项所述的蒸发器(100)，其中所述板状主体(10)包括基板(10A)和盖元件(10B)，所述基板(10A)和所述盖元件(10B)联接在一起以限定用于所述热交换室(14)内所承载的两相冷却流体的第一流动通道(14a)。

5.根据前述权利要求所述的蒸发器(100)，其中所述第一流动通道(14a)沿着彼此平行的各个伸展的主导方向(S)延伸。

6.根据权利要求4或5所述的蒸发器(100)，其中所述第一流动通道(14a)包括金属泡沫结构或以翼片(141)的形式制成的多个肋部。

7.根据前述权利要求中任一项所述的蒸发器(100)，其中所述热交换室(14)介于所述入口歧管(12)与所述出口歧管(13)之间。

8.根据前述权利要求所述的蒸发器(100)，其中所述单向循环装置(T)包括用于所述热交换室(14)外部的两相冷却流体的第二流动通道(T_a)。

9.根据前述权利要求中任一项所述的蒸发器(100)，其中第二单向循环装置(T’)容纳在板状主体(10)中并且构造成防止两相冷却流体从所述入口歧管(12)向蒸发器中的流体的对应的入口端口(10’)循环。

10.根据权利要求1至6中任一项所述的蒸发器(100)，其中所述单向循环装置(T)和所述热交换室(14)彼此叠加。

11.根据前述权利要求所述的蒸发器(100)，其中流体分配装置(30)介于所述入口和出口歧管(12)(13)和所述热交换室(14)之间。

12.根据前述权利要求所述的蒸发器(100)，其中所述入口歧管(12)和所述出口歧管(13)被放置在所述分配装置(30)的相应开口(32、33)处。

13.根据前述权利要求中任一项所述的蒸发器(100)，其中所述板状主体(10)具有大体上四边形的几何形状，并且其中所述入口歧管(12)和所述出口歧管(13)沿着所述板状主体(10)的相对的周边边缘置定位。