專利名稱：用于冷卻回路的蒸發器的制作方法
技術領域：
本發明涉及冷卻回路，特別是兩相冷卻回路，用于冷卻功率 電子裝置和功率電氣裝置中的至少一個，本發明還涉及包括這樣 的冷卻回路的功率模塊。
背景技術：
隨著功率電子裝置的功率值越來越大并因此發出更多熱量，
這樣的功率電子裝置的有效冷變得越來越重要。為這樣的功率電 子裝置(例如半導體開關元件或類似物)提供有效冷卻系統的一 種方法是提供兩相冷卻回路。這樣的冷卻回路使液體熱接觸發熱 裝置。液體被發出的熱量加熱并且達到沸點。因為液體本身的溫 度不會升高到沸點之上，所以液體的溫度以及因此導致電子裝置 的溫度被保持在作為最大值的液體沸點溫度下。
這樣液體被儲存在位于蒸發器內部的貯液器中。蒸發器與發
熱裝置熱接觸。液體蒸汽隨后通過管道匯集到冷凝器。在冷凝器 內，蒸汽通過在恒溫下將熱量放給冷卻劑流體(例如環境溫度下 的空氣)轉變為液體。因而蒸汽回到其液相。冷凝器和蒸發器通 過第二管線連接，以使作為液體的被冷凝蒸汽再次返回到蒸發器 的液體貯液器內。
在US5，195，577中公開了這樣的冷卻裝置。這種冷卻回路的 問題在于蒸發器同時提供液體貯液器的功能。因此，這種蒸發器 的橫截面相對較大。因此蒸發器的效率較低。這是因為引入的熱 量導致在蒸發器的大容積內的液體的沸騰。這種所謂的"池-沸騰 "具有比較差的熱傳遞性能，其容量大，需要很大的流體總量， 并且難以在高壓下實現防漏密封。
目前已知的是采用所謂的"對流-沸騰"來提高蒸發器的熱傳 遞性能。為了達到對流-沸騰效果，蒸發器的橫截面要減小。由 于蒸發器橫截面的減小，在蒸發器的出口處，氣相和液相的混合 物流向冷凝器。通過將包含有液滴的蒸汽混合物引入到冷凝器內，在另一方面則降低了冷凝器的性能。因此蒸發器橫截面面積 減小的積極效果在很大的程度上被冷凝器差的熱傳遞性能破壞 了 。
發明內容
因此，本發明的目的是提供一種用于冷卻回路的蒸發器，其 具有改進的熱傳遞，卻不會影響冷卻回路中的冷凝器的性能。
上述的問題通過與獨立權利要求中的特征相一致的包括至 少一個蒸發器的冷卻回路以及通過包括至少一個這種冷卻回路 的功率模塊得到解決。
在下文中，術語功率模塊是指包括至少一個功率電子裝置和 /或功率電氣裝置的組件，其熱連接根據本發明的至少一個冷卻 回路。另外在下文中，按照可互換的方式來使用術語功率電子裝 置和/或功率電氣裝置與發熱裝置。
對于冷卻回路，上述問題是通過下列特征解決的 一種用于 冷卻至少一個發熱裝置的冷卻回路，所述冷卻回路包括蒸發器。 所述蒸發器進而包括殼體，該殼體具有至少一個壁熱連接所述的 至少一個發熱裝置。蒸發器進一步包括至少一個通道，該至少一 個通道的橫截面小得足以使在使用冷卻回路期間在所述的至少 一個通道的至少一部分中能夠實現對流沸騰。至少一個分離容積 位于蒸汽出口處。所述的至少一個分離容積與所述的至少一個通 道以及至少一個液體貯液器流體連接。
依照本發明，冷卻回路的所述至少一個蒸發器包括殼體，該 殼體具有至少一個壁接觸發熱裝置。這樣的發熱裝置例如可以是
功率電子電路和類似物的裝置。應該注意到涉及熱量來源的限制 不影響本發明的原理。在蒸發器的所述殼體內形成一個或多個為 蒸汽-液體流留有小間隙的平行通道。發生沸騰的該有限空間能 夠實現對流沸騰。蒸發器進一步包括分離容積和液體貯液器。依 據該實施方式，一個殼體可負擔多個發熱裝置。
如討論現有技術時所解釋的，對流沸騰表示流經小間隙的液 體溫度達到沸點。因此氣流也輸送一定量的液相。依照本發明， 蒸發器還包括至少一個分離容積。該至少一個分離容積，為了增加可讀性在下文中也簡稱為分離模塊，位于所述通道的蒸汽出口 處。因此，當使用冷卻回路時，蒸汽/液體混合物從至少一個通 道被引入到分離容積中。因此在蒸汽流離開蒸發器之前，發生了 相分離并且液相部分不會被輸送到冷凝器。液相部分滴回到也布 置在蒸發器內的液體貯液器中。
依照本發明的蒸發器的優點在于，采用創新性蒸發器的用于 冷卻發熱裝置的回路具有兩種效果的優點。 一方面，通過提供一 個或者多個平行通道作為發生對流沸騰的有限空間，提高了發熱 裝置和蒸發器內的液體之間的熱傳遞。另一方面避免了在該狹窄 間隙內的對流沸騰對冷凝器性能的不利效果，因為僅僅給該冷卻 回路的冷凝器供給氣相。液相和氣相的分離在布置于流動方向上 位于通道下游的分離容積內進行。另外，由于蒸發器還包括液體 貯液器，因此并不需要泵或類似物就能始終提供足夠量的液體。
從屬權利要求涉及特定的實施方式。
通過通道構造元件在蒸發器殼體內部形成一個或多個平行 通道是有利的。該至少一個通道構造元件因而包括處在通道構造 元件第一側的至少一個表面。根據該實施方式，殼體可以包括多 個通道構造元件。該至少一個表面面向蒸發器殼體的所述壁的內 表面。因此通過通道構造元件，發生對流沸騰的有限空間或通道 就形成了 。
另外，將液體貯液器定位在所述的至少一個通道構造元件的 第二側而不是第一側是有利的。這樣僅通過一個附加元件，就可 能明顯提高整個冷卻系統的性能。 一方面，通過采用對流沸騰提 高了蒸發器的熱傳遞性能，而另 一方面易于調節液體貯液器的大 小以最優化蒸發器的性能。
因此依照本發明的第一方面，沿著所述通道中的流動方向的 通道構造元件的第一側的至少一部分的長度短于所述壁的所述 內表面，這是有利的，在下文中流動方向也被稱為流動的方向。 這允許這樣布置至少一個通道構造元件，即在所述通道的蒸汽出 口處形成直接通向所述分離容積的間隙。換句話說，所述通道構 造元件在所述流動方向上這樣布置，使得在所述至少一個通道的 所述至少一個蒸汽出口處形成間隙，該間隙大于所述至少一個通道的寬度，所述間隙將所述至少一個蒸汽出口與所述至少一個分離容積流體連接。
這種處于通道的蒸汽出口處的擴大的間隙具有這樣的優點，即蒸發器的整體尺寸可以保持較小。該間隙自動導致在通道的蒸汽出口和連接蒸發器和冷凝器的蒸汽管道的入口之間的距離擴大。蒸汽出口和蒸汽管道的入口之間的該區域構成分離容積，通過短于蒸發器壁的內表面的長度，能夠很容易形成分離容積。
為了易于制造，提供作為插件的通道構造元件是有利的。另外，該插件還具有這樣的優點，即可以保留已知蒸發器的形狀，而不需要開發新的設計。另外，插入到蒸發器殼體內的該插件允許多種通道或間隙的尺寸以及液體貯液器的大小。因此易于調整液體貯液器的大小從而根據蒸發器的總體形狀提供最佳的性能。
另外，在蒸發器殼體壁的所述內表面與插入的通道構造元件的至少 一 個表面之間提供至少 一 個間隔裝置是有利的。換句話說，通過至少一個間隔裝置，內表面被移位到與所述的至少一個散熱裝置的第一表面相距大約第一距離。提供這樣的間隔裝置允許按照極簡單和方便的方式將插件正確定位在蒸發器殼體的內部。根據需求和可制造性，間隔裝置包括至少一個間隔件元件，該至少一個間隔件元件至少部分地一體化在壁和第 一表面的至少之一中。額外的或可選擇的，間隔裝置由至少一個分離的元件形成。
另外，通過在通道構造元件中形成凹陷部來構造液體貯液器是有利的。由于這樣的蒸發器或熱虹吸器在使用時具有好的定向，因為在液相中氣相氣泡是上升的，因此采取將蒸發器殼體壁的內表面和通道構造元件的第 一側布置在至少大致垂直的方向上。因此通道在垂直方向上延伸，液體入口形成在蒸發器的底部，而蒸汽出口定位在通道的上端。因此凹陷部有利地是布置在通道構造元件的頂側處的凹陷部分。
另外，在通道構造元件內形成管道從而將液體貯液器與通道的液體入口或進口連接是有利的。
利用附圖作為示例，在下文中更為詳細地說明本發明的實施方式。
圖l顯示依照本發明第一實施方式的蒸發器的剖視圖2顯示具有簡化的通道構造元件的第二實施方式；
圖3顯示具有進一步簡化的通道構造元件的本發明的第三
實施方式，該通道構造元件需要蒸發器殼體的適應改進；
圖4a)到c)示例了用于將通道構造元件放置在蒸發器殼體
內的不同類型的空間，以及
圖5顯示了插入類型的通道構造元件的一個特定實施方式
的示例。
具體實施例方式
在圖1中顯示了用于冷卻回路的第一蒸發器1的剖視圖。蒸發器1包括殼體2，該殼體具有至少一個壁3接觸發熱裝置。為了圖的簡化，僅有所述的至少一個壁3顯示具有厚度。
如終止于壁3外側的多個箭頭所指示的，由與所述壁3接觸的裝置(未圖示)發出的熱量Q被引給壁3。在殼體2的內部容積中布置有插件4。在該給定的實施方式中，插件4是通道構造元件。插件4通過殼體2的開口或者在殼體2制造時被插入到殼體2中。
插件4包括處于插件4的第一側的一個表面5。具有第一表面5的該側被定向面對壁3的內表面6。第一表面5和內表面6彼此間隔開以在它們之間形成間隙。該間隙構成通道7，在通道7中由于散發的熱量Q而發生對流沸騰。冷卻劑的氣相和液相混合物流在豎直方向上向上流動。蒸發器1定向的方向使得通道7指向豎直方向，以便冷卻液體和氣相氣泡11的混合物能夠向上流動。在通道7的蒸汽出口 9處，混合物被引入到定位為與蒸汽出口 9相接觸的分離容積8中。
內表面6和通道構造元件4的第一表面5布置在通道7的端部相JJ巨第一距離I,由于該第一距離d,的原因，液相和氣相的混合物被引入到分離容積8內。插件4的第一側面5的長度1或縱向延伸短于殼體2的內表面的總長度L。因此，具有距離(12的第二間隙形成在插件4的上端處。因此在蒸汽出口 9的上方形成分離容積8。由于重力的原因，氣相中所攜帶的液體小滴在離開通道7后從氣相中分離出來。小滴落回到布置在插件4的第二側的貯液器10內。從圖1中可容易地看到，將液體貯液器10定位在插件4的頂側上是有利的。在圖示的實施方式中，凹陷部形成液體貯液器10。在貯液器10內，液體14被定位，而在分離容積8中從氣相中分離出來的液滴加入到液體14中。現在不包含液體小滴的氣相通過第一連接管線12流向冷凝器，未圖示。冷凝的液體通過第二連接管線13被輸回到蒸發器1。第二連接管線13延伸進入液體貯液器10的凹陷部。
為了在通道7的進口 17處供應液體14，有必要將貯液器10連接到進口 17。在圖l所示的第一實施方式中，管道15布置在插件4的內部。管道15將液體貯液器10連接到另一間隙16，該間隙16位于插件4的底側，處在殼體2和插件4之間，并且優選延伸達到蒸發器1的大部分寬度。
對本發明尤為重要的是，為了實現對流沸騰，第一距離必須足夠小。另一方面，第二距離(12不必延伸覆蓋蒸發器1的整個寬度。對于液滴與氣相分離的效果，在蒸汽出口 9和第一連接管線12之間布置分離容積8就足夠了 。氣相和液相混合物流的速度必須足夠低，以保證氣相流和液滴之間的摩擦減小，從而使得重力會迫使兩相分離。
圖2顯示了依照本發明的蒸發器r的另一個示例。出于簡化
的原因，僅僅說明與圖1的不同之處。與圖1相同的元件和特征用相同的參考標號標示，將省略對它們的詳細描述。
與第一示例相反，圖2圖示了具有簡化的插件4'的一個示例。第一側面5按照與圖1完全相同的方式構造。形成液體貯液器10的凹陷部按照在圖2所示的剖視圖中給出的插件4'的L-形方式制成。此外，管道15'由插件4'的第二側構成，該第二側與第一表面5相反并且面向殼體2的笫二壁，殼體2的第二壁位于與壁3相對的一側。
圖3顯示了另一個示例。創新性的蒸發器l"的第三種實施方式還包括修改的插件4〃 ，插件4〃與第一壁3聯合構成通道7，用于形成有限的空間從而實現對流沸騰.在所有的三個實施方式中，分離容積8按照完全相同的方式形成。與圖1和2的實施方式相反，現在液體貯液器10不是由插件4或者V的凹陷部構成，而是通過修改殼體2'本身形成的臺階構成的。該修改的殼體2'因而包括下部和上部。下部具有總的內部寬度，從而使得板形插件4〃在其第一側形成通道7，并在其第二側形成管道15〃。所有三個實施方式的操作是相同的。
所有三個插件4， 4'和4"需要被定位，從而與第一壁3保持限定好的距離di。出于簡化目的，圖1至3均未顯示將插件4，4、 4〃定位在殼體2內的裝置。圖4a)到c)的不同剖面圖中所顯示的間隔件只用于第一實施方式，這樣的間隔件18. i和19. i可具有各種不同的形狀并且由不同的支撐結構來支撐。在第一示例中，隔離件18. 1到18. 3為鰭形并且在通道7的縱向方向上延伸。因此插件4的第一表面被分成5. 1到5. 4的多個表面部分。結果通道7也被分成多個子通道。為了實現過盈配合，第二間隔件19. 1到19. 3定位于插件4的相對側處。這些第二間隔件19. 1到19. 3和第一隔離件18. 1到18. 3是同樣的類型。對于本領域技術人員是顯而易見的是，圖示實施方式的間隔件18. i和19. i的剖面形狀以及高度和寬度不是限制。也有可能的是間隔件僅位于插件4的上部和插件4的下部，而不在其整個長度1上延伸。
圖4b)中顯示了看起來與圖4a)的間隔件很相似的間隔件的第二示例。與間隔件18. 1到18. 3以及19. 1到19. 3相反，間隔件18. F到18. 3'以及19. l'到19. 3'是與插件4相分離的元件。這些分離的元件可以特別如圖4c)中所顯示的形成為殼體2的一部分，或者如圖4b)所顯示的作為也被插入到形成在插件4和殼體2之間的間隙中的優選位于兩側的多個部分。
圖4c所顯示的間隔裝置與圖4a所顯示的不同，不同之處在于圖4c所顯示的間隔裝置沒有一體化在插件中，而是對壁3進行局部地塑形從而構成間隔裝置。這允許至少一個插件的形狀保持較為簡單，而不需要復雜的特征，例如立柱或肋18.1， 18.2…例如圖4a所示。回到圖4c所示的實施方式，例如，間隔裝置18-1〃， 18.2〃， 18.3"， 19-1", 19.2"和19.3"通過壁3的局部變形而形成。例如，根據需要，至少一個變形可以是點形或者線形或者前兩者的混合體。
圖5顯示了另一種實施方式中的插件4'"的三維透視圖。插件V由連續排列的三個分開的元件41， 42, 43組成。第一元件41和第二元件42分別包括凹陷部分44和45。在第一元件41中，凹陷部分僅僅設在第一元件41的部分厚度中。第三元件43是板形元件，以便圍住凹陷部分44和45，從而構成液體貯液器10，液體貯液器10的開口只開在插件4'"的頂側。所有的三個元件41到43均包括處在底部邊緣的小臺階41.1和41.2，以便保證在蒸發器的底部構成間隙。如圖l所示，該間隙通過管道15連接到液體貯液器10。在插件f的圖5的實施方式中的管道15由凹槽15'構成，凹槽15'壓軋在第一元件41的面向第二元件42的側上。
通過三個連續的元件41， 42和43形成插件V具有的優點是管道15可以通過壓軋凹槽15'來形成，凹槽154皮第二元件42封閉。凹槽15'終止于作為通向蒸發器1底部間隙的液體出口的擴大部分47。
另外，圖顯示設置有46.1到46.6的多個間隔件元件，以便在殼體2的內表面和插件4'"之間保持一定的距離。為了圖的可理解性，所顯示的間隔件限制為插入到第三元件43中的間隔件。可以容易地理解到，插件V的第一元件41也包括多個另外的間隔件，以便限定在插件V的第一表面和壁3的內表面之間的第一距離&。
本發明不限于圖中所示的并在說明書解釋的任何實施方式。事實上，不同實施方式的單個特征可以按照有利的方式進行組合。
權利要求
1.用于冷卻至少一個發熱裝置的冷卻回路，所述冷卻回路包括蒸發器(1，1′，1″)，所述蒸發器(1，1′，1″)包括殼體(2，2′)，該殼體(2，2′)具有至少一個壁(3)可熱連接所述的至少一個發熱裝置，該殼體(2，2′)進一步包括至少一個通道(7)，所述通道(7)的橫截面小得使在使用冷卻回路期間在所述的至少一個通道(7)的至少一部分中可實現對流沸騰，至少一個分離容積(8)位于蒸汽出口(9)處，該至少一個分離容積(8)流體連接所述的至少一個通道(7)和至少一個液體貯液器(10)。
2. 根據權利要求1所述的冷卻回路，其特征在于所述的 至少一個通道(7)通過使用布置在殼體內的至少一個通道構造元 件(4， 4、 4〃， V)形成，所述的至少一個通道構造元件(4， 4'， 4''， 4'")包括處于所述的至少一個通道構造元件(4， 4、 4" ， 4' ' O的第一側的至少一個表面(5， 5. 1， 5. 2， 5. 3， 5. 4 )， 該至少一個表面(5， 5.1， 5.2， 5.3， 5.4)面向所述壁(3)的內 表面(6)并且與所述壁構成所述的至少一個通道(7)。
3. 根據權利要求2所述的冷卻回路，其特征在于所述的 至少一個液體貯液器(10)布置在所述的至少一個通道構造元件 (4， 4' ， 4〃 ， V")的不同于第一側的第二側。
4. 根據權利要求2或3所述的冷卻回路，其特征在于所 述通道構造元件(4, 4、 V， V)的所述第一側的至少一部分 的長度(1)沿所述的至少一個通道(4， 4、 4〃， 4〃0中的流動 方向延伸并且比所述壁(3)的所述內表面(6)短，所述通道構造元 件(4， 4、 4〃， V)沿所述流動方向定位，從而在所述至少一 個通道(7)的所述至少一個蒸汽出口 (9)處形成大于所述至少一 個通道(7)的寬度(dJ的間隙(d2)，所述間隙((12)將所述的至少一 個蒸汽出口 (9)與所述的至少一個分離容積(8)流體連接。
5. 根據權利要求2到4所述的冷卻回路，其特征在于所 述的至少一個通道構造元件(4， 4、 4〃， 4"0是插件(4, V, 4")。
6. 根據權利要求2到5中任一項所述的冷卻回路，其特征 在于通過至少一個間隔裝置(18. 1， 18. 1' , 18. 1" ; 18. 2, 18. 2、18- 2" j 18- 3， 18. 3z ， 18， 3" j 19. 1， 19. r ， 19， 1" 19. 2， 19- 2、19- 2""9*3， 19，3、 19-3"j46-l， 46丄46， 3， 46-4， 46-5， 46. 6)所述內表面(6)被移位與所述至少一個散熱裝置的第一表 面(5)相距大約第一距離(dj 。
7. 根據權利要求6所述的冷卻回路，其特征在于所述間 隔裝置包括至少部分地一體化到所述壁(3)和所述第一表面(5) 的至少之一中的至少一個間隔件元件(18. 1， 18.2， 18.3， 19.1， 19.2， 19.3)。
8. 根據權利要求3所述的冷卻回路，其特征在于所述的 至少一個液體貯液器(10)由所述通道構造元件(4,4、4〃 ， V) 中的至少一個凹陷部形成。
9. 根據權利要求2到8中任一項所述的冷卻回路，其特征 在于在所述至少一個通道構造元件中形成有至少一個管道(15， 150，所述至少一個管道(15， 150從所述至少一個液體貯液器 (IO)延伸到所述至少一個通道(7)的進口 (17)。
10. 根據權利要求1到9中任一項所述的冷卻回路，包括至 少一個冷凝器，該至少一個冷凝器通過第二連接管線(13)和至少 一個第一連接管線(12)流體連接蒸發器(1， 1、 1〃)，在使用冷 卻回路期間，通過所述至少一個第一連接管線(12)蒸汽可從蒸發 器(l， l'， 1〃)流向冷凝器，通過所述第二連接管線(13)冷凝的 液體可從冷凝器返回到蒸發器(1， r, r')。
11. 根據權利要求10所述的冷卻回路，其特征在于所述至少一個第一連接管線(12)終止在蒸發器(i, r， i")內的所述至少一個分離容積(8)內，和/或第二連接管線(13)終止在蒸發器 (1， l'， 1")內的液體貯液器(10)內。
12. —種功率模塊，包括至少一個發熱裝置，特別是至少一 個功率電子裝置，該至少一個發熱裝置熱連接根據權利要求1到 11中任一項所述的至少一個冷卻回路。
13. 根據權利要求12所述的功率模塊，其特征在于所述 的至少一個發熱裝置包括功率電子裝置和功率電氣裝置的至少 之—》
全文摘要
本發明涉及用于冷卻回路的蒸發器。蒸發器包括殼體(2)，該殼體具有至少一個接觸發熱裝置的壁(3)。通道(7)的橫截面小到足以允許對流沸騰，并且分離容積(8)位于蒸發器內。分離容積(8)位于所述通道(7)的蒸汽出口(9)處。蒸發器進一步包括液體貯液器(10)。
文檔編號H05K7/20GK101581550SQ200910140850
公開日2009年11月18日 申請日期2009年5月14日 優先權日2008年5月14日
發明者B·耶辛, B·阿戈斯蒂尼 申請人:Abb研究有限公司