蒸发器和冷却回路的制作方法

专利名称：蒸发器和冷却回路的制作方法
技术领域：
本发明的方面涉及用于冷却回路的蒸发器，尤其用于通过蒸发冷却流体而冷却发 热装置的冷却回路的蒸发器。另外的方面涉及包括这种蒸发器的冷却回路和功率模块。另 外的方面涉及通过蒸发器来冷却发热装置的方法。
背景技术：
由于功率电子装置达到越来越大的功率值并且因此耗散热，故这种功率电子装置 的有效冷却变得越来越重要。提供用于例如半导体开关元件等的这种功率电子装置的有效 冷却系统的一种方式是提供两相冷却回路。这种冷却回路使液体与发热的装置进行热接 触。液体由耗散热加热并且达到沸腾温度。由于液体本身的温度不会升高超过沸腾温度， 故液体的温度并且因此电子装置的温度保持在作为最大值的液体的沸点温度。因此液体储存在蒸发器内部的储存器中。蒸发器与发热装置处于热接触。液体的 蒸气然后通过管道汇聚到冷凝器。在冷凝器内，蒸气通过放热而变成液体。例如，在冷凝器 中，热被排出至冷却剂流体，诸如处于周围温度的空气。蒸气因而返回到其液相。冷凝器和 蒸发器经由第二管线连接，以便将冷凝蒸气作为液体再次馈送回至蒸发器的液体储存器。这种冷却装置公开在US 5，195，577中。这种冷却回路的问题在于，蒸发器同时提 供液体储存器的功能。因此，这种蒸发器的截面较大。因而，蒸发器的效率较低。这是因为 所引入的热导致设置在蒸发器的较大体积中的液体沸腾。这种所谓的“液池沸腾”具有较 差的传热性、较庞大、需要较大流体存量并且在高压下难以防漏。为了改进蒸发器的传热性能，可考虑使用所谓的对流沸腾。为了实现对流沸腾效 果，减小蒸发器的截面。由于蒸发器的截面减小，在蒸发器的出口处气相与液相的混合物流 至到冷凝器。通过在蒸气包含液滴的情况下将蒸气混合物引导至冷凝器，冷凝器的性能另 一方面被降低。因此，蒸发器截面积减小的积极效果由于冷凝器较差的传热性能而在较大 程度上被废除。因此，需要用于冷却回路的蒸发器，其具有改进的传热而不会影响冷却回路的冷 凝器的性能。蒸发器应确保在蒸发通道中存在足够的液相冷却流体可用，使得蒸发器在操 作期间不变干。

发明内容
鉴于上文所述，提供根据权利要求1和2所述的蒸发器，根据权利要求15所述的 冷却回路，根据权利要求17所述的功率模块和根据权利要求18所述的方法。根据第一方面，提供用于冷却回路的蒸发器，该冷却回路用于通过蒸发冷却流体 而冷却至少一个发热装置。这种蒸发器包括顶部收集器，其具有用于在其中接收冷却流体 的体积；底部收集器，其具有用于在其中接收冷却流体的体积；以及蒸发器主体。蒸发器主 体包括至少一个导热壁，其可热连接到至少一个发热装置；
多个蒸发通道，其与至少一个导热壁热接触并且流体式连接到底部收集器和顶部 收集器，蒸发通道中的每个包括相应的蒸发通道引入口用于在蒸发器的操作状态下从底部 收集器引入冷却流体，和相应的蒸发通道出口用于在操作状态将冷却流体放出到顶部收集 器，蒸发通道在尺寸方面构造成用于在操作状态下在蒸发通道中形成液体冷却流体的沸 腾，因此在操作状态下，其中的冷却流体至少部分地变成蒸气，并且用于形成气泡泵使得冷 却流体经由相应的蒸发通道出口从蒸发通道被驱动出至顶部收集器；以及多个返回通道，其流体式连接到底部收集器和顶部收集器，返回通道中的每个包 括相应的返回通道引入口用于在操作状态下从顶部收集器引入冷却流体，和相应的返回通 道出口用于在操作状态下将冷却流体放出到底部收集器。上文所述的蒸发通道几何形状的优点在于，发热装置与蒸发器内部的冷却流体之 间的传热以及流体循环通过允许气泡泵的蒸发通道几何形状而得到改进。而且，液体返回通道的优点在于，它们允许可能存在于顶部收集器中或者可从蒸 发通道进入顶部收集器的液体冷却流体快速地并且以均勻分布的方式返回到底部收集器， 使得甚至在强热负荷下，蒸发器变干的风险降低。这包括蒸发器局部变干的风险。而且，由于气泡泵，改进了流体的对流移动。因此，在许多情况下，无需提供泵或类 似物来供应足量的流体和保持冷却流体循环在足够的水平。根据第二方面，类似第一方面地提供一种蒸发器，但是以绝对值给出蒸发通道尺 寸而不是根据气泡泵进行限定。也就是说，根据第二方面，蒸发通道具有如在本说明书中任 何地方所限定的横截面。例如，横截面可具有以下中的至少一个在截面中最小横向通道尺寸在0. 25mm与25mm之间，在某些实施例中在0. 5mm与 IOmm之间，并且在特定实施例中在Imm与6mm之间；在与导热壁正交的横向方向上，横向通道大小小于25mm，在某些实施例中小于 IOmm ；横截面纵横比，即在横向方向上的最大通道宽度除以在横向方向上的最小通道宽 度，在1与10之间，在某些实施例中在1与5之间或者在1与2之间。这些尺寸便于向通道内的冷却流体传热，因为它们确保大部分冷却流体紧邻通道 壁。小纵横比允许通道侧壁显著地有助于向流体传热，从而增加了蒸发器的冷却效率。根据第三方面，提供用于通过蒸发冷却流体而冷却至少一个发热装置的冷却回 路。冷却回路包括如本文中任何地方所描述的蒸发器，其并不排除可存在多于一个蒸发器； 冷凝器，其具有联接部分用于将冷凝器热联接至散热器；以及导管，其同样并不排除可存在 多于一个导管，包括第一导管部分和第二导管部分，第一导管部分将蒸发器连接到冷凝器 用于在操作状态下将蒸气冷却流体从顶部收集器传送到冷凝器；第二导管部分将冷凝器连 接到蒸发器用于在操作状态下将液体冷却流体从冷凝器传送到底部收集器。冷却器回路还 可包括冷却流体。根据第四方面，提供利用蒸发器来冷却发热装置的方法。通常，来自蒸发通道的气流也可将某个量的液相输送至顶部收集器。因此，在某些 实施例中，顶部收集器具有在操作状态下用于将冷却流体的主要液体部分与主要蒸气部分 分开的分离体积。分离体积位于蒸发器通道的蒸气引出端口。分离体积防止液相部分从顶 部收集器输送到冷凝器。因此，避免了液体不期望地馈送至冷凝器内。
替代地，提供返回通道用于使液体部分返回到底部收集器。存在多个返回通道，以 便可提供足够的并且良好分布的液体供应，即使例如返回通道中的一个被堵塞。另外，也通过提供可连接到冷却回路的冷凝器的、在底部收集器处的蒸发器入口 端口来促进足够的供应。这种布置允许冷却流体从冷凝器直接放出到底部收集器，而无需 将流体引入到顶部收集器。实施例也涉及制造所公开的蒸发器和冷却回路的方法。可与本文所描述的实施例相组合的另外的优点、特征、方面和细节通过所附权利 要求、说明书和附图而明显。


细节将参考附图在下文中描述，在附图中图1是根据本发明的实施例的冷却回路的透视图，图2a是图1的冷却回路的蒸发器的透视图，图2b是图2a的蒸发器的截面透视图，图3是图2a的蒸发器的透视图，其被部分地拆卸以便暴露其蒸发器主体，图4a是图3所示的蒸发器主体的透视图，图4b至4d是根据本发明的另外实施例的另外蒸发器的透视图，图5a是根据本发明的另外实施例的蒸发器的透视图，图5b和图5c是图5a的蒸发器的另外的截面透视图，图6a和图6b分别是图1所示的冷却回路的冷凝器的入口和出口的透视图和截面 图，以及图7a是根据本发明的另外方面的蒸发器的透视图，图7b是图7a的蒸发器的透视截面图。
具体实施例方式现将详细地参考各个实施例，各个实施例的一个或多个实例由每个图示出。每个 实例以解释说明的方式提供并且不意味着作为限制。例如，作为一个实施例的部分进行示 出和描述的特征可用在任何其它实施例上或者与任何其它实施例结合使用以得到又一实 施例。预期本公开包括这些修改和变化。在附图的下文描述内，相同的附图标记表示相似构件或功能上类似的构件。通常， 仅仅描述关于个别实施例的差异。除非另外具体说明，在一个实施例中的部分或方面的描 述也应用于在另一实施例中的相应部分或方面。冷却回路的概述和操作图1是根据本发明的实施例的两相冷却回路的截面透视图。冷却回路1包括蒸发 器100、导管200和经由导管200连接到蒸发器100的冷凝器300。更确切地，导管200包括 内部导管220和绕内部导管220同轴布置的外部导管210。外部导管210将蒸发器100的 蒸气出口端口 162 (参看图2a)流体式连接到冷凝器300的冷凝器入口 212。另外，内部导 管220将冷凝器300的冷凝器出口 222流体式连接到蒸发器100的液体入口端口 171 (参 看图2a)。
在操作期间，冷却回路以如下方式作为两相热虹吸进行操作。蒸发器100从诸如 附连到其上的功率模块的发热装置吸热。热在蒸发器100内产生冷却流体从液相到气相的 (部分)相变。通常，流体可为任何已知制冷剂或任何其它流体。然后，所形成的蒸气(即， 处于气相的冷却流体)经由蒸气出口端口 162 (参看图2a)、外部导管210以及冷凝器入口 212从蒸发器100放出到冷凝器300。在冷凝器300中，蒸气冷却流体再次冷凝成液相，从 而将相关的冷凝热发出至联接至冷凝器的散热器。随后，液体冷却流体经由冷凝器出口 222 和内部导管220输送回至蒸发器，该液体冷却流体经由液体入口端口 171(参看图2a)进入 蒸发器内。因此，蒸发器可描述为两相蒸发器。此处，上文所述的冷却流体的相变可能是不完全，S卩，在冷却流体的气相中仍然可 能存在例如液滴。因此，在此气相更具体地指主要为气相，其仍然可包括例如以液滴形式的 某些液体，但其流动性质以气相为主。同样，液相更具体地指主要为液相。图1的冷却回路为重力热虹吸，即蒸发器100处在竖直底部位置并且冷凝器300 处在竖直顶部位置(如图1中的Z轴所示)。以此方式，重力帮助维持上文所述的冷却流 体循环，这是因为蒸气冷却流体由于其浮力而向上竖直移动(在ζ方向上)，并且从冷凝器 300返回到蒸发器100的液体冷却流体由于其更高的质量密度而向下地竖直向下移动。通 常，在本文中ζ轴定义为蒸发通道(参看下文)的纵向延伸，并且顶部方向是在正常操作期 间的蒸发方向。蒸发器也可安装在倾斜方位或甚至水平方位(相对于地表面)。但是，在此情况 下，顶部、底部等在本文中由蒸发通道中蒸发流体的流动方向限定。例如，当蒸发器相对于 地表面安装于水平方位时，如果液体柱提供足够的压力，则在蒸发通道中蒸发冷却液体仍 然泵向顶部收集器，从而符合术语“顶部”收集器。在本文中出于描述目的，术语“上部”、“下部”、“左”、“后”、“右”、“前”、“竖直”、“水
平”和其衍生词应关于本发明如附图中的定向。然而，应了解的是，本发明可呈现各种替代 方位，只要在本发明的意义上维持热虹吸及其部件的功能。蒸发器的第一实施例总体设计参看图2a和图2b，现将更详细地描述蒸发器100。此处，参考图2和其它附图所 示的正交x-y-z坐标系，其中ζ轴表示蒸发通道130 (参看下文)的纵向延伸方向，χ轴表 示垂直于蒸发器壁122(参看下文)的方向。蒸发器100具有蒸发器外壳101，其包括用于冷却流体的内部体积。内部体积仅 可通过连接器160接近，连接器160形成用于蒸气冷凝物与液体冷凝物的功能端口。除了 连接器160之外，蒸发器100的内部体积以不透流体的方式关闭从而在其中包含冷却流体。 连接器160包括外部连接器管161，其参考由连接器160的圆柱形状所限定的轴线以同轴方 式侧向地包围内部连接器管170。在侧向地包围内部连接器管170的外部连接器管161之 间的空腔具有环形截面并且用作蒸气出口端口 162。与此相反，内部连接器管170内的空腔 用作液体入口端口 171，冷凝的液体/冷却剂从液体入口端口 171以闭环方式运行到液体出 口端口 172并且进一步到实际蒸发部分再次蒸发。可区分蒸发器100的至少三个区段蒸发器包括顶部收集器110、底部收集器150 和布置于顶部收集器Iio与底部收集器150之间的蒸发器主体120。顶部收集器110具有内部顶部收集器体积，底部收集器150具有内部底部收集器体积，用于在其中容纳冷却流 体。顶部收集器110的内部体积由为蒸发器外壳101的部分的顶部收集器外壳111并且由 蒸发器主体120的一部分界定。顶部收集器110的内部体积与位于外部连接器管161内的 蒸气出口端口 162直接流体连通，外部连接器管161附连到顶部收集器外壳111。另外，底 部收集器150由底部收集器外壳151并且由蒸发器主体120的一部分界定。蒸发主体120包括导热蒸发器壁122，其热连接到附连到壁122上的功率模块2。 此处，功率模块2是待由冷却回路进行冷却的发热装置。作为通常方面，导热壁122的大小 在y方向和ζ方向上可在200mm与2000mm之间。在一个实施例中，大小为大约400mm(在 ζ方向上)乘以800mm(在y方向上)。这个大小特别适合于功率模块。在某些实施例中， 在χ方向上的大小在50mm与400mm之间，或者在IOOmm与200mm之间。在其它实施例中， 导热壁和整个蒸发器的大小可小很多，例如当蒸发器适用于诸如笔记本的便携式设备的构 件时。蒸发主体120还包括多个蒸发通道130和多个液体返回通道140。通道130、140 延伸通过蒸发器主体120并且使顶部收集器110与底部收集器150彼此流体式连接。蒸发 通道130比液体返回通道140更靠近蒸发器壁122布置。蒸发通道130和返回通道140相 互平行布置并且在竖直方向(ζ方向)上延伸。蒸发器100的内部体积包含冷却流体(在图2a中未示出)，冷却流体的部分为液 相，冷却流体的部分为汽相。液相倾向于处于蒸发器的底部，汽相由于其较低的质量密度而 倾向于处于顶部，通常由液面分开，然而液面可能由于例如气泡形成而尤其在蒸发通道内 略微模糊。蒸发器100设计成使得其用于广泛液面。通常，液面可处于在蒸发通道130的入 口 136与蒸气出口端口 162之间的任何高度(在竖直ζ方向上)。这个较宽范围允许在各 种操作条件期间的可靠操作。通常，液面优选地选择成使得在操作条件期间在液体返回通 道140内和/或在液体返回管170内存在液面柱，液面足够高以维持或支持冷却流体的循 环。如果更功能性的语言被认为更适合于读者的理解，则液体返回管170在下文中也被称 作返回液体管170。在操作期间，蒸发通道130从底部收集器150引入液体冷却流体(即，更确切地， 主要液体冷却流体，参看上文)。然后液体冷却流体在蒸发通道130内蒸发。因此，冷却 液体至少部分地变成蒸气，即气体，从而生成液体冷却流体与气态冷却流体的两相混合物 (而且，在某些实施例中，可生成主要气态冷却流体，但为了简单起见，将仅解释两相混合物 的情况)。所形成的至少部分蒸气冷却流体然后由于其浮力而朝向顶部收集器驱动，并且由 此产生两相混合物中的冷却流体到顶部收集器110的质量流。在顶部收集器110中，冷却流体的气相(即，主要气相)部分与冷却流体的液相 (即，主要液相)部分分开。返回通道140用于使冷却流体的液相部分从顶部收集器110返 回到底部收集器150。因此，鉴于上文所述的它们的功能，在底部收集器150的侧面处的蒸发通道130的 端部(在图3中示出的端部136)可被称作蒸发通道引入口，在顶部收集器110的侧面处的 端部138可被称作蒸发通道出口。同样，在顶部收集器110的侧面处的返回通道140的端 部146可被称作返回通道引入口用于引入冷却流体，在底部收集器150的侧面处的返回通道140的端部148 (参看图3)可被称作返回通道出口。蒸发主体120，通道130、140 现将更详细地描述图2b所示的蒸发主体120和通道130、140。蒸发通道130由每 通道四个相应的通道壁界定，通道壁基本上沿着通道长度延伸。对于这些通道壁，不仅最靠 近蒸发器壁122的通道壁，而且与之相邻的两个通道壁显著地有助于从蒸发器壁122到通 道内部的冷却流体的传热。通常方面是至少蒸发通道的这三个通道壁和蒸发器壁122形成 为单件主体(此处，蒸发器主体120)的壁。这方面允许从蒸发器壁122到至少这三个通道 壁的特别良好的传热。蒸发通道130比返回通道140更邻近(最靠近)蒸发器壁122布置。更确切地， 蒸发通道130布置于返回通道140与蒸发器壁122之间。这种布置帮助蒸发通道130有效 地吸收来自蒸发器壁122的热，从而屏蔽液体返回通道140免于来自蒸发器壁122的热，因 而避免返回通道140中冷却流体的沸腾。多个蒸发通道130在ζ方向上彼此平行地延伸。另外，多个蒸发通道130沿着y 方向以线性行进行布置。同样，返回通道140也在ζ方向上彼此平行地延伸并且沿着y方 向成线性行进行布置。另外，相邻的蒸发通道130仅仅分开较小间距。特别地，在y方向上在两个相邻的 蒸发通道130之间的间距小于在y方向上一个蒸发通道130的截面延伸。这种布置允许蒸 发通道130有效地吸收来自发热装置的热。图2a和图2b的蒸发器具有两个导热壁122，发热装置附连到导热壁122上并在导 热壁122处冷却。也就是说，不仅图2a所示的壁122，而且与之相对的壁也是这种蒸发器 壁。因此，蒸发器关于图2b的截面y-z平面成镜像对称。在图2b的截面图中不可见的蒸 发通道130和液体返回通道140的另外的行可从图3看到。在图4a所示的实施例中，蒸发器主体120由单件制成。因此，蒸发通道和液体返 回通道作为单件单元物理地设置在蒸发器主体120中。这具有优点可实现从蒸发器壁122 到通道，尤其是到蒸发通道130的特别良好的传热。蒸发器主体120例如可由诸如铝或铜 的金属例如通过挤压而制成。以此方式，导热壁122也是单件蒸发器主体120的部分。蒸发通道130设计成使得在操作期间，液体冷却流体通过沸腾，在某些实施例中 通过对流沸腾，而在蒸发通道130内蒸发。另外，作为通常方面，通道也可在横向上较小，使得由于沸腾所生成的蒸气气泡形 成气泡泵效应，其中蒸发气泡由于其浮力而造成质量流使得液体与蒸气的两相混合物从蒸 发通道被驱动出来。通常，如果通道的大小(在至少一个横向方向上，X或y)具有与冷却流体的蒸发 气泡的气泡大小相同的数量级，则蒸发通道尺寸允许气泡泵。蒸发通道130不仅在χ方向上较薄，而且在y方向上也较薄。作为通常方面，它们 在任何横向方向(χ禾P /或y方向)上的大小小于25mm，小于IOmm或者甚至小于8mm。作 为另外的通常方面，在任何横向方向上的通道大小超过0. 25mm或超过0. 5mm或超过1mm，从 而允许其中的冷却流体的良好移动。作为另外的通常方面，通道截面(在正交于纵长的通 道延伸的平面中)小于100mm2，或者小于50mm2，或甚至小于20mm2。作为另外的通常方面， 通道截面大于0. Imm2或大于1mm2。
另外，通常，横截面纵横比，即在横向方向上的最大通道宽度除以在横向方向上的 最小通道宽度，在1与5之间，或者甚至在1与2之间。这意味着在X和y方向上的通道尺 寸彼此之间的差别不太大。因此，不仅面对蒸发器壁122的通道壁，而且与之相邻的侧通道 壁可显著地有助于从蒸发器主体120至冷却流体的传热，从而提高装置的冷却效率。这种几何形状允许到冷却流体的有效传热首先，由于较小通道的约束增加了流 体流的速度并且因此通过对流增加了总体冷却流体循环。因此，减小了蒸发器变干的风险。 其次，小通道增加了与流进行热交换的面积，特别是由于侧通道面，扩大的表面导致用于增 进传热的翅片效应。这相对于例如在单个宽通道中必需的热通量降低了局部热通量(对于 相同的功率水平)。另外，由冷却流体面对的减小的热通量负荷允许恒定地工作在临界热通 量条件以下。因此，这种设计导致增加的传热面积和约束，这又可能导致蒸发器的更高功率
密度。顶部收集器110:顶部收集器110布置成用于收集离开蒸发通道130的至少部分蒸气冷却流体，通 常为两相混合物。顶部收集器具有分离器体积，其使得冷却流体的液相能够与气相分离 (即，主要液态部分与主要蒸气部分，即气态部分，至少部分地分离)。主要气相经由蒸气出 口端口 162放出，蒸气出口端口 162布置于顶部收集器110的最顶部以将冷却流体的主要 蒸气部分从顶部收集器放出。液相或主要液体部分从顶部收集器取出并且经由上文所述的液体返回通道140 返回到底部收集器150。为此，它的引入口 146比蒸气出口端口 162更进一步地布置于顶 部收集器110的底部。此处，液体返回通道140的返回通道引入口 146布置于顶部收集器 110的最底侧，尤其比蒸发通道130的蒸发通道出口 138更进一步朝向底部。底部收集器底部收集器位于蒸发通道130的入口端口 136 (参看图3)。在操作期间，它包含恒 定地馈送给蒸发器通道130的液体冷却流体池。如在图2a和图3中可看出，从两个不同的源向底部收集器150馈送液体冷却流 体首先，从液体返回通道140的返回通道出口 148向底部收集器150馈送液体冷却流体。 其次，经由液体返回管170的液体出口端口 172从顶部收集器处的排放口向底部收集器150 直接馈送液体冷却流体，在下文中更详细地描述。为此，液体返回管170直接通往底部收集 器 150。通常方面为底部收集器由两个液体冷却流体源馈送。特别地，两个源为可直接连 接到蒸发器外部的源(此处，到冷凝器300)的液体返回管170和与顶部收集器110直接连 通的返回通道140。液体返回管170 返回液体管170当附连到图1所示的内部导管220时提供冷凝器300(参看图1) 与底部收集器150之间的直接连接，用于从冷凝器向底部收集器150传送冷凝的液体冷却 流体。液体返回管170同轴地布置于外部连接器管161内并且具有液体入口端口 171用 于经由导管220(参看图1)接收来自顶部收集器的液体冷却流体，入口布置于蒸发器100 的顶侧上。液体返回管170横过顶部收集器110和蒸发器主体120并且具有液体出口端口172,液体出口端口 172直接位于底部收集器150处，用于将液体冷却流体从液体返回管170 内直接放出到底部收集器150。液体返回管170经由在蒸发器主体120内在ζ方向上延伸的圆柱形孔176 (参看 图4a)横过蒸发器主体120。虽然蒸发器主体120设计成从发热装置有效地接收热，但是不 希望经由液体返回管170返回的液体冷却流体被过多地加热。这种加热将减缓液体返回到 蒸发器从而抵消冷却流体的对流循环。因此，在蒸发器主体120与液体返回管170之间存 在热绝缘。此处，隔热由蒸发器主体120与液体返回管170之间的间隙提供。液体返回管170 与蒸发器主体120之间的唯一机械接触是两个隔离环174，其设置在蒸发器主体120的顶侧 和底侧。隔离环174，例如提供为金属环，提供稳定的间隙间距，并且同时防止冷却流体进入 该间隙。隔离环174可例如钎焊在一个单槽中。另外，液体返回管170布置成使得当在χ方向上观察时蒸发器通道130在液体返 回管170与蒸发器壁122之间，从而进一步屏蔽液体返回管170免于来自发热装置2的热。可选地，液体返回管可提供为外部导管，其在底部收集器150处直接附连到蒸发 器100，而不是横过蒸发器主体120。连接器160，导管200 如图2a和图2b所示，蒸气出口端口 162设置在外管161中，该外管161布置于顶 部收集器110的顶侧(即，与蒸发通道出口 138相对的侧)。另外，液体返回管170布置成 同轴地布置于外管161内的内管。这些管一起提供图1所示的导管200可附连到其上的连 接器160。相应地形成导管200 导管200具有用于将蒸气冷却流体从蒸发器100输送到冷 凝器300的外部导管210和用于将液体冷却流体从冷凝器300输送回至蒸发器100的内部 导管220，外部导管与内部导管同轴。外部导管210适于附连到外部连接器管161上，内部 导管220适于附连到内部连接器管170上。导管200可为刚性的或柔性的，例如，金属导管或金属管。导管200允许冷凝器 300远离发热装置2。导管的长度可例如为大约1至3米。通过导管200将热从待冷却装 置的安装地点输送出来可降低原地(in-loco)周围温度调节(HVAC)的需要。导管200可单独地提供或者提供为连接管的部分，该连接管还包括用于连接到蒸 发器100和/或冷凝器300的缆线。缆线可例如为液压缆线或电缆线，例如电力或控制缆 线。相应地，在此情况下，蒸发器包括电连接器用于将蒸发器电连接到电力和电信号 源(未示出)中的至少一个。电连接器附连到连接器160上，以便与蒸发器出口管成固定 空间关系(相对于外部连接器管161或液体返回管170)。该空间关系选择成使得其适合导 管200处的相应连接器。在特定实施例中，连接设置在外部连接器管161的外部，并且用于 通过在平行于管轴线的方向上(在ζ方向上)相对于导管滑动连接器来进行连接。导管200可为导电的或电绝缘的。在前一种情况下，导管可接地。作为通常方面，蒸发器壁122可设置在盒中，该盒也适于包含发热装置2。在此情 况下，到盒的外部的连接可通过导管200或者连接器160穿过盒的开口。蒸发器的制造
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蒸发器100可如下制造包括通道130、140和开口 176的蒸发器主体120被挤压 (参看图4a)，尤其挤压成单个块体。然后，液体返回管170插入到开口 176内并且附连于其 上。然后，顶部收集器110 (顶部收集器外壳111)和底部收集器150 (底部收集器外壳151) 例如通过焊接或钎焊附连到蒸发器主体120上。它们附连到蒸发器主体120上使得存在不 透流体的连接。然而，蒸发器主体还可包括若干部件，例如，核芯部件和侧向的附连壁部件，其包 括由蒸发器壁例如以类似夹心的方式覆盖以便满足特性和需求的蒸发和/或液体返回通 道。不言而喻，在此情况下，不应当过分地影响不透流体性、不透气体性和功能。蒸发器主体120、顶部收集器150和/或底部收集器150可由包括铝、铜、不锈钢或 任何其它合适的导热材料(例如金属材料)的材料制成。附连另外，图2a示出附连翼106，用于将蒸发器附连在操作位置(其中，顶侧在ζ方向 上竖直向上，使得蒸发的冷却流体向上行进)。另外，存在用于将发热装置2附连到蒸发器 壁122的附连装置105。此处，附连装置105为在蒸发器壁122中的螺纹孔，但是任何其它 附连装置，诸如连接器上的卡扣，也同样是合适的。蒸发器的另外的修改图4b示出用于蒸发器的第二实施例的蒸发器主体120。关于第一实施例的差异 为，在图4b中辅助返回通道144设置在与顶部收集器相邻的蒸发器主体120表面的向下凹 部142中。由此，辅助返回通道144的入口更向下布置，即比其它液体返回通道140的返回 通道进入口 146更靠近底部收集器。这种布置允许从顶部收集器到底部收集器的有效液体 返回。图4c示出根据第三实施例的蒸发器主体120。此处，与先前的实施例相反，蒸发 器主体120不具有其中两个蒸发器壁122位于其相对侧的绕中心平面的镜像对称。相反， 蒸发器主体仅仅具有适于与(多个)散热装置接触的一个蒸发器壁122。通常，图4c的蒸 发器主体对应于图4a的蒸发器主体的一半(例如，示于图2b的截面图中的一半)。在图 4c中，同样液体返回通道140布置成比蒸发通道130远离蒸发器壁122，并且液体返回通道 140的引入口 146在ζ方向上比蒸发器通道130的蒸发通道出口 138更向下布置(S卩，更靠 近底部收集器)。作为关于图4a的实施例的另外的差异，液体返回通道140具有与蒸发器 通道130相同的数量和间距。图4d示出根据又一实施例的蒸发器主体120。此处，同样两个相对的蒸发器壁122 适于附连到相应的发热装置上。因此，存在两行蒸发器通道130，例如如图4a所示。与图 4a所示的实施例相反，仅仅存在一个液体返回通道140。液体返回通道140布置于蒸发器 通道130之间，S卩比蒸发器通道130进一步远离相应的蒸发器壁122。由此，热屏蔽来自发 热装置和蒸发器壁122的热。蒸发器主体120的顶表面，即与顶部收集器相邻的表面，至少部分地倾斜。返回通 道引入口布置于该表面的最下侧。这种布置导致从顶部收集器到底部收集器的有效液体返 回。蒸发器主体120的另一实施例在y方向上的延伸为图4d所示的蒸发器主体的两 倍，并且由如图4d所示的两半构成。这两半在包括液体返回通道140的图4d的蒸发器本体120的侧面处连接。因此，在此实施例中，液体返回通道140在y方向上布置于蒸发器主 体的中部。因而顶表面具有两个斜坡，每个斜坡都朝向返回通道140入口。通常方面为液 体返回通道140的入口在蒸发器主体120的顶表面的最底部位置。蘑菇状蒸发器图5a至图5c同样示出与蒸发器100的图2a和图2b所示实施例类似的实施例。 除了参考图2a和图2b进行描述的元件之外，图5a至图5c的蒸发器100具有设置在顶部 收集器110内的扩大储存体积114。这种储存体积114由顶部收集器110实现，顶部收集器 110具有向外突伸的侧壁，比蒸发器壁122在χ方向上更远地向外突伸。另外，如在图5c中 可以看出，在顶部收集器110内的储存体积114比蒸发通道的出口 136进一步向下延伸。虽然图5a至图5c所示的蒸发器可与上文所述的任何蒸发器主体组合，尤其与图 4a至图4d所示的任何蒸发器主体组合，但是图4b的蒸发器主体是特别有利的，因为它提供 额外的辅助液体返回通道144，从而即使冷却流体水平低于主要液体返回通道140(参看图 4b)的引入口 146，也允许液体冷却流体返回。在此实施例中，辅助返回通道144的引入口 可大致布置于顶部收集器储存体积114的底部。图5a和图5b的优点在于，由于在顶部收集器储存体积114内的较大的横向面积， 即使液体冷却流体的绝对量例如由于公差或增加的蒸发(发热装置增加的热)而变化，在ζ 方向上的液面也不会如此剧烈地变化。由此，甚至对于冷却流体的液体部分的绝对体积的 较大变化，可稳定地保持液面。因此，向底部收集器提供更恒定的液柱，接近蒸发器的最佳 工作条件。另外，降低了在蒸发器进口处的可能缺乏液体冷却流体(变干)的风险。顶部收集器在图5a和图5b中示出为具有椭圆形截面(在X-Z平面中)。在此实 施例的修改中，顶部收集器可具有任何其它形状。例如，可仅在面向导热蒸发器壁122远离 的顶部收集器的侧面处存在突起。作为通常方面，为了提供储存体积，顶部收集器110可具有大于蒸发器主体120和 底部收集器150中的至少一个的截面积的横截面积(在χ-y平面中)。星形蒸发器图7a示出根据又一实施例的蒸发器。图7a的蒸发器另外以截面图示于图7b中。 蒸发器具有绕中心部分布置成十字形布置的四个蒸发器翼IOOa至100d。中心部分是圆柱 形主体，包括液体返回管170和绕液体返回管170同轴地布置的外部连接器管161。蒸发器翼IOOa至IOOd绕中心部分以十字方式布置并且从中心部分径向突出。每 个蒸发器翼大致构造成类似于上文所述的蒸发器，具有用于接触其上的发热装置的两个相 对的蒸发器壁122。蒸发器翼具有共同的顶部收集器110和共同的底部收集器150，以及在 它们之间的蒸发通道130和液体返回通道140，如关于先前的实施例所述。在图7a和图7b 所示的实施例中，四个翼具有由单件制成的共同的蒸发器主体120，然而也能例如具有用于 每个蒸发器翼的单独的单件。在每个翼中，蒸发器主体120对应于图4d所示的实施例，其 中每个翼一个返回通道140。可选地，图4a至图4d所示的蒸发器主体设计的任何其它设计 或者任何另外的蒸发器设计可用于每个翼IOOa至100d。根据需要，蒸发器主体可包括以合 适方式彼此热连接的多个部件。作为图7a所示的十字形布置的替代，蒸发主体也可以以其它关系彼此布置。例 如，可存在绕中心径向地布置的任意数量的流体式连接的蒸发主体，其中蒸发器出口管161布置于中心。例如，也可存在其间以120°的角度进行布置的三个蒸发主体。这种布置允许 特别方便地接近冷却电气装置，这有助于容易维护。冷凝器图6a和图6b示出属于图1所示的冷凝器300的冷凝器侧的部分。尤其，示出允 许蒸气进入到冷凝器(300，参看图1)的冷凝器入口 212和允许冷却液体离开冷凝器的冷凝 器出口 222。冷凝器入口 212流体式连接到外部导管210并且经由外部导管连接到蒸发器 的外部连接器管161。同样，连接器出口 222经由内部导管220连接到蒸发器的液体返回管 170 (参看图2a至图5c)。未详细地示出冷凝器300的其余部分，参看图1。可使用任何合适的冷凝器，诸如 板式热交换器或者空气/液体热交换器。另外，作为将提供闭合的冷却流体循环的冷凝器的替代，也可提供开放的冷却流 体交换器，其中离开蒸发器的蒸气冷却流体放出到环境，并且其中液体返回管170简单地 连接到液体冷却流体储存器，其从环境提供新鲜冷却流体的充分供应。虽然前文的描述针对于一些实施例，但是在不脱离权利要求所确定的基本范围的 情况下可以设想出其它和另外的实施例。例如，该构造可为用于多个功率模块的单个蒸发器或者每个模块单个蒸发器。而 且，可提供串联，其中共用相同冷凝器的若干蒸发器经由个别导管或者通过具有多个端口 的相同导管连接。每个蒸发器可通过由合适材料(如氧化铝或绝缘陶瓷材料)制成的机械 连接与其余部分电绝缘。而且，作为通常方面，导管可包含至少一个电绝缘区段。电绝缘区 段可布置成以便提供导管的蒸发器侧与冷凝器侧之间的电绝缘，和/或以便提供用于可附 连到导管上的相应蒸发器的不同蒸发器侧之间的电绝缘。这种区段可为整个导管，即整个 导管由电绝缘材料制成。可选地，导管可例如包括电绝缘材料的纵长分段，从而使导管侧彼 此绝缘。这将允许将具有不同电位的不同功率模块连接到相同的热移除装置并且保持元件 彼此之间隔离。在此情况下，冷却流体应为介电的以便提供电绝缘溶液。
权利要求
1.一种用于冷却回路(1)的蒸发器(100)，所述冷却回路用于通过蒸发冷却流体而冷 却至少一个发热装置(2)，所述蒸发器包括顶部收集器(110)，其具有用于在其中接收所述冷却流体的体积； 底部收集器(150)，其具有用于在其中接收所述冷却流体的体积；以及 蒸发器主体(120)，其包括至少一个导热壁(122)，其可热连接到所述至少一个发热装置(2)； 多个蒸发通道(130)，其与所述至少一个导热壁热接触并且可流体式连接到所述底部 收集器(150)和所述顶部收集器(110)，所述蒸发通道(130)中的每个包括相应的蒸发通道 引入口(136)用于在所述蒸发器的操作状态下从所述底部收集器(150)引入冷却流体，和 相应的蒸发通道出口(138)用于在所述操作状态下将所述冷却流体放出到所述顶部收集 器(110)，所述蒸发通道(130)在尺寸方面构造成用于在所述操作状态下在所述蒸发通道中形 成液体冷却流体的沸腾，使得在所述操作状态下，其中的所述冷却流体至少部分地变成蒸 气，并且用于形成气泡泵使得所述冷却流体然后经由相应的蒸发通道出口(136)从所述蒸 发通道(130)被驱动出至所述顶部收集器(110)；以及多个返回通道(140)，其流体式连接到所述底部收集器(150)和所述顶部收集器 (110)，所述返回通道(140)中的每个包括相应的返回通道引入口(146)用于在所述操作状 态下从所述顶部收集器(110)引入所述冷却流体，和相应的返回通道出口(148)用于在所 述操作状态下将所述冷却流体放出到所述底部收集器(150)。
2.一种用于冷却回路(1)的蒸发器(100)，所述冷却回路用于通过蒸发冷却流体来冷 却至少一个发热装置(2)，所述蒸发器包括顶部收集器(110)，其具有用于在其中接收所述冷却流体的体积； 底部收集器(150)，其具有用于在其中接收所述冷却流体的体积； 在所述底部收集器处的液体出口端口(172)，其可连接到所述冷却回路(1)的冷凝器 (300)，用于在所述蒸发器的操作状态下将冷却流体从所述冷凝器(300)放入到所述底部 收集器；以及蒸发器主体(120)，其包括至少一个导热壁(122)，其可热连接到所述至少一个发热装置(2)； 至少一个蒸发通道(130)，其与所述至少一个导热壁热接触并且流体式连接到所述底 部收集器(150)和所述顶部收集器(110)，所述蒸发通道(130)中的每个包括相应的蒸发通 道引入口用于在所述操作状态下从所述底部收集器(150)引入所述冷却流体，和相应的蒸 发通道出口用于在所述操作状态下将所述冷却流体放出到所述顶部收集器(110)；以及至少一个返回通道(140)，其流体式连接到所述底部收集器(150)和所述顶部收集器 (110)，所述返回通道(140)中的每个包括相应的返回通道引入口用于在所述操作状态下 从所述顶部收集器(110)引入所述冷却流体，和相应的返回通道出口用于在所述操作状态 下将所述冷却流体放出到所述底部收集器(150)。
3.如权利要求1所述的蒸发器(100)，其特征在于，所述蒸发器还包括在所述底部收集 器处的液体出口端口(172)，其可连接到所述冷却回路(1)的冷凝器(300)，用于在所述蒸 发器的操作状态下将冷却流体从所述冷凝器(300)放入所述底部收集器。
4.如前述权利要求中任一项所述的蒸发器(100)，其特征在于，所述蒸发器主体被提 供为单件单元。
5.如前述权利要求中任一项所述的蒸发器(100)，其特征在于，所述蒸发通道具有以 下至少一种横截面在所述截面内的最小横向通道尺寸在0. 25mm与25mm之间，在某些实施例中在0. 5mm 与IOmm之间，以及横截面纵横比在1与10之间，在某些实施例中在1与5之间或甚至在1与2之间。
6.如前述权利要求中任一项所述的蒸发器(100)，其特征在于，所述蒸发通道由每个 通道四个相应的导热通道壁界定，所述通道壁基本上沿着相应通道的长度延伸。
7.如前述权利要求中任一项所述的蒸发器(100)，其特征在于，所述蒸发器还包括至 少一个辅助返回通道(144)，其流体式连接到所述顶部收集器(110)和所述底部收集器 (150)，所述至少一个辅助返回通道(144)中的每个包括相应的辅助返回通道引入口用于 在所述操作状态下从所述顶部收集器(110)引入所述冷却流体，和相应的辅助返回通道出 口用于在所述操作状态下将所述冷却流体放出到所述底部收集器(150)，所述至少一个辅 助返回通道(144)引入口比所述返回通道(140)引入口中的至少一个或所有更靠近所述底 部收集器(150)。
8.如前述权利要求中任一项所述的蒸发器(100)，其特征在于，所述蒸发器还包括可 连接到所述冷却回路(1)的冷凝器(300)的蒸气出口端口(162)用于在所述操作状态下从 所述顶部收集器向所述冷凝器放出冷却流体；以及其中在实施例中所述顶部收集器具有分离体积，用于在所述操作状态下在其中分离所述冷却流体的主 要液体部分与主要蒸气部分，所述蒸发器的蒸发器出口端口(162)布置成用于将所述冷却 流体的主要蒸气部分从所述顶部收集器放出，所述返回通道引入口布置成用于从所述顶部 收集器引入所述冷却流体的主要液体部分。
9.如权利要求8所述的蒸发器(100)，其特征在于，所述蒸气出口端口(162)是所述蒸 发器的外部连接器管(161)的端部，所述液体出口端口(172)形成所述蒸发器的内部连接 器管(170)的端部，所述外部连接器管(161)绕所述内部连接器管(170)大致同轴地布置。
10.如前述权利要求中任一项所述的蒸发器(100)，其特征在于，所述内部连接器管 (170)延伸通过所述顶部收集器(110)并且通过所述蒸发器主体(120)到达所述底部收集 器(150)。
11.如前述权利要求中任一项所述的蒸发器(100)，其特征在于，所述顶部收集器具有 大于所述蒸发器主体和所述底部收集器中的至少一个的截面积的横截面积。
12.如前述权利要求中任一项所述的蒸发器(100)，其特征在于，所述至少一个导热壁 (122)是在所述蒸发器主体的相互相对侧上的两个导热壁，所述两个导热壁适于与相应的 发热装置(2)热接触。
13.如前述权利要求中任一项所述的蒸发器(100)，其特征在于，所述蒸发器主体是多 个蒸发主体中的一个，所述多个蒸发主体相互流体式连接并且绕中心径向布置，在某些实 施例中，所述外部连接器管(161)布置于所述中心处，在特定实施例中，所述多个蒸发主体 是以十字形或星形布置进行布置的四个蒸发主体。
14.一种用于通过蒸发冷却流体来冷却至少一个发热装置(2)的冷却回路(1)，所述冷却回路包括如前述权利要求中任一项所述的蒸发器(100)；冷凝器(300)，其具有联接部分用于将所述冷凝器热联接到散热器；以及导管，其包括第一导管部分和第二导管部分，所述第一导管部分将所述蒸发器(100) 连接到所述冷凝器(300)用于在所述操作状态下将蒸气冷却流体从所述顶部收集器传送 至所述冷凝器；所述第二导管部分将所述冷凝器(300)连接到所述蒸发器(100)用于在所 述操作状态下将液体冷却流体从所述冷凝器传送至所述底部收集器(150)，在某些实施例 中，所述导管包含至少一个电绝缘区段。
15.一种功率模块，其包括至少一个发热装置(2)，所述至少一个发热装置热连接到如 权利要求1至13中任一项所述的至少一个蒸发器主体(100)或如权利要求14所述的冷却 回路。
16.如权利要求15所述的功率模块，其特征在于，所述至少一个发热装置包括功率电 子装置和功率电装气置中的至少一个。
17.一种利用蒸发器(100)来冷却发热装置(2)的方法，所述蒸发器(100)包括顶部收集器(110)；底部收集器(150)；以及蒸发器主体(120)， 其具有至少一个导热壁(122)、多个蒸发通道(130)和多个返回通道(140)；以及在所述蒸 发通道(130)中的冷却流体，所述方法包括步骤经由所述导热壁(122)将热从所述发热装置(2)传递至所述多个蒸发通道(130)；在所述蒸发通道中使液体冷却流体沸腾，使得其中的所述冷却流体至少部分地变成蒸气；在所述蒸发通道中的液体冷却流体形成气泡泵，使得其中的所述冷却流体从所述蒸发 通道(130)被驱动出至所述顶部收集器(110)，并且由从所述底部收集器(150)进入所述蒸 发通道(130)的液体冷却流体替代；以及经由所述多个返回通道(140)使所述冷却流体的液体部分从所述顶部收集器(110)返 回到所述底部收集器，特别地其中所述液体部分形成主要液体部分。
全文摘要
本发明涉及蒸发器和冷却回路。提供用于冷却回路(1)的蒸发器(100)，该冷却回路用于通过蒸发冷却流体来冷却至少一个发热装置(2)。蒸发器包括顶部收集器(110)、底部收集器(150)以及蒸发器主体(120)。蒸发器主体(120)包括可热连接到至少一个发热装置(2)的至少一个导热壁(122)、多个蒸发通道(130)、以及多个返回通道(140)。
文档编号H01L23/367GK101996964SQ20101025501
公开日2011年3月30日 申请日期2010年8月5日 优先权日2009年8月5日
发明者B·耶辛, B·阿戈斯蒂尼, F·阿戈斯蒂尼 申请人:Abb研究有限公司