专利名称：用于冷却回路的蒸发器的制作方法
技术领域：
本发明涉及冷却回路，特别是两相冷却回路，用于冷却功率 电子装置和功率电气装置中的至少一个，本发明还涉及包括这样 的冷却回路的功率模块。
背景技术：
随着功率电子装置的功率值越来越大并因此发出更多热量，
这样的功率电子装置的有效冷变得越来越重要。为这样的功率电 子装置(例如半导体开关元件或类似物)提供有效冷却系统的一 种方法是提供两相冷却回路。这样的冷却回路使液体热接触发热 装置。液体被发出的热量加热并且达到沸点。因为液体本身的温 度不会升高到沸点之上，所以液体的温度以及因此导致电子装置 的温度被保持在作为最大值的液体沸点温度下。
这样液体被储存在位于蒸发器内部的贮液器中。蒸发器与发
热装置热接触。液体蒸汽随后通过管道汇集到冷凝器。在冷凝器 内，蒸汽通过在恒温下将热量放给冷却剂流体(例如环境温度下 的空气)转变为液体。因而蒸汽回到其液相。冷凝器和蒸发器通 过第二管线连接，以使作为液体的被冷凝蒸汽再次返回到蒸发器 的液体贮液器内。
在US5，195，577中公开了这样的冷却装置。这种冷却回路的 问题在于蒸发器同时提供液体贮液器的功能。因此，这种蒸发器 的横截面相对较大。因此蒸发器的效率较低。这是因为引入的热 量导致在蒸发器的大容积内的液体的沸腾。这种所谓的"池-沸腾 "具有比较差的热传递性能，其容量大，需要很大的流体总量， 并且难以在高压下实现防漏密封。
目前已知的是采用所谓的"对流-沸腾"来提高蒸发器的热传 递性能。为了达到对流-沸腾效果，蒸发器的横截面要减小。由 于蒸发器横截面的减小，在蒸发器的出口处，气相和液相的混合 物流向冷凝器。通过将包含有液滴的蒸汽混合物引入到冷凝器内，在另一方面则降低了冷凝器的性能。因此蒸发器横截面面积 减小的积极效果在很大的程度上被冷凝器差的热传递性能破坏 了 。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种用于冷却回路的蒸发器，其 具有改进的热传递，却不会影响冷却回路中的冷凝器的性能。
上述的问题通过与独立权利要求中的特征相一致的包括至 少一个蒸发器的冷却回路以及通过包括至少一个这种冷却回路 的功率模块得到解决。
在下文中，术语功率模块是指包括至少一个功率电子装置和 /或功率电气装置的组件，其热连接根据本发明的至少一个冷却 回路。另外在下文中，按照可互换的方式来使用术语功率电子装 置和/或功率电气装置与发热装置。
对于冷却回路，上述问题是通过下列特征解决的 一种用于 冷却至少一个发热装置的冷却回路，所述冷却回路包括蒸发器。 所述蒸发器进而包括壳体，该壳体具有至少一个壁热连接所述的 至少一个发热装置。蒸发器进一步包括至少一个通道，该至少一 个通道的横截面小得足以使在使用冷却回路期间在所述的至少 一个通道的至少一部分中能够实现对流沸腾。至少一个分离容积 位于蒸汽出口处。所述的至少一个分离容积与所述的至少一个通 道以及至少一个液体贮液器流体连接。
依照本发明，冷却回路的所述至少一个蒸发器包括壳体，该 壳体具有至少一个壁接触发热装置。这样的发热装置例如可以是
功率电子电路和类似物的装置。应该注意到涉及热量来源的限制 不影响本发明的原理。在蒸发器的所述壳体内形成一个或多个为 蒸汽-液体流留有小间隙的平行通道。发生沸腾的该有限空间能 够实现对流沸腾。蒸发器进一步包括分离容积和液体贮液器。依 据该实施方式，一个壳体可负担多个发热装置。
如讨论现有技术时所解释的，对流沸腾表示流经小间隙的液 体温度达到沸点。因此气流也输送一定量的液相。依照本发明， 蒸发器还包括至少一个分离容积。该至少一个分离容积，为了增加可读性在下文中也简称为分离模块，位于所述通道的蒸汽出口 处。因此，当使用冷却回路时，蒸汽/液体混合物从至少一个通 道被引入到分离容积中。因此在蒸汽流离开蒸发器之前，发生了 相分离并且液相部分不会被输送到冷凝器。液相部分滴回到也布 置在蒸发器内的液体贮液器中。
依照本发明的蒸发器的优点在于，采用创新性蒸发器的用于 冷却发热装置的回路具有两种效果的优点。 一方面，通过提供一 个或者多个平行通道作为发生对流沸腾的有限空间，提高了发热 装置和蒸发器内的液体之间的热传递。另一方面避免了在该狭窄 间隙内的对流沸腾对冷凝器性能的不利效果，因为仅仅给该冷却 回路的冷凝器供给气相。液相和气相的分离在布置于流动方向上 位于通道下游的分离容积内进行。另外，由于蒸发器还包括液体 贮液器，因此并不需要泵或类似物就能始终提供足够量的液体。
从属权利要求涉及特定的实施方式。
通过通道构造元件在蒸发器壳体内部形成一个或多个平行 通道是有利的。该至少一个通道构造元件因而包括处在通道构造 元件第一侧的至少一个表面。根据该实施方式，壳体可以包括多 个通道构造元件。该至少一个表面面向蒸发器壳体的所述壁的内 表面。因此通过通道构造元件，发生对流沸腾的有限空间或通道 就形成了 。
另外，将液体贮液器定位在所述的至少一个通道构造元件的 第二侧而不是第一侧是有利的。这样仅通过一个附加元件，就可 能明显提高整个冷却系统的性能。 一方面，通过采用对流沸腾提 高了蒸发器的热传递性能，而另 一方面易于调节液体贮液器的大 小以最优化蒸发器的性能。
因此依照本发明的第一方面，沿着所述通道中的流动方向的 通道构造元件的第一侧的至少一部分的长度短于所述壁的所述 内表面，这是有利的，在下文中流动方向也被称为流动的方向。 这允许这样布置至少一个通道构造元件，即在所述通道的蒸汽出 口处形成直接通向所述分离容积的间隙。换句话说，所述通道构 造元件在所述流动方向上这样布置，使得在所述至少一个通道的 所述至少一个蒸汽出口处形成间隙，该间隙大于所述至少一个通道的宽度，所述间隙将所述至少一个蒸汽出口与所述至少一个分离容积流体连接。
这种处于通道的蒸汽出口处的扩大的间隙具有这样的优点，即蒸发器的整体尺寸可以保持较小。该间隙自动导致在通道的蒸汽出口和连接蒸发器和冷凝器的蒸汽管道的入口之间的距离扩大。蒸汽出口和蒸汽管道的入口之间的该区域构成分离容积，通过短于蒸发器壁的内表面的长度，能够很容易形成分离容积。
为了易于制造，提供作为插件的通道构造元件是有利的。另外，该插件还具有这样的优点，即可以保留已知蒸发器的形状，而不需要开发新的设计。另外，插入到蒸发器壳体内的该插件允许多种通道或间隙的尺寸以及液体贮液器的大小。因此易于调整液体贮液器的大小从而根据蒸发器的总体形状提供最佳的性能。
另外，在蒸发器壳体壁的所述内表面与插入的通道构造元件的至少 一 个表面之间提供至少 一 个间隔装置是有利的。换句话说，通过至少一个间隔装置，内表面被移位到与所述的至少一个散热装置的第一表面相距大约第一距离。提供这样的间隔装置允许按照极简单和方便的方式将插件正确定位在蒸发器壳体的内部。根据需求和可制造性，间隔装置包括至少一个间隔件元件，该至少一个间隔件元件至少部分地一体化在壁和第 一表面的至少之一中。额外的或可选择的，间隔装置由至少一个分离的元件形成。
另外，通过在通道构造元件中形成凹陷部来构造液体贮液器是有利的。由于这样的蒸发器或热虹吸器在使用时具有好的定向，因为在液相中气相气泡是上升的，因此采取将蒸发器壳体壁的内表面和通道构造元件的第 一侧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，液体入口形成在蒸发器的底部，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构造元件的顶侧处的凹陷部分。
另外，在通道构造元件内形成管道从而将液体贮液器与通道的液体入口或进口连接是有利的。
利用附图作为示例，在下文中更为详细地说明本发明的实施方式。
图l显示依照本发明第一实施方式的蒸发器的剖视图2显示具有简化的通道构造元件的第二实施方式；
图3显示具有进一步简化的通道构造元件的本发明的第三
实施方式，该通道构造元件需要蒸发器壳体的适应改进；
图4a)到c)示例了用于将通道构造元件放置在蒸发器壳体
内的不同类型的空间，以及
图5显示了插入类型的通道构造元件的一个特定实施方式
的示例。
具体实施例方式
在图1中显示了用于冷却回路的第一蒸发器1的剖视图。蒸发器1包括壳体2，该壳体具有至少一个壁3接触发热装置。为了图的简化，仅有所述的至少一个壁3显示具有厚度。
如终止于壁3外侧的多个箭头所指示的，由与所述壁3接触的装置(未图示)发出的热量Q被引给壁3。在壳体2的内部容积中布置有插件4。在该给定的实施方式中，插件4是通道构造元件。插件4通过壳体2的开口或者在壳体2制造时被插入到壳体2中。
插件4包括处于插件4的第一侧的一个表面5。具有第一表面5的该側被定向面对壁3的内表面6。第一表面5和内表面6彼此间隔开以在它们之间形成间隙。该间隙构成通道7，在通道7中由于散发的热量Q而发生对流沸腾。冷却剂的气相和液相混合物流在竖直方向上向上流动。蒸发器1定向的方向使得通道7指向竖直方向，以便冷却液体和气相气泡11的混合物能够向上流动。在通道7的蒸汽出口 9处，混合物被引入到定位为与蒸汽出口 9相接触的分离容积8中。
内表面6和通道构造元件4的第一表面5布置在通道7的端部相JJ巨第一距离I,由于该第一距离d,的原因，液相和气相的混合物被引入到分离容积8内。插件4的第一侧面5的长度1或纵向延伸短于壳体2的内表面的总长度L。因此，具有距离(12的第二间隙形成在插件4的上端处。因此在蒸汽出口 9的上方形成分离容积8。由于重力的原因，气相中所携带的液体小滴在离开通道7后从气相中分离出来。小滴落回到布置在插件4的第二侧的贮液器10内。从图1中可容易地看到，将液体贮液器10定位在插件4的顶侧上是有利的。在图示的实施方式中，凹陷部形成液体贮液器10。在贮液器10内，液体14被定位，而在分离容积8中从气相中分离出来的液滴加入到液体14中。现在不包含液体小滴的气相通过第一连接管线12流向冷凝器，未图示。冷凝的液体通过第二连接管线13被输回到蒸发器1。第二连接管线13延伸进入液体贮液器10的凹陷部。
为了在通道7的进口 17处供应液体14，有必要将贮液器10连接到进口 17。在图l所示的第一实施方式中，管道15布置在插件4的内部。管道15将液体贮液器10连接到另一间隙16，该间隙16位于插件4的底侧，处在壳体2和插件4之间，并且优选延伸达到蒸发器1的大部分宽度。
对本发明尤为重要的是，为了实现对流沸腾，第一距离必须足够小。另一方面，第二距离(12不必延伸覆盖蒸发器1的整个宽度。对于液滴与气相分离的效果，在蒸汽出口 9和第一连接管线12之间布置分离容积8就足够了 。气相和液相混合物流的速度必须足够低，以保证气相流和液滴之间的摩擦减小，从而使得重力会迫使两相分离。
图2显示了依照本发明的蒸发器r的另一个示例。出于简化
的原因，仅仅说明与图1的不同之处。与图1相同的元件和特征用相同的参考标号标示，将省略对它们的详细描述。
与第一示例相反，图2图示了具有简化的插件4'的一个示例。第一側面5按照与图1完全相同的方式构造。形成液体贮液器10的凹陷部按照在图2所示的剖视图中给出的插件4'的L-形方式制成。此外，管道15'由插件4'的第二側构成，该第二側与第一表面5相反并且面向壳体2的笫二壁，壳体2的第二壁位于与壁3相对的一侧。
图3显示了另一个示例。创新性的蒸发器l"的第三种实施方式还包括修改的插件4〃 ，插件4〃与第一壁3联合构成通道7，用于形成有限的空间从而实现对流沸腾.在所有的三个实施方式中，分离容积8按照完全相同的方式形成。与图1和2的实施方式相反，现在液体贮液器10不是由插件4或者V的凹陷部构成，而是通过修改壳体2'本身形成的台阶构成的。该修改的壳体2'因而包括下部和上部。下部具有总的内部宽度，从而使得板形插件4〃在其第一侧形成通道7，并在其第二侧形成管道15〃。所有三个实施方式的操作是相同的。
所有三个插件4， 4'和4"需要被定位，从而与第一壁3保持限定好的距离di。出于简化目的，图1至3均未显示将插件4，4、 4〃定位在壳体2内的装置。图4a)到c)的不同剖面图中所显示的间隔件只用于第一实施方式，这样的间隔件18. i和19. i可具有各种不同的形状并且由不同的支撑结构来支撑。在第一示例中，隔离件18. 1到18. 3为鳍形并且在通道7的纵向方向上延伸。因此插件4的第一表面被分成5. 1到5. 4的多个表面部分。结果通道7也被分成多个子通道。为了实现过盈配合，第二间隔件19. 1到19. 3定位于插件4的相对侧处。这些第二间隔件19. 1到19. 3和第一隔离件18. 1到18. 3是同样的类型。对于本领域技术人员是显而易见的是，图示实施方式的间隔件18. i和19. i的剖面形状以及高度和宽度不是限制。也有可能的是间隔件仅位于插件4的上部和插件4的下部，而不在其整个长度1上延伸。
图4b)中显示了看起来与图4a)的间隔件很相似的间隔件的第二示例。与间隔件18. 1到18. 3以及19. 1到19. 3相反，间隔件18. F到18. 3'以及19. l'到19. 3'是与插件4相分离的元件。这些分离的元件可以特别如图4c)中所显示的形成为壳体2的一部分，或者如图4b)所显示的作为也被插入到形成在插件4和壳体2之间的间隙中的优选位于两侧的多个部分。
图4c所显示的间隔装置与图4a所显示的不同，不同之处在于图4c所显示的间隔装置没有一体化在插件中，而是对壁3进行局部地塑形从而构成间隔装置。这允许至少一个插件的形状保持较为简单，而不需要复杂的特征，例如立柱或肋18.1， 18.2…例如图4a所示。回到图4c所示的实施方式，例如，间隔装置18-1〃， 18.2〃， 18.3"， 19-1", 19.2"和19.3"通过壁3的局部变形而形成。例如，根据需要，至少一个变形可以是点形或者线形或者前两者的混合体。
图5显示了另一种实施方式中的插件4'"的三维透视图。插件V由连续排列的三个分开的元件41， 42, 43组成。第一元件41和第二元件42分别包括凹陷部分44和45。在第一元件41中，凹陷部分仅仅设在第一元件41的部分厚度中。第三元件43是板形元件，以便围住凹陷部分44和45，从而构成液体贮液器10，液体贮液器10的开口只开在插件4'"的顶侧。所有的三个元件41到43均包括处在底部边缘的小台阶41.1和41.2，以便保证在蒸发器的底部构成间隙。如图l所示，该间隙通过管道15连接到液体贮液器10。在插件f的图5的实施方式中的管道15由凹槽15'构成，凹槽15'压轧在第一元件41的面向第二元件42的侧上。
通过三个连续的元件41， 42和43形成插件V具有的优点是管道15可以通过压轧凹槽15'来形成，凹槽154皮第二元件42封闭。凹槽15'终止于作为通向蒸发器1底部间隙的液体出口的扩大部分47。
另外，图显示设置有46.1到46.6的多个间隔件元件，以便在壳体2的内表面和插件4'"之间保持一定的距离。为了图的可理解性，所显示的间隔件限制为插入到第三元件43中的间隔件。可以容易地理解到，插件V的第一元件41也包括多个另外的间隔件，以便限定在插件V的第一表面和壁3的内表面之间的第一距离&。
本发明不限于图中所示的并在说明书解释的任何实施方式。事实上，不同实施方式的单个特征可以按照有利的方式进行组合。
权利要求
1.用于冷却至少一个发热装置的冷却回路，所述冷却回路包括蒸发器(1，1′，1″)，所述蒸发器(1，1′，1″)包括壳体(2，2′)，该壳体(2，2′)具有至少一个壁(3)可热连接所述的至少一个发热装置，该壳体(2，2′)进一步包括至少一个通道(7)，所述通道(7)的横截面小得使在使用冷却回路期间在所述的至少一个通道(7)的至少一部分中可实现对流沸腾，至少一个分离容积(8)位于蒸汽出口(9)处，该至少一个分离容积(8)流体连接所述的至少一个通道(7)和至少一个液体贮液器(10)。
2. 根据权利要求1所述的冷却回路，其特征在于所述的 至少一个通道(7)通过使用布置在壳体内的至少一个通道构造元 件(4， 4、 4〃， V)形成，所述的至少一个通道构造元件(4， 4'， 4''， 4'")包括处于所述的至少一个通道构造元件(4， 4、 4" ， 4' ' O的第一侧的至少一个表面(5， 5. 1， 5. 2， 5. 3， 5. 4 )， 该至少一个表面(5， 5.1， 5.2， 5.3， 5.4)面向所述壁(3)的内 表面(6)并且与所述壁构成所述的至少一个通道(7)。
3. 根据权利要求2所述的冷却回路，其特征在于所述的 至少一个液体贮液器(10)布置在所述的至少一个通道构造元件 (4， 4' ， 4〃 ， V")的不同于第一側的第二側。
4. 根据权利要求2或3所述的冷却回路，其特征在于所 述通道构造元件(4, 4、 V， V)的所述第一側的至少一部分 的长度(1)沿所述的至少一个通道(4， 4、 4〃， 4〃0中的流动 方向延伸并且比所述壁(3)的所述内表面(6)短，所述通道构造元 件(4， 4、 4〃， V)沿所述流动方向定位，从而在所述至少一 个通道(7)的所述至少一个蒸汽出口 (9)处形成大于所述至少一 个通道(7)的宽度(dJ的间隙(d2)，所述间隙((12)将所述的至少一 个蒸汽出口 (9)与所述的至少一个分离容积(8)流体连接。
5. 根据权利要求2到4所述的冷却回路，其特征在于所 述的至少一个通道构造元件(4， 4、 4〃， 4"0是插件(4, V, 4")。
6. 根据权利要求2到5中任一项所述的冷却回路，其特征 在于通过至少一个间隔装置(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)所述内表面(6)被移位与所述至少一个散热装置的第一表 面(5)相距大约第一距离(dj 。
7. 根据权利要求6所述的冷却回路，其特征在于所述间 隔装置包括至少部分地一体化到所述壁(3)和所述第一表面(5) 的至少之一中的至少一个间隔件元件(18. 1， 18.2， 18.3， 19.1， 19.2， 19.3)。
8. 根据权利要求3所述的冷却回路，其特征在于所述的 至少一个液体贮液器(10)由所述通道构造元件(4,4、4〃 ， V) 中的至少一个凹陷部形成。
9. 根据权利要求2到8中任一项所述的冷却回路，其特征 在于在所述至少一个通道构造元件中形成有至少一个管道(15， 150，所述至少一个管道(15， 150从所述至少一个液体贮液器 (IO)延伸到所述至少一个通道(7)的进口 (17)。
10. 根据权利要求1到9中任一项所述的冷却回路，包括至 少一个冷凝器，该至少一个冷凝器通过第二连接管线(13)和至少 一个第一连接管线(12)流体连接蒸发器(1， 1、 1〃)，在使用冷 却回路期间，通过所述至少一个第一连接管线(12)蒸汽可从蒸发 器(l， l'， 1〃)流向冷凝器，通过所述第二连接管线(13)冷凝的 液体可从冷凝器返回到蒸发器(1， r, r')。
11. 根据权利要求10所述的冷却回路，其特征在于所述至少一个第一连接管线(12)终止在蒸发器(i, r， i")内的所述至少一个分离容积(8)内，和/或第二连接管线(13)终止在蒸发器 (1， l'， 1")内的液体贮液器(10)内。
12. —种功率模块，包括至少一个发热装置，特别是至少一 个功率电子装置，该至少一个发热装置热连接根据权利要求1到 11中任一项所述的至少一个冷却回路。
13. 根据权利要求12所述的功率模块，其特征在于所述 的至少一个发热装置包括功率电子装置和功率电气装置的至少 之—》
全文摘要
本发明涉及用于冷却回路的蒸发器。蒸发器包括壳体(2)，该壳体具有至少一个接触发热装置的壁(3)。通道(7)的横截面小到足以允许对流沸腾，并且分离容积(8)位于蒸发器内。分离容积(8)位于所述通道(7)的蒸汽出口(9)处。蒸发器进一步包括液体贮液器(10)。
文档编号H05K7/20GK101581550SQ200910140850
公开日2009年11月18日 申请日期2009年5月14日 优先权日2008年5月14日
发明者B·耶辛, B·阿戈斯蒂尼 申请人:Abb研究有限公司