專利名稱：一種熱交換器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體上涉及一種熱傳遞裝置。具體地本發(fā)明涉及一種熱交換器。
背景技術(shù)：
使用單相工作流體將熱量從熱源傳遞到散熱器的熱交換器稱為單相熱交換器。單相熱交換器可用于許多方面，從普通的汽車散熱器到特殊的用于外層空間上如航天飛機(jī)或太空站維持生命的水-氨熱交換器。單相熱交換器還有其它許多用途，例如去除電子器件如微處理器的余熱、冷卻聚變反應(yīng)堆分流器、以及用于生產(chǎn)濕氫(slushhydrogen)。
緊湊的單相熱交換器尤其適合于具有較高熱流量的場合。比如，不斷增大速度和復(fù)雜程度的微處理器使得微處理器產(chǎn)生的熱量相應(yīng)增大?，F(xiàn)代微處理器的熱流量通常在5瓦特/平方厘米至15瓦特/平方厘米的范圍內(nèi)。預(yù)計(jì)下幾代微處理器具有大得多的熱流量，比如大約為50瓦特/平方厘米至200瓦特/平方厘米或更大。一種用于高流量傳熱的緊湊熱交換器稱作法向流熱交換器(NFHX)。法向流熱交換器的具體實(shí)施例已經(jīng)由本發(fā)明者在美國專利No.5,029,638、5,145,001和美國專利公報(bào)No.US-2001-0050162-A1公開，在此引用參考其全部內(nèi)容。法向流熱交換器適合冷卻微處理器這樣的應(yīng)用，因?yàn)樗峁?1)具有高表面熱流量能力的單相熱交換器；(2)工作流體通過熱交換器時(shí)壓降很小的緊湊熱交換器；和(3)具有高熱傳遞效率的小及輕的熱交換器。
圖1示出了一種可形成如美國專利公報(bào)No.US-2001-0050 162-A1所述法向流熱交換器的芯部的熱交換器板20。熱交換器板20設(shè)計(jì)成可使相鄰熱交換器板之間不需要獨(dú)立的隔板。熱交換器板20具有入口孔22和出口孔24，分別構(gòu)成所述芯部的入口和出口分流管26、28的一部分。然而，互連通道30是由設(shè)在熱交換器板20中的凹進(jìn)部位32構(gòu)成而不是主要由隔板中的孔構(gòu)成。因此，熱交換器板20的連接板34、邊緣部位36和間隔38分別由制造熱交換器板的整個(gè)厚度的材料構(gòu)成，而翅片40由該材料的部分厚度構(gòu)成。由于熱交換器板20的某些部分具有整個(gè)厚度，而其它部分是部分厚度，所以不需要有獨(dú)立的隔板。但是應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到熱交換器板20也可以由兩個(gè)獨(dú)立的板組成，即對(duì)應(yīng)于部分厚度部分的第一板和對(duì)應(yīng)于整個(gè)厚度部分的隔板。
法向流熱交換器20包括一個(gè)或多個(gè)板20，流體進(jìn)入法向流熱交換器20并流經(jīng)入口分流管26。接著流體向下流經(jīng)凹進(jìn)部位32并在翅片40上朝(沿垂直于熱傳遞表面21的方向，由此得名)構(gòu)成法向流熱交換器20底部的熱傳遞表面21流動(dòng)。然后，流體從熱傳遞表面21流開而進(jìn)入互連通道30，并通過出口分流管28離開法向流熱交換器20。
熱交換器板20的入口和出口孔22、24布置成可使入口和出口分流管中的大部分流通面積遠(yuǎn)離熱傳遞表面21。這種方式避免了將大尺寸的孔設(shè)置在熱傳遞表面21附近，如美國專利No.5,029,638和No.5,145,001中所介紹的?？拷鼰醾鬟f表面21的這種孔由于減小了翅片40的尺寸和/或熱傳遞表面與翅片之間的可導(dǎo)熱橫截面積而使熱交換器板20的熱傳遞效率降低。
現(xiàn)有技術(shù)的熱交換器如法向流熱交換器20通常設(shè)計(jì)成可使流體的溫度梯度與翅片的溫度梯度一致(即，傳遞到流體的所有熱量發(fā)生在流體朝傳熱表面移動(dòng)時(shí))。這被認(rèn)為可使熱交換器的熱性能達(dá)到最大。為了使流體的溫度梯度與翅片一致，現(xiàn)有技術(shù)的熱交換器必然具有某些結(jié)構(gòu)限制。
為了使法向流熱交換器20的熱傳遞性能達(dá)到最大，要求翅片40的寬度(橫向于流動(dòng)的流體)盡可能多地利用熱交換器的全部寬度。上述結(jié)構(gòu)限制的一個(gè)實(shí)例是互連通道30內(nèi)的流通面積降低了供熱交換翅片40使用的寬度。此外，由于現(xiàn)有技術(shù)的設(shè)計(jì)方法顧及到溫度梯度，所以并不認(rèn)為在互連通道30內(nèi)或者在流體從傳熱表面21流走的任何區(qū)域中包括翅片40是必須或有效的。
雖然圖1中的設(shè)計(jì)確實(shí)對(duì)以前的法向流熱交換器設(shè)計(jì)作了改進(jìn)，但是使翅片40的面積達(dá)到最大而必須使用相對(duì)較窄的互連通道30，從而導(dǎo)致通過法向流熱交換器20的總壓降增大?；ミB通道30內(nèi)壓降的增大會(huì)使翅片40上面的流動(dòng)分布不均，從而降低熱傳遞能力。而且，由于壓降增大，可能需要有較大的泵或其它更昂貴的裝置以加大入口壓力?？偝崞娣e和壓降增大之間的矛盾最終限制了現(xiàn)有技術(shù)熱交換器如法向流熱交換器20的綜合性能。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明包括新穎的熱交換器、組件和方法，在提高熱性能的同時(shí)可降低通過熱交換器的壓降，從而提高裝置總的傳熱能力。
本發(fā)明的熱交換器的殼體具有長度、寬度、高度和包括至少一個(gè)熱傳遞表面的多個(gè)表面。殼體包括接收和排出交換器流體的至少兩個(gè)開口。在殼體內(nèi)設(shè)有至少一個(gè)熱交換器板。所述至少一個(gè)熱交換器板具有至少兩個(gè)孔以形成至少兩個(gè)分流管。所述至少兩個(gè)分流管的每一個(gè)與所述至少兩個(gè)開口中的至少一個(gè)流體相通。此外，在所述至少一個(gè)熱交換器板內(nèi)設(shè)有至少一個(gè)互連通道。所述至少一個(gè)互連通道使所述至少兩個(gè)分流管流體連接在一起。所述至少一個(gè)互連通道包括用來沿第一方向引導(dǎo)流體到所述至少一個(gè)傳熱表面的第一部分和沿第二方向引導(dǎo)流體離開所述至少一個(gè)傳熱表面的第二部分。
在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例中，熱交換器包括具有至少一個(gè)傳熱表面的殼體和延伸到殼體中的一個(gè)或多個(gè)傳熱翅片。傳熱翅片與傳熱表面熱連通并延伸到殼體中，終止于離開傳熱表面一定距離的頂部邊緣。此外，在殼體內(nèi)設(shè)有用來引導(dǎo)流體通過殼體的流體流道。流道包括用來沿第一方向引導(dǎo)流體到傳熱表面的第一部分和沿第二方向引導(dǎo)流體離開傳熱表面的第二部分。在至少一個(gè)實(shí)施例中，傳熱表面與所述第二部分中傳熱翅片頂部邊緣的距離大于或小于傳熱表面與所述第一部分中傳熱翅片頂部邊緣的距離。
在本發(fā)明的其它實(shí)施例中，上述熱交換器可以構(gòu)成裝置的一部分，該裝置具有與交換器的傳熱表面熱連通的機(jī)構(gòu)，而且上述熱交換器還可用于將熱量傳遞到所述裝置或從所述裝置轉(zhuǎn)移走熱量的方法。
通過下面參考附圖對(duì)本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例所作的詳細(xì)說明將能更加完整地理解本發(fā)明及其范圍。


為了說明本發(fā)明，附圖示出了本發(fā)明的優(yōu)選形式。但是，應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到本發(fā)明并不限于附圖所示的具體構(gòu)造和方法。在附圖中圖1是可用來形成法向流熱交換器芯部的現(xiàn)有技術(shù)熱交換器板的平面圖；圖2是靠近一裝置設(shè)置的本發(fā)明熱交換器的透視圖，通過該熱交換器可以將熱量傳遞到裝置或者從裝置轉(zhuǎn)移走熱量；圖3是本發(fā)明熱交換器的疊層板實(shí)施例的分解透視圖；圖4是具有雙支撐分流管的熱交換器板的平面圖和對(duì)應(yīng)的具有單支撐分流管的熱交換器板的平面圖，可用來形成圖2所示熱交換器的芯部；圖5是圖4中彼此適當(dāng)對(duì)齊的熱交換器板的部分平面圖，示出了所形成的流動(dòng)通道；和圖6是可形成圖2中熱交換器芯部的熱交換器板的另一實(shí)施例的平面圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明的熱交換器是考慮到現(xiàn)有技術(shù)熱交換器的缺點(diǎn)來設(shè)計(jì)的。現(xiàn)有技術(shù)熱交換器如法向流熱交換器和其它熱交換器的主要缺點(diǎn)是通過特定熱交換器設(shè)備的流體的總壓降水平大。除了對(duì)流體的傳熱能力造成不利影響之外，壓降增大還需要使用較大的入口泵裝置，從而增加操作成本。而且，法向流熱交換器20中互連通道30所需的面積不能有效用于熱傳遞，因此限制了總的熱交換效率。
如前面所介紹的，現(xiàn)有技術(shù)的熱交換器設(shè)計(jì)成，流體的溫度梯度與裝置本身的溫度梯度一致。因此，傳熱翅片40(見圖1)的尺寸(和表面面積)在流體沿法線方向朝傳熱表面21流動(dòng)的區(qū)域達(dá)到最大。相反地，在流體從傳熱表面21流走的區(qū)域互連通道30的尺寸減小。這種設(shè)計(jì)導(dǎo)致通過設(shè)備的總壓降增大，因?yàn)榛ミB通道30必須變窄使翅片40的表面積達(dá)到最大。
現(xiàn)在認(rèn)識(shí)到不必使翅片40的表面積達(dá)到最大。反而是與流動(dòng)方向無關(guān)的傳熱翅片40的總表面積對(duì)于熱性能來說是重要的。即，沿法線方向從熱傳遞表面21流走的流體與沿法線方向朝熱傳遞表面21流動(dòng)的流體就熱性能來說是同樣有效的。因此，可以擴(kuò)寬互連通道30以加大通道內(nèi)的流通面積。通道30的擴(kuò)寬導(dǎo)致了通道內(nèi)流動(dòng)速度和流體壓力的減小，從而使通過熱交換器的總壓降減小。而且，通道30的擴(kuò)寬不會(huì)犧牲熱性能，因?yàn)樵诒景l(fā)明中傳熱翅片40設(shè)置到互連通道30，從而增大了翅片40的總表面積，因此提高了熱交換器的總的熱效率。
現(xiàn)在參考附圖，其中相同的標(biāo)號(hào)代表相同的部件，圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的熱交換器(HX)，用標(biāo)號(hào)120表示。熱交換器120適合使用傳熱流體或工作流體如水、氨和制冷劑如R-134等從與熱交換器熱連通的裝置122帶走熱量或是提供熱量給裝置122。在一實(shí)施例中，裝置122是產(chǎn)生余熱的微處理器。可用熱交換器120帶走熱量的其它裝置的實(shí)例包括電子器件或激光二極管陣列等。或者，裝置122可能需要輸入熱量，比如在宇宙飛船或太空站的居住艙中使用的散熱屏等。所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到本發(fā)明熱交換器120的各種應(yīng)用，因此在此不必窮舉這些應(yīng)用。
熱交換器120最好是閉合傳熱回路123的一部分，該回路帶有用來提供工作流體給熱交換器以及引導(dǎo)工作流體離開熱交換器的流動(dòng)再循環(huán)系統(tǒng)125。再循環(huán)系統(tǒng)還與其它介質(zhì)交換能量使輸送到熱交換器120的流體保持恒溫。相應(yīng)地，熱交換器120包括從再循環(huán)系統(tǒng)125接收工作流體的入口增壓室124和使工作流體返回到再循環(huán)系統(tǒng)的出口增壓室126。熱交換器120還包括可與裝置122熱連通的熱傳遞表面128，使熱量能夠在熱交換器120和裝置122之間流動(dòng)。舉例來說，熱傳遞表面128可以直接接觸裝置122或者可以通過媒介材料(未示出)如粘結(jié)劑、導(dǎo)熱油脂或柔曲墊等與裝置122熱連通。如下面所要詳細(xì)介紹的，熱交換器120包括引導(dǎo)工作流體流經(jīng)熱交換器的內(nèi)通道。內(nèi)通道可以設(shè)計(jì)成使熱交換器120在高熱流量下具有傳熱能力，同時(shí)還能保持緊湊的總體尺寸，其類似于微處理器的芯片尺寸。在某些實(shí)施例中，熱交換器120可以設(shè)計(jì)成能處理1,000瓦特/平方厘米或更大的熱流量。而且如下面所要介紹的，熱交換器120可以由若干個(gè)相互層疊的精密成形板組成以形成熱交換器的單體結(jié)構(gòu)。這種精密成形可使熱交換器120的尺寸很小同時(shí)還能提供較高的熱流量傳遞能力。
現(xiàn)在參考圖2-5，熱交換器120的芯部130可以包括若干對(duì)沿層疊軸線彼此堆疊的層疊板132，比如延伸穿過熱交換器120的入口和出口增壓室124、126的層疊軸線134。每對(duì)板一般包括熱交換器板136和熱交換器板138。雖然圖3只是示出了一對(duì)板132，但是應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到芯部130通常包括許多對(duì)這樣的板，比如50對(duì)或更多，這些板彼此對(duì)齊層疊而在其中形成下面所要介紹的各種通道。通過適當(dāng)層疊，若干對(duì)板132可以形成多個(gè)沿芯部130長度方向延伸的入口分流管140、多個(gè)沿芯部130長度方向延伸的出口分流管142、以及若干個(gè)互連通道144，互連通道144在一端與至少一個(gè)入口分流管流體連通，而在另一端與至少一個(gè)出口分流管流體連通。所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到所示入口和出口分流管的具體數(shù)目只是說明性的。可以設(shè)置任何數(shù)目的入口和出口分流管。此外，所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員還應(yīng)認(rèn)識(shí)到在本文以及在所附權(quán)利要求中使用的術(shù)語“入口”和“出口”是可彼此互換的。比如，沿某一方向流動(dòng)的入口分流管在沿相反方向流動(dòng)時(shí)將變?yōu)槌隹诜至鞴堋?br> 如果如附圖所示，層疊軸線平行于入口和出口分流管140、142的縱軸134，那么板132的對(duì)數(shù)主要是熱交換器120的工作特性以及熱交換器板136、138的厚度的函數(shù)。雖然圖中所示熱交換器120的每對(duì)板132由熱交換器板136和熱交換器板138構(gòu)成，但是本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到每個(gè)熱交換器板可以由兩個(gè)或更多個(gè)形狀類似的板復(fù)合而成。當(dāng)制造板的薄板材料的厚度小于相應(yīng)板所要求的厚度時(shí)需要這么做。所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員還應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到可以用單塊板來代替成對(duì)板132。用來形成這種板的技術(shù)將在下面結(jié)合圖6的板236來介紹。層疊軸線的方向可以與縱軸134正交。比如，層疊軸線的方向可以垂直于熱傳遞表面128。。在這種情況下，各層疊板的構(gòu)造形式與圖3所示板136、138不相同，具有限制所需板數(shù)目的其它要求，比如在其中形成通道的能力。
如圖4所示，使用不同的截面陰影線來表示熱交換器板136、138的不同材料厚度。對(duì)于熱交換器板136和138，狹窄間隔的陰影線表示板的部分137，整個(gè)材料厚度都是用于制造板。此外在板136、138，較寬間隔的陰影線表示板的部分139，只有部分材料厚度用于制造板。板136、138中的陰影線方向相反以突出當(dāng)板136、138如圖5所示層疊在一起時(shí)每個(gè)板136、138的交疊部分。
如圖4清楚所示，每個(gè)熱交換器板136、138可以包括多個(gè)入口孔146，每個(gè)入口孔146構(gòu)成對(duì)應(yīng)入口分流管140的一部分。每個(gè)熱交換器板136、138還可以包括多個(gè)出口孔148，每個(gè)出口孔148構(gòu)成對(duì)應(yīng)出口分流管142的一部分。只包括部分材料厚度的板136、138的凹進(jìn)部分139構(gòu)成互連通道144，從入口分流管140流入的流體在那里改變方向流入出口分流管142，如下面所要更詳細(xì)介紹的。
繼續(xù)參考圖4，入口分流管140和出口分流管142可以包括一個(gè)或多個(gè)支撐149，用來加強(qiáng)分流管的結(jié)構(gòu)完整性。在圖4所示實(shí)施例中，熱交換器板136的每個(gè)分流管140、142具有兩個(gè)支撐149，而熱交換器板138的每個(gè)分流管140、142具有一個(gè)支撐149。
圖5示出了一對(duì)彼此適當(dāng)對(duì)齊的熱交換器板136、138，說明入口分流管140和出口分流管142如何由成對(duì)的熱交換器板構(gòu)成。圖5還示出了板136上的每個(gè)入口分流管140部分和出口分流管142部分如何與板138上的對(duì)應(yīng)分流管部分140、142交疊，以促進(jìn)每個(gè)板的入口分流管部分140和每個(gè)板的出口分流管部分142之間的流體連通。當(dāng)把板136層疊在板138的上面時(shí)，板138上的支撐139相對(duì)于板136上的支撐139交錯(cuò)布置，使得入口和出口分流管140、142中的流體能夠沿芯部130的長度方向連通。
互連通道144可以包括從入口分流管140延伸到熱傳遞表面128的第一部分145和從熱傳遞表面128延伸到出口分流管142的第二部分147。一般來說，流體通過入口分流管140進(jìn)入熱交換器，流入互連通道144的第一部分，通過該第一部分朝熱傳遞表面128流動(dòng)，進(jìn)入互連通道144的第二部分，在那里引導(dǎo)流體離開熱傳遞表面128而進(jìn)入出口分流管142。通道144與熱傳遞表面128導(dǎo)熱連通并起到傳熱翅片154的作用，因?yàn)樵谶@些區(qū)域大部分熱量在芯部130和工作流體之間傳遞。
各互連通道144可選擇地包括一個(gè)或多個(gè)流動(dòng)間隔168，用來幫助引導(dǎo)和/或分配流體從一個(gè)入口分流管140流向兩個(gè)或更多個(gè)出口分流管142。此外，在凹進(jìn)部分139中可以包括一個(gè)或多個(gè)流動(dòng)引導(dǎo)片151。在某些實(shí)施例中，比在圖6所示的實(shí)施例中，可以沒有引導(dǎo)片。在其它一些實(shí)施例中，可以包括兩個(gè)以上的引導(dǎo)片。所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到，需要一個(gè)或多個(gè)引導(dǎo)片一般取決于熱交換器通道的長寬比。
流動(dòng)間隔168和流動(dòng)引導(dǎo)片151可促進(jìn)沿傳熱通道更加均勻的流動(dòng)分布(一起稱作流動(dòng)控制件151、168)。流動(dòng)控制件151、168有助于流體分布到出口分流管142的整個(gè)寬度上。流動(dòng)控制件151、168還可以用來控制流經(jīng)各互連通道144的工作流體量。因此，流動(dòng)控制件151、168可以用來控制每個(gè)翅片154的傳熱能力。
例如，在所示實(shí)施例中，熱交換器板136、138包括相對(duì)熱交換器板的總面積來說較大的入口和出口孔146、148(構(gòu)成分流管部分140、142)。因此，互連通道144相對(duì)較寬，并由相對(duì)較窄的連接板170與入口和出口孔146、148隔開。這些特征使暴露于工作流體的翅片154的面積達(dá)到最大，而且使相應(yīng)互連通道144中的流體流動(dòng)達(dá)到最大，從而在所有其它變量相同的情況下，該翅片的傳熱能力達(dá)到最大。然而，在另一個(gè)可供選擇的實(shí)施例中，可以增大流動(dòng)控制件151、168和/或連接板170的尺寸以減小直接暴露于工作流體的相應(yīng)翅片154的面積，并減小相應(yīng)互連通道144中的流體流動(dòng)，從而降低該翅片的傳熱能力。
因此，本發(fā)明的熱交換器120的設(shè)計(jì)人員能夠改變芯部130沿?zé)醾鬟f表面128長度和寬度方向的熱傳遞效率以適應(yīng)裝置122各部位的傳熱要求。例如，裝置122在沿?zé)醾鬟f表面長度方向延伸的中間帶狀部位可能需要最大的冷卻能力，而在靠近邊緣的帶狀部位可能只需要最小的冷卻能力。因此，在熱交換器板136、138中沿芯部130長度方向靠近中間入口和出口孔146、148的流動(dòng)控制件151、168和/或連接板170相對(duì)較窄，從而形成沿芯部中間具有較高傳熱能力的相對(duì)較寬的互連通道144。與此相反，靠近中間部位外側(cè)入口和出口孔146、148的流動(dòng)控制件151、168和/或連接板170相對(duì)較寬，從而在靠近芯部130側(cè)緣處形成具有較低傳熱能力的相對(duì)較窄的互連通道144。
在一實(shí)施例中，出口分流管142與入口分流管140沿芯部130的寬度交替布置，如附圖所示那樣，且出口分流管142的數(shù)目比入口分流管的數(shù)目少一個(gè)。這種構(gòu)造方式使得每個(gè)互連通道144能夠與通道144上游部分的一個(gè)入口分流管140以及通道144下游部分的兩個(gè)緊靠在一起的出口分流管142流體連通。
本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到，如果需要的話，出口分流管142的數(shù)目可以比入口分流管多一個(gè)。而且，入口和出口分流管140、142可以具有其它任何構(gòu)造形式和所要求的任何數(shù)目，包括交替排列的布置方式，比如在相鄰入口分流管之間設(shè)有一個(gè)以上的出口分流管142。在一個(gè)實(shí)施例中，由入口分流管140的體積和出口分流管142的體積構(gòu)成的復(fù)合體積至少占到熱交換器120芯部130總體積的20％。在另一個(gè)實(shí)施例中，入口和出口分流管140、142的復(fù)合體積占到芯部130總體積的30％或以上。為了降低入口和出口分流管中的壓降，入口和出口分流管140、142可以具有更大的復(fù)合體積。本領(lǐng)域的技術(shù)人員還應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到，為了滿足一個(gè)或多個(gè)其它條件，比如為了限制熱交換器120的總體尺寸，所述復(fù)合體積可以小于芯部130總體積的20％。
具體參見圖2和3，入口增壓室124從流動(dòng)再循環(huán)系統(tǒng)125接受工作流體并將其分布到入口分流管140中。入口增壓室124包括入口蓋和入口增壓室板的組合體172以及入口壁板174。入口蓋/增壓室板172包括從流動(dòng)再循環(huán)系統(tǒng)125接收工作流體的入口178。入口壁板174設(shè)計(jì)成只能將工作流體均勻地分布到入口分流管140，并能阻止工作流體進(jìn)入出口分流管142。因此，入口壁板174包括與芯部130的入口分流管140對(duì)齊的多個(gè)入口孔180。入口蓋/增壓室板172可以包括一個(gè)增壓室孔(未示出)，當(dāng)裝配入口增壓室124時(shí)，可形成與入口178以及入口孔180流體連通的增壓室通道(未示出)。與芯部130的熱交換器板136、138類似，入口增壓室124的一個(gè)或多個(gè)板172、174可以是兩個(gè)或更多個(gè)形狀類似的板構(gòu)成的復(fù)合板，以提供所必需的總板厚和/或在板中形成所要求的孔徑。
出口增壓室126從出口分流管142收集工作流體并使其返回流動(dòng)再循環(huán)系統(tǒng)125。出口增壓室126包括出口壁板186以及出口蓋和出口增壓室板的組合體188。出口壁板186可阻止工作流體從入口分流管140流出，因此包括與芯部130的出口分流管142對(duì)齊的多個(gè)出口孔192。出口蓋/增壓室板188包括使工作流體返回流動(dòng)再循環(huán)系統(tǒng)125的出口194。出口蓋/增壓室板188包括一個(gè)增壓室孔196，當(dāng)裝配出口增壓室126時(shí)，可形成與出口孔192以及出口194流體連通的增壓室通道(未示出)。與入口增壓室124的板172、174類似，一個(gè)或多個(gè)板186、188可以是兩個(gè)或更多個(gè)形狀類似的板構(gòu)成的復(fù)合板，以提供所必需的總板厚和/或在板中形成所要求的孔徑。所示入口和出口增壓室124、126的構(gòu)造形式只是說明性的，其中熱交換器120的工作流體在一端流入并在另一端流出。本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到入口和出口增壓室124、126可以設(shè)置成使工作流體在熱交換器120的一端或兩端流入和流出、沿垂直于端部和傳熱表面128的熱交換器120的一側(cè)或兩側(cè)流入和流出、或者在熱交換器120的上下表面或其中一個(gè)表面流入和流出。
熱交換器板136、138可以用高導(dǎo)熱率的材料如銅或鋁制成。在某些應(yīng)用中，可能要求使熱交換器120和裝置122(見圖2)之間的熱應(yīng)變的不一致減到最小。例如，當(dāng)裝置122是硅基微處理器，熱交換器120用來冷卻微處理器時(shí)，微處理器與比如銅的熱交換器板之間的熱應(yīng)變不一致會(huì)導(dǎo)致微處理器產(chǎn)生機(jī)械故障，因?yàn)楣杌⑻幚砥鞯臒崤蛎浵禂?shù)比銅小很多。不過，其它具有良好導(dǎo)熱性和較低熱膨脹系數(shù)的材料可以用于熱交換器板136、138。這種材料的實(shí)例包括銅鎢合金、銅鉬合金、以及碳化鋁硅的復(fù)合材料。使用這些材料能夠?qū)峤粨Q器120直接粘合到微處理器或其它硅基或類似材料的裝置122上。
入口增壓室124的板172、174和出口增壓室126的板186、188最好用與熱交換器板136相同的材料制成，但也可以采用不同材料。
在一個(gè)實(shí)施例中，熱交換器的板136、138、172、174、186、188的厚度在亞毫米級(jí)范圍。因此，板136、138、172、174、186、188可以用箔材制成。不過，其中有些板或全部板的厚度可大于一毫米，因而可以用片材或板材制成?？?46、148、180、182、192、196以及口178、194可以利用材料去除技術(shù)如化學(xué)蝕刻、激光燒蝕、微切削加工、普通切削加工或熱切割等在箔材中形成。構(gòu)成互連通道144的凹進(jìn)部位139可以通過沖壓加工或者通過材料去除技術(shù)如化學(xué)蝕刻、激光燒蝕、微切削加工或普通切削加工等形成。本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到上述凹進(jìn)部分成形技術(shù)可以在板的一側(cè)或兩側(cè)使用，使得可以用單個(gè)板來取代兩個(gè)或更多個(gè)板，而只要能在其中形成孔以構(gòu)成層疊板內(nèi)的特定通道。所用技術(shù)的選擇在很大程度上取決于形成板的材料的厚度和類型，以及各種技術(shù)的限制。板136、138、172、174、186、188可以利用任何適當(dāng)?shù)恼辰Y(jié)技術(shù)如擴(kuò)散粘結(jié)、銅焊、釬焊或粘合劑粘結(jié)等方法互相結(jié)合。
在一說明性實(shí)施例中，熱交換器120用水作為工作流體，并能在大約20立方厘米/秒的流量下提供大約為250瓦特/平方厘米的冷卻能力，此時(shí)熱傳遞表面128可以具有大約10毫米的長度和大約10毫米的寬度。這實(shí)施例可以用于冷卻微處理器。在此實(shí)施例中，全部板136、138、172、174、186、188最好都用銅制成，并通過將流動(dòng)間隔168和連接板170的尺寸減到最小來使互連通道144的尺寸達(dá)到最大，如上面所介紹的那樣。因此，熱交換器板136、138的厚度可以大約為0.15毫米?；ミB通道144的深度大約為0.05毫米。
在使用時(shí)，工作流體按以下方式流經(jīng)圖2-6所示的熱交換器120。首先，工作流體流經(jīng)入口178而進(jìn)入設(shè)在入口增壓室板172中的入口增壓室通道，在那里工作流體通過入口壁板174中的入口孔180分配到入口分流管140。當(dāng)工作流體沿各入口分流管140流動(dòng)時(shí)，部分工作流體流入沿芯部130長度方向分布的各互連通道144。當(dāng)工作流體流經(jīng)各互連通道144時(shí)，首先流入靠近入口分流管140的通道144的第一部分145(圖5)，在那里被流動(dòng)間隔168分成兩個(gè)流道朝熱傳遞表面128流動(dòng)。接著工作流體流入通道144的第二部分147，在那里從熱傳遞表面128流走而進(jìn)入相應(yīng)的出口分流管142。當(dāng)工作流體進(jìn)入其中一個(gè)出口分流管142之后，又流經(jīng)出口壁板186中相應(yīng)的一組出口孔192而流入出口增壓室板188中的出口增壓室通道(未示出)，然后流過出口194。所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到，通過熱交換器120的流動(dòng)方向可以反過來，于是現(xiàn)在稱作“入口”的通道和開口變?yōu)槌隹谕ǖ篮烷_口，而現(xiàn)在稱作“出口”的通道和開口變?yōu)槿肟谕ǖ篮烷_口。
出口流動(dòng)通道147的長度一般為入口流動(dòng)通道145長度的兩倍或更多，這樣各通道中的傳熱量相同。入口通道具有較高的接近溫差，因此需要較小的面積來傳輸與出口通道相同的熱量。換句話說，通過適當(dāng)?shù)剡x擇通道145和147的長度，流體的一半升溫(降溫)將在入口通道145中發(fā)生，而另一半升溫(降溫)將在出口通道147中發(fā)生。因此，各通道中的傳熱量是相同的。利用這種設(shè)計(jì)方法，可以使熱交換器120底部的熱阻均勻。在其它一些實(shí)施例中，熱阻的均勻性不是很重要，兩種通道的長度可以是相同的。這種設(shè)計(jì)將形成較低的總壓降，但是邊界條件的均勻性較差。
圖6示出了本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例。熱交換器板236與圖4-5中的板136、138類似，且其部件也按類似方式編號(hào)。不過，分流管240、242不包括任何支撐，而且互連通道244不包括在出口通道中的任何流動(dòng)引導(dǎo)片。
采用本發(fā)明熱交換器板的熱交換器與現(xiàn)有技術(shù)相比具有許多優(yōu)點(diǎn)。首先，通過省去在傳熱界面處或傳熱翅片之間的流體集合通道大大降低了熱阻。本發(fā)明中的傳熱翅片覆蓋整個(gè)傳熱界面，從而提高了熱交換器的傳熱能力。其次，由于流體集合通道省去，大大降低了壓降。在現(xiàn)有技術(shù)的法向流熱交換器中，流體集合通道的尺寸加工得很小以減少對(duì)熱阻的影響。盡管使用了較小的集合通道，但相當(dāng)一部分壓降相關(guān)于確保良好的流動(dòng)分布。
雖然已經(jīng)結(jié)合優(yōu)選實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作了介紹，但是應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到這并不是限制性的。相反地，本發(fā)明應(yīng)當(dāng)包括所附權(quán)利要求限定的本發(fā)明精神和范圍內(nèi)的各種變型、修改和等效形式。
權(quán)利要求
1.一種熱交換器，包括a)殼體，具有長度、寬度、高度和包括至少一個(gè)傳熱表面的多個(gè)表面；b)在所述殼體上接收和排出交換器流體的至少兩個(gè)開口；c)位于所述殼體內(nèi)的至少一個(gè)熱交換器板，所述至少一個(gè)熱交換器板具有至少兩個(gè)孔以構(gòu)成至少兩個(gè)分流管，所述至少兩個(gè)分流管的每一個(gè)與所述至少兩個(gè)開口中的至少一個(gè)流體相通；和d)設(shè)在所述至少一個(gè)熱交換器板內(nèi)的至少一個(gè)互連通道，所述至少一個(gè)互連通道使所述至少兩個(gè)分流管流體連接在一起，所述至少一個(gè)互連通道包括用來沿第一方向引導(dǎo)流體到所述至少一個(gè)傳熱表面的第一部分和沿第二方向引導(dǎo)流體離開所述至少一個(gè)傳熱表面的第二部分；其中，所述至少一個(gè)互連通道的所述第一和第二部分具有基本上相等的橫截面積。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱交換器，還包括設(shè)在所述至少一個(gè)互連通道的所述第一和第二部分的至少一個(gè)傳熱翅片，所述至少一個(gè)傳熱翅片的每一個(gè)的頂部邊緣與所述至少一個(gè)傳熱表面有距離，且所述至少一個(gè)傳熱翅片與所述至少一個(gè)傳熱表面熱連通。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的熱交換器，其特征在于，所述第二部分的所述頂部邊緣的所述距離大于所述第一部分的所述頂部邊緣的所述距離。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱交換器，其特征在于，所述至少兩個(gè)分流管的每一個(gè)包括至少一個(gè)入口分流管和至少一個(gè)出口分流管。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的熱交換器，其特征在于，所述至少一個(gè)入口分流管的數(shù)目與所述至少一個(gè)出口分流管的數(shù)目差一個(gè)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱交換器，其特征在于，所述至少一個(gè)互連通道包括與所述至少兩個(gè)分流管中一個(gè)相連的第一端以及與所述至少兩個(gè)分流管中兩個(gè)相連的第二端。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱交換器，其特征在于，所述至少一個(gè)互連通道包括至少一個(gè)流體間隔。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱交換器，其特征在于，所述殼體還包括至少兩個(gè)增壓室，所述增壓室的每一個(gè)與所述至少兩個(gè)開口中至少一個(gè)流體相通，而且還與所述至少兩個(gè)分流管中至少一個(gè)流體相通。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱交換器，其特征在于，所述殼體包括具有長度、寬度和高度的芯部，所述芯部包括沿所述長度延伸的層疊軸線，和若干個(gè)沿所述層疊軸線相互層疊形成所述芯部的熱交換器板。
10.根據(jù)權(quán)利要求2所述的熱交換器，其特征在于，所述至少一個(gè)傳熱翅片的傳熱能力在整個(gè)傳熱翅片上是不均勻的。
11.根據(jù)權(quán)利要求9所述的熱交換器，其特征在于，所述芯部具有第一體積，所述至少兩個(gè)分流管形成第二體積，所述第二體積為所述第一體積的至少20％。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱交換器，其特征在于，所述至少兩個(gè)分流管包括至少一個(gè)支撐。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱交換器，其特征在于，所述至少一個(gè)互連通道包括至少一個(gè)流動(dòng)引導(dǎo)片。
14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱交換器，其特征在于，根據(jù)流體流經(jīng)所述交換器的方向，所述第一和第二部分能夠互換地沿所述第一方向和所述第二方向引導(dǎo)流體。
15.一種裝置，包括a)如權(quán)利要求1所述的熱交換器；和b)與所述至少一個(gè)傳熱表面熱連通的裝置。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的裝置，其特征在于，所述裝置是微電子器件。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的裝置，其特征在于，所述微電子器件是微處理器。
18.根據(jù)權(quán)利要求15所述的裝置，還包括與所述至少兩個(gè)開口流體相通的流體再循環(huán)系統(tǒng)。
19.一種熱交換器，包括a)殼體，具有長度、寬度、高度和包括至少一個(gè)傳熱表面的多個(gè)表面；b)在所述殼體上接收和排出交換器流體的至少兩個(gè)開口；c)位于所述殼體內(nèi)的至少一個(gè)熱交換器板，所述至少一個(gè)熱交換器板具有至少兩個(gè)孔以構(gòu)成至少兩個(gè)分流管，所述至少兩個(gè)分流管的每一個(gè)與所述至少兩個(gè)開口中至少一個(gè)流體相通；d)設(shè)在所述至少一個(gè)熱交換器板內(nèi)的至少一個(gè)互連通道，所述至少一個(gè)互連通道使所述至少兩個(gè)分流管流體連接在一起，所述至少一個(gè)互連通道包括用來沿第一方向引導(dǎo)流體到所述至少一個(gè)傳熱表面的第一部分和沿第二方向引導(dǎo)流體離開所述至少一個(gè)傳熱表面的第二部分；和e)設(shè)在所述至少一個(gè)互連通道的所述第一和第二部分的每個(gè)上的至少一個(gè)傳熱翅片，所述至少一個(gè)傳熱翅片的每一個(gè)的頂部邊緣與所述至少一個(gè)傳熱表面有距離，且所述至少一個(gè)傳熱翅片與所述至少一個(gè)傳熱表面熱連通。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的熱交換器，其特征在于，所述第二部分的所述頂部邊緣的所述距離大于所述第一部分的所述頂部邊緣的所述距離。
21.根據(jù)權(quán)利要求19所述的熱交換器，其特征在于，所述至少一個(gè)互連通道的所述第一和第二部分具有基本上相等的橫截面積。
22.一種熱交換器，包括a)殼體，具有長度、寬度、高度和包括至少一個(gè)傳熱表面的多個(gè)表面；b)具有層疊軸線的芯部，所述芯部的長度沿所述層疊軸線延伸，且所述傳熱表面沿所述長度延伸；c)在所述殼體上接收和排出交換器流體的至少兩個(gè)開口；d)位于所述殼體內(nèi)的入口增壓室，所述入口增壓室與所述至少兩個(gè)開口中的至少一個(gè)流體相通；e)位于所述殼體內(nèi)與所述入口增壓室軸向?qū)?zhǔn)的入口分配板，所述入口分配板與所述入口增壓室流體相通；f)位于所述殼體內(nèi)沿所述層疊軸線與所述入口分配板軸向?qū)?zhǔn)的至少一個(gè)熱交換器板，所述至少一個(gè)熱交換器板包括至少一個(gè)孔以構(gòu)成至少一個(gè)入口分流管，所述至少一個(gè)入口分流管與所述入口分配板流體相通，所述至少一個(gè)熱交換器板還包括至少一個(gè)孔以構(gòu)成至少一個(gè)出口分流管；g)設(shè)在所述至少一個(gè)熱交換器板內(nèi)的至少一個(gè)互連通道，所述至少一個(gè)互連通道將所述至少一個(gè)入口分流管流體連接到所述至少一個(gè)出口分流管，所述至少一個(gè)互連通道形成至少一個(gè)傳熱翅片，所述至少一個(gè)傳熱翅片與所述至少一個(gè)傳熱表面熱連通，所述至少一個(gè)互連通道包括用來沿第一方向?qū)⒘黧w從所述至少一個(gè)入口分流管引導(dǎo)到所述至少一個(gè)傳熱表面的第一部分和沿第二方向引導(dǎo)流體離開所述至少一個(gè)傳熱表面到所述至少一個(gè)出口分流管的第二部分，其中，所述至少一個(gè)互連通道的所述第一和第二部分具有基本上相等的橫截面積。h)位于所述殼體內(nèi)與所述至少一個(gè)熱交換器板軸向?qū)?zhǔn)的出口分配板，所述出口分配板與所述至少一個(gè)出口分流管流體相通；和i)位于所述殼體內(nèi)與所述至少一個(gè)熱交換器板軸向?qū)?zhǔn)的出口增壓室，所述出口增壓室與所述至少兩個(gè)開口中的至少一個(gè)以及所述出口分配板流體相通。
23.根據(jù)權(quán)利要求22所述的熱交換器，其特征在于，所述至少一個(gè)傳熱翅片的每一個(gè)的頂部邊緣與所述至少一個(gè)傳熱表面有距離，且所述第二部分的所述頂部邊緣的所述距離大于所述第一部分的所述頂部邊緣的所述距離。
24.一種熱交換器，包括a)具有至少一個(gè)傳熱表面的殼體；b)形成通過所述殼體的流體流道的結(jié)構(gòu)，所述結(jié)構(gòu)包括用來沿第一方向引導(dǎo)流體到所述至少一個(gè)傳熱表面的第一部分和沿第二方向引導(dǎo)流體離開所述至少一個(gè)傳熱表面的第二部分；和c)延伸到所述結(jié)構(gòu)的所述第一和第二部分的每一個(gè)的至少一個(gè)傳熱翅片，所述至少一個(gè)傳熱翅片與所述至少一個(gè)傳熱表面熱連通，所述至少一個(gè)傳熱翅片的每一個(gè)包括表面區(qū)域，其中，延伸到所述結(jié)構(gòu)的所述第二部分的所述至少一個(gè)傳熱翅片的所述表面區(qū)域大于延伸到所述結(jié)構(gòu)的所述第一部分的所述至少一個(gè)傳熱翅片的所述表面區(qū)域。
25.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱交換器，還包括用來使流體流經(jīng)所述熱交換器的機(jī)構(gòu)。
26.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱交換器，還包括可使所述至少兩個(gè)分流管中至少一個(gè)與所述至少兩個(gè)分流管的至少另外一個(gè)流體相通的機(jī)構(gòu)。
27.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱交換器，還包括可使流體通過所述至少兩個(gè)分流管中的至少一個(gè)均勻分配到所述殼體中的機(jī)構(gòu)。
28.一種將熱量傳遞到流體或從流體轉(zhuǎn)移走熱量的方法，包括以下步驟a)提供裝置，所述裝置包括傳熱區(qū)和用來輸送流體的通道，所述通道具有第一部分和第二部分，所述流體在所述第一部分中沿第一方向大體上朝所述傳熱部位流動(dòng)，所述流體在所述第二部分中沿第二方向大體上離開所述傳熱部位流動(dòng)，所述傳熱區(qū)的幾何形狀設(shè)計(jì)成可使所述流體流經(jīng)所述通道的所述第一和第二部分的流動(dòng)速度保持基本上恒定，而可能影響所述流動(dòng)速度的所有其它參數(shù)也保持基本上恒定；和b)使所述流體流經(jīng)所述裝置。
29.根據(jù)權(quán)利要求2所述的熱交換器，其特征在于，所述至少一個(gè)傳熱翅片的尺寸是根據(jù)所述傳熱表面要求的熱阻分布特征來確定。
30.一種將熱量傳遞到流體或從流體轉(zhuǎn)移走熱量的方法，包括以下步驟a)提供如權(quán)利要求2所述的熱交換器；和b)使流體流經(jīng)所述熱交換器；其中，所述傳熱表面上的熱阻分布是通過改變靠近所述至少一個(gè)傳熱翅片的流體流動(dòng)來控制。
全文摘要
一種使用工作流體并具有高熱流量傳遞能力的熱交換器(120)。這種熱交換器包括具有傳熱表面(128)、長度和寬度的芯部(130)。沿芯部寬度交替布置的入口分流管(140)和出口分流管(142)沿芯部長度方向延伸。互連通道(144)分別與相應(yīng)的出口分流管以及緊靠該出口分流管布置的兩個(gè)入口分流管流體連通。與傳熱表面(128)熱連通的熱交換器翅片(154)大體上構(gòu)成互連通道的表面。流道沿基本上垂直于傳熱表面(128)的方向先將工作流體引導(dǎo)到傳熱表面，然后引導(dǎo)工作流體離開傳熱表面。當(dāng)流體流動(dòng)到傳熱表面以及離開傳熱表面時(shí)，熱量通過傳熱翅片(154)傳遞給工作流體或從工作流體傳走。
文檔編號(hào)F28F13/00GK1599858SQ02824152
公開日2005年3月23日 申請日期2002年10月9日 優(yōu)先權(quán)日2001年10月9日
發(fā)明者J·A·瓦倫祖拉, T·J·賈辛斯基 申請人:麥克羅斯制造公司