用于电力电子设备和电池冷却的具有焊接管的紧凑型铝换热器制造技术

由具有内翅片和/或外翅片的焊接扁平管制造、用于冷却电力电子设备和/或电池单元的紧凑型型换热器。翅片插入物被预制并手动或自动插入扁平管中，用于增强流体湍流且由此提高热扩散。翅片插入物的翅片具有波浪或波状形状，且通过冲压或波纹成型制造。扁平管从片材弯曲形成，且在其较小的一侧沿其长度方向焊接以增强管的机械强度。管由核心合金制造，其包含0.3-1.8wt％Mn，0.25-1.2wt％Cu，≥0.02wt％Mg，≥0.01wt％Si，≥0.05wt％Fe，≤0.25wt％Cr，余量铝以及不可避免的至多0.05wt％的杂质。翅片插入物由铝合金制造，铝合金包括0-3wt％Mn，0-1.5wt％Fe，0-1.5wt％Cu，0-1.5wt％Mg，0-1.0wt％Si，0-4wt％Zn，0-1wt％Ni及分别为0-0.3wt％的Zr、Ti、Cr。紧凑型轻量换热器尤其适用于混合动力和/或电动车辆中。

【技术实现步骤摘要】
用于电力电子设备和电池冷却的具有焊接管的紧凑型铝换热器
本专利技术涉及一种适用于发热的电子元件或电池单元的热量管理的换热器或冷却器。本专利技术尤其适合作为一种用于混合电力车(HEV)或电动车(EV)中的电力列车的换热器，然而其同样适用于冷却各种电子元件的其它
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技术介绍
为了确保混合电力车辆中电力电子装置(power electric device)的可靠性，电力电子组件所产生的热量需要扩散掉。电力电子装置的基板典型地具有三层；形成电路电连接的金属蚀刻轨道，中间层，即陶瓷类型的电绝缘材料板，以及连接到电子组件以便于散热和提供机械支撑的称为散热器(heat spreader)的金属板。一种选择为具有作为散热片(heat sink)而用于空气冷却的外翅片的挤出型散热片，散热片连接至散热器，以用于更有效地散热。在汽车电力电子装置中，散热片可以是流体冷却的，并且设计成使用多端口铝挤出物或者包含机械加工的微通道的冷板。作为换热器一部分的散热片同样可由其中嵌有铜管的铝块制造而成。当制造用于HEV/EV的组件冷却器时需要扩散大量的热量，目前为止仅使用挤出或者折叠的管。使用扁平铝工件板材精确加工微通道的成本基本上随着需要流动路径的尺寸和复杂性而增长。用于机动车的换热器或者部件冷却器通常具有挤出成型或者通过将铜焊覆盖条折叠成例如B形而形成的冷却管，接下来在组装换热器时将这些管钎焊到密封管中。它们同样还可以通过将一排冲压的金属板钎焊在一起形成，当钎焊时提供整合套的冷却管/通道、联管箱(header)和回管，即所谓的冲压外圈(drawn cup)板设计。US7571759公开了一种在堆叠式冷却器中使用由压制成型的铝板形成的管的换热器，其中多个冷却管布置和堆叠的方式使得能够交替地用冷却管插入电子元件。压制成型的板与中间板钎焊在一起在内部有高压时存在泄漏的风险。电子元件通常通过陶瓷板和导热油脂安装在冷却管上而与其接触，其昂贵的工艺和不灵活的设计使其容易遭受腐蚀的影响。挤出管形成散热片通常需要锌涂层，为挤出管提供足够的耐腐蚀性。在钎焊过程中，锌扩散进入到挤出管材料中，所得的锌的浓度梯度可提供腐蚀保护。然而，这种管的抗腐蚀法同样会引起不期望的锌在角焊缝(fillet)中的分离。因此，尽管这种方法能够保护管，但是不可避免地加速了焊缝的腐蚀。相反，由于其它机械机制如棕色条带、铜浓度型材、钛条带等被用于增强轧铝钎焊板材料的抗腐蚀性能，它们不会遭受前面提到的与换热器相关的由于使用挤出成型多口管而产生的角焊缝腐蚀。对于扁平设计的液体冷却换热器，可以使用包括两个集管(manifold)以用于输入和输出冷却液体、并且通过多个在US7571759的图3中所示的冷却管的相互连接。这些形成散热片的挤出的冷却管由于挤出工艺的需要而具有相对较厚的内翅片，因此相当重(需要更多的材料)。挤出成型管的壁不能做得太薄，因为这意味着换热器的重量和成本将提高。冷却管优选地做成扁平的，这样的设计使得需要冷却的组件可以直接地安装在管表面上，不需要中间散热器或者在必要时能够从两个侧面冷却位于两个管之间的元件，这样设计的换热器如在US7571759的图1中举例说明的更加紧凑。为了能够生产多端口挤出管，还存在着关于设计自由度的限制，因为需要最小化连接板的厚度与高度比。专利申请US2008/0185130公开了一种用于车辆换热器的挤出成型的冷却管。该冷却管具有与所述管一起挤出成型的多个内部肋或翅片，用于增强热扩散。这种设计不会导致最小化的材料消耗，以及使换热器具有更薄的中间壁和减轻的重量。更优选地，更薄和更轻的扁平管可以如US7571759的图6中所举例说明的通过先单独制作外部和中间板，然后再将它们彼此连接而制成，它们中间还包括有翅片。由于材料的可成形性的需求，根据现有技术US7571759图6中的冲压外圈设计冷却管需要全软质钎焊覆层(clad)材料，其反过来易于核心腐蚀。这种冲压外圈管设计存在着最终管的硬度降低的问题，因为为了使最终的管保持良好的平面度(flatness)以提供连接元件之间最好的接触，采用较软的金属和/或合金用于弯曲。承受液体压力作用的冲压外圈管可能沿弯曲的边缘发生泄漏。因此需要提供一种不受这些缺点限制的管，其可以提供较高的换热效率。用于冲压外圈设计管的翅片插入物不会提供最佳的冷却剂流。为了在两个侧面提供更紧凑的冷却元件安装和冷却，冷却管在纵向方向和横向方向上或者冷却管的整个长度的非弯曲及扭曲处的平面度为一个基本的特征。这对于已知的具有薄外侧板的冲压外圈管来说是难以实现的，因为这种冲压外圈管承受的较高的内部流体压力会使外侧管壳发生变形。因此，通过这种已知类型的冲压外圈管无法实现高效换热所需要的最好的平面度。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种具有最小化的重量和增强的换热能力的换热器，其可以有效地调节集成在换热器中的电子元件的温度。本专利技术的其它目的是另外一种类型的扁平冷却管、例如根据本专利技术的具有优化的内翅片设计的焊接管作为散热片的用途，这些管在冷却管长度上具有更高的强度，这会导致换热效率提高，并且换热器的设计更加紧凑和轻量化，还有由于使用其它材料而具有的长期抗腐蚀的特性。用于热产生或者热扩散元件的热量管理的换热器包括:用于引导冷却剂流体流进和流出换热器的两个集管，其两端安装到集管的多个扁平冷却管，两个侧面处于纵向方向，并且承载表面的两个元件处于两个侧面之间；扁平管在集管之间基本上彼此平行地排成行地布置，以使得它们的承载表面基本上相互平行并且彼此相对，所述管在每个端部连接到相邻的集管以使得冷却剂流过管，扁平冷却管由片材通过焊接形成焊接接头而形成。焊接可以采用高频焊接或其他任何合适的焊接方法。对于需要安装的具有最好的换热/散热的半导体模块，管的表面需要尽可能地平整。翅片插入焊接管的使用比折叠管具有更坚硬的结构，同时制造成本更低，并且比挤出成型管重量更轻。除了上面描述的半导体模块，功率晶体管、功率场效应晶体管FET、绝缘栅双极型晶体管IGBT等都可以作为所述电子元件。上面描述的冷却剂可以是水自然冷却剂，例如水，或者基于非水的冷却剂，例如HFCI34aο核心腐蚀(液膜迁移，LFM)破坏了钎焊换热器的抗腐蚀性。需要降低换热器重量、获取紧凑的设计以及提高换热效率的这些问题的解决可以通过使用焊接管设计实现，焊接管设计可以以其它的韧度进行生产，例如H14、H24，并且没有冲压外圈管存在的严重的局部变形。根据本专利技术的另一个方面，散热器的表面粗糙度可以通过冷轧工艺改变，使其值位于Ra = 0.02-1.14微米的范围内，以改善换热。高频焊接的铝管提供用于车辆电力电子元件和电池的热量管理目的的冷却剂流动路径。通过与翅片插入物相结合，本专利技术的扁平管使得换热面积实质性增长，并导致与具有基于挤出成型或者折叠或者冲压板的管的设计相比具有优越的换热特性。根据本专利技术的用于换热器的扁平管由金属片制造而成，其被弯曲并且接着通过高频或者其它类型合适的焊接方法连接到管状套管里。此后，所述管可进一步压制成期望的扁平管形状。扁平管的材料优选为铝及其合金，其中高频焊接管的核心合金包含0.3-1.8wt%的锰，0.25-1.2wt%的铜，≥0.02wt%的镁，≥0.01wt %的硅，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于热辐射元件(5，6)的热量管理的换热器(20)，其包括：?用于引导流体流进和流出换热器(20)的两个集管(1，2)；?多个扁平管(3)，其具有安装到集管(1，2)上的两个端部(3a，3b)，处于纵向方向两个侧面(14，14’)，以及两个侧面(14，14’)之间的两个元件承载表面(13，13’)；管(3)在集管(1，2)之间基本上彼此平行地排成行，以使它们的承载表面(13，13’)基本上平行地彼此相对，管(3)在每个端部(3A，3B)连接到相邻的集管(1，2)，以允许冷却剂流过管(3)，其特征在于，扁平管(3)由片材(11)通过焊接形成焊接接头(12)而形成。

【技术特征摘要】
1.一种用于热辐射元件(5，6)的热量管理的换热器(20)，其包括: -用于引导流体流进和流出换热器(20)的两个集管(1，2)； -多个扁平管(3)，其具有安装到集管(1，2)上的两个端部(3a，3b)，处于纵向方向两个侧面(14，14’ )，以及两个侧面(14，14’ )之间的两个元件承载表面(13，13’ );管(3)在集管(1，2)之间基本上彼此平行地排成行，以使它们的承载表面(13，13’)基本上平行地彼此相对，管(3)在每个端部(3A，3B)连接到相邻的集管(1，2)，以允许冷却剂流过管(3)，其特征在于，扁平管(3)由片材(11)通过焊接形成焊接接头(12)而形成。2.权利要求1的换热器(20)，其中焊接接头(12)位于扁平管(3)的侧面(14，14’)处。3.权利要求1的换热器(20)，其中管承载表面(13，13’)适于引导元件(5，6)连接到其上。4.权利要求3的换热器(20)，其中待冷却的热辐射元件(5，6)通过胶接剂、热油脂、机械方式及钎焊之一连接到至少 一个管承载表面(13，13’ )上。5.权利要求1-4之一的换热器(20)，其中管的至少一个的元件承载表面控制为实现Ra为0.02-1.14微米的粗糙度。6.权利要求1-5之一的换热器(20),其中兀件(5,6)的至少一个为电力电子兀件。7.权利要求1-6之一的换热器(20)，其中元件(5)的至少一个为电池单元。8.前述权利要求之一的换热器(20)，其中至少一个管(3)插入有预制的内翅片插入物⑶。9.权利要求8的换热器(20)，其中至少预制的内翅片插入物(8)被手动地或者自动地在其纵向插入到扁平管(3)中，以促进热扩散。10.权利要求8的换热器(20)，其中翅片插入物(8)通过冲压、波纹成型及压花之一制造。11.权利要求8的换热器(20)，其中被插入的预制翅片插入物(8)具有翅片，翅片沿它们的长度具有波浪的形状。12.权利要求8的换热器(20)，其中被插入的翅片具有沿着管的长度偏置的偏移的几何形状。13.前述权利要求之一的换热器(20)，其中至少某些冷却管(3)被钎焊的外翅片(4)的排分隔开。14.前述权利要求之一的换热器(20)，其中高频焊接的管(3)片(儿)的核心合金包含 0.3-1.8wt% 的锰，0.25-1.2wt% 的铜，≥ 0.02wt% 的，≥ 0.02wt% 的镁，≥ 0.0^^%的硅，≥0.05wt%的铁，(0.25wt%的铬，余量的铝及至多0.05wt%的不可避免的杂质。15.前述权利要求之一的换热器(20)，其中管材料片(11)的核心合金的韧度为H14/0/H24。16.前述权利要求之一的换热器(20)，其中冷却扁平管(3)的壁厚为0.1-1.5mm，优选0.8-1.5mm。17.前述权利要求之一的换热器(20)，其中冷却管(3)的高度为1.2-15mm。18.前述权利要求之一的换热器(20)，其中高频焊接的冷却扁平管(3)在至少一侧上具有钎焊覆层。19.前述权利要求之一的换热器...

【专利技术属性】
技术研发人员：S·德西肯，S·梅杰斯，徐坤豪，
申请(专利权)人：格伦格斯有限公司，
类型：发明
国别省市：