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.pdf

摘要
申请专利号：	CN201210321455.4	申请日：	2012.07.19
公开号：	CN103575140A	公开日：	2014.02.12
当前法律状态：	撤回	有效性：	无权
法律详情：	发明专利申请公布后的视为撤回IPC(主分类):F28D 15/00申请公布日:20140212\|\|\|实质审查的生效IPC(主分类):F28D 15/00申请日:20120719\|\|\|公开
IPC分类号：	F28D15/00; F28F1/42; F28F21/08; H05K7/20; H01L23/473; B23P15/26	主分类号：	F28D15/00
申请人：	格伦格斯有限公司
发明人：	S·德西肯; S·梅杰斯; 徐坤豪
地址：	瑞典斯德哥尔摩
优先权：
专利代理机构：	永新专利商标代理有限公司 72002	代理人：	过晓东;谭邦会
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内容摘要

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。

权利要求书

权利要求书
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)，其中元件(5，6)的至少一个为电力电子元件。

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(8)。

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，≥0.01wt％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/O/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(20)，其中翅片插入物在至少一侧(9，10)上具有钎焊填料合金覆层。

20.  前述权利要求之一的换热器(20)，其中钎焊填料合金具有镁含量为0.05-0.7wt％的镁。

21.  权利要求8-20之一的换热器(20)，其中被插入的翅片插入物(8)的材料的厚度为0.04-0.8mm，优选地为0.5-0.7mm。

22.  一种用于根据前述权利要求1-21之一的紧凑换热器(20)中的扁平管(3)，其特征在于，管(3)由片材(11)弯曲以形成套管，沿相邻的边缘焊接以形成管状元件，并且被压制以形成扁平的冷却管(3)。

23.  权利要求22的扁平管(3)，其中管(3)在较小尺寸的侧面(14，14’)具有焊接接头(12)。

24.  权利要求22的扁平管(3)，扁平管(3)包括预制的翅片插入物(8)，用于增强换热效率。

25.  权利要求24的扁平管(3)，其特征在于，具有被插入的翅片插入物(8)的管(3)通过在两个轧辊之间压轧被校准，以使翅片插入物(8)被固定在扁平管(3)内。

26.  权利要求8的翅片插入物(8)，其中插入物(8)由片材通过压花、压轧、波纹成型或冲压之一以及接着被切成合适尺寸的板片而形成。

27.  权利要求8的翅片插入物(8)，其中插入物(8)具有翅片，翅片沿它们的长度有不均匀的形状。

28.  权利要求(8)的翅片插入物(8)，其中插入物(8)由铝合金制成，铝合金包含0-3wt％的锰，0-1.5wt％的铁，0-1.5wt％的铜，0-1.5wt％的镁，0-1.0wt％的硅，0-4wt％的锌，0-1wt％的镍，以及各自为0-0.3wt％的锆、钛、铬。

29.  一种制造权利要求1-22之一的换热器(20)的方法，其包括如下步骤：
-弯曲片材(11)以形成套管，焊接套管以形成管状元件，压制管状元件以得到扁平管(3)；
-制造两个集管，在它们的侧面具有用于容纳管(3)的端部(3a，3b)的开口；
-将管(3)插入到所述开口中以形成换热器，其特征在于，通过钎焊组装各组成部分。

30.  权利要求29的制造换热器(20)的方法，其中组成部分通过无焊剂钎焊组装。

31.  权利要求29或30的制造换热器(20)的方法，其特征在于，安装至少一个额外的外翅片(4，7)以及加强板(15)。

32.  一种制造权利要求8的翅片插入物(8)的方法，其特征在于，
-采用对铝合金的直接冷铸、连续铸造、双辊铸造或带式铸造的一种，该铝合金包含0-3wt％的锰，0-1.5wt％的铁，0-1.5wt％的铜，0-1.5wt％的镁，0-1.0wt％的硅，0-4wt％的锌，0-1wt％的镍以及各自为0-0.3wt％的锆、钛、铬；
-采用波纹成型、冲压和压花之一对材料加工以形成多个翅片；
-将具有多个翅片的材料切成具有合适尺寸的板片。

33.  权利要求22-25之一的扁平冷却管(3)在根据权利要求1-21之一的换热器中的用途。

34.  权利要求1-21之一的换热器(20)用于对混合动力和电动车辆之一中任意的热辐射元件(5，6)进行热量管理的用途。

说明书

说明书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
技术领域
本发明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。本发明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技术领域。
背景技术
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。
发明内容
本发明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。本发明的其它目的是另外一种类型的扁平冷却管、例如根据本发明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HFC134a。
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。
根据本发明的另一个方面，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，本发明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。根据本发明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，≥0.05wt％的铁，≤0.25wt％的铬，余量为铝以及不可避免的至多0.05wt％的杂质。
核心合金的韧度为H14/O/H24，并且优选地为H14/H24。这些材料韧度与前面提到的化学窗口相结合提供最好的强度组合、抗腐蚀性以及需要的成型等级，以获取焊接管的平面度。
用在紧凑换热器中的扁平冷却管从片材弯曲形成套管，沿着相邻的边缘焊接以形成管状元件，并且受压制以形成在较小尺寸一侧具有焊接接头的扁平冷却管。
焊接的或被焊接的接缝通常合适地位于扁平管的侧面，由此提高扁平管的硬度和对弯曲运动的耐受性。这改善了元件和管之间的接触，由此促进换热。换热器的组成部分通过钎焊组装在一起。钎焊可以是无焊剂钎焊焊接法或者其它任意的传统焊接方法。
翅片插入物通过压花、轧制、波纹成型以及冲压之一由片材制作而成，接着被切成合适尺寸的板片(piece)。进而，翅片插入物被设计成具有沿通道的波状翅片插入物，用于通过增加冷却剂流动的湍流及内表面积来改善热性能。当内翅片起肋条作用时，管的硬度也得到提高。翅片沿着侧面或者其它与冷却剂流体接触的任意表面具有波状或类似于波浪的形状。
一种制造换热器的方法包括如下步骤：弯曲片材形成套管，焊接套管形成管状元件，压制管状元件以获取扁平管；制造在其侧面具有用于容纳管的端部的开口的两个集管，将扁平冷却管插入到开口中以形成换热器，特征在于通过钎焊，包括无焊剂的钎焊来组装各组成部分。
由于不同的高频焊接铝管可以根据电力电子装置的热负载或者覆盖区(footprint)形成不同的尺寸，因此包括具有翅片插入物的焊接铝管的换热器的使用使其具有可扩展性(scalability)。根据本发明的用于任意热扩散元件的热量管理的换热器的使用适用于混合动力和电动车辆之一。
换热器的热特性可以通过使用分隔开所述管(参见图2，3)的额外的外翅片得到提高。这些翅片被钎焊到至少某些管的承载平面上。
根据本发明的换热器重量减轻，并且具有长寿命的耐腐蚀设计。
附图说明
图1所示为根据现有技术的换热器或者冷却模块。
图2所示为根据本发明的装配有额外的外翅片的换热器，其用于冷却电池单元和侧板，以改善换热器的硬度。
图3所示为换热器的部分横截面图，以举例说明扁平管到集管的安装。
图4(A-E)所示为通过不同方法制造的五种不同的翅片插入物，并且提供不同的翅片形状。
图5所示为扁平换热器管在与部分移除的管材校准之后、并且与翅片插入物组装在一起的视图。横截面A、B举例说明可实现的配置的变化。
图6所示为现有技术的具有插入翅片的钎焊扁平管，其中冷却元件安装在管承载表面上。
图7所示为测试根据本发明的管的热特性时设备的实验性设置。
具体实施方式
如图2、3所举例说明的所谓散热片模块或换热器20通过将多个扁平管3组装在一起而制成，扁平管3由金属片11制成，其中将所述片弯曲成管形以形成套管，通过高频焊接或其它任何合适的焊接方法相互连接相邻片的边缘以形成焊接接头12，压制形成的套管以形成扁平冷却管3。这种扁平焊接冷却管3尤其适合，且有利于用在根据本发明的换热器20中。根据本发明的换热器20尤其适用于在混合动力和电动车辆之一中使用的任意的热辐射元件5，6的热量管理。
焊接接头(12)优选地处于扁平冷却管3的较小尺寸的侧面14，14’处，以最小化泄漏的风险。管形元件受压制变成尺寸略大于预制翅片插入物8的接近于扁平管的形状。预制的翅片插入物8自动地或手动地沿着它的纵向方向插入到扁平冷却管3中以促进散热。接着管3通过轧制校准成其最终尺寸与插入翅片8的高度相等，以使得翅片快速固定到管3中。这些预制的扁平管通过将它们的端部3a，3b穿过连接集管1，2侧面上的孔连接到集管1，2，并且钎焊到一起以形成换热器20的整体。扁平管3具有预制的翅片插入物8，可用于提高换热或者散热效率。
翅片插入物8通过在两个辊子之间压轧薄翅片材料而冲压或制成，所述辊子在它们的表面上具有期望的图案，以将该图案通过已知的方式压花到翅片板上。
如图4(A-E)中所示的各种形状的压花或波纹状的翅片板可用于促进冷却剂流湍流，由此促进管的换热效率，接着将其切成形成翅片插入物8的适当尺寸的板片。
将片材通过压花、压轧、波纹成型或冲压之一成型，以及接着切成适当尺寸的板片，从而制成插入物8。预制的翅片插入物8优选地具有沿其长度形状不均匀的翅片，沿其长度方向为起伏状或波状。翅片同样还可以采用其它的具有不对称侧面翅片表面的形状。翅片插入物8中的翅片可以具有沿管的长度偏置(off-set)的偏移(off-set)的几何形状，其沿着翅片或流动通道长度相对于彼此错位分布。翅片插入物8可以在翅片的顶部10和翅片插入物8的底部的至少一侧或者两侧上具有钎焊填料铝合金覆层。钎焊填料合金具有0.05-0.7重量％的镁。插入的翅片插入物8的材料厚度可以在0.04-0.8mm之间变化，并且优选地为0.5-0.7mm。
翅片插入物8通过直接冷铸、连续铸造、双辊铸造或带式铸造之一、由铝合金制造，所述铝合金包含0-3wt％的锰，0-1.5wt％的铁，0-1.5wt％的铜，0-1.5wt％的镁，0-1.0wt％的硅，0-4wt％的锌，0-1wt％的镍以及各自为0-0.3wt％的锆、钛、铬。翅片插入物8进行材料的波纹成型、冲压和压花之一以形成多个翅片，并且将具有多个翅片的材料切成具有合适尺寸的板片。
插入物8的外部尺寸与扁平冷却管3的内部尺寸相对应。翅片插入物的各种形状形成了管内冷却剂流体在其中流动的通道，使得可以根据冷却元件的需要改变换热器的冷却剂流体湍流和热效率。这种设计使得制造能够非常灵活。至少一个扁平冷却管3具有插入其中的如上面描述的预制的内翅片插入物(8)，不过优选地它们全部用于改进散热。冷却管3的高度可以根据换热器尺寸和需要的散热而变化，但是这里管3的高度在大约1.2-15mm的范围内。高频焊接的冷却扁平管3可以在管3的内侧和/或外侧中被称为承载表面13的至少一侧上或者两个侧面上具有钎焊覆层。
如图2、3中所举例说明的元件5，6可以直接连接到管承载表面13上，以便可以无需采用散热器或其它中间元件，从而降低重量并提高热扩散，其中元件5为电池单元，元件6则为待冷却的电力电子元件。将要被换热器20冷却的热辐射元件5，6可以通过胶接剂、热油脂、机械地和/或以钎焊方式连接到至少一个扁平管3的承载表面13上。至少某些冷却扁平管3可以被成排的钎焊外翅片4分隔开，用于改善换热器的机械特性，同时提高热扩散的效率。
换热器20具有至少一个额外的外翅片4，7，及至少一个用于改善换热器20的刚性及同时提高热扩散的加强板15。
可选择地，所述元件可以以已知的方法机械地固定，或者仅仅通过在两个相邻的扁平管3之间按压固定。当需要时，该元件可以采用包括无焊剂焊接在内的钎焊方法焊接到所述管上。
这些元件最常见的为在混合动力或电动车辆中使用的电力电子元件。元件5，6可以为电池单元或其它任意的电子电路或类似物。如果需要，元件5，6可以安装到中间板上，接着在将中间板安装到扁平管3表面13上。为了提供元件5，6和冷却管表面13之间更好的接触，至少一个扁平冷却管3的元件承载表面13优选具有0.02-1.14微米Ra的粗糙度。
为了提高热扩散并且增加冷却剂流的湍流，内翅片插入物8可以插入到扁平管3中。进而，外部额外的翅片4可以如图2所示设置在管3之间。可以增设根据已知方法由片材制作成的额外的侧面板15，以强化扁平管3的组件(package)，并且可以在最外侧扁平管3和面板15之间增设外部额外的翅片7以提高热扩散。翅片7和面板15在需要时可以钎焊在一起。
制造翅片或者翅片插入物8的方法能够实现非常薄的翅片，以节省冷却器或换热器20的材料和重量。翅片可以通过直接冷铸(DC)、连续铸造(CC)、双辊铸造(TRC)或带式铸造优选由铝合金制成，并且优选使用的铝合金包含0-3wt％的锰，0-1.5wt％的铁，0-1.5wt％的铜，0-1.5wt％的镁，0-1.0wt％的硅，0-4wt％的锌，0-1wt％的镍以及各自为0-0.3wt％的锆、钛、铬。
根据本发明的制造扁平管3的方法不需要将内部或里面的翅片钎焊到管内表面上，但是在需要时允许这样做。管的外表面13可以通过轧制包覆提供铝覆层。这使得每个第二个管3之间的外翅片4额外组装到换热器20的结构中，接着在可控气氛钎焊(CAB)炉中钎焊换热器20，以形成连续的冷却流体回路，促进冷却或换热效果。
电力电子组件或元件5，6可以连接到具有镀金属表面的陶瓷载体上以形成电子元件基片，这些基片可以插入到换热器的管之间，并通过软钎焊或者涂油脂连接到管的表面上。可选地并且优选地，电子组件5，6可以直接固定到本发明的扁平管3上，这是因为通过热油脂或其它已知的传统方法使其平整度获得提高。由于根据本发明的扁平管3在其边缘上(如现有技术图1中的冲压外圈实施方案)不进行弯曲，所以用于管的材料更硬，并且焊接接缝12可提供额外的硬度和耐弯曲性，这使得元件5，6可以直接安装到管表面上，得以减少材料需求和降低制造成本。
插入物8可以手动地或通过自动的过程插入到高频焊接的管3中。成组的翅片8可以通过轧制，在两个轧辊之间运转翅片材料而制成，所述轧辊在与材料压花作用或者压制波纹时在表面上具有图案。材料然后被切成具有合适尺寸的翅片插入物8。
优选的翅片插入物的几何形状描述如下：4*arc-tan(30°)*A＜波长(L)＜4*arc-tan(10°)*A(～优选：4*arc-tan(15°)*A)
0.2＜管厚＜0.45mm(～优选：0.4mm)
2＜管高＜4.8mm(～优选：3.8mm)
------------------------
1.8＜翅片高(Fh)＜4.4mm(～优选：3mm)
------------------------
1.2＜翅片间距(Fp)＜2mm(～优选：1.6mm)
0.08＜翅片厚度＜0.1*Fp(～优选：0.18mm)
0.2*Fp＜波幅(A)＜0.4*Fp(～优选：0.36Fp)
2*tan(10°)*A＜波长(L)＜2*tan(30°)Z*A(优选：2*tan(15°)*A)
通常来说，手动插入方式多数用于小体积的生产。在自动插入翅片插入物8时，内部尺寸稍微大于翅片插入物8的尺寸的焊接扁平管3由锯或联机切割条件下被切割成需要的长度。焊接操作后，具有略大尺寸的管3便于翅片插入物8的插入。由翅片辊轧制的翅片插入物8被切成需要的长度。如果需要，翅片插入物8在插入之前可以增加自动的湿通量(wet flux)操作和干燥。翅片插入物8使用自动工艺插入到管中，在翅片插入后，管最终被校准以确保管内壁和翅片插入物外表面9，10之间的良好接触。插入的翅片8可以具有不同的形状、厚度和几何形状，例如：偏移的或者波纹状以及条板状(louvered)类型。
插入的翅片8优选具有波浪的(undulating)形状(如图4A中所示)，同时其它形状(如图4b-e)也是可以的，以使得冷却流体的路径变成涡旋状，并且获得更好的冷却性能。内翅片和管可以使用不同合金，其同样提供更多的自由性，例如长寿命的耐腐蚀设计。
图5举例说明了根据本发明的管的类型“A”和类型“B”的剖面图，它们不同的产品特征仅仅是具有不同的尺寸。类型“B”适用于高度＞10mm的较大的管，而类型“A”具有适用于较小的管的半圆形边缘，并且能够承受较高的内压。如果类型“A”应用在较大的管中会浪费材料，侧边缘的长度会延长，并且反之亦然。当按照类型“B”制作较小的管时，折叠管片会变得很困难。
低于0.1mm的管材11对于承受布置成为电力电子元件一部分的负载来说是不够的。而厚度高于1.5mm时维持管3的表面的平面度将变得越来越困难。
为了达到管3的最小强度，材料的最小厚度大约为0.04mm。超过 0.8mm，翅片的破裂趋势会增加。
为了优化扁平管设计，使用计算机进行建模和计算。来自加热单元的热量输入Q通过冷却剂循环进行计算，即通过：
ΔT=T3+T42-T1+T22]]>
Q=Cpm·(T1-T2)/60]]>
Rt＝ΔT/Q
术语名称：
Cp：冷却剂的比热，kJ/kg-K
冷却剂的体积流量，l/m
P1：冷却管入口静压力，巴
P2：冷却管出口静压力，巴
Q：冷却过程的热转移率(transfer rate)，w
Rt：热阻，K/W
T1：冷却管入口温度，K
T2：冷却管出口温度，K
T3、T4：管表面(热源和散热片之间的界面)温度，K
使用冷却剂流体(50％乙二醇混合的水溶液)的三个不同流速(1L/min，1.5L/min，2L/min)，并记录温度和压力降。
初始冷却剂温度设定成20℃，并且释放的电功率为500W。
产品压力降热阻管/板重量翅片重量现有技术的换热器/冷却器 868 0.13 16 10 本发明的换热器/冷却器 555 0.09 9.4 5.1
表1
计算结果显示，根据本发明的换热器在重量更轻的同时具有较低的压降以及更好的导热性。
热测试
图6中举例说明的具有翅片插入物的扁平管(已知的现有技术)在图7所示的设备上进行测试，并且与表1中的模型计算结果进行比较。
进行的热测试举例说明了本发明的换热器与现有技术的冲压外圈类型换热器(图1的现有技术所示为弯曲或钎焊在一起的)相比换热效率提高。测试在根据本发明的具有平焊接管19的模块上进行，该模块位于图7所示的设备上。冷却剂流体通过泵16在回路中循环，并且其温度受温度调节器15控制。流体的温度和压力通过传感器17在流经测试的扁平管18之前和之后被控制，热辐射元件6连接到电池18。设备由电子加热铝块组成，在其内部设置有电线，并且在底部具有焊接到扁平管表面上用于温度探测的热电偶(参见图6)。在安装加热源之前，在管表面上涂覆热油脂，以改善管和加热源表面之间的接触。
为了减少扩散到周围空气中的热辐射，在铝块的顶面上设置绝热板。
当根据本发明的焊接管(图5)换成根据图1(现有技术)实施方案的折叠或者冲压外圈板时，重复对换热器的测试，并确认上面的计算结果。
表1中的结果显示，根据本发明的换热器在重量减轻的同时具有较低的压力降和更好的导热性。
本领域技术人员可以想到的许多其它方面的改变都位于本发明的范围内。可以理解的是，说明书的全部术语都可以解释为本领域的通用术语，且附图只是用于举例说明的目的，而并不是用来限制本发明的保护范围。

资源描述

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1、(10)申请公布号 CN 103575140 A (43)申请公布日 2014.02.12 CN 103575140 A (21)申请号 201210321455.4 (22)申请日 2012.07.19 F28D 15/00(2006.01) F28F 1/42(2006.01) F28F 21/08(2006.01) H05K 7/20(2006.01) H01L 23/473(2006.01) B23P 15/26(2006.01) (71)申请人格伦格斯有限公司地址瑞典斯德哥尔摩 (72)发明人 S德西肯 S梅杰斯徐坤豪 (74)专利代理机构永新专利商标代理有限公司 7200。

2、2 代理人过晓东谭邦会 (54) 发明名称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 (57) 摘要由具有内翅片和 / 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， 0.0。

3、5wt 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， 0-1.5wtMg， 0-1.0wtSi， 0-4wtZn， 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。 (51)Int.Cl. 权利要求书 3 页说明书 8 页附图 5 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请权利要求书3页说明书8页附图5页 (10)申请公布号 CN 103575140。

4、 A CN 103575140 A 1/3 页 2 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。

5、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)，。

6、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)，其中元件 (5， 6) 的至少一个为电力电子元件。 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 (8)。 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。

7、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， 0.01wt的硅， 0。

8、.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/O/ 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。权利要求书 CN 103575140 A 2 2/3 页 3 19。

9、.前述权利要求之一的换热器(20)，其中翅片插入物在至少一侧(9， 10)上具有钎焊填料合金覆层。 20. 前述权利要求之一的换热器 (20)，其中钎焊填料合金具有镁含量为 0.05-0.7wt 的镁。 21. 权利要求 8-20 之一的换热器 (20)，其中被插入的翅片插入物 (8) 的材料的厚度为 0.04-0.8mm，优选地为 0.5-0.7mm。 22. 一种用于根据前述权利要求 1-21 之一的紧凑换热器 (20) 中的扁平管 (3)，其特征在于，管(3)由片材(11)弯曲以形成套管，沿相邻的边缘焊接以形成管状元件，并且被压制以形成扁平的冷却管 (3)。 23.。

10、权利要求 22 的扁平管 (3)，其中管 (3) 在较小尺寸的侧面 (14， 14 ) 具有焊接接头 (12)。 24. 权利要求 22 的扁平管 (3)，扁平管 (3) 包括预制的翅片插入物 (8)，用于增强换热效率。 25. 权利要求 24 的扁平管 (3)，其特征在于，具有被插入的翅片插入物 (8) 的管 (3) 通过在两个轧辊之间压轧被校准，以使翅片插入物 (8) 被固定在扁平管 (3) 内。 26. 权利要求 8 的翅片插入物 (8)，其中插入物 (8) 由片材通过压花、压轧、波纹成型或冲压之一以及接着被切成合适尺寸的板片而形成。 27. 权利要求 8 的翅。

11、片插入物 (8)，其中插入物 (8) 具有翅片，翅片沿它们的长度有不均匀的形状。 28. 权利要求 (8) 的翅片插入物 (8)，其中插入物 (8) 由铝合金制成，铝合金包含 0-3wt的锰， 0-1.5wt的铁， 0-1.5wt的铜， 0-1.5wt的镁， 0-1.0wt的硅， 0-4wt的锌， 0-1wt的镍，以及各自为 0-0.3wt的锆、钛、铬。 29. 一种制造权利要求 1-22 之一的换热器 (20) 的方法，其包括如下步骤： - 弯曲片材 (11) 以形成套管，焊接套管以形成管状元件，压制管状元件以得到扁平管 (3) ； - 制造两个集管，在它们的侧面。

12、具有用于容纳管 (3) 的端部 (3a， 3b) 的开口； - 将管 (3) 插入到所述开口中以形成换热器，其特征在于，通过钎焊组装各组成部分。 30. 权利要求 29 的制造换热器 (20) 的方法，其中组成部分通过无焊剂钎焊组装。 31.权利要求29或30的制造换热器(20)的方法，其特征在于，安装至少一个额外的外翅片 (4， 7) 以及加强板 (15)。 32. 一种制造权利要求 8 的翅片插入物 (8) 的方法，其特征在于， - 采用对铝合金的直接冷铸、连续铸造、双辊铸造或带式铸造的一种，该铝合金包含 0-3wt的锰， 0-1.5wt的铁， 0-1.5wt的铜，。

13、0-1.5wt的镁， 0-1.0wt的硅， 0-4wt的锌， 0-1wt的镍以及各自为 0-0.3wt的锆、钛、铬； - 采用波纹成型、冲压和压花之一对材料加工以形成多个翅片； - 将具有多个翅片的材料切成具有合适尺寸的板片。 33.权利要求22-25之一的扁平冷却管(3)在根据权利要求1-21之一的换热器中的用途。 34. 权利要求 1-21 之一的换热器 (20) 用于对混合动力和电动车辆之一中任意的热辐权利要求书 CN 103575140 A 3 3/3 页 4 射元件 (5， 6) 进行热量管理的用途。权利要求书 CN 103575140 A 4 1/。

14、8 页 5 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技术领域 0001 本发明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。本发明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技术领域。背景技术 0002 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。

15、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。 0003 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。

16、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。 0004 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。

17、，其昂贵的工艺和不灵活的设计使其容易遭受腐蚀的影响。 0005 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。 0006 对于扁平设计的液体冷却换热器，可以使用包括。

18、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 )。说明书 CN 103575140 A 5 2/8 页 6 0007 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。

19、明的更加紧凑。 0008 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。 0009 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。 0010 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。 0011 由于材料的可成形性的需求，根据现有技。

20、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。 0012 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。 0013 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。

21、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。发明内容 0014 本发明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。本发明的其它目的是另外一种类型的扁平冷却管、例如根据本发明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。

22、使用其它材料而具有的长期抗腐蚀的特性。 0015 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。 0016 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。。

23、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。说明书 CN 103575140 A 6 3/8 页 7 0017 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。 0018 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 HFC134a。 0019 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。

24、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。 0020 根据本发明的另一个方面，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。 0021 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，本发明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。根据本发明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。

25、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， 0.05wt的铁， 0.25wt的铬，余量为铝以及不可避免的至多 0.05wt的杂质。 0022 核心合金的韧度为 H14/O/H24，并且优选地为 H14/H24。这些材料韧度与前面提到的化学窗口相结合提供最好的强度组合、抗腐蚀性以及需要的成型等级，以获取焊接管的平面度。 0023 用在紧凑换热器中的扁平冷却管从片材弯曲形成套管，沿着相邻的边缘焊接以形成管状元件，并且受压制以形成。

26、在较小尺寸一侧具有焊接接头的扁平冷却管。 0024 焊接的或被焊接的接缝通常合适地位于扁平管的侧面，由此提高扁平管的硬度和对弯曲运动的耐受性。这改善了元件和管之间的接触，由此促进换热。换热器的组成部分通过钎焊组装在一起。钎焊可以是无焊剂钎焊焊接法或者其它任意的传统焊接方法。 0025 翅片插入物通过压花、轧制、波纹成型以及冲压之一由片材制作而成，接着被切成合适尺寸的板片 (piece)。进而，翅片插入物被设计成具有沿通道的波状翅片插入物，用于通过增加冷却剂流动的湍流及内表面积来改善热性能。当内翅片起肋条作用时，管的硬度也得到提高。翅片沿着侧面或者其它与冷却剂流体接触。

27、的任意表面具有波状或类似于波浪的形状。 0026 一种制造换热器的方法包括如下步骤：弯曲片材形成套管，焊接套管形成管状元件，压制管状元件以获取扁平管；制造在其侧面具有用于容纳管的端部的开口的两个集管，将扁平冷却管插入到开口中以形成换热器，特征在于通过钎焊，包括无焊剂的钎焊来组装各组成部分。 0027 由于不同的高频焊接铝管可以根据电力电子装置的热负载或者覆盖区 (footprint) 形成不同的尺寸，因此包括具有翅片插入物的焊接铝管的换热器的使用使其具有可扩展性 (scalability)。根据本发明的用于任意热扩散元件的热量管理的换热器的使用适用于混合动力和电动。

28、车辆之一。说明书 CN 103575140 A 7 4/8 页 8 0028 换热器的热特性可以通过使用分隔开所述管 ( 参见图 2， 3) 的额外的外翅片得到提高。这些翅片被钎焊到至少某些管的承载平面上。 0029 根据本发明的换热器重量减轻，并且具有长寿命的耐腐蚀设计。附图说明 0030 图 1 所示为根据现有技术的换热器或者冷却模块。 0031 图 2 所示为根据本发明的装配有额外的外翅片的换热器，其用于冷却电池单元和侧板，以改善换热器的硬度。 0032 图 3 所示为换热器的部分横截面图，以举例说明扁平管到集管的安装。 0033 图 4(A-E) 所示为通过不同方法。

29、制造的五种不同的翅片插入物，并且提供不同的翅片形状。 0034 图 5 所示为扁平换热器管在与部分移除的管材校准之后、并且与翅片插入物组装在一起的视图。横截面 A、 B 举例说明可实现的配置的变化。 0035 图 6 所示为现有技术的具有插入翅片的钎焊扁平管，其中冷却元件安装在管承载表面上。 0036 图 7 所示为测试根据本发明的管的热特性时设备的实验性设置。具体实施方式 0037 如图 2、 3 所举例说明的所谓散热片模块或换热器 20 通过将多个扁平管 3 组装在一起而制成，扁平管3由金属片11制成，其中将所述片弯曲成管形以形成套管，通过高频焊接或其它任何合适的焊。

30、接方法相互连接相邻片的边缘以形成焊接接头 12，压制形成的套管以形成扁平冷却管3。这种扁平焊接冷却管3尤其适合，且有利于用在根据本发明的换热器 20 中。根据本发明的换热器 20 尤其适用于在混合动力和电动车辆之一中使用的任意的热辐射元件 5， 6 的热量管理。 0038 焊接接头(12)优选地处于扁平冷却管3的较小尺寸的侧面14， 14 处，以最小化泄漏的风险。管形元件受压制变成尺寸略大于预制翅片插入物 8 的接近于扁平管的形状。预制的翅片插入物 8 自动地或手动地沿着它的纵向方向插入到扁平冷却管 3 中以促进散热。接着管 3 通过轧制校准成其最终尺寸与插入翅片 8 的高度。

31、相等，以使得翅片快速固定到管 3 中。这些预制的扁平管通过将它们的端部 3a， 3b 穿过连接集管 1， 2 侧面上的孔连接到集管 1， 2，并且钎焊到一起以形成换热器 20 的整体。扁平管 3 具有预制的翅片插入物 8，可用于提高换热或者散热效率。 0039 翅片插入物 8 通过在两个辊子之间压轧薄翅片材料而冲压或制成，所述辊子在它们的表面上具有期望的图案，以将该图案通过已知的方式压花到翅片板上。 0040 如图 4(A-E) 中所示的各种形状的压花或波纹状的翅片板可用于促进冷却剂流湍流，由此促进管的换热效率，接着将其切成形成翅片插入物 8 的适当尺寸的板片。 0041。

32、将片材通过压花、压轧、波纹成型或冲压之一成型，以及接着切成适当尺寸的板片，从而制成插入物 8。预制的翅片插入物 8 优选地具有沿其长度形状不均匀的翅片，沿其长度方向为起伏状或波状。翅片同样还可以采用其它的具有不对称侧面翅片表面的形状。翅片插入物 8 中的翅片可以具有沿管的长度偏置 (off-set) 的偏移 (off-set) 的几何形说明书 CN 103575140 A 8 5/8 页 9 状，其沿着翅片或流动通道长度相对于彼此错位分布。翅片插入物 8 可以在翅片的顶部 10 和翅片插入物 8 的底部的至少一侧或者两侧上具有钎焊填料铝合金覆层。钎焊填料合金具有 0。

33、.05-0.7 重量的镁。插入的翅片插入物 8 的材料厚度可以在 0.04-0.8mm 之间变化，并且优选地为 0.5-0.7mm。 0042 翅片插入物 8 通过直接冷铸、连续铸造、双辊铸造或带式铸造之一、由铝合金制造，所述铝合金包含 0-3wt的锰， 0-1.5wt的铁， 0-1.5wt的铜， 0-1.5wt的镁， 0-1.0wt的硅， 0-4wt的锌， 0-1wt的镍以及各自为0-0.3wt的锆、钛、铬。翅片插入物 8 进行材料的波纹成型、冲压和压花之一以形成多个翅片，并且将具有多个翅片的材料切成具有合适尺寸的板片。 0043 插入物 8 的外部尺寸与扁平冷却管。

34、3 的内部尺寸相对应。翅片插入物的各种形状形成了管内冷却剂流体在其中流动的通道，使得可以根据冷却元件的需要改变换热器的冷却剂流体湍流和热效率。这种设计使得制造能够非常灵活。至少一个扁平冷却管 3 具有插入其中的如上面描述的预制的内翅片插入物 (8)，不过优选地它们全部用于改进散热。冷却管 3 的高度可以根据换热器尺寸和需要的散热而变化，但是这里管 3 的高度在大约 1.2-15mm 的范围内。高频焊接的冷却扁平管 3 可以在管 3 的内侧和 / 或外侧中被称为承载表面 13 的至少一侧上或者两个侧面上具有钎焊覆层。 0044 如图 2、 3 中所举例说明的元件 5， 6 可以直。

35、接连接到管承载表面 13 上，以便可以无需采用散热器或其它中间元件，从而降低重量并提高热扩散，其中元件 5 为电池单元，元件 6 则为待冷却的电力电子元件。将要被换热器 20 冷却的热辐射元件 5， 6 可以通过胶接剂、热油脂、机械地和 / 或以钎焊方式连接到至少一个扁平管 3 的承载表面 13 上。至少某些冷却扁平管3可以被成排的钎焊外翅片4分隔开，用于改善换热器的机械特性，同时提高热扩散的效率。 0045 换热器20具有至少一个额外的外翅片4， 7，及至少一个用于改善换热器20的刚性及同时提高热扩散的加强板 15。 0046 可选择地，所述元件可以以已知的方法机。

36、械地固定，或者仅仅通过在两个相邻的扁平管 3 之间按压固定。当需要时，该元件可以采用包括无焊剂焊接在内的钎焊方法焊接到所述管上。 0047 这些元件最常见的为在混合动力或电动车辆中使用的电力电子元件。元件 5， 6 可以为电池单元或其它任意的电子电路或类似物。如果需要，元件 5， 6 可以安装到中间板上，接着在将中间板安装到扁平管 3 表面 13 上。为了提供元件 5， 6 和冷却管表面 13 之间更好的接触，至少一个扁平冷却管 3 的元件承载表面 13 优选具有 0.02-1.14 微米 Ra 的粗糙度。 0048 为了提高热扩散并且增加冷却剂流的湍流，内翅片插入物 8 。

37、可以插入到扁平管 3 中。进而，外部额外的翅片 4 可以如图 2 所示设置在管 3 之间。可以增设根据已知方法由片材制作成的额外的侧面板15，以强化扁平管3的组件(package)，并且可以在最外侧扁平管 3 和面板 15 之间增设外部额外的翅片 7 以提高热扩散。翅片 7 和面板 15 在需要时可以钎焊在一起。 0049 制造翅片或者翅片插入物 8 的方法能够实现非常薄的翅片，以节省冷却器或换热器 20 的材料和重量。翅片可以通过直接冷铸 (DC)、连续铸造 (CC)、双辊铸造 (TRC) 或带式铸造优选由铝合金制成，并且优选使用的铝合金包含 0-3wt的锰， 0-1。

38、.5wt的铁，说明书 CN 103575140 A 9 6/8 页 10 0-1.5wt的铜， 0-1.5wt的镁， 0-1.0wt的硅， 0-4wt的锌， 0-1wt的镍以及各自为 0-0.3wt的锆、钛、铬。 0050 根据本发明的制造扁平管 3 的方法不需要将内部或里面的翅片钎焊到管内表面上，但是在需要时允许这样做。管的外表面 13 可以通过轧制包覆提供铝覆层。这使得每个第二个管 3 之间的外翅片 4 额外组装到换热器 20 的结构中，接着在可控气氛钎焊 (CAB) 炉中钎焊换热器 20，以形成连续的冷却流体回路，促进冷却或换热效果。 0051 电力电子组件或元件。

39、 5， 6 可以连接到具有镀金属表面的陶瓷载体上以形成电子元件基片，这些基片可以插入到换热器的管之间，并通过软钎焊或者涂油脂连接到管的表面上。可选地并且优选地，电子组件 5， 6 可以直接固定到本发明的扁平管 3 上，这是因为通过热油脂或其它已知的传统方法使其平整度获得提高。由于根据本发明的扁平管 3 在其边缘上 ( 如现有技术图 1 中的冲压外圈实施方案 ) 不进行弯曲，所以用于管的材料更硬，并且焊接接缝 12 可提供额外的硬度和耐弯曲性，这使得元件 5， 6 可以直接安装到管表面上，得以减少材料需求和降低制造成本。 0052 插入物 8 可以手动地或通过自动的过。

40、程插入到高频焊接的管 3 中。成组的翅片 8 可以通过轧制，在两个轧辊之间运转翅片材料而制成，所述轧辊在与材料压花作用或者压制波纹时在表面上具有图案。材料然后被切成具有合适尺寸的翅片插入物 8。 0053 优选的翅片插入物的几何形状描述如下： 4*arc-tan(30 )*A 波长 (L) 4*arc-tan(10 )*A( 优选： 4*arc-tan(15 )*A) 0054 0.2 管厚 0.45mm( 优选： 0.4mm) 0055 2 管高 4.8mm( 优选： 3.8mm) 0056 - 0057 1.8 翅片高 (Fh) 4.4mm( 优选： 3mm) 0058 -。

41、 0059 1.2 翅片间距 (Fp) 2mm( 优选： 1.6mm) 0060 0.08 翅片厚度 0.1*Fp( 优选： 0.18mm) 0061 0.2*Fp 波幅 (A) 0.4*Fp( 优选： 0.36Fp) 0062 2*tan(10 )*A 波长 (L) 2*tan(30 )Z*A( 优选： 2*tan(15 )*A) 0063 通常来说，手动插入方式多数用于小体积的生产。在自动插入翅片插入物 8 时，内部尺寸稍微大于翅片插入物8的尺寸的焊接扁平管3由锯或联机切割条件下被切割成需要的长度。焊接操作后，具有略大尺寸的管 3 便于翅片插入物 8 的插入。由翅片辊轧制。

42、的翅片插入物 8 被切成需要的长度。如果需要，翅片插入物 8 在插入之前可以增加自动的湿通量 (wet flux) 操作和干燥。翅片插入物 8 使用自动工艺插入到管中，在翅片插入后，管最终被校准以确保管内壁和翅片插入物外表面 9， 10 之间的良好接触。插入的翅片 8 可以具有不同的形状、厚度和几何形状，例如：偏移的或者波纹状以及条板状 (louvered) 类型。 0064 插入的翅片 8 优选具有波浪的 (undulating) 形状 ( 如图 4A 中所示 )，同时其它形状(如图4b-e)也是可以的，以使得冷却流体的路径变成涡旋状，并且获得更好的冷却性能。。

43、内翅片和管可以使用不同合金，其同样提供更多的自由性，例如长寿命的耐腐蚀设计。 0065 图 5 举例说明了根据本发明的管的类型 “A” 和类型 “B” 的剖面图，它们不同的产品特征仅仅是具有不同的尺寸。类型 “B” 适用于高度 10mm 的较大的管，而类型 “A” 具有说明书 CN 103575140 A 10 7/8 页 11 适用于较小的管的半圆形边缘，并且能够承受较高的内压。如果类型 “A” 应用在较大的管中会浪费材料，侧边缘的长度会延长，并且反之亦然。当按照类型 “B” 制作较小的管时，折叠管片会变得很困难。 0066 低于 0.1mm 的管材 11 对于承。

44、受布置成为电力电子元件一部分的负载来说是不够的。而厚度高于 1.5mm 时维持管 3 的表面的平面度将变得越来越困难。 0067 为了达到管 3 的最小强度，材料的最小厚度大约为 0.04mm。超过 0.8mm，翅片的破裂趋势会增加。 0068 为了优化扁平管设计，使用计算机进行建模和计算。来自加热单元的热量输入 Q 通过冷却剂循环进行计算，即通过： 0069 0070 0071 Rt T/Q 0072 术语名称： 0073 Cp：冷却剂的比热， kJ/kg-K 0074 冷却剂的体积流量， l/m 0075 P1：冷却管入口静压力，巴 0076 P2：冷却管出口静压力。

45、，巴 0077 Q ：冷却过程的热转移率 (transfer rate)， w 0078 Rt：热阻， K/W 0079 T1：冷却管入口温度， K 0080 T2：冷却管出口温度， K 0081 T3、 T4：管表面 ( 热源和散热片之间的界面 ) 温度， K 0082 使用冷却剂流体 (50乙二醇混合的水溶液 ) 的三个不同流速 (1L/min， 1.5L/ min， 2L/min)，并记录温度和压力降。 0083 初始冷却剂温度设定成 20，并且释放的电功率为 500W。 0084 产品压力降热阻管 / 板重量翅片重量现有技术的换热器 / 冷却器 868 0.1。

46、3 16 10 本发明的换热器 / 冷却器 555 0.09 9.4 5.1 0085 表 1 0086 计算结果显示，根据本发明的换热器在重量更轻的同时具有较低的压降以及更好的导热性。 0087 热测试 0088 图 6 中举例说明的具有翅片插入物的扁平管 ( 已知的现有技术 ) 在图 7 所示的设备上进行测试，并且与表 1 中的模型计算结果进行比较。 0089 进行的热测试举例说明了本发明的换热器与现有技术的冲压外圈类型换热器说明书 CN 103575140 A 11 8/8 页 12 ( 图 1 的现有技术所示为弯曲或钎焊在一起的 ) 相比换热效率提高。测试在根据本发明的。

47、具有平焊接管19的模块上进行，该模块位于图7所示的设备上。冷却剂流体通过泵16在回路中循环，并且其温度受温度调节器15控制。流体的温度和压力通过传感器17在流经测试的扁平管 18 之前和之后被控制，热辐射元件 6 连接到电池 18。设备由电子加热铝块组成，在其内部设置有电线，并且在底部具有焊接到扁平管表面上用于温度探测的热电偶 ( 参见图 6)。在安装加热源之前，在管表面上涂覆热油脂，以改善管和加热源表面之间的接触。 0090 为了减少扩散到周围空气中的热辐射，在铝块的顶面上设置绝热板。 0091 当根据本发明的焊接管 ( 图 5) 换成根据图 1( 现有技术 ) 实。

48、施方案的折叠或者冲压外圈板时，重复对换热器的测试，并确认上面的计算结果。 0092 表 1 中的结果显示，根据本发明的换热器在重量减轻的同时具有较低的压力降和更好的导热性。 0093 本领域技术人员可以想到的许多其它方面的改变都位于本发明的范围内。可以理解的是，说明书的全部术语都可以解释为本领域的通用术语，且附图只是用于举例说明的目的，而并不是用来限制本发明的保护范围。说明书 CN 103575140 A 12 1/5 页 13 图 1 图 2 说明书附图 CN 103575140 A 13 2/5 页 14 图 3 说明书附图 CN 103575140 A 14 3/5 页 15 图 4 说明书附图 CN 103575140 A 15 4/5 页 16 图 5 说明书附图 CN 103575140 A 16 5/5 页 17 图 6 图 7 说明书附图 CN 103575140 A 17 。

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