AT526519A4 - Cooling device and cooling system for cooling electronic components and method for producing such a cooling device - Google Patents
Cooling device and cooling system for cooling electronic components and method for producing such a cooling device Download PDFInfo
- Publication number
- AT526519A4 AT526519A4 ATA50026/2023A AT500262023A AT526519A4 AT 526519 A4 AT526519 A4 AT 526519A4 AT 500262023 A AT500262023 A AT 500262023A AT 526519 A4 AT526519 A4 AT 526519A4
- Authority
- AT
- Austria
- Prior art keywords
- cooling
- electronic components
- chamber
- cooling device
- components according
- Prior art date
Links
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
- H05K7/00—Constructional details common to different types of electric apparatus
- H05K7/20—Modifications to facilitate cooling, ventilating, or heating
- H05K7/20218—Modifications to facilitate cooling, ventilating, or heating using a liquid coolant without phase change in electronic enclosures
- H05K7/20272—Accessories for moving fluid, for expanding fluid, for connecting fluid conduits, for distributing fluid, for removing gas or for preventing leakage, e.g. pumps, tanks or manifolds
-
- H—ELECTRICITY
- H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
- H05K7/00—Constructional details common to different types of electric apparatus
- H05K7/20—Modifications to facilitate cooling, ventilating, or heating
- H05K7/2029—Modifications to facilitate cooling, ventilating, or heating using a liquid coolant with phase change in electronic enclosures
- H05K7/20327—Accessories for moving fluid, for connecting fluid conduits, for distributing fluid or for preventing leakage, e.g. pumps, tanks or manifolds
-
- H—ELECTRICITY
- H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
- H05K7/00—Constructional details common to different types of electric apparatus
- H05K7/20—Modifications to facilitate cooling, ventilating, or heating
- H05K7/2089—Modifications to facilitate cooling, ventilating, or heating for power electronics, e.g. for inverters for controlling motor
- H05K7/20927—Liquid coolant without phase change
-
- H10W40/475—
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
- Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
- Y10T29/00—Metal working
- Y10T29/49—Method of mechanical manufacture
- Y10T29/4935—Heat exchanger or boiler making
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
- Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
- Y10T29/00—Metal working
- Y10T29/49—Method of mechanical manufacture
- Y10T29/4935—Heat exchanger or boiler making
- Y10T29/49359—Cooling apparatus making, e.g., air conditioner, refrigerator
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Thermal Sciences (AREA)
- Cooling Or The Like Of Semiconductors Or Solid State Devices (AREA)
Abstract
Es sind Kühlvorrichtungen zum Kühlen elektronischer Bauteile mit einem Gehäuse (10), welches einen Kühlraum (12) und einen Verteilerraum (14) bildet, einem Einlass (18), der am Gehäuse (10) ausgebildet ist und über den Kühlmittel in den Verteilerraum (14) einleitbar ist, einem Auslass (42), der am Gehäuse (10) ausgebildet ist und über den Kühlmittel aus dem Kühlraum (12) abführbar ist, und mehreren Düsen (28), über die der Verteilerraum (14) mit dem Kühlraum (12) verbunden ist, bekannt. Um bei exzellenter Kühlwirkung einen verringerten Druckverlust zu erzeugen sind die Düsen (28) bezüglich eines Normalenvektors (N) auf einen Boden (36) des Kühlraums (12) in Richtung zum Auslass (42) geneigt ausgebildet. Des Weiteren wird durch eine additive Fertigung ein Kühlmittelverlust vermieden.Cooling devices for cooling electronic components are known, comprising a housing (10) which forms a cooling chamber (12) and a distribution chamber (14), an inlet (18) which is formed on the housing (10) and via which coolant can be introduced into the distribution chamber (14), an outlet (42) which is formed on the housing (10) and via which coolant can be discharged from the cooling chamber (12), and a plurality of nozzles (28) via which the distribution chamber (14) is connected to the cooling chamber (12). In order to produce a reduced pressure loss while providing an excellent cooling effect, the nozzles (28) are inclined with respect to a normal vector (N) on a floor (36) of the cooling chamber (12) in the direction of the outlet (42). Furthermore, coolant loss is avoided by additive manufacturing.
Description
15 15
20 20
25 25
30 30
-1-/ PI33728AT/gk 20.01.2022 -1-/ PI33728AT/gk 20.01.2022
AVL List GmbH AVL List GmbH
Kühlvorrichtung und Kühlsystem zum Kühlen elektronischer Bauteile und Verfahren zur Herstellung einer solchen Kühlvorrichtung Cooling device and cooling system for cooling electronic components and method for producing such a cooling device
Die Erfindung betrifft eine Kühlvorrichtung zum Kühlen elektronischer Bauteile mit einem Gehäuse, welches einen Kühlraum und einen Verteilerraum bildet, einem Einlass, der am Gehäuse ausgebildet ist und über den Kühlmittel in den Verteilerraum einleitbar ist, einem Auslass, der am Gehäuse ausgebildet ist und über den Kühlmittel aus dem Kühlraum abführbar ist, und mehreren Düsen, über die der Verteilerraum mit dem Kühlraum verbunden ist, sowie Verfahren zur Herstellung einer derartigen Kühlvorrichtung und ein Kühlsystem zur Kühlung elektronischer Bauteile The invention relates to a cooling device for cooling electronic components with a housing which forms a cooling chamber and a distribution chamber, an inlet which is formed on the housing and via which coolant can be introduced into the distribution chamber, an outlet which is formed on the housing and via which coolant can be discharged from the cooling chamber, and several nozzles via which the distribution chamber is connected to the cooling chamber, as well as methods for producing such a cooling device and a cooling system for cooling electronic components
mit einer derartigen Kühlvorrichtung. with such a cooling device.
Derartige Kühlvorrichtungen und -systeme werden zur Temperaturkonditionierung und -messung in zahlreichen Anwendungen benötigt. Insbesondere im Bereich der Elektrifizierung von Fahrzeugantrieben, wie bei der AKonditionierung von Batteriepacks, von Hochleistungselektroniken oder Elektroniken für Batterie-Emulatoren oder Batteriezellen-Tester, elektrischen Shunt-Sensoren oder von Hochleistungsprüfständen werden derartige Kühlvorrichtungen benötigt. Durch die Miniaturisierung und Leistungssteigerung von elektronischen Bauteilen bei gleichzeitiger wachsender Wärmeentwicklung ist es notwendig daran angepasste möglichst kleine hocheffiziente Kühlsysteme für diese Anwendungen mit hoher Energiedichte, wie beispielsweise GaN- oder SiCTransistoren, zu schaffen. Gleichzeitig müssen diese Kühlungen möglichst kostengünstig hergestellt werden können, da in vielen Anwendungen, wie beispielsweise bei Zelltestern für elektrifizierte Fahrzeuge hohe Stückzahlen dieser Kühlvorrichtungen für die Batterieentwicklung benötigt werden. Such cooling devices and systems are required for temperature conditioning and measurement in numerous applications. Such cooling devices are required in particular in the field of electrification of vehicle drives, such as in the conditioning of battery packs, high-performance electronics or electronics for battery emulators or battery cell testers, electrical shunt sensors or high-performance test benches. Due to the miniaturization and increase in performance of electronic components while at the same time increasing heat generation, it is necessary to create highly efficient cooling systems that are as small as possible for these applications with high energy density, such as GaN or SiC transistors. At the same time, these cooling systems must be able to be manufactured as inexpensively as possible, since in many applications, such as cell testers for electrified vehicles, large quantities of these cooling devices are required for battery development.
15 15
20 20
25 25
30 30
-2-/ PI33728AT/gk 20.01.2022 -2-/ PI33728AT/gk 20.01.2022
So wird beispielsweise der maximale Wärmestrom auf dem Chip von For example, the maximum heat flow on the chip is
elektronischen Hochleistungsgeräten auf bis zu 190 W/cm2 ansteigen. high-performance electronic devices can rise to up to 190 W/cm2.
Um entsprechend hohe Kühlleistungen zur Verfügung zu stellen, ist es bekannt, eine Kühlflüssigkeit oder ein Gas auf die Oberfläche dieser Leistungselektroniken aufzusprühen. Mit dieser Methode lassen sich lokal große Wärmemengen zum Beispiel von Hotspots in gedruckten Schaltungen, wie sie bei Wechselrichtern oder zentralen Steuereinheiten verwendet werden, abführen. Dieses Prallstrahlen hat sich als sehr effizient zum Erreichen hoher Wärmeabführraten herausgestellt, wobei nur eine geringe Pumpleistung erforderlich ist. Die Verteilung der für dieses Prallstrahlen benötigten Düsen kann an die zu kühlende Oberfläche angepasst werden, indem die hohe Wärmemengen abgebenden Bauteile gezielt angestrahlt werden. In order to provide correspondingly high cooling performance, it is known to spray a cooling liquid or a gas onto the surface of these power electronics. This method can be used to locally dissipate large amounts of heat, for example from hotspots in printed circuits, such as those used in inverters or central control units. This type of impact jet has proven to be very efficient for achieving high heat dissipation rates, with only a low pumping power being required. The distribution of the nozzles required for this impact jet can be adapted to the surface to be cooled by specifically targeting the components that emit high amounts of heat.
Eine derartige, mehrteilig ausgeführte Kühlvorrichtung ist beispielsweise aus der US 9,219,022 B2 bekannt. Hier wird über einen zentralen oberen Einlass die Kühlflüssigkeit in einen Sammelraum geführt, der zu einer Vielzahl von Düsen führt. Diese ragen schräg, jedoch senkrecht zur Abführrichtung des Kühlfluids, in parallele Kammern, zwischen denen Rippen ausgebildet sind und die unterhalb des Einlasses ausgebildet sind. Durch die schräge Anordnung der Düsen wird ein Wirbel zwischen den Rippen erzeugt. Die Abführung des Kühlfluids erfolgt entweder nach oben oder seitlich zum Ende der Rippen. Such a multi-part cooling device is known, for example, from US 9,219,022 B2. Here, the cooling liquid is fed via a central upper inlet into a collecting chamber that leads to a large number of nozzles. These protrude at an angle, but perpendicular to the direction of discharge of the cooling fluid, into parallel chambers between which ribs are formed and which are formed below the inlet. The angled arrangement of the nozzles creates a vortex between the ribs. The cooling fluid is discharged either upwards or sideways to the end of the ribs.
Problematisch an dieser Ausführung ist es jedoch, dass der benötigte Bauraum und die Herstellkosten relativ hoch sind. Zusätzlich ist es schwierig, bei einer derartigen Kühlvorrichtung aufgrund der Vielzahl abzudichtender Flächen eine vollständige Dichtigkeit bei der vorhandenen thermischen Belastung zu gewährleisten. Auch kann eine Gleichverteilung der Kühlflüssigkeit auf die verschiedenen Düsen nicht sichergestellt werden, da die mittleren Düsen unmittelbar unterhalb des Einlasses angeordnet The problem with this design, however, is that the installation space required and the manufacturing costs are relatively high. In addition, it is difficult to ensure complete sealing under the existing thermal load with such a cooling device due to the large number of surfaces that have to be sealed. An even distribution of the cooling liquid to the various nozzles cannot be ensured either, since the middle nozzles are arranged directly below the inlet.
15 15
20 20
25 25
30 30
-3-/ PI33728AT/gk 20.01.2022 -3-/ PI33728AT/gk 20.01.2022
sind. Aufgrund der vorhandenen Wirbel und Turbulenzen zwischen den Rippen sowie der Umlenkungen zum Auslass ist auch ein hoher Druckverlust sowie vorhandene Toträume, in denen sich warme Kühlflüssigkeit sammelt, Due to the existing vortices and turbulence between the fins and the deflections to the outlet, a high pressure loss as well as existing dead spaces in which warm coolant collects are also
zu befürchten, der den Einsatz größerer Pumpleistungen erforderlich macht. which will require the use of larger pump capacities.
Es stellt sich daher die Aufgabe, eine Kühlvorrichtung und ein Kühlsystem bereit zu stellen, mit denen eine große Wärmemenge bei geringem Druckverlust abgeführt werden kann. Das Risiko von Kühlfluidverlusten soll möglichst vollständig ausgeschlossen werden und ein gezieltes Anstrahlen der vorhandenen Hotspots sichergestellt werden. Dabei soll auch eine gleichmäßige Verteilung des Kühlfluids auf alle Anstrahldüsen sichergestellt The task is therefore to provide a cooling device and a cooling system that can dissipate a large amount of heat with little pressure loss. The risk of cooling fluid losses should be excluded as completely as possible and targeted radiation of the existing hotspots should be ensured. This should also ensure that the cooling fluid is evenly distributed across all the jet nozzles.
werden. become.
Diese Aufgabe wird durch eine Kühlvorrichtung zum Kühlen elektronischer Bauteile mit den Merkmalen des Hauptanspruchs 1, ein Verfahren zur Herstellung einer Kühlvorrichtung zum Kühlen elektronischer Bauteile mit den Merkmalen des Anspruchs 15 sowie ein Kühlsystem zum Kühlen elektronischer Bauteile mit einer derartigen Kühlvorrichtung und den Merkmalen des Anspruchs 18 gelöst. This object is achieved by a cooling device for cooling electronic components with the features of the main claim 1, a method for producing a cooling device for cooling electronic components with the features of claim 15 and a cooling system for cooling electronic components with such a cooling device and the features of claim 18.
Die erfindungsgemäße Kühlvorrichtung zum Kühlen elektronischer Bauteile, wie Transistoren, weist ein Gehäuse auf, welches einen Kühlraum, der unmittelbar zur Kühlung der Bauteile dient, und einen Verteilerraum bildet, über den das Kühlmittel dem Kühlraum zugeführt wird, und über den die Verteilung im Kühlraum erfolgt. Hierzu ist am Gehäuse ein Einlass ausgebildet, über den ein Kühlmittel in den Verteilerraum eingeleitet werden kann und ein Auslass ausgebildet, über den das Kühlmittel aus dem Kühlraum abgeführt wird. Zwischen dem Verteilerraum und dem Kühlraum sind mehrere Düsen ausgebildet, die als Prallstrahldüsen dienen, und über die das Kühlmittel aus dem Verteilerraum in den Kühlraum gelangt. Diese Prallstrahldüsen sind auf die zu kühlenden elektronischen Bauteile gerichtet, so dass diese mit hoher Geschwindigkeit vom Kühlfluidstrom The cooling device according to the invention for cooling electronic components, such as transistors, has a housing which forms a cooling chamber, which serves directly for cooling the components, and a distribution chamber, via which the coolant is fed to the cooling chamber and via which the distribution in the cooling chamber takes place. For this purpose, an inlet is formed on the housing, via which a coolant can be introduced into the distribution chamber, and an outlet is formed, via which the coolant is discharged from the cooling chamber. Between the distribution chamber and the cooling chamber, several nozzles are formed, which serve as impact jet nozzles and via which the coolant passes from the distribution chamber into the cooling chamber. These impact jet nozzles are directed at the electronic components to be cooled, so that they are hit by the cooling fluid flow at high speed.
15 15
20 20
25 25
30 30
-4-/ PI33728AT/gk 20.01.2022 -4-/ PI33728AT/gk 20.01.2022
getroffen werden, was zu sehr hohen Wärmeübergängen insbesondere im which leads to very high heat transfers, especially in the
Bereich des Auftreffpunktes des Strahles führt. area of the beam impact point.
Die zum Kühlen geeignete Kühlvorrichtung kann je nach Starttemperatur des elektronischen Bauteil auch zur Stabilisierung der Temperatur oder zur Einstellung einer höheren Temperatur des elektronischen Bauteils also auch zur Temperaturkonditionierung genutzt werden. Da eine Kühlung der wichtigste Anwendungsbereich ist, werden die Begriffe „Kühlen“ und „Kühlvorrichtung“ genutzt. Eine Stabilisierung oder Erhöhung der Depending on the starting temperature of the electronic component, the cooling device suitable for cooling can also be used to stabilize the temperature or to set a higher temperature of the electronic component, i.e. also for temperature conditioning. Since cooling is the most important area of application, the terms "cooling" and "cooling device" are used. Stabilizing or increasing the
Temperatur sind davon aber mit umfasst. Temperature is also included.
Erfindungsgemäß sind die Düsen bezüglich eines Normalenvektors auf einen Boden des Kühlraums in Richtung zum Auslass geneigt ausgebildet. Dies bedeutet, dass die Düsen sowohl zum Boden des Kühlraums als auch zu einer senkrechten auf den Boden einen Winkel einschließen. Die Neigung erfolgt in Richtung des Auslasses, so dass der Düsenauslass näher zum Auslass des Kühlraums angeordnet ist als ein Düseneinlass. Der Boden liegt üblicherweise parallel zur Oberfläche der zu kühlenden elektronischen Bauteile. Durch diese schräge Anordnung wird durch den sehr guten Wärmeübergang eine leistungsstarke thermische Konditionierung bei gleichzeitig kompaktem Design geschaffen. Aufgrund der Düsenneigung und des Verteilerdesigns wird ein sehr geringer Druckabfall erreicht. Zusätzlich wird das in den Kühlraum gelangende Kühlmittel schneller abgeführt, so dass eine Füllung des Kühlraums mit Kühlmittel, was zu einem According to the invention, the nozzles are designed to be inclined in the direction of the outlet with respect to a normal vector on a floor of the cooling chamber. This means that the nozzles form an angle both to the floor of the cooling chamber and to a perpendicular to the floor. The inclination is in the direction of the outlet, so that the nozzle outlet is arranged closer to the outlet of the cooling chamber than a nozzle inlet. The floor is usually parallel to the surface of the electronic components to be cooled. This inclined arrangement creates a powerful thermal conditioning system with a compact design due to the very good heat transfer. Due to the nozzle inclination and the distributor design, a very low pressure drop is achieved. In addition, the coolant entering the cooling chamber is discharged more quickly, so that filling the cooling chamber with coolant, which leads to a
verschlechterten Wärmeübergang führen würde, vermieden wird. which would lead to impaired heat transfer is avoided.
Eine solche Kühlvorrichtung zum Kühlen elektronischer Bauteile wird in einem erfindungsgemäßen Verfahren durch additive Fertigung hergestellt. Die additive Fertigung wird auch als 3D-Druck oder generative Fertigung bezeichnet. Es handelt sich um ein Verfahren, bei dem aus einem flüssigen oder festen Werkstoff computergesteuert Schicht für Schicht ein dreidimensionales Objekt aufgebaut wird. Beim Aufbau finden, je nach Such a cooling device for cooling electronic components is manufactured in a method according to the invention by additive manufacturing. Additive manufacturing is also referred to as 3D printing or generative manufacturing. It is a process in which a three-dimensional object is built up layer by layer from a liquid or solid material under computer control. During construction, depending on the
15 15
20 20
25 25
30 30
-5-/ PI33728AT/gk 20.01.2022 -5-/ PI33728AT/gk 20.01.2022
verwendetem Verfahren, verschiedene chemische und physikalische Prozesse zum Schmelzen und Aushärten statt. Diese Verfahren haben den Vorteil, dass komplexe Bauteile in einer sehr kleinen Größe einstückig hergestellt werden können. So können einerseits Kosten eingespart werden und andererseits eine Undichtigkeit, was zu einem Verlust an Kühlmittel führen würde, aufgrund der Einstückigkeit vollständig vermieden werden. The process used involves various chemical and physical processes for melting and hardening. These processes have the advantage that complex components can be manufactured in a very small size as a single piece. This saves costs on the one hand and, on the other hand, leaks, which would lead to a loss of coolant, can be completely avoided due to the one-piece construction.
Des Weiteren wird die Aufgabe durch ein Kühlsystem zum Kühlen elektronischer Bauteile mit einer derartigen Kühlvorrichtung gelöst, bei der der Boden der Kühlvorrichtung auf den zu kühlenden elektronischen Bauteilen aufliegt. Es sind entsprechend keine isolierenden Luftschichten zwischen dem Boden der Kühlvorrichtung und den zu kühlenden elektronischen Bauteilen vorhanden. Auch werden diese nicht direkt mit Kühlmittel beaufschlagt, so dass kein negativer Einfluss des Kühlmittels auf das elektronische Bauteil zu befürchten ist. Dennoch wird ein sehr guter Wärmeübergang und damit eine exzellente Kühlwirkung sichergestellt. Furthermore, the task is solved by a cooling system for cooling electronic components with such a cooling device, in which the base of the cooling device rests on the electronic components to be cooled. Accordingly, there are no insulating air layers between the base of the cooling device and the electronic components to be cooled. These are also not directly exposed to coolant, so that there is no risk of the coolant having a negative influence on the electronic component. Nevertheless, very good heat transfer and thus an excellent cooling effect is ensured.
Vorzugsweise beträgt bei der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung zum Kühlen elektronischer Bauteile ein Winkel zwischen einer Bodenfläche, auf die ein Düsenstrahl auftrifft und einem Vektor, der senkrecht zu einem Durchströmungsquerschnitt der Düse ausgerichtet ist, 20° bis 75°. Bei einem derartigen Auftreffwinkel des Düsenstrahls sind einerseits nur geringe Druckverluste zu erwarten und andererseits bleibt der Wärmeübergang zwischen dem zu kühlenden elektronischen Bauteil und den Kühlfluid sehr hoch. Preferably, in the cooling device according to the invention for cooling electronic components, an angle between a base surface onto which a jet impinges and a vector that is aligned perpendicular to a flow cross-section of the nozzle is 20° to 75°. With such an impact angle of the jet, on the one hand only low pressure losses are to be expected and on the other hand the heat transfer between the electronic component to be cooled and the cooling fluid remains very high.
Vorzugsweise beträgt der Winkel zwischen der Bodenfläche, auf die der Düsenstrahl auftrifft und dem Vektor, der senkrecht zum Durchströmungsquerschnitt der Düse ausgerichtet ist, 60°. Bei dieser Ausrichtung der Düsen bleibt der Wärmeübergang im Vergleich zu einem senkrecht auftreffenden Prallstrahl beinahe gleich groß. während der Druckverlust signifikant gesenkt werden kann. Preferably, the angle between the floor surface onto which the jet impinges and the vector that is perpendicular to the flow cross-section of the nozzle is 60°. With this orientation of the nozzles, the heat transfer remains almost the same as with a perpendicularly impinging jet, while the pressure loss can be significantly reduced.
15 15
20 20
25 25
30 30
-6-/ PI33728AT/gk 20.01.2022 -6-/ PI33728AT/gk 20.01.2022
In einer weiterführenden Ausführungsform ist der Verteilerraum als Einlasskrümmer ausgebildet, der ein Einlassrohr, ein Verteilerrohr und mehrere vom Verteilerrohr abzweigende bogenförmige Verteilerauslassrohre aufweist, deren Enden durch zumindest eine Düse gebildet sind. Einlasskrümmer sind insbesondere aus dem Verbrennungsmotorenbau bekannt und stellen eine gleichmäßige Verteilung des Kühlfluids bei gleichzeitig geringen Druckverlusten aufgrund der bogenförmigen Fluidleitung, sicher. In a further embodiment, the distributor chamber is designed as an inlet manifold, which has an inlet pipe, a distributor pipe and several curved distributor outlet pipes branching off from the distributor pipe, the ends of which are formed by at least one nozzle. Inlet manifolds are known in particular from the construction of internal combustion engines and ensure a uniform distribution of the cooling fluid with, at the same time, low pressure losses due to the curved fluid line.
In einer hierzu weiterführenden Ausführungsform weist jedes Verteilerauslassrohr unmittelbar stromaufwärts der Düsen eine Verzweigung auf, von der aus sich zwei parallele Düsen erstrecken. Entsprechend wird jedes elektronische Bauteil von zwei Prallstrahlen getroffen, so dass ein großflächiger starker Wärmeübergang gewährleistet werden kann, da über jede einzelne Düse sehr punktgenau das Kühlfluid mit hoher Geschwindigkeit auf die zu kühlende Stelle aufgebracht wird. In a further embodiment, each distributor outlet pipe has a branch immediately upstream of the nozzles, from which two parallel nozzles extend. Accordingly, each electronic component is hit by two impact jets, so that a large-area, strong heat transfer can be ensured, since the cooling fluid is applied very precisely at high speed to the point to be cooled via each individual nozzle.
Der Auslass ist vorzugsweise als Auslassrohr ausgebildet, welches sich zentral von einer zum Einlassrohr entgegengesetzten Seite vom Kühlraum aus erstreckt. Somit wird das Kühlfluid über einen gemeinsamen Auslass abgeführt, der in Strömungsrichtung des Kühlfluid im Kühlraum angeordnet ist, wodurch geringe Druckverluste entstehen. The outlet is preferably designed as an outlet pipe which extends centrally from a side of the cooling chamber opposite to the inlet pipe. The cooling fluid is thus discharged via a common outlet which is arranged in the flow direction of the cooling fluid in the cooling chamber, resulting in low pressure losses.
Besonders bevorzugt ist es, wenn der Kühlraum stromabwärts der Düsen und stromaufwärts des Auslasses zwei Leitwandungen aufweist, über die der Kühlraum in Richtung des Auslasses verengt ist. Dies hat zur Folge, dass das Kühlfluid aus dem Kühlraum zum Auslassrohr geleitet wird, wodurch Toträume im Kühlraum vermieden werden, welche zu einer Verschlechterung des Wärmeübergangs führen würden, da der Kühlraum sich gegebenenfalls mit Kühlfluid füllen würde. It is particularly preferred if the cooling chamber has two guide walls downstream of the nozzles and upstream of the outlet, via which the cooling chamber is narrowed in the direction of the outlet. This has the result that the cooling fluid is guided from the cooling chamber to the outlet pipe, thereby avoiding dead spaces in the cooling chamber, which would lead to a deterioration in the heat transfer, since the cooling chamber would possibly fill up with cooling fluid.
15 15
20 20
25 25
30 30
-7-/ PI33728AT/gk 20.01.2022 -7-/ PI33728AT/gk 20.01.2022
In einer hierzu weiterführenden Ausführungsform ragen die Leitwandungen vom Boden bis zu einer Decke des Kühlraums und erstrecken sich stetig von den beiden Seitenwänden des Kühlraums bis vor den Auslass. Durch diese Anordnung der Leitwandungen wird ein Hinterströmen dieser Leitwandungen vermieden, während durch die stetige Ausbildung der In a further embodiment, the guide walls extend from the floor to the ceiling of the cooling room and extend continuously from the two side walls of the cooling room to the outlet. This arrangement of the guide walls prevents any flow behind these guide walls, while the continuous formation of the
Leitwandungen Druckverluste minimiert werden. Guide walls pressure losses are minimized.
In einer besonders bevorzugten Ausbildung der Erfindung weist der Boden in dem Bereich, auf den die Düsenstrahlen gerichtet sind, eine Absenkung auf und ist dünner ausgeführt als in den stromabwärtigen und stromaufwärtigen Bereichen. So wird einerseits eine ausreichende Festigkeit der Kühlvorrichtung sichergestellt und andererseits der Zwischenraum zwischen dem auf Treffpunkt des Kühlfluid und dem zu kühlenden elektronischen Bauteil minimiert, sodass ein noch besserer In a particularly preferred embodiment of the invention, the base has a depression in the area to which the jets are directed and is thinner than in the downstream and upstream areas. This ensures that the cooling device is sufficiently strong and minimizes the gap between the point where the cooling fluid meets the electronic component to be cooled, so that even better
Wärmeübergang erzielt werden kann. Heat transfer can be achieved.
Des Weiteren ist es vorteilhaft, wenn der Kühlraum einen Abschnitt aufweist, der sich an der bezüglich des Auslasses entgegengesetzten Seite der Düsen erstreckt, und in dem die Decke des Kühlraums gegenüberliegend zum Verteilerraum angeordnet ist. Dieser Bereich dient einerseits für eine bessere Festigkeit der Kühlvorrichtung, da er als Stütze für den Verteilerraum dient und andererseits als zusätzliche Auslauffläche für das Kühlfluid, welches nach dem Aufprall nicht unmittelbar in Richtung des Auslasses geleitet werden kann. Furthermore, it is advantageous if the cooling chamber has a section which extends on the opposite side of the nozzles with respect to the outlet, and in which the ceiling of the cooling chamber is arranged opposite the distribution chamber. This area serves on the one hand to improve the strength of the cooling device, since it serves as a support for the distribution chamber, and on the other hand as an additional outlet surface for the cooling fluid, which cannot be directed directly towards the outlet after the impact.
In einer hierzu weiterführenden Ausführungsform ist in dem Abschnitt des Kühlraums, der sich an der bezüglich des Auslasses entgegengesetzten Seite der Düsen erstreckt, der Kühlraum durch mehrere Rippen unterteilt, die sich in einer Ebene erstrecken, die durch einen senkrechten Schnitt zwischen den Verteilerauslassrohren aufgespannt ist. Durch diese Rippen wird der in diesen Bereich gelangende Kühlmittelstrom daran gehindert in In a further embodiment, in the section of the cooling chamber that extends on the opposite side of the nozzles with respect to the outlet, the cooling chamber is divided by several ribs that extend in a plane that is spanned by a vertical section between the distributor outlet pipes. These ribs prevent the coolant flow that reaches this area from
15 15
20 20
25 25
30 30
-8-/ PI33728AT/gk 20.01.2022 -8-/ PI33728AT/gk 20.01.2022
benachbarte Bereiche zu strömen und wird stattdessen automatisch in Richtung des Auslasses umgelenkt. neighboring areas and is instead automatically redirected towards the outlet.
In der Decke des Kühlraums ist vorzugsweise zumindest eine Öffnung ausgebildet, durch die ein Temperatursensor gegenüberliegend zu der Absenkung des Bodens in den Kühlraum ragt. Durch einen solchen Temperatursensor kann entsprechend die Temperatur im Kühlraum überwacht werden und daraus gegebenenfalls auf eine ausreichende Kühlwirkung durch das Einspritzen des Kühlfluids geschlossen werden. Preferably, at least one opening is formed in the ceiling of the cooling chamber, through which a temperature sensor projects into the cooling chamber opposite the depression in the floor. Such a temperature sensor can be used to monitor the temperature in the cooling chamber and, if necessary, to conclude that the cooling effect by injecting the cooling fluid is sufficient.
In einer hierzu weiterführenden Ausführungsform ragt stromabwärts jeden Verteilerauslassrohres ein Temperatursensor in den Kühlraum. Somit befindet sich jeder Temperatursensor etwa in Höhe des Auftreffpunktes des Spritzstrahls und misst entsprechend die Temperatur des Kühlfluids im Bereich des zu kühlenden elektronischen Bauteils. So kann sehr exakt die Kühlwirkung durch das Kühlfluid bestimmt werden. In a further embodiment, a temperature sensor extends into the cooling chamber downstream of each distributor outlet pipe. Each temperature sensor is thus located approximately at the height of the point of impact of the spray jet and measures the temperature of the cooling fluid in the area of the electronic component to be cooled. In this way, the cooling effect of the cooling fluid can be determined very precisely.
Vorzugsweise weist die Kühlvorrichtung zur Kühlung üblicher elektronischer Schaltungen insgesamt vier Verteilerauslassrohre und acht Düsen auf. Preferably, the cooling device for cooling conventional electronic circuits has a total of four distributor outlet pipes and eight nozzles.
In einer Weiterführung des Erfindungsgemäßen Herstellverfahrens wird die Kühlvorrichtung aus Kupfer, Aluminium, einer Aluminiumlegierung oder einer Kupferlegierung hergestellt. Diese Metalle weisen eine besonders gute Wärmeleitung auf, so dass der Wärmeabtransport vom Halbleiter in das Kühlfluid durch die zwischenliegende Schicht nur geringfügig beeinträchtigt In a further development of the manufacturing process according to the invention, the cooling device is made of copper, aluminum, an aluminum alloy or a copper alloy. These metals have particularly good thermal conductivity, so that the heat transfer from the semiconductor into the cooling fluid is only slightly impaired by the intermediate layer.
wird. becomes.
Als additives Fertigungsverfahren wird vorzugsweise das selektive Laserschmelzen (LPBF: Laser Powder Bed Fusion oder SLM: Selective Laser Melting) verwendet, welches sich besonders gut als additives Fertigungsverfahren für Metalle eignet. The preferred additive manufacturing process is selective laser melting (LPBF: Laser Powder Bed Fusion or SLM: Selective Laser Melting), which is particularly suitable as an additive manufacturing process for metals.
15 15
20 20
25 25
30 30
-9-/ PI33728AT/gk 20.01.2022 -9-/ PI33728AT/gk 20.01.2022
In einer Weiterführung des erfindungsgemäßen Kühlsystems sind die zu kühlenden elektronischen Bauteile Leistungshalbleiter. Diese erzeugen besonders viel Wärme, welche mittels des erfindungsgemäßen Kühlsystems In a further development of the cooling system according to the invention, the electronic components to be cooled are power semiconductors. These generate a particularly large amount of heat, which can be cooled by means of the cooling system according to the invention.
zuverlässig in ausreichender Menge abgeführt werden kann. can be reliably removed in sufficient quantities.
Besonders bevorzugt ist es, wenn die Kühlvorrichtung mit dem Bereich des Bodens, auf den die Düsenstrahlen gerichtet sind, und der eine Absenkung aufweist, auf den zu kühlenden elektronischen Bauteilen aufliegt. Auf diese Weise werden isolierende Luftschichten ausgeschlossen und so ein guter Wärmeübergang sichergestellt. It is particularly preferred if the cooling device rests on the electronic components to be cooled with the area of the base onto which the jets are directed and which has a depression. In this way, insulating air layers are excluded and good heat transfer is ensured.
In einer hierzu weiterführenden Ausführungsform weist der Boden an seiner zu den zu kühlenden elektronischen Bauteilen weisenden Seite Aussparungen auf, in die die zu kühlenden elektronischen Bauteile ragen. Auf diese Weise kann auch eine seitliche Anlage an den zu kühlenden Bauteilen erzeugt werden und somit die zur Verfügung stehende Wärmeleitfläche vergrößert werden. Der Boden ist gegenüber den elektrischen Bauteilen grundsätzlich elektrisch isoliert. Dies kann durch Aufbringung einer elektrisch isolierenden Schicht auf der Außenseite der In a further embodiment, the base has recesses on the side facing the electronic components to be cooled, into which the electronic components to be cooled protrude. In this way, a lateral contact with the components to be cooled can be created and thus the available heat conduction surface can be increased. The base is basically electrically insulated from the electrical components. This can be achieved by applying an electrically insulating layer to the outside of the
Kühlvorrichtung realisiert werden. Cooling device can be realized.
Es wird somit eine Kühlvorrichtung und ein Kühlsystem sowie ein Verfahren zur Erzeugung einer derartigen Kühlvorrichtung zur Verfügung gestellt, mit denen eine gleichmäßige Verteilung des Kühlmittels auf die verschiedenen Hotspots sichergestellt werden kann, indem ein „entsprechender Einlasskrümmer verwendet wird, das Risiko von Flüssigkeitsverlusten aufgrund der Einstückigkeit minimiert wird und andererseits eine sehr kompakte und leistungsstarke thermische Konditionierung durch die geneigten Düsen zur Verfügung gestellt wird, wobei ein sehr geringer Druckverlust erzeugt wird. Eine Füllung des Kühlraums mit Kühlfluid wird durch die druckverlustreduzierte gerichtete Ableitung des Kühlmittels zum A cooling device and a cooling system as well as a method for producing such a cooling device are thus provided, with which an even distribution of the coolant to the various hotspots can be ensured by using an appropriate inlet manifold, minimizing the risk of fluid losses due to the one-piece design and, on the other hand, providing a very compact and powerful thermal conditioning through the inclined nozzles, whereby a very low pressure loss is generated. Filling the cooling space with cooling fluid is achieved by the pressure loss-reduced directed discharge of the coolant to the
Auslass vermieden. Outlet avoided.
15 15
20 20
25 25
30 30
- 10 -/ PI33728AT/gk 20.01.2022 - 10 -/ PI33728AT/gk 20.01.2022
Ein nicht beschränkendes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung und eines erfindungsgemäßen Kühlsystems ist in den Figuren dargestellt und wird im Folgenden beschrieben. A non-limiting embodiment of a cooling device according to the invention and a cooling system according to the invention is shown in the figures and is described below.
Die Figur 1 zeigt Eine perspektivische Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung. Figure 1 shows a perspective side view of a cooling device according to the invention.
Die Figur 2 zeigt einen Schnitt durch den Einlasskrümmer der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung aus Figur 1 in perspektivischer Draufsicht. Figure 2 shows a section through the inlet manifold of the cooling device according to the invention from Figure 1 in a perspective top view.
Die Figur 3 zeigt eine perspektivische Seitenansicht mit einem Längsschnitt durch die erfindungsgemäße Kühlvorrichtung gemäß der Figur 1. Figure 3 shows a perspective side view with a longitudinal section through the cooling device according to the invention according to Figure 1.
Die Figur 4 zeigt eine perspektivische Draufsicht der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung aus Figur 1 mit einem Längsschnitt durch den Kühlraum. Figure 4 shows a perspective top view of the cooling device according to the invention from Figure 1 with a longitudinal section through the cooling chamber.
Die Figur 5 zeigt eine perspektivische Seitenansicht mit einem Längsschnitt durch ein erfindungsgemäßes Kühlsystem mit einer modifizierten Figure 5 shows a perspective side view with a longitudinal section through a cooling system according to the invention with a modified
Kühlvorrichtung gemäß Figur 1. Cooling device according to Figure 1.
Die in den Figuren dargestellte erfindungsgemäße Kühlvorrichtung ist aus einem Kupfer oder einer Aluminiumlegierung durch ein additives Herstellungsverfahren, insbesondere durch selektives Laserschmelzen, hergestellt und weist entsprechend ein einstückiges Gehäuse 10 auf, in dessen Innern ein Kühlraum 12 und ein Verteilerraum 14 ausgebildet sind. Der Verteilerraum 14 wird durch einen Einlasskrümmer 16 begrenzt, der einen Einlass 18, der an einer Kopfseite des Gehäuses 10 ausgebildet ist und sich seitlich in ein Einlassrohr 20 erstreckt, sowie ein senkrecht zum Einlassrohr 20 angeordnetes Verteilerrohr 22 sowie insgesamt vier bogenförmigen Verteilerauslassrohre 24 aufweist. Die Verteilerauslassrohre The cooling device according to the invention shown in the figures is made of a copper or an aluminum alloy by an additive manufacturing process, in particular by selective laser melting, and accordingly has a one-piece housing 10, in the interior of which a cooling chamber 12 and a distributor chamber 14 are formed. The distributor chamber 14 is delimited by an inlet manifold 16, which has an inlet 18, which is formed on a head side of the housing 10 and extends laterally into an inlet pipe 20, as well as a distributor pipe 22 arranged perpendicular to the inlet pipe 20 and a total of four curved distributor outlet pipes 24. The distributor outlet pipes
15 15
20 20
25 25
30 30
-11-/ PI33728AT/gk 20.01.2022 -11-/ PI33728AT/gk 20.01.2022
24 erstrecken sich parallel zueinander, nebeneinander liegend senkrecht zum Verteilerrohr 22 und weisen jeweils einen nach unten zum Kühlraum 24 extend parallel to each other, lying next to each other perpendicular to the distributor pipe 22 and each point downwards to the cooling chamber
12 gerichteten Bogen auf. 12 directed arc.
An einem Ende 25 der Verteilerauslassrohre 24 ist eine Verzweigung 26 ausgebildet, an der sich jedes Verteilerauslassrohr 24 gabelförmig in zwei gleiche Abschnitte unterteilt, welche jeweils an einer Düse 28 münden. Über diese insgesamt acht Düsen 28 wird der Verteilerraum 14 mit dem Kühlraum 12 verbunden, so dass Kühlfluid vom Einlass 18 über den At one end 25 of the distributor outlet pipes 24, a branch 26 is formed, at which each distributor outlet pipe 24 is divided into two equal sections, each of which opens into a nozzle 28. The distributor chamber 14 is connected to the cooling chamber 12 via these eight nozzles 28, so that cooling fluid can flow from the inlet 18 via the
Verteilerraum 14 in den Kühlraum 12 strömen kann. distribution chamber 14 into the cooling chamber 12.
Der Kühlraum 12 wird durch eine Frontwand 30, zwei parallele Seitenwände 32, eine Rückwand 34, einen Boden 36 und eine Decke 38 allseitig begrenzt, in der die Düsen 28 der Verteilerauslassrohre 24 angeordnet sind. An der Rückwand 34 ist zentral ein Auslassrohr 40 angeordnet welches einen Auslass 42 der Kühlvorrichtung bildet. Der Boden 36 weist unterhalb der Düsen 28 eine Absenkung 44 auf, in der der Boden 36 dünner ausgeführt ist als in den übrigen Bereichen. Oberhalb dieses abgesenkten Bereiches 44 des Bodens 36 und in Verlängerung der Enden 25 der Verteilerauslassrohre 24 sind in der Decke 38 Öffnungen 46 ausgebildet, in denen jeweils ein Temperatursensor 48 angeordnet wird, über den die Temperatur im The cooling chamber 12 is delimited on all sides by a front wall 30, two parallel side walls 32, a rear wall 34, a floor 36 and a ceiling 38 in which the nozzles 28 of the distributor outlet pipes 24 are arranged. An outlet pipe 40 is arranged centrally on the rear wall 34 and forms an outlet 42 of the cooling device. The floor 36 has a depression 44 below the nozzles 28 in which the floor 36 is made thinner than in the other areas. Above this lowered area 44 of the floor 36 and in extension of the ends 25 of the distributor outlet pipes 24, openings 46 are formed in the ceiling 38, in each of which a temperature sensor 48 is arranged, via which the temperature in the
darunterliegenden Bereich gemessen werden kann. the area below can be measured.
Erfindungsgemäß sind die zum Kühlraum 12 weisenden Düsen 28 schräg zu einer Bodenfläche 50 im durch den Kühlfluidstrom angeströmten Bereich der Absenkung 44 ausgerichtet, und zwar derart, dass die Düsen zu einem Normalenvektor N auf die Bodenfläche 50 um einen Winkel ax von etwa 30° in Richtung zum Auslass 42 beziehungsweise zur Rückwand 34 geneigt angeordnet sind beziehungsweise die Bodenfläche 50 selbst zu einem Vektor V, der senkrecht zum Durchströmungsquerschnitt Q der Düsen 28 ausgerichtet ist, einen Winkel ß von 60 Grad einschließt. Entsprechend weist According to the invention, the nozzles 28 pointing towards the cooling chamber 12 are aligned obliquely to a floor surface 50 in the area of the depression 44 against which the cooling fluid flow flows, in such a way that the nozzles are arranged inclined to a normal vector N on the floor surface 50 by an angle ax of approximately 30° in the direction of the outlet 42 or the rear wall 34, or the floor surface 50 itself encloses an angle ß of 60 degrees to a vector V which is aligned perpendicular to the flow cross-section Q of the nozzles 28. Accordingly,
der Vektor V, der senkrecht zu einem Durchströmungsquerschnitt Q jeder the vector V, which is perpendicular to a flow cross section Q of each
15 15
20 20
25 25
30 30
-12-/ PI33728AT/gk 20.01.2022 -12-/ PI33728AT/gk 20.01.2022
Düse 28 ausgerichtet ist und von der Düse 28 in den Kühlraum 12 weist, eine Komponente entlang der Decke 38 oder des Bodens 36 in Richtung zum Auslass 42 und eine Komponente senkrecht auf die Bodenfläche 50 auf. Unter dem entsprechenden Winkel trifft somit auch ein Düsenstrahl P aus der Düse 28 auf die Bodenfläche 50. Nozzle 28 is aligned and points from the nozzle 28 into the cooling chamber 12, a component along the ceiling 38 or the floor 36 in the direction of the outlet 42 and a component perpendicular to the floor surface 50. A jet P from the nozzle 28 thus also hits the floor surface 50 at the corresponding angle.
Des Weiteren erstreckt sich von beiden Seitenwänden 32 über die gesamte Höhe des Kühlraums 12 in Richtung zum Auslassrohr 40 jeweils eine Leitwandung 52, die kurz vor dem Auslassrohr 40 endet, wie in Figur 4 zu erkennen ist. Diese Leitwandungen 52 sind stetig ausgebildet und schnüren entsprechend den Durchströmungsquerschnitt im Kühlraum 12 in Richtung Furthermore, a guide wall 52 extends from both side walls 32 over the entire height of the cooling chamber 12 in the direction of the outlet pipe 40, which ends shortly before the outlet pipe 40, as can be seen in Figure 4. These guide walls 52 are continuously formed and accordingly narrow the flow cross-section in the cooling chamber 12 in the direction of
zum Auslass 42 ein. to outlet 42.
In den Figuren 3 und 4 ist auch zu erkennen, dass sich der Kühlraum 12 unterhalb des Einlasskrümmers 16 erstreckt und somit bezüglich der Düsen 28 einen Abschnitt 54 an der vom Auslass 42 entgegengesetzten Seite aufweist. In diesem Bereich des Kühlraums 12 sind Rippen 56 ausgebildet, die sich vom Boden 36 bis zur Decke 38 erstrecken und welche parallel zu den Verteilerauslassrohren 24 verlaufen, jedoch bei Draufsicht auf die Kühlvorrichtung zwischen den Verteilerauslassrohren 24 angeordnet sind, also in einer Ebene angeordnet sind, welche durch einen senkrechten Schnitt zwischen den Verteilerauslassrohren 24 aufgespannt wird. In Figures 3 and 4 it can also be seen that the cooling chamber 12 extends below the inlet manifold 16 and thus has a section 54 on the opposite side from the outlet 42 with respect to the nozzles 28. In this area of the cooling chamber 12, ribs 56 are formed which extend from the floor 36 to the ceiling 38 and which run parallel to the distributor outlet pipes 24, but are arranged between the distributor outlet pipes 24 when looking at the cooling device from above, i.e. are arranged in a plane which is spanned by a vertical section between the distributor outlet pipes 24.
In der Figur 5 ist nun ein Kühlsystem dargestellt, bei welchem die erfindungsgemäße Kühlvorrichtung auf einer Platine 58 angeordnet ist, auf der sich Leistungshalbleiter 60 befinden. Die hier dargestellte Kühlvorrichtung unterscheidet sich von der in den Figuren 1 bis 4 dargestellten Kühlvorrichtung dadurch, dass an der zur Platine 58 gelegenen Seite Aussparungen 62 ausgebildet sind, in die die Leistungshalbleiter 60 ragen, so dass diese nicht nur mit ihrer Oberfläche sondern auch mit ihren Seitenflächen gegen den Boden 36 der Kühlvorrichtung anliegen, wodurch die Fläche mit der der Boden 36 und Figure 5 now shows a cooling system in which the cooling device according to the invention is arranged on a circuit board 58 on which power semiconductors 60 are located. The cooling device shown here differs from the cooling device shown in Figures 1 to 4 in that recesses 62 are formed on the side facing the circuit board 58, into which the power semiconductors 60 protrude, so that they not only rest with their surface but also with their side surfaces against the base 36 of the cooling device, whereby the surface with which the base 36 and
15 15
20 20
25 25
30 30
-13-/ PI33728AT/gk 20.01.2022 -13-/ PI33728AT/gk 20.01.2022
somit die Kühlvorrichtung gegen die Leistungshalbleiter 60 anliegt vergrößert wird, so dass eine größere Wärmeleitfläche zwischen dem Leistungshalbleiter 60 und der Kühlvorrichtung zur Verfügung steht, thus the cooling device against the power semiconductor 60 is increased so that a larger heat conducting surface is available between the power semiconductor 60 and the cooling device,
wodurch eine zusätzliche Wärmeabführung erreicht wird. which provides additional heat dissipation.
Im Betrieb werden die Platine 58 und somit die Leistungshalbleiter 60 bestromt und beginnen einen großen Wärmestrom zu erzeugen, welcher abgeführt werden muss, um Schäden an den Leistungshalbleitern zu vermeiden. Zu diesem Zweck wird Kühlfluid über das Einlassrohr 20 zum Verteilerrohr 22 gepumpt, wo es gleichmäßig in die vier bogenförmigen Verteilerauslassrohre 24 verteilt wird. Der Kühlmittelstrom aus jedem Verteilerauslassrohr 24 wird an den jeweiligen Verzweigungen 26 in zwei gleiche Teilströme aufgeteilt und gelangt zu den Düsen 28, wo der Kühlmittelstrom beschleunigt wird. Der entstehende Düsenstrahl P prallt unter einem Winkel von 60° punktgenau oberhalb der Leistungshalbleiter 60 im Bereich der Absenkung 44 auf den Boden 36 des Kühlraums 12. Es entsteht eine hocheffiziente Prallkühlung, bei der über das Kühlfluid eine hohe Wärmemenge aus dem gut wärmeleitenden Kupferboden 36 aufgenommen werden kann, welcher wiederum die Wärme der Leistungshalbleiter 60 aufnimmt. Durch den Winkel, unter dem das Kühlfluid aus den Düsen 28 eingespritzt wird, weist der Kühlfluidstrom bereits eine Komponente in Richtung zum Auslass 42 auf, so dass der Hauptstrom des Kühlfluids auch aufgrund der vorhandenen Druckdifferenzen in Richtung zum Auslass 42 strömt. Dort werden Toträume in den Eckbereichen vor dem Auslass 42 vermieden, indem die Leitwandungen 52 den Kühlfluidstrom in Richtung zum Auslass 42 leiten, wobei erhöhte Druckverluste durch die Stetigkeit der Leitwandungen 52 vermieden werden. Der durch den Aufprall in die entgegengesetzte Richtung abprallende Kühlfluidstrom gelangt zu dem vom Auslass 42 entfernten Abschnitt 54 des Kühlraums 12 und wird dort durch die vorhandenen Rippen 56 umgelenkt und so erneut in Richtung des Auslasses 42 geführt. Somit verbleibt beinahe kein Kühlfluid innerhalb des Kühlraums During operation, the circuit board 58 and thus the power semiconductors 60 are energized and begin to generate a large heat flow which must be dissipated to prevent damage to the power semiconductors. For this purpose, cooling fluid is pumped via the inlet pipe 20 to the distributor pipe 22, where it is evenly distributed into the four curved distributor outlet pipes 24. The coolant flow from each distributor outlet pipe 24 is split into two equal partial flows at the respective branches 26 and reaches the nozzles 28, where the coolant flow is accelerated. The resulting jet P impacts the floor 36 of the cooling chamber 12 at an angle of 60° precisely above the power semiconductors 60 in the area of the depression 44. This creates highly efficient impact cooling, in which the cooling fluid can absorb a large amount of heat from the highly heat-conducting copper floor 36, which in turn absorbs the heat from the power semiconductors 60. Due to the angle at which the cooling fluid is injected from the nozzles 28, the cooling fluid flow already has a component in the direction of the outlet 42, so that the main flow of the cooling fluid also flows in the direction of the outlet 42 due to the existing pressure differences. Dead spaces in the corner areas in front of the outlet 42 are avoided by the guide walls 52 directing the cooling fluid flow in the direction of the outlet 42, whereby increased pressure losses are avoided by the continuity of the guide walls 52. The cooling fluid flow that bounces off in the opposite direction due to the impact reaches the section 54 of the cooling chamber 12 that is remote from the outlet 42 and is deflected there by the existing ribs 56 and thus guided again in the direction of the outlet 42. As a result, almost no cooling fluid remains within the cooling chamber.
15 15
20 20
25 25
30 30
-14-/ PI33728AT/gk 20.01.2022 -14-/ PI33728AT/gk 20.01.2022
12, sondern wird kontinuierlich abgeführt, wodurch den Wärmeübergang behindernde Kühlfluidfiilme auf dem Boden 36 zuverlässig vermieden werden. Gleichzeitig ist sowohl der Einlasskrümmer 16 als auch der Kühlraum 12 strömungsoptimiert, so dass mit geringen Druckverlusten zu rechnen ist und entsprechend nur geringe Pumpleistungen zur Förderung 12, but is continuously discharged, which reliably prevents cooling fluid films on the floor 36 that hinder the heat transfer. At the same time, both the inlet manifold 16 and the cooling chamber 12 are flow-optimized, so that low pressure losses can be expected and accordingly only low pumping power is required to convey
des Kühlfluids notwendig sind. of the cooling fluid are necessary.
Diese Kühlvorrichtung kann sehr kompakt und kostengünstig durch ein selektives Laserschmelzverfahren hergestellt werden und verhindert durch Ihre Einstückigkeit jeglichen Verlust an Kühlfluid, der durch Undichtigkeiten entstehen könnte. Zusätzlich wird eine sehr gute Verteilung des Kühlmittels auf die verschiedenen Hotspots sichergestellt, in dem einerseits die Zuführung und Aufteilung über den Einlasskrümmer erfolgt und anderseits eine gleichmäßige Aufteilung durch die Gabelung vor den Düsen sichergestellt wird. Entsprechend wird jeder Hotspot über zwei Düsen mit einer entsprechenden Prallströmung beaufschlagt und zusätzlich das gesamte Kühlfluid aus allen Bereichen des Kühlraums zuverlässig und schnell abgeführt, wodurch eine sehr gute Kühlwirkung im Bereich der gesamten Platine sichergestellt wird. This cooling device can be manufactured very compactly and inexpensively using a selective laser melting process and, thanks to its one-piece design, prevents any loss of cooling fluid that could occur due to leaks. In addition, a very good distribution of the coolant to the various hotspots is ensured by the supply and distribution via the inlet manifold on the one hand and by the fork in front of the nozzles on the other hand ensuring an even distribution. Accordingly, each hotspot is subjected to an appropriate impact flow via two nozzles and, in addition, all of the cooling fluid from all areas of the cooling chamber is reliably and quickly discharged, which ensures a very good cooling effect across the entire circuit board.
Es sollte deutlich sein, dass im Vergleich zum beschriebenen Ausführungsbeispiel verschiedene Modifikationen möglich sind und insbesondere die Anzahl der Verteilerauslassrohre sowie die Anzahl der vorhandenen Düsen an die zu kühlende Platine anzupassen sind. Die Düsen können dabei entweder kontinuierlich oder pulsierend betrieben werden. Des Weiteren ist es denkbar, dass der Kühlraum vollständig durch die Leitwandungen begrenzt wird, also auf die Seitenwände hinter den It should be clear that, compared to the embodiment described, various modifications are possible and, in particular, the number of distributor outlet pipes and the number of nozzles present must be adapted to the board to be cooled. The nozzles can be operated either continuously or in a pulsating manner. Furthermore, it is conceivable that the cooling chamber is completely limited by the guide walls, i.e. to the side walls behind the
Leitwandungen verzichtet wird. Guide walls are omitted.
Claims (1)
Priority Applications (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| ATA50026/2023A AT526519B1 (en) | 2023-01-20 | 2023-01-20 | Cooling device and cooling system for cooling electronic components and method for producing such a cooling device |
| DE112024000196.3T DE112024000196A5 (en) | 2023-01-20 | 2024-01-19 | Cooling device and cooling system for cooling electronic components and method for producing such a cooling device |
| PCT/AT2024/060015 WO2024152073A1 (en) | 2023-01-20 | 2024-01-19 | Cooling device and cooling system for cooling electronic components, and method for producing such a cooling device |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| ATA50026/2023A AT526519B1 (en) | 2023-01-20 | 2023-01-20 | Cooling device and cooling system for cooling electronic components and method for producing such a cooling device |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| AT526519B1 AT526519B1 (en) | 2024-04-15 |
| AT526519A4 true AT526519A4 (en) | 2024-04-15 |
Family
ID=89984927
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| ATA50026/2023A AT526519B1 (en) | 2023-01-20 | 2023-01-20 | Cooling device and cooling system for cooling electronic components and method for producing such a cooling device |
Country Status (3)
| Country | Link |
|---|---|
| AT (1) | AT526519B1 (en) |
| DE (1) | DE112024000196A5 (en) |
| WO (1) | WO2024152073A1 (en) |
Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20120324911A1 (en) * | 2011-06-27 | 2012-12-27 | Shedd Timothy A | Dual-loop cooling system |
| US20130233523A1 (en) * | 2012-03-08 | 2013-09-12 | International Business Machines Corporation | Cold plate with combined inclined impingement and ribbed channels |
| US20160120071A1 (en) * | 2014-10-27 | 2016-04-28 | Ebullient, Llc | Server with cooling line assembly |
| US20160183409A1 (en) * | 2014-12-22 | 2016-06-23 | Toyota Motor Engineering & Manufacturing North America, Inc. | Modular jet impingement assemblies with passive and active flow control for electronics cooling |
| EP3575920A1 (en) * | 2018-05-29 | 2019-12-04 | Dcx Sp. Z O.O. | A cpu cooling module for use as a direct liquid cpu cooling |
| EP3789719A1 (en) * | 2019-09-06 | 2021-03-10 | Hamilton Sundstrand Corporation | Heat exchanger with radially converging manifold |
| EP3836204A1 (en) * | 2019-12-13 | 2021-06-16 | Valeo Siemens eAutomotive Germany GmbH | Cooling device for semiconductor switching elements, power inverter device and arrangement with a power inverter device and an electric machine |
| US20220087061A1 (en) * | 2020-09-16 | 2022-03-17 | Motivair Corporation | Cooling apparatus with expanding fluid jets |
Family Cites Families (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2013247354A (en) * | 2012-05-23 | 2013-12-09 | Samsung Electro-Mechanics Co Ltd | Heat dissipation system for power module |
| US11439037B2 (en) * | 2018-05-22 | 2022-09-06 | Intel Corporation | Jet vectoring fluid impingement cooling using pivoting nozzles |
| CN114787749A (en) * | 2019-12-13 | 2022-07-22 | 麦格纳国际公司 | Multi-hole disperser assisted jet and spray impingement cooling system |
-
2023
- 2023-01-20 AT ATA50026/2023A patent/AT526519B1/en active
-
2024
- 2024-01-19 DE DE112024000196.3T patent/DE112024000196A5/en active Pending
- 2024-01-19 WO PCT/AT2024/060015 patent/WO2024152073A1/en not_active Ceased
Patent Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20120324911A1 (en) * | 2011-06-27 | 2012-12-27 | Shedd Timothy A | Dual-loop cooling system |
| US20130233523A1 (en) * | 2012-03-08 | 2013-09-12 | International Business Machines Corporation | Cold plate with combined inclined impingement and ribbed channels |
| US20160120071A1 (en) * | 2014-10-27 | 2016-04-28 | Ebullient, Llc | Server with cooling line assembly |
| US20160183409A1 (en) * | 2014-12-22 | 2016-06-23 | Toyota Motor Engineering & Manufacturing North America, Inc. | Modular jet impingement assemblies with passive and active flow control for electronics cooling |
| EP3575920A1 (en) * | 2018-05-29 | 2019-12-04 | Dcx Sp. Z O.O. | A cpu cooling module for use as a direct liquid cpu cooling |
| EP3789719A1 (en) * | 2019-09-06 | 2021-03-10 | Hamilton Sundstrand Corporation | Heat exchanger with radially converging manifold |
| EP3836204A1 (en) * | 2019-12-13 | 2021-06-16 | Valeo Siemens eAutomotive Germany GmbH | Cooling device for semiconductor switching elements, power inverter device and arrangement with a power inverter device and an electric machine |
| US20220087061A1 (en) * | 2020-09-16 | 2022-03-17 | Motivair Corporation | Cooling apparatus with expanding fluid jets |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| WO2024152073A1 (en) | 2024-07-25 |
| AT526519B1 (en) | 2024-04-15 |
| DE112024000196A5 (en) | 2025-09-11 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| DE69502264T2 (en) | Body and connection for cooling an electronic component by means of a liquid that is electrically insulated by it | |
| DE102017122248B4 (en) | Structure of a brake cooling channel | |
| EP1887847B1 (en) | Control unit with sealed canal for cooling fluid | |
| DE112020003635T5 (en) | re-entry flow cold plate | |
| EP0142678B1 (en) | Semiconductor rectifier | |
| EP2445758B1 (en) | Device for supplying voltage to a vehicle having a cooler block | |
| DE4326985A1 (en) | Fluid-cooled electronic component - has transversal element in path of cooling medium flow ensuring distribution across rear of semiconductor element | |
| DE112014004930B4 (en) | Heatsink for power modules of a power converter assembly, power converter assembly with such a heat sink and manufacturing method for such a heat sink | |
| DE112007000829T5 (en) | cooler | |
| DE102014222492A1 (en) | Heat sink device | |
| DE112005001445T5 (en) | laser device | |
| DE102014013958B4 (en) | Cooling arrangement for a motor vehicle control unit, motor vehicle and motor vehicle control unit | |
| DE102014226849B3 (en) | Control cabinet with a component to be cooled arranged on an air duct | |
| DE102015214661A1 (en) | Traction battery for a motor vehicle with a cooling device | |
| DE102007050405B4 (en) | Electrical power component, in particular power semiconductor module, with a cooling device and method for surface and heat-conducting bonding of a cooling device to an electrical power component | |
| DE202021104673U1 (en) | Radiator and cooling device | |
| AT526519B1 (en) | Cooling device and cooling system for cooling electronic components and method for producing such a cooling device | |
| DE2902771A1 (en) | COOLING DEVICE FOR SEMICONDUCTOR COMPONENTS | |
| WO2020011438A1 (en) | Power electronics unit | |
| DE102006061591A1 (en) | Exhaust gas cooler | |
| DE102018117059B4 (en) | Battery module for a traction battery of an electrically driven motor vehicle | |
| DE102015120082A1 (en) | Thermoelectric generator device for a vehicle | |
| AT524886B1 (en) | Device for storing and releasing sensible and latent energy for cooling fluids | |
| DE102012025494B4 (en) | Diode laser module and method for producing a diode laser module | |
| WO2018001525A1 (en) | Cooling box unit and power electronics device having a cooling box unit |