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QUERVERWEIS AUF EINE VERWANDTE ANMELDUNG
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Diese Anmeldung beansprucht die Priorität und den Nutzen der provisorischen
US-Patentanmeldung Nr. 62/433,936 , eingereicht am 14. Dezember 2016 und der
chinesischen Patentanmeldung Nr. 201710600887.1 , eingereicht am 21. Juli 2017, deren Inhalte hier durch Bezugnahme eingeschlossen sind.
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GEBIET
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Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf Wärmetauscher, die ein Paar von Wärmeableitelementen zur Kühlung der entgegengesetzten Seiten eines Elektronikmoduls, das eine Mehrzahl von wärmeerzeugenden Elektronikkomponenten einschließt, aufweist.
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HINTERGRUND
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Elektrische Fahrzeuge („EV“) und elektrische Hybridfahrzeuge („HEV“) verwenden Leistungselektronikvorrichtungen, die signifikante Mengen von Wärmeenergie erzeugen. Diese Wärmeenergie muss verteilt werden, um ein exzessives Aufheizen dieser Vorrichtungen zu vermeiden, was zu Schäden oder zu einer reduzierten Leistungsfähigkeit führen könnte.
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Leistungselektronikvorrichtungen für Fahrzeugen umfassen typischerweise eine oder mehrere wärmeerzeugende Elektronikkomponenten, wie Transistoren, Widerstände, Kondensatoren, Feldeffekttransistoren (FETS), bipolare Transistoren mit isoliertem Gate (IGBTs), Leistungswandler, DC/DC-Wandler und DC/AC-Wandler.
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Obwohl der Aufbau von Leistungselektronikvorrichtungen für Fahrzeuge variabel ist, sind Leistungselektronikvorrichtungen in einigen Anwendungen mit entgegengesetzten planaren Flächen versehen, über die die Kühlung durchgeführt werden kann. IGBTs sind ein Beispiel von Leistungselektronikvorrichtungen, die diesen Aufbau haben können. Derartige Vorrichtungen können durch Kontaktieren einer oder beider entgegengesetzten planaren Flächen der Vorrichtung mit einem Wärmeableitelement gekühlt werden. Um einen Wärmekontakt mit der planaren Fläche der Leistungselektronikvorrichtung zu maximieren, weist das Wärmeableitelement eine ebene Fläche auf, mit der es die Leistungselektronikvorrichtung kontaktiert, und eine dünne Schicht eines Wärmezwischenmaterials (TIM) kann zwischen dem Wärmeableitelement und der ebenen Fläche der Leistungselektronikvorrichtung vorgesehen sein. Um eine Wärmeübertragung zu verbessern, kann ein Kühlfluid, wie Luft oder ein flüssiges Kühlmittel, entlang des oder durch das Wärmeableitelement zirkulieren.
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Bekannte Kühlanordnungen für Leistungselektronikvorrichtungen können Mittel zum Zusammenklemmen einer ersten und zweiten Wärmeableitvorrichtung mit den entgegengesetzten Seiten eines Leistungselektronikmoduls in einer Sandwichanordnung einschließen, um den Wärmekontakt zwischen den Elektronikvorrichtungen und den Wärmeableitelementen zu verbessern. Eine Elektronikanordnung mit einer ersten und zweiten Wärmeableitvorrichtung, die im Wärmeaustausch mit der ersten und zweiten Seitenfläche eines Elektronikmoduls positioniert ist, ist in dem
US-Patent Nr. 7 295 433 B2 (Taylor et al.) offenbart. Die von Taylor et al. offenbarte Elektronikanordnung wird durch ein Paar von zusammen befestigten Klemmen gehalten, die jeweils eine Form aufweisen, die ausgebildet ist, den Umfang von einer der Wärmeableitvorrichtungen zu kontaktieren oder aufzunehmen.
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Es verbleibt eine Notwendigkeit für einfache und effektive Wärmetauscher für eine doppelseitige Kühlung von wärmeerzeugenden Elektronikkomponenten, wodurch ein effektiver Wärmeaustausch zwischen den Wärmeableitelementen und entgegengesetzten Seitenfläche der Elektronikkomponenten vorgesehen wird.
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ABRISS
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In einem Ausführungsbeispiel ist eine Wärmetauscheranordnung vorgesehen, die umfasst: ein erstes Wärmeableitelement und ein zweites Wärmeableitelement, die durch einen Raum getrennt sind, wobei das erste Wärmeableitelement einen ersten Fluidströmungskanal begrenzt und das zweite Wärmeableitelement einen zweiten Fluidströmungskanal begrenzt, und wobei das erste und zweite Wärmeableitelement parallel zueinander angeordnet sind; mindestens eine wärmeerzeugende elektronische Komponente, die in dem Raum liegt und zwischen dem ersten und zweiten Wärmeableitelement angeordnet ist, wobei jede der wärmeerzeugenden elektronischen Komponenten eine erste Seitenfläche im Wärmekontakt mit einer Innenfläche des ersten Wärmeableitelements und eine entgegengesetzte Fläche im Wärmekontakt mit der Innenfläche des zweiten Wärmeableitelements aufweist; und eine Klemmvorrichtung, die umfasst: (a) ein erstes Federelement, das in Kontakt mit einer Außenfläche des ersten Wärmeableitelements angeordnet ist; und (b) ein zweites Federelement, das in Kontakt mit einer Außenfläche des zweiten Wärmeableitelements angeordnet ist; wobei das erste und zweite Wärmeableitelement zwischen dem ersten und zweiten Federelement angeordnet sind, und wobei das erste und zweite Federelement so miteinander verbunden sind, dass sie zusammen Kompressionskräfte auf das erste und zweite Wärmeableitelement aufbringen und dabei bewirken, dass die mindestens eine wärmeerzeugende elektronische Komponente zwischen dem ersten und zweiten Wärmeableitelement festgeklemmt ist.
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In einem Ausführungsbeispiel umfasst jedes Federelement einen oder mehrere diskrete Kraftaufbringungsbereiche zum Aufbringen einer Kraft auf eines der Wärmeableitelemente und eine Mehrzahl von Befestigungsbereichen zum Festhalten der Position des Federelements relativ zu der Außenfläche des Wärmeableitelements, mit dem es in Kontakt ist. In einem Ausführungsbeispiel ist mindestens ein Kraftaufbringungsbereich für jedes der mindestens einen wärmeerzeugenden Elemente vorgesehen.
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In einem Ausführungsbeispiel umfasst die Wärmetauscheranordnung eine Mehrzahl von wärmeerzeugenden elektronischen Komponenten, die entlang einer Längsachse der Wärmeableitelemente ausgerichtet sind, und wobei jedes der Federelemente eine Mehrzahl von Kraftaufbringungsbereichen einschließt.
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In einem Ausführungsbeispiel liegen die Kraftaufbringungsbereiche derart, dass mindestens einige der Kraftaufbringungsbereiche ungefähr zentral über oder unter einer Seitenfläche einer der wärmeerzeugenden elektronischen Komponenten positioniert sind.
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In einem Ausführungsbeispiel liegen mindestens einige der Kraftaufbringungsbereiche ungefähr in der Mitte eines der Federelemente entlang einer breitenartigen Abmessung des Federelements quer zur Längsachse.
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In einem Ausführungsbeispiel sind die Kraftaufbringungsbereiche entlang der Längsachse durch einen Mitte-zu-Mitte-Abstand zwischen benachbarten wärmeerzeugenden elektronischen Komponenten beabstandet.
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In einem Ausführungsbeispiel liegen die Befestigungsbereiche an Außenrändern jedes Federelements und sind über die Umfangsränder der Wärmeableitelemente hinaus nach außen gerichtet angeordnet.
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In einem Ausführungsbeispielsind die Befestigungsbereiche der jeweiligen Federelemente so angeordnet, dass sie vertikal zueinander ausgerichtet sind.
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In einem Ausführungsbeispiel sind die Befestigungsbereiche mit Befestigungsmitteln zum Aufnehmen von Befestigungselementen versehen, durch die die Federelemente miteinander verbunden werden. In einem Ausführungsbeispiel sind die Befestigungsmittel Schlitze oder Löcher, und die Befestigungselemente umfassen Stangen, Schrauben oder Bolzen.
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In einem Ausführungsbeispiel umfasst jedes der Federelemente eine Mehrzahl von X-förmigen Teilen, wobei jedes Teil zwei kreuzweise liegende Armelemente umfasst, die diagonal relativ zu einer Längsachse der Wärmeableitelemente angeordnet sind. In einem Ausführungsbeispiel weisen die Armelemente gegenüberliegende Enden auf, an denen die Befestigungsbereiche liegen und an denen benachbarte X-förmige Teile der Federelemente miteinander verbunden sind.
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In einem Ausführungsbeispiel liegen mindestens der Kraftaufbringungsbereiche an Punkten, an denen die Armelemente jedes der X-förmigen Teile einander überkreuzen.
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In einem Ausführungsbeispiel ist jedes der Federelemente im nichtkomprimierten Zustand nicht planar, wobei die Kraftaufbringungsbereiche im Allgemeinen in einer oder mehreren Ebenen liegen, die von einer Ebene beabstandet sind, in der die Befestigungsbereiche im Allgemeinen liegen, und die Armelemente sind im Wesentlichen geneigt, wenn sie sich zwischen den Kraftaufbringungsbereichen und den Befestigungsbereichen erstrecken.
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In einem Ausführungsbeispiel ist jeder der Kraftaufbringungsbereiche durch eine Biegung definiert, die in dem Federelement gebildet ist. In einem Ausführungsbeispiel ist jede der Biegungen parallel zur Längsachse. In einem Ausführungsbeispiel zeigen die Biegungen in dieselbe Richtung, derart, dass das Federelement mit einer allgemein konvexen Form einer Querabmessung senkrecht zur Längsachse versehen wird, wobei das Federelement in einem nichtkomprimierten Zustand ist, und wobei das Federelement auf dem Wärmeableitelement installiert ist, wobei die konvexe Form zu dem Wärmeableitelement gerichtet ist.
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In einem Ausführungsbeispiel umfasst jedes der Federelemente:
- - eine Mehrzahl von inneren Kraftaufbringungsbereichen, die entlang der Längsachse ausgerichtet sind;
- - eine Mehrzahl von äußeren Kraftaufbringungsbereichen, wobei jeder der äußeren Kraftaufbringungsbereiche nahe eines der Befestigungsbereiche liegt; und
- - eine Mehrzahl von Zwischenkraftaufbringungsbereichen, wobei jeder der Zwischenkraftaufbringungsbereiche entlang eines der Armelemente zwischen einem der inneren Kraftaufbringungsbereiche und einem der äußeren Kraftaufbringungsbereiche liegt.
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In einem Ausführungsbeispiel umfasst die Wärmetauscheranordnung außerdem Wärmeableitplatten, die an den Außenflächen des ersten und zweiten Wärmeableitelements befestigt sind, wobei jede der Wärmeableitplatten Nuten umfasst, in denen die Armelemente der Federelemente aufgenommen sind.
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In einem Ausführungsbeispiel ist jedes der Federelemente integral aus einem Blech oder einer Platte aus Federstahl gebildet und ist insgesamt von gleichmäßiger Dicke.
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In einem Ausführungsbeispiel sind die Wärmeableitelemente in einer Reihenanordnung mit einer in dem ersten Wärmeableitelement vorgesehenen Einlassöffnung und einer in dem zweiten Wärmeableitelement vorgesehenen Auslassöffnung verbunden, wobei die Einlass- und Auslassöffnung nebeneinander an einem ersten Ende der Wärmetauscheranordnung angeordnet sind, und wobei die Einlass- und Auslassöffnung mit Anschlüssen versehen sind, die nebeneinander angeordnet sind und in dieselbe Richtung herausragen. In einem Ausführungsbeispiel sind das erste und zweite Wärmeableitelement jeweils mit einem Ansatzbereich geformt, in denen jeweils die Einlassöffnung und die Auslassöffnung liegen; wobei sich jeder Ansatzbereich breitenartig über einen Bereich des jeweiligen Wärmeableitelements von ungefähr der Längsachse zu einem äußeren, sich in Längsrichtung erstreckenden Umfangsrand des Wärmeableitelements erstreckt.
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Figurenliste
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Die Erfindung wird nun nur beispielhaft unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung beschrieben, in der:
- 1 eine perspektivische Ansicht eines Wärmetauschers entsprechend einem Ausführungsbeispiel von oben ist;
- 2 eine Aufsicht des Wärmetauscher nach 1 von oben ist;
- 3 eine Aufsicht des Wärmetauschers nach 1 von unten ist;
- 4 eine Seitenansicht des Wärmetauschers der 1 ist;
- 5 eine Querschnittsansicht entlang der Linie 5-5' der 4 ist;
- 6 eine perspektivische Ansicht von oben ist, die die Federplatte des Wärmetauschers nach 1 zeigt;
- 7 eine Aufsicht der Federplatte der 6 von oben ist;
- 8 eine Seitenansicht der Federplatte der 6 ist;
- 9 eine Vorderansicht der Federplatte nach 6 ist;
- 10 eine Vorderansicht der Federplatte in einer alternativen Konfiguration ist;
- 11 ein Querschnitt ähnlich zur 5 ist, der die Federplatte vor der Aufbringung von Klemmkräften zeigt; und
- 12 ein Querschnitt ähnlich zur 5 ist, der die Federplatte nach dem Aufbringen der Klemmkräfte zeigt.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
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Eine Wärmetauscheranordnung 10 entsprechend einer beispielhaften Ausführungsform wird unten unter Bezugnahme auf die 1 bis 5 beschrieben.
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Eine Wärmetauscheranordnung 10 umfasst ein erstes Wärmeableitelement 12 (der obere Bereich in der Zeichnung) und ein zweites Wärmeableitelement 14 (der untere Bereich in der Zeichnung). Die zwei Wärmeableitelemente 12, 14 sind durch einen Raum 16 getrennt, in dem mindestens eine wärmeerzeugende Elektronikkomponente 18 angeordnet ist, wobei die mindestens eine wärmeerzeugende Elektronikkomponente 18 zwischen dem ersten und dem zweiten Wärmeableitelement 12, 14 angeordnet ist. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel enthält der Raum 16 eine Mehrzahl von wärmeerzeugenden Elektronikkomponenten 18. Die Elektronikkomponenten können IGBTs umfassen.
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Das erste Wärmeableitelement 12 der Wärmetauscheranordnung 10 weist einen hohlen Innenraum auf, der einen ersten Fluidströmungskanal 20 begrenzt. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel umfasst das erste Wärmeableitelement 12 ein erstes Plattenpaar 26, das ein Paar von Platten 28, 20 umfasst, die an ihren Randkanten zusammen abgedichtet verbunden sind. Die erste Platte 28 ist flach und eben und die zweite Platte 30 ist mit einem flachen planaren Plattenboden und einem angehobenen Umfangsflansch 32 mit einer Umfangsabdichtfläche 34 geformt, entlang der die zweite Platte 30 mit der ersten Platte 28, zum Beispiel durch Löten oder Schweißen, abdichtend verbunden ist.
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Das zweite Wärmeableitelement 14 der Wärmetauscheranordnung 10 weist in ähnlicher Weise einen hohlen Innenraum auf, der einen zweiten Fluidströmungskanal 36 begrenzt. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel umfasst das zweite Wärmeableitelement 14 ein zweites Plattenpaar 42, das ein Paar von an ihren Randkanten dichtend verbundenen Platten 44, 46 umfasst. Die erste Platte 44 ist flach und planar und die zweite Platte 46 ist mit einem flachen planaren Plattenboden und einem angehobenen Umfangsflansch 48 mit einer Umfangsabdichtfläche 50 geformt, entlang der die zweite Platte 46 abdichtend mit der ersten Platte 44, beispielsweise durch Löten oder Schweißen, verbunden ist.
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Das erste und zweite Wärmeableitelement 12, 14 und der jeweilige erste und zweite Strömungskanal 20, 36 können parallel zueinander sein. Zusätzlich weist die Wärmetauscheranordnung 10 eine Längsmittelachse A (2 und 3) auf, die parallel zu einer langen Abmessung der Wärmeableitelemente 12, 14 und zu den Richtungen der Fluidströmung durch den ersten und zweiten Strömungskanal 20, 36 liegt. Die Wärmeableitelemente 12, 14 sind langgestreckt und die Strömungskanäle 20, 36 erstrecken sich von einem Ende der Wärmeableitelemente 12, 14 zu deren anderem Ende. Obwohl es nicht wesentlich für die Erfindung ist, können die Wärmetauscherplatten 20, 30, 44, 46 aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung bestehen.
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Die erste Platte 28, 44 jedes Wärmeableitelements 12, 14 ist flach und eben und umfasst eine Wärmeableitplatte. Jede der Wärmeableitplatten 28, 44 weist eine Dicke auf, die merkbar größer als die der zweiten Platten 30, 46 ist. Es sei bemerkt, dass die Wärmetauscheranordnung 10 auch mit Plattenpaaren aus relativ dünnen Platten und mit getrennten Wärmeableitplatten, die an der Außenfläche einer der Platten jedes Plattenpaars durch Löten oder Schweißen befestigt ist, konstruiert sein kann.
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Die wärmeerzeugenden Elektronikkomponenten 18 sind zwischen den Wärmeableitelementen 12, 14 angeordnet. Die wärmeerzeugenden Elektronikkomponenten 18 können im Allgemeinen in der Form von Rechteckprismen ausgebildet sein, wobei jedes ein Paar von gegenüberliegenden Hauptseitenflächen, nämlich einer ersten Seitenfläche 22 und einer zweiten Seitenfläche 24, aufweisen kann. Die erste und zweite Seitenfläche 22, 24 sind flach, eben und parallel zu den Wärmeableitelementen 12, 14. Die erste Seitenfläche 22 jeder wärmeerzeugenden Elektronikkomponente 18 ist im Wärmekontakt mit der ersten Platte 28 des ersten Wärmeableitelements 12, wobei die Fläche der ersten Platte 28 im Wärmekontakt mit der ersten Seitenfläche 22 der wärmeerzeugenden Elektronikkomponenten 18 manchmal hier als Innenfläche des ersten Wärmeableitelements 12 bezeichnet wird und durch das Bezugszeichen 27 in den 4 und 5 identifiziert ist. Die gegenüberliegende Fläche des ersten Wärmeableitelements 12 wird manchmal hier als Außenfläche des ersten Wärmeableitelements 12 bezeichnet und wird durch das Bezugszeichen 29 in den 4 und 5 identifiziert.
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Die zweite Seitenfläche 24 jeder wärmeerzeugenden Elektronikkomponente 18 ist in Wärmekontakt mit der ersten Platte 44 des zweiten Wärmeableitelements 14, wobei die Fläche der ersten Platte 44 im Wärmekontakt mit der zweiten Seitenfläche 24 der wärmeerzeugenden Elektronikkomponenten 18 hier manchmal als Innenfläche des zweiten Wärmeableitelements 14 bezeichnet wird und durch das Bezugszeichen 45 in den 4 und 5 identifiziert wird. Die entgegengesetzte Fläche des zweiten Wärmeableitelements 14 wird teilweise hier als Außenfläche des zweiten Wärmeableitelements 14 bezeichnet und durch das Bezugszeichen 47 in den 4 und 5 identifiziert.
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Die erste und zweite Seitenfläche 22, 24 der wärmeerzeugenden Elektronikkomponenten 18 sind in den Figuren als im Wesentlichen viereckig gezeigt und weisen eine Breitenabmessung ungefähr wie die Breiten der Wärmeableitelemente 12 und 14 quer zur Längsachse A auf.
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Die Wärmetauscheranordnung 10 umfasst drei wärmeerzeugende Elektronikkomponenten 18, die in einer einzigen Reihe entlang der Längsachse A ausgerichtet und voneinander beabstandet sind. Durch die Elektronikkomponenten 18 emittierte Wärme wird durch die ersten Platten 28, 44 der jeweiligen Wärmeableitelemente 12, 14 zu dem Kühlmittel übertragen, das in dem ersten und zweiten Strömungskanal 20, 36 zirkuliert. Es sei bemerkt, dass die Wärmetauscheranordnung 10 mehr oder weniger als drei wärmeerzeugende Elektronikkomponenten 18 umfassen kann und in mehreren Reihen angeordnet sein kann, und dass Wärmeableitelemente 12, 14 erhöhter oder verringerter Länge und/oder Breite vorgesehen sein können, abhängig von der Anzahl, den Abmessungen und der Anordnung der wärmeerzeugenden Elektronikkomponenten 18.
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Der erste und zweite Strömungskanal
20,
36 der Wärmetauscheranordnung 10 sind in Reihe verbunden, derart, dass das Kühlmittel zuerst durch einen der Strömungskanäle
20,
36 und dann durch den anderen der Strömungskanäle 20, 36 fließen kann. Im dargestellten Ausführungsbeispiel fließt das Kühlmittel durch den ersten Fluidströmungskanal
20 und dann durch den zweiten Fluidströmungskanal
36, um die entgegengesetzten Seitenflächen
22,
24 der wärmeerzeugenden Elektronikkomponenten
18 zu kühlen. Entsprechend ist das erste Wärmeableitelement
12, das das erste Plattenpaar
26 umfasst, mit einer Einlassöffnung
52 und einer zugeordneten Einlassarmatur bzw. einem zugeordneten Einlassanschluss
54 versehen, während das zweite Wärmeableitelement
14, das das zweite Plattenpaar
42 umfasst, mit einer Auslassöffnung 56 und einem zugeordneten Auslassanschluss
58 versehen ist. Obwohl die Wärmetauscheranordnung
10 so gezeigt ist, als ob sie eine Reihenströmungskonfiguration aufweist, sei bemerkt, dass die Wärmetauscheranordnung
10 für eine parallele Strömung des Kühlmittels durch das erste und zweite Wärmeableitelement
12,
14 ausgebildet sein kann. Beispielsweise kann ähnlich zu der Anordnung, die in dem oben erwähnten
US-Patent Nr. 7 295 433 gezeigt ist, jedes Wärmeableitelement
12,
14 mit seiner eigenen Einlass- und Auslassöffnung und entsprechenden Anschlüssen versehen sein, die alle mit einem Kühlmittelzirkulationssystem verbunden sein können. Alternativ können die Wärmeableitelemente
12,
14 zusammen durch ein Einlasssammelrohr und ein Auslasssammelrohr verbunden sein, derart, dass nur eine Einlassöffnung und eine Auslassöffnung verlangt werden.
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Die Stellen der Öffnungen
52,
56 und Armaturen bzw. Anschlüssen
54,
58 werden von einer Anwendung zur anderen variieren. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel liegen die Einlass- und Auslassöffnung
52,
56 nebeneinander an dem gleichen Ende der Wärmetauscheranordnung
10, wobei die jeweiligen Einlass- und Auslassanschlüsse
54,
58 sich in die gleiche Richtung erstrecken, in rechten Winkeln zu den Ebenen, in denen die Wärmeableitelemente
12,
14 liegen. In entsprechender Weise sind die Einlassöffnung
52 und der Einlassanschluss
54 in der zweiten Platte
30 des ersten Wärmeableitelements
12 vorgesehen und die Auslassöffnung
56 und der Auslassanschluss
58 sind in der ersten Platte
44 des zweiten Wärmeableitelements
14 vorgesehen. In einer alternierenden Reihenanordnung kann ein einziger koaxialer Einlass/Auslassanschluss vorgesehen sein, beispielsweise wie in der
US 2014/0224452 A1 von Abels offenbart ist.
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Um in geeigneter Weise eine nebeneinanderliegende Anordnung der Einlass- und Auslassöffnung 52, 56 und ihrer zugeordneten Anschlüsse 54, 58 zu gestatten, sind die jeweiligen Platten 28, 30, 44, 46 und Wärmeableitelemente 12, 14 mit Ansatz- oder Ausbuchtungsbereichen 60, 62 gebildet, wobei die Einlassöffnung 52 und der Einlassanschluss 54 in dem Einlassausbuchtungsbereich 60 angeordnet sind und die Auslassöffnung 56 und der Auslassanschluss 58 in dem Auslassausbuchtungsbereich 62 liegen. Die Ausbuchtungsbereiche 60, 62 erstrecken sich jeweils in der Breite über einen Bereich des jeweiligen Wärmeableitelements 12, 14, d.h., von ungefähr der Mitte (nahe der Mittelachse A) zu einem äußeren, sich längs erstreckenden Umfangsrand des Wärmeableitelements 12 oder 14 und erstrecken sich nicht nach außen über die Längskanten der Wärmeableitelemente 12, 14 hinaus. Es sei jedoch bemerkt, dass die Ausbuchtungsbereiche 60, 62 in Strömungsverbindung mit der gesamten Breite der Fluidströmungskanäle 20, 36 sind.
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An dem Ende der Wärmetauscheranordnung 10 gegenüberliegend zu Öffnungen 52, 56, Anschlüssen 54, 58 und Ausbuchtungsbereichen 60, 62 ist ein Umlenkkanal 64 vorgesehen, durch den das Kühlmittel den ersten Fluidströmungskanal 20 verlässt und in den zweiten Fluidströmungskanal 36 eintritt. Wie in den 2 und 4 gezeigt, ist der Umlenkkanal durch ein Abstandselement 66 definiert, das eine Seitenwand und einen hohlen Innenraum aufweist, wobei das Abstandselement 66 in einer abgedichteten Strömungsverbindung mit einer Verbindungsöffnung 68, die in der ersten Platte 28 des ersten Wärmeableitelements 12 vorgesehen ist, und einer Verbindungsöffnung 70, die in der zweiten Platte 30 des zweiten Wärmeableitelements 14 vorgesehen ist, ist und sich dazwischen erstreckt.
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Wie in der Seitenansicht der 4 zu sehen ist, sind der Umkehrkanal 64 und das Abstandselement 66 nahe den Enden der Wärmeableitelemente 12, 14 angeordnet, derart, dass die wärmeerzeugenden Elektronikkomponenten 18 zwischen dem Umkehrkanal 64 und den Ausbuchtungsbereichen 60, 62 liegen, in denen die Einlass- und Auslassöffnung 52, 56 vorgesehen sind. Somit strömt das in die Wärmetauscheranordnung 10 durch die Einlassöffnung 52 einfließende Kühlmittel durch den ersten Fluidströmungskanal 20 entlang der ersten Seitenflächen 22 der wärmeerzeugenden Komponenten 18, strömt dann durch den Umkehrkanal 64, um in den zweiten Fluidströmungskanal 36 einzufließen. Das Kühlmittel strömt dann durch den zweiten Fluidströmungskanal 36 entlang der zweiten Seitenflächen 24 der wärmeerzeugenden Komponenten 18 und wird aus der Wärmetauscheranordnung 10 über die Auslassöffnung 56 und den Auslassanschluss 58 ausgelassen. Auf diese Weise wird eine Kühlung entlang beider Seitenflächen 22, 24 jeder wärmeerzeugenden Komponente 18 erreicht.
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Obwohl es nicht in der Zeichnung dargestellt ist, können der erste und zweite Strömungskanal
20,
36 mit turbulenzverbessernden Einsätzen versehen sein, die jeweils eine Lamelle oder einen Turbulizer umfassen können. Zusätzlich zum Erhöhen der Turbulenz vergrößern diese Einsätze auch den Bereich der Wärmeübertragungsflächen, die in Kontakt mit dem Kühlmittel sind, das durch den ersten und zweien Strömungskanal
20,
36 strömt. So wie die Begriffe „Lamelle“ und „Turbulizer“ hier verwendet werden, ist es beabsichtigt, dass sie sich auf geriffelte oder gewellte turbulenzverbessernde Einsätze beziehen, die eine Mehrzahl von sich axial erstreckenden Rippen oder Scheitelpunkten aufweisen, die durch Seitenwände verbunden sind, wobei die Rippen abgerundet oder flach sind. Wie hier definiert, hat eine „Lamelle“ kontinuierliche Kanten oder Kämme, während ein „Turbilizer“ Kanten oder Stege aufweist, die entlang ihrer Länge unterbrochen sind, so dass eine axiale Strömung durch den Turbulizer gewunden ist. Turbulizer werden manchmal als versetzte oder durchbohrte streifenförmige Rippen oder Lamellen bezeichnet und ein Beispiel von solchen Turbulizern ist in dem
US-Patent Nr. 35 890 (So) und dem
US-Patent Nr. 6 273 183 (So et al.) beschrieben. Die Patente von So und So et al. werden hier durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit einbezogen.
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Ein thermischer Kontakt zwischen den Wärmeableitelementen 12, 14 und wärmeerzeugenden Komponenten 18 kann dadurch verbessert werden, dass eine dünne Schicht eines thermischen Zwischenmaterials (TIM) an der Grenzfläche zwischen der Innenfläche 27 des ersten Wärmeableitelements 12 (erste Platte 28 des ersten Plattenpaars 26) und den ersten Seitenflächen 22 der wärmeerzeugenden Komponenten 18 vorgesehen werden, und dass eine dünne Schicht Tim an der Grenzfläche zwischen der Innenfläche 45 des zweiten Wärmeableitelements 14 (erste Platte 44 des zweiten Plattenpaars 42) und den zweiten Seitenflächen 24 der wärmeerzeugenden Komponenten 18 vorgesehen werden. Das TIM-Material kann ein wärmeleitendes Fett, Wachs oder ein Metallmaterial umfassen.
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Ein Wärmekontakt wird durch Aufbringen einer Kompression auf die Wärmetauscheranordnung 10 verbessert, um die Wärmeableitelemente 12, 14 in engen Wärmekontakt mit den wärmeerzeugenden Komponenten 18 zu bringen. Dies wird durch die Verwendung einer Klemmanordnung 42 zum Aufbringen von Druckkräften auf die Wärmeableitelemente 12, 14 erreicht.
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Die Klemmanordnung 72 umfasst ein Paar von Federelementen 74, die in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel jeweils integral aus einem einzigen Stück Federstahl, beispielsweise durch Stanzen und Biegen geformt sind. Ein erstes der Federelemente 74 ist in direktem oder indirektem Wärmekontakt mit der Außenfläche 29 des ersten Wärmeableitelements 12 angeordnet, während ein zweites der Federelemente 74 in direktem oder indirektem Wärmekontakt mit der Außenfläche 47 des zweiten Wärmeableitelements 14 angeordnet ist. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel sind das erste und zweite Federelement 74 zueinander identisch, obwohl dies nicht wesentlich ist.
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Jedes Federelement 74 umfasst eine oder mehrere diskrete Kraftaufbringungsbereiche 46 zum Aufbringen einer Druckkraft auf eines der Wärmeableitelemente 12, 14 und eine Mehrzahl von Befestigungsbereichen 78 zum Aufrechterhalten der Position des Federelements 74 relativ zu den Wärmeableitelementen 12, 14.
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Die Federelemente 74 des vorliegenden Ausführungsbeispiels umfassen jeweils eine Mehrzahl von Kraftaufbringungsbereichen 76, wobei mindestens ein solcher Bereich 76 für jede der Wärmetauscherkomponenten 18 vorgesehen ist. Mit den Federelementen 74, die an der Wärmetauscheranordnung 10 und miteinander befestigt sind, wie in der Zeichnung gezeigt, sind das erste und zweite Wärmeableitelement 12, 14 zwischen dem ersten und zweiten Federelement 74 angeordnet und Druckkräfte werden auf die Wärmeableitelemente 12, 14 durch die Federelemente 74 aufgebracht. Die Druckkräfte haben ein Maximum in den Kraftaufbringungsbereichen 76, um eine verbesserte Kühlung der wärmeerzeugenden Elektronikkomponenten 18 vorzusehen, wie weiter unten beschrieben ist.
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Die Stellen der Kraftaufbringungsbereiche 76 in den Federelementen 74 sind derart ausgewählt, dass auf die Federelemente 74 aufgebrachte Druckkräfte in Flächenbereichen der wärmeerzeugenden Elektronikkomponenten 18, in denen die Wärme dazu neigt, sich zu sammeln, fokussiert oder konzentriert werden, wodurch eine verbesserte Kühlung vorgesehen wird. Beispielsweise ist eine Mehrzahl von inneren Kraftaufbringungsbereichen 76A ungefähr zentral über oder unter einer Seitenfläche 22, 24 einer der wärmeerzeugenden Komponenten 18 positioniert. Die inneren Kraftaufbringungsbereiche 76A sind so angeordnet, dass Druckkräfte in den Mitten der Seitenflächen 22, 24 der wärmeerzeugenden Komponenten 18, an denen die Wärme sich konzentrieren kann, maximiert werden. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel sind in der Abmessung in der Breite, die in der Endansicht der 9 gezeigt ist, die inneren Kraftaufbringungsbereiche 76A ungefähr in der Mitte des Federelements 74 angeordnet und sie sind im Wesentlichen ausgerichtet, um entlang der Längsachse A der Wärmetauscheranordnung 10 zu liegen. In der Abmessung in der Länge sind die inneren Kraftaufbringungsbereiche 76A durch den Mitte-zu-Mitte-Abstand zwischen benachbarten wärmeerzeugenden Komponenten 18 voneinander beabstandet.
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Jedes der Federelemente 74 kann zusätzliche Kraftaufbringungsbereiche 76 einschließen. Beispielsweise kann in der beispielhaften Ausführungsform jedes der Federelemente 74 ein Paar von Zwischenkraftaufbringungsbereichen 76B und ein Paar von äußeren Kraftaufbringungsbereichen 76C einschließen. Jeder der Zwischenkraftaufbringungsbereiche 76B ist ungefähr mittig zwischen der Mitte des Federelements 74 und seiner Außenkante beabstandet, so dass Druckkräfte auf Flächenbereiche der wärmeerzeugenden Komponenten 18, die zwischen den Mitten der Seitenflächen 22, 24 und ihren Außenrändern liegen, aufgebracht werden. Jeder der äußeren Kraftaufbringungsbereiche 76C ist nahe zu einer Außenkante des Federelements 74 beabstandet, derart, dass Druckkräfte auf Flächenbereiche der wärmeerzeugenden Komponenten 18 aufgebracht werden, die nahe der Außenränder ihrer Seitenflächen 22, 24 liegen.
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Die Befestigungsbereiche 78 sind an den Außenrändern der Federelemente 74 nahe der äußeren Kraftaufbringungsbereiche 76C derart angeordnet, dass die Befestigungsbereiche 78 sich über die Umfangskanten der Wärmeableitelemente 12, 14 nach außen erstrecken. Die Befestigungsbereiche 78 in den jeweiligen Federelementen 74 sind so angeordnet, dass sie vertikal zueinander ausgerichtet sind, wenn die Federelemente 74 an der Wärmetauscheranordnung 10 installiert sind, wie in der 4 zu sehen ist. Außerdem sind die Befestigungsbereiche 78 mit Mitteln versehen, die ermöglichen, dass das erste und zweite Federelement 74 miteinander verbunden werden können, um so Druckkräfte auf das erste und zweite Wärmeableitelement 12, 14 aufzubringen und dabei zu bewirken, dass die wärmeerzeugenden Elektronikkomponenten 18 zwischen dem ersten und zweiten Wärmeableitelement 12, 14 eingespannt werden. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel sind die Verbindungsmittel zum Zusammenfügen des ersten und zweiten Federelements 74 in der Form von offenen Schlitzen 80 ausgebildet.
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Jedes der Federelemente 74 in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel sind als eine Mehrzahl von X-förmigen Teilen 82 ausgebildet, wobei drei solcher Teile in jedem Federelement 74 vorgesehen sind. Jedes X-förmige Teil 82 umfasst ein Paar von sich überkreuzenden Armelementen 84, die jeweils diagonal relativ zur Längsachse A angeordnet sind. Die gegenüberliegenden Enden der Armelemente 84 dienen als die Stellen der Befestigungsbereiche und/oder als Verbindungspunkte zu benachbarten X-förmigen Teilen 82 in dem gleichen Federelement 74. Es kann aus der Zeichnung erkannt werden, dass die inneren Kraftaufbringungsbereiche 76A an den Kreuzungspunkten der Armelemente 84 in jedem der X-förmigen Teile 82 liegen. Die Zwischenkraftaufbringungsbereiche 76B sind entlang der Armelemente 84 zwischen den Kreuzungspunkten und ihren gegenüberliegenden Enden angeordnet. Die äußeren Kraftaufbringungsbereiche 76C sind an oder nahe den Enden der Armelemente 84 angeordnet.
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Die Federelemente 74 sind jeweils so konstruiert, dass die Druckkräfte, die auf die Wärmeableitelemente 12, 14 und die wärmeerzeugenden Komponenten 18 aufgebracht werden, an den Kraftaufbringungsbereichen 76 maximal sind. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist, wie oben erwähnt, jedes der Federelemente 74 einstückig aus einem Blech oder einer Platte aus Federstahl geformt und ist durch durchgehend von gleichmäßiger Dicke. Um die Druckkräfte an den Kraftaufbringungsbereichen 76 zu maximieren, sind die Federelemente 74 durch Biegen so geformt, dass sie nicht-planar in ihrem nichtkomprimierten Zustand sind, wie in den 7 bis 9 gezeigt. Genauer gesagt sind die Federelemente 74 so geformt, dass die Kraftaufbringungsbereiche 76 allgemein in einer oder mehreren Ebenen liegen, während die Befestigungsbereiche 78 im Wesentlichen in einer anderen Ebene liegen, wobei die Ebene der Befestigungsbereiche 78 zu der Ebene bzw. den Ebenen der Kraftaufbringungsbereiche 76 beabstandet sind und die Armelemente 84 im Wesentlichen geneigt sind, wenn sie sich von den Kraftaufbringungsbereichen 76 zu den Befestigungsbereichen 78 erstrecken.
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In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist jeder der Kraftaufbringungsbereiche 76 durch eine in dem Federelement 74 gebildeten Biegung definiert, wobei jede der Biegungen parallel zu der Längsachse A liegt. Wie in der Endansicht der 9 gezeigt ist, kann der Biegungsgrad in den unterschiedlichen Kraftaufbringungsbereichen 76 der gleiche sein oder unterschiedlich sein. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel sind die die äußeren Kraftaufbringungsbereiche 76C definierenden Biegungen spitzer als die relativ flachen Biegungen, die die inneren und Zwischenkraftaufbringungsbereiche 76A und 76B definieren. Die Winkel der Biegungen können in der Größenordnung von weniger als ungefähr 10 Grad, beispielsweise ungefähr 5 Grad sein.
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Wie in 9 gezeigt, sind die Biegungen alle in die gleiche Richtung gerichtet, so dass das Federelement 74 mit einer im Ganzen gesehen konvexen Form in einer Querabmessung senkrecht zur Längsachse vorgesehen wird, wobei das Federelement 74 in einem nichtkomprimierten Zustand, wie dargestellt, ist. Wenn das Federelement 74 auf einem der Wärmeableitelemente 12, 14 installiert ist, ist die konvexe Form zu dem Wärmeableitelement 12, 14 gerichtet und die Konkavität des Federelements 74 ist von dem Wärmeableitelement 12, 14 weg gerichtet.
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In alternativen Ausführungsformen kann die nicht-planare Struktur der Federelemente 74 mindestens teilweise durch Verdickung von mindestens einigen der Kraftaufbringungsbereiche 76 relativ zu anderen Bereichen der Federelemente 74 erreicht werden. Beispielsweise zeigt 10 ein Federelement 74' entsprechend einem anderen Ausführungsbeispiel, das identisch zu dem Federelement 74 mit der Ausnahme ist, dass jeder der Kraftaufbringungsbereiche 76 zumindest teilweise durch eine lokale Verdickung des Federelements 74' in den Bereichen der Kraftaufbringungsbereiche 76 begrenzt ist. Außerdem können mindestens einige der Kraftaufbringungsbereiche 76 durch Biegungen definiert sein, wie oben für das Federelement 74 beschrieben ist. Beispielsweise ist mindestens der verdickte zentrale Kraftaufbringungsbereich 76A des Federelements 74' auch durch eine Biegung definiert, wie oben unter Bezugnahme auf Federelement 74 beschrieben ist.
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Die Klemmvorrichtung 72 umfasst außerdem eine Mehrzahl von Befestigungselementen 86. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel umfasst jedes der Befestigungselemente 86 einen Stab, der einen Schaft 88 und einen verbreiterten Kopf 90 an jedem Ende aufweist. Der Schaft 88 weist einen derartigen Durchmesser auf, dass er in die offenen Schlitz 80 eingesetzt werden kann. Die Klemmvorrichtung 72 wird an der Wärmetauscheranordnung 10 durch Komprimieren der Federelemente 74 über die Plattenpaare 26, 72 unter Verwendung einer Presse zusammengesetzt und dann durch Einfügen der Befestigungselemente 86 in die Schlitze 80 und anschließendes Freigeben der Presse.
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Anstelle der Schafte 88 mit vergrößerten Köpfen 90 können die Befestigungselemente 86 Gewindestangen, Bolzen oder Schrauben umfassen und die Schlitze 80 können durch Öffnungen ersetzt werden, die um ihre Ränder geschlossen sind.
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Wie oben erwähnt, sind das erste und zweite Federelement 74 in direktem oder indirektem Kontakt mit den Außenflächen 29, 47 des ersten und zweiten Wärmeableitelements 12, 14 angeordnet. In dem in den 1 bis 5 dargestellten Ausführungsbeispiel umfasst die Wärmetauscheranordnung 10 äußere Wärmeableitplatten 92, die direkt an den Außenflächen 29, 47 der Wärmeableitelemente 12, 14 befestigt sind und mit ihnen im Wärmekontakt sind. Diese äußeren Wärmeableitplatten 92 können beispielsweise zum Wärmekontakt mit zusätzlichen wärmeerzeugenden Elektronikkomponenten (nicht dargestellt) vorgesehen werden, die entlang der Außenflächen 29, 47 der Wärmeableitelemente 12, 14 angeordnet sind. In dem in den 11 und 12 dargestellten Ausführungsbeispiel umfasst die Wärmetauscheranordnung 10 keine äußeren Wärmeableitplatten 92 und die Federelemente 74 sind in direktem Kontakt mit den Außenflächen 29, 47 des ersten und zweiten Wärmeableitelements 12, 14.
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Die äußeren Wärmeableitplatten 92 umfassen Nuten 94 (5) zum Aufnehmen der Armelemente 84 der Federelemente 74, derart, dass die obere Fläche jedes Federelements 74 im Wesentlichen koplanar mit oder leicht vertieft zu der Außenfläche einer der äußeren Wärmeableitplatten 92 ist. Diese Nuten 94 erstrecken sich über einen Bereich der Dicke der äußeren Wärmeableitplatten 92. Dies kann in den 4 und 5 gesehen werden. Diese Anordnung stellt sicher, dass die Außenflächen der äußeren Wärmeableitplatten 92 im Wärmekontakt mit den zusätzlichen wärmeerzeugenden Komponenten sind, die entlang den Außenflächen 29, 47 der Wärmeableitelemente 12, 14 angeordnet sind.
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Die Struktur der äußeren Wärmeableitplatten 92 kann auch zum Lokalisieren und Halten der Federelemente 74 relativ zu den Wärmeableitelementen 12, 14 aufgrund der Tatsache beitragen, dass die Armelemente 84 der Federelemente 74 in den Nuten 94 der äußeren Wärmeableitplatten 92 aufgenommen sind.
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Es sei bemerkt, dass die äußeren Wärmeableitplatten keine wesentlichen Komponenten der Wärmetauscheranordnung 10 sind, und dass die Federelemente 74 in direktem Kontakt mit den Außenflächen 29, 47 der Wärmeableitelemente 12, 14 sein können.
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Die 11 und 12 sind vorgesehen, um die Positionierung der Federelemente 74 relativ zu den anderen Komponenten der Wärmetauscheranordnung 10 vor und nachdem sie in Kontakt mit dem ersten und zweiten Wärmeableitelement 12, 14 gedrückt werden, zu zeigen.
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Mit der Anordnung der Federelemente 74 an der Wärmetauscheranordnung 10, wie in den 4, 5 und 12 gezeigt, können die Federelemente 74 eine im Wesentlichen flache, planare Erscheinung haben, wie in den 4 und 5 gezeigt, derart, dass Bereiche der Federelemente 74 außerhalb der Kraftaufbringungsbereiche 76 so aussehen, als ob sie in Kontakt mit den Außenflächen 29, 47 des ersten und zweiten Wärmeableitelements 12, 14 sind. Es sei jedoch bemerkt, dass die Nutzen der Klemmvorrichtung 72 sich nicht auf einen Wärmekontakt zwischen den Wärmeableitelementen 12, 14 und Bereichen der Federelemente 74, die außerhalb der Kraftaufbringungsbereiche 76 liegen, beziehen, und daher können die Federelemente 74 etwas von einer planaren Konfiguration abweichen, wenn sie auf der Wärmetauscheranordnung 10 installiert sind. Selbst wenn außerdem die Federelemente 74 eine im Wesentlichen planare Erscheinung aufweisen, wie in den 4 und 5, sei bemerkt, dass die Druckkräfte an den Kraftaufbringungsbereichen 76 gesammelt werden. Es sei bemerkt, dass eine selektive Aufbringung von Druckkräften in vertikaler Ausrichtung mit Flächenbereichen der wärmeerzeugenden Elektronikkomponenten, die eine Kühlung verlangen, einen effektiveren Wärmekontakt zwischen den Wärmeableitelementen 12, 14 und den wärmeerzeugenden Elektronikkomponenten 18 als bei einer konventionellen Umfangsverspannung, bei der die Klemmkräfte außerhalb der Flächenbereiche der wärmeerzeugenden Elektronikkomponenten 18 liegen können, vorsehen wird. Die auf die Federelemente 74 an den wärmeerzeugenden Elektronikkomponenten über die Wärmeableitelemente 12, 14 ausgeübten Druckkräfte werden durch Pfeile in der 12 dargestellt. Es kann gesehen werden, dass die durch die Federelemente 74 aufgebrachten Druckkräfte an einer Vielzahl von Punkten zwischen den Rändern der wärmeerzeugenden Elektronikkomponenten 18 aufgebracht werden und über den Flächenbereich der wärmeerzeugenden Elektronikkomponenten 18 verteilt werden können.
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Es sei bemerkt, dass die von der Klemmvorrichtung 72 gelieferte Kompression den Wärmekontakt zwischen den Wärmeableitelementen 12, 14 über den Flächenbereich der wärmeerzeugenden Komponenten 18 verbessern wird und die Kompression kann ausreichend hoch sein, um einige der TIM von dem Grenzflächenbereich zwischen den Wärmeableitelementen 12, 14 und den wärmeerzeugenden Elektronikkomponenten 18 zusammenzudrücken, derart, dass das TIM-Material noch Leerstellen zwischen den Wärmeableitelementen 12, 14 und den wärmeerzeugenden Elektronikkomponenten 18 eliminieren wird, wobei es in anderen Flächenbereichen ausreichend dünn ist, um so die Isolierwirkung des TIM-Materials zu minimieren.
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Obwohl die Erfindung im Zusammenhang mit bestimmten Ausführungsbeispielen beschrieben wurde, ist sie nicht darauf eingeschränkt. Vielmehr umfasst die Erfindung alle Ausführungsbeispiele, die in den Schutzbereich der folgenden Ansprüche fallen können.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 62/433936 [0001]
- CN 201710600887 [0001]
- US 7295433 B2 [0006]
- US 7295433 [0036]
- US 2014/0224452 A1 [0037]
- US 35890 [0041]
- US 6273183 [0041]
