DE102018217652A1

DE102018217652A1 - Strömungsverteiler zum Kühlen einer elektrischen Baugruppe, ein Halbleitermodul mit einem derartigen Strömungsverteiler und ein Verfahren zu dessen Herstellung

Info

Publication number: DE102018217652A1
Application number: DE102018217652.3A
Authority: DE
Inventors: Georg Wecker
Original assignee: Danfoss Silicon Power GmbH
Current assignee: Danfoss Silicon Power GmbH
Priority date: 2018-10-15
Filing date: 2018-10-15
Publication date: 2020-04-16
Also published as: US20210341231A1; CN112534573A; WO2020078647A1

Abstract

Es wird ein Strömungsverteiler 1 zum Verteilen einer wärmetransportierenden Fluidströmung 2 eines elektrischen Bauteils über eine mittels des Fluids zu kühlende und/oder heizende Oberfläche bereitgestellt. Der Verteiler weist zumindest einen Strömungskanal auf, welcher so ausgebildet ist, dass die Fluidströmung über die Oberfläche gerichtet ist, wobei die Strömungskanäle an beiden Seiten mittels Wänden 4 begrenzt sind, um so einen Pfad 6 für die Fluidströmung 2 innerhalb des Strömungskanals 3 zu bilden, und Wandabschnitte 5 aufweist, welche sich in den zumindest einen Strömungskanal 3 erstrecken; und zumindest einer der Wandabschnitte 5 zumindest einen Bypass-Durchgang 7 aufweist, um zwei benachbarte Räume zu verbinden, welche durch den Wandabschnitt 5 getrennt sind, wobei der zumindest eine Bypass-Durchgang 7 sich von einer Seite des Wandabschnittes zu der anderen mit einer geneigten Orientierung erstreckt, um so eine Kurzschlussströmung 9 für einen Teil der Fluidströmung 2 zu schaffen. Des Weiteren wird ein Verfahren zum Herstellen eines derartigen Strömungsverteilers bereitgestellt, welches einen Einsatz mit der Wandstruktur des erfindungsgemäßen Strömungsverteilers aufweist, welcher durch Spritzgießen oder 3D-Drucken hergestellt wird.

Description

Die Erfindung betrifft einen Strömungsverteiler zum Verteilen einer Strömung eines Wärmetransportfluids einer elektrischen Baugruppe, ein Halbleitermodul mit einem derartigen Strömungsverteiler und ein Verfahren zum Herstellen eines derartigen Strömungsverteilers.
Strömungsverteiler zum Verteilen einer Strömung eines Wärmetransportfluids innerhalb einer elektrischen Baugruppe, insbesondere innerhalb eines Halbleitermoduls mit einem derartigen Strömungsverteiler, zum Beispiel zum Heizen und/oder Kühlen einer derartigen elektrischen Baugruppe, sind bekannt. Verfahren zum Herstellen eines derartigen Strömungsverteilers sind ebenfalls im Stand der Technik bekannt.
Elektrische Baugruppen im Allgemeinen und Halbleitervorrichtungen im Besonderen erzeugen während ihres Betriebs Wärme. Was den zuverlässigen Betrieb der Halbleitervorrichtungen betrifft, so ist die durch sie selbst erzeugte Wärme nachteilig. Die durch die elektrischen oder elektronischen Baugruppen erzeugte Wärme bewirkt normalerweise eine Verschlechterung des Betriebs der Halbleitervorrichtung. Deshalb ist es für Hochleistungshalbleitervorrichtungen notwendig, die Vorrichtung während des Betriebs zu kühlen, um eine akzeptable Vorrichtungsleistungsfähigkeit aufrechtzuerhalten. Techniken zum Abführen von Wärme von einer Halbleitervorrichtung weisen typischerweise Konvektion und/oder Leitung auf. Aus diesem Grunde sind relativ oft Konvektionsventilatoren an einem Halbleiterpackungsgehäuse angebracht. Außerdem ist es bekannt, eine Wärmesenke in eine Halbleiterpackung zu integrieren. Diese Wärmsenke zieht Wärme von der Halbleitervorrichtung ab, welche luftgekühlt oder flüssigkeitsgekühlt sein kann, und zwar abhängig von dem jeweiligen Anwendungsfall.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Kühlsystem zu schaffen, insbesondere für elektronische Baugruppen, insbesondere für Halbleitermodule mit einem Strömungsverteiler, welcher eine Strömungsverteilung ermöglicht, welche die Grundlage für eine erhöhte Wärmeübertragungsrate bildet, um den Wirkungsgrad von Kühlung und/oder Heizung derartiger elektronischer Vorrichtungen ohne einen Verlust von Kompaktheit der Baugruppe und ohne eine nennenswerte Erhöhung des Herstellungsaufwandes und der Herstellungskosten zu erhöhen.
Dieses Ziel wird durch einen Strömungsverteiler mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1 oder 6, für ein Halbleitermodul mit den Merkmalen gemäß Anspruch 13, für einen Einsatz mit einer Wandstruktur eines Strömungsverteilers gemäß Anspruch 14 und für Verfahren zur Herstellung eines Strömungsverteilers mit den Merkmalen gemäß Ansprüchen 16 bzw. 17 gelöst. Weitere Ausführungsbeispiele des Strömungsverteilers und des Verfahrens zur Herstellung sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.
Erfindungsgemäß verteilt ein Strömungsverteiler eine Strömung eines Wärmetransportfluids einer elektrischen Baugruppe von einer Einlassleitung zu einer Auslassleitung über eine durch das Fluid zu kühlende und/oder zu heizende Oberfläche. Erfindungsgemäß weist der Verteiler zumindest einen Strömungskanal auf, welcher derart ausgebildet ist, dass die Fluidströmung von der Einlassleitung zu der Auslassleitung über die Oberfläche geleitet wird, um Wärmeenergie aufzunehmen und von dem Ort abzutransportieren, an welchem sie erzeugt wird oder zu einem Ort, an welchem Heizen benötigt wird. Der erfindungsgemäße Strömungskanal ist an beiden Seiten durch Wände begrenzt, um so einen Fluidströmungspfad innerhalb des Strömungskanals zu bilden, und weist Wandabschnitte auf, welche sich in die Strömungskanäle erstrecken. Durch Leiten der Fluidströmung um diese Wandabschnitte herum vergrößert der Fluidstrom seinen Turbulenzgrad um die Wärmeübertragungseffektivitätsrate zu erhöhen. Erfindungsgemäß weist zumindest ein Wandabschnitt zumindest einen Bypass-Durchgang auf, mit welchem zwei benachbarte Räume, welche durch die Wandabschnitte getrennt sind, direkt durch den Wandabschnitt mit einer geneigten Ausrichtung getrennt sind, so dass der Bypass zusätzlich eine Kurzschlussfluidströmung für einen Teil des Strömungsfluids schafft und den Drall innerhalb des Strömungskanals erhöht, so dass der Turbulenzgrad und somit die Wärmeübergangsrate erhöht wird, ohne dass die Geschwindigkeit der Fluidströmung durch die Kanäle sich erhöht. Andernfalls würde dies bedeuten, dass mehr Leistung zum Pumpen der Fluidströmung durch die Vorrichtung benötigt wird, welche ihrerseits die Betriebskosten von beispielsweise Halbleitermodulen mit einem derartigen Strömungsverteiler erfüllen.
Mittels des Ausdrucks „geneigte Ausrichtung“ soll innerhalb des Rahmens dieser Erfindung eine Richtung der Bypass-Öffnung bzw. des Bypass-Loches in dem Wandabschnitt verstanden werden, welche die Abtrennung eines Teils der Fluidströmung von einem Raum zu einem benachbarten Raum unterstützt. D. h., dass die geneigte Ausrichtung bzgl. der allgemeinen Hauptrichtung der Fluidströmung durch den Fluidkanal zwischen -45° und +45° liegen könnte, was gemäß einem Hauptausführungsbeispiel in einem horizontalen Winkel α angeordnet ist, während es auch ein vertikaler Winkel β sowie eine Anordnung in einer schiefwinkligen Art und Weise derart sein könnte, dass die geneigte Ausrichtung des Bypasses in dem Wandabschnitt auch horizontal und vertikal, d. h. in einer schiefwinkligen Art und Weise, angeordnet sein könnte, wobei ein Winkel α der Neigung bzgl. der Längsrichtung der Fluidströmung und/oder ein Winkel β der Neigung bzgl. einer horizontalen Ebene durch die Wandabschnitte, welche sich in den Strömungskanal erstrecken, und zwar vorzugsweise senkrecht zur horizontalen Ebene definiert. Eine derartige geneigte Ausrichtung würde bedeuten, dass eine Abtrennung eines Teils der Fluidströmung von der Hauptströmung entlang des Wandabschnittes leicht durch diesen Bypass strömen kann, und zwar ohne ein ansonsten beträchtliches Hindernis für die Fluidströmung, was die Menge an Fluidströmung reduziert, welche durch einen Bypass strömt, welcher nicht in irgendeiner geneigten Art und Weise ausgerichtet ist.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel weist der Wandabschnitt zumindest einen Bypass-Durchgang auf, dessen geneigte Ausrichtung einen Ausrichtungswinkel bzgl. der Längsachse der Wände hat. D. h., dass die Neigung, welche auf die Strömungsrichtung der Fluidströmung entlang des Wandabschnittes weist, es unterstützt, dass ein Teil der Fluidströmung als Bypass durch den Wandabschnitt abgeleitet wird und die Turbulenz im Allgemeinen und der Drall der Fluidströmung im Besonderen in dem benachbarten Raum erhöht, so dass die Strömung des Wärmetransportfluids seine Kapazität vergrößert, mehr Wärme aufzunehmen oder mehr Wärme an einen Ort zu richten, welcher z. B. beheizt werden soll, anstelle gekühlt zu werden. Es versteht sich, dass der Drall in seiner Bedeutung innerhalb dieser Anmeldung eine Rotationskomponente der Geschwindigkeit des sich bewegenden Fluids senkrecht zu der allgemeinen Vorwärtsgeschwindigkeit des Fluids beschreibt. Gemäß der Erfindung kann der erfindungsgemäße Strömungsverteiler sowohl zum Kühlen als auch zum Heizen verwendet werden. Kühlen kann die Hauptart einer Anwendung dieser erfinderischen Vorrichtung sein, aber es könnte auch bei Bedarf für Heizzwecke verwendet werden.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel gibt es vorzugsweise eine Vielzahl von Wandabschnitten innerhalb eines Strömungskanals, und jeder der Wandabschnitte weist eine Vielzahl von Bypass-Durchgängen auf, was bedeuten kann, dass insbesondere die Wandabschnitte mit Perforationsbohrungen perforiert sein könnten, welche in dem jeweiligen Wandabschnitt in einer geneigten Ausrichtung angeordnet sind.
Vorzugsweise ist gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel die Abmessung der Bypass-Kanäle an die Menge an Flüssigkeitsströmung angepasst, welche von der Hauptströmung durch den Bypass-Kanal von einem Raum zu einem benachbarten Raum abgezweigt werden soll. Diese Abmessungen der Bypass-Kanäle sind derartig ausgebildet, dass vorzugsweise bis zu 40 %, insbesondere bis zu 30 %, insbesondere bis zu 15 bis zu 20 % und insbesondere bis zu 10 bis 15 % der Fluidströmung durch die Bypass-Kanäle des jeweiligen Raumes innerhalb des jeweiligen Strömungskanals geleitet werden.
Gemäß noch einem weiteren Ausführungsbeispiel verteilt ein Strömungsverteiler eine Strömung eines Wärmetransportfluids einer elektrischen Baugruppe von einer Einlassleitung zu einer Auslassleitung über eine durch das Fluid zu kühlende und/oder zu beheizende Oberfläche. Gemäß der Erfindung weist der Verteiler zumindest einen Strömungskanal auf, welcher so ausgebildet ist, dass die Fluidströmung von der Einlassleitung zur Auslassleitung über die Oberfläche geleitet wird, welche Wärmeenergie aufnimmt und sie von dem Ort, wo sie erzeugt wird, oder zu einem Ort, wo Heizen benötigt wird, abtransportiert wird. Der erfinderische Strömungskanal ist beidseitig durch Begrenzungswände begrenzt, welche sich in Längsrichtung des Strömungskanals erstrecken und Führungswandabschnitte aufweisen, welche sich im Wesentlichen senkrecht zu der Längsrichtung des Strömungskanals erstrecken, um so einen mäandernden Pfad für die Fluidströmung innerhalb des Strömungskanals zu bilden. Indem die Fluidströmung um diese Begrenzungswände innerhalb des Strömungskanals geleitet wird, erhöht die Fluidströmung ihren Turbulenzgrad, um die Wärmeübertragungseffizienzrate zu erhöhen. Erfindungsgemäß weist zumindest ein Führungswandabschnitt zumindest einen Bypass-Durchgang auf, um zwei benachbarte mäandernde Räume, welche durch die Führungswandabschnitte getrennt sind, direkt durch den Führungswandabschnitt mit einer geneigten Ausrichtung zu verbinden, so dass der Bypass zusätzlich eine Kurzschlussströmung für einen Teil der Fluidströmung schafft und den Drall innerhalb des Strömungskanals derart erhöht, dass der Turbulenzgrad und somit die Wärmeübertragungsrate ohne Erhöhung der Geschwindigkeit der Fluidströmung durch die Kanäle erhöht wird. Ansonsten würde das bedeuten, dass mehr Leistung zum Pumpen der Fluidströmung durch die Vorrichtung erforderlich wäre, was ihrerseits die Betriebskosten für beispielsweise Halbleitermodule mit einem derartigen Strömungsverteiler erhöhen würde.
Unter „geneigter Ausrichtung“ soll innerhalb des Rahmens dieser Erfindung eine Richtung der Bypass-Erfindung bzw. -Bohrung in dem Führungswandabschnitt verstanden werden, welcher die Abtrennung eines Teils der Fluidströmung von einem mäandernden Raum zu einem benachbarten mäandernden Raum unterstützt. D. h., dass die geneigte Ausrichtung bzgl. der allgemeinen Hauptrichtung der Fluidströmung durch den Fluidkanal zwischen -45° und 45° sein kann, was gemäß einem Hauptausführungsbeispiel in einem horizontalen Winkel α angeordnet ist, während es auch ein senkrechter Winkel β sowie eine Anordnung in einer schiefwinkligen Art und Weise derart sein kann, dass die geneigte Ausrichtung des Bypasses in dem Führungswandabschnitt auch horizontal und vertikal angeordnet sein kann, d. h. in einer schiefwinkligen Art und Weise, wobei ein Winkel α der Neigung bzgl. der Längsrichtung der Fluidströmung und/oder ein Winkel β der Neigung bzgl. der horizontalen Ebene durch die Führungswandabschnitte, welche sich senkrecht zu der horizontalen Ebene erstrecken, definieren. Solch eine geneigte Ausrichtung bedeutet, dass eine Abtrennung eines Teils der Fluidströmung von dem Hauptstrom entlang des Führungswandabschnittes leicht durch diesen Bypass geleitet werden kann, ohne ein ansonsten beträchtliches Hindernis für die Fluidströmung, was die Menge an Fluidströmung, welche durch den Bypass strömt, reduziert, welcher nicht in einer geneigten Art und Weise ausgerichtet ist.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel weist der Führungswandabschnitt zumindest eine Bypass-Leitung auf, deren geneigte Ausrichtung einen Ausrichtungswinkel bzgl. der Längsrichtung der Begrenzungswände hat. D. h., dass die Neigung, welche in Richtung auf die Strömungsrichtung der Fluidströmung entlang des Führungswandabschnittes weist, es einem Teil der Fluidströmung erleichtert, durch den Führungswandabschnitt abgeleitet zu werden und die Turbulenz im Allgemeinen und den Drall der Fluidströmung in dem benachbarten mäandernden Raum insbesondere derart zu erhöhen, dass die Wärmetransportfluidströmung ihre Fähigkeit erhöht, mehr Wärme aufzunehmen oder mehr Wärme an einen Ort zu leiten, welcher z. B. geheizt werden soll, anstelle dass er gekühlt wird. Es versteht sich, dass Drall in seiner Bedeutung innerhalb dieser Anmeldung eine Rotationskomponente der Geschwindigkeit eines bewegenden Fluids senkrecht zu der allgemeinen Vorwärtsgeschwindigkeit des Fluids beschreibt. Gemäß der Erfindung kann der erfindungsgemäße Strömungsverteiler sowohl zum Kühlen als auch zum Heizen verwendet werden. Kühlen dürfte die Hauptanwendungsart dieser erfinderischen Vorrichtung sein, obwohl sie auch für Heizzwecke, falls erforderlich, verwendet werden kann.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel ist bevorzugt, dass es eine Vielzahl von Führungswandabschnitten innerhalb eines Strömungskanals gibt und jede der Führungswandabschnitte eine Vielzahl von Bypass-Leitungen aufweist, was bedeuten kann, dass insbesondere die Führungswandabschnitte auch mit Perforationsbohrungen perforiert sein können, welche in einer geneigten Ausrichtung in dem jeweiligen Führungswandabschnitt vorgesehen sind. Die geneigte Ausrichtung der Perforationsbohrungen ist derart, dass die Fluidströmung von einem mäandernden Raum zu dem benachbarten mäandernden Raum ohne nennenswerte Erhöhung des Strömungswiderstandes abgeteilt werden kann, sondern vielmehr die geneigte Ausrichtung der Bypass-Bohrungen in den Führungswandabschnitten es der Strömung erleichtert, die Bypass-Bohrungen zu nutzen, anstelle um den kompletten Führungswandabschnitt herumzuströmen.
Vorzugsweise ist gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel die Abmessung der Bypass-Kanäle an die Menge der Fluidströmung angepasst, welche von der Hauptströmung durch den Bypass-Kanal von einem mäandernden Raum zu dem benachbarten abgetrennt werden kann. Die Abmessungen der Bypass-Kanäle sind derart, dass vorzugsweise bis zu 40 %, insbesondere bis zu 30 %, insbesondere bis zu 15 bis 20 % und noch bevorzugter bis zu 10 bis 15 % der Fluidströmung durch die Bypass-Kanäle zu dem jeweiligen mäandernden Raum innerhalb des jeweiligen Strömungskanals geleitet werden.
Vorzugsweise weist gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Strömungsverteiler ein Gehäuse mit einer Einlassleitung und einer Auslassleitung für die Fluidströmung auf, und wobei dieses Ausführungsbeispiel ein wannenartiges Gebilde zum Aufnehmen eines Einsatzes mit darin einbezogener Wandstruktur des Strömungsverteilers aufweist, wobei der Einsatz mittels einer Schließplatte abgedeckt ist, um das wannenartige Teil in Richtung zu seiner Oberseite abzudichten. D. h., dass der Strömungsverteiler aus einem separaten Bauteil besteht, welches an dem Kühl- oder Heizraum eines elektrischen Bauteils angeordnet werden kann, um so die neue erfinderische Art der Kühl- und/oder Heizströmung für das elektrische Bauteil zu verwirklichen, ohne ein das Kanalkonzept des Entwurfs des gesamten Modulbauteils zu ändern.
Vorzugsweise weist der Einsatz einen zweiteiligen Entwurf auf, welcher eine untere Struktur und eine obere Gegenstruktur aufweist, welche jeweils eine Wandstruktur aufweisen, welche zueinander passen, wenn sie montiert sind, und wobei die Verschlussplatte integral ausgebildet ist mit der oberen Gegenstruktur. Diese sogenannte doppelteilige Struktur bildet die Basis für eine reduzierte Anzahl von Herstellungsschritten, weil die Bypass-Kanäle an einer Seite der zweiteiligen Form angeordnet sein können, d. h., entweder in dem unteren Teil oder in dem oberen Teil, oder sie könnten auch sowohl innerhalb des oberen als auch des unteren Teiles angeordnet sein, so dass, wenn das obere und das untere Teil montiert sind, die korrekte Abmessung und die korrekte Größe des Bypass-Kanales geschaffen ist.
Gemäß einer Weiterbildung ist ein Halbleitermodul vorgesehen, welches einen Strömungsverteiler nach Anspruch 1 und nach den entsprechenden abhängigen Ansprüchen aufweist. Ein derartiges Halbleitermodul mit dem erfindungsgemäßen Strömungsverteiler kann für die jeweiligen Anwendungszwecke für ein in hohem Maße kompaktes Design mit einem höheren Grad an Kühlung und/oder Heizung verwendet werden, so dass allgemeiner Betriebswirkungsgrad und Betriebszuverlässigkeit erreicht werden.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Herstellen eines Strömungsverteilers bereitgestellt, welches einen Einsatz mit einer Wandstruktur des Strömungsverteilers gemäß einem der Ansprüche 1 mit den abhängigen Ansprüchen aufweist, welche auf den Strömungsverteiler gerichtet sind, wobei der Strömungsverteiler durch 3D-Drucken oder durch Spritzgießen hergestellt wird. Die Verwendung von 3D-Drucken ist besonders vorteilhaft bzgl. mehr oder weniger komplizierter und optimierter Bypass-Kanäle innerhalb der Wandstruktur der Führungswandabschnitte.
Gemäß noch einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Einsatz bereitgestellt, welcher eine Wandstruktur eines Strömungsverteilers gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6 aufweist, wobei der Einsatz durch 3D-Drucken oder Spritzgießen hergestellt wird. 3D-Drucken für einen Einsatz mit einer derartigen erfinderischen Wandstruktur ist besonders vorteilhaft, da jeder Neigungswinkel und jeder Neigungswinkel der Bypass-Bohrungen innerhalb der Bypass-Kanäle sowie eine variierende Anzahl derartiger Bohrungen in den Bypass-Kanälen mit einem relativ niedrigen Herstellungsaufwand hergestellt werden können.
Und noch ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist auf ein Verfahren zum Herstellen eines Strömungsverteilers gerichtet, bei welchem ein Einsatz mit der Wandstruktur des Strömungsverteilers gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6 durch 3D-Drucken hergestellt wird. Dieses erfinderische Verfahren weist die folgenden Schritte auf:

a) Bereitstellen eines computer-lesbaren Mediums mit computer-ausführbaren Instruktionen, welche so angepasst sind, dass ein 3D-Drucker den Druck des Strömungsverteilers bewirkt; und
b) Ausbilden des Strömungsverteilers unter Verwendung eines 3D-Druckens oder einer zusätzlichen Herstellungsvorrichtung.

Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist ein computer-lesbares Medium mit computer-ausführbaren Instruktionen bereitgestellt, welche so angepasst sind, dass ein 3D-Drucker einen Strömungsverteiler gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6 druckt. Das computer-lesbare Medium einschließlich der computer-ausführbaren Instruktionen bildet die Basis zum Steuern eines 3D-Druckens bzw. einer zusätzlichen Herstellvorrichtung. Damit kann ein Strömungsverteiler, welcher einen Einsatz mit entsprechender Wandstruktur gemäß der Erfindung aufweist, hergestellt werden.
Weitere spezifische Merkmale, Details und Anwendungen werden unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. In der Zeichnung:

1 zeigt eine dreidimensionale Ansicht einer Strömungskanalstruktur gemäß der Erfindung;
2 zeigt die Struktur gemäß Anspruch 1 bei einem anderen Blickwinkel auch in dreidimensionaler Darstellung;
3 zeigt eine Draufsicht auf die Strömungskanalstruktur gemäß der Erfindung;
4 zeigt die Fluidströmung durch den Strömungskanal gemäß dem Stand der Technik, d. h. ohne Bypass-Leitungen in den Führungswandabschnitten;
5 zeigt die Grundstruktur des Strömungskanals gemäß 4, jedoch mit den erfinderischen Bypass-Durchgängen in den Führungswandabschnitten zur Erhöhung des Dralls in dem Strömungsdurchgang;
6 zeigt einen separaten Einsatz mit Bypass-Durchgängen innerhalb der Führungswandabschnitte, wobei der mäandernde Strömungskanal abgerundete Ecken aufweist;
7 einen Einsatz gemäß 6 mit dem mäandernden Strömungskanal, welcher Eckkanten aufweist;
8a eine Schnittansicht eines Bypass-Durchganges mit einem Winkel β bzgl. einer horizontalen Ebene;
8b eine Schnittansicht eines Bypass-Durchganges mit einem Winkel α bzgl. der Längsrichtung der Fluidströmung innerhalb des Strömungskanals;
9a, b, c Schnittansichten von Bypass-Durchgängen verschiedener Form und Richtung einer bestimmten mäandernden Kammer; und
10a, b, c eine Darstellung eines Neigungswinkels des Bypass-Durchganges in einer Querschittsdraufsicht, wobei deren Neigungswinkeln bzgl. der Richtung der Fluidströmung für mäandernde Räume definiert ist, welche benachbart zueinander angeordnet sind.

1 zeigt einen Strömungsverteiler 1 in einer dreidimensionalen Ansicht als eine Teilansicht eines Einsatzes. Es gibt vier Strömungskanäle 3, welche sich vom Boden bis zur Oberseite erstrecken und durch Begrenzungswände 4 begrenzt sind, welche die verschiedenen Strömungskanäle 3 voneinander trennen. Führungswandabschnitte 5 erstrecken sich in die Strömungskanäle von beiden Seiten der Begrenzungswände, um so einen mäandernden Pfad 6 innerhalb des jeweiligen Strömungskanals 3 zu definieren. Die Führungswandabschnitte 5 weisen Bypass-Durchgänge 7 auf, welche in einer geneigten Art und Weise in Richtung auf die Strömungsrichtung der Fluidströmung 2 ausgerichtet sind, wenn diese durch den Strömungskanal 3 auf ihrem mäandernden Pfad 6 strömt. Die Bypass-Durchgänge 7 sind beide in der Hauptströmungsrichtung der Fluidströmung 2 geneigt und bilden Öffnungen des Strömungskanals 3 in Richtung seiner Oberseite, welche mittels einer Verschlussplatte abgedeckt sind, um geschlossene Bypass-Durchgänge und geschlossene Strömungskanäle 3 an ihren oberen Bereichen zu bilden, wobei die Verschlussplatte in 1 nicht dargestellt ist.
Die Bypass-Durchgänge 7 sind in ihrer geneigten Ausrichtung 10 derart angeordnet, dass ein Teil der Fluidströmung 2 sich von der Hauptströmung zu den Bypass-Durchgängen 7 abtrennt, um so einen zusätzlichen Drall innerhalb der mäandernden Räume 8 zu schaffen, um die Wärmeübertragungsrate von der Wandstruktur des Einsatzes 15 an die Fluidströmung 2 und umgekehrt zu erhöhen.
2 zeigt eine dreidimensionale Ansicht gemäß 1 bei einem anderen Blickwinkel, ansonsten jedoch mit einer identischen Wandstruktur. In 2 kann ebenfalls klar gesehen werden, dass die Bypass-Durchgänge 7 in zwei Richtungen geneigt sind, eine Richtung, welche einen spitzen Winkel α bzgl. der Strömungsrichtung der Fluidströmung 2 bildet, und zusätzlich dazu eine Neigung, welche einen spitzen Winkel β bzgl. der Höhe der Führungswandabschnitte vom Boden zur Oberseite des Strömungskanals 3 bildet. Eine derartige bidirektionale Ausrichtung des Bypass-Durchganges 7 mit seiner schiefwinkligen Anordnung sichert einen zusätzlichen Drall in dem mäandernden Raum, so dass dort viel weniger laminare Strömung in den mäandernden Räumen vorhanden ist, wenn die Fluidströmung 2 durch den Strömungskanal auf ihrem mäandernden Pfad 6 strömt.
3 zeigt eine Draufsicht auf die Wandstruktur gemäß den 1 und 2 einschließlich des mäandernden Pfades 6 für die Fluidströmung 2. Die Bypass-Durchgänge 7 sind in einer geneigten Art und Weise angeordnet, wie es bzgl. der 1 und 2 beschrieben ist, und zwar in einem Winkel α bzgl. der Längsrichtung der Fluidströmung.
4 und 5 stellen einen Vergleich der Fluidströmung 2 auf ihren mäandernden Pfaden 6 durch die mäandernden Räume 8 dar. 4 zeigt eine Darstellung ohne die erfinderischen Bypass-Durchgänge. 5 zeigt eine Darstellung mit den erfinderischen Bypass-Durchgängen 7. Während in 4 die Fluidströmung 2 mehr oder weniger eine laminare ist, und zwar trotz des mäandernden Pfades 6, den die Fluidströmung 2 durch den Strömungskanal 3 nimmt, stellt 5 dar, dass viel mehr Drall und viel weniger laminare Strömung innerhalb des Strömungskanals 3 der Fluidströmung 2 auf ihren mäandernden Pfaden durch den Einsatz vorhanden ist. Der Drall kann als ein Beispiel an den Orten gesehen werden, welche durch Bezugsziffer 18 gekennzeichnet ist. Dieser zusätzliche Bypass-Durchgang 7 vergrößert die Wärmeübertragungseffizienz innerhalb des Strömungskanals erheblich.
6 zeigt einen separaten Einsatz 15 als eine untere Struktur 17 mit Bypass-Durchgängen 7 innerhalb der Führungswandabschnitte 5, wobei der mäandernde Strömungskanal abgerundete Ecken aufweist. Der Strömungskanal weist mäandernde Räume 8 auf, durch welche die Fluidströmung sowohl um die Führungswandabschnitte als auch durch die Bypass-Durchgänge 7 strömt. Sobald der Einsatz 15 in einer Ausnehmung in einem Gehäuse angeordnet worden ist, schließt ein Deckel den Einsatz ab und ruht auf der oberen Oberfläche der Strömungskanalstruktur, um so geschlossene Strömungskanäle 3 mit Bypass-Durchgängen 7 in den Führungswandabschnitten 5 zu bilden, welche einen mäandernden Pfad für die Fluidströmungskanal durch den Strömungskanal bilden. Der Deckel, welcher den Einsatz auf seiner Oberseite abschließt, kann auch mit einer Gegenstruktur ausgebildet sein, welche formkongruent zu der an dem Einsatz ausgebildet ist, so dass, sobald der Deckel mit der Gegenstruktur die Ausnehmung mit dem darin angeordneten Einsatz schließt, ein kompletter Strömungskanal ausgebildet ist. Der Vorteil des Unterteilens des Einsatzes in sozusagen zwei Teile der Struktur ist der, dass die Bohrungen für die Bypass-Durchgänge nicht in den Führungswandabschnitten 5 hergestellt werden müssen, so ist es leichter bzgl. der Herstellung, Abschnitte aus den zwei entsprechenden Gegenstrukturen von den jeweiligen Oberseiten der Führungswandabschnitte 5 auszuschneiden. Die Fluidströmung strömt von der Einlassleitung 12 zur Auslassleitung 13 durch den mäandernden Strömungspfad.
7 stellt ein ähnliches Ausführungsbeispiel wie 6 dar, außer dass die abgerundeten Ecken des mäandernden Pfades durch Eckkanten ersetzt sind. Ansonsten sind alle Elemente ähnlich dem, was zuvor bzgl. des Ausführungsbeispieles gemäß 6 beschrieben worden ist. Aus Gründen der Einfachheit halber sind die Einlassleitung 12 und die Auslassleitung 12 nicht gezeigt.
In 8a ist eine Schnittansicht mit den Bypass-Durchgängen dargestellt, aus welcher es ersichtlich ist, dass der Bypass-Durchgang 7 unter einem Winkel β bzgl. einer horizontalen Ebene angeordnet ist, wobei die horizontale Ebene derart ausgerichtet ist, dass sie sich in der Strömungsrichtung der Fluidströmung durch den Strömungskanal erstreckt. Die Schnittansicht stellt dar, dass die Fluidströmung in der linken mäandernden Kammer von der Zeichnungsebene nach oben gerichtet ist, während die Fluidströmung in der benachbarten mäandernden Kammer von der Zeichnungsebene nach unten gerichtet ist. Es ist aus 8a ersichtlich, dass durch Umleiten von einem Teil der Fluidströmung 2 von der linken mäandernden Kammer durch den Bypass-Durchgang 7 zu der benachbarten Bypass-Kammer ein zusätzlicher Drall 18 induziert wird, welcher eine Erhöhung der Turbulenz und somit eine verbesserte Wärmeübertragungsrate zum Wegtransportieren von Energie für ein zu kühlendes Element bzw. zum Einleiten von Energie an ein zu heizendes Element bewirkt. Jeder mäandernder Raum 8 ist benachbart zu einer zu kühlenden bzw. zu heizenden Oberfläche 19 angeordnet.
8b zeigt eine Schnittansicht als Draufsicht mit einem Bypass-Durchgang, welcher einen Winkel α bzgl. der Richtung der Fluidströmung aufweist. Wiederum ist dasselbe Prinzip dargestellt, nämlich das, bei welchem ein Teil der Fluidströmung 2 abgetrennt und durch den Bypass-Durchgang 7 von der mäandernden Kammer auf der linken Seite zur benachbarten mäandernden Kammer auf der rechten Seite geleitet wird, wodurch ein zusätzlicher Drall 18 in der benachbarten mäandernden Kammer geschaffen wird, weshalb die Turbulenz der Fluidströmung 2 in der benachbarten Kammer sich erhöht.
Aus den 8a und 8b ist ersichtlich, dass der Bypass-Durchgang 7 eine schiefwinklige Anordnung aufweist, welche einen Winkel β bzgl. einer horizontalen Ebene und einen Winkel α bzgl. der Längsrichtung der Fluidströmung sowie der Längsrichtung der Führungswandabschnitte 5 aufweist.
9a, b, c stellen Schnittansichten in Draufsicht von stromaufwärts angeordneten mäandernden Räumen zusammen mit ihrem entsprechenden benachbarten mäandernden Raum. 9a, b, c stellen verschiedene Formen und Ausrichtungen der Bypass-Durchgänge 7 innerhalb der Führungswandabschnitte 5 dar. In 9a ist der Bypass-Durchgang bzgl. der Längsrichtung der Fluidströmung 2 um einen Winkel α geneigt, so dass dieser in der Lage ist, einen Teil der Fluidströmung durch den Bypass-Durchgang 7 von der mäandernden Kammer zu ihrer benachbarten mäandernden Kammer abzutrennen.
Prinzipiell trifft dasselbe auch für das Ausführungsbeispiel gemäß 9b zu. Es ist ersichtlich, dass der Bypass-Durchgang derart angeordnet ist, dass der Bypass-Durchgang seine Richtung etwa rechtwinklig von links nach unten zu in der Mitte nach oben und von dort rechts nach unten am Ausgang des abgetrennten Teils der Fluidströmung 2 dreht. Wiederum ist der nachfolgende mäandernde Raum mit dem davorliegenden mäandernden Raum verbunden, weil die Führungswandabschnitte abwechselnd mit Bypass-Durchgängen angeordnet sind, durch welche der Anteil der Fluidströmung von der Fluidströmung 2 zuerst nach oben und dann unten gerichtet ist. Dasselbe Prinzip liegt 9c zugrunde, außer dass der Bypass-Durchgang keine Eckkanten hat, sondern vielmehr als ein abgerundeter Bypass-Durchgang angeordnet ist.
Und schließlich zeigt 10 eine Schnittansicht von zwei benachbarten mäandernden Räumen, in welchen die Fluidströmung in eine Richtung in der linken Kammer und in die entgegengesetzte Richtung in der rechten Kammer fließt, wobei diese zwei Kammern durch einen Bypass-Durchgang verbunden sind, welcher wiederum die Form und die Anordnung ähnlich der in den 9a, b und c dargestellten hat. Die Darstellung in 10 zeigt die Neigung des Bypass-Durchganges bzgl. des Winkels β.
Bezugszeichenliste

1: Strömungsverteiler
2: Fluidströmung
3: Strömungskanal
4: Wand/Begrenzungswand
5: Wandabschnitte/Führungswandabschnitte
6: Pfad für die Fluidströmung/mäandernder Pfad
7: Bypass-Durchgang
8: mäandernder Raum
9: Kurzschlussfluidströmung
10: Winkel der Ausrichtung
11: Gehäuse
12: Einlassleitung
13: Auslassleitung
14: Wanne
15: Einsatz
16: Verschlussplatte
17: untere Struktur des Einsatzes
18: Drall
19: gekühlte Oberfläche

Claims

Strömungsverteiler (1) zum Verteilen einer wärmetransportierenden Fluidströmung (2) eines elektrischen Bauteils über eine mittels des Fluids zu kühlende und/oder zu heizende Oberfläche, wobei der Verteiler (1) aufweist: a) zumindest einen Strömungskanal, welcher so ausgebildet ist, dass die Fluidströmung (2) über die Oberfläche geleitet wird, b) die Strömungskanäle (3) an beiden Seiten mittels Wänden (4) begrenzt sind, so dass ein Pfad (6) für die Fluidströmung (2) innerhalb der Strömungskanäle (3) gebildet wird, und Wandabschnitte (5) aufweisen, welche sich in den zumindest einen Strömungskanal (3) erstrecken, und c) zumindest einer der Wandabschnitte (5) zumindest einen Bypass-Durchgang (7) aufweist, um zwei benachbarte Räume (8) zu verbinden, welche mittels des Wandabschnittes (5) getrennt sind, wobei sich der zumindest eine Bypass-Durchgang von einer Seite des Wandabschnittes zu der anderen mit einer geneigten Ausrichtung (10) erstreckt, um so eine Kurzschlussfluidströmung (9) für einen Teil der Fluidströmung (2) zu schaffen.
Strömungsverteiler (1) nach Anspruch 1, bei welchem der Wandabschnitt (4, 5) zumindest einen Bypass-Durchgang (7) aufweist, dessen geneigte Ausrichtung einen ersten Winkel α bzgl. der Längsrichtung der Wände (4) aufweist, wobei der erste Winkel α eine Neigung aufweist, welche auf die Strömungsrichtung der Fluidströmung (2) weist, um so einen Teil der Fluidströmung als Bypass abzuleiten und einen Drall der wärmetransportierenden Fluidströmung innerhalb des Strömungskanals (3) zu erhöhen.
Strömungsverteiler (1) nach Anspruch 1 oder 2, bei welchem der Bypass-Durchgang (7) einen zweiten Winkel β mit einer Neigung bzgl. einer horizontalen Ebene durch die Wandabschnitte (5) aufweist, welche sich senkrecht zu der horizontalen Ebene erstrecken.
Strömungsverteiler (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei welchem jene Wandabschnitte (5), welche zumindest einen Bypass-Durchgang aufweisen, jeweils eine Vielzahl von Bypass-Durchgängen (7) aufweisen, insbesondere die Wandabschnitte (5) perforiert sind.
Strömungsverteiler (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei welchem die Abmessungen der Bypass-Durchgänge (7) derart sind, dass bis zu 40 %, insbesondere bis zu 30 %, insbesondere bis zu 15 bis 20 % und insbesondere sogar bis zu 10 bis 15 % der Fluidströmung (2) durch die Bypass-Durchgänge (7) in den jeweiligen Raum (8) innerhalb des Strömungskanals (3) geleitet werden.
Strömungsverteiler (1) zum Verteilen einer wärmetransportierenden Fluidströmung (2) eines elektrischen Bauteils über eine durch das Fluid zu kühlende und/oder zu heizende Oberfläche, wobei der Verteiler (1) aufweist: a) zumindest einen Strömungskanal, welcher so ausgebildet ist, dass die Fluidströmung (2) über die Oberfläche geleitet wird; b) die Strömungskanäle (3) auf jeder Seite mittels Begrenzungswänden (4) begrenzt sind, welche sich in Längsrichtung des Strömungskanals (3) erstrecken und Führungswandabschnitte (5) aufweisen, welche sich im Wesentlichen senkrecht zu der Längsrichtung der Strömungskanäle (3) erstrecken, so dass ein mäandernder Pfad (6) für die Fluidströmung (2) innerhalb der Strömungskanäle (3) gebildet wird; und c) zumindest einer der Führungswandabschnitte (5) zumindest einen Bypass-Durchgang (7) aufweist, um zwei benachbarte mäandernde Räume (8) zu verbinden, welche durch den Führungswandabschnitt (5) getrennt sind, wobei der zumindest eine Bypass-Durchgang sich von einer Seite des Führungswandabschnittes zu der anderen mit einer geneigten Ausrichtung (10) erstreckt, um so eine Kurzschlussfluidströmung (9) für einen Teil der Fluidströmung (2) zu schaffen.
Strömungsverteiler (1) nach Anspruch 6, bei welchem der Führungswandabschnitt (5) zumindest einen Bypass-Durchgang (7) aufweist, dessen geneigte Ausrichtung einen ersten Winkel α bzgl. der Längsrichtung der Begrenzungswände (4) hat, wobei der erste Winkel α mit seiner Neigung in Richtung auf die Strömungsrichtung der Fluidströmung (2) weist, um so einen Teil der Fluidströmung als Bypass abzuleiten und den Drall der wärmetransportierenden Fluidströmung innerhalb des Strömungskanals (3) zu erhöhen.
Strömungsverteiler (1) nach Anspruch 6 oder 7, bei welchem der Bypass-Durchgang (7) einen zweiten Winkel β mit einer Neigung bzgl. einer horizontalen Ebene durch die Führungswandabschnitte (5) aufweist, welche sich senkrecht zu der horizontalen Ebene erstrecken.
Strömungsverteiler nach einem der Ansprüche 6 bis 8, bei welchem jene Führungswandabschnitte (5), welche zumindest einen Bypass-Durchgang aufweisen, jeweils eine Vielzahl von Bypass-Durchgängen (7) aufweisen, insbesondere die Führungswandabschnitte (5) perforiert sind.
Strömungsverteiler (1) nach einem der Ansprüche 6 bis 9, bei welchem die Abmessungen der Bypass-Durchgänge (5) derart sind, dass bis zu 40 %, insbesondere bis zu 30 %, insbesondere bis zu 15 bis 20 % und insbesondere sogar bis zu 10 bis 15 % der Fluidströmung (2) durch die Bypass-Durchgänge (7) zu dem jeweiligen mäandernden Raum (8) innerhalb des Strömungskanals (3) geleitet werden.
Strömungsverteiler (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, welcher ein Gehäuse mit einer Einlassleitung (12) und einer Auslassleitung (13) für die Fluidströmung (2) aufweist, und eine Wanne (14) zum Aufnehmen eines Einsatzes (15) mit der Wandstruktur des Fluidverteilers (1), wobei der Einsatz mittels einer Verschlussplatte (16) abgedeckt ist, um die Wanne (14) gegenüber dem Äußeren abzudichten.
Strömungsverteiler (1) nach Anspruch 11, bei welchem der Einsatz (15) ein zweiteilige Konstruktion mit einer unteren Struktur (17) und einer oberen Gegenstruktur aufweist, wobei jede eine Wandstruktur aufweist, welche zueinander passen, wenn die Montage erfolgt ist, und wobei dessen Verschlussplatte (16) integral mit der oberen Gegenstruktur ausgebildet ist.
Halbleitermodul, welches den Strömungsverteiler (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12 aufweist.
Einsatz (15) mit einer Wandstruktur eines Strömungsverteilers (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, welcher durch 3D-Drucken oder Spritzgießen hergestellt ist.
Verfahren zum Herstellen eines Strömungsverteilers (1), bei welchem ein Einsatz (15) mit der Wandstruktur des Strömungsverteilers (1) gemäß einem der Ansprüche durch Spritzgießen hergestellt wird.
Verfahren zum Herstellen eines Strömungsverteilers (1), bei welchem ein Einsatz (15) mit einer Wandstruktur des Strömungsverteilers (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 12 mittels 3D-Drucken hergestellt wird, welches die Schritte aufweist: a) Vorsehen eines computer-lesbaren Mediums mit computer-ausführbaren Instruktionen, welche so angepasst sind, dass ein 3D-Drucker den Strömungsverteiler (1) druckt; und b) Bilden eines Strömungsverteilers (1) unter Benutzung eines 3D-Druckers oder zusätzlicher Herstellungsvorrichtungen.
Computer-lesbares Medium mit computer-ausführbaren Instruktionen, welche so angepasst sind, dass ein 3D-Drucker einen Strömungsverteiler (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 12 druckt.