DE102019127203A1

DE102019127203A1 - Kühlsystem mit einem serpentinenförmigen Durchgang

Info

Publication number: DE102019127203A1
Application number: DE102019127203.3A
Authority: DE
Inventors: Henning Ströbel-Maier; Klaus Olesen
Original assignee: Danfoss Silicon Power GmbH
Current assignee: SEMIKRON DANFOSS GMBH, DE
Priority date: 2019-10-09
Filing date: 2019-10-09
Publication date: 2021-04-15
Also published as: CN114514606A; WO2021069501A1; US20230120927A1

Abstract

Es ist ein Kühlsystem (26) offenbart, das eine Kühlanordnung (24, 24', 24") umfasst, die einen serpentinenförmigen Durchgang (20) für ein zirkulierendes Flüssigkühlmittel aufweist. Der serpentinenförmige Durchgang (20) ist zwischen einer Vielzahl von Wänden (6, 8) vorgesehen, die gegeneinander versetzt sind. Eine Reihe von Ablenkungen (10), die jeweils einen proximalen Teil (12) und einen distalen Teil (14) aufweisen, ist innerhalb des Durchgangs (20) angeordnet. Die Ablenkungen (10) erstrecken sich von einer der Wände in den Durchgang (20). Der distale Teil (14) hat eine Breite (W2), die grösser ist als die Breite (W1) des proximalen Teils (12).

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Kühlsystem mit einer Kühlanordnung, die einen serpentinenförmigen Durchgang zum Zirkulieren eines flüssigen Kühlmittels aufweist.
Stand der Technik
Die Flüssigkeitskühlung von Leistungselektronik ist seit vielen Jahren eine bewährte Technik. Durch Leitungs- und Schaltverluste in den Leistungsbauelementen sowie durch ohmsche Verluste in Leiterbahnen erzeugt jede elektronische Schaltung Wärme. Aufgrund der immer höheren Leistungsdichten in der Leistungselektronik rückt die Effizienz der Kühlung immer mehr in den Vordergrund.
Die Kühleffizienz ist von hoher Relevanz, weil jede neue Generation von Leistungshalbleitern tendenziell kleiner ist als der Vorgänger und weil der Markt immer kleinere und kompaktere Lösungen wünscht. Dementsprechend ist eine ausreichende Kühlung der Leistungselektronik entscheidend. Aufgrund der hohen Wärmeübertragungskoeffizienten von Flüssigkeiten ist die Flüssigkeitskühlung der Luftkühlung überlegen. Dementsprechend hat die Flüssigkeitskühlung in immer mehr Anwendungen Einzug gehalten.
Leistungsmodule mit einer hohen Leistungsdichte enthalten typischerweise eine Grundplatte, die einen serpentinenförmigen Durchgang für eine umlaufende Flüssigkeit aufweist. Der serpentinenförmige Durchgang enthält mäandrierende Kanäle, die eine erwünschte hydrothermische Leistung und damit eine hohe Kühleffizienz bieten.
Es gibt jedoch mehrere Herausforderungen im Zusammenhang mit den mäandrierenden Kanälen des Standes der Technik. Das bevorzugte Herstellungsverfahren zur Herstellung von Grundplatten nach dem Stand der Technik ist das Kalt- oder Warmschmieden. Die schmalen Wände, die die mäandrierenden Kanäle trennen, haben sich als Herausforderung für das Schmiedewerkzeug erwiesen. Die großen mechanischen Spannungen, die an den Enden der Wände vorhanden sind, begrenzen die Lebensdauer des Schmiedewerkzeugs im Vergleich zu einem Werkzeug für ein traditionelles Stiftrippen-Grundplattendesign.
Darüber hinaus haben detaillierte CFD-Analysen (Computational Fluid Dynamics) ergeben, dass direkt nach einem Wendepunkt am Ende einer Mäanderwand sogenannte tote Flüssigkeitsbereiche entstehen. Diese toten Flüssigkeitsbereiche ergeben keinen Kühleffekt. Im Gegenteil, eine tote Flüssigkeitsregion erzeugt einen Druckabfall. Grundplatten, die mit einer Vielzahl von Mäanderkanälen versehen sind, weisen aufgrund der großen Anzahl von Wendepunkten eine Vielzahl von toten Flüssigkeitsbereichen auf.
Daher ist ein Kühlsystem erforderlich, das den Druckabfall reduziert oder sogar die oben genannten Nachteile des Standes der Technik beseitigt.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein Kühlsystem bereitzustellen, das eine Kühlanordnung umfasst, die mit einem serpentinenförmigen Durchgang für ein zirkulierendes flüssiges Kühlmittel versehen ist, wobei der serpentinenförmige Durchgang in einer Weise hergestellt werden kann, in der die mechanischen Spannungen des Schmiedewerkzeugs reduziert werden und die Lebensdauer des Schmiedewerkzeugs verlängert werden kann.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein Kühlsystem bereitzustellen, das eine Kühlanordnung umfasst, die mit einem serpentinenförmigen Durchgang für ein zirkulierendes Flüssigkühlmittel versehen ist, wobei der serpentinenförmige Durchgang weniger tote Flüssigkeitsbereiche aufweist als die Lösungen nach dem Stand der Technik.
Zusammenfassung der Erfindung
Der Zweck der vorliegenden Erfindung kann durch ein gemäß Anspruch 1 definiertes Kühlsystem erreicht werden. Bevorzugte Ausführungsformen werden in den in der nachfolgenden Beschreibung erläuterten Unteransprüchen definiert und in den beigefügten Zeichnungen illustriert.
Das erfindungsgemäße Kühlsystem ist ein Kühlsystem mit einer mit einem serpentinenförmigen Durchgang für ein Flüssigkühlmittel versehenen Kühlanordnung, wobei der Durchgang zwischen einer Vielzahl von gegeneinander versetzten Wänden versehen ist, wobei eine Reihe von Ablenkungen, die jeweils einen proximalen Teil und einen distalen Teil aufweisen, jeweils innerhalb des Durchgangs angeordnet sind, wobei sich die Ablenkungen von einer der Wände in den Durchgang erstrecken, wobei der distale Teil eine Breite aufweist, die größer ist als die Breite des proximalen Teil, wobei der proximale Teil und der distale Teil benachbarte Seitenwände umfassen, und wobei der Winkel zwischen den benachbarten Seitenwänden weniger als 180° beträgt.
Hierdurch ist es möglich, ein Kühlsystem bereitzustellen, das eine Kühlanordnung umfasst, die mit einem serpentinenförmigen Durchgang für ein zirkulierendes flüssiges Kühlmittel versehen ist, wobei der serpentinenförmige Durchgang in einer Weise hergestellt werden kann, in der die mechanischen Spannungen des Schmiedewerkzeugs reduziert werden können. Dementsprechend kann die Lebensdauer des Schmiedewerkzeugs verlängert werden.
Darüber hinaus wird der serpentinenförmige Durchgang weniger tote Flüssigkeitsbereiche (z.B. totes Wasser) aufweisen als die Lösungen nach dem Stand der Technik. Dementsprechend kann eine höhere Kühleffizienz des Kühlsystems erreicht werden. Indem sichergestellt wird, dass der Winkel zwischen den angrenzenden Seitenwänden des proximalen Teils und des distalen Teils weniger als 180° beträgt, ist es möglich, eine Strömung bereitzustellen, die eine höhere Kühleffizienz des Kühlsystems ermöglicht als die Lösungen nach dem Stand der Technik.
Bei einer Ausführungsform beträgt der Winkel zwischen den benachbarten Seitenwänden des proximalen Teils und des distalen Teils jeweils weniger als 160°.
In einer Ausführungsform beträgt der Winkel zwischen den angrenzenden Seitenwänden des proximalen Teils und des distalen Teils jeweils weniger als 140°.
In einer Ausführungsform beträgt der Winkel zwischen den angrenzenden Seitenwänden des proximalen Teils und des distalen Teils jeweils weniger als 120°.
In einer Ausführungsform beträgt der Winkel zwischen den angrenzenden Seitenwänden des proximalen Teils und des distalen Teils jeweils weniger als 100°.
In einer Ausführungsform beträgt der Winkel zwischen den angrenzenden Seitenwänden des proximalen Teils und des distalen Teils jeweils zwischen 90° und weniger als 135°.
In einer Ausführungsform hat der proximale Teil eine konstante Breite. Dementsprechend hat eine Ablenkung über die gesamte Länge ihres proximalen Teils die gleiche Breite.
In einer Ausführungsform ist das Kühlsystem eine Kühlvorrichtung für elektronische Komponenten. Das Kühlsystem kann eine Kühlvorrichtung für Leistungselektronik wie IGBT-Module (Insulated Gate Bipolar Transistors) sein.
Das Kühlmittel kann eine Flüssigkeit sein. Das flüssige Kühlmittel kann beispielsweise eine wasserhaltige Flüssigkeit sein.
In einer Ausführungsform haben die gegeneinander versetzten Wände die gleiche Dicke.
In einer Ausführungsform hat der proximale Teil jeder Ablenkung die gleiche Geometrie und Dicke.
Der distale Teil jeder Ablenkung hat eine Breite, die grösser ist als die Breite des proximalen Teils. Die distalen Teile verschiedener Ablenkungen können sich voneinander unterscheiden. In einer Ausführungsform sind jedoch die distalen Teile aller Ablenkungen gleich.
Bei einer Ausführungsform ist die Länge des proximalen Teils größer als die Länge des distalen Teils. Hierdurch ist es möglich, die mechanischen Spannungen des Schmiedewerkzeuges stark zu reduzieren und somit die Lebensdauer des Schmiedewerkzeuges zu verlängern.
In einer Ausführungsform ist die Länge des proximalen Teils grösser als die doppelte Länge des distalen Teils.
In einer Ausführungsform ist die Länge des proximalen Teils grösser als die dreifache Länge des distalen Teils.
In einer Ausführungsform ist die Länge des proximalen Teils größer als die vierfache Länge des distalen Teils.
Durch das Steigern der Länge des proximalen Teils im Verhältnis zur Länge des distalen Teils ist es möglich, die mechanischen Spannungen des Schmiedewerkzeugs zu verringern. Gleichzeitig kann der Materialverbrauch für die Herstellung des proximalen Teils reduziert werden. Entsprechend können die Produktionskosten reduziert werden.
In einer Ausführungsform ist eine Reihe von Vertiefungen im proximalen Teil vorgesehen. Hierdurch ist es möglich, entweder den Wärmewiderstand bei Beibehaltung des gleichen Druckabfall auf bis zu ..... zu reduzieren oder den Wärmewiderstand bei Reduzierung des durch den proximalen Teil verursachten Druckabfalls beizubehalten. Es kann vorteilhaft sein, dass im proximalen Teil mehrere Vertiefungen vorgesehen sind.
In einer Ausführungsform erstrecken sich die Vertiefungen senkrecht zur Längsachse des proximalen Teils.
In einer Ausführungsform haben die Vertiefungen einen einheitlichen Querschnitt. Hierdurch kann die Herstellung des Kühlsystems erleichtert werden.
Es kann von Vorteil sein, dass im distalen Teil eine Reihe von Vertiefungen vorgesehen ist. Die Vertiefungen können die Kühleffizienz des Kühlsystems erhöhen. Es kann vorteilhaft sein, mehrere Vertiefungen im distalen Teil vorzusehen.
In einer Ausführungsform verlaufen die Vertiefungen senkrecht zur Längsachse des proximalen Teils. Hierdurch kann die Herstellung des Kühlsystems erleichtert werden.
In einer Ausführungsform haben die Vertiefungen einen einheitlichen Querschnitt. Dies kann aus Sicht der Produktion ein Vorteil sein.
In einer Ausführungsform ist eine Reihe von Vorsprüngen im proximalen Teil vorgesehen. Hierdurch ist es möglich, entweder den Wärmewiderstand bei gleichem Druckabfall zu verringern oder den Wärmewiderstand bei gleichzeitiger Verringerung des durch den proximalen Teil verursachten Druckabfalls beizubehalten. Es kann von Vorteil sein, dass mehrere Vorsprünge im proximalen Teil vorgesehen sind.
Aus produktionstechnischer Sicht kann es vorteilhaft sein, dass die Vorsprünge sich senkrecht zur Längsachse des proximalen Teils erstrecken. Außerdem kann es von Vorteil sein, dass die Vorsprünge einen einheitlichen Querschnitt aufweisen.
Bei einer Ausführungsform ist im distalen Teil eine Reihe von Vorsprüngen vorgesehen. Das Vorhandensein von Vorsprüngen kann entweder den Wärmewiderstand bei gleichem Druckabfall verringern oder den Wärmewiderstand bei Verringerung des Druckabfalls aufrechterhalten. Es kann von Vorteil sein, mehrere Vorsprünge im distalen Teil vorzusehen.
In einer Ausführungsform erstrecken sich die Vorsprünge senkrecht zur Längsachse des proximalen Teils.
In einer Ausführungsform haben die Vorsprünge einen einheitlichen Querschnitt.
Es kann vorteilhaft sein, dass das Kühlsystem eine einzige Kühlanordnung enthält. Hierdurch kann die Komplexität des Kühlsystems minimiert werden. Zudem kann eine einzelne strömungserzeugende Einheit (z.B. eine Pumpe) eingesetzt werden.
In einer Ausführungsform ist die Kühlanordnung auf einer Grundplatte angeordnet. Es kann vorteilhaft sein, dass die Kühlanordnung zentral auf einer Grundplatte angeordnet ist. Hierdurch können optimale Bedingungen für die Kühlung des zentralen Teils der Grundplatte erreicht werden. Dies kann in den meisten Situationen von Vorteil sein, in denen Wärme durch Leistungskomponenten (z.B. Leistungshalbleiter) erzeugt wird, die am oder nahe dem zentralen Teil der Grundplatte angeordnet sind.
In einer Ausführungsform enthält das Kühlsystem zwei Kühlanordnungen, die auf einer Grundplatte angeordnet sind. Hierdurch ist es möglich, die Kühlanordnungen an getrennten Positionen zu platzieren, um eine möglichst effiziente Kühlung zu gewährleisten.
Es kann vorteilhaft sein, dass die Kühlanordnungen voneinander beabstandet sind. Dies kann vorteilhaft sein, wenn die wärmeerzeugenden Komponenten wie z.B. Leistungshalbleiter voneinander entfernt sind.
In einer Ausführungsform enthält das Kühlsystem drei oder mehr auf einer Grundplatte angeordnete Kühlanordnungen. Hierdurch ist es möglich, drei oder mehr Kühlanordnungen an verschiedenen Positionen zu platzieren, um eine optimale Kühlung zu gewährleisten.
Wenn die wärmeerzeugenden Komponenten, wie z.B. Leistungshalbleiter, voneinander beabstandet sind, kann es von Vorteil sein, dass die Kühlanordnungen voneinander beabstandet sind.
Der Querschnitt des distalen Teils kann eine beliebige geeignete Geometrie aufweisen.
In einer Ausführungsform ist der Querschnitt des distalen Teils kreisförmig.
In einer Ausführungsform ist der Querschnitt des distalen Teils rechteckig.
In einer Ausführungsform ist der Querschnitt des distalen Teils quadratisch.
In einer Ausführungsform ist der Querschnitt des distalen Teils oval.
In einer Ausführungsform ist der Querschnitt des distalen Teils sechseckig.
In einer Ausführungsform ist der Querschnitt des distalen Teils achteckig.
In einer Ausführungsform ist der Querschnitt des distalen Teils ein abgerundetes Rechteck.
In einer Ausführung ist der Querschnitt des distalen Teils ein abgerundetes Quadrat.
Es kann von Vorteil sein, dass die Ablenkungen parallel zueinander verlaufen.
In einer Ausführung verlaufen die Ablenkungen im Wesentlichen senkrecht zu der Wand, von der aus die Ablenkungen in den Durchgang hineinragen.
In einer Ausführungsform wird das Kühlsystem durch einen 3D-Drucker hergestellt. Dementsprechend kann es von Vorteil sein, ein computerlesbares Medium mit computerausführbaren Anweisungen zu haben, die geeignet sind, einen 3D-Drucker dazu zu veranlassen, ein erfindungsgemäßes Kühlsystem zu drucken.
Figurenliste
Die Erfindung lässt sich besser anhand der nachstehenden detaillierten Beschreibung verstehen. Die beigefügten Zeichnungen dienen lediglich der Veranschaulichung und schränken die vorliegende Erfindung nicht ein. Es zeigen:

1A ein erfindungsgemäßes Kühlsystem in perspektivischer Ansicht;
1B eine Nahaufnahme eines Teils des in 1A dargestellten Kühlsystems;
2A eine perspektivische Ansicht einer ersten Ausführungsform einer Ablenkung eines erfindungsgemäßen Kühlsystems;
2B eine perspektivische Ansicht einer zweiten Ausführungsform einer Ablenkung eines erfindungsgemäßen Kühlsystems;
2C eine perspektivische Ansicht einer dritten Ausführungsform einer Ablenkung eines erfindungsgemäßen Kühlsystems;
2D eine perspektivische Ansicht einer vierten Ausführungsform einer Ablenkung eines erfindungsgemäßen Kühlsystems;
2E eine perspektivische Ansicht einer fünften Ausführungsform einer Ablenkung eines erfindungsgemäßen Kühlsystems;
3A eine Draufsicht auf ein Kühlsystem, das eine einzelne große Kühlanordnung beinhaltet;
3B eine Draufsicht auf ein Kühlsystem, das drei kleinere Kühlanordnungen beinhaltet;
3C eine perspektivische Ansicht eines ersten Kühlsystems nach dem Stand der Technik;
3D eine perspektivische Ansicht eines zweiten Kühlsystems nach dem Stand der Technik;
3E eine perspektivische Ansicht eines dritten Kühlsystems nach dem Stand der Technik;
4A eine Draufsicht auf eine erste Ausführungsform einer Ablenkung eines erfindungsgemäßen Kühlsystems;
4B eine Draufsicht auf eine zweite Ausführungsform einer Ablenkung eines erfindungsgemäßen Kühlsystems;
4C eine Draufsicht auf eine dritte Ausführungsform einer Ablenkung eines erfindungsgemäßen Kühlsystems;
4D eine Draufsicht auf eine vierte Ausführungsform einer Ablenkung eines erfindungsgemäßen Kühlsystems;
4E eine Draufsicht auf eine fünfte Ausführungsform einer Ablenkung eines erfindungsgemäßen Kühlsystems;
Fig.. 4F eine Draufsicht auf eine sechste Ausführungsform einer Ablenkung eines erfindungsgemäßen Kühlsystems;
Fig.. 4G eine Draufsicht auf eine siebte Ausführungsform einer Ablenkung eines erfindungsgemäßen Kühlsystems;
4H eine Draufsicht auf eine achte Ausführungsform einer Ablenkung eines erfindungsgemäßen Kühlsystems;
5 eine perspektivische Nahaufnahme eines Teils eines erfindungsgemäßen Kühlsystems;
6A eine perspektivische Ansicht einer ersten Ausführungsform einer Ablenkung eines erfindungsgemäßen Kühlsystems;
6B eine perspektivische Ansicht einer zweiten Ausführungsform einer Ablenkung eines erfindungsgemäßen Kühlsystems und
6C eine perspektivische Ansicht einer dritten Ausführungsform einer Ablenkung eines erfindungsgemäßen Kühlsystems.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung
Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen zum Zwecke der Veranschaulichung bevorzugter Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ist ein Kühlsystem 26 der vorliegenden Erfindung in 1A dargestellt.
1A zeigt eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Kühlsystems 26. Das Kühlsystem 26 enthält eine Kühlanordnung 24, die mit einem serpentinenförmigen Durchgang 20 versehen ist, der so konfiguriert ist, dass er ein zirkulierendes flüssiges Kühlmittel (z.B. eine wasserhaltige Flüssigkeit) aufnimmt und leitet. Der Durchgang 20 ist zwischen einer Vielzahl von Wänden 6, 8 vorgesehen, die gegeneinander versetzt sind. Eine Reihe von Ablenkungen 10 ist innerhalb des Durchgangs 20 angeordnet. Jede der Ablenkungen 10 erstreckt sich von einer Wand 6, 8 in den Durchgang 20.
Es ist zu erkennen, dass jede Ablenkung 10 einen distalen Teil und einen proximalen Teil enthält, wobei der distale Teil eine größere Breite als der proximale Teil aufweist. Die Kühlanordnung 24 enthält einen Gehäusewandteil, der alle übrigen Wände und Ablenkungen 10 der Kühlanordnung 24 einschließt. Die Umfassungswand ist rechteckig. Die Wände 6, 8 und der proximale Teil der Ablenkungen 10 haben im Wesentlichen die gleiche Dicke.
Die Kühlanordnung 24 befindet sich auf einem Plattenelement 4, das eine Grundplatte 2 bildet. Die Grundplatte 2 kann für ein Leistungsmodul verwendet werden, das eine Anzahl von Leistungshalbleitern enthält (nicht abgebildet).
1B zeigt eine Detailansicht eines Teils der Kühlanordnung 24 des in 1A gezeigten Kühlsystems. Die Kühlanordnung 24 umfasst einen serpentinenförmigen Durchgang 20 für eine zirkulierende Flüssigkeit (z.B. Wasser). Der Durchgang 20 ist zwischen einer Vielzahl von Wänden 6 vorgesehen, die gegeneinander versetzt sind. Eine Vielzahl von Ablenkungen 10 ist innerhalb des Durchgangs 20 so angeordnet, dass sich jede Ablenkung 10 von einer Wand 6 in den Durchgang 20 erstreckt.
Der Winkel α zwischen benachbarten Wänden 6 und Ablenkungen 10 ist angegeben. Es ist zu erkennen, dass der Winkel α etwa 90 Grad beträgt. Dementsprechend verläuft die Längsachse jeder Ablenkung 10 im Wesentlichen senkrecht zur Längsachse der Wand, von der sich die Ablenkung 10 in den Durchgang 20 erstreckt. Außerdem ist zu erkennen, dass die Wände 6, 8 parallel zueinander verlaufen und dass die Ablenkungen 10 parallel zueinander verlaufen.
2A zeigt eine perspektivische Ansicht einer ersten Ausführungsform einer Ablenkung 10 eines erfindungsgemäßen Kühlsystems. Die Ablenkung 10 enthält einen länglichen proximalen Teil 12 und einen sich in dessen Verlängerung erstreckenden distalen Teil 14. Die Breite des distalen Teils 14 ist größer ist als die Breite des proximalen Teils 12. Der proximale Teil 12 hat einen rechteckigen Querschnitt, während der distale Teil 14 einen kreisförmigen Querschnitt hat.
2B zeigt eine perspektivische Ansicht einer zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsform einer Ablenkung 10 eines Kühlsystems. Die Ablenkung 10 enthält einen länglichen proximalen Teil 12, der mit einer Vielzahl von Vertiefungen 16 versehen ist. Die Vertiefungen 16 sind gleichmäßig entlang zweier gegenüberliegender aufrechter Flächen eines Teils des proximalen Teils 12 verteilt. Die Vertiefungen 16 können jedoch unterschiedlich angeordnet sein. Die Vertiefungen 16 haben einen rechteckigen Querschnitt, können jedoch eine andere Form haben. In einer Ausführung haben die Vertiefungen 16 einen halbkreisförmigen oder halbovalen Querschnitt. Die Ablenkung 10 enthält einen distalen Teil 14, der sich in Verlängerung des proximalen Teils 12 erstreckt. Der distale Teil 14 entspricht dem in 2A gezeigten Teil und seine Breite ist grösser ist als die Breite des proximalen Teils 12.
2C zeigt eine perspektivische Ansicht einer dritten Ausführungsform einer Ablenkung 10 eines erfindungsgemäßen Kühlsystems. Die Ablenkung 10 entspricht im Wesentlichen der in 2B dargestellten. Der proximale Teil 12 ist jedoch mit einer Vielzahl von Vertiefungen 16 versehen. Die Vertiefungen 16 haben einen rechteckigen Querschnitt, können aber auch eine andere Form haben (z.B. halbkreisförmigen oder halbovalen Querschnitt).
2D zeigt eine perspektivische Ansicht einer vierten Ausführungsform einer Ablenkung 10 eines erfindungsgemäßen Kühlsystems. Die Ablenkung 10 enthält einen proximalen Teil 12, der wie die in 2C gezeigte Ablenkung 10 mit Vertiefungen 16 versehen ist. Die Vertiefungen 16 sind jedoch mit geringerem Abstand zueinander angeordnet (zwischen benachbarten Vertiefungen 16). Darüber hinaus ist der distale Teil 14 mit einer Vielzahl von gleichmäßig verteilten Vertiefungen 18 versehen, die sich axial entlang des Außenumfangs des distalen Teils 14 erstrecken. Die Vertiefungen 18 haben einen halbkreisförmigen Querschnitt.
2E zeigt eine perspektivische Ansicht einer fünften Ausführungsform einer Ablenkung 10 eines erfindungsgemäßen Kühlsystems. Die Ablenkung 10 enthält einen distalen Teil 14, der wie die in 2D gezeigte Ablenkung 10 mit Vertiefungen 18 versehen ist. Die Ablenkung 10 enthält einen proximalen Teil 12, der mit Vorsprüngen 22 versehen ist, die gleichmäßig entlang der beiden gegenüberliegenden aufrechten Flächen des proximalen Teils 12 verteilt sind. Die Vorsprünge 22 haben einen halbkreisförmigen Querschnitt und dieselbe Höhe wie der übrige Teil des proximalen Teils 12.
3A zeigt eine Draufsicht auf ein Kühlsystem 26, das eine einzige große Kühlanordnung 24 enthält. Die Kühlanordnung 24 ist auf einem Plattenelement 4 angeordnet, das eine Grundplatte für ein Leistungsmodul mit einer Vielzahl von Leistungshalbleitern bilden kann. Die Kühlanordnung 24 ist zentral auf dem Plattenelement 4 angeordnet und bedeckt den größten Teil des Plattenelements. Dementsprechend ist die Kühlanordnung 24 in der Lage, wärmeerzeugende Komponenten zu kühlen, die fast überall auf dem Plattenelement 4 angeordnet sind.
3B zeigt eine Draufsicht auf ein Kühlsystem 26 mit drei kleineren Kühlanordnungen 24, 24', 24", die auf einem Plattenelement 4 angeordnet sind. Das Plattenelement 4 kann eine Grundplatte für ein Leistungsmodul bilden. Die Kühlanordnungen 24, 24', 24" sind an verschiedenen Positionen auf dem Plattenelement 4 angeordnet. Dementsprechend sind die Kühlanordnungen 24, 24', 24" in der Lage, wärmeerzeugende Komponenten zu kühlen, die an diesen Positionen angeordnet sind. Die Kühlanordnungen 24, 24', 24" können überall dort angeordnet werden, wo eine Kühlung erforderlich ist.
Die Größe, Geometrie und Anzahl der Kühlanordnungen 24, 24', 24" kann entsprechend dem tatsächlichen Kühlbedarf gewählt werden. In einer Ausführung enthält das Kühlsystem 26 zwei Kühlanordnungen. In einer Ausführung enthält das Kühlsystem 26 vier Kühlanordnungen.
3C veranschaulicht eine perspektivische Ansicht eines ersten Kühlsystems 26' nach dem Stand der Technik. 3D zeigt eine perspektivische Ansicht eines zweiten Kühlsystems 26' nach dem Stand der Technik, während 3E eine perspektivische Ansicht eines dritten Kühlsystems 26' nach dem Stand der Technik zeigt. Jedes Kühlsystem 26' enthält eine Kühlanordnung, die auf einer Grundplatte 2 angeordnet ist. Die Kühlanordnung ist mit einem serpentinenförmigen Durchgang für ein zirkulierendes flüssiges Kühlmittel versehen. Der Durchgang ist zwischen einer Vielzahl von Wänden vorgesehen, die gegeneinander versetzt sind, und eine Reihe von Ablenkungen ist innerhalb des Durchgangs angeordnet. Es besteht jedoch kein Unterschied zwischen der Breite des distalen Teils der Ablenkungen und der Breite des proximalen Teils der Ablenkungen.
4A zeigt eine Draufsicht auf eine erste Ausführungsform einer Ablenkung eines Kühlsystems entsprechend der Erfindung. Die Ablenkung umfasst einen proximalen Teil 12 mit einer Länge L₂ und einer Breite W₁ und einen distalen Teil 14 mit einer Länge L₁ und einer Breite W₁ . Es ist zu erkennen, dass die Breite W₂ des distalen Teils 14 größer ist als die Breite W₁ des proximalen Teils 12. Der distale Teil 12 hat einen kreisförmigen Querschnitt, während der proximale Teil 14 einen rechteckigen Querschnitt hat. Der Winkel β zwischen den angrenzenden Seitenwänden des proximalen Teils 14 und des distalen Teils 12 beträgt etwa 120°.
4B zeigt eine Draufsicht auf eine zweite Ausführungsform einer Ablenkung eines erfindungsgemäßen Kühlsystems, wobei die Ablenkung einen distalen Teil 12 mit rechteckigem Querschnitt und einen proximalen Teil 14 mit rechteckigem Querschnitt aufweist. Die Breite W₂ des distalen Teils 14 ist größer als die Breite W₁ des proximalen Teils 12. Der Winkel β zwischen den angrenzenden Seitenwänden des proximalen Teils 14 und des distalen Teils 12 beträgt 90°.
4C zeigt eine Draufsicht auf eine dritte Ausführungsform einer Ablenkung eines erfindungsgemäßen Kühlsystems. Die Ablenkung enthält einen distalen Teil 12 mit einem quadratischen Querschnitt und einem proximalen Teil 14 mit einem rechteckigen Querschnitt. Die Breite W₂ des distalen Teils 14 ist größer als die Breite W₁ des proximalen Teils 12. Der Winkel β zwischen den benachbarten Seitenwänden des proximalen Teils 14 und des distalen Teils 12 beträgt 90°.
4D zeigt eine Draufsicht auf eine vierte Ausführungsform einer Ablenkung eines erfindungsgemäßen Kühlsystems. Die Ablenkung enthält einen distalen Teil 12 mit einem quadratischen Querschnitt mit abgerundeten Ecken und einem proximalen Teil 14 mit rechteckigem Querschnitt. Die Breite W₂ des distalen Teils 14 ist größer als die Breite W₁ des proximalen Teils 12. Der Winkel β zwischen den angrenzenden Seitenwänden des proximalen Teils 14 und des distalen Teils 12 beträgt 90°.
4E zeigt eine Draufsicht auf eine fünfte Ausführungsform einer Ablenkung eines erfindungsgemäßen Kühlsystems. Die Ablenkung enthält einen distalen Teil 12 mit einem sechseckigen Querschnitt und einem proximalen Teil 14 mit einem rechteckigen Querschnitt. Die Breite W₂ des distalen Teils 14 ist größer als die Breite W₁ des proximalen Teils 12. Der Winkel β zwischen den benachbarten Seitenwänden des proximalen Teils 14 und des distalen Teils 12 beträgt 120°.
4F zeigt eine Draufsicht auf eine sechste Ausführungsform einer Ablenkung eines erfindungsgemäßen Kühlsystems. Die Ablenkung enthält einen distalen Teil 12 mit sternförmigem Querschnitt und einen proximalen Teil 14 mit rechteckigem Querschnitt. Die Breite W₂ des distalen Teils 14 ist größer als die Breite W₁ des proximalen Teils 12. Der Winkel β zwischen den angrenzenden Seitenwänden des proximalen Teils 14 und des distalen Teils 12 beträgt 90°.
4G zeigt eine Draufsicht auf eine siebte Ausführungsform einer Ablenkung eines erfindungsgemäßen Kühlsystems. Die Ablenkung enthält einen distalen Teil 12 mit einem ovalen Querschnitt und einem proximalen Teil 14 mit einem rechteckigen Querschnitt. Die Breite W₂ des distalen Teils 14 ist größer als die Breite W₁ des proximalen Teils 12. Der Winkel β zwischen den benachbarten Seitenwänden des proximalen Teils 14 und des distalen Teils 12 beträgt 90°.
4H zeigt eine Draufsicht auf eine achte Ausführungsform einer Ablenkung eines erfindungsgemäßen Kühlsystems. Die Ablenkung enthält einen distalen Teil 12 mit einem ovalen Querschnitt und einem proximalen Teil 14 mit einem rechteckigen Querschnitt. Die Breite W₂ des distalen Teils 14 ist größer als die Breite W₁ des proximalen Teils 12. In allen in 4A - 4H gezeigten Ausführungsformen ist die Länge L₂ des proximalen Teils 12 größer als die Länge L₁ des distalen Teils 12. Der Winkel β zwischen den angrenzenden Seitenwänden des proximalen Teils 14 und des distalen Teils 12 beträgt 90°.
5 zeigt eine perspektivische Detailansicht eines Teils einer Kühlanordnung 24 eines erfindungsgemäßen Kühlsystems. Die Kühlanordnung 24 enthält parallele Wänden 6, 8 und mehrere parallele Ablenkungen 10, die jeweils einen proximalen Teil 12 und einen distalen Teil 14 aufweisen. Die Ablenkungen 10 sind in einem Durchgang 20 angeordnet und erstrecken sich von einer der Wände 6, 8 in den Durchgang 20. Für jede Ablenkung 10 hat der distale Teil 14 eine Breite W₂ , die grösser ist als die Breite W₁ des proximalen Teils 12 der Ablenkung 10.
Es ist zu erkennen, dass die Dicke D₅ (Abstand zwischen zwei gegenüberliegenden aufrechten Flächen) der Wand 8 der Dicke D₆ (Abstand zwischen zwei gegenüberliegenden aufrechten Flächen) der Wand 6 und der Dicke D₃ (Abstand zwischen zwei gegenüberliegenden aufrechten Flächen) des proximalen Teils 12 der Ablenkung 10 entspricht.
Der Abstand D₂ zwischen benachbarten Ablenkungen 10 entspricht im Wesentlichen dem Abstand D₁ zwischen dem distalen Teil 14 und der benachbarten Wand 6 und D₄ dem Abstand zwischen dem distalen Teil einer Ablenkung und dem proximalen Teil 12 der benachbarten Ablenkung 10. Der Winkel α zwischen einer Wand 8 und dem davon ausgehenden proximalen Teil 12 der Ablenkung 10 beträgt etwa 90°. Daher verläuft die Längsachse jeder Ablenkung 10 im Wesentlichen senkrecht zur Längsachse der Wand 6, 8, von der aus sich die Ablenkung 10 in den Durchgang 20 erstreckt. Außerdem ist zu erkennen, dass die proximalen Teile 12 der Ablenkungen 10 parallel zueinander verlaufen. Der Winkel β zwischen den benachbarten Seitenwänden des proximalen Teils 14 und des distalen Teils 12 beträgt etwa 120°.
6A zeigt eine perspektivische Ansicht einer ersten Ausführungsform einer Ablenkung 10 eines erfindungsgemäßen Kühlsystems, während 6B eine perspektivische Ansicht einer zweiten Ausführungsform einer Ablenkung 10 eines erfindungsgemäßen Kühlsystems zeigt. Jede Ablenkung 10 enthält einen kastenförmigen proximalen Teil 12, der mit bogenförmigen Vertiefungen 16 versehen ist, welche sich entlang der beiden einander gegenüberliegenden aufrechten Flächen des proximalen Teils 12 erstrecken. Die beiden einander gegenüberliegenden senkrechten Flächen liegen parallel zu der Ebene, die von der Längsachse X der Ablenkung 10 und der Achse Y, die senkrecht zur Oberseite des proximalen Teils 12 verläuft, gespannt ist und der Längsachse X. Jede Vertiefung 16 erstreckt sich entlang der Querachse Z.
Die in 6A gezeigte Ablenkung 10 enthält einen zylindrischen distalen Teil 14. Die Länge des distalen Teils 14 verläuft parallel zur Achse Z. Die in 6B gezeigte Ablenkung 10 enthält einen zylindrischen distalen Teil 14, der mit Vertiefungen 18 mit halbkreisförmigem Querschnitt versehen ist. Die Länge des distalen Teils 14 und die Länge der Vertiefungen verlaufen parallel zueinander und zur Achse Z. Der Winkel β zwischen den benachbarten Seitenwänden des proximalen Teils 12 und des distalen Teils 14 beträgt etwa 120°. In 6A erstreckt sich die Seitenwand des proximalen Teils 12 entlang der Längsachse X und der Y-Achse, während sich die Seitenwand des distalen Teils 14 entlang eines zylindrischen Teils mit einer parallel zur Y-Achse verlaufenden Längsachse erstreckt. In 6B hingegen erstreckt sich die Seitenwand des distalen Teils 14 entlang eines zylindrischen Teils mit einem Längsachse, die parallel zur Y-Achse verläuft, wobei der zylindrische Teil mit Vertiefungen 18 versehen ist.
6C zeigt eine perspektivische Ansicht einer dritten Ausführungsform einer Ablenkung 10 eines erfindungsgemäßen Kühlsystems. Die Ablenkung 10 enthält einen kastenförmigen proximalen Teil 12 und einen zylindrischen distalen Teil 14. Eine Vielzahl von Vorsprüngen 22' ist gleichmäßig entlang des Außenumfangs des proximalen Teils 12 verteilt. Der Winkel β zwischen den benachbarten Seitenwänden des proximalen Teils 14 und des distalen Teils 14 beträgt etwa 120°.
Bezugszeichenliste

2: flüssigkeitsgekühlte Grundplatte
4: Plattenelement
6: äußere Wand
8: Innenwand
10: Ablenkung (strömungsleitende Schaufel)
12: proximaler Teil
14: distaler Teil
16, 18: Vertiefung
20: Durchgang
22,22': Vorsprung
24, 24', 24": Kühlanordnung
26: Kühlsystem
W1, W2: Breite
L1, L2: Länge
α, β: Winkel
D1, D2, D3: Abstand
D4, D5, D6: Abstand
X, Y, Z: Achse

Claims

Kühlsystem (26) mit einer Kühlanordnung (24, 24', 24"), das mit einem serpentinenförmigen Durchgang (20) für ein zirkulierendes Flüssigkühlmittel versehen ist, wobei der Durchgang (20) zwischen einer Vielzahl von Wänden (6, 8) vorgesehen ist, die gegeneinander versetzt sind, wobei eine Reihe von Ablenkungen (10), die jeweils einen proximalen Teil (12) und einen distalen Teil (14) aufweisen, innerhalb des Durchgangs (20) angeordnet sind, wobei sich die Ablenkungen (10) von einer der Wände (6, 8) in den Durchgang (20) erstrecken, dadurch gekennzeichnet, dass der distale Teil (14) eine Breite (W₂) aufweist, die größer als die Breite (W₁) des proximalen Teils (12) ist, und dass der proximale Teil (12) und der distale Teil (14) benachbarte Seitenwände enthalten, wobei der Winkel (β) zwischen den benachbarten Seitenwänden weniger als 180° beträgt.
Kühlsystem (26) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge (L₂) des proximalen Teils (12) größer ist als die Länge (L₁) des distalen Teils (14).
Kühlsystem (26) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Anzahl von Vertiefungen (16) im proximalen Teil (12) vorgesehen ist.
Kühlsystem (26) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im distalen Teil (14) eine Anzahl von Vertiefungen (18) vorgesehen ist.
Kühlsystem (26) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Anzahl von Vorsprüngen (22) im proximalen Teil (12) vorgesehen ist.
Kühlsystem (26) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im distalen Teil (14) eine Anzahl von Vorsprüngen (22') vorgesehen ist.
Kühlsystem (26) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlsystem (26) eine einzige Kühlanordnung (24) umfasst.
Kühlsystem (26) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlanordnung (24) auf einer Grundplatte (2) angeordnet ist.
Kühlsystem (26) nach einem der vorstehenden Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlsystem (26) zwei Kühlanordnungen (24, 24') umfasst, die auf einer Grundplatte (2) angeordnet sind.
Kühlsystem (26) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlsystem (26) drei oder mehr Kühlanordnungen (24, 24', 24") umfasst, die auf einer Grundplatte (2) angeordnet sind.
Kühlsystem (26) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnitt des distalen Teils (14) rund ist.
Kühlsystem (26) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ablenkungen (10) parallel zueinander verlaufen.
Kühlsystem (26) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Ablenkungen (10) im Wesentlichen senkrecht zu der Wand (6, 8) erstrecken, von der aus sich die Ablenkungen (10) in den Durchgang (20) erstrecken.
Computerlesbares Medium mit computerausführbaren Anweisungen, das angepasst wurde, um einen 3D-Drucker zu veranlassen, ein Kühlsystem (26) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche zu drucken.