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Die Erfindung betrifft eine Kühlvorrichtung zum Kühlen eines elektronischen Bauteils, insbesondere eines Leistungshalbleiters.
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Zum Kühlen thermisch anspruchsvoller elektronischer Komponenten, wie beispielsweise von Leistungshalbleitern, reicht oftmals eine passiv-konvektive Kühlung unter Zuhilfenahme eines Kühlkörpers nicht aus. Es ist in solchen Fällen daher notwendig, zusätzlich aktiv eine auf den Kühlkörper gerichtete Luftströmung zu erzeugen.
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Neben der Verwendung mechanischer Lüfter, die sowohl laut als auch verschleißanfällig sind, ist hierfür auch die Verwendung von Ultraschallwandlern bekannt. Solche Wandler, beispielsweise piezoelektrische Sonotroden, erzeugen neben der eigentlichen Ultraschallschwingung auch einen vom Wandler weg gerichteten Luftstrom, der sogenannte Ultraschallwind, der zur aktiven Kühlung genutzt werden kann.
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Verglichen mit mechanischen Lüftern wird mit Ultraschallwandlern jedoch nur ein relativ geringer Luftdurchsatz erzeugt.
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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Kühlvorrichtung bereitzustellen, welche einen verbesserten Wärmeabtransport von elektronischen Bauelementen ermöglicht und insbesondere einen erhöhten Luftdurchsatz erzeugt.
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Diese Aufgabe wird durch eine Kühlvorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie mit einer Kühlvorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 2 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den zugehörigen Unteransprüchen, der nachfolgenden Beschreibung und der Zeichnung.
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Die erfindungsgemäße Kühlvorrichtung ist zum Kühlen eines elektronischen Bauelements, insbesondere eines Leistungshalbleiters, ausgebildet. Sie weist zumindest ein Sonotrodenelement zur Erzeugung von Ultraschallwellen einer vorgegebenen Wellenlänge auf. Ferner weist die erfindungsgemäße Kühlvorrichtung ein dem Sonotrodenelement zugeordnetes Resonanzrohr mit einem ersten geöffneten Ende und einem zweiten geöffneten Ende auf. Bei der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung ist das Sonotrodenelement dem ersten Ende näher als dem zweiten Ende des Resonanzrohres angeordnet oder aber das erste Ende weist zum Sonotrodenelement hin. Der Abstand von Sonotrode und zweitem Ende und/oder von erstem Ende und zweitem Ende entspricht im Wesentlichen einem ganzzahligen Vielfachen der halben Wellenlänge. Alternativ oder zusätzlich zum jeweiligen Abstand entspricht der Strömungsweg zwischen Sonotrode und zweitem Ende und/oder der Strömungsweg zwischen erstem Ende und zweitem Ende durch das Resonanzrohr hindurch im Wesentlichen einem ganzzahligen Vielfachen der halben Wellenlänge.
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Es versteht sich, dass ein im Wesentlichen einem ganzzahligen Vielfachen der halben Wellenlänge entsprechender Abstand oder Strömungsweg geringfügig, d.h. insbesondere um höchstens ein Achtel, vorzugsweise um höchstens ein Sechzehntel der Wellenlänge, von dem ganzzahligen Vielfachen der halben Wellenlänge abweichen kann. Idealerweise betragen die Abweichungen von dem ganzzahligen Vielfachen der halben Wellenlänge höchstens ein Zweiunddreißigstel der Wellenlänge.
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Aufgrund dieser geometrischen Anordnung bildet sich am zweiten Ende des Resonanzrohres ein Wellenbauch der durch das Sonotrodenelement resonant angeregten stehenden Ultraschallwellen aus – zwischen dem Sonotrodenelement und dem zweiten Ende des Resonanzrohres oder zwischen dem ersten Ende und dem zweiten Ende des Resonanzrohres wird also eine stehende Welle erzeugt. Somit entsprechen beim erfindungsgemäßen Kühlkörper die Schwingungsverhältnisse einer offenen Orgelpfeife.
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Durch das im Resonanzrohr schwingende Ultraschallfeld wird am zweiten Ende des Resonanzrohres eine, verglichen mit resonanzrohrfreien Anordnungen, deutlich erhöhte Strömungsgeschwindigkeit der strömenden Luft erreicht. Folglich ist der Wärmeübergang eines nah dem zweiten Endes angeordneten Kühlkörpers an die strömende Luft deutlich verbessert.
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Besonders zweckmäßig ist das erste Ende des Resonanzrohres von der Sonotrode um ein Vielfaches der halben Wellenlänge beabstandet, wobei zudem das erste und das zweite Ende des Resonanzrohres voneinander um ein Vielfaches der halben Wellenlänge voneinander beabstandet sind oder aber der Strömungsweg zwischen erstem und zweitem Ende ein Vielfaches der halben Wellenlänge beträgt. Auf diese Weise können sich zwischen erstem und zweitem Ende sowie zwischen Sonotrodenelement und zweitem Ende ausbildende Resonanzen vorteilhaft gegenseitig überlagern und verstärken.
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Zweckmäßig ist bei der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung das Sonotrodenelement außerhalb des Resonanzrohres und/oder stirnseitig zu diesem angeordnet. Auf diese Weise kann das Sonotrodenelement besonders effizient Resonanzen im Resonanzrohr anregen.
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Vorteilhaft umfasst die erfindungsgemäße Kühlvorrichtung ferner einen mit dem Bauelement koppelbaren Kühlkörper, welcher nah dem zweiten Ende des Resonanzrohres, insbesondere stirnseitig zu diesem und/oder außerhalb des Resonanzrohres, angeordnet ist. Die aus dem Resonanzrohr austretende, in ihrer Strömungsgeschwindigkeit gegenüber dem Stand der Technik deutlich erhöhte Luft kann so den Kühlkörper geeignet mit wärmeabführender Luft beströmen.
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Bevorzugt ist bei der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung zwischen zweitem Ende des Resonanzrohres und dem Kühlkörper ein Luftspalt vorgesehen. Hierdurch wird ein Abströmen des durch den Ultraschallwind zugeführten Luftstromes ermöglicht.
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Idealerweise entspricht bei der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung der Abstand zwischen dem Sonotrodenelement und dem zweiten Ende des Resonanzrohres und/oder zwischen dem ersten und dem zweiten Ende des Resonanzrohres und/oder der Strömungsweg zwischen Sonotrode und zweitem Ende des Resonanzrohres und/oder zwischen erstem und zweitem Ende des Resonanzrohres durch das Resonanzrohr hindurch einer halben und/oder einer und/oder anderthalb und/oder zwei und/oder zweieinhalb und/oder drei Wellenlänge/n. In der Praxis lassen sich auf diese Weise effizient Resonanzen anregen.
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Zweckmäßigerweise entspricht bei der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung der Durchmesser des Resonanzrohres im Wesentlichen der Wellenlänge. Resonanzen lassen im Resonanzrohr sich in diesem Falle besonders einfach anregen.
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Es versteht sich, dass ein im Wesentlichen der Wellenlänge entsprechender Durchmesser des Resonanzrohres von der Wellenlänge auch geringfügig, d.h. insbesondere um höchstens ein Achtel der Wellenlänge, vorzugsweise um höchstens ein Sechzehntel der Wellenlänge, abweichen kann. Idealerweise betragen die Abweichungen von dem ganzzahligen Vielfachen der halben Wellenlänge höchstens ein Zweiunddreißigstel der Wellenlänge.
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Besonders bevorzugt weist bei der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung das erste Ende des Resonanzrohres eine Schneidkante auf. Mittels der Schneidkante kommt es beim Einlauf des Luftstroms wie bei einer Orgelpfeife zu einer Verstärkung des resonanten Effektes der Resonanzrohrströmung. Idealerweise wird durch die Geometrie der Schneidkante und/oder des ersten Endes des Resonanzrohres und/oder des Sonotrodenelements die Luftströmung derart kanalisiert, dass sie genau auf die Schneidkante trifft, insbesondere mittels des zumindest einen geeignet vorgesehenen Strömungsleitmittels.
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In einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist dabei eine Wand des Resonanzrohrs am ersten Ende an ihrer Innenseite zur Längserstreckung des Resonanzrohres geschrägt, geeigneterweise derart, dass die Wand am ersten Ende spitz zuläuft.
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Alternativ oder zusätzlich ist die Wand des ersten Endes des Resonanzrohres an ihrer Außenseite zur Längserstreckung des Resonanzrohres geschrägt, zweckmäßig derart, dass die Wand am ersten Ende spitz zuläuft.
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In einer besonders bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist bei der Kühlvorrichtung zusätzlich ein Strömungsleitmittel vorgesehen, mittels welchem strömende Luft auf die Schneidkanten treffend leitbar ist.
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Zweckmäßig ist das Strömungsleitmittel derart angeordnet und ausgebildet, dass das Strömungsleitmittel mindestens einen Strömungskanal aufweist, wobei die Querschnittsfläche des Strömungskanals nah der Schneidkante verringert ist. Zweckmäßig ist der Strömungskanal axial fluchtend mit dem Resonanzrohr angeordnet. Geeigneterweise ist der Strömungskanal an einem der Schneidkante fernen Ende nah dem Sonotrodenelement angeordnet.
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Bevorzugt weist das Strömungsleitmittel mindestens ein Strömungsleitrohr sowie zumindest ein Strömungsbegrenzungsmittel auf, welches mit dem Strömungsleitrohr zumindest einen Strömungskanal bildend zusammenwirkt. Bevorzugt ist das Leitrohr axial fluchtend mit dem Resonanzrohr angeordnet. In einer zweckmäßigen Weiterbildung der Erfindung ist das Strömungsbegrenzungsmittel ein axial fluchtend mit dem Resonanzrohr angeordneter und innerhalb des Leitrohres liegender Trichter, Kegel oder Kegelstumpf, welcher sich längs der Längsachse des Strömungsleitrohres in Richtung auf das Resonanzrohr zu weitet. Auf diese Weise kann eine Austrittsöffnung des Strömungsleitrohres in radialer Richtung mit der Schneidkante überlappen. Eine besonders gute Beströmung der Schneidkante wird derart erreicht.
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Im Folgenden werden die Erfindung und ihre Ausführungsformen anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine schematische Schnittdarstellung einer erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung;
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2 eine schematische Schnittdarstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung mit einem Resonanzrohr mit einer Schnittkante;
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3 eine schematische Schnittdarstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung mit einem Resonanzrohr mit einer Schnittkante;
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4 eine schematische Schnittdarstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung mit einem Resonanzrohr mit einer Schnittkante;
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5 eine schematische Schnittdarstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung mit einem Resonanzrohr mit einer Schnittkante und einem Strömungsleitmittel.
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Die in 1 dargestellte Kühlvorrichtung 10 dient zur aktiven Kühlung einer Halbleiterkomponente (in 1 nicht explizit dargestellt). Die Kühlvorrichtung 10 umfasst eine piezoelektrische Sonotrode 12 sowie einen thermisch mit dem Halbleiter gekoppelten Kühlkörper 30. Zwischen Sonotrode 12 und Kühlkörper 30 ist ein kreiszylindrisches Resonanzrohr 16 mit einem ersten 50 und einem zweiten geöffneten Ende 55 derart angeordnet, dass das erste geöffnete Ende 50 zur Sonotrode 12 und das zweite geöffnete Ende 55 des Resonanzrohres 16 zum Kühlkörper 30 weist.
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Die Sonotrode 12 schallt in der gezeigten Darstellung in das erste Ende 50 des Resonanzrohres 16 Ultraschallwellen mit einer vorgegebenen Wellenlänge ein. Die Länge L des Resonanzrohres 16 entspricht dabei im Wesentlichen anderthalb Wellenlängen. In weiteren nicht eigens dargestellten Ausführungsbeispielen beträgt die Länge L des Resonanzrohres 16 ein anderes ganzzahliges Vielfaches der halben Wellenlänge. Das erste Ende 50 des Resonanzrohres 16 ist von der Sonotrode 12 um eine halbe Wellenlänge, dem Abstand a, beabstandet. Infolge dieser Anordnung und Ausbildung bilden sich sowohl zwischen erstem Ende 50 und zweitem Ende 55 des Resonanzrohres 16 als auch zwischen Sonotrode 12 und zweitem Ende 55 des Resonanzrohres 16 stehende Ultraschallwellen aus. Der Durchmesser D des Resonanzrohres 16 entspricht dabei einer Wellenlänge. Infolge des Durchmessers ist die Ausbildung stehender Wellen dabei deutlich unterstützt.
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Diese stehenden Wellen bilden jeweils an dem zweiten Ende 55 einen Schwingungsbauch 20 aus. Hierdurch wird der neben der eigentlichen Ultraschallschwingung durch die Sonotrode 12 erzeugte Luftstrom, der sogenannte Ultraschallwind, in Richtung der Pfeile 22 verstärkt.
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Wie in den in 2 bis 5 dargestellten Ausführungsbeispielen dargestellt, ist die Anregung der stehenden Wellen weiter verbessert, indem an erstem Ende 50’, 50’’, 50’’’, 50’’’’ eine Schneidkante 51’, 51’’, 51’’’ vorgesehen ist, welche eine verbesserte Anregung der in das Rohr einströmenden Luft erlaubt.
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Dabei ist die Schneidkante 51’ wie beispielsweise in 2 gezeigt derart gebildet, dass die Wand des Resonanzrohrs 16’ am ersten Ende 50’ des Resonanzrohres 16’ an der Innenseite zur Richtung der Längserstreckung L des Resonanzrohres 16’ geschrägt ist, und zwar derart, dass die Wand am ersten Ende 50’ in Richtung auf die Sonotrode 12 spitz zuläuft.
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Alternativ kann (3) die Wand des Resonanzrohrs 16’’ am ersten Ende 50’’ des Resonanzrohres 16’’ an der Außenseite zur Richtung der Längserstreckung L des Resonanzrohres 16’’ derart geschrägt sein, dass die Wand am ersten Ende 50’’ spitz zuläuft und so eine Schneidkante 51’’ bildet.
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Ferner kann, wie in 4 dargestellt, auch die Wand des Resonanzrohres 16’’’ am ersten Ende 50’’’ des Resonanzrohres sowohl an der Innenseite als auch an der Außenseite zur Richtung der Längserstreckung L des Resonanzrohres 16’’’ spitz zulaufend geschrägt sein und so eine Schneidkante 51’’’ bilden.
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In der in 5 dargestellten Anordnung (welche im Übrigen der in 3 dargestellten Anordnung entspricht) ist bei der Kühlvorrichtung ein Strömungsleitmittel 57 vorgesehen, mittels welchem strömende Luft gezielt auf eine Schneidkante 51’’ treffend leitbar ist. Grundsätzlich können in weiteren nicht eigens dargestellten Ausführungsbeispielen auch Schneidkanten wie in 2 oder 4 dargestellt vorhanden sein.
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Das Strömungsleitmittel 57 weist ein Strömungsleitrohr 60 auf, welches axial fluchtend zum Resonanzrohr 16’’’’ sowie zwischen Sonotrode 12 und Resonanzrohr 16’’’’ angeordnet ist. Das Strömungsleitmittel 57 weist ferner einen innerhalb des Strömungsleitrohres 60 angeordneten massiven Trichter 65 auf, welcher sich längs des Strömungsleitrohres 60 in Richtung auf das Resonanzrohr 16’’’’ zu aufweitet. Somit bildet sich zwischen Trichter 65 und Strömungsleitrohr 60 ein Strömungskanal 80 aus. Dieser Strömungskanal 80 weist nah dem Resonanzrohr 16’’’’ eine Austrittsöffnung 70 mit verringerter Querschnittsfläche auf, aus welcher durch das Strömungsleitmittel 57 strömende Luft ausströmen kann. Dabei überlappt diese Austrittsöffnung 70 des Strömungsleitmittels 57 in radialer Richtung mit der Schneidkante 51’’.
