DE102016214959B4

DE102016214959B4 - Temperiereinheit für ein elektronisches Bauelement und Verfahren zu dessen Herstellung

Info

Publication number: DE102016214959B4
Application number: DE102016214959.8A
Authority: DE
Inventors: Christoph Kiener
Original assignee: Siemens Healthcare GmbH
Current assignee: Siemens Healthcare GmbH
Priority date: 2016-08-11
Filing date: 2016-08-11
Publication date: 2018-06-28
Anticipated expiration: 2036-08-12
Also published as: DE102016214959A1; US10477727B2; US20180049347A1

Abstract

Temperiereinheit für elektronische Bauelemente (15), mit einem Gehäuse (20), in dem eine Aufnahme (16) für ein elektronisches Bauelement (15) und ein Kanalsystem für ein Fluid vorgesehen ist, wobei das Kanalsystem von
• einen Einlass (12) über
• eine Düse (24) und über
• eine Kavität (23) zu
• einem Auslass (13) führt, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (20) eine Wandstruktur (19) aufweist,
• deren innere Wandfläche eine einer Düsenmündung (25) der Düse (24) gegenüber liegende Prallfläche (22) ausbildet und
• deren äußere Wandfläche als Teil der Aufnahme (16) ausgeführt ist, wobei die Aufnahme (16) eine Positionierhilfe (17), das ein Federelement umfasst, aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Temperiereinheit für ein elektronisches Bauelement. Diese weist ein Gehäuse auf, in dem eine Aufnahme für das elektronische Bauelement und ein Kanalsystem für ein Fluid, insbesondere ein Kühlfluid vorgesehen ist.
Das Kanalsystem führt von einem Einlass über eine Düse und über eine Kavität zu einem Auslass. Dadurch wird das Kühlfluid durch die Düse geführt. Als Düse im Sinne der Erfindung soll jede Art von Zuleitung zur Kavität verstanden werden, mit der das Kühlfluid gerichtet in die Kavität eingespritzt werden kann. Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen einer solchen Temperiereinheit.
Eine Temperiereinheit der eingangs angegebenen Art ist in der US 2008/0060792 A1 beschrieben. Diese Kühlvorrichtung besteht aus einem Gehäuse, welches beispielsweise auf ein zu kühlendes elektronisches Bauelement aufgesetzt werden kann. Die zu kühlende Fläche dieses elektronischen Bauelementes bildet zusammen mit dem Gehäuse eine Kavität, in die ein Kühlfluid, bestehend aus einer Flüssigkeit und einem zugemischten Gas, eingeführt werden kann. Hierbei kommt eine Düse zum Einsatz, die auf die zu kühlende Fläche des Bauelementes gerichtet ist. Durch einen Auslass kann das Fluid die Temperiereinheit wieder verlassen.
Eine Temperierung kann sowohl durch ein Kühlen als auch durch ein Heizen erfolgen. Eine Kühlung wird beispielsweise bei Betrieb von elektronischen Bauelementen notwendig, um die betriebsbedingt entstehende Wärme abzuführen. Eine Heizung kann erfolgen, um ein elektronisches Bauelement vor der Inbetriebnahme auf eine erforderliche Arbeitstemperatur zu bringen. Das Fluid wird entsprechend des Einsatzzweckes in der Kavität durch die Düse an die zu temperierende Fläche des Bauelementes herangeführt, wobei zwischen dem Gehäuse der Tempereiereinrichtung und dem Bauelement eine Abdichtung erfolgen muss. An dieser Stelle können Dichtungsprobleme entstehen.
Aus DE 10 2008 035 252 A1 ist eine Temperiereinheit für elektronische Bauelemente bekannt.
Des Weiteren ist aus der DE 20 2013 012 008 U1 ein Verfahren zur Herstellung einer von einem Fluid durchströmbaren Temperiereinheit für elektronische Bauelemente bekannt.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Temperiereinheit für elektronische Bauelemente anzugeben, die zuverlässig im Betrieb und einfach zu montieren ist. Außerdem ist es Aufgabe der Erfindung ein Verfahren zum Herstellen einer solchen Temperiereinheit anzugeben, mit dem eine wirtschaftliche und flexible Fertigung der Temperiereinheit möglich ist.
Die erstgenannte Aufgabe wird mit der eingangs angegebenen Temperiereinheit erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass das Gehäuse eine Wandstruktur aufweist, deren innere Wandfläche eine einer Düsenmündung der Düse gegenüberliegende Prallfläche ausbildet und deren äußere Wandfläche als Teil der Aufnahme ausgeführt ist, wobei die Aufnahme eine Positionierhilfe, das ein Federelement umfasst, aufweist. Diese Wandfläche führt erfindungsgemäß dazu, dass die Kavität vollständig innerhalb des Gehäuses liegt oder mit anderen Worten bis auf den Einlass und den Auslass gegenüber der Umgebung des Gehäuses abgeschlossen ist. Das Fluid kann also nur über den Einlass in die Kavität gelangen und über den Auslass diese verlassen, wodurch vorteilhaft die Anforderungen an eine Abdichtung sinken. Dies vereinfacht die Montage der Tempereiereinheit und verbessert die Zuverlässigkeit hinsichtlich der Abdichtung. Auch bei Auftreten von Bauteiltoleranzen der Temperiereinheit und des elektronischen Bauelementes ist vorteilhaft eine zuverlässige Abdichtung der Kavität gewährleistet. Da die äußere Wandfläche als Teil der Aufnahme ausgeführt ist, ist gewährleistet, dass das elektronische Bauelement Wärme direkt mit der Temperiereinheit austauschen kann. Hierbei steht die Wandstruktur mit ihrer Wärmekapazität zur Verfügung, wobei an der inneren Wandfläche ein Wärmeaustausch mit dem Fluid erfolgt. Hierdurch kann vorteilhaft eine vergleichsweise hohe Kühlleistung bzw. Heizleistung realisiert werden. Durch die Düse wird gewährleistet, dass das Fluid zuverlässig an die innere Wandfläche herangeführt wird, um den Wärmeaustausch zu unterstützen. Elektronische Bauteile werden in verschiedenen standardisierten Formaten gefertigt. Hierbei wird dem Erfordernis einer Montage der elektronischen Bauelemente sowie einer notwendigen Entwärmung (Kühlung) Rechnung getragen. Die Aufnahme kann vorteilhaft derart gestaltet sein, dass standardisierte elektronische Bauelemente genau hineinpassen und in ihrer Stellung fixiert werden. Hierbei kann in der Aufnahme z.B. ein Andruck-Mechanismus integriert sein, der das elektronische Bauelement auf die äußere Wandfläche der Wandstruktur presst. Hierdurch kann der Wärmeübergang verbessert werden.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn ein parallel zur Wandstruktur liegender Querschnitt der Kavität einer durch die äußere Begrenzung der Aufnahme vorgegebenen Kühlfläche entspricht. Hierbei wird vorteilhaft sichergestellt, dass das Fluid über die Düse auf der inneren Wandfläche verteilt wird, die vollständig der zu kühlenden Fläche des elektronischen Bauelementes gegenüberliegt. Dies verbessert vorteilhaft den Wirkungsgrad der Temperierung, da die Wandstruktur keine Teilbereiche aufweist, die außerhalb der zu kühlenden Fläche des elektronischen Bauelementes liegen. Umgekehrt wird ein Wärmeaustausch zwischen der Wandstruktur und dem zu temperierenden Bauelement über die gesamte hierfür vorgesehene Kühlfläche des elektronischen Bauelementes erreicht.
Die äußere Begrenzung der Aufnahme kann unterschiedlich ausgebildet sein. Hierbei kann es sich einfach um den Rand der Wärmeübergangsfläche handeln. Dieser kann durch einen Absatz gebildet werden. Der Absatz an der Wärmeübergangsfläche kann zurückspringen, was den Vorteil hat, dass das elektronische Bauelement die Wärmeübergangsfläche beispielsweise toleranzbedingt überragen kann. Der Absatz kann auch einen Vorsprung bilden, so dass eine seitliche Führung für das elektronische Bauelement entsteht, um dessen Positionierung zu vereinfachen.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Wandstruktur eine Wandstärke von höchstens 1 mm, bevorzugt 0,9 mm, noch bevorzugter höchstens 0,8 mm aufweist. Dies hat den Vorteil eines möglichst geringen Materialverbrauchs und eines möglichst schnellen Wärmeübergangs zwischen der inneren Wandfläche und der äußeren Wandfläche. Außerdem kann dadurch die Temperiereinheit möglichst leicht ausgeführt werden.
Gemäß einer besonderen Ausführung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Düsenmündung gegenüber eine Prallstruktur, insbesondere Prallkegel auf der Prallfläche vorgesehen ist. Dadurch, dass diese Prallstruktur der Düsenmündung gegenüberliegend angeordnet ist, führt dieser zu einer gleichmäßigen Verteilung des Fluids auf der Prallfläche und verhindert dabei Turbulenzen. Das Fluid trifft auf eine Spitze der Prallstruktur und wird durch dessen Mantelfläche umgelenkt. Mit Prallstruktur ist im Zusammenhang dieser Erfindung eine Struktur gemeint, die zur Düsenmündung zeigend spitz zuläuft und zur Prallfläche hin ihren Querschnitt (parallel zur Prallfläche liegend) vergrößert und somit zu einer Umlenkung des Fluids beiträgt. Die Prallstruktur kann beispielsweise durch einen Prallkegel oder eine Prallpyramide gebildet sein.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn in dem Gehäuse mehrere Aufnahmen mit mehreren zugehörigen Kavitäten, Düsen und Prallflächen vorgesehen sind. Die Temperiereinheit kann somit zur gleichzeitigen Kühlung mehrerer elektronischer Bauelemente Verwendung finden, wobei für diese jeweils ein gemeinsamer Einlass und ein gemeinsamer Auslass verwendet werden können. Hierdurch kann der Aufwand für eine Abdichtung auf den Einlass und den Auslass beschränkt werden, wodurch vorteilhaft die Zuverlässigkeit der Temperiereinheit sowie der Montageaufwand weiter sinken.
Die Temperiereinheit kann dabei vorteilhaft auf die geometrischen Gegebenheiten einer Baugruppe mit mehreren elektronischen zu kühlenden Bauelementen angepasst werden. Die Temperiereinheit wird auf die Baugruppe aufgesetzt und mit dieser verbunden, wodurch gleichzeitig die elektronischen Bauelemente in den dafür vorgesehenen Aufnahmen positioniert werden.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung können die mehreren Düsen mit Düsenmündungen mit mindestens zwei unterschiedlichen Querschnittsflächen ausgestaltet sein. Diese Maßnahme ermöglicht es vorteilhaft, den Temperierungsbedarf, insbesondere den Kühlungsbedarf verschiedener elektronischer Bauelemente dahingehend zu berücksichtigen, dass die Temperierleistung durch die Menge des zugeführten Fluids gesteuert werden kann. Je größer die Querschnittsfläche der Düsenmündung ist, desto größer muss auch der Volumenstrom des Fluids und damit die Temperierleistung (insbesondere Kühlleistung) an der zugehörigen Prallfläche sein.
Erfindungsgemäß ist die Aufnahme für das elektronische Bauelement mit einer Positionierhilfe zu versehen. Diese kann geometrisch wirken, so dass ein Formschluss zwischen der Aufnahme und dem betreffenden elektronischen Bauelement zustande kommt. Hierdurch wird die Position des elektronischen Bauelements genau festgelegt. Wie bereits erwähnt, können auch Elemente zur Erhöhung des Andruckes des Bauelementes an der äußeren Wandfläche an der Temperiereinheit zum Einsatz kommen, wodurch ein Kraftschluss zwischen der Aufnahme und dem elektronischen Bauelement zustande kommt. Der Kraftschluss kann auch dazu genutzt werden, um das elektronische Bauelement in seiner Position zu halten, dient jedoch auch einer verbesserten Wärmeübertragung.
Vorteilhaft kann die Aufnahme der Temperiereinheit auch mit einem Lotwerkstoff oder einem anderen Wärmeleitwerkstoff versehen sein. Hierdurch steht ein gut wärmeleitfähiges Material zur Verfügung. Wenn das Bauelement über den Lotwerkstoff mit der Temperiereinheit verlötet wird, entsteht vorteilhaft eine besonders gut wärmeleitende Verbindung. Auch bei einem Kraftschluss zwischen elektronischem Bauelement und Aufnahme kann der Wärmeleitwerkstoff eine Wärmeübertragung unterstützen, da dieser weich ist und Toleranzen aufgrund einer Verformung ausgleichen kann.
Weiterhin kann vorteilhaft vorgesehen werden, dass in einer Kavität mehrere Düsen mit mehreren Düsenmündungen für ein und dieselbe Prallfläche vorgesehen sind. Hierdurch ist es möglich, auch geometrisch größere elektronische Bauelemente in der Temperiereinheit durch eine geeignet ausgestaltete Aufnahme zu berücksichtigen. Der mit der Größe einhergehende höhere Bedarf für einen Wärmeaustausch wird dadurch gewährleistet, dass das Fluid über mehrere Düsen zugeführt wird, wodurch insgesamt für die Führung des Fluids ein größerer Querschnitt zur Verfügung steht. Außerdem ist es möglich, über mehrere Düsen das Fluid gleichmäßig auf der größeren Prallfläche zu verteilen. Dadurch steht vorteilhaft ein konstruktives Element zur Verfügung, welches eine höhere Flexibilität bei der Anpassung und Auslegung der Temperiereinheit schafft.
Es ist besonders vorteilhaft, wenn die Temperiereinheit einstückig ausgeführt ist. Hierdurch wird vorteilhaft eine besonders hohe Zuverlässigkeit hinsichtlich der Dichtheit der Temperiereinheit erreicht. Außerdem lassen sich vorteilhaft besonders kompakte Bauformen verwirklichen.
Um insbesondere eine einstückige Bauform wirtschaftlich herstellen zu können, wird die zweitgenannte Aufgabe mit dem eingangs angegebenen Verfahren erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass zur Herstellung der Temperiereinheit ein additives Fertigungsverfahren genutzt wird. Je nach Material und Anforderungen der Temperiereinheit kommen hierfür verschiedene Fertigungsverfahren in Betracht.
Als additive Fertigungsverfahren im Sinne dieser Anmeldung sollen Verfahren verstanden werden, bei denen das Material, aus dem ein Bauteil hergestellt werden soll, dem Bauteil während der Entstehung hinzugefügt wird. Dabei entsteht das Bauteil bereits in seiner endgültigen Gestalt oder zumindest annähernd in dieser Gestalt. Das Baumaterial kann beispielsweise pulverförmig oder flüssig sein, wobei durch das additive Fertigungsverfahren das Material zur Herstellung des Bauteils chemisch oder physikalisch verfestigt wird.
Um das Bauteil herstellen zu können, werden das Bauteil beschreibende Daten (CAD-Modell) für das gewählte additive Fertigungsverfahren aufbereitet. Die Daten werden zur Erstellung von Anweisungen für die Fertigungsanlage in an das Fertigungsverfahren angepasste Daten des Bauteils umgewandelt, damit in der Fertigungsanlage die geeigneten Prozessschritte zur sukzessiven Herstellung des Bauteils ablaufen können. Die Daten werden dafür so aufbereitet, dass die geometrischen Daten für die jeweils herzustellenden Lagen (Slices) des Bauteils zur Verfügung stehen, was auch als Slicen bezeichnet wird.
Als Beispiele für das additive Fertigen können das selektive Lasersintern (auch SLS für Selective Laser Sintering), das Selektive Laserschmelzen (auch SLM für Slective Laser Melting), das Elektronenstrahlschmelzen (auch EBM für Electrone Beam Melting), das Laserpulverauftragsschweißen (auch LMD für Laser Metal Deposition), das Kaltgasspritzen (auch GDCS für Gas Dynamic Cold Spray) genannt werden. Diese Verfahren eignen sich insbesondere zur Verarbeitung von metallischen Werkstoffen in Form von Pulvern, mit denen Konstruktionsbauteile hergestellt werden können.
Beim SLM, SLS und EBM werden die Bauteile lagenweise in einem Pulverbett hergestellt. Diese Verfahren werden daher auch als pulverbettbasierte additive Fertigungsverfahren bezeichnet. Es wird jeweils eine Lage des Pulvers in dem Pulverbett erzeugt, die durch die Energiequelle (Laser oder Elektronenstrahl) anschließend in denjenigen Bereichen lokal aufgeschmolzen oder gesintert wird, in denen das Bauteil entstehen soll. So wird das Bauteil sukzessive lagenweise erzeugt und kann nach Fertigstellung dem Pulverbett entnommen werden.
Beim LMD und GDCS werden die Pulverteilchen direkt der Oberfläche zugeführt, auf der ein Materialauftrag erfolgen soll. Beim LMD werden die Pulverpartikel durch einen Laser direkt in der Auftreffstelle auf der Oberfläche aufgeschmolzen und bilden dabei eine Lage des zu erzeugenden Bauteils. Beim GDCS werden die Pulverpartikel stark beschleunigt, so dass sie vorrangig aufgrund ihrer kinetischen Energie bei gleichzeitiger Verformung auf der Oberfläche des Bauteils haften bleiben.
GDCS und SLS haben das Merkmal gemeinsam, dass die Pulverteilchen bei diesen Verfahren nicht vollständig aufgeschmolzen werden. Beim GDCS erfolgt ein Aufschmelzen höchstens im Randbereich der Pulverpartikel, die aufgrund der starken Verformung an ihrer Oberfläche anschmelzen können. Beim SLS wird bei Wahl der Sintertemperatur darauf geachtet, dass diese unterhalb der Schmelztemperatur der Pulverpartikel liegt. Demgegenüber liegt beim SLM, EBM und LMD der Energieeintrag betragsmäßig bewusst so hoch, dass die Pulverpartikel vollständig aufgeschmolzen werden.
Die Temperiereinheit wird vorteilhaft aus einem metallischen Werkstoff hergestellt, da durch diesen gute Wärmeleiteigenschaften gewährleistet werden. Daher ist bevorzugt eine Herstellung der Temperiereinheit mittels SLM und EBM besonders vorteilhaft.
Gemäß einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass die Temperiereinheit mit einer Stützstruktur für das additive Fertigungsverfahren hergestellt wird, wobei die Stützstruktur nach der Herstellung der Temperiereinheit mit der Temperiereinheit verbunden bleibt. Stützstrukturen werden bei additiven Fertigungsverfahren zusammen mit dem herzustellenden Bauteil erzeugt, um dieses vor Verzug zu schützen und Bauteilbereiche besser herstellen zu können, die nicht auf der Bauplatte aufliegen. Normalerweise werden diese Stützstrukturen nach Fertigstellung der Bauteile wieder entfernt. Werden die Stützstrukturen an der Temperiereinheit belassen, stehen diese vorteilhaft zusätzlich zur Wärmeableitung zur Verfügung. Hierdurch kann insbesondere eine Kühlleistung der Temperiereinheit vorteilhaft verbessert werden, da Wärme über die Stützstrukturen an die Umgebung abgegeben werden kann. Hierdurch entsteht beispielsweise ein Puffer bei einem Überlastbetrieb oder Spitzenlastbetrieb der zu kühlenden elektronischen Komponente.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass in einem Computer mittels eines geeigneten, auf dem Computer installierten CAD-Programms CAD-Daten zur Beschreibung der Temperiereinheit erzeugt werden, wobei zur Bestimmung der Geometrie der mindestens einen Aufnahme eine Datenbank mit den Geometriedaten der zu kühlenden elektronischen Bauelemente zur Verfügung gestellt wird. Dies beschleunigt vorteilhaft den CAD-Prozess zur Bestimmung der Geometrie der herzustellenden Temperiereinheit, da die Aufnahmen an die Geometrie der elektronischen Bauelemente angepasst werden muss. Diese Geometrie ist bereits bekannt und kann aus der Datenbank hochgeladen werden. Gleichzeitig kann der Computer konstruktive Erfordernisse berücksichtigen, die für die Temperiereinheit gelten (beispielsweise Mindestwandstärken für das Gehäuse, Mindestquerschnitte für den Einlass und den Auslass in Abhängigkeit zum erforderlichen Fluid, Mindestabstände der einzelnen Aufnahmen zueinander). Die in dem Computer generierten CAD-Daten der Temperiereinheit werden zur Herstellung dann an eine Anlage zum additiven Herstellen der Temperiereinheit weitergegeben, wobei zur Herstellung aus den CAD-Daten ein Herstellungsdatensatz generiert werden muss. Der Herstellungsdatensatz besteht aus Daten, die die Temperiereinheit in den einzeln herzustellenden Lagen beschreibt.
Vorteilhaft können in der Datenbank auch Daten zum Kühlungsbedarf der elektronischen Bauelemente gespeichert sein und hieraus die Querschnittsfläche der mindestens einen Düsenmündung berechnet werden. Hierbei wird der Zusammenhang berücksichtigt, dass die Kühlleistung beziehungsweise Heizleistung der Temperiereinheit an einer bestimmten Aufnahme direkt von dem Querschnitt der Düsenmündung abhängig ist. Die diesbezüglich geltenden Gesetzmäßigkeiten werden durch den Computer ebenfalls berücksichtigt.
Weitere Einzelheiten der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung beschreiben. Gleiche oder sich entsprechende Zeichnungselemente sind jeweils mit den gleichen Bezugszeichen versehen und werden nur insoweit mehrfach erläutert, wie sich Unterschiede zwischen den einzelnen Figuren ergeben. Es zeigen

1 ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Temperiereinheit in dreidimensionaler Darstellung,
2 den Schnitt II-II gemäß 1 mit eingebautem elektronischen Bauelement,
3 den Schnitt III-III gemäß 1 und
4 ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens als Blockschaltbild.

In 1 ist eine Temperiereinheit 11 dargestellt, die gleichermaßen als Kühler oder Heizer Verwendung finden kann. Zum Tempieren wird über einen Einlass 12 ein Fluid in die Temperiereinheit 11 eingespeist, welches über einen Auslass 13 die Temperiereinheit 11 wieder verlässt. Einlass 12 und Auslass 13 sind als Rohrstutzen ausgeführt, auf die Schläuche für das Fluid aufgesteckt werden können. Für einen festen Sitz sind zu diesem Zweck Rillen 14 vorgesehen. Die Anschlüsse können auch für andere Montagekonzepte als Schlauchmontage ausgeführt werden.
Im Folgenden wird ohne Beschränkung der Allgemeinheit davon ausgegangen, dass die Temperiereinheit als Kühler verwendet wird. Dies deckt den Anwendungsfall ab, dass elektronische Bauelemente 15 (vergleiche 2) während ihres Einsatzes gekühlt werden müssen.
Der Kühler gemäß 1 weist fünf Aufnahmen 16 auf, in denen nicht dargestellte Bauelemente gehalten werden können. Um diese in den Aufnahmen 16 zu halten, sind Positionierhilfen 17 in Form von Federelementen vorgesehen. Die Aufnahmen 16 weisen eine äußere Begrenzung 18 auf, die durch einen abfallenden Absatz gebildet werden und auf diesem Wege die Größe einer Wandstruktur 19 bestimmen, welche Teil eines den Kühler bildenden Gehäuses 20 sind.
Das Kühlgehäuse 20 wurde nach dem Verfahren gemäß 4 additiv hergestellt. Es ist in 1 in der Position der Herstellung dargestellt, d.h. dass der Einlass 12 und der Auslass 13 während der Herstellung auf der Bauplattform des additiven Herstellungsverfahrens stehen. Da die Aufnahmen 16 die Bauplattform (nicht dargestellt) brückenartig überspannen, ist für jede der Aufnahmen eine Stützstruktur 21 vorgesehen, die von unten an die Aufnahmen 16 angreift. Nach der Herstellung wurde das Gehäuse 20 mitsamt den Stützstrukturen 21 direkt über der Bauplattform abgetrennt, wobei die Stützstrukturen 21 am Gehäuse verbleiben, um die Wärmekapazität des zusätzlichen Materials und die Oberfläche für eine Wärmeabstrahlung zu nutzen. In einer anderen Ausführungsform können die Stützstrukturen 21 auch abgetrennt werden, um den Platzbedarf für das Kühlgehäuse 20 zu verringern (nicht dargestellt).
Die Wandstrukturen 19 bilden mit der jeweils in 1 hinter den Positionierhilfen zu erkennenden äußeren Wandflächen einen Teil der Aufnahmen 16. Die jeweils innere Wandfläche der Wandstruktur 19 ist in 2 zu erkennen. Diese innere Wandfläche der Wandstruktur 19 bildet im Inneren des Gehäuses 20 Prallflächen 22 aus, welche einen Teil von Kavitäten 23 ausmachen. In diese Kavitäten 23 münden Düsen 24, derart, dass Düsenmündungen 25 auf die Prallflächen 22 gerichtet sind. Ein durch die Düsen 24 fließendes Fluid, z.B. Öl, Wasser oder Thermofluide auf Basis von fluorierten organischen Verbindungen (denkbar ist auch ein Gas wie z.B. Luft) tritt somit auf die Prallfläche 22, wobei genau gegenüber den Düsenmündungen 25 Prallstrukturen 26 in Form von Prallkegeln vorgesehen sind. Diese teilen den aufprallenden Fluidstrahl und verteilen diesen gleichmäßig über die Prallfläche 22.
Der Schnitt II-II aus 2 ist in 1 eingezeichnet. Hierdurch ist der Aufbau der in 1 ganz rechts dargestellten Aufnahme sowie dahinterliegenden Gehäusestruktur dargestellt. Wie sich jedoch 3 entnehmen lässt, ist der Aufbau der weiteren Aufnahmen und dahinterliegenden Gehäuseteile analog zu dem in 2 dargestellten. Der einzige Unterschied ergibt sich im Querschnitt der in 3 rund dargestellten Düsenmündungen 25. Abhängig vom Kühlbedarf können die Düsenmündungen durch unterschiedliche Durchmesser d₁, d₂, d₃ charakterisiert werden, wobei d₁ der kleinste und d₃ der größte Durchmesser ist. Die in 2 dargestellte Prallfläche 22 ist in 3 weggeschnitten und deshalb nicht zu erkennen.
In 2 ist weiterhin zu erkennen, dass die Düsen 24 von einem gemeinsamen Zulaufkanal 27 abzweigen, wobei in 2 nur eine der Düsen 24 zu erkennen ist. Der Zulaufkanal 27 ebenso wie ein Ablaufkanal 28 verlaufen genau senkrecht zur Zeichenebene, wobei die jeweiligen Kavitäten 23 in den Ablaufkanal 28 münden. Der Zulaufkanal 27 ist mit dem Einlass 12 verbunden und der Ablaufkanal 28 mit dem vor der Zeichenebene liegenden und daher nicht dargestellten Ablauf 13 (vergleiche 1).
In die in 2 dargestellte Aufnahme 16 ist das Bauelement 15 eingesetzt. Die Positionierhilfe 17 wird hierdurch nach außen gebogen, wodurch eine Anpresskraft F entsteht, die in Richtung der Wandstruktur 19 wirkt. Hierdurch wird das Bauelement 19 angepresst. Zwischen dem Bauelement 15 und der Wandstruktur 19 ist eine Schicht aus einem Wärmeleitwerkstoff (z. B. einem Lotwerkstoff) 29 vorgesehen. Diese kann vor dem Einsetzen des Bauelementes 15 an dem Gehäuse 20 angebracht werden (beispielsweise durch Beschichten). Alternativ kann der Wärmeleitwerkstoff auch auf das Bauelement 15 appliziert werden, welches zu diesem Zweck vor dem Aufbringen insbesondere von Lotwerkstoff beispielsweise metallisiert werden kann. Der Wärmeleitwerkstoff 29 führt zu einer verbesserten Wärmeleitung in den Kühler und kann insbesondere auch aufgeschmolzen werden. Dies kann vorteilhaft zeitgleich mit dem Ausbilden von nicht dargestellten Lötverbindungen an Kontakten 30 des Bauelementes 15 erfolgen wenn die Temperiereinheit auf dem Bauelement 15 vormontiert ist. Anstelle von Lotwerkstoff kann auch ein anderer Wärmeleitwerkstoff 29 (Wärmeleitpaste oder gut wärmeleitender Klebstoff) eingesetzt werden.
Bei dem dargestellten Verfahrensbeispiel gemäß 4 wird eine Anlage 31 zum selektiven Laserschmelzen verwendet, um die Temperiereinheit gemäß 1 herzustellen. Diese Anlage 31 ist in an sich bekannter Art und Weise mit einer Steuerung S verbunden, welche die Herstellung der Temperiereinheit 11 überwacht. Zu diesem Zweck erhält die Steuerung S von einem Computer C einen die Temperiereinheit 11 beschreibenden Datensatz, der die Temperiereinheit 11 lagenweise beschreibt und daher zur lagenweisen Herstellung der Temperiereinheit 11 geeignet ist. Diesen Datensatz generiert der Computer aus einem mit einer CAD-Software erstellten CAD-Datensatz, der die Temperiereinheit 11 beschreibt. Auch dieser CAD-Datensatz wird aus konstruktiven Daten der Temperiereinheit erstellt, wobei zur Unterstützung der Generierung des CAD-Datensatzes eine Datenbank D Verwendung findet. Diese enthält Standardmaße von elektronischen Bauelementen sowie der Leistungsdaten, aus denen der Kühlungsbedarf abgeleitet werden kann. Hierdurch lässt sich mit geringem Aufwand die Geometrie der Aufnahmen 16 (vergleiche 1) aus der Geometrie der zu kühlenden elektronischen Bauelemente sowie durch Wahl der Querschnitte d₁, d₂, d₃ (vergleiche 3) bestimmen.
Die einzelnen Module C, D, S können baulich voneinander getrennt sein oder, wie durch die Strichpunktlinie 32 angedeutet, baulich zusammengefasst werden, beispielsweise in einem Computergehäuse.

Claims

Temperiereinheit für elektronische Bauelemente (15), mit einem Gehäuse (20), in dem eine Aufnahme (16) für ein elektronisches Bauelement (15) und ein Kanalsystem für ein Fluid vorgesehen ist, wobei das Kanalsystem von • einen Einlass (12) über • eine Düse (24) und über • eine Kavität (23) zu • einem Auslass (13) führt, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (20) eine Wandstruktur (19) aufweist, • deren innere Wandfläche eine einer Düsenmündung (25) der Düse (24) gegenüber liegende Prallfläche (22) ausbildet und • deren äußere Wandfläche als Teil der Aufnahme (16) ausgeführt ist, wobei die Aufnahme (16) eine Positionierhilfe (17), das ein Federelement umfasst, aufweist.
Temperiereinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein parallel zur Wandstruktur (19) liegender Querschnitt der Kavität (23) einer durch eine äußere Begrenzung der Aufnahme vorgegebenen Wärmeübergangsfläche entspricht.
Temperiereinheit nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandstruktur eine Wandstärke von höchstens 1 mm, bevorzugt höchstens 0,9 mm, noch bevorzugter höchstens 0,8 mm aufweist.
Temperiereinheit nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Düsenmündung (25) gegenüber eine Prallstruktur (26) auf der Prallfläche (22) vorgesehen ist.
Temperiereinheit nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Gehäuse (20) mehrere Aufnahmen (16) mit mehreren zugehörigen Kavitäten (23), Düsen (24) und Prallflächen (22) aufweist.
Temperiereinheit nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die mehreren Düsen (24) mit Düsenmündungen (25) mit mindestens zwei unterschiedlichen Querschittsflächen ausgestattet sind.
Temperiereinheit nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Kavitäten (23) mit einen gemeinsamen Einlass (12) und/oder mit einen gemeinsamen Auslass (13) verbunden sind.
Temperiereinheit nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufnahme mit einem Wärmeleitwerkstoff (29) versehen ist.
Temperiereinheit nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einer Kavität mehrere Düsen (24) mit mehreren Düsenmündungen (25) für ein und dieselbe Prallfläche (22) vorgesehen sind.
Temperiereinheit nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperiereinheit einstückig ausgeführt ist.
Verfahren zum Herstellen einer Temperiereinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Herstellung ein additives Fertigungsverfahren genutzt wird.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperiereinheit mit einer Stützstruktur (21) für das additive Fertigungsverfahren hergestellt wird, wobei die Stützstruktur (21) nach der Herstellung der Temperiereinheit mit der Temperiereinheit verbunden bleibt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Computer (C) CAD-Daten zur Beschreibung der Temperiereinheit erzeugt werden, wobei zur Bestimmung der Geometrie der mindestens einen Aufnahme (16) eine Datenbank (D) mit den Geometriedaten der zu temperierenden elektronischen Bauelemente (15) zur Verfügung gestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass in der Datenbank (D) auch Daten zum Kühlungsbedarf oder Heizungsbedarf der elektronischen Bauelemente gespeichert sind und hieraus die Querschittsfläche der mindestens einen Düsenmündung (25) berechnet wird.