DE102019115663A1

DE102019115663A1 - Baugruppen mit verbesserter wärmeübertragung durch vaskuläre kanäle und verfahren zur herstellung von vaskulären kanälen

Info

Publication number: DE102019115663A1
Application number: DE102019115663.7A
Authority: DE
Inventors: Anthony M. Coppola; Alireza Fatemi; Hamid G. Kia
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2018-10-01
Filing date: 2019-06-10
Publication date: 2020-04-02
Also published as: US20200103179A1; CN110966879A

Abstract

Ein Leistungsmodul gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung beinhaltet ein Gehäuse und ein wärmeleitendes Element. Das Gehäuse beinhaltet ein Polymer. Das Gehäuse definiert zumindest teilweise einen Kanal. Der Kanal ist konfiguriert, ein Fluid aufzunehmen. Das wärmeleitende Element ist zumindest teilweise innerhalb des Gehäuses angeordnet. Das wärmeleitende Element steht in Fluidverbindung mit dem Kanal. Das wärmeleitende Element beinhaltet ein wärmeleitendes Material. Das wärmeleitende Element steht in thermischer Verbindung mit dem Kanal und einer Wärmequelle. In bestimmten Aspekten beinhaltet die wärmeleitende Komponente mindestens entweder einen Vorsprung, einen Stift oder eine Ummantelung. Ein Verfahren zur Herstellung eines Kanals mit einem wärmeleitenden Element für die Wärmeübertragung beinhaltet (a) das Formen eines Kanals, (b) das Formen eines Gehäuses und (c) das Entfernen eines Opfermaterials.

Description

EINLEITUNG
Die vorliegende Offenbarung betrifft Baugruppen mit verbesserter Wärmeübertragung durch vaskuläre Kanäle und Verfahren zur Herstellung von Baugruppen mit vaskulären Kanälen.
Dieser Abschnitt sieht Hintergrundinformationen in Bezug auf die vorliegende Offenbarung vor, bei denen es sich nicht notwendigerweise um den Stand der Technik handelt.
Traditionell wurden viele Motorkomponenten für Automobilanwendungen aus Metallen, wie Stahl und Eisen, hergestellt. Metallkomponenten sind robust, haben normalerweise eine gute Dehnbarkeit, Haltbarkeit, Festigkeit und Schlagzähigkeit. Obwohl Metalle für Fahrzeugkomponenten geeignet sind, liegt ihr Nachteil klar im Gewicht und in der Reduzierung des gravimetrischen Wirkungsgrads, der Leistung und Antriebskraft des Fahrzeugs, was wiederum die Kraftstoffeinsparung des Fahrzeugs verringert.
Gewichtsreduzierung zur Verbesserung der Kraftstoffeinsparung bei Fahrzeugen hat die Verwendung verschiedener leichter Metallkomponenten gefördert, wie z. B. Aluminium- und Magnesium-Legierungen, sowie die Verwendung leichter, verstärkter Verbundmaterialien. Obwohl die Verwendung derartiger leichter Materialien dazu dienen kann, das Gesamtgewicht zu reduzieren und im Allgemeinen die Kraftstoffeffizienz zu verbessern, können Probleme auftreten, wenn solche Materialien in Komponenten eingesetzt werden, die hohen Betriebstemperaturen ausgesetzt sind. So können beispielsweise die leichten Metallkomponenten verglichen mit herkömmlichen Stahl- oder Keramikmaterialien auch relativ hohe lineare Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen. Die Verwendung solcher Leichtmetalle kann unter bestimmten thermischen Betriebsbedingungen und bezogen auf benachbarte Komponenten mit niedrigeren linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten, wie Stahl- oder Keramikmaterialien, eine ungleiche Wärmeausdehnung verursachen, was zu einer Trennung von Komponenten und einer verminderten Leistung führt. Zusätzlich kann die Leistung von leichten verstärkten Verbundmaterialien nach kontinuierlicher Beanspruchung bei hohen Temperaturen abnehmen.
KURZDARSTELLUNG
Dieser Abschnitt sieht eine allgemeine Kurzdarstellung der Offenbarung vor und ist keine umfassende Offenbarung des vollständigen Schutzumfangs oder aller Merkmale.
In verschiedenen Aspekten stellt die vorliegende Offenbarung ein Verfahren zur Herstellung eines Kanals mit einem wärmeleitenden Element zur Wärmeübertragung bereit. Das Verfahren beinhaltet (a) das Formen eines Kanals, (b) das Formen eines Gehäuses und (c) das Entfernen eines Opfermaterials. Das Formen des Kanals beinhaltet (i) das Durchstechen eines ersten Kanalvorprodukts mit einer ersten Vielzahl von wärmeleitenden Elementen einer ersten wärmeleitenden Komponente, um eine erste Zwischenbaugruppe zu bilden, wobei das erste Kanalvorprodukt ein erstes Opfermaterial beinhaltet, wobei die erste wärmeleitende Komponente ein erstes wärmeleitendes Material beinhaltet; oder (ii) Durchstechen eines zweiten Kanalvorprodukts mit einer Vielzahl von zweiten wärmeleitenden Elementen, um eine zweite Zwischenbaugruppe zu bilden, wobei das zweite Kanalvorprodukt ein zweites Opfermaterial beinhaltet, wobei die zweite Vielzahl von wärmeleitenden Elementen ein zweites wärmeleitendes Material beinhaltet; oder (iii) das Aufbringen eines dritten wärmeleitenden Elements auf ein drittes Kanalvorprodukt, um eine dritte Zwischenbaugruppe zu bilden, wobei das dritte Kanalvorprodukt ein drittes Opfermaterial beinhaltet, wobei das dritte wärmeleitende Element ein drittes wärmeleitendes Material beinhaltet. Das Formen des Gehäuses beinhaltet das Einsetzen der ersten, zweiten oder dritten Zwischenbaugruppe in einen ersten, zweiten oder dritten Formkörper. Das Formen des Gehäuses beinhaltet ferner das Einführen eines Gehäusevorprodukts in den jeweiligen ersten, zweiten oder dritten Formkörper, wobei das Gehäusevorprodukt ein Polymervorprodukt beinhaltet. Das Formen des Gehäuses beinhaltet ferner das Verfestigen des flüssigen Polymervorprodukts, um Folgendes zu formen: (i) eine erste feste Polymerbaugruppe, die ein erstes Polymergehäuse beinhaltet, das um mindestens einen Teil des ersten Kanalvorprodukts herum angeordnet ist; oder (ii) eine zweite feste Polymerbaugruppe, die ein zweites Polymergehäuse beinhaltet, das um mindestens einen Teil des zweiten Kanalvorprodukts herum angeordnet ist; oder (iii) eine dritte feste Polymerbaugruppe, die ein drittes Polymergehäuse beinhaltet, das um mindestens einen Teil des dritten Kanalvorprodukts herum angeordnet ist. Das Entfernen beinhaltet (i) das Entfernen des ersten Opfermaterials, um einen ersten Kanal zu formen, der die Vielzahl von ersten wärmeleitenden Elementen beinhaltet, worin der erste Kanal in dem ersten Polymergehäuse und der ersten wärmeleitenden Komponente definiert ist; oder (ii) Entfernen des zweiten Opfermaterials, um einen zweiten Kanal zu formen, der die Vielzahl von zweiten wärmeleitenden Elementen beinhaltet, worin der zweite Kanal im zweiten Polymergehäuse definiert ist; oder (iii) Entfernen des dritten Opfermaterials, um einen dritten Kanal zu formen, der das dritte wärmeleitende Element beinhaltet, worin der dritte Kanal im dritten Polymergehäuse definiert ist.
In einem Aspekt beinhaltet das Gehäusevorprodukt ferner mindestens entweder eine Vielzahl von Verstärkungsfasern oder einer Vielzahl von Verstärkungspartikeln.
In einem Aspekt ist die Vielzahl von Verstärkungsfasern oder die Vielzahl von Verstärkungspartikeln wärmeleitend.
In einem Aspekt beinhaltet das Aufbringen des dritten wärmeleitenden Elements das Aufbringen des dritten wärmeleitenden Materials umlaufend um mindestens einen Teil einer Außenfläche des dritten Kanalvorprodukts.
In einem Aspekt beinhaltet das jeweilige erste, zweite oder dritte Opfermaterial ein Material, das zu einem oder mehreren der folgenden Vorgänge in der Lage ist: Schmelzen, Verdampfen, Verbrennen und Aufschließen.
In einem Aspekt beinhaltet das erste, zweite oder dritte wärmeleitende Material ein Metallmaterial, ein Keramikmaterial oder eine Kombination daraus.
In einem Aspekt erstreckt sich die erste Vielzahl von wärmeleitenden Elementen entlang mindestens eines Abschnitts eines Durchmessers des ersten Kanals.
In einem Aspekt beinhaltet ein erstes wärmeleitendes Element der Vielzahl von ersten wärmeleitenden Elementen einen Vorsprung; oder das zweite wärmeleitende Element der Vielzahl von zweiten wärmeleitenden Elementen beinhaltet einen Stift; oder das dritte wärmeleitende Element beinhaltet ein oder mehrere Elemente aus einer Wicklung, einem umflochtenen Schlauch, einem gewebten Schlauch, einem gewirkten Schlauch oder einem umhäkelten Schlauch.
In einem Aspekt definiert der erste Kanal einen Durchmesser, der größer als oder gleich etwa 100 µm bis kleiner als oder gleich etwa 10 mm ist; oder der zweite Kanal definiert einen Durchmesser, der größer als oder gleich etwa 100 µm bis kleiner als oder gleich etwa 10 mm ist; oder der dritte Kanal definiert einen Durchmesser, der größer als oder gleich etwa 100 µm bis weniger als oder gleich etwa 10 mm ist.
In einem Aspekt hat der erste Kanal ein offenes Volumen von mindestens etwa 40 % eines Gesamtvolumens des ersten Kanals; oder der zweite Kanal hat ein offenes Volumen von mindestens etwa 40 % eines Gesamtvolumens des zweiten Kanals; oder der dritte Kanal hat ein offenes Volumen von mindestens etwa 40 % eines Gesamtvolumens des dritten Kanals.
In verschiedenen Aspekten stellt die vorliegende Offenbarung ein Leistungsmodul bereit. Das Leistungsmodul beinhaltet ein Gehäuse und ein wärmeleitendes Element. Das Gehäuse beinhaltet ein Polymer. Das Gehäuse definiert zumindest teilweise einen Kanal. Der Kanal ist konfiguriert, ein Fluid aufzunehmen. Das wärmeleitende Element ist zumindest teilweise innerhalb des Gehäuses angeordnet. Das wärmeleitende Element steht in Fluidverbindung mit dem Kanal. Das wärmeleitende Element beinhaltet ein wärmeleitendes Material. Das wärmeleitende Element steht in thermischer Verbindung mit dem Kanal und einer Wärmequelle.
In einem Aspekt beinhaltet das Leistungsmodul ferner eine elektronische Komponente und eine Heatspreader-Komponente. Die Heatspreader-Komponente ist innerhalb des Gehäuses angeordnet. Die Heatspreader-Komponente steht in thermischem Kontakt mit der elektronischen Komponente und dem Kanal.
In einem Aspekt beinhaltet das Gehäuse einen verstärkten Verbundwerkstoff. Der verstärkte Verbundwerkstoff beinhaltet das Polymer und mindestens entweder (a) eine Vielzahl von Verstärkungsfasern oder (b) eine Vielzahl von Verstärkungspartikeln. Die Vielzahl von Verstärkungsfasern oder die Vielzahl von Verstärkungspartikeln sind wärmeleitend.
In einem Aspekt ragt das wärmeleitende Element zumindest teilweise in den Kanal vor.
In einem Aspekt wirken das wärmeleitende Element und das Gehäuse zusammen, um den Kanal zu definieren.
In einem Aspekt definiert der Kanal einen Durchmesser, der größer als oder gleich etwa 100 µm bis kleiner als oder gleich etwa 10 mm ist.
In einem Aspekt beinhaltet das Gehäuse eine Außenhülle. Die Außenhülle definiert eine Wanddicke von mehr als oder gleich etwa 1 µm bis kleiner als oder gleich etwa 1 mm. Die Außenhülle beinhaltet ein Metall, ein Polymer, einen Polymerverbundwerkstoff oder eine Kombination daraus.
In einem Aspekt weist der Kanal ein offenes Volumen von mindestens etwa 40 % eines Gesamtvolumens des Kanals auf.
In einem Aspekt erstreckt sich der Kanal über eine Längsachse. Der Kanal definiert eine Querschnittsform, die im Wesentlichen senkrecht zur Längsachse verläuft. Die Querschnittsform ist ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: einer kreisförmigen Form, einer dreieckigen Form, einer elliptischen Form, einer rechteckigen Form und einer Mehrpunkt- Sternform.
In einem Aspekt ist die Querschnittsform ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: der dreieckigen Form, der rechteckigen Form und der Mehrpunkt-Sternform.
Weitere Anwendungsbereiche werden aus der hierin bereitgestellten Beschreibung ersichtlich. Die Beschreibung und spezifischen Beispiele in dieser Zusammenfassung dienen ausschließlich zur Veranschaulichung und sollen keinesfalls den Umfang der vorliegenden Offenbarung beschränken.
Figurenliste
Die hier beschriebenen Zeichnungen dienen ausschließlich der Veranschaulichung ausgewählter Ausführungsformen und stellen nicht die Gesamtheit der möglichen Implementierungen dar und sollen den Umfang der vorliegenden Offenbarung nicht beschränken.

Die 1A-1B sind schematische Ansichten eines Leistungsmoduls gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung; 1A ist eine perspektivische Ansicht; 1B ist eine Querschnittsansicht, aufgenommen bei Linie 1B-1B in 1A;
Die 2 ist eine Schnittansicht eines weiteren Leistungsmoduls gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung;
Die 3 ist eine Schnittansicht eines weiteren Leistungsmoduls gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung;
Die 4A-4B sind Teilansichten einer vaskulären Baugruppe mit einem Kühlkanal und einer Vielzahl von Vorsprüngen gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung; 4A ist eine Seitenansicht; 4B ist eine Draufsicht von der Linie 4B-4B in 4A;
Die 5A-5B sind Teilansichten einer weiteren vaskulären Baugruppe mit einem Kühlkanal und einer Vielzahl von Stiften gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung; 5A ist eine Seitenansicht; 5B ist eine Draufsicht von der Linie 5B-5B in 5A;
Die 6A-6B sind Teilansichten einer vaskulären Baugruppe mit einem Kühlkanal gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung; 6A ist eine Seitenansicht; 6B ist eine Draufsicht von der Linie 6B-6B in 6A;
Die 7 - 14 sind Teilschnittansichten von Komponenten, die Kanäle definieren, die unterschiedliche wärmeleitende Elemente aufweisen; 7 zeigt ein wärmeleitendes Element, das sich teilweise in einen Kanal gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung erstreckt; 8 zeigt ein wärmeleitendes Element, das eine Sägezahnform gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung definiert; 9 stellt wärmeleitende Elemente dar, die unterschiedliche Höhen gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung definieren; 10 stellt ein wärmeleitendes Element dar, das eine Hakenform gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung definiert; 11 zeigt ein wärmeleitendes Element, das eine Öffnung gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung definiert; 12 stellt eine Vielzahl von wärmeleitenden Elementen dar, die unterschiedliche Formen und Abmessungen definieren, gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung; 13 stellt ein wärmeleitendes Element dar, das sich vollständig über einen Kanal gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung erstreckt.; 14 stellt ein wärmeleitendes Element dar, das eine Nut gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung definiert;
15-20 sind Schnittansichten von Komponenten mit unterschiedlichen Kühlkanalformen gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung; 15 zeigt einen Kanal mit einem im Wesentlichen kreisförmigen Querschnitt gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung; 16 zeigt einen Kanal mit einem im Wesentlichen dreieckigen Querschnitt gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung; 17 zeigt einen Kanal mit einem im Wesentlichen rechteckigen Querschnitt gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung; 18 zeigt einen Kanal mit einem im Wesentlichen elliptischen Querschnitt gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung; 19 zeigt einen Kanal mit einem im Wesentlichen sternförmigen Querschnitt gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung; 20 zeigt einen Kanal mit einem weiteren im Wesentlichen sternförmigen Querschnitt gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung;
21 ist eine Schnittansicht einer Komponente, die einen Kanal mit einer Hülle gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung definiert;
22A-22B beziehen sich auf ein Verfahren zum Formen eines Kanalvorprodukts gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung; 22A ist eine schematische Darstellung einer Extrusionsvorrichtung zum Formen des Kanals; 22B ist eine Schnittansicht der Komponente, die den Kanal definiert;
23A-23E zeigen ein Verfahren zur Herstellung der vaskulären Baugruppe in 4A-4B gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung;
24A-24E zeigen ein Verfahren zur Herstellung der vaskulären Baugruppe in 5A-5B gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung;
25A-25E zeigen ein Verfahren zur Herstellung der vaskulären Baugruppe in 6A-6B gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung; und
26A-26B zeigen eine vaskuläre Baugruppe, die einen Kanal in Verbindung mit einem wärmeleitenden Element definiert und einer Wärmequelle gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung ausgesetzt ist; 26A ist eine perspektivische Ansicht der Komponente; und 26B ist eine perspektivische Ansicht eines Abschnitts einer wärmeleitenden Komponente, die wärmeleitende Elemente definiert.

Ähnliche Bezugszeichen in den verschiedenen Ansichten der Zeichnungen bezeichnen ähnliche Teile.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Es werden exemplarische Ausführungsformen bereitgestellt, damit diese Offenbarung gründlich ist und den Fachleuten deren Umfang vollständig vermittelt. Es werden zahlreiche spezifische Details dargelegt, wie beispielsweise Beispiele für spezifische Zusammensetzungen, Komponenten, Vorrichtungen und Verfahren, beschrieben, um ein gründliches Verständnis von Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung zu ermöglichen. Fachleute werden erkennen, dass spezifische Details möglicherweise nicht erforderlich sind, dass exemplarische Ausführungsformen in vielen verschiedenen Formen ausgeführt werden können und dass keine der Ausführungsformen dahingehend ausgelegt werden soll, dass sie den Umfang der Offenbarung einschränkt. In manchen exemplarischen Ausführungsformen sind wohlbekannte Verfahren, wohlbekannte Vorrichtungsstrukturen und wohlbekannte Techniken nicht ausführlich beschrieben.
Die hier verwendete Terminologie dient ausschließlich der Beschreibung bestimmter exemplarischer Ausführungsformen und soll in keiner Weise einschränkend sein. Wie hierin verwendet, schließen die Singularformen „ein/eine“ und „der/die/das“ gegebenenfalls auch die Pluralformen ein, sofern der Kontext dies nicht klar ausschließt. Die Begriffe „umfasst“, „umfassend“, „beinhalteten“ und „aufweisen“ sind einschließend und geben daher das Vorhandensein der angegebenen Merkmale, Elemente, Zusammensetzungen, Schritte, ganzen Zahlen, Vorgänge, und/oder Komponenten an, schließen aber nicht das Vorhandensein oder das Hinzufügen von einer oder mehreren anderen Merkmalen, ganzen Zahlen, Schritten, Vorgängen, Elementen, Komponenten und/oder Gruppen hiervon aus. Obwohl der offen ausgelegte Begriff „umfasst“ als ein nicht einschränkender Begriff zu verstehen ist, der zum Beschreiben und Beanspruchen verschiedener, hier dargelegter Ausführungsformen verwendet wird, kann der Begriff unter bestimmten Gesichtspunkten alternativ verstanden werden, etwa stattdessen ein mehr begrenzender und einschränkender Begriff zu sein, wie „bestehend aus“ oder „bestehend im Wesentlichen aus“. Somit beinhaltet jegliche Ausführungsform, die Zusammensetzungen, Materialien, Komponenten, Elemente, Funktionen, ganze Zahlen, Operationen, und/oder Verfahrensschritte aufführt, der vorliegenden Offenbarung ausdrücklich auch Ausführungsformen bestehend aus, oder bestehend im Wesentlichen aus, so aufgeführte Zusammensetzungen, Materialien, Komponenten, Elementen, Funktionen, Zahlen, Operationen und/oder Verfahrensschritte. Bei „bestehend aus“ schließt die alternative Ausführungsform jegliche zusätzlichen Zusammensetzungen, Materialien, Komponenten, Elemente, Funktionen, Zahlen, Operationen, und/oder Verfahrensschritte aus, während bei „bestehend im Wesentlichen aus“ jegliche zusätzliche Zusammensetzungen, Materialien, Komponenten, Elemente, Funktionen, Zahlen, Operationen und/oder Verfahrensschritte, die stoffschlüssig die grundlegenden und neuen Eigenschaften beeinträchtigen, von einer solchen Ausführungsform ausgeschlossen sind, jedoch jegliche Zusammensetzungen, Materialien, Komponenten, Elemente, Funktionen, ganze Zahlen, Operationen und/oder Verfahrensschritte, die materialmäßig nicht die grundlegenden und neuen Eigenschaften beeinträchtigen, können in der Ausführungsform beinhaltet sein.
Alle hierin beschriebenen Verfahrensschritte, Prozesse und Vorgänge sind nicht dahingehend auszulegen, dass die beschriebene oder dargestellte Reihenfolge unbedingt erforderlich ist, sofern dies nicht spezifisch als Reihenfolge der Ausführung angegeben ist. Es sei außerdem darauf hingewiesen, dass zusätzliche oder alternative Schritte angewendet werden können, sofern nicht anders angegeben.
Wenn eine Komponente, ein Element oder eine Schicht als „an/auf“, „in Eingriff mit“, „verbunden mit“ oder „gekoppelt mit“ einer anderen Komponente bzw. einem anderen Element oder einer anderen Schicht beschrieben wird, kann es/sie sich entweder direkt an/auf der anderen Komponente, dem anderen Element oder der anderen Schicht befinden, damit in Eingriff stehen, damit verbunden oder damit gekoppelt sein oder es können dazwischenliegende Elemente oder Schichten vorhanden sein. Wenn, im Gegensatz dazu, ein Element als „direkt an/auf“, „direkt im Eingriff mit“, „direkt verbunden mit“ oder „direkt gekoppelt mit“ einem anderen Element oder einer anderen Schicht beschrieben wird, können keine dazwischen liegenden Elemente oder Schichten vorhanden sein. Andere Wörter, die zum Beschreiben des Verhältnisses zwischen Elementen verwendet werden, sind in gleicher Weise zu verstehen (z. B. „zwischen“ und „direkt zwischen“, „angrenzend“ und „direkt angrenzend“ usw.). Wie hier verwendet, schließt der Begriff „und/oder“ alle Kombinationen aus einem oder mehreren der zugehörigen aufgelisteten Elemente ein.
Obwohl die Begriffe erste, zweite, dritte usw. hier verwendet werden können, um verschiedene Schritte, Elemente, Komponenten, Bereiche, Schichten und/oder Abschnitte zu beschreiben, sollen diese Schritte, Elemente, Komponenten, Bereiche, Schichten und/oder Abschnitte nicht durch diese Ausdrücke einschränkt werden. Diese Begriffe werden nur verwendet, um einen Schritt, ein Element, eine Komponente, einen Bereich, eine Schicht oder einen Abschnitt von einem anderen Schritt, einem anderen Element, einem anderen Bereich, einer anderen Schicht oder einem anderen Abschnitt zu unterscheiden. Begriffe wie „erste“, „zweite“ und andere Zahlenbegriffe, wenn hierin verwendet, implizieren keine Sequenz oder Reihenfolge, es sei denn, durch den Kontext eindeutig angegeben. Somit könnte ein nachstehend erläuterter erster Schritt, diskutiertes erstes Element, diskutierte Komponente, diskutierter Bereich, diskutierte Schicht oder diskutierter Abschnitt als ein zweiter Schritt, ein zweites Element, eine zweite Komponente, ein zweiter Bereich, eine zweite Schicht oder ein zweiter Abschnitt bezeichnet werden, ohne von der Lehre der exemplarischen Ausführungsformen abzuweichen.
Raumbezogene oder zeitbezogene Begriffe, wie „davor“, „danach“, „innere“, „äußere“, „unterhalb“, „unter“, „untere“, „über“, „obere“ und dergleichen, können hier zur besseren Beschreibung der Beziehung von einem Element oder einer Eigenschaft zu anderen Element(en) oder Eigenschaft(en), wie in den Figuren dargestellt, verwendet werden. Raumbezogene oder zeitbezogene Begriffe können dazu bestimmt sein, verschiedene in Anwendung oder Betrieb befindliche Anordnungen der Vorrichtung oder des Systems zu umschreiben, zusätzlich zu der auf den Figuren dargestellten Ausrichtung.
In dieser Offenbarung repräsentieren die numerischen Werte grundsätzlich ungefähre Messwerte oder Grenzen von Bereichen, etwa kleinere Abweichungen von den bestimmten Werten und Ausführungsformen, die ungefähr den genannten Wert aufweisen, sowie solche mit genau dem genannten Wert zu umfassen. Im Gegensatz zu den am Ende der ausführlichen Beschreibung bereitgestellten Anwendungsbeispielen sollen alle numerischen Werte der Parameter (z. B. Größen oder Bedingungen) in dieser Spezifikation einschließlich der beigefügten Ansprüche in allen Fällen durch den Begriff „ungefähr“ verstanden werden, egal ob oder ob nicht „ungefähr“ tatsächlich vor dem Zahlenwert erscheint. „Ungefähr“ weist darauf hin, dass der offenbarte numerische Wert eine gewisse Ungenauigkeit zulässt (mit einer gewissen Annäherung an die Exaktheit im Wert; ungefähr oder realistisch nahe am Wert; annähernd). Falls die Ungenauigkeit, die durch „ungefähr“ bereitgestellt ist, in Fachkreisen nicht anderweitig mit dieser gewöhnlichen Bedeutung verständlich ist, dann gibt „ungefähr“, wie hierin verwendet, zumindest Variationen an, die sich aus gewöhnlichen Messverfahren und der Verwendung derartiger Parameter ergeben. So kann beispielsweise „etwa“ eine Variation von weniger als oder gleich 5 %, gegebenenfalls weniger als oder gleich 4 %, gegebenenfalls weniger als oder gleich 3 %, gegebenenfalls weniger als oder gleich 2 %, gegebenenfalls weniger als oder gleich 1 %, gegebenenfalls weniger als oder gleich 0,5 % und unter bestimmten Gesichtspunkten gegebenenfalls weniger als oder gleich 0,1 % umfassen.
Darüber hinaus beinhaltet die Angabe von Bereichen die Angabe aller Werte und weiter unterteilter Bereiche innerhalb des gesamten Bereichs, einschließlich der für die Bereiche angegebenen Endpunkten und Unterbereiche.
Es werden nun exemplarische Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen ausführlicher beschrieben.
Fahrzeug-Verbundbauteile können von einer verbesserten Kühlung profitieren, insbesondere bei Beanspruchung durch eine Wärmequelle oder in einer Hochtemperaturumgebung. Ein Verfahren zum Kühlen von Verbundbauteilen besteht darin, ein Wärmeübertragungsfluid durch vaskuläre Kanäle im Verbundbauteil zirkulieren zu lassen. Die Wirksamkeit der Kühlung durch vaskuläre Kanäle kann jedoch durch eine thermische Leitfähigkeit des Verbundwerkstoffs begrenzt werden, das den Kanal umgibt, in dem das Wärmeübertragungsfluid enthalten ist. Eine Wärmeübertragungsrate zwischen dem Verbundwerkstoff und dem Wärmeübertragungsfluid kann durch die Verwendung einer leitfähigen Verstärkung im Polymer des Verbundwerkstoffs (z. B. leitfähige Verstärkungsfasern oder -partikel) verbessert werden. In einem Beispiel sind Endlos-Kohlenstofffasern in einem Fahrzeug-Verbundbauteil enthalten. Der Verbundwerkstoff weist eine Wärmeleitfähigkeit in einer Ebene der Fasern und eine geringe Wärmeleitfähigkeit durch eine Dicke des Verbundwerkstoffs auf.
In verschiedenen Aspekten stellt die vorliegende Offenbarung eine vaskuläre Baugruppe mit einer erhöhten Wärmeübertragung durch einen oder mehrere vaskuläre Kanäle bereit. Die vaskuläre Baugruppe kann ein Gehäuse beinhalten, das zumindest teilweise die Kanäle definiert. Das Gehäuse kann aus einem Material mit niedriger Wärmeleitfähigkeit, wie einem Polymer, geformt sein. Die Kanäle stehen in direkter Fluidverbindung mit einem oder mehreren wärmeleitenden Elementen (z. B., wärmeleitende Vorsprünge oder Stifte, die sich in den Kanal erstrecken, oder eine wärmeleitende Ummantelung, die den Kanal zumindest teilweise umgibt). Die wärmeleitenden Elemente stehen thermisch sowohl mit der Wärmequelle als auch dem Kanal in Kontakt. Daher wird Wärme von der Wärmequelle zu dem Wärmeübertragungsfluid übertragen, das mittels Wärmeleitung durch den Kanal zirkuliert. Die wärmeleitenden Elemente können sich zumindest teilweise in den Kanal erstrecken oder sich zumindest teilweise um einen Umfang des Kanals erstrecken. Wärmeübertragungseigenschaften können optimiert werden, indem beispielsweise eine Querschnittsform des Kanals; eine Form, Größe und/oder Verteilung der Wärmeübertragungselemente; die Wärmeübertragungs-Fluidströmungseigenschaften; und eine Zusammensetzung des Gehäusematerials variiert wird. Die vaskuläre Baugruppe kann zusätzliche Eigenschaften zur Erhöhung der Wärmeübertragung durch den Verbundwerkstoff beinhalten, wie Heatspreader (z. B. wärmeleitende Heatspreader-Platten) und/oder eine leitfähige Verstärkungsphase (z. B. leitfähige Fasern).
Wie vorstehend beschrieben, werden einige Fahrzeugkomponenten häufig hohen Temperaturen ausgesetzt. Die hohen Temperaturen können durch eine externe Wärmequelle erzeugt werden, sodass die Komponente innerhalb einer Hochtemperaturumgebung oder einer internen Wärmequelle angeordnet ist. Die interne Wärmequelle ist zumindest teilweise innerhalb des Verbundbauteils angeordnet. Die interne Wärmequelle kann jede beliebige angetriebene Komponente sein, die Wärme erzeugt. Die interne Wärmequelle kann beispielsweise ein Widerstand, ein Kondensator, ein Induktor, ein Prozessor, ein Motorsteuergerät, ein Hochleistungselektronikmodul (z. B. ein Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor (MOSFET), ein Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode (IGBT)), eine Motorkomponente, ein Teil einer Motorkomponente, ein Verbrennungsmotor oder ein Teil eines Verbrennungsmotors sein.
Ein Beispiel einer Fahrzeugkomponente, die Wärme ausgesetzt ist, ist ein Leistungselektronikmodul. Unter Bezugnahme auf 1 ist ein Leistungselektronikmodul 10 gemäß bestimmten Aspekten der vorliegenden Offenbarung vorgesehen. In verschiedenen Aspekten kann das Leistungselektronikmodul 10 als „vaskuläres gekapseltes Leistungselektronikmodul“ bezeichnet werden. Das Leistungselektronikmodul 10 beinhaltet ein Gehäuse 12. Das Gehäuse 12 kann einen verstärkten Verbundwerkstoff beinhalten. Eine Wärmequelle, die eine Vielzahl von Widerständen 14 beinhalten kann, ist innerhalb des Gehäuses 12 angeordnet. Die Widerstände 14 können vollständig innerhalb des Gehäuses 12 eingekapselt sein. Die Widerstände 14 können elektrisch mit einer externen Stromquelle (nicht dargestellt) über die elektrischen Leitungen 15 verbunden sein. Die elektrischen Leitungen 15 können elektrisch mit den Widerständen 14, wie beispielsweise durch Löten, verbunden sein.
Das Gehäuse 12 kann eine Vielzahl von Kanälen 16 definieren. Ein Wärmeübertragungsfluid (nicht dargestellt) kann durch die Kanäle 16 zirkulieren, um Wärme von den Widerständen 14 abzuleiten. Eine externe Pumpe (nicht dargestellt) kann verwendet werden, um das Wärmeübertragungsfluid durch die Kanäle 16 zu zirkulieren. Die Kanäle 16 können fluidisch miteinander verbunden sein. In verschiedenen alternativen Aspekten kann das Gehäuse einen einzelnen Kanal definieren, der eine Serpentinenform (nicht dargestellt) definiert. Wie nachfolgend ausführlicher erörtert, kann der Kanal eine Vielzahl von wärmeleitenden Elementen (nicht dargestellt) beinhalten, um die Wärmeübertragung zwischen einer elektrischen Komponente und einem Wärmeübertragungsfluid in den Kanälen 16 zu erhöhen (siehe z. B., Vorsprünge 100 in 4A-4B, Stifte 126 in 5A-5B und/oder Wicklung 154 in 6A-6B).
Das Leistungselektronikmodul 10 kann ferner erste, zweite und dritte Heatspreader 18, 20, 22 beinhalten, um die Wärmeübertragung weg von den Widerständen 14 zu erleichtern. Die Heatspreader-Platten 18, 20, 22 können aus einem wärmeleitenden Material geformt sein (z. B. Kupfer, Aluminium). Die Widerstände 14 können zwischen der ersten Heatspreader-Platte 18 und der zweiten Heatspreader-Platte 20 angeordnet sein. Die Widerstände 14 können an der ersten und zweiten Heatspreader-Platte 18, 20 durch Klebstoff (nicht dargestellt) befestigt sein, der zwischen einer Außenfläche 24 der Widerstände 14 und der ersten und zweiten Heatspreader-Platte 18, 20 aufgetragen wird. Die Kanäle 16 können zwischen der zweiten Heatspreader-Platte 20 und der dritten Heatspreader-Platte 22 angeordnet sein.
Die Kanäle 16 können im Wesentlichen kreisförmige Querschnitte in einer Richtung definieren, die im Wesentlichen senkrecht zu den jeweiligen Längsachsen der Kanäle 16 verläuft. Die im Wesentlichen kreisförmigen Querschnitte können einen Durchmesser 26 definieren. Die Heatspreader-Platten 18, 20, 22 können jeweils eine Dicke 28 definieren. In einem Beispiel beträgt der Durchmesser 26 etwa 1,8 mm und die Dicke 28 etwa 0,5 mm.
Unter Bezugnahme auf 2 ist ein Leistungselektronikmodul 40 gemäß bestimmten Aspekten der vorliegenden Offenbarung vorgesehen. Das Leistungselektronikmodul 40 beinhaltet ein Gehäuse 42. Eine Wärmequelle, die eine elektrische Komponente 44 beinhaltet (z. B. eine Leiterplatte) ist innerhalb des Gehäuses 42 angeordnet. Die elektrische Komponente 44 kann vollständig innerhalb des Gehäuses 42 eingekapselt sein. Die elektrische Komponente 44 kann elektrisch mit den elektrischen Leitungen 45 verbunden sein, die sich zumindest teilweise außerhalb des Gehäuses 42 erstrecken. Das Gehäuse 42 kann einen verstärkten Verbundabschnitt 46 beinhalten, der zumindest teilweise ein Abteil 48 definiert, in dem die elektrische Komponente 44 untergebracht ist. Die elektrische Komponente 44 kann innerhalb des Gehäuses 42 in einen flexiblen Polymerabschnitt 50 des Gehäuses 42 eingekapselt sein.
Das Leistungselektronikmodul 40 kann ferner eine wärmeleitende Komponente 52 beinhalten. Die wärmeleitende Komponente 52 kann eine Struktur 54 und eine Vielzahl von Vorsprüngen 56 beinhalten. Der verstärkte Verbundabschnitt 46 des Gehäuses 42 kann mit der wärmeleitenden Komponente 52 zusammenwirken, um einen Kanal 58 zu definieren, durch den ein Wärmeübertragungsfluid (nicht dargestellt) zirkulierten kann. Die wärmeleitende Komponente 52 weist eine höhere Wärmeleitfähigkeit als der verstärkte Verbundabschnitt 46 des Gehäuses 42 auf und kann daher die Wärmeübertragung zum Wärmeübertragungsfluid im Kanal 58 verbessern. Zusätzlich erhöhen die Vorsprünge 56 den Kontakt zwischen der wärmeleitenden Komponente 52 und dem Wärmeübertragungsfluid, um eine Kühlrate des Gehäuses 42 zu erhöhen und die Leistung des Leistungselektronikmoduls 40 zu verbessern.
Unter Bezugnahme auf 3 ist noch ein weiteres Leistungselektronikmodul 70 gemäß bestimmten Aspekten der vorliegenden Offenbarung vorgesehen. Das Leistungselektronikmodul 70 beinhaltet ein Gehäuse 72. Das Gehäuse 72 kann aus einem verstärkten Verbundwerkstoff geformt sein. Eine Wärmequelle, die eine elektrische Komponente 74 sein kann (z. B. eine Leiterplatte), ist zumindest teilweise innerhalb des Gehäuses 72 angeordnet.
Das Gehäuse 72 definiert Kanäle 76, durch die ein Wärmeübertragungsfluid (nicht dargestellt) zirkulieren kann, um Wärme von der elektrischen Komponente 74 weg zu übertragen. Die Kanäle 76 können sowohl auf einer ersten Seite 78 als auch auf einer zweiten Seite 80 der elektrischen Komponente 74 angeordnet sein. Eine Vielzahl von Stiften 82 kann sich durch die Kanäle 76 erstrecken. Die Stifte 82 können aus einem wärmeleitenden Material hergestellt sein. Jeder Stift 82 beinhaltet ein erstes Ende 84 und ein zweites Ende 86, das gegenüber dem ersten Ende 84 liegt. Die ersten und zweiten Enden 84, 86 können sich jeweils in das Gehäuse 72 auf gegenüberliegenden Seiten des Kanals 76 erstrecken. Die Stifte 82 können die Wärmeleitung zwischen dem Gehäuse 72 und dem Wärmeübertragungsfluid im Kanal 76 erhöhen. In verschiedenen Aspekten kann der verstärkte Verbundwerkstoff wärmeleitende Verstärkungsfasern oder -partikel beinhalten, um die Wärmeübertragung von der elektrischen Komponente 74 durch das Gehäuse 72 zum Wärmeübertragungsfluid im Kanal 76 zu erleichtern.
Vaskuläre Baugruppen
Wie oben im Zusammenhang mit Leistungselektronikmodulen 10, 40, 70 beschrieben, beinhaltet eine vaskuläre Baugruppe gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung im Allgemeinen ein Gehäuse, das zumindest teilweise einen oder mehrere Kanäle definiert. Das Gehäuse wird einer Wärmequelle ausgesetzt, die innerhalb oder außerhalb der vaskulären Baugruppe liegen kann. Die Kanäle beinhalten ein oder mehrere wärmeleitende Elemente (die auch als „Wärmeübertragungselemente“ oder „Wärmeübertragungsmerkmale“ bezeichnet werden können). Die wärmeleitenden Elemente stehen in Fluidverbindung mit dem Kanal, um die Wärmeübertragung vom Gehäuse zu einem innerhalb des Kanals zirkulierenden Wärmeübertragungsfluid zu erhöhen. Die wärmeleitenden Elemente stehen in thermischer Verbindung mit dem Wärmeübertragungsfluid und der Wärmequelle. Bei einer internen Wärmequelle können Kanäle auf einer einzigen Seite der Wärmequelle (siehe z. B. 1A-2) oder mehreren Seiten der Wärmequelle (siehe z. B. 3) angeordnet sein. Das Leistungselektronikmodul kann ferner einen oder mehrere Heatspreader beinhalten (z. B. Heatspreader-Platten) und/oder eine Vielzahl von leitfähigen Fasern oder Partikeln, um die Leitung durch das Gehäuse zu verbessern.
Gehäuse
Das Gehäuse kann aus einem Material geformt sein, das eine ausreichende strukturelle Integrität für die jeweilige Anwendung bereitstellt. Geeignete Materialien können Polymere, einschließlich verstärkter Verbundwerkstoffe und Metalle, beinhalten. Ein verstärkter Verbundwerkstoff beinhaltet eine Polymermatrix und eine Vielzahl von Verstärkungsfasern oder -partikeln.
Ein geeignetes Polymer weist eine Glasübergangstemperatur auf, die größer ist als eine maximale Temperatur, der das Gehäuse im Einsatz ausgesetzt ist. Beispiele für geeignete Polymere beinhalten Duroplast-Harz, thermoplastisches Harz, Elastomer und Kombinationen daraus, ohne darauf beschränkt zu sein. Beispielsweise können Polymere Epoxide, Phenoplast, Vinylester, Bismaleimide, Polyetheretherketon (PEEK), Polyamide, Polyimide und Polyamidimide und Kombinationen daraus beinhalten.
In verschiedenen Aspekten kann das Gehäuse das Polymer enthalten aber frei von Verstärkungsfasern oder -partikeln sein. In verschiedenen alternativen Aspekten kann das Gehäuse aus einem verstärkten Verbundwerkstoff mit einem Polymer, wie vorstehend beschrieben, und einer Vielzahl von Verstärkungsfasern oder -partikeln geformt sein. Beispiele für geeignete Verstärkungsfasern sind Glasfasern, Aramidfasern, Polyethylenfasern, organische Fasern, Metallfasern, Keramikfasern, Basaltfasern, Quarzfasern, Graphitfasern, Nanofasern, Borfasern und Kombinationen daraus. In verschiedenen Aspekten sind die Verstärkungsfasern oder -partikel thermisch leitfähig. Beispiele für geeignete Verstärkungspartikel sind Glasperlen, Glasmikroblasen, Calciumcarbonat, Siliciumdioxid, Talkum, Aluminiumoxid und Ton. Wärmeleitende Fasern und Partikel können beispielsweise Kohlenstoff (z. B. Kohlenstofffasern), Bornitrid, Aluminium, Aluminiumoxid, Kohlenstoff-Nanoröhren, Graphen, Kieselsäure, Aluminiumnitrid, Magnesiumoxid enthalten. Die Verstärkungsfasern können Endlosfasern und/oder diskontinuierliche Fasern sein.
Geeignete Metalle beinhalten Aluminium, Kupfer, Edelstahl, Stahl, Magnesium, vergoldete Materialien, chrombeschichtete Materialien, Nickel, Titan, Wolfram, Zinn, Zink und Legierungen daraus. Das Gehäuse kann vollständig aus Polymer, verstärktem Verbundwerkstoff oder Metall geformt sein. In verschiedenen Aspekten kann das Gehäuse aus einer Kombination aus Polymer, verstärktem Verbundwerkstoff und Metall geformt sein. So kann beispielsweise das Gehäuse aus einer Kombination aus einem oder mehreren Polymerabschnitten, einem oder mehreren verstärkten Verbundteilen und/oder einem oder mehreren Metallabschnitten geformt sein (siehe z. B. Leistungselektronikmodul 40 in 2, das den verstärkenden Verbundwerkstoffabschnitt 46 und den flexiblen Polymerabschnitt 50 beinhaltet).
Wärmeübertragungsfluid
Das Wärmeübertragungsfluid kann durch Kanäle zirkulieren, die zumindest teilweise durch das Gehäuse definiert sind, um Wärme von der Wärmequelle weg und in bestimmten Aspekten aus dem Gehäuse weg zu leiten. Beispiele für geeignete Wärmeübertragungsfluide beinhalten, sind aber nicht beschränkt darauf, Luft, Wasser, Öl, Ethylenglykol, Propylenglykol, Glycerin, Methanol und Kombinationen daraus.
Wärmeleitende Elemente und Heatspreader
Wie vorstehend beschrieben, beinhaltet die vaskuläre Baugruppe ein oder mehrere wärmeleitende Elemente in Fluidverbindung mit dem Kanal und optional einen oder mehrere Heatspreader. Die wärmeleitenden Elemente und Heatspreader können unterschiedliche Komponenten sein; die wärmeleitenden Elemente können an den Heatspreadern montiert sein; oder die wärmeleitenden Elemente können fest in die Heatspreader integriert sein. Die wärmeleitenden Elemente und die Heatspreader können aus dem gleichen Material oder aus verschiedenen Materialien geformt sein. Heatspreader können plattenförmig sein oder andere Geometrien definieren.
Die wärmeleitenden Komponenten sind aus wärmeleitenden Materialien geformt. Wärmeleitende Materialien beinhalten Kupfer, Aluminium, Edelstahl, Stahl, Magnesium, vergoldete Materialien, chrombeschichtete Materialien, Nickel, Titan, Wolfram, Zinn, Zink und Legierungen daraus; Keramik; Verbundwerkstoffe einschließlich eines oder mehrerer Polymere und wärmeleitende Partikel oder Fasern darin; und Kombinationen daraus. In verschiedenen Aspekten beinhaltet das wärmeleitende Material Aluminium, Kupfer oder eine Kombination daraus. Die wärmeleitenden Elemente können aus einem einzelnen wärmeleitenden Material oder einer Kombination aus wärmeleitenden Materialien geformt sein. In einem Beispiel ist jedes der wärmeleitenden Elemente aus Kupfer geformt. In einem anderen Beispiel beinhaltet ein erster Abschnitt der wärmeleitenden Elemente Kupfer und ein zweiter Abschnitt der wärmeleitenden Elemente beinhaltet Aluminium. In noch einem weiteren Beispiel beinhaltet jedes wärmeleitende Element einen Kupferabschnitt und einen Aluminiumabschnitt. Die Heatspreader können aus demselben Material oder unterschiedlichen Materialien geformt sein. In einem Beispiel beinhaltet die vaskuläre Baugruppe drei Heatspreader, die jeweils aus Aluminium geformt sind. In einem anderen Beispiel beinhaltet die vaskuläre Baugruppe einen Kupfer-Heatspreader und einen Aluminium-Heatspreader.
Das wärmeleitende Material weist eine höhere Wärmeleitfähigkeit auf als das Material des Gehäuses (z. B. Polymer). Ein Wärmeleitfähigkeitsverhältnis eines wärmeleitenden Materials (z. B. des wärmeleitenden Elements) zu einem Gehäusematerial kann größer oder gleich etwa 10, optional größer oder gleich etwa 25, optional größer oder gleich etwa 50, optional größer oder gleich etwa 40, optional größer oder gleich etwa 100, optional größer oder gleich etwa 250, optional größer oder gleich etwa 500 und optional größer oder gleich etwa 1000 sein. In einem Beispiel ist das Gehäuse aus einem Material geformt, das eine Wärmeleitfähigkeit von etwa 0,2 W/m·K aufweist und die wärmeleitenden Elemente sind aus einem Material mit einer Wärmeleitfähigkeit von etwa 2 W/m·K geformt. In einem anderen Beispiel ist das Gehäuse aus einem Material mit einer Wärmeleitfähigkeit von etwa 0,2 W/m·K geformt, und die wärmeleitenden Elemente sind aus einem Material mit einer Wärmeleitfähigkeit von etwa 200 W/m·K geformt. In verschiedenen Aspekten können die leitfähigen Elemente aus einem Material mit einer Leitfähigkeit größer oder gleich etwa 8 W/m·K geformt sein, optional größer als oder gleich etwa 10 W/m·K, optional größer oder gleich etwa 20 W/m·K, optional größer oder gleich etwa 50 W/m·K, optional größer oder gleich etwa 100 W/m·K, optional größer oder gleich etwa 150 W/m·K und optional größer oder gleich etwa 250 W/m·K geformt sein.
Konfiguration des Kanals und wärmeleitender Elemente
Die wärmeleitenden Elemente können eine beliebige Geometrie aufweisen, die eine Fluidverbindung zwischen dem Wärmeübertragungsfluid im Kanal und der Wärmequelle ermöglicht. Die wärmeleitenden Elemente können in direkter Fluidverbindung mit dem Kanal stehen. In verschiedenen Aspekten kann sich das wärmeleitende Element in den Kanal erstrecken. In verschiedenen Aspekten kann das wärmeleitende Element zumindest teilweise den Kanal umgeben und definieren. So kann beispielsweise das wärmeleitende Element eine Vielzahl von Vorsprüngen (4A-4B), eine Vielzahl von Stiften (5A-5B) und/oder eine Ummantelung beinhalten (z. B. eine Wicklung, einen umflochtenen Schlauch, einen gewebten Schlauch, gewirkten Schlauch, einen umhäkelten Schlauch oder dergleichen) ( 6A-6B).
Die wärmeleitenden Elemente können entlang mindestens eines Abschnitts einer Länge des Kanals verteilt sein. In einem Beispiel sind die wärmeleitenden Elemente entlang einer gesamten Länge des Kanals verteilt. In einem anderen Beispiel sind die wärmeleitenden Elemente nur innerhalb des Kanals in einem Bereich nahe der Wärmequelle vorhanden. In verschiedenen Aspekten können die wärmeleitenden Elemente gleichmäßig über die Länge des Kanals beabstandet sein. In verschiedenen alternativen Aspekten können die wärmeleitenden Elemente ungleichmäßig innerhalb des Kanals verteilt sein. So kann beispielsweise ein erster Abschnitt von wärmeleitenden Elementen nahe der Wärmequelle angeordnet sein, und ein zweiter Teil von wärmeleitenden Elementen kann weiter von der Wärmequelle beabstandet sein.
Der Kanal definiert ein Gesamtvolumen ohne das wärmeleitende Element. Die wärmeleitenden Elemente belegen ein Elementvolumen innerhalb des Kanals. Ein offenes Volumen des Kanals ist ein Prozentsatz des Gesamtvolumens, das von den wärmeleitenden Elementen eingenommen wird. Das offene Volumen kann größer sein oder gleich etwa 40 %, optional größer als oder gleich etwa 45 %, optional größer als oder gleich etwa 50 %, optional größer als oder gleich etwa 55 % und optional größer als oder gleich etwa 60 %.
Vorsprünge (FIG. 4A-4B)
Unter Bezugnahme auf 4A-4B ist eine Teil einer vaskulären Baugruppe 90 gemäß bestimmten Aspekten der vorliegenden Offenbarung vorgesehen. Die vaskuläre Baugruppe beinhaltet ein Gehäuse 92 und eine wärmeleitende Komponente 94. Das Gehäuse 92 und die wärmeleitende Komponente 94 wirken zusammen, um zumindest teilweise einen Kanal 96 zu definieren, durch den ein Wärmeübertragungsfluid (nicht dargestellt) zirkulieren kann. Der Kanal 96 definiert eine Längsachse 97.
Die wärmeleitende Komponente 94 beinhaltet eine Struktur 98 und eine Vielzahl von Vorsprüngen 100. In verschiedenen Aspekten kann die Struktur 98 als „Wärmeübertragungsplatte“ bezeichnet werden. Die Vielzahl der Vorsprünge 100 sind wärmeleitende Elemente. In verschiedenen Aspekten können die Vorsprünge 100 auch als „Nasen“ oder „Spitzen“ bezeichnet werden. In einem Beispiel kann ein handelsübliches GRIP-Metall™ als wärmeleitende Komponente verwendet wird.
Die Vorsprünge 100 erstrecken sich von einer Oberfläche 102 der Struktur 98 in den Kanal 96. Die Oberfläche 102 kann planar oder nicht planar sein. In verschiedenen Aspekten sind die Vorsprünge 100 in Bezug auf eine Breite 104 des Kanals 96 zentriert. Wenn somit der Querschnitt des Kanals 96 senkrecht zur Längsachse 97 eine im Wesentlichen kreisförmige Form definiert, können sich die Vorsprünge 100 entlang mindestens eines Teils eines Durchmessers 106 des Kanals 96 erstrecken. In verschiedenen alternativen Aspekten können sich die Vorsprünge 100 über einen Nicht-Durchmesser-Sehnenabschnitt der Querschnittsform erstrecken.
Die Vorsprünge 100 können in Umfangsrichtung aneinander ausgerichtet sein. In alternativen Aspekten können die Vorsprünge 100 jedoch um mindestens einen Teil eines Umfangs des Kanals 96 (nicht dargestellt) verteilt sein. Ferner kann der Kanal 96 mehr als einen Vorsprung 100 an einer einzelnen Stelle entlang der Längsachse 97 (nicht dargestellt) beinhalten. So kann beispielsweise ein Paar von Vorsprüngen entlang des Durchmessers 106 des Kanals 96 zueinander verlaufen.
Der Kanal 96 definiert eine Abmessung, wie beispielsweise den Durchmesser 106, im Wesentlichen senkrecht zur Längsachse 97. Die Vorsprünge 100 definieren eine Höhe 108 im Wesentlichen parallel zum Durchmesser 106. In verschiedenen Aspekten kann ein Verhältnis zwischen Durchmesser 106 und Höhe 108 größer als oder gleich etwa 0,1 und kleiner als oder gleich etwa 1 sein, optional größer als oder gleich etwa 0,2 und kleiner als oder gleich etwa 0,9, optional größer als oder gleich etwa 0,3 und kleiner als oder gleich etwa 0,8, optional größer als oder gleich etwa 0,4 und kleiner als oder gleich etwa 0,7 und optional größer als oder gleich etwa 0,5 und kleiner als oder gleich etwa 0,6.
Stifte (FIG. 5A-5B)
Unter Bezugnahme auf 5A-5B ist eine weitere vaskuläre Baugruppe 120 gemäß bestimmten Aspekten der vorliegenden Offenbarung vorgesehen. Die vaskuläre Baugruppe 120 beinhaltet ein Gehäuse 122, das einen Kanal 124 definiert, durch den ein Wärmeübertragungsfluid (nicht dargestellt) zirkulieren kann. Die vaskuläre Baugruppe 120 umfasst ferner eine Vielzahl von Stiften 126. Die Stifte 126 sind wärmeleitende Elemente und werden aus einem wärmeleitenden Material, wie vorstehend beschrieben, geformt. Jeder Stift 126 beinhaltet ein erstes Ende 128 und ein zweites Ende 130, das gegenüber dem ersten Ende 128 liegt. Das erste und das zweite Ende 128, 130 sind in das Gehäuse 122 eingebettet. Somit ist jeder Stift 126 an zwei Stellen mit dem Gehäuse 122 verbunden. In verschiedenen Aspekten kann, wenn der Stift 126 wie dargestellt an zwei Stellen mit dem Gehäuse 122 gekoppelt ist, dies als „Säule“ bezeichnet werden. In verschiedenen alternativen Aspekten können Stifte an einer einzigen Stelle mit dem Gehäuse gekoppelt sein und sich zumindest teilweise über den Kanal 124 erstrecken (z. B. entlang mindestens eines Teils eines Durchmessers des Kanals 124) (nicht dargestellt).
Der Kanal 124 kann eine Längsachse 132 entlang einer Länge des Kanals 124 definieren. Der Kanal 124 kann eine Abmessung, wie einen Durchmesser 134 im Fall eines Kanals definieren, der einen kreisförmigen Querschnitt senkrecht zur Längsachse 132 definiert. Die Stifte 126 können sich entlang des Durchmessers 134 erstrecken. In alternativen Ausführungsformen können sich die Säulen 126 entlang von Sehnen erstrecken, die keine Durchmesser sind.
Die ersten Enden 128 der Stifte 126 sind entlang der Längsachse 132 aneinander ausgerichtet, sodass sie im Wesentlichen jeweils am gleichen Umfangsort angeordnet sind. Die zweiten Enden 130 der Stifte 126 sind entlang der Längsachse 132 aneinander ausgerichtet, sodass sie im Wesentlichen jeweils am gleichen Umfangsort angeordnet sind. In alternativen Aspekten können die Stifte 126 an verschiedenen Umfangspositionen angeordnet sein. So kann beispielsweise ein erster Stift um die Längsachse 132 in Bezug auf einen zweiten Stift gedreht sein (nicht dargestellt).
Jeder Stift 126 kann eine Höhe 136 definieren. Die Stifte 126 können die gleiche Höhe oder unterschiedliche Höhen aufweisen. In verschiedenen Aspekten kann ein Verhältnis zwischen Durchmesser 134 und Höhe 136 größer als etwa 1 und kleiner als oder gleich etwa 10 sein, optional größer als etwa 1,5 und kleiner als oder gleich etwa 8, optional größer als etwa 2 und kleiner als oder gleich etwa 6 und größer als oder gleich etwa 3 und kleiner als oder gleich etwa 4.
Ummantelung (FIG. 6A-6B)
Unter Bezugnahme auf 6A-6B ist noch eine weitere vaskuläre Baugruppe 150 gemäß bestimmten Aspekten der vorliegenden Offenbarung vorgesehen. Die vaskuläre Baugruppe 150 beinhaltet ein Gehäuse 152. Die vaskuläre Baugruppe 150 beinhaltet ferner eine Hülle oder eine Ummantelung, die eine Wicklung 154 sein kann (siehe auch 25B-25E). Die Wicklung 154 ist ein wärmeleitendes Element, das, wie vorstehend beschrieben, aus einem wärmeleitenden Material geformt ist. In verschiedenen alternativen Aspekten kann die Ummantelung einen umflochteten, gewirkten, umhäkelten oder gewebten Schlauch beinhalten. In verschiedenen alternativen Aspekten kann die Ummantelung eine Vielzahl von umlaufenden Ringen beinhalten. In verschiedenen alternativen Aspekten kann die Ummantelung extrudiert, gegossen oder auf den Schlauch gesprüht sein.
Die Wicklung 154 und das Gehäuse 152 wirken zusammen, um zumindest teilweise einen Kanal 156 zu definieren, durch den ein Wärmeübertragungsfluid zirkulieren kann. Der Kanal definiert eine Längsachse 160. Die Wicklung 154 umschließt mindestens einen Teil eines Umfangs 158 des Kanals 156, um einen Teil einer Oberfläche 162 des Kanals 156 zu bilden. In verschiedenen alternativen Aspekten kann sich die Wicklung 154 zumindest teilweise in den Kanal 156 zur Längsachse 160 erstrecken. Somit kann die Wicklung 154 „Rippen“ (nicht dargestellt) definieren. Jede der vorstehend beschriebenen Ummantelungen kann sich zumindest teilweise in den Kanal 156 erstrecken, um Rippen, Riffelungen und/oder Textur zu definieren.
Thermisch leitfähige Elementgeometrien (FIG. 7-14)
Wärmeleitende Elemente gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung können eine Vielzahl unterschiedlicher Geometrien definieren. Insbesondere können wärmeleitende Elemente eine Vielzahl von Formen, Größen und Verteilung definieren, um die Rate der Wärmeübertragung und Fluidströmungseigenschaften zu optimieren. Im Allgemeinen führt die Vergrößerung eines Oberflächenbereichs der wärmeleitenden Elemente zu einer erhöhten Wärmeübertragungsrate zwischen dem wärmeleitenden Element und einem Wärmeübertragungsfluid, das durch einen Kanal fließt. Das Vergrößern einer Rauheit der Oberfläche des gesamten wärmeleitenden Elements kann eine turbulente Strömung des Wärmeübertragungsfluids erleichtern. Turbulente Strömung des Wärmeübertragungsfluids kann zu einer Vergrößerung der Wärmeübertragungsrate zwischen den wärmeleitenden Elementen und dem Wärmeübertragungsfluid führen.
Unter Bezugnahme auf 7 beinhaltet ein wärmeleitendes Element einen Vorsprung 180, der eine im Wesentlichen zylindrische Form definiert. Somit weist der Vorsprung 180 entlang seiner Länge einen im Wesentlichen gleichmäßigen Durchmesser auf. Der Vorsprung 180 erstreckt sich von einer Struktur 182 einer wärmeleitenden Komponente 184 in einen Kanal 186. Die Struktur 182 und ein Gehäuse 188 wirken zusammen, um zumindest teilweise den Kanal 186 zu definieren.
Unter Bezugnahme auf 8 beinhaltet ein wärmeleitendes Element einen Vorsprung 200, der im Wesentlichen eine Sägezahnform definiert. Der Vorsprung 200 erstreckt sich von einer Struktur 202 einer wärmeleitenden Komponente 204 in einen Kanal 206. Die Struktur 202 und ein Gehäuse 208 wirken zusammen, um zumindest teilweise den Kanal 206 zu definieren. Der Vorsprung kann ein spitzes distales Ende 210 beinhalten.
Unter Bezugnahme auf 9 beinhaltet ein wärmeleitendes Element eine Vielzahl von Vorsprüngen 220, die Kegel definieren. Die Vorsprünge 220 erstrecken sich von einer Struktur 222 einer wärmeleitenden Komponente 224 in einen Kanal 226. Die Struktur 222 und ein Gehäuse 228 wirken zusammen, um zumindest teilweise den Kanal 226 zu definieren. Ein erster Abschnitt 230 der Vorsprünge 220 definiert eine erste Höhe 232. Ein zweiter Abschnitt 234 der Vorsprünge definiert eine zweite Höhe 236. Die zweite Höhe 236 ist größer als die erste Höhe 232. Somit muss eine Vielzahl von wärmeleitenden Elementen gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung keine gleichmäßigen Abmessungen definieren.
Unter Bezugnahme auf 10 beinhaltet ein wärmeleitendes Element einen Vorsprung, der einen Haken 250 definiert. Der Haken 250 erstreckt sich von einer Struktur 252 einer wärmeleitenden Komponente 254 in einen Kanal 256. Die Struktur 252 wirkt mit einem Gehäuse 258 zusammen, um den Kanal 256 zu definieren. Der Haken 250 beinhaltet ein distales Ende 260, das sich auf sich selbst zurück zur Struktur 252 hin krümmt.
Unter Bezugnahme auf 11 wird ein wärmeleitendes Element gemäß bestimmten Aspekten der vorliegenden Offenbarung bereitgestellt. Das wärmeleitende Element beinhaltet einen Vorsprung, der einen Bogen 270 definiert. Der Bogen 270 erstreckt sich von einer Struktur 272 einer wärmeleitenden Komponente 274 in einen Kanal 276. Die Struktur 272 wirkt mit einem Gehäuse 278 zusammen, um den Kanal 276 zu definieren. Der Bogen 270 erstreckt sich zwischen dem ersten Ende 282 und dem zweiten Ende 284. Der Bogen 270 definiert einen gewölbten Teil 286, der zwischen dem ersten Ende 282 und dem zweiten Ende 284 angeordnet ist. Der Bogen 270 definiert einen Durchgang 288, durch den das Wärmeübertragungsfluid strömen kann.
Unter Bezugnahme auf 12 wird eine Vielzahl wärmeleitender Elemente gemäß bestimmten Aspekten der vorliegenden Offenbarung bereitgestellt. Die Vielzahl wärmeleitender Elemente beinhaltet eine Vielzahl von ungleichmäßigen Vorsprüngen 300. Die Vorsprünge 300 erstrecken sich von einer Struktur 302 einer wärmeleitenden Komponente 304 in einen Kanal 306. Die Struktur 302 wirkt mit einem Gehäuse 308 zusammen, um zumindest teilweise den Kanal 306 zu definieren.
Unter Bezugnahme auf 13 beinhaltet ein wärmeleitendes Element gemäß bestimmten Aspekten der vorliegenden Offenbarung eine Säule oder einen Stift 320. Die Säule 320 beinhaltet ein erstes Ende 322 und ein zweites Ende 324, das dem ersten Ende 322 gegenüberliegt. Der Stift 320 erstreckt sich durch einen Kanal 326, der durch ein Gehäuse 328 definiert ist. Das erste Ende 322 und das zweite Ende 324 des Stifts 320 erstrecken sich jeweils in das Gehäuse 328. Der Stift 320 definiert eine im Wesentlichen zylindrische Form. Daher weist der Stift 320 einen im Wesentlichen gleichmäßigen Durchmesser auf.
Unter Bezugnahme auf 14 beinhaltet ein wärmeleitendes Element gemäß bestimmten Aspekten der vorliegenden Offenbarung die Säule oder den Stift 340. Eine Außenfläche 342 der Säule 340 definiert eine Nut 344. Die Nut 344 kann eine umlaufende Nut sein. Das Vorhandensein der Nut 344 kann einen Oberflächenbereich des Stifts 340 erhöhen, der mit einem Wärmeübertragungsfluid in Kontakt steht und die Wärmeübertragung zwischen dem wärmeleitenden Element und dem Wärmeübertragungsfluid verbessert. Der Stift 340 erstreckt sich durch Kanal 346, der durch Gehäuse 348 definiert ist. Noch genauer erstrecken sich ein erstes Ende 350 und ein zweites Ende 352 des Stifts 340 jeweils in den Stift 340. Daher können wärmeleitende Elemente gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung Oberflächenmerkmale definieren, um den Oberflächenbereich des wärmeleitenden Elements zu vergrößern oder die Fließeigenschaften des Wärmeübertragungsfluids zu beeinflussen. Beispiele anderer Oberflächenmerkmale beinhalten Vertiefungen, Vorsprünge, umlaufende Rippen, axiale Nuten und andere Texturen.
Kanalgeometrien (FIG. 15-21)
Kanäle in vaskulären Baugruppen gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung können eine Vielzahl von Formen, Größen und Oberflächentexturen definieren. In einem Beispiel kann eine Gehäuseoberfläche, die einen Kanal definiert, eine erhöhte Rauheit aufweisen, wodurch eine turbulente Strömung des Wärmeübertragungsfluids erleichtert und die Wärmeübertragung zwischen dem wärmeleitenden Element und dem Wärmeübertragungsfluid erhöht wird. Ein Kanal mit Querschnittsform kann modifiziert werden, um die Rate der Wärmeübertragung, den Druckabfall über den Kanal und die strukturelle Leistung der vaskulären Baugruppe zu optimieren. Eine Vergrößerung des Kanals kann zu einer erhöhten Wärmeübertragungsrate führen. Das Erhöhen eines Umfangs einer Querschnittsform des Kanals, beispielsweise durch Hinzufügen konvexer oder konkaver Abschnitte, insbesondere angrenzend an eine Wärmequelle, kann die Rate der Wärmeübertragung erhöhen.
Die strukturelle Integrität einer vaskulären Baugruppe, die einen Kanal definiert, kann durch eine Geometrie eines Querschnitts des Kanals senkrecht zu einer Längsachse des Kanals beeinflusst werden. In verschiedenen Aspekten ist eine Festigkeit der vaskulären Baugruppe mit den Kanälen größer oder gleich 90 % der Festigkeit der ähnlichen Komponente ohne Kanäle, optional größer oder gleich 91 %, optional größer oder gleich 92 %, optional größer oder gleich 93 %, optional größer oder gleich 94 %, optional größer oder gleich 95 %. In verschiedenen Aspekten ist eine Steifheit der vaskulären Baugruppe mit den Kanälen größer oder gleich 90 % der Festigkeit der ähnlichen Komponente ohne Kanäle, optional größer oder gleich 91 %, optional größer oder gleich 92 %, optional größer oder gleich 93 %, optional größer oder gleich 94 %, optional größer oder gleich 95 %. In verschiedenen Aspekten ist eine Zähigkeit der vaskulären Baugruppe mit den Kanälen größer oder gleich 90 % der Festigkeit der ähnlichen Komponente ohne Kanäle, optional größer oder gleich 91 %, optional größer oder gleich 92 %, optional größer oder gleich 93 %, optional größer oder gleich 94 %, optional größer oder gleich 95 %.
Die Querschnittsgröße und die Form des Kanals beeinflussen auch den Druckabfall über den Kanal. So kann beispielsweise das Ändern einer Größe und/oder Form des Kanals einen hydraulischen Durchmesser des Kanals beeinflussen, wodurch der Druckabfall über den Kanal verändert wird. Ein akzeptabler Druckabfall kann basierend auf einer Größe der Pumpe bestimmt werden, die verwendet wird, um Wärmeübertragungsfluid durch die vaskuläre Baugruppe zirkulieren zu lassen. In verschiedenen Aspekten kann der Druckabfall über den Kanal kleiner oder gleich etwa 100 Pfund pro Quadratzoll (psi), optional kleiner oder gleich etwa 2 psi, optional kleiner oder gleich 1,5 psi, optional kleiner oder gleich 1 psi und optional kleiner als oder gleich 0,5 psi sein.
Ein Kanal gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung kann jede Querschnittsform des Kanals definieren, die zu einem Kanal mit akzeptablen Wärmeübertragungseigenschaften, strukturellen Eigenschaften, Fluidströmungseigenschaften und struktureller Integrität führt. Beispiele für eine Querschnittsform beinhalten eine Ellipse (18), wie beispielsweise einen Kreis (15); ein Dreieck (16); ein Viereck, wie ein Rechteck (17) oder ein Quadrat (nicht dargestellt); Vielecke mit fünf oder mehr Seiten, wie Sterne mit fünf oder mehr Punkten (19-20). Zusätzlich kann der Kanal eine Hülle oder Beschichtung (21) beinhalten.
Die Querschnittsform kann eine maximale Abmessung definieren (z. B., einen Durchmesser, wenn die Querschnittsform ein Kreis ist). In verschiedenen Aspekten kann die maximale Abmessung größer oder gleich etwa 100 µm bis kleiner oder gleich etwa 10 mm, optional größer oder gleich etwa 0,2 mm bis kleiner oder gleich etwa 5 mm, optional größer oder gleich etwa 0,3 mm bis kleiner oder gleich etwa 3 mm und optional größer oder gleich etwa 0,5 mm bis kleiner oder gleich etwa 2 mm sein.
Unter Bezugnahme auf 15 ist ein Abschnitt einer vaskulären Baugruppe 368 gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung vorgesehen. Die vaskuläre Baugruppe 368 beinhaltet ein Gehäuse 370, das einen Kanal 372 definiert. Der Kanal 372 erstreckt sich entlang einer Längsachse 374. Wärmeübertragungsfluid kann durch den Kanal 372 zirkulieren, um Wärme von einer Wärmequelle 376 zu absorbieren. Der Kanal 372 definiert eine im Wesentlichen kreisförmige Form senkrecht zur Längsachse 374.
Unter Bezugnahme auf 16 ist ein Abschnitt einer vaskulären Baugruppe 382 gemäß verschiedener Aspekte der vorliegenden Offenbarung vorgesehen. Die vaskuläre Baugruppe 382 beinhaltet ein Gehäuse 384, das einen Kanal 386 definiert. Der Kanal 386 erstreckt sich entlang der Längsachse 388. Wärmeübertragungsfluid kann durch den Kanal 386 zirkulieren, um Wärme von einer Wärmequelle 390 zu absorbieren. Der Kanal 386 definiert eine im Wesentlichen dreieckige Form senkrecht zur Längsachse 388. Die Basis 392 des Dreiecks ist zur Wärmequelle 390 angeordnet. Im Vergleich zu einem kreisförmigen Kanal (siehe z. B., Kanal 372 in 15) führt die Anordnung der Basis 392 des Dreiecks nahe der Wärmequelle 390 zu einer erhöhten Wärmeübertragung. Ferner erzeugt die dreieckige Form eine Reduzierung des Druckabfalls durch den Kanal 386 aufgrund einer Erhöhung des Volumens, die einen oberen Abschnitt 394 des Kanals 386 aufweist (im Vergleich zu einem Kanal mit einem kleineren Volumen).
Unter Bezugnahme auf 17 ist ein Abschnitt einer vaskulären Baugruppe 402 gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung vorgesehen. Die vaskuläre Baugruppe 402 beinhaltet ein Gehäuse 404, das einen Kanal 406 definiert. Der Kanal 406 erstreckt sich entlang der Längsachse 408. Ein Wärmeübertragungsfluid kann durch den Kanal 406 zirkulieren, um Wärme von einer Wärmequelle 410 zu absorbieren. Der Kanal 406 kann eine im Wesentlichen rechteckige Querschnittsform senkrecht zur Längsachse 408 definieren. Die rechteckige Form kann abgerundete Ecken 412 beinhalten. Der rechteckige Querschnitt kann eine Breite 414 und eine Höhe 416 definieren. Die Breite 414 kann größer als die Höhe 416 sein. Im Vergleich zu einem kreisförmigen Kanal (siehe z. B. Kanal 372 in 15) kann der rechteckige Kanal eine erhöhte Wärmeübertragung und eine verminderte strukturelle Leistung ergeben.
Unter Bezugnahme auf 18 ist ein Abschnitt einer vaskulären Baugruppe 420 gemäß verschiedener Aspekte der vorliegenden Offenbarung vorgesehen. Die vaskuläre Baugruppe 420 beinhaltet ein Gehäuse 422, das einen Kanal 424 definiert. Der Kanal 424 kann sich entlang einer Längsachse 426 erstrecken. Ein Wärmeübertragungsfluid kann durch den Kanal 424 zirkulieren, um Wärme von einer Wärmequelle 428 zu absorbieren. Der Kanal 424 kann eine im Wesentlichen elliptische Form in einer Richtung senkrecht zur Längsachse 426 definieren. Die elliptische Form kann eine Breite 430 und eine Höhe 432 definieren. Die Breite 430 kann größer als die Höhe 432 sein. Im Vergleich zu einem kreisförmigen Kanal (siehe z. B. Kanal 372 in 15) kann der elliptische Querschnitt eine erhöhte Wärmeübertragungsleistung und eine erhöhte strukturelle Leistung aufweisen.
Unter Bezugnahme auf 19 ist ein Abschnitt einer vaskulären Baugruppe 440 gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung vorgesehen. Die vaskuläre Baugruppe 440 beinhaltet ein Gehäuse 442, das einen Kanal 444 definiert. Der Kanal 444 kann sich entlang einer Längsachse 446 erstrecken. Ein Wärmeübertragungsfluid kann durch den Kanal 444 zirkulieren, um Wärme von einer Wärmequelle 448 zu absorbieren. Der Kanal 444 kann einen im Wesentlichen sternförmigen Querschnitt in einer Richtung senkrecht zur Längsachse 446 definieren. Der sternförmige Querschnitt kann sechzehn Punkte 450 beinhalten. Im Vergleich zu einem kreisförmigen Kanal (siehe z. B. Kanal 372 in 15) kann der sternförmige Querschnitt eine erhöhte Wärmeübertragungsleistung aufweisen.
Unter Bezugnahme auf 20 ist noch ein Abschnitt einer weiteren vaskulären Baugruppe 460 gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung vorgesehen. Die vaskuläre Baugruppe 460 beinhaltet ein Gehäuse 462, das einen Kanal 464 definiert. Der Kanal 464 erstreckt sich entlang der Längsachse 466. Ein Wärmeübertragungsfluid kann durch den Kanal 464 zirkulieren, um Wärme von einer Wärmequelle 468 zu absorbieren. Der Kanal 464 kann einen im Wesentlichen sternförmigen Querschnitt in einer Richtung senkrecht zur Längsachse 466 definieren. Der sternförmige Querschnitt kann sechzehn Punkte 470 beinhalten. Im Vergleich zum sternförmigen Querschnitt des Kanals 444 in 19 kann der sternförmige Querschnitt des Kanals 464 in 20 längere Punkte 470 aufweisen. Im Vergleich zu einem kreisförmigen Querschnitt (siehe z. B. Kanal 372 in 15) kann der sternförmige Querschnitt verbesserte Wärmeübertragungseigenschaften aufweisen.
Unter Bezugnahme auf 21 ist noch ein Abschnitt einer weiteren vaskulären Baugruppe 480 gemäß verschiedener Aspekte der vorliegenden Offenbarung vorgesehen. Die vaskuläre Baugruppe 480 beinhaltet ein Gehäuse 482, das einen Kanal 484 definiert. Der Kanal 484 erstreckt sich entlang einer Längsachse 486. Der Kanal 484 kann eine Beschichtung oder Hülle 488 beinhalten. In verschiedenen Aspekten kann die Schale 488 dem Kanal 484 Steifheit verleihen. In verschiedenen Aspekten kann die Hülle eine Rauheit einer Oberfläche in Kontakt mit einem Wärmeübertragungsfluid innerhalb des Kanals 484 verringern (z. B. durch das Beseitigen einer Porosität eines Opfermaterials, aus dem der Kanal geformt wird). In verschiedenen Aspekten ist die Hülle 488 eine Schutzhülle.
Die Hülle 488 kann eine Dicke 490 definieren. Die Dicke 490 kann größer als oder gleich etwa 1 µm bis kleiner als oder gleich etwa 1 mm sein. Die Hülle 488 kann aus einem Metall, einem Polymer, einem Polymerverbundstoff oder einer Kombination daraus geformt sein. Ein Wärmeübertragungsfluid kann durch den Kanal 484 zirkulieren, um Wärme von einer Wärmequelle 492 zu absorbieren. Das Wärmeübertragungsfluid kann in Fluidverbindung mit einer Innenfläche 494 der Hülle 488 stehen.
Verfahren zur Herstellung von vaskulären Baugruppen
In verschiedenen Aspekten stellt die vorliegende Offenbarung ein Verfahren zum Herstellen einer vaskulären Baugruppe bereit. Im Allgemeinen beinhaltet das Verfahren (1) das Formen eines Kanalvorprodukts; (2) Formen einer Zwischenbaugruppe, die das Kanalvorprodukt und mindestens ein thermisch leitendes Element beinhaltet; (3) Formen einer festen Polymerbaugruppe einschließlich der Zwischenbaugruppe; und (4) Entfernen des Kanalvorprodukts, um die vaskuläre Baugruppe zu formen, die einen Kanal definiert. Die vaskuläre Baugruppe beinhaltet den Kanal in Fluidverbindung mit dem wärmeleitenden Element.
Formen eines Kanalvorprodukts
Das Kanalvorprodukt kann verwendet werden, um die Bildung eines oder mehrerer Kanäle in der vaskulären Baugruppe zu erleichtern. Das Kanalvorprodukt wird aus einem Opfermaterial gebildet, das nach dem Formen des Gehäuses aus der vaskulären Baugruppe entfernt werden kann. Das Kanalvorprodukt kann eine Geometrie des Kanals definieren. So kann beispielsweise das Kanalvorprodukt einen sternförmigen Querschnitt senkrecht zu einer Längsachse des Kanalvorprodukts definieren, um einen Kanal mit dem sternförmigen Querschnitt zu bilden.
Das Opfermaterial kann ein Material beinhalten, das zu einem der folgenden Vorgänge in der Lage ist: schmelzen, verdampfen, verbrennen und aufschließen. Beispiele für geeignete Opfermaterialien beinhalten Metalle, Polymere, Brennmaterialien und Kombinationen daraus. Metalle können Lötmittel beinhalten, wie beispielsweise Lötmittel, die Blei, Zinn, Zink, Aluminium, geeignete Legierungen und dergleichen enthalten. Polymere können beispielsweise Polyvinylacetat, Polymilchsäure, Polyethylen, Polystyrol sein. Brennmaterialien können beispielsweise Keramik, Salze (z. B. Kaliumnitrat), Schwarzpulver, Holzkohle, Pentaerythrit-Tetranitrat, brennbare Metalle, brennbare Oxide, Thermite, Nitrocellulose, Pyrocellulose, Flammpulver, rauchfreies Pulver und Kombinationen daraus sein. Zusätzlich oder alternativ kann das Opfermaterial mit einem Katalysator behandelt werden oder chemisch modifiziert werden, um das Schmelz- oder Abbauverhalten zu verändern.
In einem Beispiel wird das Kanalvorprodukt durch Extrusion gebildet. Unter Bezugnahme auf 22A-22B ist ein Extruder 510 zum Formen eines Kanalvorprodukts gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung vorgesehen. Der Extruder 510 beinhaltet eine Trommel 512, die im Wesentlichen zylindrisch sein kann. Die Trommel 512 definiert eine Kammer 514, in die eine Schraube 516 eingedreht ist. Eine Vielzahl von Heizern 518 ist um eine Außenseite der Trommel 512 angeordnet.
Eine Vielzahl von Pellets 520, die ein Opfermaterial umfassen, kann einem Trichter 522 des Extruders 510 hinzugefügt werden. Die Pellets 520 treten beispielsweise unter Ausnutzung der Schwerkraft in die Kammer 514 ein. Die Schraube 516 dreht sich um eine Längsachse 524, und eine Vielzahl von Gewinden 526 der Schraube 516 lenkt die Pellets 520 durch die Kammer 514 in eine Richtung 528. Noch genauer zwingt die Schraube 516 die Pellets 520 durch einen Zuführabschnitt 530, dann einen Kompressionsabschnitt 532 und dann einen Dosierabschnitt 534. Wenn die Pellets 520 durch die Kammer 514 wandern, werden sie geschmolzen, um eine Polymerschmelze 536 zu bilden. Die Polymerschmelze 536 fließt durch eine Lochscheibe 538 und in ein Ausformwerkzeug 540. Das Ausformwerkzeug 540 beinhaltet eine Lochscheibe 542 mit einer Öffnung 544. Ein Umfang 546 der Öffnung 544 ist entsprechend einer gewünschten Kanalgröße und Form bemessen und geformt. Die Polymerschmelze wird durch die Öffnung 544 der Lochscheibe 542 gezwungen, ein Extrudat 548 zu bilden. Alle oder ein Teil des Extrudats 548 können als Kanalvorprodukt verwendet werden.
In verschiedenen Aspekten kann eine Hülle oder Beschichtung um die Kanalvorprodukt-Hülle geformt sein (siehe z. B. Außenhülle 488 in 21) nach Formung des Kanalvorprodukts. Wenn das Kanalvorprodukt eine Außenhülle beinhaltet, kann das Opfermaterial auch ein Gas, wie beispielsweise Luft, sein.
Formen einer Zwischenbaugruppe
Das Formen einer Zwischenbaugruppe beinhaltet das Zusammenbauen eines oder mehrerer wärmeleitender Elemente zum Kanalvorprodukt. Das Formen einer Zwischenbaugruppe, die Vorsprünge beinhaltet, mit denen das wärmeleitende Element das Kanalvorprodukt (und gegebenenfalls die Hülle) mit den Vorsprüngen durchsticht, sodass sich die Vorsprünge zumindest teilweise durch das Kanalvorprodukt erstrecken, wie nachfolgend näher beschrieben (23B). Das Formen einer Zwischenbaugruppe, die Stifte beinhaltet, mit denen das wärmeleitende Element das Kanalvorprodukt (und gegebenenfalls die Hülle) mit den Stiften durchsticht, sodass sich die Stifte zumindest teilweise durch das Kanalvorprodukt erstrecken, wie nachfolgend näher beschrieben (24B). Das Formen einer Zwischenbaugruppe, die eine Ummantelung aufweist, beinhaltet das Aufbringen der Ummantelung auf eine Außenfläche des Kanalvorprodukts (oder optional auf die Hülle), wie nachfolgend näher beschrieben (25B).
Formen einer festen Polymerbaugruppe
Das Formen einer festen Polymerbaugruppe beinhaltet zumindest teilweise das Umschließen des Kanals innerhalb eines Gehäuses. Wenn das Gehäuse ein Polymer oder einen verstärkten Verbundwerkstoff beinhaltet, kann das Gehäuse durch Gießen geformt werden. Das Gießen beinhaltet das Einsetzen der Zwischenbaugruppe in eine Gussform; Das Gießen beinhaltet ferner das Einführen eines Gehäusevorprodukts in die Gussform. Das Gehäusevorprodukt beinhaltet ein Polymervorprodukt. Wenn ein verstärkter Verbundwerkstoff geformt werden soll, beinhaltet das Gehäusevorprodukt auch eine Vielzahl von Verstärkungsfasern oder -partikeln. Das Verfahren beinhaltet ferner das Verfestigen des flüssigen Vorprodukts, um die feste polymere Baugruppe zu formen. In der festen Polymerbaugruppe ist das Gehäuse um mindestens einen Teil des Kanalvorprodukts herum angeordnet.
Entfernen des Kanalvorprodukts, um die vaskuläre Baugruppe zu erstellen
Das Kanalvorprodukt, das das Opfermaterial enthält, wird aus der Polymerbaugruppe entfernt, um die vaskuläre Baugruppe mit dem Kanal zu erzeugen. Das Entfernen kann optional das Bereitstellen eines Zugangs zum Kanalvorprodukt-Material beinhalten (z. B. durch Bohren in das Gehäuse), um den Zugang zum Kanalvorprodukt zu ermöglichen. Das Kanalvorprodukt kann durch Verflüchtigen, Schmelzen, Verbrennen oder Abbauen des Opfermaterials oder durch Auflösen des Opfermaterials entfernt werden, um Abbauprodukte zu erzeugen.
In einem Beispiel wird das Opfermaterial auf eine Temperatur erhitzt (z. B. größer als oder gleich etwa 150 °C bis kleiner als oder gleich etwa 200 °C) zum Schmelzen oder Verdampfen des Opfermaterials. Die Temperatur kann ausgewählt werden, um das Opfermaterial effektiv zu entfernen, ohne das Gehäuse zu beschädigen. In einem anderen Beispiel wird das Opfermaterial einer Reaktion unterzogen, um das Opfermaterial zu verpuffen, ohne das Polymer oder die optionale Verstärkung des Gehäuses zu verschlechtern. In noch einem weiteren Beispiel wird ein Lösungsmittel (z. B. Aceton) optional durch Rühren, eingesetzt, um das Opfermaterial aufzulösen, ohne das Gehäuse zu beschädigen. In noch einem weiteren Beispiel wird das Opfermaterial auch mit einer geeigneten Säure verätzt (beispielsweise Salzsäure, Schwefelsäure, Salpetersäure und dergleichen).
Verfahren A: Formen eines Kanals mit Vorsprüngen
Unter Bezugnahme auf 23A-23B ist ein Verfahren zum Formen eines Kanals mit Vorsprüngen gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung vorgesehen. Das Verfahren wird im Kontext der vaskulären Baugruppe 90 in 4A-4B beschrieben. In 23A beinhaltet das Verfahren das Bereitstellen der wärmeleitenden Komponente 94 mit der Struktur 98, die plattiert sein kann, und die Vorsprünge 100. Die wärmeleitende Komponente kann GRIP-Metall™ beinhalten.
In 23B wird ein erstes Kanalvorprodukt 560 an der wärmeleitenden Komponente 94 montiert. Noch genauer werden die distalen Enden 562 der Vorsprünge 100 in das erste Kanalvorprodukt 560 eingesetzt oder gestanzt, sodass die Außenflächen 564 der Vorsprünge in direkter Verbindung mit dem ersten Kanalvorprodukt 560 stehen. Das Eingreifen der Vorsprünge 100 in das erste Kanalvorprodukt 560 kann eine bessere Kontrolle der Anordnung des ersten Kanalvorprodukts 560 auf der wärmeleitenden Komponente 94 erleichtern. Die Vorsprünge 100 können in das erste Kanalvorprodukt 560 eingesetzt werden, bis das erste Kanalvorprodukt 560 in direkter Verbindung mit der Oberfläche 102 der Struktur 98 der wärmeleitenden Komponente 94 steht. Somit wird eine erste Zwischenbaugruppe 566 mit dem ersten Kanalvorprodukt 560 und der wärmeleitenden Komponente 94 geformt.
In 23C beinhaltet das Verfahren das Formen einer ersten festen Polymerbaugruppe 568. Das Formen der ersten festen Polymerbaugruppe 568 beinhaltet zumindest teilweise das Umschließen des ersten Kanalvorprodukts 560 innerhalb des Gehäuses 92, wie oben in Schritt 3 beschrieben. In verschiedenen Aspekten kann das erste Kanalvorprodukt 560 vollständig innerhalb des Gehäuses 92 eingeschlossen sein. In 23D wird das erste Kanalvorprodukt 560 aus der ersten festen Polymerbaugruppe 568 entfernt, um den Kanal 96 der vaskulären Baugruppe 90 zu bilden, wie vorstehend in Schritt 4 beschrieben. In 23E zirkuliert ein Wärmeübertragungsfluid 570 durch den Kanal 96.
Verfahren B: Formen eines Kanals mit Stiften
Unter Bezugnahme auf 24A-24B ist ein Verfahren zum Formen eines Kanals mit Stiften gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung vorgesehen. Das Verfahren wird im Kontext der vaskulären Baugruppe 120 in 5A-5B beschrieben. In 24A beinhaltet das Verfahren das Bereitstellen eines zweiten Kanalvorprodukts 580 mit einem Opfermaterial.
In 24B wird die Vielzahl von Säulen oder Stiften 126 am zweiten Kanalvorprodukt 580 montiert. Das erste oder zweite Ende 128, 130 jedes Stifts 126 kann in das zweite Kanalvorprodukt 580 eingesetzt werden, sodass sich jedes der ersten und zweiten Enden 128, 130 außerhalb des zweiten Kanalvorprodukts 580 erstreckt. In einem Beispiel wird eine Vorrichtung verwendet, um gleichzeitig die Stifte 126 in das zweite Kanalvorprodukt 580 zu drücken. In einem anderen Beispiel werden die Stifte 126 in das zweite Kanalvorprodukt 580 in Übereinstimmung mit der Bildung des zweiten Kanalvorprodukts 580 eingesetzt (z. B. wenn das zweite Kanalvorprodukt 580 den Extruder verlässt, wie vorstehend beschrieben).
In 24C beinhaltet das Verfahren das Formen einer zweiten festen Polymerbaugruppe 586. Das Formen der zweiten festen Polymerbaugruppe 586 beinhaltet zumindest teilweise das Umschließen des zweiten Kanalvorprodukts 580 innerhalb des Gehäuses 122, wie oben in Schritt 3 beschrieben, sodass eine Außenfläche 588 des zweiten Kanalvorprodukts 580 in direktem Kontakt mit dem Gehäuse 122 steht. In 24D wird das zweite Kanalvorprodukt 580 aus der zweiten festen Polymerbaugruppe 586 entfernt, um den Kanal 156 der vaskulären Baugruppe 120 zu erzeugen, wie oben in Schritt 4 beschrieben. In 24E zirkuliert ein Wärmeübertragungsfluid 590 durch den Kanal 156.
Verfahren C: Formen eines Kanals mit einer Ummantelung
Unter Bezugnahme auf 25A-25E ist ein Verfahren zum Formen eines Kanals mit Ummantelung gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung vorgesehen. Das Verfahren wird im Kontext der vaskulären Baugruppe 150 in 6A-6B beschrieben. In 25A beinhaltet das Verfahren das Bereitstellen eines dritten Kanalvorprodukts 600 mit einem Opfermaterial.
In 25B beinhaltet das Verfahren das Aufbringen der Ummantelung 154 auf eine Außenfläche 602 des dritten Kanalvorprodukts 600, um eine dritte Zwischenbaugruppe 604 zu bilden. In einem Beispiel beinhaltet die Ummantelung die Wicklung 154, die durch Wickeln eines Fadens oder Drahts um die Außenfläche 602 des dritten Kanalvorprodukts 600 gebildet wird. In verschiedenen Aspekten ist die Wicklung 154 zumindest teilweise in das dritte Kanalvorprodukt 600 eingesetzt, um Rippen oder Riffelung zu bilden. In einem anderen Beispiel ist eine Ummantelung ein umflochtener Schlauch (nicht dargestellt), der durch das Flechten einer Vielzahl von Fäden oder Drähten um die Außenfläche 602 des dritten Kanalvorprodukts gebildet wird. In noch einem weiteren Beispiel ist eine Ummantelung ein gewebter Schlauch (nicht dargestellt), der durch Aufbringen eines Gewebes um die Außenfläche 602 des dritten Kanalvorprodukts 600 gebildet wird. In noch einem weiteren Beispiel wird eine Ummantelung um die Außenfläche 602 des dritten Kanalvorprodukts 600 gewirkt oder gehäkelt. In noch einem weiteren Beispiel ist eine Ummantelung eine wärmeleitende Polymerbeschichtung mit Rippen, wie beispielsweise axialen Rippen, umlaufenden Rippen oder spiralförmigen Rippen.
In 25C beinhaltet das Verfahren das Formen einer dritten festen Polymerbaugruppe 606. Das Formen der dritten festen Polymerbaugruppe 606 beinhaltet zumindest teilweise das Umschließen des dritten Kanalvorprodukts 600 innerhalb des Gehäuses 152, wie vorstehend in Schritt 3 beschrieben. In verschiedenen Aspekten kann das Formen der dritten festen Polymerbaugruppe 606 das vollständige Umschließen des dritten Kanalvorprodukts 600 im Gehäuse 152 beinhalten. In 24D wird das dritte Kanalvorprodukt 600 aus der dritten festen Polymerbaugruppe 606 entfernt, um den Kanal 156 der vaskulären Baugruppe 150 zu erzeugen, wie vorstehend in Schritt 4 beschrieben. In 25E zirkuliert ein Wärmeübertragungsfluid 608 durch den Kanal 156.
BEISPIELE
Unter Bezugnahme auf 26A-26B ist eine vaskuläre Baugruppe 620 gemäß bestimmten Aspekten der vorliegenden Offenbarung vorgesehen. Die vaskuläre Baugruppe 620 beinhaltet ein Gehäuse 622, das einen Kanal 624 definiert. Die vaskuläre Baugruppe 620 beinhaltet ferner eine wärmeleitende Komponente 626 mit einer Struktur 628 und einer Vielzahl von wärmeleitenden Elementen 630, die Vorsprünge sind. Die wärmeleitenden Elemente 630 erstrecken sich in den Kanal 624. Die vaskuläre Baugruppe 620 beinhaltet ferner eine Heatspreader-Platte 632. Der Kanal 624 ist zwischen der wärmeleitenden Komponente 626 und der Heatspreader-Platte 632 angeordnet. Eine Wärmequelle 634 ist in thermischem Kontakt mit der wärmeleitenden Komponente 626. Die Wärmequelle 634 liefert eine Leistung von etwa 10 W.
Die wärmeleitende Komponente 626 und die Heatspreader-Platte 632 sind aus Aluminium geformt. Das Gehäuse 622 ist aus einem Polymer geformt. Ein Wärmeübertragungsfluid, das Ethylenglykol und Wasser bei einem 50/50-Verhältnis beinhaltet, zirkuliert durch den Kanal 624, um Wärme von der Wärmequelle 634 zu absorbieren. Jedes Wärmeübertragungselement 630 definiert einen Durchmesser 636, der angrenzend an die Struktur 628 gemessen wird, und eine Höhe 638, die im Wesentlichen senkrecht zu dem Durchmesser 636 gemessen wird. Die wärmeleitenden Elemente 630 sind durch einen Vorsprungsabstand 640 voneinander getrennt, der eine Entfernung zwischen den jeweiligen Zentren jedes Vorsprungs 630 ist.

Die vaskuläre Baugruppe 620 definiert eine Länge 642, eine Breite 644 im Wesentlichen senkrecht zur Länge 642 und eine Höhe 646 im Wesentlichen senkrecht zur Länge 642 und zur Breite 644. Der Kanal 624 erstreckt sich entlang einer Längsachse (nicht dargestellt) und definiert einen im Wesentlichen kreisförmigen Querschnitt senkrecht zur Längsachse. Der Kanal 624 definiert einen Durchmesser 648. Eine Struktur-zu-Kanal-Trennung 650 ist ein minimaler Abstand zwischen dem Kanal 624 und der Struktur 628 der wärmeleitenden Komponente 626, gemessen im Wesentlichen parallel zur Höhe 646. Die Struktur 628 und die Heatspreader-Platte 632 definieren jeweils eine Dicke 652. Die in Tabelle 1 beschriebenen Eigenschaften gelten in jedem der Beispiele 1-8.

Tabelle /Eigenschaft	Wert
Länge der vaskulären Baugruppe	10,4 mm
Breite der vaskulären Baugruppe	5,4 mm
Höhe der vaskulären Baugruppe	2 mm
Kanaldurchmesser	1,8 mm
Vorsprungsdurchmesser	1/3·Vorsprungshöhe
Wärmeübertragungsfluid-Strömungsrate	260 mm/s
Temperatur Wärmeübertragungsfluid	40 °C
Wärmequellenleistung	10W

Beispiel 1: Wirkung von Vorsprüngen mit gering leitfähigem Polymer

Vaskuläre Baugruppen A und B beinhalten jeweils ein Polymer mit einer Wärmeleitfähigkeit von 0,6 W/m·K. Vaskuläre Baugruppe A beinhaltet Vorsprünge als Wärmeübertragungselement (z. B., Wärmeübertragungselement 630 in 26A-26B). Die vaskuläre Baugruppe B schließt Vorsprünge aus und weist kein Wärmeübertragungselement auf. Bei Kontakt mit der Wärmequelle 634 ist eine globale Maximaltemperatur der vaskulären Baugruppe A (123 °C) wesentlich geringer als die globale Maximaltemperatur der vaskulären Baugruppe B (261 °C), wie in Tabelle 2 nachstehend dargestellt. Somit hat das Vorhandensein der Wärmeübertragungselemente einen signifikanten Einfluss auf die globale Maximaltemperatur und Wärmeübertragung, wenn die Wärmeleitfähigkeit des Polymers relativ niedrig ist.

Tabelle 2Eigenschaft	Vaskuläre Baugruppe A	Vaskuläre Baugruppe B
Heatspreader Dicke	0,5 mm	0,5 mm
Polymer-Wärmeleitfähigkeit	0,6 W/m·K	0,6 W/m·K
Heatspreader zu Kanaltrennung	0,25 mm	0,25 mm
Vorsprünge vorhanden?	Ja	Nein
Vorsprungsabstand	2,5 mm	NV
Vorsprungshöhe	1,4 mm	NV
Vorsprungsdurchmesser	Höhe/3	NV
Globale Maximaltemperatur	123 °C	261 °C

Beispiel 2: Wirkung von Vorsprüngen mit hoch leitfähigem Polymer

Die vaskulären Baugruppen C und D beinhalten jeweils ein Polymer mit einer Wärmeleitfähigkeit von 5 W/m·K. Vaskuläre Baugruppe C beinhaltet Vorsprünge als Wärmeübertragungselement (z. B. Wärmeübertragungselement 630 in 26A-26B). Die vaskuläre Baugruppe B schließt Vorsprünge aus und weist kein Wärmeübertragungselement auf. Bei Kontakt mit der Wärmequelle 634 ist eine globale Maximaltemperatur der vaskulären Baugruppe C (74 °C) geringer als die globale Maximaltemperatur der vaskulären Baugruppe D (79 °C), wie in Tabelle 3 nachstehend dargestellt. Das Vorhandensein der Wärmeübertragungselemente hat eine weniger signifikante Wirkung auf die globale Maximaltemperatur und Wärmeübertragung, wenn die thermische Leitfähigkeit des Polymers relativ hoch ist, verglichen mit einer thermischen Leitfähigkeit des Polymers, die relativ gering ist (z. B. wie in Beispiel 1).

Tabelle 3Eigenschaft	Vaskuläre Baugruppe C	Vaskuläre Baugruppe D
Heatspreader Dicke	0,5 mm	0,5 mm
Polymer-Wärmeleitfähigkeit	5 W/m·K	5 W/m·K
Heatspreader zu Kanaltrennung	0,25 mm	0,25 mm
Vorsprünge vorhanden?	Ja	Nein
Vorsprungsabstand	2,5 mm	NV
Vorsprungshöhe	1,4 mm	NV
Vorsprungsdurchmesser	Höhe/3	NV
Globale Maximaltemperatur	74 °C	79 °C

Beispiel 3: Auswirkung von Vorsprungsabstand und Höhe

Die vaskuläre Baugruppe E und vaskuläre Baugruppe F beinhalten jeweils GRIP-Metall™ als wärmeleitende Komponente 626. Die vaskuläre Baugruppe E beinhaltet „Mini“-Größen GRIP-Metall™ und die vaskuläre Baugruppe F beinhaltet „Nano“-Größen GRIP-Metall™. Die vaskuläre Baugruppe E, die größere Vorsprünge mit einem größeren Vorsprungsabstand 640 als die vaskuläre Baugruppe F beinhaltet, weist eine niedrigere globale Maximaltemperatur (123 °C) auf als eine globale Maximaltemperatur der vaskulären Baugruppe F (150 °C), wie in Tabelle 4 nachstehend dargestellt. Somit können größere, beabstandete Vorsprünge eine höhere Wärmeübertragung als kleinere, näher beabstandete Vorsprünge ermöglichen.

Tabelle 4Eigenschaft	Vaskuläre Baugruppe E	Vaskuläre Baugruppe F
Heatspreader Dicke	0,5 mm	0,5 mm
Polymer-Wärmeleitfähigkeit	0,6 W/m·K	0,6 W/m·K
Heatspreader zu Kanaltrennung	0,25 mm	0,25 mm
Vorsprünge vorhanden?	Ja	Ja
Vorsprungsabstand	2,5 mm	1 mm
Vorsprungshöhe	1,4 mm	0,7 mm
Vorsprungsdurchmesser	Höhe/3	Höhe/3
Globale Maximaltemperatur	123 °C	150 °C

Beispiel 4: Wirkung der Vorsprunghöhe

Die vaskuläre Baugruppe G beinhaltet längere Vorsprünge als die vaskuläre Baugruppe H, wie in Tabelle 5 unten dargestellt. Die vaskuläre Baugruppe G hat eine geringere globale Maximaltemperatur (123 °C) als eine globale Maximaltemperatur der vaskulären Baugruppe H (185 °C). Somit können längere Vorsprünge eine größere Wärmeübertragung als kürzere Vorsprünge ermöglichen. Tabelle 5

Eigenschaft	Vaskuläre Baugruppe G	Vaskuläre Baugruppe H
Heatspreader Dicke	0,5 mm	0,5 mm
Polymer-Wärmeleitfähigkeit	0,6 W/m·K	0,6 W/m·K
Heatspreader zu Kanaltrennung	0,25 mm	0,25 mm
Vorsprünge vorhanden?	Ja	Ja
Vorsprungsabstand	2,5 mm	2,5 mm
Vorsprungshöhe	1,4 mm	0,7 mm
Vorsprungsdurchmesser	Höhe/3	Höhe/3
Globale Maximaltemperatur	123 °C	185 °C

Beispiel 5: Wirkung der Heatspreader-Dicke

Die vaskuläre Baugruppe I definiert eine größere Heatspreader-Dicke 652 als die vaskuläre Baugruppe J, wie in Tabelle 6 unten dargestellt. Die vaskuläre Baugruppe I hat eine ähnliche globale Maximaltemperatur (123 °C) wie eine globale Maximaltemperatur der vaskulären Baugruppe J (127 °C). Somit kann die Heatspreader-Dicke 652 nur einen minimalen Einfluss auf die Wärmeübertragungsrate haben. Tabelle 6

Eigenschaft	Vaskuläre Baugruppe I	Vaskuläre Baugruppe J
Heatspreader Dicke	0,5 mm	0,3 mm
Polymer-Wärmeleitfähigkeit	0,6 W/m·K	0,6 W/m·K
Heatspreader zu Kanaltrennung	0,25 mm	0,25 mm
Vorsprünge vorhanden?	Ja	Ja
Vorsprungsabstand	2,5 mm	2,5 mm
Vorsprungshöhe	1,4 mm	1,4 mm
Vorsprungsdurchmesser	Höhe/3	Höhe/3
Globale Maximaltemperatur	123 °C	127 °C

Beispiel 6: Wirkung der thermischen Leitfähigkeit des Gehäuse-Polymers

Die vaskulären Baugruppen K, L, M und N beinhalten Polymere mit unterschiedlichen Wärmeleitfähigkeiten, wie in Tabelle 7 nachstehend dargestellt. Die globale Maximaltemperatur nimmt im Allgemeinen ab, wenn sich die thermische Wärmeleitfähigkeit des Polymers erhöht. Höhere thermische Leitfähigkeiten des Polymers können höhere Wärmeübertragungsraten als niedrigere thermische Leitfähigkeiten ergeben. Daher hat die thermische Leitfähigkeit des Polymers des Gehäuses 622 selbst mit dem Wärmeübertragungselement eine Auswirkung auf die Wärmeübertragung. Tabelle 7

Eigenschaft	Vaskuläre Baugruppe K	Vaskuläre Baugruppe L	Vaskuläre Baugruppe M	Vaskuläre Baugruppe N
Heatspreader Dicke	0,5 mm	0,5 mm	0,5 mm	0,5 mm
Polymer-Wärmeleitfähigkeit	0,6 W/m·K	5 W/m·K	0,2 W/m·K	1,5 W/m·K
Heatspreader zu Kanal trennung	0,25 mm	0,25 mm	0,25 mm	0,25 mm
Vorsprünge vorhanden?	Ja	Ja	Ja	Ja
Vorsprungsabstand	2,5 mm	2,5 mm	2,5 mm	2,5 mm
Vorsprungshöhe	1,4 mm	1,4 mm	1,4 mm	1,4 mm
Vorsprungsdurchmesser	Höhe/3	Höhe/3	Höhe/3	Höhe/3
Globale Maximaltemperatur	123 °C	74 °C	141 °C	100 °C

Beispiel 7: Wirkung des Heatspreader-Abstands mit Vorsprüngen

Die vaskulären Baugruppen O und P beinhalten Vorsprünge als Wärmeübertragungselement. Die vaskuläre Baugruppe O definiert eine größere Struktur-zu-Kanal-Trennung 650 als die vaskuläre Baugruppe P, wie in Tabelle 8 unten dargestellt. Die vaskuläre Baugruppe O hat eine höhere globale Maximaltemperatur (123 °C) als eine globale Maximaltemperatur der vaskulären Baugruppe P (100 °C). Daher kann die Verringerung der Struktur-zu-Kanal-Trennung 650 eine Wärmeübertragungsrate erhöhen.

Tabelle 8Eigenschaft	Vaskuläre Baugruppe O	Vaskuläre Baugruppe P
Heatspreader Dicke	0,5 mm	0,5 mm
Polymer-Wärmeleitfähigkeit	0,6 W/m·K	0,6 W/m·K
Heatspreader zu Kanaltrennung	0,25 mm	0,05 mm
Vorsprünge vorhanden?	Ja	Ja
Vorsprungsabstand	2,5 mm	1 mm
Vorsprungshöhe	1,4 mm	0,7 mm
Vorsprungsdurchmesser	Höhe/3	Höhe/3
Globale Maximaltemperatur	123 °C	100 °C

Beispiel 8: Wirkung des Heatspreader-Abstands ohne Vorsprünge

Die vaskulären Baugruppen Q und R beinhalten keine wärmeleitenden Elemente. Die vaskuläre Baugruppe Q definiert eine größere Struktur-zu-Kanal-Trennung 650 als die vaskuläre Baugruppe R, wie in Tabelle 9 unten dargestellt. Die vaskuläre Baugruppe Q hat eine höhere globale Maximaltemperatur (261 °C) als eine globale Maximaltemperatur der vaskulären Baugruppe R (170 °C). Daher kann die Verringerung der Struktur-zu-Kanal-Trennung 650 eine Wärmeübertragungsrate erhöhen, wenn ein Wärmeübertragungselement nicht vorhanden ist. Tabelle 9

Eigenschaft	Vaskuläre Baugruppe Q	Vaskuläre Baugruppe R
Heatspreader Dicke	0,5 mm	0,5 mm
Polymer-Wärmeleitfähigkeit	0,6 W/m·K	0,6 W/m·K
Heatspreader zu Kanaltrennung	0,25 mm	0,05 mm
Vorsprünge vorhanden?	Nein	Nein
Vorsprungsab stand	NV	NV
Vorsprungshöhe	NV	NV
Vorsprungsdurchmesser	NV	NV
Globale Maximaltemperatur	261 °C	170 °C

Die vorstehende Beschreibung der Ausführungsformen dient lediglich der Veranschaulichung und Beschreibung. Sie ist nicht dazu bestimmt, erschöpfend zu sein und soll die Offenbarung in keiner Weise beschränken. Einzelne Elemente oder Merkmale einer bestimmten Ausführungsform sind im Allgemeinen nicht auf diese bestimmte Ausführungsform beschränkt, sondern gegebenenfalls gegeneinander austauschbar und in einer ausgewählten Ausführungsform verwendbar, auch wenn dies nicht gesondert dargestellt oder beschrieben ist. Auch diverse Variationen sind denkbar. Diese Variationen stellen keine Abweichung von der Offenbarung dar, und alle Modifikationen dieser Art verstehen sich als Teil der Offenbarung und fallen in ihren Schutzumfang.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Kanals mit einem wärmeleitenden Element für die Wärmeübertragung, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: (a) das Formen eines Kanals, umfassend: (i) das Durchstechen eines ersten Kanalvorprodukts mit einer ersten Vielzahl von wärmeleitenden Elementen einer ersten wärmeleitenden Komponente, um eine erste Zwischenbaugruppe zu formen, wobei das erste Kanalvorprodukt ein erstes Opfermaterial umfasst, wobei die erste wärmeleitende Komponente ein erstes wärmeleitendes Material umfasst; (ii) Durchstechen eines zweiten Kanalvorprodukts mit einer Vielzahl von zweiten wärmeleitenden Elementen, um eine zweite Zwischenbaugruppe zu formen, wobei das zweite Kanalvorprodukt ein zweites Opfermaterial umfasst, wobei die zweite Vielzahl von wärmeleitenden Elementen ein zweites wärmeleitendes Material umfasst; oder (iii) Aufbringen eines dritten wärmeleitenden Elements auf ein drittes Kanalvorprodukt, um eine dritte Zwischenbaugruppe zu formen, wobei das dritte Kanalvorprodukt ein drittes Opfermaterial umfasst, wobei das dritte wärmeleitende Element ein drittes wärmeleitendes Material umfasst (b) Formen eines Gehäuses, umfassend: Platzieren der ersten, zweiten oder dritten Zwischenbaugruppe in einer ersten, zweiten oder dritten Gussform; Einführen eines Gehäusevorprodukts in die jeweilige erste, zweite oder dritte Gussform, wobei das Gehäusevorprodukt ein Polymervorprodukt umfasst; das Verfestigen des Polymervorprodukts zur Formung von: (i) einer ersten festen Polymerbaugruppe, die ein erstes Polymergehäuse umfasst, das um mindestens einen Teil des ersten Kanalvorprodukts herum angeordnet ist; (ii) einer zweiten festen Polymerbaugruppe, die ein zweites Polymergehäuse umfasst, das um mindestens einen Teil des zweiten Kanalvorprodukts herum angeordnet ist; oder (iii) einer dritten festen Polymerbaugruppe, die ein drittes Polymergehäuse umfasst, das um mindestens einen Teil des dritten Kanalvorprodukts herum angeordnet ist; und (c) das Entfernen umfassend: (i) das Entfernen des ersten Opfermaterials, um einen ersten Kanal zu bilden, der die Vielzahl von ersten wärmeleitenden Elementen umfasst, wobei der erste Kanal in dem ersten Polymergehäuse und der ersten wärmeleitenden Komponente definiert ist; (ii) Entfernen des zweiten Opfermaterials, um einen zweiten Kanal zu bilden, der die Vielzahl von zweiten wärmeleitenden Elementen umfasst, wobei der zweite Kanal im zweiten Polymergehäuse definiert ist; oder (iii) Entfernen des dritten Opfermaterials, um einen dritten Kanal zu bilden, der das dritte wärmeleitende Element umfasst, wobei der dritte Kanal im dritten Polymergehäuse definiert ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Gehäusevorprodukt ferner mindestens eines aus (a) einer Vielzahl von Verstärkungsfasern oder (b) einer Vielzahl von Verstärkungspartikeln umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Vielzahl von Verstärkungsfasern oder die Vielzahl von Verstärkungspartikeln thermisch leitend ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Aufbringen des dritten wärmeleitenden Elements das Aufbringen des dritten wärmeleitenden Materials umlaufend um mindestens einen Teil einer Außenfläche des dritten Kanalvorprodukts umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das jeweilige erste, zweite oder dritte Opfermaterial ein Material umfasst, das zu einem oder mehreren der folgenden Vorgänge in der Lage ist: Schmelzen, Verdampfen, Verbrennen und Aufschließen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das erste, zweite oder dritte wärmeleitende Material ein Metallmaterial, ein Keramikmaterial oder eine Kombination daraus umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei sich die erste Vielzahl von wärmeleitenden Elementen entlang mindestens eines Teils eines Durchmessers des ersten Kanals erstreckt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei: ein erstes wärmeleitendes Element der Vielzahl von ersten wärmeleitenden Elementen einen Vorsprung umfasst; ein zweites wärmeleitendes Element der Vielzahl von zweiten wärmeleitenden Elementen einen Stift umfasst; oder das dritte wärmeleitende Element eines oder mehreres aus einer Wicklung, einem umflochtenen Schlauch, einem gewebten Schlauch, einem gewirkten Schlauch oder einem umhäkelten Schlauch umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei: der erste Kanal einen Durchmesser definiert, der größer als oder gleich etwa 100 µm bis kleiner als oder gleich etwa 10 mm ist. der zweite Kanal einen Durchmesser definiert, der größer als oder gleich etwa 100 µm bis kleiner als oder gleich etwa 10 mm ist; oder der dritte Kanal einen Durchmesser definiert, der größer als oder gleich etwa 100 µm bis weniger als oder gleich etwa 10 mm ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der erste Kanal ein offenes Volumen von mindestens etwa 40 % eines Gesamtvolumens des ersten Kanals aufweist; oder der zweite Kanal ein offenes Volumen von mindestens etwa 40 % eines Gesamtvolumens des zweiten Kanals aufweist; oder der dritte Kanal ein offenes Volumen von mindestens etwa 40 % eines Gesamtvolumens des dritten Kanals aufweist.