DE102020200956A1 - Cooling device and cooling method - Google Patents
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Abstract
Die Anmeldung betrifft eine Kühlvorrichtung (1), umfassend ein Gehäuse (2), das eine erste Kavität (3) zum Aufnehmen eines Fluids umschließt, mindestens eine erste Düsenöffnung (4), durch welche die erste Kavität (3) in Fluidkommunikation mit einer Umgebung (5) des Gehäuses (2) steht, eine innerhalb der ersten Kavität (3) angeordnete erste auslenkbare Membran (6) und einen ersten Aktor (7), insbesondere Piezo-Aktor, eingerichtet zum Auslenken der ersten auslenkbaren Membran (6) derart, dass eine durch die mindestens eine erste Düsenöffnung (4) aus der ersten Kavität (3) in die Umgebung (5) gerichtete Ausströmung (8) des Fluids und/oder eine durch die mindestens eine erste Düsenöffnung (4) aus der Umgebung (5) in die erste Kavität (3) gerichtete Einströmung (9) des Fluids erzeugbar ist. Das Gehäuse (2) weist eine Vielzahl von Kühlrippen (10, 22) zum Abführen von Wärme, die dem Gehäuse (2) mittels einer mit dem Gehäuse (2) thermisch verbindbaren oder verbundenen Wärmequelle (11) zuführbar ist, auf.The application relates to a cooling device (1), comprising a housing (2) which encloses a first cavity (3) for receiving a fluid, at least one first nozzle opening (4) through which the first cavity (3) is in fluid communication with an environment (5) of the housing (2) stands, a first deflectable membrane (6) arranged within the first cavity (3) and a first actuator (7), in particular a piezo actuator, set up to deflect the first deflectable membrane (6) in such a way that that an outflow (8) of the fluid directed through the at least one first nozzle opening (4) from the first cavity (3) into the environment (5) and / or through the at least one first nozzle opening (4) from the environment (5) a flow (9) of the fluid directed into the first cavity (3) can be generated. The housing (2) has a plurality of cooling fins (10, 22) for dissipating heat, which heat can be supplied to the housing (2) by means of a heat source (11) which can be or is thermally connected to the housing (2).
Description
Die Anmeldung betrifft eine Kühlvorrichtung, insbesondere zum Kühlen von elektronischen oder elektrischen Bauteilen, und ferner ein Kühlverfahren, insbesondere zum Kühlen von elektronischen oder elektrischen Bauteilen.The application relates to a cooling device, in particular for cooling electronic or electrical components, and also to a cooling method, in particular for cooling electronic or electrical components.
Aus dem Stand der Technik sind beispielweise Kühlvorrichtungen bekannt, die dazu eingerichtet sind, zum Ableiten von Wärme von einer Wärmequelle, beispielsweise einem elektronischen oder elektrischen Bauteil, eine Fluidströmung zu erzeugen. Solche Kühlvorrichtungen erzeugen häufig ein hohes Maß an Vibrationen bzw. Geräuschen. Ferner sind solche Kühlvorrichtungen, insbesondere hinsichtlich der fortschreitenden Miniaturisierung und Integration von elektrischen und elektronischen Bauteilen nicht immer klein und/oder leicht genug für bestimmte Anwendungen. Auch arbeiten solche Kühlvorrichtungen häufig auf elektromagnetischer Basis, was bei diesbezüglich empfindlichen Anwendungen problematisch sein kann. Für Kühlverfahren unter Verwendung der bekannten Kühlvorrichtungen gilt entsprechendes.For example, cooling devices are known from the prior art which are designed to generate a fluid flow in order to dissipate heat from a heat source, for example an electronic or electrical component. Such cooling devices often generate a high level of vibrations or noises. Furthermore, such cooling devices are not always small and / or light enough for certain applications, in particular with regard to the advancing miniaturization and integration of electrical and electronic components. Such cooling devices also often work on an electromagnetic basis, which can be problematic in applications that are sensitive in this regard. The same applies to cooling methods using the known cooling devices.
Der vorliegenden Anmeldung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine Kühlvorrichtung und ein Kühlverfahren vorzuschlagen, welche die genannten Nachteile verringern oder vermeiden.The present application is therefore based on the object of proposing a cooling device and a cooling method which reduce or avoid the disadvantages mentioned.
Dementsprechend werden eine Kühlvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie ein Kühlverfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 10 vorgeschlagen. Bevorzugte Ausführungsformen und Weiterentwicklungen ergeben sich mit den Merkmalen der Unteransprüche.Accordingly, a cooling device with the features of
Eine Kühlvorrichtung der vorgeschlagenen Art umfasst
ein Gehäuse, das eine erste Kavität zum Aufnehmen eines Fluids umschließt,
mindestens eine erste Düsenöffnung, durch welche die erste Kavität in Fluidkommunikation mit einer Umgebung des Gehäuses steht,
eine innerhalb der ersten Kavität angeordnete erste auslenkbare Membran und
einen ersten Aktor, insbesondere Piezo-Aktor, eingerichtet zum Auslenken der ersten auslenkbaren Membran derart, dass eine durch die mindestens eine erste Düsenöffnung aus der ersten Kavität in die Umgebung gerichtete Ausströmung des Fluids und/oder eine durch die mindestens eine erste Düsenöffnung aus der Umgebung in die erste Kavität gerichtete Einströmung des Fluids erzeugbar ist.A cooling device of the type proposed comprises
a housing that encloses a first cavity for receiving a fluid,
at least one first nozzle opening through which the first cavity is in fluid communication with an environment of the housing,
a first deflectable membrane disposed within the first cavity and
a first actuator, in particular a piezo actuator, set up to deflect the first deflectable membrane in such a way that an outflow of the fluid directed through the at least one first nozzle opening from the first cavity into the environment and / or an outflow of the fluid from the environment through the at least one first nozzle opening directed inflow of the fluid into the first cavity can be generated.
Das Gehäuse umfasst bevorzugt ein Material mit guter Wärmeleitfähigkeit, typischerweise ein Metall, etwa Aluminium oder Kupfer, oder eine Metalllegierung. Auch andere Materialien, etwa keramische Werkstoffe oder wärmeleitende Kunststoffe, können verwendet werden.The housing preferably comprises a material with good thermal conductivity, typically a metal, for example aluminum or copper, or a metal alloy. Other materials, such as ceramic materials or thermally conductive plastics, can also be used.
Die erste auslenkbare Membran ist innerhalb der ersten Kavität so angeordnet, dass eine mit der ersten Düsenöffnung fluidisch verbundene erste Kammer innerhalb der ersten Kavität durch Auslenken der ersten auslenkbaren Membran vergrößert oder verkleinert, insbesondere durch alternierendes Auslenken der ersten auslenkbaren Membran in entgegengesetzte Richtungen abwechselnd vergrößert und verkleinert werden kann. Beim Vergrößern der ersten Kammer kann Fluid durch die erste Düsenöffnung zum Erzeugen der Einströmung in die erste Kammer einströmen, beim Verkleinern der ersten Kammer kann Fluid durch die erste Düsenöffnung zum Erzeugen der Ausströmung aus der ersten Kammer ausströmen.The first deflectable membrane is arranged within the first cavity in such a way that a first chamber fluidically connected to the first nozzle opening within the first cavity is enlarged or reduced in size by deflecting the first deflectable membrane, in particular by alternately deflecting the first deflectable membrane in opposite directions and alternately increases and decreases can be reduced in size. When the first chamber is enlarged, fluid can flow into the first chamber through the first nozzle opening to generate the inflow; when the first chamber is reduced, fluid can flow out of the first chamber through the first nozzle opening to generate the outflow.
Die Kühlvorrichtung kann mehrere erste Düsenöffnungen aufweisen, durch welche die erste Kavität in Fluidkommunikation mit der Umgebung des Gehäuses steht.The cooling device can have a plurality of first nozzle openings through which the first cavity is in fluid communication with the surroundings of the housing.
Die erste Kavität kann eine zweite Kammer aufweisen, die auf einer der ersten Kammer entgegengesetzten Seite der ersten auslenkbaren Membran angeordnet ist. Eine oder mehrere erste Düsenöffnungen können mit der zweiten Kammer fluidisch verbunden sein, so dass beim alternierenden Auslenken der ersten auslenkbaren Membran eine nahezu kontinuierliche Strömung derart erzeugt werden kann, dass eine Ausströmung aus der ersten Kammer gleichzeitig mit einer Einströmung in die zweite Kammer und eine Ausströmung aus der zweiten Kammer gleichzeitig mit einer Einströmung in die erste Kammer erfolgt.The first cavity can have a second chamber which is arranged on a side of the first deflectable membrane opposite the first chamber. One or more first nozzle openings can be fluidically connected to the second chamber, so that when the first deflectable membrane is deflected alternately, an almost continuous flow can be generated in such a way that an outflow from the first chamber is simultaneously with an inflow into the second chamber and an outflow takes place from the second chamber at the same time as an inflow into the first chamber.
Die erste Düsenöffnung (oder jede der mehreren ersten Düsenöffnungen) ist eine Öffnung in einer Gehäusewand, die beispielsweise eine zylindrische, konische, quaderförmige oder andere zum Erlauben der Einströmung und der Ausströmung geeignete Form haben kann.The first nozzle opening (or each of the plurality of first nozzle openings) is an opening in a housing wall which, for example, can have a cylindrical, conical, cuboidal or other shape suitable for allowing inflow and outflow.
Die erste auslenkbare Membran ist ein flaches und/oder flächiges Element, gebildet aus einem verformbaren Material, etwa einem Polymer, einem Metall, einer Metalllegierung oder Keramik. Die erste auslenkbare Membran kann im Bereich einer Umfangslinie mit dem Gehäuse verbunden, beispielsweise formschlüssig, kraftschlüssig oder stoffschlüssig verbunden sein.The first deflectable membrane is a flat and / or sheet-like element, formed from a deformable material, for example a polymer, a metal, a metal alloy or ceramic. The first deflectable membrane can be connected to the housing in the area of a circumferential line, for example connected in a form-fitting, force-fitting or material-locking manner.
Der erste Aktor ist dazu eingerichtet, beim Anlegen einer Spannung eine Kraft zum Auslenken der ersten auslenkbaren Membran auszuüben. Der erste Aktor (Piezo) ist typischerweise ein Piezo-Aktor, umfassend ein aus einem Piezoelektrikum, vorzugsweise einem keramischen Piezoelektrikum, gebildetes Piezoelement, welches dazu eingerichtet ist, sich beim Anlegen einer Spannung derart zu verformen, dass eine Kraft zum Auslenken der ersten auslenkbaren Membran ausgeübt wird. Alternativ kann der erste Aktor auch eine andere Art von Aktor sein, beispielsweise ein elektrodynamischer oder elektrostatischer Aktor.The first actuator is designed to exert a force to deflect the first deflectable membrane when a voltage is applied. The first actuator (piezo) is typically a piezo actuator, comprising one of a piezoelectric, preferably a ceramic piezoelectric, formed piezo element, which is set up to deform when a voltage is applied in such a way that a force is exerted to deflect the first deflectable membrane. Alternatively, the first actuator can also be a different type of actuator, for example an electrodynamic or electrostatic actuator.
Das Gehäuse weist eine Vielzahl von Kühlrippen zum Abführen von Wärme, die dem Gehäuse mittels einer mit dem Gehäuse thermisch verbindbaren oder verbundenen Wärmequelle zuführbar ist, auf.The housing has a multiplicity of cooling fins for dissipating heat, which heat can be supplied to the housing by means of a heat source which can be or is connected to the housing thermally.
Die vorgeschlagene Kühlvorrichtung nutzt das Arbeitsprinzip eines sogenannten Synthetic Jet Actuators (SJA) aus. Als SJA wird allgemein eine Vorrichtung mit einer auslenkbaren Membran bezeichnet, mittels derer durch Vergrößern bzw. Verkleinern einer Kavität Strömungen in einem umgebenden Fluid erzeugt werden können, wobei ein Volumenstrom durch einen bestimmten Querschnitt, hier beispielsweise einen Querschnitt der mindestens einen ersten Düsenöffnung, periodisch oder jedenfalls zeitlich veränderlich, ein zeitlicher Mittelwert des Volumenstroms durch den Querschnitt jedoch Null ist.The proposed cooling device uses the working principle of a so-called Synthetic Jet Actuator (SJA). A device with a deflectable membrane is generally referred to as SJA, by means of which flows can be generated in a surrounding fluid by enlarging or reducing a cavity, with a volume flow through a certain cross section, here for example a cross section of the at least one first nozzle opening, periodically or in any case variable over time, but a time average value of the volume flow through the cross section is zero.
Das Gehäuse kann mit der Wärmequelle beispielsweise so verbindbar oder verbunden sein, dass eine Außenfläche des Gehäuses mit einer Außenfläche der Wärmequelle in flächigem Kontakt steht, wodurch eine thermische Verbindung herstellbar ist. Die thermische Verbindung kann ferner durch Einbringen eines wärmeleitfähigen Materials, etwa eines Klebstoffs oder einer Paste, in einen Zwischenraum zwischen den genannten Außenflächen verbessert werden.The housing can be connected or connected to the heat source, for example, in such a way that an outer surface of the housing is in flat contact with an outer surface of the heat source, whereby a thermal connection can be established. The thermal connection can also be improved by introducing a thermally conductive material, for example an adhesive or a paste, into an interspace between said outer surfaces.
Dadurch, dass das Gehäuse mit der Wärmequelle verbindbar oder verbunden ist, kann dem Gehäuse mittels der Wärmequelle bereitgestellte Wärme durch Wärmeleitung zugeführt werden. Die Wärmequelle kann beispielsweise ein zu kühlendes elektrisches oder elektronisches Bauteil sein.Because the housing can be or is connected to the heat source, heat provided by the heat source can be supplied to the housing by conduction. The heat source can be, for example, an electrical or electronic component to be cooled.
Die dem Gehäuse durch die thermische Verbindung zugeführte Wärme kann durch Erzeugen der Einströmung und der Ausströmung in der folgenden Weise abgeführt werden: Das Fluid in der Umgebung des Gehäuses hat zunächst eine geringere Temperatur als eine durch die dem Gehäuse mittels der Wärmequelle zuführbaren Wärme erwärmte Innenfläche der Kavität. In die Kavität einströmendes und/oder eingeströmtes Fluid kann daher - durch Kontakt mit der erwärmten Innenfläche - Wärme aufnehmen, wodurch das Fluid erwärmt wird. Mittels der Ausströmung wird das erwärmte Fluid von der Kühlvorrichtung wegbefördert und somit die durch das Fluid aufgenommene Wärme abgeführt.The heat supplied to the housing through the thermal connection can be dissipated by generating the inflow and the outflow in the following way: The fluid in the vicinity of the housing initially has a lower temperature than an inner surface of the heated by the heat that can be supplied to the housing by means of the heat source Cavity. Fluid flowing into and / or flowing into the cavity can therefore - through contact with the heated inner surface - absorb heat, as a result of which the fluid is heated. By means of the outflow, the heated fluid is conveyed away from the cooling device and thus the heat absorbed by the fluid is removed.
Entsprechend dem Arbeitsprinzip eines SJA wird das Fluid bei der Einströmung in die Kavität aus der unmittelbaren Umgebung des Gehäuses angesaugt und strömt aus verschiedenen Richtungen auf das Gehäuse zu, wohingegen das Fluid bei der Ausströmung eine bevorzugte Richtungskomponente gemäß einer Ausrichtung der Düsenöffnung erfährt und mit einem entsprechend gerichteten Impuls von dem Gehäuse wegbefördert wird. Dadurch wird ein besonders guter Wärmeaustauch ermöglicht.According to the working principle of an SJA, the fluid is sucked in from the immediate vicinity of the housing when flowing into the cavity and flows towards the housing from different directions, whereas the fluid experiences a preferred directional component when flowing out according to an orientation of the nozzle opening and with a corresponding Directed impulse is conveyed away from the housing. This enables particularly good heat exchange.
Dadurch, dass die Kühlvorrichtung direkt mit der Wärmequelle thermisch verbindbar oder verbunden, also insbesondere direkt an der Wärmequelle anordenbar ist und die dem Gehäuse zuführbare Wärme durch die Ausströmung (also durch Ausblasen) abführbar ist, kann eine kompaktere und leichtere Bauweise der Kühlvorrichtung und/oder einer die Kühlvorrichtung umfassenden elektrischen oder elektronischen Einrichtung erzielt werden, als bei einer Kühlvorrichtung, die Wärme von der Wärmequelle durch Erzeugen einer auf die Wärmequelle gerichteten oder an der Wärmequelle entlangströmenden Fluidströmung (also durch Anblasen) abführt.Because the cooling device can be or is thermally connected directly to the heat source, i.e. in particular can be arranged directly on the heat source, and the heat which can be supplied to the housing can be dissipated through the outflow (i.e. by blowing out), a more compact and lighter design of the cooling device and / or an electrical or electronic device comprising the cooling device can be achieved than in the case of a cooling device which dissipates heat from the heat source by generating a fluid flow directed towards the heat source or flowing along the heat source (i.e. by blowing).
Das Erzeugen von Fluidströmungen mittels der ersten auslenkbaren Membran ist zudem, etwa im Vergleich zum Erzeugen von Fluidströmungen mittels eines rotierenden Gebläses, etwa eines elektromotorgetriebenen Ventilators, besonders vibrations- und geräuscharm.The generation of fluid flows by means of the first deflectable membrane is also particularly low in vibration and noise, for example in comparison to the generation of fluid flows by means of a rotating fan, for example an electric motor-driven fan.
Das Fluid kann vorzugsweise Luft oder ein anderes Gas, etwa ein Schutzgas wie Stickstoff, Argon oder Kohlenstoffdioxid, oder ein Gasgemisch sein, kann aber auch eine Flüssigkeit, insbesondere eine thermisch leitfähige und/oder elektrisch isolierende Flüssigkeit sein.The fluid can preferably be air or another gas, for example a protective gas such as nitrogen, argon or carbon dioxide, or a gas mixture, but can also be a liquid, in particular a thermally conductive and / or electrically insulating liquid.
Die Kühlrippen können durch Erhebungen und/oder Vertiefungen einer oder mehrerer Oberflächen des Gehäuses gebildet sein. Die Kühlrippen können mit dem Gehäuse integral geformt oder mit diesem verbunden sein. Die Vielzahl von Kühlrippen ist typischerweise durch mehrere Erhebungen und/oder Vertiefungen gebildet, kann aber auch durch eine durchlaufende Erhebung und/oder Vertiefung gebildet sein.The cooling fins can be formed by elevations and / or depressions on one or more surfaces of the housing. The cooling fins can be formed integrally with or connected to the housing. The multiplicity of cooling fins is typically formed by a plurality of elevations and / or depressions, but can also be formed by a continuous elevation and / or depression.
Mittels der Kühlrippen wird die Fähigkeit der Kühlvorrichtung, Wärme abzuleiten, aufgrund der mit den Kühlrippen einhergehenden Vergrößerung einer Oberfläche des Gehäuses weiter verbessert.By means of the cooling fins, the ability of the cooling device to dissipate heat is further improved due to the enlargement of a surface area of the housing associated with the cooling fins.
Eine oder mehrere der Kühlrippen können innerhalb der ersten Kavität angeordnet sein. Da somit das in die Kavität einströmende und/oder eingeströmte Fluid mit den Kühlrippen in Kontakt kommen kann, wird so eine gute Wärmeübertragung von dem Gehäuse an das Fluid erzielt.One or more of the cooling fins can be arranged within the first cavity. Since the fluid flowing into and / or flowing into the cavity can thus come into contact with the cooling fins, good heat transfer from the housing to the fluid is achieved in this way.
Eine oder mehrere der innerhalb der ersten Kavität angeordneten Kühlrippen können dabei beispielsweise an einer der Wärmequelle zugewandten ersten Innenseite der Kavität und/oder an einer von der Wärmequelle abgewandten zweiten Innenseite der Kavität angeordnet sein.One or more of the cooling fins arranged within the first cavity can be arranged, for example, on a first inside of the cavity facing the heat source and / or on a second inside of the cavity facing away from the heat source.
Mindestens eine der einen oder der mehreren innerhalb der ersten Kavität angeordneten Kühlrippen kann in einer Strömungsrichtung der Einströmung ausgerichtet sein. Damit kann eine besonders gute Umströmung der Kühlrippen und entsprechend eine besonders gute Wärmeübertragung von dem Gehäuse an das Fluid erzielt werden.At least one of the one or more cooling ribs arranged within the first cavity can be oriented in a flow direction of the inflow. In this way, a particularly good flow around the cooling ribs and, accordingly, particularly good heat transfer from the housing to the fluid can be achieved.
Die erste Kavität kann eine kreisförmige Grundfläche aufweisen. Die erste Kavität kann alternativ zu der kreisförmigen Grundfläche auch eine anders geformte Grundfläche aufweisen, etwa eine rechteckige, quadratische, vieleckige oder elliptische Grundfläche.The first cavity can have a circular base area. As an alternative to the circular base area, the first cavity can also have a differently shaped base area, for example a rectangular, square, polygonal or elliptical base area.
Weist die Kühlvorrichtung eine radiale Grundfläche auf, kann die Kühlvorrichtung ferner eine bezüglich der kreisförmigen Grundfläche radial angeordnete erste Düsenöffnung oder eine Vielzahl von bezüglich der kreisförmigen Grundfläche radial angeordneten ersten Düsenöffnungen umfassen. Mindestens eine der einen oder der mehreren innerhalb der ersten Kavität angeordneten Kühlrippen kann bezüglich der Kreisfläche radial angeordnet sein. Durch die Kombination der radial angeordneten Düsenöffnungen mit radial innerhalb der ersten Kavität angeordneten Kühlrippen kann die oben erwähnte gute Umströmung der Kühlrippen mit ihren entsprechenden Vorteilen erzielt werdenIf the cooling device has a radial base area, the cooling device can further comprise a first nozzle opening arranged radially with respect to the circular base area or a plurality of first nozzle openings arranged radially with respect to the circular base area. At least one of the one or more cooling ribs arranged within the first cavity can be arranged radially with respect to the circular area. By combining the radially arranged nozzle openings with cooling fins arranged radially inside the first cavity, the above-mentioned good flow around the cooling fins with its corresponding advantages can be achieved
Das Gehäuse kann eine kreisförmige, elliptische, rechteckige, quadratische, vieleckige oder anders geformte Grundfläche ausweisen, wobei die Form der Grundfläche des Gehäuses der Form der Grundfläche der ersten Kavität entsprechen oder von dieser verschieden sein kann. Durch geeignete Wahl der Grundfläche des Gehäuses und/oder weiterer Gehäusedimensionen kann die Kühlvorrichtung an die erwünschte Anwendung, insbesondere an eine Form der Wärmequelle und den zur Verfügung stehenden Platz für die Kühlvorrichtung, angepasst werden.The housing can have a circular, elliptical, rectangular, square, polygonal or other shaped base area, wherein the shape of the base area of the housing can correspond to the shape of the base area of the first cavity or be different from it. By suitable selection of the base area of the housing and / or further housing dimensions, the cooling device can be adapted to the desired application, in particular to a shape of the heat source and the space available for the cooling device.
Eine oder mehrere der Kühlrippen können an einer der Umgebung zugewandten Außenseite des Gehäuses angeordnet sein. Damit kann die Außenseite des Gehäuses durch die mit den Kühlrippen einhergehende vergrößerte Oberfläche zusätzlich zum Abführen von Wärme mittels Strahlung und/oder Konvektion beitragen.One or more of the cooling fins can be arranged on an outside of the housing facing the surroundings. The outside of the housing can therefore also contribute to the dissipation of heat by means of radiation and / or convection due to the enlarged surface associated with the cooling fins.
Der erste Aktor kann eine kreisförmige, rechteckige, quadratische, vieleckige, elliptische, oder andersartige Form aufweisen.The first actuator can have a circular, rectangular, square, polygonal, elliptical or other shape.
Der erste Aktor kann einen Durchmesser und/oder eine Seitenlänge zwischen 1 cm und 15 cm, vorzugsweise zwischen 2 cm und 5 cm, und/oder eine Fläche von zwischen 0.7 cm2 und 180 cm2, vorzugsweise zwischen 3 cm2 und 20 cm2, und/oder eine Dicke zwischen 0.3cm und 1cm, vorzugsweise zwischen 0.5cm und 0.8cm aufweisen. Mit entsprechend dimensionierten Aktoren können entsprechend große Volumenströme und/oder Strömungsgeschwindigkeiten und somit entsprechende Kühlleistungen verwirklicht werden. Solche Volumenströme und/oder Strömungsgeschwindigkeiten können für die verschiedensten Verwendungen der Kühlvorrichtung von Vorteil sein.The first actuator can have a diameter and / or a side length between 1 cm and 15 cm, preferably between 2 cm and 5 cm, and / or an area of between 0.7 cm 2 and 180 cm 2 , preferably between 3 cm 2 and 20 cm 2 , and / or have a thickness between 0.3cm and 1cm, preferably between 0.5cm and 0.8cm. With appropriately dimensioned actuators, correspondingly large volume flows and / or flow velocities and thus corresponding cooling capacities can be achieved. Such volume flows and / or flow velocities can be advantageous for the most varied of uses of the cooling device.
Die erste auslenkbare Membran kann dazu eingerichtet sein, mit einer Frequenz zwischen 0.5 Hz und 100 kHz, vorzugsweise zwischen 1 Hz und 1 kHz, in alternierende Richtungen auslenkbar zu sein. Die erste auslenkbare Membran kann auch zum Verformen mit einer variabel einstellbaren Frequenz eingerichtet sein, wodurch ein für Anwendungen vorteilhaftes variables Einstellen der Kühlleistung möglich sein kann.The first deflectable membrane can be designed to be deflectable in alternating directions with a frequency between 0.5 Hz and 100 kHz, preferably between 1 Hz and 1 kHz. The first deflectable membrane can also be set up for deformation with a variably adjustable frequency, whereby a variable adjustment of the cooling power that is advantageous for applications can be possible.
Die Frequenz kann eine Resonanzfrequenz des ersten Aktors und/oder der ersten auslenkbaren Membran und/oder eines durch die Kühlvorrichtung gebildeten Resonators sein. Durch das Betreiben des ersten Aktors mit der Resonanzfrequenz kann eine maximale Auslenkung mit dem entsprechenden Vorteil einer maximalen Kühlleistung erzielt werden.The frequency can be a resonance frequency of the first actuator and / or the first deflectable membrane and / or a resonator formed by the cooling device. By operating the first actuator at the resonance frequency, a maximum deflection can be achieved with the corresponding advantage of a maximum cooling capacity.
Die Kühlvorrichtung kann ferner mindestens ein Wärmerohr (auch als Heatpipe bezeichnet) aufweisen, mittels dessen das Gehäuse mit der Wärmequelle thermisch verbindbar oder verbunden ist. Das Wärmerohr kann eine einen Hohlraum umschließende Wandung, insbesondere metallische Wandung, umfassen. Der Hohlraum kann zum Aufnehmen eines Fluids mit geeigneten thermischen Eigenschaften als Kühlmittel eingerichtet sein. Mittels eines oder mehrerer solcher Wärmerohre kann eine flexible Anbringung der Kühlvorrichtung gemäß den Anforderungen der Anwendung (etwa räumliche Beschränkungen oder vibrationsempfindliche Komponenten) erzielt werden. Auch können ggf. mehrere Wärmequellen mittels eines oder mehrerer Wärmerohre mit einer Kühlvorrichtung verbindbar oder verbunden sein, womit Platz und Kosten gespart werden können.The cooling device can furthermore have at least one heat pipe (also referred to as a heat pipe), by means of which the housing can be or is thermally connected to the heat source. The heat pipe can comprise a wall enclosing a cavity, in particular a metallic wall. The cavity can be designed to receive a fluid with suitable thermal properties as a coolant. By means of one or more such heat pipes, flexible attachment of the cooling device can be achieved in accordance with the requirements of the application (such as spatial restrictions or vibration-sensitive components). If necessary, several heat sources can also be connected or connected to a cooling device by means of one or more heat pipes, whereby space and costs can be saved.
Die Kühlvorrichtung kann ferner umfassen:
- mindestens eine zweite auslenkbare Membran, die im Wesentlichen parallel zu der ersten auslenkbaren Membran angeordnet ist und
- einen zweiten Aktor, eingerichtet zum Auslenken der zweiten auslenkbaren Membran derart, dass eine Einströmung des Fluids und/oder eine Ausströmung des Fluids erzeugbar ist.
- at least one second deflectable membrane which is arranged substantially parallel to the first deflectable membrane and
- a second actuator, set up to deflect the second deflectable membrane in such a way that an inflow of the fluid and / or an outflow of the fluid can be generated.
Mittels einer zweiten auslenkbaren Membran kann die Kühlleistung der Kühlvorrichtung weiter verbessert werden. Die zweite auslenkbare Membran kann gemäß der oben im Zusammenhang mit der ersten auslenkbaren Membran genannten Merkmale weitergebildet werden. Die zweite auslenkbare Membran kann innerhalb der ersten Kavität angeordnet sein.The cooling performance of the cooling device can be further improved by means of a second deflectable membrane. The second deflectable membrane can be developed in accordance with the features mentioned above in connection with the first deflectable membrane. The second deflectable membrane can be arranged within the first cavity.
Das Gehäuse kann eine zweite Kavität zum Aufnehmen des Fluids umschließen. In diesem Fall kann die zweite auslenkbare Membran innerhalb der zweiten Kavität angeordnet sein. Die erste und/oder zweite Kavität kann auch mehrere auslenkbare Membranen aufweisen. Die Kühlvorrichtung kann ferner mindestens eine zweite Düsenöffnung umfassen, durch welche die zweite Kavität in Fluidkommunikation mit der Umgebung steht.The housing can enclose a second cavity for receiving the fluid. In this case, the second deflectable membrane can be arranged within the second cavity. The first and / or second cavity can also have several deflectable membranes. The cooling device can further comprise at least one second nozzle opening, through which the second cavity is in fluid communication with the environment.
Ein Kühlverfahren der vorgeschlagenen Art umfasst die Schritte:
- Bereitstellen einer Kühlvorrichtung, umfassend ein Gehäuse, das eine erste Kavität zum Aufnehmen eines
- Fluids umschließt, mindestens eine erste Düsenöffnung, durch welche die erste Kavität in Fluidkommunikation mit einer Umgebung des Gehäuses steht,
- eine innerhalb der ersten Kavität angeordnete erste auslenkbare Membran und
- einen ersten Aktor, eingerichtet zum Auslenken der ersten auslenkbaren Membran derart, dass eine durch die mindestens eine erste Düsenöffnung aus der Kavität in die Umgebung gerichtete Ausströmung des Fluids und/oder eine durch die mindestens eine erste Düsenöffnung aus der Umgebung in die Kavität gerichtete Einströmung des Fluids erzeugbar ist,
- Herstellen einer thermischen Verbindung zwischen einer Außenfläche des Gehäuses und einer Wärmequelle so, dass das Gehäuse von der Wärmequelle bereitgestellte Wärme aufnehmen kann, wobei eine Fluidtemperatur des Fluids in der Umgebung des Gehäuses geringer ist als eine Temperatur der Wärmequelle,
- alternierendes Erzeugen der Einströmung und der Ausströmung derart, dass in die Kavität einströmendes und/oder eingeströmtes Fluid durch Kontakt mit dem Gehäuse die von der Wärmequelle erzeugte Wärme aufnehmen kann und dass aus der Kavität ausströmendes und/oder ausgeströmtes Fluid die aufgenommene Wärme an die Umgebung abgeben kann.
- Providing a cooling device comprising a housing having a first cavity for receiving a
- Fluids encloses at least one first nozzle opening through which the first cavity is in fluid communication with an environment of the housing,
- a first deflectable membrane disposed within the first cavity and
- a first actuator, set up to deflect the first deflectable membrane such that an outflow of the fluid directed through the at least one first nozzle opening from the cavity into the environment and / or an inflow of the fluid directed through the at least one first nozzle opening from the environment into the cavity Fluids can be generated,
- Establishing a thermal connection between an outer surface of the housing and a heat source so that the housing can absorb heat provided by the heat source, a fluid temperature of the fluid in the vicinity of the housing being lower than a temperature of the heat source,
- alternating generation of the inflow and the outflow in such a way that fluid flowing into and / or inflowing into the cavity can absorb the heat generated by the heat source through contact with the housing and that fluid flowing out and / or out of the cavity releases the absorbed heat to the environment can.
Das Kühlverfahren beruht auf der oben erläuterten Erkenntnis, dass ein Kühlen einer Wärmequelle in vorteilhafter Weise durch Ausblasen eines Fluids mittels einer Kühlvorrichtung, die das Arbeitsprinzip eines SJA ausnutzt, verwirklicht werden kann.The cooling method is based on the knowledge explained above that a heat source can be cooled in an advantageous manner by blowing out a fluid by means of a cooling device which uses the operating principle of an SJA.
Als Kühlvorrichtung können dabei viele SJA-basierte Vorrichtungen, etwa solche, die bereits aus dem Stand der Technik bekannt sind, verwendet werden, insbesondere solche, die ein Gehäuse mit guter Wärmeleitfähigkeit aufweisen.Many SJA-based devices, for example those that are already known from the prior art, in particular those that have a housing with good thermal conductivity, can be used as the cooling device.
Besonders vorteilhaft kann eine Kühlvorrichtung der oben vorgeschlagenen Art (einschließlich möglicher Weiterbildungen), deren Gehäuse eine Vielzahl von Kühlrippen umfasst, verwendet werden. Damit kann die von der Wärmequelle bereitgestellte Wärme besonders gut abgeführt werden.A cooling device of the type proposed above (including possible developments), the housing of which comprises a plurality of cooling fins, can be used particularly advantageously. The heat provided by the heat source can thus be dissipated particularly well.
Im Folgenden werden die vorgeschlagene Kühlvorrichtung und das vorgeschlagene Kühlverfahren anhand beispielhafter Ausführungsformen näher erläutert, wobei die beigefügten Abbildungen zum besseren Verständnis der beispielhaften Ausführungsformen samt ihrer oben genannten und sonstigen Vorteile beitragen sollen. Hierbei zeigen, jeweils schematisch,
-
1 eine Seitenansicht einer Kühlvorrichtung gemäß einer ersten beispielhaften Ausführungsform, -
2 einen Querschnitt durch die Kühlvorrichtung gemäß der ersten beispielhaften Ausführungsform, -
3 eine auslenkbare Membran der Kühlvorrichtung gemäß der ersten beispielhaften Ausführungsform, -
4 , eine auslenkbare Membran einer Kühlvorrichtung gemäß einer zweiten beispielhaften Ausführungsform, -
5 einen Teil der Kühlvorrichtung gemäß der zweiten beispielhaften Ausführungsform, -
6 einen Querschnitt durch eine Kühlvorrichtung gemäß einer dritten beispielhaften Ausführungsform, -
7 einen Querschnitt durch eine Kühlvorrichtung gemäß einer vierten beispielhaften Ausführungsform, -
8 eine Seitenansicht einer Kühlvorrichtung gemäß einer fünften beispielhaften Ausführungsform, -
9 eine Seitenansicht einer Kühlvorrichtung gemäß einer sechsten beispielhaften Ausführungsform.
-
1 a side view of a cooling device according to a first exemplary embodiment, -
2 a cross section through the cooling device according to the first exemplary embodiment, -
3 a deflectable membrane of the cooling device according to the first exemplary embodiment, -
4th , a deflectable membrane of a cooling device according to a second exemplary embodiment, -
5 part of the cooling device according to the second exemplary embodiment, -
6th a cross section through a cooling device according to a third exemplary embodiment, -
7th a cross section through a cooling device according to a fourth exemplary embodiment, -
8th a side view of a cooling device according to a fifth exemplary embodiment, -
9 a side view of a cooling device according to a sixth exemplary embodiment.
Wiederkehrende und ähnliche Merkmale verschiedener beispielhafter Ausführungsformen werden in den Abbildungen mit identischen Bezugszeichen versehen, wobei Bezugszeichen bereits zuvor gezeigter Merkmale auch ausgelassen werden können. Ebenso kann bei der Beschreibung verschiedener Abbildungen auf die Erwähnung bereits beschriebener Merkmale verzichtet werden.Recurring and similar features of various exemplary embodiments are provided with identical reference symbols in the figures, wherein reference symbols for previously shown features can also be omitted. Features that have already been described can also be dispensed with in the description of various figures.
Die in
Der Aktor
Das Gehäuse
Das Gehäuse ist zweiteilig, nämlich aus einem ersten Gehäuseteil
Die inneren Kühlrippen
Die inneren Kühlrippen
Die erste auslenkbare Membran
Die ersten Düsenöffnungen
Der erste Aktor
Die erste auslenkbare Membran
Durch Auslenken der ersten auslenkbaren Membran
In der gezeigten ersten beispielhaften Ausführungsform ist jeder der ersten Düsenöffnungen
Die dem Gehäuse
Die erste Kavität
Anhand der in
In einem ersten Schritt des Kühlverfahrens wird eine Kühlvorrichtung mit den in Anspruch 10 genannten Merkmalen bereitgestellt, wobei hier die Kühlvorrichtung
In einem zweiten Schritt wird eine thermische Verbindung zwischen der Außenfläche
Als Fluid wird hierbei eine das Gehäuse
In einem dritten Schritt wird durch Anlegen einer Wechselspannung an den ersten Aktor
Das Verfahren kann, je nach Anwendung, weitere Schritte umfassen, beispielsweise ein Einbringen einer wärmeleitenden Paste zwischen die Außenflächen
Die nachfolgend beschriebenen Kühlvorrichtungen gemäß den weiteren beispielhaften Ausführungsformen entsprechen in weiten Teilen der ersten beispielhaften Ausführungsform, weshalb sich die nachfolgende Beschreibung im Wesentlichen auf diejenigen Merkmale beschränkt, in denen sich die weiteren beispielhaften Ausführungsformen von der ersten beispielhaften Ausführungsform und/oder von einer jeweils vorangehend beschriebenen beispielhaften Ausführungsform unterscheiden.The cooling devices described below according to the further exemplary embodiments correspond to a large extent to the first exemplary embodiment, which is why the following description is essentially limited to those features in which the further exemplary embodiments differ from the first exemplary embodiment and / or from one previously described exemplary embodiment differ.
Bei der zweiten beispielhaften Ausführungsform weist die erste Kavität
Die erste Kavität
Die in
Die in
Die erste Kavität
Die in
Die in
BezugszeichenlisteList of reference symbols
- 11
- KühlvorrichtungCooling device
- 22
- Gehäusecasing
- 33
- Erste KavitätFirst cavity
- 44th
- Erste DüsenöffnungFirst nozzle opening
- 55
- Umgebungvicinity
- 66th
- Erste auslenkbare MembranFirst deflectable membrane
- 77th
- Erster AktorFirst actuator
- 88th
- AusströmungOutflow
- 99
- EinströmungInflow
- 1010
- Innere KühlrippenInner cooling fins
- 1111
- WärmequelleHeat source
- 1212th
- Erster GehäuseteilFirst housing part
- 1313th
- Zweiter GehäuseteilSecond housing part
- 1414th
- Erste InnenseiteFirst inside
- 1515th
- Zweite InnenseiteSecond inside
- 16, 16'16, 16 '
- Seitliche GehäusewandLateral housing wall
- 1717th
- DeckflächeDeck area
- 18,1918.19
- AußenflächenExterior surfaces
- 2020th
- Erste KammerFirst chamber
- 2121st
- Zweite KammerSecond chamber
- 2222nd
- Äußere KühlrippenExternal cooling fins
- 2525th
- Zweite KavitätSecond cavity
- 2626th
- Zweite auslenkbare MembranSecond deflectable membrane
- 2727
- Zweiter AktorSecond actuator
- 2828
- Dritter GehäuseteilThird housing part
- 2929
- WärmerohrHeat pipe
- 3030th
- Erster KühlkörperFirst heat sink
- 3131
- Zweiter KühlkörperSecond heat sink
Claims (9)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE102020200956.2A DE102020200956A1 (en) | 2020-01-27 | 2020-01-27 | Cooling device and cooling method |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE102020200956.2A DE102020200956A1 (en) | 2020-01-27 | 2020-01-27 | Cooling device and cooling method |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE102020200956A1 true DE102020200956A1 (en) | 2021-07-29 |
Family
ID=76753474
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE102020200956.2A Ceased DE102020200956A1 (en) | 2020-01-27 | 2020-01-27 | Cooling device and cooling method |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE102020200956A1 (en) |
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US20070127210A1 (en) | 2005-11-14 | 2007-06-07 | Innovative Fluidics, Inc. | Thermal management system for distributed heat sources |
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-
2020
- 2020-01-27 DE DE102020200956.2A patent/DE102020200956A1/en not_active Ceased
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