DE102021119213B4 - Helix channel cooler unit - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Helix-Kanal-Kühler-Einheit für elektronische Baugruppen mit dreidimensionaler Kanalführung aufweisend einen Kühlerkörper, einen Medienzugang, einen Medienabgang, eine Helix-Kanalform und zumindest eine Verlustleistung erzeugende Komponente, wobei der Kühlerkörper die Helix-Kanalform beinhaltet und sich Medienzugang und Medienabgang auf der Oberfläche des Kühlerkörpers befinden und ein Medium über den Medienzugang in die Helix-Kanalform gelangt und diese über den Medienabgang wieder verlässt, wobei auf mindestens einer Oberfläche des Kühlkörpers mindestens eine Verlustleistung erzeugende Komponente montiert ist; die Helix-Kanalform zu einer Helix kombinierte Kanalabschnitte aufweist und durch die dreidimensionale Kanalführung eine erzwungene helikale Strömungsbewegung des Mediums und somit ein besserer Wärmeübergang entlang der Kanalwände erzeugt wird. The invention relates to a helical channel cooler unit for electronic assemblies with three-dimensional channel routing, having a cooler body, a media inlet, a media outlet, a helical channel shape and at least one component that generates power loss, the cooler body containing the helical channel shape and media access and Media outlet are located on the surface of the heat sink and a medium enters the helix channel shape via the media access and leaves it again via the media outlet, wherein at least one component generating power loss is mounted on at least one surface of the heat sink; the helical channel shape has channel sections combined into a helix and the three-dimensional channel routing creates a forced helical flow movement of the medium and thus better heat transfer along the channel walls.
Description
Die Erfindung betrifft eine Helix-Kanal-Kühler-Einheit für elektronische Baugruppen mit dreidimensionaler Kanalführung aufweisend einen Kühlkörper, einen Medienzugang, einen Medienabgang, eine Helix-Kanalform und zumindest eine Verlustleistung erzeugende Komponente, wobei der Kühlkörper die Helix-Kanalform beinhaltet und sich Medienzugang und Medienabgang auf der Oberfläche des Kühlkörpers befinden und ein Medium über den Medienzugang in die Helix-Kanalform gelangt und diese über den Medienabgang wieder verlässt.The invention relates to a helical channel cooler unit for electronic assemblies with three-dimensional channel routing, having a heat sink, a media inlet, a media outlet, a helical channel shape and at least one component that generates power loss, the heat sink containing the helical channel shape and media access and Media outlet are on the surface of the heat sink and a medium enters the helix channel shape via the media access and leaves it again via the media outlet.
Unter einem Medium, im Sinne der Erfindung, wird ein Fluid im physikalischen Sinne verstanden.A medium, within the meaning of the invention, is understood to mean a fluid in the physical sense.
Unter einer dreidimensionalen helikalen Strömung eines Mediums im Raum, im Sinne der Erfindung, wird eine durch eine dreidimensionale Kanalgeometrie erzwungene helikale Turbulenz als spiralförmige Sekundärströmung, die im Kanal einer Hauptströmungsrichtung überlagert ist, verstanden.A three-dimensional helical flow of a medium in space, within the meaning of the invention, is understood to mean a helical turbulence forced by a three-dimensional channel geometry as a spiral secondary flow, which is superimposed on a main flow direction in the channel.
Aus dem Stand der Technik sind allgemein zweidimensionale Strömungsschikanen, wie ShowerPower, 3D-ShowerPower der Firma Danfoss Silicon Power bekannt.Two-dimensional flow baffles such as ShowerPower, 3D-ShowerPower from Danfoss Silicon Power are generally known from the prior art.
Der bekannte Stand der Technik in der Flüssigkühlung zeigt eine zweidimensionale Führung des flüssigen Mediums in mäandrierender Form, die durch periodischen Richtungswechsel (Mäanderkanal) in einer Ebene eine Rotation der ansonsten laminaren Stromfäden (Strömung) erzeugt. Die Wirkung der flüssigen Kühlung besteht in der angestrebten Verringerung der im Wesentlichen ruhenden Grenzschicht der Kühlflüssigkeit an der zu kühlenden Berandungsfläche. Parallel zu den Strömungsfäden ist meist einseitig die Wärmezuführung an der Berandungsfläche, beispielsweise einem Leistungshalbleitersubstrat, angeordnet Die Druckschrift
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Die Probleme im Stand der Technik sind im Wesentlichen, dass bei der Flüssigkühlung durch eine zweidimensionale Führung des flüssigen Mediums mit einer erzwungenen Richtungsänderung an den in einer Fläche liegenden Mäanderkurven eine Drallströmung erzeugt wird, die aus einer Hauptrichtung und einer Querströmung entsteht. Diese laminaren Stromfäden besitzen eine nur mäßige Eigenschaft der Grenzflächenminimierung für den Wärmeübergang der Berandungsfläche zum flüssigen Medium, da dort keine Komponente in Wandrichtung, zur Zerstörung der Grenzschicht, existiert.The main problems in the prior art are that in liquid cooling, a two-dimensional guidance of the liquid medium with a forced change of direction at the meander curves lying in a surface generates a swirl flow, which arises from a main direction and a cross flow. These laminar flow threads only have a moderate property of minimizing the boundary surface for the heat transfer from the boundary surface to the liquid medium, since there is no component in the direction of the wall to destroy the boundary layer.
Die flächige Mäanderführung der Kanäle führt zwar zur Rotation der Stromfäden, als eine Art helikale Strömung, diese ist jedoch ausschließlich nahezu parallel zu den Kanalwandungen gerichtet. Damit weisen diese Stromfäden die klassischen Strömungsprofile nach Bernoulli auf, die eine ausgeprägte und stabile Grenzschicht an den Rändern/Berandungen aufweisen. Diese Grenzschichten sind strömungsarm bis ruhend und vermindern oder verhindern die Wechselwirkung der Kühlflüssigkeit mit der Wandung.The planar meandering of the canals leads to the rotation of the stream threads, as a kind of helical flow, but this is exclusively directed almost parallel to the canal walls. These flow threads thus show the classic flow profiles according to Bernoulli, which have a pronounced and stable boundary layer at the edges/boundaries. These boundary layers have little or no flow and reduce or prevent the interaction of the coolant with the wall.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde die nachteiligen, nahezu ruhenden Grenzschichten durch eine weitere erzwungene Richtungsänderung durch weitere Drallströmungen zu vermindern und durch Prallströmungen abzubauen. Die abgebauten Grenzschichten ermöglichen einen deutlich verbesserten Wärmeübergang von der Berandungsfläche in das Medium (die Kühlflüssigkeit). Dazu wird erfindungsgemäß der zweidimensionalen Mäandrierung durch eine x-y-Kanalführung eine weitere Richtungsänderung in z-Richtung aufgezwungen. So entsteht eine weitere Querströmung durch Richtungsänderungen des Mediums und damit eine dreidimensionale echte helikale Strömung im Raum. Diese weitere Strömungskomponente wirkt zusammen mit den zusätzlichen Prallflächen der Strömungsführung reduzierend auf die Grenzflächendicke und Grenzflächenerstreckung und wirkt damit steigernd auf den Wärmeübergang. So wird dann beispielsweise eine verbesserte Kühlung für leistungselektronische Halbleiter-Baugruppen möglich.The object of the present invention is to reduce the disadvantageous, almost stationary boundary layers by means of a further forced change of direction by means of further swirl flows and to reduce them by means of impingement flows. The degraded boundary layers allow a significantly improved heat transfer from the boundary surface to the medium (the coolant). For this purpose, according to the invention, a further change in direction in the z-direction is imposed on the two-dimensional meandering by means of an xy channel guide. This creates a further cross-flow through changes in direction of the medium and thus a three-dimensional real helical flow in space. This additional flow component, together with the additional baffle surfaces of the flow guide, has a reducing effect on the thickness and extent of the boundary surface and thus has an increasing effect on the heat transfer. For example, improved cooling for power electronic semiconductor assemblies is then possible.
Gelöst wird diese Aufgabe mit einer erfindungsgemäßen Helix-Kanal-Kühler-Einheit.This problem is solved with a helix channel cooler unit according to the invention.
Die Helix-Kanal-Kühler-Einheit für elektronische Baugruppen mit dreidimensionaler Kanalführung weist auf: einen Kühlkörper, einen Medienzugang, einen Medienabgang, eine Helix-Kanalform (50), zumindest eine Verlustleistung erzeugende Komponente,
wobei
- - der Kühlkörper (10) die Helix-Kanalform (50) beinhaltet und sich Medienzugang (30) und Medienabgang (31) auf der Oberfläche des Kühlkörpers befinden; und
- - das Medium über den Medienzugang (30) in die Helix-Kanalform (50) gelangt und diese über den Medienabgang (31) wieder verlässt;
- - auf mindestens einer Oberfläche des Kühlkörpers (10) mindestens eine Verlustleistung erzeugende Komponente montiert ist; und
- - durch die dreidimensionale Kanalführung eine erzwungene helikale Strömungsbewegung des Mediums und somit ein besserer Wärmeübergang entlang der Kanalwände erzeugt wird;
und ist dadurch gekennzeichnet, dass
die Helix-Kanalform (50) zu einer Helix kombinierte Kanalabschnitte aufweist.
Weiter kann der Kühlkörper quaderförmig ausgebildet sein.The helix channel cooler unit for electronic assemblies with three-dimensional channel routing has: a heat sink, a media inlet, a media outlet, a helix channel shape (50), at least one component that generates power loss,
whereby
- - The heat sink (10) includes the helical channel shape (50) and media access (30) and media outlet (31) are located on the surface of the heat sink; and
- - The medium enters the helix channel shape (50) via the media access (30) and leaves it again via the media outlet (31);
- - At least one component generating power loss is mounted on at least one surface of the heat sink (10); and
- - A forced helical flow movement of the medium and thus a better heat transfer along the channel walls is generated by the three-dimensional channel guide;
and is characterized in that
the helical channel shape (50) has channel sections combined to form a helix.
Furthermore, the heat sink can be cuboid.
Der Kühlkörper kann einteilig oder zweiteilig mit einer ersten Halbschale und einer zweiten Halbschale ausgebildet sein.The heat sink can be designed in one piece or in two pieces with a first half-shell and a second half-shell.
Die verschiedenen Oberflächen des Kühlkörpers können unabhängig voneinander mit Verlustleistung erzeugenden Komponenten bestückt werden.The various surfaces of the heatsink can be equipped independently of one another with components that generate power loss.
Die Verlustleistung erzeugende Komponenten können Halbleiter-Komponenten und / oder Kondensatoren umfassen.The components that generate the power loss can include semiconductor components and/or capacitors.
Der Kühlkörper kann aus einem Metall, einer Metalllegierung und / oder keramischen Werkstoffen, bevorzugt Kupfer-Legierungen, Aluminium-Legierungen, Siliziumnitrid, Aluminiumnitrid, Zirconiumdioxid, Nickel, Edelstähle, ausgebildet sein.The heat sink can be made of a metal, a metal alloy and/or ceramic materials, preferably copper alloys, aluminum alloys, silicon nitride, aluminum nitride, zirconium dioxide, nickel, stainless steels.
Bei einer zweiteiligen Ausführung kann die erste Halbschale und die zweite Halbschale funktionell zu einer ersten Kühlkörperhalbschale und einer zweiten Kühlkörperhalbschale erweiterbar ausgebildet sein.In a two-part design, the first half-shell and the second half-shell can be functionally expandable to form a first heat sink half-shell and a second heat sink half-shell.
Bei einer zweiteiligen Ausführung kann die Helix-Kanalform durch Ausbildung von Senken in den Halbschalen mit nachfolgendem paarweisem Aufeinanderlegen der Halbschalen erhalten werden, wobei die Halbschalen die Kanalabschnitte auf verschiedenen Ebenen zwischen den Koordinatenachsen im kartesischen Koordinatensystem aufweisen und die Kanalabschnitte überlappen, so dass ein helikaler Verlauf ausgebildet wird.In a two-part design, the helical channel shape can be obtained by forming sinks in the half-shells and then stacking the half-shells in pairs, the half-shells having the channel sections on different levels between the coordinate axes in the Cartesian coordinate system and the channel sections overlap so that a helical course is trained.
Die Helix-Kanal-Kühler-Einheit ist insbesondere für elektronische Baugruppen mit dreidimensionaler Kanalführung konstruiert. Sie weist einen Kühlkörper, einen Medienzugang, einen Medienabgang, eine Helix-Kanalform und zumindest eine Verlustleistung erzeugende Komponente auf, wobei der Kühlkörper die Helix-Kanalform beinhaltet und sich Medienzugang und Medienabgang auf der Oberfläche des Kühlkörpers befinden und das Medium über den Medienzugang in die Helix-Kanalform gelangt und diese über den Medienabgang wieder verlässt, dadurch gekennzeichnet, dass auf mindestens einer Oberfläche des Kühlkörpers mindestens eine Verlustleistung erzeugende Komponente montiert ist, die Helix-Kanalform zu einer Helix kombinierte Kanalabschnitte aufweist und durch die dreidimensionale Kanalführung eine erzwungene helikale Strömungsbewegung des Mediums und somit ein besserer Wärmeübergang entlang der Kanalwände erzeugt wird.The helix channel cooler unit is specially designed for electronic assemblies with three-dimensional channel routing. It has a heat sink, a media inlet, a media outlet, a helical channel shape and at least one component that generates power loss, the heat sink containing the helical channel shape and the media inlet and media outlet are located on the surface of the heat sink and the medium via the media inlet into the helical channel shape and leaves it again via the media outlet, characterized in that at least one component that generates power loss is mounted on at least one surface of the heat sink, the helical channel shape has channel sections combined to form a helix and the three-dimensional channel routing causes a forced helical flow movement of the Medium and thus a better heat transfer is generated along the channel walls.
Wenn der Kühlkörper quaderförmig ausgebildet ist, so sind insgesamt sechs Flächen vorhanden, welche Funktionen erhalten können. Bis zu zwei Flächen besitzen dabei je einen Flüssigkeitszugang bzw. einen Medienzugang und einen Flüssigkeitsabgang bzw. Medienabgang. Die quaderförmige Ausbildung des Kühlkörpers ist die bevorzugte Variante. Der Kühlkörper kann jedoch auch andere Geometrien aufweisen.If the heat sink is cuboid, there are a total of six surfaces that can be given functions. Up to two surfaces each have a liquid inlet or media inlet and a liquid outlet or media outlet. The block-shaped design of the heat sink is the preferred variant. However, the heat sink can also have other geometries.
Der Kühlkörper kann einteilig oder zweiteilig mit einer ersten Halbschale und einer zweiten Halbschale ausgebildet sein. Die einteilige Ausführung weist innenliegende helikale Kanäle auf, wie sie aktuell nur durch einteilige, additive Fertigung hergestellt werden können. Bei dieser Ausführung können an den größeren, gegenüberliegenden Planflächen die Verlustleistung erzeugenden Komponenten aufgebaut werden. Eine zweiteilige Ausführungsform der Helix-Kanalform aufweisend Prallflächen kann beispielsweise durch eine Kanalgeometrie, die durch einfach zu produzierende Senken in Platten hergestellt wird und durch paarweises Aufeinanderlegen den vollständigen Mediumskanal ergeben, ausgebildet werden. Die beiden Platten ergänzen sich kanalseitig zu dem Kühlerkanal und bieten zusätzlich auf ihren beiden Rückseiten eine Fläche für die Montage von den Verlustleistung erzeugenden Komponenten wie beispielsweise leistungselektronischen Komponenten. Die Kanalgestaltung in den beiden Platten kann durch vielfältige Herstellverfahren, wie spanende Bearbeitung, Prägen, Tiefziehen oder additive Metallfertigung vorgenommen werden.The heat sink can be designed in one piece or in two pieces with a first half-shell and a second half-shell. The one-piece design has internal helical channels that can currently only be produced by one-piece additive manufacturing. In this embodiment, the components that generate the power loss can be built up on the larger, opposite plane surfaces. A two-part embodiment of the helical channel shape having baffle surfaces can be formed, for example, by a channel geometry that is produced by depressions in plates that are easy to produce and result in the complete medium channel by stacking them in pairs. The two plates complement each other on the channel side to form the cooler channel and also offer a surface on their two rear sides for the installation of components that generate power loss, such as power electronic components. The channel design in the two plates can be made by a variety of manufacturing processes, such as machining, embossing, deep drawing or additive metal manufacturing.
Ein Vorteil der einteiligen Variante gegenüber der zweiteiligen ist die Möglichkeit des Ausgleichs von unterschiedlichen Wärmeflüssen bei unterschiedlicher Belastung der Verlustleistung (Wärme) erzeugenden Komponenten.An advantage of the one-piece variant compared to the two-piece variant is the possibility of compensating for different heat flows with different loads on the power loss (heat)-generating components.
Dementgegen ist die zweiteilige Variante einfacher und kostengünstiger herzustellen. Diese Variante beinhaltet ein neues Verfahren zur Produktion von Flüssigkühlern mit einer Kanalführung im Inneren, da die beiden Halbschalen getrennt voneinander produziert werden und erst nachfolgend zur Ausbildung des Helix-Kühlerkanals aufeinander montiert werden. Der Kühlkörper kann einfach und beidseitig unabhängig mit elektronischen Baugruppen bestückt werden.In contrast, the two-part variant is easier and cheaper to produce. This variant includes a new process for the production of liquid coolers with an internal duct, since the two half-shells are produced separately from one another and are only then assembled on top of each other to form the helix cooler duct. The heatsink can be equipped with electronic assemblies easily and independently on both sides.
Die verschiedenen Oberflächen des Kühlkörpers können wenigstens teilweise oder vollständig und unabhängig voneinander mit Verlustleistung erzeugenden Komponenten bestückt sein.The various surfaces of the heat sink can be equipped at least partially or completely and independently of one another with components that generate power loss.
Dadurch, dass die verschiedenen Oberflächen des Kühlkörpers unabhängig voneinander mit Verlustleistung erzeugenden Komponenten bestückt werden können, ist die Helix-Kanal-Kühler-Einheit variabel ausgestaltbar. So ist das System zudem servicefreundlich und Änderungen können relativ einfach vorgenommen werden ohne dass ein Komplettumbau der gesamten Einheit notwendig wird.Because the various surfaces of the heat sink can be fitted with components that generate power loss independently of one another, the helix channel cooler unit can be configured variably. The system is also easy to service and changes can be made relatively easily without having to completely rebuild the entire unit.
Die Verlustleistung erzeugenden Komponenten können bevorzugt elektronische Baugruppen, insbesondere Halbleiterkomponenten und / oder Kondensatoren, umfassen.The components that generate power loss can preferably include electronic assemblies, in particular semiconductor components and/or capacitors.
Der Kühlkörper kann vorzugsweise aus einem Metall, einer Metalllegierung und / oder keramischen Werkstoffen, bevorzugt Kupfer-Legierungen, Aluminium-Legierungen, Siliziumnitrid, Aluminiumnitrid, Zirconiumdioxid, Nickel, Edelstähle, ausgebildet sein, so dass eine gute Wärmeleitung gegeben ist und gegebenenfalls korrosionshemmende Werkstoffe zugesetzt sind. Es ist auch eine vorteilhafte Variante, wenn der Bereich der Kanalausprägung aus Aluminium besteht und stofflich verbunden eine wärmespreizende Kupferschicht zwischen dem Aluminiumteil und den Verlustleistung erzeugenden Komponenten eingefügt ist.The heat sink can preferably be made of a metal, a metal alloy and/or ceramic materials, preferably copper alloys, aluminum alloys, silicon nitride, aluminum nitride, zirconium dioxide, nickel, stainless steels, so that there is good heat conduction and, if necessary, corrosion-inhibiting materials can be added are. It is also an advantageous variant if the region of the channel formation consists of aluminum and a heat-spreading copper layer is inserted between the aluminum part and the components generating power loss in a materially connected manner.
Dadurch, dass bei einer zweiteiligen Ausführung die erste Halbschale und die zweite Halbschale funktionell zu einer ersten Kühlkörperhalbschale und einer zweiten Kühlkörperhalbschale erweiterbar sind, werden am Kühlkörper zusätzliche Wärmekontaktflächen für weitere Verlustleistung erzeugenden Komponenten geschaffen. So können neben beispielsweise Halbleiterkomponenten auf Grund- und Deckfläche auf zwei Seitenflächen Kondensatoren oder auch andere Bauteile montiert werden.The fact that in a two-part design the first half-shell and the second half-shell can be functionally expanded to form a first heatsink half-shell and a second heatsink half-shell, additional thermal contact surfaces are created on the heatsink for additional power loss-generating components. For example, in addition to semiconductor components on the base and top surfaces, capacitors or other components can also be mounted on two side surfaces.
Bei einer zweiteiligen Ausführung kann die Helix-Kanalform durch Ausbildung von Senken in den Halbschalen mit nachfolgendem paarweisem Aufeinanderlegen der Halbschalen erhalten werden, wobei die Halbschalen die Kanalabschnitte auf verschiedenen Ebenen zwischen den Koordinatenachsen im kartesischen Koordinatensystem aufweisen und die Kanalabschnitte überlappen, so dass ein helikaler Verlauf ausgebildet wird.In a two-part design, the helical channel shape can be obtained by forming sinks in the half-shells and then stacking the half-shells in pairs, the half-shells having the channel sections on different levels between the coordinate axes in the Cartesian coordinate system and the channel sections overlap so that a helical course is trained.
Es wird über die Möglichkeit des Aufbaus über zwei Halbschalen ein einfaches, servicefreundliches, sicheres und relativ kostengünstig herstellbares Flüssigkühlersystem, nämlich die erfindungsgemäße Helix-Kanal-Kühler-Einheit, bereitgestellt, mit dem auch eine unabhängige Montage von elektronischen Baugruppen auf Kühlkörpern vorgenommen werden kann.A simple, service-friendly, safe liquid cooler system that can be produced relatively inexpensively, namely the helix-channel cooler unit according to the invention, is provided via the possibility of constructing two half-shells, with which electronic assemblies can also be mounted independently on heat sinks.
Durch die in der Helix-Kanal-Kühler-Einheit vorliegende Helix-Kanalform wird das Medium in helikaler Form, also als rotierende, wandernde Stromfäden, dreidimensional durch den Kanal geführt, wobei durch multiple Wandkontakte turbulente Wärmeübergänge ermöglicht werden, was einen deutlich verbesserten Wärmeübergang von der Berandungsfläche in die Kühlflüssigkeit bewirkt. Die nachteiligen, nahezu ruhenden Grenzschichten werden hierbei durch die dreidimensionalen erzwungenen Richtungsänderungen durch weitere Drallströmungen vermindert und durch Prallströmungen abgebaut. Dazu wird erfindungsgemäß der zweidimensionalen Mäandrierung durch x-y-Kanalführung eine weitere Richtungsänderung in z-Richtung aufgezwungen. Dadurch entsteht eine weitere Querströmung durch Richtungsänderung und damit eine dreidimensionale echte helikale Strömung. Diese weitere Strömungskomponente wirkt zusammen mit den zusätzlichen Prallflächen der Strömungsführung reduzierend auf die Grenzflächendicke und Grenzflächenerstreckung und damit steigernd auf den Wärmeübergang.Due to the helical channel shape present in the helix channel cooler unit, the medium is guided through the channel in a helical form, i.e. as rotating, migrating stream threads, three-dimensionally, whereby turbulent heat transfers are made possible by multiple wall contacts, which results in a significantly improved heat transfer from the boundary surface causes in the cooling liquid. The disadvantageous, almost stationary boundary layers are thereby reduced by the three-dimensional forced changes in direction by further swirl flows and degraded by impingement flows. For this purpose, according to the invention, a further change in direction in the z-direction is imposed on the two-dimensional meandering by xy channel routing. This creates a further transverse flow through a change in direction and thus a three-dimensional real helical flow. This additional flow component works together with the additional baffle surfaces of the flow control reducing the thickness and extent of the boundary surface and thus increasing the heat transfer.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand der beiliegenden Abbildungen in der Abbildungsbeschreibung beschrieben, wobei diese die Erfindung erläutern sollen und nicht zwingend beschränkend zu werten sind:The invention is described below using the accompanying illustrations in the description of the illustrations, which are intended to explain the invention and are not necessarily to be viewed as limiting:
Es zeigen:
In
Die Überlappung ist derart gewählt, dass im Beispiel ein zur zentralen Strömungsrichtung senkrechter Kanalquerschnitt stets konstant bleibt (beispielsweise 6 mm2). Weiter sind hier auch Querschnitte von 1 mm2 bis mehr als 100 mm2 denkbar; dies ist von der Kühlaufgabe und dem erlaubten Druckabfall in den Kanälen abhängig und wird kann aufgabenspezifisch angepasst werden. An der Seite der Verlustleistung erzeugenden Komponente ist die Wandstärke des Kühlers bis zu der Kanalinnenoberfläche (Wärmeübergangszone) in dem Beispiel nicht dicker (stärker) als 5 mm.The overlap is selected in such a way that, in the example, a channel cross section perpendicular to the central flow direction always remains constant (for example 6 mm 2 ). Cross sections from 1 mm 2 to more than 100 mm 2 are also conceivable here; this depends on the cooling task and the permitted pressure drop in the channels and can be adapted to the specific task. On the side of the power dissipation generating component is the wall thickness of the cooler up to the channel inner top surface (heat transition zone) in the example not thicker (stronger) than 5 mm.
Diese geometrischen Varianten lassen sich auf weitere mehrteilige Kühlkörper mit demselben Grundprinzip anwenden.These geometric variants can be applied to other multi-part heat sinks with the same basic principle.
In
Die Kanalabschnitte können durch vielfältige, auch kombinierte Herstellungsverfahren erfolgen, wie spanende Bearbeitung, Prägen, Tiefziehen oder additive Metallfertigung.The channel sections can be made using a variety of manufacturing processes, including combined ones, such as machining, embossing, deep-drawing or additive metal manufacturing.
Der Kühlkörper 10 besteht aus mindestens einem, vorzugsweise gut wärmeleitenden Metall, wie Kupfer-Legierungen, Aluminium-Legierungen oder dergleichen. Korrosionshemmende Werkstoffe wieder Edelstahl sind dabei vorteilhaft für den Einsatz in einem Medien-/Flüssigkühler. Eine weitere vorteilhafte Variante besteht in einer Kanalausprägung aus Aluminium und einer stofflich verbunden wärmespreizenden Einfügung einer Kupferschicht zwischen dem Aluminiumteil und den Verlustleistung erzeugenden Komponenten.The
Zusätzlich besteht die Möglichkeit an den schmalen Seiten der Helix-Kanal-Kühler-Einheit 1 beziehungsweise seiner Halbschalen Wärmekontaktflächen für weitere Verlustleistung erzeugende Komponenten vorzusehen.In addition, there is the possibility of providing thermal contact surfaces for further components that generate power losses on the narrow sides of the helix channel
In
Die dargestellte Verkettung und Anreihung mehrerer Kanalzüge ist besonders geeignet, um eine flächige Anordnung von Wärme erzeugenden Komponenten gleichmäßig zu kühlen. Dabei ist eine serielle Verbindung der Kanalzüge wie beispielhaft dargestellt vorteilhaft ausführbar zur Verringerung von Temperaturgefällen. Eine weitere Möglichkeit bietet hier eine parallele Durchströmung einzelner Kanalzüge. In einer weiteren Variante ist auch die Platzierung des Medienzuganges 30 und die des Medienabganges 31 auf der gleichen Körperseite, statt auf unterschiedlichen oder gegenüberliegenden Seiten, möglich.The chaining and arrangement of multiple ducts shown is particularly suitable for uniformly cooling a planar arrangement of heat-generating components. In this case, a serial connection of the duct strips, as shown by way of example, can advantageously be implemented in order to reduce temperature gradients. A further possibility offers a parallel flow through individual ducts. In a further variant, it is also possible to place
In der Abbildung sind zusätzlich zu den Komponenten in
Das quaderförmige Volumen der zweiteiligen Helix-Kanal-Kühler-Einheit 1 besitzt insgesamt bis zu sechs Flächen, die Funktionen erhalten können: Bis zu zwei Flächen besitzen dabei je einen Medienzugang 30 und einen Medienabgang 31.The cuboid volume of the two-part helix channel
Neben der in den Abbildungen aufgezeigten zweiteiligen Ausführungsform ist auch eine einteilige Ausführungsform möglich. Die einteilige Ausführungsform weist innenliegende helikale Kanäle derartig auf, wie sie nur durch einteilige, additive Fertigung hergestellt werden können. Auch in dieser Ausführung können an den größeren, gegenüberliegenden Planflächen die Verlustleistung erzeugenden Komponente aufgebaut werden. Der zusätzliche Vorteil der einteiligen Variante gegenüber der zweiteiligen Variante ist die Möglichkeit des Ausgleichs von unterschiedlichen Wärmeflüssen bei unterschiedlicher Belastung der Wärme (Verlustleistung) erzeugenden Komponenten.In addition to the two-piece embodiment shown in the figures, a one-piece embodiment is also possible. The one-piece embodiment has internal helical channels of a type that can only be made by one-piece additive manufacturing. In this embodiment, too, the components that generate the power loss can be built up on the larger, opposite planar surfaces. The additional advantage of the one-piece variant compared to the two-piece variant is the possibility of compensating for different heat flows with different loads on the components that generate heat (power loss).
BezugszeichenlisteReference List
- 11
- Helix-Kanal-Kühler-EinheitHelix channel cooler unit
- 1010
- Kühlkörperheatsink
- 1111
- erste Halbschalefirst half shell
- 1212
- zweite Halbschalesecond half shell
- 2020
- Leistungshalbleiterpower semiconductors
- 3030
- Medienzugangmedia access
- 3131
- Medienabgangmedia outlet
- 4040
- Halbleiterkomponentensemiconductor components
- 5050
- Helix-KanalformHelix channel shape
- 6060
- Strömungsvektorenflow vectors
- 7070
- Kanalabschnitte in z-x-RichtungChannel sections in the z-x direction
- 7171
- Kanalabschnitte in z-y-RichtungChannel sections in the z-y direction
- 8080
- erster Kondensatorfirst capacitor
- 8181
- zweiter Kondensatorsecond condenser
- 9090
- erste Kühlkörperhalbschalefirst heatsink half shell
- 9191
- zweite Kühlkörperhalbschalesecond heat sink half shell
Claims (8)
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE102021119213.7A DE102021119213B4 (en) | 2021-07-25 | 2021-07-25 | Helix channel cooler unit |
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DE102021119213.7A DE102021119213B4 (en) | 2021-07-25 | 2021-07-25 | Helix channel cooler unit |
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-
2021
- 2021-07-25 DE DE102021119213.7A patent/DE102021119213B4/en active Active
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R020 | Patent grant now final |