DE112015005715T5

DE112015005715T5 - Modulare strahlbeaufschlagungsanordnungen mit passiver und aktiver flusssteuerung für die kühlung von elektronik

Info

Publication number: DE112015005715T5
Application number: DE112015005715.3T
Authority: DE
Inventors: Feng Zhou; Ercan Mehmet DEDE; Shailesh Joshi
Original assignee: Toyota Motor Corp; Toyota Motor Engineering and Manufacturing North America Inc
Current assignee: Toyota Motor Corp; Toyota Motor Engineering and Manufacturing North America Inc
Priority date: 2014-12-22
Filing date: 2015-12-09
Publication date: 2017-09-21
Also published as: JP2020073845A; US9445526B2; JP2018503057A; WO2016105944A1; US20160183409A1; JP6856541B2

Abstract

Es werden Leistungselektronikmodule mit einer modularen Strahlbeaufschlagungsanordnung offenbart, die verwendet werden, um wärmeerzeugende Vorrichtungen zu kühlen. Die modularen Strahlbeaufschlagungsanordnungen weisen auf: einen modularen Verteiler mit einer Verteilungsaussparung, ein oder mehrere abgewinkelte Einlassverbindungsrohre, die an einem Einlassende des modularen Verteilers positioniert sind und die das Zuleitungsrohr mit der Verteilungsaussparung verkoppeln, und ein oder mehrere Auslassverbindungsrohre, die an einem Auslassende des modularen Verteilers positioniert sind und die das Ableitungsrohr mit der Verteilungsaussparung verkoppeln. Die modularen Strahlbeaufschlagungsanordnungen weisen einen Verteilereinsatz auf, der lösbar innerhalb der Verteilungsaussparung positioniert ist, und weisen einen oder mehrere Zuleitungszweigkanäle, die jeweils eine Beaufschlagungsnut aufweisen, und einen oder mehrere Ableitungszweigkanäle, die jeweils eine Sammelnut aufweisen, auf. Ferner eine Wärmeübertragungsplatte, die mit dem modularen Verteiler gekoppelt ist, wobei die Wärmeübertragungsplatte eine Beaufschlagungsfläche aufweist, die eine Anordnung von Lamellen aufweist, die zum Verteilereinsatz verlaufen.

Description

VERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
Diese Anmeldung beansprucht die Priorität der am 22. Dezember 2014 eingereichten, nicht-vorläufigen US-Patentanmeldung 14/578,906 mit dem Titel „MODULAR JET IMPINGEMENT ASSEMBLIES WITH PASSIVE AND ACTIVE FLOW CONTROL FOR ELECTRONICS COOLING”, deren gesamter Offenbarungsgehalt hierin durch Bezugnahme aufgenommen ist.
GEBIET DER TECHNIK
Die vorliegende Beschreibung betrifft allgemein Strahlbeaufschlagungsanordnungen und genauer modulare Strahlbeaufschlagungsanordnungen mit aktiven und passiven Fluidstromsteuerungsmerkmalen.
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Wärmeregulierende Vorrichtungen können mit einer wärmeerzeugenden Vorrichtung, beispielsweise einer leistungselektronischen Vorrichtung, gekoppelt werden, um Wärme abzuführen und um die Betriebstemperatur der wärmeerzeugenden Vorrichtung zu senken. Ein Kühlfluid kann in die wärmeregulierende Vorrichtung eingeleitet werden, wo sie Wärme von der wärmeerzeugenden Vorrichtung aufnimmt, und zwar in erster Linie über konvektive und/oder konduktive Wärmeübertragung. Das Kühlfluid wird dann aus der wärmeregulierenden Vorrichtung entfernt, wodurch Wärme aus der wärmeerzeugenden Vorrichtung entfernt wird. In einem Beispiel kann Fluid in einem Strahl mit hoher Geschwindigkeit auf eine örtlich begrenzte Region gerichtet werden, so dass das Fluid auf eine Oberfläche der wärmeregulierenden Vorrichtung, die mit der wärmeerzeugenden Vorrichtung gekoppelt ist, aufschlägt. Da leistungselektronische Vorrichtungen dafür ausgelegt sind, bei erhöhten Leistungspegeln zu arbeiten, erzeugen die leistungselektronischen Vorrichtungen einen verstärkten entsprechenden Wärmefluss. Die Verstärkung des Wärmeflusses, der von den leistungselektronischen Vorrichtungen erzeugt wird, kann bewirken, dass herkömmliche Kühlkörper nicht geeignet sind, um ausreichend Wärme abzuweisen, um eine gewünschte Betriebstemperatur in der leistungselektronischen Vorrichtung aufrechtzuerhalten.
Somit können wärmeregulierende Vorrichtungen, die eine passive und aktive Fluidflusssteuerung innerhalb von Strahlbeaufschlagungsanordnungen beinhalten, gewünscht sein, um betriebsbedingt hohe Temperaturen der leistungselektronischen Vorrichtungen abzumildern.
KURZFASSUNG
In einer Ausführungsform beinhaltet eine modulare Strahlbeaufschlagungsanordnung ein Zuleitungsrohr, das mit einem Fluideinlass in Fluidverbindung steht, ein Ableitungsrohr, das mit einem Fluidauslass in Fluidverbindung steht, einen modularen Verteiler, der eine Verteilungsaussparung umfasst, und ein oder mehrere abgewinkelte Einlassverbindungsrohre, die an einem Einlassende des modularen Verteilers positioniert sind. Das eine oder die mehreren abgewinkelten Einlassverbindungsrohre sind in Bezug auf eine Oberfläche des modularen Verteilers abgewinkelt und bringen das Zuleitungsrohr in Fluidverbindung mit der Verteilungsaussparung. Die modulare Strahlbeaufschlagungsanordnung beinhaltet ferner ein oder mehrere an einem Auslassende des modularen Verteilers positionierte Auslassverbindungsrohre, die das Ableitungsrohr mit der Verteilungsaussparung in Fluidverbindung bringen, und einen Verteilereinsatz, der lösbar innerhalb der Verteilungsaussparung des modularen Verteilers positioniert ist. Der Verteilereinsatz beinhaltet einen oder mehrere Zuleitungszweigkanäle, die mit einem oder mehreren abgewinkelten Einlassverbindungsrohren in Fluidverbindung stehen. Jeder Zuleitungszweigkanal beinhaltet eine Beaufschlagungsnut. Der Verteilereinsatz beinhaltet auch einen oder mehrere Ableitungszweigkanäle, die mit dem einen oder den mehreren Zuleitungszweigkanälen und dem einen oder den mehreren Auslassverbindungsrohren in Fluidverbindung stehen. Jeder Ableitungszweigkanal beinhaltet eine Sammelnut. Eine Wärmeübertragungsplatte ist mit dem modularen Verteiler gekoppelt, die Wärmeübertragungsplatte beinhaltet eine Beaufschlagungsfläche, die eine Anordnung von Lamellen beinhaltet, die zum Verteilereinsatz verlaufen.
In einer anderen Ausführungsform beinhaltet ein Leistungselektronikmodul eine modulare Strahlbeaufschlagungsanordnung, die ein Zuleitungsrohr, das mit einem Fluideinlass in Fluidverbindung steht, ein Ableitungsrohr, das mit einem Fluidauslass in Fluidverbindung steht, und einen modularen Verteiler, der eine Verteilungsaussparung und ein oder mehrere abgewinkelte Einlassverbindungsrohre aufweist, die an einem Einlassende des modularen Verteilers positioniert sind. Das eine oder die mehreren abgewinkelten Einlassverbindungsrohre sind in Bezug auf eine Oberfläche des modularen Verteilers abgewinkelt und bringen das Zuleitungsrohr in Fluidverbindung mit der Verteilungsaussparung. Der modulare Verteiler beinhaltet ferner ein oder mehrere Auslassverbindungsrohre, die an einem Auslassende des modularen Verteilers positioniert sind. Das eine oder die mehreren Auslassverbindungsrohre bringen das Ableitungsrohr mit der Verteilungsaussparung in Fluidverbindung. Ein Verteilereinsatz ist lösbar innerhalb der Verteilungsaussparung des modularen Verteilers positioniert. Der Verteilereinsatz beinhaltet einen oder mehrere Zuleitungszweigkanäle, die mit einem oder mehreren abgewinkelten Einlassverbindungsrohren in Fluidverbindung stehen. Jeder Zuleitungszweigkanal beinhaltet eine Beaufschlagungsnut. Der Verteilereinsatz beinhaltet auch einen oder mehrere Ableitungszweigkanäle, die mit dem einen oder den mehreren Zuleitungszweigkanälen und dem einen oder den mehreren Auslassverbindungsrohren in Fluidverbindung stehen. Jeder Ableitungszweigkanal beinhaltet einen Sammelschlitz. Eine Wärmeübertragungsplatte ist mit dem modularen Verteiler gekoppelt, die Wärmeübertragungsplatte beinhaltet eine Beaufschlagungsfläche, die eine Anordnung von Lamellen beinhaltet, die zum Verteilereinsatz verlaufen. Ferner ist eine elektronische Vorrichtung in Wärmekontakt mit der Wärmeübertragungsplatte gegenüber der Lamellenanordnung positioniert.
In einer noch anderen Ausführungsform beinhaltet eine modulare Strahlbeaufschlagungsanordnung ein Zuleitungsrohr, das mit einem Fluideinlass in Fluidverbindung steht, ein Ableitungsrohr, das mit einem Fluidauslass in Fluidverbindung steht, und zwei oder mehr modulare Verteiler. Jeder modulare Verteiler beinhaltet eine Verteilungsaussparung und ein oder mehrere abgewinkelte Einlassverbindungsrohre, die an einem Einlassende des modularen Verteilers positioniert sind. Das eine oder die mehreren abgewinkelten Einlassverbindungsrohre sind in Bezug auf eine Oberfläche des modularen Verteilers abgewinkelt und bringen das Zuleitungsrohr in Fluidverbindung mit der Verteilungsaussparung. Der modulare Verteiler beinhaltet ferner ein oder mehrere Auslassverbindungsrohre, die an einem Auslassende des modularen Verteilers positioniert sind und die das Ableitungsrohr mit der Verteilungsaussparung in Fluidverbindung bringen. Die modulare Strahlbeaufschlagungsanordnung beinhaltet ferner einen oder mehrere Verteilereinsätze, die lösbar innerhalb der Verteilungsaussparung der einzelnen modularen Verteiler positioniert sind. Der eine oder die mehreren Verteilereinsätze beinhalten einen oder mehrere Zuleitungszweigkanäle, die mit dem einen oder den mehreren abgewinkelten Einlassverbindungsrohren in Fluidverbindung stehen. Jeder Zuleitungszweigkanal beinhaltet eine Beaufschlagungsnut. Der eine oder die mehreren Ableitungszweigkanäle stehen mit dem einen oder den mehreren Zuleitungszweigkanälen und dem einen oder den mehreren Auslassverbindungsrohren in Fluidverbindung. Jeder Ableitungszweigkanal beinhaltet einen Sammelschlitz. Eine oder mehrere Wärmeübertragungsplatten sind mit den einzelnen modularen Verteilern gekoppelt. Die eine oder die mehreren Wärmeübertragungsplatten beinhalten eine Beaufschlagungsfläche, die eine Anordnung von Lamellen beinhaltet, die zum Verteilereinsatz verlaufen. Ferner ist ein Durchmesser eines ersten abgewinkelten Einlassverbindungsrohrs eines ersten modularen Verteilers größer als ein Durchmesser eines ersten abgewinkelten Einlassverbindungsrohrs eines zweiten modularen Verteilers.
Diese und weitere Merkmale, die von den hierin beschriebenen Ausführungsformen bereitgestellt werden, werden angesichts der folgenden ausführlichen Beschreibung in Verbindung mit den Zeichnungen klarer werden.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die in den Zeichnungen dargelegten Ausführungsformen sind Beispiele und dienen der Veranschaulichung und sollen den von den Ansprüchen definierten Gegenstand nicht beschränken. Die folgende ausführliche Beschreibung der als Beispiele angegebenen Ausführungsformen wird klar, wenn man sie in Verbindung mit den folgenden Zeichnungen liest, wo eine ähnliche Struktur mit gleichen Bezugszahlen bezeichnet ist und in denen:
1 eine schematische isometrische Ansicht eines Beispiels für ein Leistungselektronikmodul gemäß einer oder mehreren der hierin gezeigten oder beschriebenen Ausführungsformen zeigt;
2 eine schematische isometrische Explosionsansicht des in 1 gezeigten Leistungselektronikmoduls gemäß einer oder mehreren hierin gezeigten oder beschriebenen Ausführungsformen zeigt;
3 eine schematische Draufsicht auf ein Beispiel für eine modulare Strahlbeaufschlagungsanordnung gemäß einer oder mehreren der hierin gezeigten oder beschriebenen Ausführungsformen zeigt;
4A eine schematische isometrische Ansicht eines angrenzend an eine Wärmeübertragungsplatte positionierten Verteilereinsatzes gemäß einer oder mehreren hierin gezeigten oder beschriebenen Ausführungsformen zeigt;
4B eine schematische isometrische Ansicht einer anderen Ausführungsform eines angrenzend an eine Wärmeübertragungsplatte positionierten Verteilereinsatzes gemäß einer oder mehreren hierin gezeigten oder beschriebenen Ausführungsformen zeigt;
5A eine schematische isometrische Ansicht einer Ausführungsform des Verteilereinsatzes zeigt, die eine Schlitzoberfläche des Verteilereinsatzes gemäß einer oder mehreren hierin gezeigten oder beschriebenen Ausführungsformen darstellt;
5B eine isometrische Ansicht einer Wärmeübertragungsplatte, die so positioniert ist, dass eine Beaufschlagungsfläche der Wärmeübertragungsplatte mit einer Anordnung von Lamellen sichtbar ist, gemäß einer oder mehreren hierin gezeigten oder beschriebenen Ausführungsformen ist;
6 schematisch eine Massenströmungsrate eines Beispiels für ein Kühlfluid zeigt, das quer durch eine als Beispiel angegebene modulare Strahlbeaufschlagungsanordnung gemäß einer oder mehreren der hierin gezeigten oder beschriebenen Ausführungsformen strömt;
7A eine schematische isometrische Ansicht eines Ventils zeigt, das dafür ausgelegt ist, innerhalb einer modularen Strahlbeaufschlagungsanordnung gemäß einer oder mehreren hierin gezeigten oder beschriebenen Ausführungsformen positioniert zu werden;
7B schematisch das Ventil von 7A in einer geschlossenen Position gemäß einer oder mehreren der hierin gezeigten oder beschriebenen Ausführungsformen zeigt
7C schematisch das Ventil von 7A in einer offenen Position gemäß einer oder mehreren der hierin gezeigten oder beschriebenen Ausführungsformen zeigt
8 eine schematische isometrische Explosionsansicht eines Beispiels für ein Leistungselektronikmodul zeigt, das eine Mehrzahl lösbar zu befestigender modularer Verteiler gemäß einer oder mehreren hierin gezeigten oder beschriebenen Ausführungsformen aufweist;
9 eine schematische isometrische Ansicht eines Beispiels für eine Ausführungsform eines einzelnen lösbar zu befestigenden modularen Verteilers von 8 gemäß einer oder mehreren hierin gezeigten oder beschriebenen Ausführungsformen zeigt;
10 eine schematische Draufsicht auf die modulare Strahlbeaufschlagungsanordnung von 8, die einen Fluideinlass und einen Fluidauslass aufweist, die durch die gleiche Abdeckkappe hindurch angeordnet sind, und eine Mehrzahl lösbar zu befestigender modularer Verteiler, die parallel angeordnet sind, aufweist, gemäß einer oder mehreren hierin gezeigten oder beschriebenen Ausführungsformen zeigt;
11 eine schematische Draufsicht auf die modulare Strahlbeaufschlagungsanordnung von 8, die einen Fluideinlass und einen Fluidauslass aufweist, die durch unterschiedliche Abdeckkappen hindurch angeordnet sind, und eine Mehrzahl lösbar zu befestigender modularer Verteiler, die parallel angeordnet sind, aufweist, gemäß einer oder mehreren hierin gezeigten oder beschriebenen Ausführungsformen zeigt;
12 eine schematische Draufsicht auf die modulare Strahlbeaufschlagungsanordnung von 8, die eine Mehrzahl lösbar zu befestigender modularer Verteiler, die parallel angeordnet sind, aufweist, gemäß einer oder mehreren hierin gezeigten oder beschriebenen Ausführungsformen zeigt;
13 eine schematische Draufsicht auf die modulare Strahlbeaufschlagungsanordnung von 8, die eine Mehrzahl lösbar zu befestigender modularer Verteiler, die teilweise hintereinander angeordnet sind und teilweise parallel angeordnet sind, aufweist, gemäß einer oder mehreren hierin gezeigten oder beschriebenen Ausführungsformen zeigt;
14 eine schematische Draufsicht auf die modulare Strahlbeaufschlagungsanordnung von 8, die eine Mehrzahl lösbar zu befestigender modularer Verteiler, die teilweise hintereinander angeordnet sind und teilweise parallel angeordnet sind, aufweist, gemäß einer oder mehreren hierin gezeigten oder beschriebenen Ausführungsformen zeigt; und
15 eine schematische isometrische Explosionsansicht eines Beispiels für eine modulare Strahlbeaufschlagungsanordnung, die eine Mehrzahl lösbar zu befestigender modularer Verteiler aufweist, die in einer Schnappbefestigungsanordnung verbunden sind, gemäß einer oder mehreren hierin gezeigten oder beschriebenen Ausführungsformen zeigt.
BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSFORMEN
Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung sind auf Leistungselektronikmodule mit modularen Strahlbeaufschlagungsanordnungen und auf Anlagen gerichtet, die verwendet werden können, um wärmeerzeugende Vorrichtungen, beispielsweise Halbleitervorrichtungen, zu kühlen. In den hierin beschriebenen Ausführungsformen wird eine Strahlbeaufschlagung durch Ausrichten von Kühlfluidstrahlen auf eine Beaufschlagungsfläche einer wärmeleitenden Wärmeübertragungsplatte, die mit einer wärmeerzeugenden Vorrichtung gekoppelt ist, bereitgestellt. Wärme wird auf das Kühlfluid übertragen, wenn dieses auf die Beaufschlagungsfläche aufschlägt. Dadurch kann die Standzeit der wärmeerzeugenden Vorrichtungen verlängert werden. Die modularen Strahlbeaufschlagungsanordnungen beinhalten modulare Verteiler, die dafür ausgelegt sind, Verteilereinsätze aufzunehmen. Ferner können die modularen Strahlbeaufschlagungsanordnungen mit modularen Verteilern dafür ausgelegt sein, die Massenströmungsrate eines Kühlfluids, das auf einem Fluidströmungsweg strömt, der innerhalb der modularen Strahlbeaufschlagungsanordnungen ausgebildet ist, aktiv und/oder passiv zu ändern, was eine gleichmäßige Wärmeübertragung und/oder eine gezielte Wärmeübertragung von den wärmeerzeugenden Vorrichtungen auf das Kühlfluid begünstigen kann, wodurch ein Wärmefluss von den wärmeerzeugenden Vorrichtungen entfernt wird und die Standzeit der wärmeerzeugenden Vorrichtungen verlängert wird.
In 1–3 ist ein Beispiel für ein Leistungselektronikmodul 100 gezeigt. Das in 1–3 gezeigte Leistungselektronikmodul 100 beinhaltet eine modulare Strahlbeaufschlagungsanordnung 101, die thermisch mit einer oder mehreren wärmeerzeugenden Vorrichtungen 190 gekoppelt werden kann. Die modulare Strahlbeaufschlagungsanordnung 101 weist einen Fluideinlass 102, einen Fluidauslass 104, ein Zuleitungsrohr 106, ein Ableitungsrohr 108, ein oder mehrere modulare Verteiler 110, einen oder mehrere Verteilereinsätze 140 und eine oder mehrere Wärmeübertragungsplatten 170 auf. In der in 1–3 dargestellten Ausführungsform weist die modulare Strahlbeaufschlagungsanordnung 101 einen ersten modularen Verteiler 110A, einen zweiten modularen Verteiler 110B und einen dritten modularen Verteiler 110C auf, die so zu einer Einheit verbunden sind, dass das Zuleitungsrohr 106 und das Ableitungsrohr 108 durch jeden der modularen Verteiler 110A–110C hindurch verlaufen. In anderen Ausführungsformen (beispielsweise der in 8–15 dargestellten Ausführungsform) sind die modularen Verteiler 110A–110C lösbar verbunden. Man beachte, dass eine beliebige Zahl von modularen Verteilern 110 in Frage kommt und dass die hierin beschriebenen drei modularen Verteiler (110A–110C) nur ein Ausführungsbeispiel sind. In manchen Ausführungsformen kann jeder modulare Verteiler 110A–110C aus einem allgemein wärmeleitenden Material, unter anderem beispielsweise aus Kupfer, Aluminium, Stahl, thermisch optimierten Verbundmaterialien, polymeren Verbundmaterialien, Graphit, gegossenem Kunststoff oder dergleichen bestehen. Außerdem kann die modulare Strahlbeaufschlagungsanordnung 101 einschließlich jedes modularen Verteilers 110A–110C anhand von 3D-Drucken, additiver Herstellung und dergleichen, beispielsweise durch Schmelzschichtung, hergestellt werden. Ferner sei klargestellt, dass überall in dieser Offenbarung der erste modulare Verteiler 110A und zugehörige Komponenten zur Veranschaulichung beschrieben sind, und dass die Beschreibung für beliebige von dem einen oder den mehreren modularen Verteilern 110 gelten kann.
Wie auch aus 1–3 hervorgeht, kann das Zuleitungsrohr 106 auf einer Einlassseite 114 der modularen Strahlbeaufschlagungsanordnung 101 positioniert sein und kann den Fluideinlass 102 und die modularen Verteiler 110A–110C in Fluidverbindung bringen. Das Ableitungsrohr 108 kann auf einer Auslassseite 116 der modularen Strahlbeaufschlagungsanordnung 101 positioniert sein und kann den Fluidauslass 104 und die modularen Verteiler 110A–110C in Fluidverbindung bringen. In den in 1–3 gezeigten Ausführungsformen können das Zuleitungsrohr 106 und das Ableitungsrohr 108 ein einzelnes Rohr beinhalten, das entlang der modularen Verteiler 110A–110C verläuft. Ferner kann in Ausführungsformen, in denen die modularen Verteiler 110A–110C lösbar miteinander verbunden werden (8–15), jeder einzelne modulare Verteiler 110 einen Abschnitt des Zuleitungsrohrs 106 und einen Abschnitt des Ableitungsrohrs 108 beinhalten, die mit dem Fluidauslass 104 in Fluidverbindung stehen.
Wie nachstehend ausführlicher beschrieben ist, kann ein Kühlfluid durch den Fluideinlass 102 in die modulare Strahlbeaufschlagungsanordnung 101 eintreten und die modulare Strahlbeaufschlagungsanordnung 101 durch den Fluidauslass 104 verlassen. Die modulare Strahlbeaufschlagungsanordnung 101 kann mit einem (nicht gezeigten) Kühlmittelvorratsbehälter in Fluidverbindung stehen, beispielsweise kann das Kühlfluid im Betrieb einem Fluidströmungsweg 103 folgen und das Zuleitungsrohr 106, die modularen Verteiler 110A–110C, einen oder mehrere Verteilereinsätze 140A–140C durchströmen, eine oder mehrere Wärmeübertragungsplatten 170A–170C berühren und durch das Ableitungsrohr 108 austreten. Das Kühlfluid kann eine geeignete Flüssigkeit, beispielsweise deionisiertes Wasser oder Kühlerfluid sein. Andere Beispiele für Fluide sind unter anderem beispielsweise Wasser, organische Lösungsmittel und anorganische Lösungsmittel. Beispiele für solche Lösungsmittel können im Handel erhältliche Kältemittel wie R-134a, R717 und R744 sein. Die Auswahl der Zusammensetzung des Kühlfluids, das in Verbindung mit dem Leistungselektronikmodul 100 verwendet wird, kann unter anderen Eigenschaften auf Basis des Siedepunkts, der Dichte und der Viskosität des Fluids ausgewählt werden.
Wie in 2 gezeigt ist, weist jeder einzelne modulare Verteiler 110A–110C einen oder mehrere Verteilungsaussparungen 130A–130C auf, die zwischen der Einlassseite 114 und der Auslassseite 116 der modularen Strahlbeaufschlagungsanordnung 101 positioniert sind. Die eine oder die mehreren Verteilungsaussparungen 130A–130C stehen auf der Einlassseite 114 mit dem Zuleitungsrohr 106 und auf der Auslassseite 116 mit dem Ableitungsrohr 108 in Fluidverbindung. Wie in 2 dargestellt ist, weist beispielsweise der erste modulare Verteiler 110A eine erste Verteilungsaussparung 130A auf, der zweite modulare Verteiler 110B weist eine zweite Verteilungsaussparung 130B auf, und der dritte modulare Verteiler 110C weist eine dritte Verteilungsaussparung 130C auf. Zur Verdeutlichung wird konkret auf die erste Verteilungsaussparung 130A verwiesen, wobei diese erste Verteilungsaussparung 130A einen Einsatzaufnahmeabschnitt 134A und einen Wärmeübertragungsplattenaufnahmeabschnitt 132A aufweist. Der Wärmeübertragungsplattenaufnahmeabschnitt 132A umgibt den Einsatzaufnahmeabschnitt 134A. Wie nachstehend beschrieben, ist der Einsatzaufnahmeabschnitt 134A dafür ausgelegt, einen ersten Verteilereinsatz 140A aufzunehmen und unterzubringen, und der Wärmeübertragungsplattenaufnahmeabschnitt 132A ist dafür ausgelegt, eine erste Wärmeübertragungsplatte 170A, die in der Nähe des ersten Verteilereinsatzes 140 positioniert ist und diesen abdeckt, aufzunehmen und unterzubringen.
Es wird erneut auf 1–3 verwiesen, wo gezeigt ist, dass der erste modulare Verteiler 110A ferner ein oder mehrere abgewinkelte Einlassverbindungsrohre 122A'–122A''' und ein oder mehrere Auslassverbindungsrohre 124A'–124A'' aufweist. In der in 1–3 gezeigten Ausführungsform weist der erste modulare Verteiler 110A ein erstes abgewinkeltes Einlassverbindungsrohr 122A', ein zweites abgewinkeltes Einlassverbindungsrohr 122A'' und ein drittes abgewinkeltes Einlassverbindungsrohr 122A''' auf, die jeweils das Zuleitungsrohr 106 und die Verteilungsaussparung 130A in Fluidverbindung bringen. Ferner weist der erste modulare Verteiler 110A ein erstes Auslassverbindungsrohr 124A' und ein zweites Auslassverbindungsrohr 124A'' auf, die jeweils die Verteilungsaussparung 130A mit dem Ableitungsrohr 108 in Fluidverbindung bringen. Man beachte, dass der eine oder die mehreren modularen Verteiler 110 eine beliebige Zahl von abgewinkelten Einlassverbindungsrohren 122 und eine beliebige Zahl von Auslassverbindungsrohren 124 aufweisen können. Ferner sei klargestellt, dass die Beschreibung der abgewinkelten Einlassverbindungsrohre 122A'–122A''' und der Auslassverbindungsrohre 124A'–124A'' des ersten modularen Verteilers 110A auch die Ausführungsformen der entsprechenden Komponenten des zweiten modularen Verteilers 110B, des dritten modularen Verteilers 110C und jedes weiteren modularen Verteilers 110 beschreibt.
Die abgewinkelten Einlassverbindungsrohre 122A'–122A''' sind auf der Einlassseite 114 des ersten modularen Verteilers 110A positioniert und verlaufen zwischen dem Zuleitungsrohr 106 und der Verteilungsaussparung 130A und bringen diese in Fluidverbindung miteinander und können ein Zuleitungsweg für Kühlfluid sein, das in die Verteilungsaussparung 130A eintritt. Ferner sind die Auslassverbindungsrohre 124A'–124A'' auf der Auslassseite 116 des ersten modularen Verteilers 110A positioniert und verlaufen zwischen der Verteilungsaussparung 130A und dem Ableitungsrohr 108 und bringen diese in Fluidverbindung miteinander und können ein Ableitungsweg für Kühlfluid sein, das aus der Verteilungsaussparung 130A eintritt. Außerdem sind das eine oder die mehreren abgewinkelten Einlassverbindungsrohre 122A'–122A''' in Bezug auf eine Oberfläche 111 des modularen Verteilers 110 zwischen etwa 5° und etwa 25° abgewinkelt, beispielsweise um etwa 10°, etwa 15° und etwa 20°. In manchen Ausführungsformen kann der Winkel der abgewinkelten Einlassverbindungsrohre 122 gleichmäßig oder ungleichmäßig sein. Zum Beispiel kann das erste abgewinkelte Einlassverbindungsrohr 122A' einen anderen Winkel aufweisen als das zweite abgewinkelte Einlassverbindungsrohr 122A'', das dritte abgewinkelte Einlassverbindungsrohr 122A''' oder beide. Ferner können die abgewinkelten Einlassverbindungsrohre 122A'–122A''' des ersten modularen Verteilers 110A einen anderen Winkel aufweisen als die abgewinkelten Einlassverbindungsrohre 122B'–122B''' und 122C'–122C''' des zweiten modularen Verteilers 110B bzw. des dritten modularen Verteilers 110C. Durch die Abwinklung der Einlassverbindungsrohre 122'–122''' kann der Strömungswiderstand des Fluidströmungswegs 103 geändert werden. Zum Beispiel können abgewinkelte Einlassverbindungsrohre 122'–122''' mit größeren Winkeln mehr Strömungswiderstand bieten als abgewinkelte Einlassverbindungsrohre 122'–122''' mit kleineren Winkeln. In manchen Ausführungsformen kann es wünschenswert sein, abgewinkelte Einlassverbindungsrohre 122'–122''' mit Winkeln bereitzustellen, die gleichmäßige Strömungswiderstände und gleichmäßige Massenströmungsraten begünstigen, und in anderen Ausführungsformen kann es wünschenswert sein, abgewinkelte Einlassverbindungsrohre 122'–122''' mit Winkeln bereitzustellen, die ungleichmäßige Strömungswiderstände und ungleichmäßige Strömungsraten begünstigen, beispielsweise um eine gezielte Kühlung für eine oder mehrere wärmeerzeugende Vorrichtungen 190 bereitzustellen.
Es wird nun Bezug genommen auf 3, wo gezeigt ist, dass die Geometrie, beispielsweise die Querschnittsfläche, der Durchmesser oder dergleichen, jedes abgewinkelten Einlassverbindungsrohrs 122'–122''' eine Regulierung der Massenströmungsrate des Fluidströmungswegs 103 durch die modulare Strahlbeaufschlagungsanordnung 101 bereitstellen kann. In manchen Ausführungsformen können die Durchmesser der einzelnen abgewinkelten Einlassverbindungsrohre 122'–122''' gleichmäßig oder ungleichmäßig sein. Zum Beispiel können die Durchmesser jedes abgewinkelten Einlassverbindungsrohrs 122'–122''' ungleichmäßig in Bezug auf die abgewinkelten Einlassverbindungsrohre 122'–122''' eines einzelnen modularen Verteilers 110 (z. B. des ersten modularen Verteilers 110A) sein. Ferner können die Durchmesser jedes abgewinkelten Einlassverbindungsrohrs 122'–122''' ungleichmäßig in Bezug auf alle abgewinkelten Einlassverbindungsrohre 122'–122''' innerhalb der modularen Strahlbeaufschlagungsanordnung 101 (z. B. der abgewinkelten Einlassverbindungsrohre 122'–122''', die zum ersten modularen Verteiler 110A, zum zweiten modularen Verteiler 110B und dergleichen gehören) sein.
In manchen Ausführungsformen kann der Durchmesser jedes abgewinkelten Einlassverbindungsrohrs 122'–122''' rechnerisch anhand eines Optimierungsprozesses bestimmt werden, zum Beispiel kann der Durchmesser jedes abgewinkelten Einlassverbindungsrohrs 122 optimiert werden, um die Massenströmungsrate des Kühlfluids entlang des Fluidströmungswegs 103 zu regulieren. Zum Beispiel kann der Durchmesser jedes abgewinkelten Einlassverbindungsrohrs 122 einen gleichmäßigen Kühlfluidstrom in die einzelnen modularen Verteiler 110A–110C begünstigen oder einen gezielten Kühlfluidstrom in die einzelnen Mehrfachverteilungsrohrsysteme der modularen Verteiler 110 begünstigen, um eine stärkere oder schwächere Kühlung für unterschiedliche wärmeerzeugende Vorrichtungen 190, die thermisch mit den modularen Verteilern 110 gekoppelt sind, bereitzustellen. Ebenso kann der Durchmesser der einzelnen abgewinkelten Einlassverbindungsrohre 122 auf Basis der Kühlungsanforderungen einer bestimmten Anwendung variieren. Zum Beispiel können kleinere Durchmesser verwendet werden, um weniger Kühlfluid in modulare Verteiler 110 zu liefern, die mit wärmeerzeugenden Vorrichtungen 190 gekoppelt sind, die weniger Wärmeübertragung brauchen, und größere Durchmesser können verwendet werden, um mehr Kühlfluid in modulare Verteiler 110 zu liefern, die mit wärmeerzeugenden Vorrichtungen 190 gekoppelt sind, die mehr Wärmeübertragung brauchen.
Wie in 2–5B gezeigt ist, weist die modulare Strahlbeaufschlagungsanordnung 101 ferner einen oder mehrere Verteilereinsätze 140 auf, die lösbar innerhalb der Verteilungsaussparung 130 jedes einzelnen modularen Verteilers 110 positioniert sind. In den in 2–5B dargestellten Ausführungsformen sind drei Verteilereinsätze 140A–140C dargestellt, aber es sei darauf hingewiesen, dass jede Zahl von Verteilereinsätzen 140 in Frage kommt. In manchen Ausführungsformen kann jeweils ein Verteilereinsatz 140 lösbar innerhalb der jeweiligen Verteilungsaussparung 130 des jeweiligen modularen Verteilers 110 positioniert sein. In anderen Ausführungsformen können jeweils mehrere Verteilereinsätze 140 lösbar innerhalb der einzelnen Verteilungsaussparungen 130 positioniert sein. Wie in 2 dargestellt ist, ist beispielsweise ein erster Verteilereinsatz 140A lösbar innerhalb der ersten Verteilungsaussparung 130A des ersten modularen Verteilers 110A positioniert, ein zweiter Verteilereinsatz 140B ist lösbar innerhalb der zweiten Verteilungsaussparung 130B des zweiten modularen Verteilers 110B positioniert und ein dritter Verteilungseinsatz 140C ist lösbar innerhalb der dritten Verteilungsaussparung 130C des dritten modularen Verteilers 110C positioniert.
In 4A–4B sind isometrische Ansichten von zwei Beispielen für Verteilereinsätze 140 dargestellt. Die Verteilereinsätze 140 weisen jeweils einen oder mehrere Zuleitungszweigkanäle 142 und einen oder mehrere Ableitungszweigkanäle 144 auf. Der eine oder die mehreren Zuleitungszweigkanäle 142 stehen mit dem einen oder den mehreren abgewinkelten Einlassverbindungsrohren 122 in Fluidverbindung, wenn der jeweilige Verteilereinsatz 140 innerhalb der Verteilungsaussparung 130 des jeweiligen modularen Verteilers 110 positioniert ist, wodurch sie einen Abschnitt des Fluidströmungswegs 103 definieren. Ferner stehen der eine oder die mehreren Ableitungszweigkanäle mit dem einen oder den mehreren Auslassverbindungsrohren 124 in Fluidverbindung, wenn der jeweilige Verteilereinsatz 140 innerhalb der Verteilungsaussparung 130 des jeweiligen modularen Verteilers 110 positioniert ist, wodurch sie einen anderen Abschnitt des Fluidströmungswegs 103 definieren. Der eine oder die mehreren Zuleitungszweigkanäle 142 und der eine oder die mehreren Ableitungszweigkanäle 144 können abwechselnd innerhalb des Verteilereinsatzes 140 positioniert sein, so dass jeder einzelne Zuleitungszweigkanal 142 angrenzend an mindestens einen Ableitungszweigkanal 144 positioniert ist und jeder einzelne Ableitungszweigkanal 144 angrenzend an mindestens einen Zuleitungszweigkanal 142 positioniert ist. Ferner beinhalten die Verteilereinsätze 140 eine Kanaloberfläche 158, die in der Nähe der Verteilungsaussparung 130 positioniert ist, wenn der Verteilereinsatz 140 innerhalb der Verteilungsaussparung 130 angeordnet ist, und eine Nutoberfläche 156 (5A), die in der Nähe der Wärmeübertragungsplatte 170 positioniert ist, wenn die Wärmeübertragungsplatte 170 mit dem modularen Verteiler 110 gekoppelt ist.
In manchen Ausführungsformen, beispielsweise in der in 4B dargestellten Ausführungsform, weisen der eine oder die mehreren Zuleitungszweigkanäle 142 einen oder mehrere konische Abschnitte 146 auf. Zum Beispiel kann ein konischer Abschnitt 146 mit dem einen oder den mehreren abgewinkelten Einlassverbindungsrohren 122 auf einer Linie liegen und kann dafür ausgelegt sein, die Massenströmungsrate eines Kühlfluids, das auf dem Fluidströmungsweg 103 strömt, zu ändern. Ferner können in anderen Ausführungsformen ein oder mehrere Ableitungszweigkanäle 144 ebenfalls einen oder mehrere konische Abschnitte aufweisen. Man beachte, dass der eine oder die mehreren Zuleitungszweigkanäle 142 und der eine oder die mehreren Ableitungszweigkanäle 144 verschiedene Konfigurationen aufweisen können, einschließlich dessen, dass sie verschiedene Neigungen, Längen, diskontinuierliche Abschnitte, nichtlineare Abschnitte und dergleichen aufweisen können, ohne vom Bereich der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
Es wird auch auf 5A Bezug genommen, wo eine isometrische Ansicht einer Ausführungsform des Verteilereinsatzes 140 gezeigt ist, die eine Nutoberfläche 156 des Verteilereinsatzes 140 darstellt. Wie in 5A gezeigt ist, weisen der eine oder die mehreren Verteilereinsätze 140 ferner eine oder mehrere Beaufschlagungsnuten 152 auf, die mit dem einen oder den mehreren Zuleitungszweigkanälen 142 in Fluidverbindung stehen und einen Durchlassabschnitt des Verteilereinsatzes 140 bilden können, so dass Kühlfluid durch die Beaufschlagungsnut 152 hindurchgehen kann, beispielsweise als Kühlfluidstrahlen. Ferner können die Beaufschlagungsnuten 152 gleichmäßige oder ungleichmäßige Formen und Querschnittsflächen aufweisen und können eine Reihe verschiedener Größen und Formen annehmen, um Kühlfluidstrahlen bereitzustellen, die auf die Wärmeübertragungsplatte 170 aufschlagen und Wärme von der Wärmeübertragungsplatte 170 auf das Kühlfluid übertragen, wie nachstehend beschrieben. Im Betrieb begünstigen die Beaufschlagungsnuten 152 ein Aufschlagen von Strahlen von den Verteilereinsätzen 140 auf den Wärmeübertragungsplatten 170.
Wie in 5A gezeigt ist, weisen ein oder mehrere Verteilereinsätze 140 ferner eine oder mehrere Sammelnuten 154 auf, die mit dem einen oder den mehreren Ableitungszweigkanälen 144 in Fluidverbindung stehen und zusätzliche Durchlassabschnitte des Verteilereinsatzes 140 bilden können, so dass Kühlfluid durch die Sammelnuten 154 gelangen kann. Die Sammelnuten 154 stehen mit den Beaufschlagungsnuten 152 in Fluidverbindung, so dass Kühlfluid, das den Verteilereinsatz 140 durch eine bestimmte Beaufschlagungsnut 152 verlässt, durch eine bestimmte Sammelnut 154, beispielsweise eine benachbarte Sammelnut 154 wieder in den Verteilereinsatz 140 eintritt. Ferner können die Sammelnuten 154 gleichmäßige oder ungleichmäßige Formen und Querschnittsflächen aufweisen und können eine Reihe verschiedener Größen und Formen annehmen, um Kühlfluid zu sammeln, nachdem es auf der Wärmeübertragungsplatte 170 aufgeschlagen ist, und um Wärme von der Wärmeübertragungsplatte 170 zu übertragen.
Es wird erneut auf 1–5B verwiesen, wo gezeigt ist, dass die modulare Strahlbeaufschlagungsanordnung 101 ferner eine oder mehrere Wärmeübertragungsplatten 170 aufweist, die mit dem einen oder den mehreren modularen Verteilern 110 gekoppelt sind.
Zum Beispiel ist in der in 1 und 2 dargestellten Ausführungsform eine erste Wärmeübertragungsplatte 170A lösbar mit dem ersten modularen Verteiler 110A gekoppelt, eine zweite Wärmeübertragungsplatte 170B ist lösbar mit dem zweiten modularen Verteiler 110B gekoppelt, und eine dritte Wärmeübertragungsplatte 170C ist lösbar mit dem dritten modularen Verteiler 110C verbunden. Ferner sei klargestellt, dass jede Zahl von modularen Verteilern 110 und jede Art von Wärmeübertragungsplatten 170 in Frage kommen. Zum Beispiel können in manchen Ausführungsformen zwei oder mehr Wärmeübertragungsplatten 170 mit einem einzelnen modularen Verteiler 110 gekoppelt sein, und in anderen Ausführungsformen kann eine einzelne Wärmeübertragungsplatte 170 mit zwei oder mehr modularen Verteilern 110 gekoppelt sein. Ferner können die Wärmeübertragungsplatten 170 aus einem wärmeleitenden Material, unter anderem beispielsweise aus Kupfer, Aluminium, Stahl, thermisch optimierten Verbundmaterialien, polymeren Verbundmaterialien, Graphit oder dergleichen bestehen.
In 5B ist eine isometrische Ansicht einer Wärmeübertragungsplatte 170 gezeigt, bei der eine Beaufschlagungsfläche 172 der Wärmeübertragungsplatte 170 mit einer Anordnung von Lamellen 172 sichtbar ist. Jede einzelne Wärmeübertragungsplatte 170 weist die Beaufschlagungsfläche 172 mit der Anordnung von Lamellen 174 auf, die zum modularen Verteiler 110 hin verlaufen, beispielsweise zur Nutoberfläche 156 des Verteilereinsatzes 140, der lösbar innerhalb der Verteilungsaussparung 130 des modularen Verteilers 110 positioniert ist. Die Anordnung von Lamellen 174 kann in der Nähe des Verteilereinsatzes 140 liegen, und in manchen Ausführungsformen kann die Anordnung von Lamellen 174 die Nutoberfläche 156 des Verteilereinsatzes 140 berühren. Die Wärmeübertragungsplatte 170 kann innerhalb des Wärmeübertragungsplattenaufnahmeabschnitts 132 der Verteilungsaussparung 130 positioniert sein, und die Beaufschlagungsfläche 172, einschließlich der Anordnung von Lamellen 174, erstreckt sich zum Verteilereinsatz 140, so dass die Anordnung von Lamellen 174 in der Nähe der Beaufschlagungsnuten 152 und der Sammelnuten 154 des Verteilereinsatzes 140 liegen und dazwischen eine Beaufschlagungskammer gebildet wird.
Im Betrieb nimmt die Anordnung von Lamellen 174 Kühlfluid von den Beaufschlagungsnuten 152 auf und die Anordnung von Lamellen 174 lenkt das Kühlfluid zu den Sammelnuten 154. Zum Beispiel kann die Beaufschlagungsfläche 172 in manchen Ausführungsformen ferner eine oder mehrere Rinnen aufweisen, die Kühlfluid durch die Beaufschlagungskammer lenken können. Die eine oder die mehrere Rinnen können innerhalb der Anordnung von Lamellen 174 positioniert sein. Zum Beispiel kann bzw. können die eine oder die mehreren Rinnen im Wesentlichen parallel und in der Nähe der Beaufschlagungsnuten 152 und der Sammelnuten 154 des Verteilereinsatzes 140 verlaufen und können Kühlfluid zwischen Beaufschlagungsnuten 152 und Sammelnuten 154 lenken. Ferner kann die Wärmeübertragungsplatte 170 über irgendeine geeignete Verbindung mit dem Wärmeübertragungsplattenaufnahmeabschnitt 132 gekoppelt sein, um eine fluiddichte Abdichtung zwischen dem modularen Verteiler 110 und der Wärmeübertragungsplatte 170 zu erzeugen, wodurch zwischen ihnen die Beaufschlagungskammer gebildet wird. Beispiele für Verbindungen sind unter anderem Dichtungsbeilagen und mechanische Befestigungsmittel, O-Ringe, Weichlöten, Hartlöten, Ultraschallschweißen und dergleichen. Wie nachstehend ausführlicher beschrieben ist, können die eine oder die mehreren Anordnungen von Lamellen 174 den Stellen entsprechen, wo die eine oder die mehreren wärmeerzeugenden Vorrichtungen 190 in der Nähe der Wärmeübertragungsplatte 170 positioniert sind.
Es wird erneut Bezug genommen auf 5B, wo gezeigt ist, dass die eine oder die mehreren Anordnungen von Lamellen 174 die lokale Oberfläche der Wärmeübertragungsplatte 170 vergrößert, so dass Kühlfluid, das zur Wärmeübertragungsplatte 170 geliefert wird, Wärme effizient durch Konvektion von der Wärmeübertragungsplatte 170 wegführt. Durch Vergrößern der Oberfläche der Wärmeübertragungsplatte 170 kann die Rate der Wärmeübertragung von der Wärmeübertragungsplatte 170 zum Kühlfluid verbessert werden. In manchen Ausführungsformen kann die Wärmeübertragungsplatte 170, welche die eine oder die mehreren Anordnungen von Lamellen 174 aufweist, eine Reihe verschiedener Konfigurationen aufweisen, unter anderem kann sie aus gleichförmigen, isotropischen Materialien, nicht-isotropischen Materialien, Verbundmaterialien oder dergleichen bestehen. In manchen Ausführungsformen können die eine oder die mehreren Anordnungen von Lamellen 174 der Wärmeübertragungsplatte 170 eine Beschichtung, beispielsweise eine poröse Beschichtung aufweisen, welche die Oberfläche der einen oder der mehreren Anordnungen von Lamellen 174 vergrößert, wodurch die Wärmeübertragung weg von der Wärmeübertragungsplatte 170 verstärkt wird. In manchen Ausführungsformen können die eine oder die mehreren Anordnungen von Lamellen 174 aus einem porösen Material aufgebaut sein. Außerdem sei klargestellt, dass die Wärmeübertragungsplatten 170 in manchen Ausführungsformen nicht mit der einen oder den mehreren Anordnungen von Lamellen 174 versehen sein müssen.
Wie oben angegeben, kann die modulare Strahlbeaufschlagungsanordnung 101 eine oder mehrere (nicht gezeigte) Dichtungsbeilagen aufweisen, die zwischen dem modularen Verteiler 110 und der Wärmeübertragungsplatte 170, beispielsweise zwischen dem Wärmeübertragungsplattenaufnahmeabschnitt 132 der Verteilungsaussparung 130 und der Beaufschlagungsfläche 172 der Wärmeübertragungsplatte 170 positioniert sind. Die eine oder die mehreren Dichtungsbeilagen können eine fluiddichte Abdichtung zwischen einander benachbarten Komponenten einer modularen Strahlbeaufschlagungsanordnung 101 bereitstellen, so dass Kühlfluid, das in die modulare Strahlbeaufschlagungsanordnung 101 eingeführt wird, in einem geschlossenen Kühlsystemkreislauf gehalten werden kann, während das Kühlfluid durch die modulare Strahlbeaufschlagungsanordnung 101 zirkuliert. Die Dichtungsbeilagen können aus einer Reihe verschiedener Materialien bestehen, die eine fluiddichte Abdichtung zwischen den im Allgemeinen nicht anpassungswilligen Körpern der modularen Strahlbeaufschlagungsanordnung 101 bereitstellen. Beispiele für solche Materialien sind unter anderem natürliche oder synthetische Elastomere, anpassungswillige Polymere wie Silikon und dergleichen. Die eine oder die mehreren Dichtungsbeilagen können auch aus einer Anordnung bestehen, die anpassungswillige Materialien beinhaltet, so dass die eine oder die mehreren Dichtungsbeilagen gewünschte Abdichtungseigenschaften bereitstellen, während sie ihre geometrische Konfiguration beibehalten. In anderen Ausführungsformen werden keine Dichtungsbeilagen verwendet, beispielsweise in Ausführungsformen, wo Weichlöten oder Hartlöten verwendet wird, um die modularen Verteiler 110 und die Wärmeübertragungsplatten 170 miteinander zu verbinden.
Es wird erneut auf 1–3 verwiesen, wo eine Wärmeübertragungsoberfläche 176 der Wärmeübertragungsplatte 170 gezeigt ist. Die Wärmeübertragungsoberfläche 176 liegt der Beaufschlagungsfläche 172 gegenüber. Wie oben angegeben, kann die Wärmeübertragungsoberfläche 176 an Stellen auf der Wärmeübertragungsplatte 170, die der Anordnung von Lamellen 174 der Beaufschlagungsfläche 172 entsprechen, thermisch mit einer oder mehreren wärmeerzeugenden Vorrichtungen 190 gekoppelt sein. Die Wärmeübertragungsoberfläche 176 wirkt so, dass sie Wärme von der wärmeerzeugenden Vorrichtung 190 auf die Wärmeübertragungsplatte 170 überträgt, welche die eine oder die mehreren Anordnungen von Lamellen 174 aufweist. Wärme, die von der einen oder den mehreren wärmeerzeugenden Vorrichtungen 190 auf die Wärmeübertragungsplatte 170 übertragen wird, kann auf Kühlfluid übertragen werden, das durch die modulare Strahlbeaufschlagungsanordnung 101 strömt. In einer Ausführungsform sind die wärmeerzeugenden Vorrichtungen 190 über eine wärmeleitfähige Zwischensubstratschicht (nicht gezeigt) (unter anderem eine wärmeleitende Paste, ein Epoxid, Direct bonded copper (DBC), Direct bonded aluminum (DBA) oder ähnliche Materialien) thermisch mit der Wärmeübertragungsoberfläche 176 der Wärmeübertragungsplatte 170 gekoppelt. Die wärmeerzeugenden Vorrichtungen 190 können beispielsweise anhand von Verbindungsverfahren wie Löten, Diffusionslöten (transient liquid phase bonding, TLP) oder Nanosilbersintern an die Substratschicht gebunden werden. In manchen Ausführungsformen sind die wärmeerzeugenden Vorrichtungen 190 nicht an die Wärmeübertragungsoberfläche 176 einer Wärmeübertragungsplatte 170 gebunden, sondern lediglich angrenzend an diese positioniert. Wie nachstehend ausführlicher beschrieben ist, wird jede Wärmeübertragungsplatte 170 anhand von Strahlbeaufschlagung gekühlt, wodurch eine Kühlung für die wärmeerzeugenden Vorrichtungen 190 bereitgestellt wird.
Wärmeerzeugende Vorrichtungen 190 können unter anderem elektronische Vorrichtungen wie Halbleitervorrichtungen, Bipolartransistoren mit isolierten Gates (IGBT), Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (MOSFET), Leistungsdioden, bipolare Leistungstransistoren und Leistungsthyristorvorrichtungen beinhalten. Unter anderem kann die wärmeerzeugende Vorrichtung 190 beispielsweise eine Komponente in einer Wechselrichter- und/oder Wandlerschaltung sein, die verwendet wird, um Hochlastvorrichtungen, beispielsweise Elektromotoren in Elektrofahrzeugen (z. B. Hybridfahrzeugen, Plug-in-Hybrid-Elektrofahrzeugen, Plug-in-Elektrofahrzeugen und dergleichen) mit elektrischer Leistung zu versorgen.
In 6 sind die Massenströmungsrate und der Fluidströmungsweg 103 eines Beispiels für eine Ausführungsform der modularen Strahlbeaufschlagungsanordnung 101 schematisch dargestellt. In der in 6 dargestellten Ausführungsform betragen die Durchmesser der drei abgewinkelten Einlassverbindungsrohre 122'–122''' der einzelnen modularen Verteiler 110A–110C 5 mm, 6 mm bzw. 5 mm. In dieser Ausführungsform wird ein prozentualer Strömungsvolumenanteil (d. h. der Prozentanteil von allem Kühlfluid, der im Betrieb durch einen einzelnen modularen Verteiler 110 strömt) durch jeden von den drei modularen Verteilern 110A–110C so variiert, dass durch den ersten modularen Verteiler 110A mehr Kühlfluid strömt, durch den zweiten modularen Verteiler 110B weniger Kühlfluid strömt und durch den dritten modularen Verteiler 110C noch weniger Kühlfluid strömt. Zum Beispiel wurde in dieser Ausführungsform der prozentuale Strömungsvolumenanteil durch den ersten modularen Verteiler 110A als etwa 38,3% berechnet, der prozentuale Strömungsvolumenanteil durch den zweiten modularen Verteiler 110B wurde als etwa 32,1% berechnet und der prozentuale Strömungsvolumenanteil durch den dritten modularen Verteiler 110C wurde als etwa 29,5% berechnet. Man beachte, dass sich diese Werte auf ein konkretes Beispiel für eine Ausführungsform beziehen und nichtbeschränkende Beispiele für die Durchmessergrößen von abgewinkelten Einlassverbindungsrohr 122 angeben. In anderen Ausführungsformen können die abgewinkelten Einlassverbindungsrohre jeden in Frage kommenden Durchmesser aufweisen, beispielsweise zwischen etwa 2–10 mm, wie etwa 3 mm, 5 mm und 7 mm.
In anderen Ausführungsformen werden die Durchmesser der drei abgewinkelten Einlassverbindungsrohre 122'–122''' der modularen Verteiler 110A–110C zwischen den einzelnen modularen Verteilern 110A–110C variiert. Zum Beispiel betragen in einer Ausführungsform die Durchmesser der drei abgewinkelten Einlassverbindungsrohre 122A'–122A''' des ersten modularen Verteilers 110A etwa 5 mm, 6 mm bzw. 5 mm, die Durchmesser der drei abgewinkelten Einlassverbindungsrohre 122B'–122B''' des zweiten modularen Verteilers 110B betragen etwa 4,7 mm, 5,5 mm bzw. 4,7 mm, und die Durchmesser der drei abgewinkelten Einlassverbindungsrohre 122C'–122C''' des dritten modularen Verteilers 110C betragen etwa 4,5 mm, 5 mm bzw. 4,5 mm. In dieser Ausführungsform wurde der prozentuale Massenströmungsanteil durch den ersten modularen Verteiler 110A als etwa 34,1% berechnet, der prozentuale Massenströmungsanteil durch den zweiten modularen Verteiler wurde als etwa 32,8% berechnet und der prozentuale Massenströmungsanteil durch den dritten modularen Verteiler wurde als etwa 33,1% berechnet.
In dieser Ausführungsform sind die Durchmesser der jeweiligen abgewinkelten Einlassverbindungsrohre 122'–122''' jedes modularen Verteilers 110A–110C umso kleiner, je weiter der modulare Verteiler 110A–110C vom Fluideinlass 102 entfernt ist. Dadurch wird eine gleichmäßigere Massenströmungsrate durch die einzelnen modularen Verteiler 110A–110C erzeugt. Die gleichmäßige Massenströmungsrate erlaubt eine gleichmäßige Beaufschlagung jedes modularen Verteilers 110A–110C mit Kühlfluid, beispielsweise um eine gleichmäßige Kühlung für eine oder mehrere wärmeerzeugende Vorrichtungen 190 bereitzustellen. Im Gegensatz dazu sind in der zuvor beschriebenen Ausführungsform die Durchmesser der jeweiligen abgewinkelten Einlassverbindungsrohre 122'–122''' der einzelnen modularen Verteiler 110A–110C über den modularen Verteilern 110A–110C gleichmäßig. Dadurch wird eine ungleichmäßige Massenströmungsrate durch die einzelnen modularen Verteiler 110A–110C erzeugt. Die ungleichmäßige Massenströmungsrate durch die einzelnen modularen Verteiler 110A–110C macht es möglich, bestimmte modulare Verteiler 110A–110C mit mehr Kühlfluid zu beaufschlagen, beispielsweise um eine gezielte Kühlung für eine oder mehrere wärmeerzeugende Vorrichtungen 190 bereitzustellen. Man beachte, dass sich diese Werte auf ein konkretes Beispiel für eine Ausführungsform beziehen und nichtbeschränkende Beispiele für die Durchmessergrößen vom abgewinkelten Einlassverbindungsrohr 122 angeben. In anderen Ausführungsformen können die abgewinkelten Einlassverbindungsrohre jeden in Frage kommenden Durchmesser aufweisen, beispielsweise zwischen etwa 2–10 mm, wie etwa 3 mm, 5 mm und 7 mm. Man beachte, dass durch Ändern der Durchmesser der abgewinkelten Einlassverbindungsrohre 122 die Massenströmungsrate des Kühlfluids, das durch die modularen Verteiler 110 fließt, geändert werden kann.
Außerdem kann in manchen Ausführungsformen die Massenströmungsrate des Kühlfluids entlang des Fluidströmungswegs 103 dadurch geändert werden, dass ein oder mehrere Abschnitte aus porösen Medien innerhalb des Zuleitungsrohrs 106, des Ableitungsrohrs 108 und/oder eines oder mehrerer abgewinkelter Einlassverbindungsrohre positioniert werden. Der eine oder die mehreren Abschnitte aus porösen Medien verändern die Porosität des Fluidströmungswegs 103 und verändern die Massenströmungsrate des Kühlfluids durch die modulare Strahlbeaufschlagungsanordnung 101. Die Abschnitte aus porösen Medien können ein zylindrisches poröses Medium mit einem Durchmesser, der dem des Zuleitungsrohrs 106 ähnelt, beinhalten. In manchen Ausführungsformen können ein oder mehrere Abschnitte aus porösen Medien innerhalb des einen oder der mehreren abgewinkelten Einlassverbindungsrohre 122 positioniert sein. Abschnitte aus porösen Medien können beispielsweise einen Metallschaumstoff, eine poröse Keramik, ein poröses Glas und/oder einen porösen Kunststoff, beispielsweise Polyethylen, Polypropylen, Polytetrafluorethylen, Polyvinyliden, Ethylvinylacetat und dergleichen beinhalten.
In 7A ist ein Ventil 180 dargestellt, das einen Ventileinlass 182 aufweist. Ein oder mehrere Ventile 180 können innerhalb des einen oder der mehreren abgewinkelten Einlassverbindungsrohre 122 oder angrenzend daran positioniert sein, um die Querschnittsfläche des einen oder der mehreren abgewinkelten Einlassverbindungsrohre 122 zu verändern. Durch Ändern der Querschnittsfläche der abgewinkelten Einlassverbindungsrohre 122 kann die Massenströmungsrate des Kühlfluids, das in das Mehrfachverteilungsrohrsystem 130 strömt, geändert werden. Ventile 180, die Ventileinlässe 182 mit einer kleineren Querschnittsfläche aufweisen, ermöglichen den Eintritt von weniger Kühlfluid in die Verteilerrohre 130, und Ventile 180, die Ventileinlässe 182 mit einer größeren Querschnittsfläche aufweisen, ermöglichen den Eintritt von mehr Kühlfluid in die Verteilerrohre 130. In 7B ist eine schematische Ansicht des Ventils 180 in einer geschlossenen Position dargestellt, beispielsweise wenn kein Kühlfluid durch das Ventil 180 strömt. In 7C ist eine schematische Ansicht des Ventils 180 in einer offenen Position dargestellt. Das Ventil 180 kann die offene Position einnehmen, wenn Kühlfluid durch das Ventil 180 strömt.
In manchen Ausführungsformen können die Ventile 180 ein elektroaktives Polymer mit einer regulierbaren Steifigkeit beinhalten und können als Reaktion auf ein empfangenes elektronisches Signal verfestigt oder geschwächt werden. Zum Beispiel kann ein positives Potential und/oder ein negatives Potential an das elektroaktive Polymer angelegt werden. Die regulierbare Steifigkeit des einen oder der mehreren Ventile 180 können den Strömungswiderstand des einen oder mehreren Ventile 180 verändern. Wenn ein einzelnes Ventil 180, das ein elektroaktives Polymer beinhaltet, verfestigt wird, kann weniger Kühlfluid durch den Ventileinlass 182 strömen, und wenn das Ventil, das elektroaktives Polymer beinhaltet, geschwächt wird, kann mehr Kühlfluid durch den Ventileinlass 182 strömen.
Manche Ausführungsformen der modularen Strahlbeaufschlagungsanordnung 101 können ferner einen Rückkopplungsregler aufweisen, der kommunikationstechnisch mit der modularen Strahlbeaufschlagungsanordnung 101 gekoppelt ist, beispielsweise mit einem oder mehreren Ventilen 180 gekoppelt ist, die innerhalb der modularen Strahlbeaufschlagungsanordnung 101 positioniert sind. In manchen Ausführungsformen beinhaltet der Rückkopplungsregler einen Proportional-Integral-Differential(PID)-Rückkopplungsregler. Außerdem kann der Rückkopplungsregler kommunikationstechnisch mit einem oder mehreren Temperatursensoren und mit einem oder mehreren Drucksensoren gekoppelt sein, die dafür ausgelegt sind, die Temperatur und den Druck der einen oder der mehreren Komponenten der modularen Strahlbeaufschlagungsanordnung 101 und einer oder mehrerer wärmeerzeugenden Vorrichtungen 190, die thermisch mit der modularen Strahlbeaufschlagungsanordnung 101 gekoppelt sind, zu überwachen. Der Rückkopplungsregler kann ein Signal an das eine oder die mehreren Ventile 180 ausgeben, um die Steifigkeit des einen oder der mehreren Ventile 180 zu regulieren, um die Massenströmungsrate des Kühlfluids als Reaktion auf die empfangenen Temperatur- und/oder Drucksignale aktiv zu regeln. Zum Beispiel kann der Rückkopplungsregler die Steifigkeit von einem oder mehreren Ventilen 180 schwächen, um einem einzelnen modularen Verteiler 110 als Reaktion auf eine hohe gemessene Temperatur des einzelnen modularen Verteilers 110 mehr Kühlfluid zuzuführen.
Nun wird wiederum unter Bezugnahme auf 1–3 die Betriebsweise der modularen Strahlbeaufschlagungsanordnung 101 beschrieben. Kühlfluid strömt durch das Zuleitungsrohr 106, so dass ein Abschnitt eines Kühlfluids in einem parallelen Strömungsmuster durch die einzelnen modularen Verteiler 110A–110C strömt. In anderen Ausführungsformen kann das Kühlfluid, wie unten beschrieben (z. B. 11), nacheinander, in einem seriellen Strömungsmuster in die einzelnen modularen Verteiler 110A–110C eintreten. Das Volumen des Kühlfluids, das in die einzelnen modularen Verteiler 110A–110C eintritt, kann passiv gesteuert werden, wie oben beschrieben, beispielsweise durch Ändern der Einlassgeometrie (z. B. des Durchmessers) der abgewinkelten Fluidverbindungsrohre 122, durch Positionieren eines oder mehrerer Ventile 180 innerhalb des Fluidströmungswegs 103 und/oder durch Positionieren eines oder mehrerer Abschnitte aus porösen Medien innerhalb des Fluidströmungswegs 103. Das Volumen des Kühlfluids, das in die einzelnen modularen Verteiler 110A–110C eintritt, kann auch unter Verwendung des Rückkopplungsreglers, der kommunikationstechnisch mit dem einen oder den mehreren Ventilen 180 gekoppelt ist, wie oben beschrieben, aktiv geregelt werden. Ferner können der Fluideinlass 102 und der Fluidauslass 104 mit einem (nicht gezeigten) Fluidvorratsbehälter gekoppelt sein, in dem Kühlfluid untergebracht ist. Der Fluidvorratsbehälter kann ein Kühlfluid durch den Fluideinlass 102 zur modularen Strahlbeaufschlagungsanordnung 101 liefern und erwärmtes Kühlfluid kühlen, wenn dieses durch den Fluidauslass 104 in den Fluidvorratsbehälter zurückkehrt, wodurch das Kühlfluid für eine erneute Verwendung vorbereitet wird.
Wie zum leichteren Verständnis anhand des ersten modularen Verteilers 110A, der in 1–3 dargestellt ist, erläutert wird, tritt Kühlfluid durch den Fluideinlass 102 in die modulare Strahlbeaufschlagungsanordnung 101 ein, strömt durch das Zuleitungsrohr 106 und tritt durch die einzelnen abgewinkelten Einlassverbindungsrohre 122A'–122A''', die mit der ersten Verteilungsaussparung 130A in Fluidverbindung stehen, in die erste Verteilungsaussparung 130A des ersten modularen Verteilers 110A ein. Wenn der Verteilereinsatz 140A in der Verteilungsaussparung 130A positioniert ist, tritt Kühlfluid, das in die erste Verteilungsaussparung 130A eingeführt wird, in die Zuleitungszweigkanäle 142 des ersten Verteilereinsatzes 140A ein und strömt durch die Beaufschlagungsnuten 152, wodurch ein Strahl aus Kühlfluid gebildet wird, das durch den Verteilereinsatz 140A zur Wärmeübertragungsplatte 170A ausgetrieben wird.
Wenn Kühlfluid durch die Beaufschlagungsnut 152 strömt, bildet es einen Kühlfluidstrahl, der auf der Anordnung von Lamellen 174 aufschlägt, die an der Beaufschlagungsfläche 172 der Wärmeübertragungsplatte 170 positioniert ist. Der Kühlfluidstrahl trifft auf die Anordnung von Lamellen 174 und überträgt Wärme von der Anordnung von Lamellen 174 auf das Kühlfluid. Nachdem es auf der einen oder den mehreren Anordnungen von Lamellen 174 der Wärmeübertragungsplatte 170 aufgeschlagen ist, strömt das erwärmte Kühlfluid weg von der einen oder den mehreren Anordnungen von Lamellen 174 innerhalb der Beaufschlagungskammer und tritt durch die Sammelnut 154 erneut in den Verteilereinsatz 140 ein, beispielsweise durch eine benachbarte Sammelnut 154 und in einen Ableitungszweigkanal 144. Außerdem sind die Auslassverbindungsrohre 124A' und 124A'' stromabwärts von der Verteilungsaussparung 130A positioniert und bringen die Ableitungszweigkanäle 144 und die Verteilungsaussparung 130A mit dem Ableitungsrohr 108 der modularen Strahlbeaufschlagungsanordnung 101 in Fluidverbindung. Das Kühlfluid strömt dann durch den Fluidauslass 104 und wandert zum Fluidvorratsbehälter, wo das Kühlfluid zur erneuten Verwendung vorbereitet wird.
In 8 ist ein Leistungselektronikmodul 200 dargestellt, das eine modulare Strahlbeaufschlagungsanordnung 201 aufweist, die eine Mehrzahl von lösbar verkoppelten modularen Verteilern 210 aufweist. In dieser Ausführungsform sind drei lösbar verkoppelte modulare Verteiler 210A–210C dargestellt, aber es sei klargestellt, dass jede Zahl von modularen Verteilern 210 in Frage kommt. Die modularen Verteiler 210A–210C weisen die gleichen Komponenten auf wie die oben beschriebenen modularen Verteiler 110A–110C. Ferner können ein oder mehrere Verteilereinsätze 240A–240C innerhalb der Mehrfachverteilungsrohrsysteme 230A–230C von jedem der modularen Verteiler 210A–210C positioniert sein, und eine oder mehrere Wärmeübertragungsplatten 270A–270C können mit den modularen Verteilern 210A–210C gekoppelt sein, wie oben beschrieben. Ferner können die eine oder die mehreren Wärmeübertragungsplatten 270A–270C thermisch mit einer oder mehreren wärmeerzeugenden Vorrichtungen 290A-290C gekoppelt sein.
Die modulare Strahlbeaufschlagungsanordnung 201 weist ferner ein Zuleitungsrohr 206 mit einer Mehrzahl voneinander abgegrenzter Abschnitte, die durch die einzelnen modularen Verteiler 210 hindurch verlaufen, und ein Ableitungsrohr 208 mit einer Mehrzahl voneinander abgegrenzter Abschnitte, die durch die einzelnen modularen Verteiler 210 hindurch verlaufen, auf. Wenn der eine oder die mehreren modularen Verteiler 210 miteinander verkoppelt sind, können die Zuleitungsrohre 206 und die Ableitungsrohre 208 in Fluidverbindung stehen, um einen kontinuierlichen Fluidströmungsweg 203 zu bilden. Die einzelnen modularen Verteiler 210 können anhand einer Befestigungseinrichtungsverbindung, beispielsweise einer Flansch-und-Bolzen-Anordnung, wie sie in 8–9 dargestellt ist, oder eine Schnappbefestigungsanordnung, wie in 15 dargestellt, verkoppelt werden. In Ausführungsformen, die eine in 8 und 9 dargestellte Flansch-und-Bolzen-Anordnung beinhalten, kann jeder einzelne modulare Verteiler 210 einen oder mehrere Flansche 250 aufweisen, die jeweils ein Flanschloch 252 aufweisen, das durch den Flansch 250 hindurch angeordnet ist. In Ausführungsformen, in denen mehrere modulare Verteiler 210 miteinander verkoppelt sind, können Flansche 250 von einander benachbarten modularen Verteilern 210 aneinander ausgerichtet sein. Um die einander benachbarten modularen Verteiler 210 zu verkoppeln, kann ein Bolzen durch die Flanschlöcher 252 der Flansche 250 einander benachbarter modularer Verteiler 210 angeordnet werden.
Wie in 9 gezeigt ist, kann in diesen Ausführungsformen ein O-Ring 238 zwischen einander benachbarten Zuleitungsrohren 206 und einander benachbarten Ableitungsrohren 208 positioniert sein. Der O-Ring 238 kann innerhalb einer O-Ring-Kerbe 239 der einzelnen modularen Verteiler 210, welche um das Zuleitungsrohr 206 und/oder das Ableitungsrohr 208 herumläuft, positioniert werden, um eine fluiddichte Abdichtung zwischen einander benachbarten modularen Verteilern 210 bereitzustellen. Wie in 8 dargestellt ist, kann die modulare Strahlbeaufschlagungsanordnung 201 ferner eine oder mehrere Abdeckkappen 290 aufweisen und kann eine Abschlusskappe 292 aufweisen. Die eine oder die mehreren Abdeckkappen 290 können mit einem oder mehreren modularen Verteilern 210 verkoppelt sein, beispielsweise mit dem ersten modularen Verteiler 210A, wie in 8 dargestellt. Ferner können die eine oder die mehreren Abdeckkappen 290 und die eine oder die mehreren Abschlusskappen 292 Flansche 250 und Flanschlöcher 252 aufweisen, die an den Flanschen 250 und den Flanschlöchern 252 einander benachbarter modularer Verteiler 210 ausgerichtet sind, was die Koppelung einer oder mehrerer Abdeckkappen 290, einer oder mehrerer Abschlusskappen 292 oder einer Kombination aus beiden, an einem oder mehreren modularen Verteilern 210 ermöglicht. Die eine oder die mehreren Abdeckkappen 290 weisen auch einen oder mehrere Durchlässe 291 auf, die als der Fluideinlass 202 und/oder der Fluidauslass 204 verwendet werden können. Die Abschlusskappe 292 kann mit einem von den modularen Verteilern 210 verkoppelt werden, beispielsweise, wie in 8 dargestellt, mit dem dritten modularen Verteiler 210C verkoppelt werden, und kann eine Seite des modularen Verteilers 210 fluiddicht abdichten.
Wie in 8 und 9 dargestellt ist, können einer oder mehrere Stopfen 284 lösbar innerhalb der Zuleitungsrohre 206, der Ableitungsrohre 208 und/oder der Durchlässe 291 der Abdeckkappen 290 positioniert werden, um einen Abschnitt des Zuleitungsrohrs 206, des Ableitungsrohrs 208 und/oder der Durchlässe 291 der Abdeckkappen 290 für Fluid zu blockieren, um den Fluidströmungsweg 203 zu ändern. Wie nachstehend beschrieben ist, können die Stopfen 284 innerhalb der modularen Strahlbeaufschlagungsanordnung 201 positioniert werden, um einen maßgeschneiderten Fluidströmungsweg 203 bereitzustellen. Wie in 9 dargestellt ist, können zum Beispiel ein oder mehrere Stopfen 284 zwischen voneinander abgegrenzten Abschnitten der Zuleitungsrohre 206 und/oder der Ableitungsrohre 208 positioniert werden, um den Fluidströmungsweg 203 des Kühlfluids durch die modulare Strahlbeaufschlagungsanordnung 101 zu steuern. Die Stopfen 284 können einen Kunststoff, ein Polymer, ein Metall oder dergleichen beinhalten.
Wie in 10–14 dargestellt ist, kann in Ausführungsformen, in denen die modularen Verteiler 210 lösbar verkoppelt werden, der Fluidströmungsweg 203 durch Positionieren von einem oder mehreren Stopfen 284 zwischen aneinander angrenzenden, voneinander abgegrenzten Abschnitten des Zuleitungsrohrs 206 und/oder des Ableitungsrohrs 208 geändert werden. Zum Beispiel kann der Fluidströmungsweg 203 in einem seriellen Strömungsmuster, einem parallelen Strömungsmuster oder einer Kombination davon positioniert werden. Außerdem kann die Positionierung der Abdeckkappe 290 und der Abschlusskappe 292 den Fluidströmungsweg 203 ändern.
In 10 ist eine Ausführungsform der modularen Strahlbeaufschlagungsanordnung 201 dargestellt, die drei lösbar verkoppelte modulare Verteiler 210A–210C aufweist. In dieser Ausführungsform sind der Fluideinlass 202 und der Fluidauslass 204 jeweils innerhalb der Abdeckkappe 290A positioniert und lösbar mit dem ersten modularen Verteiler 210A verkoppelt, und eine Abschlusskappe 292 ist gegenüber der Abdeckkappe 290A positioniert und ist lösbar mit dem dritten modularen Verteiler 210C verkoppelt. Ferner ist ein Stopfen 284 zwischen der Abschlusskappe 292 und dem Zuleitungsrohr 206 angeordnet und am Fluideinlass 202 ausgerichtet, so dass der Fluidströmungsweg 203 in einem parallelen Strömungsmuster konfiguriert ist. In dem parallelen Strömungsmuster strömt ein Teil des Kühlfluids durch jeden der modularen Verteiler 210A–210C.
In 11 ist eine andere Ausführungsform der modularen Strahlbeaufschlagungsanordnung 201 dargestellt, die drei modulare Verteiler 210A–210C aufweist, die so zusammengesetzt sind, dass der Fluideinlass 202 innerhalb der Abdeckkappe 290 positioniert ist, die mit dem ersten modularen Verteiler 210A gekoppelt ist, und der Fluidauslass 204 innerhalb der Abdeckkappe 290 positioniert ist, die mit dem dritten modularen Verteiler 210C gekoppelt ist. Ferner sind Stopfen 284 innerhalb nicht verwendeter Durchlässe 291 (d. h. nicht als Fluideinlass 202 oder als Fluidauslass 204 verwendeter Durchlässe) der einzelnen Abdeckkappen 290 positioniert, so dass der Fluidströmungsweg 203 in einem parallelen Strömungsmuster konfiguriert ist und durch jeden der modularen Verteiler 210A–210C ein Teil des Kühlfluids strömt.
In 12 ist eine andere Ausführungsform der modularen Strahlbeaufschlagungsanordnung 201 dargestellt, die drei modulare Verteiler 210A–210C aufweist, die so zusammengesetzt sind, dass der Fluideinlass 202 innerhalb der Abdeckkappe 290 positioniert ist, die mit dem ersten modularen Verteiler 210A gekoppelt ist, und der Fluidauslass 204 innerhalb der Abdeckkappe 290 positioniert ist, die mit dem dritten modularen Verteiler 210C gekoppelt ist. Stopfen 284 sind innerhalb von nicht verwendeten Durchlässen 291 (d. h. nicht als Fluideinlass 202 oder Fluidauslass 204 verwendeten Durchlässen 291) der einzelnen Abdeckkappen 290 positioniert. Außerdem ist ein Stopfen 284 zwischen den voneinander abgegrenzten Abschnitten des Zuleitungsrohrs 206, die durch den ersten modularen Verteiler 210A verlaufen, und dem zweiten modularen Verteiler 210B positioniert, und ein anderer Stopfen 284 ist zwischen den voneinander abgegrenzten Abschnitten des Ableitungsrohrs 208, das durch den zweiten modularen Verteiler 210B und den dritten modularen Verteiler 210C verläuft, positioniert. Bei dieser Anordnung ist der Fluidströmungsweg 203 als serielles Strömungsmuster konfiguriert. In dem seriellen Strömungsmuster strömt sämtliches Kühlfluid, das in den Fluideinlass 202 eintritt, nacheinander durch die einzelnen modularen Verteiler 210A–210C. In einem Beispiel durchströmt das Kühlfluid im Betrieb zuerst den ersten modularen Verteiler 210A, schlägt auf der Beaufschlagungsfläche 272 der ersten Wärmeübertragungsplatte 270A auf, durchströmt dann den zweiten modularen Verteiler 210B, schlägt auf der Beaufschlagungsfläche 272 der zweiten Wärmeübertragungsplatte 270B auf, durchströmt dann den dritten modularen Verteiler 210C, schlägt auf der Beaufschlagungsfläche 272 der dritten Wärmeübertragungsplatte 270 auf und tritt schließlich durch den Fluidauslass 204 aus.
In 13 ist eine Ausführungsform der modularen Strahlbeaufschlagungsanordnung 201 dargestellt, die drei modulare Verteiler 210A–210C aufweist, die so zusammengesetzt sind, dass der Fluidströmungsweg 203 ein zum Teil serielles und zum Teil paralleles Strömungsmuster aufweist. In dieser Ausführungsform ist der Fluideinlass 202 innerhalb der Abdeckkappe 290 positioniert, die mit dem ersten modularen Verteiler 210A verkoppelt ist, und der Fluidauslass 204 ist innerhalb der Abdeckkappe 290 positioniert, die mit dem dritten modularen Verteiler 210C verkoppelt ist. Der Fluideinlass 202 und der Fluidauslass 204 sind jeweils am Zuleitungsrohr 206 ausgerichtet. Stopfen 284 sind innerhalb von nicht verwendeten Durchlässen 291 (d. h. nicht als Fluideinlass 202 oder Fluidauslass 204 verwendeten Durchlässen 291) der einzelnen Abdeckkappen 290 positioniert. Außerdem ist ein Stopfen 284 zwischen voneinander abgegrenzten Abschnitten des Zuleitungsrohrs 206, die durch den zweiten modularen Verteiler 210B und den dritten modularen Verteiler 210C verlaufen, positioniert. In dieser Ausführungsform verläuft der Fluidströmungsweg 203 durch den ersten modularen Verteiler 210A und den zweiten modularen Verteiler 210B in einem parallelen Strömungsmuster und verläuft durch den dritten modularen Verteiler 210C in einem seriellen Strömungsmuster. In dieser Ausführungsform strömt im Betrieb ein erster Teil des Kühlfluids durch den ersten modularen Verteiler 210A, und ein zweiter Teil des Kühlfluids strömt im Wesentlichen gleichzeitig durch den zweiten modularen Verteiler 210B. Dann vereinigen sich der erste und der zweite Teil des Kühlfluids vollständig, bevor sie durch den dritten modularen Verteiler 210C strömen und durch den Fluidauslass 204 austreten.
In 14 ist eine Ausführungsform der modularen Strahlbeaufschlagungsanordnung 201 dargestellt, die drei modulare Verteiler 210A–210C aufweist, die so zusammengesetzt sind, dass der Fluidströmungsweg 203 ein zum Teil serielles und zum Teil paralleles Strömungsmuster aufweist. In dieser Ausführungsform ist der Fluideinlass 202 innerhalb der Abdeckkappe 290 positioniert, die mit dem ersten modularen Verteiler 210A verkoppelt ist, und der Fluidauslass 204 ist innerhalb der Abdeckkappe 290 positioniert, die mit dem dritten modularen Verteiler 210C verkoppelt ist. Der Fluideinlass 202 und der Fluidauslass 204 sind jeweils am Ableitungsrohr 208 ausgerichtet. Stopfen 284 sind innerhalb von nicht verwendeten Durchlässen 291 (d. h. nicht als Fluideinlass 202 oder Fluidauslass 204 verwendeten Durchlässen 291) der einzelnen Abdeckkappen 290 positioniert. Außerdem ist ein Stopfen 284 zwischen voneinander abgegrenzten Abschnitten des Zuleitungsrohrs 206, die durch den ersten modularen Verteiler 210A und den zweiten modularen Verteiler 210B verlaufen, positioniert. In dieser Ausführungsform verläuft der Fluidströmungsweg 203 durch den ersten modularen Verteiler 210A in einem seriellen Strömungsmuster und verläuft durch den zweiten modularen Verteiler 210B und durch den dritten modularen Verteiler 210C in einem parallelen Strömungsmuster. In dieser Ausführungsform strömt im Betrieb das Kühlfluid zuerst durch den ersten modularen Verteiler 210A, dann strömt ein erster Teil des Kühlfluids durch den zweiten modularen Verteiler 210B und ein zweiter Teil des Kühlfluids strömt im Wesentlichen gleichzeitig durch den dritten modularen Verteiler 210C. Dann vereinigen sich der erste und der zweite Teil des Kühlfluids vollständig und treten durch den Fluidauslass 204 aus.
In 15 ist eine andere Ausführungsform einer modularen Strahlbeaufschlagungsanordnung 300 dargestellt, die eine Mehrzahl von lösbar verkoppelten modularen Verteilern 310 aufweist, die eine Schnappbefestigungskupplungsanordnung aufweisen. In dieser Ausführungsform weist jeder modulare Verteile 310 (z. B. ein erster modularer Verteiler 310A und ein zweiter modularer Verteiler 310B) einen oder mehrere Laschenabschnitte 394 und einen oder mehrere Hakenabschnitte 396 auf, die dafür ausgelegt sind, in einer Schnappbefestigungsanordnung verbunden zu werden, um eine Fluiddichtung zwischen dem ersten modularen Verteiler 310A und dem zweiten modularen Verteiler 310B zu bilden.
Man beachte hierbei, dass modulare Strahlbeaufschlagungsanordnungen und Leistungselektronikmodule, die modulare Strahlbeaufschlagungsanordnungen beinhalten, eine passive und eine aktive Fluidstromregelung bzw. -steuerung ermöglichen, um eine effiziente Übertragung von Wärme weg von wärmeerzeugenden Vorrichtungen zu unterstützen, wodurch die Standzeit der wärmeerzeugenden Vorrichtung verlängert werden kann. Die modularen Strahlbeaufschlagungsanordnungen weisen auf ein Zuleitungsrohr, das mit einem Fluideinlass in Fluidverbindung steht, ein Ableitungsrohr, das mit einem Fluidauslass in Fluidverbindung steht, ein oder mehrere modulare Verteiler, einen oder mehrere Verteilereinsätze, die lösbar innerhalb des einen oder der mehreren Verteiler positioniert sind, und eine oder mehrere Wärmeübertragungsplatten, die mit modularen Verteilern gekoppelt und in der Nähe des einen oder der mehreren Verteilereinsätze positioniert sind. Die modularen Verteiler sind dafür ausgelegt, eine Strahlbeaufschlagungskühlung für die eine oder die mehreren Wärmeübertragungsplatten bereitzustellen. Ein Kühlfluidstrom durch die modularen Strahlbeaufschlagungsanordnungen kann durch Ändern der Geometrie eines Fluidströmungswegs passiv gesteuert werden und durch Positionieren eines oder mehrerer elektronisch justierbarer Ventile innerhalb des Fluidströmungswegs aktiv gesteuert bzw. geregelt werden. Außerdem können die modularen Verteiler der modularen Strahlbeaufschlagungsanordnungen auf solche Weise lösbar verkoppelt werden, dass ein oder mehrere Stopfen zwischen einander benachbarten modularen Verteilern positioniert werden können, um parallele Fluidströmungsmuster, serielle Fluidströmungsmuster oder eine Kombination davon zu erzeugen.
Man beachte, dass der Begriff „im Wesentlichen” hierin verwendet werden kann, um den unvermeidlichen Grad der Ungenauigkeit zu bezeichnen, der jedem quantitativen Vergleich, Wert, Messwert oder jeder anderen Angabe innewohnt. Dieser Begriff wird hierin auch verwendet, um den Grad anzugeben, bis zu dem eine quantitative Angabe von einem angegebenen Bezugswert abweichen kann, ohne zu einer Änderung der grundlegenden Funktion des fraglichen Gegenstands zu führen.
Auch wenn hierin konkrete Ausführungsformen dargestellt und beschrieben wurden, sei klargestellt, dass verschiedene andere Änderungen und Modifikationen vorgenommen werden können, ohne vom Gedanken und Bereich des beanspruchten Gegenstands abzuweichen. Darüber hinaus wurden hierin zwar verschiedene Aspekte des beanspruchten Gegenstands beschrieben, aber diese Aspekte müssen nicht in Kombination verwendet werden. Daher sollen die beigefügten Ansprüche all diese Änderungen und Modifikationen, die im Bereich des beanspruchten Gegenstands liegen, einschließen.

Claims

Modulare Strahlbeaufschlagungsanordnung, aufweisend: ein Zuleitungsrohr, das mit einem Fluideinlass in Fluidverbindung steht; ein Ableitungsrohr, das mit einem Fluidauslass in Fluidverbindung steht; einen modularen Verteiler, der aufweist: eine Verteilungsaussparung; ein oder mehrere abgewinkelte Einlassverbindungsrohre, die an einem Einlassende des modularen Verteilers positioniert sind, wobei das eine oder die mehreren abgewinkelten Einlassverbindungsrohre in Bezug auf eine Oberfläche des modularen Verteilers abgewinkelt sind und das Zuleitungsrohr mit der Verteilungsaussparung in Fluidverbindung bringen; und ein oder mehrere Auslassverbindungsrohre, die an einem Auslassende des modularen Verteilers positioniert sind und das Ableitungsrohr mit der Verteilungsaussparung in Fluidverbindung bringen; einen Verteilereinsatz, der lösbar innerhalb der Verteilungsaussparung des modularen Verteilers positioniert ist, wobei der Verteilereinsatz aufweist: einen oder mehrere Zuleitungszweigkanäle, die mit dem einen oder den mehreren abgewinkelten Einlassverbindungsrohren in Fluidverbindung stehen, wobei jeder Zuleitungszweigkanal eine Beaufschlagungsnut aufweist; und einen oder mehrere Ableitungszweigkanäle, die mit dem einen oder den mehreren Zuleitungszweigkanälen und dem einen oder den mehreren Auslassverbindungsrohren in Fluidverbindung stehen, wobei jeder Ableitungszweigkanal eine Sammelnut aufweist; und eine Wärmeübertragungsplatte, die mit dem modularen Verteiler gekoppelt ist, wobei die Wärmeübertragungsplatte eine Beaufschlagungsfläche aufweist, die eine Anordnung von Lamellen aufweist, die zum Verteilereinsatz verlaufen.
Modulare Strahlbeaufschlagungsanordnung nach Anspruch 1, wobei die Beaufschlagungsfläche der Wärmeübertragungsplatte die Beaufschlagungsnut des einen oder der mehreren Zuleitungszweigkanäle mit der Sammelnut des einen oder der mehreren Ableitungszweigkanäle in Fluidverbindung bringt.
Modulare Strahlbeaufschlagungsanordnung nach Anspruch 1, wobei das eine oder die mehreren Einlassverbindungsrohre ein erstes abgewinkeltes Einlassverbindungsrohr mit einem ersten abgewinkelten Einlassdurchmesser und ein zweites abgewinkeltes Einlassverbindungsrohr mit einem zweiten abgewinkelten Einlassdurchmesser aufweist, der größer ist als der erste abgewinkelte Einlassdurchmesser.
Modulare Strahlbeaufschlagungsanordnung nach Anspruch 1, wobei das eine oder die mehreren abgewinkelten Einlassverbindungsrohre in Bezug auf die Oberfläche des modularen Verteilers zwischen etwa 5° und etwa 25° abgewinkelt sind.
Modulare Strahlbeaufschlagungsanordnung nach Anspruch 1, wobei mindestens ein Zuleitungszweigkanal einen konischen Abschnitt aufweist.
Modulare Strahlbeaufschlagungsanordnung nach Anspruch 1, ferner ein oder mehrere Ventile aufweisend, die mit dem einen oder den mehreren abgewinkelten Einlassverbindungsrohren in Fluidverbindung stehen, wobei jedes von dem einen oder den mehreren Ventilen einen Ventileinlass aufweist.
Modulare Strahlbeaufschlagungsanordnung nach Anspruch 6, wobei das eine oder die mehreren Ventile ein elektroaktives Polymer aufweisen.
Modulare Strahlbeaufschlagungsanordnung nach Anspruch 7, wobei das eine oder die mehreren Ventile kommunikationstechnisch mit einem Rückkopplungsregler gekoppelt sind, wobei der Rückkopplungsregler ein Signal an das elektroaktive Polymer des einen oder der mehreren Ventile ausgibt, um die Steifigkeit des elektroaktiven Polymers zu regulieren.
Modulare Strahlbeaufschlagungsanordnung nach Anspruch 1, ferner einen oder mehrere Abschnitte aus porösen Medien innerhalb des Zuleitungsrohrs, des einen oder der mehreren abgewinkelten Einlassverbindungsrohre, des Ableitungsrohrs oder einer Kombination davon aufweisend.
Modulare Strahlbeaufschlagungsanordnung nach Anspruch 1, ferner eine Mehrzahl von modularen Verteilern und eine Mehrzahl von Verteilereinsätzen aufweisend, wobei jeweils ein Verteilereinsatz innerhalb jeweils einer Verteilungsaussparung von der Mehrzahl von modularen Verteilern positioniert ist.
Modulare Strahlbeaufschlagungsanordnung nach Anspruch 10, wobei ein erster modularer Verteiler lösbar mit einem zweiten modularen Verteiler verkoppelt ist, der angrenzend an den ersten modularen Verteiler positioniert ist, sodass ein Fluidströmungsweg durch den ersten modularen Verteiler und den zweiten modularen Verteiler ein paralleles Strömungsmuster aufweist.
Modulare Strahlbeaufschlagungsanordnung nach Anspruch 10, wobei ein erster modularer Verteiler lösbar mit einem zweiten modularen Verteiler verkoppelt ist, der angrenzend an den ersten modularen Verteiler positioniert ist, und ein oder mehrere Stopfen zwischen dem ersten modularen Verteiler und dem zweiten modularen Verteiler positioniert sind, sodass ein Fluidströmungsweg durch den ersten modularen Verteiler und den zweiten modularen Verteiler ein serielles Strömungsmuster aufweist.
Leistungselektronikmodul, aufweisend: eine modulare Strahlbeaufschlagungsanordnung, aufweisend: ein Zuleitungsrohr, das mit einem Fluideinlass in Fluidverbindung steht; ein Ableitungsrohr, das mit einem Fluidauslass in Fluidverbindung steht; einen modularen Verteiler, der aufweist: eine Verteilungsaussparung; ein oder mehrere abgewinkelte Einlassverbindungsrohre, die an einem Einlassende des modularen Verteilers positioniert sind, wobei das eine oder die mehreren abgewinkelten Einlassverbindungsrohre in Bezug auf eine Oberfläche des modularen Verteilers abgewinkelt sind und das Zuleitungsrohr mit der Verteilungsaussparung in Fluidverbindung bringen; und ein oder mehrere Auslassverbindungsrohre, die an einem Auslassende des modularen Verteilers positioniert sind und die das Ableitungsrohr mit der Verteilungsaussparung in Fluidverbindung bringen; einen Verteilereinsatz, der lösbar innerhalb der Verteilungsaussparung des modularen Verteilers positioniert ist, wobei der Verteilereinsatz aufweist: einen oder mehrere Zuleitungszweigkanäle, die mit dem einen oder den mehreren abgewinkelten Einlassverbindungsrohren in Fluidverbindung stehen, wobei jeder Zuleitungszweigkanal eine Beaufschlagungsnut aufweist; und einen oder mehrere Ableitungszweigkanäle, die mit dem einen oder den mehreren Zuleitungszweigkanälen und dem einen oder den mehreren Auslassverbindungsrohren in Fluidverbindung stehen, wobei jeder Ableitungszweigkanal eine Sammelnut aufweist; und eine Wärmeübertragungsplatte, die mit dem modularen Verteiler gekoppelt ist, wobei die Wärmeübertragungsplatte eine Beaufschlagungsfläche aufweist, die eine Anordnung von Lamellen aufweist, die zum Verteilereinsatz verlaufen; und eine elektronische Vorrichtung, die in Wärmekontakt mit der Wärmeübertragungsplatte gegenüber der Lamellenanordnung positioniert ist.
Leistungselektronikmodul nach Anspruch 13, wobei die Beaufschlagungsfläche der Wärmeübertragungsplatte die Beaufschlagungsnut des einen oder der mehreren Zuleitungszweigkanäle mit der Sammelnut des einen oder der mehreren Ableitungszweigkanäle in Fluidverbindung bringt.
Leistungselektronikmodul nach Anspruch 13, wobei das eine oder die mehreren abgewinkelten Einlassverbindungsrohre ein erstes abgewinkeltes Einlassverbindungsrohr mit einem ersten abgewinkelten Einlassdurchmesser und ein zweites abgewinkeltes Einlassverbindungsrohr mit einem zweiten abgewinkelten Einlassdurchmesser aufweist, der größer ist als der erste abgewinkelte Einlassdurchmesser.
Leistungselektronikmodul nach Anspruch 13, ferner eine Mehrzahl von modularen Verteilern und eine Mehrzahl von Verteilereinsätzen aufweisend, wobei jeweils ein Verteilereinsatz innerhalb jeweils einer Verteilungsaussparung von der Mehrzahl von modularen Verteilern positioniert ist.
Leistungselektronikmodul nach Anspruch 16, wobei ein erster modularer Verteiler lösbar mit einem zweiten modularen Verteiler verkoppelt ist, der angrenzend an den ersten modularen Verteiler positioniert ist, sodass ein Fluidströmungsweg durch den ersten modularen Verteiler und den zweiten modularen Verteiler ein paralleles Strömungsmuster oder ein serielles Strömungsmuster aufweist.
Modulare Strahlbeaufschlagungsanordnung, aufweisend: ein Zuleitungsrohr, das mit einem Fluideinlass in Fluidverbindung steht; ein Ableitungsrohr, das mit einem Fluidauslass in Fluidverbindung steht; zwei oder mehr modulare Verteiler, wobei jeder modulare Verteiler aufweist: eine Verteilungsaussparung; ein oder mehrere abgewinkelte Einlassverbindungsrohre, die an einem Einlassende des modularen Verteilers positioniert sind, wobei das eine oder die mehreren abgewinkelten Einlassverbindungsrohre in Bezug auf eine Oberfläche des modularen Verteilers abgewinkelt sind und das Zuleitungsrohr mit der Verteilungsaussparung in Fluidverbindung bringen; und ein oder mehrere Auslassverbindungsrohre, die an einem Auslassende des modularen Verteilers positioniert sind und das Ableitungsrohr mit der Verteilungsaussparung in Fluidverbindung bringen; einen oder mehrere Verteilereinsätze, die lösbar innerhalb der Verteilungsaussparung jedes modularen Verteilers positioniert sind, wobei jeder Verteilereinsatz aufweist: einen oder mehrere Zuleitungszweigkanäle, die mit dem einen oder den mehreren abgewinkelten Einlassverbindungsrohren in Fluidverbindung stehen, wobei jeder Zuleitungszweigkanal eine Beaufschlagungsnut aufweist; und einen oder mehrere Ableitungszweigkanäle, die mit dem einen oder den mehreren Zuleitungszweigkanälen und dem einen oder den mehreren Auslassverbindungsrohren in Fluidverbindung stehen, wobei jeder Ableitungszweigkanal eine Sammelnut aufweist; und eine oder mehrere Wärmeübertragungsplatten, die mit den einzelnen modularen Verteilern gekoppelt sind, wobei jede Wärmeübertragungsplatte eine Beaufschlagungsfläche aufweist, die eine Anordnung von Lamellen aufweist, die zu den Verteilereinsätzen verlaufen; wobei ein Durchmesser eines ersten abgewinkelten Einlassverbindungsrohrs eines ersten modularen Verteilers größer ist als ein Durchmesser eines ersten abgewinkelten Einlassverbindungsrohrs eines zweiten modularen Verteilers.
Modulare Strahlbeaufschlagungsanordnung nach Anspruch 18, wobei ein Durchmesser eines zweiten abgewinkelten Einlassverbindungsrohrs des ersten modularen Verteilers größer ist als ein Durchmesser eines zweiten abgewinkelten Einlassverbindungsrohrs des zweiten modularen Verteilers.
Modulare Strahlbeaufschlagungsanordnung nach Anspruch 19, wobei ein Durchmesser eines dritten abgewinkelten Einlassverbindungsrohrs des ersten modularen Verteilers größer ist als ein Durchmesser eines dritten abgewinkelten Einlassverbindungsrohrs des zweiten modularen Verteilers.