EP4310429A1 - Integratable passive heat dissipation - Google Patents

Integratable passive heat dissipation Download PDF

Info

Publication number
EP4310429A1
EP4310429A1 EP22186136.2A EP22186136A EP4310429A1 EP 4310429 A1 EP4310429 A1 EP 4310429A1 EP 22186136 A EP22186136 A EP 22186136A EP 4310429 A1 EP4310429 A1 EP 4310429A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
heat
heat dissipation
phase cooling
cooling device
heat input
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP22186136.2A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Florian Schwarz
Stefan Stegmeier
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
Priority to EP22186136.2A priority Critical patent/EP4310429A1/en
Publication of EP4310429A1 publication Critical patent/EP4310429A1/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28DHEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D15/00Heat-exchange apparatus with the intermediate heat-transfer medium in closed tubes passing into or through the conduit walls ; Heat-exchange apparatus employing intermediate heat-transfer medium or bodies
    • F28D15/02Heat-exchange apparatus with the intermediate heat-transfer medium in closed tubes passing into or through the conduit walls ; Heat-exchange apparatus employing intermediate heat-transfer medium or bodies in which the medium condenses and evaporates, e.g. heat pipes
    • F28D15/0241Heat-exchange apparatus with the intermediate heat-transfer medium in closed tubes passing into or through the conduit walls ; Heat-exchange apparatus employing intermediate heat-transfer medium or bodies in which the medium condenses and evaporates, e.g. heat pipes the tubes being flexible
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28DHEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D15/00Heat-exchange apparatus with the intermediate heat-transfer medium in closed tubes passing into or through the conduit walls ; Heat-exchange apparatus employing intermediate heat-transfer medium or bodies
    • F28D15/02Heat-exchange apparatus with the intermediate heat-transfer medium in closed tubes passing into or through the conduit walls ; Heat-exchange apparatus employing intermediate heat-transfer medium or bodies in which the medium condenses and evaporates, e.g. heat pipes
    • F28D15/0266Heat-exchange apparatus with the intermediate heat-transfer medium in closed tubes passing into or through the conduit walls ; Heat-exchange apparatus employing intermediate heat-transfer medium or bodies in which the medium condenses and evaporates, e.g. heat pipes with separate evaporating and condensing chambers connected by at least one conduit; Loop-type heat pipes; with multiple or common evaporating or condensing chambers
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28DHEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D21/00Heat-exchange apparatus not covered by any of the groups F28D1/00 - F28D20/00
    • F28D2021/0019Other heat exchangers for particular applications; Heat exchange systems not otherwise provided for
    • F28D2021/0028Other heat exchangers for particular applications; Heat exchange systems not otherwise provided for for cooling heat generating elements, e.g. for cooling electronic components or electric devices

Definitions

  • the invention relates to a device for heat dissipation with at least one additively manufactured two-phase cooling device and a manufacturing method for such a device.
  • Copper pipes and heat pipes are preferred for highly effective heat dissipation.
  • Heat pipes can be designed as pulsating heat pipes in which gas and liquid phases alternate and transport the heat away through several turns.
  • heat dissipation devices made of copper pipes and heat pipes are not suitable for dissipating the amounts of heat from the compact systems described for structural or design reasons. Due to the difficulty of access, they have to be guided around other components. But copper pipes cannot simply be bent multiple times. This creates material weak points that reduce longevity. There can also be bottlenecks for the coolant inside the pipe if the windings are too tight or if the copper pipes are bent, which in turn makes heat dissipation inefficient.
  • the invention is based on the object of providing an improved heat removal device for hard-to-reach places to be heat-removed in compact structures.
  • Claim 13 specifies a manufacturing process for a device according to the invention.
  • the heat dissipation device comprises at least one additively manufactured three-dimensional two-phase cooling device, which is made of electrically insulating material.
  • Such a device initially has the advantage that it is a passive cooling device. This has, among other things,
  • the advantage in contrast to active cooling devices such as fans or pumped cooling water circuits, is that no active operation of the device is necessary after the device has been installed for cooling purposes.
  • the electrically insulating material has, among other things, the advantage that it electrically insulates the device from other components, particularly when used in electrically sensitive areas such as control cabinets. Furthermore, the Device also insensitive to alternating electromagnetic fields.
  • the heat removal device according to the invention is particularly advantageously integrated, i.e. H. If necessary, it can also be directly structurally connected to the component to be cooled.
  • the additively manufactured three-dimensional two-phase cooling device has the particular advantage of being able to be adapted specifically to the designs of the components to be cooled or to the designs of the entire system in which the locations to be cooled are located. For example, additive manufacturing eliminates a bending step of a pipe carrying coolant, which overcomes the described disadvantages of pipe bending. In contrast to two-dimensional, planar cooling devices, the three-dimensional structure has the advantage of increased stability. The three-dimensional two-phase cooling device can reach hard-to-reach places similar to an octopus arm.
  • Additive manufacturing generally allows a very individual design of the device.
  • Several two-phase cooling devices can also be designed in the form of three-dimensional arms that reach hotspots at very different locations.
  • the device can be ideally adapted to the entire system.
  • Non-electrically conductive materials include insulators such as ceramics, plastics, polymers but also naturally occurring organic materials such as rubber.
  • Two-phase cooling or two-phase cooling devices are understood to mean all cooling processes and cooling devices that are based on the functional principle that a working medium, ie a refrigerant, evaporates at the point to be cooled and, after this heat has been dissipated, is led to another point and boils there again.
  • This type of heat transfer uses the enthalpy of vaporization of the working medium to ensure a high heat flux density.
  • Examples of such two-phase cooling devices are heat pipes, thermosyphons or heat pipes, the basic functionality of which is known.
  • the work equipment known from the prior art also comes into question.
  • the cooling device is in particular a heat pipe.
  • the embodiment of the device with a pulsating heat pipe is particularly preferred.
  • the terms pulsating heat pipe and oscillating heat pipe are used in the literature. Alternatively, a version as a thermosiphon would also be possible.
  • a heat pipe is a heat exchanger that allows a high heat flux density using the enthalpy of vaporization of a fluid. In this way, large amounts of heat can be transferred to a small cross-sectional area.
  • a heat pipe includes at least one steam channel and a condensate channel, which leads condensed fluid back to the evaporator, the so-called wick principle. The process is therefore independent of the location. The liquid flow takes place through capillaries and can be significantly improved using porous structures within the channels.
  • the fluid does not flow back using the wick principle, but instead comprises several turns of thin channels that are only partially filled with liquid.
  • working fluid in the channel is alternately in liquid and gaseous form.
  • the vapor segments are expanded at the point to be cooled, and the liquid segments are expanded on the condenser side.
  • the basic functionality of heat pipes and pulsating heat pipes is known. So far, only planar pulsating heat pipes are known, in which the several turns lie in one plane.
  • the two-phase cooling device comprises thermoplastics or thermosets. These materials can be used particularly well for additive manufacturing processes.
  • the thermoplastics or thermosets additionally contain sand, carbon fibers and/or glass fibers. This embodiment has the advantage that the strength as well as the temperature resistance of the two-phase cooling device is increased.
  • the listed materials are also of particular advantage for the three-dimensional design of the two-phase cooling device.
  • the two-phase cooling device acts as a dimensionally stable octopus arm to access the component to be cooled and is also adapted to its structural environment.
  • thermosets are preferably processed using fused deposition modeling (FDM) or selective laser sintering (SLS), thermosets are preferably processed using stereolithography (SLA) or digital light processing technology (DLP).
  • FDM fused deposition modeling
  • SLS selective laser sintering
  • DLP digital light processing technology
  • the device in particular the two-phase cooling device, comprises a polymer, in particular acrylonitrile-butadiene-styrene copolymer (ABS), polycaprolactam (polyamide 6, PA6 for short), polyetherimides (PEI) or a palladium-doped liquid crystal polymer (LCP).
  • ABS acrylonitrile-butadiene-styrene copolymer
  • PA6 polycaprolactam
  • PEI polyetherimides
  • LCP palladium-doped liquid crystal polymer
  • the device has a two-phase cooling device with a large number of channels.
  • the channels can be individual heat pipes or a large number of turns of a pulsating heat pipe. Preferred numbers are 3 to 20 channels.
  • the channels are not planar, but are arranged in such a way that the three-dimensionality of the cooling device is created, the so-called octopus arm.
  • the cross section through this arm, i.e. through the two-phase cooling can also vary in shape and size and be adapted to the available space and application.
  • the individual channels preferably have diameters between 1 mm and 2 mm. In particular, the channels have a porous filling.
  • the device for heat dissipation in particular the two-phase cooling device, is covered with a protective layer.
  • the protective layer can be hermetically sealed.
  • the protective layer is designed in particular in such a way that it acts against the diffusion of oxygen into the cooling channel or channels.
  • the protective layer can be very thin, but for its purpose it should have a layer thickness greater than 0.5 ⁇ m. Suitable materials for the protective layer are materials that are effective against the indiffusion of oxygen.
  • a special embodiment could also have a metallic protective layer.
  • At least one heat input surface and/or at least one heat dissipation surface is included, which have a high thermal conductivity.
  • High thermal conductivity means a thermal conductivity of more than 100 W/(m K), preferably more than 200 W/(m K), in particular more than 300 W/(m K) or particularly preferably more than 400 W/ (m K).
  • the heat input surface and the heat dissipation surface serve to input heat from the point to be cooled into the device or to dissipate heat to the environment or another cooling device from the two-phase cooling device.
  • the heat input surface or heat dissipation surface can serve in particular as a contact surface to the component to be dissipated or to the environment.
  • the heat input surface and/or heat dissipation surface can comprise metal or plastic; the surfaces expediently have a high thermal conductivity. Also one Designing the inlet and outlet surface from a polymer composite or comprising a polymer composite can be particularly advantageous since this can be additively manufactured in the same manufacturing step with the two-phase cooling device.
  • the heat input and heat dissipation surfaces can comprise an inlay, in particular an inlay made of metal and/or a ceramic, which is pressed into the structure of the two-phase cooling device, glued in or welded to the structure.
  • the device for heat dissipation can comprise several two-phase cooling devices, which have the same structure in terms of the heat dissipation principle, but are different in terms of shape, namely adapted to the respective hotspot to be dissipated and its surroundings:
  • one embodiment of the device comprises at least two heat input surfaces, which are thermally connected to a common heat dissipation surface via a two-phase cooling device.
  • an exemplary embodiment of the device comprises two heat dissipation surfaces, each of which is thermally connected to a common heat input surface via a two-phase cooling device.
  • a device for heat dissipation can be designed in such a way that it has a large number of two-phase cooling devices in the shape of an octopus arm, which penetrate a complex, structurally sealed apparatus up to the respective hotspots.
  • Multiple heat dissipation surfaces are an advantage for efficient heat dissipation.
  • the method according to the invention for producing a device for heat dissipation according to the invention comprises an additive manufacturing method for the two-phase cooling device.
  • the additively manufactured two-phase cooling device is subsequently coated with a protective layer.
  • the protective layer is created in particular by means of one of the Process Electroplating metallization, sputter deposition, chemical vapor deposition or thermal spraying.
  • both a two-phase cooling device and a heat input surface and/or heat dissipation surface are produced using additive manufacturing in the same manufacturing step. This increases the efficiency of the manufacturing process.
  • an additive manufacturing process of the following examples can be used in the manufacturing process: material extrusion, stereolithography, selective laser sintering, binder jetting, film lamination or direct laser deposition.
  • the processes can also be used with other processes, e.g. B. gluing, welding or surface treatment processes can be combined.
  • the materials to be printed are usually thermoplastics, as in fused deposition modeling (FDM) or selective laser sintering (SLS), or thermosets, as in stereolithography (SLA) or digital light processing technology (DLP).
  • FDM fused deposition modeling
  • SLS selective laser sintering
  • SLA stereolithography
  • DLP digital light processing technology
  • Other materials can also be added to increase strength or temperature resistance, such as sand, carbon fibers or glass fibers.
  • a subsequent coating with a protective layer larger than 0.5 ⁇ m can be used to make the system vacuum-tight.
  • a chemical process that can be used on polymers such as acrylonitrile-butadiene-styrene copolymer (ABS), polycaprolactam (polyamide 6, PA6 for short), polyetherimides (PEI), palladium-doped liquid crystal polymers (LCP) is galvanic metallization on a roughened surface.
  • the roughening can e.g. B. using chromosulfuric acid pickling.
  • Alternative procedures, which also work for Ceramic protective layers that are suitable include sputter deposition, chemical vapor deposition or thermal spraying.
  • identical or identically acting elements can each be provided with the same reference numerals.
  • the elements shown and their size ratios In principle, each element should not be viewed as true to scale; rather, individual elements may be shown with relatively larger dimensions for better display and/or understanding.
  • FIG. 1 and 2 each show an application example for an embodiment of the cooling device according to the invention.
  • a block with battery cells 21 is shown schematically, which is coupled to a large common heat input surface 2 via thermal connecting elements. From this heat input surface 2, several heat pipes 1 lead to a heat dissipation surface 3. This is preferably connected to a heat sink. For example, this is an air heat sink with cooling fins. Alternatively, heat can be dissipated via water cooling.
  • the heat input surface 2 and the heat dissipation surface 3 preferably have metal inlays for increasing the heat input and heat output.
  • FIG. 2 shows an alternative application, an electric motor 22.
  • This has various curved heat pipes 1, which run along the outside of the motor housing, being thermally coupled to the motor 22 at different points, preferably via heat input surfaces 2 (not explicitly shown).
  • the basic functional principle of the pulsating heat pipe 1 is also outlined, the cooling channel 10 of which forms a closed cooling system in several turns.
  • the heat pipe channel 10 can be filled with porous material 12, for example.
  • the heat removal Q takes place from the hot side h to the cold side c.
  • planar pulsating heat pipes are known in the prior art, the present invention specifies a three-dimensional pulsating heat pipe 1 whose channels 10 are not arranged in a plane but in a bundle. This bundle can have different cross-sectional shapes, which are in the Figures 10 to 13 are shown.
  • Longitudinal sections through the bundle are shown, but there are no planar design of the pulsating heat pipe should suggest.
  • the Figure 4 first shows a large planar heat dissipation surface 3, which can have a heat sink, which z. B. dissipates heat Q via water or metal inlays. Alternatively, coupling to an air heat sink with cooling fins is possible.
  • Several two-phase cooling devices 1 lead from this common large execution area 3:
  • the three two-phase cooling devices 1 shown have, for example, different diameters and correspondingly different numbers of cooling channels 10. This can be an adaptation to a design and/or to the amount of heat Q to be dissipated.
  • All cooling device arms 1 each end in a heat input surface 2, which can be adapted to the component to be cooled for the most efficient heat connection possible.
  • one heat input surface 2 can be designed to be very small and compact, while a larger contact surface 2 is available for another hotspot to be cooled.
  • the Figure 5 shows a comparable image of a common heat dissipation surface 3 with different cooling device arms 1 to three different heat input surfaces 2.
  • a metallic inlay is shown on the heat transfer surface 3. This can be a metal foil, for example. These embodiments allow multiple hotspots to be cooled at different locations.
  • a heat pipe arm 1 can be individually adapted to the system and integrated into it. The heat Q is then dissipated centrally to water or air cooling 3.
  • Figure 6 shows a third view of the same embodiment, in which it is clearly visible how different the size and shapes of the cooling arms 1 and the heat input surfaces 2 can be.
  • FIG 7 An alternative embodiment of the device according to the invention for cooling hotspots is shown.
  • several cooling arms 1 with different heat input surfaces 2 are shown.
  • the cooling arms each have their own heat discharge surface 3.
  • the heat Q can be dissipated at different locations or via different systems.
  • Figures 8 to 13 each show cross sections through the channel guide 10 within the heat pipe octopus arms 1: Figures 8 and 9 each show a longitudinal section, in which it is shown that the cooling channels 10 can have different diameters or can be filled with porous material 12.
  • the Figures 10 to 13 show how individually the cross section of the cooling arms 1 can be designed in order to be able to install as many cooling channels 10 as possible in a given space.

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Entwärmung mit wenigstens einer additiv gefertigten Zwei-Phasen-Kühlvorrichtung sowie ein Herstellungsverfahren für eine derartige Vorrichtung.Die Vorrichtung zur Entwärmung umfasst wenigstens eine additiv gefertigte dreidimensionale Zwei-Phasen-Kühlvorrichtung, welche aus elektrisch isolierendem Material gebildet ist.The invention relates to a device for heat removal with at least one additively manufactured two-phase cooling device and a manufacturing method for such a device. The device for heat removal includes at least one additively manufactured three-dimensional two-phase cooling device, which is formed from electrically insulating material.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Entwärmung mit wenigstens einer additiv gefertigten Zwei-Phasen-Kühlvorrichtung sowie ein Herstellungsverfahren für eine derartige Vorrichtung.The invention relates to a device for heat dissipation with at least one additively manufactured two-phase cooling device and a manufacturing method for such a device.

Im hochaktuellen Entwicklungsfeld von elektrischen Anlagen wie beispielsweise Elektromotoren, Generatoren, Batteriezellen, aber auch Schaltschränken oder in Rechenzentren entstehen mehrere Hotspots an unterschiedlichen Stellen. Häufig sind diese aufgrund eines kompakten Aufbaus zur Platzeinsparung nur schwer erreichbar. Die Hotspots müssen zur Gewährleistung eines sicheren Betriebs aber effektiv entwärmt werden. Einfache metallische Kühlkörper oder Lüfterkühlungen sind dafür ungeeignet. Es wird an der Abführung von Wärme durch kleinere Kanäle gearbeitet, welche hohe Anforderungen an die Herstellung derartiger Entwärmungsvorrichtungen stellen.In the highly current development field of electrical systems such as electric motors, generators, battery cells, but also control cabinets or in data centers, several hotspots are emerging in different places. These are often difficult to reach due to a compact design to save space. However, the hotspots must be effectively cooled to ensure safe operation. Simple metallic heat sinks or fan cooling systems are unsuitable for this. Work is underway to dissipate heat through smaller channels, which place high demands on the production of such heat dissipation devices.

Zum hocheffektiven Entwärmen werden bevorzugt Kupferrohre und Heatpipes eingesetzt. Heatpipes können als pulsierende Heatpipes ausgestaltet werden, in welchen Gas- und Flüssigphasen abwechselnd vorliegen und durch mehrere Windungen die Wärme abtransportieren. Derartige Entwärmungsvorrichtungen aus Kupferrohren und Heatpipes sind für die Abführung der Wärmemengen aus den beschriebenen kompakten Anlagen jedoch aus baulichen beziehungsweise konstruktiven Gründen nicht geeignet. Sie müssen aufgrund der schwierigen Erreichbarkeit um andere Bauelemente herumgeführt werden. Kupferrohre können aber nicht einfach mehrfach verbogen werden. Dadurch entstehen materielle Schwachstellen, die die Langlebigkeit herabsetzen. Auch innerhalb des Rohres kann es an zu engen Windungen, bei Verbiegen der Kupferrohre zu Engpässen für die Kühlflüssigkeit kommen, was wiederum die Entwärmung ineffizient macht.Copper pipes and heat pipes are preferred for highly effective heat dissipation. Heat pipes can be designed as pulsating heat pipes in which gas and liquid phases alternate and transport the heat away through several turns. However, such heat dissipation devices made of copper pipes and heat pipes are not suitable for dissipating the amounts of heat from the compact systems described for structural or design reasons. Due to the difficulty of access, they have to be guided around other components. But copper pipes cannot simply be bent multiple times. This creates material weak points that reduce longevity. There can also be bottlenecks for the coolant inside the pipe if the windings are too tight or if the copper pipes are bent, which in turn makes heat dissipation inefficient.

In Bereichen wie beispielsweise Elektromobilität aber auch bei Umrichtern werden zur effizienten Entwärmung gleich mehrere Kühlkreisläufe oder Wärmetauschersysteme verbaut. Der beschränkte Bauraum stellt jedoch auch hier eine Herausforderung dar, sodass Einschränkungen hinsichtlich der Auslegung getroffen werden müssen. State-of-the-Art-Lösungen auf limitierten Bauraum lassen nur ein gewisses Maß an Entwärmung zu.In areas such as electromobility but also converters, several cooling circuits or heat exchanger systems are installed for efficient heat dissipation. However, the limited installation space also represents a challenge here, so restrictions must be made with regard to the design. State-of-the-art solutions in limited installation space only allow a certain amount of heat dissipation.

Ausgehend vom zuvor beschriebenen Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Entwärmungsvorrichtung für schwer erreichbare zu entwärmende Stellen in kompakten Aufbauten anzugeben.Based on the prior art described above, the invention is based on the object of providing an improved heat removal device for hard-to-reach places to be heat-removed in compact structures.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs 1 gelöst. Patentanspruch 13 gibt ein Herstellungsverfahren für eine erfindungsgemäße Vorrichtung an.This task is solved by the features of independent patent claim 1. Claim 13 specifies a manufacturing process for a device according to the invention.

Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung, die einzeln oder in Kombination miteinander einsetzbar sind, sind Gegenstand der Unteransprüche.Advantages and refinements of the invention, which can be used individually or in combination with one another, are the subject of the subclaims.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Entwärmung umfasst wenigstens eine additiv gefertigte dreidimensionale Zwei-Phasen-Kühlvorrichtung, welche aus elektrisch isolierendem Material gebildet ist.The heat dissipation device according to the invention comprises at least one additively manufactured three-dimensional two-phase cooling device, which is made of electrically insulating material.

Eine derartige Vorrichtung hat zunächst den Vorteil, dass es eine passive Kühlvorrichtung ist. Dies hat u. a. den Vorteil im Gegensatz zu aktiven Kühlvorrichtungen wie beispielsweise Lüftern oder gepumpten Kühlwasserkreisläufen, dass nach Montage der Vorrichtung zur Entwärmung kein aktives Betreiben der Vorrichtung notwendig ist.Such a device initially has the advantage that it is a passive cooling device. This has, among other things, The advantage, in contrast to active cooling devices such as fans or pumped cooling water circuits, is that no active operation of the device is necessary after the device has been installed for cooling purposes.

Das elektrisch isolierende Material hat u. a. den Vorteil, dass es die Vorrichtung gegenüber anderen Bauteilen elektrisch isoliert, insbesondere bei Anwendung in elektrisch sensiblen Bereichen wie Schaltschränken. Des Weiteren ist die Vorrichtung auch unempfindlich gegenüber elektromagnetischen Wechselfeldern.The electrically insulating material has, among other things, the advantage that it electrically insulates the device from other components, particularly when used in electrically sensitive areas such as control cabinets. Furthermore, the Device also insensitive to alternating electromagnetic fields.

Die erfindungsgemäße Entwärmungsvorrichtung liegt besonders vorteilhaft integriert vor, d. h. sie kann, bei Bedarf, auch direkt baulich mit dem zu kühlenden Bauteil verbunden vorliegen.The heat removal device according to the invention is particularly advantageously integrated, i.e. H. If necessary, it can also be directly structurally connected to the component to be cooled.

Die additiv gefertigte dreidimensionale Zwei-Phasen-Kühlvorrichtung hat den besonderen Vorteil, speziell auf Bauformen der zu kühlenden Bauteile bzw. auf Bauformen der Gesamtanlage, in der die zu kühlenden Stellen sind, angepasst werden zu können. Durch die additive Fertigung fällt beispielweise ein Biegeschritt eines Kühlflüssigkeit führenden Rohrs weg, was die beschriebenen Nachteile einer Rohrverbiegung überwindet. Der dreidimensionale Aufbau hat im Gegensatz zu zweidimensionalen, planaren Kühlvorrichtungen den Vorteil erhöhter Stabilität. Die dreidimensionale Zwei-Phasen-Kühlvorrichtung kann ähnlich einem Krakenarm an schwer zugängliche Orte gelangen.The additively manufactured three-dimensional two-phase cooling device has the particular advantage of being able to be adapted specifically to the designs of the components to be cooled or to the designs of the entire system in which the locations to be cooled are located. For example, additive manufacturing eliminates a bending step of a pipe carrying coolant, which overcomes the described disadvantages of pipe bending. In contrast to two-dimensional, planar cooling devices, the three-dimensional structure has the advantage of increased stability. The three-dimensional two-phase cooling device can reach hard-to-reach places similar to an octopus arm.

Die additive Fertigung erlaubt generell eine sehr individuelle Gestaltung der Vorrichtung. Es können auch mehrere Zwei-Phasen-Kühlvorrichtungen in Form von dreidimensionalen Armen ausgebildet sein, die Hotspots an ganz unterschiedlichen Stellen erreichen. Die Vorrichtung kann ideal an die gesamte Anlage angepasst sein.Additive manufacturing generally allows a very individual design of the device. Several two-phase cooling devices can also be designed in the form of three-dimensional arms that reach hotspots at very different locations. The device can be ideally adapted to the entire system.

Unter nicht elektrisch leitfähigen Materialien sind Isolatoren wie Keramiken, Kunststoffe, Polymere aber auch natürlich vorkommende organische Materialen wie beispielsweise Gummi zu verstehen.Non-electrically conductive materials include insulators such as ceramics, plastics, polymers but also naturally occurring organic materials such as rubber.

Unter Zwei-Phasen-Kühlung oder Zwei-Phasen-Kühlvorrichtung sind alle Kühlverfahren und Kühlvorrichtungen zu verstehen, die auf dem Funktionsprinzip beruhen, dass ein Arbeitsmedium, d. h. ein Kältemittel an der zu entwärmenden Stelle verdampft und nach Abführen dieser Wärme an eine andere Stelle geführt wird und dort wieder siedet. Diese Art der Wärmeübertragung nutzt die Verdampfungsenthalpie des Arbeitsmediums, um eine hohe Wärmestromdichte zu gewährleisten. Beispiele für derartige Zwei-Phasen-Kühlvorrichtungen sind Heatpipes, Thermosiphons oder Wärmerohre, deren grundsätzliche Funktionsweise bekannt ist. Es kommen auch die aus dem Stand der Technik bekannten Arbeitsmittel in Frage.Two-phase cooling or two-phase cooling devices are understood to mean all cooling processes and cooling devices that are based on the functional principle that a working medium, ie a refrigerant, evaporates at the point to be cooled and, after this heat has been dissipated, is led to another point and boils there again. This type of heat transfer uses the enthalpy of vaporization of the working medium to ensure a high heat flux density. Examples of such two-phase cooling devices are heat pipes, thermosyphons or heat pipes, the basic functionality of which is known. The work equipment known from the prior art also comes into question.

In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist die Kühlvorrichtung insbesondere eine Heatpipe. Besonders bevorzugt ist die Ausführungsform der Vorrichtung mit einer pulsierenden Heatpipe. In der Literatur werden die Bezeichnungen pulsierende Heatpipe als auch oszillierende Heatpipe verwendet. Alternativ wäre auch eine Ausführung als Thermosiphon möglich.In an advantageous embodiment of the invention, the cooling device is in particular a heat pipe. The embodiment of the device with a pulsating heat pipe is particularly preferred. The terms pulsating heat pipe and oscillating heat pipe are used in the literature. Alternatively, a version as a thermosiphon would also be possible.

Eine Heatpipe ist ein Wärmeübertrager, der unter Nutzung der Verdampfungsenthalpie eines Fluids eine hohe Wärmestromdichte erlaubt. Auf diese Weise können große Wärmemengen auf kleine Querschnittsfläche übertragen werden. Dazu umfasst eine Heatpipe zumindest einen Dampfkanal und einen Kondensatkanal, welcher kondensiertes Fluid zurück zum Verdampfer führt, das sogenannte Dochtprinzip. Der Prozess ist dadurch lageunabhängig. Der Flüssigkeitsstrom erfolgt also durch Kapillare und kann mittels poröser Strukturen innerhalb der Kanäle noch maßgeblich verbessert werden.A heat pipe is a heat exchanger that allows a high heat flux density using the enthalpy of vaporization of a fluid. In this way, large amounts of heat can be transferred to a small cross-sectional area. For this purpose, a heat pipe includes at least one steam channel and a condensate channel, which leads condensed fluid back to the evaporator, the so-called wick principle. The process is therefore independent of the location. The liquid flow takes place through capillaries and can be significantly improved using porous structures within the channels.

Bei der pulsierenden Heatpipe erfolgt der Rückfluss des Fluids nicht über das Dochtprinzip, sondern sie umfasst mehrere Windungen an dünnen Kanälen, die nur partiell mit Flüssigkeit befüllt sind. Dadurch liegen Arbeitsmittel im Kanal abwechselnd flüssig und gasförmig vor. An der zu entwärmenden Stelle werden die Dampfsegmente ausgedehnt, auf der Kondensatorseite die Flüssigkeitssegmente. Die grundsätzliche Funktionsweise von Heatpipes sowie pulsierenden Heatpipes ist bekannt. Bisher sind nur planar ausgeführte pulsierende Heatpipes bekannt, bei welchen die mehreren Windungen in einer Ebene liegen.With the pulsating heat pipe, the fluid does not flow back using the wick principle, but instead comprises several turns of thin channels that are only partially filled with liquid. As a result, working fluid in the channel is alternately in liquid and gaseous form. The vapor segments are expanded at the point to be cooled, and the liquid segments are expanded on the condenser side. The basic functionality of heat pipes and pulsating heat pipes is known. So far, only planar pulsating heat pipes are known, in which the several turns lie in one plane.

In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung umfasst die Zwei-Phasen-Kühlvorrichtung Thermoplaste oder Duroplaste. Diese Materialien können für additive Herstellungsverfahren besonders gut eingesetzt werden. In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung sind in den Thermoplasten oder Duroplasten zusätzlich Sand, Kohlenstofffasern und/oder Glasfasern umfasst. Diese Ausführungsform hat den Vorteil, dass die Festigkeit als auch die Temperaturbeständigkeit der Zwei-Phasen-Kühlvorrichtung erhöht wird. Die aufgeführten Materialien sind auch von besonderem Vorteil für die dreidimensionale Ausführung der Zwei-Phasen-Kühlvorrichtung. Die Zwei-Phasen-Kühlvorrichtung greift als formstabiler Krakenarm auf das zu entwärmende Bauteil zu und ist auch an dessen bauliche Umgebung angepasst.In an advantageous embodiment of the invention, the two-phase cooling device comprises thermoplastics or thermosets. These materials can be used particularly well for additive manufacturing processes. In a particularly advantageous embodiment of the invention, the thermoplastics or thermosets additionally contain sand, carbon fibers and/or glass fibers. This embodiment has the advantage that the strength as well as the temperature resistance of the two-phase cooling device is increased. The listed materials are also of particular advantage for the three-dimensional design of the two-phase cooling device. The two-phase cooling device acts as a dimensionally stable octopus arm to access the component to be cooled and is also adapted to its structural environment.

Thermoplaste werden bevorzugt beim Fused Deposition Modeling (FDM) oder beim selektiven Lasersintern (SLS) verarbeitet, Duroplaste bevorzugt mittels Stereolithografie (SLA) oder bei der digitalen Lichtverarbeitungs-Technologie (DLP).Thermoplastics are preferably processed using fused deposition modeling (FDM) or selective laser sintering (SLS), thermosets are preferably processed using stereolithography (SLA) or digital light processing technology (DLP).

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung umfasst die Vorrichtung, insbesondere die Zwei-Phasen-Kühlvorrichtung ein Polymer, insbesondere Acrylnitril-Butadien-Styrol-Copolymerisat (ABS), Polycaprolactam (Polyamid 6, kurz PA6), Polyetherimide (PEI) oder ein palladiumdotiertes Flüssigkristallpolymer (LCP).In a further advantageous embodiment of the invention, the device, in particular the two-phase cooling device, comprises a polymer, in particular acrylonitrile-butadiene-styrene copolymer (ABS), polycaprolactam (polyamide 6, PA6 for short), polyetherimides (PEI) or a palladium-doped liquid crystal polymer (LCP).

In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Vorrichtung eine Zwei-Phasen-Kühlvorrichtung auf mit einer Vielzahl an Kanälen. Bei den Kanälen kann es sich um einzelne Heatpipes handeln oder auch um eine Vielzahl von Windungen einer pulsierenden Heatpipe. Bevorzugte Anzahlen liegen bei 3 bis 20 Kanälen. Die Kanäle sind nicht planar, sondern so angeordnet, dass die Dreidimensionalität der Kühlvorrichtung entsteht, der sogenannte Krakenarm. Der Querschnitt durch diesen Arm, also durch die Zwei-Phasen-Kühlung, kann auch in seiner Form und Größe variieren und auf den vorhandenen Platz und die Anwendung angepasst sein. Die einzelnen Kanäle weisen bevorzugt Durchmesser zwischen 1 mm und 2 mm auf. Insbesondere weisen die Kanäle eine poröse Füllung auf.In a particularly advantageous embodiment of the invention, the device has a two-phase cooling device with a large number of channels. The channels can be individual heat pipes or a large number of turns of a pulsating heat pipe. Preferred numbers are 3 to 20 channels. The channels are not planar, but are arranged in such a way that the three-dimensionality of the cooling device is created, the so-called octopus arm. The cross section through this arm, i.e. through the two-phase cooling, can also vary in shape and size and be adapted to the available space and application. The individual channels preferably have diameters between 1 mm and 2 mm. In particular, the channels have a porous filling.

In einer besonderen Ausführungsform der Erfindung ist die Vorrichtung zur Entwärmung, insbesondere die Zwei-Phasen-Kühlvorrichtung, mit einer Schutzschicht überzogen. Die Schutzschicht kann hermetisch dicht sein. Die Schutzschicht ist dabei insbesondere so ausgeführt, dass sie gegen Eindiffusion von Sauerstoff in den Kühlkanal oder die Kühlkanäle wirkt. Die Schutzsicht kann sehr dünn sein, sollte aber für ihren Zweck eine Schichtdicke größer als 0,5 µm aufweisen. Als Materialien für die Schutzschicht kommen Materialien in Frage, die gegen Eindiffusion von Sauerstoff wirksam sind. Eine spezielle Ausführungsform könnte auch eine metallische Schutzschicht aufweisen.In a special embodiment of the invention, the device for heat dissipation, in particular the two-phase cooling device, is covered with a protective layer. The protective layer can be hermetically sealed. The protective layer is designed in particular in such a way that it acts against the diffusion of oxygen into the cooling channel or channels. The protective layer can be very thin, but for its purpose it should have a layer thickness greater than 0.5 µm. Suitable materials for the protective layer are materials that are effective against the indiffusion of oxygen. A special embodiment could also have a metallic protective layer.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Vorrichtung ist wenigstens eine Wärmeeintragsfläche und/oder wenigstens eine Wärmeabführungsfläche umfasst, welche eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweisen. Unter hohe Wärmeleitfähigkeit ist eine Wärmeleitfähigkeit von mehr als 100 W/(m·K), bevorzugt mehr als 200 W/(m·K), insbesondere mehr als 300 W/(m·K) oder besonders bevorzugt von mehr als 400 W/(m·K) zu verstehen. Die Wärmeeintragsfläche sowie die Wärmeabführungsfläche dient zum Wärmeeintrag der zu entwärmenden Stelle in die Vorrichtung bzw. zur Wärmeabführung an die Umgebung oder eine weitere Kühlvorrichtung aus der Zwei-Phasen-Kühlvorrichtung. Die Wärmeeintragsfläche oder Wärmeabführungsfläche kann insbesondere als Kontaktfläche zum entwärmenden Bauteil oder zur Umgebung dienen.In a further advantageous embodiment of the device, at least one heat input surface and/or at least one heat dissipation surface is included, which have a high thermal conductivity. High thermal conductivity means a thermal conductivity of more than 100 W/(m K), preferably more than 200 W/(m K), in particular more than 300 W/(m K) or particularly preferably more than 400 W/ (m K). The heat input surface and the heat dissipation surface serve to input heat from the point to be cooled into the device or to dissipate heat to the environment or another cooling device from the two-phase cooling device. The heat input surface or heat dissipation surface can serve in particular as a contact surface to the component to be dissipated or to the environment.

Die Wärmeeintragsfläche und/oder Wärmeabführungsfläche kann Metall oder Kunststoff umfassen, die Flächen weisen zweckdienlicherweise eine hohe Wärmeleitfähigkeit auf. Auch eine Gestaltung der Ein- und Austragsfläche aus einem Polymerkomposit oder ein Polymerkomposit umfassend kann von besonderem Vorteil sein, da dieses im selben Fertigungsschritt mit der Zwei-Phasen-Kühlvorrichtung additiv gefertigt werden kann. Alternativ können die Wärmeeintrags- und Wärmeabführungsflächen ein Inlay umfassen, insbesondere ein Inlay aus Metall und/oder einer Keramik, welche es in den Aufbau der Zweiphasen-Kühlvorrichtung eingepresst ist, eingeklebt ist oder mit dem Aufbau verschweißt ist.The heat input surface and/or heat dissipation surface can comprise metal or plastic; the surfaces expediently have a high thermal conductivity. Also one Designing the inlet and outlet surface from a polymer composite or comprising a polymer composite can be particularly advantageous since this can be additively manufactured in the same manufacturing step with the two-phase cooling device. Alternatively, the heat input and heat dissipation surfaces can comprise an inlay, in particular an inlay made of metal and/or a ceramic, which is pressed into the structure of the two-phase cooling device, glued in or welded to the structure.

Die Vorrichtung zur Entwärmung kann mehrere Zwei-Phasen-Kühlvorrichtungen umfassen, welche vom Entwärmungsprinzip her zwar gleich aufgebaut sind, aber formtechnisch unterschiedlich sind, nämlich an den jeweiligen zu entwärmenden Hotspot und dessen Umgebung angepasst: Beispielsweise umfasst eine Ausführungsform der Vorrichtung wenigstens zwei Wärmeeintragsflächen, welche über jeweils eine Zwei-Phasen-Kühlvorrichtung an einer gemeinsame Wärmeabführungsfläche thermisch angebunden sind. Alternativ umfasst eine beispielhafte Ausführungsform der Vorrichtung zwei Wärmeabführungsflächen, welche über jeweils eine Zwei-Phasen-Kühlvorrichtung an eine gemeinsame Wärmeeintragsfläche thermisch angebunden sind.The device for heat dissipation can comprise several two-phase cooling devices, which have the same structure in terms of the heat dissipation principle, but are different in terms of shape, namely adapted to the respective hotspot to be dissipated and its surroundings: For example, one embodiment of the device comprises at least two heat input surfaces, which are thermally connected to a common heat dissipation surface via a two-phase cooling device. Alternatively, an exemplary embodiment of the device comprises two heat dissipation surfaces, each of which is thermally connected to a common heat input surface via a two-phase cooling device.

Insbesondere kann eine Vorrichtung zur Entwärmung derart ausgestaltet sein, dass sie eine Vielzahl an Zwei-Phasen-Kühlvorrichtungen in Krakenarmform aufweist, welche eine komplexe baulich dichte Apparatur bis zu den jeweiligen Hotspots durchdringen. Mehrere Wärmeabführungsflächen sind von Vorteil für einen effizienten Wärmeabtransport.In particular, a device for heat dissipation can be designed in such a way that it has a large number of two-phase cooling devices in the shape of an octopus arm, which penetrate a complex, structurally sealed apparatus up to the respective hotspots. Multiple heat dissipation surfaces are an advantage for efficient heat dissipation.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung zur Entwärmung gemäß der Erfindung umfasst ein additives Fertigungsverfahren für die Zwei-Phasen-Kühlvorrichtung.The method according to the invention for producing a device for heat dissipation according to the invention comprises an additive manufacturing method for the two-phase cooling device.

Insbesondere wird die additiv gefertigte Zwei-Phasen-Kühlvorrichtung nachfolgend mit einer Schutzschicht beschichtet. Die Schutzschicht wird insbesondere mittels eines der Verfahren Galvanische Metallisierung, Sputterdeposition, chemische Gasphasenabscheidung oder thermisches Spritzen hergestellt.In particular, the additively manufactured two-phase cooling device is subsequently coated with a protective layer. The protective layer is created in particular by means of one of the Process Electroplating metallization, sputter deposition, chemical vapor deposition or thermal spraying.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird bei den Verfahren sowohl eine Zwei-Phasen-Kühlvorrichtung als auch eine Wärmeeintragsfläche und/oder Wärmeabführungsfläche mittels additiver Fertigung im selben Fertigungsschritt hergestellt. Dies erhöht die Effizienz des Fertigungsverfahrens.In an advantageous embodiment of the invention, both a two-phase cooling device and a heat input surface and/or heat dissipation surface are produced using additive manufacturing in the same manufacturing step. This increases the efficiency of the manufacturing process.

Beispielweise kann in dem Herstellungsverfahren ein additives Fertigungsverfahren der folgenden Beispiele eingesetzt werden: Materialextrusion, Stereolithographie, Selective Laser Sintering, Binder Jetting, Folienlaminierung oder direkte Laserabscheidung.For example, an additive manufacturing process of the following examples can be used in the manufacturing process: material extrusion, stereolithography, selective laser sintering, binder jetting, film lamination or direct laser deposition.

Je nach herzustellender Geometrie können die Verfahren auch mit anderen Verfahren z. B. Verkleben, Verschweißen oder Oberflächenbehandlungsverfahren kombiniert werden.Depending on the geometry to be produced, the processes can also be used with other processes, e.g. B. gluing, welding or surface treatment processes can be combined.

Die zu druckenden Materialien sind üblicherweise Thermoplasten, wie beim Fused Deposition Modeling (FDM) oder beim selektiven Lasersintern (SLS) oder Duroplasten, wie bei der Stereolithografie (SLA) oder bei der digitalen Lichtverarbeitungs-Technologie (DLP). Es können auch andere Stoffe zur Erhöhung der Festigkeit oder Temperaturbeständigkeit wie Sand, Kohlenstofffasern oder Glasfasern miteingefügt werden. Eine nachträgliche Beschichtung mit einer Schutzschicht größer als 0,5 µm kann zur Herstellung von Vakuumdichtigkeit des Systems genutzt werden.The materials to be printed are usually thermoplastics, as in fused deposition modeling (FDM) or selective laser sintering (SLS), or thermosets, as in stereolithography (SLA) or digital light processing technology (DLP). Other materials can also be added to increase strength or temperature resistance, such as sand, carbon fibers or glass fibers. A subsequent coating with a protective layer larger than 0.5 µm can be used to make the system vacuum-tight.

Zur Abscheidung der Schutzschicht bieten sich verschiedene Verfahren an. Ein chemisches Verfahren, was auf Polymeren wie Acrylnitril-Butadien-Styrol-Copolymerisat (ABS), Polycaprolactam (Polyamid 6, kurz PA6), Polyetherimide (PEI), palladiumdotierten Flüssigkristallpolymeren (LCP) eingesetzt werden kann, ist eine galvanische Metallisierung auf aufgerauter Oberfläche. Die Aufrauhung kann z. B. mittels Chromschwefelsäurebeize erfolgen. Alternative Verfahren, welche auch für keramische Schutzschichten geeignet sind, sind beispielsweise die Sputterdeposition, die chemische Gasphasenabscheidung oder das thermische Spritzen.Various methods are available for depositing the protective layer. A chemical process that can be used on polymers such as acrylonitrile-butadiene-styrene copolymer (ABS), polycaprolactam (polyamide 6, PA6 for short), polyetherimides (PEI), palladium-doped liquid crystal polymers (LCP) is galvanic metallization on a roughened surface. The roughening can e.g. B. using chromosulfuric acid pickling. Alternative procedures, which also work for Ceramic protective layers that are suitable include sputter deposition, chemical vapor deposition or thermal spraying.

Weitere Merkmale, Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die beiliegenden Figuren 1 bis 13. Darin zeigen schematisch:

Figur 1:
eine Batteriekühlung mit Heatpipes 1,
Figur 2:
einen Motor 22 mit gebogenen Heatpipes 1,
Figur 3:
eine pulsierende Heatpipe schematisch,
Figur 4:
mehrere Hotspots werden gekühlt und zentral abgeführt 3,
Figur 5:
eine Wärmeabführfläche 3 mit Inlay,
Figur 6:
mehreren individuell gestalteten Wärmeeintragsflächen 2,
Figur 7:
eine Ausführung, bei der die Wärme jedes Hotspots einzeln abgeführt wird,
Figur 8:
eine Schnittansicht der Kanalführung 10 innerhalb der Kunststoffrohre 1 längs,
Figur 9:
eine Schnittansicht der Kanalführung 10 innerhalb der Kunststoffrohre 1 mit poröser Kanalfüllung 12 längs,
Figur 10:
eine Schnittansicht der Kanalführung 10 quer,
Figur 11:
eine Schnittansicht der Kanalführung 10 quer mit anderer Querschnittsform,
Figur 12:
eine Schnittansicht der Kanalführung 10 innerhalb der Kunststoffohre 1 quer mit dreieckiger Querschnittsform des Rohrs 1 und
Figur 13:
eine Schnittansicht der Kanalführung 10 quer mit individuell angepasster Querschnittsform an einen baulich freien Zugangsbereich für maximalen Wärmeabtransport.
Further features, properties and advantages of the present invention emerge from the following description with reference to the accompanying ones Figures 1 to 13 . It shows schematically:
Figure 1:
battery cooling with heat pipes 1,
Figure 2:
a motor 22 with curved heat pipes 1,
Figure 3:
a pulsating heat pipe schematic,
Figure 4:
several hotspots are cooled and drained centrally 3,
Figure 5:
a heat dissipation surface 3 with inlay,
Figure 6:
several individually designed heat input surfaces 2,
Figure 7:
a version in which the heat from each hotspot is dissipated individually,
Figure 8:
a longitudinal sectional view of the channel guide 10 within the plastic pipes 1,
Figure 9:
a longitudinal sectional view of the channel guide 10 within the plastic pipes 1 with porous channel filling 12,
Figure 10:
a cross-sectional view of the channel guide 10,
Figure 11:
a cross-sectional view of the channel guide 10 with a different cross-sectional shape,
Figure 12:
a cross-sectional view of the channel guide 10 within the plastic pipes 1 with a triangular cross-sectional shape of the pipe 1 and
Figure 13:
a cross-sectional view of the channel guide 10 with an individually adapted cross-sectional shape to a structurally free access area for maximum heat dissipation.

In den Ausführungsbeispielen und Figuren können gleiche oder gleich wirkende Elemente jeweils mit den gleichen Bezugszeichen versehen sein. Die dargestellten Elemente und deren Größenverhältnisse untereinander sind grundsätzlich nicht als maßstabsgerecht anzusehen, vielmehr können einzelne Elemente zur besseren Darstellbarkeit und/oder zum besseren Verständnis im Verhältnis größer dimensioniert dargestellt sein.In the exemplary embodiments and figures, identical or identically acting elements can each be provided with the same reference numerals. The elements shown and their size ratios In principle, each element should not be viewed as true to scale; rather, individual elements may be shown with relatively larger dimensions for better display and/or understanding.

Die Figuren 1 und 2 zeigen jeweils ein Anwendungsbeispiel für eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung. In der Figur 1 ist schematisch ein Block mit Batteriezellen 21 gezeigt, welcher über thermische Verbindungselemente an eine große gemeinsame Wärmeeintragsfläche 2 angekoppelt ist. Von dieser Wärmeeintragsfläche 2 führen mehrere Heatpipes 1 zu einer Wärmeabführfläche 3. Diese ist bevorzugt an einen Kühlkörper angeschlossen. Beispielsweise ist dies ein Luftkühlkörper mit Kühlrippen. Die Wärmeabführung kann alternativ über eine Wasserkühlung erfolgen. Die Wärmeeintragsfläche 2 sowie die Wärmeabführfläche 3 weisen bevorzugt Metall-Inlays für die Erhöhung des Wärmeeintrags und Wärmeaustrags auf.The Figures 1 and 2 each show an application example for an embodiment of the cooling device according to the invention. In the Figure 1 A block with battery cells 21 is shown schematically, which is coupled to a large common heat input surface 2 via thermal connecting elements. From this heat input surface 2, several heat pipes 1 lead to a heat dissipation surface 3. This is preferably connected to a heat sink. For example, this is an air heat sink with cooling fins. Alternatively, heat can be dissipated via water cooling. The heat input surface 2 and the heat dissipation surface 3 preferably have metal inlays for increasing the heat input and heat output.

Figur 2 zeigt eine alternative Anwendung, einen Elektromotor 22. Dieser weist verschiedene gebogene Heatpipes 1 auf, die am Motorgehäuse außen entlanglaufen, wobei sie an unterschiedlichen Stellen thermisch an den Motor 22 angekoppelt sind, bevorzugt über (nicht explizit dargestellte) Wärmeeintragsflächen 2. Figure 2 shows an alternative application, an electric motor 22. This has various curved heat pipes 1, which run along the outside of the motor housing, being thermally coupled to the motor 22 at different points, preferably via heat input surfaces 2 (not explicitly shown).

In Figur 3 ist noch das grundlegende Funktionsprinzip der pulsierenden Heatpipe 1 skizziert, deren Kühlkanal 10 in mehreren Windungen, insbesondere ein geschlossenes Kühlsystem bildet. Der Heatpipe-Kanal 10 kann beispielsweise mit porösem Material 12 gefüllt sein. Der Wärmeabtransport Q erfolgt von der Heißseite h zur Kaltseite c hin. Während im Stand der Technik nur planare pulsierende Heatpipes bekannt sind, wird in der vorliegenden Erfindung eine dreidimensionale pulsierende Heatpipe 1 angegeben, deren Kanäle 10 nicht in einer Ebene, sondern in einem Bündel angeordnet sind. Dieses Bündel kann unterschiedliche Querschnittsformen aufweisen, welche in den Figuren 10 bis 13 gezeigt sind. In den Figuren 8 und 9 sind Längsschnitte durch das Bündel gezeigt, welche aber keine planare Ausführung der pulsierenden Heatpipe nahelegen sollen.In Figure 3 The basic functional principle of the pulsating heat pipe 1 is also outlined, the cooling channel 10 of which forms a closed cooling system in several turns. The heat pipe channel 10 can be filled with porous material 12, for example. The heat removal Q takes place from the hot side h to the cold side c. While only planar pulsating heat pipes are known in the prior art, the present invention specifies a three-dimensional pulsating heat pipe 1 whose channels 10 are not arranged in a plane but in a bundle. This bundle can have different cross-sectional shapes, which are in the Figures 10 to 13 are shown. In the Figures 8 and 9 Longitudinal sections through the bundle are shown, but there are no planar design of the pulsating heat pipe should suggest.

Die Figur 4 zeigt zunächst eine große planare Wärmeabführungsfläche 3, welche einen Kühlkörper aufweisen kann, welcher z. B. über Wasser, oder Metall-Inlays Wärme Q abführt. Alternativ ist die Ankopplung an einen Luftkühlkörper mit Kühlrippen möglich. Von dieser gemeinsamen großen Ausführungsfläche 3 führen mehrere Zwei-Phasen-Kühlvorrichtungen 1 ab: Die drei gezeigten Zwei-Phasen-Kühlvorrichtungen 1 weisen beispielweise unterschiedliche Durchmesser und entsprechend unterschiedliche viele Kühlkanäle 10 auf. Dies kann eine Anpassung an eine Bauform und/oder an die Menge der abzuführenden Wärme Q sein. Alle Kühlvorrichtungsarme 1 enden jeweils in eine Wärmeeintragsfläche 2, die für eine möglichst effiziente Wärmeanbindung an das jeweils zu entwärmende Bauteil angepasst sein kann. Beispielsweise kann die eine Wärmeeintragsfläche 2 sehr klein und kompakt ausgeführt sein, während für einen anderen zu entwärmenden Hotspot eine größere Kontaktfläche 2 zur Verfügung steht.The Figure 4 first shows a large planar heat dissipation surface 3, which can have a heat sink, which z. B. dissipates heat Q via water or metal inlays. Alternatively, coupling to an air heat sink with cooling fins is possible. Several two-phase cooling devices 1 lead from this common large execution area 3: The three two-phase cooling devices 1 shown have, for example, different diameters and correspondingly different numbers of cooling channels 10. This can be an adaptation to a design and/or to the amount of heat Q to be dissipated. All cooling device arms 1 each end in a heat input surface 2, which can be adapted to the component to be cooled for the most efficient heat connection possible. For example, one heat input surface 2 can be designed to be very small and compact, while a larger contact surface 2 is available for another hotspot to be cooled.

Die Figur 5 zeigt ein vergleichbares Bild einer gemeinsamen Wärmeabführungsfläche 3 mit unterschiedlichen Kühlvorrichtungsarmen 1 zu drei unterschiedlichen Wärmeeintragsflächen 2. Auf der Wärmeausführungsfläche 3 ist ein metallisches Inlay gezeigt. Dies kann beispielsweise eine Metallfolie sein. Durch diese Ausführungsformen können mehrere Hotspots an unterschiedlichen Stellen gekühlt werden. Durch die additive Fertigung kann ein Heatpipearm 1 individuell an die Anlage angepasst und in diese integriert werden. Die Wärme Q wird dann zentral an eine Wasser- oder Luftkühlung abgeführt 3.The Figure 5 shows a comparable image of a common heat dissipation surface 3 with different cooling device arms 1 to three different heat input surfaces 2. A metallic inlay is shown on the heat transfer surface 3. This can be a metal foil, for example. These embodiments allow multiple hotspots to be cooled at different locations. Through additive manufacturing, a heat pipe arm 1 can be individually adapted to the system and integrated into it. The heat Q is then dissipated centrally to water or air cooling 3.

Figur 6 zeigt noch eine dritte Ansicht der gleichen Ausführungsform, bei der gut ersichtlich ist, wie unterschiedlich die Größe und Formen der Kühlarme 1 sowie der Wärmeeintragsflächen 2 gestaltet sein können. Figure 6 shows a third view of the same embodiment, in which it is clearly visible how different the size and shapes of the cooling arms 1 and the heat input surfaces 2 can be.

In Figur 7 ist eine alternative Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Entwärmung von Hotspots gezeigt. Auch hier sind mehrere Kühlarme 1 mit unterschiedlichen Wärmeeintragsflächen 2 gezeigt. Die Kühlarme haben jeweils eine eigene Wärmeaustragsfläche 3. Je nach Orientierung in einem Schaltschrank oder Motorraum kann die Wärme Q an unterschiedlichen Orten oder über unterschiedliche Systeme abgeführt werden.In Figure 7 An alternative embodiment of the device according to the invention for cooling hotspots is shown. Here too, several cooling arms 1 with different heat input surfaces 2 are shown. The cooling arms each have their own heat discharge surface 3. Depending on the orientation in a control cabinet or engine compartment, the heat Q can be dissipated at different locations or via different systems.

Die Figuren 8 bis 13 zeigen jeweils Querschnitte durch die Kanalführung 10 innerhalb der Heatpipe-Krakenarme 1: Die Figuren 8 und 9 jeweils einen Längsschnitt, in dem gezeigt ist, dass die Kühlkanäle 10 unterschiedliche Durchmesser aufweisen können oder mit porösem Material 12 gefüllt sein können.The Figures 8 to 13 each show cross sections through the channel guide 10 within the heat pipe octopus arms 1: Figures 8 and 9 each show a longitudinal section, in which it is shown that the cooling channels 10 can have different diameters or can be filled with porous material 12.

Die Figuren 10 bis 13 zeigen, wie individuell der Querschnitt der Kühlarme 1 ausgestaltet sein kann, um möglichst viele Kühlkanäle 10 auf vorgegebenem Raum verbauen zu können.The Figures 10 to 13 show how individually the cross section of the cooling arms 1 can be designed in order to be able to install as many cooling channels 10 as possible in a given space.

Obwohl die Erfindung im Detail durch die gezeigten Ausführungsbeispiele näher illustriert und beschrieben wurde, ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt.Although the invention has been illustrated and described in detail by the exemplary embodiments shown, the invention is not limited by the examples disclosed.

BezugszeichenReference symbols

11
Heat pipeHeat pipe
22
WärmeeintragungHeat input
33
Wärmeabführung über Kühlkörper, z.B. Wasser, Metall-Inlays, Luftkühlkörper mit RippenHeat dissipation via heat sinks, e.g. water, metal inlays, air heat sinks with fins
1010
Kanal für pulsierende HeatpipeChannel for pulsating heat pipe
1111
MetalldeckelMetal lid
1212
Kanal mit poröser FüllungCanal with porous filling
2121
Battery cell (simulator)Battery cell (simulator)
2222
elctric motorelectric motor
hH
Heißseite, VerdampferHot side, evaporator
cc
Kaltseite, KondensatorCold side, condenser
QQ
Wärme Innerhalb der Pipe: abwechselnde Flüssig- und Dampfphasen
Kondensator- bzw. Kaltseite kann Ventil der Heatpipe aufweisen
Heat Inside the pipe: alternating liquid and vapor phases
The condenser or cold side can have a heat pipe valve

Claims (15)

Vorrichtung zur Entwärmung, umfassend wenigstens eine additiv gefertigte dreidimensionale Zwei-Phasen-Kühlvorrichtung (1), welche aus elektrisch isolierendem Material gebildet ist.Device for heat dissipation, comprising at least one additively manufactured three-dimensional two-phase cooling device (1), which is made of electrically insulating material. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Zwei-Phasen-Kühlvorrichtung (1) insbesondere eine Heatpipe ist, insbesondere eine pulsierende Heatpipe.Device according to claim 1, wherein the two-phase cooling device (1) is in particular a heat pipe, in particular a pulsating heat pipe. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Zwei-Phasen-Kühlvorrichtung (1) Thermoplaste oder Duroplaste umfasst.Device according to claim 1 or 2, wherein the two-phase cooling device (1) comprises thermoplastics or thermosets. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Zwei-Phasen-Kühlvorrichtung (1) ein Polymer, insbesondere Acrylnitril-Butadien-Styrol-Copolymerisat (ABS), Polycaprolactam (PA6), Polyetherimide (PEI) oder ein palladiumdotiertes Flüssigkristallpolymer (LCP) umfasst.Device according to one of the preceding claims, wherein the two-phase cooling device (1) comprises a polymer, in particular acrylonitrile-butadiene-styrene copolymer (ABS), polycaprolactam (PA6), polyetherimides (PEI) or a palladium-doped liquid crystal polymer (LCP). Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Zwei-Phasen-Kühlvorrichtung eine Vielzahl an Kanälen aufweist.Device according to one of the preceding claims, wherein the two-phase cooling device has a plurality of channels. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Zwei-Phasen-Kühlvorrichtung (1) mit einer Schutzschicht überzogen ist.Device according to one of the preceding claims, wherein the two-phase cooling device (1) is covered with a protective layer. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, umfassend wenigstens eine Wärmeeintragsfläche (2) und/oder wenigstens eine Wärmeabführungsfläche (3).Device according to one of the preceding claims, comprising at least one heat input surface (2) and/or at least one heat dissipation surface (3). Vorrichtung nach vorstehendem Anspruch 7, wobei Wärmeeintragsfläche (2) und/oder Wärmeabführungsfläche (3) ein Metall oder einen Kunststoff mit hoher Wärmeleitfähigkeit umfassen.Device according to the preceding claim 7, wherein the heat input surface (2) and/or heat dissipation surface (3) comprise a metal or a plastic with high thermal conductivity. Vorrichtung nach vorstehendem Anspruch 8, wobei Wärmeeintragsfläche (2) und/oder Wärmeabführungsfläche (3)
ein Polymerkomposit mit hoher Wärmeleitfähigkeit umfassen, welches im selben Fertigungsschritt mit der Heatpipe additiv gefertigt wurde.
Device according to the preceding claim 8, wherein heat input surface (2) and/or heat dissipation surface (3)
include a polymer composite with high thermal conductivity, which was additively manufactured in the same manufacturing step with the heat pipe.
Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei Wärmeeintragsfläche (2) und/oder Wärmeabführungsfläche (3) ein Inlay aus Metall und/oder Keramik umfassen, welches in den Aufbau eingepresst, eingeklebt oder verschweißt ist.Device according to claim 8, wherein the heat input surface (2) and/or heat dissipation surface (3) comprise an inlay made of metal and/or ceramic, which is pressed, glued or welded into the structure. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche 7 bis 10, umfassend wenigstens zwei Wärmeeintragsflächen (2), welche über jeweils eine Zwei-Phasen-Kühlvorrichtung (1) an eine gemeinsame Wärmeabführungsfläche (3) thermisch angebunden sind.Device according to one of the preceding claims 7 to 10, comprising at least two heat input surfaces (2), each of which is thermally connected to a common heat dissipation surface (3) via a two-phase cooling device (1). Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche 7 bis 10, umfassend wenigstens zwei Wärmeabführungsflächen (3), welche über jeweils eine Zwei-Phasen-Kühlvorrichtung (1) an eine gemeinsame Wärmeeintragsfläche (2) thermisch angebunden sind.Device according to one of the preceding claims 7 to 10, comprising at least two heat dissipation surfaces (3), each of which is thermally connected to a common heat input surface (2) via a two-phase cooling device (1). Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem die Zwei-Phasen-Kühlvorrichtung (1) mittels additiver Fertigung hergestellt wird.Method for producing a device according to one of the preceding claims, in which the two-phase cooling device (1) is produced by means of additive manufacturing. Verfahren nach Anspruch 13, bei dem sowohl Zwei-Phasen-Kühlvorrichtung (1) als auch Wärmeeintragsfläche (2) und/oder Wärmeabführungsfläche (3) mittels additiver Fertigung im selben Fertigungsschritt hergestellt werden.Method according to claim 13, in which both the two-phase cooling device (1) and the heat input surface (2) and/or heat dissipation surface (3) are produced by means of additive manufacturing in the same manufacturing step. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 oder 13, bei dem eines der additiven Fertigungsverfahren Material Extrusion, Stereolithography, Selective Laser Sintering, Binder Jetting, Folienlaminierung oder direkte Laserabscheidung eingesetzt wird.Method according to one of claims 12 or 13, in which one of the additive manufacturing processes material extrusion, stereolithography, selective laser sintering, binder jetting, film lamination or direct laser deposition is used.
EP22186136.2A 2022-07-21 2022-07-21 Integratable passive heat dissipation Pending EP4310429A1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
EP22186136.2A EP4310429A1 (en) 2022-07-21 2022-07-21 Integratable passive heat dissipation

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
EP22186136.2A EP4310429A1 (en) 2022-07-21 2022-07-21 Integratable passive heat dissipation

Publications (1)

Publication Number Publication Date
EP4310429A1 true EP4310429A1 (en) 2024-01-24

Family

ID=82656550

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
EP22186136.2A Pending EP4310429A1 (en) 2022-07-21 2022-07-21 Integratable passive heat dissipation

Country Status (1)

Country Link
EP (1) EP4310429A1 (en)

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11045912B2 (en) * 2019-06-18 2021-06-29 Hamilton Sundstrand Corporation Method of fabricating an oscillating heat pipe
US20210254899A1 (en) * 2020-02-14 2021-08-19 Hamilton Sundstrand Corporation Compliant oscillating heat pipes

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11045912B2 (en) * 2019-06-18 2021-06-29 Hamilton Sundstrand Corporation Method of fabricating an oscillating heat pipe
US20210254899A1 (en) * 2020-02-14 2021-08-19 Hamilton Sundstrand Corporation Compliant oscillating heat pipes

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
BRIGHENTI ROBERTO ET AL: "Laser-based additively manufactured polymers: a review on processes and mechanical models", JOURNAL OF MATERIAL SCIENCE, KLUWER ACADEMIC PUBLISHERS, DORDRECHT, vol. 56, no. 2, 29 September 2020 (2020-09-29), pages 961 - 998, XP037280915, ISSN: 0022-2461, [retrieved on 20200929], DOI: 10.1007/S10853-020-05254-6 *

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP1406297B1 (en) Microstructure cooling device and use thereof
EP2513584B1 (en) Thermoelectric heat exchanger
DE102011102850A1 (en) Thermal diffuser and cooling device for cooling a heat source using it
DE102008031786B4 (en) LED module with a heat sink
DE10049274B4 (en) Cooling device and method for its production
EP2262018A2 (en) Thermoelectric device and method for producing same
DE102012213059A1 (en) cooling jacket
WO2009143643A1 (en) Water-cooled reactor
EP2305016B1 (en) Aircraft signal computer system having a plurality of modular signal computer units
DE102017210237A1 (en) Circuit carrier for an electronic circuit and method for its production
DE102014013958A1 (en) Liquid-cooled motor vehicle control unit, motor vehicle with this, and method for cooling an electronic component of a motor vehicle control unit
WO2011157333A2 (en) Electrothermal conversion
DE102013219090B4 (en) Housing for a sensor system in a vehicle
EP4310429A1 (en) Integratable passive heat dissipation
DE102021103782A1 (en) ELECTRONIC ARRANGEMENT WITH ADDITIONAL COOLING AND EXTRUDED COOLING ROOM
DE202014105179U1 (en) Electrical resistance
WO2018069174A1 (en) System having a substrate and an electronics system, and method for producing a substrate
DE102019120835A1 (en) Stator for an electric machine with high-performance cooling, electric machine, motor vehicle
EP2347496B1 (en) Linearmotor with a conductor arrangement and method for its cooling
DE202008008399U1 (en) Board for the production of electrical energy with fixed temperature difference
DE202016106971U1 (en) Thermoelectric generator device
DE102009046393A1 (en) Inductor for use in transformer for transformation of electrical current, has winding provided with electrically conductive conductor that is designed as heat pipe provided for cooling inductor
EP4071800A1 (en) Semiconductor assembly with cooling
WO2020260537A1 (en) Receiving device for receiving and cooling insertion modules
DE102021119213B4 (en) Helix channel cooler unit

Legal Events

Date Code Title Description
PUAI Public reference made under article 153(3) epc to a published international application that has entered the european phase

Free format text: ORIGINAL CODE: 0009012

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: THE APPLICATION HAS BEEN PUBLISHED

AK Designated contracting states

Kind code of ref document: A1

Designated state(s): AL AT BE BG CH CY CZ DE DK EE ES FI FR GB GR HR HU IE IS IT LI LT LU LV MC MK MT NL NO PL PT RO RS SE SI SK SM TR