FR2681757A1

FR2681757A1 - COOLING DEVICE FOR ELECTRICAL COMPONENTS.

Info

Publication number: FR2681757A1
Application number: FR9211251A
Authority: FR
Inventors: Prokopp Alexander
Original assignee: Behr Industrieanlagen GmbH and Co KG
Current assignee: Mahle Behr Industry GmbH and Co KG
Priority date: 1991-09-24
Filing date: 1992-09-22
Publication date: 1993-03-26
Anticipated expiration: 2012-09-22
Also published as: IT1255588B; FR2681757B1; DE4131739A1; DE4131739C2; ITMI922105A0; CH685140A5; ITMI922105A1

Abstract

L'invention concerne un dispositif de refroidissement pour composants électriques comportant au moins une cavité plate parcourue par du liquide ainsi que des raccords d'entrée et de sortie. La cavité 14 est formée entre deux composants 11, 12 sensiblement en forme de plaques, dont au moins un premier composant 11 est constitué d'un métal - de préférence un alliage de métal léger - et dans la cavité 14 est disposé un élément d'insertion 13 ayant à peu près la forme d'une bande ondulée.The invention relates to a cooling device for electrical components comprising at least one flat cavity through which the liquid flows, as well as inlet and outlet connections. The cavity 14 is formed between two components 11, 12 substantially in the form of plates, of which at least a first component 11 consists of a metal - preferably a light metal alloy - and in the cavity 14 is arranged an element of insert 13 having approximately the shape of a corrugated strip.

Description

La présente invention concerne un dispositif de refroidissement pourThe present invention relates to a cooling device for

composants électriques comportant au moins une cavité plate parcourue par du liquide ainsi electrical components comprising at least one flat cavity traversed by liquid and

que des raccords d'entrée et de sortie. only inlet and outlet connections.

D'après le document DE-A-39 08 996, un corps de refroidissement, parcouru par liquide, pour composants semiconducteurs, contient des canaux de refroidissement qui s'étendent en forme de méandres depuis un raccord According to DE-A-39 08 996, a liquid-cooled cooling body for semiconductor components contains cooling channels which extend in the form of meanders from a connection.

d'entrée jusqu'à un raccord de sortie Le corps de re- input to an output connection

froidissement a la forme d'un parallélépipède et est constitué d'une matière plastique ou de céramique Malgré cooling in the form of a parallelepiped and consists of a plastic or ceramic material Despite

le profil en forme de méandres des canaux de refroidis- the meandering profile of the cooling channels

sement, la surface en contact avec le liquide de refroi- the surface in contact with the cooling liquid

dissement est limitée et également les matériaux proposés ( matière plastique ou céramique) permettent seulement dissement is limited and also the proposed materials (plastic or ceramic material) only allow

une évacuation limitée de la chaleur. limited heat dissipation

D'après le document DE-A-39 37 130, il est According to DE-A-39 37 130, it is

cornu un dispositif de refroidissement servant à refroi- a cooling device for cooling

dir des composants électriques, et dans lequel un boîtier intérieur de refroidissement en métal est pourvu d'un electrical components, and wherein an inner metal cooling case is provided with a

grand nombre de canaux parallèles de fluide, qui s'éten- a large number of parallel channels of fluid, which extend

dent entre une entrée d'agent de refroidissement et tooth between a cooling agent inlet and

une sortie d'agent de refroidissement Le boîtier inté- a coolant outlet The integrated housing

rieur de refroidissement est disposé, avec interposition d'une enveloppe isolante, dans un boîtier extérieur sur la surface duquel les composants électriques seront disposés en vue d'une évacuation de la chaleur Dans le boîtier de refroidissement connu, évidemment la surface sollicitée par le fluide de refroidissement est plus grande que dans les canaux en forme de méandres; cet avantage est cependant compensé au moins partiellement par la couche isolante prévue entre le boîtier intérieur et le boîtier extérieur Pour des raisons concernant les techniques de fabrication, les nervures existant entre les canaux doivent avoir une épaisseur déterminée et en outre, pour un nombre croissant de nervures, la The cooling element is arranged, with the interposition of an insulating casing, in an outer casing on the surface of which the electrical components will be arranged in order to evacuate the heat. In the known cooling casing, obviously the surface required by the fluid cooling is greater than in meandering channels; this advantage is however compensated at least partially by the insulating layer provided between the inner casing and the outer casing. For reasons relating to the manufacturing techniques, the ribs existing between the channels must have a determined thickness and, in addition, for a growing number of ribs, the

surface de la section de passage de l'eau de refroidisse- surface of the cross-section of cooling water-

ment diminue, ce qui a pour conséquence une augmentation decreased, which resulted in an increase

de la baisse de pression.of the pressure drop.

D'après le document DE-A-35 04 207, il est connu un échangeur de chaleur air/air pour des coffrets électroniques, o il est prévu, pour créer une surface de transmission de chaleur aussi grande que possible, un profil superficiel avec plis, qui est sollicité par DE-A-35 04 207 discloses an air / air heat exchanger for electronic enclosures, where it is intended to create a heat transmission surface as large as possible, a surface profile with folds, which is solicited by

le courant d'air de refroidissement. the cooling air flow.

L'objet de la présente invention est de créer The object of the present invention is to create

un dispositif de refroidissement pour composants électri- a cooling device for electrical components

ques du type défini dans le premier paragraphe de telle sorte qu'il ait une structure simple et un grand pouvoir de transmission de chaleur Ce problème est résolu, pour un dispositif de refroidissement du type précité, en ce que la cavité est formée entre deux composants sensiblement en forme de plaques, dont au moins un premier composant est constitué d'un métal de préférence un alliage de métal léger et en ce que dans la cavité est disposé un élément d'insertion ayant à peu près The problem is solved for a cooling device of the aforementioned type in that the cavity is formed between two components of the type defined in the first paragraph so that it has a simple structure and a great heat transfer power. substantially in the form of plates, of which at least a first component is made of a metal preferably a light metal alloy and in that in the cavity is disposed an insertion element having approximately

la forme d'une bande ondulée.the shape of a wavy band.

Les avantages essentiels du dispositif de The essential advantages of the

refroidissement conforme à l'invention consistent notam- according to the invention consist in particular of

ment en ce que celui-ci se compose de parties de forme simple et faciles à fabriquer et que, pour une grande surface de transmission de chaleur, il se produit une perte de pression relativement faible dans le dispositif in that it consists of parts of simple shape and easy to manufacture and that, for a large heat transfer surface, there is a relatively low pressure loss in the device

de refroidissement.cooling.

Selon une autre particularité avantageuse According to another advantageous particularity

de l'invention, l'élément d'insertion comporte, perpen- of the invention, the insertion element comprises,

diculairement à la direction de passage d'écoulement, un grand nombre d'ondulations qui sont orientées dans la direction de passage de l'écoulement seulement sur une partie de la longueur de la cavité et plusieurs rangées de telles ondulations sont disposées l'une après l'autre, la rangée respectivement suivante étant disposée in the direction of the flow passage, a large number of corrugations which are oriented in the direction of passage of the flow only over a part of the length of the cavity and several rows of such corrugations are disposed one after the other, the next row being arranged

avec un décalage latéral par rapport à la rangée précé- with a lateral offset from the previous row

dente. Par ce moyen, il se produit, sans utilisation additionnelle de matière et tout en maintenant la libre section de passage pour le liquide de refroidissement, toothed. By this means, it occurs, without additional use of material and while maintaining the free passage section for the coolant,

une mise en turbulence intensive du liquide de refroidis- intensive turbulence of the coolant

sement Ces turbulences empêchent des écoulements lami- This turbulence prevents the flow of

naires et assurent une transmission efficace de chaleur and ensure efficient heat transfer

du composant métallique au liquide de refroidissement. from the metal component to the coolant.

Pour augmenter la transmission de chaleur du composant métallique à l'élément d'insertion, il est avantageux To increase the heat transfer of the metal component to the insertion element, it is advantageous

que les ondulations aient une forme à peu près rectangu- that the undulations have a roughly rectangular shape

laire ou trapézoïdale Ainsi la surface d'application de l'élément d'insertion contre le composant métallique est augmentée Pour une exploitation optimale de la surface disponible dans la cavité, il est en outre proposé que les rangées d'ondulations se suivent directement In this way, the surface of application of the insertion element against the metal component is increased. For an optimal exploitation of the available surface in the cavity, it is furthermore proposed that the rows of corrugations follow each other directly.

sans espacement.without spacing.

Il est en outre avantageux que l'élément d'in- It is furthermore advantageous that the element of

sertion soit d'une seule pièce et se compose d'une tôle d'aluminium, qui est en bonne liaison de transmission either in one piece and consists of an aluminum sheet, which is in good transmission

de chaleur avec le composant métallique La tôle d'alu- of heat with the metal component

minium a avantageusement une épaisseur d'environ 0,15 mm minium preferably has a thickness of about 0.15 mm

et la longueur partielle est comprise entre 2 et 5 mm. and the partial length is between 2 and 5 mm.

Ces moyens aux dimensions font en sorte que la baisse de pression soit maintenue extrêmement faible et qu'il existe un grand nombre de zones de tourbillonnement These dimensional means ensure that the pressure drop is kept extremely low and that there are a large number of swirl zones

pour la production de turbulences Pour une bonne exploi- for the production of turbulence For a good exploitation

tation de la cavité disponible, l'élément d'insertion doit S ' étendre sur plus de 90 % de la surf ace de la of the available cavity, the insertion element should extend over more than 90% of the

cavité Conformément à une première variante de réalisa- In accordance with a first embodiment variant

tion, la cavité est créée par un évidement formé dans un des composants et l'autre composant est agencé the cavity is created by a recess formed in one of the components and the other component is arranged

sous forme d'une plaque plane qui recouvre l'évidement. in the form of a flat plate which covers the recess.

Pour une normalisation des composants, une seconde varian- For standardization of components, a second

te de réalisation est conçue de telle sorte que les deux composants aient une épaisseur à peu près identique et que chacun de ces composants comporte un évidement, the embodiment is designed such that the two components are of approximately the same thickness and each of these components has a recess,

les deux évidements formant ensemble la cavité La profon- the two recesses together forming the cavity

deur des deux évidements associés correspond alors à la hauteur de l'élément d'insertion L'assemblage ou la liaison des pièces peut être réalisé de différentes manières A cet égard, on considère comme une solution avantageuse que les deux composants soient constitués du même matériau et soient liés à l'aide du matériau The combination of the two associated recesses then corresponds to the height of the insertion element The assembly or the connection of the parts can be achieved in different ways. In this respect, it is considered as an advantageous solution that the two components consist of the same material. and be linked using the material

aussi bien sur leurs bords qu'avec l'élément d'insertion. as well on their edges as with the insertion element.

Pour des dispositifs de refroidissement dans lesquels le second composant ne doit pas être formé d'un métal ou bien lorsque pour des raisons quelconques un matériau For cooling devices in which the second component does not have to be made of metal or for any reason a material

métallique ne convient pas, il est considéré comme judi- metal is not suitable, it is considered to be

cieux de disposer entre les composants, le long du bord entourant la cavité, un moyen d'étanchéité et de relier between the components, along the edge surrounding the cavity, a sealing and connecting means

les deux composants mécaniquement l'un avec l'autre. the two components mechanically with each other.

D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront mis en évidence dans la suite de Other features and advantages of the invention will be highlighted in the following

la description, donnée à titre d'exemple non limitatif, the description given by way of non-limiting example,

en référence aux dessins annexés dans lesquels: la Figure 1 est une vue en coupe longitudinale d'un dispositif de refroidissement relié mécaniquement; la Figure 2 est une vue en coupe faite suivant la ligne II-II de la Figure 1; la Figure 3 est une vue en coupe faite suivant la ligne III-III de la Figure 2; la Figure 4 est une variante de réalisation de la Figure 1, avec liaison des composants par le matériau; et with reference to the accompanying drawings in which: Figure 1 is a longitudinal sectional view of a mechanically connected cooling device; Figure 2 is a sectional view taken along the line II-II of Figure 1; Figure 3 is a sectional view taken along the line III-III of Figure 2; Figure 4 is an alternative embodiment of Figure 1, with connection of the components by the material; and

les Figures 5 à 7 représentent différentes formes d'ondu- Figures 5 to 7 show different forms of

lations de l'élément d'insertion.lations of the insertion element.

La Figure 1 représente une vue en coupe longi- Figure 1 shows a sectional longitudinal view of

tudinale d'un dispositif de refroidissement 10, qui a une forme de parallélépipède plat et qui se compose dans l'essentiel de deux composants 11 et 12 en forme de plaques Aussi bien le premier composant 11 que le second composant 12 sont constitués de matériaux métalli- ques Le premier composant 11 est pourvu d'un évidement 18 qui délimite, entre le premier composant 11 et le second composant 12 qui est agencé sous forme d'une plaque plane une cavité 14 dans laquelle est disposé of a cooling device 10, which has a flat parallelepipedal shape and which consists essentially of two components 11 and 12 in the form of plates Both the first component 11 and the second component 12 consist of metallic materials The first component 11 is provided with a recess 18 which delimits, between the first component 11 and the second component 12 which is arranged in the form of a flat plate, a cavity 14 in which is disposed

un élément d'insertion 13 constitué par une bande métalli- an insertion element 13 consisting of a metal strip

que ondulée L'élément d'insertion 13 est soudé sur le premier composant 11 Le long du bord de la cavité 14, il est prévu entre le premier composant 11 et le second composant 12 un joint d'étanchéité 15 qui assure l'étanchéité vers l'extérieur de la cavité 14 parcourue par du liquide Le premier composant 11 est pourvu de trous filetés 16 qui servent à recevoir des vis 17 à The insertion element 13 is welded to the first component 11. Along the edge of the cavity 14, there is provided between the first component 11 and the second component 12 a seal 15 which seals to the first component 11. the outside of the cavity 14 traversed by liquid The first component 11 is provided with threaded holes 16 which serve to receive screws 17 to

l'aide desquelles le second composant 12 est fixé mécani- the aid of which the second component 12 is mechanically

quement sur le premier composant 11 Les flèches Q indi- the first component 11 The arrows Q indi-

quent l'action de la chaleur sur le dispositif de refroi- the effect of heat on the cooling device

dissement 10, cette chaleur étant produite par des compo- 10, this heat being produced by

sants électriques fixés sur la surface du dispositif electrical devices attached to the surface of the device

de refroidissement 10.cooling 10.

Sur la Figure 2, on a mis en évidence l'étendue superficielle de l'évidement 18 existant dans le premier composant 11 du dispositif de refroidissement 10, les raccords pour un conduit de fluide de refroidissement étant disposés sur les côtés étroits correspondants du premier composant 11 La référence numérique 22 désigne un raccord d'entrée et la référence numérique 23 un raccord de sortie Dans la cavité formée par l'évidement 18 est disposé l'élément d'insertion 13 qui est constitué d'une tôle métallique ondulée 25 Les ondulations sont orientées transversalement à la direction de passage du fluide de refroidissement, auquel cas en considérant la direction de l'écoulement cette disposition des ondulations est prévue seulement sur une partie S de la longueur totale 1 de la cavité 14 Du fait que la longueur partielle S par rangée 20, 21 est relativement petite par rapport à la longueur 1, la tôle métallique ondulée 25 comporte un grand nombre de rangées 20, 21, mais cependant des rangées respectivement successives In FIG. 2, the surface extent of the recess 18 existing in the first component 11 of the cooling device 10 has been demonstrated, the connections for a cooling fluid duct being arranged on the corresponding narrow sides of the first component. The reference numeral 22 designates an inlet connection and the numerical reference 23 an outlet connection. In the cavity formed by the recess 18 is disposed the insertion element 13 which consists of a corrugated metal sheet. are oriented transversely to the direction of passage of the cooling fluid, in which case considering the direction of the flow this arrangement of the corrugations is provided only on a portion S of the total length 1 of the cavity 14 Because the partial length S per row 20, 21 is relatively small compared to the length 1, the corrugated metal sheet 25 has a large number of rows es 20, 21, but however the respectively successive rows

sont décalées latéralement entre elles L'élément d'in- are offset laterally between them.

sertion 13 est espacé respectivement d'une distance a par rapport aux bords frontaux de l'évidement 18, et qui sert à répartir avantageusement le liquide de refroidissement sur toute la largeur de l'évidement 18. La Figure 3 est une vue en coupe f aite suivant 13 is spaced respectively from a distance a with respect to the front edges of the recess 18, and which serves to advantageously distribute the coolant over the entire width of the recess 18. FIG. 3 is a sectional view of FIG. next

la ligne III-III de la Figure 2 On se rend compte nette- line III-III of Figure 2 It is clear that

ment à cet égard que l'élément d'insertion 13 situé dans l'évidement 18 du premier composant 11 comporte une ondulation orientée perpendiculairement à la direction de passage de l'écoulement, cette ondulation ayant une in this respect that the insertion element 13 located in the recess 18 of the first component 11 comprises a corrugation oriented perpendicular to the direction of passage of the flow, this corrugation having a

forme rectangulaire.rectangular shape.

Sur la Figure 4 est représentée une autre forme de réalisation d'un dispositif de refroidissement , qui se compose d'un premier composant 31, comportant un évidement 33 s'étendant approximativement sur toute la longueur, et d'un second composant constitué par une plaque plane 32 L 1 'évidement 33 forme entre le premier composant 31 et la plaque plane 32 une cavité 34 dans laquelle est situé l'élément d'insertion 13, qui s'étend approximativement sur toute la longueur de la cavité 34 Dans la cavité 34 débouche, sur un côté du premier composant 31, un raccord d'entrée 35 et il est prévu à l'autre extrémité de la cavité 34, dans le premier composant 31, un raccord de sortie 36 Les composants 31 et 32 ainsi que l'élément d'insertion 13 sont formés d'aluminium et sont soudés entre eux sur leurs surfaces Figure 4 shows another embodiment of a cooling device, which consists of a first component 31, having a recess 33 extending approximately the entire length, and a second component consisting of a Flat plate 32 L 1 'recess 33 forms between the first component 31 and the flat plate 32 a cavity 34 in which is located the insertion element 13, which extends approximately over the entire length of the cavity 34 In the cavity 34 opens on one side of the first component 31, an inlet connector 35 and is provided at the other end of the cavity 34, in the first component 31, an outlet connector 36 The components 31 and 32 and the inserter 13 are formed of aluminum and are welded to each other on their surfaces

d'application respectives.respective applications.

Sur la Figure 5 est représentée à échelle agrandie une vue en coupe de l' élément d'insertion 13 considéré dans la direction d'écoulement du fluide de refroidissement L'élément d'insertion se compose In Figure 5 is shown on an enlarged scale a sectional view of the insertion element 13 considered in the direction of flow of the cooling fluid. The insertion element is composed of

d'une tôle métallique ondulée 25, les ondulations compor- corrugated metal sheet 25, the corrugations

tant des flancs 26 approximativement verticaux et des sommets 27 plans Les ondulations représentées par des both sides 26 approximately vertical and vertices 27 planes The undulations represented by

hachures correspondent à la première rangée 20 d'ondula- hatches correspond to the first row 20 of corrugated

tions, la rangée suivante 21 d'ondulations étant disposée avec un décalage latéral par rapport à la rangée 20, ce qui est représenté par les flancs 26 * et les sommets tions, the next row 21 of corrugations being arranged with a lateral offset with respect to the row 20, which is represented by the flanks 26 * and the vertices

27 * profilés d'une manière identique. 27 * profiles in an identical way.

La Figure 6 représente une vue en coupe à échelle agrandie d'une autre forme de réalisation de l'élément d'insertion 13, qui comporte dans ce cas des flancs disposés en forme de V et des sommets en forme de coupole On n'a pas fait intervenir dans ce cas 6 is an enlarged sectional view of another embodiment of the insertion element 13, which in this case comprises V-shaped flanks and dome-shaped tops. not involved in this case

le décalage latéral, ou bien la disposition de différen- side shift, or the arrangement of different

tes rangées d'ondulations.your rows of undulations.

La Figure 7 représente un élément d'insertion 13 de profil analogue à celui de la Figure 5, qui se FIG. 7 represents an insertion element 13 of profile similar to that of FIG.

compose également d'une tôle métallique 25 A la différen- It also consists of a metal sheet 25

ce de la Figure 5, la forme des ondulations est cependant trapézoïdale, c'est-à-dire qu'il est prévu entre des this of Figure 5, the shape of the undulations is however trapezoidal, that is to say that is provided between

sommets plans 27 les flancs disposés en oblique 26. planar vertices 27 flanks arranged obliquely 26.

Claims

1 Component cooling device

having at least one flat cavity

by liquid and inlet and outlet connections, characterized in that the cavity (14, 34)

formed between two components (11, 12; 31, 32)

plate-shaped, of which at least a first

component (11, 31) consists of a metal of

light metal alloy and that in the cavity (14, 34) is arranged an insertion element

(13) having roughly the shape of a corrugated band.

2 cooling device according to the reverin-

1, characterized in that the insertion element (13) has a large number of corrugations perpendicular to the flow direction.

which are oriented in the direction of passage of the

only one part (s) of the length (1) of the cavity (14, 34) and several rows (20, 21) of such undulations are arranged one after the other, the next row respectively (21). being willing

with a lateral offset from the previous row

dente (20).

3 Cooling device according to one of

1 or 2, characterized in that the corrugations

roughly rectangular shape or

trapezoidal shape.

4 Cooling device according to the

cation 2, characterized in that the rows (20, 21) of corrugations are arranged following each other directly

without spacing.

Cooling device according to one of

Claims 1 to 4, characterized in that the element

insert (13) is in one piece and consists of an aluminum sheet (25), which is in good heat conductive connection with the metal component

(11th, 31).

6 Cooling device according to the

cation 5, characterized in that the aluminum sheet

(25) has a thickness of about 0.15 mm.

Cooling device according to claim 2, characterized in that the partial length

(s) is raised to about 2 mm to 5 mm.

8 Cooling device according to one of

Claims 1 to 7, characterized in that the element

insertion (13) extends over more than 90% of the surface

of the cavity (14, 34).

9 Cooling device according to one of

Claims 1 to 8, characterized in that the cavity

(14, 34) is created by a recess (18, 33) provided in the first component (11, 31) and the second component (12, 32) is a flat plate which covers the recess

(18, 33).

Cooling device according to one of

Claims 1 to 8, characterized in that the two

components have about the same thickness and each of these components has a recess, these recesses

forming together the aforementioned cavity.

11 Cooling device according to one of

Claims 1 and 5, characterized in that the two

components (31, 32) consist of the same material and are connected by combination of material on their

edges as well as with the insertion element (13).

12 Cooling device according to one of

Claims 1 to 10, characterized in that provision is made

sealing means (15) between the components (11, 12) along the edge surrounding the cavity (14), and the two components (11, 12) are mechanically connected to one another

with the other.