FR3125116A1 - Cooling circuit of a voltage converter, equipped with fins - Google Patents
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Abstract
La présente invention propose un circuit de refroidissement pour composant électronique, notamment pour convertisseur de tension, comprenant un canal de refroidissement dans lequel s’écoule un fluide de refroidissement, le canal comprenant une surface interne en contact avec le fluide de refroidissement, et au moins un élément s’étendant en saillie depuis la surface interne, ledit élément définissant une première ailette et au moins une deuxième ailette coupant la première ailette. Figure pour l’abrégé : Fig.3The present invention proposes a cooling circuit for an electronic component, in particular for a voltage converter, comprising a cooling channel in which a cooling fluid flows, the channel comprising an internal surface in contact with the cooling fluid, and at least a member projecting from the inner surface, said member defining a first fin and at least one second fin intersecting the first fin. Figure for abstract: Fig.3
Description
La présente invention concerne le refroidissement de composants électroniques du moteur électrique d’un véhicule automobile, tels que les composants d’un convertisseur de tension.The present invention relates to the cooling of electronic components of the electric motor of a motor vehicle, such as the components of a voltage converter.
Une machine électrique tournante comprend un rotor mobile en rotation autour d’un axe et un stator bobiné fixe. Le bobinage statorique est connecté au convertisseur de tension. En mode alternateur, lorsque le rotor est en rotation, il induit un champ magnétique au stator que le convertisseur de tension transforme en courant électrique afin d’alimenter les consommateurs électriques du véhicule et de recharger la batterie. En mode moteur, le stator est alimenté électriquement et induit un champ magnétique entraînant le rotor en rotation par exemple pour démarrer le moteur thermique.A rotating electrical machine comprises a mobile rotor in rotation around an axis and a fixed wound stator. The stator winding is connected to the voltage converter. In alternator mode, when the rotor is rotating, it induces a magnetic field in the stator which the voltage converter transforms into electric current in order to supply the electrical consumers of the vehicle and recharge the battery. In motor mode, the stator is electrically powered and induces a magnetic field driving the rotor in rotation, for example to start the heat engine.
Le convertisseur de tension, logé dans un logement électronique, comporte un étage de puissance permettant de recevoir ou de fournir un signal électrique de puissance aux phases électriques du bobinage. L’étage de puissance comprend au moins un module de puissance comportant un terminal de puissance agencé pour être connecté électriquement à une sortie de phase pour former une connexion de phase. Le module de puissance forme un pont redresseur de tension pour transformer la tension alternative générée par les phases du stator en une tension continue et/ou, à l’inverse, pour transformer une tension continue en une tension alternative pour alimenter les phases du stator. Le convertisseur de tension comporte également un étage de commande comprenant un module de commande permettant le pilotage du ou des modules de puissance ainsi que de réguler, dans le cas d’un rotor bobiné, - le courant injecté via le porte-balais au rotor et de faire l’interface avec un calculateur externe du véhicule.The voltage converter, housed in an electronic housing, comprises a power stage making it possible to receive or supply an electrical power signal to the electrical phases of the winding. The power stage includes at least one power module having a power terminal arranged to be electrically connected to a phase output to form a phase connection. The power module forms a voltage rectifier bridge to transform the alternating voltage generated by the phases of the stator into a direct voltage and/or, conversely, to transform a direct voltage into an alternating voltage to supply the phases of the stator. The voltage converter also comprises a control stage comprising a control module allowing the control of the power module(s) as well as regulating, in the case of a wound rotor, - the current injected via the brush holder into the rotor and to interface with an external computer of the vehicle.
Lors du fonctionnement de la machine, la température du module de puissance s’élève, la valeur de cette élévation de cette température étant liée au dimensionnement du module. L’augmentation excessive de température va créer des dommages importants au niveau des composants électroniques.During operation of the machine, the temperature of the power module rises, the value of this rise in this temperature being linked to the dimensioning of the module. The excessive increase in temperature will cause significant damage to electronic components.
Pour limiter ces effets thermiques, il est connu d’utiliser un circuit de refroidissement du logement électronique. Le circuit de refroidissement est disposé avantageusement sous le module de puissance et comporte un canal dans lequel circule un fluide de refroidissement, le fluide entrant par une entrée dudit fluide et sortant par une sortie de fluide.To limit these thermal effects, it is known to use a cooling circuit for the electronic housing. The cooling circuit is advantageously arranged under the power module and comprises a channel in which a cooling fluid circulates, the fluid entering through an inlet of said fluid and exiting through a fluid outlet.
Le canal est délimité par une paroi dont une surface interne est au contact du fluide de refroidissement et une surface externe est au contact de l’électronique à refroidir. La paroi assure ainsi par conduction thermique le transfert des calories provenant de l’échauffement de l’électronique vers le fluide de refroidissement qui par sa circulation les évacue à l’extérieur du système.The channel is delimited by a wall whose internal surface is in contact with the cooling fluid and an external surface is in contact with the electronics to be cooled. The wall thus ensures by thermal conduction the transfer of calories from the heating of the electronics to the cooling fluid which by its circulation evacuates them outside the system.
Cependant l’efficacité de cet échange de calories à l’interface entre le fluide et la paroi peut être limité, pénalisant ainsi le refroidissement des composants électroniques, ces derniers n’étant ainsi pas refroidis de façon optimale.However, the efficiency of this calorie exchange at the interface between the fluid and the wall can be limited, thus penalizing the cooling of the electronic components, the latter thus not being cooled optimally.
La présente invention a donc pour objet de pallier cet inconvénient du dispositif de l’art antérieur en proposant un circuit de refroidissement plus efficace.The object of the present invention is therefore to overcome this drawback of the device of the prior art by proposing a more efficient cooling circuit.
Pour cela la présente invention propose un circuit de refroidissement pour composant électronique, notamment pour convertisseur de tension, comprenant un canal de refroidissement dans lequel s’écoule un fluide de refroidissement, le canal comprenant une surface interne en contact avec le fluide de refroidissement, et au moins un élément s’étendant en saillie depuis la surface interne, ledit élément définissant une première ailette et au moins une deuxième ailette coupant la première ailette.For this, the present invention proposes a cooling circuit for an electronic component, in particular for a voltage converter, comprising a cooling channel in which a cooling fluid flows, the channel comprising an internal surface in contact with the cooling fluid, and at least one element projecting from the inner surface, said element defining a first fin and at least a second fin intersecting the first fin.
Les première et deuxième ailettes augmentent la surface d’échange thermiques entre le fluide de refroidissement et la paroi du canal. Le refroidissement est ainsi amélioré.The first and second fins increase the heat exchange surface between the cooling fluid and the channel wall. Cooling is thus improved.
Selon un mode de réalisation de l’invention, la première ailette comprend un plan médian et la deuxième ailette comprend un plan médian, les plans médians formant un angle aigu supérieur à 10° autour d’une droite d’intersection entre lesdits deux plans. Il s’agit de la limite angulaire pour permettre le dépoudrage.According to one embodiment of the invention, the first fin comprises a median plane and the second fin comprises a median plane, the median planes forming an acute angle greater than 10° around a straight line of intersection between said two planes. This is the angular limit to allow depowdering.
Selon un mode de réalisation, le canal s'étend selon un axe X dans un repère X, Y, Z, la droite d’intersection entre lesdits deux plans s’étendant selon l’axe X, les axes Y et Z étant perpendiculaires à l’axe X et sécants entre eux, le plan médian de la première ailette s’étendant dans le plan X, Y et le plan médian de la deuxième ailette s’étendant dans le plan X, Z. Les ailettes ainsi disposées dans l’écoulement permettent un meilleur compromis entre l’augmentation de la surface d’échange et la limitation de la perte de charge.According to one embodiment, the channel extends along an X axis in an X, Y, Z frame, the line of intersection between said two planes extending along the X axis, the Y and Z axes being perpendicular to the X axis and secant between them, the median plane of the first fin extending in the X, Y plane and the median plane of the second fin extending in the X, Z plane. The fins thus arranged in the flow allow a better compromise between the increase of the exchange surface and the limitation of the pressure drop.
Selon un mode de réalisation, les axes Y et Z sont perpendiculaires entre eux, le plan médian de la première ailette étant transverse à l’axe Z et le plan médian de la deuxième ailette étant transverse à l’axe Y. Une telle configuration permet de minimiser la perte de charges.According to one embodiment, the Y and Z axes are mutually perpendicular, the median plane of the first fin being transverse to the Z axis and the median plane of the second fin being transverse to the Y axis. Such a configuration allows to minimize load loss.
Selon un mode de réalisation, au moins une des ailettes a une épaisseur définie selon une direction transverse au plan médian, qui augmente le long de l’axe X entre un bord arrière de l’ailette et un bord avant de l’ailette.According to one embodiment, at least one of the fins has a thickness defined in a direction transverse to the median plane, which increases along the axis X between a rear edge of the fin and a front edge of the fin.
Selon un mode de réalisation, l’extrémité arrière et/ou l’extrémité avant est arrondie.According to one embodiment, the rear end and/or the front end is rounded.
Selon un mode de réalisation, la première ailette s’étend selon l’axe Y entre une extrémité supérieure et une extrémité inférieure, les extrémités supérieure et inférieure de la première ailette étant solidaires de la surface interne du canal. Une telle configuration permet d’augmenter au maximum la surface d’échange.According to one embodiment, the first fin extends along the Y axis between an upper end and a lower end, the upper and lower ends of the first fin being integral with the internal surface of the channel. Such a configuration makes it possible to maximize the exchange surface.
Selon un mode de réalisation, l’élément comprend deux deuxième ailettes, la distance d2 entre les deux deuxièmes ailettes étant comprise entre 1.5mm et 4.5mm et étant avantageusement de 3mm.According to one embodiment, the element comprises two second fins, the distance d2 between the two second fins being between 1.5mm and 4.5mm and being advantageously 3mm.
L’invention concerne également un convertisseur de tension comprenant un logement électronique contenant des composants électroniques, et muni d’un tel circuit de refroidissement.The invention also relates to a voltage converter comprising an electronic housing containing electronic components, and provided with such a cooling circuit.
L’invention concerne également le procédé de fabrication d’un tel circuit de refroidissement par fabrication additive. En effet, pour des raisons d’axe de démoulage à respecter, le moulage ne permet de prévoir dans le canal que des ailettes parallèles les unes aux autres et perpendiculaires à la surface interne dont ils s’étendent. En revanche la fabrication additive permet d’obtenir des éléments s’étendant depuis la surface interne du canal, formés d’ailettes qui se coupent, selon l’objet de l‘invention. Ces éléments, au moins, sont obtenus par fabrication additive.The invention also relates to the method of manufacturing such a cooling circuit by additive manufacturing. Indeed, for reasons of demoulding axis to be respected, the molding only makes it possible to provide in the channel fins parallel to each other and perpendicular to the internal surface from which they extend. On the other hand, additive manufacturing makes it possible to obtain elements extending from the internal surface of the channel, formed of intersecting fins, according to the object of the invention. These elements, at least, are obtained by additive manufacturing.
En variante, le circuit de refroidissement est obtenu entièrement par fabrication additive.As a variant, the cooling circuit is obtained entirely by additive manufacturing.
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Dans la suite de la description on considèrera un axe X pouvant être curviligne et des axes Y et Z perpendiculaires à X et sécants entre eux.In the remainder of the description, an axis X which may be curvilinear and axes Y and Z perpendicular to X and intersecting with each other will be considered.
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Le logement électronique 60 comprend les éléments de commutation du module de puissance et les composants électroniques du module de commande permettant de commander les éléments de commutation.The electronic housing 60 includes the switching elements of the power module and the electronic components of the control module making it possible to control the switching elements.
Le circuit de refroidissement 500 est en contact avec le logement électronique 60, de façon à permettre le refroidissement des composants électroniques et plus particulièrement des composants électroniques du module de puissance.The cooling circuit 500 is in contact with the electronic housing 60, so as to allow the cooling of the electronic components and more particularly of the electronic components of the power module.
Le circuit de refroidissement 500 comprend un canal 5 formé dans le corps du circuit. Le circuit de refroidissement 500 comprend par exemple un canal circulaire. En variante, le circuit de refroidissement comprend un canal en forme de parallélépipède ou toutes formes compatibles avec le fonctionnement du circuit de refroidissement.The cooling circuit 500 comprises a channel 5 formed in the body of the circuit. The cooling circuit 500 comprises for example a circular channel. As a variant, the cooling circuit comprises a channel in the shape of a parallelepiped or any shape compatible with the operation of the cooling circuit.
Le circuit de refroidissement est par exemple en aluminium, parcouru par un fluide de refroidissement. Le fluide de refroidissement est par exemple de l’eau ou un mélange eau-glycol.The cooling circuit is for example made of aluminum, traversed by a cooling fluid. The cooling fluid is for example water or a water-glycol mixture.
Le canal 5 comprend au moins deux interfaces vers l’extérieur, le fluide entrant par une interface et sortant par l’autre, le canal s’étendant sensiblement tubulaire autour de l’axe X entre les deux interfaces, comme illustré à la
En première approximation, dans le canal tubulaire selon l’axe X, l’écoulement du fluide se fait selon l’axe X, c’est à dire que le fluide s’écoule transversalement à un plan perpendiculaire à l’axe X.As a first approximation, in the tubular channel along the X axis, the fluid flow is along the X axis, i.e. the fluid flows transversely to a plane perpendicular to the X axis.
Dans la suite de la description on décrit un élément 3 illustré à la
Chaque ailette de l’élément 3 s’étend avantageusement dans un plan d’extension, une épaisseur de l’ailette selon une direction transverse au plan d’extension étant inférieure aux dimensions de l’ailette dans le plan d’extension. Une épaisseur typique d’ailette pourra être de 2mm pour une ailette de 8mm de hauteur dans son plan d’extension.Each fin of element 3 advantageously extends in an extension plane, a thickness of the fin in a direction transverse to the extension plane being less than the dimensions of the fin in the extension plane. A typical fin thickness may be 2mm for a fin 8mm high in its extension plane.
L’ailette s’étend avantageusement autour d’un plan médian illustré à la
Les plans médians P1 de la première ailette et P2 de la deuxième ailette se coupent selon une droite s’étendant avantageusement selon l’axe X d’écoulement du fluide de refroidissement, c’est-à-dire que les ailettes s’étendent dans l’écoulement du fluide dans le canal. La perte de charge est ainsi minimisée.The median planes P1 of the first fin and P2 of the second fin intersect along a straight line advantageously extending along the axis X of flow of the cooling fluid, that is to say that the fins extend in the flow of fluid in the channel. The pressure drop is thus minimized.
Les plans médians forment un angle aigu supérieur à 10° autour de l’axe X, de manière à faciliter l’étape de dépoudrage qui sera décrite ensuite dans le procédé de fabrication additive du circuit de refroidissement. Avantageusement les plans médians sont transverses, c’est-à-dire qu’ils forment un angle droit autour de l’axe X.The median planes form an acute angle greater than 10° around the X axis, so as to facilitate the depowdering step which will be described later in the additive manufacturing process for the cooling circuit. Advantageously, the median planes are transverse, i.e. they form a right angle around the X axis.
La première et la deuxième ailette d’un élément ont avantageusement la même extension selon l’axe X.The first and the second fin of an element advantageously have the same extension along the X axis.
En considérant le repère X, Y, Z défini précédemment, le plan médian de la première ailette P1 s’étend ainsi dans le plan X, Y et le plan médian de la deuxième ailette P2 s’étend dans le plan X, Z, comme illustré à la
L’axe Y s’étend avantageusement perpendiculairement à la surface interne du canal, come illustré à la
Nous décrirons ici une géométrie de la première ailette de plan médian P1 selon (X, Y). La description se transposera sans difficulté à la deuxième ailette de plan médian P2 selon (X, Z).We will describe here a geometry of the first fin of median plane P1 according to (X, Y). The description will be transposed without difficulty to the second fin of median plane P2 according to (X, Z).
Dans un mode avantageux de réalisation, dans un quelconque plan transverse à l’axe Y et coupant la première ailette, la section de l’ailette a une épaisseure transversalement au plan médian P1 qui augmente le long de l’axe X.In an advantageous embodiment, in any plane transverse to the Y axis and intersecting the first fin, the section of the fin has a thickness transverse to the median plane P1 which increases along the X axis.
La section de l’ailette dans un de ces plans de coupe, illustrée à la
L’ailette ainsi profilée permet de limiter la perte de charge tout en augmentant la surface d’échange du fluide refroidissement avec la surface du canal, les ailettes augmentant la surface interne d’échange du canal.The profiled fin thus makes it possible to limit the pressure drop while increasing the exchange surface of the cooling fluid with the surface of the channel, the fins increasing the internal exchange surface of the channel.
L’ailette s’étend notamment selon Y entre une extrémité axiale inférieure 10 et une extrémité axiale supérieure 11. Dans un mode avantageux de réalisation, la première ailette est solidaire de la paroi du canal par ses extrémités axiales supérieure et inférieure comme illustré à la
Une telle hauteur d’ailette qu’il est possible d’obtenir par fabrication additive, permet d’augmenter autant que possible la surface d’échange du liquide dans le canal pour améliorer le refroidissement.Such a fin height, which can be obtained by additive manufacturing, makes it possible to increase the liquid exchange surface in the channel as much as possible to improve cooling.
En variante, un élément peut avantageusement comprendre plusieurs deuxièmes ailettes 2, 2’ coupants la première ailette 1 comme illustré à la
La distance d2 entre deux deuxième ailettes d’un élément 3 illustrée à la
Considérons le cas simplifié illustré à la
Une telle simplification ne limite pas le caractère général des revendications et de la description qui couvrent également le cas où la surface interne du canal n’est pas plane dans le cas d’un canal à section circulaire, et le cas où bien que la surface d’où s’étendent les éléments soient planes, les premières ailettes et les deuxièmes ailettes respectivement de deux éléments ne sont pas parallèles et éventuellement où les éléments 3 sont différents les uns des autres. La description du cas simple pourra se transposer sans difficultés à ces autres cas.Such a simplification does not limit the general character of the claims and of the description which also cover the case where the internal surface of the channel is not flat in the case of a channel with a circular section, and the case where although the surface from which the elements extend are flat, the first fins and the second fins respectively of two elements are not parallel and possibly where the elements 3 are different from each other. The description of the simple case can be transposed without difficulty to these other cases.
L’invention vise notamment à augmenter autant que possible le nombre d’ailettes pour augmenter la surface d’échange tout en limitant la perte de charge pour l’écoulement du fluide de refroidissement dans le canal. L’invention vise en particulier des distributions d’ailettes régulières pour limiter la perte de charge. Ainsi dans le cas simplifié illustré à la
Dans une première alternative du procédé de fabrication du circuit de refroidissement 500, illustrée à la
Le procédé de fabrication additive du circuit de refroidissement est illustré à la
Dans une chambre sous atmosphère contrôlée 110 (c’est-à-dire sous gaz neutre type Argon, ou pression et température sont également régulés)In a chamber under controlled atmosphere 110 (i.e. under neutral gas such as Argon, where pressure and temperature are also regulated)
- le rouleau racleur 102 dépose un lit de poudre de 60 micromètre dans le plateau de fabrication 103- the scraper roller 102 deposits a 60 micrometer powder bed in the manufacturing plate 103
- le laser 104 guidé par la tête galvanométrique 105 fusionne les grains là où la matière de la pièce souhaitée est requise- the laser 104 guided by the galvanometric head 105 fuses the grains where the material of the desired part is required
- le plateau du réservoir d’approvisionnement 106 monte de 60 micromètre- the plate of the supply tank 106 rises by 60 micrometers
- le plateau de fabrication 103 descend de 60 micromètre- the manufacturing plate 103 descends by 60 micrometers
- le rouleau 102 dépose la couche de poudre suivante et ainsi suite- roller 102 deposits the next layer of powder and so on
- une fois le circuit terminé, on retire le bac 107 contenant le circuit et la poudre,- once the circuit is finished, the tank 107 containing the circuit and the powder is removed,
- on dépoudre avec un pinceau, ou avec de l’air comprimé pour enlever environ 60 à 80% du volume qui constitue la poudre non fondue (qui peut être réutilisé 3 fois)- powder is powdered with a brush, or with compressed air to remove approximately 60 to 80% of the volume which constitutes the unmelted powder (which can be reused 3 times)
- et on garde les 10 % restant (environ) qui constituent le circuit terminé,- and we keep the remaining 10% (approximately) which constitute the finished circuit,
- puis à l’aide de traitements thermiques et de traitements de surface on finalise le circuit. Un traitement de détensionnement en four est souhaitable pour relâcher le niveau de contrainte à l'intérieur du circuit dues aux gradients thermique pendant le procédé.- then using heat treatments and surface treatments, the circuit is finalized. An oven stress relief treatment is desirable to relieve the level of stress inside the circuit due to thermal gradients during the process.
Le procédé de dépoudrage impose l’angle supérieur à 10° entre les plans médians P1 et P2 et les distances minimales d1 et d2. Pour le dépoudrage, l’angle entre les plans médians sera même avantageusement supérieur à 20°.The depowdering process imposes an angle greater than 10° between the median planes P1 and P2 and the minimum distances d1 and d2. For depowdering, the angle between the median planes will even advantageously be greater than 20°.
Ce procédé de fabrication permet notamment de fabriquer un circuit de refroidissement muni de premières ailettes étant solidaires du canal par leurs deux extrémités et d’ailettes qui se croisent selon l’invention.This manufacturing method makes it possible in particular to manufacture a cooling circuit provided with first fins being integral with the channel by their two ends and with fins which intersect according to the invention.
En variante non illustrée le circuit de refroidissement 500 est formé de deux parties complémentaires, les éléments 3 étant fabriqués par fabrication additive sur une première partie formant par exemple le fond du canal, une deuxième partie étant ensuite assemblée à la première partie pour former le circuit.In a variant not shown, the cooling circuit 500 is formed of two complementary parts, the elements 3 being manufactured by additive manufacturing on a first part forming for example the bottom of the channel, a second part then being assembled with the first part to form the circuit .
La portée de la présente invention ne se limite pas aux détails donnés ci-dessus et permet des modes de réalisation sous de nombreuses autres formes spécifiques sans s'éloigner du domaine d'application de l'invention. Par conséquent, les présents modes de réalisation doivent être considérés à titre d'illustration, et peuvent être modifiés sans toutefois sortir de la portée définie par les revendications.The scope of the present invention is not limited to the details given above and allows embodiments in many other specific forms without departing from the scope of the invention. Therefore, the present embodiments should be considered by way of illustration, and can be modified without departing from the scope defined by the claims.
Claims (11)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
FR2107537A FR3125116B1 (en) | 2021-07-12 | 2021-07-12 | Cooling circuit of a voltage converter, fitted with fins |
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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FR2107537A FR3125116B1 (en) | 2021-07-12 | 2021-07-12 | Cooling circuit of a voltage converter, fitted with fins |
FR2107537 | 2021-07-12 |
Publications (2)
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FR3125116A1 true FR3125116A1 (en) | 2023-01-13 |
FR3125116B1 FR3125116B1 (en) | 2024-01-05 |
Family
ID=78332853
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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FR2107537A Active FR3125116B1 (en) | 2021-07-12 | 2021-07-12 | Cooling circuit of a voltage converter, fitted with fins |
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Country | Link |
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FR (1) | FR3125116B1 (en) |
Citations (2)
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US20210125898A1 (en) * | 2019-10-25 | 2021-04-29 | Abb Schweiz Ag | Vapor chamber |
US10998253B1 (en) * | 2019-12-23 | 2021-05-04 | Google Llc | Fluid diverting heat sink |
-
2021
- 2021-07-12 FR FR2107537A patent/FR3125116B1/en active Active
Patent Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US20210125898A1 (en) * | 2019-10-25 | 2021-04-29 | Abb Schweiz Ag | Vapor chamber |
US10998253B1 (en) * | 2019-12-23 | 2021-05-04 | Google Llc | Fluid diverting heat sink |
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---|---|
FR3125116B1 (en) | 2024-01-05 |
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