ITBO20130198A1 - LIQUID COOLING SYSTEM FOR AN ELECTRONIC COMPONENT AND RELATED PRODUCTION METHOD - Google Patents
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Description
DESCRIZIONE DESCRIPTION
del brevetto per invenzione industriale dal titolo: of the patent for industrial invention entitled:
“SISTEMA DI RAFFREDDAMENTO A LIQUIDO PER UN COMPONENTE ELETTRONICO E RELATIVO METODO DI PRODUZIONE” "LIQUID COOLING SYSTEM FOR AN ELECTRONIC COMPONENT AND RELATIVE PRODUCTION METHOD"
SETTORE DELLA TECNICA TECHNIQUE SECTOR
La presente invenzione è relativa ad un sistema di raffreddamento a liquido per un componente elettronico e ad un relativo metodo di produzione. The present invention relates to a liquid cooling system for an electronic component and to a related production method.
La presente invenzione trova vantaggiosa applicazione ad un componente elettronico per autotrazione, cui la descrizione che segue farà esplicito riferimento senza per questo perdere di generalità. The present invention finds advantageous application to an electronic component for motor vehicles, to which the following description will make explicit reference without thereby losing generality.
ARTE ANTERIORE ANTERIOR ART
Nei veicoli stradali sta prendendo sempre più piede la trazione elettrica in abbinamento alla tradizionale trazione termica per realizzare una trazione ibrida. In road vehicles, electric traction is becoming increasingly popular in combination with traditional thermal traction to create hybrid traction.
La trazione elettrica prevede generalmente l’utilizzo di una macchina elettrica rotante reversibile (cioè che può funzionare sia come motore elettrico assorbendo energia elettrica e generando un coppia meccanica motrice, sia come generatore elettrico assorbendo energia meccanica e generando energia elettrica) trifase (tipicamente sincrona a magneti permanenti) che da un lato è meccanicamente collegata o collegabile alle ruote motrici e dall’altro lato è elettricamente collegata ad una unità elettronica di controllo (contenente un convertitore elettronico di potenza). Electric traction generally involves the use of a reversible rotating electric machine (i.e. that can work both as an electric motor by absorbing electrical energy and generating a mechanical torque, and as an electric generator by absorbing mechanical energy and generating electrical energy) three-phase (typically synchronous to permanent magnets) which on the one hand is mechanically connected or connectable to the drive wheels and on the other hand is electrically connected to an electronic control unit (containing an electronic power converter).
Il convertitore elettronico di potenza comprende un componente elettronico che richiede un raffreddamento adeguato e costante sia per evitare un eccessivo surriscaldamento del materiale semiconduttore che avrebbe inevitabilmente e rapidamente un effetto distruttivo, sia per evitare rapide e frequenti oscillazioni di temperatura che determinano (per effetto delle diverse dilatazioni termiche tra materiali metallici e materiali a semiconduttore) una fatica meccanica di origine termica che a lungo andare può provocare rotture fatali del componente (tipicamente interruzioni nei collegamenti elettrici all’interno del componente elettronico che richiede un raffreddamento adeguato e costante. The electronic power converter comprises an electronic component that requires adequate and constant cooling both to avoid excessive overheating of the semiconductor material which would inevitably and rapidly have a destructive effect, and to avoid rapid and frequent temperature oscillations that cause (due to the different thermal expansion between metallic materials and semiconductor materials) a mechanical fatigue of thermal origin that in the long run can cause fatal breakages of the component (typically interruptions in the electrical connections inside the electronic component that requires adequate and constant cooling.
Un convertitore elettronico di potenza moto per il controllo di una macchina elettrica per autotrazione comprende generalmente una piastra scambiatrice metallica presentante una prima parete disposta a contatto con il componente elettronico ed una seconda parete che è parallela ed opposta alla prima parete ed è disposta a contatto con un bagno di un liquido di raffreddamento (tipicamente acqua addizionata a glicole monoetilenico o altro additivo anticongelante). Tipicamente, è presente una vasca che è delimitata da un lato dalla seconda parete della piastra scambiatrice ed è atta a venire attraversata dal liquido di raffreddamento. Dalla seconda parete della piastra scambiatrice si eleva a sbalzo un labirinto metallico che è immerso nel liquido di raffreddamento; la funzione del labirinto è di aumentare la superficie di scambio termico tra la piastra scambiatrice ed il liquido di raffreddamento per permettere l’evacuazione di una grande quantità di calore. An electronic power converter for the control of an electric vehicle for motor vehicles generally comprises a metal exchange plate having a first wall arranged in contact with the electronic component and a second wall which is parallel and opposite to the first wall and is arranged in contact with a bath of a cooling liquid (typically water added with monoethylene glycol or other anti-freeze additive). Typically, there is a tank which is delimited on one side by the second wall of the exchanger plate and is able to be crossed by the cooling liquid. A metallic labyrinth rises from the second wall of the exchanger plate and is immersed in the cooling liquid; the function of the labyrinth is to increase the heat exchange surface between the exchanger plate and the coolant to allow the evacuation of a large amount of heat.
Il sopra descritto sistema di raffreddamento a liquido è compatto, efficace ed efficiente grazie all’elevata superficie di scambio termico permessa dalla presenza del labirinto in un volume complessivo ridotto. Tuttavia, la realizzazione del labirinto è attualmente molto costosa in quanto richiede delle lavorazioni particolarmente lunghe e complesse; in particolare, tali lavorazioni presentano un costo elevato sia nell’attrezzaggio iniziale, sia nel costo incrementale di produzione. The liquid cooling system described above is compact, effective and efficient thanks to the high heat exchange surface allowed by the presence of the labyrinth in a reduced overall volume. However, the realization of the labyrinth is currently very expensive as it requires particularly long and complex processes; in particular, these processes have a high cost both in the initial tooling and in the incremental cost of production.
DESCRIZIONE DELLA INVENZIONE DESCRIPTION OF THE INVENTION
Scopo della presente invenzione è fornire un sistema di raffreddamento a liquido per un componente elettronico ed un relativo metodo di produzione, i quali sistema di raffreddamento e metodo di produzione siano privi degli inconvenienti sopra descritti e siano quindi di facile ed economica realizzazione. The object of the present invention is to provide a liquid cooling system for an electronic component and a relative production method, which cooling system and production method are free from the drawbacks described above and are therefore easy and economical to produce.
Secondo la presente invenzione vengono forniti un sistema di raffreddamento a liquido per un componente elettronico ed un relativo metodo di produzione, secondo quanto rivendicato dalle rivendicazioni allegate. According to the present invention, a liquid cooling system for an electronic component and a related production method are provided, as claimed in the attached claims.
BREVE DESCRIZIONE DEI DISEGNI BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS
La presente invenzione verrà ora descritta con riferimento ai disegni annessi, che ne illustrano un esempio di attuazione non limitativo, in cui: The present invention will now be described with reference to the attached drawings, which illustrate a non-limiting example of embodiment, in which:
• la figura 1 è una vista schematica di una unità elettronica di controllo di un impianto elettrico di potenza di un veicolo ibrido a trazione termica ed elettrica, l’unità elettronica di controllo è provvista di un sistema di raffreddamento a liquido realizzato in accordo con la presente invenzione; • figure 1 is a schematic view of an electronic control unit of an electric power plant of a hybrid vehicle with thermal and electric traction, the electronic control unit is provided with a liquid cooling system made in accordance with the present invention;
• la figura 2 è una vista prospettica e schematica di una piastra scambiatrice del sistema di raffreddamento a liquido della figura 1; Figure 2 is a perspective and schematic view of an exchange plate of the liquid cooling system of figure 1;
• le figure 3, 4 e 5 sono viste schematica rispettivamente in pianta, laterale e frontale della piastra scambiatrice della figura 2; e Figures 3, 4 and 5 are schematic top, side and front views respectively of the exchanger plate of figure 2; And
• la figura 6 è una vista frontale di un singolo elemento conformato ad onde della piastra scambiatrice della figura 2; Figure 6 is a front view of a single wave-shaped element of the exchanger plate of figure 2;
• la figura 7 è una vista prospettica e schematica di una alternativa forma di attuazione della piastra scambiatrice della figura 2. Figure 7 is a perspective and schematic view of an alternative embodiment of the exchanger plate of figure 2.
FORME DI ATTUAZIONE PREFERITE DELL’INVENZIONE PREFERRED FORMS OF IMPLEMENTATION OF THE INVENTION
Nella figura 1, con il numero 1 è indicato nel suo complesso un convertitore elettronico di potenza per una macchina elettrica per autotrazione. In Figure 1, the number 1 indicates as a whole an electronic power converter for an electric vehicle for motor vehicles.
Il convertitore 1 elettronico di potenza comprende una scatola 2 di contenimento metallica (tipicamente in alluminio) al cui interno è disposto un componente 3 elettronico (tipicamente una batteria di transistor) per il controllo della macchina elettrica. Il componente 3 elettronico è realizzato su un substrato 4 di materiale semiconduttore ed è montato su un supporto 5 di materiale ceramico; in particolare tra il substrato 4 di materiale semiconduttore ed il supporto 5 di materiale ceramico viene interposto del materiale 6 saldante per realizzare un collegamento permanente e stabile. The electronic power converter 1 comprises a metal containment box 2 (typically made of aluminum) inside which an electronic component 3 (typically a transistor battery) for controlling the electric machine is arranged. The electronic component 3 is made on a substrate 4 of semiconductor material and is mounted on a support 5 of ceramic material; in particular, welding material 6 is interposed between the substrate 4 of semiconductor material and the support 5 of ceramic material to provide a permanent and stable connection.
Il convertitore 1 elettronico di potenza comprende un sistema 7 di raffreddamento a liquido che asporta il calore che viene prodotto per dissipazione all’interno del componente 3 elettronico. Il sistema 7 di raffreddamento a liquido comprende una piastra 8 scambiatrice di forma parallelepipeda che è realizzata in rame ed è nichelata (ovvero è ricoperta con un sottile strato di nichel). La piastra 8 scambiatrice presenta una parete 9 piana che è disposta a contatto con il componente 3 elettronico; in particolare, la parete 9 della piastra 8 scambiatrice è fissata al supporto 5 di materiale ceramico del componente 3 elettronico mediante del materiale 10 saldante. Inoltre, la piastra 8 scambiatrice presenta una parete 11, che è parallela ed opposta alla parete 9 ed è disposta a contatto di un bagno di un liquido di raffreddamento (tipicamente acqua addizionata a glicole monoetilenico o altro additivo anticongelante). The electronic power converter 1 comprises a liquid cooling system 7 which removes the heat that is produced by dissipation inside the electronic component 3. The liquid cooling system 7 comprises a parallelepiped-shaped exchanger plate 8 which is made of copper and is nickel-plated (ie it is covered with a thin layer of nickel). The exchanger plate 8 has a flat wall 9 which is arranged in contact with the electronic component 3; in particular, the wall 9 of the exchanger plate 8 is fixed to the ceramic material support 5 of the electronic component 3 by means of soldering material 10. Furthermore, the exchanger plate 8 has a wall 11, which is parallel and opposite to the wall 9 and is arranged in contact with a bath of a cooling liquid (typically water added to monoethylene glycol or other anti-freezing additive).
Il sistema 7 di raffreddamento comprende una vasca 12 che è disposta nella scatola 2 di contenimento ed è collegata ad un circuito idraulico per fare circolare all’interno della vasca 12 un flusso continuo di liquido di raffreddamento. La vasca 12 presenta un lato aperto che viene chiuso dalla piastra 8 scambiatrice; in altre parole, la vasca 12 è delimitata da un lato dalla parete 11 della piastra 8 scambiatrice ed è atta a venire attraversata dal liquido di raffreddamento. The cooling system 7 comprises a tank 12 which is arranged in the containment box 2 and is connected to a hydraulic circuit to circulate a continuous flow of cooling liquid inside the tank 12. The tank 12 has an open side which is closed by the exchanger plate 8; in other words, the tank 12 is delimited on one side by the wall 11 of the exchanger plate 8 and is able to be crossed by the cooling liquid.
Dalla parete 11 della piastra 8 scambiatrice si eleva a sbalzo un labirinto 13 che è disposto all’interno della vasca 12 e quindi è immerso nel bagno del liquido di raffreddamento. From the wall 11 of the exchanger plate 8 a labyrinth 13 rises overhanging which is arranged inside the tank 12 and therefore is immersed in the coolant bath.
Il labirinto 13 comprende una pluralità di elementi 14 conformati ad onde che sono disposti tra loro paralleli ed affiancati uno di seguito all’altro (come meglio illustrato nelle figure 2-5). Secondo quanto meglio illustrato nella figura 6, ciascun elemento 14 conformato ad onde è composto da un filo o da un nastro che è ripiegato su sé stesso per formare una successione di onde presentanti corrispondenti creste disposte relativamente lontane dalla parete 11 della piastra 8 scambiatrice e corrispondenti ventri disposti a contatto della parete 11 della piastra 8 scambiatrice. Ciascun elemento 14 conformato ad onde è reso solidale alla parete 11 della piastra 8 scambiatrice mediante una serie di saldature 15 realizzate in corrispondenza dei ventri delle onde. The labyrinth 13 includes a plurality of wave-shaped elements 14 which are arranged parallel to each other and side by side one after the other (as better illustrated in figures 2-5). According to what is better illustrated in Figure 6, each wave-shaped element 14 is composed of a wire or a tape which is folded back on itself to form a succession of waves having corresponding ridges arranged relatively far from the wall 11 of the exchanger plate 8 and corresponding bellies arranged in contact with the wall 11 of the exchanger plate 8. Each wave-shaped element 14 is made integral with the wall 11 of the exchanger plate 8 by means of a series of welds 15 made in correspondence with the bellows of the waves.
Nella forma di attuazione illustrata nelle figure allegate, ciascun elemento 14 conformato ad onde è composto da un nastro che è ripiegato su sé stesso per formare una successione di onde; un nastro (ovvero una striscia o una fettuccia) è un corpo lungo e sottile a sezione rettangolare. Secondo una diversa e perfettamente equivalente forma di attuazione, ciascun elemento 14 conformato ad onde è composto da un filo che è ripiegato su sé stesso per formare una successione di onde; un filo è un corpo lungo e sottile a sezione sostanzialmente circolare (in effetti potrebbe anche essere leggermente ellittica). L’unica differenza tra l’utilizzo di un nastro oppure di un filo è la sezione che è rettangolare nel caso del nastro ed è circolare nel caso del filo; tuttavia, da un punto di vista funzionale del labirinto 13 l’utilizzo di un nastro o l’utilizzo di un filo sono perfettamente equivalenti. In the embodiment illustrated in the attached figures, each wave-shaped element 14 is composed of a ribbon which is folded back on itself to form a succession of waves; a ribbon (i.e. a strip or a webbing) is a long, thin body with a rectangular section. According to a different and perfectly equivalent embodiment, each wave-shaped element 14 is composed of a wire which is folded back on itself to form a succession of waves; a wire is a long and thin body with a substantially circular section (in fact it could even be slightly elliptical). The only difference between using a tape or a wire is the section which is rectangular in the case of the tape and circular in the case of the wire; however, from a functional point of view of the labyrinth 13 the use of a tape or the use of a wire are perfectly equivalent.
Secondo una preferita forma di attuazione illustrata nella figura 2, gli elementi 14 conformati ad onde sono disposti (orientati) perpendicolarmente ad una direzione D di avanzamento del liquido di raffreddamento lungo il bagno; in questo modo, il liquido di raffreddamento fluisce attraverso le onde (ovvero passa all’interno delle onde) incontrando una resistenza di avanzamento relativamente modesta pur lambendo una superficie particolarmente elevata degli elementi 14 conformati ad onde. According to a preferred embodiment illustrated in Figure 2, the wave-shaped elements 14 are arranged (oriented) perpendicular to a direction D of advancement of the cooling liquid along the bath; in this way, the coolant flows through the waves (i.e. it passes inside the waves) encountering a relatively modest advancement resistance while touching a particularly high surface of the wave-shaped elements 14.
Secondo una preferita forma di attuazione illustrata nelle figure 2-5 (particolarmente evidente nella figura 5), gli elementi 14 conformati ad onde sono disposti sfalsati uno rispetto all’altro rispetto alla direzione D di avanzamento del liquido di raffreddamento lungo il bagno in modo tale che le onde di un elemento 14 conformato ad onde non siano allineate con le onde degli adiacenti elementi 14 conformati ad onde. In questo modo è possibile aumentare lo scambio termico tra gli elementi 14 conformati ad onde ed il liquido di raffreddamento. Secondo una diversa forma di attuazione illustrata nella figura 7, gli elementi 14 conformati ad onde sono disposti tra loro allineati rispetto alla direzione D di avanzamento del liquido di raffreddamento lungo il bagno. According to a preferred embodiment illustrated in Figures 2-5 (particularly evident in Figure 5), the wave-shaped elements 14 are arranged offset relative to each other with respect to the direction D of advancement of the cooling liquid along the bath in such a way that the waves of a wave-shaped element 14 are not aligned with the waves of the adjacent wave-shaped elements 14. In this way it is possible to increase the heat exchange between the wave-shaped elements 14 and the cooling liquid. According to a different embodiment illustrated in Figure 7, the wave-shaped elements 14 are arranged mutually aligned with respect to the direction D of advancement of the cooling liquid along the bath.
Come detto in precedenza, la piastra 8 scambiatrice è realizzata in rame placcato (ovvero ricoperto da uno strato di nichel); gli elementi 14 conformati ad onde possono essere realizzati in rame (cioè nello stesso materiale metallico che costituisce la piastra 8 scambiatrice) oppure in alluminio (cioè in un materiale metallico diverso dal materiale metallico che costituisce la piastra 8 scambiatrice). As previously mentioned, the exchanger plate 8 is made of plated copper (ie covered with a layer of nickel); the wave-shaped elements 14 can be made of copper (ie in the same metal material that constitutes the exchanger plate 8) or of aluminum (ie in a metal material different from the metal material that constitutes the exchanger plate 8).
Per realizzare un elemento 14 conformato ad onde del labirinto 13, un filo o un nastro viene ripiegato su sé stesso per formare una successione di onde presentanti corrispondenti creste e corrispondenti ventri. Secondo una preferita forma di attuazione, per ciascun elemento 14 conformato ad onde la formazione delle onde e la saldatura dei ventri delle onde alla parete 11 della piastra 8 scambiatrice avvengono contestualmente, ovvero non appena viene formata una onda, il corrispondente ventre viene immediatamente saldato alla parete 11 della piastra 8 scambiatrice mediante una saldatura 15. Preferibilmente, le saldature 15 tra i ventri delle onde degli elementi 14 conformati ad onde e la parete 11 della piastra 8 scambiatrice vengono realizzate mediante ultrasuoni. To make a wave-shaped element 14 of the labyrinth 13, a wire or a ribbon is folded on itself to form a succession of waves having corresponding crests and corresponding bellies. According to a preferred embodiment, for each wave-shaped element 14, the formation of the waves and the welding of the bellows of the waves to the wall 11 of the exchanger plate 8 take place simultaneously, i.e. as soon as a wave is formed, the corresponding belly is immediately welded to the wall 11 of the exchange plate 8 by means of a weld 15. Preferably, the welds 15 between the wave bellies of the wave-shaped elements 14 and the wall 11 of the exchange plate 8 are made by ultrasound.
Il sistema 7 di raffreddamento sopra descritto presenta numerosi vantaggi. The cooling system 7 described above has numerous advantages.
In primo luogo, il sistema 7 di raffreddamento sopra descritto è di semplice ed economica realizzazione, in quanto la piegatura ad onde del filo o nastro sulla parete 11 della piastra 8 scambiatrice e la contemporanea saldatura ad ultrasuoni del filo o nastro alla parete 11 della piastra 8 scambiatrice possono venire realizzate rapidamente con una attrezzatura di costo modesto. Quindi, la realizzazione del labirinto 13 presenta dei costi molto bassi sia nell’attrezzaggio, sia nel costo incrementale di produzione. In the first place, the cooling system 7 described above is simple and inexpensive to implement, since the wave bending of the wire or tape on the wall 11 of the exchanger plate 8 and the simultaneous ultrasonic welding of the wire or tape to the wall 11 of the plate The exchanger can be made quickly with modest cost equipment. Therefore, the realization of the labyrinth 13 has very low costs both in tooling and in the incremental cost of production.
Il sistema 7 di raffreddamento sopra descritto permette di ottenere uno scambio termico molto elevato tra il labirinto 13 ed il liquido di raffreddamento; in altre parole, il labirinto 13 del sistema 7 di raffreddamento sopra descritto presenta una efficienza termica molto elevata (che può essere anche decisamente superiore alla efficienza termica dei labirinti noti). The cooling system 7 described above allows to obtain a very high heat exchange between the labyrinth 13 and the cooling liquid; in other words, the labyrinth 13 of the cooling system 7 described above has a very high thermal efficiency (which can also be decidedly higher than the thermal efficiency of known labyrinths).
Il sistema 7 di raffreddamento sopra descritto è particolarmente leggero in quanto il labirinto 13 utilizza una modesta quantità complessiva di materiale metallico; in altre parole, il labirinto 13 del sistema 7 di raffreddamento sopra descritto è molto leggero in quanto utilizza poco materiale metallico in quanto pur avendo una superficie complessiva elevata è sostanzialmente fatto quasi esclusivamente da vuoti invece che da pieni. The cooling system 7 described above is particularly light since the labyrinth 13 uses a modest overall quantity of metallic material; in other words, the labyrinth 13 of the cooling system 7 described above is very light in that it uses little metal material since, despite having a high overall surface, it is substantially made almost exclusively of voids instead of full ones.
Infine, il sistema 7 di raffreddamento sopra descritto permette di ridurre le perdite di carico a cui è sottoposto il liquido di raffreddamento quando attraversa la vasca 12; in altre parole, il labirinto 13 del sistema 7 di raffreddamento sopra descritto presenta una resistenza idraulica contenuta (normalmente decisamente inferiore alla resistenza idraulica dei labirinti noti). Finally, the cooling system 7 described above makes it possible to reduce the pressure drops to which the cooling liquid is subjected when it passes through the tank 12; in other words, the labyrinth 13 of the cooling system 7 described above has a limited hydraulic resistance (normally much lower than the hydraulic resistance of known labyrinths).
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2013
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