KR20230134142A - 적층 가공 분말 제거에 용이한 냉각판 설계 특징부들 - Google Patents

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Abstract

냉각판을 제조하는 방법은, 구축 재료로부터 층별 방식으로 구축 표면 상에 유체 회로를 형성하는 단계를 포함한다. 유체 회로는 복수 개의 주변 벽들을 포함하고, 복수 개의 주변 벽들의 각각은 적어도 부분적으로 일차 채널을 규정하고, 주변 벽들 중 길이 방향으로 하나의 주변 벽은 애퍼쳐들을 포함하도록 형성되고, 애퍼쳐들은 초과 구축 재료가 애퍼쳐들을 통과하게 하도록 구성된다. 유체 회로의 중앙 벽은 일차 채널 및 일차 채널에 유동적으로 연결된 복수 개의 이차 채널들을 적어도 부분적으로 규정한다. 방법은 애퍼쳐들을 통해 초과 구축 재료를 제거하는 단계를 더 포함한다.

Description

적층 가공 분말 제거에 용이한 냉각판 설계 특징부들
본 개시는 일반적으로 냉각판들에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 분기(branching) 채널들이 있는 냉각판 유체 회로를 설계 및 제조하는 방법들에 관한 것이다.
많은 열 관리 시스템들은 열 발생 전자장치를 냉각하기 위해 냉각판들을 사용한다. 대부분의 냉각판들은, 연관된 전자장치들의 폐열을 흡수하기 위해 판(plate)에 걸쳐 단일 유체를 통과시키도록 설계된다. 다양한 표준 설계들은, 유턴들(u-turns) 또는, 핀(fin)들을 또한 포함할 수 있는 기타 순환 내부 유체 채널을 포함한다. 현재 설계 프로세스들 및 제조 방법들은, 냉각판 설계의 복잡성을 제한하고, 이에 따라 열 전달 능력들을 제한한다. 냉각판에 걸친 열 전달 및 유동 성능을 개선하기 위해 새로운 설계 방법들이 바람직하다.
냉각판을 제조하는 방법은, 구축 재료로부터 층별 방식으로 구축 표면 상에 유체 회로를 형성하는 단계를 포함한다. 유체 회로는 복수 개의 주변 벽들을 포함하고, 복수 개의 주변 벽들의 각각은 적어도 부분적으로 일차 채널을 규정하고, 주변 벽들 중 길이 방향으로 하나의 주변 벽은 애퍼쳐들을 포함하도록 형성되고, 애퍼쳐들은 초과 구축 재료가 애퍼쳐들을 통과하게 하도록 구성된다 . 유체 회로의 중앙 벽은 일차 채널 및 일차 채널에 유동적으로 연결된 복수 개의 이차 채널들을 적어도 부분적으로 규정한다. 방법은 애퍼쳐들을 통해 초과 구축 재료를 제거하는 단계를 더 포함한다.
냉각판을 위한 유체 회로를 설계하는 방법은, 입력 파라미터들에 기반하여 냉각판의 3차원 모델 상의 동작들을 수행하는 단계를 포함하고, 최적화 동작들은, 유체 회로의 솔리드(solid) 영역들을 제 1 수치로 식별하는 단계, 유체 회로의 개방 영역들을 제 2 수치로 식별하는 단계, 유체 회로의 중간 영역들을 제 1 수치 및 제 2 수치 사이의 적어도 하나의 수치로 식별하는 단계를 포함한다. 방법은, 최적화된 모델을 생성하는 단계 및 중간 영역들이 부분적 개방 영역들을 나타내도록 최적화된 모델을 변형하는 단계를 더 포함한다.
도 1은 냉각판 어셈블리의 사시도이다.
도 2는 냉각판을 통해 배치된 유체 회로를 도시하기 위해 커버판이 제거된 냉각판 어셈블리의 상면도이다.
도 3은 유체 회로의 삼차 채널의 단순화된 단면도이다.
도 4는 유체 회로의 삼차 채널의 대안적인 실시의 단순화된 단면도이다.
도 5는 유체 회로의 삼차 채널의 대안적인 제 2 실시 예의 단순화된 단면도이다.
도 6은 유체 회로의 삼차 채널의 대안적인 제 3 실시 예의 단순화된 단면도이다.
도 7은 초과 분말 제거를 용이하게 하기 위한 특징을 도시하기 위해 커버판이 제거된 중간 냉각판 어셈블리의 상면도이다.
도 8은 냉각판의 유체 회로를 설계하고 최적화하는 방법의 단계들을 도시하는 흐름도이다.
상술한 도면들은 본 개시의 하나 이상의 실시 예를 설명하지만, 논의에서 언급된 바와 같이 다른 실시 예들도 고려된다. 모든 경우들에 있어서, 본 개시는 발명을 제한하는 방식으로 제시하는 것이 아니고, 대표로서 제시한다. 발명의 원리들의 범위 및 사상 내에 속하는 다수의 다른 수정들 및 실시 예들이 통상의 기술자에 의해 고안될 수 있음은 이해되어야 한다. 도면들은 축척에 맞게 그려지지 않을 수 있고, 본 발명의 애플리케이션들 및 실시 예들은 도면들에 구체적으로 도시되지 않은 특징들 및 컴포넌트들을 포함할 수 있다.
본 개시는 복잡한 기하학적 형상을 갖는 냉각판 유체 회로를 설계하고 제조하는 방법들을 나타낸다. 유체 회로는 일차 채널, 일차 채널로부터 분기하는 이차 채널들, 및 이차 채널들로부터 분기하는 삼차 채널들을 가질 수 있다. 이러한 디자인은 분말 기반 적층 가공 기술을 사용하여 제조될 수 있다. 중간 냉각판 구조는 초과 분말을 배출하기 위한 애퍼쳐들을 포함할 수 있다. 유체 회로를 위한 설계 프로세스는, 적층 가공을 위한 생산 모델로 변형될 수 있는 채널 레이아웃을 생성하기 위한 토폴로지 최적화를 포함할 수 있다.
도 1은 냉각판(12) 및 냉각판(12)과 열적 소통하는 적어도 하나의 열 발생 컴포넌트(14)를 포함하는 냉각판 어셈블리(10)의 단순화된 사시도이다. 개략적으로 나타났지만, 열 발생 컴포넌트(14)는, 아래에서 더 자세히 논의되는 바와 같이 냉각판(12)에 제거 가능하게 장착되는 것과 같이, 냉각판(12)과 물리적으로 접촉하는 전자 컴포넌트일 수 있다.
냉각판(12)은, 커버판(18), 반대되게 배치된 베이스판(20), 및 4개의 사이드 벽(22)들을 포함하는 외부 하우징(16)을 포함한다. 외부 하우징(16)은 열 관리 적용들에 적합한 금속 또는 비금속 재료로부터 형성될 수 있다. 유체 유입부(24) 및 유체 유출부(26)는, 도 1에 도시된 바와 같이, 폭 방향 사이드 벽(22)에 배치된다. 유체 유입부(24)는 냉각 유체(F)(도 2에 표시됨)를 수용하기 위한 냉각 유체(F)의 공급원과 소통하는 포트 또는 다른 개구일 수 있는 반면, 유체 유출부(26)는 사용된 냉각 유체(F)를 배출하기 위한 포트 또는 다른 개구일 수 있다. 도시된 실시 예에서, 유체 유입부(24) 및 유체 유출부(26)는 동일한 사이드 벽(22)에 배치되지만, 대안적인 실시 예들에서, 유체 유입부(24)는 제 1 사이드 벽(22)에 배치될 수 있고, 반면에 유체 유출부(26)는, 인접하거나 반대되게 배치된 사이드 벽(22)과 같은 다른 곳에 배치될 수 있다.
도 1의 실시 예에서, 외부 하우징(16)은, 냉각판(12)에 x축을 따른 길이 L, y축을 따른 폭 W, 및 z축을 따른 높이 H를 갖는 일반적으로 직사각형인 3차원 구조를 제공한다. 도시된 바와 같이, 냉각판(12)의 치수들은 L > W > H이지만, 예를 들어, 공간 제약들 및/또는 열 전달 요건들에 기반하여 다른 치수들은 본원에서 고려된다. 따라서, 냉각판(12)은 정사각형(L = W > H) 또는 정육면체(L = W = H)와 같은 다른 다각형 기하학적 형상들을 가질 수 있다. 대안적인 실시 예에서, 냉각판(12)은, 라운드 된 형상, 만곡되고 곧은 사이드들을 가지는 형상, 또는 보다 자유로운 형식의 형상을 형성하기 위해 하나 이상의 만곡된 사이드를 가질 수 있다.
도 2는 외부 하우징(16)에 의해 규정된 내부 공간 내에 배치된 유체 회로(28)를 노출시키기 위해 커버판(18) 없이 도시된 냉각판(12)의 상면도이다. 냉각판(12)의 유체 회로(28)는 일차 채널(30), 이차 채널(32), 및 삼차 채널(34)을 포함한다. 주변 벽(36) 및 중앙 벽(38)은 함께 적어도 부분적으로 일차 채널(30), 이차 채널(32)들, 및 삼차 채널(34)들을 규정한다. 보다 구체적으로, 벽(36, 38)들은, 다양한 채널들을 규정하기 위해 x축, y축, 및 z축을 따라 가변적으로 연장하는 비금속 재료로부터 또는 솔리드 금속 재료로부터 형성될 수 있다. 특정 실시 예들에서, 주변 벽(36) 및/또는 중앙 벽(38)은, 일반적으로 연속적인 단일 벽 구조로서 형성되거나, 그룹화된 개별 벽 세그먼트들이 벽 구조를 형성하는 그런 방식으로서 형성될 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 일차 채널(30)은, 동일한 사이드 벽(22)에 배치된 유체 유입부(24) 및 유체 유출부(26)를 유동적으로 연결하기 위해 일반적으로 u자형 기하학적 형상을 갖는다. 이와 같이, u자형 일차 채널(30)은, 유입부(24)의 바로 옆 다운스트림에 있는, 그리고 일반적으로 x축을 따라 배치된 일차 채널(30)의 섹션인 유입부 레그(40)를 포함한다. 일차 채널(30)의 연결 부분(42)은 일반적으로 y축을 따라 배치되고, 유입부 레그(40)를 유출부 레그(44)에 유동적으로 연결한다. 유출부 레그(44)는 유체 유출부(26)의 바로 옆 업스트림에 있고 일반적으로 유입부 레그(40)에 평행하다.
이차 채널(32)들은 일차 채널(30)로부터 분기한다. 도 2에 도시된 실시 예에서, 이차 채널(32)들은 어느 정도 만곡된 기하학적 형상을 갖지만 각각의 유입부 레그(40) 및 유출부 레그(44)로부터 일반적으로 수직으로 분기하고(일부 세그먼트들은 y축을 따라 배치됨), 중앙 벽(38)의 구불구불한(meandering)/굽은(winding) 기하학적 형상으로 인해 서로 맞물린(interdigitated) 구성을 갖는다. 대안적인 실시 예는, 추가적으로/대안적으로 연결 부분(42)으로부터 분기하는 이차 채널(32)(들)을 포함할 수 있다.
삼차 채널(34)들은 이차 채널(32)들로부터 분기하고 중앙 벽(38)의 솔리드 재료 내에 배치된다. 삼차 채널(34)들은, 일부 삼차 채널(34)들이 일반적으로 x축을 따라 배치될 수 있도록, 일부 다른 삼차 채널(34)들이 일반적으로 y축을 따라 배치될 수 있도록, 그리고 또 다른 삼차 채널들이 x축 및 y축 사이에서 각진 방식으로 배치될 수 있도록 다양한 방향들로 분기한다. 삼차 채널(34)의 배치(disposition)는, 아래에서 더 자세히 논의되는 바와 같이, 일차 채널 및 이차 채널들이 유체 상호 연결(interconnection)하게 한다.
대안적인 실시 예에서, 유체 회로(28)는, 열 전달 요건들 및/또는 설계 파라미터들에 기반하여 삼차 채널들 넘어서 추가 분기 스테이지(예: 오차, 육차, 칠차 등)들을 포함할 수 있다. 또 다른 대안적인 실시 예는, 일차 채널 및 일차 채널의 다양한 섹션(예: 유입부 레그 및 유출부 레그)들을 직접 유동적으로 연결하는 이차 채널들만을 포함할 수 있다. 일반적으로, 임의의 실시 예에서 최종(n차) 분기 단계는, 유체 회로의 평면을 가로질러 유체 회로의 초기 단계들을 유동적으로 연결한다.
하나 이상의 홀(46)들은 또한, 벽(36 및/또는 38)들의 솔리드 재료를 통해서 뿐만 아니라 외부 하우징(16)의 일 부분(예: 베이스판(20))를 통해 형성될 수 있다. 홀(46)들은 열 발생 컴포넌트(14) 또는 마운트와 같은 다른 구조에 냉각판(12)을 제거 가능하게 부착하기 위해 패스너(미도시)들을 수용하도록 구성된다.
일차 채널(30), 이차 채널(32)들 및 삼차 채널(34)들은 단면적 A를 가질 수 있다. 단면적은 채널의 단면의 기하학적 형상에 의해 결정될 수 있고, 예를 들어, 원형 단면의 경우 A = πr2(도 3에 도시된 바와 같음)이고, 타원형의 경우 r1 및 r2가 각각 장축 및 단축을 나타낼 때, A = πr1r2이다. 사변형 단면 기하학적 형상들의 경우 L은 길이이고 W는 폭일 때, A = LW이다. 외에도, 만곡 및/또는 직선 섹션들을 포함하는 다른 더 불규칙한 기하학적 형상들은 본원에서 고려된다. 임의의 일차 채널(30), 이차 채널(32)들 및/또는 삼차 채널(34)들의 단면 형상 및/또는 단면적은, 유동 요건들 및/또는 설계 최적화에 기반하여 개별 채널 길이를 따라 가변할 수 있다.
일반적으로, 일차 채널(30)의 평균 단면적은 이차 채널(32)의 평균 단면적보다 크고, 이차 채널(32)의 평균 단면적은 삼차 채널 (34)의 평균 단면적보다 크다. 추가적으로, 그리고 도 2에서 볼 수 있는 바와 같이, 이차 채널(32)들의 수는 일차 채널의 수(1개)보다 크고, 삼차 채널(34)들의 수는 이차 채널(32)들의 수보다 크다.
도 2는 유체 회로(28)를 통한 냉각 유체(F)의 유동 패턴을 나타내는 화살표들을 포함한다. 그러나, 모든 가능한 유동 경로들이 화살표들로 표시되지는 않는다는 점은 이해되어야 한다. 냉각 유체(F)는 몇 가지 제한하지 않는 예시들을 들면, 물, 공기, 오일, 에틸렌 글리콜 또는 냉각제(refrigerant)일 수 있다. 냉각제들과 같은, 임의의 냉각 유체들은 또한 이상(two-phase)(예를 들어, 증기-액체) 유체들일 수 있다.
작동 시, 냉각 유체(F)는 유체 유입부(24)를 통해 유체 회로(28)에 들어가고, 일차 채널(30)의 유입부 레그(40)를 따라 제 1 방향으로 이동한다. 냉각 유체의 일 부분은 유입부 레그(40)(유입부 사이드의 이차 채널(32)들)로부터 분기하는 이차 채널(32)들로 들어가는 반면, 냉각 유체의 다른 일 부분은 일차 채널(30)에 남고, 연결 부분(42) 및 유출부 레그(44)를 따라 계속 간다. 냉각 유체는 유입부 레그(40) 내에서 냉각 유체의 반대 방향으로 유출부 레그를 따라 유동한다. 유입부 사이드의 이차 채널(32)들에 들어가는 냉각 유체는, 특정 이차 채널(32)을 규정하는 중앙 벽(38)의 부분들에서 형성된 분기하는 삼차 채널(34)들을 통해 유동한다. 도 2에서 볼 수 있는 바와 같이, 삼차 채널(34)들의 서브세트는, 유입부 사이드의 이차 채널(32)을 유출부 레그(44)에 유동적으로 연결한다. 삼차 채널(34)들의 또 다른 서브세트는, 유입부 사이드의 이차 채널(32)을 유출부 레그(44)(유출부 사이드의 이차 채널(32))로부터 분기하는 이차 채널(32)에 유동적으로 연결한다. 삼차 채널(34)들의 또 다른 서브세트는, 유입부 사이드의 이차 채널(32)을 연결 부분(42)에 유동적으로 연결한다. 마지막으로, 삼차 채널(34)들의 또 다른 서브세트는, 유입부 레그(40)로부터 직접 분기하고, 유출부 사이드의 이차 채널(32)로 연장하여, 유입부 레그(40) 및 유출부 사이드의 이차 채널(32)을 유동적으로 연결한다. 사용된 냉각 유체(F)는 유체 유출부(26)를 통해 유체 회로(28)로부터 배출된다. 일반적으로 사용된 냉각 유체는, 열 발생 컴포넌트(14)로부터의 폐열 흡수로 인해 유체 유입부(24)에서의 냉각 유체(F)의 온도보다 높은 온도를 갖는다. 유체 회로(28) 내에서 채널들의 분기 설계 및 상호 연결은, 냉각판(12)을 가로지르는 유체 유동 및 열 전달이 보다 균일하게 분배되게 하고, 이는 냉각 유체(F)가 일차, 이차, 삼차 채널들을 사용하여 x축 및 y축에 의해 규정된 유체 회로(28)의 평면을 가로질러 일반적으로 동시에 유동할 수 있기 때문이다.
대안적인 실시 예에서, 유체 회로(28)는, 대안적으로 또는 추가적으로, 따뜻한 유체를 수용하도록 구성되고, 냉각 대신 가열을 요구하는 연관된 컴포넌트로 유체로부터 열을 방출하도록 구성될 수 있다. 그러한 실시 예에서, 유체 회로로부터 배출되는 유체는, 일반적으로 유체 회로에 들어가는 유체의 온도보다 더 낮은 온도를 가질 것이다. 상대적으로 뜨거운 유체를 수용하는 것은, 예를 들어, 시스템, 차량 등의 콜드 소크 상태 동안 또는 이후에, 또는 일반적으로 연관된 전자장치의 종합적인 성능을 개선하는 데 유용할 수 있다.
도 2에 도시된 실시 예에서, 유체 유입부(24) 및 유체 유출부(26)는 모두 공통 사이드 벽(22)에 배치되지만, 다른 배열도 가능하다. 예를 들어, 대안적인 실시 예에서, 유체 유출부(26)는 인접하거나 반대하는 사이드 벽(22) 내에 배치될 수 있다. 다른 대안적인 실시 예는, 공통 사이드 벽(22) 또는 분리된 사이드 벽(22)들에서 복수 개의 유체 유입부(24)들 및/또는 복수 개의 유체 유출부(26)들을 포함할 수 있다. 임의의 경우에서, 유체 회로(28)는, 일차 채널(30)이 모든 유체 유입부(24)들과 모든 유체 유출부(26)들을 유동적으로 연결하도록 맞춰질 수 있다.
복잡한 채널 형상들 및 분기 패턴들 외에도, 개별 채널들은, 채널의 내부 부분(즉, 유체 취급 부분) 내에 특징들을 포함할 수 있다. 도 3은, 개방 채널(즉, 내부 공간에 아무 것도 형성되지 않음)과 같이 도시된 삼차 채널(34)의 단순화된 단면도이다. 도 4, 5 및 6은 각각 내부 특징들을 갖는 대안적인 삼차 채널(34', 34'' 및 34''')들의 단순화된 단면도들이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 삼차 채널(34)은 삼차 채널의 반경 r로 규정되는 단면적을 갖는다. 일반적으로 원형 단면으로 도시되어 있지만, 삼차 채널(34)은 이전에 논의된 바와 같이, 다른 유형들의 대칭 또는 불규칙한 기하학적 형상들을 가질 수 있음은 이해되어야 한다. 도 4의 실시 예에서, 삼차 채널(34')은 내부 핀(48)들을 포함한다. 핀(48)들은, 예를 들어 원하는 유체 유동 특성들(예: 방향, 속도 등)에 기반하여 삼차 채널(32A)에서 균일하게 또는 불균일하게 분포될 수 있다. 비교적 직선형 에지들로 도시되어 있지만, 핀(48)들은 다양한 기하학적 형상들을 가질 수 있다. 이와 같이, 핀(48)들은 원하는 분포 및 기하학적 형상들을 달성하기 위해 적층 가공에 의해 형성될 수 있다. 도 5는 삼차 채널(34'')이 솔리드 매트릭스 재료(52) 내에 포어(pore)(50)들을 포함하는 또 다른 대안적인 실시 예를 도시한다. 삼차 채널(34'')이 도 2의 삼차 채널(34)들과 같이 중앙 벽(38) 내에 배치될 수 있음에 따라, 솔리드 매트릭스 재료(52)는 중앙 벽(38)을 형성하는 솔리드 재료와 등가물일 수 있다. 예를 들어, 중앙 벽(38)의 더 조밀하게 채워진 (솔리드) 영역들과 비교될 때, 다량의 냉각 유체(F)가 삼차 채널(34'')을 통과하게 하기 위한 포어(50)들을 갖는 다공성 채널(34'')을 형성하기 위해, 구축 재료가 덜 조밀하게 채워지도록 선택 위치들에서 중앙 벽(38)을 적층적으로 가공함으로써 삼차 채널(34'')이 형성될 수 있다. 삼차 채널(34'')은, 예를 들어, 구조적 요건들이 더 솔리드 재료를 선호하고(favor) 포어(50)들이 유동 흐름 요건들을 충족하기에 충분한 경우에 바람직할 수 있다. 도 6은 내부 격자 네트워크를 갖는 삼차 채널(34''')을 도시한다. 이러한 실시 예는, 예를 들어 유체 회로의 증가된 구조적 강성을 위한 경우에 바람직할 수 있다. 삼차 채널(34, 34', 34'' 및/또는 34''')들 중 하나 또는 이들의 조합을 포함할 수 있는 대안적인 실시 예가 추가로 고려된다. 대안적인 실시 예들에서, 삼차 채널(34', 34'' 및/또는 34''')들의 특징들은, 추가적으로 또는 대안적으로 일차 채널(30) 및/또는 이차 채널(32)들 내에 포함될 수 있다.
예시적인 실시 예에서, 냉각판(12)은, 유체 회로(28) 내에 복잡한 기하학적 형상들을 달성하기 위해 부분적으로 또는 전체적으로 적층 가공에 의해 형성될 수 있다. 금속 컴포넌트들(예: 인코넬, 알루미늄, 티타늄 등)의 경우 예시적인 적층 가공 프로세스들은, 몇 가지 제한하지 않는 예시들을 들면, 직접 금속 레이저 소결(Direct Metal Laser Sintering)(DMLS), 레이저 그물 형상 가공(Laser Net Shape Manufacturing)(LNSM), 전자 빔 가공(Electron Beam Manufacturing)(EBM)과 같은 분말 베드 융합 기술을 포함한다. 폴리머 또는 플라스틱 컴포넌트들의 경우 광조형(SLA)은 사용될 수 있다. 세라믹 재료들의 경우, 바인더 분사, 광중합, 광조형 또는 재료 증착법이 사용될 수 있다. 적층 가공은, 벽(36, 38)들의 형상, 유체 네트워크(28)의 분기 패턴, 및/또는 개별 유체 채널들의 다양한 기하학적 형상들과 같은 고유한 기하학적 형상들을 획득하는 데 특히 유용하다. 그러나, 브레이징과 같은 다른 적절한 제조 프로세스가 사용될 수 있다.
분말 기반 적층 가공 기술들의 경우, 분쇄된(pulverant)/분말 구축 재료는 구축 표면상에 적층될 수 있고 에너지 공급원을 사용하여 솔리드화(solidify)될 수 있다. 분말 적층 및 솔리드화(solidification)의 이러한 일반적인 단계들은, 3차원 구조(예: 벽(36 및 38)들)가 층별 방식으로 형성됨에 따라 반복될 수 있다. (느슨한(loose)) 초과 분말의 양은, 냉각판(12) 내에 남아 있을 수 있고, 특히 냉각판(12)의 개방된 영역(예: 유체 채널들)들 내에 남아 있을 수 있다. 유체 회로(28)의 길고 복잡한(tortuous) 설계는, 한번 냉각판(12)이 외부 케이싱(16)과 완전히 조립되면, 초과 분말의 제거를 어렵게 만들 수 있다.
도 7은 커버판(18) 없이 도시된 중간 제조 상태의 냉각판 어셈블리의 상면도이다. 도 7에 도시된 바와 같이, 중앙 벽(38)은 삼차 채널(34)들과 형성되어 있다. 주변 벽(36)의 세 사이드들도 형성되어 있다. 주변 벽(36)의 길이 방향으로 연장하는 하나의 사이드(x축을 따라 연장함)는 부분적으로 형성되어 있다. 보다 구체적으로, 주변 벽(36)의 일 섹션은 애퍼쳐(56)들을 규정하기 위해 이격된 핀(54)들을 포함한다. 핀(54)들은 벽(36)의 나머지 부분과 동일한 재료로부터 형성될 수 있다. 초과 분말은, 유체 회로(28) 및 외부 하우징(16)이 형성된 후에, 냉각판(12)의 내부 공간으로부터 애퍼쳐(56)들을 통해 제거되거나 배출된다. 초과 분말을 제거하는 한 가지 방식은, 핀(54)들 및 애퍼쳐(56)들이 (z축을 따라) 아래쪽을 향하도록 냉각판(12)을 회전시키는 것을 포함할 수 있다. 이 배향에서, 중력에 의해 애퍼쳐(56)들을 통해 일부 초과 분말이 빠져나와질 수 있다. 이러한 방식으로 배향된 동안, 냉각판(12)을 흔들거나 또는 진동시키는 것은 초과 분말 제거를 더 용이하게 할 수 있다. 추가적으로 및/또는 대안적으로, 초과 분말을 제거하기 위해 하나 이상의 애퍼쳐(56)에 공기 스트림 또는 진공이 적용될 수 있다. 대안적인 실시 예들에서, 주변 벽(36)의 추가 부분들은, 예를 들어 유체 회로(28) 설계의 복잡성 또는 특정 적층 가공 기술로부터 예상되는 다량의 초과 분말의 양에 기반하여, 핀(54)들 및 애퍼쳐(56)들로 형성될 수 있다. 대안적으로, 그리고 이러한 동일한 이유들로, 벽(36)의 개별 세그먼트만이, 도 7에 도시된 수보다 더 적은 수의 핀(54)들 및 애퍼쳐(56)들을 포함하도록 형성될 수 있다. 초과 분말의 충분히 제거 후에, 핀(54)들 및 애퍼쳐(56)들을 갖는 벽(36)의 섹션은, 냉각판(12)을 유동적으로 밀폐하기 위해 하나 이상의 후처리 단계를 거칠 수 있다(유체 유입부(24) 및 유체 유출부(26)는 제외함). 그러한 단계들은, 애퍼쳐(56)들을 커버하기 위해, 벽(36)에 하나 이상의 솔리드 조각 재료를 결합하기 위한 재료 결합 기술(예: 용접 또는 브레이징)을 포함할 수 있다. 대안적인 실시 예에서, 벽(36)의 길이 방향으로 연장하는 사이드는, 초과 분말이 비워질 수 있도록 하는 크기의 포어들이 있는 다공성 재료로서 형성될 수 있다. 다공성 재료를 밀폐하기 위한 후처리는, 위에서 논의한 바와 같이 재료 결합, 또는 다공성 재료 위에 조밀하고 유동적으로 밀폐된 층들을 형성하기 위한 추가적인 적층 가공 차례를 포함할 수 있다. 핀이 있는(finned) 또는 다공성 실시 예에서 추가로, 애퍼쳐(56)들을 플러그하기 위해 수지(resin)(예: 에폭시) 재료를 사용하여 벽 세그먼트를 밀폐하는 것은 가능하다.
도 8은 냉각판(12)의 유체 회로(28)를 설계하기 위한 방법(100)의 선택 단계들을 도시하는 방법 흐름도이다. 단계(102)에서, 최적화 동작들은, 유체 회로의 제안된 3차원 모델상에서 수행된다. 이러한 동작들은, 몇 가지 제한하지 않는 예시들을 들면, 중량 및 치수 제한들, 요구되는 기계적 특성들, 유체 유입부 및 유출부 위치들, 열 전달 요건들, 및 유체 흐름 요건들과 같은 다양한 입력 파라미터들을 기반으로 할 수 있다. 단계(104)에서, 최적화기(optimizer)는 유체 회로의 솔리드, 개방 및 중간 영역을 식별한다. 솔리드 영역(예: 벽(36))들은 1.0 또는 1.0 근처의 수치가 할당될 수 있는 반면, 개방 영역(예: 일차 채널(30))들은 0 또는 0 근처의 값이 할당될 수 있다. 중간 영역들은 0 및 1.0 사이의 값들이 할당될 수 있다. 단계(106)에서, 솔리드, 개방 및 중간 영역들의 전부/임의를 포함하는 최적화된 모델은 생성된다. 단계(108)는, 최적화된 모델의 중간 영역들이 후속(subsequent) 생산 모델(예: CAD 모델)에 대해 부분적 개방 구조들로 해석되는 변형 단계이다. 예를 들어, 삼차 채널(34)들은 최적화된 모델에서 포함될 수 있고, 더 나아가 중간 영역들로서 지정될 수 있다. 따라서, 삼차 채널(34)들은, 도 4의 삼차 채널(34')에 유사하게, 조밀하게 채워진 핀들을 포함하도록 설계될 수 있다. 삼차 채널(34)은, 대안적으로 및/또는 추가적으로 삼차 채널(34'' 및 34''')에 각각 유사한 다공성 채널들 또는 격자 구조들로 설계될 수 있다. 이러한 해석들은 이러한 구조들을 생산할 수 있는 후속 적층 가공 프로세스들에 적합하다.
본원에서 논의된 방법들은, 복잡한 유체 회로의 기하학적 형상들 및 다양한 재료 밀도들을 요구할 수 있는 냉각판(12)의 최적 설계뿐만 아니라, 그러한 설계들을 제조하고 폐기 재료들을 충분히 제거 할 수 있게 한다.
가능한 실시 예들에 대한 논의
다음은 본 발명의 가능한 실시 예들에 대한 비배타적인 설명들이다.
냉각판을 제조하는 방법은, 구축 재료로부터 층별 방식으로 구축 표면 상에 유체 회로를 형성하는 단계를 포함한다. 유체 회로는 복수 개의 주변 벽들을 포함하고, 복수 개의 주변 벽들의 각각은 적어도 부분적으로 일차 채널을 규정하고, 주변 벽들 중 길이 방향으로 하나의 주변 벽은 애퍼쳐들을 포함하도록 형성되고, 애퍼쳐들은 초과 구축 재료가 애퍼쳐들을 통과하게 하도록 구성된다. 유체 회로의 중앙 벽은 일차 채널 및 일차 채널에 유동적으로 연결된 복수 개의 이차 채널들을 적어도 부분적으로 규정한다. 방법은 애퍼쳐들을 통해 초과 구축 재료를 제거하는 단계를 더 포함한다.
선행하는 단락의 방법은, 추가적으로 및/또는 대안적으로, 임의의 하나 이상의 다음의 특징, 형태 및/또는 추가 컴포넌트를 선택적으로 포함할 수 있다.
위의 방법에서, 상기 주변 벽들 중 상기 길이 방향으로 연장하는 하나의 주변 벽 은 다공성 재료 및 복수 개의 핀들 중 하나로부터 형성될 수 있다.
위의 방법들 중 임의의 방법에서, 구축 재료는 분말일 수 있다.
위의 방법들 중 임의의 방법에서, 유체 회로는 분말 기반 적층 가공 기술을 사용하여 형성될 수 있다.
위의 방법들 중 임의의 방법은, 냉각판 상에 외부 커버를 형성하는 단계를 추가로 포함할 수 있다.
위의 방법들 중 임의의 방법에서, 초과 구축 재료를 제거하는 단계는, 흔들기, 진동, 또는 진공 기술을 사용하여 복수 개의 주변 벽들 중 제 1 벽을 통해 초과 구축 재료를 배출시키는 단계를 포함한다.
위의 방법들 중 임의의 방법은, 초과 구축 재료들을 제거하는 단계 이후 복수 개의 주변 벽들 중 제 1 벽을 밀폐하는 단계를 더 포함할 수 있다.
위의 방법들 중 임의의 방법에서, 주변 벽들 중 제 1 벽을 밀폐하는 단계는, 용접 또는 브레이징 기술을 사용하여 주변 벽들 중 제 1 벽에 솔리드 재료를 부착하는 단계를 포함할 수 있다.
위의 방법들 중 임의의 방법에서, 복수 개의 벽들 중 제 1 벽은 복수 개의 벽들 중 제 2 벽과 맞닿고, 복수 개의 벽들 중 제 2 벽은 유체 유입부 및 유체 유출부 중 하나를 포함할 수 있다.
위의 방법들 중 임의의 방법은, 중앙 벽을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있고, 중앙 벽에는 중앙 벽을 통해 연장하는 복수 개의 삼차 채널들이 있을 수 있다.
위의 방법들 중 임의의 방법에서, 복수 개의 삼차 채널들 중 제 1 채널은 복수 개의 이차 채널들 중 제 1 채널 및 일차 채널을 유동적으로 연결할 수 있다.
위의 방법들 중 임의의 방법에서, 복수 개의 삼차 채널들 중 제 2 채널은 복수 개의 이차 채널들 중 제 1 채널 및 복수 개의 이차 채널들 중 제 2 채널을 유동적으로 연결할 수 있다.
위의 방법들 중 임의의 방법에서, 복수 개의 삼차 채널들 중 적어도 하나의 삼차 채널은 핀들을 포함할 수 있다.
위의 방법들 중 임의의 방법에서, 복수 개의 삼차 채널들 중 적어도 하나의 삼차 채널 은 다공성 재료 및 격자 구조 중 하나를 포함할 수 있고, 다공성 재료 및 격자 구조 중 하나는 다량의 유체가 다공성 재료 및 격자 구조 중 하나를 통해 유동하게 하도록 구성될 수 있다.
냉각판을 위한 유체 회로를 설계하는 방법은, 입력 파라미터들에 기반하여 냉각판의 3차원 모델 상의 동작들을 수행하는 단계를 포함하고, 최적화 동작들은, 유체 회로의 솔리드 영역들을 제 1 수치로 식별하는 단계, 유체 회로의 개방 영역들을 제 2 수치로 식별하는 단계, 유체 회로의 중간 영역들을 제 1 수치 및 제 2 수치 사이의 적어도 하나의 수치로 식별하는 단계를 포함한다. 방법은, 최적화된 모델을 생성하는 단계 및 중간 영역들이 부분적 개방 영역들을 나타내도록 최적화된 모델을 변형하는 단계를 더 포함한다.
선행하는 단락의 방법은, 추가적으로 및/또는 대안적으로, 임의의 하나 이상의 다음의 특징, 형태 및/또는 추가 컴포넌트를 선택적으로 포함할 수 있다.
위의 방법은, 최적화된 모델에 기반하여 유체 회로를 적층적으로 가공하는 단계를 더 포함할 수 있다.
위의 방법들 중 임의의 방법에서, 솔리드 영역들은 복수 개의 주변 벽들 및 중앙 벽 중 하나의 벽으로서 형성될 수 있다.
위의 방법들 중 임의의 방법에서, 개방 영역들은 일차 채널 및 복수 개의 이차 채널들 중 하나의 채널일 수 있다.
위의 방법들 중 임의의 방법에서, 부분적 개방 영역들은 핀들이 있는 복수 개의 삼차 채널들로서 형성될 수 있다.
위의 방법들 중 임의의 방법에서, 부분적 개방 영역들은 삼차 채널들로서 형성될 수 있고, 삼차 채널들은 다공성 재료를 포함하고, 다공성 재료는 다량의 유체가 다공성 재료를 통해 유동하게 하도록 구성될 수 있다.
발명은 예시적인 실시 예(들)를 참조하여 설명되었지만, 본 발명의 범위를 벗어나지 않은 다양한 변경들이 이루어질 수 있고 요소들에 대해 등가물들이 대체될 수 있음은 통상의 기술자에 의해 이해될 것이다. 또한, 발명의 본질적인 범위를 벗어나지 않고 특정 상황 또는 재료를 발명의 교시에 적응시키기 위해 많은 수정이 이루어질 수 있다. 따라서, 발명은 개시된 특정 실시 예(들)로 제한되지 않고, 발명은 첨부된 청구 범위의 범위 내에 있는 모든 실시 예들을 포함하는 것으로 의도된다.

Claims (20)

  1. 냉각판을 제조하는 방법에 있어서, 상기 방법은,
    구축 재료로부터 층별 방식으로 구축 표면 상에 유체 회로를 형성하는 단계 - 상기 유체 회로는,
    복수 개의 주변 벽들로서,
    상기 복수 개의 주변 벽들의 각각은 적어도 부분적으로 일차 채널을 규정하고;
    상기 주변 벽들 중 길이 방향으로 연장하는 하나의 주변 벽은 애퍼쳐들을 포함하도록 형성되고, 상기 애퍼쳐들은 초과 구축 재료가 상기 애퍼쳐들을 통과하게 하도록 구성된
    상기 복수 개의 주변 벽들; 및
    상기 일차 채널 및 상기 일차 채널에 유동적으로 연결된 복수 개의 이차 채널들을 적어도 부분적으로 규정하는 중앙 벽
    을 포함함-; 및
    상기 애퍼쳐들을 통해 초과 구축 재료를 제거하는 단계
    를 포함하는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 주변 벽들 중 상기 길이 방향으로 연장하는 하나의 주변 벽은 다공성 재료 및 복수 개의 핀들 중 하나로부터 형성된 방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 구축 재료는 분말인 방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 유체 회로는 분말 기반 적층 가공 기술을 사용하여 형성된 방법.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 냉각판 상에 외부 커버를 형성하는 단계를 더 포함하는 방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 초과 구축 재료를 제거하는 단계는, 흔들기, 진동, 또는 진공 기술을 사용하여 상기 복수 개의 주변 벽들 중 제 1 벽을 통해 상기 초과 구축 재료를 배출시키는 단계를 포함하는 방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 초과 구축 재료들을 제거하는 단계 이후 상기 복수 개의 주변 벽들 중 상기 제 1 벽을 밀폐하는 단계를 더 포함하는 방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 주변 벽들 중 상기 제 1 벽을 밀폐하는 단계는, 용접 또는 브레이징 기술을 사용하여 상기 주변 벽들 중 상기 제 1 벽에 솔리드 재료를 부착하는 단계를 포함하는 방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 복수 개의 벽들 중 상기 제 1 벽은 상기 복수 개의 벽들 중 제 2 벽에 맞닿고, 상기 복수 개의 벽들 중 상기 제 2 벽은 유체 유입부 및 유체 유출부 중 하나를 포함하는 방법.
  10. 제 1 항에 있어서,
    중앙 벽을 형성하는 단계를 더 포함하고, 상기 중앙 벽에는 상기 중앙 벽을 통해 연장하는 복수 개의 삼차 채널들이 있는 방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 복수 개의 삼차 채널들 중 제 1 채널은 상기 복수 개의 이차 채널들 중 제 1 채널 및 상기 일차 채널을 유동적으로 연결하는 방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 복수 개의 삼차 채널들 중 제 2 채널은 상기 복수 개의 이차 채널들 중 상기 제 1 채널 및 상기 복수 개의 이차 채널들 중 제 2 채널을 유동적으로 연결하는 방법.
  13. 제 10 항에 있어서,
    상기 복수 개의 삼차 채널들 중 적어도 하나의 삼차 채널은 핀들을 포함하는 어셈블리.
  14. 제 10 항에 있어서,
    상기 복수 개의 삼차 채널들 중 적어도 하나의 삼차 채널은 다공성 재료 및 격자 구조 중 하나를 포함하고, 상기 다공성 재료 및 격자 구조 중 하나는 다량의 유체가 상기 다공성 재료 및 격자 구조 중 하나를 통해 유동하게 하도록 구성된 어셈블리.
  15. 냉각판을 위한 유체 회로를 설계하는 방법에 있어서, 상기 방법은,
    입력 파라미터들에 기반하여 상기 냉각판의 3차원 모델 상의 최적화 동작들을 수행하는 단계 - 상기 최적화 동작들은,
    상기 유체 회로의 솔리드 영역들을 제 1 수치로 식별하는 단계;
    상기 유체 회로의 개방 영역들을 제 2 수치로 식별하는 단계; 및
    상기 유체 회로의 중간 영역들을 제 1 수치 및 제 2 수치 사이의 적어도 하나의 수치로 식별하는 단계
    를 포함함-;
    최적화된 모델을 생성하는 단계; 및
    상기 중간 영역들이 부분적 개방 영역들을 나타내도록 상기 최적화된 모델을 변형하는 단계
    를 포함하는 방법.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 최적화된 모델에 기반하여 상기 유체 회로를 적층적으로 가공하는 단계를 더 포함하는 방법.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 솔리드 영역들은 복수 개의 주변 벽들 및 중앙 벽 중 하나의 벽으로서 형성되는 방법.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 개방 영역들은 일차 채널 및 복수 개의 이차 채널들 중 하나의 채널인 방법.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 부분적 개방 영역들은 핀들이 있는 복수 개의 삼차 채널들로서 형성된 방법.
  20. 제 18 항에 있어서,
    상기 부분적 개방 영역들은 삼차 채널들로서 형성되고, 상기 삼차 채널들은 다공성 재료를 포함하고, 상기 다공성 재료는 다량의 유체가 상기 다공성 재료를 통해 유동하게 하도록 구성된 방법.
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