TR201920634A1 - Sivi soğutmali çok katmanli soğutma plakasi - Google Patents

Abstract

Buluş, raylı ve elektrikli araç sistemlerinde kullanılması planlanan çevirici birim ve birim içerisinde yer alan yüksek ısı atımına sahip güç elektroniği IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) modüllerinin sıvı ile soğutulmasını sağlayan çok katmanlı soğutma plakası ile ilgilidir. Şekil 2

Description

TARIFNAME sivi SOGUTMALI ÇOK KATMANLI SOGUTMA PLAKASI Teknik Alan Bulus, elektronik sistemlerde sivi sogutma ile isil dengeyi saglayan plakalar ile ilgilidir.

Bulus, özellikle; rayli ve elektrikli araç sistemlerinde kullanilmasi planlanan çevirici birim ve birim içerisinde yer alan yüksek isi atimina sahip güç elektronigi IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) modüllerinin sivi ile sogutulmasini saglayan çok katmanli Teknigin Bilinen Durumu Günümüzde kullanilan tüm elektronik aletler belirli bir çalisma süresi sonrasinda isinmaktadir. Isinmanin miktari cihazin üretildigi maddeye göre degisebilmektedir. Bu isinma kullanilan elektronik aracin ancak direnç saglayabilecegi degerlere ulasabilmektedir. Çok fazla isinan cihazlar enerji kaybina ugrayarak kendi kendine kapanabilmekte veya asiri isinmaya bagli olarak devrelerin yanmasina sebebiyet verebilmektedir. Bu isinma probleminin giderilmesi için kullanilan yöntemlerden biri de sivi ile sogutmanin saglanarak termal dengenin saglanmasidir.

Mevcut teknikte güç elektronigi modüllerinin sogutulmasi için tasarlanan soguk plakalar sogutucu akiskanin tek kademeden aktigi kanalli yapilarindan olusmaktadir. Bu tip yapilarda sogutucu sivi kanallar içerisinde tek kademede bir akis izleyerek elektronik modüllerden açiga çikan isiyi uzaklastirmaktadir.

Rayli araç sistemlerinde güç elektronigi modüllerinin sogutulmasinda kanalli sogutucularin yani sira heat pipe (isi nakil borusu) ve hava sogutmali fin yapilari da kullanilmaktadir. Heat pipe sogutma yapilarinda güç modüllerinin altinda yer alan ve içlerinde faz degistiren malzemenin bulundugu kanallar isiyi güç modüllerinin altindan diger uçta bulunan finli yapilara tasimaktadir. Hava sogutmali fin yapilarinda ise güç modüllerinin altindaki fin yapisi sayesinde güç modüllerinden atilan isi iletim yolu ile finlere tasinip tasinimla modüllerin sogutulmasi saglanmaktadir. Ayrica çok yüksek isi atimlarinda sivi jeti yöntemi ile sogutma da tercih edilebilmektedir.

Soguk plaka tasarimindaki en önemli kriter isi atim degerleridir. Mevcut teknikte genel olarak yüksek ve lokal isi atimlarina sahip güç elektronigi modüllerinin sogutulmasinda tek katmana sahip soguk plakalar kullanilmaktadir. Özellikle modüllerin yüksek performansta çalistigi zamanlarda isi atim degerleri kritik seviyelere ulasmakta ve tek katmanli soguk plakalar sogutmada ve homojen sicaklik dagilimi saglamada yetersiz kalmakta, elektronik modüllerin sicakliklari yüksek degerlere ulasmaktadir. Soguk sivinin giris yaptigi bölgedeki yüzey sicakligi ile isinmis sivinin çikis yaptigi bölgedeki yüzey sicakligi arasindaki fark tek katmanli soguk plakalarda fazladir. Bu sebeple tek katmanli soguk plakalarda homojen sicaklik dagiliminin saglanmasi zordur. Modülün üzerinde homojen bir sicaklik dagilimi olmadigi zaman modül termal strese maruz kalmakta ve çalisma ömrü azalmaktadir. Ayrica sicaklik dagiliminin düzgün olmamasi modülün çalisma performansini da olumsuz yönde etkilemektedir.

Bilinen uygulamalarda bir diger etkili sivi sogutma yöntemi sivi jet ile sogutmadir.

Ancak bu tip yapilarda çok miktarda nozul kullanilmasi gerektiginden sogutma tasarimi kompleks bir yapiya sahiptir. Nozullarin sogutulacak birime uygun sekilde tasarimi ve üretimi özel yöntemler gerektirdiginden sivi jet sogutma teknigi kanalli sivi sogutma yöntemlerine göre uygulanmasi daha güçtür.

Literatürde yapilan arastirma sonucunda bulusumuzla benzer olmayan ayni teknik alanda yer alan USS453911 A yayin numarali dokümana rastlanilmistir. Mevcut doküman genel olarak, bir mahfaza içine yerlestirilmis bir Ievhaya veya Ievhaya monte edilmis güç elektronigi cihazlarini sogutma yöntemleri ile ilgilidir. Sogutma plakasinin genellikle sogutma akiskanini soguk plaka içerisine yönlendirmek için bir veya daha fazla geçisin olusturuldugu nispeten düzlemsel bir yapida olustugundan bahsedilmektedir. Ancak çok katmanli bir yapi ve buna bagli olarak termal dengenin saglanmasini amaçlayan bir bilgi mevcut degildir.

Sonuç olarak, yukarida anlatilan olumsuzluklardan dolayi ve mevcut çözümlerin konu hakkindaki yetersizligi nedeniyle ilgili teknik alanda bir gelistirme yapilmasi gerekli kilinmistir.

Bulusun Amaci Bulus, mevcut durumlardan esinlenerek olusturulup yukarida belirtilen olumsuzluklari çözmeyi amaçlamaktadir.

Bulusun ana amaci; yüksek isi atimina sahip elektronik birimlerini, soguk sivinin çok katmanli plakada yer alan kanallarda dolasimini saglayarak sogutmak ve homojen bir isil denge saglamaktir.

Bulusun diger amaci; plakalarda yer alan sivi dagitim kanallari sayesinde sadece plaka ve dis yüzeyi arasinda degil plakanin kendi içerisindeki sicak ve soguk sivi arasindaki isi transferinin gerçeklestirilmesini saglamaktir. Bu sayede içeride dolasan sivinin sicakliginin daha homojen olmasi saglanmis, bu da plakanin yüzey sicakliginin homojen olmasina yardimci olmustur.

Bulusun bir diger amaci; isil genlesme farkindan kaynakli termal streslerin azaltilmasini saglayarak daha uzun ömürlü bir cihaz ortaya koymaktir.

Bulusun bir diger amaci; sogutma sivisinin çok koldan dolastirilmasi ile yüksek güçlü çevirici birimlerin istenen degerlerde sogutulmasini saglamaktir.

Yukarida anlatilan amaçlari yerine getirmek üzere bulus, rayli ve elektrikli araç sistemlerinde yer alan çevirici birim ve birim içerisinde yer alan yüksek isi atimina sahip güç elektronigi lGBT (lnsulated Gate Bipolar Transistor) modüllerinde kullanilan; sogutma sivisinin girisini saglayan sivi giris açikligi, sivinin dolasimini saglayan sivi dagitim kanallari ile isinan sivinin tahliyesini saglayan sivi çikis açikligina sahip, bahsedilen elektronik elemanlarin sivi ile sogutulmasini saglayan çok katmanli sogutma plakasi olup, özelligi; o bahsedilen sivi giris açikligi ile soguk sivi girisinin yapildigi, sivi dagitim kanallarindan tüm katmana soguk sivi dolasiminin saglandigi üst katman, - bahsedilen üst katmanda dolasimini tamamlayan sivinin tersi yönde dolasim saglayan, termal stresi ortadan kaldirarak homojen bir isil denge saglayan ve sivi dagitim kanallarindan aldigi siviyi bahsedilen sivi çikis açikligina ileterek isinan sivinin tahliyesinin saglayan alt . üst katmanda dolasim saglayan soguk sivinin bahsedilen alt katmana geçisi ile üst katman ile alt katman arasinda sivi geçisini saglayan sivi katman geçis araliklari içermektedir.

Bulusun yapisal ve karakteristik özellikleri ve tüm avantajlari asagida verilen sekiller ve bu sekillere atiflar yapilmak suretiyle yazilan detayli açiklama sayesinde daha net olarak anlasilacaktir ve bu nedenle degerlendirmenin de bu sekiller ve detayli açiklama göz önüne alinarak yapilmasi gerekmektedir.

Bulusun Anlasilmasina Yardimci Olacak Sekiller Sekil 1, Bulusa konu olan çok katmanli sogutma plakasinin güç birimine monte halinin genel perspektif görünümüdür.

Sekil 2, Bulusa konu olan çok katmanli sogutma plakasinin alt ve üst kapaklara monte edilmeden önceki görünümleridir.

Sekil 3, Üst katmanin genel görünümüdür.

Sekil 4, Alt katmanin genel görünümüdür.

Sekil 5, Sivi katman geçis araliklarinin yakin plan görünümleridir.

Parça Referanslarinin Açiklamasi 1. Elektronik eleman 2. Üst kapak 3. Orta gövde 3.1. Üst katman 3.2. Alt katman 4. Alt kapak . Sivi giris açikligi 6. Sivi çikis açikligi 7. Sivi dagitim kanallari 7.1 S-kanallar 8. Sivi katman geçis araligi Bulusun Detayli Açiklamasi Bu detayli açiklamada, bulusa konu olan sivi sogutmali çok katmanli plakanin tercih edilen yapilanmalari, sadece konunun daha iyi anlasilmasina yönelik olarak açiklanmaktadir.

Bulus; rayli ve elektrikli araç sistemlerinde yer alan çevirici birim ve birim içerisinde yer alan yüksek isi atimina sahip güç elektronigi IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) modüllerinde kullanilan; sogutma sivisinin girisini saglayan sivi giris açikligi (5), sivinin dolasimini saglayan sivi dagitim kanallari (7) ile isinan sivinin tahliyesini saglayan sivi çikis açikligina (6) sahip, bahsedilen elektronik elemanlarin (1) sivi ile sogutulmasini saglayan çok katmanli plaka olup, özelligi; bahsedilen sivi giris açikligi (5) ile soguk sivi girisinin yapildigi, sivi dagitim kanallarindan (7) tüm katmana soguk sivinin dolasimini saglandigi en az bir üst katman (3.1) ve bahsedilen üst katmanda (3.1) dolasimini tamamlayan sivinin tersi yönde dolasimini saglayan, termal stresi ortadan kaldirarak homojen bir isil denge saglayan ve sivi dagitim kanallarinda (7) aldigi siviyi bahsedilen sivi çikis açikligina (6) Ileterek isinan suyun tahliyesinin saglayan alt katman (3.2) içermektedir. Bununla birlikte üst plakada (3.1) dolasim saglayan soguk sivinin bahsedilen alt katmana (3.2) geçisini saglayan, bahsedilen üst katman (3.1) üzerinde yapilandirilmis sivi katman geçis araliklari (8) içermektedir. Bulus ayrica üst katmanda (3.1) ve alt katmanda (3.2) yer alan sivi dagitim kanallarindan (7) siviyi alarak sivinin tüm plakaya dagilmasini saglayan, tüm isi atim yüzeylerinden esit debi ve sicaklikta sogutma sivisi geçisi ile homojen bir sicaklik dagiliminin elde edilmesini saglayan S-kanallarina (7.1) sahiptir. Sivi ile sogutma saglayan çok katmanli plaka üst katman (3.1) ile alt katman (3.2) orta gövde (3) üzerinde yapilandirilmistir ve katman sayisina göre orta gövde (3) sayisinin degistirilebilmektedir.

Sekil 1' de çok katmanli sogutma plakasinin elektronik elemana (1) monte halinin genel perspektif görünümüdür. Burada bahsedilen elektronik eleman (1) güç elektronigi IGBT modülüdür. Çok katmanli sogutma plakasi üst kapak (2) ve alt kapak (4) arasinda konumlandirilan gövde (3) üzerinde yapilandirilmistir (Sekil 2).

Sogutma sivisi soguk plaka gövdesine (3) sivi giris açikligindan (5) girmektedir. Sivi giris açikligindan giren sogutma sivisi sivi dagitim kanalindan (7) geçerek paralel üç kanala ayrilir. Daha sonra bu sogutma sivisi bu üç ayrik kanaldan dört esdeger bosluktan S-kanal (7.1) içerisine girmektedir. Sogutma sivisi kanal daralmasindan dolayi hizini arttirir ve S-kanalin (7.1) sonundaki katman geçis araliklarina (8) kadar gelir (Sekil 5)` Plakanin üst katmaninda (3.1) dolanan sogutma sivisi ikinci bir katmana yani alt katmana (3.2) inerek plaka üzerinden isi çekmeye devam eder. Alt katmana (3.2) geçen sogutma sivisi yine S-kanal (7.1) yapisindan geçmektedir. Sivi bu kez alt katmanda (3.2) üst katmanin (3.1) aksi yönde akmaktadir Ikinci katmani (3.2) da tamamlayan sogutma sivisi dagitim kanallarindan (7) sivi çikis açikligina (6) gelir ve soguk plakayi terk eder. Katman sayisina bagli olarak bu islem birbirini tekrar eder.

Yüksek güçlü çevirici birimlerinin istenen degerlerde sogutulabilmesi için, sogutma sivisi çok koldan dolastirilmistir. Sogutma sivisi dar sivi kanallarinda dolandigi için artan hiz ve türbülans ile çok etkili bir sogutma elde edilmektedir. Bu sayede tüm isi atim yüzeylerinden esit debi ve sicaklikta sogutma sivisi geçmesi saglanmis ve homojen bir sicaklik dagilimi elde edilmistir. Giristen sonra üç kola ayrilan sogutma sivisi daha sonra daha dar S seklindeki S-kanallara (7.1) girmektedir. Bu 8 kanallarinin (7.1) girisindeki özel tasarim kavite sayesinde daha yumusak bir geçis saglanmis ve basinç kaybi düsürülmüstür. Ayrica bu tasarim sayesinde kanallara esit miktarda sogutma sivisi girmesi saglanmistir. Bu kaviteyi geçen sogutma sivisi kanallarda S akis deseninde akmaktadir. Soguk plakanin üst katmanini (3.1) tamamlayan sogutma sivisi sivi katman geçis araligindan (8) geçip ters S çizerek üst katmani (3.1) sogutmaya devam etmektedir. Bu sirada üst katmanda (3.1) soguk sogutma sivisinin geçtigi yerden alt katmanda (3.2) sicak akiskan geçmektedir. Bu sayede alt katman (3.2) ve üst katman (3.1) arasindaki sicaklik farki sabit tutularak çok homojen bir sicaklik dagilimi elde edilmektedir. Böylelikle tek katmanliya göre hem homojen hem de etkili bir sogutma saglanmis olur.

Bulusun bir baska uygulamasinda yüksek güçlü çevirici birimleri için çok katmanli soguk plaka tasarimi elde etmek için katman sayisi arttirilarak kullanilabilmektedir. Bu tasarimda talasli imalatta freze ile yapilmasi gereken islem sayisi artmis fakat sogutma performansi iyilesmistir.

Claims (3)

ISTEMLER Rayli ve elektrikli araç sistemlerinde yer alan çevirici birim ve birim içerisinde yer alan yüksek isi atimina sahip güç elektronigi IGBT (lnsulated Gate Bipolar Transistor) modüllerinde kullanilan; sogutma sivisinin girisini saglayan sivi giris açikligi (5), sivinin dolasimini saglayan sivi dagitim kanallari (7) ile isinan sivinin tahliyesini saglayan sivi çikis açikligina (6) sahip, bahsedilen elektronik elemanlarin (1) sivi ile sogutulmasini saglayan çok katmanli sogutma plakasi olup, özelligi; o bahsedilen sivi giris açikligi (5) ile soguk sivi girisinin yapildigi, sivi dagitim kanallarindan (7) tüm katmana soguk sivinin dolasiminin saglandigi üst katman (3.1) . bahsedilen üst katmanda (3.1) dolasimini tamamlayan sivinin tersi yönde dolasimini saglayan, termal stresi ortadan kaldirarak homojen bir isil denge saglayan ve sivi dagitim kanallarindan (7) aldigi siviyi bahsedilen sivi çikis açikligina (6) ileterek isinan suyun tahliyesini saglayan alt katman (3.2) 0 üst katman (3.1) ile alt katman (3.2) arasinda sivi geçisini saglayan sivi katman geçis araliklari (8) içermesidir. Istem 1' e uygun çok katmanli sogutma plakasi olup, özelligi; üst katmanda (3.1) ve alt katmanda (3.2) yer alan sivi dagitim kanallarindan (7) siviyi alarak sivinin tüm plakaya dagilmasini saglayan, tüm isi atim yüzeylerinden esit debi ve sicaklikta sogutma sivisi geçisi ile homojen bir sicaklik dagiliminin elde edilmesini saglayan S-kanallar (7.1) içermesidir. Istem 1* e uygun çok katmanli sogutma plakasi olup, özelligi; üst katman (3.

1) ile alt katmanin (3.

2) orta gövde (

3) üzerinde yapilandirilmis olmasidir. Istem 3” e uygun çok katmanli sogutma plakasi olup, özelligi; katman sayisina göre orta gövde (3) sayisinin degistirilebilir olmasidir.