WO2013150071A2 - Kühlvorrichtung - Google Patents

Kühlvorrichtung Download PDF

Info

Publication number
WO2013150071A2
WO2013150071A2 PCT/EP2013/057022 EP2013057022W WO2013150071A2 WO 2013150071 A2 WO2013150071 A2 WO 2013150071A2 EP 2013057022 W EP2013057022 W EP 2013057022W WO 2013150071 A2 WO2013150071 A2 WO 2013150071A2
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
cooling device
resonance tube
heat sink
cooling
sonotrode
Prior art date
Application number
PCT/EP2013/057022
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
WO2013150071A3 (de
Inventor
Martin Honsberg-Riedl
Jakob LÖSCHKE
Gerhard Mitic
Randolf Mock
Thomas Vontz
Original Assignee
Siemens Aktiengesellschaft
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority claimed from DE201210205463 external-priority patent/DE102012205463A1/de
Priority claimed from DE201210215484 external-priority patent/DE102012215484A1/de
Application filed by Siemens Aktiengesellschaft filed Critical Siemens Aktiengesellschaft
Priority to CN201380026478.5A priority Critical patent/CN104620374A/zh
Priority to JP2015503870A priority patent/JP2015519727A/ja
Priority to US14/389,853 priority patent/US20150062813A1/en
Priority to KR1020147030880A priority patent/KR20150002749A/ko
Priority to EP13713900.2A priority patent/EP2815638B1/de
Publication of WO2013150071A2 publication Critical patent/WO2013150071A2/de
Publication of WO2013150071A3 publication Critical patent/WO2013150071A3/de

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • H05K7/00—Constructional details common to different types of electric apparatus
    • H05K7/20—Modifications to facilitate cooling, ventilating, or heating
    • H05K7/2089—Modifications to facilitate cooling, ventilating, or heating for power electronics, e.g. for inverters for controlling motor
    • H05K7/20909—Forced ventilation, e.g. on heat dissipaters coupled to components
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B06—GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS IN GENERAL
    • B06B—METHODS OR APPARATUS FOR GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS OF INFRASONIC, SONIC, OR ULTRASONIC FREQUENCY, e.g. FOR PERFORMING MECHANICAL WORK IN GENERAL
    • B06B3/00—Methods or apparatus specially adapted for transmitting mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L23/00—Details of semiconductor or other solid state devices
    • H01L23/34—Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements
    • H01L23/46—Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements involving the transfer of heat by flowing fluids
    • H01L23/467—Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements involving the transfer of heat by flowing fluids by flowing gases, e.g. air
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • H05K7/00—Constructional details common to different types of electric apparatus
    • H05K7/20—Modifications to facilitate cooling, ventilating, or heating
    • H05K7/20009—Modifications to facilitate cooling, ventilating, or heating using a gaseous coolant in electronic enclosures
    • H05K7/20136—Forced ventilation, e.g. by fans
    • H05K7/20145—Means for directing air flow, e.g. ducts, deflectors, plenum or guides
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • H05K7/00—Constructional details common to different types of electric apparatus
    • H05K7/20—Modifications to facilitate cooling, ventilating, or heating
    • H05K7/20009—Modifications to facilitate cooling, ventilating, or heating using a gaseous coolant in electronic enclosures
    • H05K7/20136—Forced ventilation, e.g. by fans
    • H05K7/20154—Heat dissipaters coupled to components
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • H05K7/00—Constructional details common to different types of electric apparatus
    • H05K7/20—Modifications to facilitate cooling, ventilating, or heating
    • H05K7/20009—Modifications to facilitate cooling, ventilating, or heating using a gaseous coolant in electronic enclosures
    • H05K7/20136—Forced ventilation, e.g. by fans
    • H05K7/20172—Fan mounting or fan specifications
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L23/00—Details of semiconductor or other solid state devices
    • H01L23/34—Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements
    • H01L23/46—Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements involving the transfer of heat by flowing fluids
    • H01L23/473—Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements involving the transfer of heat by flowing fluids by flowing liquids
    • H01L23/4735—Jet impingement
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2924/00—Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
    • H01L2924/0001—Technical content checked by a classifier
    • H01L2924/0002—Not covered by any one of groups H01L24/00, H01L24/00 and H01L2224/00

Definitions

  • the invention relates to a cooling apparatus for cooling an electronic component, in particular a tripod Halblei ⁇ ters.
  • Th for cooling thermally demanding electronic components such as the example of power semiconductors often times ⁇ not a passive convective cooling with the aid of a heat sink enough. It is therefore necessary in such cases, in addition to actively generate a directed toward the heat sink air flow.
  • ultrasonic transducers In addition to the use of mechanical fans that are both loud and susceptible to wear, this also the use of ultrasonic transducers is known. Such transducers, for example, piezoelectric sonotrodes, generate not only the actual ultrasonic vibration but also a directed away from the transducer air flow, the so-called ultrasonic wind, which can be used for active cooling.
  • ultrasound transducers Compared with mechanical fans, however, ultrasound transducers only produce a relatively low air throughput.
  • the cooling device according to the invention is for cooling an electronic component, in particular a power semi-conductor ⁇ formed. It at least indicates one
  • the erfindungsge ⁇ Permitted cooling device has a Sonotrodenelement associated resonance tube with a first open end and a second open end.
  • the sonotrode element is arranged closer to the first end than to the second end of the resonance tube, or else the first end points toward the sonotrode element.
  • the distance between the sonotrode and the second end and / or of the first end and two ⁇ tem end corresponds essentially to an integer multiple of half the wavelength. Alternatively or in addition to the respective distance corresponds to the flow path between
  • Sonotrode and second end and / or the flow path between the first end and the second end through the resonance tube substantially an integer multiple of half the wavelength.
  • a substantially slightly to an integer multiple of half the wavelength corresponding distance or the flow path that in particular at most one eighth, preferably by not more than one-sixteenth of the waves ⁇ length, can be different from the integer multiple of half the wavelength.
  • the deviations from the integer multiple of the half wavelength are at most one-thirty-second of the wavelength.
  • the distance or the flow path within the manufacturing tolerance exactly corresponds to an integer multiple of half the wavelength.
  • an antinode of the resonant excited by the Sonotrodenelement standing ultrasonic waves ⁇ forms at the second end of the resonance tube - between the second and the Sonotrodenelement End of the resonance tube or between the first end and the second end of the resonance tube so a standing wave is generated.
  • the oscillation ratios correspond to an open organ pipe.
  • the first end of the resonance tube is spaced from the sonotrode to a multiple of the half wavelength, whereby also the first and the second end of the resonance tube lenin to a multiple of half Wel ⁇ are spaced apart from each other, or the Strö ⁇ mungsweg between the first and second end is a multiple of half the wavelength.
  • Zvi ⁇ rule first and second ends and between can be
  • the Sonotrode element and second end forming resonances advantageously superimpose each other and reinforce.
  • the sonotrode element is arranged outside the resonance tube and / or at the end side relative thereto. In this way the Sonotrodenelement can very efficiently excite resonances in the resonance tube ⁇ .
  • the cooling device according to the invention comprises fer ⁇ ner a matable with the component cooling body which is close to the second end of the resonance tube, in particular the front side ⁇ for this and / or reasonable arranged outside of the resonance tube.
  • the exiting from the resonance tube, in its flow rate compared to the prior art significantly increased air can flow suitable to the heat sink with heat-dissipating air.
  • an air gap is provided in the cooling device according to the invention between the second end of the resonance tube and the heat sink.
  • resonances can be efficiently excited in this way.
  • the inventive cooling device corresponds with the inventive cooling device ⁇ the diameter of the resonance tube in the essential chen the wavelength. Resonances in the resonance tube are particularly easy to excite in this case.
  • the first end of the resonance tube on a cutting edge.
  • the resonance effect of the resonance pipe flow increases during the intake of the air stream.
  • the geometry of the cutting edge and / or the first En ⁇ of the resonance tube and / or of the Sonotrodenelements Air flow channeled so that they are exactly on the
  • Cutting edge meets, in particular by means of at least one suitably provided Strömungsleitschs.
  • a wall of the resonance tube at the first end at its mecanicsei ⁇ te is skewed to the longitudinal extension of the resonance tube, suitably such that the wall at the first end or towards the first end tapers.
  • the wall of the first end of the resonance tube is chamfered on its outer side to the longitudinal extension of the resonance tube, expedient such that the wall tapers at the first end or towards the first end.
  • a flow-guiding means is additionally provided in the cooling device, by means of which flowing air to the
  • Cutting edge is aptly conductive.
  • the flow guide is arranged and designed such that the flow guide has at least one flow channel, wherein the cross-sectional area of the flow channel is reduced near the cutting edge.
  • the flow channel is disposed in axial alignment with the resonance ⁇ pipe.
  • the flow channel is located at a distal end of the cutting edge near the sonotrode element.
  • the flow guide means on at least one Strö ⁇ mungsleitrohr and at least one flow restricting means, which at least cooperates with the flow duct a Strö ⁇ flow duct forming.
  • the guide tube is arranged axially aligned with the resonance tube.
  • the flow limiting means is an axially aligned with the resonance tube to ⁇ orderly and lying within the guide tube funnel, cone or truncated cone, which along the longitudinal axis of Strömungsleitrohres in the direction of the resonance tube to wei ⁇ tet and is preferably solid.
  • an outlet opening of the Strömungsleitrohres overlap in Radia ⁇ ler direction with the cutting edge. A particularly good flow of the cutting edge is achieved in this way.
  • the air flow generated by ultrasonic transducers - and thus the cooling capacity - can be improved by suitable measures as described above.
  • Such a cooling device for cooling an electronic component, in particular a power semiconductor ⁇ conductor comprising a thermally with the component ELL ⁇ heat sink, at least one Sonotrodenelement for the generation ⁇ supply of directed onto the heat sink toward the ultrasonic waves of a predetermined wavelength, and a the
  • Sonotrodenelement associated resonance tube which is arranged between the sonotrode element and the heat sink.
  • a distance Zvi ⁇ rule the Sonotrodenelement and the heat sink corresponding to an integer multiple of a quarter of the wavelength. Due to this geometric arrangement, a wave node is formed on the surface of the heat sink, so that a standing wave is generated between the sonotrode element and the heat sink. In contrast to the above arrangement, the vibration conditions therefore do not correspond County ⁇ ger an open, but a stopped organ pipe.
  • the thickness of the non-moving boundary layer on the heat sink surface is significantly reduced, so that the heat transfer to the flowing air is significantly improved.
  • an air gap is provided between a heat sink side end of the resonance tube and the heat sink.
  • the gap width can be suitably chosen, it is possible, for example, to choose a gap width of one fourth of the ultrasonic wavelength, so that there is a vibration vault at the opening of the resonance tube.
  • At least one flow guide element in a surface region of the heat sink facing the heat sink side end of the resonance tube.
  • ⁇ by the outflow of the ultrasonic wind can be targeted. This is particularly advantageous if several sonotrode elements and associated resonance tubes are to be used.
  • suitable design of the flow guide elements it can be prevented that the individual air flows of the sonotrode elements influence each other negatively.
  • the flow guide for redirecting one in the direction of a surface normal of Surface of the heat sink incoming air flow formed by 180 °.
  • the ultrasonic wind is thus derived here antiparallel to its direction of incidence. This is particularly useful in combination with a parallel to the resonance tube extending Lucasableitkanal that leads away the air flow perpendicularly from the surface of the heat sink.
  • Heat sink incident air flow is formed by 90 °.
  • the incident ultrasonic wind is thus discharged in the direction of the heat sink edge. It is particularly expedient if the flow guide element extends to an edge region of the surface of the heat sink.
  • the flow guide can form a recessed channel in the surface of the heat sink, whose width substantially corresponds to the diameter of the resonance tube. Also, a spiral running to the edge of the heat sink geometry of the flow guide is possible. Depending on ⁇ order of each sonotrode other geometries can be useful.
  • FIG. 1 shows a schematic sectional view of a cooling device according to the invention
  • Cutting edge a schematic sectional view of another embodiment of a cooling device according to the invention with a resonance tube with a
  • Cutting edge a schematic sectional view of another embodiment of a cooling device according to the invention with a resonance tube with a
  • FIG 7 with an illustration of the thermal insulating layer on the heat sink surface, a perspective view of an exemplary embodiment of a cooling device according to the invention with a plurality of sonotrodes, a schematic sectional view of an embodiment of the present inventiondevorrich- tion with a parallel to the resonance tube extending flow channel for discharging the heated air, 12 is a perspective view of a heat sink with
  • FIG 13 is a perspective view of an alternative
  • Heat sink with flow guide elements for use in one embodiment of a fiction, ⁇ modern cooling device.
  • the cooling device 10 illustrated in FIG 1 serves to acti ⁇ ven cooling a semiconductor component (in FIG 1 not shown expli ⁇ cit).
  • the cooling device 10 comprises a piezoe ⁇ lectrical sonotrode 12 and a heat sink 30 thermally coupled to the semiconductor. Between the horn 12 and heat sink 30, a circular cylindrical resonance tube 16 having a first 50 and a second open end 55 is arranged such that the first open End 50 to sonotrode 12 and the second open end 55 of the resonance tube 16 to the heat sink 30 has.
  • the sonotrode 12 sounds in the illustration shown in the first end 50 of the resonance tube 16 ultrasonic waves with egg ⁇ ner predetermined wavelength.
  • the length L of the resonance tube 16 substantially corresponds to a half wave ⁇ lengths. In further not specifically illustrated embodiments, the length L of the resonance tube 16 is an integral at ⁇ more complete multiple of half the wavelength.
  • the first end 50 of the resonance tube 16 is spaced from the sonotrode 12 by half a wavelength, the distance a. Infol ⁇ ge this arrangement and design formed both between the first end 50 and second end 55 of the resonance tube 16 and between the sonotrode 12 and the second end 55 of the re- sonanzrohres 16 standing ultrasonic waves.
  • the diam ⁇ D of the resonance tube 16 corresponds to a Wellenlän ⁇ ge. Due to the diameter, the formation of standing waves is clearly supported.
  • the excitation of the standing waves is further improved by having a cutting edge 51 ', 51 at the first end 50', 50 ", 50 '' ', 50' '' ' ', 51 '' 'is provided, which allows an improved excitation of the air flowing into the pipe.
  • the cutting edge 51 'as shown for example in FIG 2 is formed such that the wall of the resonance tube 16' at the first end 50 'of the resonance tube 16' on the inside to the direction of the longitudinal extent L of the resonance tube 16 'is chamfered, in such a way that the wall at the first end 50 'in the direction of the sonotrode 12 is tapered.
  • a flow guiding means 57 is provided in the cooling device, by means of which flowing air can be directed to a cutting edge 51 "in an apt manner.
  • Cutting edges as shown in FIG 2 or 4 may be present.
  • the flow guide 57 has a flow guide tube 60, which is axially aligned with the resonance tube 16 '''' and between the sonotrode 12 and the resonance tube 16 '''' is arranged.
  • the flow-guiding means 57 further comprises a massive funnel 65 arranged inside the flow-guiding tube 60, which widens along the flow-guiding tube 60 in the direction of the resonance tube 16 ''''.
  • a flow channel 80 is formed. This flow channel 80 has near the resonance tube 16 '''' an outlet opening 70 with reduced
  • this exit opening 70 overlaps the flow guide 57 in ra ⁇ dialer direction with the cutting edge 51 ''.
  • Cooling devices 10 can be used for the active cooling of semiconductor components, as described above and illustrated in FIG. 6 and FIG.
  • Such cooling devices comprise a piezoelectric sonotrode 12, as already described above, as well as a heat sink thermally coupled to the semiconductor (now and in the figures described below and the further description by the reference numeral 14 instead of the reference numeral 30), between which a resonance tube 16 is arranged ,
  • a resonance tube 16 is arranged
  • At the heat sink end (now and in the figures described below and the further description with the reference numeral 18 instead of the reference numeral 55 gekennzeich ⁇ net) of the resonance tube thereby forms a vibration belly 20 of the ultrasonic vibration generated by the sonotrode 12 from.
  • the air flow generated by the sonotrode 12 in addition to the actual ultrasonic vibration, the so-called ultrasonic wind is amplified in the direction of the arrows 22.
  • the heat dissipation from the heat sink 14 is sometimes hampered by a boundary layer 24 of still air.
  • the distance between the sonotrode 12 and the surface 28 of the heat sink 14 is selected so that it is an integral multiple of four ⁇ means of the is the wavelength of the Ult ⁇ raschalls generated by the sonotrode 12th
  • Surface 28 thus forms a standing wave. This reduces the extension of the boundary layer 24, so that it has a significant smaller thickness than in the previously be ⁇ signed cooling devices 10.
  • the standing wave vortex in the area of the surface 28 it testifies ⁇ which counteract the boundary layer formation and heat removal from the Improve heat sink 14.
  • FIG. 10 shows a perspective view of a cooling device 26 without the heat sink 14.
  • the cooling device 26 comprises a plurality of piezoelectric sonotrodes 12, which are enclosed between electrodes 32, 34. The the
  • Sonotrodes 12 associated resonance tubes 16 are taken together in a block 36 and not all designated for clarity.
  • Strömungska ⁇ channels 38 which are also not all designated in the Block 36 introduced.
  • Strömungsleit ⁇ elements 40 on the surface 28 of the heat sink 14 serve the removal of heated air from the surface 28.
  • the incident ultrasonic ⁇ wind after exiting the resonance tube 16 and when hitting the flow guide 40 to Deflected 180 ° and directed into the flow channel 38, so that the heated air is removed from the heat sink 14.
  • Figures 12 and 13 show alternative embodiments of the Strö ⁇ mungsleitieri 40 on the surface 28 of the heat sink 14.
  • the flow ⁇ guide elements 40 are formed as recessed channels which re from the mouth regions 42 of the Resonanzroh- not shown, for Extend edge 44 of the heat sink 14 out.
  • the channels have a width which corresponds approximately to the diameter of the resonance tubes 16.
  • the flow-guiding elements 40 are in the form of raised webs on the surface 28 of FIG. 13
  • Heat sink 14 is formed, which extend from a center 46 of the surface 28 to the edge 44 of the heat sink along spiral ⁇ shaped paths.
  • the invention is not limited to those shown in FIG 11 to 13 geometries of the flow directing ⁇ elements 40.
  • the heat sink 14 and the discharged air or heat can also cover other ⁇ staltungen be expedient.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Cooling Or The Like Of Semiconductors Or Solid State Devices (AREA)
  • Cooling Or The Like Of Electrical Apparatus (AREA)
  • Reciprocating Pumps (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Kühlvorrichtung (26) zum Kühlen eines elektronischen Bauelements, insbesondere eines Leistungshalbleiters, mit einem thermisch mit dem Bauelement koppelbaren Kühlkörper (14), sowie mit zumindest einem Sonotrodenelement (12) zur Erzeugung von auf den Kühlkörper (14) hin gerichteten Ultraschallwellen einer vorgegebenen Wellenlänge, sowie mit einem dem Sonotrodenelement (12) zugeordnetem Resonanzrohr (16), welches zwischen dem Sonotrodenelement (12) und dem Kühlkörper (14) angeordnet ist. Erfindungsgemäß ist dabei vorgesehen, dass ein Abstand zwischen dem Sonotrodenelement (12) und dem Kühlkörper (14) einem ganzzahligen Vielfachen des Viertels der Wellenlänge entspricht, so dass sich eine stehende Welle zwischen Sonotrodenelement (12) und Kühlkörper (14) ausbildet.

Description

Beschreibung Kühlvorrichtung Die Erfindung betrifft eine Kühlvorrichtung zum Kühlen eines elektronischen Bauteils, insbesondere eines Leistungshalblei¬ ters .
Zum Kühlen thermisch anspruchsvoller elektronischer Komponen- ten, wie beispielsweise von Leistungshalbleitern, reicht oft¬ mals eine passiv-konvektive Kühlung unter Zuhilfenahme eines Kühlkörpers nicht aus. Es ist in solchen Fällen daher notwendig, zusätzlich aktiv eine auf den Kühlkörper gerichtete Luftströmung zu erzeugen.
Neben der Verwendung mechanischer Lüfter, die sowohl laut als auch verschleißanfällig sind, ist hierfür auch die Verwendung von Ultraschallwandlern bekannt. Solche Wandler, beispielsweise piezoelektrische Sonotroden, erzeugen neben der eigent- liehen Ultraschallschwingung auch einen vom Wandler weg gerichteten Luftstrom, der sogenannte Ultraschallwind, der zur aktiven Kühlung genutzt werden kann.
Verglichen mit mechanischen Lüftern wird mit Ultraschallwand- lern jedoch nur ein relativ geringer Luftdurchsatz erzeugt.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Kühlvorrichtung bereitzustellen, welche einen verbesserten Wärmeabtransport von elektronischen Bauelementen er- möglicht und insbesondere einen erhöhten Luftdurchsatz erzeugt .
Diese Aufgabe wird durch eine Kühlvorrichtung mit den Merkma¬ len des Patentanspruchs 1, mit einer Kühlvorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 2 sowie mit einer Kühlvorrich¬ tung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 8 gelöst. Bevor¬ zugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den zu- gehörigen Unteransprüchen, der nachfolgenden Beschreibung und der Zeichnung.
Die erfindungsgemäße Kühlvorrichtung ist zum Kühlen eines elektronischen Bauelements, insbesondere eines Leistungshalb¬ leiters, ausgebildet. Sie weist zumindest ein
Sonotrodenelement zur Erzeugung von Ultraschallwellen einer vorgegebenen Wellenlänge auf. Ferner weist die erfindungsge¬ mäße Kühlvorrichtung ein dem Sonotrodenelement zugeordnetes Resonanzrohr mit einem ersten geöffneten Ende und einem zweiten geöffneten Ende auf. Bei der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung ist das Sonotrodenelement dem ersten Ende näher als dem zweiten Ende des Resonanzrohres angeordnet oder aber das erste Ende weist zum Sonotrodenelement hin. Der Abstand von Sonotrode und zweitem Ende und/oder von erstem Ende und zwei¬ tem Ende entspricht im Wesentlichen einem ganzzahligen Vielfachen der halben Wellenlänge. Alternativ oder zusätzlich zum jeweiligen Abstand entspricht der Strömungsweg zwischen
Sonotrode und zweitem Ende und/oder der Strömungsweg zwischen erstem Ende und zweitem Ende durch das Resonanzrohr hindurch im Wesentlichen einem ganzzahligen Vielfachen der halben Wellenlänge .
Es versteht sich, dass ein im Wesentlichen einem ganzzahligen Vielfachen der halben Wellenlänge entsprechender Abstand oder Strömungsweg geringfügig, d.h. insbesondere um höchstens ein Achtel, vorzugsweise um höchstens ein Sechzehntel der Wellen¬ länge, von dem ganzzahligen Vielfachen der halben Wellenlänge abweichen kann. Idealerweise betragen die Abweichungen von dem ganzzahligen Vielfachen der halben Wellenlänge höchstens ein Zweiunddreißigstel der Wellenlänge. Besonders bevorzugt entspricht der Abstand oder der Strömungsweg im Rahmen der Fertigungstoleranz genau einem ganzzahligen Vielfachen der halben Wellenlänge. Aufgrund dieser geometrischen Anordnung bildet sich am zweiten Ende des Resonanzrohres ein Wellenbauch der durch das Sonotrodenelement resonant angeregten stehenden Ultraschall¬ wellen aus - zwischen dem Sonotrodenelement und dem zweiten Ende des Resonanzrohres oder zwischen dem ersten Ende und dem zweiten Ende des Resonanzrohres wird also eine stehende Welle erzeugt. Somit entsprechen beim erfindungsgemäßen Kühlkörper wie zuvor beschrieben die Schwingungsverhältnisse einer offe- nen Orgelpfeife.
Durch das im Resonanzrohr schwingende Ultraschallfeld wird am zweiten Ende des Resonanzrohres eine, verglichen mit reso- nanzrohrfreien Anordnungen, deutlich erhöhte Strömungsge- schwindigkeit der strömenden Luft erreicht. Folglich ist der Wärmeübergang eines nah dem zweiten Endes angeordneten Kühlkörpers an die strömende Luft deutlich verbessert.
Besonders zweckmäßig ist das erste Ende des Resonanzrohres von der Sonotrode um ein Vielfaches der halben Wellenlänge beabstandet, wobei zudem das erste und das zweite Ende des Resonanzrohres voneinander um ein Vielfaches der halben Wel¬ lenlänge voneinander beabstandet sind oder aber der Strö¬ mungsweg zwischen erstem und zweitem Ende ein Vielfaches der halben Wellenlänge beträgt. Auf diese Weise können sich zwi¬ schen erstem und zweitem Ende sowie zwischen
Sonotrodenelement und zweitem Ende ausbildende Resonanzen vorteilhaft gegenseitig überlagern und verstärken. Zweckmäßig ist bei der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung das Sonotrodenelement außerhalb des Resonanzrohres und/oder stirnseitig zu diesem angeordnet. Auf diese Weise kann das Sonotrodenelement besonders effizient Resonanzen im Resonanz¬ rohr anregen.
Vorteilhaft umfasst die erfindungsgemäße Kühlvorrichtung fer¬ ner einen mit dem Bauelement koppelbaren Kühlkörper, welcher nah dem zweiten Ende des Resonanzrohres, insbesondere stirn¬ seitig zu diesem und/oder außerhalb des Resonanzrohres, ange- ordnet ist. Die aus dem Resonanzrohr austretende, in ihrer Strömungsgeschwindigkeit gegenüber dem Stand der Technik deutlich erhöhte Luft kann so den Kühlkörper geeignet mit wärmeabführender Luft beströmen. Bevorzugt ist bei der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung zwischen zweitem Ende des Resonanzrohres und dem Kühlkörper ein Luftspalt vorgesehen. Hierdurch wird ein Abströmen des durch den Ultraschallwind zugeführten Luftstromes ermöglicht.
Idealerweise entspricht bei der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung der Abstand zwischen dem Sonotrodenelement und dem zweiten Ende des Resonanzrohres und/oder zwischen dem ersten und dem zweiten Ende des Resonanzrohres und/oder der Strö¬ mungsweg zwischen Sonotrode und zweitem Ende des Resonanzroh¬ res und/oder zwischen erstem und zweitem Ende des Resonanzrohres durch das Resonanzrohr hindurch einer halben und/oder einer und/oder anderthalb und/oder zwei und/oder zweieinhalb und/oder drei Wellenlänge/n. In der Praxis lassen sich auf diese Weise effizient Resonanzen anregen.
Zweckmäßigerweise entspricht bei der erfindungsgemäßen Kühl¬ vorrichtung der Durchmesser des Resonanzrohres im Wesentli- chen der Wellenlänge. Resonanzen lassen im Resonanzrohr sich in diesem Falle besonders einfach anregen.
Es versteht sich, dass ein im Wesentlichen der Wellenlänge entsprechender Durchmesser des Resonanzrohres von der Wellen- länge auch geringfügig, d.h. insbesondere um höchstens ein Achtel der Wellenlänge, vorzugsweise um höchstens ein Sech¬ zehntel der Wellenlänge, abweichen kann. Idealerweise betra¬ gen die Abweichungen von dem ganzzahligen Vielfachen der halben Wellenlänge höchstens ein Zweiunddreißigstel der Wellen- länge.
Besonders bevorzugt weist bei der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung das erste Ende des Resonanzrohres eine Schneidkante auf. Mittels der Schneidkante kommt es beim Einlauf des Luft- Stroms wie bei einer Orgelpfeife zu einer Verstärkung des re- sonanten Effektes der Resonanzrohrströmung. Idealerweise wird durch die Geometrie der Schneidkante und/oder des ersten En¬ des des Resonanzrohres und/oder des Sonotrodenelements die Luftströmung derart kanalisiert, dass sie genau auf die
Schneidkante trifft, insbesondere mittels des zumindest einen geeignet vorgesehenen Strömungsleitmittels. In einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist dabei eine Wand des Resonanzrohrs am ersten Ende an ihrer Innensei¬ te zur Längserstreckung des Resonanzrohres geschrägt, geeigneterweise derart, dass die Wand am ersten Ende oder zum ersten Ende hin spitz zuläuft.
Alternativ oder zusätzlich ist die Wand des ersten Endes des Resonanzrohres an ihrer Außenseite zur Längserstreckung des Resonanzrohres geschrägt, zweckmäßig derart, dass die Wand am ersten Ende oder zum ersten Ende hin spitz zuläuft.
In einer besonders bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist bei der Kühlvorrichtung zusätzlich ein Strömungsleitmittel vorgesehen, mittels welchem strömende Luft auf die
Schneidkanten treffend leitbar ist.
Zweckmäßig ist das Strömungsleitmittel derart angeordnet und ausgebildet, dass das Strömungsleitmittel mindestens einen Strömungskanal aufweist, wobei die Querschnittsfläche des Strömungskanals nah der Schneidkante verringert ist. Zweckmä- ßig ist der Strömungskanal axial fluchtend mit dem Resonanz¬ rohr angeordnet. Geeigneterweise ist der Strömungskanal an einem der Schneidkante fernen Ende nah dem Sonotrodenelement angeordnet . Bevorzugt weist das Strömungsleitmittel mindestens ein Strö¬ mungsleitrohr sowie zumindest ein Strömungsbegrenzungsmittel auf, welches mit dem Strömungsleitrohr zumindest einen Strö¬ mungskanal bildend zusammenwirkt. Bevorzugt ist das Leitrohr axial fluchtend mit dem Resonanzrohr angeordnet. In einer zweckmäßigen Weiterbildung der Erfindung ist das Strömungsbegrenzungsmittel ein axial fluchtend mit dem Resonanzrohr an¬ geordneter und innerhalb des Leitrohres liegender Trichter, Kegel oder Kegelstumpf, welcher sich längs der Längsachse des Strömungsleitrohres in Richtung auf das Resonanzrohr zu wei¬ tet und bevorzugt massiv ausgebildet ist. Auf diese Weise kann eine Austrittsöffnung des Strömungsleitrohres in radia¬ ler Richtung mit der Schneidkante überlappen. Eine besonders gute Beströmung der Schneidkante wird derart erreicht.
Der mit Ultraschallwandlern erzeugte Luftdurchsatz - und damit die Kühlleistung - kann durch geeignete Maßnahmen wie zuvor beschrieben verbessert werden.
Auch mit verstärktem Luftdurchsatz gemäß der erfindungsgemäßen Lösung wie zuvor beschreiben ist bei der aktiven Kühlung mit Ultraschallwandlern infolge der Ausbildung einer ruhenden Luftgrenzschicht an der Oberfläche des Kühlkörpers, der Wär¬ meübergang an den bewegten Luftstrom des Ultraschallwindes jedoch mitunter einschränkt.
Mittels der nachfolgend beschriebenen erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung mit den in Anspruch 8 angegebenen Merkmalen, welche alternativ oder - zumindest soweit sie den zuvor be¬ schriebenen Merkmalen nicht entsprechen - zusätzlich zu den Merkmalen der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung wie zuvor beschrieben vorhanden sein können, wird ein demgegenüber weiter verbesserter Wärmeabtransport von elektronischen Bauelementen ermöglicht :
Eine solche erfindungsgemäße Kühlvorrichtung zum Kühlen eines elektronischen Bauelements, insbesondere eines Leistungshalb¬ leiters, umfasst einen thermisch mit dem Bauelement gekoppel¬ ten Kühlkörper, zumindest einem Sonotrodenelement zur Erzeu¬ gung von auf den Kühlkörper hin gerichteten Ultraschallwellen einer vorgegebenen Wellenlänge, sowie ein dem
Sonotrodenelement zugeordnetes Resonanzrohr, welches zwischen dem Sonotrodenelement und dem Kühlkörper angeordnet ist.
Erfindungsgemäß ist dabei vorgesehen, dass ein Abstand zwi¬ schen dem Sonotrodenelement und dem Kühlkörper einem ganzzahligen Vielfachen eines Viertels der Wellenlänge entspricht. Aufgrund dieser geometrischen Anordnung bildet sich an der Oberfläche des Kühlkörpers ein Wellenknoten aus - zwischen dem Sonotrodenelement und dem Kühlkörper wird also eine ste- hende Welle erzeugt. Im Gegensatz zur vorbeschriebenen Anordnung entsprechen die Schwingungsverhältnisse somit nicht län¬ ger einer offenen, sondern einer gedackten Orgelpfeife.
Durch das schwingende Ultraschallfeld wird die Dicke der un- bewegten Grenzschicht an der Kühlkörperoberfläche deutlich verringert, so dass der Wärmeübergang an die strömende Luft deutlich verbessert wird. Insbesondere können sich im Grenz¬ schichtbereich Wirbel ausbilden, die den Wärmeaustausch zwischen Kühlkörper und Luft deutlich erleichtern, so dass die Kühleffizienz einer solchen Vorrichtung besonders gut ist.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist zwischen einem kühlkörperseitigen Ende des Resonanzrohres und dem Kühlkörper ein Luftspalt vorgesehen. Hierdurch wird ein Abströmen des durch den Ultraschallwind zugeführten Luftstromes ermöglicht. Die Spaltbreite kann dabei geeignet gewählt werden, möglich ist es beispielsweise, eine Spaltbreite von einem Viertel der Ultraschallwellenlänge zu wählen, so dass an der Öffnung des Resonanzrohres ein Schwingungsbauch vorliegt.
Es ist ferner zweckmäßig, in einem dem kühlkörperseitigen Ende des Resonanzrohrs zugewandten Oberflächenbereich des Kühlkörpers wenigstens ein Strömungsleitelement vorzusehen. Hier¬ durch kann das Abströmen des Ultraschallwindes gezielt ge- lenkt werden. Dies ist insbesondere vorteilhaft, wenn mehrere Sonotrodenelemente und zugeordnete Resonanzrohre Anwendung finden sollen. Durch geeignete Gestaltung der Strömungsleitelemente kann verhindern werden, dass sich die individuellen Luftströmungen der Sonotrodenelemente gegenseitig negativ be- einflussen.
In einer möglichen Ausgestaltung ist das Strömungsleitelement zur Umleitung einer in Richtung einer Flächennormale der Oberfläche des Kühlkörpers einfallenden Luftströmung um 180° ausgebildet. Der Ultraschallwind wird hier also antiparallel zu seiner Einfallsrichtung abgeleitet. Dies ist besonders zweckmäßig in Kombination mit einem parallel zum Resonanzrohr verlaufenden Luftableitkanal, der die Luftströmung senkrecht von der Oberfläche des Kühlkörpers wegführt.
Besonders bauraumsparend ist jedoch eine alternative Ausge¬ staltung, in welcher das Strömungsleitelement zur Umleitung einer in Richtung einer Flächennormale der Oberfläche des
Kühlkörpers einfallenden Luftströmung um 90° ausgebildet ist.
In diesem Fall wird der einfallende Ultraschallwind somit in Richtung des Kühlkörperrandes abgeleitet. Besonders zweckmä- ßig ist es dann, wenn sich das Strömungsleitelement bis zu einem Randbereich der Oberfläche des Kühlkörpers erstreckt.
Das Strömungsleitelement kann dabei einen vertieften Kanal in der Oberfläche des Kühlkörpers ausbilden, dessen Breite im Wesentlichen dem Durchmesser des Resonanzrohrs entspricht. Auch eine spiralförmig zum Rand des Kühlkörpers verlaufende Geometrie des Strömungsleitelements ist möglich. Je nach An¬ ordnung der einzelnen Sonotrodenelemente können auch andere Geometrien zweckmäßig sein.
Im Folgenden werden die Erfindung und ihre Ausführungsformen anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
FIG 1 eine schematische Schnittdarstellung einer erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung,
FIG 2 eine schematische Schnittdarstellung eines weiteren
Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung mit einem Resonanzrohr mit einer
Schneidkante,
FIG 3 eine schematische Schnittdarstellung eines weiteren
Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Kühl- Vorrichtung mit einem Resonanzrohr mit einer
Schneidkante, eine schematische Schnittdarstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung mit einem Resonanzrohr mit einer
Schneidkante, eine schematische Schnittdarstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung mit einem Resonanzrohr mit einer
Schneidkante und einem Strömungsleitmittel, eine schematische Schnittdarstellung des Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Kühlvorrich tung gem. FIG 1, eine schematische Schnittdarstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung, eine schematische Schnittdarstellung der Kühlvorrichtung gem. FIG 6 mit einer Veranschaulichung de thermischen Isolationsschicht an der Kühlkörperoberfläche, eine schematische Schnittdarstellung des Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung gem. FIG 7 mit einer Veranschaulichung der thermischen Isolationsschicht an der Kühlkörperoberfläche, eine perspektivische Ansicht eines Ausführungsbei¬ spiels einer erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung mit einer Mehrzahl von Sonotroden, eine schematische Schnittdarstellung eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Kühlvorrich- tung mit einem parallel zum Resonanzrohr verlaufenden Strömungskanal zur Ableitung der erwärmten Luft, FIG 12 eine perspektivische Ansicht eines Kühlkörpers mit
Strömungsleitelementen zur Verwendung in einem Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung und FIG 13 eine perspektivische Ansicht eines alternativen
Kühlkörpers mit Strömungsleitelementen zur Verwendung in einem Ausführungsbeispiel einer erfindungs¬ gemäßen Kühlvorrichtung.
Die in FIG 1 dargestellte Kühlvorrichtung 10 dient zur akti¬ ven Kühlung einer Halbleiterkomponente (in FIG 1 nicht expli¬ zit dargestellt) . Die Kühlvorrichtung 10 umfasst eine piezoe¬ lektrische Sonotrode 12 sowie einen thermisch mit dem Halb- leiter gekoppelten Kühlkörper 30. Zwischen Sonotrode 12 und Kühlkörper 30 ist ein kreiszylindrisches Resonanzrohr 16 mit einem ersten 50 und einem zweiten geöffneten Ende 55 derart angeordnet, dass das erste geöffnete Ende 50 zur Sonotrode 12 und das zweite geöffnete Ende 55 des Resonanzrohres 16 zum Kühlkörper 30 weist.
Die Sonotrode 12 schallt in der gezeigten Darstellung in das erste Ende 50 des Resonanzrohres 16 Ultraschallwellen mit ei¬ ner vorgegebenen Wellenlänge ein. Die Länge L des Resonanz- rohres 16 entspricht dabei im Wesentlichen anderthalb Wellen¬ längen. In weiteren nicht eigens dargestellten Ausführungsbeispielen beträgt die Länge L des Resonanzrohres 16 ein an¬ deres ganzzahliges Vielfaches der halben Wellenlänge. Das erste Ende 50 des Resonanzrohres 16 ist von der Sonotrode 12 um eine halbe Wellenlänge, dem Abstand a, beabstandet. Infol¬ ge dieser Anordnung und Ausbildung bilden sich sowohl zwischen erstem Ende 50 und zweitem Ende 55 des Resonanzrohres 16 als auch zwischen Sonotrode 12 und zweitem Ende 55 des Re- sonanzrohres 16 stehende Ultraschallwellen aus. Der Durchmes¬ ser D des Resonanzrohres 16 entspricht dabei einer Wellenlän¬ ge. Infolge des Durchmessers ist die Ausbildung stehender Wellen dabei deutlich unterstützt.
Diese stehenden Wellen bilden jeweils an dem zweiten Ende 55 einen Schwingungsbauch 20 aus. Hierdurch wird der neben der eigentlichen Ultraschallschwingung durch die Sonotrode 12 erzeugte Luftstrom, der sogenannte Ultraschallwind, in Richtung der Pfeile 22 verstärkt.
Wie in den in FIG 2 bis 5 dargestellten Ausführungsbeispielen dargestellt, ist die Anregung der stehenden Wellen weiter verbessert, indem an erstem Ende 50', 50'', 50''', 50'''' ei- ne Schneidkante 51', 51'', 51''' vorgesehen ist, welche eine verbesserte Anregung der in das Rohr einströmenden Luft erlaubt .
Dabei ist die Schneidkante 51' wie beispielsweise in FIG 2 gezeigt derart gebildet, dass die Wand des Resonanzrohrs 16' am ersten Ende 50' des Resonanzrohres 16' an der Innenseite zur Richtung der Längserstreckung L des Resonanzrohres 16' geschrägt ist, und zwar derart, dass die Wand am ersten Ende 50' in Richtung auf die Sonotrode 12 spitz zuläuft.
Alternativ kann (FIG 3) die Wand des Resonanzrohrs 16'' am ersten Ende 50'' des Resonanzrohres 16'' an der Außenseite zur Richtung der Längserstreckung L des Resonanzrohres
16' 'derart geschrägt sein, dass die Wand am ersten Ende 50'' spitz zuläuft und so eine Schneidkante 51'' bildet.
Ferner kann, wie in FIG 4 dargestellt, auch die Wand des Re¬ sonanzrohres 16''' am ersten Ende 50''' des Resonanzrohres sowohl an der Innenseite als auch an der Außenseite zur Rich- tung der Längserstreckung L des Resonanzrohres 16''' spitz zulaufend geschrägt sein und so eine Schneidkante 51''' bil¬ den . In der in FIG 5 dargestellten Anordnung (welche im Übrigen der in FIG 3 dargestellten Anordnung entspricht) ist bei der Kühlvorrichtung ein Strömungsleitmittel 57 vorgesehen, mittels welchem strömende Luft gezielt auf eine Schneidkante 51'' treffend leitbar ist. Grundsätzlich können in weiteren nicht eigens dargestellten Ausführungsbeispielen auch
Schneidkanten wie in FIG 2 oder 4 dargestellt vorhanden sein.
Das Strömungsleitmittel 57 weist ein Strömungsleitrohr 60 auf, welches axial fluchtend zum Resonanzrohr 16'''' sowie zwischen Sonotrode 12 und Resonanzrohr 16'''' angeordnet ist. Das Strömungsleitmittel 57 weist ferner einen innerhalb des Strömungsleitrohres 60 angeordneten massiven Trichter 65 auf, welcher sich längs des Strömungsleitrohres 60 in Richtung auf das Resonanzrohr 16'''' zu aufweitet. Somit bildet sich zwi¬ schen Trichter 65 und Strömungsleitrohr 60 ein Strömungskanal 80 aus. Dieser Strömungskanal 80 weist nah dem Resonanzrohr 16' ' ' ' eine Austrittsöffnung 70 mit verringerter
Querschnittsfläche auf, aus welcher durch das Strömungsleit- mittel 57 strömende Luft ausströmen kann. Dabei überlappt diese Austrittsöffnung 70 des Strömungsleitmittels 57 in ra¬ dialer Richtung mit der Schneidkante 51''.
Zur aktiven Kühlung von Halbleiterkomponenten lassen sich er- findungsgemäße Kühlvorrichtungen 10 einsetzen, wie sie zuvor beschrieben worden sind und in FIG 6 und FIG 8 dargestellt sind. Solche Kühlvorrichtungen umfassen wie zuvor bereits beschrieben eine piezoelektrische Sonotrode 12, sowie einen thermisch mit dem Halbleiter gekoppelten Kühlkörper (nunmehr und in den nachfolgend beschriebenen Figuren und der weiteren Beschreibung mit dem Bezugszeichen 14 anstelle des Bezugszeichens 30 gekennzeichnet), zwischen denen ein Resonanzrohr 16 angeordnet ist. Am kühlkörperseitigen Ende (nunmehr und in den nachfolgend beschriebenen Figuren und der weiteren Beschreibung mit dem Bezugszeichen 18 anstelle des Bezugszeichens 55 gekennzeich¬ net) des Resonanzrohres bildet sich dabei ein Schwingungs- bauch 20 der von der Sonotrode 12 erzeugten Ultraschallschwingung aus. Hierdurch wird der neben der eigentlichen Ultraschallschwingung durch die Sonotrode 12 erzeugte Luftstrom, der sogenannte Ultraschallwind, in Richtung der Pfeile 22 verstärkt.
Wie FIG 8 zeigt, wird der Wärmeabtransport vom Kühlkörper 14 jedoch mitunter durch eine Grenzschicht 24 unbewegter Luft behindert .
Um die Ausbildung der Grenzschicht 24 abzuschwächen, ist in dem in FIG 7 und FIG 9 gezeigten weiteren Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung 26 der Abstand zwischen der Sonotrode 12 und der Oberfläche 28 des Kühlkörpers 14 so gewählt, dass er ein ganzzahliges Vielfaches des Vier¬ tels der Wellenlänge des von der Sonotrode 12 erzeugten Ult¬ raschalls beträgt.
Hierdurch entsteht an der Oberfläche 28 des Kühlkörpers 14 ein Schwingungsknoten 31. Zwischen der Sonotrode 12 und der
Oberfläche 28 bildet sich also eine stehende Welle aus. Diese verringert die Ausdehnung der Grenzschicht 24, so dass diese eine deutliche geringere Dicke aufweist als bei den zuvor be¬ schriebenen Kühlvorrichtungen 10. Insbesondere werden durch die stehende Welle Wirbel im Bereich der Oberfläche 28 er¬ zeugt, die der Grenzschichtbildung entgegenwirken und den Wärmeabtransport vom Kühlkörper 14 verbessern.
FIG 10 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Kühlvorrich- tung 26 ohne den Kühlkörper 14. Die Kühlvorrichtung 26 um- fasst eine Mehrzahl von piezoelektrischen Sonotroden 12, die zwischen Elektroden 32, 34 eingefasst sind. Die den
Sonotroden 12 zugeordneten Resonanzrohre 16 sind gemeinsam in einem Block 36 aufgenommen und der Übersichtlichkeit halber nicht alle bezeichnet.
Zusammen mit den Resonanzrohren 16 sind weitere Strömungska¬ näle 38, die ebenfalls nicht alle bezeichnet sind, in den Block 36 eingebracht. In Zusammenwirkung mit Strömungsleit¬ elementen 40 auf der Oberfläche 28 des Kühlkörpers 14 dienen diese der Abfuhr erwärmter Luft von der Oberfläche 28. Wie FIG 11 veranschaulicht, wird der einfallende Ultraschall¬ wind nach Austreten aus dem Resonanzrohr 16 und beim Auftreffen auf das Strömungsleitelement 40 um 180° abgelenkt und in den Strömungskanal 38 geleitet, so dass die erwärmte Luft vom Kühlkörper 14 abgeführt wird. Hierdurch wird insbesondere vermieden, dass sich die Luftströmungen, die von benachbarten Sonotroden 12 erzeugt werden, gegenseitig negativ beeinflus¬ sen. Über die gesamte Oberfläche des Kühlkörpers 14 wird so¬ mit eine gleichmäßig gute Wärmeabfuhr erzeugt. FIG 12 und 13 zeigen alternative Ausgestaltungen der Strö¬ mungsleitelemente 40 auf der Oberfläche 28 des Kühlkörpers 14. In der Ausführungsform gemäß FIG 12 sind die Strömungs¬ leitelemente 40 als vertiefte Kanäle ausgebildet, die sich von den Mündungsbereichen 42 der nicht gezeigten Resonanzroh- re zum Rand 44 des Kühlkörpers 14 hin erstrecken. Die Kanäle weisen dabei eine Breite auf, die in etwa dem Durchmesser der Resonanzrohre 16 entspricht.
In der Ausführungsform gemäß FIG 13 sind die Strömungsleit- elemente 40 als erhabene Stege auf der Oberfläche 28 des
Kühlkörpers 14 ausgebildet, die sich von einem Mittelpunkt 46 der Oberfläche 28 zum Rand 44 des Kühlkörpers entlang spiral¬ förmiger Bahnen erstrecken. Selbstverständlich beschränkt sich die Erfindung nicht auf die in FIG 11 bis 13 gezeigten Geometrien der Strömungsleit¬ elemente 40. Je nach Gestaltung des Kühlkörpers 14 und der abzuführenden Luft- bzw. Wärmemenge können auch andere Ausge¬ staltungen zweckmäßig sein.

Claims

Patentansprüche
1. Kühlvorrichtung (10) zum Kühlen eines elektronischen Bauelements, insbesondere eines Leistungshalbleiters, mit zumin- dest einem Sonotrodenelement (12) zur Erzeugung von Ultra¬ schallwellen einer vorgegebenen Wellenlänge, sowie mit einem dem Sonotrodenelement (12) zugeordnetem Resonanzrohr (16) mit einem ersten geöffneten Ende (50) und einem zweiten geöffneten Ende (55) ,
wobei
das Sonotrodenelement dem ersten Ende (50) näher als dem zweiten Ende (55) angeordnet ist oder das erste Ende (50) zum Sonotrodenelement (12) weist und
wobei der Abstand von Sonotrode (12) und zweitem Ende (55) und/oder der Abstand (L) von erstem Ende (50) und zweitem Ende (55) im Wesentlichen einem ganzzahligen Vielfachen der halben Wellenlänge entspricht.
2. Kühlvorrichtung (10) zum Kühlen eines elektronischen Bau- elements, insbesondere eines Leistungshalbleiters, mit zumin¬ dest einem Sonotrodenelement (12) zur Erzeugung von Ultra¬ schallwellen einer vorgegebenen Wellenlänge, sowie mit einem dem Sonotrodenelement (12) zugeordnetem Resonanzrohr (16) mit einem ersten geöffneten Ende (50) und einem zweiten geöffne- ten Ende (55), insbesondere eine Kühlvorrichtung (10) nach Anspruch 1,
wobei
das Sonotrodenelement (12) dem ersten Ende (50) näher als dem zweiten Ende (55) angeordnet ist oder das erste Ende zum Sonotrodenelement (12) weist und
wobei ein Strömungsweg zwischen Sonotrode (12) und zweitem Ende (55) und/oder ein Strömungsweg (L) von erstem Ende (50) und zweitem Ende (55) durch das Resonanzrohr (16) hindurch im Wesentlichen einem ganzzahligen Vielfachen der halben Wellen- länge entspricht.
3. Kühlvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend einen mit dem Bauelement koppelbaren Kühlkörper (30), welcher nah dem zweiten Ende (55) des Resonanzrohres (16), insbesondere stirnseitig zu diesem (16) und/oder außerhalb des Resonanzrohres (16) angeordnet ist.
4. Kühlvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher zwischen zweitem Ende (55) des Resonanzrohres (16) und dem Kühlkörper (30) ein Luftspalt vorgesehen ist.
5. Kühlvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher das erste Ende (50'; 50''; 50'''; 50'''') des Re¬ sonanzrohres (16) eine Schneidkante (51'; 51''; 51''') auf¬ weist.
6. Kühlvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welche ein Strömungsleitmittel (57) aufweist, mittels welchem strömende Luft auf die Schneidkanten (51'') treffend leitbar ist .
7. Kühlvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher das Strömungsleitmittel (57) mindestens einen Strömungskanal (80) aufweist, der sich nah der nah der
Schneidkante (51'') verjüngt, wobei sich insbesondere die Querschnittsfläche des Strömungskanals (80) nah der Schneid¬ kante (51'') verringert.
8. Kühlvorrichtung (26) zum Kühlen eines elektronischen Bauelements, insbesondere eines Leistungshalbleiters, mit einem thermisch mit dem Bauelement koppelbaren Kühlkörper (14), sowie mit zumindest einem Sonotrodenelement (12) zur Erzeugung von auf den Kühlkörper (14) hin gerichteten Ultraschallwellen einer vorgegebenen Wellenlänge, sowie mit einem dem
Sonotrodenelement (12) zugeordnetem Resonanzrohr (16), wel- ches zwischen dem Sonotrodenelement (12) und dem Kühlkörper (14) angeordnet ist, insbesondere eine Kühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7 mit einem thermisch mit dem Bauelement koppelbaren Kühlkörper, bei welcher
ein Abstand zwischen dem Sonotrodenelement (12) und dem Kühl¬ körper (14) einem ganzzahligen Vielfachen des Viertels der Wellenlänge entspricht.
9. Kühlvorrichtung (26) nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet, dass zwischen einem kühlkörperseiti- gen Ende (18) des Resonanzrohres (16) und dem Kühlkörper (14) ein Luftspalt vorgesehen ist.
10. Kühlvorrichtung (26) nach Anspruch 8 oder 9,
dadurch gekennzeichnet, dass in einem dem kühlkörperseitigen Ende (18) des Resonanzrohrs (16) zugewandten Oberflächenbe¬ reich (28) des Kühlkörpers (14) wenigstens ein Strömungsleit- element (40) vorgesehen ist.
11. Kühlvorrichtung (26) nach Anspruch 10,
dadurch gekennzeichnet, dass das Strömungsleitelement (40) zur Umleitung einer in Richtung einer Flächennormale der Oberfläche (28) des Kühlkörpers (14) einfallenden Luftströ¬ mung um 180° ausgebildet ist.
12. Kühlvorrichtung (26) nach Anspruch 11,
dadurch gekennzeichnet, dass ein parallel zum Resonanzrohr (16) verlaufender Luftableitkanal (38) vorgesehen ist.
13. Kühlvorrichtung (26) nach Anspruch 10,
dadurch gekennzeichnet, dass das Strömungsleitelement (40) zur Umleitung einer in Richtung einer Flächennormale der Oberfläche (28) des Kühlkörpers (14) einfallenden Luftströ¬ mung um 90° ausgebildet ist.
14. Kühlvorrichtung (26) nach Anspruch 13,
dadurch gekennzeichnet, dass sich das Strömungsleitelement (40) bis zu einem Randbereich (44) der Oberfläche (28) des Kühlkörpers (14) erstreckt.
15. Kühlvorrichtung (26) nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Strömungsleitelement (40) einen vertieften Kanal in der Oberfläche (28) des Kühlkörpers (14) ausbildet, dessen Breite im Wesentlichen dem Durchmesser des Resonanzrohrs (16) entspricht.
16. Kühlvorrichtung (26) nach Anspruch 13 oder 14,
dadurch gekennzeichnet, dass das Strömungsleitelement (40) eine spiralförmige Bahnkurve beschreibt.
PCT/EP2013/057022 2012-04-03 2013-04-03 Kühlvorrichtung WO2013150071A2 (de)

Priority Applications (5)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201380026478.5A CN104620374A (zh) 2012-04-03 2013-04-03 冷却设备
JP2015503870A JP2015519727A (ja) 2012-04-03 2013-04-03 冷却装置
US14/389,853 US20150062813A1 (en) 2012-04-03 2013-04-03 Cooling device
KR1020147030880A KR20150002749A (ko) 2012-04-03 2013-04-03 냉각 디바이스
EP13713900.2A EP2815638B1 (de) 2012-04-03 2013-04-03 Kühlvorrichtung

Applications Claiming Priority (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102012205463.4 2012-04-03
DE201210205463 DE102012205463A1 (de) 2012-04-03 2012-04-03 Kühlvorrichtung
DE102012215484.1 2012-08-31
DE201210215484 DE102012215484A1 (de) 2012-08-31 2012-08-31 Kühlvorrichtung

Publications (2)

Publication Number Publication Date
WO2013150071A2 true WO2013150071A2 (de) 2013-10-10
WO2013150071A3 WO2013150071A3 (de) 2013-12-05

Family

ID=48045546

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/EP2013/057022 WO2013150071A2 (de) 2012-04-03 2013-04-03 Kühlvorrichtung

Country Status (6)

Country Link
US (1) US20150062813A1 (de)
EP (1) EP2815638B1 (de)
JP (1) JP2015519727A (de)
KR (1) KR20150002749A (de)
CN (1) CN104620374A (de)
WO (1) WO2013150071A2 (de)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2016008600A1 (de) 2014-07-16 2016-01-21 Siemens Aktiengesellschaft Kühlmodul und elektronikgerät
DE102018100279B3 (de) 2018-01-08 2019-04-18 Beuth Hochschule Für Technik Berlin Lüftervorrichtung zum Wärmeabtransport von einem Gegenstand und Gegenstand

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9367103B2 (en) * 2013-08-22 2016-06-14 Asia Vital Components Co., Ltd. Heat dissipation device
US10486232B2 (en) 2015-04-21 2019-11-26 Varian Semiconductor Equipment Associates, Inc. Semiconductor manufacturing device with embedded fluid conduits
US11292209B2 (en) * 2017-02-13 2022-04-05 Telsonic Holding Ag Ultrasonic processing system, booster and method

Family Cites Families (23)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE3027533C2 (de) * 1980-07-21 1986-05-15 Telsonic Aktiengesellschaft für elektronische Entwicklung und Fabrikation, Bronschhofen Verfahren zur Erzeugung und Abstrahlung von Ultraschallenergie in Flüssigkeiten sowie Ultraschallresonator zur Ausführung des Verfahrens
JPS58140491A (ja) * 1982-02-16 1983-08-20 Matsushita Electric Ind Co Ltd 流れ発生装置
US5578888A (en) * 1994-12-05 1996-11-26 Kulicke And Soffa Investments, Inc. Multi resonance unibody ultrasonic transducer
JP3809296B2 (ja) * 1999-04-14 2006-08-16 株式会社カイジョー 超音波洗浄装置
US6443900B2 (en) * 2000-03-15 2002-09-03 Olympus Optical Co., Ltd. Ultrasonic wave transducer system and ultrasonic wave transducer
DE10254894B3 (de) * 2002-11-20 2004-05-27 Dr. Hielscher Gmbh Vorrichtung zur Kühlung von Ultraschallwandlern
US7263837B2 (en) * 2003-03-25 2007-09-04 Utah State University Thermoacoustic cooling device
US7081699B2 (en) * 2003-03-31 2006-07-25 The Penn State Research Foundation Thermoacoustic piezoelectric generator
US7230367B2 (en) * 2003-11-07 2007-06-12 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. Piezoelectric resonator, production method thereof, filter, duplexer, and communication device
JP3850413B2 (ja) * 2004-02-16 2006-11-29 株式会社ソニー・コンピュータエンタテインメント 電子デバイス冷却装置、電子デバイス冷却方法、電子デバイス冷却制御プログラム及びそれを格納した記録媒体
US7059403B2 (en) * 2004-11-11 2006-06-13 Klamath Falls, Inc. Electroacoustic method and device for stimulation of mass transfer processes for enhanced well recovery
EP1999381B1 (de) * 2006-03-21 2017-11-22 Philips Lighting Holding B.V. Kühlvorrichtung und elektronisches gerät mit einer solchen kühlvorrichtung
US20080294051A1 (en) * 2007-05-25 2008-11-27 Machiko Koshigoe Ultrasonic operating apparatus
US8004156B2 (en) * 2008-01-23 2011-08-23 University Of Utah Research Foundation Compact thermoacoustic array energy converter
US8418934B2 (en) * 2008-08-26 2013-04-16 General Electric Company System and method for miniaturization of synthetic jets
US7688583B1 (en) * 2008-09-30 2010-03-30 General Electric Company Synthetic jet and method of making same
JP2010199436A (ja) * 2009-02-26 2010-09-09 Denso Corp 冷却構造
US8695686B2 (en) * 2010-01-07 2014-04-15 General Electric Company Method and apparatus for removing heat from electronic devices using synthetic jets
EP2368694A1 (de) * 2010-03-22 2011-09-28 Tetra Laval Holdings & Finance S.A. Sonotrode
US8375729B2 (en) * 2010-04-30 2013-02-19 Palo Alto Research Center Incorporated Optimization of a thermoacoustic apparatus based on operating conditions and selected user input
JP2011258411A (ja) * 2010-06-09 2011-12-22 Koito Mfg Co Ltd 車両用灯具
DE102011087484A1 (de) * 2011-11-30 2013-06-06 Siemens Aktiengesellschaft Transformationssonotrode, Sonotrode und Verfahren zur Herstellung
US9177889B2 (en) * 2012-09-21 2015-11-03 International Business Machines Corporation Implementing microscale thermoacoustic heat and power control for processors and 3D chipstacks

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
None

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2016008600A1 (de) 2014-07-16 2016-01-21 Siemens Aktiengesellschaft Kühlmodul und elektronikgerät
DE102014213851A1 (de) 2014-07-16 2016-01-21 Siemens Aktiengesellschaft Kühlmodul und Elektronikgerät
CN106537584A (zh) * 2014-07-16 2017-03-22 西门子公司 冷却模块和电子设备
JP2017521868A (ja) * 2014-07-16 2017-08-03 シーメンス アクチエンゲゼルシヤフトＳｉｅｍｅｎｓ Ａｋｔｉｅｎｇｅｓｅｌｌｓｃｈａｆｔ 冷却モジュール及び電子装置
DE102018100279B3 (de) 2018-01-08 2019-04-18 Beuth Hochschule Für Technik Berlin Lüftervorrichtung zum Wärmeabtransport von einem Gegenstand und Gegenstand

Also Published As

Publication number Publication date
KR20150002749A (ko) 2015-01-07
CN104620374A (zh) 2015-05-13
EP2815638A2 (de) 2014-12-24
WO2013150071A3 (de) 2013-12-05
EP2815638B1 (de) 2016-08-24
US20150062813A1 (en) 2015-03-05
JP2015519727A (ja) 2015-07-09

Similar Documents

Publication Publication Date Title
WO2013150071A2 (de) Kühlvorrichtung
EP3122538B1 (de) Vorrichtung und verfahren zum schichtweisen herstellen eines dreidimensionalen objekts sowie düsenelement zum einleiten eines gasstroms in die vorrichtung
EP1565905B1 (de) Verfahren und vorrichtung zur kühlung von ultraschallwandlern
DE102013219489A1 (de) Kühlungsvorrichtung und Halbleitervorrichtung
DE69729588T2 (de) Verfahren und vorrichtung zur erzeugung von extrem-ultraviolettlicht für die verwendung in der fotolitographie
WO1997015404A1 (de) Gerät zur einkopplung von ultraschall in ein flüssiges oder pastöses medium
EP2143883A1 (de) Turbinenschaufel und entsprechender Gusskern
WO2020099214A1 (de) Beströmungsvorrichtung und beströmungsverfahren für eine additive herstellvorrichtung und additive herstellvorrichtung mit einer solchen beströmungsvorrichtung
WO2006082101A2 (de) Wurzelkanalsonde sowie verfahren zur reinigung eines wurzelkanals
WO2012017044A2 (de) Plattenförmiger wärmeübertrager für eine, mindestens ein wärmeübertragerpaket aufweisende kühleinrichtung
DE102011053578A1 (de) Gegenelektrode und Vorrichtung zum Abscheiden von Verunreinigungen mit einer solchen Gegenelektrode
EP1859436B1 (de) Ultraschall-stabschwinger zur erzeugung von ultraschall in flüssigkeiten
EP3525647B1 (de) Reinigungsgerät und verfahren zur herstellung eines reinigungsgeräts
DE3540610A1 (de) Ultraschallpruefkopf
DE102017210271A1 (de) Wärmetauscher, insbesondere Abgaswärmetauscher, für ein Kraftfahrzeug
EP0823196B1 (de) Kühlkörper zum kühlen von leistungsbauelementen
EP2847464B1 (de) Vorrichtung und anordnung zum erzeugen eines luftstroms
DE102019007577A1 (de) Wärmeableitvorrichtung
EP1819208B1 (de) Vorrichtung und Verfahren zur Erzeugung angeregter und/oder ionisierter Teilchen in einem Plasma
DE102012215484A1 (de) Kühlvorrichtung
DE102012205463A1 (de) Kühlvorrichtung
WO2011138004A1 (de) Breitbandig dämpfende vorrichtung zur schalldämpfung bei industrieeinrichtungen, grossanlagen oder maschinen
DE102016203211A1 (de) Schalldämpfendes Luftführungsteil
DE10013450A1 (de) Vorrichtung zur Erzeugung monodisperser Tropfen aus Flüssigkeiten hoher Temperatur
EP1672690B1 (de) Mikrokühlkörper

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 13713900

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A2

REEP Request for entry into the european phase

Ref document number: 2013713900

Country of ref document: EP

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 2013713900

Country of ref document: EP

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 14389853

Country of ref document: US

ENP Entry into the national phase

Ref document number: 2015503870

Country of ref document: JP

Kind code of ref document: A

121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 13713900

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A2

ENP Entry into the national phase

Ref document number: 20147030880

Country of ref document: KR

Kind code of ref document: A