WO2022238086A1 - Cooling device - Google Patents

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WO2022238086A1
WO2022238086A1 PCT/EP2022/060367 EP2022060367W WO2022238086A1 WO 2022238086 A1 WO2022238086 A1 WO 2022238086A1 EP 2022060367 W EP2022060367 W EP 2022060367W WO 2022238086 A1 WO2022238086 A1 WO 2022238086A1
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WO
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Prior art keywords
cooling channel
cooling
cooling device
surface structure
area
Prior art date
Application number
PCT/EP2022/060367
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Marco Lorenz
Yannick Fabian FREY
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
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Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch Gmbh filed Critical Robert Bosch Gmbh
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    • 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
    • H01L23/42—Fillings or auxiliary members in containers or encapsulations selected or arranged to facilitate heating or cooling
    • H01L23/427—Cooling by change of state, e.g. use of heat pipes

Definitions

  • the present invention relates to a cooling device for cooling components and an electronic arrangement.
  • Power semiconductors in power electronics usually carry high currents, which can lead to high heat losses. Such power semiconductors often need to be cooled, for example to prevent damage from overheating.
  • a cooling device designed as a pulsating heat pipe includes a cooling channel in the cooling device, which is designed in a meandering shape and is filled with a working medium that is present in the cooling channel in gaseous and liquid form at the same time. In the cooling device, heat is transferred to the cooling channel in a base region, so that the working medium in the cooling channel locally evaporates. This creates pressure gradients that transport the working medium through the cooling channel.
  • the vapor bubbles also migrate into a condenser part of the cooling channel and condense there.
  • the heat is dissipated to the environment via the walls of the condenser and, for example, also via ribbing.
  • a cooling device designed as a pulsating heat pipe thus serves as a heat-spreading design element. Pulsating heat pipes are known from the prior art, the channel walls of which are continuously smooth.
  • a cooling device for cooling components.
  • the cooling device comprises a base area, which can be thermally conductively connected to a component to be cooled, a deflection area, an intermediate area between the base area and the deflection area, and a cooling channel, which is designed in a meandering manner and has a number of middle segments and a number of deflection segments, with the middle segments each extending from extend from the base area to the deflection area, with the deflection segments each forming a reversal of direction within the base area and within the deflection area and connecting two central segments with one another, the cooling duct being filled with a working medium which is present in the cooling duct in gaseous and liquid form at the same time.
  • an inner wall of the cooling channel has at least one locally limited surface structure that is in contact with the working medium.
  • the cooling device with the features of the independent claim has a greatly increased cooling effect.
  • heat is supplied to the base area, that is to say when the component adjacent to it heats up, the heat is transferred from the base area to the cooling channel with the working medium located therein. This allows a phase change and a flow of the working fluid within the - 3
  • Cooling channel are generated, whereby the heat is transported from the base area towards the intermediate area.
  • the heat is given off to the ambient air by convection.
  • an in particular irregular, pulsating or oscillating phase transition of the working medium can be generated.
  • a pulsating or oscillating flow of the working medium in the cooling channel can also be present.
  • the cooling device thus works according to the principle of a pulsating heat pipe, also known as a pulsating heat pipe.
  • the evaporation of the working medium is influenced at the location of the locally limited surface structure.
  • Micro vapor bubbles initially form on the surface structure in the working fluid, which detach from a certain point or grow from the surface structure into the cooling channel.
  • a rough, for example porous or heavily structured, surface structure promotes evaporation, since the structure provides an increased surface area for evaporation in the area of the surface structure and thus lower surface tensions have to be overcome when bubbles form. This leads to a smaller required temperature difference between the inner wall of the cooling channel and the working medium.
  • the evaporation is initialized very early on between the inner wall of the cooling channel and the working medium and thus an advantageously improved heat transfer between the cooling channel and the working medium is brought about.
  • the evaporation process of the working medium in the cooling channel can thus be optimized by the surface structure on the inner wall of the cooling channel.
  • the inner wall of the cooling channel has a locally increased roughness in the area of the local surface structure.
  • a local surface structure with increased roughness advantageously promotes local evaporation of the working medium in the cooling channel.
  • the cooling channel has a roughness on the local surface structure that 4 is raised compared to the region of the cooling channel surrounding the local surface structure.
  • the surface structure of the inner wall of the cooling channel is formed in the base area.
  • the base area serves to absorb heat from the component and as an evaporator for the working medium that is arranged in the cooling channel.
  • a surface structure formed in the base area of the cooling device which acts as an evaporator part, leads to improved evaporation on this surface structure and thus to improved evaporation in the base area. Due to the fact that the local surface structure is formed only locally in the base area, the flow resistance in the cooling channel is only negatively influenced at these points and thus only insignificantly overall, while the evaporation of the working medium is clearly promoted.
  • the evaporation-side heat transfer between the cooling channel and the working medium which can be the bottleneck for the thermal performance of the cooling device, especially when cooling components with high heat flux density, is thus improved by the local surface structure and the dissipation of heat from the component through the cooling device improved.
  • the cooling channel is formed in a meandering bent tube.
  • An advantageously simple and good cooling channel is thus provided.
  • the working medium is then arranged in the tube and the inner wall of the tube is in direct contact with the working medium.
  • the local surface structure can then be formed on the inner wall of the tube and locally improve the evaporation of the working medium in the tube.
  • the surface structure is formed on the inner wall of a deflection segment arranged in the base area. Since the heat from the component is absorbed by the base area and the deflection segments arranged in the base area and is given off to the working fluid in the cooling channel, the surface structure formed in the deflection segments can improve evaporation, so that the heat can be removed from the component directly - 5 - causes the working fluid to evaporate in the deflection segments. A pressure gradient can thus arise, which ensures that the flow of the working fluid has a preferred direction.
  • the working medium preferably flows in a circumferential manner through the cooling channel. In this way, heat from the component can be dissipated particularly well and efficiently by the cooling device.
  • a surface structure is formed on the inner wall of each deflection segment arranged in the base area. In this way, heat can be dissipated from the component particularly well and over a large area by the cooling device.
  • the inner wall of the cooling channel has a higher roughness in the area of the local surface structure than the inner wall of the cooling channel on the deflection segments in the deflection area. In this way, the evaporation of the working medium on the local surface structure can be increased and, at the same time, a low flow resistance can be achieved on the deflection segments in the deflection area, which allows the working medium to flow unhindered through the cooling channel in the deflection area.
  • the at least one surface structure is produced by sandblasting, etching or milling. In this way, a local surface structure can advantageously be formed well and easily in the cooling channel.
  • the cooling device is produced at least partially by means of a 3D printing process.
  • a cooling channel with a local surface structure can thus advantageously be formed in the cooling device.
  • the invention leads to an electronics arrangement which includes the described cooling device.
  • the electronic arrangement includes 6 a component to be cooled, which is in particular a semiconductor component, for example a motor vehicle.
  • the component to be cooled is thermally conductively connected to a base area of the cooling device.
  • the cooling device enables a particularly effective and reliable cooling of the component in order to avoid overheating.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of an exemplary embodiment of the cooling device according to the invention.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of an exemplary embodiment of an electronics arrangement 100 with a cooling device 1.
  • the cooling device 1 can be used to cool electronics or other hotspots of all kinds, for example for cooling power electronics in electric vehicles, passive battery cooling, cooling engine control units, charging stations or Drive units are used in eBikes.
  • the electronics arrangement 100 shown in FIG. 1 comprises a component 101, for example with power electronics, for example a semiconductor component and a cooling device 1.
  • the cooling device 1 is designed to cool the component 101.
  • a base area 2 of the cooling device 1 is connected to the component 101 in a thermally conductive manner.
  • the component 101 lies, for example, directly or indirectly on the base area 2 of the cooling device.
  • the cooling device 1 comprises a cooling channel 5 which has a number of central segments 51 and a number of deflection segments 52 .
  • the cooling channel 5 runs in the cooling device 1.
  • the cooling channel 5 is meandering - 7 - trained.
  • a shape is considered to be meandering if it has a plurality of changes in direction, preferably in one plane.
  • meandering can also be referred to as serpentine.
  • the cooling channel 5 can be designed as a meandering curved tube.
  • the cooling channel 5 can have, for example, a circular, an elliptical or a rectangular cross section.
  • the cooling channel 5 can have a diameter of approximately 0.5 to 2 mm, for example.
  • the cooling channel 5 can be formed, for example, in a one-piece curved tube. However, the cooling channel 5 can also be formed in a multi-part cooling device 1, which can be composed, for example, of several tube segments and/or plates or other components.
  • the cooling channel 5 can, for example, run at least partially in one or more solid plates, for example in the deflection area 3 and/or in the intermediate area 4 and/or in the base area 2 .
  • cutouts can be provided in the solid plates, which form the cooling channel 5 or parts of the cooling channel 5 .
  • the cooling channel 5 can, for example, also run between sheets that are stacked to form a cooling device 1 and welded or soldered to one another.
  • the cooling channel 5 is preferably tubular.
  • the cooling channel 5 is preferably of closed design.
  • the cooling channel 5 preferably has a connecting area 58 which is preferably located within the deflection area 3 and which forms a closed circuit of the cooling channel 5 .
  • the cooling channel 5 has a valve in order, for example, to allow the cooling channel 5 to be evacuated and the cooling channel 5 to be filled with the working medium 6 .
  • the cooling channel 5 extends from the base area 2 through an intermediate area 4 to a deflection area 3.
  • the middle segments 51 each extend from the base area 2 to the deflection area 3, i.e. through the intermediate area 4. All center segments 51 are straight and arranged parallel to one another.
  • the deflection segments 52 are each arranged at the ends of the central segments 51 in the deflection area 3 and in the base area 2 and each form one 8th
  • a deflection segment 52 connects two central segments 51 to one another.
  • the deflection segments 52 are each U-shaped, for example, and have a bending radius. As a result, the middle segments 51 are arranged at a distance from one another which corresponds to twice the bending radius 55 .
  • the deflection segments 52 run, for example, in a base plate that can form a planar contact with the component 101 .
  • the base plate has a high thermal conductivity, for example, and is made of aluminum, for example, in order to enable good heat conduction and thermal connection of the component 101 and effective heat dissipation from the component 101 . More preferably, the cooling device 1 is made entirely of aluminum in order to be inexpensive and thermally well conductive.
  • the working medium 6 is present in the cooling channel 5 in gaseous and liquid form at the same time, in other words partly gaseous and partly liquid. This means that the working medium 6 is present in two phases in the cooling channel 5 .
  • gas bubbles and liquid columns are simultaneously present within the cooling channel 5 .
  • the gas bubbles and the liquid columns preferably occupy a similarly large volume.
  • the gaseous portion of the working medium 6 particularly preferably occupies 30% to 70% of an internal volume of the cooling channel 5 at the nominal temperature, with the remaining internal volume being occupied by the liquid portion of the working medium 6 .
  • the volume ratio changes as a result of evaporation or condensation of the working medium 6.
  • the working medium 6 particularly preferably has a critical temperature that is greater than a maximum operating temperature.
  • the working medium 6 preferably has a critical temperature of at least 233 K, preferably at least 273 K, particularly preferably at least 373 K, and in particular at most 533 K.
  • a temperature of a substance at the critical point is regarded as the critical temperature. This ensures that the working medium 6 can be present in two phases within the cooling channel 5 in a preferred operating range in which the working medium 6 is present in particular at temperatures from 222 K to 473 K, in particular from 273 K to 373 K.
  • the working medium 6 is preferably an organic refrigerant, which is used for example in vehicle air conditioning systems, such as in particular 2,3,3,3-tetrafluoropropene, also referred to as R1234yf, R1233zd(E), etc.
  • the working medium 6 particularly preferably has a melting point which is at most 273K, preferably at most 233K, particularly preferably at most 213K.
  • the cooling channel 5 runs through the cooling device 1 as a channel.
  • the cooling channel 5 has an inner wall 53 .
  • the inner wall 53 is the side of the cooling channel 5 that is in direct contact with the working medium 6 .
  • a surface structure 54 is formed on the inner wall 53 of the cooling channel 5 .
  • the inner wall 53 of the cooling channel 5 is structured on the surface structure 54 .
  • the inner wall 53 of the cooling channel 5 is not smooth on the surface structure 54 .
  • the inner wall 53 has, for example, a large number of elevations and/or depressions on the surface structure 54 , the elevations and/or depressions forming the surface structure 54 .
  • the surface structure 54 is locally limited, ie the surface structure 54 is only formed on a limited part of the inner wall 53 of the cooling channel 5 .
  • the inner wall 53 of the cooling channel 5 accordingly have no surface structure 54 but are smooth.
  • the locally limited surface structure 54 on the inner wall 53 of the cooling channel 5 is in direct contact with the working medium 6 . In this way, heat can be released directly from the surface structure 54 to the working medium 6 .
  • the inner wall 53 of the cooling channel 5 can have a locally increased roughness on the surface structure 54, for example.
  • the locally limited surface structure 54 on the inner wall 5 of the cooling channel 5 can be produced, for example, by sandblasting, etching or milling.
  • the inner wall 5 of the cooling channel 5 which previously had a smooth surface, for example, is sandblasted or etched -10 or milling and thus produces the locally limited surface structure 54 in the area in which the inner wall 5 of the cooling channel 5 has been treated in this way.
  • the inner wall 53 of the cooling channel 5 is, for example, roughened by the treatment or structured in some other way and thus has a locally limited surface structure.
  • the cooling device 1 or at least parts of the cooling device 1 can be produced by means of a 3D printing process.
  • the cooling channel 5 in the cooling device 1 can be made partially smooth and partially with locally limited surface structures 54 .
  • One or more locally limited surface structures 54 can be formed on the inner wall 53 of the cooling channel 5 .
  • the locally limited surface structure 54 can be formed in the base area 2, for example. This means that the surface structure 54 is formed in the area of the cooling channel 5 that is arranged in the base area 2 .
  • the heat of the component 101 is absorbed by the base area 2 and given off to the working medium 6 which is in the part of the cooling channel 5 which is arranged in the base area 2 .
  • the surface structure 54 can be formed on the inner wall 53 of a deflection segment 52 arranged in the base area 2 .
  • a surface structure 54 can be formed in each deflection segment 52 arranged in the base area 2 .
  • the inner wall 53 of the middle segments 51 does not have a surface structure 54, for example, but has a smooth surface.
  • the inner wall 53 of the middle segments 51 does not have a surface structure 54, for example, but has a smooth surface.
  • the inner wall 53 of the cooling channel 5 has the local surface structure in the region
  • connection area 58 has a higher roughness than the inner wall 53 of the cooling channel 5 at the deflection segments 52 in the deflection area 3.
  • the connection area 58 also has no surface structure 54, for example, but has a smooth surface. Thus, the flow of the working medium 6 through the cooling channel 5 in the central segments 51, the deflection segments 52 in the deflection area 3 and the connection area 58 is not impeded by an increased flow resistance.

Abstract

The invention relates to a cooling device (1) for cooling components (101), comprising a base region (2) which can be heat-conductingly connected to a component (101) to be cooled, a deflecting region (3), an intermediate region (4) between the base region (2) and the deflecting region (3), and a cooling channel (5), which is formed in a meandering shape and has multiple central segments (51) and multiple deflecting segments (52), wherein each of the central segments (51) extends from the base region (2) to the deflecting region (3), and each of the deflecting segments (52) produces a direction reversal within the base region (2) and within the deflecting region (3) and connects two respective central segments (51) together. The cooling channel (5) is filled with a working medium (6) which is simultaneously gaseous and liquid in the cooling channel (5). According to the invention, an inner wall (53) of the cooling channel (5) has at least one locally delimited surface structure (54) which contacts the working medium (6).

Description

-1 -1
Beschreibung description
Titel title
Kühlvorrichtung cooler
Stand der Technik State of the art
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kühlvorrichtung zum Kühlen von Bauteilen und eine Elektronikanordnung. The present invention relates to a cooling device for cooling components and an electronic arrangement.
Üblicherweise führen Leistungshalbleiter in der Leistungselektronik hohe Ströme, welche zu einer hohen Verlustwärme führen können. Häufig ist eine Kühlung solcher Leistungshalbleiter erforderlich, beispielsweise zur Vermeidung von Schäden durch Überhitzen. Power semiconductors in power electronics usually carry high currents, which can lead to high heat losses. Such power semiconductors often need to be cooled, for example to prevent damage from overheating.
Zur Kühlung kann beispielsweise eine Flüssigkeitskühlung oder eine Luftkühlung verwendet werden. Weiterhin können zur Kühlung sogenannte Pulsating Heatpipe-Strukturen als Kühlvorrichtungen verwendet werden. Diese eignen sich besonders für die direkte Integration in bestehende Komponenten mit dem Ziel, effizient Wärme von thermischen Hotspots zu Wärmesenken abzuführen. Dabei wird die Wärme vom Ort der Wärmeeinbringung in der Regel zunächst mittels Wärmeleitung gespreizt. Eine als Pulsating Heatpipe ausgebildete Kühlvorrichtung umfasst einen Kühlkanal in der Kühlvorrichtung, welcher mäanderförmig ausgebildet ist und der mit einem Arbeitsmittel gefüllt ist, welches gleichzeitig gasförmig und flüssig in dem Kühlkanal vorliegt. In der Kühlvorrichtung wird in einem Grundbereich Wärme an den Kühlkanal übertragen, so dass das Arbeitsmittel in dem Kühlkanal lokal verdampft. Dabei entstehen Druckgradienten, die das Arbeitsmittel durch den Kühlkanal befördern. 2 For example, liquid cooling or air cooling can be used for cooling. Furthermore, so-called pulsating heat pipe structures can be used as cooling devices for cooling. These are particularly suitable for direct integration into existing components with the aim of efficiently dissipating heat from thermal hotspots to heat sinks. In this case, the heat is usually first spread from the place where the heat is introduced by means of heat conduction. A cooling device designed as a pulsating heat pipe includes a cooling channel in the cooling device, which is designed in a meandering shape and is filled with a working medium that is present in the cooling channel in gaseous and liquid form at the same time. In the cooling device, heat is transferred to the cooling channel in a base region, so that the working medium in the cooling channel locally evaporates. This creates pressure gradients that transport the working medium through the cooling channel. 2
Dabei wandern die Dampfblasen auch in einen Kondensatorteil des Kühlkanals und kondensieren dort. Die Wärme wird dadurch über die Wände des Kondensators und beispielsweise auch über Verrippungen an die Umgebung abgegeben. Insgesamt wird also die Wärme, die im Grundbereich in die Kühlvorrichtung eingebracht wird, auf die gesamte Kühlvorrichtung verteilt. Eine als Pulsating Heat Pipe ausgebildete Kühlvorrichtung dient somit als Wärmespreiz-Designelement. Aus dem Stand der Technik sind Pulsating Heat Pipes bekannt, deren Kanalwände durchgehend glatt sind. The vapor bubbles also migrate into a condenser part of the cooling channel and condense there. As a result, the heat is dissipated to the environment via the walls of the condenser and, for example, also via ribbing. Overall, therefore, the heat that is introduced into the cooling device in the base area is distributed over the entire cooling device. A cooling device designed as a pulsating heat pipe thus serves as a heat-spreading design element. Pulsating heat pipes are known from the prior art, the channel walls of which are continuously smooth.
Offenbarung der Erfindung Disclosure of Invention
Erfindungsgemäß wird eine Kühlvorrichtung, zum Kühlen von Bauteilen vorgeschlagen. Die Kühlvorrichtung umfasst einen Grundbereich, welcher wärmeleitend mit einem zu kühlenden Bauteil verbindbar ist, einen Umlenkbereich, einen Zwischenbereich zwischen dem Grundbereich und dem Umlenkbereich, und einen Kühlkanal, welcher mäanderförmig ausgebildet ist und mehrere Mittelsegmente und mehrere Umlenksegmente aufweist, wobei sich die Mittelsegmente jeweils von dem Grundbereich zum Umlenkbereich erstrecken, wobei die Umlenksegmente jeweils innerhalb des Grundbereichs und innerhalb des Umlenkbereichs eine Richtungsumkehr bilden und jeweils zwei Mittelsegmente miteinander verbinden, wobei der Kühlkanal mit einem Arbeitsmittel gefüllt ist, welches gleichzeitig gasförmig und flüssig in dem Kühlkanal vorliegt. Erfindungsgemäß weist eine Innenwand des Kühlkanals wenigstens eine lokal begrenzte Oberflächenstruktur auf, die mit dem Arbeitsmittel in Kontakt steht. According to the invention, a cooling device is proposed for cooling components. The cooling device comprises a base area, which can be thermally conductively connected to a component to be cooled, a deflection area, an intermediate area between the base area and the deflection area, and a cooling channel, which is designed in a meandering manner and has a number of middle segments and a number of deflection segments, with the middle segments each extending from extend from the base area to the deflection area, with the deflection segments each forming a reversal of direction within the base area and within the deflection area and connecting two central segments with one another, the cooling duct being filled with a working medium which is present in the cooling duct in gaseous and liquid form at the same time. According to the invention, an inner wall of the cooling channel has at least one locally limited surface structure that is in contact with the working medium.
Vorteile der Erfindung Advantages of the Invention
Gegenüber dem Stand der Technik weist die Kühlvorrichtung mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs eine stark erhöhte Kühlwirkung auf. Bei einer Wärmezufuhr an den Grundbereich, das heißt, wenn sich das daran angrenzende Bauteil erwärmt, wird die Wärme von dem Grundbereich auf den Kühlkanal mit dem darin befindlichen Arbeitsmittel übertragen. Dadurch kann ein Phasenwechsel sowie eine Strömung des Arbeitsmittels innerhalb des - 3 Compared to the prior art, the cooling device with the features of the independent claim has a greatly increased cooling effect. When heat is supplied to the base area, that is to say when the component adjacent to it heats up, the heat is transferred from the base area to the cooling channel with the working medium located therein. This allows a phase change and a flow of the working fluid within the - 3
Kühlkanals erzeugt werden, wodurch die Wärme von dem Grundbereich in Richtung Zwischenbereich transportiert wird. An einer Außenseite der Kühlvorrichtung, insbesondere in dem Zwischenbereich und dem Umlenkbereich, wird die Wärme durch Konvektion an die Umgebungsluft abgegeben. Dadurch kann ein, insbesondere unregelmäßiger, pulsierender oder oszillierender Phasenübergang des Arbeitsmittels erzeugt werden. Ebenso kann eine pulsierende oder oszillierende Strömung des Arbeitsmittels im Kühlkanal vorliegen. Die Kühlvorrichtung arbeitet somit nach dem Prinzip eines pulsierenden Wärmerohres, auch genannt Pulsating Heat Pipe. Cooling channel are generated, whereby the heat is transported from the base area towards the intermediate area. On an outside of the cooling device, in particular in the intermediate area and the deflection area, the heat is given off to the ambient air by convection. As a result, an in particular irregular, pulsating or oscillating phase transition of the working medium can be generated. A pulsating or oscillating flow of the working medium in the cooling channel can also be present. The cooling device thus works according to the principle of a pulsating heat pipe, also known as a pulsating heat pipe.
Durch die lokal begrenzte Oberflächenstruktur an der Innenwand des Kühlkanals wird an der Stelle der lokal begrenzten Oberflächenstruktur die Verdampfung des Arbeitsmittels beeinflusst. An der Oberflächenstruktur bilden sich in dem Arbeitsmittel zunächst Mikrodampfblasen, die sich ab einem gewissen Punkt ablösen bzw. von der Oberflächenstruktur in den Kühlkanal wachsen. Eine raue, beispielsweise poröse oder stark strukturierte, Oberflächenstruktur begünstigt die Verdampfung, da durch die Struktur eine im Bereich der Oberflächenstruktur vergrößerte Oberfläche für die Verdampfung zur Verfügung steht und somit geringere Oberflächenspannungen bei der Blasenbildung überwunden werden müssen. Dies führt zu einer kleineren erforderlichen Temperaturdifferenz zwischen der Innenwand des Kühlkanals und dem Arbeitsmittel. Dadurch wird bereits sehr früh zwischen der Innenwand des Kühlkanals und dem Arbeitsmittel die Verdampfung initialisiert und somit ein vorteilhaft verbesserter Wärmeübergang zwischen dem Kühlkanal und dem Arbeitsmittel herbeigeführt.Due to the locally limited surface structure on the inner wall of the cooling channel, the evaporation of the working medium is influenced at the location of the locally limited surface structure. Micro vapor bubbles initially form on the surface structure in the working fluid, which detach from a certain point or grow from the surface structure into the cooling channel. A rough, for example porous or heavily structured, surface structure promotes evaporation, since the structure provides an increased surface area for evaporation in the area of the surface structure and thus lower surface tensions have to be overcome when bubbles form. This leads to a smaller required temperature difference between the inner wall of the cooling channel and the working medium. As a result, the evaporation is initialized very early on between the inner wall of the cooling channel and the working medium and thus an advantageously improved heat transfer between the cooling channel and the working medium is brought about.
In einem pulsierenden Wärmerohr kann somit durch die Oberflächenstruktur an der Innenwand des Kühlkanals der Verdampfungsprozess des Arbeitsmittels in dem Kühlkanal optimiert werden. In a pulsating heat pipe, the evaporation process of the working medium in the cooling channel can thus be optimized by the surface structure on the inner wall of the cooling channel.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindungen werden durch die in den Unteransprüchen angegebenen Merkmale ermöglicht. Further advantageous refinements and developments of the invention are made possible by the features specified in the dependent claims.
Gemäß einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass die Innenwand des Kühlkanals im Bereich der lokalen Oberflächenstruktur eine lokal erhöhte Rauheit aufweist. Eine lokale Oberflächenstruktur mit erhöhter Rauheit begünstigt vorteilhaft lokal die Verdampfung des Arbeitsmittels in dem Kühlkanal. Der Kühlkanal weist an der lokalen Oberflächenstruktur eine Rauheit auf, die 4 gegenüber dem die lokale Oberflächenstruktur umgebenden Bereich des Kühlkanals erhöht ist. According to an advantageous exemplary embodiment, it is provided that the inner wall of the cooling channel has a locally increased roughness in the area of the local surface structure. A local surface structure with increased roughness advantageously promotes local evaporation of the working medium in the cooling channel. The cooling channel has a roughness on the local surface structure that 4 is raised compared to the region of the cooling channel surrounding the local surface structure.
Gemäß einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass die Oberflächenstruktur der Innenwand des Kühlkanals im Grundbereich ausgebildet ist. Der Grundbereich dient der Aufnahme von Wärme aus dem Bauteil und als Verdampfer für das Arbeitsmittel, das im Kühlkanal angeordnet ist. According to an advantageous exemplary embodiment, it is provided that the surface structure of the inner wall of the cooling channel is formed in the base area. The base area serves to absorb heat from the component and as an evaporator for the working medium that is arranged in the cooling channel.
Eine im Grundbereich der Kühlvorrichtung, der als Verdampferteil wirkt, ausgebildete Oberflächenstruktur führt zu einer an dieser Oberflächenstruktur verbesserten Verdampfung und somit zu einer im Grundbereich verbesserten Verdampfung. Dadurch, dass die lokale Oberflächenstruktur nur lokal im Grundbereich ausgebildet ist, wird der Strömungswiderstand in dem Kühlkanal nur an diesen Stellen und somit insgesamt nur unwesentlich negativ beeinflusst, während die Verdampfung des Arbeitsmittels deutlich begünstigt wird. Der verdampfungsseitige Wärmeübergang zwischen dem Kühlkanal und dem Arbeitsmittel, der vor allem bei der Entwärmung von Bauteilen mit hoher Wärmestromdichte der Flaschenhals für die thermische Performance der Kühlvorrichtung sein kann, wird durch die lokale Oberflächenstruktur somit verbessert und die Ableitung der Wärme von dem Bauteil durch die Kühlvorrichtung verbessert. A surface structure formed in the base area of the cooling device, which acts as an evaporator part, leads to improved evaporation on this surface structure and thus to improved evaporation in the base area. Due to the fact that the local surface structure is formed only locally in the base area, the flow resistance in the cooling channel is only negatively influenced at these points and thus only insignificantly overall, while the evaporation of the working medium is clearly promoted. The evaporation-side heat transfer between the cooling channel and the working medium, which can be the bottleneck for the thermal performance of the cooling device, especially when cooling components with high heat flux density, is thus improved by the local surface structure and the dissipation of heat from the component through the cooling device improved.
Gemäß einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass der Kühlkanal in einem mäanderförmig gebogenen Rohr ausgebildet ist. So wird ein vorteilhaft einfacher und guter Kühlkanal bereitgestellt. Das Arbeitsmittel ist dann in dem Rohr angeordnet und die Innenwand des Rohrs steht mit dem Arbeitsmittel in direktem Kontakt. Die lokale Oberflächenstruktur kann dann an der Innenwand des Rohrs ausgebildet sein und die Verdampfung des Arbeitsmittels in dem Rohr lokal verbessern. According to an advantageous exemplary embodiment, it is provided that the cooling channel is formed in a meandering bent tube. An advantageously simple and good cooling channel is thus provided. The working medium is then arranged in the tube and the inner wall of the tube is in direct contact with the working medium. The local surface structure can then be formed on the inner wall of the tube and locally improve the evaporation of the working medium in the tube.
Gemäß einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass die Oberflächenstruktur an der Innenwand eines im Grundbereich angeordneten Umlenksegments ausgebildet ist. Da die Wärme vom Bauteil durch den Grundbereich und die in dem Grundbereich angeordneten Umlenksegmente aufgenommen wird und an die Arbeitsflüssigkeit in dem Kühlkanal abgegeben wird, kann durch die in den Umlenksegmenten ausgebildete Oberflächenstruktur die Verdampfung verbessert werden, so dass die Wärme aus dem Bauteil direkt - 5 - in den Umlenksegmenten eine Verdampfung der Arbeitsflüssigkeit bewirkt. So kann ein Druckgradient entstehen, der dafür sorgt, dass die Strömung der Arbeitsflüssigkeit eine Vorzugsrichtung bekommt. Statt oszillierenden Bewegungen des Arbeitsmittels mit häufigen Richtungswechseln, wie es normalerweise in als Pulsating Heat Pipes ausgebildeten Kühlkörpern auftreten kann, strömt das Arbeitsmittel vorzugsweise umlaufend durch den Kühlkanal. Damit kann Wärme aus dem Bauteil besonders gut und effizient durch die Kühlvorrichtung von dem Bauteil abgeführt werden. According to an advantageous exemplary embodiment, it is provided that the surface structure is formed on the inner wall of a deflection segment arranged in the base area. Since the heat from the component is absorbed by the base area and the deflection segments arranged in the base area and is given off to the working fluid in the cooling channel, the surface structure formed in the deflection segments can improve evaporation, so that the heat can be removed from the component directly - 5 - causes the working fluid to evaporate in the deflection segments. A pressure gradient can thus arise, which ensures that the flow of the working fluid has a preferred direction. Instead of oscillating movements of the working medium with frequent changes of direction, as can normally occur in heat sinks designed as pulsating heat pipes, the working medium preferably flows in a circumferential manner through the cooling channel. In this way, heat from the component can be dissipated particularly well and efficiently by the cooling device.
Gemäß einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass an der Innenwand jedes im Grundbereich angeordneten Umlenksegments eine Oberflächenstruktur ausgebildet ist. Auf diese Weise kann Wärme aus dem Bauteil besonders gut und großflächig durch die Kühlvorrichtung abgeführt werden. According to an advantageous exemplary embodiment, it is provided that a surface structure is formed on the inner wall of each deflection segment arranged in the base area. In this way, heat can be dissipated from the component particularly well and over a large area by the cooling device.
Gemäß einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass die Innenwand des Kühlkanals im Bereich der lokalen Oberflächenstruktur eine höhere Rauheit aufweist als die Innenwand des Kühlkanals an den Umlenksegmenten in dem Umlenkbereich. So kann die Verdampfung des Arbeitsmittels an der lokalen Oberflächenstruktur erhöht werden und gleichzeitig an den Umlenksegmenten im Umlenkbereich ein geringer Strömungswiderstand erzielt werden, der einen ungestörten Fluss des Arbeitsmittels durch den Kühlkanal im Umlenkbereich ermöglicht. According to an advantageous exemplary embodiment, it is provided that the inner wall of the cooling channel has a higher roughness in the area of the local surface structure than the inner wall of the cooling channel on the deflection segments in the deflection area. In this way, the evaporation of the working medium on the local surface structure can be increased and, at the same time, a low flow resistance can be achieved on the deflection segments in the deflection area, which allows the working medium to flow unhindered through the cooling channel in the deflection area.
Gemäß einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass die wenigstens eine Oberflächenstruktur durch Sandstrahlen, Ätzen oder Fräsen erzeugt ist. Auf diese Weise kann vorteilhaft gut und einfach eine lokale Oberflächenstruktur in dem Kühlkanal ausgebildet werden. According to an advantageous exemplary embodiment, it is provided that the at least one surface structure is produced by sandblasting, etching or milling. In this way, a local surface structure can advantageously be formed well and easily in the cooling channel.
Gemäß einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass die Kühlvorrichtung zumindest teilweise mittels eines 3D-Druckverfahrens hergestellt ist. So kann in der Kühlvorrichtung vorteilhaft ein Kühlkanal mit einer lokalen Oberflächenstruktur ausgebildet werden. According to an advantageous exemplary embodiment, it is provided that the cooling device is produced at least partially by means of a 3D printing process. A cooling channel with a local surface structure can thus advantageously be formed in the cooling device.
Weiterhin führt die Erfindung zu einer Elektronikanordnung, welche die beschriebene Kühlvorrichtung umfasst. Ferner umfasst die Elektronikanordnung 6 ein zu kühlendes Bauteil, welches insbesondere ein Halbleiterbauteil, beispielsweise eines Kraftfahrzeugs, ist. Das zu kühlende Bauteil ist mit einem Grundbereich der Kühlvorrichtung wärmeleitend verbunden. Die Kühlvorrichtung ermöglicht dabei eine besonders effektive und zuverlässige Kühlung des Bauteils, um eine Überhitzung zu vermeiden. Furthermore, the invention leads to an electronics arrangement which includes the described cooling device. Furthermore, the electronic arrangement includes 6 a component to be cooled, which is in particular a semiconductor component, for example a motor vehicle. The component to be cooled is thermally conductively connected to a base area of the cooling device. The cooling device enables a particularly effective and reliable cooling of the component in order to avoid overheating.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen Brief description of the drawings
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt An embodiment of the invention is shown in the drawing and is explained in more detail in the following description. It shows
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung. 1 shows a schematic representation of an exemplary embodiment of the cooling device according to the invention.
Ausführungsformen der Erfindung Embodiments of the invention
Die Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Elektronikanordnung 100 mit einer Kühlvorrichtung 1. Die Kühlvorrichtung 1 kann zur Kühlung von Elektronik oder anderen Hotspots aller Art, beispielsweise zur Kühlung von Leistungselektronik in E-Fahrzeugen, passiver Batteriekühlung, Kühlung von Motorsteuergeräten, Ladestationen oder Drive-Units in eBikes verwendet werden. Figure 1 shows a schematic representation of an exemplary embodiment of an electronics arrangement 100 with a cooling device 1. The cooling device 1 can be used to cool electronics or other hotspots of all kinds, for example for cooling power electronics in electric vehicles, passive battery cooling, cooling engine control units, charging stations or Drive units are used in eBikes.
Die in Fig. 1 dargestellte Elektronikanordnung 100 umfasst ein Bauteil 101, beispielsweise mit einer Leistungselektronik, beispielsweise ein Halbleiterbauteil und eine Kühlvorrichtung 1. Die Kühlvorrichtung 1 ist dabei ausgebildet, um das Bauteil 101 zu kühlen. Hierfür ist ein Grundbereich 2 der Kühlvorrichtung 1 wärmeleitend mit dem Bauteil 101 verbunden. Das Bauteil 101 liegt dazu beispielsweise mittelbar oder unmittelbar auf dem Grundbereich 2 der Kühlvorrichtung lauf. The electronics arrangement 100 shown in FIG. 1 comprises a component 101, for example with power electronics, for example a semiconductor component and a cooling device 1. The cooling device 1 is designed to cool the component 101. For this purpose, a base area 2 of the cooling device 1 is connected to the component 101 in a thermally conductive manner. For this purpose, the component 101 lies, for example, directly or indirectly on the base area 2 of the cooling device.
Die Kühlvorrichtung 1 umfasst einen Kühlkanal 5, welcher mehrere Mittelsegmente 51 sowie mehrere Umlenksegmente 52 aufweist. Der Kühlkanal 5 verläuft in der Kühlvorrichtung 1. Der Kühlkanal 5 ist mäanderförmig - 7 - ausgebildet. Als mäanderförmig wird dabei insbesondere eine Form angesehen, welche mehrere Richtungswechsel, vorzugsweise in einer Ebene, aufweist. Beispielsweise kann mäanderförmig auch als schlangenförmig bezeichnet werden. Der Kühlkanal 5 kann dabei als mäanderförmig gebogenes Rohr ausgebildet sein. Der Kühlkanal 5 kann beispielsweise einen kreisförmigen, einen elliptischen oder einen rechteckförmigen Querschnitt aufweisen. Der Kühlkanal 5 kann beispielsweise einen Durchmesser von etwa 0,5 bis 2 mm aufweisen. The cooling device 1 comprises a cooling channel 5 which has a number of central segments 51 and a number of deflection segments 52 . The cooling channel 5 runs in the cooling device 1. The cooling channel 5 is meandering - 7 - trained. In particular, a shape is considered to be meandering if it has a plurality of changes in direction, preferably in one plane. For example, meandering can also be referred to as serpentine. The cooling channel 5 can be designed as a meandering curved tube. The cooling channel 5 can have, for example, a circular, an elliptical or a rectangular cross section. The cooling channel 5 can have a diameter of approximately 0.5 to 2 mm, for example.
Der Kühlkanal 5 kann beispielsweise in einem einstückigen gebogenen Rohr ausgebildet sein. Der Kühlkanal 5 kann aber auch in einer mehrteiligen Kühlvorrichtung 1 ausgebildet sein, die beispielsweise aus mehreren Rohrsegmenten und/oder Platten oder anderen Bauteilen zusammengesetzt sein kann. Der Kühlkanal 5 kann beispielsweise zumindest teilweise in einer oder mehreren massiven Platten, beispielsweise im Umlenkbereich 3 und/oder im Zwischenbereich 4 und/oder im Grundbereich 2, verlaufen. In den massiven Platten können beispielsweise Ausfräsungen vorgesehen sein, die den Kühlkanal 5 oder Teile des Kühlkanals 5 bilden. Der Kühlkanal 5 kann beispielsweise auch zwischen Blechen, die zu einer Kühlvorrichtung 1 gestapelt und miteinander verschweißt oder verlötet sind, verlaufen. The cooling channel 5 can be formed, for example, in a one-piece curved tube. However, the cooling channel 5 can also be formed in a multi-part cooling device 1, which can be composed, for example, of several tube segments and/or plates or other components. The cooling channel 5 can, for example, run at least partially in one or more solid plates, for example in the deflection area 3 and/or in the intermediate area 4 and/or in the base area 2 . For example, cutouts can be provided in the solid plates, which form the cooling channel 5 or parts of the cooling channel 5 . The cooling channel 5 can, for example, also run between sheets that are stacked to form a cooling device 1 and welded or soldered to one another.
Der Kühlkanal 5 ist vorzugsweise rohrförmig ausgebildet. Bevorzugt ist der Kühlkanal 5 geschlossen ausgebildet. Hierfür weist der Kühlkanal 5 vorzugsweise einen Verbindungsbereich 58 auf, welcher sich vorzugsweise innerhalb des Umlenkbereichs 3 befindet, und welcher einen geschlossenen Kreislauf des Kühlkanals 5 bildet. Weiter bevorzugt weist der Kühlkanal 5 ein Ventil auf, um beispielsweise eine Evakuierung des Kühlkanals 5 und eine Befüllung des Kühlkanals 5 mit dem Arbeitsmittel 6 zu ermöglichen. The cooling channel 5 is preferably tubular. The cooling channel 5 is preferably of closed design. For this purpose, the cooling channel 5 preferably has a connecting area 58 which is preferably located within the deflection area 3 and which forms a closed circuit of the cooling channel 5 . More preferably, the cooling channel 5 has a valve in order, for example, to allow the cooling channel 5 to be evacuated and the cooling channel 5 to be filled with the working medium 6 .
Wie in Figur 1 zu erkennen, erstreckt sich der Kühlkanal 5 von dem Grundbereich 2 durch einen Zwischenbereich 4 bis hin zu einem Umlenkbereich 3. Die Mittelsegmente 51 erstrecken sich jeweils von dem Grundbereich 2 zum Umlenkbereich 3, also durch den Zwischenbereich 4 hindurch. Dabei sind alle Mittelsegmente 51 gerade ausgebildet und parallel zueinander angeordnet. Die Umlenksegmente 52 sind jeweils an den Enden der Mittelsegmente 51 im Umlenkbereichs 3 sowie im Grundbereich 2 angeordnet und bilden jeweils eine 8 As can be seen in FIG. 1, the cooling channel 5 extends from the base area 2 through an intermediate area 4 to a deflection area 3. The middle segments 51 each extend from the base area 2 to the deflection area 3, i.e. through the intermediate area 4. All center segments 51 are straight and arranged parallel to one another. The deflection segments 52 are each arranged at the ends of the central segments 51 in the deflection area 3 and in the base area 2 and each form one 8th
Richtungsumkehr. Dabei verbindet jeweils ein Umlenksegment 52 zwei Mittelsegmente 51 miteinander. reversal of direction. A deflection segment 52 connects two central segments 51 to one another.
Die Umlenksegmente 52 sind beispielsweise jeweils U-förmig ausgebildet und weisen einen Biegeradius auf. Dadurch sind die Mittelsegmente 51 in einem Abstand, welcher dem doppelten Biegeradius 55 entspricht, zueinander angeordnet. Grundbereichsseitig verlaufen die Umlenksegmente 52 beispielsweise in einer Grundplatte, die einen flächigen Kontakt zu dem Bauteil 101 bilden kann. Die Grundplatte weist beispielsweise eine hohe Wärmeleitfähigkeit auf und ist beispielsweise aus Aluminium ausgebildet um eine gute Wärmeleitung und thermische Anbindung des Bauteils 101 und einen effektiven Wärmeabtransport von dem Bauteil 101 zu ermöglichen. Weiter bevorzugt ist die Kühlvorrichtung 1 insgesamt aus Aluminium gebildet, um kostengünstig und thermisch gut leitend zu sein. The deflection segments 52 are each U-shaped, for example, and have a bending radius. As a result, the middle segments 51 are arranged at a distance from one another which corresponds to twice the bending radius 55 . On the base area side, the deflection segments 52 run, for example, in a base plate that can form a planar contact with the component 101 . The base plate has a high thermal conductivity, for example, and is made of aluminum, for example, in order to enable good heat conduction and thermal connection of the component 101 and effective heat dissipation from the component 101 . More preferably, the cooling device 1 is made entirely of aluminum in order to be inexpensive and thermally well conductive.
Innerhalb des Kühlkanals 5 befindet sich ein Arbeitsmittel 6, welches gleichzeitig in flüssigen und in gasförmigen Zustand vorliegt. Das Arbeitsmittel 6 liegt in dem Kühlkanal 5 gleichzeitig gasförmig und flüssig vor, mit anderen Worten teils gasförmig und teils flüssig. Das heißt, das Arbeitsmittel 6 liegt im Kühlkanal 5 zweiphasig vor. Insbesondere liegen dabei innerhalb des Kühlkanals 5 Gasblasen sowie Flüssigkeitssäulen gleichzeitig vor. Vorzugsweise nehmen bei einer Nenntemperatur die Gasblasen sowie die Flüssigkeitssäulen ein ähnlich großes Volumen ein. Besonders bevorzugt nimmt der gasförmige Anteil des Arbeitsmittels 6 bei der Nenntemperatur 30 % bis 70 % eines Innenvolumens des Kühlkanals 5 ein, wobei das restliche Innenvolumen durch den flüssigen Anteil des Arbeitsmittels 6 eingenommen wird. In Abhängigkeit einer Temperatur der Kühlvorrichtung 1 ändert sich dabei das Volumenverhältnis durch Verdampfen oder Kondensieren des Arbeitsmittels 6. Within the cooling channel 5 there is a working medium 6 which is simultaneously in the liquid and in the gaseous state. The working medium 6 is present in the cooling channel 5 in gaseous and liquid form at the same time, in other words partly gaseous and partly liquid. This means that the working medium 6 is present in two phases in the cooling channel 5 . In particular, gas bubbles and liquid columns are simultaneously present within the cooling channel 5 . At a nominal temperature, the gas bubbles and the liquid columns preferably occupy a similarly large volume. The gaseous portion of the working medium 6 particularly preferably occupies 30% to 70% of an internal volume of the cooling channel 5 at the nominal temperature, with the remaining internal volume being occupied by the liquid portion of the working medium 6 . Depending on the temperature of the cooling device 1, the volume ratio changes as a result of evaporation or condensation of the working medium 6.
Bei einer Erwärmung des Grundbereichs 2 der Kühlvorrichtung 1 durch das Halbleiterbauteil 101 erfolgt eine Erwärmung des Kühlkanals 5 sowie des darin befindlichen Arbeitsmittels. Durch eine Kombination aus Verdampfung, Kondensation, konvektivem Wärmetransport und Wärmeleitung erfolgt ein Abtransport der Wärme vom Grundbereich 2 und somit eine Kühlung des Halbleiterbauteils 101. Besonders bevorzugt weist das Arbeitsmittel 6 eine kritische Temperatur auf, die größer als eine maximale Betriebstemperatur ist. - 9 - When the base region 2 of the cooling device 1 is heated by the semiconductor component 101, the cooling channel 5 and the working medium located therein are heated. A combination of evaporation, condensation, convective heat transport and heat conduction transports the heat away from the base region 2 and thus cools the semiconductor component 101. The working medium 6 particularly preferably has a critical temperature that is greater than a maximum operating temperature. - 9 -
Vorzugsweise weist das Arbeitsmittel 6 eine kritische Temperatur von mindestens 233 K, vorzugsweise mindestens 273 K besonders vorzugsweise mindestens 373 K, und insbesondere maximal 533 K, auf. Als kritische Temperatur wird dabei eine Temperatur eines Stoffes am kritischen Punkt angesehen. Dadurch wird sichergestellt, dass das Arbeitsmittel 6 in einem bevorzugten Betriebsbereich, in welchem das Arbeitsmittel 6 insbesondere bei Temperaturen von 222 K bis 473k, insbesondere von 273 K bis 373 K, vorliegt, zweiphasig innerhalb des Kühlkanals 5 vorliegen kann. Vorzugsweise ist das Arbeitsmittel 6 ein organisches Kältemittel, welches beispielsweise in Fahrzeugklimaanlagen eingesetzt wird, wie insbesondere 2, 3,3,3- Tetrafluorpropen, auch als R1234yf bezeichnet, R1233zd(E) usw. Besonders bevorzugt weist das Arbeitsmittel 6 einen Schmelzpunkt auf, welcher maximal 273 K, vorzugsweise maximal 233K, besonders bevorzugt maximal 213 K, beträgt. The working medium 6 preferably has a critical temperature of at least 233 K, preferably at least 273 K, particularly preferably at least 373 K, and in particular at most 533 K. A temperature of a substance at the critical point is regarded as the critical temperature. This ensures that the working medium 6 can be present in two phases within the cooling channel 5 in a preferred operating range in which the working medium 6 is present in particular at temperatures from 222 K to 473 K, in particular from 273 K to 373 K. The working medium 6 is preferably an organic refrigerant, which is used for example in vehicle air conditioning systems, such as in particular 2,3,3,3-tetrafluoropropene, also referred to as R1234yf, R1233zd(E), etc. The working medium 6 particularly preferably has a melting point which is at most 273K, preferably at most 233K, particularly preferably at most 213K.
Der Kühlkanal 5 verläuft als Kanal durch die Kühlvorrichtung 1. Der Kühlkanal 5 weist eine Innenwand 53 auf. Die Innenwand 53 ist die Seite des Kühlkanals 5, die mit dem Arbeitsmittel 6 in direktem Kontakt steht. An der Innenwand 53 des Kühlkanals 5 ist eine Oberflächenstruktur 54 ausgebildet. An der Oberflächenstruktur 54 ist die Innenwand 53 des Kühlkanals 5 strukturiert. An der Oberflächenstruktur 54 ist die Innenwand 53 des Kühlkanals 5 nicht glatt ausgebildet. Die Innenwand 53 weist an der Oberflächenstruktur 54 beispielsweise eine Vielzahl an Erhöhungen und/oder Vertiefungen auf, wobei die Erhöhungen und/oder Vertiefungen die Oberflächenstruktur 54 bilden. Die Oberflächenstruktur 54 ist lokal begrenzt, das heißt die Oberflächenstruktur 54 ist nur an einem begrenzten Teil der Innenwand 53 des Kühlkanals 5 ausgebildet. Andere Teile der Innenwand 53 des Kühlkanals 5 weisen entsprechend keine Oberflächenstruktur 54 auf, sondern sind glatt ausgebildet. Die lokal begrenzte Oberflächenstruktur 54 an der Innenwand 53 des Kühlkanals 5 steht mit dem Arbeitsmittel 6 in direktem Kontakt. So kann Wärme von der Oberflächenstruktur 54 direkt an das Arbeitsmittel 6 abgeben werden. Die Innenwand 53 des Kühlkanals 5 kann an der Oberflächenstruktur 54 beispielsweise eine lokal erhöhte Rauheit aufweisen. Die lokal begrenzte Oberflächenstruktur 54 an der Innenwand 5 des Kühlkanals 5 kann beispielsweise durch Sandstrahlen, Ätzen oder Fräsen erzeugt sein. Dabei wird die Innenwand 5 des Kühlkanals 5, die vorher beispielsweise eine glatte Oberfläche aufwies, durch Sandstrahlen, Ätzen -10 oder Fräsen behandelt und so in dem Bereich, in dem die Innenwand 5 des Kühlkanals 5 derart behandelt wurde, die lokal begrenzte Oberflächenstruktur 54 erzeugt. Die Innenwand 53 des Kühlkanals 5 ist durch die Behandlung beispielsweise aufgeraut oder in anderer Weise strukturiert und weist somit eine lokal begrenzte Oberflächenstruktur auf. Weiterhin kann die Kühlvorrichtung 1 oder zumindest Teile der Kühlvorrichtung 1 mittels eines 3D-Druckverfahrens hergestellt sein. So kann der Kühlkanal 5 in der Kühlvorrichtung 1 teilweise glatt und teilweise mit lokal begrenzten Oberflächenstrukturen 54 ausgebildet werden. The cooling channel 5 runs through the cooling device 1 as a channel. The cooling channel 5 has an inner wall 53 . The inner wall 53 is the side of the cooling channel 5 that is in direct contact with the working medium 6 . A surface structure 54 is formed on the inner wall 53 of the cooling channel 5 . The inner wall 53 of the cooling channel 5 is structured on the surface structure 54 . The inner wall 53 of the cooling channel 5 is not smooth on the surface structure 54 . The inner wall 53 has, for example, a large number of elevations and/or depressions on the surface structure 54 , the elevations and/or depressions forming the surface structure 54 . The surface structure 54 is locally limited, ie the surface structure 54 is only formed on a limited part of the inner wall 53 of the cooling channel 5 . Other parts of the inner wall 53 of the cooling channel 5 accordingly have no surface structure 54 but are smooth. The locally limited surface structure 54 on the inner wall 53 of the cooling channel 5 is in direct contact with the working medium 6 . In this way, heat can be released directly from the surface structure 54 to the working medium 6 . The inner wall 53 of the cooling channel 5 can have a locally increased roughness on the surface structure 54, for example. The locally limited surface structure 54 on the inner wall 5 of the cooling channel 5 can be produced, for example, by sandblasting, etching or milling. The inner wall 5 of the cooling channel 5, which previously had a smooth surface, for example, is sandblasted or etched -10 or milling and thus produces the locally limited surface structure 54 in the area in which the inner wall 5 of the cooling channel 5 has been treated in this way. The inner wall 53 of the cooling channel 5 is, for example, roughened by the treatment or structured in some other way and thus has a locally limited surface structure. Furthermore, the cooling device 1 or at least parts of the cooling device 1 can be produced by means of a 3D printing process. Thus, the cooling channel 5 in the cooling device 1 can be made partially smooth and partially with locally limited surface structures 54 .
An der Innenwand 53 des Kühlkanals 5 können eine oder mehrere lokal begrenzte Oberflächenstrukturen 54 ausgebildet sein. Die lokal begrenzte Oberflächenstruktur 54 kann beispielsweise im Grundbereich 2 ausgebildet sein. Das heißt, die Oberflächenstruktur 54 ist in dem Bereich des Kühlkanals 5, der im Grundbereich 2 angeordnet ist, ausgebildet. Die Wärme des Bauteils 101 wird vom Grundbereich 2 aufgenommen und an das Arbeitsmittel 6, das in dem Teil des Kühlkanals 5, der im Grundbereich 2 angeordnet ist, abgegeben. Insbesondere kann die Oberflächenstruktur 54 an der Innenwand 53 eines im Grundbereich 2 angeordneten Umlenksegments 52 ausgebildet sein. Dabei kann beispielsweise in jedem im Grundbereich 2 angeordneten Umlenksegment 52 eine Oberflächenstruktur 54 ausgebildet sein. One or more locally limited surface structures 54 can be formed on the inner wall 53 of the cooling channel 5 . The locally limited surface structure 54 can be formed in the base area 2, for example. This means that the surface structure 54 is formed in the area of the cooling channel 5 that is arranged in the base area 2 . The heat of the component 101 is absorbed by the base area 2 and given off to the working medium 6 which is in the part of the cooling channel 5 which is arranged in the base area 2 . In particular, the surface structure 54 can be formed on the inner wall 53 of a deflection segment 52 arranged in the base area 2 . In this case, for example, a surface structure 54 can be formed in each deflection segment 52 arranged in the base area 2 .
Die Innenwand 53 der Mittelsegmente 51 weist beispielsweise keine Oberflächenstruktur 54 auf, sondern eine glatte Oberfläche auf. Die Innenwand The inner wall 53 of the middle segments 51 does not have a surface structure 54, for example, but has a smooth surface. The inner wall
53 der Umlenksegmente 52 im Umlenkbereich 3 weist beispielsweise keine Oberflächenstruktur 54 auf, sondern weist eine glatte Oberfläche auf. Somit weist die Innenwand 53 des Kühlkanals 5 im Bereich der lokalen Oberflächenstruktur53 of the deflection segments 52 in the deflection area 3 has no surface structure 54, for example, but has a smooth surface. Thus, the inner wall 53 of the cooling channel 5 has the local surface structure in the region
54 eine höhere Rauheit auf als die Innenwand 53 des Kühlkanals 5 an den Umlenksegmenten 52 in dem Umlenkbereich 3. Der Verbindungsbereich 58 weist beispielsweise ebenfalls keine Oberflächenstruktur 54 auf, sondern weist eine glatte Oberfläche auf. So wird die Strömung des Arbeitsmittels 6 durch den Kühlkanal 5 in den Mittelsegmenten 51, den Umlenksegmenten 52 im Umlenkbereich 3 und dem Verbindungsbereich 58 nicht durch einen erhöhten Strömungswiderstand behindert. 54 has a higher roughness than the inner wall 53 of the cooling channel 5 at the deflection segments 52 in the deflection area 3. The connection area 58 also has no surface structure 54, for example, but has a smooth surface. Thus, the flow of the working medium 6 through the cooling channel 5 in the central segments 51, the deflection segments 52 in the deflection area 3 and the connection area 58 is not impeded by an increased flow resistance.
Selbstverständlich sind auch weitere Ausführungsbeispiele und Mischformen der dargestellten Ausführungsbeispiele möglich. Of course, further exemplary embodiments and mixed forms of the exemplary embodiments shown are also possible.

Claims

11 Ansprüche 11 claims
1. Kühlvorrichtung, zum Kühlen von Bauteilen (101) umfassend: 1. Cooling device for cooling components (101) comprising:
- einen Grundbereich (2), welcher wärmeleitend mit einem zu kühlenden Bauteil (101) verbindbar ist, - a base area (2) which can be thermally conductively connected to a component (101) to be cooled,
- einen Umlenkbereich (3), - a deflection area (3),
- einen Zwischenbereich (4) zwischen dem Grundbereich (2) und dem Umlenkbereich (3), und - an intermediate area (4) between the base area (2) and the deflection area (3), and
- einen Kühlkanal (5), welcher mäanderförmig ausgebildet ist und mehrere Mittelsegmente (51) und mehrere Umlenksegmente (52) aufweist, - a cooling channel (5) which is designed in a meandering shape and has a number of central segments (51) and a number of deflection segments (52),
- wobei sich die Mittelsegmente (51) jeweils von dem Grundbereich (2) zum Umlenkbereich (3) erstrecken, - the middle segments (51) each extending from the base area (2) to the deflection area (3),
- wobei die Umlenksegmente (52) jeweils innerhalb des Grundbereichs (2) und innerhalb des Umlenkbereichs (3) eine Richtungsumkehr bilden und jeweils zwei Mittelsegmente (51) miteinander verbinden, - the deflection segments (52) each forming a reversal of direction within the base area (2) and within the deflection area (3) and connecting two middle segments (51) to each other,
- wobei der Kühlkanal (5) mit einem Arbeitsmittel (6) gefüllt ist, welches gleichzeitig gasförmig und flüssig in dem Kühlkanal (5) vorliegt, dadurch gekennzeichnet, dass eine Innenwand (53) des Kühlkanals (5) wenigstens eine lokal begrenzte Oberflächenstruktur (54) aufweist, die mit dem Arbeitsmittel (6) in Kontakt steht. - the cooling channel (5) being filled with a working medium (6) which is present in the cooling channel (5) in gaseous and liquid form at the same time, characterized in that an inner wall (53) of the cooling channel (5) has at least one locally limited surface structure (54 ) which is in contact with the working medium (6).
2. Kühlvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenwand (53) des Kühlkanals (5) im Bereich der lokalen Oberflächenstruktur (54) eine lokal erhöhte Rauheit aufweist. 2. Cooling device according to claim 1, characterized in that the inner wall (53) of the cooling channel (5) has a locally increased roughness in the area of the local surface structure (54).
3. Kühlvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenstruktur (54) der Innenwand (53) des Kühlkanals (5) im Grundbereich (2) der Kühlvorrichtung (1) ausgebildet ist. 3. Cooling device according to one of the preceding claims, characterized in that the surface structure (54) of the inner wall (53) of the cooling channel (5) is formed in the base region (2) of the cooling device (1).
4. Kühlvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkanal (5) in einem mäanderförmig gebogenen Rohr ausgebildet ist. -12 4. Cooling device according to one of the preceding claims, characterized in that the cooling channel (5) is formed in a meandering curved tube. -12
5. Kühlvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenstruktur (54) an der Innenwand (53) eines im Grundbereich (2) angeordneten Umlenksegments (52) ausgebildet ist. 5. Cooling device according to one of the preceding claims, characterized in that the surface structure (54) is formed on the inner wall (53) of a deflection segment (52) arranged in the base region (2).
6. Kühlvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an der Innenwand (53) jedes im Grundbereich (2) angeordneten Umlenksegments (52) eine Oberflächenstruktur (54) ausgebildet ist. 6. Cooling device according to one of the preceding claims, characterized in that a surface structure (54) is formed on the inner wall (53) of each deflection segment (52) arranged in the base area (2).
7. Kühlvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenwand (53) des Kühlkanals (5) im Bereich der lokalen Oberflächenstruktur (54) eine höhere Rauheit aufweist als die Innenwand (53) des Kühlkanals (5) an den Umlenksegmenten (52) in dem Umlenkbereich (3). 7. Cooling device according to one of the preceding claims, characterized in that the inner wall (53) of the cooling channel (5) in the region of the local surface structure (54) has a higher roughness than the inner wall (53) of the cooling channel (5) at the deflection segments ( 52) in the deflection area (3).
8. Kühlvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Oberflächenstruktur (54) durch Sandstrahlen, Ätzen oder Fräsen erzeugt ist. 8. Cooling device according to one of the preceding claims, characterized in that the at least one surface structure (54) is produced by sandblasting, etching or milling.
9. Kühlvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlvorrichtung (1) zumindest teilweise mittels eines 3D-Druckverfahrens hergestellt ist. 9. Cooling device according to one of the preceding claims, characterized in that the cooling device (1) is at least partially produced by means of a 3D printing process.
10. Elektronikanordnung, umfassend: 10. Electronics assembly comprising:
- ein Bauteil (101), insbesondere ein Halbleiterbauteil, und - a component (101), in particular a semiconductor component, and
- eine Kühlvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, - A cooling device (1) according to any one of the preceding claims,
- wobei das Bauteil (101) mit einem Grundbereich (2) der Kühlvorrichtung (1) wärmeleitend verbunden ist. - wherein the component (101) is thermally conductively connected to a base area (2) of the cooling device (1).
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