ITBO20130198A1 - Sistema di raffreddamento a liquido per un componente elettronico e relativo metodo di produzione - Google Patents

Description

DESCRIZIONE

del brevetto per invenzione industriale dal titolo:

“SISTEMA DI RAFFREDDAMENTO A LIQUIDO PER UN COMPONENTE ELETTRONICO E RELATIVO METODO DI PRODUZIONE”

SETTORE DELLA TECNICA

La presente invenzione è relativa ad un sistema di raffreddamento a liquido per un componente elettronico e ad un relativo metodo di produzione.

La presente invenzione trova vantaggiosa applicazione ad un componente elettronico per autotrazione, cui la descrizione che segue farà esplicito riferimento senza per questo perdere di generalità.

ARTE ANTERIORE

Nei veicoli stradali sta prendendo sempre più piede la trazione elettrica in abbinamento alla tradizionale trazione termica per realizzare una trazione ibrida.

La trazione elettrica prevede generalmente l’utilizzo di una macchina elettrica rotante reversibile (cioè che può funzionare sia come motore elettrico assorbendo energia elettrica e generando un coppia meccanica motrice, sia come generatore elettrico assorbendo energia meccanica e generando energia elettrica) trifase (tipicamente sincrona a magneti permanenti) che da un lato è meccanicamente collegata o collegabile alle ruote motrici e dall’altro lato è elettricamente collegata ad una unità elettronica di controllo (contenente un convertitore elettronico di potenza).

Il convertitore elettronico di potenza comprende un componente elettronico che richiede un raffreddamento adeguato e costante sia per evitare un eccessivo surriscaldamento del materiale semiconduttore che avrebbe inevitabilmente e rapidamente un effetto distruttivo, sia per evitare rapide e frequenti oscillazioni di temperatura che determinano (per effetto delle diverse dilatazioni termiche tra materiali metallici e materiali a semiconduttore) una fatica meccanica di origine termica che a lungo andare può provocare rotture fatali del componente (tipicamente interruzioni nei collegamenti elettrici all’interno del componente elettronico che richiede un raffreddamento adeguato e costante.

Un convertitore elettronico di potenza moto per il controllo di una macchina elettrica per autotrazione comprende generalmente una piastra scambiatrice metallica presentante una prima parete disposta a contatto con il componente elettronico ed una seconda parete che è parallela ed opposta alla prima parete ed è disposta a contatto con un bagno di un liquido di raffreddamento (tipicamente acqua addizionata a glicole monoetilenico o altro additivo anticongelante). Tipicamente, è presente una vasca che è delimitata da un lato dalla seconda parete della piastra scambiatrice ed è atta a venire attraversata dal liquido di raffreddamento. Dalla seconda parete della piastra scambiatrice si eleva a sbalzo un labirinto metallico che è immerso nel liquido di raffreddamento; la funzione del labirinto è di aumentare la superficie di scambio termico tra la piastra scambiatrice ed il liquido di raffreddamento per permettere l’evacuazione di una grande quantità di calore.

Il sopra descritto sistema di raffreddamento a liquido è compatto, efficace ed efficiente grazie all’elevata superficie di scambio termico permessa dalla presenza del labirinto in un volume complessivo ridotto. Tuttavia, la realizzazione del labirinto è attualmente molto costosa in quanto richiede delle lavorazioni particolarmente lunghe e complesse; in particolare, tali lavorazioni presentano un costo elevato sia nell’attrezzaggio iniziale, sia nel costo incrementale di produzione.

DESCRIZIONE DELLA INVENZIONE

Scopo della presente invenzione è fornire un sistema di raffreddamento a liquido per un componente elettronico ed un relativo metodo di produzione, i quali sistema di raffreddamento e metodo di produzione siano privi degli inconvenienti sopra descritti e siano quindi di facile ed economica realizzazione.

Secondo la presente invenzione vengono forniti un sistema di raffreddamento a liquido per un componente elettronico ed un relativo metodo di produzione, secondo quanto rivendicato dalle rivendicazioni allegate.

BREVE DESCRIZIONE DEI DISEGNI

La presente invenzione verrà ora descritta con riferimento ai disegni annessi, che ne illustrano un esempio di attuazione non limitativo, in cui:

• la figura 1 è una vista schematica di una unità elettronica di controllo di un impianto elettrico di potenza di un veicolo ibrido a trazione termica ed elettrica, l’unità elettronica di controllo è provvista di un sistema di raffreddamento a liquido realizzato in accordo con la presente invenzione;

• la figura 2 è una vista prospettica e schematica di una piastra scambiatrice del sistema di raffreddamento a liquido della figura 1;

• le figure 3, 4 e 5 sono viste schematica rispettivamente in pianta, laterale e frontale della piastra scambiatrice della figura 2; e

• la figura 6 è una vista frontale di un singolo elemento conformato ad onde della piastra scambiatrice della figura 2;

• la figura 7 è una vista prospettica e schematica di una alternativa forma di attuazione della piastra scambiatrice della figura 2.

FORME DI ATTUAZIONE PREFERITE DELL’INVENZIONE

Nella figura 1, con il numero 1 è indicato nel suo complesso un convertitore elettronico di potenza per una macchina elettrica per autotrazione.

Il convertitore 1 elettronico di potenza comprende una scatola 2 di contenimento metallica (tipicamente in alluminio) al cui interno è disposto un componente 3 elettronico (tipicamente una batteria di transistor) per il controllo della macchina elettrica. Il componente 3 elettronico è realizzato su un substrato 4 di materiale semiconduttore ed è montato su un supporto 5 di materiale ceramico; in particolare tra il substrato 4 di materiale semiconduttore ed il supporto 5 di materiale ceramico viene interposto del materiale 6 saldante per realizzare un collegamento permanente e stabile.

Il convertitore 1 elettronico di potenza comprende un sistema 7 di raffreddamento a liquido che asporta il calore che viene prodotto per dissipazione all’interno del componente 3 elettronico. Il sistema 7 di raffreddamento a liquido comprende una piastra 8 scambiatrice di forma parallelepipeda che è realizzata in rame ed è nichelata (ovvero è ricoperta con un sottile strato di nichel). La piastra 8 scambiatrice presenta una parete 9 piana che è disposta a contatto con il componente 3 elettronico; in particolare, la parete 9 della piastra 8 scambiatrice è fissata al supporto 5 di materiale ceramico del componente 3 elettronico mediante del materiale 10 saldante. Inoltre, la piastra 8 scambiatrice presenta una parete 11, che è parallela ed opposta alla parete 9 ed è disposta a contatto di un bagno di un liquido di raffreddamento (tipicamente acqua addizionata a glicole monoetilenico o altro additivo anticongelante).

Il sistema 7 di raffreddamento comprende una vasca 12 che è disposta nella scatola 2 di contenimento ed è collegata ad un circuito idraulico per fare circolare all’interno della vasca 12 un flusso continuo di liquido di raffreddamento. La vasca 12 presenta un lato aperto che viene chiuso dalla piastra 8 scambiatrice; in altre parole, la vasca 12 è delimitata da un lato dalla parete 11 della piastra 8 scambiatrice ed è atta a venire attraversata dal liquido di raffreddamento.

Dalla parete 11 della piastra 8 scambiatrice si eleva a sbalzo un labirinto 13 che è disposto all’interno della vasca 12 e quindi è immerso nel bagno del liquido di raffreddamento.

Il labirinto 13 comprende una pluralità di elementi 14 conformati ad onde che sono disposti tra loro paralleli ed affiancati uno di seguito all’altro (come meglio illustrato nelle figure 2-5). Secondo quanto meglio illustrato nella figura 6, ciascun elemento 14 conformato ad onde è composto da un filo o da un nastro che è ripiegato su sé stesso per formare una successione di onde presentanti corrispondenti creste disposte relativamente lontane dalla parete 11 della piastra 8 scambiatrice e corrispondenti ventri disposti a contatto della parete 11 della piastra 8 scambiatrice. Ciascun elemento 14 conformato ad onde è reso solidale alla parete 11 della piastra 8 scambiatrice mediante una serie di saldature 15 realizzate in corrispondenza dei ventri delle onde.

Nella forma di attuazione illustrata nelle figure allegate, ciascun elemento 14 conformato ad onde è composto da un nastro che è ripiegato su sé stesso per formare una successione di onde; un nastro (ovvero una striscia o una fettuccia) è un corpo lungo e sottile a sezione rettangolare. Secondo una diversa e perfettamente equivalente forma di attuazione, ciascun elemento 14 conformato ad onde è composto da un filo che è ripiegato su sé stesso per formare una successione di onde; un filo è un corpo lungo e sottile a sezione sostanzialmente circolare (in effetti potrebbe anche essere leggermente ellittica). L’unica differenza tra l’utilizzo di un nastro oppure di un filo è la sezione che è rettangolare nel caso del nastro ed è circolare nel caso del filo; tuttavia, da un punto di vista funzionale del labirinto 13 l’utilizzo di un nastro o l’utilizzo di un filo sono perfettamente equivalenti.

Secondo una preferita forma di attuazione illustrata nella figura 2, gli elementi 14 conformati ad onde sono disposti (orientati) perpendicolarmente ad una direzione D di avanzamento del liquido di raffreddamento lungo il bagno; in questo modo, il liquido di raffreddamento fluisce attraverso le onde (ovvero passa all’interno delle onde) incontrando una resistenza di avanzamento relativamente modesta pur lambendo una superficie particolarmente elevata degli elementi 14 conformati ad onde.

Secondo una preferita forma di attuazione illustrata nelle figure 2-5 (particolarmente evidente nella figura 5), gli elementi 14 conformati ad onde sono disposti sfalsati uno rispetto all’altro rispetto alla direzione D di avanzamento del liquido di raffreddamento lungo il bagno in modo tale che le onde di un elemento 14 conformato ad onde non siano allineate con le onde degli adiacenti elementi 14 conformati ad onde. In questo modo è possibile aumentare lo scambio termico tra gli elementi 14 conformati ad onde ed il liquido di raffreddamento. Secondo una diversa forma di attuazione illustrata nella figura 7, gli elementi 14 conformati ad onde sono disposti tra loro allineati rispetto alla direzione D di avanzamento del liquido di raffreddamento lungo il bagno.

Come detto in precedenza, la piastra 8 scambiatrice è realizzata in rame placcato (ovvero ricoperto da uno strato di nichel); gli elementi 14 conformati ad onde possono essere realizzati in rame (cioè nello stesso materiale metallico che costituisce la piastra 8 scambiatrice) oppure in alluminio (cioè in un materiale metallico diverso dal materiale metallico che costituisce la piastra 8 scambiatrice).

Per realizzare un elemento 14 conformato ad onde del labirinto 13, un filo o un nastro viene ripiegato su sé stesso per formare una successione di onde presentanti corrispondenti creste e corrispondenti ventri. Secondo una preferita forma di attuazione, per ciascun elemento 14 conformato ad onde la formazione delle onde e la saldatura dei ventri delle onde alla parete 11 della piastra 8 scambiatrice avvengono contestualmente, ovvero non appena viene formata una onda, il corrispondente ventre viene immediatamente saldato alla parete 11 della piastra 8 scambiatrice mediante una saldatura 15. Preferibilmente, le saldature 15 tra i ventri delle onde degli elementi 14 conformati ad onde e la parete 11 della piastra 8 scambiatrice vengono realizzate mediante ultrasuoni.

Il sistema 7 di raffreddamento sopra descritto presenta numerosi vantaggi.

In primo luogo, il sistema 7 di raffreddamento sopra descritto è di semplice ed economica realizzazione, in quanto la piegatura ad onde del filo o nastro sulla parete 11 della piastra 8 scambiatrice e la contemporanea saldatura ad ultrasuoni del filo o nastro alla parete 11 della piastra 8 scambiatrice possono venire realizzate rapidamente con una attrezzatura di costo modesto. Quindi, la realizzazione del labirinto 13 presenta dei costi molto bassi sia nell’attrezzaggio, sia nel costo incrementale di produzione.

Il sistema 7 di raffreddamento sopra descritto permette di ottenere uno scambio termico molto elevato tra il labirinto 13 ed il liquido di raffreddamento; in altre parole, il labirinto 13 del sistema 7 di raffreddamento sopra descritto presenta una efficienza termica molto elevata (che può essere anche decisamente superiore alla efficienza termica dei labirinti noti).

Il sistema 7 di raffreddamento sopra descritto è particolarmente leggero in quanto il labirinto 13 utilizza una modesta quantità complessiva di materiale metallico; in altre parole, il labirinto 13 del sistema 7 di raffreddamento sopra descritto è molto leggero in quanto utilizza poco materiale metallico in quanto pur avendo una superficie complessiva elevata è sostanzialmente fatto quasi esclusivamente da vuoti invece che da pieni.

Infine, il sistema 7 di raffreddamento sopra descritto permette di ridurre le perdite di carico a cui è sottoposto il liquido di raffreddamento quando attraversa la vasca 12; in altre parole, il labirinto 13 del sistema 7 di raffreddamento sopra descritto presenta una resistenza idraulica contenuta (normalmente decisamente inferiore alla resistenza idraulica dei labirinti noti).

Claims (11)

1. RIVENDICAZIONI 1) Sistema (7) di raffreddamento a liquido per un componente (3) elettronico; il sistema (7) di raffreddamento comprende: una piastra (8) scambiatrice presentante una prima parete (9) atta a venire disposta a contatto con il componente (3) elettronico ed una seconda parete (11), che è parallela ed opposta alla prima parete (9) ed è atta a venire accoppiata ad un bagno del liquido di raffreddamento; ed un labirinto (18) che si eleva a sbalzo dalla seconda parete (11) della piastra (8) scambiatrice per essere atto a venire immerso nel bagno del liquido di raffreddamento; il sistema (7) di raffreddamento è caratterizzato dal fatto che: il labirinto (18) comprende una pluralità di elementi (14) conformati ad onde che sono disposti tra loro paralleli ed affiancati uno di seguito all’altro; ciascun elemento (14) conformato ad onde è composto da un filo o da un nastro che è ripiegato su sé stesso per formare una successione di onde presentanti corrispondenti creste disposte relativamente lontane dalla seconda parete (11) della piastra (8) scambiatrice e corrispondenti ventri disposti a contatto della seconda parete (11) della piastra (8) scambiatrice; e ciascun elemento (14) conformato ad onde è reso solidale alla seconda parete (11) della piastra (8) scambiatrice mediante una serie di saldature (15) realizzate in corrispondenza dei ventri delle onde.
2. 2) Sistema (7) di raffreddamento secondo la rivendicazione 1, in cui gli elementi (14) conformati ad onde sono disposti perpendicolarmente ad una direzione (D) di avanzamento del liquido di raffreddamento lungo il bagno.
3. 3) Sistema (7) di raffreddamento secondo la rivendicazione 1 o 2, in cui gli elementi (14) conformati ad onde sono disposti sfalsati uno rispetto all’altro rispetto ad una direzione (D) di avanzamento del liquido di raffreddamento lungo il bagno in modo tale che le onde di un elemento (14) conformato ad onde non siano allineate con le onde degli adiacenti elementi (14) conformati ad onde.
4. 4) Sistema (7) di raffreddamento secondo la rivendicazione 1, 2 o 3, in cui la piastra (8) scambiatrice è realizzata in un primo materiale metallico e gli elementi (14) conformati ad onde sono realizzati in un secondo materiale metallico diverso dal primo materiale metallico.
5. 5) Sistema (7) di raffreddamento secondo la rivendicazione 4, in cui gli elementi (14) conformati ad onde sono realizzati in alluminio.
6. 6) Sistema (7) di raffreddamento secondo la rivendicazione 4 o 5, in cui la piastra (8) scambiatrice è realizzata rame eventualmente placcato.
7. 7) Sistema (7) di raffreddamento secondo la rivendicazione 1, 2 o 3, in cui la piastra (8) scambiatrice e gli elementi (14) conformati ad onde sono realizzati con lo stesso materiale metallico.
8. 8) Metodo di realizzazione di un sistema (7) di raffreddamento a liquido per un componente (3) elettronico; il metodo di realizzazione comprende le fasi di: realizzare una piastra (8) scambiatrice presentante una prima parete (9) atta a venire disposta a contatto con il componente (3) elettronico ed una seconda parete (11), che è parallela ed opposta alla prima parete (9) ed è atta a venire accoppiata ad un bagno del liquido di raffreddamento; e realizzare un labirinto (18) che si eleva a sbalzo dalla seconda parete (11) della piastra (8) scambiatrice per essere atto a venire immerso nel bagno del liquido di raffreddamento; il metodo di realizzazione è caratterizzato dal fatto che la fase di realizzare il labirinto (18) comprende le ulteriori fasi di: ripiegare su sé stesso un filo o un nastro per formare un elemento (14) conformato ad onde dotato di una successione di onde presentanti corrispondenti creste e corrispondenti ventri; appoggiare l’elemento (14) conformato ad onde sulla seconda parete (11) della piastra (8) scambiatrice in modo tale che le creste delle onde siano disposte relativamente lontane dalla seconda parete (11) della piastra (8) scambiatrice ed i ventri delle onde siano disposti a contatto della seconda parete (11) della piastra (8) scambiatrice; fissare l’elemento (14) conformato ad onde alla seconda parete (11) della piastra (8) scambiatrice mediante una serie di saldature (15) realizzate in corrispondenza dei ventri delle onde; e formare una pluralità di elementi (14) conformati ad onde che sono disposti tra loro paralleli ed affiancati uno di seguito all’altro.
9. 9) Metodo di realizzazione secondo la rivendicazione 8, in cui per ciascun elemento (14) conformato ad onde la formazione delle onde e la saldatura dei ventri delle onde alla seconda parete (11) della piastra (8) scambiatrice avvengono contestualmente, ovvero non appena viene formata una onda, il corrispondente ventre viene immediatamente saldato alla seconda parete (11) della piastra (8) scambiatrice.
10. 10) Metodo di realizzazione secondo la rivendicazione 8 o 9, in cui la saldatura viene realizzata mediante ultrasuoni.
11. 11) Convertitore (1) elettronico di potenza per il controllo di una macchina elettrica per autotrazione; il convertitore (1) elettronico di potenza comprende: un componente (3) elettronico per il controllo della macchina elettrica; una piastra (8) scambiatrice presentante una prima parete (9) disposta a contatto con il componente (3) elettronico ed una seconda parete (11), che è parallela ed opposta alla prima parete (9); una vasca (12) che è delimitata da un lato dalla seconda parete (11) della piastra (8) scambiatrice ed è atta a venire attraversata da un liquido di raffreddamento; ed un labirinto (18) che si eleva a sbalzo dalla seconda parete (11) della piastra (8) scambiatrice per essere disposto all’interno delle vasca (12); il convertitore (1) elettronico di potenza è caratterizzato dal fatto che: il labirinto (18) comprende una pluralità di elementi (14) conformati ad onde che sono disposti tra loro paralleli ed affiancati uno di seguito all’altro; ciascun elemento (14) conformato ad onde è composto da un filo o da un nastro che è ripiegato su sé stesso per formare una successione di onde presentanti corrispondenti creste disposte relativamente lontane dalla seconda parete (11) della piastra (8) scambiatrice e corrispondenti ventri disposti a contatto della seconda parete (11) della piastra (8) scambiatrice; e ciascun elemento (14) conformato ad onde è reso solidale alla seconda parete (11) della piastra (8) scambiatrice mediante una serie di saldature (15) realizzate in corrispondenza dei ventri delle onde.