DE102008004053A1

DE102008004053A1 - Spitzenlast-Kühlung von elektronischen Bauteilen durch phasenwechselnde Materialien

Info

Publication number: DE102008004053A1
Application number: DE102008004053A
Authority: DE
Inventors: Marc Dr.-Ing. Hölling; Wilson Willy Casas Dr.-Ing. Noriega
Original assignee: Airbus Operations GmbH
Current assignee: Airbus Operations GmbH
Priority date: 2008-01-11
Filing date: 2008-01-11
Publication date: 2009-07-23
Also published as: US20090180250A1

Abstract

Kühlvorrichtung für elektronische Bauteile, insbesondere für Leistungselektronik in einem Flugzeug, umfassend einen mit zumindest einem zu kühlenden elektronischen Bauteil in wärmeleitender Verbindung stehenden Energiespeicher in Gestalt eines Materials, das bei einer Aufnahme der Abwärme des zumindest einen elektronischen Bauteils einen Phasenwechsel ausführt.

Description

Die Erfindung betrifft die, vorzugsweise kurzzeitige, Kühlung von elektronischen Bauteilen, insbesondere von Leistungselektronik in einem Flugzeug, mit Hilfe von phasenwechselnden Materialien an Bord von Flugzeugen. Bei dieser Kühlung werden die elektronischen Bauteile in direkten oder indirekten thermischen Kontakt mit einem Material gebracht, das bei bestimmten Temperaturen, die der Anwendung anzupassen sind, einen Phasenwechsel durchläuft.
Elektronische Bauteile in Flugzeugen werden heutzutage entweder mit Luft oder mit Hilfe von Flüssigkeitskühlung mittels sogenannter Kühlplatten (cold plates) gekühlt, wie zum Beispiel in den 1a und 1b dargestellt, um die im Betrieb der elektronischen Bauteile durch Verlustleistung resultierende Erwärmung der Bauteile zu begrenzen oder zu verhindern. Bei der in 1a gezeigten Luftkühlung ist ein elektronisches Bauteil 10 mit einem Kühlkörper 12 verbunden, um die Wärmeübertragungsoberfläche zu vergrößern. Dieser Kühlkörper 12 wird von kalter Luft 14 durchströmt, die Wärme aufnimmt und abführt. Um eine ausreichende Kühlwirkung unter allen Umgebungsbedingungen sicherstellen zu können, ist es für diese Art der Kühlung unter bestimmten Bedingungen notwendig, die Luft aktiv mit einer Kältemaschine vorzukühlen, bevor sie zur Kühlung der elektronischen Bauteile 10 verwendet werden kann.
Bei der in 1b gezeigten Flüssigkeitskühlung ist ein elektronisches Bauteil 10 mit einer Kühlplatte 16 in Kontakt gebracht, durch die eine Flüssigkeit 18 fließt. Aufgrund der höheren Wärmekapazität von Flüssigkeiten in Vergleich zu Luft (bzw. Gasen) kann die Kühlung mit einem geringeren Volumenstrom und/oder höherer Eintrittstemperatur erfolgen, um die geforderte Kühlleistung zu erreichen.
Beiden Kühlverfahren, der Flüssigkeitskühlung und der Luftkühlung, ist gemein, dass sie auf den maximal möglichen Wärmestrom ausgelegt werden, um einen sicheren Betrieb der zu kühlenden Bauteile zu gewährleisten. Dies hat zur Folge, dass für elektronische Bauteile, insbesondere für Leistungselektronik, die nur kurzzeitig in Betrieb sind oder bei denen temporäre Spitzenlasten auftreten, ein relativ großes und somit auch schweres Kühlsystem zu installieren ist, was besonders für den Luftfahrtbetrieb nachteilig ist. Ferner ist der Aufbau dieser Kühlsysteme aufgrund der Verwendung von Ventilatoren bzw. Pumpen und Ventilen fehleranfällig.
Es ist demnach eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Kühlvorrichtung bereitzustellen, die mit einem einfachen Aufbau in der Lage ist, zumindest kurzzeitig einen hohen Wärmestrom aufnehmen zu können, ohne einen großen Gewichtsnachteil mit sich zu bringen.
Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Die Kühlvorrichtung zur Kühlung elektronischer Bauteile, insbesondere von Flugzeugelektronik, umfasst einen mit zumindest einem elektronischen Bauteil in wärmeleitender Verbindung stehenden Energiespeicher, der vorzugsweise als abgeschlossenes Kammersystem ausgebildet ist. Der Energiespeicher kann zur Kühlung des elektronischen Bauteils mit diesem Bauteil direkt oder indirekt in Verbindung stehen oder kann zur Kühlung mehrerer elektronischer Bauteile mit diesen mehreren Bauteilen direkt oder indirekt in Verbindung stehen. Der Energiespeicher umfasst zumindest ein phasenwechselndes Material, vorzugsweise ein chemisches Wachs mit einem Schmelzpunkt im Bereich zwischen 70 und 80 Grad, das in mittelbarem oder unmittelbarem Kontakt mit dem oder den elektronischen Bauteilen stehen kann. Beim Betrieb des mindestens einen elektronischen Bauteils entsteht Wärme, beispielsweise als Verlustleistung des Bauteils, die zur Beeinträchtigung des Betriebs und Beschädigung des elektronischen Bauteils führen kann, so dass diese Wärme aufgenommen und abgeführt werden muss. Das phasenwechselnde Material ist dazu ausgebildet, durch Aufnahme der Abwärme des elektronischen Bauteils einen Phasenwechsel auszuführen, ohne sich dabei selbst merklich zu erwärmen. Mit anderen Worten ist das Material dazu ausgebildet, die Abwärme des elektronischen Bauteils aufzunehmen und bei zumindest nahezu konstanter Temperatur einen Phasenwechsel, wie zum Beispiel einen Wechsel des Aggregatszustands, zu durchlaufen, so dass die aufgenommene Energie zunächst lediglich einen Phasenwechsel und keine Erwärmung des Materials herbeiführt.
Die Wärmeaufnahmefähigkeit des Materials bei zumindest nahezu konstanter Temperatur beruht darauf, dass das Material bei Aufnahme von Energie einen Phasenwechsel durchlaufen kann und somit die von dem elektronischen Bauteil abgegebene Abwärme latent speichern kann. Beispielsweise kann bei einem Aggregatszustandswechsel von fest zu flüssig die von dem Material aufgenommene Energie zur Aufbrechung des Festkörpergitters dienen, ohne dass die Temperatur des Materials selbst merklich zunimmt.
Abhängig vom gewählten Material und der gewählten Masse des Materials kann unterschiedlich viel Energie aufgenommen werden, bis der Phasenwechsel abgeschlossen ist und die Temperatur des Materials ansteigt. Somit kann je nach dem zu kühlenden elektronischen Bauteil oder den zu kühlenden elektronischen Bauteilen ein unterschiedliches Material und/oder eine unterschiedliche Materialmasse gewählt werden, die dazu geeignet sind, zum Beispiel den maximalen Abwärmestrom oder die maximale Abwärme der elektronischen Bauteile aufzunehmen. Insbesondere kann das Phasenwechselmaterial so auf das zu kühlende Bauteil oder die zu kühlenden Bauteile abgestimmt werden, dass das Material dann einen Phasenwechsel ausführt, wenn die Temperatur des beispielsweise pro Zeiteinheit abgegebenen Abwärmestroms des Bauteils einen vorgegebenen Grenzwert überschreitet. Ist die Temperatur des Abwärmestroms hingegen nicht hoch genug, d. h. unterschreitet die Temperatur des Abwärmestroms den Grenzwert, wird das Phasenwechselmaterial vorzugsweise keinen Phasenwechsel ausführen und somit keine Abwärme des Bauteils aufnehmen und speichern. Das Phasenwechselmaterial kann also genau auf das jeweilige Bauteil abgestimmt werden, z. B. auf die zu erwartende Betriebsdauer des Bauteils oder die Art des Bauteils. Für Bauteile, bei denen schon eine geringe Erwärmung zu Beschädigungen des Bauteils oder Beeinträchtigungen des Bauteilbetriebs führen kann, können Phasenwechselmaterialien verwendet werden, welche schon bei geringeren Temperaturen einen Phasenwechsel ausführen. Für Bauteile, die im Dauerbetrieb eingesetzt werden, können z. B. Materialien mit einer hohen Energieaufnahmekapazität verwendet werden.
Der Energiespeicher ist vorzugsweise als ein abgeschlossenes Kammersystem ausgebildet. Der aufgenommene Energieeintrag ist dann in der Regel nicht während des Betriebs des elektronischen Bauteils und der Kühlvorrichtung abführbar. Somit sind das Material und die Kühlvorrichtung bevorzugt derart ausgebildet, dass das Material nach Aufnahme des Abwärmestroms, beispielsweise nach Aufnahme der bis zum Abschluss des Phasenwechsels maximal möglichen Abwärme, mittels Abgabe der aufgenommenen Energie in den Anfangszustand zurückgeführt werden kann. Das Phasenwechselmaterial kann zum Beispiel dadurch wieder regeneriert werden, indem es Energie an die Umgebung oder an ein Kühlmedium abgibt.
Der Energiespeicher umfasst ein oder mehrere phasenwechselnde Materialien, die zum Beispiel bezüglich ihrer Materialart oder ihrer Materialmasse auf bestimmte elektronische Bauteile oder Bauteilgruppen abgestimmt sind, wobei beispielsweise Gruppen der elektronischen Bauteile mit einem zugehörigen, auf sie abgestimmten phasenwechselnden Material oder Materialien in direktem oder indirektem Kontakt stehen können oder aber jedes der Bauteile mit seinem zugehörigen, auf das Bauteil abgestimmten phasenwechselnden Material in direktem oder indirektem Kontakt stehen kann.
Weiter kann der Energiespeicher mit einem Sekundärkühlsystem, beispielsweise einem Luft- oder Flüssigkeitskühlsystem, in Verbindung stehen. Zum Beispiel kann das Sekundärkühlsystem bei normalem Betrieb der elektronischen Bauteile bzw. bei Abgabe einer mittleren Verlustleistung zur permanenten Kühlung der elektronischen Bauteile eingesetzt werden und der Energiespeicher kann beispielsweise in ermittelten Zeitpunkten oder Zeitintervallen zusätzlich zu dem Kühlsystem oder anstelle des Kühlsystems eingesetzt werden, um eventuell auftretende Abwärmespitzen aufzunehmen und abzufangen. Folglich kann das Gewicht des Kühlsystems, welches zum Beispiel als Hauptkühlsystem für die elektronischen Bauteile dient, und damit auch das der Kühlvorrichtung im Vergleich zu herkömmlichen Kühlsystemen, wie z. B. den in den 1a und 1b gezeigten Kühlsystemen, reduziert werden, da es nicht auf maximal mögliche Verlustleistungen und Abwärmeströme, insbesondere auf Verlustleistungs- und Abwärmespitzen, ausgelegt sein muss. Unterschreitet die Temperatur des Abwärmestroms z. B. einen vorgegebenen Grenzwert, ab dem der Energiespeicher einen Phasenwechsel ausführt, wird die Abwärme nicht von dem Energiespeicher aufgenommen, sondern kann den Energiespeicher beispielsweise durchströmen ohne zu einem Phasenwechsel zu führen und wird von dem Sekundärkühlsystem abgeführt. Steigt die Temperatur der Abwärme auf oder über den Grenzwert, führt das Phasenwechselmaterial einen Phasenwechsel durch und speichert die Abwärme latent als Energie. Dadurch kann eine einfach zu realisierende Kombination bestehend aus dem Energiespeicher und dem Sekundärkühlsystem bereitgestellt werden. Mit einer solchen Anordnung können Verlustleistungsspitzen vom Energiespeicher aufgenommen werden und das normale Kühlsystem braucht nicht durch Erhöhung der Größe und Masse auf die maximale Verlustleistung ausgelegt zu werden. Dies führt zu einer Verringerung der Größe und Masse der Kühlvorrichtung im Vergleich mit herkömmlichen Kühlsystemen.
Alternativ kann der Energiespeicher zur Kühlung elektronischer Bauteile, die nur kurzzeitig in Betrieb sind und somit nur über kurze Zeitintervalle z. B. hohe Verlustleistungen erzeugen, ohne das Sekundärkühlsystem eingesetzt werden, was ebenfalls zu einem verringerten Gewicht der Kühlvorrichtung verglichen mit herkömmlichen Kühlsystemen führt.
Gemäß einer Ausführungsvariante kann eine Kombination aus Energiespeicher und Sekundärkühlsystem so ausgebildet sein, dass im normalen Betrieb des Bauteils der Energiespeicher die Abwärme aufnimmt und das Sekundärkühlsystem oder mehrere Sekundärkühlsysteme als Notkühlsystem fungieren. Beispielsweise kann, wenn zum Beispiel die Kühlvorrichtung den Energiespeicher und ein mit dem Energiespeicher verbundenes Kühlsystem, zum Beispiel ein Luft- oder Flüssigkeitskühlsystem, aufweist, die Kühlvorrichtung eine Aktivierungseinheit umfassen, die derart ausgestaltet ist, dass sie in Abhängigkeit von der Höhe der Abwärme der elektronischen Bauteile das Kühlsystem und/oder den Energiespeicher zur Kühlung der elektronischen Bauteile aktiviert. Bevorzugt kann in einem Grundzustand der Kühlvorrichtung, z. B. im Normalbetrieb, lediglich der Energiespeicher zur Kühlung der elektronischen Bauteile eingesetzt werden. Ist die Aufnahmekapazität des Energiespeichers dadurch erschöpft, dass eine maximale von dem Energiespeicher aufnehmbare Energiemenge aufgenommen wurde, so kann die Aktivierungseinheit eine bei weiterer Wärmezufuhr auftretende Erwärmung des Phasenwechselmaterials erkennen, und daraufhin als Notkühlsystem das Sekundärkühlsystem zusätzlich oder an Stelle des Energiespeichers zum Abführen der Abwärme mit dem elektronischen Bauteil in wärmeleitende Verbindung bringen.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsformen genauer beschrieben. Es zeigen:
1a einen schematischen Aufbau eines herkömmlichen Luftkühlsystems zur Kühlung eines elektronischen Bauteils;
1b einen schematischen Aufbau eines herkömmlichen Flüssigkeitskühlsystems zur Kühlung eines elektronischen Bauteils;
2a einen schematischen Aufbau von Kühlvorrichtungen gemäß einer ersten und zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
2b einen qualitativen Temperaturverlauf über der Zeit für das phasenwechselnde Material gemäß der ersten Ausführungsform aus 2a und für das elektronische Bauteil.
1a zeigt ein herkömmliches Luftkühlsystem für ein elektronisches Bauteil 10 mit einem Luftkühlkörper 12 zur Kühlung des elektronischen Bauteils 10. Bei der Luftkühlung des elektronischen Bauteils 10 ist das elektronische Bauteil 10 mit dem Luft kühlkörper 12 verbunden. Der Luftkühlkörper 12 wird von einem kalten, vorzugsweise vorgekühlten, Luftstrom 14 durchströmt, der Wärme aufnimmt und somit die beim Betrieb des elektronischen Bauteils 10 entstehende Wärme abführt.
1b zeigt ein herkömmliches Kühlsystem für ein elektronisches Bauteil 10 mit einer Flüssigkeitskühlplatte 16 zur Kühlung des elektronischen Bauteils 10. Bei der Flüssigkeitskühlung gemäß 1b wird das elektronische Bauteil 10 mit der Flüssigkeitskühlplatte 16 in Kontakt gebracht, die von einem Kühlflüssigkeitsstrom 18 durchströmt wird. Der Kühlflüssigkeitsstrom 18 kann die von dem elektronischen Bauteil 10 im Betrieb abgegebene Wärme aufnehmen und abtransportieren.
2a zeigt eine Kühlvorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit einer abgeschlossenen Energiespeicherkammer 20 zur Kühlung eines elektronischen Bauteils 10. Weiter zeigt 2a durch Hinzufügen der gestrichelt dargestellten Flüssigkeitskühlplatte 16 zu der Kühlvorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform eine Kühlvorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zur Kühlung eines elektronischen Bauteils 10 mit einer abgeschlossenen Energiespeicherkammer 20 und einer Flüssigkeitskühlplatte 16.
Gemäß der ersten Ausführungsform ist das elektronische Bauteil 10 mit der Energiespeicherkammer 20, welche ein phasenwechselndes Material enthält, direkt in Kontakt. Erwärmt sich das elektronische Bauteil 10 aufgrund von durch den Betrieb des elektronischen Bauteils auftretender Verlustleistung, kann die Energiespeicherkammer 20 die Abwärme des Bauteils aufnehmen, so dass das phasenwechselnde Material durch die aufgenommene Energie einen Phasenwechsel in eine andere Phase, zum Beispiel in einen anderen Aggregatszustand, ausführt. Die Aufnahme der Abwärme durch das phasenwechselnde Material führt zunächst zu keiner Temperaturerhöhung des Materials, da der Phasenwechsel bei zumindest nahezu konstanter Temperatur abläuft. Ist nach Aufnahme eines bestimmten Energieeintrags der Phasenwechsel des Materials abgeschlossen, so führt eine weitere Energiezufuhr zur Erwärmung des Materials und damit zu einer Temperaturzunahme. Das phasenwechselnde Material gemäß der ersten Ausführungsform ist auf das elektronische Bauteil 10 abgestimmt, d. h. das Material ist in seiner Materialart und Masse auf die Aufnahme der zu erwartenden maximalen Verlustleistung bzw. auf die maximal während der Betriebsdauer zu erwartende Verlustenergie des elektronischen Bauteils 10 ausgerichtet.
Gemäß der zweiten Ausführungsform weist die Kühlvorrichtung zusätzlich zu der Energiespeicherkammer 20 mit dem phasenwechselnden Material eine Flüssigkeitskühlplatte 16 auf, durch welche ein Flüssigkeitsstrom 18 zur Kühlung des elektronischen Bauteils 10 fließen kann. Die Flüssigkeitskühlplatte 16 kann, wie in 2a gezeigt, auf der gleichen Seite des Bauteils 10 wie die Energiespeicherkammer 20 in mittelbarem Kontakt mit dem Bauteil 10 angeordnet sein, oder kann auf der bezüglich der Energiespeicherkammer 20 anderen Seite des Bauteils 10 in unmittelbarem Kontakt mit dem Bauteil 10 angeordnet sein (nicht gezeigt). Gemäß der zweiten Ausführungsform wird im Normalbetrieb, insbesondere bei Abgabe üblicher durchschnittlicher Abwärme durch das elektronische Bauteil 10, nur die Flüssigkeitskühlplatte 16 zur Kühlung des elektronischen Bauteils 10 verwendet, indem die durch die Flüssigkeitskühlplatte 16 fließende Flüssigkeit 18 die von dem elektronischen Bauteil 10 abgegebene Wärme aufnimmt und abtransportiert. Die Flüssigkeitskühlplatte 16 ist bezüglich ihrer Wärmeabführfähigkeit auf den Normalbetrieb des elektronischen Bauteils 10 ausgelegt. Dies bedeutet, dass im Normalbetrieb des Bauteils 10 eine Abwärme erzeugt wird, deren Temperatur nicht dazu ausreicht, einen Phasenwechsel des phasenwechselnden Materials zu bewirken, da die Temperatur des Abwärmestroms einen Grenzwert unterschreitet, ab welchem das Material einen Phasenwechsel ausführt. Dadurch strömt die Abwärme durch die Energiespeicherkammer 20 ohne von dieser aufgenommen zu werden und kann von der Flüssigkeitsplatte auf bekannte Art und Weise abgeführt werden. Wird jedoch eine durch Verlustleistung des elektronischen Bauteils 10 hervorgerufene Abwärme erzeugt, deren Temperatur über dem Grenzwert liegt, so wird anstelle der Flüssigkeitskühlplatte 16 die Energiespeicherkammer 20 mit dem phasenwechselnden Material die durch die Verlustleistungsspitze entstanden Abwärme aufnehmen. Bei Unterschreiten des Grenzwerts wird die Energiespeicherkammer 20 die Abwärme nicht mehr aufnehmen und die Kühlvorrichtung läuft wieder im Normalbetrieb, in dem die Flüssigkeitskühlplatte 16 zur Kühlung des elektronischen Bauteils 10 dient.
2b veranschaulicht einen qualitativen Temperaturverlauf über der Zeit für das phasenwechselnde Material gemäß der in 2a gezeigten ersten Ausführungsform und für das elektronische Bauteil (power electronic). Es wird deutlich, dass bei starker Temperaturzunahme in dem elektronischen Bauteil, die Temperatur des phasenwechselnden Materials wesentlich weniger stark zunimmt und der von dem elektronischen Bauteil ausgehende Wärmestrom von dem phasenwechselnden Material aufgenommen werden kann, um einen Phasenwechsel zu vollziehen.

Claims

Kühlvorrichtung für elektronische Bauteile, insbesondere für Leistungselektronik in einem Flugzeug, umfassend einen mit zumindest einem zu kühlenden elektronischen Bauteil (10) in wärmeleitender Verbindung stehenden Energiespeicher in Gestalt eines Materials, das bei einer Aufnahme der Abwärme des zumindest einen elektronischen Bauteils (10) einen Phasenwechsel ausführt.
Kühlvorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Phasenwechselmaterial zur Aufnahme der Abwärme des elektronischen Bauteils einen Phasenwechsel ausführt, wenn die Temperatur des Abwärmestroms des elektronischen Bauteils (10) einen vorgegebenen Grenzwert überschreitet.
Kühlvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Energiespeicher als eine abgeschlossene Energiespeicherkammer (20) ausgebildet ist.
Kühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das elektronische Bauteil (10) in mittelbarem oder unmittelbarem Kontakt mit dem Phasenwechselmaterial steht.
Kühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der vom Phasenwechselmaterial ausgeführte Phasenwechsel reversibel ist.
Kühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Energiespeicher mit einem Sekundärkühlsystem (16) in wärmeleitender Verbindung steht.
Kühlvorrichtung nach Anspruch 6, wobei das Sekundärkühlsystem (16) als Luftkühlsystem oder Flüssigkeitskühlsystem ausgebildet ist.
Kühlvorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, wobei das Phasenwechselmaterial die Abwärme des elektronischen Bauteils (10) aufnimmt, wenn die Temperatur des Abwärmestroms des elektronischen Bauteils (10) einen Grenzwert überschreitet, und das Sekundärsystem (16) die Abwärme des elektronischen Bauteils (10) aufnimmt, wenn die Temperatur des Abwärmestroms des elektronischen Bauteils (10) den Grenzwert nicht überschreitet.
Kühlvorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, ferner umfassend eine Aktivierungseinheit, die in Abhängigkeit der Menge der vom elektronischen Bauteil (10) erzeugten Abwärme und/oder der Temperatur des vom elektronischen Bauteil (10) erzeugten Abwärmestroms das Sekundärkühlsystem und/oder den Energiespeicher zu aktivieren vermag.
Kühlvorrichtung nach Anspruch 9, wobei die Aktivierungseinheit dazu ausgestaltet ist, den Energiespeicher zu aktivieren, wenn die Abwärme bzw. die Temperatur des Abwärmestroms einen vorgegebenen Grenzwert überschreitet.
Kühlvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Phasenwechselmaterial mehrere Materialien umfasst, die einen Phasenwechsel bei jeweils unterschiedlicher Temperatur ausführen.