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Die
vorliegende Anmeldung betrifft eine Kühleinrichtung zur Abführung von
Wärmenergie.
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Eine
verbreitete Form einer Kühlung
von Gegenständen
bzw. Geräten
ist eine Wärmeableitung durch
Montage des zumindest einen Gegenstandes bzw. des zumindest einen
Gerätes,
welches zu kühlen
ist, auf eine kühlere
Fläche,
welche auch als Coldplate bezeichnet wird. Die Coldplate dient als eine
Kühleinrichtung.
Die Kühleinrichtung
ist insbesondere ein einteiliger oder auch mehrteiliger Kühlkörper, wobei
die Fläche
entweder zumindest abschnittsweise eine Ebene ist oder auch geschwungen,
gebogen oder auch in einer anderen Ausgestaltung ausgeführt sein
kann.
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Eine
Aufgabe der Erfindung ist es, die Kühleigenschaft einer Kühleinrichtung
zu verbessern.
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Eine
Lösung
dieser Aufgabe gelingt beispielsweise mittels einer Kühleinrichtung
nach zumindest einem der Ansprüche
1 bis 9.
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Eine
weitere Aufgabe ist es, die Kühlung
eines Stromrichters zu verbessern. Eine Lösung dieser Aufgabe gelingt
beispielsweise mittels eines Stromrichters nach zumindest einem
der Ansprüche
10 bis 14.
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Eine
Differenz aus einer Wärmeabgabe
eines oder mehrerer Geräte
an eine oder mehrere Platten (hierbei ist eine Platte eine Kühlplatte,
wobei diese auch im deutschen Sprachraum als coldplate bezeichnet
wird) und der an die von der einen oder den mehreren Platten an
die Umgebung, oder auch an ein weiteres Kühlsystem (z. B. eine Flüssigkeitskühleinrichtung)
abgegebenen Wärmeenergie,
kann die Dimension dieser zumindest einen coldplate bzw. der Coldplates
bestimmen. Die Coldplate kann als Kühleinrichtung beispielsweise
von einer Flüssigkeit durchströmt sein.
Die Flüssigkeit
kann vorteilhaft zur Ableitung von Wärmeenergie herangezogen werden.
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Eine
weitere Aufgabe der Erfindung kann es beispielsweise auch sein,
die Kühlfunktionalität einer Coldplate
zu verbessern. Um eine Überhitzung
eines Gerätes
zu verhindern, reicht es oftmals nicht aus, die zu erwartende thermische
Gleichgewichtstemperatur der Platte als Bemessungsgrundlage zu wählen. Vielmehr
sind Werkstoff- und Geometriedetails der Coldplate z. B. an Spitzenwerten
für die
Kühlleistung
zu orientieren, auch wenn das Maximum der auftretenden Wärmeströme nur für sehr kurze
Zeit ansteht. Die Folge sind Mehraufwendungen in Form von erhöhtem Materialeinsatz
oder Zusatzaufwendungen für
den Abtransport der Energie aus einem System. Das System ist beispielsweise
das zu kühlende
Gerät bzw.
allgemein der zu kühlende
Gegenstand. Beispiele für
zu kühlende
Geräte
sind Stromrichter (Gleichrichter, Wechselrichter, Netzteile, ...), Computerchips
wie CPU's (Central
Processing Units), Elektromotoren, Leistungshalbleiter wie z. B. IGBT's, usw.
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Eine
Dimensionierung der Coldplate kann in einem iterativen Prozess erfolgen,
der von einer Vielzahl physikalischer Größen beeinflusst wird. Einflussgrößen sind
z. B. Umgebungstemperatur, eine Strömungsgeschwindigkeit von Luft,
eine Strömungsgeschwindigkeit
einer Kühlflüssigkeit,
Lastkurven, ein zeitlicher Verlauf einer anfallende Wärmemenge
pro Fläche,
Materialkonstanten, Fertigungskosten, usw. Dieser n-dimensionale Lösungsraum lässt keinen
uniformen Lösungsansatz
zur Dimensionierung zu. Sinnvoll ist ein gestaffeltes Vorgehen mit folgenden
beispielhaften Lösungsansätzen:
- • Lösung bei
der eine freie Wärmekonvektion
ausreicht;
- • Lösung mit
Lüftern
bzw. mit zusätzlichen
Kühlgeräten;
- • Lösung mit
kleinst möglicher
Coldplate;
- • Lösung mit
veränderter
Coldplate beispielsweise bezüglich
deren Größe und/oder
Oberfläche;
und
- • Lösung mit
Kühlmitteldurchflossener
Coldplate, wobei das Kühlmittel
insbesondere wasserbasiert ist.
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Eine
Vergrößerung des
Plattenvolumens (Coldplatevolumens) durch die Auslegung auf eine Spitzenlast
bewirkt ein erhöhtes
Wärmespeichervermögen, wobei
allerdings der erhöhte
Materialanteil stark kostenrelevant sein kann. Kommen monolytische
Platten an die Grenzen der abführbaren
Wärmeenergiemenge,
ist ein Umstieg auf eine kostenintensivere flüssigkeitsgekühlte Platte
angebracht.
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Vorteilhaft
ist die Kühleinrichtung
derart ausbildbar, dass diese ein erstes Element, welches ein erstes
Material aufweist und ein zweites Element, welches ein zweites Material
aufweist, aufweist, wobei das zweite Material ein höheres Wärmespeichervermögen aufweist,
als das erste Material. Dies führt zur
Ausbildung einer materialhybriden Kühleinrichtung. Der Einsatz
von Materialhybriden mit unterschiedlichen thermodynamischen Eigenschaften kann
für zyklische
Belastungsfälle
mit kurzzeitigen hohen Spitzenwerten die Bemessungsgrundlage der Kühleinrichtung
und somit auch der Coldplate (Platte), welche eine Kühleinrichtung
ist, reduzieren.
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In
einer Ausführungsform
weist das erste Element einen Einschnitt auf, wobei das zweite Element
im Bereich des Einschnitts angeordnet ist. Es ist also möglich in
einem Coldplate-Grundkörper, welcher
das erste Element darstellt an einem von Überhitzung gefährdeten
Punkt/Bereich (hotspot) eine Vertiefung vorzusehen, und dort ein
zweites Material mit einem höheren
Wärmespeichervermögen als
dem des ersten Materials zu positionieren. Dies ist unter Umständen vergleichbar
mit einem Inlay oder einer Intarsie. Für einen endlichen Zeitraum kann
so im Fall einer thermischen Spitzenbelastung schnell deutlich mehr
Wärmeenergie
gespeichert werden, die dann im Zyklusverlauf an einen Basiskörper weitergegeben
wird. Der Basiskörper
entspricht dabei dem ersten Element also dem Coldplate-Grundkörper. Das
zweite Element weist dabei das zweite Material auf.
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In
einer weiteren Variante der Ausgestaltung der Kühleinrichtung weist das zweite
Material (also das zweite Element) einen Stoff auf, welcher für einen
Phasenwechsel während
des Betriebes der Kühleinrichtung
vorgesehen ist. Der Einsatz eines insbesondere speziell abgestimmten ”Phasen
Wechsel Materials” (abgekürzt: PCM)
scheint im Falle von zyklisch oder unregelmäßig auftretender Erwärmung besonders
geeignet. Mit dem Wechsel des Aggregatzustandes des PCM in einem
kritischen Temperaturpunkt wird für kurze Zeit die gesamte oder
zumindest ein großer
Teil der Verlustenergie (Wärmeenergie)
einer Lastspitze ”abgesaugt” und allmählich an
das erste Element bis zum entgegengesetzten Phasenwechsel abgegeben.
Das erste Element weist als erstes Material beispielsweise Eisen
oder auch eine Eisenlegierung auf.
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In
einer weiteren Ausführungsform
ist die Kühleinrichtung
an einer Wärmequelle
angebracht, bzw. mit dieser wärmeleitend
verbunden, wobei die Wärmequelle
im Kontaktbereich zwischen der Wärmequelle
und der Kühleinrichtung
einen Heißpunktbereich
aufweist, wobei beim Heißpunktbereich
mehr Material des zweiten Elementes als Material vom ersten Element
vorhanden ist. Beispiele für
Wärmequellen
sind eine Elektronikbaugruppe, eine Wicklung, ein Leistungshalbleiter,
ein Mikroprozessor. Der Heißpunktbereich
ist dann beispielsweise der Bereich, an dem der Leistungshalbleiter
seine Verlustenergie über
Wärme abgibt.
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In
einer weiteren Ausführungsform
ist das zweite Element vom ersten Element vollständig umschlossen. Damit kann
z. B. erreicht werden, dass sich der Phasenzustand des zweiten Elementes ganz
verändern
kann und das unter Umständen
flüssige
zweite Element nicht ausläuft,
da es vom ersten Element umschlossen ist.
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In
einer weiteren Ausführungsform
weist die Kühleinrichtung
ein drittes Element auf, wobei das zweite Element in das dritte
Element integriert ist, wobei das dritte Element in das erste Element
integriert ist. Somit kann die Kühleinrichtung
flexibler an die Kühlanforderungen
angepasst werden. Alle drei Elemente können unterschiedliche Wärmespeichereigenschaften
aufweisen. Die Anzahl der unterschiedlichen Elemente für eine Kühleinrichtung
ist nicht auf 2 oder 3 beschränkt.
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Der
Stoff (das Material), welcher für
den Phasenübergang
vorgesehen ist, kann beispielsweise einen Wachsanteil, Bleianteil
und/oder einen Aluminiumanteil aufweisen. Ein derartiger Stoff,
also ein derartiges Material weist einen gegenüber dem Material des ersten
Elementes niedrigeren Schmelzpunkt auf.
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Eine
Kühleinrichtung
mit zumindest einem oder mehreren der obig beschriebenen Merkmale kann
vorteilhaft bei verschiedenen Geräten der Automatisierungstechnik
eingesetzt werden. Steuerungs- und/oder Regelungsgeräte sind
Einsatzbeispiele. Auch bei einem Stromrichter, wie einem Wechselrichter,
einem Gleichrichter, oder einem Umrichter, kommen Kühleinrichtungen
zum Einsatz. Im Folgenden wird dies näher beschrieben, wobei auch
die allgemeine Ausgestaltung der Kühleinrichtung ohne ein spezielles
Einsatzgebiet gleichzeitig weiter erläutert wird.
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Die
Kühleinrichtung
für ein
Gerät wie
z. B. einen Stromrichter, weist wie bereits beschrieben ein erstes
Element aus einem ersten Material und ein zweites Element aus einem
zweiten Material auf, wobei das zweite Material ein höheres Wärmespeichervermögen aufweist,
als das erste Material. Dabei können
die Materialien ein chemisches Element oder auch ein Vielzahl chemischer
Elemente aufweisen. Vorteilhaft weist das zweite Material einen
Stoff auf, der für
einen Phasenwechsel während
des Betriebes des Stromrichters vorgesehen ist. Der Einsatz eines PCM-Materials
bei einer Coldplate hat den Vorteil einer schnellen Aufnahme großer Wärmemengen,
was die Aufwendungen bezüglich
Material und Design für eine
Coldplate bzw. einen Coldplate Grundkörper reduziert.
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Die
Kühleinrichtung
kann ferner einen Tragkörper
für Kühlrippen
und/oder Kühlrippen
aufweisen, wobei die Kühlrippen
vorteilhaft das erste Material aufweisen und wobei der Tragkörper das
zweite Material aufweist. Die Kühlwirkung
der Kühleinrichtung
kann zusätzlich
dadurch verstärkt
werden, dass diese für
eine Flüssigkeitskühlung vorgesehen
ist. Hierfür
ist ein Anschluss für
ein flüssiges
Kühlmittel vorgesehen.
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Der
Stromrichter, weist zur Stromrichtung zumindest einen, in der Regel
jedoch eine Vielzahl von Leistungshalbleitern auf. Die Leistungshalbleiter
können
mittels einer Wärmeleitpaste
wärmeleitend
mit der Kühleinrichtung
in einen wärmeleitenden
Kontakt gebracht werden, wobei im Bereich der Wärmeleitpaste ein Hotspotbereich
im Betrieb des Stromrichters ist und an dem Hotspotbereich vorteilhaft
das zweite Element unmittelbar oder mittelbar angrenzt. Der Stoff
mit der PCM-Eigenschaft ist im zweiten Element. Das zweite Element
dient dann dem schnellen Abtransport der Wärmeenergie vom Leistungshalbleiter
weg. Eine verbesserte Abfuhr von Wärmeenergie vom Leistungshalbleiter
weg, erhöht
die Lebensdauer des Leistungshalbleiters.
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Nachfolgend
wird eine Kühleinrichtung
bzw. ein Stromrichter anhand von Figuren beispielhaft näher erläutert. Dabei
zeigen:
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1 eine
erste Ausführungsform
einer Kühleinrichtung,
welche ein erstes und zweites Element aufweist;
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2 eine
weitere Ausführungsform
der Kühleinrichtung,
welche ein erstes, zweites und drittes Element aufweist;
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3 eine
weitere Ausführungsform
der Kühleinrichtung,
welche mehrere Heißpunktbereiche aufweist;
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4 eine
weitere Ausführungsform
der Kühleinrichtung,
welche Kühlrippen
aufweist;
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5 eine
weitere Ausführungsform
der Kühleinrichtung,
welche einen Anschluss für
eine Flüssigkeitskühlung aufweist;
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6 eine
Kühleinrichtung,
welche eine Kombination aus Flüssigkeitskühlung und
Konvektionskühlung
aufweist; und
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7 eine
Kühleinrichtung,
welche den Einsatz einer Wärmeleitpaste
zeigt.
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Die
Darstellung gemäß 1 zeigt
eine Anordnung, welche eine Kühleinrichtung 1 und
eine Wärmequelle 5 aufweist.
Die Kühleinrichtung 1 ist
mit der Wärmequelle 5 in
einer wärmeleitenden
Verbindung. Bei einer derartigen Verbindung liegt beispielsweise
eine Fläche
der Wärmequelle 5 an
einer Fläche
der Kühleinrichtung 1 an.
Zur Kühlung
der Wärmequelle 5 ist
dann die Kühleinrichtung 1 vorgesehen,
welche an die Wärmequelle 5 beispielsweise angeschraubt,
angenietet, angeschweißt
oder auch angeklemmt ist. Die Kühleinrichtung 1 weist
ein erstes Element 2 und ein zweites Element 3 auf.
Das zweite Element 3 ist in einem Einschnitt 4 im
ersten Element 2 angebracht. Sowohl das erste Element 2 wie
auch das zweite Element 3 schließen an die Wärmequelle 5 an.
Der Begriff Einschnitt ist auch im Sinne einer Vertiefung, einer
Spalte, eines Loches oder dergleichen zu verstehen, wobei der Begriff
Einschnitt keine Aussage darüber
geben soll wie dieser hergestellt wurde. Die Herstellung kann beispielsweise
durch einen Fräsvorgang,
durch eine Form bei einem Gießvorgang
oder durch andere Maßnahmen hergestellt
werden. Das zweite Element 3 weist ein Material auf, was
mehr Wärmeenergie
speichern kann, als ein Material des ersten Elementes 2.
Das zweite Element 3 weist in einer Ausgestaltung ein PCM
(Phase Change Material/Phasenwechselmaterial) auf. Damit kann das
zweite Element 3 pro Volumeneinheit eine größere Energie
speichern, als das erste Element 2, welches ein anderes
Material als das des zweiten Elementes 3 aufweist.
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Die
Darstellung gemäß 2 zeigt
eine Kühleinrichtung 1,
welche ein erstes Element 2 und ein zweites Element 3 aufweist.
Die Wärmequelle 5 ist von
dem zweiten Element 3 umschlossen. Die Wärmequelle 5 kann
sich also z. B. in einem Loch im zweiten Element 3 befinden.
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Die
Darstellung gemäß 3 zeigt
einen Stromrichter 8, welcher eine Kühleinrichtung 1 und eine
Wärmequelle 5 aufweist.
Die Wärmequelle 5 weist
Heißpunktbereiche 6 auf.
Die Heißpunktbereiche 6 werden
durch Leistungshalbleiter 13 verursacht. An die Leistungshalbleiter 13 schließt sich
das zweite Element 3 der Kühleinrichtung 1 an.
Der Kühleinrichtung 1 weist
auch hier wiederum das erste Element 2, sowie das zweite
Element 3 auf.
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Die
Darstellung gemäß 4 zeigt
eine Kühleinrichtung 1,
welche das erste Element 2 ein drittes Element 7 sowie
das zweite Element 3 aufweist. Das zweite Element 3 ist
vom dritten Element 7 zumindest in dieser Ansicht umgeben.
Die Wärmequelle 5 wird gebildet
von einem Leistungshalbleiter 13, sowie von Elektronikbauteilen 16.
Der Leistungshalbleiter 13 bildet einen Heißpunktbereich,
wobei dem Heißpunktbereich 6 das
zweite Element 3 der Kühleinrichtung 1 gegenüber liegt.
Die Dicke des Materials des ersten Elements 2 sowie die
Dicke des Materials des dritten Elements 7, welches zwischen
den Leistungshalbleiter 13 und dem zweiten Element 3 liegt,
ist kleiner als die Dicke des zweiten Elements 3, so dass durch
das zweite Element 3 verstärkt eine Aufnahme von Wärmeenergie
zum Ausgleichen von Wärmespitzen
erfolgen kann. Kühlrippen 10 tragen
neben der Coldplate 9, welche auch als Tragkörper für die Kühlrippen 10 dient,
zusätzlich
zur Kühlung
bei.
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Die
Darstellung gemäß 5 zeigt
eine Wärmequelle 5,
sowie eine Kühleinrichtung 1,
welche als zusätzliches
Kühlungsmittel
Kühlkanäle 17 aufweist.
Die Kühlkanäle 17 sind über einen
Anschluss 11 mit Kühlflüssigkeit 12 beschickbar.
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Die
Darstellung gemäß 6 zeigt
eine Kombination von Konvektionskühlung mittels Kühlrippen 10 und
einer Flüssigkeitskühlung mittels
integrierter Kühlkanäle 17.
Die Kühleinrichtung
weist wiederum ein erstes Element 2 (mit einem ersten Material),
ein drittes Element 7 (mit einem dritten Material) sowie
ein zweites Element 3 (mit einem zweiten Material) auf,
wobei die Kühlkanäle 17 im
dritten Material vorliegen und zwischen den zweiten Material 3 und
der Wärmequelle 5 lediglich
das erste Material 2
vorliegt. Um einen guten Wärmeübergang
zwischen dem Kühleinrichtung
und der Wärmequelle
zu gewährleisten,
wird vorteilhafter Weise eine Wärmeleitpaste
verwendet. Im zweiten Material 3 ist mit kleinen Punkten 15 symbolisch
angedeutet, dass sich in diesem zweiten Material Körper befinden,
welche für
einen Phasenwechsel vorgesehen sind (Phasen Wechsel Material: PCM).
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Die
Darstellung gemäß 7 zeigt
die Verwendung einer Wärmeleitpaste 14,
welche zwischen den Leistungshalbleiter 13 und dem zweiten
Element 3 der Kühleinrichtung 1 vorliegt.
