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Die Erfindung betrifft ein Kühlsystem für mindestens ein elektronisches Bauteil nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
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Stand der Technik
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Eine von elektronischen Bauteilen, beispielsweise von Mikroprozessoren in Computern, erzeugte Wärmemenge kann zu einer Fehlfunktion des Bauteils führen bzw. kann die Lebensdauer des Bauteils wesentlich verringern, wenn diese nicht abgeführt wird.
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Üblicherweise werden hierzu Kühlsysteme zur Kühlung von elektronischen Bauteilen in einer Vielzahl unterschiedlicher Ausführungsformen benutzt.
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Zur Ableitung entstehender Wärme von elektronischen Bauteilen haben sich Kühlanordnungen bewährt, in welchen zum Beispiel die Wärmemenge vom elektronischen Bauelement an ein Wärmetransportfluid abgeleitet wird. Das Fluid wird über ein Leitungssystem zu einem Wärmetauscher weitergeleitet. Im Fall einer aktiven Kühlung ist ein mit dem Wärmetauscher in Kontakt stehendes Peltierelement vorgesehen. Peltierelemente erzeugen aufgrund eines elektrischen Stromdurchflusses eine warme und eine kalte Kontaktfläche, wobei der Wärmetauscher zur Wärmeableitung mit der kalten Kontaktfläche des Peltierelements in Kontakt stehen muss. Aufgrund der hier nicht näher erläuterten Eigenschaft eines Peltierelements ist diese jedoch nur in der Lage, eine bestimmte Temperaturdifferenz zwischen warmer und kalter Kontaktfläche bereitzustellen. Die Wärmesenke eines Peltierelements ist dadurch stark beschränkt. Mit derartigen Kühlanordnungen können lediglich kleinere Wärmemengen von elektronischen Bauteilen abgeführt werden.
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Eine weitere Ausführungsform einer Kühlanordnung zeigt die Druckschrift
DE 39 37 017 A1 , die einen Peltier-Kühlblock zum Wärmetransport zum und/oder von einem Peltierelement umfasst, wobei die Wärme über einen Wärmetauscher an eine verdampfende Flüssigkeit in einem geschlossenen Kreislauf und/oder durch kondensierende Flüssigkeit in einem weiteren geschlossenen Kreislauf überträgt. Der Wärmeübergang erfolgt nach dem Prinzip eines Wärmerohrs bzw. eines Thermosiphons, in welchem der kondensierende Dampf mittels Partialdruckgefälle und die verdampfende Flüssigkeit mittels Schwerkraft zirkulieren. Die vorbenannte Kühlanordnung führt einen Wärmetransport in der Art einer „Wärmepumpe” aus.
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Eine entsprechende Anordnung nach dem Stand der Technik benötigt jedoch viel Platz und kann nicht einfach in das nähere Umfeld von zu kühlenden elektronischen Bauteilen gebracht werden.
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Zusätzlich ist eine Verwendung des gesamten Kühlsystems nur in einer bestimmten Orientierung möglich, da eine Zirkulation der Flüssigkeit in den geschlossenen Kreisläufen durch die Schwerkraft erzielt wird.
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Aus diesem Grunde hat sich die Erfindung die Aufgabe gestellt, ein Kühlsystem zur Ableitung von Wärme von elektronischen Bauteilen weiter zu verbessern und insbesondere kompakter auszugestalten.
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Ausgehend von dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 wird die erfindungsgemäße Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.
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Vorteilhafte Erweiterungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
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Offenbarung der Erfindung
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Die Erfindung geht von einem Kühlsystem für mindestens ein elektronisches Bauteil, umfassend eine erste Kühlanordnung zum Abtransport von Wärme von dem elektronischen Bauteil, wobei die abtransportierte Wärme zu einer ersten Kontaktfläche eines Peltierelements geführt wird und diese Kontaktfläche im Betrieb des Peltierelements gekühlt ist, und eine zweite Kühlanordnung zur Kühlung einer zweiten Kontaktfläche des Peltierelements, wobei sich die zweite Kontaktfläche des Peltierelements im Betrieb des Peltierelements erwärmt, aus.
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Erfindungsgemäß ist das Kühlsystem dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlanordnung an der zweiten Kontaktfläche des Peltierelements als isothermer Verdampfungskühler mit Kühlrippen zur Ableitung von Wärmeenergie an die Umgebung ausgebildet ist, wobei die Kühlrippen in einem innenliegenden Hohlraum einen Verdampfungsabschnitt und einen Gasabschnitt umfassen.
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Der isotherme Verdampfungskühler führt die vom Peltierelement aufgenommene Wärmeenergie über die Kühlrippen durch Verdampfen und Kondensieren eines Fluids in die Umgebungsluft ab. Die Verdampfung eines Fluids findet bei konstanter Temperatur statt, da die sogenannte latente Wärme zur Änderung des Aggregatzustandes benötigt wird. An diesem isothermen Punkt, dem Siedepunkt des Fluids findet somit keine weitere Erwärmung statt. Dadurch wird eine konstante Temperaturdifferenz zwischen den beiden Kontaktflächen des Peltierelements, und somit eine konstante Kühlleistung an der kalten Kontaktfläche ermöglicht, da als Wärmesenke der Verdampfungsprozess des Fluids an der warmen Kontaktfläche zur Verfügung steht.
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Der in den Kühlrippen innenliegende Hohlraum weist einen Verdampfungsabschnitt und einen oberhalb liegenden Gasabschnitt auf, in welchen der Phasenwechsel des Wärmetransportfluids ausgeführt wird. Die an der Kontaktfläche erzeugte Gasphase des Fluids steigt aufgrund ihrer geringeren Dichte auf, und tritt in den Gasabschnitt des Hohlraums ein, der im Wesentlichen im Innenraum von Kühlrippen liegt. Die Kühlrippen ihrerseits kühlen den Dampf jedoch wieder unter die Siedetemperatur ab, so dass eine Kondensation des Fluids erfolgt. Dies hat den Vorteil, dass der Phasenwechsel in den Kühlrippen in einem kontinuierlichen Kreislauf durchgeführt wird, über welchen eine große Wärmemenge über die Materialoberfläche der Kühlrippen abgeführt werden kann. Darüber hinaus kann der Verdampfungskühler trotz Ableitung großer Wärmemengen mit geringen Außenabmessungen als geschlossenes System ausgeführt werden.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Kühlanordnung ein geschlossenes Fluidvolumen bildet. Der isotherme Verdampfer umfasst ein Gehäuse mit einem definierten Innenvolumen, welches ein geschlossenes Kühlsystem bildet, wenn das kondensierte Fluid zurück zur warmen Kontaktfläche tropft bzw. fließt. Dadurch kann ein Phasenwechsel des Wärmetransportfluids mehrfach wechselnd hintereinander ausgeführt werden, wobei kein Wärmetransportfluid entweichen kann. Das Kühlsystem ist dadurch wartungsfreundlich und für schwer zugängliche Positionen einsetzbar.
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In einer zweckmäßigen Weiterbildung des erfindungsgemäßen Kühlsystems ist dieses dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Kühlanordnung einen Grundkörper umfasst, der oberhalb einer ebenen Grundfläche einen Flüssigkeitsabschnitt aufweist. Die Außenoberfläche des Grundkörpers ist mit der warmen Seite des Peltierelements verbunden, und stellt einen guten Wärmeübergang dar. Die Innenoberfläche des Grundkörpers ist als ebene Grundfläche zur großflächigen Anordnung eines Wärmetransportfluids in einem Flüssigkeitsabschnitt, vorzugsweise als ebene Wanne mit Seitenwänden ausgebildet.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Flüssigkeitsabschnitt in Kontakt mit der ebenen Grundfläche im Grundkörper steht, der Gasabschnitt sich in dem innenliegenden Hohlraum der Kühlrippen befindet und der Verdampfungsabschnitt zwischen Gasabschnitt und Flüssigkeitsabschnitt gebildet ist. Dies hat den Vorteil, dass ausgehend von der ebenen Grundfläche im Grundkörper ein großflächiger Wärmeübergang vom Flüssigkeitsabschnitt über den Verdampfungsabschnitt in den Gasabschnitt erfolgt, wobei in dem Gasabschnitt ein großflächiger Wärmeübergang an die Kühlrippen ermöglicht ist.
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In einer über dies bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die ebene Grundfläche eine Kapillarstruktur trägt. Auf der ebenen Grundfläche im Grundkörper ist im Flüssigkeitsabschnitt eine Kapillarstruktur angeordnet, die beispielsweise aus einem schwammartigen oder aus einem netzförmigen Material gebildet ist. Die Kapillarstruktur erzeugt aufgrund ihrer Kapillarwirkung eine gleichmäßige Verteilung des Wärmetransportfluids im Flüssigkeitsabschnitt des Grundkörpers, auch wenn dieser aus seiner waagerechten Lage gekippt wird. Dadurch ist eine Anordnung des Kühlsystems in Kipplage möglich, beispielsweise in einer um 30° geneigten Anordnung zur Horizontalen.
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In einer zweckmäßigen Weiterbildung des erfindungsgemäßen Kühlsystems ist dieses dadurch gekennzeichnet, dass in einem vom Peltierelement entfernten Bereich eines Innenhohlraums der zweiten Kühlanordnung eine Kondensationsfläche bzw. ein Kondensationsvolumen für das Wärmetransportfluid vorgesehen ist. An der Kondensationsfläche kondensiert das dampfförmige Wärmetransportfluid aufgrund abgeleiteter Wärmeenergie über die Kühlrippen zurück in die Flüssigphase. Das wieder verflüssigte Wärmetransportfluid fällt aufgrund der Schwerkraft in den Flüssigkeitsabschnitt des Wärmetransportfluids. Dadurch wird innerhalb des Verdampfungskühlers ein Kreisprozess mit Phasenwechsel des Wärmetransportfluids gebildet. Die Effizienz der Kondensationsfläche kann durch geeignete Materialwahl oder Oberflächenstruktur optimiert werden.
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In einer überdies zweckmäßigen Weiterbildung des erfindungsgemäßen Kühlsystems ist dieses dadurch gekennzeichnet, dass ein oder mehrere Kühlsysteme für einen und/oder mehrere Kühlkreisläufe vorgesehen sind. Beispielsweise kann ein einzelnes Kühlsystem zur Ableitung der Wärmeenergie von mehreren elektronischen Bauteilen verwendet werden. Das Kühlsystem ist hierzu über entsprechende Wärmeleitungssysteme mit den elektronischen Bauteilen verbunden und weist zentral ein oder mehrere Peltierelemente auf, welche über eine oder mehrere erfindungsgemäße isotherme Verdampfungswärmesenken verfügen. Dadurch kann eine Wärmeableitung mehrerer Bauteile auf engstem Raum ausgeführt werden.
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Weitere Merkmale der Erfindung gehen aus der nachfolgenden Figurenbeschreibung des Ausführungsbeispiels und den Zeichnungen hervor.
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Dabei zeigen:
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1: eine schematische Darstellung eines isothermen Kühlsystems – teilweise im Schnitt;
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2: eine schematische Darstellung eines isothermen Kühlsystems zur Kühlung von mehreren elektronischen Bauteilen.
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In 1 ist eine schematische Darstellung eines isothermen Kühlsystems gezeigt, wobei das Kühlsystem 1 zur verbesserten Übersicht in eine erste Kühlanordnung 18 und eine zweite Kühlanordnung 19 unterteilt ist.
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Die erste Kühlanordnung 18 umfasst einen Wärmetauscher 2 zum Transport einer Wärmemenge mittels eines Wärmetransportfluids. Ein Leitungssystem 5 zum Transport des Wärmetransportfluids zwischen einem elektronischen Bauteil 4 und dem Wärmetauscher 2, sowie eine Pumpe 3 zur Zirkulation des Wärmetransportfluids funktionieren als Wärmepumpe. Der Wärmetauscher 2 ist über eine erste Kontaktfläche 20 mit mindestens einem Peltierelement 7 flächig verbunden. Die erste Kontaktfläche 20 des Peltierelements 7 ist aufgrund eines elektrischen Stromflusses als kalte Kontaktfläche zu betrachten. Es erfolgt ein Wärmeübertrag der vom elektronischen Bauteil 4 aufgenommenen Wärmemenge im Wärmetransportfluid über den Wärmetauscher 2 an die erste Kontaktfläche 20 des Peltierelements 7. Das gekühlte Wärmetransportfluid wird mittels der Pumpe 3 wieder zum elektronischen Bauteil geführt und bildet somit ein geschlossenes Kühlsystem. Eine Steuerungselektronik 6 steuert die Pumpe 3 und das Peltierelement 7.
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Die zweite Kühlanordnung 19 umfasst einen isothermen Verdampfungskühler 9, welcher mit seiner unteren Außenfläche eines Grundkörpers 10 über eine zweite Kontaktfläche 21 mit dem Peltierelement 7 verbunden ist. Um eine ausreichende Kühlleistung für die erste Kontaktfläche 20 bereitzustellen, muss bei gegebenem elektrischen Stromfluss die Temperatur der zweiten Kontaktfläche 21 stabilisiert werden. Die Wärmemenge auf der zweiten Kontaktfläche des Peltierelements 7 wird zur Erhaltung einer konstanten Temperaturdifferenz zwischen der kalten Kontaktfläche 20 und der warmen Kontaktfläche 21 über den Verdampfungskühler 9 abgeführt.
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Die zweite Kühlanordnung 19 führt die Wärmemenge der warmen Kontaktfläche an der zweiten Kontaktfläche 21 des Peltierelements 7 in die umgebende Luft ab. Der Verdampfungskühler 9 der zweiten Kühlanordnung 19 ist mit einem Fluid befüllt, welches vorzugsweise einen Siedepunkt im Bereich der erwünschten Stabilisierungstemperatur aufweist. Die Ableitung der vom Grundkörper 10 aufgenommenen Wärmemenge im Verdampfungskühler 9 erfolgt über einen Phasenwechsel des Fluids von der Flüssigphase in die Gasphase. Die durch den Siedevorgang aufgenommene latente Wärme wird, nachdem das gasförmige Fluid aufgrund seiner geringen Dichte aufgestiegen ist, durch Kondensationswärme an die Umgebung abgegeben. Für einen optimierten Phasenwechsel des Fluids umfasst der Verdampfungskühler 9 auf seiner nach oben gerichteten Oberfläche Kühlrippen 13, die in ihrem Inneren mit einem Hohlraum versehen sind. Die Kühlrippen 13 sind mit einem Grundkörper 10 des Verdampfungskühlers 9 verbunden, so dass ein abgeschlossenes Volumen entsteht.
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Der Phasenwechsel des Wärmetransportfluids im Grundkörper 10 erfolgt ausgehend von einer Flüssigphase in einem Flüssigkeitsabschnitt durch eine Verdampfungsphase in einem über dem Flüssigkeitsabschnitt 14 angeordneten Verdampfungsabschnitt 15 weiter in eine Gasphase in einem über dem Verdampfungsabschnitt 15 liegenden Gasabschnitt 16. Das im Gasabschnitt 16 vorliegende gasförmige Fluid steigt aufgrund seiner geringeren Dichte gegenüber der Flüssigphase in den Kühlrippen 13 nach oben. Das gasförmige Wärmetransportfluid gibt sodann seine Wärmemenge über die Wände der Kühlrippen 13 in die Umgebung ab und kondensiert zurück in die flüssige Phase. Das auskondensierte Wärmetransportfluid fällt aufgrund der höheren Dichte in die verbleibende flüssige Phase des Wärmetransportfluids des Flüssigkeitsabschnitts 14 im Verdampfungskühler 9 zurück. Dadurch bildet sich ein Verdampfungskreislauf für das Wärmetransportfluid innerhalb der isothermen Verdampfungskühlers 9.
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Der Grundkörper 10 weist im Innenraum eine ebene Grundfläche 11 auf, wobei über die ebene Grundfläche 11 ein Wärmeübergang vom Grundkörper 10 in das mit der Grundfläche 11 in Kontakt stehende Wärmetransportfluid erfolgt. Aufgrund der großen Grundfläche 11 ist eine schnelle Ableitung der Wärmemenge von dem Grundkörper 10 in das Wärmetransportfluid möglich.
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Im Flüssigkeitsabschnitt 14 des Verdampfungskühlers 9 ist eine Kapillarstruktur 12 angeordnet, die aufgrund ihrer Kapillarwirkung eine gleichmäßige Verteilung des Wärmetransportfluids über die Grundfläche 11 des Grundkörpers 10 bildet, auch wenn das System geneigt wird. Dadurch kann das Kühlsystem 1 eine ausreichende Wärmeableitung einer Wärmemenge auch in Schräglage des Systems gewährleisten, da die Grundfläche 11 aufgrund der Kapillarwirkung der Kapillarstruktur 12 ständig mit Wärmetransportfluid zur Aufnahme von Wärme bedeckt ist.
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Der Verdampfungskühler 9 hält aufgrund des isothermen Phasenwechsels des Wärmetransportfluids die Temperatur der zweiten Kontaktfläche 21 des Peltierelements 7 unabhängig von der Umgebungstemperatur konstant, da eine große Wärmemenge erforderlich ist, um das Wärmetransportfluid von der flüssigen Phase in die komplett gasförmige Phase zu überführen. Danach würde sich das Gas weiter erwärmen, was jedoch außerhalb der Arbeitsparameter des Systems liegt.
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Der jeweilige Arbeitsbereich eines erfindungsgemäßen Kühlsystems wird somit entscheidend durch die Wahl des Fluids und dessen thermodynamischen Eigenschaften bestimmt. Je nach gewünschter Temperatur an der Kontaktfläche 21 ist somit ein Fluid zu wählen, welches diese Temperatur als Siedepunkt aufweist. Eine Anpassung des Siedepunktes durch Druckanpassung im Innenbereich des Verdampfungskühlers 9 ist denkbar.
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In 2 ist eine schematische Darstellung eines isothermen Kühlsystems zur Kühlung von mehreren elektronischen Bauteilen gezeigt, wobei das Kühlsystem 1 mittels mehrerer Leitungssysteme 5 mit mehreren elektronischen Bauteilen 4 verbunden ist. Das Kühlsystem 1 umfasst ein oder mehrere Peltierelemente 7 mit einem oder mehreren Verdampfungskühlern 9. Auf diese Weise können Anordnungen von Bauteilen effizient sowie platz- und kostensparend gekühlt und dadurch stabilisiert werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Kühlsystem
- 2
- Wärmetauscher
- 3
- Pumpe
- 4
- elektronisches Bauteil
- 5
- Leitungssystem
- 6
- Steuerungselektronik
- 7
- Peltierelement
- 8
- Sensor (PT)
- 9
- Verdampfungskühler
- 10
- Grundkörper
- 11
- Grundfläche
- 12
- Kapillarstruktur
- 13
- Kühlrippe
- 14
- Flüssigkeitsabschnitt
- 15
- Verdampfungsabschnitt
- 16
- Gasabschnitt
- 17
- Kondensationsvolumen
- 18
- erste Kühlanordnung
- 19
- zweite Kühlanordnung
- 20
- erste Kontaktfläche
- 21
- zweite Kontaktfläche
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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