DE102012207478A1

DE102012207478A1 - System und Verfahren zur Wärmeableitung

Info

Publication number: DE102012207478A1
Application number: DE102012207478A
Authority: DE
Inventors: Martin Honsberg-Riedl; Gerhard Mitic; Randolf Mock; Thomas Vontz
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2012-05-07
Filing date: 2012-05-07
Publication date: 2013-11-07
Anticipated expiration: 2032-05-08
Also published as: DE102012207478B4; WO2013167364A1

Abstract

Die Erfindung stellt ein System und ein Verfahren zur Ableitung von durch elektrisch betriebene Einrichtungen erzeugte unerwünschte Wärme bereit, wobei das System umfasst: einen Kühlkörper mit einer Basisplatte und sich davon erstreckenden Kühlrippen, wobei der Kühlkörper mit einer zu kühlenden Einrichtung koppelbar ist; und einen Ultraschall-Erzeuger, welcher dazu ausgebildet ist, den Kühlkörper einschließlich der Kühlrippen mit einem Ultraschallfeld zu beschallen. Solche elektrisch betriebenen Einrichtungen können beispielsweise Leuchten, Transformatoren usw. sein. Durch das Ultraschallfeld werden turbulente Strömungswirbel insbesondere an den Kühlrippen erzeugt, die für eine effektive Wärmeableitung sorgen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein System und ein Verfahren zur Wärmeableitung von zu kühlenden Einrichtungen, insbesondere elektrisch betriebenen Einrichtungen wie zum Beispiel Beleuchtungsvorrichtungen, bei deren Betrieb in der Regel ein Übermaß an Wärme, sog. Verlustwärme, entsteht.
Stand der Technik
Es ist bekannt, dass beispielsweise elektrisch betriebene Leuchten eine relativ große Wärmemenge entwickeln, die in der Regel unerwünscht ist. Aber auch bei jeder anderen Art von Geräten, die elektrisch betrieben werden, wie zum Beispiel Transformatoren für Computer usw., entsteht eine mehr oder weniger große unerwünschte Wärmemenge.
Die DE 20 2011 108 614 U1 offenbart zur Lösung dieses Problems die Verwendung eines mit einer Leuchte gekoppelten Materials mit einem hohen Wärmeleitkoeffizienten, wobei das Material in der Art eines Kühlkörpers mit Kühlrippen ausgebildet ist, um die zu kühlende Fläche zu vergrößern. Durch Konvektion strömt die Wärme von dem Kühlkörper in die Umgebung ab.
Herkömmlicherweise wird zusätzlich ein Ventilator verwendet, welcher einen auf den Kühlkörper bzw. die Kühlrippen gerichteten Luftstrom erzeugt, um so das Abströmen der Wärme vom Kühlkörper zu beschleunigen.
Die DE 20 2011 106 313 U1 offenbart ein solches System, wobei der Ventilator zusätzlich über eine Temperatursteuerung gesteuert wird, so dass die Drehzahl des Ventilators in Abhängigkeit von der Temperatur regelbar ist. Ventilatoren haben jedoch die Eigenschaft, eine nur begrenzte Lebensdauer zu haben, und zudem einen meist störenden Geräuschpegel zu verursachen.
Zusammenfassung der Erfindung
Die Erfindung schlägt unter einem ersten Aspekt gemäß Anspruch 1 ein System zur Wärmeableitung vor, wobei das System umfasst: einen Kühlkörper mit einer Basisplatte und sich davon erstreckenden Kühlrippen, wobei der Kühlkörper mit einer zu kühlenden Einrichtung koppelbar ist; und einen Ultraschall-Erzeuger, welcher dazu ausgebildet ist, den Kühlkörper einschließlich der Kühlrippen mit einem Ultraschallfeld zu beschallen.
Unter einem zweiten Aspekt gemäß Anspruch 8 schlägt die Erfindung ein Verfahren zur Wärmeableitung von einer zu kühlenden Einrichtung vor, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: Koppeln eines Kühlkörpers mit einer Basisplatte und sich davon erstreckenden Kühlrippen an der zu kühlenden Einrichtung; und Erzeugen eines Ultraschallfeldes zwischen den Kühlrippen.
Der wesentliche Vorteil des Systems bzw. des Verfahrens ergibt sich daraus, dass durch das Ultraschallfeld turbulente Strömungswirbel an den Oberflächen der Kühlrippen erzeugt werden, welche einen Übergang der Wärme von den Kühlrippen an die Umgebung erhöhen. Dadurch bedingt kann die Baugröße eines solchen Wärmeableitungssystems im Vergleich zum Stand der Technik verringert und damit einhergehend auch das Gewicht des Wärmeableitungssystems reduziert werden.
Vorteilhafterweise umfasst das System einen Fluidstrom-Erzeuger, wie zum Beispiel einen Ventilator, einen Piezowedler oder eine nach dem Jet-Impingement-Prinzip arbeitende schwingende Membran, welche jeweils dazu ausgebildet sind, einen Fluidstrom zwischen den Kühlrippen zu erzeugen, wobei der Fluidstrom Umgebungsluft umfassen kann, welche in laminarer oder turbulenter Weise an den Kühlrippen entlangströmt, um die Wärme abzuführen. Auf diese Weise wird ein Abtransport der Wärme, im Vergleich zu einem Abtransport durch Konvektion, erhöht.
Die zu kühlende Einrichtung kann beispielsweise eine elektrisch betriebene Beleuchtungseinrichtung, sei es für den Bereich der Allgemeinbeleuchtung oder für den Automobilbereich, umfassen, so dass mit Hilfe des relativ effizienten Wärmeableitungssystem bzw. -Verfahrens Beleuchtungseinrichtungen mit höherer Leuchtkraft als herkömmliche Beleuchtungseinrichtungen erzielt werden können, ohne durch die damit häufig einhergehende unerwünschte stärkere Wärmeentwicklung beschränkt zu sein.
Es wird weiter bevorzugt, dass das Ultraschallfeld derart erzeugt wird, dass zwischen der Basisplatte des Kühlkörpers und einem Ultraschall-Erzeuger, welcher in Erstreckungsrichtung der Kühlrippen von dem Kühlkörper beabstandet ist, ein ganzzahliges Vielfaches der Viertelwellenlänge einer stehenden Welle des Ultraschallfeldes gemäß n = λ/4 mit n = 1, 2, 3 usw. erzeugt wird, wobei entlang Oberflächen der Kühlrippen turbulente Strömungswirbel erzeugt werden. Die Auswahl stehender Wellen nach obiger Bedingung erzielt einen besonders effizienten Wärmeübergang von den Kühlrippen an die Umgebung.
Außerdem wird bevorzugt, dass das Ultraschallfeld derart erzeugt wird, dass der Kühlkörper, insbesondere die Kühlrippen, in Resonanz mit dem Ultraschallfeld versetzt wird, und mit zum Erzeugen bzw. Verstärken der turbulenten Strömungswirbel entlang der Oberflächen der Kühlrippen beizutragen, so dass der Wärmeübergang von den Kühlrippen an die Umgebung noch weiter verstärkt wird.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Nachfolgend wird die Erfindung anhand einer beispielhaften Ausführungsform in Verbindung mit den Figuren erläutert, wobei:
1 eine schematische Seitenansicht des Systems gemäß der Erfindung zeigt; und
2 eine Detailansicht des Systems aus 1 zeigt.
1 zeigt eine schematische Seitenansicht eines Systems 10 zur Wärmeableitung.
Das System 10 umfasst einen Kühlkörper 20, welcher eine Basisplatte 30 mit einer Mehrzahl sich von der Basisplatte 30 erstreckenden Kühlrippen 40 aufweist. Die Form der Kühlrippen 40 kann eine Finnenstruktur sein, oder es können, wie dargestellt, Stäbe oder Stifte sein. Die Kühlrippen 40 können integral mit der Basisplatte 30 ausgebildet sein, es ist aber auch denkbar, dass die Kühlrippen 40 auf die Basisplatte 30 aufgesetzt und mit dieser verbunden sind.
Das Material von Basisplatte 30 und Kühlrippen 40 weist vorzugsweise einen hohen Wärmeleitkoeffizienten auf, wobei Basisplatte 30 und Kühlrippen 40 auch aus unterschiedlichen Materialien hergestellt sein können. Die Materialien können Metalle, aber auch Kunststoffe oder Verbindungen davon umfassen.
Der Kühlkörper 20 ist mit seiner Basisplatte 30 mit einer, in 1 nur ausschnittweise dargestellten, zu kühlenden Einrichtung 50 gekoppelt, wobei die Einrichtung 50 jede Art von Gerät ist, welches im Betrieb, ob elektrisch oder auf andere Weise betrieben, unerwünschte Wärme erzeugt. Dies können beispielsweise elektrisch betriebene Leuchten sein, als Allgemeinbeleuchtung oder auch für mobile Anwendungen, z.B. in der Luftfahrt oder im Automobilbereich. Als Einrichtung 50 sind auch beispielsweise Transformatoren und elektronische Schaltungen denkbar.
Die Art der Kopplung des Kühlkörpers 20 mit der Einrichtung 50 soll einen möglichst guten Wärmeübertrag erzielen, worauf hier aber nicht näher eingegangen werden soll, da dies aus dem Stand der Technik gut bekannt ist.
Weiterhin ist in 1 ein Ultraschall-Erzeuger 60 dargestellt, und zwar in Erstreckungsrichtung der Kühlrippen 40 oberhalb davon. Bei dem Ultraschall-Erzeuger 60 handelt es sich um eine aus dem Stand der Technik bekannte Ultraschallsonotrode, deren genaue Funktionsweise hier nicht näher erläutert werden soll. Auch andere Arten der Erzeugung eines Ultraschallfeldes sind denkbar.
Die Ultraschallsonotrode 60 erzeugt ein Ultraschallfeld, welches in 1 mit Doppelpfeilen 70 dargestellt ist, und den Kühlkörper 20 bzw. die Kühlrippen 40 durchdringt. Die Pfeile 70 sind deshalb als Doppelpfeile ausgeführt, um anzudeuten, dass die sich zwischen Basisplatte 30 und Ultraschallsonotrode 60 befindliche Luft in Schwingungen versetzt wird. Vorzugsweise liegen die Schwingungen in einem Frequenzbereich von einigen zehn kHz bis in den MHz-Bereich.
Der Abstand s zwischen Ultraschallsonotrode 60 und Basisplatte 30 ist so gewählt, dass sich dazwischen eine stehende Welle ausbilden kann, und zwar mit einem ganzzahligen Vielfachen n = λ/4 der viertel Wellenlänge λ des von der Ultraschallsonotrode 60 ausgestrahlten Wellenfeldes, wobei n = 1, 2, 3 usw. ist.
Dies hat zur Folge, dass sich an den Oberflächen entlang der Kühlrippen 40 turbulente Strömungswirbel bilden, welche weiter unten mit Bezug auf 2, welche eine Detailansicht A eines Bereiches der Kühlrippen 40 zeigt, näher erläutert werden sollen.
Diese turbulenten Strömungswirbel ermöglichen einen relativ effizienteren Wärmeübergang von den Kühlrippen 40 an die Umgebung, als es ohne des Ultraschallfeldes der Fall wäre.
In der in 1 dargestellten Ausführungsform entweicht die auf diese Weise an die Umgebung übergetretene Wärme durch Konvektion von dem Bereich zwischen den Kühlrippen 40.
Weiterhin ist denkbar, dass der gesamte Kühlkörper 20 bzw. die Kühlrippen 40 wie ein Resonator wirken, d.h. ebenfalls durch das Ultraschallfeld in Schwingungen versetzt werden, so dass sie zusätzlich zur Erzeugung der turbulenten Strömungswirbel beitragen.
Aus dem oben Gesagten ergibt sich vorteilhafterweise, dass das erfindungsgemäße Wärmeableitungssystem im Vergleich zu herkömmlichen Wärmeableitungssystemen einen höheren Wärmeübertrag an die Umgebung aufweist, d.h. der thermische Widerstand des Kühlkörpers wird durch die Ultraschallschwingung stark, d.h. um einen Faktor 2 bis 3, verringert. Daraus ergibt sich, dass die Baugröße und damit das Gewicht des erfindungsgemäßen Wärmeableitungssystems verringert ist.
Um den Abtransport der Wärme, welche durch die turbulenten Strömungswirbel an die Umgebung übergetreten ist, weiter zu beschleunigen, d.h. im Vergleich zu reiner Konvektion, kann in einer weiteren Ausführungsform ein Fluidstrom-Erzeuger 80 in der Nähe der Kühlrippen 40 angeordnet werden, zum Beispiel, wie in 1 dargestellt, in Form eines einfachen Ventilators, der die erwärmte Luft (Fluid) aus dem Bereich zwischen den Kühlrippen mit einer laminaren Strömung wegbläst. Es ist möglich, dass der Ventilator 80 hinsichtlich seiner Drehzahl in bekannter Weise mittels einer Steuerung 90 gesteuert wird, und zwar in Abhängigkeit von der Temperatur des Kühlkörpers 20 bzw. der Kühlrippen 40, welche über einen am Kühlkörper 20 angebrachten Temperatursensor 100 detektiert wird und ein entsprechendes Temperatursignal an die Steuerung 90 weiterleitet. Wie in 1 dargestellt, ist die Steuerung 90 auch mit der Ultraschallsonotrode 60 verbunden, so dass die Steuerung 90 auch den Betrieb der Ultraschallsonotrode 60 entsprechend steuern kann.
Anstelle des Ventilators 80 sind auch andere Einrichtungen vorstellbar, welche einen Fluidstrom erzeugen können, wie zum Beispiel ein Piezowedler und/oder eine nach dem Jet-Impingement-Prinzip arbeitende schwingende Membran, auf deren genaue Funktionsweise hier nicht näher eingegangen werden soll, da sie dem Fachmann als bekannt vorausgesetzt werden.
Es sei noch bemerkt, dass beispielsweise ein den Wärmeabtransport unterstützender Ventilator hauptsächlich bei "Überkopf-Anwendungen" des Kühlkörpers 20 zum Einsatz kommen sollte, d.h. wenn ein Wärmeabtransport durch reine Konvektion nicht möglich ist. In diesem Falle würden die Öffnungen zwischen den Kühlrippen 40, d.h. auf der von der Basisplatte 30 entgegengesetzten Seite, nach unten zeigen, und nicht, wie in 1 dargestellt, nach oben.
Abschließend sei mit Bezug auf 1 noch erwähnt, dass der Kühlkörper 20, die Ultraschallsonotrode 60 sowie der Ventilator 80 und die Steuerung 90 in geeigneter Weise miteinander verbunden sein können (in 1 nicht dargestellt), jedoch derart, dass ein möglichst ungehinderter Wärmeabtransport sichergestellt ist.
2 zeigt nun eine Detailansicht des in 1 mit A gekennzeichneten Bereiches mit Kühlrippen 40.
Hierbei sind die oben bereits erwähnten turbulenten Strömungswirbel 110 zu erkennen, welche sich aufgrund des Ultraschallfeldes entlang der Oberflächen 41 der Kühlrippen 40 bilden. Es sei bemerkt, dass die in 2 dargestellte Anzahl und Größe der Wirbel 110 nur der Veranschaulichung dienen soll. Entscheidend ist jedoch, dass diese Strömungswirbel 110 einen effizienteren lokalen Übergang der Wärme von den Kühlrippen 40 an die Umgebung bewirken, d.h. im Vergleich zu dem Fall ohne ein Ultraschallfeld bzw. Strömungswirbel 110.
Abschließend sei noch bemerkt, dass die in den 1 und 2 gezeigten Dimensionen zum besseren Verständnis nicht maßstabsgetreu sind.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 202011108614 U1 [0003]
DE 202011106313 U1 [0005]

Claims

System zur Wärmeableitung, umfassend: – einen Kühlkörper (20) mit einer Basisplatte (30) und sich davon erstreckenden Kühlrippen (40), wobei der Kühlkörper (20) mit einer zu kühlenden Einrichtung (50) koppelbar ist; und – einen Ultraschall-Erzeuger (60), welcher dazu ausgebildet ist, den Kühlkörper (20) einschließlich der Kühlrippen (40) mit einem Ultraschallfeld (70) zu beschallen.
System nach Anspruch 1, weiterhin umfassend einen Fluidstrom-Erzeuger (80), welcher dazu ausgebildet ist, einen Fluidstrom zwischen den Kühlrippen (40) zu erzeugen.
System nach Anspruch 2, wobei der Fluidstrom-Erzeuger (80) eine der folgenden Einrichtungen umfasst: einen Ventilator, einen Piezowedler oder eine nach dem Jet-Impingement-Prinzip arbeitende schwingende Membran.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Fluidstrom Umgebungsluft umfasst.
System nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Ultraschall-Erzeuger (60) mit Bezug auf die Basisplatte (30) des Kühlkörpers (20) derart in Erstreckungsrichtung der Kühlrippen (40) in einem Abstand (s) angeordnet ist, dass eine stehende Welle mit einem ganzzahligen Vielfachen der Viertelwellenlänge gemäß n = λ/4 mit n = 1, 2, 3 usw. zwischen Ultraschall-Erzeuger (60) und Basisplatte (30) entsteht.
System nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die zu kühlende Einrichtung (50) wenigstens eine elektrisch betriebene Beleuchtungseinrichtung umfasst.
System nach Anspruch 6, wobei die Beleuchtungseinrichtung wenigstens eine in mobilen Anwendungen, wie es Luftfahrzeuge und Kraftfahrzeugen sind, verbaute Beleuchtungseinrichtung umfasst.
Verfahren zur Wärmeableitung von einer zu kühlenden Einrichtung (50), die folgenden Schritte umfassend: – Koppeln eines Kühlkörpers (20) mit einer Basisplatte (30) und sich davon erstreckenden Kühlrippen (40) an der zu kühlenden Einrichtung (50); und – Erzeugen eines Ultraschallfeldes (70) zwischen den Kühlrippen (40).
Verfahren nach Anspruch 8, weiterhin umfassend ein Erzeugen eines Fluidstroms zwischen den Kühlrippen (40), wobei der Fluidstrom vorzugsweise laminar oder turbulent ist.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, wobei das Ultraschallfeld (70) derart erzeugt wird, dass zwischen der Basisplatte (30) des Kühlkörpers (20) und einem Ultraschall-Erzeuger (60), welcher in Erstreckungsrichtung der Kühlrippen (40) von der Basisplatte (30) in einem Abstand (s) beabstandet ist, ein ganzzahliges Vielfaches der Viertelwellenlänge einer stehenden Welle des Ultraschallfeldes (70) gemäß n = λ/4 mit n = 1, 2, 3 usw. erzeugt wird, wobei entlang Oberflächen (41) der Kühlrippen (40) turbulente Strömungswirbel (110) erzeugt werden.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei das Ultraschallfeld (70) derart erzeugt wird, dass der Kühlkörper (20), insbesondere die Kühlrippen (40), in Resonanz mit dem Ultraschallfeld (70) versetzt wird, um mit zum Erzeugen bzw. Verstärken der turbulenten Strömungswirbel (110) entlang der Oberflächen (41) der Kühlrippen (40) beizutragen.
Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, wobei die turbulenten Strömungswirbel (110) entlang der Oberflächen (41) der Kühlrippen (40) jeweils einen Wärmeübertrag von den Kühlrippen (40) an die Umgebung fördern.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, wobei die durch die turbulenten Strömungswirbel (110) von den Kühlrippen (40) abtransportierte Wärme durch den Fluidstrom aus einem Bereich zwischen den Kühlrippen (40) verdrängt und an die Umgebung abgegeben wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 13, wobei der Fluidstrom durch einen Ventilator, einen Piezowedler oder eine nach dem Jet-Impingement-Prinzip arbeitende schwingende Membran erzeugt wird.