DE102014200832A1 - Flexible heat sink for uneven cooling surfaces - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kühlkörper (1) mit einem Kühlraum (5), wobei an mindestens einer den Kühlraum (5) begrenzenden Oberflächenseite mittels einer mechanisch gespannten flexiblen Flächenmembran (11) der Kühlraum (5) begrenzt ist, in die das zu kühlende Bauteil (3) bzw. Leistungselektronikbauteil von außerhalb des Kühlraums (5) derart verschiebbar ist, dass die flexible Flächenmembran (11) sich flächig formändernd und mechanisch kontaktierend an eine zu kühlende Oberfläche des zu kühlenden Objekts bzw. Leistungselektronikbauteils anpasst. Auf diese Weise kann ein Kontakt von Kühlkörper (1) zum zu kühlenden Objekt bzw. Leistungselektronikbauteil (3) wirksam verbessert werden. Der Kühlkörper (1) eignet sich insbesondere besonders vorteilhaft zur Kühlung von Wickelgütern.The present invention relates to a cooling body (1) having a cooling space (5), the cooling space (5) being delimited on at least one surface side delimiting the cooling space (5) by means of a mechanically tensioned flexible area membrane (11) into which the component to be cooled (3) or power electronics component from outside the cooling chamber (5) is displaceable such that the flexible surface membrane (11) formally changes shape and mechanically contacting adjusts to a surface to be cooled of the object to be cooled or power electronic component. In this way, a contact of the heat sink (1) to be cooled object or power electronics component (3) can be effectively improved. The heat sink (1) is particularly particularly advantageous for cooling of windings.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kühlkörper gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruchs und eine Verwendung gemäß dem Oberbegriff des Nebenanspruchs. The present invention relates to a heat sink according to the preamble of the main claim and a use according to the preamble of the independent claim.
Beispielsweise in dem Bereich der Leistungselektronik gibt es zu kühlende Bauteile, welche eine unebene oder von Bauteil zu Bauteil unterschiedliche Oberflächenbeschaffenheit haben. Dies ist besonders im Bereich der Güter, welche in der Herstellung manuelle Arbeitsschritte beinhalten, der Fall. Entsprechende Güter sind beispielsweise Motorwicklungen sowie sonstige Wickelgüter, wie es beispielsweise Transformatoren oder Drosseln sind. Verstärkt wird aber auch auf diesen Gebieten der Wunsch nach einer Wasserkühlung geäußert. Kühlkörper benötigen, um ihre Aufgabe zu bewältigen, eine gute thermische Anbindung an das zu kühlende Bauteil. Es werden daher große Anstrengungen unternommen, um einen möglichst guten Kontakt zwischen zu kühlenden Bauteil und dem vorgesehenen Kühlkörper herzustellen. For example, in the field of power electronics, there are components to be cooled, which have an uneven or different from surface to surface component. This is the case especially in the area of goods which involve manual operations in the production. Corresponding goods are for example motor windings and other winding goods, such as transformers or chokes. However, the desire for water cooling is also being intensified in these areas. Heatsinks need to perform their task, a good thermal connection to the component to be cooled. Therefore, great efforts are made to produce the best possible contact between the component to be cooled and the intended heat sink.
Herkömmlicherweise wurde eine mangelhafte Kontaktierung in Kauf genommen und mittels einer Überdimensionierung von Kühlplatten beziehungsweise des Kühlsystems kompensiert. Ebenso werden herkömmlicherweise so genannte thermische Schnittstellenmaterialien beziehungsweise Thermal Interface Materials, verwendet, um einen verbesserten Kontakt zwischen Bauteil und Kühlkörper herzustellen. Conventionally, a poor contact was accepted and compensated by over-dimensioning of cooling plates or the cooling system. Likewise, so-called thermal interface materials or thermal interface materials are conventionally used to produce improved contact between the component and the heat sink.
Es ist Aufgabe der Erfindung einen Kühlkörper zur Kühlung mindestens eines Bauteils derart bereitzustellen, dass auf einfache, kostengünstige und wirksame Weise eine Kontaktierung zwischen dem Kühlkörper und dem Bauteil geschaffen und eine Überdimensionierung des Kühlsystems vermieden werden kann. Insbesondere sollen Bauteile mit unebenen oder mit zueinander verschiedenen Oberflächenbeschaffenheiten wirksam gekühlt werden. It is the object of the invention to provide a heat sink for cooling at least one component in such a way that a contact between the heat sink and the component is created in a simple, cost-effective and effective manner, and over-dimensioning of the cooling system can be avoided. In particular, components with uneven or mutually different surface textures should be effectively cooled.
Die Aufgabe wird durch einen Kühlkörper gemäß dem Hauptanspruch und eine Verwendung gemäß dem Nebenanspruch gelöst. The object is achieved by a heat sink according to the main claim and a use according to the independent claim.
Gemäß einem ersten Aspekt wird ein Kühlkörper zur Kühlung mindestens eines Bauteils, insbesondere eines elektrische Wicklungen aufweisenden Bauteils vorgeschlagen, das einen eingeschlossenen Kühlraum zur Aufnahme eines Kühlmittels, einen ersten Kühlmittelanschluss zur Zuführung des Kühlmittels in den Kühlraum und einen zweiten Kühlmittelanschluss zur Abfüllung des Kühlmittels aus dem Kühlraum aufweist. Der erfindungsgemäße Kühlraum ist an mindestens einer den Kühlraum begrenzenden Oberflächenseite mittels einer mechanisch gespannten, eine kühlende Oberfläche bereitstellenden flexiblen Flächenmembran begrenzt, in die das zu kühlende Bauteil von außerhalb des Kühlraums derart verschiebbar oder drückbar ist, dass die flexible Flächenmembran sich, formändernd und mechanisch berührend oder kontaktierend an mindestens eine Oberfläche des mindestens einen zu kühlenden Bauteiles anschmiegt. Dabei kann der Innendruck des Kühlkörpers derart eingestellt sein, dass das Anschmiegen der kühlenden Oberfläche der Flächenmembran an die zu kühlende Oberfläche unterstützt wird. Es ist beispielswiese denkbar, dass durch eine Vergrößerung des Innendrucks in dem Kühlkörper die Flächenmembran ausgedehnt wird und sich in eine zur Flächenmembran konkave zu kühlende Oberfläche eines zu kühlenden Bauteils hinein anpasst. According to a first aspect, a heat sink is proposed for cooling at least one component, in particular a component having electrical windings, which has an enclosed cooling space for receiving a coolant, a first coolant connection for supplying the coolant into the cooling space and a second coolant connection for filling the coolant Refrigerator has. The cooling space according to the invention is delimited on at least one surface bounding the cooling space by means of a mechanically tensioned flexible surface membrane providing a cooling surface into which the component to be cooled can be displaced or pressed from outside the cooling space such that the flexible surface membrane is in shape-changing and mechanically contacting manner or contacting at least one surface of the at least one component to be cooled hugs. In this case, the internal pressure of the heat sink can be set such that the nestling of the cooling surface of the surface membrane is supported on the surface to be cooled. By way of example, it is conceivable that the surface membrane is expanded by an increase in the internal pressure in the cooling body and adapts into a surface of a surface of a component to be cooled that is concave to the surface membrane.
Anschmiegen bedeutet hier insbesondere, dass sich die eine kühlende Oberfläche erzeugende Flächenmembran an der Oberfläche des Bauteiles diese berührend ohne Zwischenraum, insbesondere homogen, anlegt. Dabei weist die Flächenmembran dann einen jeweiligen Oberflächenverlauf eines Bauteiles für alle zu kühlende Bauteile auf. Die Flächenmembran soll den gesamten zu kühlenden Oberflächenverlauf des Bauteiles abdecken und kann zusätzlich über diesen hinausgehen. Clinging here means in particular that the surface area producing a cooling surface on the surface of the component this touching without gap, in particular homogeneously applies. In this case, the surface membrane then has a respective surface profile of a component for all components to be cooled. The surface membrane should cover the entire surface to be cooled of the component and may additionally go beyond this.
Erfindungsgemäß wird ein Kühlkörper derart ausgebildet, dass die zu kontaktierende, kühlende Oberfläche jeweils aus einem flexiblen Material gebildet wird, das sich unter Druck verformt und an die zu kühlende Oberfläche anschmiegt. Mittels eines flexiblen Bereichs, der sich an die zu kühlende Oberfläche(n) anschmiegt, wird bewirkt, dass Geometrieunebenheiten mittels der Flexibilität der Flächenmembran ausgeglichen werden können. According to the invention, a heat sink is formed such that the cooling surface to be contacted is formed in each case from a flexible material which deforms under pressure and conforms to the surface to be cooled. By means of a flexible region, which conforms to the surface (s) to be cooled, it is ensured that irregularities in geometry can be compensated by means of the flexibility of the surface membrane.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen werden in Verbindung mit den Unteransprüchen beansprucht. Further advantageous embodiments are claimed in conjunction with the subclaims.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann eine erste und/oder eine zweite eine kühlende Oberfläche erzeugende flexible Flächenmembran den Kühlraum begrenzen. Dabei kann eine erste flexible Flächenmembran oben und eine zweite flexible Flächenmembran am Kühlkörper unten angeordnet sein, wobei beide flexiblen Flächenmembrane zueinander parallel verlaufen können. According to an advantageous embodiment, a first and / or a second cooling surface producing a flexible surface membrane limit the cooling space. In this case, a first flexible area membrane at the top and a second flexible area membrane at the heat sink can be arranged at the bottom, wherein both flexible area membranes can run parallel to one another.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann der erste und/oder der zweite Kühlmittelanschluss direkt an mindestens einer flexiblen Flächenmembran befestigt sein. According to a further advantageous embodiment, the first and / or the second coolant connection can be fastened directly to at least one flexible area membrane.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann der erste und/oder der zweite Kühlmittelanschluss direkt an mindestens einer flexiblen Flächenmembran geklebt, gepresst oder vulkanisiert sein. According to a further advantageous embodiment, the first and / or the second coolant connection directly to at least one flexible Surface membrane glued, pressed or vulcanized.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann der Kühlraum jeweils an allen den Kühlraum begrenzenden Seiten mittels einer mechanisch flexiblen Flächenmembran, insbesondere vollständig mittels einer ersten und einer zweiten flexiblen Flächenmembran, eingeschlossen sein, wobei die erste und zweite flexible Flächenmembran jeweils eine kühlende Oberfläche erzeugen und einander gegenüberliegend, insbesondere parallel, angeordnet sind. According to a further advantageous embodiment, the cooling space can be enclosed in each case on all sides bounding the cooling space by means of a mechanically flexible surface membrane, in particular completely by means of a first and a second flexible surface membrane, wherein the first and second flexible surface membrane each produce a cooling surface and opposite each other , in particular parallel, are arranged.
Letztere Ausgestaltung stellt den Kühlkörper in Form eines Kissens bereit. The latter embodiment provides the heat sink in the form of a cushion.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann der Kühlraum an mindestens einer den Kühlraum begrenzenden Seite mittels einer mechanisch starren Kühlwand begrenzt sein. According to a further advantageous embodiment, the cooling space may be delimited on at least one side delimiting the cooling space by means of a mechanically rigid cooling wall.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann eine den Kühlraum begrenzende starre Kühlraumwand als ein Boden oder ein Deckel oder als Teil eines den Kühlraum umlaufenden Montagerahmens erzeugt sein. In accordance with a further advantageous embodiment, a rigid cooling chamber wall delimiting the cooling space can be produced as a base or a cover or as part of a mounting frame surrounding the cooling space.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann der erste und/oder der zweite Kühlmittelanschluss durch den Boden oder den Deckel und/oder durch den Montagerahmen hindurch ausgebildet sein. According to a further advantageous embodiment, the first and / or the second coolant connection may be formed through the bottom or the lid and / or through the mounting frame.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann der erste und/oder der zweite Kühlmittelanschluss jeweils an einer starren Kühlraumwand befestigt sein. According to a further advantageous embodiment, the first and / or the second coolant connection can each be fastened to a rigid cooling chamber wall.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann die jeweilige eine kühlende Oberfläche erzeugende flexible Flächenmembran in einer umlaufenden Vertiefung des umlaufenden Montagerahmens derart verspannt sein, dass die jeweilige flexible Flächenmembran jeweils einen am weitesten hervorstehenden Bereich des Kühlkörpers ausbildet. According to a further advantageous embodiment, the respective flexible surface membrane generating a cooling surface may be clamped in a circumferential recess of the peripheral mounting frame in such a way that the respective flexible surface membrane in each case forms a furthest protruding region of the heat sink.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann die jeweilige eine kühlende Oberfläche erzeugende Flächenmembran jeweils in der umlaufenden Vertiefung zwischen dem umlaufenden Montagerahmen und einem umlaufenden Stützrahmen befestigt sein. In accordance with a further advantageous embodiment, the respective surface membrane which produces a cooling surface can be fastened in each case in the peripheral depression between the circumferential mounting frame and a peripheral supporting frame.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann die jeweilige eine kühlende Oberfläche erzeugende flexible Flächenmembran jeweils in der umlaufenden Vertiefung zwischen den umlaufenden Montagerahmen und dem umlaufenden Stützrahmen verschraubt oder verklebt sein. According to a further advantageous embodiment, the respective flexible surface membrane generating a cooling surface may be screwed or glued respectively in the circumferential recess between the peripheral mounting frame and the peripheral support frame.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann das Material der eine kühlende Oberfläche erzeugende flexiblen Flächenmembran Ethylen-Propylen-Dyen-Kautschuk (EPDM), Viton, Neopren oder Nitril-Kautschuk (Nitril Butagiene Rubber) sein. According to a further advantageous embodiment, the material of the cooling surface-producing flexible surface membrane may be ethylene-propylene-dyene rubber (EPDM), Viton, neoprene or nitrile rubber (nitrile butagiene rubber).
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann mindestens eine der eine kühlende Oberfläche erzeugenden flexiblen Flächenmembranen sich an den Verlauf der Oberfläche des zu kühlenden Bauteils derart anpassen, dass das Kühlmittel im Kühlraum turbulent strömt. According to a further advantageous embodiment, at least one of the flexible surface membranes generating a cooling surface can be adapted to the course of the surface of the component to be cooled in such a way that the coolant flows turbulently in the cooling space.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung können innerhalb des Kühlraums Einbauten derart positioniert sein, dass das Kühlmittel im Kühlraum turbulent strömt. According to a further advantageous embodiment, internals may be positioned within the cooling space such that the coolant flows turbulently in the cooling space.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung können die Einbauten Prägebleche, Metallwolle, Metallfließ oder Streckmetalle sein. According to a further advantageous embodiment, the internals embossing plates, metal wool, metal flow or expanded metals may be.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann der Kühlraum die Form eines Quaders oder Würfels aufweisen. According to a further advantageous embodiment, the cooling space may have the shape of a cuboid or cube.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung sollten die eine kühlende Oberfläche erzeugende flexiblen Flächenmembranen mechanisch stabil sein. Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung können die jeweils eine kühlende Oberfläche erzeugenden flexiblen Flächenmembranen zum verbesserten Anschmiegen dünn sein und zur verbesserten Kühlung einen kleinen thermischen Widerstand aufweisen. According to a further advantageous embodiment, the flexible surface membranes producing a cooling surface should be mechanically stable. According to a further advantageous embodiment, each of the cooling surface generating flexible surface membranes for improved nestling can be thin and have a small thermal resistance for improved cooling.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann der Innendruck des Kühlraums derart eingestellt sein, dass die kühlende Oberfläche der Flächenmembran sich an die jeweilige zu kühlende Oberfläche mit einer maximalen Fläche anschmiegt. According to a further advantageous embodiment, the internal pressure of the cooling space can be set such that the cooling surface of the surface membrane conforms to the respective surface to be cooled with a maximum area.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann in einem Anfangszustand vor dem Anschmiegen der Innendruck des Kühlraums derart eingestellt sein, dass die kühlende Oberfläche der Flächenmembran eben ist. According to a further advantageous embodiment, in an initial state before nestling, the internal pressure of the cooling space can be set such that the cooling surface of the surface membrane is level.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann der Innendruck des Kühlraums derart gegenüber dem Anfangszustand vergrößert sein, dass die kühlende Oberfläche der Flächenmembran in die jeweilige zu kühlende Oberfläche hineingedrückt ist. According to a further advantageous embodiment, the internal pressure of the cooling space can be increased relative to the initial state, that the cooling surface of the surface membrane is pressed into the respective surface to be cooled.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung eignet sich ein erfindungsgemäßer Kühlkörper für zu kühlende Bauteile, deren Oberflächen uneben sind, oder für eine Vielzahl von zu kühlenden Bauteilen, die unebene Oberflächen und/oder zueinander verschiedene Oberflächenbeschaffenheit aufweisen. According to a further advantageous embodiment, an inventive heat sink is suitable for cooling components whose surfaces are uneven, or for a variety of components to be cooled, the uneven surfaces and / or have different surface texture to each other.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann nach dem ineinander Verschieben oder Eindrücken ein Fixieren des Kühlkörpers auf dem mindestens einen Bauteil oder auf mindestens einer Halterung des mindestens einen Bauteils erfolgen. Beispielsweise kann eine Halterung des Bauteiles eine Platine sein, auf die das Bauteil gelötet wurde. According to a further advantageous refinement, after the telescoping or pushing in one another, the heat sink can be fixed on the at least one component or on at least one mounting of the at least one component. For example, a holder of the component may be a circuit board to which the component has been soldered.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann ein Boden, ein Montagerahmen, ein Stützrahmen und/oder ein erster und/oder zweiter Kühlmittelanschluss an das Bauteil oder die Halterung des Bauteiles fixiert, beispielsweise geklebt, werden. According to a further advantageous embodiment, a bottom, a mounting frame, a support frame and / or a first and / or second coolant connection to the component or the holder of the component fixed, for example, glued be.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung eignet sich der erfindungsgemäße Kühlkörper zur Kühlung eines Wickelgutes, insbesondere einer Motorwicklung, eines Transformators oder einer Drossel. According to a further advantageous embodiment, the heat sink according to the invention is suitable for cooling a winding material, in particular a motor winding, a transformer or a reactor.
Die Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Figuren näher beschrieben. Es zeigen: The invention will be described in more detail by means of exemplary embodiments in conjunction with the figures. Show it:
Grundsätzlich hat es dieselbe Wirkung, wenn die eine kühlende Oberfläche erzeugende Flächenmembran
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kühlkörper
Um die benötigte Ausdehnung der flexiblen Membran zu erhalten, müsste daher je nach Oberflächenbeschaffenheit des zu kühlenden Bauteils ein angemessener Innendruck aufgebaut werden. Die Membran soll sich derart verformen, dass die Oberflächenkontur des zu kühlenden Bauteils oder der zu kühlenden Bauteile möglichst gut angenähert wird. In order to obtain the required expansion of the flexible membrane, therefore, a reasonable internal pressure would have to be built up depending on the surface condition of the component to be cooled. The membrane should deform such that the surface contour of the component to be cooled or the components to be cooled is approximated as well as possible.
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kühlkörper
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DE102014200832.8A Withdrawn DE102014200832A1 (en) | 2014-01-17 | 2014-01-17 | Flexible heat sink for uneven cooling surfaces |
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