-
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Messvorrichtung für die Bestimmung einer Wärmestromverteilung bei der Kühlung eines Bauteils sowie ein entsprechendes Verfahren für die Bestimmung einer Wärmestromverteilung bei der Kühlung eines Bauteils.
-
Es ist bekannt, dass Bauteile, welche sich im Betrieb aufheizen, hinsichtlich der Ableitung dieser Wärme überprüft werden sollen. Dies findet insbesondere auf einem Prüfstand statt, bei welchem solche Bauteile hinsichtlich der Wärmeabfuhr überprüft und anschließend optimiert werden können. Um dies zu gewährleisten, werden solche Bauteile auf dem Prüfstand üblicherweise mit einer entsprechenden Kühlschicht gekühlt und anschließend der Gesamtwärmestrom über die Kontrolle der Kühlleistung ermittelt. Um Details hinsichtlich der Wärmestromverteilung über die Fläche des Bauteils zu erhalten, sind bei den bekannten Lösungen Simulationsumsetzungen im Einsatz, welche durch Simulation der Wärmestromverteilung diese sichtbar machen.
-
Nachteilhaft bei den bekannten Lösungen ist es, dass ein relativ hoher Aufwand betrieben werden muss, um eine mathematische Simulation für die Wärmestromverteilung in physikalisch realitätsnaher Weise zur Verfügung stellen zu können. Darüber hinaus bleibt auch bei einer sehr guten mathematischen Simulation ein Restrisiko mit einem entsprechenden Fehler im Vergleich zur real sich einstellenden Wärmestromverteilung.
-
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die voranstehend beschriebenen Nachteile zumindest teilweise zu beheben. Insbesondere ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, in kostengünstiger und einfacher Weise eine direkte Vermessung der Wärmestromverteilung bei der Kühlung eines Bauteils zur Verfügung stellen zu können.
-
Voranstehende Aufgabe wird gelöst durch eine Messvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 8. Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Messvorrichtung beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und jeweils umgekehrt, so dass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw. werden kann.
-
Eine erfindungsgemäße Messvorrichtung dient der Bestimmung einer Wärmestromverteilung bei der Kühlung eines Bauteils. Hierfür weist die Messvorrichtung eine Kontaktschicht mit wenigstens zwei Messelementen zur Kontaktierung einer Messoberfläche des Bauteils auf. Unterhalb der Kontaktschicht ist eine Regelschicht angeordnet mit wenigstens zwei Temperierelementen zur Temperierung der Regelschicht, welche örtlich mit den wenigstens zwei Messelementen korrelieren. Mithilfe einer Kontrolleinheit erfolgt die Regelung der wenigstens zwei Temperierelemente. Eine Kühlschicht, welche von einem Kühlmittel durchströmt wird, dient abschließend zur Aufnahme und Abfuhr von Wärme von der Regelschicht. Dabei sind wenigstens zwei Messelemente jeweils mit einer Kontaktmessvorrichtung für die Messung der Kontakttemperatur zum Bauteil und jeweils mit einer Regelmessvorrichtung zur Messung der Regeltemperatur zur Regelschicht ausgestattet. Weiter weist die Kühlschicht eine Eingangsmessvorrichtung zur Messung der Eingangstemperatur des Kühlmittels und eine Ausgangsmessvorrichtung zur Messung der Ausgangstemperatur des Kühlmittels auf.
-
Eine erfindungsgemäße Messvorrichtung ist also dreischichtig aufgebaut. Ausgehend von den bekannten Lösungen wird die eigentliche Kühlleistung durch die Kühlschicht zur Verfügung gestellt. Durch die Durchströmung mit Kühlmittel kann aus der Messvorrichtung entsprechend Wärme in das Kühlmittel übertragen und von diesem abgeführt werden. Ein sich aufheizendes Bauteil wird entsprechend die Wärme in die Messvorrichtung hinein abgeben, so dass die Wärme zuerst die Kontaktschicht, anschließend die Regelschicht und abschließend die Kühlschicht durchströmt. Beim Durchströmen der einzelnen Schichten stellen sich entsprechende Temperaturverläufe ein. Heizt sich beispielsweise an einem entsprechenden Punkt das Bauteil auf eine erste Bauteiltemperatur auf, so ist dies als Kontakttemperatur zur Kontaktschicht definierbar. Die Kontaktschicht selbst hat einen entsprechenden Wärmeleitwiderstand und entsprechende Wärmeübergangswiderstände, so dass sich im Temperaturprofil eine abfallende Temperatur von der Kontaktschicht zur Regelschicht einstellen wird. Die Regeltemperatur, welche sich zwischen der Kontaktschicht einerseits und der Regelschicht andererseits einstellt, liegt also unterhalb der Kontakttemperatur.
-
Erfindungsgemäß sind nun Temperierelemente vorgesehen, um eine Temperierung und damit eine Variation bzw. Beeinflussung der Temperatur in der Regelschicht, also der Regeltemperatur bzw. der später noch erläuterten Temperierelementtemperatur durchführen zu können. Insbesondere wird dies dazu eingesetzt, um die Regeltemperatur bzw. die Temperierelementtemperatur konstant zu halten. Je nachdem, wie groß der Wärmestrom ist, welcher an dem jeweiligen Punkt vom Bauteil durch die Messvorrichtung hindurchströmt, muss auch ein größerer oder ein geringerer Aufwand betrieben werden, um genau diese Temperatur konstant zu halten. Je größer der entsprechende Wärmestrom ist bzw. je größer die Zunahme des Wärmestroms ist, umso stärker erfolgt auch die Einflussnahme für das Konstanthalten und die entsprechende Leistung für das Konstanthalten der Temperierelementetemperatur. Abschließend wird die Wärmemenge in der Kühlschicht an das Kühlmittel abgegeben und von diesem aus der Messvorrichtung heraus abgeführt.
-
Durch eine erfindungsgemäße Ausgestaltung ist nun eine Aufgliederung auf unterschiedliche örtliche Bereiche für die Ermittlung des Wärmestroms möglich. So sind wenigstens zwei Messelemente vorgesehen, welche benachbart zueinander angeordnet sind. Jedes dieser Messelemente ist in der Lage für den von ihm abgedeckten Kontaktbereich zum jeweiligen Bauteil eine Wärmestrommenge zu erfassen. Sind also zwei oder vorzugsweise deutlich mehr Messelemente vorhanden, so kann mit der entsprechenden Auflösung für eine Vielzahl unterschiedlicher Orte mit jedem einzelnen Messelement jeweils für jeden Ort ein definierter Parameter für den aktuellen Wärmestrom erfasst werden. In der Zusammenschau ergibt sich auf diese Art eine Wärmestromverteilung mit ortsgenauer Auflösung.
-
Da mithilfe eines Vergleichs der Kontakttemperatur mit der Regeltemperatur für jedes Messelement nur eine erste grundlegende Bestimmung des Wärmestroms durch die Kontaktschichten möglich wird, erfolgt eine entsprechend detailliertere Bestimmung bzw. Verifikation dieser Bestimmung durch die Auswertung der Leistungsaufnahme der Temperierelemente. Durch die konstruktive Anordnung der Regelschicht in direktem Kontakt mit der Kontaktschicht kann durch das Konstanthalten die Leistungsaufnahme eine zusätzliche Aussage treffen. Je größer der Wärmestrom ist, welcher aus einem quasi stationären Betrieb des Bauteils durch die Messvorrichtung läuft, umso größer ist auch der entsprechende Aufwand und damit die zugehörige Leistungsaufnahme, um mithilfe der Temperierelemente am jeweiligen Ort die Temperierelementtemperatur bzw. die Regeltemperatur konstant zu halten.
-
Basierend auf den voranstehenden Erläuterungen zur konstruktiven Ausgestaltung der Messvorrichtung wird deutlich, dass auf diese Weise nun nicht mehr nur allgemein eine Gesamtwärmestromermittlung durch die Vergleiche der Eingangstemperatur mit der Ausgangstemperatur in der Kühlschicht möglich wird. Vielmehr ist es auch möglich, dass in feinerer örtlicher Auflösung je nach tatsächlich gewählter Anzahl der Messelemente sowie der Temperierelemente eine Wärmestromverteilung in örtlicher zweidimensionaler Weise zur Verfügung stellbar ist. Dies erlaubt es, bei der Prüfung des jeweiligen Bauteils auf die Abgabe von Wärme ein detaillierteres Bild zu erzeugen und anschließend eine Optimierung, insbesondere aus thermischen Gesichtspunkten, in verbesserter Weise durchführen zu können. Auch kann auf die aufwendige und kostenintensive sowie mit hohem Zeitaufwand versehene Simulation in mathematischer Weise für eine Wärmestromverteilung im Wesentlichen vollständig verzichtet werden.
-
Es kann von Vorteil sein, wenn bei einer erfindungsgemäßen Messvorrichtung die Kontaktschicht mit der Regelschicht stoffschlüssig, insbesondere mittels einer Lötverbindung verbunden ist. Eine entsprechende Verbindung kann insbesondere auch zwischen der Regelschicht und der Kühlschicht vorgesehen sein. Eine stoffschlüssige Verbindung bringt insbesondere hinsichtlich des thermischen Übergangs große Vorteile mit sich, da unerwünschte Spalte, welche ein hohes Wärmehindernis darstellen würden, vermieden werden können. Auch wird die mechanische Stabilität des Gesamtsystems der Messvorrichtung auf diese Weise deutlich verbessert. Eine alternative Lösung ist es, auch die einzelnen Schichten miteinander zu verkleben. Um den Wärmeübergangswiderstand zwischen die einzelnen Schichten noch weiter zu reduzieren, ist auch der Einsatz von entsprechenden Bauteilen oder Pasten, insbesondere einer sogenannten Wärmeleitpaste, denkbar.
-
Ein weiterer Vorteil kann es sein, wenn bei einer erfindungsgemäßen Messvorrichtung die Temperierelemente identisch ausgebildet sind, insbesondere als Pelletier-Elemente. Die einzelnen Temperierelemente in identischer Ausbildung führen dazu, dass eine einfachere Auswertung der erfassten Daten möglich wird. So muss keine Interpolation oder Umrechnung der Auswertung von unterschiedlichen Temperierelementen mehr durchgeführt werden, sondern vielmehr können die Daten direkt zur gewünschten Wärmestromverteilung zusammengesetzt werden. Die Verwendung von Pelletier-Elementen als Temperierelemente ist eine besonders einfache und kostengünstige Ausgestaltungsform, um die gewünschte Einflussnahme auf die Temperatur in nachvollziehbarer Weise und insbesondere in überwachbarer Weise hinsichtlich der notwendigen Leistungsaufnahme für die Temperierfunktionalität zur Verfügung stellen zu können.
-
Weiter von Vorteil ist es, wenn bei einer erfindungsgemäßen Messvorrichtung die Regelschicht Temperiermessvorrichtungen aufweist für die Messung der Temperierelementtemperatur. Während die Regelmessvorrichtung die Regeltemperatur zwischen der Kontaktschicht und der Regelschicht bestimmt, kann mit einer solchen Temperierelementvorrichtung insbesondere die Gesamttemperatur des jeweiligen Temperierelementes bestimmt werden. Dies ist insbesondere die Kerntemperatur des jeweiligen Temperierelementes. Auch kann eine solche Temperiermessvorrichtung mehrere Temperiermessstellen aufweisen, um entsprechend den Verlauf der Temperierelementtemperatur über die Ausrichtung des jeweiligen Wärmestroms aufnehmen zu können. Damit kann alternativ zu der Regelmessvorrichtung und der Regeltemperatur die Temperierelementtemperatur für die konstante Regelung der Temperierelemente herangezogen werden.
-
Von Vorteil ist es darüber hinaus, wenn bei einer erfindungsgemäßen Messvorrichtung die Kontrolleinheit ausgebildet ist, die Regeltemperatur und/oder die Temperierelementtemperatur der wenigstens zwei Temperierelemente konstant oder im Wesentlichen konstant zu halten. Wie bereits erläutert worden ist, kann anhand der unterschiedlichen Leistungsaufnahme für diese Aufgabe des Konstanthaltens ein Rückschluss gezogen werden, wie groß der aktuelle Wärmestrom ist, welcher diesem Konstanthalten sozusagen entgegenwirkt. Dabei kann die Leistungsaufnahme mit der Kontrolleinheit sowohl hinsichtlich der Stromzufuhr für eine Abnahme oder eine Zunahme der jeweiligen Temperatur der Temperierelemente eingesetzt werden. Es kann also ein Kühlen genauso wie ein Heizen durch die Temperierelemente mithilfe der Kontrolleinheit durchgeführt werden.
-
Darüber hinaus ist es von Vorteil, wenn bei einer erfindungsgemäßen Messvorrichtung die Kontaktschicht wenigstens vier matrixförmig angeordnete Messelemente aufweist, wobei die Regelschicht die gleiche Anzahl an Temperierelementen aufweist, welche in identischer oder im Wesentlichen identischer matrixförmiger Art angeordnet sind. Eine matrixförmige Anordnung erlaubt eine besonders einfache und flexible Aufteilung in örtlicher Weise für die Messelemente und die Temperierelemente. Je größer die Anzahl der jeweiligen Elemente gewählt wird, umso feiner kann anschließend die Wärmestromverteilung örtlich aufgelöst werden. Eine matrixförmige Anordnung erlaubt dabei zum einen eine besonders einfache und kostengünstige Verkabelung, zum anderen eine besonders einfache und vor allem aussagekräftige Auswertung der ermittelten Wärmestromverteilung.
-
Vorteilhaft ist es darüber hinaus, wenn bei einer erfindungsgemäßen Messvorrichtung die Messelemente und/oder die Temperierelemente einen rechteckigen Querschnitt mit Bezug auf die Durchströmungsrichtung der Wärme vom Bauteil zur Kühlschicht aufweisen. Dies führt dementsprechend zu geraden Seitenkanten der Messelemente und/oder der Temperierelemente, so dass im Wesentlichen ohne jeglichen Spalt zwischen den einzelnen Elementen diese nebeneinander anordenbar sind. Dies führt zum einen zur Vermeidung von Wärmebrücken bzw. unerwünschten Wärmehindernissen, welche die homogene Abfuhr der Wärme vom Bauteil verhindern würden. Zum anderen wird auf diese Weise eine akkuratere Ermittlung der Wärmestromverteilung möglich, so dass die Aussagekraft der erfassten Daten noch weiter gesteigert werden kann.
-
Ebenfalls Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren für die Bestimmung einer Wärmestromverteilung bei der Kühlung eines Bauteils, insbesondere mithilfe einer erfindungsgemäßen Messvorrichtung, aufweisend die folgenden Schritte:
- – Bestimmen von Kontakttemperaturen zwischen wenigstens zwei Messelementen einer Kontaktschicht der Messvorrichtung und dem Bauteil,
- – Bestimmen von Regeltemperaturen zwischen der Kontaktschicht und einer Regelschicht der Messvorrichtung,
- – Konstanthalten der Regeltemperatur mittels wenigstens zwei Temperierelementen der Regelschicht,
- – Ermitteln der Wärmestromverteilung durch die Messvorrichtung hindurch auf Basis der Temperaturdifferenz zwischen den Regeltemperaturen und den Kontakttemperaturen,
- – Ermitteln der Wärmestromverteilung durch die Messvorrichtung hindurch auf Basis der Leistungsaufnahme der wenigstens zwei Temperierelemente.
-
Durch die Verwendung einer vorzugsweise erfindungsgemäßen Messvorrichtung bringt ein erfindungsgemäßes Verfahren die gleichen Vorteile mit sich, wie sie ausführlich mit Bezug zur erfindungsgemäßen Messvorrichtung erläutert worden sind. Die beiden Schritte der Bestimmung der Kontakttemperaturen und der Regeltemperaturen beziehen sich dabei insbesondere auf ein Messen der jeweiligen Temperatur. Unter den Schritten der Ermittlung der jeweiligen Wärmestromverteilung ist insbesondere ein zumindest zum Teil mathematischer Zusammenhang zu verstehen, welcher die einzelnen gemessenen Basisparameter miteinander in entsprechende physikalische Beziehung setzt.
-
Ein erfindungsgemäßes Verfahren lässt sich dahingehend weiterbilden, dass es die folgenden Schritte aufweist:
- – Überwachen der Kontakttemperatur und/oder der Regeltemperatur,
- – Erkennen eines Betriebszustandes des Bauteils,
- – Beginnen der Schritte des Konstanthaltens, der beiden Ermittlungen nach der Erkennung des Betriebszustandes.
Dies führt zu einer Variation des Verfahrens, welche sozusagen den Anlauf des gesamten Testzyklus überbrückt. Es wird also abgewartet, bis sich ein stationärer bzw. ein quasi stationärer Zustand nach dem Ende der Aufheizphase des Bauteils einstellt. Erst zu diesem Zeitpunkt beginnt die jeweilige Temperiervorrichtung mit der Aufgabe, die Temperierelementtemperatur bzw. die Regeltemperatur konstant zu halten. Dies führt dazu, dass besonders kleine und einfache Temperierelemente, wie die bereits erläuterten Pelletier-Elemente eingesetzt werden können, da für das Konstanthalten nur eine geringe Einflussnahme mit entsprechend geringerer Leistung von Nöten ist.
-
Ebenfalls von Vorteil kann es sein, wenn bei einem erfindungsgemäßen Verfahren die folgenden Schritte ausgeführt werden:
- – Bestimmen einer Eingangstemperatur eines Kühlmittels in eine Kühlschicht der Messvorrichtung,
- – Bestimmen einer Ausgangstemperatur des Kühlmittels aus der Kühlschicht,
- – Ermitteln eines Gesamtwärmestroms auf Basis der Eingangstemperatur und der Ausgangstemperatur.
-
Dieser Gesamtwärmestrom muss jedoch noch zusätzlich in Beziehung gesetzt werden mit dem eingebrachten Wärmestrom durch das Konstanthalten mithilfe der Temperierelemente. Dies kann sowohl mit positiven, als auch mit negativen Vorzeichen geschehen, da mithilfe der Temperierelemente sowohl eine Kühlfunktion, als auch eine Heizfunktion durchgeführt werden kann. Der Gesamtwärmestrom kann darüber hinaus zusätzlich als Verifikationsmöglichkeit dienen, um den tatsächlichen Aussagegehalt der einzelnen Werte der Wärmestromverteilung sozusagen als Summenfunktion hinsichtlich ihres Wahrheitsgehalts überprüfen zu können.
-
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung im Einzelnen beschrieben sind. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein. Es zeigen schematisch:
-
1 eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Messvorrichtung,
-
2 die Ausführungsform der 1 in schematischer Draufsicht,
-
3 eine schematische Darstellung eines Temperaturverlaufs durch eine Ausführungsform gemäß der 1 und 2 von oben nach unten.
-
1 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Messvorrichtung 10, welche mit einer Kontaktschicht 20, einer Regelschicht 30 und einer Kühlschicht 40 ausgestattet ist. In der schematischen Darstellung gemäß 1 sind zur besseren Übersichtlichkeit Abstände zwischen den einzelnen Schichten 20, 30 und 40 dargestellt. In der realen Umsetzung dieser Messvorrichtung 10 sind diese Abstände selbstverständlich nicht vorhanden, da die Kontaktschicht 20, die Regelschicht 30 und die Kühlschicht 40 mit der jeweils benachbarten Schicht bzw. mit dem Bauteil 100 an dessen Messoberfläche 110 in wärmeübertragender Kontaktierung stehen.
-
In der Links/Rechts-Ausrichtung finden sich bei dieser Ausführungsform in der Schnittdarstellung in der Kontaktschicht 20 entsprechend drei Messelemente 22 und mit deren örtlicher Positionierung korrelierend auch drei Temperierelemente 32 in der Regelschicht 30. In der Kontaktschicht 20 sind entsprechend für jedes Messelement 22 Kontaktmessvorrichtungen 22a und Regelmessvorrichtungen 22b vorgesehen. In gleicher Weise kann hier optional eingezeichnet eine Überwachung der Temperierelementtemperatur TT mithilfe von entsprechenden Temperiermessvorrichtungen 32a für jedes der drei Temperierelemente 32 durchgeführt werden.
-
In der Kühlschicht 40 läuft Kühlmittel 42 insbesondere in flüssiger Form durch einen entsprechenden Kanal zur Abfuhr der eingebrachten Wärme. Um die Gesamtmenge des abgeführten Wärmestroms überwachen zu können, ist eine entsprechende Eingangsmessvorrichtung 44 zur Überwachung der Eingangstemperatur ET des Kühlmittels 42 sowie eine Ausgangsmessvorrichtung 46 zur Überwachung der Ausgangstemperatur AT des Kühlmittels 42 vorgesehen. Um den Gesamtbezug auch mathematisch herstellen zu können, ist noch eine Durchflussmessvorrichtung 48 vorgesehen, um den Bezug zum Massenstrom des Kühlmittels 42 erzeugen zu können.
-
2 zeigt in schematischer Draufsicht eine matrixförmige Anordnung der einzelnen Messelemente 22 bzw. der einzelnen Temperierelemente 32 zueinander. Dabei handelt es sich in dieser Draufsicht um eine identische Darstellung hinsichtlich der Kontaktschicht 20 und der Regelschicht 30.
-
In 3 ist dargestellt, wie sich ein Temperaturverlauf vom Bauteil 100 nach unten in die Kühlschicht 40 darstellen kann. Dabei ist die Temperatur T von links nach rechts ansteigend aufgetragen. Ein heißes Bauteil 100 weist entsprechend eine Kontakttemperatur KT zur Kontaktschicht 20 auf. In Abhängigkeit des Wärmeleitwiderstandes innerhalb der Kontaktschicht 20 wird die Wärme aus dem Bauteil 100 nach unten abgetragen, so dass entsprechend die Temperatur über den Verlauf der Kontaktschicht 20 bis auf die Regeltemperatur RT abnimmt. Durch die Einflussnahme mithilfe der Temperierelemente 32 wird die Regeltemperatur RT und damit auch die Temperierelementtemperatur TT in der Regelschicht 30 möglichst konstant gehalten. Abschließend erfolgt eine deutliche Abnahme der Temperatur in der Kühlschicht 40, da exakt dort mithilfe des Kühlmittels 42 die abgegebene Wärme aufgenommen und mit dem Kühlmittel 42 abtransportiert wird.
-
Die voranstehende Erläuterung der Ausführungsformen beschreibt die vorliegende Erfindung ausschließlich im Rahmen von Beispielen. Selbstverständlich können einzelne Merkmale der Ausführungsformen, sofern technisch sinnvoll, frei miteinander kombiniert werden, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
