DE102016210198A1

DE102016210198A1 - Kühlung von Bauteilen mit einem Druckstoßerzeuger zur Ausbildung einer turbulenten Kühlmittelströmung

Info

Publication number: DE102016210198A1
Application number: DE102016210198.6A
Authority: DE
Inventors: Michael Kohr; Michael Fügl; Manuel Schwab
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2016-06-09
Filing date: 2016-06-09
Publication date: 2017-12-14

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Kühlvorrichtung zur Kühlung eines Bauteils (1) mit einem Kühlmittel, aufweisend eine von dem Kühlmittel durchströmbare Kühlstruktur zur Abgabe oder Aufnahme von Wärme des Bauteils (1). Sie betrifft auch eine Kraftfahrzeugaggregatkühlvorrichtung, ein Leistungselektronikmodul sowie einen Wechselrichter mit einer solchen Kühlvorrichtung, sowie ein Verfahren zur Kühlung eines Leistungselektronikmoduls zum Betreiben einer E-Maschine. Dabei ist ein Druckstoßerzeuger (5, 5A, 5B) vorgesehen, mittels dessen Druckstöße (6) dem innerhalb der Kühlstruktur befindlichen Kühlmittel aufprägbar sind, sodass dieses zumindest innerhalb der Kühlstruktur eine turbulente Strömung ausbildet.

Description

Die Erfindung betrifft eine Kühlvorrichtung zur Kühlung eines Bauteils mit einem Kühlmittel, aufweisend eine von dem Kühlmittel durchströmbare Kühlstruktur zur Abgabe oder Aufnahme von Wärme des Bauteils. Sie betrifft auch eine Kraftfahrzeugaggregatkühlvorrichtung, ein Leistungselektronikmodul sowie einen Wechselrichter, sowie ein Verfahren zur Kühlung eines Leistungselektronikmoduls zum Betreiben einer E-Maschine.
Kühlvorrichtungen zur Kühlung wärmeabgebender Bauteile durch Abtransport der Wärme mittels eines Kühlmittels sind bekannt und weit verbreitet. Das zu kühlende Bauteil dient hierbei als Wärmequelle. Im Bereich des Bauteils ist eine von dem Kühlmittel durchströmte Kühlstruktur vorgesehen, wo es Wärme von dem Bauteil aufnehmen kann. Von dort wird das Kühlmittel zu einer weiteren Kühlstruktur geleitet, wo es die Wärme wieder abgeben kann, also zu einer Wärmesenke, wie beispielsweise einem Wärmetauscher. In einem Kühlkreislauf kann das abgekühlte Kühlmittel anschließend wieder zurück zur Kühlstruktur am Bauteil geführt werden.
Es ist bekannt, dass turbulente Kühlmittelströmungen einen besseren Wärmeaustausch ermöglichen, als laminare Kühlmittelströmungen. In Kühlstrukturen werden daher turbulente Strömungen bevorzugt. Eine turbulente Strömung ist durch ein meist dreidimensionales Strömungsfeld gekennzeichnet, mit einer zeitlich und räumlich scheinbar zufällig variierenden Komponente. Demgegenüber ist eine laminare Strömung durch Strömungsschichten gekennzeichnet, die sich nicht oder nur unwesentlich miteinander vermischen.
Zur Kühlung von Elektronikbauteilen ist es bekannt, von Kühlmittel umströmte Oberflächen mit einer so genannten Pin-Fin-Struktur auszustatten. Durch diese wird einerseits die effektiv wärmeübertragende Oberfläche deutlich vergrößert, andererseits ergeben sich dadurch eine Vielzahl von Wirbel im Kühlmittelstrom und somit eine turbulente Kühlmittelströmung.
Eine Bauteilsteifigkeit zum Halten der Pin-Fin-Struktur muss allerdings relativ groß sein. Des Weiteren sind die Herstellkosten der Pin-Fin-Struktur relativ hoch. Kühlstrukturen mit linearen, rohrartigen Kühlkanälen mit gleichmäßigem Querschnitt können zwar kostengünstig hergestellt werden, sie führen bei einem niedrigen und gleichmäßigen Kühlmittelvolumenstrom jedoch zu einer laminaren Strömung.
Druckstöße sind in Rohrleitungen oder vergleichbaren Fluidsystemen, wie Kühlstrukturen, unerwünscht, da sie zu Schäden an den Rohrleitungen und den darin befindlichen Bauteilen, wie beispielsweise Armaturen, führen können. Außerdem können sie Geräusche verursachen. Es werden daher Maßnahmen getroffen, dass Druckstöße in Kühlsystemen nicht auftreten oder zumindest stark abgeschwächt werden. Allenfalls zu Reinigungszwecken werden Druckstöße gezielt eingesetzt, wie beispielsweise in so genannten Ultraschallbädern oder, wie aus der WO 2015/090498 A1 bekannt, in einem Abgasrückführungssystem.
Aufgabe der Erfindung ist es, die Kühlwirkung einer Kühlvorrichtung zu verbessern.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der Hautpansprüche gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind den Unteransprüchen entnehmbar.
Demnach wird eine Kühlvorrichtung zur Kühlung eines Bauteils mit einem Kühlmittel vorgeschlagen. Es wird ebenfalls eine entsprechend ausgeführte Kraftfahrzeugaggregatkühlvorrichtung, sowie ein Leistungselektronikmodul und ein Wechselrichter mit einer solchen Kühlvorrichtung vorgeschlagen. Und es wird ein Verfahren zu Kühlung eines Leistungselektronikmoduls zum Betreiben einer E-Maschine mit einer solchen Kühlvorrichtung vorgeschlagen.
Die Erfindung basiert darauf, dass mittels eines Druckstoßerzeugers gezielt Druckstöße dem innerhalb einer Kühlstruktur der Kühlvorrichtung befindlichen Kühlmittel aufgeprägt werden, sodass dieses zumindest innerhalb der Kühlstruktur eine turbulente Strömung ausbildet. Selbst wenn innerhalb der Kühlstruktur unter normalen Umständen (bedingt durch die dafür ausschlaggebenden Randbedingungen, wie insbesondere Viskosität des Kühlmittels und Innengeometrie der Kühlstruktur) eine laminare Kühlmittelströmung vorliegen würde, stellt der Druckstoßerzeuger demnach sicher, dass eine turbulente Kühlmittelströmung vorherrscht.
Dadurch ist die Wärmeübertragung zwischen Kühlmittel und Kühlstruktur deutlich verbessert – und zwar in beide Richtungen, nämlich von der Kühlstruktur auf das Kühlmittel sowie von dem Kühlmittel auf die Kühlstruktur. Die Erfindung kann daher sowohl in einer aus Sicht des Kühlmittels als Wärmesenke dienen Kühlstruktur eingesetzt werden, als auch in einer aus Sicht des Kühlmittels als Wärmequelle dienen Kühlstruktur. Die Kühlstruktur kann somit sehr einfach ausgeführt sein, beispielsweise in Form eines oder mehrerer Rohre bzw. Rohrbündel, da die Geometrie der Kühlstruktur selbst nicht speziell zur Erzeugung der turbulenten Kühlmittelströmung ausgeführt sein muss. Ebenso kann eine leistungsschwächere Kühlmittelpumpe oder dergleichen eingesetzt werden, da diese ebenfalls nicht speziell zur Erzeugung der turbulenten Kühlmittelströmung ausgeführt sein muss. Durch den Druckstoßerzeuger kann gezielt an denjenigen Stellen der Kühlvorrichtung eine turbulente Kühlmittelströmung erzeugt werden, an der sie zur Wärmeübertragung dienlich ist.
Wie eingangs bereits erläutert wird unter einer turbulenten Strömung insbesondere eine Strömung verstanden, die durch ein meist dreidimensionales Strömungsfeld gekennzeichnet ist, mit einer zeitlich und räumlich scheinbar zufällig variierenden Komponente. Demgegenüber wird unter einer laminaren Strömung insbesondere eine Strömung verstanden, die durch sich nicht oder nur unwesentlich miteinander vermischende Strömungsschichten gekennzeichnet ist. Bei den mittels des Druckstoßerzeugers erzeugten Druckstößen im Kühlmittel handelt es sich insbesondere um Longitudinalwellen, je auch Wasserhammer oder Joukowskistoß genannt.
Insbesondere direkt stromab der Kühlstruktur oder an anderen weiter stromab befindlichen Stellen kann dann auch ein Druckstoßabsorber angeordnet sein. Dieser nimmt die Druckstöße des Druckstoßerzeugers dämpfend auf. Somit kann verhindert werden, dass die vom Druckstoßerzeuger in die Kühlstruktur bzw. einen Kühlkreislauf eingeleiteten Druckstöße weitergeleitet werden und daraus Schäden oder Geräusche entstehen können. Der Druckerzeuger befindet sich insbesondere innerhalb der Kühlstruktur oder er befindet sich stromauf der Kühlstruktur, insbesondere unmittelbar stromauf der Kühlstruktur.
Die vorgeschlagene Kühlvorrichtung dient also zur Kühlung eines Bauteils mit einem Kühlmittel. Die Kühlvorrichtung weist eine von dem Kühlmittel durchströmbare Kühlstruktur zur Abgabe oder Aufnahme von Wärme des Bauteils auf. Die Kühlstruktur dient somit aus Sicht des Kühlmittels entweder als Wärmequelle oder Wärmesenke. Die Kühlvorrichtung weist zudem den Druckstoßerzeuger auf, mittels dessen Druckstöße dem innerhalb der Kühlstruktur befindlichen Kühlmittel aufprägbar sind, sodass dieses zumindest innerhalb der Kühlstruktur eine turbulente Kühlmittelströmung ausbildet.
Der Druckerzeuger arbeitet bevorzugt getaktet. Somit werden getaktet Druckstöße, also Druckimpulse, dem Kühlmittel aufgeprägt. Die Strömung ist somit zumindest temporär turbulent. Eine Taktung der Druckstöße kann beispielsweise größer 10 Hz sein. Die Frequenz und/oder die Amplitude der Druckstöße können gleichbleibend sein. Sie können einzeln oder gemeinsam (Frequenz, Amplitude) jedoch auch veränderlich sein und beispielsweise an äußere Umstände, wie insbesondere eine Kühlmitteltemperatur bzw. Kühlmittelviskosität angepasst werden. Sie können einzeln oder gemeinsam auch zeitlich variiert werden. So kann auch eine durch die Druckstöße in das Kühlmittel eingebrachte Leistung verändert werden.
Durch den Druckerzeuger wird der Druck bzw. Volumenstrom des Kühlmittels also dynamisch variiert. Der Druck bzw. Volumenstrom ist direkt abhängig von der Strömungsgeschwindigkeit innerhalb der Kühlstruktur. Die druckstoßbedingte dynamische Druck- bzw. Volumenstromänderung führt zu Druckwellen innerhalb der Kühlstruktur. Diese führen zur turbulenten Strömungen in der Kühlstruktur. Der Wärmeübergangswiderstand von Kühlstruktur zum Kühlmedium wird dadurch erheblich minimiert, und die Kühlleistung wird deutlich verbessert.
Bei dem Kühlmittel (Kühlfluid) handelt es sich insbesondere um eine Kühlflüssigkeit. Somit sind die Druckstöße durch die geringere Kompressibilität einer Flüssigkeit im Vergleich zu einem gasförmigen Kühlmittel einfacher in das Kühlmittel einbringbar.
Die Kühlstruktur kann insbesondere ein Wärmetauscher sein. Die Kühlstruktur kann insbesondere an dem zu kühlenden bzw. wärmeabgebenden Bauteil (direkt) angeordnet oder darin integriert sein, zur Aufnahme von Wärme des Bauteils. Die Kühlstruktur kann somit aus Sicht des Kühlmittels als Wärmequelle dienen. Die Kühlstruktur kann alternativ auch von dem Bauteil beabstandet sein, zur Abgabe von aufgenommener Wärme des Bauteils. Die Kühlstruktur kann somit aus Sicht des Kühlmittels als Wärmesenke dienen.
Bevorzugt weist der Druckstoßerzeuger einen auf das Kühlmittel wirkenden Aktor auf. Hierbei kann es sich insbesondere um einen Piezoaktor oder einen Elektromagneten handeln. Der Aktor kann dann insbesondere über ein bewegliches Kolbenelement verfügen, welches Kühlmittel verdrängen kann, um bei einer Bewegung des Kolbenelements einen Druckstoß in das Kühlmittel einzuleiten. Der Aktor kann auch an einer Wandung, wie beispielsweise einer Gehäusewandung, innerhalb der Kühlvorrichtung angeordnet sein und auf die Wandung wirken, sodass diese bei Betätigung des Aktors einen Druckstoß in das Kühlmittel einleitet. Dazu kann die Wandung bzw. das Kolbenelement beispielsweise in Schwingungen versetzt werden.
Bevorzugt weist der Druckstoßerzeuger alternativ oder zusätzlich ein Ventil auf, das einen Kühlmittelstrom durch die Kühlstruktur bestimmt. Durch das Ventil ist somit der durch die Kühlstruktur strömende Volumenstrom von Kühlmittel einstellbar. Beispielsweise kann der Kühlmittelstrom durch die Kühlstruktur kurzzeitig bzw. schlagartig abgestellt oder herabgesetzt werden und anschließend wieder hergestellt bzw. angehoben werden, um den Druckstoß in das Kühlmittel einzuleiten. Bei dem Ventil kann es sich somit insbesondere um ein Absperrventil handeln. Somit sind einfach Druckstöße erzeugbar.
Bevorzugt weist der Druckstoßerzeuger einen Bypass der Kühlstruktur sowie ein Bypassventil auf. Das Bypassventil ist dazu ausgebildet, zumindest einen Teil des Kühlmittels abwechselnd durch die Kühlstruktur und durch den Bypass zu leiten. Der Bypass dient also zum Vorbeileiten zumindest eines Teils des Kühlmittelstroms an der Kühlstruktur vorbei. Der Bypass ist strömungstechnisch also parallel zu der Kühlstruktur geschaltet. Durch das Bypassventil kann insbesondere bestimmt werden, wie groß der Anteil des Kühlmittelstroms einerseits durch den Bypass und andererseits durch die Kühlstruktur ist. Das Bypassventil bewirkt also, dass zumindest ein Teil des Kühlmittelstroms alternierend einmal durch die Kühlstruktur und ein anderes Mal durch den Bypass geleitet wird. Temporär fließt das Kühlmittel also durch den Bypass und abwechselnd dazu durch die Kühlstruktur. Zur Erzeugung der Druckstöße wird das Bypassventil ausreichend schnell betätigt, sodass sich die Aufteilung des Volumenstroms durch den Bypass und durch die Kühlstruktur plötzlich ändert. Somit werden einfach entsprechende Druckstöße erzeugt.
Es kann hierbei vorgesehen sein, dass ein Grund(volumen)strom an Kühlmittel ständig durch die Kühlstruktur geleitet wird und die Druckstöße durch Umleitung lediglich eines Teils des Kühlmittelstroms zu dem Bypass erzeugt werden. Alternativ kann vorgesehen sein, dass der gesamte Kühlmittelstrom alternierend durch die Kühlstruktur und den Bypass geleitet wird.
Alternativ oder zusätzlich kann eine Pumpe zum Pumpen des Kühlmittels durch die Kühlstruktur vorgesehen sein, wobei die Pumpe als Druckstoßerzeuger dient, also entsprechend ausgebildet oder betrieben wird. Hierbei kann die Pumpe mechanisch dazu ausgebildet sein, Druckstöße in das Kühlmittel einzuleiten, beispielsweise durch entsprechende Klappen und/oder Flügelzellen. Die Pumpe kann auch entsprechend getaktet bzw. pulsierend betrieben werden, um die Druckstöße zu erzeugen. Beispielsweise kann bei einer elektromotorisch betriebenen Pumpe der dem elektrischen Pumpenmotor zugeführte elektrische Strom und/oder Spannung und/oder Leistung entsprechend der gewünschten Taktung der Druckstöße variiert werden.
Die vorgeschlagene Kraftfahrzeugaggregatkühlvorrichtung dient zur Kühlung eines im Betrieb wärmeabgebenden Kraftfahrzeugaggregats, wobei die Kühlvorrichtung wie die obig vorgeschlagene Kühlvorrichtung ausgebildet ist, also mit dem Druckstoßerzeuger zur Erzeugung von Druckstößen in das Kühlmittel in der Kühlstruktur. Bei dem Kraftfahrzeugaggregat kann es sich beispielsweise um einen Antriebsmotor, wie einen Verbrennungsmotor oder einen Elektromotor eines Kraftfahrzeugs handeln oder eine Ansteuerungsvorrichtung für den Antriebsmotor, wie beispielsweise ein Steuergerät oder ein Wechselrichter. Oder es kann sich um ein Getriebe oder einen Akkumulator eines Kraftfahrzeugs handeln.
Das vorgeschlagene Leistungselektronikmodul dient zum Betreiben einer E-Maschine. Insbesondere handelt es sich um ein Kraftfahrzeugleistungselektronikmodul zum Betreiben einer Traktionselektromaschine, wie beispielsweise einer zum Vortrieb des Kraftfahrzeugs genutzten Synchron- oder Asynchronmaschine. Das Leistungselektronikmodul ist aufweisend Leistungselektronikelemente, wie insbesondere elektrische Leistungshalbleiterschalter und/oder Dioden, sowie eine Kühlvorrichtung zur Kühlung der Leistungselektronikelemente. Die Kühlvorrichtung ist hierbei wie die obig vorgeschlagene Kühlvorrichtung ausgebildet.
Der ebenfalls vorgeschlagene Wechselrichter dient zum Betreiben einer E-Maschine, insbesondere einer Traktionselektromaschine, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, wie beispielsweise einer zum Vortrieb eines Kraftfahrzeugs genutzten Synchron- oder Asynchronmaschine. Der Wechselrichter dient somit zum Zuführen elektrischer Energie an die E-Maschine zum Betrieb der E-Maschine. Hierzu wandelt der Wechselrichter einen Gleichstrom, beispielsweise aus einer Batterie, in einen (quasi) Wechselstrom zum Betreiben der E-Maschine um. Ein solcher Wechselrichter kann beispielsweise auch als AC-DC-Wandler bezeichnet werden.
Der Wechselrichter weist eine Kühlvorrichtung zur Kühlung von Bauteilen des Wechselrichters mit einem Kühlmittel auf. Er weist außerdem ein von der Kühlvorrichtung kühlbares Leistungselektronikmodul, aufweisend zumindest Leistungshalbleiterschalter auf, sowie einen von der Kühlvorrichtung kühlbaren elektrischen Kondensator. Auch hier ist die Kühlvorrichtung wie die obig vorgeschlagene Kühlvorrichtung ausgebildet.
Insbesondere dient der Druckstoßerzeuger zur Erzeugung von Druckstößen in einer Kühlstruktur für das Leistungselektronikmodul. Ein solches Leistungselektronikmodul ist in einem Wechselrichter meist thermisch am stärksten beanspruch, weshalb die Kühlung dort besonders effektiv sein sollte, was durch den Druckstoßerzeuger erzielbar ist.
Bevorzugt ist der Druckstoßerzeuger strömungstechnisch zwischen einer Kühlstruktur für das Leistungselektronikmodul und einer Kühlstruktur für den Kondensator angeordnet. Er ist somit nicht unmittelbar in der Kühlstruktur für das Leistungselektronikmodul vorgesehen, sondern stromauf davon.
In dem Wechselrichter können optional von der Kühlvorrichtung kühlbare Stromschienen, auch Busbars genannt, vorgesehen sein. Diese leiten relativ hohe elektrische Ströme und können daher ebenfalls eine nicht unbeträchtliche Wärmeleistung abgeben. Daher kann es vorteilhaft sein, diese ebenfalls mittels der Kühlvorrichtung aktiv zu kühlen. Der Druckstoßerzeuger kann dann optional strömungstechnisch zwischen dem Leistungselektronikmodul und den Stromschienen angeordnet sein.
Das vorgeschlagene Verfahren dient zu Kühlung eines Leistungselektronikmoduls zum Betreiben einer E-Maschine, insbesondere einer Traktionselektromaschine, wie beispielsweise einer zum Vortrieb eines Kraftfahrzeugs genutzten Synchron- oder Asynchronmaschine. Dabei verfügt das Leistungselektronikmodul eine Kühlvorrichtung zur Kühlung des Leistungselektronikmoduls mit einem Kühlmittel auf, also insbesondere die obig vorgeschlagene Kühlvorrichtung. Die Kühlvorrichtung ist aufweisend eine von dem Kühlmittel durchströmte Kühlstruktur, wobei dem innerhalb der Kühlstruktur befindlichen Kühlmittel Druckstöße von einem Druckstoßerzeuger aufgeprägt werden, sodass das Kühlmittel innerhalb der Kühlstruktur eine turbulente Strömung bildet. Hieraus ergeben sich die oben genannten Vorteile.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Figuren näher erläutert, aus welchen weitere bevorzugte Ausführungsformen und Merkmale der Erfindung entnehmbar sind. Die Figuren zeigen jeweils in schematischer Darstellung:
1 eine Kühlvorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform,
2 eine Kühlvorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform,
3 eine Kühlvorrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform.
In den Figuren sind gleiche oder zumindest funktionsgleiche Elemente (Bauteile etc.) mit gleichen Bezugszeichen versehen. In den Figuren ist ein Kühlmittelvolumenstrom durch eine Kühlvorrichtung durch Pfeile sinnbildlich dargestellt. Die Richtung, in der die Pfeile weisen, gibt die Hauptströmungsrichtung des Kühlmittels an. Die Pfeile können auch als Kühlmittelleitungen, beispielsweise Rohre oder Schläuche, verstanden werden, welche das Kühlmittel führen.
1 zeigt eine erste bevorzugte Ausführungsform einer Kühlvorrichtung. Beispielhaft handelt es sich hierbei um eine Kühlvorrichtung eines Wechselrichters, wie er insbesondere in einem Kraftfahrzeug zum Betreiben einer Traktionselektromaschine, wie insbesondere einer Synchron- oder Asynchronmaschine eingesetzt wird. Die Kühlvorrichtung an sich kann allerdings beliebig anderweitig eingesetzt werden.
Die Kühlvorrichtung dient zur Kühlung von Bauteilen 1, 2, 3, vorliegend beispielhaft von im Betrieb wärmeabgebenden Bauteilen 1, 2, 3 des Wechselrichters. Ein solches Bauteil ist insbesondere ein Leistungselektronikmodul 1, aufweisend einen oder mehrere Leistungshalbleiterschalter, wie insbesondere MOSFETs oder IGBTs. Außerdem kann die Kühlvorrichtung zur Kühlung eines elektrischen Kondensators 2 genutzt werden. Und die Kühlvorrichtung kann auch optional zur Kühlung einer Stromschiene 3 genutzt werden. Die Kühlvorrichtung kann auch dazu ausgeführt sein, lediglich eines oder einige der Bauteile 1, 2, 3 zu kühlen, oder gänzlich anderer Bauteile des Wechselrichters. Ein Gehäuse des Wechselrichters ist in 1 durch einen gestrichelten Rahmen verdeutlicht.
Der Wechselrichter aus 1 dient insbesondere zum Betreiben einer E-Maschine, also zum Zuführen elektrischer Energie zum Betrieb der E-Maschine. Bei der E-Maschine handelt es sich dann bevorzugt um eine Traktionselektromaschine, also eine E-Maschine zur Bereitstellung eines Antriebsdrehmoments für ein Kraftfahrzeug mit einem elektrischen Fahrzeugantrieb, wie insbesondere eines E-Fahrzeugs oder eines Hybridfahrzeugs. Der Wechselrichter ist dann Teil des elektrischen Fahrzeugantriebs.
Die Kühlvorrichtung fördert die von den Bauteilen 1, 2, 3 aufgenommene Wärme zu einer Wärmesenke 4, wie insbesondere ein Wärmetauscher. Als Kühlmittel kommt in der Kühlvorrichtung bevorzugt eine Kühlflüssigkeit zum Einsatz. Die Wärmesenke 4 ist demnach insbesondere als Luft-/Flüssigkeitswärmetauscher ausgeführt. Von dort kann das Kühlmittel zurück zu den wärmeabgebenden Bauteilen 1, 2, 3 geführt werden. Vorzugsweise ist die Kühlvorrichtung daher als Kühlmittelkreislauf ausgeführt. Ein Kühlmittelreservoir ist dann bevorzugt an einer geeigneten Stelle im Kühlmittelkreislauf vorgesehen.
Die Bauteile 1, 2, 3, 4 verfügen über entsprechende Kühlstrukturen um ein Wärmeaustausch zwischen dem eigentlichen Bauteil 1, 2, 3, 4 und dem zum Wärmetransport genutzten Kühlmittel zu ermöglichen. Beispielsweise sind entsprechende Leitungen bzw. Innenräume als Kühlstruktur in den Bauteilen 1, 2, 3, 4 vorgesehen.
Die Förderung des Kühlmittels innerhalb der Kühlvorrichtung erfolgt bevorzugt durch eine Pumpe. Diese kann beispielsweise in eines der Bauteile 1, 2, 3, 4 integriert sein oder sie kann eigenständig sein. Alternativ dazu erfolgt die Förderung selbständig durch Konvektion. In diesem Fall ist die Wärmesenke 4 an einer höheren Stelle in der Kühlvorrichtung angeordnet, als die Kühlstrukturen der wärmeabgebenden Bauteile 1, 2, 3.
Damit die Wärmeübertragung vom Bauteil 1, hier also beispielhaft dem Leistungselektronikmodul 1, auf das Kühlmittel innerhalb der dem Bauteil 1 zugehörigen Kühlstruktur erfolgt, durchströmt das Kühlmittel die Kühlstruktur vorzugsweise in Form einer turbulenten Strömung. Diese wird durch eine niedrige Viskosität und eine hohe Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmittels sowie durch eine entsprechende Geometrie der Kühlstruktur begünstigt.
Hohe Strömungsgeschwindigkeiten bedürfen einer entsprechend hohen Pumpenleistung bzw. sind bei einem Kühlmittelfluss durch Konvention nahezu ausgeschlossen. Eine speziell zur Erzeugung einer turbulenten Strömung ausgebildete Kühlstruktur ist kostenintensiver als eine einfach hergestellte Kühlstruktur, bei der auf die Ausbildung einer turbulenten Strömung nicht geachtet werden muss. Hohe Pumpenleistungen sind ebenfalls mit entsprechenden Nachteilen, wie beispielsweise höherer Energiebedarf oder höheren Bauteilkosten, verbunden.
Es wird daher vorgeschlagen, einen Druckstoßerzeuger 5 vorzusehen, der gezielt im Bereich derjenigen Stellen der Kühlvorrichtung bzw. des Kühlmittelkreislaufs eine turbulente Kühlmittelströmung erzeugt, wo sie zur Wärmeübertragung benötigt wird. Dies ist insbesondere im Bereich der Bauteile 1, 2, 3, 4 der Fall. Im Bereich von Kühlmittelleitungen zwischen den Bauteilen 1, 2, 3, 4, wie beispielsweise Rohr- oder Schlauchleitungen, ist hingegen keine turbulente Strömung erforderlich. Mittels eines solchen Druckstoßerzeugers 5 sind dem Kühlmittel innerhalb der jeweiligen Kühlstruktur Druckstöße aufprägbar, sodass sich durch diese zumindest innerhalb dieser Kühlstruktur eine turbulente Strömung ausbildet.
Vorliegend und beispielhaft ist unmittelbar stromauf der Kühlstruktur für das Bauteil 1 ein solcher Druckstoßerzeuger 5 angeordnet. Dieser erzeugt Druckstöße 6 in Richtung des Bauteils 1, verdeutlicht an der Wellenform im Pfeil in Richtung Bauteil 1. Zumindest im Bauteil 1 bildet sich demnach die turbulente Kühlmittelströmung aus.
Bei dem Druckstoßerzeuger 5 gemäß 1 handelt es sich insbesondere um einen auf das Kühlmittel wirkenden Aktor. Hierbei kann es sich beispielsweise um einen Piezoaktor oder einen Elektromagneten handelt, der beispielsweise mittels eines beweglichen bzw. schwingenden Kolbens Kühlmittel verdrängt und somit Druckstöße im Kühlmittel erzeugt.
Ein entsprechender Druckstoßerzeuger 5 kann stromauf eines, einiger oder aller der anderen Bauteile 2, 3, 4 angeordnet sein, bevorzugt jedoch nur dort, wo ein besonders guter Wärmeübergang von Bauteil bzw. zugehöriger Kühlstruktur auf die Kühlflüssigkeit erforderlich ist.
Alternativ oder zusätzlich kann in 1 als Druckerzeuger 5 ein Ventil eingesetzt werden. Dieses kann dann ausgeführt sein, einen Kühlmittelstrom durch die Kühlstruktur zu bestimmen. Insbesondere handelt es sich um ein Absperrventil, mittels dessen der Kühlmittelstrom durch die jeweilige Kühlstruktur abgesperrt und geöffnet werden kann. Durch abwechselndes Öffnen und zumindest teilweise Schließens des Ventils bzw. Druckerzeugers 5 werden Druckstöße 6 und somit eine turbulente Strömung dem Kühlmittel aufgeprägt.
Die Kühlvorrichtung gemäß 2 entspricht im Wesentlichen derjenigen aus 1. Die Erläuterungen zu 1 treffen daher weitestgehend auch auf 2 zu. Als einziger Unterschied zu 1 dient als Druckstoßerzeuger 5 gemäß 2 nicht ein Aktor oder ein Ventil, stattdessen dient als Druckstoßerzeuger 5 eine Kühlmittelpumpe.
Die Pumpe bzw. der Druckstoßerzeuger 5 ist in 2 beispielhaft innerhalb des Bauteils 4 angeordnet. Sie kann jedoch auch separat ausgeführt sein. Sie kann auch an anderer Stelle im Kühlkreislauf angeordnet sein, wie beispielsweise in einem Kühlmittelreservoir oder unmittelbar stromauf desjenigen Bauteils 1, 2, 3, 4, wo eine besonders gute Wärmeübertragung vom Bauteil bzw. der entsprechenden Kühlstruktur auf das Kühlmittel gefordert wird.
Die Pumpe kann zur Erzeugung von Druckstößen 6 entweder gezielt mechanisch dazu ausgeführt sein oder sie kann gezielt betrieben werden, um Druckstöße 6 zu erzeugen. Dazu wird beispielsweise eine Drehzahl der Pumpe entsprechend variiert.
Bei einer elektromotorisch betriebenen Pumpe kann beispielsweise der Pumpenmotor mit einer zeitlich wechselnden Spannung und/oder Strom und/oder elektrischen Leistung betrieben werden, sodass Schwingungen im damit geförderten Kühlmittel in Form von Druckstößen 6 entstehen.
Die somit erzeugten Druckstöße 6 breiten sich in der Kühlvorrichtung aus und bewirken zumindest in der Kühlstruktur des unmittelbar stromab der Pumpe befindlichen Bauteils 2 eine turbulente Kühlmittelströmung.
Die Kühlvorrichtung gemäß 3 entspricht im Wesentlichen derjenigen aus 1 und 2. Die Erläuterungen zu 1 und 2 treffen daher weitestgehend auch auf 3 zu.
Als einziger Unterschied zu 1 und 2 verfügt der Druckstoßerzeuger 5 bei der Ausführung gemäß 3 über einen Bypass 5B für die Kühlstruktur des Bauteils 1 sowie ein Bypassventil 5A, durch welches abwechselnd zumindest ein Teil des Kühlmittelstroms durch die Kühlstruktur und durch den Bypass 5B geleitet werden kann. Mittels des Ventils 5A wird somit zu einem Zeitpunkt zumindest ein Teil des Kühlmittelstroms durch den Bypass 5B geleitet, nicht jedoch (vollständig) durch die Kühlstruktur, und zu einem anderen Zeitpunkt wird ein Teil des Kühlmittelstroms durch die Kühlstruktur geleitet, nicht jedoch (vollständig) durch den Bypass 5B. Dies ist in 3 durch die Schraffur an den den Kühlmittelstrom darstellenden Pfeilen versinnbildlicht.
Der Bypass 5B überbrückt die Kühlstruktur und leitet demnach das vom Ventil 5A dort hineingeleitete Kühlmittel an der Kühlstruktur vorbei. Stromab der Kühlstruktur ist eine Zusammenführung vorgesehen, beispielsweise ein T-Stück, die die beiden Kühlmittelströme wieder zusammenführt.
Durch entsprechende Taktung des Bypassventils 5A bzw. Druckstoßerzeugers 5 werden Druckstöße dem Kühlmittel aufgeprägt, welche zu einer turbulenten Strömung führen. Statt an dem Bauteil 1 kann der Bypass 5B mit dem Bypassventil 5A bzw. der Druckstoßerzeuger 5 zusätzlich oder alternativ auch an jedem anderen der Bauteile 2, 3, 4 vorgesehen sein, eben bevorzugt dort, wo ein besonders guter Wärmeübergang von Kühlstruktur auf Kühlmittel erforderlich ist.
Die Ausführungsformen der 1 bis 3 sind lediglich beispielhaft zu verstehen. So kann die dort jeweils gezeigte Kühlvorrichtung mit dem Druckstoßerzeuger 5 im Prinzip zur Kühlung jedes im Betrieb wärmeabgebenden Bauteils bzw. zum Wärmeabtransport von oder zu jeder Kühlstruktur eingesetzt werden. Insbesondere kann die Kühlvorrichtung als Kraftfahrzeugaggregatkühlvorrichtung ausgeführt sein, um Wärme von einem im Betrieb wärmeabgebenden Kraftfahrzeugaggregat abzuführen.
Ebenso können in einer Kühlvorrichtung mehrere der in den 1 bis 3 gezeigten Druckstoßerzeugern 5 vorgesehen sein, d. h. in einer einzigen Kühlvorrichtung können auch unterschiedliche der in den 1 bis 3 einzeln vorgestellten Typen von Druckstoßerzeugern 5 eingesetzt werden.
Bezugszeichenliste

1: Bauteil, Leistungselektronikmodul
2: Bauteil, elektrischer Kondensator
3: Bauteil, Stromschiene
4: Bauteil, Wärmesenke
5: Druckstoßerzeuger (Aktor, Ventil, Pumpe)
5A: Bypassventil
5B: Bypass
6: Druckstoß

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

WO 2015/090498 A1 [0006]

Claims

Kühlvorrichtung zur Kühlung eines Bauteils (1, 2, 3, 4) mit einem Kühlmittel, aufweisend eine von dem Kühlmittel durchströmbare Kühlstruktur zur Abgabe oder Aufnahme von Wärme des Bauteils (1, 2, 3, 4), gekennzeichnet durch einen Druckstoßerzeuger (5, 5A, 5B), mittels dessen Druckstöße (6) dem innerhalb der Kühlstruktur befindlichen Kühlmittel aufprägbar sind, sodass dieses zumindest innerhalb der Kühlstruktur eine turbulente Strömung ausbildet.
Kühlvorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Druckstoßerzeuger (5) einen auf das Kühlmittel wirkenden Aktor aufweist.
Kühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 und 2, wobei der Druckstoßerzeuger (5) ein Ventil (5A) aufweist, das einen Kühlmittelstrom durch die Kühlstruktur bestimmt.
Kühlvorrichtung nach Anspruch 3, wobei der Druckstoßerzeuger (5) ein Bypass (5B) der Kühlstruktur sowie ein Bypassventil (5A) aufweist, wobei das Bypassventil (5A) ausgebildet ist, zumindest einen Teil des Kühlmittels abwechselnd durch die Kühlstruktur und durch den Bypass (5B) zu leiten.
Kühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, mit einer Pumpe zum Pumpen des Kühlmittels durch die Kühlstruktur, wobei die Pumpe als Druckstoßerzeuger (5) dient.
Kraftfahrzeugaggregatkühlvorrichtung zur Kühlung eines im Betrieb wärmeabgebenden Kraftfahrzeugaggregats, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüchen ausgebildet ist.
Leistungselektronikmodul zum Betreiben einer E-Maschine, insbesondere Kraftfahrzeugleistungselektronikmodul zum Betreiben einer Traktionselektromaschine, aufweisend Leistungselektronikelemente (1) sowie eine Kühlvorrichtung zur Kühlung der Leistungselektronikelemente (1), dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5 ausgebildet ist.
Wechselrichter zum Betreiben einer E-Maschine, mit einer Kühlvorrichtung zur Kühlung von Bauteilen (1, 2, 3) des Wechselrichters mit einem Kühlmittel, mit einem von der Kühlvorrichtung kühlbaren Leistungselektronikmodul (1), aufweisend Halbleiterschalter, mit einem von der Kühlvorrichtung kühlbaren elektrischen Kondensator (2), dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5 ausgebildet ist.
Wechselrichter nach Anspruch 8, wobei der Druckstoßerzeuger (5) strömungstechnisch zwischen einer Kühlstruktur für das Leistungselektronikmodul (1) und einer Kühlstruktur für den Kondensator (2) angeordnet ist.
Verfahren zu Kühlung eines Leistungselektronikmoduls (1) zum Betreiben einer E-Maschine, wobei das Leistungselektronikmodul (1) an eine Kühlvorrichtung zur Kühlung des Leistungselektronikmoduls mit einem Kühlmittel, aufweisend eine von dem Kühlmittel durchströmte Kühlstruktur, angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass dem innerhalb der Kühlstruktur befindlichen Kühlmittel Druckstöße (6) von einem Druckstoßerzeuger (5) aufgeprägt werden, sodass das Kühlmittel innerhalb der Kühlstruktur eine turbulente Strömung ausbildet.