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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kühlkörper mit zwei Hohlkörpern und eine Kühlanordnung mit dem Kühlkörper.
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Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, elektrische bzw. elektronische Baugruppen beispielsweise durch eine Wasserkühlung auch bei intensiver Benutzung auf einem angestrebten Temperaturniveau zu halten. Eine elektrische Isolation wird hierbei durch ein verwendetes Kühlmedium, typischerweise deionisiertes Wasser, gewährleistet.
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Nachteilig an diesem Ansatz ist jedoch, dass eine aufwändige und wartungsintensive Wasseraufbereitung nötig und keine direkte Kühlung von leistungselektronischen Baugruppen mit Brauch-Kühlwasser (z. B. aus einem Kaltwassersatz) möglich ist, was eine Trennung eines isolierenden Kreislaufs und eines Rückkühlkreislaufs über einen Wärmetauscher erforderlich macht.
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Aus
DE 20 2004 001 499 U1 ist zudem ein Kühlsystem mit Wärmeleitrohr bekannt, das allerdings einen großen Volumenbedarf aufweist und somit einer angestrebten Kompaktheit entgegensteht. Die Druckschrift
US 6,808,015 B2 beschreibt eine Kühlvorrichtung mit einem Kältemittel und Kühlwasser. In der Druckschrift
DE 11 2008 001 282 B4 ist eine Kühlvorrichtung beschrieben, die ein flüssiges Kühlmittel in einer Kühlmittelaufnahme umfasst. Ein flüssigkeitsgekühlter Thermosiphon für elektronische Bauelemente ist aus
DE 60 2006 000 243 T2 bekannt. In
US 2010/0128436 A1 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Kühlen elektronischer Bauteile beschrieben. Schließlich ist aus der Druckschrift
US 2006/0162903 A1 ein Thermosiphon mit flexiblem Innenteil bekannt.
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Der vorliegenden Erfindung liegt damit die Aufgabe zugrunde, einen Kühlkörper zu entwickeln, der die beschriebenen Nachteile vermeidet, mit dem also eine effiziente Kühlung und eine thermische Dämpfung einer Baugruppe sowie ein kompakter, platzsparender Aufbau erreicht werden kann.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Kühlkörper nach Anspruch 1 und eine Kühlanordnung nach Anspruch 8. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
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Ein Kühlkörper weist einen ersten Hohlkörper mit einer Montagefläche zum Anbringen einer elektrischen oder elektronischen Baugruppe und einen zweiten Hohlkörper auf, der mit dem ersten Hohlkörper über eine gemeinsame Zwischenwand verbunden ist. Der erste Hohlkörper ist mit einem elektrisch isolierenden Kältemittel gefüllt, das sich in einem Koexistenzbereich von gasförmiger und flüssiger Phase befindet. Der zweite Hohlkörper ist mit einer weiteren Flüssigkeit gefüllt.
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Durch die Montagefläche kann eine platzsparende, wärmeleitende Verbindung zwischen der elektrischen oder elektronischen Baugruppe erhalten werden. Die Montagefläche soll hierbei nicht nur ein Werkstück, z. B. aus Aluminium, kennzeichnen, das typischerweise plattenförmig ist und an dem ersten Hohlkörper angeordnet wird, sondern in abstrakter Weise auch jede Fläche, an die die elektrische oder elektronische Baugruppe angebracht werden kann, beispielsweise eine Öffnung des ersten Hohlkörpers. Durch das Kältemittel im ersten Hohlkörper kann eine effiziente Kühlung durch Wärmeabtransport und thermische Dämpfung erreicht werden und durch die gemeinsame Zwischenwand eine Wärmeübertragung an den zweiten Hohlkörper zum Abfangen von thermischen Lastspitzen erfolgen, so dass insgesamt eine effizientere Kühlung bei verschiedenen thermischen Belastungen erreicht wird.
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Der erste Hohlkörper ist aus einem elektrisch isolierenden Werkstoff ausgebildet. Im Rahmen dieser Schrift soll unter einem elektrisch isolierenden Werkstoff ein Werkstoff verstanden werden, der eine elektrische Leitfähigkeit von maximal 10-8 S/cm bei Raumtemperatur aufweist.
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Es kann vorgesehen sein, dass der zweite Hohlkörper an einer der Montagefläche entgegengesetzten Seite des ersten Hohlkörpers angeordnet ist. Durch eine Anordnung an der der Montagefläche gegenüberliegenden Seite des ersten Hohlkörpers ergibt sich eine Stapelanordnung, in der besonders effizient ein Wärmeabtransport erfolgen kann.
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Typischerweise sind der erste Hohlkörper, der zweite Hohlkörper bis auf einen Flüssigkeitseinlass und einen Flüssigkeitsauslass oder der erste Hohlkörper und der zweite Hohlkörper bis auf den Flüssigkeitseinlass und den Flüssigkeitsauslass fluiddicht bzw. stoffdicht geschlossen. Der erste Hohlkörper weist in der Regel ein definiertes und unveränderliches Innenvolumen auf. Durch eine derartige hermetische Kapselung wird ein Austreten des Kältemittels oder der weiteren Flüssigkeit verhindert. Der erste Hohlkörper kann aber auch einseitig offen ausgebildet sein, um an eine dem zweiten Hohlkörper gegenüberliegende Öffnung direkt die elektrische oder elektronische Baugruppe anbringen zu können.
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Das Kältemittel, das auch als Kühlmittel bezeichnet wird, geht typischerweise nach Wärmeaufnahme von einem flüssigen Zustand, in dem es gemeinsam mit dem gasförmigen Zustand in dem ersten Hohlkörper vorliegt, in den gasförmigen Zustand über und es erfolgt eine Rückkondensation an der Zwischenwand zum zweiten Hohlkörper. Somit liegt eine isochore Zustandsänderung vor. Die Zwischenwand kann eine stoffschlüssige Verbindung zwischen dem ersten Hohlkörper und dem zweiten Hohlkörper aufweisen, also einteilig ausgebildet sein, es kann aber auch eine kraft- oder formschlüssige Verbindung vorliegen. Vorzugsweise ist der erste Hohlkörper zu maximal 90 Prozent seines Volumens mit flüssigem Kältemittel gefüllt.
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Die weitere Flüssigkeit ist typischerweise Wasser. Das Kältemittel kann aus der Reihe der natürlichen Kältemittel, insbesondere Kohlendioxid oder Distickstoffmonoxid, oder aus der Reihe der synthetischen Kältemittel, insbesondere R134a, R1234yf, R1336mzz, oder R245fam ausgewählt sein.
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Vorzugsweise sind das Kältemittel und die weitere Flüssigkeit verschiedene Flüssigkeiten, d. h. in ihrer chemischen Zusammensetzung unterschiedlich, um den Wärmetransport wie erforderlich durch Auswahl geeigneter Flüssigkeiten einstellen zu können.
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Der erste Hohlkörper hat typischerweise eine Länge zwischen 50 mm und 800 mm, vorzugsweise 150 mm bis 250 mm, eine Breite zwischen 50 mm und 500 mm, vorzugsweise 100 mm bis 180 mm und eine Höhe zwischen 10 mm und 120 mm, vorzugsweise zwischen 30 mm und 50 mm. Der zweite Hohlkörper kann Abmessungen in den gleichen Bereichen aufweisen.
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Es kann vorgesehen sein, dass der erste Hohlkörper und bzw. oder der zweite Hohlkörper eine wärmeübergangsfördernde Innenstruktur, insbesondere flüssigkeitsdurchflossene Kühllamellen oderKühlrippen sowie bei Bedarf einen oder mehrere vorgegebene Durchströmungspfade, aufweist oder daraus besteht. Hierdurch wird eine Wärmeübertragungsfläche vergrößert und eine Wärmeaufnahme bzw. Wärmeabgabeentsprechend vergrößert. Alternativ oder zusätzlich ist der zweite Hohlkörper mit einem Flüssigkeitseinlass und einem Flüssigkeitsauslass versehen, damit die weitere Flüssigkeit zirkulieren kann. Typischerweise ist zu diesem Zweck eine Pumpe an den Einlass und den Auslass des zweiten Hohlkörpers angeschlossen.
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Eine Kühlanordnung weist den Kühlkörper, der die bereits zuvor beschriebenen Eigenschaften haben kann, sowie die an dem Kühlkörper angeordnete elektrische oder elektronische Baugruppe auf.
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Die Kühlanordnung kann derart ausgebildet sein, dass der zweite Hohlkörper an einem elektrischen Erdpotential angeschlossen ist und auf diesem elektrischen Potential verbleibt. Durch diese elektrische Erdung wird eine elektrische Aufladung während des Kühlprozesses unterbunden.
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Typischerweise liegt der zweite Hohlkörper der elektrischen oder elektronischen Baugruppe fluchtend gegenüber, um eine kompakte Anordnung mit thermisch günstigen Wärmeübergängen zu erreichen. Vorzugsweise ist der erste Hohlkörper oder der zweite Hohlkörper jedoch in mindestens einer Dimension, also in Länge, Breite oder Höhe, größer als die elektrische oder elektronische Baugruppe.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden nachfolgend anhand der 1 bis 3 erläutert.
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Es zeigen:
- 1 eine schematische perspektivische Darstellung einer Kühlanordnung;
- 2 in einer 1 entsprechenden Ansicht die Kühlanordnung mit Kühllamellen und
- 3 eine entsprechende Darstellung, bei der zwei Hohlkörper zum Kältemittelaustausch miteinander verbunden sind.
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1 zeigt in einer schematischen perspektivischen Darstellung eine Kühlanordnung, bei der eine elektronische Baugruppe 1, die in weiteren Ausführungsbeispielen auch eine elektrische Baugruppe sein kann, ein erster Hohlkörper 3 und ein zweiter Hohlkörper 5 in einer Stapelanordnung übereinanderliegend angeordnet sind.
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Die dargestellte Kühlanordnung dient einer Kühlung der leitungselektronischen Baugruppe 1, die eine hohe Verlustleistung aufweist. Der Kühlkörper selbst ist aus dem ersten Hohlkörper 3 und dem zweiten Hohlkörper 5 aufgebaut. Der erste Hohlkörper 3 weist eine Montagefläche 2 auf, an der die Baugruppe 1 montiert und thermisch angebunden ist. Diese Montagefläche 2 ist im gezeigten Ausführungsbeispiel mit dem ersten Hohlkörper 3 verbunden oder bildet einen Teil des ersten Hohlkörpers 3. Der erste Hohlkörper 3 ist aus einem elektrisch isolierenden Werkstoff ausgebildet, der eine ausreichende elektrische Isolation zwischen Mittelspannungs- und Erdpotential sicherstellt. Unter dem Begriff Mittelspannungspotentiel soll hierbei eine elektrische Spannung im Bereich von 1 kV bis 36 kV verstanden werden. An dem ersten Hohlkörper 3 sind seitlich Rippen angeordnet, die als Kühlrippen ausgelegt sein können und bzw. oder einem Verlängern einer Kriechstrecke bei elektrischen Kriechströmen dienen sollen. Sofern kein vollständig elektrisch isolierender Werkstoff für den ersten Hohlkörper 3 verwendet wird, sollte ein Werkstoff mit einem comparative tracking index (CTI) von mindestens 400, vorzugsweise mindestens 600 verwendet werden. Die Rippen sind im dargestellten Ausführungsbeispiel 3 mm breit und ebenso tief.
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Der erste Hohlkörper 3 ist hierbei zwischen der Baugruppe 1 und dem zweiten Hohlkörper 5 angeordnet und weist einen Innenraum auf, der mit einem Kältemittel 7 gefüllt ist. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Kältemittel 7 Kohlendioxid. Auf dem ersten Hohlkörper 3 sitzt fluchtend angeordnet zu der elektronischen Baugruppe 1 der zweite Hohlkörper 5 auf. Über eine gemeinsame Zwischenwand 6 sind der erste Hohlkörper 3 und der zweite Hohlkörper 5 miteinander verbunden. Der zweite Hohlkörper 5 ist elektrisch geerdet und wird auf elektrischem Erdpotential gehalten. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist ein Innenraum des zweiten Hohlkörpers 5 vollständig mit Wasser als weitere Flüssigkeit 4 gefüllt. Ferner ist ein seitlicher Wassereinlass 8 und ein auf einer gleichen Seite des zweiten Hohlkörpers 5 angeordneter Wasserauslass 9 vorgesehen. In weiteren Ausführungsbeispielen können der Wassereinlass 8 und der Wasserauslass 9 auch auf verschiedenen Seiten des zweiten Hohlkörpers 5, vorzugsweise auf gegenüberliegenden Seiten des zweiten Hohlkörpers 5 angeordnet sein.
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Durch einen Anschluss einer Pumpe an den Wassereinlass 8 und den Wasserauslass 9 kann somit ein Wasserrückkühler mit dem zweiten Hohlkörper 5 erreicht werden. Das im ersten Hohlkörper 3 enthaltene Kältemittel 7 stellt durch Konvektion, Verdampfungs- und Kondensationseffekte eine Wärmeübertragung zwischen dem zweiten Hohlkörper 5 und der elektronischen Baugruppe 1 sicher, die die Wärme insbesondere auch an eine aus einem elektrisch isolierenden Werkstoff gefertigte Hülle des ersten Hohlkörpers 3 über die Montagefläche 2 überträgt. Das Kältemittel 7 wird hierzu so ausgewählt, dass es bei einer Temperaturspanne unterhalb einer vorab definierten zulässigen Temperatur der leistungselektronischen Baugruppe 1 verdampft. Eine Verdampfungstemperatur ist hierbei variabel und stellt sich nach Gegebenheiten der Kühlanordnung und thermodynamischen Eigenschaften des Kältemittels ein. Im dargestellten Ausführungsbeispiel beträgt die Verdampfungstemperatur zwischen 20 °C und 30 °C.
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Das Kältemittel 7 interagiert mit dem zweiten Hohlkörper 5 und gibt Wärmeenergie an den zweiten Hohlkörper 5 bzw. die darin enthaltene weitere Flüssigkeit 4, im dargestellten Ausführungsbeispiel also Kühlwasser, ab und wird dort wieder verflüssigt. Während des Wärmetransports über das Kältemittel 7 wirkt das geschlossene System aus dem ersten Hohlkörper 3 und dem zweiten Hohlkörper 5 thermisch dämpfend und kann große thermische Lastspitzen abfangen. Der erste Hohlkörper 3 ist somit fluiddicht aufgebaut. Auch der zweite Hohlkörper 5 kann bis auf den Wassereinlass 8 und den Wasserauslass 9 fluiddicht aufgebaut werden. Alternativ oder zusätzlich ist das System aus dem ersten Hohlkörper 3 und dem zweiten Hohlkörper 5 hermetisch geschlossen und somit wartungsfrei.
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An der Montagefläche 2 kann zum besseren Wärmekontakt eine Wärmeleitpaste aufgetragen sein. Der erste Hohlkörper 3 ist nur zu 90 Volumenprozent mit dem Kältemittel 7 gefüllt, so dass ausreichend Raum zum Verdampfen des Kältemittels 7 bleibt. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist die elektronische Baugruppe 1190 mm lang, 140 mm breit und 50 mm hoch. Der erste Hohlkörper 3 weist eine größere Grundfläche als die elektronische Baugruppe 1 auf, insbesondere ist die Montagefläche 2 in ihrer der elektronischen Baugruppe 1 zugewandten Fläche in dem in 1 beschriebenen Ausführungsbeispiel breiter als die elektronische Baugruppe 1.
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In 2 ist in einer 1 entsprechenden Ansicht die Kühlanordnung dargestellt, wobei nun der zweite Hohlkörper 5 mit den in 2 schematisch durch gestrichelte Linien angedeutete Kühllamellen 10 in seinem Innenraum ausgeführt ist, in denen die weitere Flüssigkeit 4 zirkuliert. Wiederkehrende Merkmale sind in dieser Figur mit den gleichen Bezugszeichen wie in 1 versehen. Lediglich in den Ausführungsbeispielen offenbarte Merkmale der verschiedenen Ausführungsformen können miteinander kombiniert und einzeln beansprucht werden.
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3 zeigt in einer den 1 und 2 entsprechenden Ansicht die Kühlanordnung, bei der der erste Hohlkörper 3 nun über eine Leitung 11 mit integrierten Druckventil 10 mit dem Einlass 8 des zweiten Hohlkörpers 5 verbunden ist. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Kältemittel 7 und die weitere Flüssigkeit 4 identisch und es ist ein gesteuerter Kältemittelaustausch mit einem Kühlungskreislauf möglich. Bei Erreichen eines festgelegten Überdrucks im ersten Hohlkörper 3 erfolgt ein Überdruckablass durch das Druckventil 10. Ebenso ist es möglich, eine Rückbefüllung vorzusehen, wenn der Füllstand im ersten Hohlkörper 3 zu gering ist und gegebenenfalls ein Unterdruck vorliegt. Dementsprechend liegt die weitere Flüssigkeit 4 bzw. das Kältemittel 7 auch im zweiten Hohlkörper 5 in einem Zustand vor, der ein Volumen des zweiten Hohlkörpers 5 nicht vollständig ausfüllt, so dass noch das Kältemittel 7 in den zweiten Hohlkörper 5 eingeführt werden kann. Ferner kann ein Sensor in oder an der Leitung 11 angeordnet sein, der das Kältemittel 7 detektiert und eine entsprechende Warnmeldung ausgibt, falls sich das Kältemittel 7 in der Leitung 11 befindet, obwohl keines darin sein sollte. Wenn das Kältemittel 7 identisch zu der weiteren Flüssigkeit 4 ist, kann eine Rückbefüllung erfolgen. Sind das Kältemittel 7 und die weitere Flüssigkeit 4 nicht identisch, also in ihrer chemischen Zusammensetzung verschiedene Flüssigkeiten, kann durch den bereits beschriebenen Sensor auf einen Fehlerfall geschlossen werden.
