DE102017219873A1 - Cooling structure and basic body element for this - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Grundkörperelement (12) zum Bilden einer Kühlstruktur (10) zum Kühlen einer zu kühlenden Kühlfläche (14), wobei das Grundkörperelement (12) eine Kühlmedium-Zuleitung (20) mit einer Einlassöffnung (22) zum Einlassen eines Kühlmediums; einen die Kühlmedium-Zuleitung (20) in einer Umfangsrichtung umgebenden Randkanal (30) mit einer sich entlang der Umfangsrichtung erstreckenden Auslassöffnung (32) zum Auslassen des Kühlmediums; und wenigstens einen die Kühlmedium-Zuleitung (20) mit dem Randkanal (30) fluidverbindenden und in Radialrichtung verlaufenden Verteilungskanal (26) umfasst.

Figure DE102017219873A1_0000
The invention relates to a base body element (12) for forming a cooling structure (10) for cooling a cooling surface (14) to be cooled, the base body element (12) having a cooling medium supply line (20) with an inlet opening (22) for admitting a cooling medium; an edge channel (30) surrounding the cooling medium supply line (20) in a circumferential direction with an outlet opening (32) extending along the circumferential direction for discharging the cooling medium; and at least one distribution channel (26) connecting the cooling medium supply line (20) to the edge channel (30) and extending in the radial direction.
Figure DE102017219873A1_0000

Description

Die Erfindung betrifft ein Grundkörperelement zum Bilden einer Kühlstruktur zum Kühlen einer zu kühlenden Kühlfläche sowie eine Kombination der Grundkörperelemente, um eine größere Fläche zu kühlen. Die Struktur kann ebenso zum Erwärmen benutzt werden. Nachfolgend wird aber stellvertretend nur von einem Kühlen einer Kühlfläche gesprochen.The invention relates to a base member for forming a cooling structure for cooling a cooling surface to be cooled and a combination of the base members to cool a larger area. The structure can also be used for heating. In the following, however, only a cooling of a cooling surface will be mentioned.

Viele Bauteile müssen aktiv gekühlt werden, um sie innerhalb eines festgelegten Temperaturbereichs betreiben zu können. Dazu gehören z.B. elektronische Bauteile, die sich im Betrieb durch elektrische Verluste erwärmen. Ebenso müssen Bauteile, die in direktem Kontakt mit einer heißen Umgebung wie z.B. Brennkammerwände, Turbinenschaufeln und dergleichen aktiv gekühlt werden, sodass sie nicht überhitzen. Die Kühlung kann dabei dadurch erfolgen, dass ein Kühlmedium mit möglichst hoher Wärmekapazität, wie z.B. Wasser, die Wärme abtransportiert und über einen Wärmetauscher (geschlossener Kühlkreislauf) oder in einem offenen System direkt an die Umgebung abgibt. Von entscheidender Bedeutung dabei ist, dass der thermische Widerstand zwischen der heißen Stelle und dem Kühlmedium möglichst gering istMany components must be actively cooled to operate within a specified temperature range. These include e.g. electronic components that heat up during operation due to electrical losses. Likewise, components that are in direct contact with a hot environment such as e.g. Combustor walls, turbine blades and the like are actively cooled so that they do not overheat. The cooling can take place in that a cooling medium with the highest possible heat capacity, such. Water that removes heat and delivers it directly to the environment via a heat exchanger (closed cooling circuit) or in an open system. Of crucial importance is that the thermal resistance between the hot spot and the cooling medium is minimized

WO 2014/0048726 A1 offenbart eine Vorrichtung zum Kühlen, insbesondere für Spulen eines Transformators, umfassend: eine im Wesentlichen ebene Matte mit einer ersten und einer zweiten Oberfläche, auf deren beiden Oberflächen Leitungen zum Führen eines Fluids vorgesehen sind, die untereinander durch in der Matte vorgesehene Öffnungen verbunden sind, durch die das Fluid hindurch von den auf der ersten Oberfläche der Matte angeordneten Leitungen in auf der zweiten Oberfläche der Matte angeordnete Leitungen einbringbar ist. Durch den Einsatz einer solchen Vorrichtung kann eine zum Kühlen wird eine hohe Kühleffizienz bei Drosselspulen erreicht und dadurch eine kompakte Bauweise mit einem geringen Gewicht ermöglicht bei gleichzeitiger Herabsetzung der Herstellungskosten. WO 2014/0048726 A1 discloses a device for cooling, in particular for coils of a transformer, comprising: a substantially planar mat having a first and a second surface, on both surfaces of which there are provided conduits for guiding a fluid which are interconnected by openings provided in the mat, through which the fluid can be introduced from the lines arranged on the first surface of the mat into lines arranged on the second surface of the mat. By using such a device, cooling for a high cooling efficiency is achieved in choke coils, thereby enabling a compact design with a low weight while reducing the cost.

WO 2011/0038988 A2 offenbart ein Verfahren zur Herstellung einer Kühlplatte und auf eine Vorrichtung hergestellt mit dem Verfahren. Die Platten sind mit Ausnehmungen versehen und werden derart angeordnet, dass sich die Ausnehmungen der Platten überlappen und durchgehende Kühlkanäle entlang einer Längsrichtung in einer Ebene der Platten ausgebildet werden. Zwischen den wenigstens zwei Platten wird ein Material zum mechanisch stabilen Zusammenfügen der Platten eingefügt, welches beim zeitlich stabilen Zusammenfügen im Wesentlichen nicht in die Ausnehmungen der Platten eindringt. WO 2011/0038988 A2 discloses a method of making a cold plate and apparatus made by the method. The plates are provided with recesses and are arranged such that the recesses of the plates overlap and continuous cooling channels are formed along a longitudinal direction in a plane of the plates. Between the at least two plates, a material for mechanically stable assembly of the plates is inserted, which does not substantially penetrate into the recesses of the plates in the temporally stable assembly.

US 2008/0030194 A1 offenbart ein Gradientenspulensystem für einen Magnetresonanztomographen. Das System hat eine Gradientenspulenschicht und eine Kühlschicht. Die Kühlschicht ist als plattenförmiger Wärmetauscher ausgebildet und zwischen den Gradientenspulenschichten angeordnet. US 2008/0030194 A1 discloses a gradient coil system for a magnetic resonance tomograph. The system has a gradient coil layer and a cooling layer. The cooling layer is formed as a plate-shaped heat exchanger and arranged between the gradient coil layers.

Neben klassischen Rippenkühlkörpern die von Luft umströmt und an diese die Wärme abgeben, besteht auch die Möglichkeit durch Kühlkanäle in einem Festkörper (Kupfer, Aluminium, Keramik, etc.) das Kühlmedium zu leiten, das die Wärme dann aufnimmt. Aus fertigungstechnischen Gründen werden dafür meist einfache durchgängige Bohrungen verwendet, aber auch mäanderförmige Strukturen sind gängig. Das Kühlmedium wird dabei ggf. mehrfach durch den Kühlblock geleitet, um mehr Wärme abzuführen. Da sich das Medium aber auch erhitzt sinkt die Wärmemenge, die vom Medium aufgenommen werden kann. Dieser Effekt kann teilweise dadurch kompensiert werden, dass warme und kalte Abschnitte des Strömungskanals nah beieinanderliegen.In addition to classic finned cooling bodies which are surrounded by air and give off the heat, it is also possible through cooling channels in a solid body (copper, aluminum, ceramic, etc.) to conduct the cooling medium, which then absorbs the heat. For manufacturing reasons mostly simple continuous holes are used for this, but also meander-shaped structures are common. The cooling medium is optionally passed several times through the cooling block to dissipate more heat. As the medium also heats up, the amount of heat that can be absorbed by the medium decreases. This effect can be partially compensated by the fact that hot and cold sections of the flow channel are close together.

Vor diesem Hintergrund ist es die Aufgabe der Erfindung Kühlstrukturen zu verbessern, insbesondere hinsichtlich ihrer Kühleffizienz, Homogenität und/oder Skalierbarkeit. Against this background, it is the object of the invention to improve cooling structures, in particular with regard to their cooling efficiency, homogeneity and / or scalability.

Die Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche gelöst. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.The object is solved by the subject matter of the independent claims. Preferred embodiments of the invention are the subject of the dependent claims.

Die Erfindung schafft ein Grundkörperelement zum Bilden einer Kühlstruktur zum Kühlen einer zu kühlenden Kühlfläche, wobei das Grundkörperelement umfasst:

  • - eine Kühlmedium-Zuleitung mit einer Einlassöffnung zum Einlassen eines Kühlmediums;
  • - einen die Kühlmedium-Zuleitung in einer Umfangsrichtung umgebenden Randkanal mit einer sich entlang der Umfangsrichtung erstreckenden Auslassöffnung zum Auslassen des Kühlmediums; und
  • - wenigstens einen die Kühlmedium-Zuleitung mit dem Randkanal fluidverbindenden und in Radialrichtung verlaufenden Verteilungs kanal.
The invention provides a base body element for forming a cooling structure for cooling a cooling surface to be cooled, wherein the base body element comprises:
  • - A cooling medium supply line with an inlet opening for admitting a cooling medium;
  • - An edge channel surrounding the cooling medium supply line in a circumferential direction with an extending along the circumferential direction outlet opening for discharging the cooling medium; and
  • - At least one the cooling medium supply line with the edge channel fluid-connecting and extending in the radial direction distribution channel.

Das Grundkörperelement macht sich das Prinzip des sogenannten Jet Impingement Heat Transfer zunutze. Dabei wird ein Fluidstrom von einer Öffnung im Wesentlichen senkrecht auf die zu kühlende Fläche geleitet. Dadurch entsteht eine für den Wärmetransport besonders günstige Strömung. Dieses Prinzip ist genauer beschrieben in der Druckschrift N. Zuckerman und N. Lior, „Jet Impingement Heat Transfer: Physics, Correlations, and Numerical Modeling“, Advances in Heat Transfer Vol. 39, 565-631 , deren Offenbarung hier durch Verweis einbezogen wird. Mehrere Grundkörperelemente können zusammengesetzt werden, um eine Kühlstruktur zu bilden. Damit ist Skalierbarkeit gegeben. Die erfindungsgemäße Ausgestaltung sorgt dafür, dass ein effizienter Wärmetransport möglich ist. Durch Aneinanderreihung der Grundkörperelemente kann auch eine homogene Kühlung der Kühlfläche erreicht werden, da die Grundkörperelemente im Wesentlichen hinsichtlich ihrer Wärmetransporteigenschaften identisch sind. Somit kann auch bei großen Kühlflächen eine homogene Kühlung erreicht werden. Zudem wird eine Anpassbarkeit der Kühlstruktur ermöglicht, da auch unterschiedliche Formen bei den Grundkörperelementen möglich sind. The basic body element makes use of the principle of the so-called Jet Impingement Heat Transfer. In this case, a fluid flow is directed from an opening substantially perpendicular to the surface to be cooled. This creates a particularly favorable flow for heat transfer. This principle is described in more detail in the document N. Zuckerman and N. Lior, "Jet Impingement Heat Transfer: Physics, Correlations, and Numerical Modeling," Advances in Heat Transfer Vol. 39, 565-631 whose revelation here by reference is included. Multiple body members may be assembled to form a cooling structure. This gives scalability. The embodiment of the invention ensures that an efficient heat transfer is possible. By juxtaposing the basic body elements, a homogeneous cooling of the cooling surface can be achieved, since the basic body elements are substantially identical in terms of their heat transport properties. Thus, a homogeneous cooling can be achieved even with large cooling surfaces. In addition, an adaptability of the cooling structure is made possible, since different shapes are possible in the basic body elements.

Somit kann durch die geeignete Wahl der Zusammensetzung eine für den Anwendungsfall maßgeschneiderte Kühlstruktur aus den Grundkörperelementen geschaffen werden.Thus, by suitable choice of the composition, a cooling structure made from the basic body elements tailored for the specific application can be created.

Es ist bevorzugt, dass die Kühlmedium-Zuleitung derart ausgebildet ist, dass im zusammengesetzten Zustand der Kühlstruktur die Strömungsrichtung des Kühlmediums in der Kühlmedium-Zuleitung eine Hauptrichtungskomponente im Wesentlichen senkrecht zu der Kühlfläche aufweist. Durch nahezu senkrechte Einströmung kann die Dicke der thermischen Grenzschicht des Kühlmediums an der Kühlfläche verringert werden. Im Zusammenhang mit dem vergleichsweise kurzen Kontakt zwischen Kühlmedium und Kühlfläche ergibt sich somit ein hoher Temperaturgradient, was gewöhnlich einen schnelleren Wärmetransport verursacht. Somit kann die Kühleffizienz weiter verbessert werden.It is preferred that the cooling medium supply line is formed such that in the assembled state of the cooling structure, the flow direction of the cooling medium in the cooling medium supply line has a main direction component substantially perpendicular to the cooling surface. By almost vertical inflow, the thickness of the thermal boundary layer of the cooling medium can be reduced at the cooling surface. In connection with the comparatively short contact between the cooling medium and the cooling surface thus results in a high temperature gradient, which usually causes a faster heat transfer. Thus, the cooling efficiency can be further improved.

Es ist bevorzugt, dass die Auslassöffnung an der Außenumfangsseite des Randbereichs angeordnet ist, sodass im zusammengesetzten Zustand der Kühlstruktur die Strömungsrichtung des Kühlmediums an der Auslassöffnung eine Hauptrichtungskomponente im Wesentlichen in Radialrichtung aufweist. Es ist bevorzugt, dass die Auslassöffnung an der der Kühlfläche abzuwendenden Deckseite des Randbereichs angeordnet ist, sodass im zusammengesetzten Zustand der Kühlstruktur die Strömungsrichtung des Kühlmediums an der Auslassöffnung eine Hauptrichtungskomponente im Wesentlichen in Axialrichtung von der Kühlfläche weg aufweist. Benachbarte Ströme des Kühlmediums treffen an den Randbereichen aufeinander und können einen sogenannten Fontänenbereich ausbilden, in welchem die Strömung weg von der Kühlfläche vergleichsweise stark ist. Wird die Auslassöffnung entsprechen angeordnet, kann die Durchflussgeschwindigkeit und damit der Volumenstrom des Kühlmediums gesteigert werden. Somit ergibt sich eine höhere Kühlleistung und -effizienz.It is preferable that the outlet port is disposed on the outer peripheral side of the skirt portion, so that in the assembled state of the cooling structure, the flow direction of the cooling medium at the outlet port has a main direction component substantially in the radial direction. It is preferred that the outlet opening is arranged on the cover surface of the edge region facing away from the cooling surface, so that in the assembled state of the cooling structure, the flow direction of the cooling medium at the outlet opening has a main direction component substantially in the axial direction away from the cooling surface. Adjacent flows of the cooling medium meet at the edge regions and can form a so-called fountain area, in which the flow away from the cooling surface is comparatively strong. If the outlet opening is arranged accordingly, the flow rate and thus the volume flow of the cooling medium can be increased. This results in a higher cooling capacity and efficiency.

Es ist bevorzugt, dass der Verteilungskanal einen sich von der Kühlmedium-Zuleitung weg in Radialrichtung nach außen zu dem Randkanal, insbesondere stetig, vergrößernden, insbesondere kreisförmigen, Querschnitt aufweist. Es ist bevorzugt, dass der Durchmesser des Verteilungskanals sich von 0,4-mal bis 0,6-mal, vorzugsweise 0,5-mal, des Durchmessers der Einlassöffnung auf 1-mal bis 1,2-mal, vorzugsweise 1,1-mal, des Durchmessers der Einlassöffnung vergrößert. Es ist bevorzugt, dass der Verteilungskanal kegelstumpfartig ausgebildet ist. Es ist bevorzugt, dass der Randkanal von der Kühlmedium-Zuleitung einen Abstand aufweist der zwischen dem 2-fachen und 3-fachen, vorzugsweise das 2,5-fache, des Durchmessers der Einlassöffnung beträgt. Es ist bevorzugt, dass die Dicke des Randkanals in Radialrichtung betrachtet zwischen 0,2-mal und 0,3-mal, vorzugsweise 0,25-mal, des Durchmessers der Einlassöffnung beträgt. Es ist bevorzugt, dass Randkanal eine Höhe zwischen 0,3-mal und 0,5-mal, vorzugsweise 0,4-mal, der Gesamthöhe des Grundkörperelements aufweist. Durch die vorstehenden Maßnahmen kann der Volumenstrom des Kühlmediums weiter verbessert werden. Folglich ist die Kühlleistung erhöht.It is preferred that the distribution channel has a cross-section, which extends away from the cooling medium supply line in the radial direction outwards to the edge channel, in particular continuously, increasing, in particular circular, cross-section. It is preferred that the diameter of the distribution channel is from 0.4 times to 0.6 times, preferably 0.5 times, the diameter of the inlet opening to 1 times to 1.2 times, preferably 1.1 times. times, the diameter of the inlet opening is increased. It is preferred that the distribution channel is truncated cone-shaped. It is preferred that the edge channel of the cooling medium supply line has a distance which is between 2 times and 3 times, preferably 2.5 times, the diameter of the inlet opening. It is preferable that the thickness of the peripheral channel when viewed in the radial direction is between 0.2 times and 0.3 times, preferably 0.25 times, the diameter of the inlet opening. It is preferable that the peripheral channel has a height between 0.3 times and 0.5 times, preferably 0.4 times, the total height of the main body element. By the above measures, the volume flow of the cooling medium can be further improved. Consequently, the cooling capacity is increased.

Es ist bevorzugt, dass das Grundkörperelement von oben betrachtet eine regelmäßig polygonale Grundform, insbesondere dreieckige, quadratische, rechteckige, fünfeckige oder sechseckige regelmäßige Grundform aufweist. Mit den Aufgezählten Grundformen kann beispielsweise eine Kühlfläche mit Grundkörperelementen lückenlos bedeckt werden. Man spricht hier auch von Parkettierung. Benutzt man eine Kombination unterschiedlicher Grundformen, so können unterschiedliche und auch nicht-ebene Kühlflächen gekühlt werden. Beispielsweise kann eine Kombination aus fünfeckigen und sechseckigen Grundkörperelementen wie ein Fußball angeordnet werden, um so eine Art Kühlkammer zu schaffen.It is preferred that the base element viewed from above has a regular polygonal basic shape, in particular triangular, square, rectangular, pentagonal or hexagonal regular basic shape. With the enumerated basic forms, for example, a cooling surface can be completely covered with basic body elements. One speaks here also of tiling. Using a combination of different basic shapes, so different and non-planar cooling surfaces can be cooled. For example, a combination of pentagonal and hexagonal base elements such as a football can be arranged to provide a kind of cooling chamber.

Die Erfindung schafft ferner eine Kühlstruktur zum Kühlen einer zu kühlenden Kühlfläche, umfassend eine Mehrzahl von Grundkörperelementen, wobei wenigstens ein, vorzugsweise jedes, Grundkörperelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche ausgebildet ist, wobei Randbereiche benachbarter Grundkörperelemente an deren Außenumfangsseite fluiddicht aneinandergrenzen, so dass die Randkanäle wenigstens einen parallel zu der Kühlfläche verlaufenden Kühlkanal bilden.The invention further provides a cooling structure for cooling a cooling surface to be cooled, comprising a plurality of base body elements, wherein at least one, preferably each, base body element is formed according to one of the preceding claims, edge portions of adjacent base body elements on its outer peripheral side fluid-tight adjoin, so that the edge channels at least form a parallel to the cooling surface extending cooling channel.

Vorzugsweise umfasst die Kühlstruktur eine Kühlmedium-Ableitung, die in Fluidverbindung mit dem Kühlkanal steht, um Kühlmedium abzuführen. Die Kühlmedium-Ableitung ist beispielsweise auf die Auslassöffnung aufgesetzt.Preferably, the cooling structure includes a cooling medium drain that is in fluid communication with the cooling passage to remove cooling medium. The cooling medium discharge is placed, for example, on the outlet opening.

Es ist bevorzugt, dass die Randbereiche der Grundkörperelemente derart aufeinander abgestimmt sind, dass die Grundkörperelemente eine nicht-eben ausgebildete Kühlfläche lückenlos bedecken.It is preferred that the edge regions of the base body elements are matched to one another such that the base body elements a Cover non-exactly trained cooling surface gapless.

Die Kühlstruktur weist im Wesentlichen dieselben Vorteile auf, wie sie bereits im Zusammenhang mit den Grundkörperelementen beschrieben wurden.The cooling structure has substantially the same advantages as already described in connection with the basic body elements.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der beigefügten schematischen Zeichnungen näher erläutert. Darin zeigt:

  • 1 eine Draufsicht auf die Strömungskanäle eines Ausführungsbeispiels eines Grundkörperelements;
  • 2 eine Perspektivansicht der Strömungskanäle aus 1;
  • 3 eine Perspektivansicht eines Ausführungsbeispiels einer Kühlstruktur;
  • 4 eine Perspektivansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels einer Kühlstruktur; und
  • 5 eine Perspektivansicht einer CFD-Simulation der Kühlstruktur aus 4.
Embodiments of the invention will be explained in more detail with reference to the accompanying schematic drawings. It shows:
  • 1 a plan view of the flow channels of an embodiment of a base member;
  • 2 a perspective view of the flow channels 1 ;
  • 3 a perspective view of an embodiment of a cooling structure;
  • 4 a perspective view of another embodiment of a cooling structure; and
  • 5 a perspective view of a CFD simulation of the cooling structure 4 ,

Es wird zunächst auf 1 bis 3 Bezug genommen, die ein Ausführungsbeispiel einer Kühlstruktur 10 zeigen. Die Kühlstruktur 10 umfasst eine Mehrzahl von Grundkörperelementen 12. Die Kühlstruktur 10 ist so angeordnet, dass eine zu kühlende Kühlfläche 14 davon gekühlt werden kann. Die Kühlfläche 14 kann beispielsweise zu einem elektronischen Bauteil gehören. Die Kühlstruktur 10 kann als Kühlmedium ein geeignetes Fluid, insbesondere Wasser oder Öl, verwenden.It is going on first 1 to 3 Reference is made to an embodiment of a cooling structure 10 demonstrate. The cooling structure 10 includes a plurality of body elements 12 , The cooling structure 10 is arranged so that a cooling surface to be cooled 14 of which it can be cooled. The cooling surface 14 may for example belong to an electronic component. The cooling structure 10 can use a suitable fluid, in particular water or oil, as the cooling medium.

Jedes Grundkörperelement 12 umfasst eine Mehrzahl von Strömungskanälen 16 für das Kühlmedium, die das Grundkörperelement 12 durchziehen. Das Grundkörperelement 12 weist eine hexagonale Grundform auf. Allerdings sind auch andere Grundformen denkbar. Das Grundkörperelement 12 weist einen Zuleitungsbereich 18 für das Kühlmedium auf. Der Zuleitungsbereich 18 kann an ein Kühlmedium-Reservoir angeschlossen werden, um das Grundkörperelement 12 mit Kühlmedium zu versorgen.Every basic body element 12 includes a plurality of flow channels 16 for the cooling medium, which is the basic body element 12 pull through. The basic body element 12 has a hexagonal basic shape. However, other basic forms are conceivable. The basic body element 12 has a supply area 18 for the cooling medium. The supply area 18 can be connected to a cooling medium reservoir to the body member 12 to supply with cooling medium.

Der Zuleitungsbereich 18 enthält eine Kühlmedium-Zuleitung 20 mit einer Einlassöffnung 22 für das Kühlmedium. Die Kühlmedium-Zuleitung 20 ist im Wesentlichen kreiszylinderförmig ausgebildet und erstreckt sich in Axialrichtung des Grundkörperelements 12. Auch andere Querschnittsformen sind je nach Anwendung möglich.The supply area 18 contains a cooling medium supply line 20 with an inlet opening 22 for the cooling medium. The cooling medium supply line 20 is formed substantially circular cylindrical and extends in the axial direction of the main body element 12 , Other cross-sectional shapes are possible depending on the application.

An dem der Einlassöffnung 22 gegenüberliegenden Ende der Kühlmedium-Zuleitung 20 sind in einem Verteilbereich 24 eine Mehrzahl von Verteilungskanälen 26 vorgesehen, hier sechs. Die Verteilungskanäle 26 erstrecken sich in Radialrichtung von der Kühlmedium-Zuleitung 20 weg. Die Verteilungskanäle 26 weisen insbesondere einen sich in Radialrichtung stetig vergrößernden Querschnitt auf. Vorzugsweise sind die Verteilungskanäle 26 kegelstumpfartig ausgebildet.At the inlet opening 22 opposite end of the cooling medium supply line 20 are in a distribution area 24 a plurality of distribution channels 26 provided, here six. The distribution channels 26 extend in the radial direction of the cooling medium supply line 20 path. The distribution channels 26 In particular, they have a cross-section which increases continuously in the radial direction. Preferably, the distribution channels 26 truncated cone-shaped.

Die Verteilungskanäle 26 münden an einem Randbereich 28 in einen Randkanal 30. Ferner ist an dem Randbereich 28 eine Auslassöffnung 32 vorgesehen, die sich entlang der Außenumfangsseite 34 des Randbereichs 28 oder entlang der in Axialrichtung von der Kühlfläche 14 entfernt liegenden Deckseite 36 erstreckt. Vorliegend weist der Randkanal 30 eine hexagonale Grundform auf. Mit anderen Worten bildet der Randkanal 30 einen hexagonalen Außenumfang.The distribution channels 26 lead to a border area 28 in an edge channel 30 , Furthermore, at the edge area 28 an outlet opening 32 provided along the outer peripheral side 34 of the border area 28 or along the axial direction of the cooling surface 14 distant cover side 36 extends. In the present case, the edge channel 30 a hexagonal basic form. In other words, the edge channel forms 30 a hexagonal outer circumference.

Nachfolgend wird auf 3 bis 6 Bezug genommen.The following will be on 3 to 6 Referenced.

Zum Bilden der Kühlstruktur 10 kann eine Mehrzahl vorgefertigter Grundkörperelemente 12 zusammengesetzt und in Kontakt gebracht werden, um die Kühlfläche 14 lückenlos zu mit Grundkörperelementen 12 zu bedecken. Alternativ ist auch denkbar, die Kühlstruktur 10 mittels additiver Fertigungsverfahren (Additive-Manufacturing, 3D-Druck) auf die Kühlfläche 14 aufzubringen.To form the cooling structure 10 can a plurality of prefabricated body elements 12 assembled and brought into contact with the cooling surface 14 seamlessly with basic body elements 12 to cover. Alternatively, it is also conceivable, the cooling structure 10 using additive manufacturing processes (additive manufacturing, 3D printing) on the cooling surface 14 applied.

Nach dem Zusammensetzen bilden die Randkanäle 30 eine Mehrzahl von im Wesentlichen parallel zu der Kühlfläche 14 verlaufenden Kühlkanälen 38.After assembly, the edge channels form 30 a plurality of substantially parallel to the cooling surface 14 extending cooling channels 38 ,

Zusätzlich wird an der Kühlstruktur 10 wenigstens eine Kühlmedium-Ableitung 40 angebracht, die über die Auslassöffnungen 32 mit den Kühlkanälen 38 bzw. den Randkanälen 30 fluidverbunden ist.In addition, at the cooling structure 10 at least one cooling medium discharge 40 attached to the outlet openings 32 with the cooling channels 38 or the edge channels 30 fluidly connected.

Die verbleibenden Auslassöffnungen 32 können auf der Deckseite 36 mit einer entsprechend ausgestalteten Deckplatte (hier nicht näher dargestellt) verschlossen werden. Je nach Ausgestaltung der Randbereiche 28 kann auch eine außenumfangsseitige Seitenwand an der Kühlstruktur 10 angebracht werden, wobei die Seitenwand die am Außenumfang der Kühlstruktur 10 gelegenen Grundkörperelemente 12 gegen einen unerwünschten Austritt von Kühlmedium verschließt.The remaining outlet openings 32 can on the cover page 36 be closed with a correspondingly designed cover plate (not shown here). Depending on the design of the edge areas 28 may also have an outer peripheral side wall on the cooling structure 10 be attached, wherein the side wall on the outer periphery of the cooling structure 10 located body elements 12 closes against unwanted leakage of cooling medium.

Wie aus 5 ersichtlich findet eine homogene Kühlung der Kühlfläche 14 statt. Dies wird dadurch erreicht, dass das Kühlmedium durch die Einlassöffnung 22 und die Kühlmedium-Zuleitung 20 senkrecht auf die Kühlfläche 14 geleitet wird. Der Strom des Kühlmediums verteilt sich daraufhin über die Verteilungskanäle 26 radial nach außen, bis er auf ein benachbartes in entgegengesetzter Richtung strömendes Kühlmedium trifft. An diesen Stellen entsteht, wie von Zuckerman et al. beschrieben ein Fontänenbereich, in dem Kühlmedium von der Kühlfläche 14 weg strömt. An diesen Stellen sind auch die Auslassöffnung 32 und die Kühlkanäle 38 vorgesehen. Das Kühlmedium tritt somit durch die Auslassöffnung 32 in die Kühlmittel-Ableitung 40 ein und wird anschließend abgeführt.How out 5 Obviously there is a homogeneous cooling of the cooling surface 14 instead of. This is achieved by the cooling medium through the inlet opening 22 and the cooling medium supply line 20 perpendicular to the cooling surface 14 is directed. The flow of cooling medium is then distributed over the distribution channels 26 radially outwardly until it encounters an adjacent countercurrent cooling medium. At these points, as described by Zuckerman et al. described Fountain area, in the cooling medium from the cooling surface 14 away flows. In these places are also the outlet opening 32 and the cooling channels 38 intended. The cooling medium thus passes through the outlet opening 32 into the coolant outlet 40 and then discharged.

Durch diese Strömungsgeometrie kann die Dicke der thermischen Grenzschicht verringert sowie ein möglichst hoher Temperaturgradient erreicht werden. Insgesamt kann daher der Wärmetransport verbessert und die Kühleffizienz gesteigert werden. Zudem kann durch die Formgebung der Grundkörperelemente 12 die Homogenität der Kühlwirkung verbessert und eine skalierbare Kühlstruktur 10 geschaffen werden.By this flow geometry, the thickness of the thermal boundary layer can be reduced and the highest possible temperature gradient can be achieved. Overall, therefore, the heat transport can be improved and the cooling efficiency can be increased. In addition, by the shape of the body elements 12 improves the homogeneity of the cooling effect and a scalable cooling structure 10 be created.

Es wurde eine neue Art der Kühlkanäle vorgestellt, bei der das Kühlmedium gleichmäßig über die zu kühlende Fläche zu- und abgeführt wird und somit ein homogeneres Kühlverhalten bei besserer Effizienz verspricht. Die vorgeschlagene Struktur umfasst einen Grundkörper mit insbesondere hexagonaler Grundfläche. Die hexagonale Grundfläche erlaubt es, aus dieser Struktur nahezu beliebig große Flächen zu bedecken (Parkettierung). Die Zuführung des Kühlmediums erfolgt in der Fläche über Einlässe. Dies kann z.B. durch eine große Kammer realisiert werden, die mit dem kalten Kühlmedium fortlaufend versorgt wird. Der Rückfluss des in der Struktur erwärmten Kühlmediums erfolgt über Rücklaufkanäle entweder zur Seite oder durch eine entsprechende Verrohrung nach oben. In letzterem Fall könnte das erwärmte Kühlmedium durch die Zulaufkammer geführt werden.A new type of cooling ducts was presented in which the cooling medium is supplied and discharged evenly across the surface to be cooled, thus promising a more homogeneous cooling behavior with better efficiency. The proposed structure comprises a main body, in particular a hexagonal base. The hexagonal base area makes it possible to cover almost arbitrarily large areas from this structure (tiling). The supply of the cooling medium takes place in the surface via inlets. This can e.g. be realized by a large chamber, which is supplied with the cold cooling medium continuously. The reflux of the cooling medium heated in the structure takes place via return channels either to the side or by a corresponding piping upwards. In the latter case, the heated cooling medium could be passed through the inlet chamber.

Die Dimensionierung der Struktur (Z.B Größe der Kanäle, Durchmesser, Abmessung der Grundstruktur) sowie die verwendeten Materialien kann für den jeweiligen Anwendungsfall individuell erfolgen. Dabei spielen insbesondere die folgenden Einflussgrößen eine wichtige Rolle: abzuführende Verlustwärme, Materialverträglichkeit, Kühlmedium, Abmessungen und/oder Bauraum.The dimensioning of the structure (eg size of the channels, diameter, dimension of the basic structure) as well as the materials used can be done individually for the respective application. In particular, the following influencing factors play an important role: loss heat dissipated, material compatibility, cooling medium, dimensions and / or installation space.

Merkmale der hier vorgestellten Idee:Features of the idea presented here:

Das Kühlmedium wird (nahezu) senkrecht zur kühlenden Fläche zugeführt.The cooling medium is fed (almost) perpendicular to the cooling surface.

Die Form der Grundkörper ermöglicht Parkettierung der zu kühlenden Fläche.The shape of the body allows tiling of the surface to be cooled.

Das erwärmte Kühlmedium wird an den seitlichen Rändern des Grundkörpers abgeführt.The heated cooling medium is removed at the lateral edges of the body.

Mit den hierin beschriebenen Maßnahmen können insbesondere die nachfolgenden Vorteile verwirklicht werden. Es sollte beachtet werden, dass nicht alle Vorteile (gleichzeitig) in allen Ausführungsarten der Erfindung verwirklicht sein müssen.With the measures described herein, the following advantages in particular can be realized. It should be noted that not all advantages (simultaneously) must be realized in all embodiments of the invention.

Das kalte Kühlmedium trifft senkrecht auf die zu kühlende Fläche und kann dadurch die Dicke der thermischen Grenzschicht verringern.The cold cooling medium is perpendicular to the surface to be cooled and can thereby reduce the thickness of the thermal boundary layer.

Das Kühlmedium wird nach kurzem Kontakt wieder von der kühlenden Fläche weggeführt und hat somit einen hohen Temperaturgradienten zur kühlenden Fläche.The cooling medium is led away again after a short contact from the cooling surface and thus has a high temperature gradient to the cooling surface.

Es entsteht eine homogene Kühlwirkung über die gesamte zu kühlende Fläche, da überall vergleichbare Verhältnisse vorliegen.It creates a homogeneous cooling effect over the entire surface to be cooled, since there are comparable conditions everywhere.

Die Kühlstruktur ist nahezu beliebig auch auf große Flächen skalierbar, da eine Parkettierung aus Grundkörpern erfolgen kann.The cooling structure can be scaled virtually anywhere, even on large areas, because a tiling can be made of basic bodies.

Die Kühlstruktur kann an die jeweiligen Anforderungen (Abmessungen, Basismaterialien, ...) einfacher angepasst werden.The cooling structure can be adapted more easily to the respective requirements (dimensions, base materials, ...).

Die Kühlstruktur ist insbesondere mit Additive-Manufacturing, beispielsweise 3D-Druck, herstellbar.The cooling structure can be produced in particular with additive manufacturing, for example 3D printing.

Auch Abwandlungen der Erfindung sind möglich, dazu gehören insbesondere die nachfolgenden Maßnahmen:Modifications of the invention are also possible, including in particular the following measures:

Statt einer hexagonalen Grundstruktur sind auch dreieckige oder quadratische Grundelemente denkbar.Instead of a hexagonal basic structure, triangular or square basic elements are conceivable.

Gegebenenfalls durch Kombination von zwei oder mehreren unterschiedlichen Grundkörperformen können weitere Ausgestaltungen verwirklicht werden. Damit sind im Wesentlichen alle Kombinationen mögliche, die eine Parkettierung der zu kühlenden Fläche ermöglichen.Optionally, by combining two or more different basic body shapes further embodiments can be realized. Thus, essentially all combinations are possible that allow a tiling of the surface to be cooled.

Für gekrümmte Flächen ist beispielsweise auch eine Kombination aus Sechs- und Fünfecken, ähnlich einem klassischen Fußball, denkbar.For curved surfaces, for example, a combination of hexagons and pentagons, similar to a classic football, conceivable.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

1010
Kühlstrukturcooling structure
1212
GrundkörperelementBody member
1414
Kühlflächecooling surface
1616
Strömungskanalflow channel
1818
Zuleitungsbereichlead region
2020
Kühlmedium-ZuleitungCoolant feed line
2222
Einlassöffnunginlet port
2424
Verteilbereichdistribution area
26 26
Verteilungskanaldistribution channel
2828
Randbereichborder area
3030
Randkanaledge channel
3232
Auslassöffnungoutlet
3434
AußenumfangsseiteOuter peripheral side
3636
Deckseitecover page
3838
Kühlkanalcooling channel
4040
Kühlmedium-AbleitungCooling medium derivative

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

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  • WO 2011/0038988 A2 [0004]WO 2011/0038988 A2 [0004]
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Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

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Claims (13)

Grundkörperelement (12) zum Bilden einer Kühlstruktur (10) zum Kühlen einer zu kühlenden Kühlfläche (14), wobei das Grundkörperelement (12) umfasst: - eine Kühlmedium-Zuleitung (20) mit einer Einlassöffnung (22) zum Einlassen eines Kühlmediums; - einen die Kühlmedium-Zuleitung (20) in einer Umfangsrichtung umgebenden Randkanal (30) mit einer sich entlang der Umfangsrichtung erstreckenden Auslassöffnung (32) zum Auslassen des Kühlmediums; und - wenigstens einen die Kühlmedium-Zuleitung (20) mit dem Randkanal (30) fluidverbindenden und in Radialrichtung verlaufenden Verteilungskanal (26).A body member (12) for forming a cooling structure (10) for cooling a cooling surface (14) to be cooled, said body member (12) comprising: - A cooling medium supply line (20) having an inlet opening (22) for admitting a cooling medium; - An edge channel (30) surrounding the cooling medium supply line (20) in a circumferential direction with an outlet opening (32) extending along the circumferential direction for discharging the cooling medium; and - At least one the cooling medium supply line (20) with the edge channel (30) fluid-connecting and extending in the radial direction distribution channel (26). Grundkörperelement (12) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlmedium-Zuleitung (20) derart ausgebildet ist, dass im zusammengesetzten Zustand der Kühlstruktur (10) die Strömungsrichtung des Kühlmediums in der Kühlmedium-Zuleitung (20) eine Hauptrichtungskomponente im Wesentlichen senkrecht zu der Kühlfläche (14) aufweist.Basic body element (12) after Claim 1 , characterized in that the cooling medium supply line (20) is formed such that in the assembled state of the cooling structure (10), the flow direction of the cooling medium in the cooling medium supply line (20) has a main direction component substantially perpendicular to the cooling surface (14). Grundkörperelement (12) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Auslassöffnung (32) an der Außenumfangsseite (34) des Randbereichs (28) angeordnet ist, sodass im zusammengesetzten Zustand der Kühlstruktur (10) die Strömungsrichtung des Kühlmediums an der Auslassöffnung (32) eine Hauptrichtungskomponente im Wesentlichen in Radialrichtung aufweist, oder dass die Auslassöffnung (32) an einer der Kühlfläche abzuwendenden Deckseite (36) des Randbereichs (28) angeordnet ist, sodass im zusammengesetzten Zustand der Kühlstruktur (10) die Strömungsrichtung des Kühlmediums an der Auslassöffnung (32) eine Hauptrichtungskomponente im Wesentlichen in Axialrichtung von der Kühlfläche (14) weg aufweist.Basic body element (12) after Claim 1 or 2 , characterized in that the outlet opening (32) on the outer peripheral side (34) of the edge region (28) is arranged, so that in the assembled state of the cooling structure (10), the flow direction of the cooling medium at the outlet opening (32) has a main direction component substantially in the radial direction or that the outlet opening (32) is arranged on a cover surface (36) of the edge region (28) facing away from the cooling surface, such that in the assembled state of the cooling structure (10) the flow direction of the cooling medium at the outlet opening (32) has a main direction component substantially in the axial direction from the cooling surface (14) away. Grundkörperelement (12) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Verteilungskanal (26) einen sich von der Kühlmedium-Zuleitung (20) weg in Radialrichtung nach außen zu dem Randkanal (30), insbesondere stetig, vergrößernden, insbesondere kreisförmigen, Querschnitt aufweist.Basic body element (12) according to one of Claims 1 to 3 , characterized in that the distribution channel (26) has a from the cooling medium supply line (20) away in the radial direction outwards to the edge channel (30), in particular continuously, magnifying, in particular circular, cross-section. Grundkörperelement (12) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser des Verteilungskanals (26) sich von 0,4-mal bis 0,6-mal, vorzugsweise 0,5-mal, des Durchmessers der Einlassöffnung (22) auf 1-mal bis 1,2-mal, vorzugsweise 1,1-mal, des Durchmessers der Einlassöffnung (22) vergrößert.Basic body element (12) after Claim 4 , characterized in that the diameter of the distribution channel (26) is from 0.4 times to 0.6 times, preferably 0.5 times, the diameter of the inlet opening (22) to 1 times to 1.2 times , preferably 1.1 times, of the diameter of the inlet opening (22) increases. Grundkörperelement (12) nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Verteilungskanal (26) kegelstumpfartig ausgebildet ist.Basic body element (12) after Claim 4 or 5 , characterized in that the distribution channel (26) is frustoconical. Grundkörperelement (12) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Randkanal (30) von der Kühlmedium-Zuleitung (20) einen Abstand aufweist der zwischen dem 2-fachen und 3-fachen, vorzugsweise das 2,5-fache, des Durchmessers der Einlassöffnung (22) beträgt.Basic body element (12) according to one of Claims 1 to 6 , characterized in that the edge channel (30) of the cooling medium supply line (20) has a distance which is between the 2-fold and 3-fold, preferably 2.5 times, the diameter of the inlet opening (22). Grundkörperelement (12) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke des Randkanals (30) in Radialrichtung betrachtet zwischen 0,2-mal und 0,3-mal, vorzugsweise 0,25-mal, des Durchmessers der Einlassöffnung (22) beträgt.Basic body element (12) according to one of Claims 1 to 7 , characterized in that the thickness of the edge channel (30) viewed in the radial direction between 0.2 times and 0.3 times, preferably 0.25 times, the diameter of the inlet opening (22). Grundkörperelement (12) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass Randkanal (30) eine Höhe zwischen 0,3-mal und 0,5-mal, vorzugsweise 0,4-mal, der Gesamthöhe des Grundkörperelements (12) aufweist.Basic body element (12) according to one of Claims 1 to 8th , characterized in that edge channel (30) has a height between 0.3 times and 0.5 times, preferably 0.4 times, the total height of the main body element (12). Grundkörperelement (12) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Grundkörperelement (12) von oben betrachtet eine regelmäßig polygonale Grundform, insbesondere eine dreieckige, quadratische, rechteckige, fünfeckige oder sechseckige regelmäßige Grundform aufweist.Basic body element (12) according to one of Claims 1 to 9 , characterized in that the base body element (12) viewed from above has a regular polygonal basic shape, in particular a triangular, square, rectangular, pentagonal or hexagonal regular basic shape. Kühlstruktur (10) zum Kühlen einer zu kühlenden Kühlfläche (14), umfassend eine Mehrzahl von Grundkörperelementen (12), wobei wenigstens ein, vorzugsweise jedes, Grundkörperelement (12) nach einem der vorhergehenden Ansprüche ausgebildet ist, wobei Randbereiche (28) benachbarter Grundkörperelemente (12) an deren Außenumfangsseite (34) fluiddicht aneinandergrenzen, so dass die Randkanäle (30) wenigstens einen parallel zu der Kühlfläche (14) verlaufenden Kühlkanal (38) bilden.A cooling structure (10) for cooling a cooling surface (14) to be cooled, comprising a plurality of base elements (12), wherein at least one, preferably each, base element (12) is formed according to one of the preceding claims, wherein edge regions (28) of adjacent base elements ( 12) adjoin one another in a fluid-tight manner on their outer peripheral side (34) so that the edge channels (30) form at least one cooling channel (38) running parallel to the cooling surface (14). Kühlstruktur (10) nach Anspruch 11, gekennzeichnet durch eine Kühlmedium-Ableitung (40), die in Fluidverbindung mit dem Kühlkanal (38) steht, um Kühlmedium abzuführen.Cooling structure (10) after Claim 11 characterized by a cooling medium drain (40) in fluid communication with the cooling passage (38) for discharging cooling medium. Kühlstruktur (10) nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Randbereiche (28) der Grundkörperelemente (12) derart aufeinander abgestimmt sind, dass die Grundkörperelemente (12) eine nicht-eben ausgebildete Kühlfläche (14) lückenlos bedecken.Cooling structure (10) after Claim 11 or 12 , characterized in that the edge regions (28) of the base body elements (12) are matched to one another such that the base body elements (12) cover a non-flat cooling surface (14) gapless.
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