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. 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.
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
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.
- - 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
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 aus1 ; -
3 eine Perspektivansicht eines Ausführungsbeispiels einer Kühlstruktur; -
4 eine Perspektivansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels einer Kühlstruktur; und -
5 eine Perspektivansicht einer CFD-Simulation der Kühlstruktur aus4 .
-
1 a plan view of the flow channels of an embodiment of a base member; -
2 a perspective view of the flow channels1 ; -
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 structure4 ,
Es wird zunächst auf
Jedes Grundkörperelement
Der Zuleitungsbereich
An dem der Einlassöffnung
Die Verteilungskanäle
Nachfolgend wird auf
Zum Bilden der Kühlstruktur
Nach dem Zusammensetzen bilden die Randkanäle
Zusätzlich wird an der Kühlstruktur
Die verbleibenden Auslassöffnungen
Wie aus
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
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
- WO 2014/0048726 A1 [0003]WO 2014/0048726 A1 [0003]
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