DE102018221951A1 - Rohrförmige Kühlrippen und deren Anwendung - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung gibt eine Vorrichtung (1) zur Kühlung von Bauteilen (9) an, aufweisend einen Grundkörper (2) und mindestens eine in dem Grundkörper (2) ausgebildete Kühlrippe (3), die von einem Kühlmedium (6) umströmt werden kann, wobei die Kühlrippe (3) rohrförmig ausgebildet ist und eine erste Öffnung (4) und eine zweite Öffnung (5) aufweist, wobei die Kühlrippe (3) sowie die erste und zweite Öffnung (4, 5) ausgebildet sind, teilweise das Kühlmedium (6) durch die erste Öffnung (4) in die Kühlrippe (3) und durch die zweite Öffnung (5) aus der Kühlrippe (3) ströme zu lassen.Ein Stromrichter (12) mit einer derartigen Vorrichtung (1) sowie ein Luftfahrzeug (11) mit einem Stromrichter (12) werden ebenfalls angegeben.

Description

  • Gebiet der Erfindung
  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Kühlung von Bauteilen, insbesondere von leistungselektronischen Bauelementen, mit einem Grundkörper und in dem Grundkörper ausgebildete Kühlrippen, die von einem Kühlmedium umströmt werden können. Die Erfindung betrifft auch einen Stromrichter und ein Luftfahrzeug mit einer derartigen Vorrichtung.
  • Hintergrund der Erfindung
  • Von modernen elektronischen Baugruppen, insbesondere der Leistungselektronik, wird eine immer höhere Leistungsdichte gefordert. Besonders in Bezug auf stark lokale Erwärmungsphänomene (sogenannte „Hotspots“) wird eine Entwärmungsstrategie benötigt. Mit einer verbesserten Kühlung, insbesondere einer Flüssigkeitskühlung einer definierten Kühlstruktur, kann entweder mehr Robustheit oder eine höhere Leistung der Elektronik verwirklicht werden.
  • Bisher wurden vereinfachte Kühlstrukturen, z.B. Pin-Fin (= zylinderförmige Kühlrippen) oder Kühlrippen Designs verwendet. Diese erreichen bei einer definierten Anströmung einen begrenzten Entwärmungsstrom.
  • Kühler mit Pin-Fins haben sich u.a. in der Automobilbranche etabliert. Diese haben bei einer guten Kühlung vergleichsweise einen niedrigen Druckabfall (z.B. 6 bis 8 Liter/Minute, 100 mbar). Sie sind vergleichsweise klein, leicht und robust und können auch mit Öl als Kühlmittel betrieben werden. Pin-Fin Kühler werden heutzutage in eine vom Kühlmedium durchströmte Kavität eingesetzt und schließen/dichten diese nach oben hin ab.
  • In der nachveröffentlichten Patentanmeldung DE 10 2018 216 859.8 wird eine Anordnung mit zylinderförmigen Kühlrippen zur Kühlung von Bauteilen ausführlich beschrieben.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Lösung anzugeben, durch die die Kühlung von Bauteilen, insbesondere von elektrischen und elektronischen Bauelementen, im Vergleich zum Stand der Technik verbessert wird.
  • Die Erfindung ergibt sich aus den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche. Weitere Merkmale, Anwendungsmöglichkeiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung.
  • In einem ersten Aspekt der Erfindung wird durch einen röhrenförmigen, teilweise offenen Aufbau (= „Röhrchen“) der Pin-Fins (= zylinderförmige Kühlrippen), die insbesondere durch einen 3D-Druck hergestellt werden können, eine Verbesserung der Kühlrippenkühlleistung um mehr als 5% erzielt. Der rohrförmige Aufbau der Pin-Fins vergrößert die Kühlfläche an den Pin-Fins und verbessert somit die Kühlleistung der Pin-Fins. Durch den Einsatz bionischer Designansätze, wobei die Strömung des Kühlmediums optimiert wird, kann die Kühlleistung noch weiter verbessert werden.
  • Die Erfindung beansprucht eine Vorrichtung zur Kühlung von Bauteilen, aufweisend einen Grundkörper und in dem Grundkörper ausgebildete Kühlrippen, die von einem Kühlmedium umströmbar sind, wobei die Kühlrippen rohrförmig ausgebildet sind und eine erste Öffnung und eine zweite Öffnung aufweisen, wobei die Kühlrippe sowie die erste und zweite Öffnung ausgebildet sind, teilweise das Kühlmedium durch die erste Öffnung in die Kühlrippe, d.h. in das Innere der Kühlrippe, und durch die zweite Öffnung aus der Kühlrippe strömen zu lassen. Der Grundkörper ist vorzugsweise aus Metall, Keramik oder einem Verbundmaterial gebildet.
  • Die Erfindung bietet den Vorteil, dass die Kühlleistung von Kühlern verbessert wird.
  • In einer Weiterbildung kann die erste Öffnung durch das dem Grundkörper abgewandte Rohrende gebildet werden, wodurch ein optimales Einströmverhalten erreicht wird.
  • In einer weiteren Ausgestaltung kann die zweite Öffnung in der Wandung der Kühlrippe ausgebildet sein, wodurch ein druckabfallarmes Ausströmen des Kühlmediums erreicht wird.
  • In einer Weiterbildung kann die Kühlrippe gebogen ausgebildet sein, wobei die erste Öffnung gegen und die zweite Öffnung in Strömungsrichtung des Kühlmediums zeigt. Dadurch wird die Kühlleistung der Kühlrippe optimiert.
  • In einer Weiterbildung ist der Durchmesser der Kühlrippe bevorzugt kleiner 3 mm.
  • In einer weiteren Ausführungsform kann in dem Grundkörper eine Vielzahl von zueinander beabstandeten Kühlrippen ausgebildet sein.
  • In einer weiteren Ausbildung kann der Grundkörper nahe der zweiten Öffnung eine ausgebildete Kavität aufweisen, die ausgebildet ist, den Strömungswiderstand und den thermischen Widerstand in der Kühlrippe zu verringern. Dadurch wird die Kühlleistung weiter verbessert.
  • In einer Weiterentwicklung kann die Form der Kavität nach Gesichtspunkten der Bionik ermittelt sein.
  • In einer weiteren Ausgestaltung kann der Grundkörper plattenförmig ausgebildet sein und die Kühlrippen können aus dem Grundkörper ragen.
  • In einer weiteren Ausgestaltung können die Kühlrippen vermehrt und bevorzugt unterhalb von Wärmequellen (= Hotspots) angeordnet sein. Dadurch sitzen die Kühlrippen in der Nähe der Wärmequellen und können optimal die Wärme abführen.
  • Ein weiterer Aspekt betrifft den Einsatz der Kühlvorrichtung in einem Stromrichter.
  • Die Erfindung beansprucht einen Stromrichter, insbesondere einen Umrichter, mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Kühlung einer Leistungselektronik. Dadurch kann die Kühlung eines Stromrichters verbessert werden.
  • Als Umrichter, auch Inverter genannt, wird ein Stromrichter bezeichnet, der aus einer Wechselspannung oder Gleichspannung eine in der Frequenz und Amplitude veränderte Wechselspannung erzeugt. Häufig sind Umrichter als AC/DC-DC/AC-Umrichter oder DC/AC-Umrichter ausgebildet, wobei aus einer Eingangswechselspannung oder einer Eingangsgleichspannung über einen Gleichspannungszwischenkreis und getakteten Halbleitern eine Ausgangswechselspannung erzeugt wird.
  • Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft die Anwendung des Stromrichters mit Kühlvorrichtung in einem Luftfahrzeug.
  • Die Erfindung beansprucht ein Luftfahrzeug, insbesondere ein Flugzeug, mit einem erfindungsgemäßen Stromrichter zur elektrischen Versorgung einer elektrischen Schuberzeugungseinheit.
  • In einer Weiterbildung kann das Luftfahrzeug einen durch den Stromrichter mit elektrischer Energie versorgten Elektromotor und einen durch den Elektromotor in Rotation versetzbaren Propeller aufweisen.
  • Unter Luftfahrzeug wird jede Art von fliegendem Fortbewegungs- oder Transportmittel, sei es bemannt oder unbemannt, verstanden.
  • Weitere Besonderheiten und Vorteile der Erfindung werden aus den nachfolgenden Erläuterungen eines Ausführungsbeispiels anhand von schematischen Zeichnungen ersichtlich.
  • Figurenliste
  • Es zeigen:
    • 1 eine Vorderansicht einer Vorrichtung zur Kühlung,
    • 2 eine Rückansicht einer Vorrichtung zur Kühlung,
    • 3 eine Schnittansicht einer Vorrichtung zur Kühlung,
    • 4 eine räumliche Ansicht einer Vorrichtung zur Kühlung,
    • 5 eine Schnittansicht einer Vorrichtung zum Kühlen mit einer Kavität,
    • 6 ein Blockschaltbild eines Stromrichters mit einer Vorrichtung zum Kühlen und
    • 7 ein Luftfahrzeug mit einer elektrischen Schuberzeugungseinheit.
  • Detaillierte Beschreibung der Erfindung
  • 1 bis 5 zeigen Ansichten von Vorrichtungen 1 zur Kühlung einer Wärmequelle 9, beispielsweise eines elektrischen Bauteils, insbesondere eines Leistungshalbleiters. In einem Grundkörper 2 sind rohrförmige Kühlrippen 3 (auch als „Pin-Fins“ bezeichenbar) ausgebildet. Dargestellt ist der Übersicht wegen nur eine Kühlrippe 3. Die Wärmequelle 9 sitzt auf der Oberseite des Grundkörpers 2, der die von der Wärmequelle 9 abgegebene Wärme zumindest teilweise aufnimmt und diese direkt an ein Kühlmedium 6, das in einem Kühlkanals (dargestellt durch seinen Querschnitt 10) strömt, abgibt. Bevorzugt ist die Kühlrippe 3 unterhalb der Wärmequelle 9 angeordnet. Der Grundkörper 2 ist vorzugsweise plattenförmig ausgebildet und kann aus Metall oder einer Keramik gebildet sein. Vorzugsweise werden die Kühlrippen mittels 3D-Drcuk hergestellt.
  • Die rohrförmige Kühlrippe 3 besitzt eine erste Öffnung 4 (= Einströmöffnung), die gegen die Strömungsrichtung 7 des Kühlmediums 6 ausgerichtet ist. Bevorzugt ist die erste Öffnung 4 die Rohröffnung der Kühlrippe 3 und die Kühlrippe 3 derart gebogen ausgebildet, dass die erste Öffnung frontal von dem Kühlmedium 6 getroffen wird. Durch eine zweite Öffnung 5 (= Ausströmöffnung) in der Wandung der Kühlrippe 3 kann das Kühlmedium 6 das Innere der Kühlrippe 3 wieder verlassen, was durch den Verlauf der Strömungsrichtung 7 in 2 und 3 angedeutet ist.
  • Die zweite Öffnung 5 zum Austritt des Kühlmediums 6 aus dem Inneren der Kühlrippe 3 ist möglichst nahe an der Unterseite des Grundkörper 2 ausgebildet, damit das Kühlmedium 6 möglichst lange im Inneren der Kühlrippe 2 strömen kann.
  • In 4 ist der Verlauf der Strömung 7 um die Kühlrippe 2 angedeutet. Durch diese Art der Vorrichtung zum Kühlen fließt ein Teil des Kühlmediums 6 durch die Kühlrippe 2 und ein Teil um die Kühlrippe 4 herum.
  • Um das Strömungsverhalten des Kühlmediums 6 zu optimieren und damit den Wärmeeintrag in das Kühlmedium 6 zu erhöhen, wird die Biegung der Kühlrippe 3 nach Gesichtspunkten der Bionik gestaltet. Außerdem kann durch eine entsprechende Kavität 8 an der zweiten Öffnung 5 der Druckabfall im Inneren der Kühlrippe 3 verringert werden und der Wärmeeintrag in das Kühlmedium 6 wird durch eine Vergrößerung der Oberfläche vergrößert. 5 zeigt eine entsprechende Vorrichtung mit einer Kavität 8 in dem Grundkörper 2.
  • 6 zeigt ein Blockschaltbild eines Stromrichters 12, insbesondere ein Umrichter, mit einer Kühlvorrichtung 1 gemäß 1 bis 5.
  • 7 zeigt ein elektrisches oder hybrid-elektrisches Luftfahrzeug 11, insbesondere ein Flugzeug, mit einem Stromrichter 12 gemäß 6, der einen Elektromotor 13 mit elektrischer Energie versorgt. Der Elektromotor 14 treibt einen Propeller 14 an. Beide sind Teil einer elektrischen Schuberzeugungseinheit 15.
  • Obwohl die Erfindung im Detail durch die Ausführungsbeispiele näher illustriert und beschrieben wurde, ist die Erfindung durch die offenbarten Beispiele nicht eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann daraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Kühlvorrichtung
    2
    Grundkörper
    3
    Kühlrippe
    4
    Erste Öffnung
    5
    Zweite Öffnung
    6
    Kühlmedium
    7
    Strömungsrichtung
    8
    Kavität
    9
    Wärmequelle
    10
    Querschnitt eines Kühlkanals
    11
    Luftfahrzeug
    12
    Stromrichter
    13
    Elektrische Schuberzeugungseinheit
    14
    Elektromotor
    15
    Propeller
  • 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
    • DE 102018216859 [0005]

Claims (15)

  1. Vorrichtung (1) zur Kühlung von Bauteilen (9), aufweisend: - einen Grundkörper (2) und - mindestens eine in dem Grundkörper (2) ausgebildete Kühlrippe (3), die von einem Kühlmedium (6) umströmbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlrippe (3) rohrförmig ausgebildet ist und eine erste Öffnung (4) und eine zweite Öffnung (5) aufweist, wobei die Kühlrippe (3) sowie die erste und zweite Öffnung (4, 5) ausgebildet sind, teilweise das Kühlmedium (6) durch die erste Öffnung (4) in die Kühlrippe (3) und durch die zweite Öffnung (5) aus der Kühlrippe (3) ströme zu lassen.
  2. Vorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Öffnung (4) durch das dem Grundkörper (2) abgewandte Rohrende gebildet wird.
  3. Vorrichtung (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Öffnung (5) in der Wandung der Kühlrippe (3) ausgebildet ist.
  4. Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlrippe (3) gebogen ausgebildet ist, wobei die erste Öffnung (4) gegen und die zweite Öffnung (5) in Strömungsrichtung (7) des Kühlmediumw (6) zeigt.
  5. Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser der Kühlrippe (3) kleiner 3 mm ist.
  6. Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Grundkörper (2) eine Vielzahl von zueinander beabstandeten Kühlrippen (3) ausgebildet ist.
  7. Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch: - eine in dem Grundkörper (2) nahe der zweiten Öffnung (5) ausgebildete Kavität (8), die ausgebildet ist, den Strömungswiderstand und den thermischen Widerstand in der Kühlrippe (3) zu verringern.
  8. Vorrichtung (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Form der Kavität (8) nach Gesichtspunkten der Bionik ermittelt ist.
  9. Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper (2) plattenförmig ausgebildet ist und die Kühlrippen (3) aus dem Grundkörper (2) ragen.
  10. Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlrippen (3) vermehrt unterhalb von Wärmequellen (9) angeordnet sind.
  11. Stromrichter (12) mit einer Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur Kühlung einer Leistungselektronik.
  12. Stromrichter (12) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Stromrichter (12) ein Umrichter ist.
  13. Luftfahrzeug (11) mit einem Stromrichter (12) nach Anspruch 11 oder 12 zur elektrischen Versorgung einer elektrischen Schuberzeugungseinheit (13).
  14. Luftfahrzeug (11) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Luftfahrzeug (11) ein Flugzeug ist.
  15. Luftfahrzeug (11) nach Anspruch 13 und 14, gekennzeichnet durch: - einen durch den Stromrichter (12) mit elektrischer Energie versorgten Elektromotor (14) und - einen durch den Elektromotor (14) in Rotation versetzbaren Propeller (15).
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