-
Stand der Technik
-
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kühlvorrichtung zum Kühlen von Bauteilen.
-
Üblicherweise führen Leistungshalbleiter in der Leistungselektronik hohe Ströme, welche zu einer hohen Verlustwärme führen können. Häufig ist eine Kühlung solcher Leistungshalbleiter erforderlich, beispielsweise zur Vermeidung von Schäden durch Überhitzen.
-
Zur Kühlung kann beispielsweise eine Flüssigkeitskühlung oder eine Luftkühlung verwendet werden. Weiterhin können zur Kühlung sogenannte Pulsating Heatpipe-Strukturen als Kühlvorrichtungen verwendet werden. Diese eignen sich besonders für die direkte Integration in bestehende Komponenten mit dem Ziel, effizient Wärme von thermischen Hotspots zu Wärmesenken abzuführen. Dabei wird die Wärme vom Ort der Wärmeeinbringung in der Regel zunächst mittels Wärmeleitung gespreizt. Eine als Pulsating Heatpipe ausgebildete Kühlvorrichtung umfasst einen Kühlkanal in der Kühlvorrichtung, welcher beispielsweise mäanderförmig ausgebildet ist und der mit einem Arbeitsmittel gefüllt ist, welches gleichzeitig gasförmig und flüssig in dem Kühlkanal vorliegt. In der Kühlvorrichtung wird in einem Grundbereich Wärme an den Kühlkanal übertragen, so dass das Arbeitsmittel in dem Kühlkanal lokal verdampft. Dabei entstehen Druckgradienten, die das Arbeitsmittel durch den Kühlkanal befördern. Dabei wandern die Dampfblasen auch in einen Kondensatorteil des Kühlkanals und kondensieren dort. Die Wärme wird dadurch über die Wände des Kondensators und beispielsweise auch über Verrippungen an die Umgebung abgegeben. Insgesamt wird also die Wärme, die im Grundbereich in die Kühlvorrichtung eingebracht wird, auf die gesamte Kühlvorrichtung verteilt. Eine als Pulsating Heat Pipe ausgebildete Kühlvorrichtung dient somit als Wärmespreiz-Designelement.
-
Offenbarung der Erfindung
-
Erfindungsgemäß wird eine Kühlvorrichtung zum Kühlen von Bauteilen vorgeschlagen. Die Kühlvorrichtung umfasst wenigstens einen ersten Kühlkanal, wobei der erste Kühlkanal mit einem Arbeitsmittel gefüllt ist, welches gleichzeitig gasförmig und flüssig in dem ersten Kühlkanal vorliegt. Erfindungsgemäß umfasst die Kühlvorrichtung wenigstens einen Stapel aus Blechen, wobei der Stapel aus Blechen wenigstens ein erstes Blech mit einer ersten Oberseite und einer ersten Unterseite und ein zweites Blech umfasst, wobei der erste Kühlkanal als erste Vertiefung in der Oberseite des ersten Blechs ausgebildet ist, wobei das zweite Blech an der Oberseite des ersten Blechs angeordnet ist, wobei die erste Vertiefung des ersten Blechs an der Oberseite des ersten Blechs durch das zweite Blech abgedeckt ist und das zweite Blech den ersten Kühlkanal verschließt.
-
Vorteile der Erfindung
-
Gegenüber dem Stand der Technik weist die Kühlvorrichtung mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs den Vorteil auf, dass sie vorteilhaft einfach gefertigt werden kann. Dabei kann der Kühlkanal der Pulsating Heat Pipes auf einfache Weise durch Umformung eines ersten Blechs geformt werden. Der Kühlkanal wird dann durch ein zweites Blech abgedeckt, so dass zwischen den Blechen der Kühlkanal für das Arbeitsmittel der Pulsating Heat Pipe gebildet wird. Der Kühlkörper kann somit vorteilhaft einfach und kostengünstig gefertigt werden. Zudem lässt sich auf diese Weise einfach und günstig eine Kühlvorrichtung mit einer effizienten mehrlagigen Pulsating Heat Pipe aufbauen.
-
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindungen werden durch die in den Unteransprüchen angegebenen Merkmale ermöglicht.
-
Gemäß einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass der Stapel aus Blechen weiterhin ein drittes Blech umfasst, wobei die Kühlvorrichtung weiterhin wenigstens einen zweiten Kühlkanal umfasst, der als zweite Vertiefung in der Unterseite des ersten Blechs ausgebildet ist, wobei das dritte Blech auf der Unterseite des ersten Blechs angeordnet ist, wobei die zweite Vertiefung des ersten Blechs an der Unterseite des ersten Blechs durch das dritte Blech abgedeckt ist und das dritte Blech den zweiten Kühlkanal verschließt, wobei der zweite Kühlkanal mit dem Arbeitsmittel gefüllt ist. So ist neben dem ersten Kühlkanal ein zweiter Kühlkanal in der Kühlvorrichtung gebildet. Die beiden Kühlkanäle können auf einfache Weise durch Umformen des ersten Blechs gebildet sein, wobei durch die Umformung des ersten Blechs die erste Vertiefung für den ersten Kühlkanal und die zweite Vertiefung für den zweiten Kühlkanal in dem ersten Blech eingeprägt sind.
-
Gemäß einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass der erste Kühlkanal und/ oder der zweite Kühlkanal in der Kühlvorrichtung mäanderförmig verlaufen. Ein mäanderförmiger Verlauf der Kühlkanäle ermöglicht einen vorteilhaft effizienten Betrieb des Kühlkörpers als Pulsating Heat Pipe und somit eine effiziente Wärmeabfuhr von dem zu kühlenden Bauteil über die Kühlvorrichtung.
-
Gemäß einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass der erste Kühlkanal und der zweite Kühlkanal in der Kühlvorrichtung nebeneinander und durch eine von dem ersten Blech gebildete Trennwand getrennt voneinander verlaufen. So kann erreicht werden, dass die beiden Kühlkanäle in derselben Ebene in dem Stapel aus Blechen verlaufen. Weiterhin können auf diese Weise der erste Kühlkanal und der zweite Kühlkanal vorteilhaft nah aneinander verlaufen und eine somit eine vorteilhaft dichte Anordnung der Kühlkanäle in der Kühlvorrichtung erreicht werden.
-
Gemäß einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass die Kühlvorrichtung wenigstens zwei zweite Kühlkanäle, die als zweite Vertiefungen in der Unterseite des ersten Blechs ausgebildet sind, umfasst. Dabei verläuft der erste Kühlkanal zwischen den beiden zweiten Kühlkanälen, wobei der erste Kühlkanal zwischen zwei von dem ersten Blech gebildeten Trennwänden verläuft, die jeweils einen der beiden zweiten Kühlkanäle von dem ersten Kühlkanal trennen. Auf diese Weise können drei in einer Ebene der Kühlvorrichtung parallel zueinander verlaufende und voneinander durch die Trennwände getrennte Kühlkanäle gebildet sein. Die Kühlkanäle verlaufen vorteilhaft dicht aneinander. Somit kann eine gute Wärmeabfuhr durch die Kühlvorrichtung erreicht werden.
-
Gemäß einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass die erste Vertiefung in dem ersten Blech und/oder die zweite Vertiefung in dem ersten Blech durch Umformen eines ebenen Blechs gefertigt sind. So kann die Kühlvorrichtung vorteilhaft einfach gefertigt werden. Die erste Vertiefung und/oder die zweite Vertiefung sind beispielsweise durch Tiefziehen des ersten Blechs gebildet.
-
Gemäß einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass die Kühlvorrichtung wenigstens zwei Stapel aus Blechen umfasst, wobei die zwei Stapel übereinander angeordnet sind. Dadurch kann die Anzahl der parallelen Kühlkanäle für die Pulsating Heat Pipes vorteilhaft erhöht werden, was je nach Applikation zu einer verbesserten Funktion und/oder einer verbesserten Wärmespreizung führt. Aus diese Weise kann eine Kühlvorrichtung mit Kühlkanälen für Pulsating Heat Pipes in mehreren Ebenen gebildet sein. So kann durch die Kühlvorrichtung Wärme vorteilhaft gut abgeleitet werden.
-
Gemäß einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass die zwei in der Kühlvorrichtung übereinander angeordneten Stapel identisch ausgebildet sind. Ein derart ausgebildeter Kühlkörper kann vorteilhaft einfach gefertigt werden.
-
Gemäß einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass die ersten Kühlkanäle der beiden Stapel fluidisch miteinander verbunden sind und/oder dass die zweiten Kühlkanäle der beiden Stapel fluidisch miteinander verbunden sind. Die vertikal gestapelten Kühlkanäle können dabei beispielsweise durch Löcher in den zwischen den entsprechenden Kühlkanälen angeordneten Blechen, die beispielsweise durch Stanzen hergestellt sein können, miteinander verbunden sein. Dies ermöglicht eine gemeinsame Befüllung der Kühlkanäle mit dem Arbeitsmittel. Weiterhin lässt sich die Struktur der Kühlkanäle für die Pulsating Heat Pipe auf diese Weise auch dreidimensional gestalten. Da das Arbeitsmittel dann zwischen den einzelnen Ebenen wechseln kann, kann Wärme nicht nur in einer Blechebene, sondern auch zwischen den Blechebenen über die Pulsating Heat Pipe statt über Wärmeleitung transportiert werden.
-
Gemäß einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass die Bleche der Kühlvorrichtung, insbesondere mittels Schweißen oder Löten, miteinander verbunden sind. So sind die Bleche auf stabile und einfache Weise miteinander verbunden.
-
Figurenliste
-
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen
- 1 eine Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels der Kühlvorrichtung,
- 2 eine Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels der Kühlvorrichtung,
- 3 einen Querschnitt durch das zweite Ausführungsbeispiel der Kühlvorrichtung aus 2,
- 4 eine Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines ersten Blechs.
-
Ausführungsformen der Erfindung
-
Die 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Kühlvorrichtung 1. Die Kühlvorrichtung 1 kann zur Kühlung von Elektronik oder anderen Hotspots aller Art, beispielsweise zur Kühlung von Leistungselektronik in E-Fahrzeugen, passiver Batteriekühlung, Kühlung von Motorsteuergeräten, Ladestationen oder Drive-Units in eBikes verwendet werden. Die Kühlvorrichtung 1 ist dazu ausgebildet, das zu kühlende Bauteil, beispielsweise eine Leistungselektronik, beispielsweise ein Halbleiterbauteil zu kühlen. Dazu kann das in den Figuren nicht dargestellte Bauteil thermisch an der Kühlvorrichtung 1 angebunden sein. Das Bauteil kann beispielsweise mittelbar oder unmittelbar an der Kühlvorrichtung 1 anliegen. Dazu kann an der Kühlvorrichtung 1 eine ebene Auflagefläche ausgebildet sein. Die Auflagefläche kann an verschiedenen Seiten der Kühlvorrichtung 1 ausgebildet sein. Die Auflagefläche 9 kann beispielsweise eine Außenseite eines zweiten Blechs 22 oder eines dritten Blechs 23 sein.
-
Die Kühlvorrichtung 1 umfasst einen oder mehrere Kühlkanäle 11,12. In dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel umfasst die Kühlvorrichtung 1 einen ersten Kühlkanal 11 und zwei zweite Kühlkanäle 12. Die Kühlkanäle 11,12 sind vorzugsweise rohrförmig ausgebildet. Die Kühlkanäle 11,12 weisen in den in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen einen rechteckförmigen Querschnitt quer zur Flussrichtung des Arbeitsmittels 6 durch die Kühlkanäle 11,12 auf. Die Kühlkanäle 11, 12 können aber auch andere Querschnitte, wie beispielsweise halbkreisförmige oder trapezförmige Querschnitte aufweisen. Der erste Kühlkanal 11 und der zweite Kühlkanal 12 verlaufen in dem Ausführungsbeispiel parallel zueinander. Die Kühlkanäle 11,12 sind fluidisch voneinander getrennt. Die Kühlkanäle 11,12 können aber auch fluidische Verbindungen untereinander aufweisen und nur in Abschnitten voneinander fluidisch getrennt sein.
-
Die Kühlkanäle 11,12 können, wie in dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel, beispielsweise mäanderförmig verlaufen. Dabei können die Kühlkanäle 11,12 jeweils mehrere Mittelsegmente 51 aufweisen, in denen der jeweilige Kühlkanal 11,12 gerade verläuft. Weiterhin können die Kühlkanäle 11,12 jeweils mehrere, beispielsweise U-förmig ausgebildete, Umlenksegmente 52 aufweisen, an denen der jeweilige Kühlkanal 11,12 eine Richtungsumkehr erfährt. Die Mittelsegmente 51 eines Kühlkanals 11,12 erstrecken sich parallel zueinander und sind jeweils mittels eines Umlenksegments 52 mit einem weiteren Mittelsegment 51 desselben Kühlkanals 11,12 verbunden. Die einzelnen Kühlkanäle 11,12 sind beispielsweise geschlossen ausgebildet. Hierfür weist der Kühlkanal 11,12 vorzugsweise einen in den Figuren nicht dargestellten Verbindungsbereich auf, welcher einen geschlossenen Kreislauf des Kühlkanals 11,12 bildet. Der Kühlkanal 11,12 kann weiterhin ein in den Figuren nicht dargestelltes Ventil aufweisen, um beispielsweise eine Evakuierung des Kühlkanals 11,12 und eine Befüllung des Kühlkanals 11,12 mit dem Arbeitsmittel 6 zu ermöglichen. Die Kühlkanäle 11,12 verlaufen in diesem Ausführungsbeispiel jeweils in einer Ebene.
-
Wie in 1 dargestellt, verlaufen die Kühlkanäle 11,12 in der Kühlvorrichtung 1 zwischen Blechen 21, 22, 23. Die Bleche 21, 22, 23 sind übereinandergestapelt. Die Bleche 21, 22, 23 bilden zusammen einen Stapel 10. Die Bleche 21, 22, 23 sind beispielsweise aus Stahl, Aluminium, Kupfer oder einem anderen geeigneten Material ausgebildet. Die Bleche 21, 22, 23 sind beispielsweise durch Schweißen oder Löten miteinander verbunden. Die Bleche 21, 22, 23 weisen beispielsweise über ihre flächige Ausdehnung hinweg eine konstante Dicke auf. Dabei ist ein erstes Blech 21 zwischen einem zweiten Blech 22 und einem dritten Blech 23 angeordnet. Das erste Blech 21 weist eine Oberseite 25 und eine von der Oberseite 25 abgewandte Unterseite 26 auf. Die Oberseite 25 des ersten Blechs 21 ist dem zweiten Blech 22 zugewandt. Das zweite Blech 22 ist an der Oberseite 25 des ersten Blechs 21, beispielsweise durch Löten oder Schweißen, befestigt. Die Unterseite 26 des ersten Blechs 21 ist dem dritten Blech 23 zugewandt. Das dritte Blech 23 ist an der Unterseite 26 des ersten Blechs 21, beispielsweise durch Löten oder Schweißen, befestigt.
-
Das erste Blech 21 ist verformt. Das erste Blech 21 ist beispielsweise tiefgezogen und somit verformt. So ist in dem ersten Blech 21 an der Oberseite 25 eine erste Vertiefung 27 ausgebildet. Das erste Blech 21 ist somit derart verformt, dass es in der ersten Vertiefung 27 von der Oberseite 25 her nach unten gedrückt ist. Weiterhin sind auf der Unterseite 26 des ersten Blechs 21 zwei zweite Vertiefungen 28 ausgebildet. Das erste Blech 21 ist somit derart verformt, dass es in den zweiten Vertiefungen 28 von der Unterseite 26 des ersten Blechs 21 her nach oben gedrückt ist. Die erste Vertiefung 27 in der Oberseite 25 des ersten Blechs 21 bildet einen ersten Kühlkanal 11. Die zweiten Vertiefungen 28 in der Unterseite 26 des ersten Blechs 21 bilden zwei zweite Kühlkanäle 12.
-
Ein Ausführungsbeispiel eines umgeformten ersten Blechs 21 ist in 4 dargestellt. Werden die zwei zweiten Vertiefungen 28 in der Unterseite 26 des ersten Blechs 21, beispielsweise durch Tiefziehen eines ebenen Blechs, in die Unterseite 26 in das erste Blech 21 eingebracht, so bildet sich auf der Oberseite 25 des ersten Blechs 21 zwischen den zwei zweiten Vertiefungen 28 die erste Vertiefung 27 für den ersten Kühlkanal 11 aus.
-
Wie in 1 zu sehen ist, ist der erste Kühlkanal 11 in der Kühlvorrichtung 1 an der Oberseite 25 des ersten Blechs 21 von dem zweiten Blech 22 abgedeckt und somit verschlossen. Das zweite Blech 22 liegt an den Rändern des ersten Kühlkanals 11 mittelbar oder unmittelbar an der Oberseite 25 des ersten Blechs auf, so dass der erste Kühlkanal 11 dicht verschlossen ist. Die zweiten Kühlkanäle 12 sind an der Unterseite 26 des ersten Blechs 21 von dem dritten Blech 23 abgedeckt und somit verschlossen. Das dritte Blech 23 liegt an den Rändern der zweiten Kühlkanäle 12 mittelbar oder unmittelbar an der Unterseite 26 des ersten Blechs 21 auf, so dass die zweiten Kühlkanäle 12 dicht verschlossen sind.
-
In dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel der Kühlvorrichtung 1 verlaufen der erste Kühlkanal 11 und die zweiten Kühlkanäle 12 nebeneinander. Der erste Kühlkanal 11 verläuft zwischen den beiden zweiten Kühlkanälen 12. Zwischen dem ersten Kühlkanal 11 und den zweiten Kühlkanälen 12 ist jeweils eine Trennwand 29 angeordnet. Die Trennwände 29 werden von dem ersten Blech 21 gebildet. Die Trennwände 29 trennen den ersten Kühlkanal 11 von den beiden zweiten Kühlkanälen 12. Die Vertiefungen 27,28 in dem ersten Blech 21 sind beispielsweise durch Umformen eines ebenen Blechs aus der Ebene heraus gefertigt. Das erste Blech 21 kann beispielsweise durch Tiefziehen umgeformt sein. Das zweite Blech 22 und das dritte Blech 23 können, wie in dem dargestellten Ausführungsbeispiel, eben ausgebildet sein. Das zweite Blech 22 und das dritte Blech 23 können aber auch Umformungen, wie beispielsweise Vertiefungen aufweisen.
-
Ein weiteres Ausführungsbeispiel der Kühlvorrichtung 1 ist in 2 dargestellt. Die Kühlvorrichtung 1 umfasst in diesem Ausführungsbeispiel zwei Stapel 20 aus Blechen 21,22,23 wie im ersten Ausführungsbeispiel beschrieben. Die beiden Stapel 20 sind übereinander angeordnet und beispielsweise mittels Schweißen oder Löten miteinander verbunden. In diesem Ausführungsbeispiel sind die beiden Stapel 20 mit den Blechen 21,22,23 identisch ausgebildet und derart übereinander angeordnet, dass die sich jeweils entsprechenden Kühlkanäle 11,12 in zwei zueinander parallelen Ebenen parallel zueinander und direkt übereinander verlaufen. In 3 ist ein Querschnitt durch das in 2 dargestellte Ausführungsbeispiel der Kühlvorrichtung 1 senkrecht zur flächigen Erstreckung der Bleche dargestellt. Wie in 3 dargestellt können die Kühlkanäle 11,12 aus unterschiedlichen übereinander angeordneten Stapeln 20 aus Blechen 21,22,23 fluidisch miteinander verbunden sein. Dazu können in den zwischen den jeweiligen Kühlkanälen 11,12 angeordneten Blechen 22,23 Durchbrüche ausgebildet sein, so dass zwischen den Kühlkanälen 11,12 ein Verbindungskanal durch die Bleche 22,23 zwischen den Kühlkanälen 11,12 ausgebildet ist, über den die Kühlkanäle 11,12 fluidisch miteinander verbunden sind.
-
Innerhalb der Kühlkanäle 11,12 befindet sich ein Arbeitsmittel 6, welches gleichzeitig in flüssigen und in gasförmigen Zustand vorliegt. Das Arbeitsmittel 6 liegt in dem Kühlkanal 11,12 gleichzeitig gasförmig und flüssig vor, mit anderen Worten teils gasförmig und teils flüssig. Das heißt, das Arbeitsmittel 6 liegt im Kühlkanal 11,12 zweiphasig vor. Insbesondere liegen dabei innerhalb des Kühlkanals 11,12 Gasblasen sowie Flüssigkeitssäulen gleichzeitig vor. Vorzugsweise nehmen bei einer Nenntemperatur die Gasblasen sowie die Flüssigkeitssäulen ein ähnlich großes Volumen ein. Besonders bevorzugt nimmt der gasförmige Anteil des Arbeitsmittels 6 bei der Nenntemperatur 30 % bis 70 % eines Innenvolumens des Kühlkanals 11,12 ein, wobei das restliche Innenvolumen durch den flüssigen Anteil des Arbeitsmittels 6 eingenommen wird. In Abhängigkeit einer Temperatur der Kühlvorrichtung 1 ändert sich dabei das Volumenverhältnis durch Verdampfen oder Kondensieren des Arbeitsmittels 6. So kann der Kühlkanal 11,12 in der Kühlvorrichtung 1 als Pulsating Heat Pipe betrieben werden.
-
Bei einer Erwärmung der Kühlvorrichtung 1 durch das zu kühlende Bauteil erfolgt eine Erwärmung des Kühlkanals 11,12 sowie des darin befindlichen Arbeitsmittels 6. Durch eine Kombination aus Verdampfung, Kondensation, konvektivem Wärmetransport und Wärmeleitung erfolgt ein Abtransport der Wärme durch die Kühlvorrichtung 1 und somit eine Kühlung des Bauteils. Besonders bevorzugt weist das Arbeitsmittel 6 eine kritische Temperatur auf, die größer als eine maximale Betriebstemperatur ist. Vorzugsweise weist das Arbeitsmittel 6 eine kritische Temperatur von mindestens 233 K, vorzugsweise mindestens 273 K besonders vorzugsweise mindestens 373 K, und insbesondere maximal 533 K, auf. Als kritische Temperatur wird dabei eine Temperatur eines Stoffes am kritischen Punkt angesehen. Dadurch wird sichergestellt, dass das Arbeitsmittel 6 in einem bevorzugten Betriebsbereich, in welchem das Arbeitsmittel 6 insbesondere bei Temperaturen von 222 K bis 473 K, insbesondere von 273 K bis 373 K, vorliegt, zweiphasig innerhalb des Kühlkanals 11,12 vorliegen kann. Vorzugsweise ist das Arbeitsmittel 6 ein organisches Kältemittel, welches beispielsweise in Fahrzeugklimaanlagen eingesetzt wird, wie insbesondere 2,3,3,3-Tetrafluorpropen, auch als R1234yf bezeichnet, R1233zd(E) usw. Besonders bevorzugt weist das Arbeitsmittel 6 einen Schmelzpunkt auf, welcher maximal 273 K, vorzugsweise maximal 233K, besonders bevorzugt maximal 213 K, beträgt.
-
Selbstverständlich sind auch weitere Ausführungsbeispiele und Mischformen der dargestellten Ausführungsbeispiele möglich.
