DE202016101107U1

DE202016101107U1 - Kühlanordnung

Info

Publication number: DE202016101107U1
Application number: DE202016101107.8U
Authority: DE
Original assignee: ABB Technology Oy
Current assignee: ABB Schweiz AG
Priority date: 2015-03-03
Filing date: 2016-03-02
Publication date: 2016-07-13
Anticipated expiration: 2026-03-03
Also published as: FI10827U1; CN205726814U

Abstract

Kühlanordnung, mit: einem ersten Kühlelement (5), das sich von einem ersten Verteilerrohrsystem (1) zu einem zweiten Verteilerrohrsystem (2) erstreckende Kanäle (6) und eine Montageunterlage (8, 8') zum Aufnehmen einer von einer oder mehreren elektrischen Komponenten (9) erzeugten Wärmebelastung und zu deren Übertragung in ein Fluid in den Kanälen (6) des ersten Kühlelements (5) umfasst, einem zweiten Kühlelement (12), das sich von einem dritten Verteilerrohrsystem (3) zu einem vierten Verteilerrohrsystem (4) erstreckende Kanäle (6) zum Aufnehmen des Fluids von dem ersten Kühlelement (5) und zum Verdampfen der im Fluid befindlichen Wärmebelastung umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass das an ersten Enden des ersten Kühlelements (5) und des zweiten Kühlelements (12) befindliche zweite Verteilerrohrsystem (2) und dritte Verteilerrohrsystem (3) in der Nähe voneinander und in Flussverbindung miteinander sind, um das Fluid von dem zweiten Verteilerrohrsystem (2) zum dritten Verteilerrohrsystem (3) zu übertragen, welche Flussverbindung mit einer Struktur verwirklicht ist, die eine Luftströmung zwischendurch das zweite Verteilerrohrsystem (2) und das dritte (3) Verteilerrohrsystem verhindert oder die nur eine geringe Luftströmung zwischendurch das zweite Verteilerrohrsystem (2) und das dritte (3) Verteilerrohrsystem ermöglicht, dass das an zweiten Enden des zweiten Kühlelements (12) und des ersten Kühlelements (5) befindliche vierte Verteilerrohrsystem (4) und erste Verteilerrohrsystem (1) in Flussverbindung miteinander sind, um das Fluid von dem vierten Verteilerrohrsystem (4) zum ersten Verteilerrohrsystem (1) zu übertragen, wobei das vierte Verteilerrohrsystem (4) und das erste Verteilerrohrsystem (1) in der Nähe voneinander aber in einem größeren Abstand voneinander als das zweite Verteilerrohrsystem (2) und das dritte Verteilerrohrsystem (3) sind, so dass es zwischen ihnen eine Öffnung (14) gibt, die eine größere Luftströmung zwischendurch das vierte Verteilerrohrsystem (4) und das erste Verteilerrohrsystem (1) als zwischendurch das zweite Verteilerrohrsystem (2) und das dritte Verteilerrohrsystem (3) ermöglicht, und dass es zwischen den Kanälen (6) des zweiten Kühlelements (12) Öffnungen (13) gibt, um eine Luftströmung (15) durch die Kühlanordnung über diese Öffnungen (13) und die Öffnung (14) zwischen dem vierten Verteilerrohrsystem (4) und dem ersten Verteilerrohrsystem (1) zu ermöglichen.

Description

Bereich der Erfindung
Diese Erfindung betrifft eine Kühlanordnung und insbesondere eine Kühlanordnung zur Kontrollierung einer von einer elektrischen Komponente erzeugten Wärmebelastung.
Beschreibung des Standes der Technik
Zur Kühlung von elektrischen Komponenten sind Kühler vorbekannt, die eine Wärmebelastung von einer elektrischen Komponente oder elektrischen Komponenten aufnehmen und die diese Wärmebelastung in die Umgebungsluft verdampfen. Das Ziel bei solchen Kühlelementen ist, eine im Vergleich zur Größe des Kühlers große Fläche bereitzustellen, die von einer über das Kühlelement zu leitenden Luftströmung auf solche Weise gekühlt wird, dass die aus den elektrischen Komponenten stammende Wärmebelastung mit der Luftströmung entfernt werden kann. Ein mit diesen bekannten Kühlern zusammenhängendes Problem ist eine geringe Kühlleistung, da es aus praktischen Gründen nicht immer möglich ist, die Fläche des Kühlelements ausreichend groß auszubilden.
Vorbekannt sind außerdem Kühlanordnungen, in denen ein Fluid zur Kontrollierung einer von einer elektrischen Komponente aufgenommenen Wärmebelastung verwendet wird. Die elektrische Komponente ist an einem Verdampfer befestigt, von dem das erwärmte Fluid an einen Kondensator geleitet wird, von dem die Wärmebelastung in die Umgebung übertragen wird.
Die Verwendung einer die Fluidzirkulation nutzenden Kühlanordnung anstelle des oben erwähnten Kühlers wäre vorteilhaft für das Erreichen einer effizienterer Kühlung. In der Praxis sind aber solche bekannten die Fluidzirkulation nutzenden Kühlanordnungen auf solche Weise gestaltet worden, dass sie wegen ihrer Außenkontur nicht passen, um anstelle von bekannten Kühlern in gegenwärtigen elektrischen Vorrichtungen verwendet zu werden. Außerdem begrenzt ihr Design in einigen Fällen auch ihre Anwendung in neuen elektrischen Vorrichtungen, in denen der verfügbare Raum relativ klein ist.
Übersicht über die Erfindung
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das oben beschriebene Problem zu lösen und eine Kühlanordnung bereitzustellen, die zur Verwendung in unterschiedlichsten Anwendungen geeignet ist und mit der eine effiziente Kühlung für eine elektrische Komponente vorgesehen wird. Diese Aufgabe wird mit einer Kühlanordnung nach dem unabhängigen Schutzanspruch 1 erreicht.
Indem ein erstes und ein zweites Kühlelement derart angeordnet werden, dass sie an ersten und zweiten Enden Verteilerrohrsysteme haben, die sich in der Nähe voneinander befinden, so dass die Verteilerrohrsysteme an den zweiten Enden in einem größeren Abstand voneinander als die Verteilerrohrsysteme an den ersten Enden sind, wird eine kompakte und effiziente Kühlanordnung erreicht, in der die Luftströmung effektiv durch die Kühlanordnung geleitet werden kann.
Die vorteilhaften Ausführungsformen der Kühlanordnung sind der Gegenstand der beigefügten abhängigen Schutzansprüche 2 bis 5.
Kurze Beschreibung der Figuren
Im folgenden wird die Erfindung beispielhaft unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren ausführlicher beschrieben. Es zeigen:
1 bis 3 eine erste Ausführungsform einer Kühlanordnung und
4 und 5 eine zweite Ausführungsform der Kühlanordnung.
Beschreibung zumindest einer Ausführungsform
1 bis 3 veranschaulichen eine erste Ausführungsform einer Kühlanordnung. 1 und 2 zeigen die Kühlanordnung von gegenüberliegenden Seiten und 3 zeigt eine Seitenansicht der Kühlanordnung, in der sich in Längsrichtung erstreckende Innenwände der Rohre, die sich normalerweise innerhalb der Rohre unsichtbar befinden, sichtbar sind.
Ein erstes Kühlelement 5 der Kühlanordnung umfasst ein erstes Verteilerrohrsystem 1 und ein zweites Verteilerrohrsystem 2, zwischen denen sich Kanäle 6 erstrecken. In der in den Figuren gezeigten Ausführungsform sind die Kanäle 6 anhand von Rohren 7 derart ausgeführt, dass die sich in Längsrichtung erstreckenden Innenwände 10 der Rohre 7 die besagten Kanäle 6 voneinander abgrenzen. In der Praxis können die Rohre 7 zum Beispiel MPE-Rohre (Multi Port Extruded) sein, die beispielsweise durch Extrusion aus Aluminium hergestellt werden können. Unter Verwendung von beispielsweise solchen MPE-Rohren kann das erste Kühlelement 5 mit einer sog. Blasenpumpe versehen werden, in der die von dem Fluid aufgenommene Wärmebelastung Gasblasen erzeugt, die sich nach oben bewegen und dabei das noch im flüssigen Zustand vorliegende Fluid daran verhindern, sich nach unten zu bewegen. Dadurch werden Vorteile u. a. in Wärmeübertragung und Druckfestigkeit erzielt. Das erste Kühlelement 5 umfasst zudem eine Montageunterlage 8, die eine erste Oberfläche zum Aufnehmen einer oder mehrerer elektrischer Komponenten 9 hat. Die von der elektrischen Komponente 9 oder Komponenten im Betrieb erzeugte Wärmebelastung wird dem in den Kanälen des ersten Kühlelements 5 befindlichen Fluid übertragen. Das erste Kühlelement 5 kann somit als Verdampfer dienen, wobei das Fluid in den Kanälen 6 verdampft wird und als Folge der Verdampfung gegen das zweite Verteilerrohrsystem 2 am ersten Ende des ersten Kühlelements 5, am oberen Ende der Figuren, übertragen wird.
In 1 bis 3 ist die Montageunterlage 8 in der Weise ausgeführt, dass ihre zweite Oberfläche 17 Rillen 11 hat, in die die in den Rohren 7 befindlichen Kanäle 6 eingeführt werden. Somit wird die Wärme effektiv von der Montageunterlage 8 zum Fluid in den Kanälen 6 übertragen.
Ein zweites Kühlelement 12 der Kühlanordnung umfasst ein drittes Verteilerrohrsystem 3 und ein viertes Verteilerrohrsystem 4, zwischen denen sich Kanäle 6 erstrecken. Ähnlich wie bei dem ersten Kühlelement sind die Kanäle 6 des zweiten Kühlelements 12 anhand der Rohre 7 ausgeführt, deren sich in Längsrichtung erstreckende Innenwände 10 die besagten Kanäle voneinander abgrenzen.
Das an den ersten Enden des ersten Kühlelements 5 und des zweiten Kühlelements 12 befindliche zweite Verteilerrohrsystem 2 und dritte Verteilerrohrsystem 3 sind in der Nähe voneinander und in Flussverbindung miteinander. Somit kann das Fluid, das durch die von den elektrischen Komponenten 9 erzeugte Wärmebelastung erwärmt wird, von dem ersten Kühlelement 5 zum zweiten Kühlelement 12 fließen.
Im zweiten Kühlelement 12 gibt es Öffnungen 13 zwischen den Kanälen 6. Wenn sich die Kanäle in den Rohren 7 befinden, sind die Öffnungen 13 zwischen den Außenwänden der Rohre 7. An den Öffnungen 13 können Kühlrippen angeordnet werden, die sich zwischen den Rohren 7 erstrecken und die Kühlfläche vergrößern. Das zweite Kühlelement 12 kann also als Kondensator dienen, wobei das Fluid sich in den Kanälen 6 abkühlt und in den flüssigen Zustand übergeht, wenn es sich gegen das vierte Verteilerrohrsystem 4 am zweiten Ende des zweiten Kühlelements 12, am unteren Ende der Figuren, bewegt.
Zwischen dem vierten Verteilerrohrsystem 4 und dem ersten Verteilerrohrsystem 1 am zweiten Ende des zweiten Kühlelements 12 und des ersten Kühlelements 5 gibt es eine Flussverbindung, und das von dem zweiten Kühlelement 12 gekühlte Fluid kann zum ersten Kühlelement 5 über das erste Verteilerrohrsystem 1 zurückkehren. Die Fluidzirkulation durch die Kühlanordnung kann ohne Pumpe ausgeführt werden, wenn die Kühlanordnung in einer in den 1 bis 3 gezeigten Position gehalten wird, wobei das erwärmte und zumindest teilweise verdampfte Fluid als Folge der Verdampfung im ersten Kühlelement 5 nach oben fließt und das abgekühlte und zur Flüssigkeit kondensierte Fluid im zweiten Kühlelement 12 nach unten fließt. Um die Fluidzirkulation zu verstärken, können die Kanäle 6 im ersten Kühlelement 5 kapillar dimensioniert werden.
Wenn das vierte Verteilerrohrsystem 4 und das erste Verteilerrohrsystem 1 in der Nähe voneinander in einem größeren Abstand voneinander als das zweite Verteilerrohrsystem 2 und das dritte Verteilerrohrsystem 3 positioniert werden, wird eine in den Figuren zu sehende Kühlanordnung erreicht, in der das erste und das zweite Kühlelement in einem Winkel zueinander sind. Die Größe des Winkels kann je nach dem verfügbaren Raum bemessen werden. Wie aus den Figuren ersichtlich, ist zwischen dem vierten Verteilerrohrsystem 4 und dem ersten Verteilerrohrsystem 1 ein Raum für die Öffnung 14 entstanden. Diese Öffnung 14 kann zusammen mit den Öffnungen 13 zwischen den Kanälen 6 des zweiten Kühlelements 12 für die Leitung der Luftströmung 15 durch die Kühlanordnung benutzt werden. Die Richtung der Luftströmung 15 kann wie in 3 dargestellt, d. h. von der Öffnung 14 in Richtung auf die Öffnungen 13, oder umgekehrt sein. Die Luftströmung kann mit einem der Kühlanordnung zugeordneten Gebläse 16 erzeugt werden oder die Luftströmung kann alternativ von einem separaten Gebläse an die Kühlanordnung geleitet werden. Indem das zweite Verteilerrohrsystem 2 und das dritte Verteilerrohrsystem 3 entlang ihrer gesamten Länge anhand einer luftdichten Struktur oder einer fast luftdichten Struktur miteinander verbunden werden, die die Luftströmung verhindert oder nur eine geringe Luftströmung zwischendurch das zweite Verteilerrohrsystem 2 und das dritte 3 Verteilerrohrsystem ermöglicht, wird sichergestellt, dass ein möglichst großer Anteil an der Luftströmung 15 über die Öffnungen 13 fließt, wobei die Kühlung effektiv ist. In einer solchen Struktur begrenzt zudem die zweite Oberfläche 17 der Montageunterlage den Raum, durch den die Luftströmung 15 fließt. Somit kühlt diese Luftströmung auch direkt die Montageunterlage 8 selbst, die die Wärmebelastung von der elektrischen Komponente oder Komponenten 9 aufnimmt. Damit die Luftströmung auch direkt die Montageunterlage 8 selbst effektiver abkühlen würde, können auf der zweiten Oberfläche 17 der Montageunterlage oder alternativ in den Rohren 7 Kühlrippen angeordnet werden. Solche Kühlrippen können zum Beispiel mit Platten verwirklicht werden, die sich aus der Oberfläche 17 oder den Rohren 7 zum zweiten Kühlelement hin herausragen und die ausgerichtet sind, sich von dem ersten Verteilerrohrsystem 1 zum zweiten Verteilerrohrsystem 2 zu erstrecken, und die somit fast vertikale Kanäle für die kühlende Luftströmung zwischen ihnen begrenzen.
In der Ausführungsform der 1 bis 3 sind das vierte Verteilerrohrsystem 4 und das erste Verteilerrohrsystem 1 von länglichen geraden Rohren ausgebildet, an deren gegenüberliegenden Enden sich ein erstes Verbindungsrohr 18 und ein zweites Verbindungsrohr 19 befinden, die eine Flussverbindung zwischen dem vierten Verteilerrohrsystem 4 und dem ersten Verteilerrohrsystem bilden. Somit begrenzen das vierte 4 und das erste 1 Verteilerrohrsystem sowie das erste 18 und das zweite Verbindungsrohr 19 zwischen ihnen die Öffnung 14, deren Fläche möglichst groß ausgebildet ist, um eine ausreichende Luftströmung 15 durch die Kühlanordnung sicherzustellen. Dank der zwei Verbindungsrohre 18 und 19 kann eine ausreichende Strömung zwischen dem vierten Verteilerrohrsystem 4 und dem ersten Verteilerrohrsystem 1 auch in solchen Situationen gesichert werden, wo das Kühlelement nicht in der in den Figuren gezeigten vertikalen Position, sondern beispielsweise zur Seite geneigt ist, was zum Beispiel in Schiffsmontagen möglich ist.
4 und 5 veranschaulichen eine zweite Ausführungsform der Kühlanordnung. Die Ausführungsform der 4 und 5 entspricht weitgehend der Ausführungsform der 1 bis 3, weshalb die Ausführungsform der 4 und 5 im Folgenden hauptsächlich an solchen Punkten erläutert wird, wo sich diese Ausführungsformen voneinander unterscheiden.
4 zeigt eine Seitenansicht der Kühlanordnung, in der die sich in Längsrichtung erstreckenden Innenwände 10 der Rohre 7, die sich normalerweise innerhalb der Rohre 7 unsichtbar befinden, sichtbar sind, und 5 zeigt einen Schnitt der Kühlanordnung entlang einer imaginären Linie V-V der 4.
Der hauptsächliche Unterschied zwischen den Ausführungsformen der 4 und 5 und der 1 bis 3 ist die Positionierung der Kanäle 6 in Bezug auf eine Montageunterlage 8'. Im Beispiel der 5 ragt ein Teil der Rohre 7 aus den Rillen 11 auf der zweiten Oberfläche 17 der Montageunterlage heraus, wobei die in dem herausragenden Teil der Rohre 7 (in den Figuren links) befindlichen Kanäle sich zumindest nicht vollständig in den Rillen der Montageunterlage 8' befinden. In der Praxis wird die von den elektrischen Komponenten erzeugte Wärmebelastung nicht so gut in die Kanäle 6 übertragen, die sich nicht in den Rillen 11 der Montageunterlage 8' befinden. Diese aus der Montageunterlage herausragenden Kanäle 6 ermöglichen den Rückfluss des überflüssigen, im flüssigen Zustand vorliegenden Fluids im zweiten Verteilerrohrsystem 2 direkt in das erste Verteilerrohrsystem 1, wodurch eine gute Fluidtrocknung erreicht wird.
Es ist zu verstehen, dass die obige Beschreibung und die zusammengehörenden Figuren lediglich zur Veranschaulichung der vorliegenden Erfindung dienen. Es wird Fachmännern offenbar sein, dass die Erfindung auch auf andere Weisen variiert und modifiziert werden kann, ohne vom Rahmen der Erfindung abzuweichen.

Claims

Kühlanordnung, mit: einem ersten Kühlelement (5), das sich von einem ersten Verteilerrohrsystem (1) zu einem zweiten Verteilerrohrsystem (2) erstreckende Kanäle (6) und eine Montageunterlage (8, 8') zum Aufnehmen einer von einer oder mehreren elektrischen Komponenten (9) erzeugten Wärmebelastung und zu deren Übertragung in ein Fluid in den Kanälen (6) des ersten Kühlelements (5) umfasst, einem zweiten Kühlelement (12), das sich von einem dritten Verteilerrohrsystem (3) zu einem vierten Verteilerrohrsystem (4) erstreckende Kanäle (6) zum Aufnehmen des Fluids von dem ersten Kühlelement (5) und zum Verdampfen der im Fluid befindlichen Wärmebelastung umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass das an ersten Enden des ersten Kühlelements (5) und des zweiten Kühlelements (12) befindliche zweite Verteilerrohrsystem (2) und dritte Verteilerrohrsystem (3) in der Nähe voneinander und in Flussverbindung miteinander sind, um das Fluid von dem zweiten Verteilerrohrsystem (2) zum dritten Verteilerrohrsystem (3) zu übertragen, welche Flussverbindung mit einer Struktur verwirklicht ist, die eine Luftströmung zwischendurch das zweite Verteilerrohrsystem (2) und das dritte (3) Verteilerrohrsystem verhindert oder die nur eine geringe Luftströmung zwischendurch das zweite Verteilerrohrsystem (2) und das dritte (3) Verteilerrohrsystem ermöglicht, dass das an zweiten Enden des zweiten Kühlelements (12) und des ersten Kühlelements (5) befindliche vierte Verteilerrohrsystem (4) und erste Verteilerrohrsystem (1) in Flussverbindung miteinander sind, um das Fluid von dem vierten Verteilerrohrsystem (4) zum ersten Verteilerrohrsystem (1) zu übertragen, wobei das vierte Verteilerrohrsystem (4) und das erste Verteilerrohrsystem (1) in der Nähe voneinander aber in einem größeren Abstand voneinander als das zweite Verteilerrohrsystem (2) und das dritte Verteilerrohrsystem (3) sind, so dass es zwischen ihnen eine Öffnung (14) gibt, die eine größere Luftströmung zwischendurch das vierte Verteilerrohrsystem (4) und das erste Verteilerrohrsystem (1) als zwischendurch das zweite Verteilerrohrsystem (2) und das dritte Verteilerrohrsystem (3) ermöglicht, und dass es zwischen den Kanälen (6) des zweiten Kühlelements (12) Öffnungen (13) gibt, um eine Luftströmung (15) durch die Kühlanordnung über diese Öffnungen (13) und die Öffnung (14) zwischen dem vierten Verteilerrohrsystem (4) und dem ersten Verteilerrohrsystem (1) zu ermöglichen.
Kühlanordnung nach Schutzanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlanordnung ein Gebläse (16) zum Erzeugen der besagten Luftströmung (15) umfasst.
Kühlanordnung nach Schutzanspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Montageunterlage (8, 8') eine Oberfläche (17) hat, die den Raum begrenzt, durch den die über die besagten Öffnungen (13, 14) fließende Luftströmung (15) fließt, und welche Oberfläche (17) von der Luftströmung (15) abgekühlt wird.
Kühlanordnung nach einem der Schutzansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Kühlelement (5) mehrere, sich von dem ersten Verteilerrohrsystem (1) zum zweiten Verteilerrohrsystem (2) erstreckende Rohre (7) aufweist, die sich in Längsrichtung erstreckende Innenwände (10) haben, die die besagten, sich von dem ersten Verteilerrohrsystem (1) zum zweiten Verteilerrohrsystem (2) erstreckenden Kanäle (6) voneinander abgrenzen, und dass die Montageunterlage (8') Rillen (11) hat, in die die Rohre (7) teilweise eingeführt werden, so dass jedes Rohr (7) zumindest einen Kanal (6) umfasst, der sich in dem Teil des Rohres (7) befindet, der nicht in die Rillen (11) in der Montageunterlage (8') eingeführt wird.
Kühlanordnung nach einem Schutzanspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das vierte Verteilerrohrsystem (4) und das erste Verteilerrohrsystem (1) miteinander in Flussverbindung anhand eines mit deren gegenüberliegenden Enden verbundenen ersten Verbindungsrohres (18) und zweiten Verbindungsrohres (19) sind, wobei das erste und das zweite Verbindungsrohr (18, 19) sowie das vierte und das erste Verteilerrohrsystem (4, 1) die besagte Öffnung zum Ermöglichen einer Luftströmung durch die Kühlanordnung zwischen ihnen begrenzen.