WO2019072894A1 - Kühleinheit zur kühlung von elektronischen bauteilen - Google Patents

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Roland Lodholz
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Definitions

  • the invention relates to a cooling unit with a heat sink for cooling electronic components.
  • the heat loss of electronic or electromechanical components must be dissipated frequently to prevent overheating of the corresponding components. It is known to use cooling plates for cooling these components.
  • a coolant channel can be embedded in a cooling plate and flowed through by a coolant.
  • the heat from the electrical components must be transferred via the heat sink in the coolant.
  • materials with a high thermal conductivity are used, for example copper.
  • Making a cooling plate entirely out of copper will make the cold plate very expensive and heavy.
  • copper elements are embedded in a material with poor thermal conductivity. For example, it is known to embed copper elements in aluminum plates.
  • Cooling units are z. B. known from US 6,802,366 Bl, US 7,624,791 Bl,
  • both copper elements and aluminum elements are connected to the cooling channel or coolant flows through both the copper elements and through the aluminum plates. It may be difficult to find a suitable coolant to minimize corrosion in both materials.
  • Object of the present invention is to provide a cooling unit with which an effective cooling of electronic components can be done, which is inexpensive to produce and can be flowed through by as many coolants, while keeping a possible corrosion low.
  • a cooling unit with a heat sink, which is formed of a first material having a first thermal conductivity, wherein the heat sink has at least one coolant channel, and with at least one cooling element made of a second material having a second heat conductivity is formed, wherein the second thermal conductivity is higher than the first thermal conductivity and wherein the coolant channel is formed completely as a coolant tube, so that in operation, a coolant in the coolant tube does not come into chemical contact with the cooling element or heat sink.
  • at least one heat source in particular an electronic component, can be arranged on the cooling unit.
  • the coolant tube can be made of a material which is not attacked by the coolant. Materials for cooling elements and heat sink can thus be combined with each other as desired. In doing so, the first aluminum or aluminum.
  • the second material may contain copper or copper.
  • a cooling unit with cooling elements is more efficient than a cooling unit without cooling elements, since the heat can be distributed more quickly and over a larger area via the cooling elements and thus also the transition of the lost heat into the coolant can be increased.
  • the cooling unit is preferably designed for cooling and to protect against overheating of electronic components, such.
  • the coolant tube may be formed of a third material.
  • a material can be selected which is not attacked by the coolant used. For example, this makes it possible to use a coolant which is corrosive in copper or aluminum.
  • the cooling unit can be used in a power supply of a larger system, which leads the coolant through several parts of the system. The coolant used can be optimized for other parts of the system and the cooling unit need not be considered when choosing the coolant.
  • the coolant may be thermally, in particular via the coolant pipe, coupled to the cooling element.
  • the coolant tube can be made of a corrosion-resistant material, in particular titanium or stainless steel. Thus, it is possible to use chemically highly reactive coolants.
  • the cooling unit is thus suitable as a cooling unit in a power supply for battery inverters with liquid electrolytes, in particular redox flow batteries.
  • the cooling element can be cast or pressed into the heat sink.
  • the cooling tube can be pressed together with a cooling element in the heat sink.
  • the cooling tube and cooling element can be combined in a mold. men are held and the material of the heat sink can then be poured.
  • the cooling unit can be milled, so that the surface of the cooling unit meets the requirements, in particular to a good heat transfer from the components to be cooled, so usually milled plan.
  • this approach is possible when the heat sink aluminum with a melting temperature of about 660 ° C for the cooling elements copper is selected with a melting temperature of about 1083 ° C and for the cooling tubes titanium with a melting temperature of 1660 ° C.
  • the first material may have a lower melting point than the second material.
  • a particularly good thermal conductivity can be generated at the transition from the first to the second material.
  • Such good thermal conductivity is usually not achieved when the cooling elements are soldered or glued.
  • the additional material required for soldering or gluing results in additional heat transfer, which has a negative influence on the thermal conductivity.
  • the at least one cooling element may be completely surrounded by the first material. This results in a good corrosion resistance. In particular, they can be enclosed in such a way that they are not visible from the outside.
  • the cooling unit can be designed as a cooling plate.
  • the cooling unit can be designed as a cooling plate.
  • the specific heat capacity of the second material may be smaller than the heat capacity of the first material.
  • the heat capacity measures the ability of a substance to store thermal energy. It is usually given in units of J / (kg x K). It is more than 300 J / (kg x K) for copper and more than 800 J / (kg x K) for aluminum.
  • An upper side of at least one cooling element may be raised or recessed relative to the upper side of the cooling body and / or a lower side of at least one Cooling element may be raised or recessed relative to the underside of the heat sink.
  • steps can thus be introduced into the top or bottom of the cooling unit.
  • the steps can be formed by the cooling elements. For example, it is possible to mount a component to be cooled directly on a cooling element.
  • the upper side of at least one cooling element is arranged in the same plane as the upper side of the heat sink and / or that the underside of at least one cooling element is arranged in the same plane as the underside of the heat sink.
  • a surface of at least one cooling element may be in direct contact with a surface of the cooling tube.
  • the cooling element can surround the cooling tube completely or at least partially circumferentially. If the cooling tube is embedded in the cooling element, heat can be released into the coolant particularly well, since there is the greatest possible contact between the cooling tube and the cooling element.
  • the cooling element can be designed, for example, as a so-called heat-spreading element, in order thereby to increase the area on which components to be cooled can be arranged.
  • the cooling element can also be arranged next to a coolant tube, wherein it can either touch the cooling tube or else material of the cooling body can be present between the cooling tube and the cooling element.
  • the contour of at least one cooling element is at least partially adapted to the contour of the coolant tube. Also by this measure, the contact area between the cooling element and the coolant pipe can be increased in order to ensure a large heat transfer.
  • the coolant tube may be at least partially embedded in a cooling element. In particular, the coolant tube can be completely embedded in a cooling element.
  • the coolant tube can be pressed into the heat sink.
  • the coolant tube can be pressed together with a cooling element in the heat sink.
  • a cooling element and / or a coolant tube can be plastically deformed in order to eliminate free spaces and air pockets in the cooling unit.
  • At least one cooling element can be held by the coolant tube on the heat sink. As a result, no further fastening means for securing the cooling element are necessary. Also, the cooling element can be mounted together with the coolant tube on the heat sink and attached thereto.
  • At least one cooling element may be arranged at a distance from the coolant tube by second material.
  • a direct contact of the cooling element and the cooling medium channel or coolant tube can be avoided. This may be advantageous in particular when the material of the cooling element reacts chemically with the material of the coolant tube.
  • At least one cooling element can not have a coolant channel. As a result, the production cost for a cooling element can be reduced.
  • the manufacture of the cooling unit can be simplified if the heat sink has two interconnected heat sink halves. At least one cooling element and / or at least one coolant tube can be introduced between the heat sink halves before the heat sink halves are connected to one another.
  • At least one cooling element can be connected to the heat sink by means of screws, soldering, gluing, welding, clamping or riveting. Thereby, the cooling element can be securely held on the heat sink.
  • At least one heat source in particular an electronic component, can be arranged on the cooling unit. In this case, the electronic component can be connected by means of screws, soldering, gluing, welding, clamping or riveting to the cooling unit.
  • the coolant pipe connections can be joined watertight, in particular soldered, welded, flat-sealing or sealingly formed with O-rings.
  • An aspect of the invention also relates to a current transformer with a cooling unit described above, in particular for charging and / or discharging of electrochemical storage, such.
  • the current transformer may have an electrical or electronic component to be cooled, which is mounted on the heat sink, wherein this component is at least partially thermally coupled directly to a cooling element, so that the component can deliver heat to the cooling element.
  • Such an arrangement is disclosed for example in DE 10 2015 210 920 AI.
  • Flow batteries can use the electrolyte in which the energy is stored, and which is pumped from a tank to the battery cells, as a coolant.
  • This electrolyte often consists of an acidic solution that can chemically decompose all the materials with which it comes into contact. This applies in particular to metals of all kinds. These are particularly susceptible to corrosion. Particularly at risk are connections of different metals. A risk of corrosion is also present for the same metals, if the connection between them with another metal, such as. Soldering with tin, zinc, lead from copper pipes or copper cooling elements.
  • One aspect of the invention therefore also relates to the use of an electrolyte of such an electrochemical store, in particular a flow battery, as a cooling medium in a cooling element or current transformer described above.
  • the coolant tube may in particular then consist of titanium or have an inner coating of titanium.
  • Fig. 1 is a perspective view of a first embodiment of a
  • Fig. 2 is a perspective view of a second embodiment of a
  • Fig. 3 schematizes a redox flow battery system.
  • the cooling unit 1 shows a first embodiment of a cooling unit 1.
  • the cooling unit comprises a heat sink 2 made of a first material, for example aluminum or aluminum oxide.
  • the cooling unit 1 has a plurality of cooling elements 3a, 3b, 3c, 3d.
  • the cooling elements 3a to 3d are formed from a second material which has a higher thermal conductivity than the first material from which the heat sink 2 is formed.
  • the cooling elements 3a to 3d may be formed, for example, of copper or a copper alloy.
  • the cooling unit 1 represents a cooling plate.
  • the cooling unit 1 has coolant channels which are used as coolant tube 4a, 4b, 4c, 4d are formed.
  • the coolant tubes 4a, 4b, 4d have no direct heat-conducting contact with the cooling elements 3a to 3d.
  • the coolant pipe 4c is in direct bathleitcard with the cooling element 3d.
  • the cooling medium tube 4a, 4b, 4d are embedded in the first material of the heat sink 2, but are in thermal contact with the cooling elements 3a, 3b, 3c, 3d.
  • the cooling elements 3b, 3c, 3d have the same thickness as the heat sink 2.
  • the cooling element 3a is plate-shaped and has a smaller thickness than the heat sink 2.
  • the coolant tubes 4a, 4b, 4c, 4d can be made of the first or second Be formed material, however, are preferably formed of a third, in particular corrosion-resistant material.
  • the coolant tubes 4a, 4b, 4c, 4d may be sections of a coolant tube that runs, for example meandering in the cooling unit, wherein the connecting pieces of the coolant tube sections in FIG. 1 are not visible.
  • On the cooling unit 1 can be arranged to be cooled electrical or electronic components 33.
  • FIG. 2 shows a further perspective view of a cooling unit 10.
  • the cooling unit 10 also has a cooling body 20 made of a first material, a cooling element 30 made of a second material, and a coolant tube 40, preferably of a third material.
  • the coolant tube 40 is embedded in the cooling element 30.
  • the cooling element 30 in turn is embedded in the heat sink 20, so that a flat surface is formed.
  • the coolant tube 40 has no direct contact with the heat sink 20.
  • the coolant tube 40 is formed of a corrosion-resistant material, so that it is avoided that the coolant comes into direct contact with the cooling elements 30 or the heat sink 20.
  • On the cooling unit 10 can be arranged to be cooled electrical or electronic components 33.
  • the cooling element 30 is arranged next to the coolant tube 40 in the heat sink 20.
  • the cooling element 30 is held in the heat sink 20 via the coolant tube 40, which is pressed in.
  • the contour of the cooling element 30 can be adapted to the contour of the coolant tube 40.
  • the cooling body 20 has a plurality of recesses made of a first material.
  • a plurality of coolant tubes 40 or a coolant tube 40, which is bent in a U-shape and in which two coolant tube sections run parallel spaced, are intended to be inserted, in particular pressed in, into the recesses.
  • the coolant tubes 40 and coolant tube sections are used together with a cooling element 30, which is formed from a second material, in particular pressed, wherein the cooling element 30 opposite recesses, preferably U-shaped or groove-like recesses - which, to the contour of the coolant tubes 40 are adjusted.
  • the cooling element 30 is inserted together with the coolant tubes 40 or coolant tube sections, in particular pressed in, wherein the cooling element 30 comes to rest in the recess 20 between the coolant tubes 40 or coolant tube sections.
  • the cooling element 30 is held in or on the heat sink 20 via the coolant channels 40.
  • FIG. 3 shows a redox flow battery system 301 with a bidirectional inverter 302 here.
  • the bidirectional inverter 302 includes an AC / DC converter 303, which is connected to a grid connection 304 of the inverter 302.
  • three DC / DC converters 305 to 307 which are each connected to a battery terminal 308 to 310 of the inverter 302, are connected to the AC / DC converter 303.
  • a battery 311 to 313 is connected in each case.
  • the batteries 311 to 313 may actually be formed as stacks consisting of several flow battery cells.
  • First measuring devices 314 to 316 are respectively arranged on the battery terminals 308 to 310 with which the voltage at the battery terminals 308 to 310 can be monitored or detected. As a result, the voltage at the batteries 311 to 313 is simultaneously monitored. Thus, the state of charge can then be determined.
  • the first measuring devices 314 to 316 are signal-connected to a controller 317.
  • the controller 317 is further signaled with the
  • the controller 317 is powered by an auxiliary power supply 318.
  • the Power supply 318 is connected to the power connector 304 in the exemplary embodiment.
  • One or more bidirectional inverters 302, one or more AC / DC converters 303, and / or one or more DC / DC converters 305-307 may all be a current transformer alone or in combination.
  • each battery terminal 308, 309, 310 has a second measuring device 330, which serves for current measurement at the battery terminal 308, 309, 310.
  • a second measuring device 330 for the battery connection 308 is shown by way of example.
  • the battery terminals 309, 310 also have corresponding second measuring devices.
  • the redox flow battery system 301 includes electrolyte tanks 320, 321. Pumps 322, 323 may pump electrolyte from the electrolyte tanks 320, 321 to the batteries 311 through 313.
  • a corresponding line system is provided. In the exemplary embodiment shown, to ensure clarity, only the line system with which the battery 311 is supplied is shown. Furthermore, a measuring cell 324 is shown, which can serve for state of charge monitoring.
  • the redox flow battery system 301 also has a higher-level controller 325, with which not only the inverter 302 but also, for example, the pumps 322, 323 can be controlled.
  • the higher-level controller 325 could also be arranged in the inverter 303. In particular, it could be located in the controller 317. Alternatively, it would be conceivable to integrate the controller 317 into the higher-level controller 325.
  • the electrolyte is also passed through the cooling unit 332 here.
  • the cooling unit can be arranged to be cooled electrical or electronic components 333. It can therefore be arranged here in the current transformer in the bidirectional inverter 302. More specifically, it may be arranged in one or more of the DC / DC converters 305 to 307 and / or in the AC / DC converter 303. So the electrolyte can be used for cooling.
  • the electrolyte can be preheated at the same time to a temperature which is particularly well suited for converting the chemical energy into electrical energy. So the efficiency can be improved.
  • a bypass 334 with a temperature-controlled flow control arrangement 335 can ensure that at different temperatures of the electrolyte and with different heat developments in the current transformer, the electrolyte is always kept in a range in which an energy-efficient conversion can take place.

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Abstract

Eine Kühleinheit (1, 10) mit einem Kühlkörper (2, 20), der aus einem ersten Material mit einer ersten Wärmeleitfähigkeit ausgebildet ist, wobei der Kühlkörper (2, 20) zumindest einen Kühlmittelkanal aufweist, sowie mit zumindest einem Kühlelement (3a-3d, 30), das aus einem zweiten Material mit einer zweiten Wärmeleitfähigkeit ausgebildet ist, wobei die zweite Wärmeleitfähigkeit höher ist als die erste Wärmeleitfähigkeit, wobei der Kühlmittelkanal vollständig als Kühlmittelrohr (4a-4d, 40) ausgebildet ist, so dass im Betrieb ein Kühlmittel im Kühlmittelrohr (4a-4d, 40) nicht in chemischen Kontakt mit dem Kühlelement (3a-3d, 30) oder Kühlkörper (2, 20) kommt und wobei zumindest eine Wärmequelle, insbesondere ein elektronisches Bauteil (33), an der Kühleinheit (1, 10) angeordnet ist.

Description

Kühleinheit zur Kühlung von elektronischen Bauteilen
Die Erfindung betrifft eine Kühleinheit mit einem Kühlkörper zur Kühlung von elektronischen Bauteilen.
Die Verlustwärme von elektronischen bzw. elektromechanischen Bauteilen muss häufig abgeführt werden, um ein Überhitzen der entsprechenden Bauteile zu verhindern. Hierbei ist es bekannt, Kühlplatten zum Kühlen dieser Bauteile einzusetzen. Ein Kühlmittelkanal kann in eine Kühlplatte eingebettet sein und von einem Kühlmittel durchströmt werden . Die Wärme von den elektrischen Bauteilen muss über den Kühlkörper in die Kühlflüssigkeit übertragen werden . Häufig werden Materialien mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit eingesetzt, beispielsweise Kupfer. Eine Kühlplatte vollständig aus Kupfer herzustellen führt dazu, dass die Kühlplatte sehr teuer und schwer wird. Es sind Ansätze bekannt, bei denen Kupferelemente in ein Material mit schlechterer Wärmeleitfähigkeit eingebettet werden. Beispielsweise ist es bekannt, Kupferelemente in Aluminiumplatten einzubetten.
Kühleinheiten sind z. B. bekannt aus US 6,802,366 Bl, US 7,624,791 Bl,
WO 2013/068004 AI, US 2016/0105998 AI .
In der Regel werden sowohl Kupferelemente als auch Aluminiumelemente an den Kühlkanal angeschlossen bzw. fließt Kühlmittel sowohl durch die Kupferelemente als auch durch die Aluminiumplatten. Es kann dabei schwierig sein, ein geeignetes Kühlmittel zu finden, um in beiden Materialien eine Korrosion gering zu halten.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Kühleinheit bereitzustellen, mit der eine effektive Kühlung von elektronischen Bauteilen erfolgen kann, die kostengünstig herstellbar ist und die von möglichst vielen Kühlmitteln durchströmt werden kann, und dabei eine mögliche Korrosion gering zu halten.
Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß durch eine Kühleinheit gemäß Anspruch 1 mit einem Kühlkörper, der aus einem ersten Material mit einer ersten Wärmeleitfähigkeit ausgebildet ist, wobei der Kühlkörper zumindest einen Kühlmittelkanal aufweist, sowie mit zumindest einem Kühlelement, das aus einem zweiten Material mit einer zweiten Wärmeleitfähigkeit ausgebildet ist, wobei die zweite Wärmeleitfähigkeit höher ist als die erste Wärmeleitfähigkeit und wobei der Kühlmittelkanal vollständig als Kühlmittelrohr ausgebildet ist, so dass im Betrieb ein Kühlmittel im Kühlmittelrohr nicht in chemischen Kontakt mit dem Kühlelement oder Kühlkörper kommt. Dabei kann insbesondere zumindest eine Wärmequelle, insbesondere ein elektronisches Bauteil, an der Kühleinheit angeordnet sein. Dadurch, dass ein Kühlmittelrohr als Kühlmittelkanal eingesetzt wird, kann das Kühlmittelrohr aus einem Material hergestellt werden, welches durch das Kühlmittel nicht angegriffen wird . Materialien für Kühlelemente und Kühlkörper können somit beliebig miteinander kombiniert werden. Dabei kann das erste Ma- terial Aluminium enthalten oder Aluminium sein. Das zweite Material kann Kupfer enthalten oder Kupfer sein.
Eine Kühleinheit mit Kühlelementen ist leistungsfähiger als eine Kühleinheit ohne Kühlelemente, da die Wärme über die Kühlelemente schneller und großflächiger verteilt und damit auch der Übergang der Verlustwärme in das Kühlmittel erhöht werden kann.
Die Kühleinheit ist vorzugsweise ausgelegt zur Kühlung und zum Schutz vor Überhitzung von elektronischen Bauteilen, wie z. B. Transistoren in Schaltungen, die hohe Leistungen über ein Kilowatt, insbesondere über 5 Kilowatt, besonders bevorzugt über 10 Kilowatt erzeugen, bei denen auch prozentual geringe Verlustleistungen, z. B. kleiner 10 Prozent, nicht alleine durch die Wärmestrahlung ausreichend abgeführt werden kann.
Das Kühlmittelrohr kann aus einem dritten Material ausgebildet sein. Insbesondere kann dabei ein Material gewählt werden, welches durch das verwendete Kühlmittel nicht angegriffen wird . Beispielsweise ist es dadurch möglich, auch ein Kühlmittel zu verwenden, welches in Kupfer oder Aluminium korrosiv wirkt. Die Kühleinheit kann in einer Stromversorgung einer größeren Anlage eingesetzt werden, die das Kühlmittel durch mehrere Anlagenanteile führt. Das verwendete Kühlmittel kann für andere Teile der Anlage optimiert werden und die Kühleinheit muss bei der Wahl des Kühlmittels nicht berücksichtigt werden. Das Kühlmittel kann thermisch, insbesondere über das Kühl mittel rohr, an das Kühlelement gekoppelt sein.
Das Kühlmittelrohr kann aus einem korrosionsbeständigen Material, insbesondere Titan oder Edelstahl, ausgebildet sein. Somit ist es möglich, chemisch stark reaktive Kühlmittel zu verwenden. Die Kühleinheit ist somit als Kühleinheit in einer Stromversorgung für Batteriewechselrichter mit flüssigen Elektrolyten, insbesondere Redox-Flow-Batterien, geeignet.
Das Kühlelement kann in den Kühlkörper eingegossen oder eingepresst sein. Das Kühlrohr kann zusammen mit einem Kühlelement in den Kühlkörper eingepresst werden. Alternativ können Kühlrohr und Kühlelement in einer Gussform zusam- men gehalten werden und das Material des Kühlkörpers kann dann eingegossen werden. Anschließend kann die Kühleinheit gefräst werden, so dass die Oberfläche der Kühleinheit den Anforderungen, insbesondere an einen guten Wärmeübergang von den zu kühlenden Bauteilen, genügt, also in der Regel plan gefräst werden. Insbesondere ist diese Vorgehensweise möglich, wenn für den Kühlkörper Aluminium mit einer Schmelztemperatur von ca. 660° C für die Kühlelemente Kupfer mit einer Schmelztemperatur von etwa 1083° C und für die Kühlrohre Titan mit einer Schmelztemperatur von 1660° C gewählt wird.
Das erste Material kann einen niedrigeren Schmelzpunkt als das zweite Material aufweisen. Somit ist es möglich, das zweite Material in das erste Material einzugießen. Dadurch kann eine besonders gute Wärmeleitfähigkeit am Übergang vom ersten zum zweiten Material erzeugt werden. Eine solch gute Wärmeleitfähigkeit ist in der Regel nicht zu erzielen, wenn die Kühlelemente eingelötet oder eingeklebt werden. Durch das zusätzliche Material, welches für das Löten oder Kleben benötigt wird, entstehen zusätzliche Wärmeübergänge, die einen negativen Ein- fluss auf die Wärmeleitfähigkeit haben.
Das zumindest eine Kühlelement kann vollständig vom ersten Material umgeben sein. Dadurch ergibt sich eine gute Korrosionsbeständigkeit. Insbesondere können sie so umschlossen sein, dass sie von außen nicht sichtbar sind.
Die Kühleinheit kann als Kühlplatte ausgebildet sein. Somit ergibt sich zum einen eine große Oberfläche, über die Wärme abgeführt werden kann. Zum anderen ergibt sich eine große Oberfläche, an der elektronische Bauteile, deren Wärme abgeleitet werden muss, angeordnet werden können.
Die spezifische Wärmekapazität des zweiten Materials kann kleiner sein, als die Wärmekapazität des ersten Materials. Die Wärmekapazität bemisst die Fähigkeit eines Stoffes, thermische Energie zu speichern. Sie wird üblicherweise in der Einheit J/(kg x K) angegeben. Sie liegt bei Kupfer über 300 J/(kg x K) und bei Aluminium bei über 800 J/(kg x K).
Eine Oberseite zumindest eines Kühlelements kann gegenüber der Oberseite des Kühlkörpers erhaben oder vertieft sein und/oder eine Unterseite zumindest eines Kühlelements kann gegenüber der Unterseite des Kühlkörpers erhaben oder vertieft sein. Je nach Bedarf können somit Stufen in die Oberseite oder Unterseite der Kühleinheit eingebracht werden. Die Stufen können durch die Kühlelemente ausgebildet werden. Beispielsweise ist es so möglich, ein zu kühlendes Bauteil direkt auf einem Kühlelement zu montieren.
Alternativ oder zusätzlich kann vorgesehen sein, dass die Oberseite zumindest eines Kühlelements in derselben Ebene angeordnet ist wie die Oberseite des Kühlkörpers und/oder dass die Unterseite zumindest eines Kühlelements in derselben Ebene angeordnet ist wie die Unterseite des Kühlkörpers. Somit ergibt sich eine plane Oberfläche der Kühleinheit. Zu kühlende Bauteile können großflächig die Kühleinheit kontaktieren. Auch ist es dadurch besonders einfach möglich, zu kühlende Bauteile über einem Kühlelement anzuordnen, die Befestigung des Bauteils jedoch neben dem Kühlelement am Kühlkörper zu realisieren.
Eine Oberfläche zumindest eines Kühlelements kann in direktem Kontakt zu einer Oberfläche des Kühlrohrs stehen. Somit kann besonders gut Wärme von dem Kühlelement an das Kühlrohr und somit das Kühlmittel abgegeben werden. Dabei kann das Kühlelement das Kühlrohr vollständig oder zumindest abschnittsweise umfangsmäßig umgeben. Wenn das Kühlrohr in das Kühlelement eingebettet ist, kann besonders gut Wärme in das Kühlmittel abgegeben werden, da ein größtmöglicher Kontakt von Kühlrohr zu Kühlelement besteht. Das Kühlelement kann beispielsweise als sogenanntes Wärmespreizelement ausgebildet sein, um dadurch die Fläche zu vergrößern, auf der zu kühlende Bauelemente angeordnet werden können.
Das Kühlelement kann auch neben einem Kühlmittelrohr angeordnet sein, wobei es das Kühlrohr entweder berühren kann oder auch Material des Kühlkörpers zwischen dem Kühlrohr und dem Kühlelement vorhanden sein kann.
Besondere Vorteile ergeben sich, wenn die Kontur zumindest eines Kühlelements zumindest abschnittsweise an die Kontur des Kühlmittelrohrs angepasst ist. Auch durch diese Maßnahme kann die Kontaktfläche zwischen Kühlelement und Kühlmittelrohr vergrößert werden, um einen großen Wärmeübergang sicherzustellen. Das Kühlmittelrohr kann zumindest abschnittsweise in ein Kühlelement eingebettet sein. Insbesondere kann das Kühlmittelrohr vollständig in ein Kühlelement eingebettet sein.
Das Kühlmittelrohr kann in den Kühlkörper eingepresst sein. Dabei kann das Kühlmittelrohr zusammen mit einem Kühlelement in den Kühlkörper eingepresst sein. Durch das Verpressen von Material können Lufteinschlüsse zwischen Kühlmittelrohr und Kühlkörper und/oder Kühlelement vermieden werden. Insbesondere können ein Kühlelement und/oder ein Kühlmittelrohr plastisch verformt werden, um Freiräume und Lufteinschlüsse in der Kühleinheit zu eliminieren.
Zumindest ein Kühlelement kann durch das Kühlmittelrohr am Kühlkörper gehalten sein. Dadurch sind keine weiteren Befestigungsmittel zum Befestigen des Kühlelements notwendig . Auch kann das Kühlelement zusammen mit dem Kühlmittelrohr am Kühlkörper montiert und daran befestigt werden.
Zumindest ein Kühlelement kann von dem Kühlmittelrohr durch zweites Material beabstandet angeordnet sein. Somit kann ein direkter Kontakt von Kühlelement und Kühl m ittel kanal bzw. Kühlmittelrohr vermieden werden. Dies kann insbesondere dann vorteilhaft sein, wenn das Material des Kühlelements mit dem Material des Kühlmittelrohrs chemisch reagiert.
Zumindest ein Kühlelement kann keinen Kühlmittelkanal aufweisen. Dadurch kann der Herstellungsaufwand für ein Kühlelement reduziert werden.
Die Herstellung der Kühleinheit kann vereinfacht werden, wenn der Kühlkörper zwei miteinander verbundene Kühlkörperhälften aufweist. Zwischen die Kühlkörperhälften können zumindest ein Kühlelement und/oder zumindest ein Kühlmittelrohr eingebracht werden, ehe die Kühlkörperhälften miteinander verbunden werden.
Zumindest ein Kühlelement kann mittels Schrauben, Löten, Kleben, Schweißen, Klemmen oder Nieten mit dem Kühlkörper verbunden sein. Dadurch kann das Kühlelement sicher am Kühlkörper gehalten werden . Zumindest eine Wärmequelle, insbesondere ein elektronisches Bauteil, kann an der Kühleinheit angeordnet sein. Dabei kann das elektronische Bauteil mittels Schrauben, Löten, Kleben, Schweißen, Klemmen oder Nieten mit der Kühleinheit verbunden sein.
Die Kühlmittelrohranschlüsse können wasserdicht gefügt, insbesondere gelötet, geschweißt, flach dichtend oder mit O-Ringen dichtend ausgebildet sein.
Ein Aspekt der Erfindung betrifft auch einen Stromwandler mit einer oben beschriebenen Kühleinheit, insbesondere zum Laden und/oder Entladen von elektrochemischen Speichern, wie z. B Batterien oder Akkumulatoren, insbesondere Flow-Batterien. Der Stromwandler kann ein zu kühlendes elektrisches oder elektronisches Bauteil aufweisen, das auf dem Kühlkörper montiert ist, wobei dies Bauteil zumindest teilweise thermisch direkt mit einem Kühlelement gekoppelt ist, sodass das Bauteil Wärme an das Kühlelement abgeben kann. Eine solche Anordnung ist beispielsweise in der DE 10 2015 210 920 AI offenbart.
Flow-Batterien, insbesondere Redox-Flow-Batterien, besonders bevorzugt Vana- dium-Redox-Flow-Batterien, können das Elektrolyt, in dem die Energie gespeichert wird, und das von einem Tank zu den Batteriezellen gepumpt wird, als Kühlmittel verwenden. Dieser Elektrolyt besteht häufig aus einer sauren Lösung, die alle Materialien, mit denen es in Berührung kommt, chemisch zersetzen kann. Dies gilt insbesondere für Metalle aller Art. Diese sind besonders korrosions- gefährdet. Ganz besonders gefährdet sind Anschlüsse von unterschiedlichen Metallen. Eine Korrosionsgefährdung liegt auch bei gleichen Metallen vor, wenn die Verbindung zwischen diesen mit einem weiteren Metall erfolgt, wie z.B. Löten mit Zinn, Zink, Blei von Kupferrohren oder Kupferkühlelementen.
Ein Aspekt der Erfindung betrifft deswegen auch die Verwendung eines Elektrolyts eines solchen elektrochemischen Speichers, insbesondere einer Flow- Batterie, als Kühlmedium in einem oben beschriebenen Kühlelement bzw. Stromwandler. Das Kühlmittelrohr kann insbesondere auch dann aus Titan bestehen oder eine Innenbeschichtung aus Titan aufweisen. Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, anhand der Figuren der Zeichnung, die erfindungswesentliche Einzelheiten zeigt, sowie aus den Ansprüchen. Die dort gezeigten Merkmale sind nicht notwendig maßstäblich zu verstehen und derart dargestellt, dass die erfindungsgemäßen Besonderheiten deutlich sichtbar gemacht werden können. Die verschiedenen Merkmale können je einzeln für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen bei Varianten der Erfindung verwirklicht sein.
In der schematischen Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigen :
Fig . 1 eine perspektivische Ansicht einer ersten Ausführungsform einer
Kühleinheit;
Fig . 2 eine perspektivische Ansicht einer zweiten Ausführungsform einer
Kühleinheit;
Fig . 3 schematisiert ein Redox-Flow-Batteriesystem.
Figur 1 zeigt eine erste Ausführungsform einer Kühleinheit 1. Die Kühleinheit um- fasst einen Kühlkörper 2 aus einem ersten Material, beispielsweise aus Aluminium oder Aluminiumoxyd. Weiterhin weist die Kühleinheit 1 mehrere Kühlelemente 3a, 3b, 3c, 3d auf. Die Kühlelemente 3a bis 3d sind aus einem zweiten Material ausgebildet, welches eine höhere Wärmeleitfähigkeit aufweist, als das erste Material, aus dem der Kühlkörper 2 ausgebildet ist. Die Kühlelemente 3a bis 3d können beispielsweise aus Kupfer oder einer Kupferlegierung ausgebildet sein.
Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Oberseite sämtlicher Kühlelemente 3a bis 3d plan mit der Oberseite des Kühlkörpers 2. Die Kühleinheit 1 stellt eine Kühlplatte dar. Die Kühleinheit 1 weist Kühlmittelkanäle auf, die als Kühlmittel- röhre 4a, 4b, 4c, 4d ausgebildet sind. Die Kühlmittelrohre 4a, 4b, 4d weisen keinen direkten Wärmeleitkontakt zu den Kühlelementen 3a bis 3d auf. Das Kühlmittelrohr 4c dagegen ist in direktem Wärmeleitkontakt mit dem Kühlelement 3d . Die Kühl mittel röhre 4a, 4b, 4d sind in das erste Material des Kühlkörpers 2 eingebettet, stehen jedoch in thermischem Kontakt zu den Kühlelementen 3a, 3b, 3c, 3d . Die Kühlelemente 3b, 3c, 3d weisen dieselbe Dicke auf, wie der Kühlkörper 2. Das Kühlelement 3a ist plattenförmig ausgebildet und weist eine geringere Dicke auf, als der Kühlkörper 2. Die Kühlmittelrohre 4a, 4b, 4c, 4d können aus dem ersten oder zweiten Material ausgebildet sein, sind jedoch vorzugsweise aus einem dritten, insbesondere korrosionsbeständigem Material ausgebildet. Die Kühlmittelrohre 4a, 4b, 4c, 4d können Abschnitte eines Kühlmittelrohrs sein, das beispielsweise mäanderförmig in der Kühleinheit verläuft, wobei die Verbindungsstücke der Kühlmittelrohrabschnitte in der Fig . 1 nicht zu sehen sind . Auf der Kühleinheit 1 können zu kühlende elektrische oder elektronische Bauteile 33 angeordnet sein.
Die Figur 2 zeigt eine weitere perspektivische Darstellung einer Kühleinheit 10. Auch die Kühleinheit 10 weist einen Kühlkörper 20 aus einem ersten Material, ein Kühlelement 30 aus einem zweiten Material und ein Kühlmittelrohr 40, vorzugsweise aus einem dritten Material, auf. In diesem Ausführungsbeispiel ist das Kühlmittelrohr 40 in das Kühlelement 30 eingebettet. Das Kühlelement 30 wiederum ist in den Kühlkörper 20 eingebettet, so dass eine plane Oberfläche entsteht. Das Kühlmittelrohr 40 hat keinen direkten Kontakt zum Kühlkörper 20. Wie im vorhergehenden Ausführungsbeispiel ist das Kühlmittelrohr 40 aus einem korrosionsbeständigen Material ausgebildet, so dass vermieden wird, das Kühlmittel in direkten Kontakt zu den Kühlelementen 30 oder zum Kühlkörper 20 kommt. Auf der Kühleinheit 10 können zu kühlende elektrische oder elektronische Bauteile 33 angeordnet sein.
In einer nicht gezeigten Abwandlung der Ausführungsform der Figur 2 ist das Kühlelement 30 neben dem Kühlmittelrohr 40 im Kühlkörper 20 angeordnet. Das Kühlelement 30 wird im Kühlkörper 20 über das Kühlmittelrohr 40, welches ein- gepresst ist, gehalten. Hierbei kann die Kontur des Kühlelements 30 an die Kontur des Kühlmittelrohrs 40 angepasst sein. In einer weiteren nicht gezeigten Ausführungsform einer Kühleinheit 10 weist der Kühlkörper 20 aus einem ersten Material mehrere Ausnehmungen auf. Mehrere Kühlmittelrohre 40 oder ein Kühlmittelrohr 40, das U-förmig gebogen ist und bei dem zwei Kühlmittelrohrabschnitte parallel beabstandet verlaufen, sind dazu bestimmt, in die Ausnehmungen eingesetzt, insbesondere eingepresst, zu werden. Die Kühlmittelrohre 40 bzw. Kühlmittelrohrabschnitte werden gemeinsam mit einem Kühlelement 30, das aus einem zweiten Material ausgebildet ist, eingesetzt, insbesondere eingepresst, wobei das Kühlelement 30 gegenüberliegende Ausnehmungen, bevorzugt U-förmige bzw. nutartige Ausnehmungen - aufweist, die an die Kontur der Kühlmittelrohre 40 angepasst sind. Das Kühlelement 30 wird gemeinsam mit den Kühlmittelrohren 40 bzw. Kühlmittelrohrabschnitten eingesetzt, insbesondere eingepresst, wobei das Kühlelement 30 in der Ausnehmung 20 zwischen den Kühlmittelrohren 40 bzw. Kühlmittelrohrabschnitten zu liegen kommt. Das Kühlelement 30 wird über die Kühlmittelkanäle 40 im bzw. am Kühlkörper 20 gehalten.
Figur 3 zeigt ein Redox-Flow-Batteriesystem 301 mit hier einem bidirektionalen Wechselrichter 302. Der bidirektionale Wechselrichter 302 umfasst einen AC/DC- Wandler 303, der mit einem Netzanschluss 304 des Wechselrichters 302 verbunden ist. An den AC/DC-Wandler 303 sind im gezeigten Ausführungsbeispiel drei DC/DC-Wandler 305 bis 307 angeschlossen, die jeweils an einen Bat- terieanschluss 308 bis 310 des Wechselrichters 302 angeschlossen sind. An die Batterieanschlüsse 308 bis 310 ist jeweils eine Batterie 311 bis 313 angeschlossen . Die Batterien 311 bis 313 können tatsächlich als Stacks bestehend aus mehreren Flow-Batterie-Zellen ausgebildet sein. An den Batterieanschlüssen 308 bis 310 sind jeweils erste Messeinrichtung 314 bis 316 angeordnet, mit denen die Spannung an den Batterieanschlüssen 308 bis 310 überwacht bzw. er- fasst werden kann. Dadurch wird gleichzeitig die Spannung an den Batterien 311 bis 313 überwacht. Damit kann dann auch der Ladezustand ermittelt werden. Die ersten Messeinrichtungen 314 bis 316 sind mit einer Steuerung 317 signaltechnisch verbunden. Die Steuerung 317 ist weiterhin signaltechnisch mit dem
AC/DC-Wandler 303 und den DC/DC-Wandlern 305 bis 307 verbunden. Die Steuerung 317 wird durch eine Hilfsstromversorgung 318 mit Leistung versorgt. Die Stromversorgung 318 ist im Ausführungsbeispiel mit dem Netzanschluss 304 verbunden.
Ein oder mehrere bidirektionale Wechselrichter 302, ein oder mehrere AC/DC- Wandler 303 und/oder ein oder mehrere DC/DC-Wandlern 305 bis 307 können alle allein für sich oder in Kombination jeweils ein Stromwandler sein.
Weiterhin weist jeder Batterieanschluss 308, 309, 310 eine zweite Messeinrichtung 330 auf, die zur Strommessung am Batterieanschluss 308, 309, 310 dient. In der Fig . 3 ist nur exemplarisch eine zweite Messeinrichtung 330 für den Batterieanschluss 308 eingezeichnet. Die Batterieanschlüsse 309, 310 weißen jedoch ebenfalls entsprechende zweite Messeinrichtungen auf.
Das Redox-Flow-Batteriesystem 301 umfasst Elektrolyt-Tanks 320, 321. Pumpen 322, 323 können Elektrolyt aus den Elektrolyt-Tanks 320, 321 zu den Batterien 311 bis 313 pumpen. Hierfür ist ein entsprechendes Leitungssystem vorgesehen. Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist - um die Übersichtlichkeit zu wahren - nur das Leitungssystem gezeigt, mit dem die Batterie 311 versorgt wird . Weiterhin ist eine Messzelle 324 gezeigt, die zur Ladezustandsüberwachung dienen kann.
Das Redox-Flow-Batteriesystem 301 weist weiterhin eine übergeordnete Steuerung 325 auf, mit der nicht nur der Wechselrichter 302, sondern auch beispielsweise die Pumpen 322, 323 gesteuert werden können. Die übergeordnete Steuerung 325 könnte auch im Wechselrichter 303 angeordnet sein. Insbesondere könnte sie in der Steuerung 317 angeordnet sein. Alternativ wäre es denkbar, die Steuerung 317 in die übergeordnete Steuerung 325 zu integrieren.
Das Elektrolyt wird hier auch durch die Kühleinheit 332 geführt. Auf der Kühleinheit können zu kühlende elektrische oder elektronische Bauteile 333 angeordnet sein. Sie kann im Stromwandler also hier im bidirektionalen Wechselrichter 302 angeordnet sein. Genauer kann sie in einem oder mehreren der DC/DC-Wandler 305 bis 307 und/oder im AC/DC-Wandler 303 angeordnet sein. So kann das Elektrolyt zum Kühlen verwendet werden. So kann das Elektrolyt zugleich auf eine Temperatur vorgewärmt werden, die zur Umwandlung der chemischen Energie in elektrische Energie besonders gut geeignet ist. So kann der Wirkungsgrad verbessert werden. Ein Bypass 334 mit einer temperaturge- steuerten Strömungsregelungsanordnung 335 kann dafür sorgen, dass bei unterschiedlichen Temperaturen des Elektrolyts und bei unterschiedlichen Wärmeentwicklungen in dem Stromwandler das Elektrolyt stets in einem Bereich gehalten wird, in dem eine energieeffiziente Umwandlung erfolgen kann.

Claims

Patentansprüche
1. Kühleinheit (1, 10) zur Kühlung von elektronischen Bauteilen mit einem Kühlkörper (2, 20), der aus einem ersten Material mit einer ersten Wärmeleitfähigkeit ausgebildet ist, wobei der Kühlkörper (2, 20) zumindest einen Kühlmittelkanal aufweist, sowie mit zumindest einem Kühlelement (3a-3d, 30), das aus einem zweiten Material mit einer zweiten Wärmeleitfähigkeit ausgebildet ist, wobei die zweite Wärmeleitfähigkeit höher ist als die erste Wärmeleitfähigkeit, wobei der Kühlmittelkanal vollständig als Kühlmittelrohr (4a-4d, 40) ausgebildet ist, so dass im Betrieb ein Kühlmittel im Kühlmittelrohr (4a-4d, 40) nicht in chemischen Kontakt mit dem Kühlelement (3a-3d, 30) oder Kühlkörper (2, 20) kommt.
2. Kühleinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlmittelrohr (4a-4d, 40) aus einem dritten Material ausgebildet ist.
3. Kühleinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlmittelrohr (4a-4d, 40) aus einem korrosionsbeständigen Material, insbesondere Titan oder Edelstahl, ausgebildet ist.
4. Kühleinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlelement (3a-3d, 30) in den Kühlkörper (2, 20) eingegossen oder eingepresst ist.
5. Kühleinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Material einen niedrigeren Schmelzpunkt als das zweite Material aufweist.
6. Kühleinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühleinheit (1, 10) als Kühlplatte ausgebildet ist.
7. Kühleinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die spezifische Wärmekapazität des zweiten Materials kleiner ist als die Wärmekapazität des ersten Materials.
8. Kühleinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberseite zumindest eines Kühlelements (3a-3d, 30) in derselben Ebene angeordnet ist wie die Oberseite des Kühlkörpers (2, 20) und/oder dass die Unterseite zumindest eines Kühlelements (3a-3d, 30) in derselben Ebene angeordnet ist wie die Unterseite des Kühlkörpers (2, 20).
9. Kühleinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontur zumindest eines Kühlelements (3a-3d, 30) zumindest abschnittsweise an die Kontur des Kühlmittelrohrs (4a-4d, 40) angepasst ist.
10. Kühleinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlmittelrohr (4a-4d, 40) zumindest abschnittsweise in ein Kühlelement (3a-3d, 30) eingebettet ist.
11. Kühleinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlmittelrohr (4a-4d, 40) in den Kühlkörper (2, 20) eingepresst ist.
12. Kühleinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Kühlelement (3a-3d, 30) durch das Kühlmittelrohr (4a-4d, 40) am Kühlkörper (2, 20) gehalten ist.
13. Kühleinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Kühlelement (3a-3d, 30) von dem Kühlmittelrohr (4a-4d, 40) durch das zweite Material beabstandet angeordnet ist.
14. Kühleinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Kühlelement (3a-3d, 30) mittels Schrauben, Löten, Kleben, Schweißen, Klemmen oder Nieten mit dem Kühlkörper (2, 20) verbunden ist.
15. Kühleinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Wärmequelle, insbesondere ein elektronisches Bauteil (33), an der Kühleinheit (1, 10) angeordnet ist.
16. Stromwandler mit einer Kühleinheit (1, 10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere zum Laden und/oder Entladen von elektrochemischen Speichern, wie z. B. Batterien oder Akkumulatoren, insbesondere Flow-Batterien.
17. Verwendung eines Elektrolyts eines elektrochemischen Speichers, insbesondere einer Flow-Batterie, als Kühlmedium in einer Kühleinheit (1, 10) nach einem der Ansprüche 1 -15 oder einem Stromwandler nach Anspruch
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