WO2020126561A1 - Rohrförmige kühlrippen und deren anwendung - Google Patents

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Definitions

  • the invention relates to a device for cooling construction parts, in particular of power electronic components, with a base body and cooling fins formed in the base body, around which a cooling medium can flow.
  • the invention also relates to a power converter and an aircraft with such a device.
  • the tubular design of the pin fins increases the cooling surface on the pin fins and thus improves the cooling performance of the pin fins.
  • the invention claims a device for cooling components, comprising a base body and cooling fins formed in the base body, through which a cooling medium can flow, the cooling fins being tubular and having a first opening and a second opening, the cooling rib and the first and second openings are formed, some of the cooling medium flows through the first opening into the cooling fin, ie into the interior of the cooling fin, and through the second opening out of the cooling fin to let.
  • the base body is preferably formed from metal, ceramic or a composite material.
  • the invention offers the advantage that the cooling performance of coolers is improved.
  • the first opening can be formed by the tube end facing away from the base body, as a result of which an optimal inflow behavior is achieved.
  • the second opening can be formed in the wall of the cooling fin, as a result of which a low-pressure outflow of the cooling medium is achieved.
  • the cooling fin can be curved, the first opening pointing towards and the second opening pointing in the flow direction of the cooling medium. This optimizes the cooling performance of the cooling fin.
  • the diameter of the cooling fin is preferably less than 3 mm.
  • a multiplicity of spaced-apart cooling fins can be formed in the base body.
  • the base body near the second opening can have a formed cavity which is designed to reduce the flow resistance and the thermal resistance in the cooling fin. This further improves the cooling performance.
  • the shape of the cavity can be determined in terms of bionics.
  • the base body can be plate-shaped and the cooling fins can protrude from the base body.
  • a converter which is also called an inverter, is a converter that generates an AC voltage that has changed in frequency and amplitude from an AC voltage or DC voltage.
  • Inverters are often designed as AC / DC-DC / AC converters or DC / AC converters, an AC output voltage being generated from an AC input voltage or a DC input voltage via a DC voltage intermediate circuit and clocked semiconductors.
  • Another aspect of the invention relates to the use of the converter with cooling device in an aircraft.
  • the invention claims an aircraft, in particular an aircraft, with a converter according to the invention for the electrical supply of an electrical thrust generating unit.
  • the aircraft can have an electric motor supplied with electrical energy by the converter and a propeller which can be rotated by the electric motor.
  • Aircraft is understood to mean any type of flying means of transportation or transportation, be it manned or unmanned.
  • 1 is a front view of a device for cooling
  • FIG. 2 is a rear view of a device for cooling
  • FIG. 3 shows a sectional view of a device for cooling
  • FIG. 5 shows a sectional view of a device for cooling with a cavity
  • Fig. 6 is a block diagram of a converter with an on device for cooling
  • Fig. 7 an aircraft with an electrical Schuberzeu supply unit.
  • FIG. 1 to 5 show views of devices 1 for cooling a heat source 9, for example an electrical component, in particular a power semiconductor.
  • Tubular cooling fins 3 (also known as “pin fins”) are formed in a base body 2. For the sake of clarity, only one cooling fin 3 is shown.
  • the heat source 9 is located on the upper side of the base body 2, which Source 9 at least partially absorbs heat given off and emits it directly to a cooling medium 6 which flows in a cooling channel (represented by its cross section 10).
  • the cooling fin 3 is preferably arranged below the heat source 9.
  • the base body 2 is preferably formed from a plate and can be formed from metal or a ceramic.
  • the cooling fins are preferably produced by means of 3D printing.
  • the Inflow opening which is aligned against the flow direction 7 of the cooling medium 6.
  • the first opening 4 the tube opening of the cooling fin 3 and the cooling fin 3 are curved such that the cooling medium 6 hits the first opening frontally.
  • the second opening 5 for the exit of the cooling medium 6 from the inside of the cooling fin 3 is formed as close as possible to the underside of the base body 2 so that the cooling medium 6 can flow inside the cooling fin 2 for as long as possible.
  • the bend of the cooling fin 3 is designed according to bionics.
  • the pressure drop inside the cooling fin 3 can be reduced by a corresponding cavity 8 at the second opening 5, and the heat input into the cooling medium 6 is increased by increasing the surface area.
  • eats. 5 shows a corresponding device with a cavity 8 in the base body 2.
  • FIG. 6 shows a block diagram of a converter 12, in particular a converter, with a cooling device 1 according to FIGS. 1 to 5.
  • FIG. 7 shows an electric or hybrid-electric air vehicle 11, in particular an aircraft, with a converter 12 according to FIG. 6, which supplies an electric motor 13 with electrical energy.
  • the electric motor 14 drives a Pro peller 14. Both are part of an electrical Schuberzeu supply unit 15.

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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

Beschreibung
Rohrförmige Kühlrippen und deren Anwendung Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Kühlung von Bau teilen, insbesondere von leistungselektronischen Bauelemen ten, mit einem Grundkörper und in dem Grundkörper ausgebilde- te Kühlrippen, die von einem Kühlmedium umströmt werden kön nen. 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 Erwärmungsphä nomene (sogenannte „Hotspots") wird eine Entwärmungsstrategie benötigt. Mit einer verbesserten Kühlung, insbesondere einer Flüssigkeitskühlung einer definierten Kühlstruktur, kann ent weder mehr Robustheit oder eine höhere Leistung der Elektro nik verwirklicht werden. Bisher wurden vereinfachte Kühlstrukturen, z.B. Pin-Fin (= zylinderförmige Kühlrippen) oder Kühlrippen Designs verwen det. Diese erreichen bei einer definierten Anströmung einen begrenzten Entwärmungsström. Kühler mit Pin-Fins haben sich u.a. in der Automobilbranche etabliert. Diese haben bei einer guten Kühlung vergleichswei se 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 durch strömte 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 röhren förmigen, 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 rohr förmige 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 Strö mung 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 Grundkör per ausgebildete Kühlrippen, die von einem Kühlmedium um- strömbar sind, wobei die Kühlrippen rohrförmig ausgebildet sind und eine erste Öffnung und eine zweite Öffnung aufwei sen, 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 be vorzugt kleiner 3 mm.
In einer weiteren Ausführungsform kann in dem Grundkörper ei ne Vielzahl von zueinander beabstandeten Kühlrippen ausgebil- det sein.
In einer weiteren Ausbildung kann der Grundkörper nahe der zweiten Öffnung eine ausgebildete Kavität aufweisen, die aus gebildet ist, den Strömungswiderstand und den thermischen Wi- derstand in der Kühlrippe zu verringern. Dadurch wird die Kühlleistung weiter verbessert.
In einer Weiterentwicklung kann die Form der Kavität nach Ge sichtspunkten der Bionik ermittelt sein.
In einer weiteren Ausgestaltung kann der Grundkörper platten förmig ausgebildet sein und die Kühlrippen können aus dem Grundkörper ragen. In einer weiteren Ausgestaltung können die Kühlrippen ver mehrt 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 Eingangswechsel- Spannung oder einer Eingangsgleichspannung über einen Gleich- spannungszwischenkreis und getakteten Halbleitern eine Aus gangswechselspannung 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 Schuberzeugungs- einheit.
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 Fortbewe- gungs- 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.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Es zeigen:
Fig. 1 eine Vorderansicht einer Vorrichtung zur Kühlung,
Fig. 2 eine Rückansicht einer Vorrichtung zur Kühlung,
Fig. 3 eine Schnittansicht einer Vorrichtung zur Kühlung,
Fig. 4 eine räumliche Ansicht einer Vorrichtung zur Kühlung,
Fig. 5 eine Schnittansicht einer Vorrichtung zum Kühlen mit einer Kavität,
Fig. 6 ein Blockschaltbild eines Stromrichters mit einer Vor richtung zum Kühlen und
Fig. 7 ein Luftfahrzeug mit einer elektrischen Schuberzeu gungseinheit .
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
Fig. 1 bis Fig. 5 zeigen Ansichten von Vorrichtungen 1 zur Kühlung einer Wärmequelle 9, beispielsweise eines elektri schen 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 Wärme- quelle 9 abgegebene Wärme zumindest teilweise aufnimmt und diese direkt an ein Kühlmedium 6, das in einem Kühlkanals (dargestellt durch seinen Querschnitt 10) strömt, abgibt. Be vorzugt ist die Kühlrippe 3 unterhalb der Wärmequelle 9 ange- ordnet. Der Grundkörper 2 ist vorzugsweise plattenförmig aus gebildet 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 Kühl mediums 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 Fig. 2 und Fig. 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 mög lichst lange im Inneren der Kühlrippe 2 strömen kann.
In Fig. 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 Kühl rippe 3 verringert werden und der Wärmeeintrag in das Kühlme dium 6 wird durch eine Vergrößerung der Oberfläche vergrö- ßert. Fig. 5 zeigt eine entsprechende Vorrichtung mit einer Kavität 8 in dem Grundkörper 2.
Fig. 6 zeigt ein Blockschaltbild eines Stromrichters 12, ins- besondere ein Umrichter, mit einer Kühlvorrichtung 1 gemäß Fig. 1 bis Fig. 5.
Fig. 7 zeigt ein elektrisches oder hybrid-elektrisches Luft fahrzeug 11, insbesondere ein Flugzeug, mit einem Stromrich- ter 12 gemäß Fig. 6, der einen Elektromotor 13 mit elektri scher Energie versorgt. Der Elektromotor 14 treibt einen Pro peller 14 an. Beide sind Teil einer elektrischen Schuberzeu gungseinheit 15. Obwohl die Erfindung im Detail durch die Ausführungsbeispiele näher illustriert und beschrieben wurde, ist die Erfindung durch die offenbarten Beispiele nicht eingeschränkt und ande re 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

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung (1) zur Kühlung von Bauteilen (9), aufweisend: einen Grundkörper (2) und
- mindestens eine in dem Grundkörper (2) ausgebildete Kühl rippe (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 ers te Öffnung (4) in die Kühlrippe (3) und durch die zweite Öff nung (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) ab gewandte 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 Strö mungsrichtung (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 be- abstandeten 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 Strö mungswiderstand 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 Leistungs elektronik.
12. Stromrichter (12) nach Anspruch 11,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Stromrichter (12) ein Umrichter ist.
13. Luftfahrzeug (11) mit einem Stromrichter (12) nach An spruch 11 oder 12 zur elektrischen Versorgung einer elektri schen 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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