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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kühlvorrichtung gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.
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Im Stand der Technik ist z. B. aus der Druckschrift
DE 100 38 178 A1 eine Kühlvorrichtung bekannt, bei welcher ein Pin-Fin-Array dazu vorgesehen ist, von einem Kühlmittel umströmt zu werden und somit Wärme an das Kühlmittel abzuführen, z. B. Abwärme einer Leistungselektronik.
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Eine derartige Kühlvorrichtung soll die Abwärme bestmöglich abführen und möglichst wenig Bauraum beanspruchen.
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Ausgehend hiervon liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine gegenüber dem Stand der Technik verbesserte Kühlvorrichtung zu schaffen, welche eine gute Wärmeabfuhr bei kleinem Bauraum ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
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Vorgeschlagen wird erfindungsgemäß eine Kühlvorrichtung für eine Leistungselektronik mit einem Kühlvorrichtungsgrundkörper, an welchem sich ein Pin-Fin-Array mit einer Vielzahl von, von einer Basisfläche wegragenden Pins erstreckt, wobei sich die Pins jeweils von einem in Bezug auf die Basisfläche proximalen Ende zu einem in Bezug auf die Basisfläche distalen Ende von der Basisfläche wegerstrecken, wobei wenigstens ein Pin des Pin-Fin-Arrays sich von seinem proximalen Ende hin zu seinem distalen Ende kontinuierlich verjüngend ausgebildet ist.
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Bei einer erfindungsgemäßen Ausführungsform der Kühlvorrichtung weist der wenigstens eine sich kontinuierlich verjüngende Pin eine Kegelform oder eine Kegelstumpfform auf.
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Bei einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform der Kühlvorrichtung erstreckt sich der wenigstens eine sich kontinuierlich verjüngende Pin senkrecht von der Basisfläche, insbesondere einer von dem Kühlvorrichtungsgrundkörper gebildeten Basisfläche, weg.
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Bei noch einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform der Kühlvorrichtung weist die Kühlvorrichtung ein Gehäuseelement auf, welches zusammen mit dem Kühlvorrichtungsgrundkörper ein Gehäuse bildet, wobei das Gehäuse von Kühlflüssigkeit durchströmbar ist und zum Einlass von Kühlflüssigkeit einen Kühlflüssigkeitseinlass und zum Auslass der Kühlflüssigkeit einen Kühlflüssigkeitsauslass aufweist, wobei das Pin-Fin-Array im Kühlflüssigkeits-Strömungsweg zwischen Kühlflüssigkeitseinlass und Kühlflüssigkeitsauslass von der Kühlflüssigkeit durchströmbar angeordnet ist.
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Gemäß einem Aspekt der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung weist das Gehäuse eine Auslassstaukante auf, wobei ein Pin, insbesondere der wenigstens eine sich kontinuierlich verjüngende Pin, unter der Auslassstaukante sich von der Basisfläche des Kühlvorrichtungsgrundkörpers zu dieser erstreckend ausgebildet ist, welcher im Vergleich zu einem weiteren Pin des Pin-Fin-Arrays verkürzt ausgebildet ist.
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Gemäß noch einem Aspekt der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung ist ein Pin, insbesondere der wenigstens eine sich kontinuierlich verjüngende Pin, an einem quer zu einer Durchströmrichtung orientierten Rand des Pin-Fin-Arrays in eine Gehäusewand integriert, insbesondere in eine Wand des Kühlvorrichtungsgrundkörpers.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung ist wenigstens ein Pin an dem Rand des Pin-Fin-Arrays gegenüber einem weiteren Pin des Pin-Fin-Arrays verkürzt ausgebildet.
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Vorgeschlagen wird erfindungsgemäß auch eine Kühlvorrichtung, wobei stromabwärts der Auslassstaukante wenigstens ein Pin in einem mit dem Kühlflüssigkeitsauslass in Fluidkommunikation stehenden Auslassbereich gebildet ist, insbesondere der wenigstens eine sich kontinuierlich verjüngende Pin.
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Weiterhin wird erfindungsgemäß eine Kühlvorrichtung vorgeschlagen, wobei alle Pins des Pin-Fin-Arrays sich jeweils von ihrem proximalen Ende hin zu ihrem distalen Ende kontinuierlich verjüngend ausgebildet sind.
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Bei einer erfindungsgemäßen Ausführungsform der Kühlvorrichtung ist das Gehäuseelement zu dem distalen Ende wenigstens eines Pins des Pin-Fin-Arrays unbeabstandet angeordnet.
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Bei einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform der Kühlvorrichtung ist das Pin-Fin-Array integral mit dem Kühlvorrichtungsgrundkörper gebildet, insbesondere die Basisfläche.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, anhand der Figuren der Zeichnungen, die erfindungswesentliche Einzelheiten zeigen, und aus den Ansprüchen. Die einzelnen Merkmale können je einzeln für sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination bei einer Variante der Erfindung verwirklicht sein.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
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1 exemplarisch einen Kühlvorrichtungsgrundkörper einer Kühlvorrichtung gemäß einer möglichen Ausführungsform der Erfindung;
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2 exemplarisch eine Schnittansicht einer Kühlvorrichtung mit einem Kühlvorrichtungsgrundkörper gemäß 1 und einem Gehäuseelement;
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3 exemplarisch eine Schnittansicht des Kühlvorrichtungsgrundkörpers gemäß 1.
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In den nachfolgenden Figurenbeschreibungen sind gleiche Elemente bzw. Funktionen mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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Die 1 bis 3 zeigen exemplarisch einen Kühlvorrichtungsgrundkörper 1 einer Kühlvorrichtung 2 gemäß der Erfindung in verschiedenen Ansichten, welche zur Kühlung bzw. zum Abführen von Abwärme einer Leistungselektronik, insbesondere einer Leistungselektronik eines Kraftfahrzeugs, vorgesehen ist. Die Leistungselektronik umfasst z. B. einen oder mehrere Stromrichter und z. B. einen Speicherkondensator, welche z. B. Bestandteil der Leistungselektronik eines Hybridantriebs sind, und ist im Allgemeinen an der Kühlvorrichtung 2 zur Abgabe von Abwärme an dieselbe angeordnet, z. B. an den Kühlvorrichtungsgrundkörper 1.
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Der Kühlvorrichtungsgrundkörper 1 ist dazu vorgesehen, zusammen mit einem in 2 beispielhaft gezeigten Gehäuseelement 3 ein Gehäuse 4 zu bilden, welches von einem Kühlmittel bzw. Kühlfluid durchströmbar ist, i. e. die Kühlvorrichtung 2. Das Kühlfluid ist z. B. ein flüssiges Kühlmittel, insbesondere z. B. mit einem Anteil Wasser, z. B. 50%, und einem Anteil Glykol, z. B. ebenfalls 50%. Alternativ kann die Kühlvorrichtung 2 z. B. ohne Gehäuseelement 3 gebildet sein, i. e. der Kühlvorrichtungsgrundkörper 1 bildet die Kühlvorrichtung 2, z. B. wenn als Kühlfluid Umgebungsluft vorgesehen ist. Der Kühlvorrichtungsgrundkörper 1 ist zum Beispiel plattenförmig gebildet, wobei er insbesondere eine wannenförmige Vertiefung 1a aufweist. Andere Ausgestaltungen des Kühlvorrichtungsgrundkörpers 1 sind daneben denkbar.
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Erfindungsgemäß sind das Gehäuseelement 3 und/oder der Kühlvorrichtungsgrundkörper 1 aus einem wärmeleitenden Material hergestellt, insbesondere Aluminium, alternativ z. B. Kupfer. Zur Herstellung wird z. B. ein Gussverfahren verwendet.
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An dem Kühlvorrichtungsgrundkörper 1 erstreckt sich erfindungsgemäß ein Pin-Fin-Array 5, welches eine Vielzahl von, von einer Basisfläche 6 wegragenden Pins 7 aufweist. Erfindungsgemäß bildet eine Oberfläche des Kühlvorrichtungsgrundkörpers 1 die Basisfläche 6 oder alternativ z. B. ein Trägersubstrat, welches an dem Kühlvorrichtungsgrundkörper 1 angeordnet ist. Die Basisfläche 6 ist zum Beispiel eine Bodenfläche der wannenförmigen Vertiefung bzw. Wanne 1a des Kühlvorrichtungsgrundkörpers 1, von welcher die Pins 7 des Pin-Fin-Arrays 5 in Richtung zum offenen Ende der Wanne 1a wegragen (in z. B. 1, 2 in Y-Richtung, i. e. nach oben). Die Basisfläche 6 ist im Allgemeinen eine im Wesentlichen ebene Fläche, von welcher die Pins 7 wegragen, insbesondere senkrecht.
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Das Pin-Fin-Array 5 bzw. die Pin-Fin-Anordnung besteht aus einer Vielzahl von stabförmigen Elementen, i. e. Pins 7, welche auf bekannte Weise dazu vorgesehen sind, von dem Kühlfluid, z. B. einer Kühlflüssigkeit, zur Wärmeabfuhr umströmt zu werden. Die Pins 7 des Pin-Fin-Arrays 5 ragen von der Basisfläche 6 weg, insbesondere daraus hervor, wobei sie sich jeweils von einem in Bezug auf die Basisfläche 6 proximalen (Pin-)Ende 7a hin zu einem in Bezug auf die Basisfläche distalen (Pin-)Ende 7b von der Basisfläche 6 wegerstrecken. Die Pins 7 bzw. deren proximale Enden 7a sind dabei vorzugsweise integral mit der Basisfläche 6 gebildet, welche insbesondere von dem Kühlvorrichtungsgrundkörper 1 gebildet ist.
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Eine mögliche erfindungsgemäße Anordnung der Pins 7 ist insbesondere in 1 ersichtlich, wobei die Pins 7 innerhalb des Pin-Fin-Arrays 5 z. B. in ersten 8 und zweiten 9, sich in einer Richtung X, z. B. der vorgesehenen Durchströmrichtung X, abwechselnden Reihen mit zueinander gleich ein Abstand angeordnet sind, wobei der Begriff Reihe eine Anordnung hintereinander in einer ersten Richtung (Z) ohne seitlichen Versatz in einer zweiten Richtung (X) bezeichnen soll. Eine erste Reihe 8 verläuft hinsichtlich ihrer Mittelsymmetrieachse A jeweils parallel zu einer benachbarten zweiten Reihe 9 bzw. zu deren Mittelsymmetrieachse B. Dabei weisen die Pins 7 innerhalb einer ersten Reihe 8 erfindungsgemäß einen Versatz zu den Pins 7 (Z-Richtung) innerhalb der zweiten Reihe 9 auf, i. e. in der gemeinsamen Erstreckungsrichtung (Z) der Mittelachsen der Reihen 8 und 9, 1. Die Pins 7 weisen hinsichtlich ihrer Rotationssymmetrieachsen C, welche sich in Y-Richtung erstrecken (3), z. B. einen Abstand zueinander (Z-Richtung) innerhalb einer ersten 8 Reihe auf, welcher zu dem Abstand der Pins 7 zueinander innerhalb einer zweiten Reihe 9 identisch ist, und welcher dem Abstand der Mittelsymmetrieachsen einer ersten 8 zu einer zweiten 9 Reihe entspricht (X-Richtung). Der Versatz der Pins 7 einer ersten 8 zu den Pins 7 einer zweiten 9 Reihe entspricht dabei dem halben Abstand der Rotationsmittelachsen C zweier Pins 7 innerhalb einer Reihe 8 bzw. 9 zueinander. Die ersten 8 und zweiten Reihen 9 des Pin-Fin-Arrays 5 folgen hinsichtlich ihrer Ausbildung und Anordnung z. B. sämtlich oben geschildertem Schema.
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Alternativ sind die Pins 7 z. B. ohne Versatz erster 8 und zweiter 9 Reihen in dem Pin-Fin-Array 5 angeordnet, wobei auch andere Anordnungen denkbar und erfindungsgemäß mitumfasst sind.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass wenigstens ein Pin 7 des Pin-Fin-Arrays 5 sich von seinem proximalen Ende 7a hin zu seinem distalen Ende 7b kontinuierlich verjüngend ausgebildet ist, i. e. über seine gesamte Länge zwischen proximalem 7a und distalem 7b Ende. Ein derartiger, sich kontinuierlich verjungender Pin 7 erstreckt sich von der Basisfläche 6 hin zu dem davon entfernten, distalen Ende 7b mit kontinuierlich reduzierter Querschnittsfläche (parallel zur Basisfläche 6) aber ansonsten gleichbleibender Geometrie bzw. Querschnittsform. Vorzugsweise sind erfindungsgemäß eine Vielzahl von Pins 7, weiterhin insbesondere sämtliche Pins 7 des Pin-Fin-Arrays 5 derart ausgebildet.
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Der wenigstens eine, sich verjüngende Pin 7, ist vorzugsweise kegelförmig, insbesondere kegelstumpfförmig gebildet (1 bis 3), wobei alternativ z. B. auch eine Pyramidenform oder ein Pyramidenstumpf als Form für einen erfindungsgemäßen Pin 7 denkbar wäre. Weitere sich vom proximalen Ende 7a zum distalen Ende 7b kontinuierlich bzw. ununterbrochen verjüngende Formen sind daneben denkbar, wobei insbesondere zu einer auf der Basisfläche 6 senkrecht stehenden Mittelachse C rotationssymmetrische Pins 7 vorgesehen sind. Mittels eines derart sich kontinuierlich verjüngenden Pins 7 ist es möglich, eine große Oberfläche zur Verfügung zu stellen und gleichzeitig den Durchfluss- bzw. Durchströmquerschnitt in Bereichen nahe der Oberfläche bzw. der Basisfläche 6 des Kühlvorrichtungsgrundkörpers 1 zu verringern, so dass sich ein höherer Wärmeaustausch ergibt.
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Erfindungsgemäß ist das Pin-Fin-Array 5 vorzugsweise innerhalb eines mittels des Gehäuseelements 3 gebildeten Gehäuses 4 der Kühlvorrichtung 2 aufgenommen. Zur Bildung des Gehäuses 4 ist das Gehäuseelement 3, welches als Deckel wirkt und z. B. ebenfalls wannenförmig mit einer ebenen Deckelfläche 3a zur Deckelung eines Gehäuseinnenraums gebildet ist, an dem Kühlvorrichtungsgrundkörper 1, insbesondere dessen Wanne 1a bzw. deren oberen offenem Ende, dauerhaft angeordnet, z. B. mittels Schrauben oder geeigneter Befestigungselemente 10, z. B. unter Verwendung einer Dichtung. Die Deckelfläche 3a weist dabei zur Basisfläche 6.
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Das derart gebildete Gehäuse 4 ist von Kühlflüssigkeit durchströmbar und mit Ausnahme eines Kühlflüssigkeitseinlasses 11 zum Einlass von Kühlflüssigkeit und eines Kühlflüssigkeitsauslasses 12 zum Auslass von Kühlflüssigkeit insbesondere mediendicht. Das Gehäuse 4 weist im Wesentlichen z. B. rechteckigen Querschnitt auf und kann z. B. mit Träger- oder Aufnahmeelementen für Montagezwecke versehen sein.
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Das Pin-Fin-Array 5 ist dabei im Strömungsweg der Kühlflüssigkeit zwischen dem Kühlflüssigkeitseinlass 11 und dem Kühlflüssigkeitsauslass 12 im Inneren des Gehäuses 4 angeordnet, i. e. innerhalb des durch die Wanne 1a und das Gehäuseelement 3 definierten Gehäuseinnenraums, so dass es von der Kühlflüssigkeit in Richtung von dem Kühlflüssigkeitseinlass 11 zu dem Kühlflüssigkeitsauslass 12 durchströmbar ist, i. e. in Durchströmrichtung X. Das Pin-Fin-Array 5 wird dabei parallel zur Basisfläche 6, i. e. dem Boden der Wanne 1a, und insbesondere parallel zur ebenen, gegenüberliegenden Deckelfläche 3a des Gehäuses 4, gebildet durch das Gehäuseelement 3, durchströmt.
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Innerhalb des Gehäuses 4 sind die ersten 8 und zweiten 9 Reihen von Pins 7 insbesondere in Durchströmrichtung X zueinander benachbart angeordnet, i. e. in Längsrichtung des Gehäuses 4, wobei sie sich quer zur Durchströmrichtung X, insbesondere senkrecht zu dieser erstrecken, in Querrichtung Z bzw. Gehäusequerrichtung 4.
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Stromabwärts des Kühlflüssigkeitseinlasses 11 als auch stromaufwärts des Kühlflüssigkeitsauslasses 12 ist jeweils eine in Querrichtung Z des Gehäuses 4 verlaufende Staukante im Inneren des Gehäuses 4, i. e. an der den Pins 7 zugewandten Seite des Gehäuseelements 3 bzw. der Gehäusedeckelfläche 3a gebildet, i. e. eine Einlassstaukante 13 und eine Auslassstaukante 14, um eine gleichmäßige Durchströmung des Pin-Fin-Arrays 5 zu erzielen.
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Erfindungsgemäß erstreckt sich wenigstens ein Pin 7, insbesondere ein sich kontinuierlich verjüngender Pin 7, von der Basisfläche 6 des Kühlvorrichtungsgrundkörpers 1 zu der Auslassstaukante 14 von der Basisfläche 6 weg. Ein solcher ist im Vergleich zu einem weiteren Pin 7 insbesondere verkürzt ausgebildet, i. e. hinsichtlich des Abstands zwischen proximalem 7a und distalem 7b Ende, z. B. als halber Pin. Vorzugsweise erstrecken sich entlang der Auslassstaukante 14 in Querrichtung Z, i. e. unterhalb derselben, mehrere derartige Pins 7, insbesondere eine erste 8 oder zweite 9 Reihe. Mittels wenigstens eines erfindungsgemäß unterhalb der Auslassstaukante 14 angeordneten Pins 7, insbesondere wenigstens eines sich kontinuierlich verjüngenden Pins 7, wird erreicht, dass im Auslassbereich 15 der Kühlvorrichtung 2 eine zusätzliche Verengung erfolgt, so dass die Druckdifferenz erhöht und eine bessere Abwärmeabfuhr erreicht wird.
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Ferner ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass in dem Auslassbereich 15, i. e. stromabwärts der Auslassstaukante 14 und stromaufwärts des Kühlflüssigkeitsauslasses 12 wenigstens ein Pin 7 angeordnet ist, insbesondere wenigstens ein sich kontinuierlich verjüngender Pin 7. Vorzugsweise ist eine Vielzahl derartiger Pins 7 im Auslassbereich 15 angeordnet, d. h. das Pin-Fin-Array 5 erstreckt sich in den Auslassbereich 15. Gemäß z. B. 1 sind z. B. drei Reihen 8 bzw. 9 von Pins 7 im Auslassbereich 15 angeordnet. Durch die Pins 7 im Auslassbereich 15 wird zusätzlich die zur Verfügung stehende Fläche für den Wärmeübergang erhöht.
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Weiterhin ist erfindungsgemäß vorgesehen, an einem quer (Z-Richtung) zu der Durchströmrichtung X orientierten Rand 16a des Pin-Fin-Arrays 5, insbesondere an beiden, sich gegenüber liegenden, Rändern 16a, 16b, wenigstens einen Pin 7, insbesondere wenigstens einen sich verjüngenden Pin 7, in eine Gehäusewand 4a zu integrieren. Die Gehäusewand 4a ist dabei z. B. eine Umfangswand 1b der Wanne 1a, welche sich zusammen mit den Pins 7 von deren Basisfläche 6 bzw. Bodenfläche wegerstreckt. Folglich erstreckt sich das Pin-Fin-Array 5 in die Gehäusewand 4a. Ein derartiger, integral mit der Gehäusewand 4a gebildeter erfindungsgemäßer Pin 7 ist z. B. gegenüber einem weiteren Pin 7 des Pin-Fin-Arrays 5 verkürzt ausgebildet, z. B. als halber Pin. Mittels des wenigstens einen in die Gehäusewand 4a integrierten Pins 7 wird eine Verengung des Durchströmbereichs und eine Erhöhung der Druckdifferenz bewirkt. Ein solcher Pin 7 tritt z. B. nur teilweise aus der Gehäusewand 4a hervor.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das Gehäuseelement 3, insbesondere die ebene Deckelfläche 3a, zu dem distalen Ende 7b wenigstens eines Pins 7 des Pin-Fin-Arrays 5 unbeabstandet bzw. aufliegend angeordnet ist. Insbesondere ist das Gehäuseelement 3 bzw. die ebene Deckelfläche 3a vorzugsweise unbeabstandet zu sämtlichen distalen Enden 7b der Pins 7 stromabwärts der Einlassstaukante 13 und stromaufwärts der Auslassstaukante 14 angeordnet, liegt z. B. daran an. Weiterhin ist vorgesehen, dass die Auslasstaukante 14 unbeabstandet zu dem wenigstens einen, vorzugsweise sämtlichen darunter angeordneten Pins 7 angeordnet ist.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Kühlvorrichtungsgrundkörper
- 1a
- Wanne
- 1b
- Umfangswand Wanne
- 2
- Kühlvorrichtung
- 3
- Gehäuseelement
- 3a
- ebene Deckelfläche
- 4
- Gehäuse
- 4a
- Gehäusewand
- 5
- Pin-Fin-Array
- 6
- Basisfläche
- 7
- Pin
- 7a
- proximales Pinende
- 7b
- distales Pinende
- 8
- erste Reihen
- 9
- zweite Reihen
- 10
- Befestigungselemente
- 11
- Kühlflüssigkeitseinlass
- 12
- Kühlflüssigkeitsauslass
- 13
- Einlassstaukante
- 14
- Auslassstaukante
- 15
- Auslassbereich
- 16a, b
- Ränder Pin-Fin-Array
- A, B
- Mittelsymmetrieachsen Reihen
- C
- Rotationssymmetrieachsen Pins
- X, Y, Z
- Richtungen
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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