[go: up one dir, main page]
More Web Proxy on the site http://driver.im/

DE102015010051B4 - Kühleinrichtung zum Kühlen wenigstens eines Bauteils - Google Patents

Kühleinrichtung zum Kühlen wenigstens eines Bauteils Download PDF

Info

Publication number
DE102015010051B4
DE102015010051B4 DE102015010051.3A DE102015010051A DE102015010051B4 DE 102015010051 B4 DE102015010051 B4 DE 102015010051B4 DE 102015010051 A DE102015010051 A DE 102015010051A DE 102015010051 B4 DE102015010051 B4 DE 102015010051B4
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
cooling
cavity
wall
heat
fluid
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
DE102015010051.3A
Other languages
English (en)
Other versions
DE102015010051A1 (de
Inventor
Johannes Neukam
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Audi AG
Original Assignee
Audi AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Audi AG filed Critical Audi AG
Priority to DE102015010051.3A priority Critical patent/DE102015010051B4/de
Publication of DE102015010051A1 publication Critical patent/DE102015010051A1/de
Application granted granted Critical
Publication of DE102015010051B4 publication Critical patent/DE102015010051B4/de
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04DNON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D33/00Non-positive-displacement pumps with other than pure rotation, e.g. of oscillating type
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04FPUMPING OF FLUID BY DIRECT CONTACT OF ANOTHER FLUID OR BY USING INERTIA OF FLUID TO BE PUMPED; SIPHONS
    • F04F5/00Jet pumps, i.e. devices in which flow is induced by pressure drop caused by velocity of another fluid flow
    • F04F5/14Jet pumps, i.e. devices in which flow is induced by pressure drop caused by velocity of another fluid flow the inducing fluid being elastic fluid
    • F04F5/16Jet pumps, i.e. devices in which flow is induced by pressure drop caused by velocity of another fluid flow the inducing fluid being elastic fluid displacing elastic fluids
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25BREFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B21/00Machines, plants or systems, using electric or magnetic effects
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25BREFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B21/00Machines, plants or systems, using electric or magnetic effects
    • F25B21/02Machines, plants or systems, using electric or magnetic effects using Peltier effect; using Nernst-Ettinghausen effect
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L23/00Details of semiconductor or other solid state devices
    • H01L23/34Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements
    • H01L23/42Fillings or auxiliary members in containers or encapsulations selected or arranged to facilitate heating or cooling
    • H01L23/433Auxiliary members in containers characterised by their shape, e.g. pistons
    • H01L23/4336Auxiliary members in containers characterised by their shape, e.g. pistons in combination with jet impingement
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L23/00Details of semiconductor or other solid state devices
    • H01L23/34Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements
    • H01L23/46Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements involving the transfer of heat by flowing fluids
    • H01L23/473Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements involving the transfer of heat by flowing fluids by flowing liquids
    • H01L23/4735Jet impingement
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25BREFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B2321/00Details of machines, plants or systems, using electric or magnetic effects
    • F25B2321/002Details of machines, plants or systems, using electric or magnetic effects by using magneto-caloric effects
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25BREFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B2321/00Details of machines, plants or systems, using electric or magnetic effects
    • F25B2321/02Details of machines, plants or systems, using electric or magnetic effects using Peltier effects; using Nernst-Ettinghausen effects
    • F25B2321/023Mounting details thereof
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L23/00Details of semiconductor or other solid state devices
    • H01L23/34Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements
    • H01L23/46Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements involving the transfer of heat by flowing fluids
    • H01L23/467Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements involving the transfer of heat by flowing fluids by flowing gases, e.g. air
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02BCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO BUILDINGS, e.g. HOUSING, HOUSE APPLIANCES OR RELATED END-USER APPLICATIONS
    • Y02B30/00Energy efficient heating, ventilation or air conditioning [HVAC]

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Fluid Mechanics (AREA)
  • Cooling Or The Like Of Electrical Apparatus (AREA)

Abstract

Kühleinrichtung (1, 27, 33, 35) zum Kühlen wenigstens eines Bauteils (2, 24), mit einem abgesehen von wenigstens einer Öffnung (4, 15, 34, 42, 43, 44) vollständig von einer Wand (5, 6, 13, 30, 37) oder mehreren Wänden (5, 6, 13, 30, 37) umgebenen Hohlraum (3, 28, 29, 36) und einem Aktor (7, 22), durch dessen Ansteuerung das Volumen des Hohlraums (3, 28, 29, 36) veränderbar ist, wobei mittels der Öffnung (4, 15, 34, 42, 43, 44) bei einer Vergrößerung des Volumens Fluid aus der Umgebung der Kühleinrichtung (1, 27, 33, 35) in den Hohlraum (3, 28, 29, 36) gesaugt und bei einer Verringerung des Volumens ein Fluidstrom zur Kühlung des Bauteils (2, 24) aus dem Hohlraum (3, 28, 29, 36) ausgestoßen wird, wobei die Wand (5, 6, 13, 30, 37) oder wenigstens eine der Wände (5, 6, 13, 30, 37) eine Wärmetransporteinrichtung (9, 17, 18, 19, 20, 31, 39, 46) aufweist, durch deren Bestromung mit einer Stromquelle (10) Wärme von der dem Hohlraum (3, 28, 29, 36) zugewandten Seite der Wand (5, 6, 13, 30, 37) zu der der Umgebung zugewandten Seite der Wand (5, 6, 13, 30, 37) transportierbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnung (4, 15, 34, 42, 43, 44) als Düse (16) ausgebildet ist, wobei die Wärmetransporteinrichtung (17, 18) an einem Abschnitt der Wand (5, 6, 13, 30, 37) oder einer der Wände (5, 6, 13, 30, 37) angeordnet ist, der die Düse (16) ausbildet oder aufweist.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Kühleinrichtung zum Kühlen wenigstens eines Bauteils, mit einem abgesehen von wenigstens einer Öffnung vollständig von einer Wand oder mehreren Wänden umgebenen Hohlraum und einem Aktor, durch dessen Ansteuerung das Volumen des Hohlraums veränderbar ist, wobei mittels der Öffnung bei einer Vergrößerung des Volumens Fluid aus der Umgebung der Kühleinrichtung in den Hohlraum gesaugt und bei einer Verringerung des Volumens ein Fluidstrom zur Kühlung des Bauteils aus dem Hohlraum ausgestoßen wird, wobei die Wand oder wenigstens eine der Wände eine Wärmetransporteinrichtung aufweist, durch deren Bestromung mit einer Stromquelle Wärme von der dem Hohlraum zugewandten Seite der Wand zu der der Umgebung zugewandten Seite der Wand transportierbar ist. Daneben betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Kühlen eines Bauteils.
  • Eine Kühlung von Elektronikbauteilen erfolgt typischerweise über Lüfter, durch die ein Luftstrom erzeugt wird, der über einen Kühlkörper geführt wird. Alternativ hierzu kann statt einem Lüfter ein sogenannter „synthetischer Jet” genutzt werden. Bei diesem wird ein Hohlkörper mit wenigstens einer Öffnung genutzt, dessen Volumen, beispielsweise über eine vibrierende Membran, wiederholt geändert wird, um abwechselnd einen Unter- und einen Überdruck im Hohlkörper zu erzeugen und somit abwechselnd ein Kühlfluid aus der Umgebung des synthetischen Jets einzusaugen und dieses anschließend auszustoßen. Das ausgestoßene Gas bildet einen sogenannten Primärstrom, der mit dem den Primärstrom umgebenden Fluid interagiert und dieses mitzieht. Somit wird durch das umgebende Fluid ein sogenannter Sekundärstrom gebildet. Der entstehende Fluidstrom ist typischerweise stark turbulent und kann somit besonders effizient Wärme von einem zu kühlenden Bauteil aufnehmen.
  • Ein synthetischer Jet wird vorteilhaft in einem gewissen Mindestabstand zum zu kühlenden Bauteil angeordnet, da der synthetische Jet ansonsten bei einer Vergrößerung des Volumens des Hohlraums hauptsächlich bereits durch das Bauteil erwärmtes Gas ansaugt, wodurch die Wirksamkeit der Kühlung verringert wird.
  • Die Druckschrift DE 10 2012 012 448 A1 offenbart eine Luftströmungserzeugungsvorrichtung, die in einem Kraftfahrzeug verwendbar ist. Diese umfasst einen Aktuatorkörper mit einem Hohlraum, der von einer zu Schwingungen anregbaren Membran begrenzt und über wenigstens eine Öffnung strömungstechnisch mit den Aktuatorkörper umgebender Umgebungsluft in Verbindung steht. In einem Ausführungsbeispiel wird vorgeschlagen, in Ansaugkanälen die Peltier-Elemente einzulassen, mit denen sich ein angesaugter Luftstrom bedarfsgemäß kühlen oder anwärmen lässt.
  • Ein Peltier-Kühler ist aus der Druckschrift US 2013/0239589 A1 bekannt. Hierbei wird ein Kühlkörper eines Peltier-Elements durch einen synthetischen Jet gekühlt.
  • Eine Kühleinrichtung für eine im freien befindliche Kommunikationseinrichtung ist aus der Druckschrift US 2007/0039332 A1 bekannt. Hierbei werden mit einem Peltier-Element gekoppelte Wärmerohre genutzt, um das Peltier-Element mit Finnen-Strukturen zu koppeln. Diese werden durch Ventilatoren gekühlt oder gewärmt.
  • Ein synthetischer Jet, der zur Kühlung einer Wärmequelle genutzt wird, ist aus der Druckschrift US 2014/0284397 A1 bekannt.
  • Die Druckschrift DE 102 18 343 B4 offenbart eine Temperiervorrichtung zum Temperieren von in einen Fahrzeuginnenraum einströmender Luft. Zum Erwärmen beziehungsweise Kühlen des Luftstroms werden Peltier-Elemente verwendet.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine gegenüber den bekannten synthetischen Jets verbesserte Kühlreinrichtung zum Kühlen wenigstens eines Bauteils anzugeben.
  • Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Kühleinrichtung der eingangs genannten Art gelöst, wobei die Öffnung als Düse ausgebildet ist, wobei die Wärmetransporteinrichtung an einem Abschnitt der Wand oder einer der Wände angeordnet ist, der die Düse ausbildet oder aufweist.
  • Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, bei einer Kühleinrichtung, die auf dem Prinzip des synthetischen Jets basiert, in oder an wenigstens einer der Wände eine Wärmetransporteinrichtung vorzusehen, um das Fluid im Hohlraum bzw. beim Einströmen in den und beim Ausströmen aus dem Hohlraum zu kühlen.
  • Eine Vergrößerung bzw. eine Verringerung des Volumens des Hohlraums kann erreicht werden, indem wenigstens eine der Wände bewegt und/oder verformt wird. Insbesondere kann wenigstens eine der Wände und/oder ein Abschnitt der Wand membranartig ausgebildet sein. Diese Wand bzw. dieser Abschnitt kann durch den Aktor von einer konkaven Form in eine konvexe Form und umgekehrt verbracht werden, womit das Volumen des Hohlraums variiert wird. Eine Volumenänderung durch Bewegung wenigstens einer der Wände kann insbesondere durch Ausbildung der Wand als Kolben erreicht werden, der beispielsweise mechanisch über eine Kolbenstange bewegbar ist.
  • Der Aktor kann ein Piezoaktor, insbesondere ein Stack-Piezo sein. Es ist jedoch auch möglich, dass der Aktor auf elektrostatischer Wechselwirkung basiert. Beispielsweise kann eine geladene leitfähige Schicht an einer Wand durch eine Gegenelektrode angezogen oder abgestoßen werden. Der Aktor kann alternativ auf einem elektromagnetischen Prinzip basieren. Beispielsweise kann eine magnetische Schicht oder ein magnetisches Element, das an der Wand befestigt ist, durch einen Elektromagneten anziehbar sein. Im Stand der Technik sind eine Vielzahl von Aktoren bekannt, die genutzt werden können, um die Wand zu bewegen und/oder zu verformen.
  • In der erfindungsgemäßen Kühleinrichtung wird das Fluid mittels der gleichen Öffnung eingesaugt und ausgestoßen. Bei dem Fluid kann es sich um Gas, insbesondere um Luft handeln.
  • Die Wärmetransporteinrichtung ist zum Wärmetransport durch die Wand ausgebildet. Bei einer Bestromung kann die Wärmetransporteinrichtung niedrigere Temperaturen auf der Hohlraumseite als auf der Umgebungsseite aufweisen. Der Wärmetransport durch die Wärmetransporteinrichtung erfolgt vorzugsweise ohne einen Transport des Fluids durch die Wand zwischen dem Hohlraum und der Umgebung.
  • Bei dem Bauteil kann es sich um ein elektrisches Bauteil oder einen Kühlkörper, insbesondere einen Kühlkörper eines elektrischen Bauteils, handeln. Ist das Bauteil ein Kühlkörper, so kann es kanalartige Strukturen aufweisen. In diesem Fall kann pro Kanal eine Öffnung der Kühleinrichtung vorgesehen sein, um einen Fluidstrom für jeden der Kanäle des Kühlkörpers bereitzustellen.
  • Die erfindungsgemäße Kühleinrichtung kann beabstandet von dem zu kühlenden Bauteil angeordnet sein, um eine Kühlanordnung auszubilden. Hierbei kann die Öffnung insbesondere einige Zentimeter vom Bauteil, beispielsweise von der Mündung eines Kanals eines Kühlkörpers, beabstandet sein. Bei einer derartigen Anordnung wird erreicht, dass im Bereich zwischen der Kühleinrichtung und dem Bauteil ein sogenannter Freistrahl ausgebildet wird, indem der primäre, aus dem Hohlraum ausgestoßene Fluidstrom mit dem Fluid im Umfeld der Kühleinrichtung wechselwirkt und dieses mitreißt, womit sich ein sekundärer Volumenstrom ausbildet. In der erfindungsgemäßen Kühleinrichtung wird der primäre Fluidstrom, der aus der Öffnung ausgestoßen wird, durch die Wärmetransporteinrichtung gekühlt. Gegenüber einer Kühlung des gesamten Freistrahls, der zusätzlich den sekundären Volumenstrom umfasst, ist dies vorteilhaft, da der primäre Fluidstrom besonders turbulent ist und somit besonders stark zur Kühlung des Bauteils beitragen kann.
  • Als Stromquelle zur Bestromung der Wärmetransporteinrichtung kann jede Einrichtung dienen, die elektrischen Strom bereitstellt. Die Bezeichnung soll nicht einschränken, inwieweit ein bereitgestellter Strom von der an der Stromquelle abfallenden Spannung bzw. eine an der Stromquelle abfallende Spannung von dem bereitgestellten Strom abhängt. Bei der Stromquelle kann es sich um eine Konstantspannungsquelle, eine Konstantstromquelle oder jegliche Mischform handeln.
  • Vorzugsweise ist die Wärmetransporteinrichtung ein Peltier-Element oder umfasst ein Peltier-Element. Insbesondere kann eine Wand bzw. ein Wandabschnitt durch das Peltier-Element gebildet sein. Peltier-Elemente erlauben eine kompakte Ausbildung der Wärmetransporteinrichtung. Alternativ könnte ein Wärmetransport ohne einen Fluidtransport durch die Wand beispielsweise durch einen geschlossenen Kühlkreislauf auf Kompressorbasis erreicht werden.
  • Das Fluid kann ein Gas, insbesondere Luft, sein. Alternativ kann als Fluid eine Flüssigkeit, beispielsweise Wasser oder Öl, genutzt werden.
  • Die Wärmetransporteinrichtung kann innenraumseitig und/oder umgebungsseitig thermisch mit einem Wärmetauscher gekoppelt sein. Der Wärmetauscher, auch Wärmeübertrager genannt, kann eine Oberfläche zur Kontaktierung des Fluids aufweisen, die größer ist als die innenraumseitige bzw. die umgebungsseitige Oberfläche der Wärmetransporteinrichtung. Die Oberfläche des Wärmetauschers kann Wellen, Noppen, Kanäle oder ähnliches aufweisen. Entsprechende Wärmetauscher sind in zahlreichen Ausführungsformen, insbesondere als Kühlkörper für elektrische Bauteile, bekannt.
  • Alternativ oder ergänzend kann die Oberfläche der Wärmetransporteinrichtung selbst innenraumseitig oder umgebungsseitig vergrößert sein. Beispielsweise kann die Wärmetransporteinrichtung konvexe und konkave Bereiche aufweisen, also beispielsweise wellig sein und/oder Noppen und/oder Kanäle aufweisen.
  • Die thermische Kopplung kann mittels wenigstens eines Wärmerohrs erfolgen. Wärmerohre, auch „Heatpipe” genannt, sind im Stand der Technik bekannt und sollen nicht detailliert beschrieben werden. Sie dienen dem Wärmetransport zwischen einer warmen Seite und einer kalten Seite, wobei typischerweise auf einer warmen Seite ein Fluid in einem geschlossenem Fluidkreislauf verdampft wird und auf der kalten Seite dieses Fluids wieder kondensiert und zur warmen Seite zurückgeführt wird. Die Kopplung der Wärmetransporteinrichtung mit dem Wärmetauscher über ein Wärmerohr ermöglicht es, den Wärmetauscher beabstandet von der Wärmetransporteinrichtung und somit von der Wand anzuordnen. Eine solche Beabstandung ermöglicht im Fall eines umgebungsseitigen Wärmetauschers, dass der Wärmetauscher in einen Bereich angeordnet wird, der von der Kühleinrichtung und/oder von warmen Bauteilen beabstandet ist, womit aufgrund der kühleren Umgebung des Wärmetauschers, mehr Wärme abgeführt werden kann. Im Fall eines innenraumseitigen Wärmetauschers kann der Wärmetauscher beispielsweise zum Zentrum des Hohlraums hin verschoben sein, womit eine bessere Wärmeaufnahme aus dem zu kühlenden Fluid erreicht werden kann.
  • Die Öffnung ist als Düse ausgebildet. Bei einem Vorsehen mehrerer Öffnungen ist es möglich, dass alle Öffnungen, einige Öffnungen oder nur eine der Öffnungen als Düse ausgebildet sind bzw. ist. Eine Düse kann beim Ausstoß des Fluidstroms als Konfusor wirken, der die Geschwindigkeit des strömenden Fluids erhöht. Dies kann erreicht werden, indem der Durchmesser der Düse vom Hohlraum zur Umgebung hin abnimmt. Es ist jedoch auch möglich, Düsen mit konstantem Durchmesser zu nutzen, die im Wesentlichen zylinderförmig sein können, oder Düsen, deren Durchmesser sich von dem Hohlraum zur Umgebung hin vergrößert.
  • Die Wärmetransporteinrichtung ist an einem Abschnitt der Wand oder einer der Wände angeordnet, der die Düse ausbildet oder aufweist. Vorzugsweise ist jeder Düse wenigstens eine Wärmetransporteinrichtung zugeordnet. Zusätzlich können eine oder mehrere Wärmetransporteinrichtungen an Wandbereichen vorgesehen sein, die von der Düse beabstandet sind.
  • Neben der erfindungsgemäßen Kühleinrichtung betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Kühlung eines Bauteils durch eine erfindungsgemäße Kühleinrichtung, umfassend die wiederholte Durchführung der Schritte:
    • – Ansaugen von Fluid aus der Umgebung der Kühleinrichtung durch die Öffnung in den Hohlraum durch Ansteuern des Aktors zur Vergrößerung des Volumens des Hohlraums,
    • – Kühlen des Fluids durch Bestromen der Wärmetransporteinrichtung,
    • – Ausstoßen eines in Richtung des Bauteils gerichteten Fluidstroms durch die Öffnung zur Kühlung des Bauteils.
  • Das Kühlen des Fluids bzw. das Bestromen der Wärmetransporteinrichtung kann auch während des Ansaugens und/oder des Ausstoßens des Fluids in bzw. aus dem Hohlraum erfolgen. Insbesondere kann die Wärmetransporteinrichtung während der Kühlung des Bauteils kontinuierlich bestromt werden. Die Bestromung kann beispielsweise durch einen Regelkreis in Abhängigkeit von Temperaturdaten eines Temperatursensors oder von einem Widerstand der Wärmetransporteinrichtung geregelt werden.
  • Die erfindungsgemäßen Schritte können mehrere hundert mal pro Sekunde wiederholt werden. Die Steuerung des Aktors sowie optional auch eine Steuerung der Bestromung der Wärmetransporteinrichtung kann durch eine Steuereinrichtung erfolgen. Die Steuereinrichtung kann Teil der Kühleinrichtung sein. Es ist jedoch auch möglich, dass die Steuereinrichtung durch weitere Elemente einer übergeordneten Einrichtung gebildet wird, die die erfindungsgemäße Kühleinrichtung sowie das Bauteil umfasst.
  • Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den im folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen sowie den zugehörigen Zeichnungen. Dabei zeigen:
  • 1 ein Beispiel einer Kühleinrichtung,
  • 2 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Kühleinrichtung,
  • 3 ein weiteres Beispiel einer Kühleinrichtung,
  • 4 ein weiteres Beispiel einer Kühleinrichtung, und
  • 5 eine Detailansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Kühleinrichtung.
  • 1 zeigt eine Kühleinrichtung 1 zum Kühlen wenigstens eines Bauteils 2. Die Kühleinrichtung 1 umfasst einen Hohlraum 3, der, abgesehen von einer Öffnung 4, vollständig von den Wänden 5, 6 umgeben ist. Die Wand 5 umschließt den Hohlraum 3 zylinderförmig und ist im Wesentlichen steif. Die Wand 6 ist durch eine Membran gebildet, die derart vorgespannt ist, dass sie, wie in 1 dargestellt, konkav gekrümmt ist, das heißt in den Hohlraum 3 hineinragt. An der Wand 6 ist ein Aktor 7, nämlich ein Stack-Piezo, angeordnet, an dessen von der Wand 6 beabstandeten Seite ein Gegengewicht 8 angebracht ist. Bei einem Anlegen einer Spannung zieht sich der Aktor 7 zusammen, so dass eine Kraft auf die Wand 6 wirkt, die diese aus dem Hohlraum 3 herauszieht und konvex verformt. Hierdurch wird das Volumen des Hohlraums 3 vergrößert, wodurch ein Fluid, nämlich Luft, aus dem Umfeld der Kühleinrichtung 1 durch die Öffnung 4 in den Hohlraum 3 gesaugt wird. Nach dem Auslenken der Wand 6 durch den Aktor kehrt diese aufgrund der Vorspannung in die in 1 dargestellte Ausgangslage zurück, wodurch das Volumen des Hohlraums 3 verkleinert wird und ein Fluidstrom zur Kühlung des Bauteils 2 durch die Öffnung 4 ausgestoßen wird. Die Kühleinrichtung 1 bildet daher einen synthetischen Jet aus. Die Kühleinrichtung 1 weist zusätzlich eine Wärmetransporteinrichtung 9 auf, die in die Wand 5 integriert ist. Die Wärmetransporteinrichtung 9 ist als Peltier-Element ausgebildet. Wird die Wärmetransportenrichtung 9 durch die Stromquelle 10 bestromt, so wird Wärme von der dem Hohlraum zugewandten Seite 11 der Wand 5 zu der der Umgebung zugewandten Seite 12 der Wand 5 transportiert. Bei einer Bestromung ist die Temperatur der Wärmetransporteinrichtung 9 an der dem Hohlraum zugewandten Seite 11 niedriger ist als an der der Umgebung zugewandten Seite 12, wodurch eine Kühlung des Fluids im Hohlraum 3 und somit des bei einer Verringerung des Volumens des Hohlraums 3 aus der Öffnung 4 ausgestoßenen Fluidstroms erfolgt.
  • 2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Kühleinrichtung 27 zur Kühlung eines Bauteils 24. Ein Hohlraum 28 wird von einer Wand 13 abgesehen von einer Öffnung 15 vollständig umgeben. Ein Abschnitt 14 der Wand 13 ist flexibel ausgebildet und entsprechend der Wand 6 des in 1 dargestellten Ausführungsbeispiels konkav vorgespannt. An dem Wandabschnitt 14 ist eine ferromagnetische Metallschicht 21 angeordnet, die durch den Aktor 22, einen Elektromagnenten, anziehbar ist, um den Wandabschnitt 14 zu verformen und somit das Volumen des Hohlraums 28 zu vergrößern. Wie zu 1 erläutert wird durch die Vergrößerung des Hohlraums 28 Fluid in den Hohlraum 28 eingesaugt. Bei einer Reduzierung der Bestromung des Aktors 22 wird durch eine Rückstellung des Wandabschnitts 14 und eine damit einhergehende Verkleinerung des Volumens des Hohlraums 28 ein primärer Fluidstrom aus der Öffnung 15 ausgestoßen.
  • Um die Effizienz der Kühlung zu verbessern, ist die Wand 13 im Bereich der Öffnung 15 als Düse 16 ausgebildet. Durch diese Ausbildung der Wand 13 kann die Geschwindigkeit und Turbulenz des primären Fluidstroms 23 erhöht werden, wodurch eine bessere Kühlwirkung erreicht werden kann. Das Fluid im Hohlraum 28 und das über die Öffnung 15 ein- bzw. ausströmende Fluid werden durch die Wärmetransporteinrichtung 17, 18, 19, 20 gekühlt, deren Funktion der Wärmetransporteinrichtung 9 in 1 entspricht. Die Stromquelle ist nicht gezeigt. Die zwei Wärmetransporteinrichtungen 17, 18 sind im Bereich der Düse 16 angeordnet. In diesem Bereich ist die Turbulenz und Geschwindigkeit des strömenden Fluids höher, womit ein stärkerer Wärmeaustausch zwischen den Wärmetransporteinrichtungen 17, 18 und dem Fluid erreicht werden kann.
  • Die Kühleinrichtung 27 ist derart angeordnet, dass der primäre Fluidstrom 23 in Richtung einer kanalartigen Struktur 25 des Bauteils 24 gerichtet ist, die durch zwei Kühlrippen 26, 51 ausgebildet wird. Da die Öffnung 15 von der Mündung der kanalartigen Struktur 25 beabstandet ist, kann der primäre Fluidstrom 23 im Bereich zwischen der Öffnung 15 und dem Bauteil 24 mit dem den Fluidstrom umgebenden Fluid Wechselwirken und dieses mitreißen. Hierdurch wird ein sekundärer Volumenstrom 52 ausgebildet, der gemeinsam mit dem primären Fluidstrom einen sogenannten Freistrahl ausbildet. Durch die Nutzung eines synthetischen Jets zur Kühlung wird neben dem primären Fluidstrom zusätzliches Fluid aus der Umgebung zur Kühlung über das Bauteil geführt. Da der besonders turbulente primäre Fluidstrom durch die Wärmetransporteinrichtungen 17, 18, 19, 20 gekühlt wird, kann eine besonders effiziente Kühlung erreicht werden.
  • 3 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel einer Kühleinrichtung 33 zum Kühlen wenigstens eines Bauteils. Ein Hohlraum 29 ist von einer im Wesentlichen zylinderförmigen Wand 30 umschlossen, in die eine Wärmetransporteinrichtung 31 integriert ist. Eine bewegliche Wand 32 ist als Kolben ausgebildet, der durch einen nicht gezeigten Aktor in dem durch die Wand 30 gebildeten Zylinder bewegbar ist, um das Volumen des Hohlraums 29 zu vergrößern und zu verkleinern. Hierdurch kann, wie zur 1 und 2 erläutert, aus der Öffnung 34 ein Fluidstrom zur Kühlung des Bauteils ausgestoßen werden.
  • 4 zeigt ein viertes Ausführungsbeispiel einer Kühleinrichtung 35 zum Kühlen eines Bauteils. Ein Hohlraum 36 ist von der Wand 37 im Wesentlichen vollständig umschlossen. Ein Abschnitt 38 der Wand 37 ist durch einen nicht gezeigten Aktor verformbar. Durch eine Verformung des Wandabschnitts 38 können bei einer Verkleinerung des Volumens 36 primäre Fluidströme aus den Öffnungen 42, 43, 44 ausgestoßen werden. Zur Kühlung dieser Fluidströme ist in der Wand 37 eine Wärmetransporteinrichtung 39 angeordnet. Um den Wärmeaustausch zwischen der Wärmetransporteinrichtung 39 und dem im Hohlraum 36 befindlichen Fluid zu verbessern, ist ein Wärmetauscher 40 vorgesehen, der aus einem hochwärmeleitfähigen Material, beispielsweise Kupfer, gebildet ist, und eine große Oberfläche aufweist. Der Wärmeaustausch zwischen dem Wärmetauscher und dem Fluid im Hohlraum 36 ist dadurch verbessert, dass der Wärmetauscher 40 im Hohlraum 36 im Wesentlichen zentral angeordnet ist. Um dennoch eine starke thermische Kopplung zwischen dem Wärmetauscher 40 und der Wärmetransporteinrichtung 39 zu erreichen, erfolgt die thermische Kopplung über ein Bündel von Wärmerohren 41. Wärmerohre, auch „Heatpipe” genannt, transportieren Wärme, indem ein Arbeitsfluid eines geschlossenen Fluidkreislaufs auf einer warmen Seite verdampft und einer kalten Seite kondensiert wird.
  • Wärmetrauscher können sowohl hohlraumseitig als auch umgebungsseitig genutzt werden, um den Wärmetransport durch die Wand zu verbessern. 5 zeigt eine Detailansicht eines fünften Ausführungsbeispiels einer Kühlreinrichtung zum Kühlen eines Bauteils. In die Wand 45 ist eine Wärmetransporteinrichtung 46 integriert. Diese weist sowohl auf der dem Hohlraum zugewandten Seite 47 der Wand 45 einen Wärmetauscher 48, als auch auf der der Umgebung zugewandten Seite 49 der Wand 45 einen Wärmetauscher 50 auf. Die Wärmetauscher sind wie übliche Kühlkörper ausgebildet, das heißt sie bestehen aus gut wärmeleitfähigem Material, beispielsweise Kupfer, und weisen eine große Oberfläche auf. Die thermische Kopplung zwischen der Wärmetransporteinrichtung 46 und den Wärmetauschern 48, 50 kann durch Wärmeleitpaste oder ähnliches verbessert werden.

Claims (6)

  1. Kühleinrichtung (1, 27, 33, 35) zum Kühlen wenigstens eines Bauteils (2, 24), mit einem abgesehen von wenigstens einer Öffnung (4, 15, 34, 42, 43, 44) vollständig von einer Wand (5, 6, 13, 30, 37) oder mehreren Wänden (5, 6, 13, 30, 37) umgebenen Hohlraum (3, 28, 29, 36) und einem Aktor (7, 22), durch dessen Ansteuerung das Volumen des Hohlraums (3, 28, 29, 36) veränderbar ist, wobei mittels der Öffnung (4, 15, 34, 42, 43, 44) bei einer Vergrößerung des Volumens Fluid aus der Umgebung der Kühleinrichtung (1, 27, 33, 35) in den Hohlraum (3, 28, 29, 36) gesaugt und bei einer Verringerung des Volumens ein Fluidstrom zur Kühlung des Bauteils (2, 24) aus dem Hohlraum (3, 28, 29, 36) ausgestoßen wird, wobei die Wand (5, 6, 13, 30, 37) oder wenigstens eine der Wände (5, 6, 13, 30, 37) eine Wärmetransporteinrichtung (9, 17, 18, 19, 20, 31, 39, 46) aufweist, durch deren Bestromung mit einer Stromquelle (10) Wärme von der dem Hohlraum (3, 28, 29, 36) zugewandten Seite der Wand (5, 6, 13, 30, 37) zu der der Umgebung zugewandten Seite der Wand (5, 6, 13, 30, 37) transportierbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnung (4, 15, 34, 42, 43, 44) als Düse (16) ausgebildet ist, wobei die Wärmetransporteinrichtung (17, 18) an einem Abschnitt der Wand (5, 6, 13, 30, 37) oder einer der Wände (5, 6, 13, 30, 37) angeordnet ist, der die Düse (16) ausbildet oder aufweist.
  2. Kühleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmetransporteinrichtung (9, 17, 18, 19, 20, 31, 39, 46) ein Peltier-Element ist oder ein Peltier-Element umfasst.
  3. Kühleinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Fluid ein Gas, insbesondere Luft, ist.
  4. Kühleinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmetransporteinrichtung (9, 17, 18, 19, 20, 31, 39, 46) innenraumseitig und/oder umgebungsseitig thermisch mit einem Wärmetauscher (40, 48, 50) gekoppelt ist.
  5. Kühleinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die thermische Kopplung mittels wenigstens eines Wärmerohrs (41) erfolgt.
  6. Verfahren zur Kühlung eines Bauteils durch eine Kühleinrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, umfassend die wiederholte Durchführung der Schritte: • Ansaugen von Fluid aus der Umgebung der Kühleinrichtung durch die Öffnung in den Hohlraum durch Ansteuern des Aktors zur Vergrößerung des Volumens des Hohlraums, • Kühlen des Fluids durch Bestromen der Wärmetransporteinrichtung, • Ausstoßen eines in Richtung des Bauteils gerichteten Fluidstroms durch die Öffnung zur Kühlung des Bauteils.
DE102015010051.3A 2015-08-01 2015-08-01 Kühleinrichtung zum Kühlen wenigstens eines Bauteils Active DE102015010051B4 (de)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102015010051.3A DE102015010051B4 (de) 2015-08-01 2015-08-01 Kühleinrichtung zum Kühlen wenigstens eines Bauteils

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102015010051.3A DE102015010051B4 (de) 2015-08-01 2015-08-01 Kühleinrichtung zum Kühlen wenigstens eines Bauteils

Publications (2)

Publication Number Publication Date
DE102015010051A1 DE102015010051A1 (de) 2017-02-02
DE102015010051B4 true DE102015010051B4 (de) 2017-08-24

Family

ID=57795295

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE102015010051.3A Active DE102015010051B4 (de) 2015-08-01 2015-08-01 Kühleinrichtung zum Kühlen wenigstens eines Bauteils

Country Status (1)

Country Link
DE (1) DE102015010051B4 (de)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102023108628A1 (de) 2023-04-04 2024-10-10 Dr. Ing. H.C. F. Porsche Aktiengesellschaft Kühlanordnung und Vorrichtung

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE10218343B4 (de) * 2002-04-25 2006-04-06 Behr-Hella Thermocontrol Gmbh Elektrische Temperiervorrichtung für Fahrzeuge
US20070039332A1 (en) * 2003-10-01 2007-02-22 Ut-Starcom Korea Limited Compact thermal exchang unit of thermo-electric cooling mode using heat pipe
US20130239589A1 (en) * 2012-03-16 2013-09-19 Nuventix, Inc. Peltier Cooler Equipped With Synthetic Jet Ejectors
DE102012012448A1 (de) * 2012-06-25 2014-01-02 Volkswagen Aktiengesellschaft Luftströmungserzeugungsvorrichtung, Verwendung einer solchen und Kraftfahrzeug
US20140284397A1 (en) * 2013-03-15 2014-09-25 Nuventix, Inc. Synthetic jet ejector equipped with cold temperature start control delay

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE10218343B4 (de) * 2002-04-25 2006-04-06 Behr-Hella Thermocontrol Gmbh Elektrische Temperiervorrichtung für Fahrzeuge
US20070039332A1 (en) * 2003-10-01 2007-02-22 Ut-Starcom Korea Limited Compact thermal exchang unit of thermo-electric cooling mode using heat pipe
US20130239589A1 (en) * 2012-03-16 2013-09-19 Nuventix, Inc. Peltier Cooler Equipped With Synthetic Jet Ejectors
DE102012012448A1 (de) * 2012-06-25 2014-01-02 Volkswagen Aktiengesellschaft Luftströmungserzeugungsvorrichtung, Verwendung einer solchen und Kraftfahrzeug
US20140284397A1 (en) * 2013-03-15 2014-09-25 Nuventix, Inc. Synthetic jet ejector equipped with cold temperature start control delay

Also Published As

Publication number Publication date
DE102015010051A1 (de) 2017-02-02

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP2891396B1 (de) Kühlanordnung für in einem innenraum eines schaltschranks angeordnete komponenten
US7984751B2 (en) Double-acting device for generating synthetic jets
WO2017097989A1 (de) Verfahren und vorrichtung zum betrieb kreisprozessbasierter systeme
DE60317179T2 (de) Beheiztes und gekühltes Lenkrad
EP2676076A1 (de) Raumklimagerät mit einem flüssigkeit-luft wärmeaustauschgerät mit peltierelementen
DE102008049556A1 (de) Mikrolithographische Projektionsbelichtungsanlage
WO2016008732A1 (de) Klimatisierungseinrichtung mit zumindest einem wärmerohr, insbesondere thermosiphon
DE102016014943A1 (de) Druckkopf mit Temperiereinrichtung
DE102015010051B4 (de) Kühleinrichtung zum Kühlen wenigstens eines Bauteils
DE102019102058A1 (de) Fahrzeugsitz mit einer Temperiereinrichtung
DE112016006759T5 (de) Aktor-System mit verstellbarer Steifigkeit
EP4134990A1 (de) Magnetspule mit kühlstruktur und magnetventil mit derartiger magnetspule
DE102012012448A1 (de) Luftströmungserzeugungsvorrichtung, Verwendung einer solchen und Kraftfahrzeug
DE102021209740A1 (de) Wärmepumpe umfassend ein elastokalorisches Element und Kraftfahrzeug mit einer Wärmepumpe
DE102005009775B4 (de) Dampfmaschine
DE102008058370A1 (de) Einrichtung zum Heizen und Kühlen eines Stromrichters
DE29821758U1 (de) Kühlvorrichtung für Computerfunktionseinheiten
DE102007017624B4 (de) Thermoelektrische Temperiervorrichtung
WO2017215691A1 (de) Vorrichtung zum temperieren eines objekts
DE102019002318B4 (de) Energieautarkes Pumpensystem mit einem Antriebsmittel aus einer Formgedächtnislegierung und Verfahren zum Betreiben des Pumpensystems
WO2011138026A1 (de) Betätigungseinheit mit einem aktor
DE202007017197U1 (de) Isolierbehälter mit Wärmetauscher
EP2570881B1 (de) Temperaturregelvorrichtung, insbesondere Thermostatvorrichtung
EP2063696B1 (de) Verfahren zum Kühlen thermisch hochbelasteter Bauelemente und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens
DE60215456T2 (de) Vorrichtung und Verfahren zum Absorbieren und Abstrahlen von Wärme in einem kleinen Raum

Legal Events

Date Code Title Description
R012 Request for examination validly filed
R016 Response to examination communication
R016 Response to examination communication
R018 Grant decision by examination section/examining division
R020 Patent grant now final