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Title:
DEVICE HAVING AN ELECTRONIC COMPONENT AND A REFRIGERATION MACHINE FOR COOLING THE ELECTRONIC COMPONENT, AND METHOD FOR COOLING AN ELECTRONIC COMPONENT
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2014/180749
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a device (10) having at least one electronic component (14) and having at least one refrigeration machine (12) for cooling the electronic component (14), wherein the refrigeration machine (12) has a refrigerant circuit (16) through which a working medium of the refrigeration machine (12) can flow and which comprises at least one compressor (20) for compressing the working medium, at least one condenser (22) for condensing the working medium, at least one expansion apparatus (24) for expanding the working medium and at least one evaporator (28) for evaporating the working medium, wherein the electronic component (14) is arranged in the refrigerant circuit (16) of the refrigeration machine (12). The invention further relates to a method for cooling at least one electronic component (14).

Inventors:
DANOV VLADIMIR (DE)
GROMOLL BERND (DE)
REISSNER FLORIAN (DE)
SCHÄFER JOCHEN (DE)
Application Number:
PCT/EP2014/059004
Publication Date:
November 13, 2014
Filing Date:
May 02, 2014
Export Citation:
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Assignee:
SIEMENS AG (DE)
International Classes:
F25B31/00; H05K7/20
Domestic Patent References:
WO2009045496A12009-04-09
Foreign References:
US4020647A1977-05-03
US20020163782A12002-11-07
US20060117765A12006-06-08
US20120087088A12012-04-12
US7308801B12007-12-18
US20040118142A12004-06-24
DE19908043A12000-09-07
US6996996B12006-02-14
EP2555606A12013-02-06
Other References:
"Product Information Sheet: 3M Novec 649 Engineered fluid", 1 September 2009 (2009-09-01), pages 4 pp., XP055128027, Retrieved from the Internet [retrieved on 20140710]
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Claims:
Patentansprüche

1. Vorrichtung (10) mit wenigstens einer elektronischen Komponente (14) und mit wenigstens einer Kältemaschine (12) zum Kühlen der elektronischen Komponente (14), wobei die Kältemaschine (12) einen von einem Arbeitsmedium der Kältemaschine (12) durchströmbaren Kühlkreislauf (16) aufweist, welcher we¬ nigstens ein Verdichter (20) zum Verdichten des Arbeitsmedi¬ ums, wenigstens einen Kondensator (22) zum Kondensieren des Arbeitsmediums, wenigstens eine Expansionseinrichtung (24) zum Expandieren des Arbeitsmediums und wenigstens einen Ver¬ dampfer (28) zum Verdampfen des Arbeitsmediums umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass

die elektronische Komponente (14) in dem Kühlkreislauf (16) der Kältemaschine (12) angeordnet ist.

2. Vorrichtung (10) nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, dass

die elektronische Komponente (14) in den Verdampfer (28) in- tegriert ist.

3. Vorrichtung (10) nach Anspruch 2,

dadurch gekennzeichnet, dass

die elektronische Komponente (14) zumindest teilweise von dem mittels des Verdampfers (28) verdampften Arbeitsmedium umströmbar ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2,

dadurch gekennzeichnet, dass

die elektronische Komponente (14) in einer flüssigen Phase (34) des Arbeitsmediums aufgenommen ist, wobei die flüssige Phase (34) zumindest teilweise von einer mittels des Verdamp¬ fers (28) bewirkten gasförmigen Phase (32) des Arbeitsmediums umströmbar ist.

5. Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass

der Verdampfer (28) als Fallfilmverdampfer ausgebildet ist.

6. Vorrichtung (10) nach Anspruch 5,

dadurch gekennzeichnet, dass

die Expansionseinrichtung (24) wenigstens ein Ausströmelement (40) des Fallfilmverdampfers umfasst, wobei das

Ausströmelement (40) wenigstens eine Ausströmöffnung für das Arbeitsmedium aufweist, mittels welcher das Arbeitsmedium zu expandieren ist. 7. Vorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass

das Arbeitsmedium elektrisch nicht-leitend ist.

8. Vorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass

das Arbeitsmedium eine Kondensationstemperatur von wenigstens siebzig Grad Celsius aufweist.

9. Vorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass

das Arbeitsmedium einen spezifischen elektrischen Widerstand von mindestens 1011 Ohmzentimeter aufweist.

10. Vorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass

das Arbeitsmedium ein Fluorketon oder eine Mischung aus wenigstens zwei Fluorketonen ist.

11. Verfahren zum Kühlen wenigstens einer elektronischen Kom- ponente (14) mittels einer einen Kühlkreislauf (16) aufwei¬ senden Kältemaschine (12), bei welchem ein den Kühlkreislauf (16) durchströmendes Arbeitsmedium mittels wenigstens eines in dem Kühlkreislauf (16) angeordneten Verdichters (20) der Kältemaschine (12) verdichtet, mittels wenigstens eines in dem Kühlkreislauf (16) angeordneten Kondensators (22) der

Kältemaschine (12) kondensiert, mittels wenigstens einer in dem Kühlkreislauf (16) angeordneten Expansionseinrichtung (24) der Kältemaschine (12) expandiert und mittels wenigstens eines in dem Kühlkreislauf (16) angeordneten Verdampfers (28) der Kältemaschine (12) verdampft wird,

dadurch gekennzeichnet, dass

die in dem Kühlkreislauf (16) angeordnete, elektronische Kom- ponente (14) mittels des die elektronische Komponente (14) zumindest teilweise berührenden Arbeitsmediums gekühlt wird.

Description:
Beschreibung

Vorrichtung mit einer elektronischen Komponente und einer Kältemaschine zum Kühlen der elektronischen Komponente sowie Verfahren zum Kühlen einer elektronischen Komponente

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung mit wenigstens einer elektronischen Komponente und wenigstens einer Kältemaschine zum Kühlen der elektronischen Komponente gemäß dem Oberbe- griff von Patentanspruch 1 sowie ein Verfahren zum Kühlen einer elektronischen Komponente gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 11.

Elektronische Komponenten oder Bauteile wie beispielsweise Kondensatoren, Halbleiter oder dergleichen weisen in der Regel eine obere Temperatureinsatzgrenze auf, die beim Betrieb der elektronischen Komponente beziehungsweise Bauteile einge ¬ halten werden muss, um einen effektiven und effizienten Betrieb der elektronischen Komponenten zu realisieren sowie diese vor thermischer Beschädigung zu schützen. Liegt die Umgebungstemperatur nur leicht unterhalb, beispielsweise 10 Kelvin oder weniger unterhalb der Temperatureinsatzgrenze oder liegt die Umgebungstemperatur über der Temperatureinsatzgrenze, so ist es aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt, aktive Kühlprozesse wie beispielsweise eine Luftküh ¬ lung, Wasserkühlung oder Kompressionskühlung einzusetzen, um die elektronischen Komponenten zu kühlen.

Dabei wird Wärme von der eine Wärmequelle darstellenden elektronischen Komponente an eine Wärmesenke abgeführt. Für den Fall einer zumindest im Wesentlichen direkten Wärmeübertragung beispielsweise im Falle einer Luftkühlung oder einer Wasserkühlung mit Luftrückkühler ergibt sich abhängig von der Umgebungstemperatur eine theoretische minimale Temperatur der elektronischen Komponenten. Liegt diese theoretische minimale Temperatur höher als benötigt, so werden zum Kühlen der elektronischen Komponenten aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannte Kälteanlagen oder Wärmepumpen verwendet. Die Kälteanlagen werden üblicherweise auch als Kältemaschinen bezeichnet, wobei Energie, beispielsweise elektrische Energie, aufgewendet bzw. verbraucht wird, um Kälte zu erzeugen, mit welcher die elektronische Komponente dann gekühlt werden kann .

Demzufolge sind aus dem allgemeinen Stand der Technik Vorrichtungen hinlänglich bekannt, welche jeweils wenigstens ei ¬ ne elektronische Komponente und wenigstens eine Kältemaschine zum Kühlen der elektronischen Komponente umfassen. Die jeweilige Kältemaschine weist ein Arbeitsmedium und ein von dem Arbeitsmedium der Kältemaschine durchströmbaren Kühlkreislauf auf, in welchem wenigstens ein Verdichter zum Verdichten des Arbeitsmediums, wenigstens ein Kondensator zum Kondensieren des Arbeitsmediums, wenigstens eine Expansionseinrichtung zum Expandieren des Arbeitsmediums und wenigstens ein Verdampfer zum Verdampfen des Arbeitsmediums angeordnet sind. Im Rahmen eines Verfahrens zum Kühlen der wenigstens einen elektronischen Komponente wird somit das Arbeitsmedium mittels des Verdichters verdichtet, mittels des Kondensator kondensiert, mittels der Expansionseinrichtung expandiert und mittels des Verdampfers verdampft.

Die mittels der Kältemaschine erzeugbare Kälte hängt zwar auch von der Umgebungstemperatur ab, kann jedoch geringer als die Umgebungstemperatur sein. Ist die Umgebungstemperatur zu hoch, so können einige Kompressionskälteprozesse, die für die Kondensation des Arbeitsmediums mit gewissem Abstand vom kri ¬ tischen Punkt des Arbeitsmediums ablaufen müssen, nicht mehr funktionieren, da der kritische Punkt ansonsten überschritten werden würde. Als Arbeitsmedium wird üblicherweise R134a ver ¬ wendet, dessen kritischer Punkt bei 101 Grad Celsius liegt. Um eine hinreichende Kondensatorleistung zu erreichen, ist ein Abstand von dem kritischen Punkt und dem zugehörigen, kritischen Druck des Arbeitsmediums von etwa 30 Kelvin erforderlich. Dazu ist eine Kondensationstemperatur in einem Bereich von einschließlich 65 Grad Celsius bis einschließlich 70 Grad Celsius erforderlich. Bei hohen Umgebungstemperaturen beispielsweise im Bereich von einschließlich 40 Grad bis einschließlich 60 Grad Celsius bleibt dann nur eine nur geringe Temperaturdifferenz für einen Wärmeaustausch zwischen dem Arbeitsmedium und der Umgebungsluft übrig. Dies erfordert wie ¬ derum sehr große Wärmetauscherflächen und/oder sehr leistungsstarke Lüfter zur Realisierung eines hinreichenden Wärmeübergangskoeffizienten, was mit sehr hohen Investitionsund Betriebskosten einhergeht.

Herkömmlicherweise wird die zu kühlende, elektronische Kompo ¬ nente in einem vom Kühlkreislauf separaten Flüssigkeitskreis ¬ lauf angeordnet, welcher von einer von dem Arbeitsmedium unterschiedlichen Kühlflüssigkeit durchströmbar ist. Die den Flüssigkeitskreislauf durchströmende Kühlflüssigkeit kann Wärme von der elektronischen Komponente aufnehmen, welche dann an anderer Stelle, die örtlich von der zu kühlenden, elektronischen Komponente getrennt ist, über einen Wärmetau ¬ scher an die Umgebung abgegeben wird. Ferner ist es bekannt, die in Folge eines Wärmeübergangs von der elektronischen Kom ¬ ponente an die Kühlflüssigkeit erwärmte Kühlflüssigkeit mit ¬ tels des Arbeitsmediums am Verdampfer der Kältemaschine zu kühlen .

Dadurch wird das Arbeitsmedium in Folge eines Wärmeübergangs von der Kühlflüssigkeit an das Arbeitsmedium erwärmt, wobei diese Wärme über den Kondensator der Kältemaschine beispiels ¬ weise an die Umgebung der Kältemaschine abgeben kann, wobei auch hier die zuvor genannten Probleme und Nachteile beste ¬ hen. Üblicherweise wird als die Kühlflüssigkeit Wasser ver ¬ wendet, welches die Wärme von der elektronischen Komponente aufnehmen kann.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung sowie ein Verfahren der eingangs genannten Art derart weiterzuentwickeln, dass die elektronische Komponente besonders ef ¬ fizient und effektiv sowie bauraum- und kostengünstig gekühlt werden kann. Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie durch ein Verfahren mit den

Merkmalen des Patentanspruchs 11 gelöst. Vorteilhafte

Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nicht-trivialen

Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen angegeben .

Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft eine Vorrichtung mit wenigstens einer elektronischen Komponente und mit wenigstens einer Kältemaschine zum Kühlen der elektronischen Komponente. Die Kältemaschine umfasst dabei ein Arbeitsmedium sowie einen von dem Arbeitsmedium durchströmbaren Kühlkreislauf. Der Kühlkreislauf umfasst wenigstens einen Verdichter zum Ver ¬ dichten des Arbeitsmediums, wenigstens einen Kondensator zum Kondensieren des Arbeitsmediums, wenigstens eine Expansions ¬ einrichtung zum Expandieren des Arbeitsmediums und wenigstens einen Verdampfer zum Verdampfen des Arbeitsmediums.

Zur Realisierung einer besonders effektiven, effizienten sowie bauraum- und kostengünstigen Kühlung der elektronischen Komponente ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass die elektronische Komponente in dem Kühlkreislauf der Kälte ¬ maschine angeordnet ist. Hierdurch ist die elektronische Komponente zumindest teilweise in Kontakt mit dem Arbeits ¬ medium bringbar oder befindet sich zumindest teilweise in Kontakt mit dem Arbeitsmedium, da das Arbeitsmedium die elektronische Komponente zumindest beim Betrieb der Kälte ¬ maschine zumindest teilweise umströmt beziehungsweise

umströmen kann und/oder da das Arbeitsmedium die

elektronische Komponente zumindest teilweise und zumindest beim Betrieb der Kältemaschine berührt. Mit anderen Worten kommt es zumindest beim Betrieb der Kältemaschine zu einem Kontakt des Arbeitsmediums mit zumindest einem Teil der zu kühlenden, elektronischen Komponente, so dass zum Kühlen der elektronischen Komponente ein Wärmeübergang von dieser an das Arbeitsmedium der Kältemaschine stattfinden kann. Dadurch kann das Arbeitsmedium der Kältemaschine Wärme von der elektronischen Komponente aufnehmen und von dieser abführen, wobei das Arbeitsmedium die Wärme über den Kondensator beispielsweise an die Umgebung der Kältemaschine abgeben kann .

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglicht somit die

Realisierung eines Kühlverfahrens, bei welchem die

elektronische Komponente innerhalb nur eines Kreises in Form des Kühlkreislaufs mittels lediglich eines Fluids in Form des Arbeitsmediums gekühlt wird. Im Gegensatz zu herkömmlichen Vorrichtungen sind somit nicht zwei voneinander getrennte Kreisläufe mit zwei voneinander getrennten Fluiden vorgesehen, zwischen welchen ein Wärmeübergang stattfinden kann. Im Gegensatz dazu ist das Arbeitsmedium bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung sowohl das Arbeitsmedium der Kältemaschine als auch das Wärmeträgermedium, auf welches Wärme von der elektronischen Komponente übergehen kann. Ein

weiterer Wärmeübergang von dem Wärmeträgermedium an das

Arbeitsmedium ist nicht vorgesehen. Das Arbeitsmedium kann dann die aufgenommene Wärme der elektronischen Komponente über den Kondensator beispielsweise direkt an die Umgebung der Kältemaschine ohne Zwischenwärmeübertrager abgeben.

Die elektronische Komponente ist dabei ein von der Kälte ¬ maschine unterschiedliches beziehungsweise von dieser

unabhängiges und zusätzlich zur Kältemaschine vorgesehenes, elektronisches Bauteil. Dies bedeutet, dass die elektronische Komponente nicht zum eigentlichen Betrieb und zur Realisie ¬ rung einer vollständigen, einwandfreien Funktionsfähigkeit der Kältemaschine erforderlich ist und beiträgt.

Die Kältemaschine dient jedoch insbesondere dazu, den voll ¬ ständig funktionsfähigen Betrieb der elektronischen Komponente über eine relativ lange Zeitdauer zu realisieren, da die elektronische Komponente mittels der Kältemaschine ge ¬ kühlt und vor einer übermäßigen, thermischen Belastung geschützt wird. Die Kältemaschine könnte jedoch auch ohne die elektronische Komponente betrieben werden. In besonders vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist die elektronische Komponente in den Verdampfer integriert. Mit anderen Worten ist die elektronische Komponente zumindest teilweise und vorzugsweise zumindest überwiegend oder voll- ständig in dem Verdampfer aufgenommen. Einerseits kann hierdurch eine besonders effektive und effiziente Kühlung der elektronischen Komponente realisiert werden. Andererseits kann der Bauraumbedarf der Vorrichtung insgesamt gering gehalten werden.

In besonders vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist die elektronische Komponente zumindest teilweise von dem mittels des Verdampfers verdampften Arbeitsmedium umströmbar. Mit anderen Worten kann das Arbeitsmedium nach dessen durch den Verdampfer bewirkten Verdampfung zumindest einen Teil der elektronischen Komponente umströmen und dadurch kontaktieren beziehungsweise berühren. Hierdurch ist ein besonders guter und direkter Wärmeübergang von der elektronischen Komponente an das verdampfte Arbeitsmedium darstellbar.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass die elektronische Komponente in einer flüssigen Phase des Arbeitsmediums aufgenommen ist, wobei die flüssige Phase zumindest teilweise von einer mittels des Verdampfers bewirkten gasförmigen Phase des

Arbeitsmediums umströmbar ist. Hierbei ist es somit vorge ¬ sehen, dass die elektronische Komponente vollständig in die flüssige Phase eingetaucht ist, so dass die gasförmige Phase die elektronische Komponente nicht direkt berühren be- ziehungsweise kontaktieren kann. Hierdurch ist eine besonders effektive Kühlung der elektronischen Komponente derart realisierbar, dass ein Wärmeübergang von der elektronischen Komponente an die die elektronische Komponente berührende, flüssige Phase des Arbeitsmediums stattfinden kann. Es findet ein Phasenübergang der flüssigen Phase in die gasförmige Phase statt, wobei die die elektronische Komponente be ¬ rührende, flüssige Phase verdampft. Das verdampfte Arbeits- medium steigt beispielsweise als Gasblase auf. Bei diesem Phasenübergang nimmt das Arbeitsmedium Wärme auf.

Als besonders vorteilhaft hat es sich gezeigt, wenn der

Verdampfer als Fallfilmverdampfer ausgebildet ist. Hierdurch kann ein Wärmeübergang von der elektronischen Komponente an das Arbeitsmedium durch eine durch den Fallfilmverdampfer bewirkte Fallfilmverdampfung realisiert werden, so dass besonders gute Wärmeübergänge auch bei geringen Temperatur- differenzen dargestellt werden können. Darüber hinaus kann dadurch die Füllmenge des Arbeitsmediums besonders gering gehalten werden.

Für eine im Rahmen der Fallfilmverdampfung durchzuführenden Berieselung der elektronischen Komponente mit dem Arbeitsmedium kann der Fallfilmverdampfer eine Verteilungseinrichtung umfassen, mittels welcher die elektronische Kompo ¬ nente, insbesondere Flächen dieser zumindest im Wesentlichen gleichmäßig mit dem Arbeitsmedium in ausreichender Form benetzt werden können. Die Fallfilmverdampfung eignet sich besonders gut zur effizienten Kühlung für elektronische

Bauteile, die in sogenannten „Stacks" aufgebaut sind. Bei derartigen elektronischen Bauteilen kann es sich beispielsweise um Stacks von Batterien, sogenannte Batteriestacks oder Batteriezellenstacks, oder um Stacks von Supercaps handeln.

Eine weitere Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass die Expansionseinrichtung wenigstens ein Ausströmelement des Fallfilmverdampfers umfasst, wobei das Ausströmelement we- nigstens eine Ausströmöffnung für das Arbeitsmedium aufweist, und wobei mittels der Ausströmöffnung das Arbeitsmedium expandierbar beziehungsweise zu expandieren ist. Mit anderen Worten kann der Fallfilmverdampfer, insbesondere dessen

Verteilungseinrichtung, so ausgelegt sein, dass ein für die Expansion des Arbeitsmediums erforderlicher Druckverlust, welcher eigentlich beispielsweise durch ein Expansionsventil erzeugt wird, durch das Ausströmelement und dessen Aus ¬ strömöffnung beispielsweise in Form einer Spraydüse bereit- gestellt wird. Dadurch kann das separate Expansionsventil entfallen und eingespart werden, so dass die Vorrichtung besonders kostengünstig ist und einen besonders geringen Bauraumbedarf aufweist.

Bei einer weiteren besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist das Arbeitsmedium elektrisch nicht-leitend. Dadurch kann das Arbeitsmedium die elektronische Komponente auch dann direkt berühren beziehungsweise kontaktieren, wenn die elektronische Komponente von elektrischem Strom durch ¬ flössen wird. Da das Arbeitsmedium hierbei elektrisch nichtleitend ist, können Kurzschlüsse vermieden werden. Gleichzeitig ist ein besonders effektiver und effizienter Wärme ¬ übergang von der elektronischen Komponente an das Arbeits- medium darstellbar.

Vorteilhafterweise weist das Arbeitsmedium eine Konden ¬ sationstemperatur von wenigstens 70 Grad Celsius auf. Mit anderen Worten ermöglicht das Arbeitsmedium die Realisierung von Kondensationstemperaturen von wenigstens 70 Grad Celsius. Das Arbeitsmedium weist somit eine sehr hohe kritische

Temperatur von beispielsweise wenigstens 120 Grad Celsius auf, so dass die elektronische Komponente auch bei hohen Umgebungstemperaturen sehr gut gekühlt werden kann.

In besonders vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung weist das Arbeitsmedium einen spezifischen elektrischen Widerstand von mindestens 10 11 Ohmzentimeter, insbesondere 10 12

Ohmzentimeter, auf. Dadurch kann das Arbeitsmedium die elektronische Komponente auch direkt berühren und dadurch besonders effektiv kühlen, ohne dass es zu einem elektrischen Kurzschluss kommt.

Als besonders vorteilhaft hat es sich gezeigt, wenn das

Arbeitsmedium ein Fluorketon oder eine Mischung aus

wenigstens zwei Fluorketonen ist. Als das Arbeitsmedium kann beispielsweise Novec649™ oder Novec524™ verwendet werden. Diese Arbeitsmedien weisen besonders vorteilhafte Eigenschaften auf. Insbesondere weisen sie hohe kritische Temperaturen von 168 Grad Celsius beziehungsweise 148 Grad Celsius sowie einen sehr hohen spezifischen elektrischen Widerstand auf, so dass sie die elektronische Komponente direkt berühren und dadurch effektiv kühlen können.

Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Kühlen wenigstens einer elektronischen Komponente mittels einer einen Kühlkreislauf aufweisenden Kältemaschine. Bei dem Verfahren wird ein den Kühlkreislauf durchströmendes

Arbeitsmedium der Kältemaschine mittels wenigstens eines in dem Kühlkreislauf angeordneten Verdichters der Kältemaschine verdichtet, mittels wenigstens eines in dem Kühlkreislauf angeordneten Kondensators der Kältemaschine kondensiert, mittels wenigstens einer in dem Kühlkreislauf angeordneten Expansionseinrichtung der Kältemaschine expandiert und mittels wenigstens eines in dem Kühlkreislauf angeordneten Verdampfers der Kältemaschine verdampft.

Zur Realisierung einer effektiven, effizienten sowie bauraum- und kostengünstigen Kühlung der elektronischen Komponente ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass die in dem Kühlkreislauf angeordnete, elektronische Komponente mittels des die

elektronische Komponente zumindest teilweise und zumindest während des Betriebs der Kältemaschine umströmenden

beziehungsweise berührenden Arbeitsmediums gekühlt wird.

Vorteilhafte Ausgestaltungen des ersten Aspekts der Erfindung sind als vorteilhafte Ausgestaltungen des zweiten Aspekts der Erfindung anzusehen und umgekehrt.

Im Gegensatz zu herkömmlichen Vorrichtungen zum Kühlen von elektronischen Komponenten ist bei dem erfindungsgemäßen Verfahren lediglich der eine Kühlkreislauf mit dem einen Arbeitsmedium vorgesehen. Zwei voneinander separate

Kreisläufe mit separaten Fluiden sind nicht vorgesehen.

Hierdurch kann ein direkter Wärmeübergang von der

elektronischen Komponente an das Arbeitsmedium erfolgen.

Darüber hinaus kann das Arbeitsmedium in Folge dieses

Wärmeübergangs aufgenommene Wärme beispielsweise an die Umgebung der Kältemaschine abgeben, ohne dass ein Zwischenwärmeübertrager zur Wärmeübertragung zwischen wenigstens zwei voneinander separaten beziehungsweise getrennten Fluiden erforderlich wäre.

Die Kältemaschine arbeitet dabei nach dem Prinzip eines ther- modynamischen Kreisprozesses beziehungsweise macht sich einen thermodynamischen Kreisprozess wie beispielsweise einen linkslaufenden Rankine Cycle zunutze, um die elektronische Komponente mittels des Arbeitsmediums effektiv und effizient zu kühlen.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung

verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.

Die Zeichnung zeigt in:

FIG 1 eine schematische Ansicht einer Vorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform, mit einer elektronischen Komponente und einer Kältemaschine zum Kühlen der elektronischen Komponente, wobei die Kältemaschine nach dem Prinzip eines thermo ¬ dynamischen Kreisprozesses arbeitet und dazu ein Arbeitsmedium nutzt, welches die zu kühlende, elektronische Komponente zumindest teilweise berührt ;

FIG 2 eine schematische Ansicht der Vorrichtung gemäß

einer zweiten Ausführungsform; und FIG 3 eine schematische Ansicht der Vorrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform.

In den Figuren sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen.

FIG 1 zeigt eine im Ganzen mit 10 bezeichnete Vorrichtung mit einer Kältemaschine 12 und mit einer elektronischen Komponente 14. Bei der elektronischen Komponente 14 handelt es sich um ein elektronisches Bauteil, beispielsweise in Form eines Kondensators, eines Halbleiters oder dergleichen. Die Kälte ¬ maschine 12 dient dabei zum Kühlen der elektronischen Komponente 14, so dass die elektronische Komponente 14 vor übermä ¬ ßiger thermischer Belastung und vor thermischen Schäden ge- schützt sowie in einem Temperaturbereich betrieben werden kann, in welchem die elektronische Komponente 14 einen effi ¬ zienten Betrieb aufweist. Dadurch ist es möglich, die elekt ¬ ronische Komponente 14 auch bei hohen Umgebungstemperaturen effizient und insbesondere in einem Dauerbetrieb betreiben zu können.

Die Kältemaschine 12 arbeitet nach dem Prinzip eines thermo- dynamischen Kreisprozesses beziehungsweise macht sich das Prinzip eines thermodynamischen Kreisprozesses zunutze und umfasst hierzu ein Arbeitsmedium zum Beispiel in Form eines Fluorketons oder einer Mischung aus wenigstens zwei unter ¬ schiedlichen Fluorketonen sowie einen Kühlkreislauf 16, welcher zum Kühlen der elektronischen Komponente 14 von dem Arbeitsmedium in eine Strömungsrichtung durchströmt wird. Diese Strömungsrichtung ist in FIG 1 durch einen Richtungspfeil 18 veranschaulicht .

Der Kühlkreislauf 16 umfasst einen Verdichter 20 zum Verdichten des Arbeitsmediums, wobei der Verdichter 20 üblicherweise auch als Kompressor bezeichnet wird. Darüber hinaus umfasst der Kühlkreislauf 16 einen Kondensator 22 zum Kondensieren des Arbeitsmediums, eine Expansionseinrichtung 24 mit wenigs ¬ tens einem Expansionsventil 26 zum Expandieren des Arbeitsme ¬ diums sowie einen im Ganzen mit 28 bezeichneten Verdampfer zum Verdampfen des Arbeitsmediums. Mit anderen Worten sind der Verdichter 20, der Kondensator 22, die Expansionseinrichtung 24 und der Verdampfer 28 im Kühlkreislauf 16 angeordnet, wobei der Kondensator 22 bezogen auf die Strömungsrichtung des Arbeitsmediums durch den Kühlkreislauf 16 stromab des

Verdichters 20 und stromauf der Expansionseinrichtung 24 angeordnet ist. Die Expansionseinrichtung 24 ist stromab des Kondensators 22 und stromauf des Verdampfers 28 angeordnet, wobei der Verdampfer 28 stromab der Expansionseinrichtung 24 und stromauf des Verdichters 20 angeordnet ist.

Zur Realisierung einer besonders effektiven und effizienten sowie bauraum- kostengünstigen Kühlung der elektronischen Komponente 14 ist diese ebenfalls in dem Kühlkreislauf 16 an- geordnet, so dass das Arbeitsmedium die elektronische Kompo ¬ nente 14 zumindest beim Betrieb der Kältemaschine 12 kontak ¬ tiert. Wie im Folgenden noch erläutert wird, kann die elekt ¬ ronische Komponente 14 hierbei zumindest teilweise von dem Arbeitsmedium umströmt und/oder zumindest teilweise von dem Arbeitsmedium umgeben sein.

Wie aus FIG 1 besonders gut zu erkennen ist, ist die elektro ¬ nische Komponente 14 in den Verdampfer 28 integriert. Mit an ¬ deren Worten ist die elektronische Komponente 14 in dem Ver- dampfer 28 aufgenommen. Hierzu umfasst der Verdampfer 28 wenigstens ein Gehäuse 30, von welchem die elektronische Kompo ¬ nente 14 allumfangsseitig umgeben ist. Hierdurch kann das in das Gehäuse 30 einströmende beziehungsweise im Gehäuse 30 aufgenommene Arbeitsmedium die elektronische Komponente 14 direkt berühren. Wie im Folgenden noch erläutert wird, kann alternativ vorgesehen sein, dass dadurch eine gasförmige Phase des Arbeitsmediums eine flüssige Phase des Arbeitsmediums umströmen beziehungsweise anströmen kann, wodurch die in die flüssige Phase eingetauchte, elektronische Komponente 14 ef- fektiv und effizient gekühlt wird.

Die Kühlung der elektronischen Komponente 14 erfolgt insbe ¬ sondere infolge eines Wärmeübergangs von der elektronischen Komponente 14 an das den Verdampfer 28 durchströmende Ar ¬ beitsmedium, so dass das Arbeitsmedium Wärme von der elektro nischen Komponente 14 aufnimmt und von der elektronischen Komponente abtransportiert. Das Arbeitsmedium kann die aufge nommene Wärme am Kondensator 22 an die schematisch veranschaulichte Umgebung 31 der Kältemaschine 12 abgeben.

In FIG 1 ist mit Q out eine Wärmemenge bezeichnet, die das Ar ¬ beitsmedium am Kondensator 22 an die Umgebung 31 abgibt. Ein Zwischenwärmeübertrager zum Darstellen eines Wärmeübergangs zwischen zwei voneinander getrennten Fluiden zweier voneinan der getrennter Kreisläufe kann entfallen, so dass die Vorrichtung 10 kostengünstig ist und einen nur geringen Bauraum ¬ bedarf aufweist. Durch den Wegfall eines solchen Zwischenwärmeübertragers kann die elektronische Komponente 14 auf Verdampfungstemperatur des Arbeitsmediums gekühlt werden. In herkömmlichen Vorrichtungen ist ein zusätzlich zum Arbeitsme dium und von diesem getrenntes Kühlmittel vorgesehen, dessen Temperatur wesentlich höher als die Verdampfungstemperatur des Arbeitsmediums ist, da eine Fläche des Zwischenwärme ¬ übertragers, über welchen ein Wärmeübergang zwischen dem Arbeitsmedium und dem Kühlmittel stattfinden kann, endlich ist

Das Arbeitsmedium weist vorzugsweise eine Kondensationstempe ratur von mindestens 70 Grad Celsius auf. Aufgrund dieser ho hen Kondensationstemperatur, welche vorzugsweise weit über der Umgebungstemperatur liegt, kann zum Kühlen des Arbeitsme diums am Kondensator 22 ein Rückkühler mit nur sehr geringen Abmessungen und mit einem Lüfter mit einem nur sehr geringen Leistungsbedarf verwendet werden.

Wie aus FIG 1 erkennbar ist, beträgt die Umgebungstemperatur 50 Grad Celsius, was sehr hoch ist. Die Temperatur des Ar ¬ beitsmediums stromab des Verdichters 20 und stromauf des Kon densators 22 beträgt 85 Grad Celsius, so dass eine Tempera ¬ turdifferenz ΔΤ zwischen der Umgebungstemperatur und der Tem ¬ peratur des Arbeitsmediums nach dessen Verdichtung und vor dessen Kondensation von 35 Kelvin vorliegt. Wie aus FIG 1 ferner zu erkennen ist, beträgt die Verdampfungstemperatur des Arbeitsmediums, das heißt die Temperatur, die das Ar ¬ beitsmedium stromab des Verdampfers 28 und stromauf des Ver ¬ dichters 20 aufweist, 35 Grad Celsius. Die zuvor und im Fol- genden genannten Temperaturen und Temperaturdifferenzen dienen lediglich zur Veranschaulichung und Orientierung. Es sind auch ohne weiteres andere Temperaturen und Temperaturdiffe ¬ renzen denkbar. Die Vorrichtung 10 weist eine nur sehr geringe Komplexität auf, da keine Vorrichtung für einen indirekten Kontakt der elektronischen Komponente 14 mit einem zusätzlich zu dem Arbeitsmedium vorgesehenen Wärmeträgermedium verwendet werden muss. Darüber hinaus können sehr große Wärmeübertragungsflä- chen verwendet werden, über die die Wärme von der elektronischen Komponente 14 an das Arbeitsmedium übergehen kann. Dadurch kann eine sehr gleichmäßige Wärmeabfuhr realisiert werden. Die elektronische Komponente 14 kann hierbei die Wärme vorzugsweise über einen zumindest überwiegenden Teil einer außenumfangsseitigen Fläche der elektronischen Komponente 14 an das Arbeitsmedium abgeben, wobei Wärmeübertragungsverluste an Zwischenwänden vermieden oder zumindest gering gehalten werden können. Dabei ist es beispielsweise möglich, die elektronische Komponente 14 in das Arbeitsmedium einzutau- chen.

Das Arbeitsmedium ist vorzugsweise elektrisch nicht-leitend beziehungsweise weist einen sehr hohen spezifischen elektrischen Widerstand von beispielsweise 10 12 Ohmzentimeter [Qcm] auf, so dass das die elektronische Komponente 14 umgebende Arbeitsmedium eine elektrisch isolierende Schutzatmosphäre bereitstellt. Hierdurch lassen sich trotz des direkten Kontakts der elektronischen Komponente 14 mit dem Arbeitsmedium elektrische Kurzschlüsse vermeiden.

Außerdem kann die elektronische Komponente 14 über ihre geo ¬ metrischen Höhe und Längen auf zumindest im Wesentlichen konstanter Temperatur gehalten werden, da das Arbeitsmedium bei zumindest im Wesentlichen konstanter Temperatur um die gesamte oder um zumindest einen überwiegenden Teil der elektronischen Komponente 14 herum verdampft. Ein Temperaturanstieg über eine Fließlänge des Arbeitsmediums kann dadurch vermie ¬ den werden.

FIG 2 zeigt die Vorrichtung 10 gemäß einer zweiten Ausführungsform. Aus FIG 2 ist eine Möglichkeit erkennbar, den Kontakt und den Wärmeübergang der elektronischen Komponente 14 zum Arbeitsmedium zu realisieren. Der Verdampfer 28 ist hierbei als sogenannter überfluteter Verdampfer ausgebildet, in dessen Gehäuse 30 das Arbeitsmedium zumindest beim Betrieb der Kältemaschine 12 in einer gasförmigen Phase 32 und in einer flüssigen Phase 34 vorliegt. Die elektronische Komponente 14 ist dabei vollständig in die flüssige Phase 34 einge ¬ taucht, so dass die elektronische Komponente 14 Wärme über alle ihre äußeren Flächen abgeben kann. Insbesondere kann ein Wärmeübergang über einen zumindest überwiegenden Teil einer außenumfangsseitigen Fläche 36 der elektronischen Komponente 14 an die flüssige Phase 34 übergehen. Ferner ist ein sehr guter Wärmeübergang durch Blasensieden von der flüssigen Phase 34 an die gasförmige Phase 32 möglich.

FIG 3 zeigt die Vorrichtung 10 gemäß einer dritten Ausführungsform. Der Verdampfer 28 ist hierbei als Fallfilmverdampfer ausgebildet, mittels welchem eine Fallfilmverdampfung des Arbeitsmediums durchgeführt wird. Hierdurch ergeben sich sehr gute Wärmeübergänge auch bei geringen Temperaturdifferenzen. Darüber hinaus kann die Füllmenge des Arbeitsmediums beson ¬ ders gering gehalten werden.

Um im Rahmen der Fallfilmverdampfung eine Berieselung der elektronischen Komponente 14 mit dem Arbeitsmedium zu realisieren, umfasst der Fallfilmverdampfer eine Verteilungseinrichtung 38 mit einer Mehrzahl von Ausströmelementen 40 in Form von Spraydüsen, welche jeweils eine Mehrzahl von

Ausströmöffnungen für das Arbeitsmedium aufweisen. Die Spray- düsen müssen dabei nicht notwendigerweise im technischen Sinne einer Düse ausgebildet sein.

Mittels der Verteilereinrichtung 38 mit den Ausströmelementen 40 wird vorzugsweise ein zur Expansion des Arbeitsmediums er ¬ forderlicher Druckverlust bewirkt, welcher eigentlich und beispielsweise bei der ersten und der zweiten Ausführungsform durch das Expansionsventil 26 erzeugt wird. Hierdurch kann das in FIG 3 noch dargestellte Expansionsventil 26 entfallen und eingespart werden. Dies bedeutet, dass die Expansionsein ¬ richtung 24 zusätzlich zu dem Expansionsventil 26 oder alternativ zu diesem die Verteilungseinrichtung 38 des Verdampfers 28 umfasst, da das Arbeitsmedium mittels der Ausströmelemente 40 expandiert wird.

Die Vorrichtung 10 umfasst bei der dritten Ausführungsform eine Mehrzahl von elektronischen Komponenten 14, welche stackartig beziehungsweise stapelartig angeordnet sind. Bei den elektronischen Komponenten 14 kann es sich beispielsweise um Batteriestacks beziehungsweise Batteriezellenstacks einer Batterie oder eines Supercaps zum Speichern von elektrischer Energie handeln. Durch die Fallfilmverdampfung kann aufgrund sehr großer vertikaler Flächen der Stacks ein besonders effizienter Wärmeübergang von den Stacks (Komponenten 14) an das Arbeitsmedium realisiert werden.

Über die Ausströmöffnungen kann das Arbeitsmedium aus der Verteilungseinrichtung 38 ausströmen und dadurch expandiert werden und in der Folge die elektronische Komponenten 14 be ¬ rühren beziehungsweise zumindest teilweise umströmen. Darauf- hin strömt das Arbeitsmedium zu dem Verdichter 20, mittels welchem das Arbeitsmedium wieder verdichtet wird.