Kühlung von seriell in einem Kühlmittelstrom angeordneten Wärmequellen

Die Erfindung betrifft eine Kühlanordnung aufweisend eine erste Wärmequelle und eine zweite Wärmequelle, sowie einen Kühlkörper zum Übertragen von Wärme an ein an einer ersten Oberfläche und an einer zweiten Oberfläche des Kühlkörpers vorbeistreifendes Kühlmedium, wobei die erste Wärmequelle und die zweite Wärmequelle derart am Kühlkörper angeordnet sind, dass von der zweiten Wärmequelle Wärme an das von der ersten Wärmequelle vorerwärmte Kühlmedium übertragbar ist.

Durch konstruktive Zwänge werden Wärmequellen (z.B. elektro nische Bauelemente) oftmals seriell im Kühlmittelstrom ange ordnet. Das Kühlmedium wird dabei bereits von der ersten Wär mequelle erwärmt. Somit erreicht das Kühlmedium die nachfol gende Wärmequelle bereits mit einer höheren Temperatur. Die nachfolgende Wärmequelle wird weniger gut gekühlt und hat da mit eine höhere Temperatur. Dies kann sich negativ auf die Lebensdauer der nachfolgenden Wärmequelle auswirken.

Um diese unerwünschte Vorerwärmung und die damit verbundene reduzierte Lebensdauer zu vermeiden werden oftmals alle Wär mequellen einzeln gekühlt. Dabei sind die Wärmequellen paral lel in einem Kühlmittelstrom angeordnet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde eine Kühlanordnung mit mehreren Wärmequellen zu verbessern.

Diese Aufgabe wird durch eine Kühlanordnung aufweisend eine erste Wärmequelle und eine zweite Wärmequelle, sowie einen Kühlkörper zum Übertragen von Wärme an ein an einer ersten Oberfläche und an einer zweiten Oberfläche des Kühlkörpers vorbeistreifendes Kühlmedium gelöst, wobei die erste Wärme quelle und die zweite Wärmequelle derart am Kühlkörper ange ordnet sind, dass von der zweiten Wärmequelle Wärme an das von der ersten Wärmequelle vorerwärmte Kühlmedium übertragbar ist, wobei die erste Oberfläche kleiner ist als die zweite Oberfläche, wobei die erste Oberfläche einer für den Wärme übergang zwischen erster Wärmequelle und Kühlmedium relevan ten Fläche entspricht, wobei die zweite Oberfläche einer für den Wärmeübergang zwischen zweiter Wärmequelle und Kühlmedium relevanten weiteren Fläche entspricht, wobei die Größe der Pins und/oder der Kühlrippen oder zumindest eines Teils der Pins und/oder der Kühlrippen im Bereich der ersten Oberfläche kleiner ist als im Bereich der zweiten Oberfläche, wobei die Pins und/oder die Kühlrippen im Bereich der ersten Oberfläche einen größeren Querschnitt aufweisen als die Pins und/oder die Kühlrippen im Bereich der zweiten Oberfläche.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhän gigen Ansprüchen angegeben.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass sich die Kühlung, auch als Entwärmung bezeichnet, der zweiten Wärme quelle an ein von einer ersten Wärmequelle bereits vorerwärm tes Kühlmedium dadurch verbessern lässt, dass die zweite Oberfläche größer ist als die erste Oberfläche. Dabei sind die erste Oberfläche und die zweite Oberfläche jeweils Flä chen am Kühlkörper, an denen das Kühlmedium vorbeiströmt. Da bei strömt das Kühlmedium zuerst an der ersten Oberfläche vorbei und nimmt Wärme auf. Dadurch steigt die Temperatur des Kühlmediums bevor es die zweite Oberfläche erreicht.

Bei dem Kühlkörper kann es sich um einen Kühlkörper für ein gasförmiges Kühlmedium handeln. Dann kann der Kühlkörper an der ersten wie auch zweiten Oberfläche offen gegenüber der Umgebung ausgeführt sein. Ebenso kann der Kühlkörper auch zur Kühlung mit einem flüssigen Kühlmedium ausgebildet sein. Dann ist die erste und die zweite Oberfläche Teil eines Kühlka nals, der das Kühlmedium führt. Ebenso ist es möglich, einen solchen Kühlkanal auch für eine Kühlung mit gasförmigem Kühl medium vorzusehen. Die erste Oberfläche bildet dabei die für den Wärmeübergang von der ersten Wärmequelle an das Kühlmedium relevante Flä che. Dabei handelt es sich um die Fläche, die sich beim Be trieb der ersten Wärmequelle erwärmt. Die erste Oberfläche bildet dabei den Bereich, in dem ein Großteil der Wärme der ersten Wärmequelle an das Kühlmedium übertragen wird. Ent sprechendes gilt für die zweite Oberfläche und die zweite Wärmequelle .

Die erste und die zweite Oberfläche umfasst oftmals Pins oder Kühlrippen, um die für den Wärmeübergang wirksame Fläche der entsprechenden Oberfläche zu erhöhen.

Die relevante Fläche kann als Teil der für den Wärmeübergang wirksamen Fläche definiert werden. Um eine Vergleichbarkeit der ersten und der zweiten Oberfläche zu ermöglichen, ist es hinreichend, wenn die erste Oberfläche bzw. die zweite Ober fläche jeweils den gleichen Anteil der wirksamen Oberfläche darstellen. Beispielsweise kann die erste bzw. zweite Ober fläche dadurch charakterisiert sein, dass an ihr 2/3, 90%,

95% oder sogar noch mehr der Wärme der entsprechenden Wärme quelle an das Kühlmedium übertragen wird. Für die wirksame Fläche gibt es keine scharfen Grenzen, da die Temperatur im Kühlkörper und damit der Wärmeübergang an der Oberfläche des Kühlkörpers sich kontinuierlich über den Kühlkörper verän dert, wobei der Wärmeübertrag an das Kühlmedium mit steigen dem Abstand zur Wärmequelle stark nachlässt.

Die größere Fläche der zweiten Oberfläche im Vergleich zur ersten Oberfläche bewirkt, dass auch bei höherer Temperatur des Kühlmediums im Bereich der zweiten Oberfläche ein ent sprechender Wärmeübergang bei geringerer Temperaturdifferenz zwischen der zweiten Oberfläche und dem dortigen Kühlmedium erfolgen kann. Damit kann die Temperatur an der zweiten Wär mequelle reduziert werden. Für einen entsprechenden Wärme übergang ist aufgrund der größeren Fläche der zweiten Ober fläche eine geringere Temperaturdifferenz zwischen Kühlkörper und Kühlmedium notwendig. Damit wird der Wärmeübergang im Be- reich der zweiten Oberfläche derart verbessert, dass sich trotz höherer Temperatur des Kühlmediums je nach Auslegung der ersten und zweiten Oberfläche sich die Temperatur in der Umgebung der zweiten Wärmequelle reduzieren lässt.

Beispielsweise kann durch die größere zweite Oberfläche die Kühlanordnung derart ausgelegt werden, dass die gleiche vor- gebbare Wärmemenge bei den beiden Wärmequellen an das Kühlme dium übertragen werden, wobei die Temperaturen an der ersten und der zweiten Oberfläche und damit auch an den beiden Wär mequellen gleich sind.

Durch diese Kühlanordnung ergibt sich eine Leistungssteige rung, da die Geräte, die eine Wärmequelle darstellen, gleich mäßiger entwärmt werden. Darüber hinaus ergibt sich auch eine Lebensdauersteigerung bzw. eine Angleichung der Lebensdauer der Geräte, die eine Wärmequelle darstellen, da aufgrund der Angleichung der Betriebstemperaturen der Geräte die Lebens dauer sich nicht mehr signifikant verkürzt.

Diese Anordnung lässt sich auch um eine oder mehrere Wärme quellen erweitern. Je stärker das Kühlmedium durch im Kühl kreis zuvor eingebrachte Wärme vorerwärmt wird, desto größer wird die für den Wärmeübergang relevante Fläche einer ent sprechenden weiteren Oberfläche ausgelegt. Dabei entspricht die weitere Oberfläche einer für den Wärmeübergang zwischen weiterer Wärmequelle und Kühlmedium relevanten noch weiteren Fläche .

Dabei ist die Größe von Pins und/oder Kühlrippen oder zumin dest eines Teils der Pins und/oder Kühlrippen im Bereich der ersten Oberfläche kleiner als im Bereich der zweiten Oberflä che. Unabhängig von der Anzahl der Pins und/oder Kühlrippen lässt sich die Fläche der zweiten Oberfläche gegenüber der Fläche der ersten Oberfläche dadurch erhöhen, dass größere Pins bzw. Kühlrippen diese Oberfläche bilden. Dadurch kann die Temperatur im Bereich der zweiten Wärmequelle noch weiter reduziert bzw. eine noch höhere Vorerwärmung durch die erste Wärmequelle toleriert werden.

Dadurch, dass die Größe der Pins und/oder der Kühlrippen oder zumindest eines Teils der Pins und/oder der Kühlrippen im Be reich der ersten Oberfläche kleiner ist als im Bereich der zweiten Oberfläche und dass die Pins und/oder die Kühlrippen im Bereich der ersten Oberfläche einen größeren Querschnitt aufweisen als die Pins und/oder die Kühlrippen im Bereich der zweiten Oberfläche fließt nur ein geringer Teil des Kühlmedi ums an der ersten Oberfläche entlang. Ein Großteil fließt weiter entfernt und wird dabei nicht aufgewärmt. Gleichzeitig sind die Pins/Kühlkörper in der ersten Oberfläche durch den großen Querschnitt eher flach, denn die erste Oberfläche ist im Vergleich zur zweiten Oberfläche kleiner. Dadurch entsteht gleichzeitig ein großer Strömungsquerschnitt und ein geringer Gegendruck. Aufgrund des geringen Gegendrucks stellt sich in Summe ein großer Gesamtvolumenstrom ein, der sich mit einer vergleichsweise geringen Pump- bzw. Lüfterleistung hersteilen lässt. Dadurch arbeitet das System sehr wirkungsvoll mit nur geringem Energieeinsatz. Dabei wird das Kühlmedium mit seiner Kühlwirkung ergiebig ausgenutzt.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Anzahl von Pins und/oder Kühlrippen im Bereich der ersten Oberfläche kleiner als im Bereich der zweiten Oberfläche. Ei ne einfache und kostengünstige Möglichkeit die Fläche der zweiten Oberfläche gegenüber der Fläche der ersten Oberfläche zu erhöhen, besteht darin, die Anzahl der Pins und/oder Kühl rippen zu erhöhen. Bei gleicher oder zumindest ähnlicher Grö ße der Pins und/oder Kühlrippen wird damit die relevante Flä che der zweiten Oberfläche erhöht. Damit kann der Wärmeüber gang im Bereich der zweiten Oberfläche derart verbessert wer den, dass sich trotz höherer Temperatur des Kühlmediums sich keine höheren Temperaturen am Kühlkörper im Bereich der zwei ten Wärmequelle einstellen. Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Strömungsquerschnitt des Kühlmediums im Bereich der ersten Oberfläche größer als im Bereich zweiten Oberfläche. Durch den großen Strömungsquerschnitt ist der Gegendruck der art gering, dass wenig Energie aufgewendet werden muss, um einen hohen Kühlmittelstrom zu erzeugen. Gleichzeitig lassen sich hohe Fließgeschwindigkeiten mit Verwirbelungen des Kühl mittels erreichen, die einen effizienten Wärmeübergang vom Kühlkörper zum Kühlmedium sicherstellen.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand des in der FIG darge stellten Ausführungsbeispiels näher beschrieben und erläu tert. Es zeigt:

FIG eine Kühlanordnung mit unterschiedlich vielen Pins.

Die FIG zeigt eine Kühlanordnung 1 mit einem Kühlkörper 2.

Auf diesem Kühlkörper 2 sind rückseitig, gestrichelt angedeu tet, eine erste Wärmequelle 11 und eine zweite Wärmequelle 12 angeordnet. Auf der Vorderseite strömt das Kühlmedium 3 an dem Kühlkörper 2 entlang. Die Strömung des Kühlmediums 3 kann dabei, wie in diesem Ausführungsbeispiel, in einem Kühlkanal erfolgen oder auch alternativ offen ausgebildet sein, wie es sich insbesondere für ein gasförmiges Kühlmedium anbietet.

Der Kühlkanal ist hier offen dargestellt, um einen Blick auf eine erste Oberfläche 21 und eine zweite Oberfläche 22 zu ha ben. An diesen beiden Oberflächen erfolgt im Wesentlichen der Wärmeübergang von den jeweiligen Wärmequellen 11, 12 an das

Kühlmedium 3. Somit stellen die erste und die zweite Oberflä che 21, 22 die für den Wärmeübergang relevanten Oberflächen dar. Der Bereich, über den sich die erste Oberfläche 21 er streckt entspricht in etwa dem Bereich, in dem die erste Wär mequelle 11 rückseitig montiert ist. Damit erstreckt sich die erste Oberfläche in etwa über den gestrichelt dargestellten Bereich. Entsprechendes gilt für die zweite Oberfläche 22 und die zweite Wärmequelle 12. Die erste Oberfläche 21 wird dabei mit einer geringeren Anzahl an Pins 23 gebildet, während die zweite Oberfläche 22 eine höhere Anzahl an Pins 23 aufweist. Zudem können, allerdings nicht notwendigerweise, die einzel nen Pins 23 der zweiten Oberfläche 22 noch eine größere Aus dehnung in Richtung aus der Zeichenebene hinaus besitzen, so dass sie auch größer sind als die Pins der ersten Oberfläche 21.

Die Bewegungsrichtung des Kühlmediums 3 ist mit Pfeilen ge kennzeichnet. Fließt nun das Kühlmedium 3 an der ersten Ober fläche 21 entlang, so nimmt es Wärme aufgrund der Verlust leistung von der ersten Wärmequelle 11 auf. Dadurch erwärmt sich das Kühlmedium 3. Das nun vorerwärmte Kühlmedium 3 fließt dann an der zweiten Oberfläche 22 entlang. Dadurch, dass die zweite Oberfläche 22 größer ist als die erste Ober fläche 21 kann auch bei geringerer Temperaturdifferenz zwi schen zweiter Oberfläche 22 und Kühlmedium 3 im Vergleich zur Temperaturdifferenz zwischen erster Oberfläche 21 und Kühlme dium 3 die gleiche oder sogar je nach Auslegung eine höhere Wärmemenge von der zweiten Wärmequelle 12 an das Kühlmedium 3 übertragen werden. Die Kühlung lässt sich damit über das Ver hältnis der Oberflächen zueinander auf den entsprechenden An wendungsfall derart optimieren, dass im Betrieb an den Wärme quellen die gleichen Temperaturen entstehen. Mit anderen Wor ten kann durch die Gestaltung der Oberflächen 21, 22 ein Nachteil durch ein bereits vorerwärmtes Kühlmedium beseitigt werden .

Ein weiterer Vorteil dieser Anordnung besteht darin, dass zu sätzlich über den möglicherweise größeren freien Strömungs querschnitt im Bereich der ersten Oberfläche 21 im Vergleich zur zweiten Oberfläche 22 ein geringerer Gegendruck erzeugt wird, der zu einem höheren Gesamtvolumenstrom des Kühlmediums bei sonst gleichen Randbedingungen genutzt werden kann.

Zusammenfassend betrifft die Erfindung eine Kühlanordnung aufweisend eine erste Wärmequelle und eine zweite Wärmequel le, sowie einen Kühlkörper zum Übertragen von Wärme an ein an einer ersten Oberfläche und an einer zweiten Oberfläche des Kühlkörpers vorbeistreifendes Kühlmedium, wobei die erste Wärmequelle und die zweite Wärmequelle derart am Kühlkörper angeordnet sind, dass von der zweiten Wärmequelle Wärme an das von der ersten Wärmequelle vorerwärmte Kühlmedium über tragbar ist. Zur Verbesserung der Kühlanordnung wird vorge schlagen dass die erste Oberfläche kleiner ist als die zweite Oberfläche, wobei die erste Oberfläche einer für den Wärme übergang zwischen erster Wärmequelle und Kühlmedium relevan ten Fläche entspricht, wobei die zweite Oberfläche einer für den Wärmeübergang zwischen zweiter Wärmequelle und Kühlmedium relevanten weiteren Fläche entspricht.

Mit anderen Worten betrifft die Erfindung zusammenfassend ei ne Kühlanordnung aufweisend eine erste Wärmequelle und eine zweite Wärmequelle, sowie einen Kühlkörper zum Übertragen von Wärme an ein an einer ersten Oberfläche und an einer zweiten Oberfläche des Kühlkörpers vorbeistreifendes Kühlmedium, wo bei die erste Wärmequelle und die zweite Wärmequelle derart am Kühlkörper angeordnet sind, dass von der zweiten Wärme quelle Wärme an das von der ersten Wärmequelle vorerwärmte Kühlmedium übertragbar ist, wobei die erste Oberfläche klei ner ist als die zweite Oberfläche, wobei die erste Oberfläche einer für den Wärmeübergang zwischen erster Wärmequelle und Kühlmedium relevanten Fläche entspricht, wobei die zweite Oberfläche einer für den Wärmeübergang zwischen zweiter Wär mequelle und Kühlmedium relevanten weiteren Fläche ent spricht. Zur Verbesserung der Kühlanordnung wird vorgeschla gen, dass die Größe der Pins und/oder der Kühlrippen oder zu mindest eines Teils der Pins und/oder der Kühlrippen im Be reich der ersten Oberfläche kleiner ist als im Bereich der zweiten Oberfläche, wobei die Pins und/oder die Kühlrippen im Bereich der ersten Oberfläche einen größeren Querschnitt auf weisen als die Pins und/oder die Kühlrippen im Bereich der zweiten Oberfläche.