DE19600164A1 - Kühlkörper mit Zapfen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Kühlkörper gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Aus der Patentschrift DE 40 17 749 ist ein Kühlkörper bekannt, der aus einer oberen und einer unteren Hälfte zusammengesetzt ist und bei dem auf der inneren Oberfläche einer solchen Hälfte stoffschlüssig Zapfen senkrecht im Strömungsweg des Kühlmediums angeordnet sind.

Das Problem einer solchen Anordnung besteht darin, daß die Wärmeableitung etwaiger Bauelemente auf den Außenflächen des Kühlkörpers inhomogen ist. Zwischen Kühlmitteleingang und Kühlmittelausgang wird der Strömungsweg kurzgeschlossen. Es bilden sich deshalb heiße Zonen auf den Außenflächen. Der Wärmewiderstand der Anordnung in DE 40 17 749 hat zudem einen hohen Wärmewiderstand von ca. 30 K/kW was zu einer Überhitzung des Kühlmittels führt.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen Kühlkörper mit einer Zapfenanordnung anzugeben der die Strömungsverhältnisse im Kühlkörper verbessert.

Die Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Weiterführende und vorteilhafte Ausgestaltungen sind den Unteransprüchen und der Beschreibung zu entnehmen.

Bei dem erfindungsgemäßen Kühlkörper ist die lokale Dichte der Zapfen so gewählt, daß im Innenraum des Kühlkörpers ein im wesentlichen homogener Strömungswiderstand herrscht. Ein Kurzschluß des Strömungsweges des Kühlmittels wird unterbunden und das Kühlmittel strömt gleichmäßig um die Zapfen.

Vorteilhaft ist wenn zusätzlich die mindestens an einer inneren Oberfläche stoffschlüssig angebrachten Zapfen eine spitz in das Kühlkörperinnere zulaufende Form aufweisen wobei die jeweilige Kontaktfläche eines Zapfens zu einer inneren Oberfläche des Kühlkörpers die größte Querschnittsfläche des Zapfens aufweist. Die Spitze der Zapfen kann spitz oder abgeplattet ein. Der Wärmewiderstand der Anordnung ist damit reduziert.

Besonders vorteilhaft ist es den Kühlkörper aus mehreren Teilen lösbar zusammenzusetzen.

Im folgenden ist die Erfindung anhand von Abbildungen näher beschrieben.

Es zeigen:

Fig. 1a Seitenansicht eines Kühlkörpers b Aufsicht auf die Innenseite eines Kühlkörperteils mit ungleich verteilten Zapfen

Fig. 2 Aufsicht auf die Innenseite eines Kühlkörpers mit strömungsgünstigen Zapfen

Fig. 3 Seitenansicht eines Kühlkörpers mit aufeinanderstehenden Zapfen

Fig. 4 Seitenansicht eines Kühlkörpers mit ineinandergreifenden Zapfen

Fig. 5 Aufbau eines mehrteiligen Kühlkörpers

Fig. 6 Klammer zum Verbinden der Teile eines mehrteiligen Kühlkörpers.

Fig. 1a zeigt die Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Kühlkörpers 1 mit einem oberen und einem unteren Teil 2 und 2′. Die Anschlüsse für Kühlmitteleingang 3 und Kühlmittelausgang 4 sind angedeutet. Die Anschlüsse 3 und 4 können auf gegenüberliegenden Seiten oder auf derselben Seite angeordnet sein. Die beiden Teile 2 und 2′ sind miteinander verbunden und können z. B. verklebt gesintert, verschraubt oder geklammert oder über ein Zwischenstück miteinander verbunden sein. Der Kühlkörper ist z. B. für flüssige Kühlmedien geeignet kann aber auch für gasförmige Kühlmedien eingesetzt werden.

In Fig. 1b ist eine Aufsicht auf die Innenfläche der Kühlkörperteils 2 des Kühlkörpers 1 dargestellt. Auf der Innenfläche des Kühlkörperteils 2 ist eine Vielzahl von Zapfen 5 angeordnet. Die Zapfen 5 sind durch Kanäle 6 getrennt und ungleichmäßig über die Innenfläche des Kühlkörperteils 2 verteilt. Der Füllgrad der Zapfen 5 im Bereich der gedachten kürzesten Verbindungslinie 7 zwischen Kühlmitteleingang 3 und Kühlmittelausgang 4 ist hoch, entfernt davon gering, so daß der Strömungswiderstand über die Fläche gesehen für jeden möglichen Strömungsweg zwischen 3 und 4 in etwa gleich ist. Der Bereich mit der höheren Zapfendichte ist dabei mindestens so breit wie der kleinere der Durchmesser von Kühlwassereingang und -ausgang 3 und 4.

Vorteilhaft ist eine mittlere Zapfendichte von 2-7 Zapfen/cm², insbesonders 4-6 Zapfen/cm² in diesem Bereich da bei einer derartigen Dichte die Werkzeuge bei einer etwaigen Keramik- Prozeßtechnik für den Kühlkörper 1 noch gut handhabbar sind. Die daraus resultierende geringe Kanalbreite ist vorteilhaft für die Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmediums. Die Anordnung weist einen geringen Wärmewiderstand von nur 20 K/kW auf.

Der Füllgrad variiert vorzugsweise von etwa 1 : 1 (Hohlraum zu Volumenanteil Material) bis 2 : 1.

Der Vorteil liegt darin daß für so die Fertigung der Werkzeuge zur Herstellung eines solchen Kühlkörpers, z. B. durch Pressen und Sintern von Keramik noch einfach ist. Etwaiger Ausschuß durch Ausbrechen von Zapfen 5, 5 oder Kanälen 6 wird vermieden. Außerdem ist dann die Strömungsgeschwindigkeit bei den übliche Kühlmitteldurchflüssen um 10 l/min groß genug für eine ausreichende Wärmeabfuhr, jedoch noch klein genug, um den Kühlkörper 1 nicht abrasiv zu schädigen.

Die Variation des Füllgrades kann erzielt sein durch Weglassen bzw. Hinzufügen von Zapfen 5, 5′ oder durch Vergrößern oder Verkleinern von Zapfen 5, 5′ oder Kanälen 6 oder Verändern der Zapfengröße oder Kanalgröße mit unveränderten Kanälen 6 bzw. Zapfen 5, 5′. Wesentlich dabei ist daß das Maximum der Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmittels längs der Kanäle 6 in jedem Kanal nicht mehr als 50%, insbesonders nicht mehr als 30%, unter oder über dem mittleren Strömungsgeschwindigkeitsmaximum liegt.

Die Zapfen können an sich beliebige Grundflächen und Formen aufweisen. Es zeigt sich jedoch, daß eine spezielle Grundfläche der Zapfen 5, 5′ besonders vorteilhaft ist.

In Fig. 3 ist eine Aufsicht auf die Innenfläche eines Kühlkörperteils 2 des Kühlkörpers 1 dargestellt. Auf der Innenfläche des Kühlkörperteils 2 ist eine Vielzahl von strömungsgünstigen Zapfen 5 angeordnet. Die Grundfläche der Zapfen ist rautenförmig, wobei die lange Diagonale 8 der Zapfen 5 in etwa parallel zum möglichen Strömungsweg des Kühlmediums angeordnet ist. Die Rautenform ist besonders günstig, da sich an der angeströmten Spitze des Zapfens 5 kein Staupunkt ausbilden kann. Statt dessen wird die Strömung des Kühlmediums geteilt und kann den Zapfen 5 umströmen und kühlen.

Es zeigt sich daß speziell bei dieser Zapfenform das Verhältnis von Oberfläche zu Volumen sehr günstig ist, was die mögliche Wärmeabfuhr weiter verbessert. Bei der Verwendung von einem gut wärmeleitenden Material wie z. B. Aluminiumnitrid liegt die Wärmeübergangskonstante dieser Anordnung bei über 3000 W/(m² K).

Die Umströmung der Zapfen 5 mit rautenförmiger Grundfläche ist dann besonders vorteilhaft, wenn der Öffnungswinkel der angeströmten vorderen Spitze jeder Raute 5 zwischen 40° und 60°, insbesondere zwischen 46°-55°, liegt, da die Strömungsgeschwindigkeit um den Zapfen dann maximal, bzw. die Überströmlänge klein ist. Bei größeren Winkeln oder z. B. bei zylinderförmigen Zapfen verschlechtert die Ausbildung von Staupunkten an der Anströmseite der Zapfen 5 die Umströmung, bei geringeren Winkeln verringert sich die mechanische Stabilität der umströmten Zapfen 5. Außerdem ist die Überströmlänge bei einer vorgegebenen günstigen Zapfendichte zu groß und verschlechtert den Wärmeabfluß aus dem Zapfen 5.

In Fig. 3 ist eine weitere vorteilhafte Zapfenform dargestellt. Die Zapfen 5 laufen kegelförmig spitz in das Innere des Kühlkörpers 1 zu und kontaktieren mit ihrer größten Querschnittsfläche die innere Oberfläche 2 des Kühlkörpers 1. Die Spitze der Zapfen kann spitz oder abgeplattet sein. Damit kann die Wärmeabfuhr weiter verbessert werden, da eine etwaige heiße Seite des Kühlkörpers großflächig kontaktiert ist und die wärmeableitenden Zapfen 5, 5′ einen großflächigen Kontakt zum Kühlmedium aufweisen. Gleichzeitig kann mit dieser Zapfenform an sich teures Grundmaterial bei der Herstellung des Kühlkörpers 1 eingespart werden.

Im gezeigten Beispiel ist der Aufbau der beiden Kühlkörperteile 2, 2′ des Kühlkörpers symmetrisch zur Spiegelebene 9 zwischen den beiden Kühlkörperteilen 2 und 2′, die Zapfen 5, 5′ stehen sich im fertig montierten Zustand des Kühlkörpers 1 direkt gegenüber.

In Fig. 4 ist eine Anordnung gezeigt, die einen besonders hohen Füllgrad der Zapfen erlaubt. Die Zapfen 5, 5′ der oberen und unteren Kühlkörperteile 2, 2′ sind versetzt zueinander und ineinandergreifend angeordnet. Damit kann die Kühlmittelgeschwindigkeit noch weiter erhöht werden, da die Kanäle 6 auch im mittleren Bereich des Kühlkörpers 1, wo die beiden Kühlkörperteile 2 und 2′ aufeinandertreffen, schmal sind. Auch in dieser Anordnung können prinzipiell verschiedene Zapfenformen und -grundflächen gewählt werden.

Grundsätzlich ist die Wärmeabfuhr dann optimal, wenn die Kühlmittelgeschwindigkeit so hoch ist, daß sich eine turbulente Strömung ausbildet. Es zeigt sich aber, daß bei derart hohen Geschwindigkeiten das Kühlmittel den Kühlkörper durch Erosion beschädigt.

Die minimale Wärmeübergangskonstante R_th des erfindungsgemäßen Kühlkörpers 1 soll nicht unter 3000 W/(m² K) liegen. Bei geringeren Werten von R_th ist die Kühlung unzureichend. Für Wasser als etwaiges Kühlmedium ergibt sich daraus z. B. bei 1 kW Verlustleistung eine minimale Strömungsgeschwindigkeit von 0,1 m/sec.

Wesentlich ist, daß eine minimale Strömungsgeschwindigkeit von ca. 0,1 m/sec nicht unterschritten wird. Als obere Grenze der Strömungsgeschwindigkeit darf diejenige Kühlmittelgeschwindigkeit nicht überschritten werden, ab welcher der Kühlkörper 1 abrasiv beschädigt wird. Für Aluminiumnitrid liegt diese Grenze z. B. bei etwa 1 m/sec, bei Aluminium bei etwa 1,5 m/sec.

Obwohl die Strömung des Kühlmediums, z. B. Wasser, noch laminar ist, gelingt mit dem erfindungsgemäßen Kühlkörper 1 eine deutliche Reduktion des Wärmewiderstands. Der Wärmewiderstand liegt deutlich unterhalb von 30 K/kW. Für die genannten Daten des Beispiels liegt der Wert z. B. bei 20 K/kW.

In Fig. 5 ist eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Kühlkörpers 1 gezeigt mit einem oberen Teil 2, einem unteren Teil 2′ und einem ringförmigen Mittelteil 2′′. Kühlmitteleingang und Kühlmittelausgang 3 und 4 können am Mittelteil 2′′ auf entgegengesetzten Seiten oder gleichen Seiten des Umfangs des Mittelteils 2′′ angeordnet sein. Auf der Innenseite des oberen Teils 2 und des unteren Teils 2′ sind Zapfen 5 und 5′ angeordnet (nur angedeutet). Die Teile 2 und 2′ sind mit dem Mittelteil 2′′ mittels Dichtungsmittel 10 abgedichtet und lösbar verbunden. Das untere Dichtungsmittel 10′ ist nicht dargestellt. Als Dichtungsmittel eignen sich beispielsweise elastische Flachdichtungen oder Rundschnurringe z. B. aus Perbunan oder Viton. Die lösbare Verbindung kann über Klammern, Muffen oder dergl. hergestellt sein.

In Fig. 6 ist eine solche Verbindungsklammer dargestellt, mit der die Kühlkörperteile 2, 2′ und 2′′ lösbar miteinander verbunden werden können. Mehrere Klammern dieser Art sind am Außenrand des Kühlkörpers 1 angeordnet. Diese Verbindungsart ist besonders in der Stapelanordnung mit einer Vielzahl von hintereinandergeschalteten Kühlkörpern und zu kühlenden Leistungsbauelementen z. B. in Elektromotor-Leistungssträngen vorteilhaft. Die eigentliche Haltekraft, die die Teile zusammenpreßt, wird über die Einspannvorrichtung des Stapels aufgebrachte die bei den bekannten Kühlkörperstapeln typischerweise ca. 40 kN beträgt. Das Klammern der einzelnen Kühlkörper erleichtert die Wartung und das Austauschen etwaiger defekter Bauelemente oder Kühlkörper aus dem Stapel erheblich.

Der Mittelteil 2′′ selbst ist hohl ausgeführt und hat Anschlüsse 3 und 4 für das Kühlmittel. Besonders vorteilhaft ist, wenn dieser Mittelteil 2′′ aus Metall (Aluminium oder Kupfer oder anderen kostengünstigen Materialien) besteht oder aus Kunststoff. Während bei keramischen Körpern der Anschluß von Kühlmittelleitungen technisch aufwendig ist, ist dies in der erfindungsgemäßen Anordnung erheblich vereinfacht. Die Anschlüsse, wie etwa handelsübliche Flanschverbindungen oder Stutzen, können z. B. über Schraubgewinde am Mittelteil 2′′ befestigt oder durch Anlöten mit diesem verbunden sein.

Bei Verwendung von isolierenden, wärmeleitenden Keramiken für die Teile 2 und 2′ ist eine beträchtliche Materialersparnis bei der Herstellung des Kühlkörpers 1 insgesamt und damit eine Kostenersparnis der teuren Grundstoffe möglich, ohne die geforderte Hochspannungstauglichkeit einer solchen Kühlanordnung zu verschlechtern. Ebenso wird die Abdichtung und die Verbindung der Kühlkörperteile 2, 2′, 2′′ miteinander stark vereinfacht und die Zuverlässigkeit des Kühlkörpers 1 erhöht.

Als Material für den erfindungsgemäßen Kühlkörper 1 ist ein gut wärmeleitendes Material vorteilhaft. Ist eine große elektrische Isolierfähigkeit notwendig, kann der Kühlkörper 1 vorzugsweise aus Isolator-Teilen, wie z. B. Aluminiumnitrid. Siliziumkarbid, Aluminiumoxid. Berrylliumoxid. Siliziumoxid oder aus Schichtkörpern gebildet sein, die mit gut wärmeleitenden Beschichtungen versehen sind, z. B. aus der obengenannten Gruppe von Isolatoren oder Diamant.

Vorzugsweise wird der erfindungsgemäße mehrteilige Kühlkörper 1 aus isolierenden, vorzugsweise vollkeramischen Teilen 2 und 2′ und einem metallischen oder isolierenden Mittelteil 2′′ zusammengesetzt.

Claims (20)

1. Kühlkörper bestehend aus einem oberen und unteren Teil (2, 2′) mit an mindestens einer der Innenseiten stoffschlüssig angeordneten und in das Kühlmedium hineinragenden Zapfen (5, 5′), die durch Gräben (6) getrennt sind, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis aus dem Volumenanteil der Zapfen (5, 5′) und dem Volumenanteil der Gräben (6, 6′) im Innenraum der beiden Kühlkörperteile (2, 2′) in einem vorgegebenen Bereich entlang der gedachten direkten Verbindungslinie (7) zwischen einem Kühlmittelausgang (4) und einem Kühlmitteleingang (3) größer ist als in den Bereichen außerhalb der gedachten Verbindungslinie (7).

2. Kühlkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Füllgrad der Zapfen (5, 5′) in einem vorgegebenen Bereich entlang der gedachten kürzesten Verbindungslinie (7) zwischen einem Kühlmittelausgang (4) und einem Kühlmitteleingang (3) hoch ist, entfernt davon gering, so daß der Strömungswiderstand über die Fläche gesehen für jeden möglichen Strömungsweg zwischen einem Kühlmittelausgang (4) und einem Kühlmitteleingang (3) in etwa gleich ist.

3. Kühlkörper nach Anspruch 1-2, dadurch gekennzeichnet, daß der vorgegebene Bereich entlang der gedachten direkten Verbindungslinie (7) zwischen einem Kühlmittelausgang (4) und einem Kühlmitteleingang (3) mindestens so breit ist wie kleinere der Durchmesser von Kühlmittelausgang (4) und Kühlmitteleingang (3).

4. Kühlkörper nach Anspruch 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis des Volumenanteils der Kanäle (6) zum Volumenanteil der Zapfen (5, 5′) zwischen 1 : 1 und 2 : 1 ist.

5. Kühlkörper nach Anspruch 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß die Zapfen (5, 5′) im wesentlichen spitz in das Kühlkörperinnere zulaufend ausgebildet sind, wobei die größte Querschnittsfläche der Zapfen (5, 5′) mit der Kühlkörperinnenseite (2, 2′) in Kontakt ist.

6. Kühlkörper nach Anspruch 1-5, dadurch gekennzeichnet, die Grundfläche der Zapfen (5, 5′) mehreckig ausgebildet ist.

7. Kühlkörper nach Anspruch 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß die Zapfen (5, 5′) entlang des Strömungsweges mit einem Öffnungswinkel von 40° bis 60° angeordnet sind.

8. Kühlkörper nach Anspruch 1-7, dadurch gekennzeichnet, daß die Grundfläche der Zapfen (5, 5′) rautenförmig ausgebildet ist, wobei die Winkelhalbierende (7) einer angeströmten Ecke der Zapfen (5, 5′) im wesentlichen parallel zum Strömungsweg des Kühlmediums angeordnet sind.

9. Kühlkörper nach Anspruch 1-8, dadurch gekennzeichnet, daß die obere und die untere Kühlkörperteil-Innenfläche (2, 2′) mit Zapfen (5, 5′) versehen sind.

10. Kühlkörper nach Anspruch 1-9, dadurch gekennzeichnet, daß die Zapfen (5) der oberen Kühlkörperinnenseite (2) und die Zapfen (5′) der unteren Kühlkörperinnenseite (2′) spiegelsymmetrisch zueinander oder gegeneinander versetzt angeordnet sind.

11. Kühlkörper nach Anspruch 1-10, dadurch gekennzeichnet, daß das Strömungsgeschwindigkeitsmaximum des Kühlmittels längs der Kanäle (6) geringer als die den Kühlkörper (1) abrasiv schädigende Geschwindigkeit ist.

12. Kühlkörper nach Anspruch 1-11, dadurch gekennzeichnet, daß das Strömungsgeschwindigkeitsmaximum des Kühlmittels längs der Kanäle (6) in jedem Kanal (6) nicht mehr als 50% unter oder über dem mittleren Strömungsgeschwindigkeitsmaximum ist.

13. Kühlkörper nach Anspruch 1-12, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmewiderstand des Kühlkörpers (1) kleiner als 25 K/kW ist.

14. Kühlkörper nach Anspruch 1-13, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlkörper (1) aus einem Isolator wie Aluminiumnitrid, Siliziumkarbid, Aluminiumoxid, Berrylliumoxid und/oder Siliziumoxid gebildet ist.

15. Kühlkörper nach Anspruch 1-14, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlkörper (1) mit einem wärmeleitenden Material beschichtet ist, wie Aluminiumnitrid, Siliziumkarbid, Aluminiumoxid, Siliziumoxid und/oder Diamant.

16. Kühlkörper nach Anspruch 1-15, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlkörper (1) mit einem Zwischenteil (2′′) zwischen dem oberen und der unteren Teil (2, 2′) ausgestattet ist.

17. Kühlkörper nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlkörpermittelteil (2′′) lösbar mit dem oberen und dem unteren Teil (2, 2′) verbunden ist.

18. Kühlkörper nach Anspruch 16-17, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlkörpermittelteil (2′′) aus einem metallischen oder elektrisch isolierenden Werkstoff gebildet ist.

19. Kühlkörper nach Anspruch 16-18, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlkörpermittelteil (2′′) aus einem Schichtkörper mit elektrisch isolierender Beschichtung gebildet ist.

20. Kühlkörper nach Anspruch 16-19, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlkörpermittelteil (2′′) mit Kühlmedienanschlüssen (3, 4) versehen ist.