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Die Erfindung bezieht sich auf einen Kühlkörper mit einer
Grundplatte und mehreren Kühlrippen, die auf einer Flachseite
dieser Grundplatte beabstandet angeordnet sind, deren
Stirnflächen zusammen mit gebildeten Kühlkanälen eine Ein- bzw.
Ausströmfläche für eine Kühlluft bildet.
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Im Handel ist ein derartiger Kühlkörper erhältlich, der
beispielsweise in der Fig. 1 näher dargestellt ist. In dieser
Darstellung ist mit 2 die Grundplatte, mit 4 die Flachseite
mit 6 die Kühlrippen, mit 8 bzw. 10 die Stirnflächen der
Kühlrippen, mit 12 bzw. 14 die Ein- bzw. Ausströmseite und
mit 16 die Kühlkanäle bezeichnet. Die Kühlluft, die durch die
gebildeten Kühlkanäle 16 geblasen wird, wird mittels eines
Lüfters 18 erzeugt. Dieser Lüfter 18 ist direkt an der
Einströmseite 12 das Kühlkörpers angebracht. Die Kühlkanäle 16
werden jeweils durch zwei benachbarten Kühlrippen 6 und einem
Teil der Flachseite 4 der Grundplatte 2 gebildet. Die
Ausströmseite 14 ist der Einströmseite 12 gegenüber angeordnet,
und wird aus den Stirnflächen 10 der Kühlrippen 6 und den
Kühlkanälen 16 gebildet. In dieser Darstellung sind die
Stirnflächen 8 der Kühlrippen 6, die zusammen mit den
Kühlkanälen 16 die Einströmseite 12 bilden, nicht erkennbar, da
diese vom Lüfter 18 abgedeckt werden. Auf der Flachseite 20
der Grundplatte 2, die den Kühlrippen 6 abgewandt ist, sind
mehrere Halbleiterbauelemente 22 mittels einer wärmeleitenden
Montageplatte 24 montiert.
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Bei modernen Leistungshalbleitern liegt die Wärmestromdichte
im Bereich von 105 W/m2. Eine ökonomische Entwärmung ist hier
nur mit einem Kühlkörper, der ein hohes Rippenverhältnis RV
aufweist, möglich. Dieses Rippenverhältnis RV ist der
Quotient aus Kühlrippenbreite RB, auch als Rippendicke
bezeichnet, zu Rippenabstand RA. Die Leistungsfähigkeit des
Kühlkörpers ist begrenzt durch den erreichbaren Temperaturhub ΔT
der Kühlluft. Dieser Temperaturhub ΔT ist wiederum von der
Geometrie des Kühlkörpers abhängig, insbesondere ist dieser
proportional zum Rippenverhältnis RV. Für einen Kühlkörper
mit einem Rippenverhältnis RV von Eins ergibt sich aus
strömungstechnischer Sicht ein Grenzwert, mit dem eine
Lufterwärmung von ungefähr 24 K erreicht werden kann. Mit dieser
Lufterwärmung kann ein mittlerer Wärmestrom ≙ abgeführt werden.
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Die Lufterwärmung im Kühlkörper resultiert aus einem
Impulsaustausch zwischen Kühlluft und Kühlfläche, an der
Grenzfläche zwischen Kühlrippe 6 und Kühlkanal 16. Er ist vom
Turbolenzgrad der Strömung abhängig. Je höher der Turbolenzgrad
desto besser ist der Wärmeaustausch. Der Turbolenzgrad
wiederum hängt von den Oberflächeneigenschaften der Rippe 6, den
Stoffeigenschaften der Kühlluft und dem Eigenimpuls der
Kühlluft (Luftgeschwindigkeit) ab.
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Der abführbare Wärmestrom ≙ lässt sich bei gegebener
Lufterwärmung und Rippeneigenschaften wie Geometrie und Rauhigkeit,
nur durch die Erhöhung des Turbolenzgrades steigern. Dieses
kann beispielsweise durch die Erhöhung der
Luftgeschwindigkeit erreicht werden. Dabei muss entweder die Luftmenge
erhöht oder der Strömungskanalquerschnitt reduziert werden.
Beide Maßnahmen führen zu einer Erhöhung der benötigten
Lüfterleistung.
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Bei konstanten Massenstrom ≙ steigt die
Strömungsgeschwindigkeit bei Reduktion des Strömungskanalquerschnitts A, der
gleich dem Produkt Rippenabstand RA und Kühlrippenhöhe RH
ist. Durch eine Verringerung des Rippenabstandes RA steigt
die Strömungsgeschwindigkeit und das Rippenverhältnis RV an.
Eine Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit führt zu einem
erhöhten Gegendruck im Strömungskanal. Durch Anwendung des
Bernoulli Gesetzes lässt sich der Druckabfall eines
Strömungskanals wie folgt beschreiben:
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Wie in dieser Gleichung zu sehen ist, bewirkt eine
Verringerung des Rippenabstandes RA eine Druckerhöhung ΔP. Dabei
beschreibt der Formfaktor, der mit ζ bezeichnet wird, den
Strömungswiderstand des Strömungskanals. Dieser Formfaktor ζ
setzt sich im wesentlichen aus drei Komponenten zusammen.
Diese sind:
- a) Oberflächeneigenschaften entlang des
Strömungskanals (Rauhigkeit),
- b) Verhältnisse am Eintritt des Strömungskanals
(Geometrie),
- c) Verhältnisse am Austritt des Strömungskanals
(Geometrie).
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Während für den Impulsaustausch ein möglichst hoher
Formfaktor ζ entlang des Strömungskanals erwünscht ist, sind die
Komponenten gemäß b und c dieses Formfaktors ζ unerwünscht,
die zum Teil erhebliche Systemkosten verursachen.
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Bei bisherigen Ausführungsformen von Kühlkörpern wird der
Einfluss des Formfaktors ζ insbesondere der Komponenten b und
c vernachlässigt. Bei einer Steigerung des Wärmestroms ≙,
über den Kühlkörper abgeführt werden soll, steigt der
Druckabfall sowohl quadratisch proportional zur
Strömungsgeschwindigkeit, als auch linear über den Formfaktor ζ. Aus
diesem Grund benötigen die im Handel erhältliche Kühlkörper
Lüfter mit einer hohen mechanischen Leistung, die an die
Kühlluft abgegeben werden kann. Diese sind jedoch teuer und
groß.
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Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, den bekannten
Kühlkörper derart weiterzubilden, dass ein Lüfter mit einer
geringeren mechanischen Leistung verwendet werden kann.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit dem kennzeichnenden
Merkmal des Anspruchs 1 gelöst.
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Dadurch, dass jeweils eine Stirnfläche einer jeden Kühlrippe,
die in einer Ein- und Ausströmseite der Rippenanordnung für
eine Kühlluft angeordnet ist, strömungsgünstig ausgebildet
ist, während die Komponenten bezüglich der Geometrie am
Eintritt und Austritt der Strömungskanäle des Formfaktors
reduziert. Mit Verringerung des Druckabfalls wird die
Lüfterleistung reduziert. Dieser Effekt wird um so größer, je enger die
Kühlrippen eines Kühlkörpers angeordnet sind. D. h., eine hohe
Rippendichte ist dann gegeben, wenn der Rippenabstand
ungefähr gleich der Rippenbreite ist.
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Bei einer vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Kühlkörpers ist die beabstandeten Kühlrippen derart
zueinander in Strömungsrichtung der Kühlluft versetzt angeordnet,
dass die Ein- und Ausströmseiten wellenförmig ausgebildet
sind. Durch diese Maßnahme wird der Druckabfall weiter
verringert, womit eine Reduzierung der Lüfterleistung
einhergeht.
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Bei einer vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Kühlkörpers sind jede Stirnfläche der Kühlrippen der
Einströmseite konvex und jede Stirnfläche der Kühlrippen der
Ausströmseite keilförmig ausgebildet. Durch diese
unterschiedlichen Ausgestaltungen der Stirnflächen einer jeden
Kühlrippe erhält diese Kühlrippe jeweils die Form eines
entgegen der Strömungsrichtung gestreckten Tropfes. Diese
ausgebildeten Kühlrippen stellen bezüglich des Gegendrucks eine
ideale Rippenform dar, wodurch die mechanische Leistung eines
Lüfters am meisten reduziert werden kann. Dies geht jedoch zu
Lasten der aufwendigen Herstellung des Kühlkörpers.
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Bei einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Kühlkörpers ist jede Stirnfläche einer jeden Kühlrippe der
Ein- und Ausströmseite der Rippenanordnung angeschrägt und
derart in Strömungsrichtung der Kühlluft versetzt angeordnet,
dass die Ein- und Ausströmseite jeweils zig-zack-förmig
ausgebildet sind. Dabei verlaufen diese beiden zig-zack-förmigen
Flächen phasengleich. Durch diese Ausgestaltung erhält man
eine besonders wirtschaftliche Lösung für einen Kühlkörper
nach der Erfindung. Durch das Anschrägen jeder Rippe und
durch deren beschriebenen Anordnung stellt sich ein Mini-
(jede Rippe) und ein Makro-(Rippenanordnung) Bereich ein,
die jeweils zur Gegendruckverringerung beitragen.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen
Kühlkörpers sind den Unteransprüchen 6 bis 9 zu entnehmen.
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Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung
Bezug genommen, in der mehrere Ausführungsformen des
erfindungsgemäßen Kühlkörpers schematisch veranschaulicht sind.
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Fig. 1 zeigt einen handelsüblichen Kühlkörper, in der
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Fig. 2 ist eine Strömungsverteilung an Kühlrippen des
Kühlkörpers nach Fig. 1 näher dargestellt, die
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Fig. 3 zeigt eine Strömungsverteilung an Kühlrippen eines
ersten erfindungsgemäß ausgebildeten Kühlkörpers, in
der
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Fig. 4 ist eine Strömungsverteilung an Kühlrippen eines
zweiten erfindungsgemäß ausgebildeten Kühlkörpers
dargestellt und die
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Fig. 5 zeigt eine besonders vorteilhafte Ausführungsform eines
Kühlkörpers nach der Erfindung.
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Die Fig. 2 zeigt eine Strömungsverteilung einer Kühlluft an
Kühlrippen eines handelsüblichen Kühlkörpers gemäß Fig. 1. Die
Kühlluft, die mittels des Lüfters 18 erzeugt wird, sind in
dieser Darstellung durch die Pfeile A dargestellt. Diese
Darstellung zeigt an der einströmenden Seiten 12 Wirbelzonen B,
die zu den unerwünschten Gegendruck führen. Dieser Effekt
wird mit zunehmender Rippenbreite RB größer. Besonders bei
stranggepressten Kühlrippen tritt dieser Effekt auf. Auf der
Ausströmseite 14 der Strömungskanäle 16 bilden sich ebenfalls
Wirbelzonen C aufgrund der Kühlluftbewegung an den Kanten des
Rippenendes aus. Bei diesen Wirbelzonen C tritt sogar eine
Strömungsumkehr auf. Diese Strömungsverteilung entsteht durch
die Geometrie am Eintritt und am Austritt der Strömungskanäle
16. Diese beiden Komponenten beeinflussen wesentlich den
Formfaktor ζ des Kühlkörpers, der für die Entstehung und Höhe
des Kühlkörper-Druckabfalls verantwortlich ist.
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In der Fig. 3 ist die Strömungsverteilung an Kühlrippen eines
ersten erfindungsgemäß ausgebildeten Kühlkörpers dargestellt.
Aus Übersichtlichkeitsgründen sind in dieser Darstellung nur
einzelne Kühlrippen 6 dargestellt. Auch bei dieser
Darstellung ist die vom Lüfter 18 erzeugte Kühlluft mittels der
Pfeile A dargestellt. Bei diesem ersten vorteilhaft
ausgebildeten Kühlkörper sind die Stirnflächen 8 der Kühlrippen 6
konvex und deren Stirnflächen 10 keilförmig ausgebildet.
Durch die konvexe Formgebung der Stirnflächen 8 der
Kühlrippen 6 eines Kühlkörpers können keine Verwirbelungszonen B am
Eintritt der Strömungskanäle 16 mehr auftreten, da die
Kühlluft A auf keine Prallfläche mehr trifft. Durch die konvexen
Stirnflächen 8, wobei diese Kühlrippen 6 in Strömungsrichtung
der Kühlluft A derart versetzt angeordnet sind, dass die
Einströmseite 12 wellenförmig ist, wird die Kühlluft A im
Bereich zwischen den Stirnflächen 8 in benachbarte
Strömungskanäle 16 geleitet. Bezüglich der strömenden Kühlluft A sind
die Stirnflächen 8 der Kühlrippen 6 des Kühlkörpers konkav
ausgebildet. Wie stark die konkave Ausbildung sein muss,
damit keine Verwirbelungen entstehen können, hängt auch von der
Luftgeschwindigkeit der einströmenden Kühlluft A ab. Durch
die Gestaltung der Stirnflächen 8 der Einströmseite 12 erhöht
sich die Luftmenge in jedem Strömungskanal 16 der
Rippenanordnung des Kühlkörpers. Dadurch erhöht sich die
Luftgeschwindigkeit in den Strömungskanälen 16 des Kühlkörpers.
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Auf der Ausströmseite 14 der Rippenanordnung sind die
Stirnflächen 10 der Kühlrippen 6 keilförmig ausgebildet. Dabei ist
zu beachten, dass diese keilförmige Ausgestaltung der
Stirnflächen 10 möglichst keine Kanten aufweisen sollten. Außerdem
ist es förderlich, wenn die Schrägen der keilförmigen
ausgeformten Stirnflächen 10 konkavförmig sind. Dadurch kann die
Kühlluft A trotz erhöhter Luftgeschwindigkeit ohne
Verwirbelung an den Strömungskanälen 16 ausströmen.
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Durch die Ausgestaltung der beiden Stirnflächen 8 und 10
einer jeden Kühlrippe 6 des Kühlkörpers erhält diese entgegen
der Strömungsrichtung jeweils die Form eines langgestreckten
fallenden Tropfes. Besonders die keilförmige Ausgestaltung
der Stirnflächen 10 an der Ausströmseite 14 einer jeden Rippe
6 der Rippenanordnung trägt wesentlich zur
Gegendruckreduktion bei.
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Die Fig. 4 zeigt einen Strömungsverlauf an Kühlrippen 6 eines
zweiten erfindungsgemäßen Kühlkörpers. Die Kühlluft, die vom
Lüfter 18 erzeugt wird, wird ebenfalls mittels der Pfeile A
dargestellt. Bei dieser besonders vorteilhaften Ausgestaltung
der Kühlrippen 6 sind die Stirnflächen 8 und 10 jeweils
angeschrägt. Diese beiden Stirnflächen 8 und 10 einer jeden
Kühlrippe 6 sind derart angeschrägt, dass die schrägen
Stirnflächen 8 und 10 räumlich parallel verlaufen. Außerdem sind
diese erfindungsgemäß ausgebildeten Kühlrippen 6 zueinander in
Strömungsrichtung der Kühlluft A auf der Flachseite 10 der
Grundplatte 2 derart versetzt angeordnet, dass die Ein- und
Ausströmseite 12 und 14(Einhüllende) jeweils zig-zack-förmig
verlaufen. Wegen der gleichartigen Schrägung einer jeden
Kühlrippe 6 verlaufen diese zig-zack-förmigen Ein- und
Ausströmseiten 12 und 14 phasengleich. Damit die Strömungskanäle
16 im Einströmbereich und Ausströmbereich der Rippenanordnung
nicht offen sind, ist die Grundplatte 2 wesentlich länger als
beim Kühlkörper gemäß Fig. 1. Um wie viel diese Grundplatte 2
länger ist, hängt vom Schrägungswinkel der Schrägen der
Stirnflächen 8 und 10 ab. Je steiler die angeschrägten
Stirnflächen 8 und 10 jeder Kühlrippe 6 sind, um so länger muss
die Grundplatte 2 des Kühlkörpers nach der Erfindung sein.
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Durch diese vorteilhafte Ausgestaltung der Stirnflächen 8 und
10 der Kühlrippen 6 einer Rippenanordnung eines Kühlkörpers
erhält man eine besonders wirtschaftliche Ausführungsform,
die ebenfalls den Gegendruck wesentlich verringert. Dabei
bildet jede Kühlrippe 6 im Bereich der Ein- und Ausströmseite
12 und 14 ein Minibereich, wobei die erfindungsgemäß
ausgebildete Rippenanordnung einen Makrobereich bildet, die
einzeln zur Gegendruckreduktion beitragen.
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In der Fig. 5 ist ein vorteilhafter Kühlkörper nach der
Erfindung dreidimensional dargestellt. Dieser vorteilhafte
Kühlkörper weist Kühlrippen 6 auf, die gemäß der Fig. 4 auf einer
Grundplatte 2 angeordnet sind, und deren Stirnflächen 8 und
10 jeweils angeschrägt sind. Diese Kühlrippen 6 sind in Nuten
26 der Grundplatte 2 eingepresst. Außerdem weist dieser
Kühlkörper eine zweite Grundplatte 28 auf, die mit einer
Flachseite auf den Schmalseiten der freien Enden der Kühlrippen 6
angeordnet ist. Damit auch diese zweite Grundplatte 28 mit
den Kühlrippen 6 verpresst werden kann, weist die eine
Flachseite ebenfalls Nuten auf. Dadurch, dass eine zweite
Grundplatte 28 vorgesehen ist, sind die Strömungskanäle 16 bis auf
die Ein- und Ausströmseite 12 und 14 verschlossen. Außerdem
können somit auf den noch freien Flachseiten 20 und 30 der
beiden Grundkörper 2 und 28 Leistungshalbleiter lösbar
befestigt werden. Zur Vergrößerung der Oberfläche der Kühlrippe 6
sind diese jeweils mit Querrippen versehen, die in
Strömungsrichtung der Kühlluft A verlaufen.
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Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Kühlrippen 6 im
Ein- und Ausströmbereich einer Rippenanordnung eines
Kühlkörpers werden die Komponenten b und c des Formfaktors ζ
wesentlich verkleinert, wenn nicht sogar eleminiert. Dadurch wird
der der Kühlluftströmung entgegengesetzte Gegendruck
erheblich reduziert. Dadurch werden keine Lüfter 18 mit hohen
mechanischen Leistungen mehr benötigt, um die gleiche
Wärmemenge ≙ abzuführen. Somit verringern sich nicht nur diese
Systemkosten, sondern auch der Aufwand an Wartung.