DE102004027747A1

DE102004027747A1 - Wärmetransporteinrichtung

Info

Publication number: DE102004027747A1
Application number: DE200410027747
Authority: DE
Inventors: Sepp Hanke
Original assignee: HARTMANN EVA
Current assignee: HARTMANN EVA
Priority date: 2004-06-07
Filing date: 2004-06-07
Publication date: 2005-12-22

Abstract

Bei einer Wärmetransporteinrichtung (10) zum Kühlen oder Temperieren eines auf einer definierten Betriebstemperatur zu betreibenden Geräts mit einer Kühl- und/oder Wärmetauschereinrichtung, die mindestens einen Durchflusskanal (14) für ein Wärmetransportfluid umfasst, der wendel- oder spiralförmig durch einen mit einem zu kühlenden Gerät oder Bereich in gutem Wärmekontakt stehenden Block (12) verläuft, der als mechanischer Träger für das zu temperierende Gerät - Sensor, Lager, Elektronikelement - fungiert, ist der das Wärmetransportmittel führende Durchflusskanal (14) mindestens abschnittsweise derart ausgebildet, dass die Kanalwendeln (29) durch in lichter Querschnittsüberlappung stehende Abschnitte von Segmentblechausnehmungen (39/i) gebildet sind, wobei die Segmentbleche (32/i) durch Hartlöten fest miteinander verbunden sind und abschnittsweise ebene Kanalabschnitte beranden, die um die Blechdicke der Segmentbleche gegeneinander versetzt sind. Die Segmentbleche sind in einem Laserschneidverfahren automatisch mit hoher Präzision herstellbar, so dass auch ein maschinelles Stapeln der Segmentbleche zu der Blockkonfiguration ohne weiteres möglich ist. Bei Verwendung relativ dünner Metallbleche sind Durchflusskanäle mit z. B. flach rechteckigen Querschnittsformen realisierbar, die ein besonders günstiges Verhältnis von Wärmeübergangsfläche zum Kanalvolumen bzw. dem Volumen des die Kanäle durchströmenden Wärmetransportfluids ergeben.

Description

Die Erfindung betrifft eine Wärmetransporteinrichtung zum Kühlen oder Temperieren eines gegen überhöhte Temperatur zu schützenden Geräts oder Bauelements oder eines bei einer definierten Betriebstemperatur zu betreibenden Geräts und mit den weiteren, im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 genannten, gattungsbestimmenden Merkmalen.
Derartige Wärmetransporteinrichtungen haben eine Kühleinrichtung oder eine Wärmetauschereinrichtung, mit mindestens einem Durchflusskanal für ein Wärmetransportfluid, der wendelförmig oder spiralförmig durch einen Metallblock verläuft, der mit dem zu kühlenden Gerät oder Teil eines solchen in gutem Wärmekontakt steht und in der Regel als mechanischer Träger für das zu temperierende Gerät, oder Maschinenelement, z. B. einen Sensor oder ein Lager genutzt ist.
Bei bekannten Wärmetransporteinrichtungen dieser Art sind die Kühler oder Wärmetauscher mittels Wendel- oder spulenförmig, ggf. auch spiral- oder mäanderförmig verlaufender Rohre realisiert, die mit dem zu kühlenden Teil eines Metallblockes oder eines Gerätegehäuses z. B. durch Ankleben oder Verlöten in gutem Wärmekontakt gehalten sind, so dass zum Zweck der Kühlung aus einem Block abzuführende Wärme gut auf das in dem Röhrensystem zirkulierende Wärmetransportfluid übertragen und abgeführt werden kann beziehungsweise über das Rohrsystem mittels des Wärmetransportfluids zugeführte Wärme mit günstigem Wirkungsgrad auf das zu temperierende Objekt übertragen werden kann.
Diese Art der Realisierung von Wärmetransporteinrichtungen ist mit einer Reihe von Nachteilen behaftet, von denen beispielhaft die folgenden erwähnt seien:
Die Herstellung der Kühl- und/oder Wärmetauscheinheit mit der jeweils geeigneten Geometrie und deren An- oder Einbau an/in ein Gehäuse eines zu kühlenden Geräts, z. B. eines Pyrometers, das zur Erfassung einer hohen Prozesstemperatur benutzbar sein soll, ist aufwendig und erfordert meist handwerklich durchgeführte Arbeiten, die zeitund kostenaufwendig sind. Die zur Verfügung stehenden Leitungsrohre haben aufgrund ihres in der Regel kreisrunden Querschnittes eine ungünstige Relation von Wärmeübertragungsfläche und Transportvolumen, so dass Kühlschlangen oder Wärmetauscher, die mit Rohren kreisrunden Querschnitts realisiert sind, zwangsläufig vergleichsweise großvolumig bauen, was z. B. für einen Einsatz in Bereichen, in denen hohe Drücke herrschen, aus Stabilitätsgründen sowie aus Dichtigkeitsgründen ungünstig ist.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Wärmetransporteinrichtung der eingangs genannten Art anzugeben, die sowohl einfach aufgebaut und einer rationellen Fertigung zugänglich ist und mit einem erheblich günstigeren Verhältnis von Wärmeübertragungsfläche zu Fluidtransportvolumen realisierbar ist als eine mit Rohren kreisrunden Querschnitts verwirklichte Wärmetransporteinrichtung.
Diese Aufgabe wird, dem Grundgedanken nach, durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.
Hiernach hat der von Wärmetransportfluid durchströmte Gehäuseblock des zu temperierenden Geräts einen mehrschichtigen Aufbau, derart, dass das Wärmetransportfluid führende Kanäle mindestens abschnittsweise dadurch gebildet sind, dass Kanalwendeln durch in lichter Querschnittsüberlappung stehende Abschnitte von Segmentblechaussparungen des Blockes gebildet sind, wobei die den Gehäuseblock bildenden Segmentbleche stoffschlüssig fest miteinander verbunden sind und abschnittsweise ebene Kanalabschnitte beranden, die um die Blechdicke der Segmentbleche oder ein niedrigzahliges Vielfaches hiervon gegeneinander versetzt sind.
Die erfindungsgemäße Wärmetransporteinrichtung vermittelt zumindest die folgenden technischen Vorteile:
Die Segmentbleche des im gefügten Zustand die Wärmetransportfluid führenden Kanäle bildenden Blockes sind in einem NC- oder CNC-gesteuerten Laserschneidverfahren automatisch mit hoher Präzision herstellbar, so dass auch ein maschinelles Stapeln der Segmentbleche zu der Blockkonfiguration ohne weiteres möglich ist. Bei Verwendung relativ dünner Metallbleche sind die Durchflusskanäle mit z. B. flach rechteckigen Querschnittsformen realisierbar, die ein besonders günstiges Verhältnis von Wärmeübergangsfläche zum Kanalvolumen bzw. dem Volumen des die Kanäle durchströmenden Wärmetransportfluids ergeben, d. h. bei relativ kleinem Bauvolumen eine hohe Kühl- bzw. Temperierwirkung erreichen lassen. Die bei der Blockherstellung zur Anwendung gelangende Mehrschichttechnik eröffnet vielfältige Möglichkeiten der Gestaltung der Kanalführung, die mit rohrförmigen Leitungselementen nicht oder allenfalls mit großem Aufwand erzielbar wäre. Auch das Fügen zahlreicher Segmentbleche ist problemlos automatisierbar.
Für den Fall, dass die Segmentbleche durch Kleben gefügt werden sollen, eignet sich hierzu ein aushärtbarer Lack, mit dem die Segmentbleche besprüht oder durch Eintauchen in ein Lackbad benetzt werden, bevor sie, erforderlichenfalls nach Abtropfen überschüssigen Klebstoffmaterials, in die geschichtete Konfiguration gebracht werden, in der sie, z. B. durch thermisch beschleunigtes Aushärten des Klebstoffmaterials zu dem einheitlichen Block gefügt werden. Um im Falle eines Fügens des Blockes mittels eines Klebstoffes, z. B. eines aushärtbarem Mehrkomponentenharzes eine gute Wärmeleitfähigkeit der Klebstoffschicht zu erzielen, kann es zweckmäßig sein, in den Kunststoff thermisch gut leitendes Material, z. B. Metallstaub einzubetten.
Bei einem Fügen des Metallblocks durch Löten, vorzugsweise in einem Hart- oder Hochtemperaturlötprozess, wird in jedem Falle eine thermisch gut leitende Verbindung zwischen den einzelnen Segmentblechen erzielt.
Mit Hilfe von Segmentplatten, die aus einem mit Metallplatten verlötbaren Keramikmaterial bestehen, das eine wesentlich geringere Wärmeleitfähigkeit hat als gängige Metalle wie Stahl oder Aluminium das eine besonders hohe Wärmeleitfähigkeit hat, können auf unterschiedlichem Temperaturniveau zu haltende Blockbereiche auf einfache Weise gegeneinander abgesetzt werden wobei sich zwischen einem Bereich des Blockes, der in der Nähe einer Wärmequelle angeordnet ist und einem Bereich des Blockes, der sich praktisch auf Umgebungstemperatur befindet, eine treppenoder kaskadenartige Struktur des Temperaturverlaufs im Block erzielen lässt.
Hierzu geeignet ist eine gemäß Anspruch 7 vorgesehene Gestaltung der Wärmetransporteinrichtung derart, dass auf verschiedenen Seiten einer Keramikplatte angeordnete kühlbare Abschnitte des Blockes jeweils einem eigenen Wärmetransportkreislauf zugeordnet sind.
Wenn, wie gemäß Anspruch 8 vorgesehen, kühlbare Blockteile hydraulisch hintereinander geschaltet sind, so dass sich zwischen nacheinander durchströmten kühlbaren Bereichen ein Temperaturgefälle ergibt, oder wenn, wie gemäß Anspruch 9 vorgesehen, verschiedenen Bereichen eines BLockes zugeordnete Transportmittelkanäle hydraulisch parallel geschaltet sind, so dass sich in sämtlichen Teilbereichen dieselbe Temperatur aufrecht erhalten lässt, so können für solche hydraulischen Leitungsverbindungen erforderliche Vorlaufleitungen und Rücklaufleitungen jeweils durch miteinander fluchtende Öffnungen der Segmentbleche und ggf. der keramischen Zwischenstücke gebildet sein.
Mit Hilfe von Segmentblechen unterschiedlicher Dicke, vorzugsweise in einer Anordnung derart, dass die Dicke innerhalb des Blockes zwischen einem Minimalwert und einem Maximalwert schrittweise monoton zunimmt, lässt sich mit einfachen Mitteln das Temperaturprofil zwischen maximaler und minimaler Blocktemperatur beeinflussen.
Bei einer Ausbildung der erfindungsgemäßen Wärmetransporteinrichtung als Kühler können Segmentbleche unterschiedlichen äußeren Durchmessers alternierend als Blockkernteile und als Kühlrippen bildende Teile genutzt werden, d. h. zusätzlich zu der "Flüssigkeits"-Kühlung mittels des durch den Kernbereich des Blocks geleiteten Wärmetransportfluids auch eine "äußere" Luftkühlung realisiert werden.
Wenn, wie gemäß Anspruch 14 vorgeschlagen, mindestens zwei Kühlkreisläufe vorgesehen sind, die mit verschiedenen Wärmetransportfluiden betreibbar sind, ist es besonders vorteilhaft, wenn, wie gemäß Anspruch 5 vorgeschla gen, in mindestens einem der Kühlkreisläufe ein Gas als Wärmetransportfluid eingesetzt ist, vorzugsweise in demjenigen Kühlkreislauf, in dem Wärme auf hohem Temperaturniveau anfällt, da hierbei die hohe Wärmeleitfähigkeit eines Gases besonders effektiv zum Wärmeabtransport und Übertragung auf den Kühlkreislauf niedrigerer Temperatur genutzt werden kann, der mit einer Flüssigkeit als Wärmetransportfluid betrieben wird.
Bei Verwendung eines relativ kalten Gases, z. B. eines unmittelbar durch Verdampfen flüssigen Stickstoffes gewonnenes Stickstoffgases, das z. B. in eine einen empfindlichen Sensor enthaltende Kammer eingeleitet wird, ist es besonders zweckmäßig, einen direkten Zulaufkanal zu der "Gas"-Kammer vorzusehen, der auf kürzestem Weg vom Gasanschluss in diese Kammer führt und mit einem thermisch schlecht leitenden Material ausgekleidet ist, z. B. einem Silikon- oder einem Teflonschlauch, der einen durch miteinander fluchtende Öffnungen von Segmentplatten gebildeten Kanal nur punktuell berührt, was sich durch eine entsprechende Gestaltung der Ränder der miteinander fluchtenden Segmentblechöffnungen auf einfache Weise erreichen lässt.
Weitere Einzelheiten der erfindungsgemäßen Wärmetransporteinrichtung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung spezieller Ausführungsbeispiele anhand der Zeichnung. Es zeigen:
1 Eine schematisch stark vereinfachte Ansichtsdarstellung einer erfindungsgemäßen Wärmetransporteinrichtung mit einem aus Segmentblechen gefügten Kühlkörper;
2a bis h zum Aufbau des Kühlkörpers der Wärmetransporteinrichtung gemäß 1 geeignete Segmentbleche, jeweils in Draufsicht;
3a einen aus den Segmentblechen gemäß den 2a bis 2h bestehenden Kühlkörper, im Schnitt längs der Linie IIIa-IIIa der 2h;
3b den Kühlkörper gemäß 3a im Schnitt längs der Linie IIIb-IIIb der 2h;
4 einen Kühlkörper eines weiteren Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Wärmetransporteinrichtung, bei der zur Kühlung ein flüssiges und ein gasförmiges Wärmetransportmedium einsetzbar sind, in einer der Darstellung der 3a u. 3b entsprechenden, schematisch stark vereinfachten Ansichtsdarstellung;
5a ein zum Aufbau des Kühlkörpers gemäß 4 geeignetes Segmentblech in einer den 2a bis 2h entsprechenden Darstellung;
5b eine Detailansicht eines Segmentbleches zur Verbindung zweier Wendelbereiche des Strömungskanals des Kühlkörpers gemäß 4;
6a ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Wärmetransporteinrichtung in einer der 1 entsprechenden, jedoch weiter schematisch vereinfachten Darstellung; und
6b ein Detail der Lagerung eines Gaszuführungsrohres in dem Kühlkörper der Einrichtung gemäß 6a, im Schnitt längs der Linie VIb-VIb der 6a.
Für die in der 1 insgesamt mit 10 bezeichnete Wärmetransporteinrichtung sei zum Zweck der Erläuterung – ohne Beschränkung der Allgemeinheit – zunächst eine Ausbildung als Kühler für einen lediglich schematisch angedeuteten Sensor 11 vorausgesetzt, der in einer Umgebung, die hohen Temperaturen ausgesetzt ist, zur Messung einer physikalischen Größe, z. B. Druck, Temperatur, Orientierung eines Magnetfeldes, Intensität einer Strahlung oder dergleichen einsetzbar und gegen eine Beschädigung durch die hohe Umgebungstemperatur geschützt sein soll. In diesem angenommenen Fallbeispiel soll durch die Kühlung im Ergebnis eine Erweiterung des Temperaturbereiches erzielt werden, innerhalb dessen der Sensor zuverlässig arbeitet.
Ein möglicher Einsatzzweck der Wärmetransporteinrichtung 10 kann auch die Kühlung eines Geräts sein, z. B. die Kühlung einer "kleinen" Fernsehkamera, die an einem Roboterfahrzeug installiert ist, das für eine Beobachtung gefährlicher Bereiche gedacht ist, z. B. von Brandherden, die ansonsten nicht zugänglich wären. Den insoweit geschilderten Einsatzzwecken der Wärmetransporteinrichtung 10 ist gemeinsam, dass ein möglichst geringer Raumbedarf eine wichtige Voraussetzung für ein weit gefächertes Einsatzfeld der erfindungsgemäßen Wärmetransporteinrichtung darstellt.
Diesen Forderungen wird bei der Wärmetransporteinrichtung 10 gemäß 1 durch eine Reihe nachfolgend im Detail erläuterter baulicher Maßnahmen Rechnung getragen:
Die Wärmetransporteinrichtung 10 umfasst einen der Grundform nach zylindrisch-rohrförmigen, "dickwandigen", insgesamt mit 12 bezeichneten Kühlkörper, in dessen Mantel 13 ein insgesamt mit 14 bezeichneter Strömungskanal für ein Wärmetransportfluid verläuft, dem über einen Zulaufanschluss 16 Wärmetransportfluid mittels einer im übrigen nicht dargestellten Fördereinrichtung zugeleitet ist, das nach Durchströmen des Strömungskanals über einen Rücklaufanschluss 17 des Strömungskanals von dem Kühlkörper 12 zurück zur nicht dargestellten Förder- und Konditionierungseinrichtung strömt, in der das Wärmetransportfluid wieder gekühlt und somit für den Wärmetransportkreislauf konditioniert wird.
Für den Sensor 11 sei, entsprechend der schematischen Darstellung der 1 vorausgesetzt, dass er ein langgestrecktes, zylindrisch-topfförmiges Metallgehäuse 18 hat, das mit der Innenseite des zylindrischen Kühlkörpers 12 in gutem Wärmekontakt steht, z. B. dadurch, dass das Metallgehäuse 18 des Sensors 11 ein Außengewinde 19/a hat, das mit einem Innengewinde 21/i des zylindrischrohrförmigen Kühlkörpers 12 in kämmendem Eingriff steht; hierbei ist vorausgesetzt, dass der Sensor 11 mit seinem Gehäuse 18 von der Anschlussseite, d. h. gemäß der Darstellung der 1 von rechts her in den Kühlkörper 12 einschraubbar ist, der an seiner gegenüberliegenden Seite durch eine Keramikplatte 22, z. B. eine kreisrunde Scheibe aus Aluminiumoxid (Al₂O₃) abgeschlossen ist, die fest mit dem Kühlkörper 12 verbunden ist.
In der in den Kühlkörper 12 eingesetzten Anordnung des Sensors 11 kann dessen Gehäuse an der Keramikplatte 12 axial abgestützt und so weit gegen den Kühlkörper 12 verspannt sein, dass die Gewindegänge des Sensorgehäuses 18 "satt" an die gegenüberliegend angeordneten Gewindegänge des Innengewindes 21/i des Kühlkörpers 12 gepresst sind, dass der für die Temperierung gute Wärmekontakt zwischen dem Kühlkörper und dem Sensorgehäuse gegeben ist. Die hierfür erforderliche Festigkeit der Verbindung zwischen der Keramikplatte 22 und dem Kühlkörper 12 wird durch eine Hartlotverbindung der Keramik mit dem Metall des Kühlkörpers 12 erreicht.
Bei dem zur Erläuterung gewählten Ausführungsbeispiel ist das Sensorgehäuse 18 an einem in den Kühlkörper 12 eingesetzten Sprengring 23 axial abgestützt sein, so dass die Keramikplatte 22 axial nicht belastet ist und daher mit einer geringen Materialdicke realisierbar ist.
Bei dem zur Erläuterung angenommenen Ausführungsbeispiel der Wärmetransporteinrichtung 10 ist das auf die jeweilige Überwachungsgröße ansprechende Sensorelement 24 von der Keramikplatte 22, die sich an dem dem Überwachungsraum zugeordneten Ende des Kühlkörpers 12 befindet, in einem Abstand angeordnet, der, gemessen in Richtung der zentralen Längsachse 26 des Kühlkörpers 12, etwa ¾ der Länge L des Kühlkörpers 12 entspricht, wobei das Sensorelement 24 an seiner der Keramikplatte 22 abgewandten Seite im Bereich einer inneren Bodenstufe 27 des Sensorgehäuses 18 angeordnet ist, mit der dieses seinerseits an einer Ringstirnfläche 28/s eines in den Kühlkörper 12 als Konterteil eingeschraubten Stützteiles 28 anliegt. Hierdurch sowie durch den Gewindeeingriff des Sensorgehäuses 18 mit dem Kühlkörper 12 ist das Sensorgehäuse mit dem Kühlkörper in gutem thermischen Kontakt gehalten.
Der im Betrieb der Wärmetransporteinrichtung 10 von Wärmetransportfluid durchflossene Strömungskanal 14 ist in demjenigen Abschnitt des Kühlkörpers 12, der das Sensor gehäuse 18 umgibt, wendelförmig ausgebildet, mit einer Vielzahl von Windungen 29/W, die koaxial bezüglich der zentralen Längsachse 26 der Wärmetransporteinrichtung 10 verlaufen.
Zulaufseitig ist dieser Wendelabschnitt 29 des Transportfluidströmungskanals 14 über einen "geradlinig" parallel zur zentralen Achse 26 verlaufenden Anschlussabschnitt 29/a mit dem Zulaufanschluss 16 verbunden. Rücklaufseitig ist der Wendelabschnitt 29, der sich praktisch über die gesamte Länge L des Kühlkörpers erstreckt, mit seiner von der Keramikplatte aus gesehen "letzten" – am weitesten entfernten – Windung unmittelbar mit dem Rücklaufanschluss 17 verbunden.
Zur Realisierung des insoweit erläuterten Verlaufs des Transportfluidströmungskanals ist der Kühlkörper 12 zumindest in seinem das Sensorgehäuse 18 umschließenden, etwa ¾ der Länge L des Kühlkörpers umfassenden Teil in einer Multi-Metallschicht-Technik ausgeführt, derart, dass hier der Kühlkörper 12 aus einer Vielzahl von Segmentblechen 32/i gefertigt ist, die durch stoffschlüssige Verbindung zu einem einheitlichen Metallblock gefügt sind, wobei der vergleichsweise komplizierte – wendelförmige – Verlauf des Transportfluidströmungskanals 14 durch insgesamt kommunizierende Ausnehmungen einander jeweils benachbarter Segmentbleche 32/i-1, 32/i und 32/i+1 gebildet ist, die bereichsweise in Querschnittsüberlappung stehen.
Zu einer mehr in die Einzelheiten gehenden Erläuterung einer möglichen Gestaltung des Kühlkörpers 12 gemäß 1 sei nunmehr auch auf die Detaildarstellungen der 2a bis 2h sowie die Schnittdarstellungen der 3a und 3b verwiesen, in denen hierfür geeignete Gestaltungen und Orientierungen von Segmentblechen 32/1 bis 32/8 dargestellt sind, mit der diese Segmentbleche durch Hartlöten zu dem in den 3a und 3b dargestellten Kühlkörper 12 gefügt werden können.
Zum Zweck der Erläuterung ist in den 3a und 3b lediglich der in praxi meist irrelevante Fall dargestellt, dass der Transportfluidströmungspfad 14 zwischen dem Zulaufanschluss 16 und dem Rücklaufanschluss 17 nur eine einzige, die zentrale Achse 26 des Kühlkörpers 12 vollständig umschließende Windung hat, die durch fünf Segmentbleche 32/2 bis 32/6 (2a bis 2e) gebildet ist, welche zwischen einem Anschlusssegmentblech 32/1 und einem Querkanalsegmentblech 32/7 angeordnet sind, das einen den "geraden" Anschlusskanalabschnitt 14/a des Transportfluidströmungskanals 14 mit dessen wendelförmig verlaufendem Abschnitt 29 kommunizierend verbindenden "kurzen" Querkanalabschnitt 14/q hat und durch ein ringscheibenförmiges Abschlusssegmentblech 32/8 an der dem Anschlusssegmentblech 32/1 gegenüberliegenden Stirnseite des Kühlkörpers 12 flüssigkeitsdicht abgeschlossen ist.
Bei der zur Erläuterung gewählten Gestaltung des Kühlkörpers 12 sind dessen Segmentbleche 32/i (i=1 bis 8) als Kreisringscheiben gleichen Durchmessers D ihres äußeren Kreisrandes 33 und gleichen lichten Durchmessers d ihrer zentralen kreisrunden Öffnungen 34 ausgebildet, die konzentrisch bezüglich der Scheibenmittelpunkte 26/m angeordnet sind.
Die Segmentbleche 32/2 bis 32/7 gemäß den 2a bis 2e sind mit randnahen – radial äußeren – bei dem zur Erläuterung gewählten Darstellungsbeispiel nierenförmigen Ausnehmungen 36/a versehen, die, wenn die Segmentbleche 32/2 bis 32/6 mit den aus den 2a bis 2e ersichtlichen Orientierungen zu dem Kühlkörper 12 gemäß den 3a und 3b fest gefügt sind, in miteinander fluchtender Anordnung den "geradlinig" gestreckten Anschlussabschnitt 14/a des Wärmetransportmittelströmungskanals 14 bilden, der über eine kreisrunde Anschlussstutzenöffnung 37 des Anschlusssegmentbleches 32/1 mit einem der Versorgungsanschlüsse des nicht dargestellten Transportmittelkonditionierungsaggregats verbindbar ist.
Desweiteren sind die in den 2a bis 2e dargestellten Segmentbleche 32/2 bis 32/6 mit radial inneren, sektorförmigen Ausnehmungen 39/2 bis 39/6 versehen, die bei dem aus den Segmentblechen 32/1 bis 32/8 gefügten Kühlblock 12, entlang dessen zentraler Achse 26 gesehen, alternierend in Überlappung ihrer lichten Querschnitte miteinander stehen und Abschnitte einer die zentrale Achse 26 des Kühlkopfs 12 komplett umschließende Kühlwindung des Wärmetransportmittelkanals 14 ergeben. Diese "eine" Wärmetransportkanalwindung steht über das Querkanalsegmentblech 32/7 mit dem gestreckten Kanalabschnitt 14/a des Wärmetransportmittelkanals 14 in kommunizierender Verbindung und ist über die radial innere Anschlussstutzenöffnung 39 des Anschlusssegmentbleches 32/1 (2h) an das nicht dargestellte Wärmetransportmittelkonditionierungsaggregat anschließbar.
Bei der zur Erläuterung gewählten Gestaltung des Kühlkörpers 12 sind die Anschlussstutzenöffnungen 37 und 39 des Anschlusssegmentbleches 32/1 (2h) als kreisrunde Öffnungen ausgebildet, deren jeweilige zentrale Achse 41 bzw. 42 parallel zur zentralen Achse der jeweiligen zentralen Öffnung 34 der Segmentbleche 32/i verlaufen und mit dieser je eine die zentrale Achse 26 des Kühlkörpers enthaltende Radialebene 43 bzw. 44 aufspannen, die sich ent lang der zentralen Achse 26 des Kühlkörpers 12 rechtwinklig schneiden.
In der 3a ist im Schnitt längs der Radialebene 43 der 2h diejenige Konfiguration der den Kühlkörper 12 bildenden Segmentbleche 32/1 bis 32/8 dargestellt, die sich ergibt, wenn die Segmentbleche 32/2 bis 32/8 mit der in Draufsicht dargestellten Orientierung gemäß den 2a bis 2h auf das Anschlusssegmentblech 32/1 aufeinandergelegt und in dieser Konfiguration fest miteinander verbunden werden.
In der 3b ist diejenige Konfiguration der Segmentbleche 32/1 bis 32/8 dargestellt, die sich für den Segmentblechstapel auf analoge Weise im Schnitt längs der Radialebene 44 des Anschlusssegmentblechs 32/1 gemäß 2h ergibt, in der die Schnittebene 44 durch die radial innere Anschlussstutzenöffnung 39 – als Symmetrieebene derselben – verläuft.
Die Segmentbleche 32/2 bis 32/7 gemäß den 2a bis 2f sind jeweils mit derselben Orientierung ihrer Radialebenen 43 und 44 dargestellt, wie anhand der 2h erläutert, und werden in dieser Konfiguration auch stoffschlüssig, insbesondere durch Hartlöten, zu dem Kühlkörper 12 gefügt.
Die in fluchtender Anordnung (3a) den gestreckten Wärmetransportmittelkanalabschnitt 14/a bildenden radial äußeren Ausnehmungen 36/a sind radial innen und radial außen kreisbogenförmig berandet und erstrecken sich beim dargestellten Ausführungsbeispiel über einen Winkelbereich a von ca. 35°, z. B, einen Winkelbereich zwischen 30 und 40°. Diese radial äußeren Ausnehmungen 36/a sind symmetrisch bezüglich der Radialebene 43.
Die radial inneren Ausnehmungen 39/2 bis 39/5, die in aufeinander folgenden Segmentblechen jeweils um 90° gegeneinander versetzt sind, sind radial außen und radial innen ebenfalls kreisbogenförmig berandet und erstrecken sich über einen Sektorbereich von etwas mehr als 90°, z. B. einen Sektorbereich φ zwischen 110° und 120°, wobei diese radial inneren Ausnehmungen 39/2 bis 39/5 jeweils symmetrisch bezüglich der radialen Ebene 42 oder der radialen Ebene 43 (2h) ausgebildet sind.
Entlang der zentralen Achse 26 gesehen einander benachbarte, d. h. um 90° gegeneinander versetzte – radial innere – Ausnehmungen 39/2 bis 39/5 haben daher, je nach dem Betrag ihrer azimutalen Ausdehnung φ (2c) einen Überlappungsbereich 46 zwischen 10° und 15°. Zur Bildung einer vollständigen 360°-Windung sind demgemäß mindestens vier Segmentbleche, z. B. die Segmentbleche 32/2 bis 32/5 mit den in den 2a bis 2d dargestellten Anordnungen der radial äußeren und radial inneren Ausnehmungen 36/a bzw. 39/2 bis 39/5 erforderlich.
Unter der Voraussetzung, dass nur solche Ausnehmungen vorgesehen sind, die im gefügten Zustand des Kühlkörpers auch von Wärmetransportfluid durchströmt sind, werden zur Bildung einer 360°-Windung drei verschiedene Typen von Segmentblechen 32/i benötigt, nämlich insgesamt zwei Segmentbleche wie in der 2a dargestellt, sowie ein Segmentblech 32/3, wie in der 2b dargestellt, d. h. mit einer Anordnung der radial inneren Ausnehmung 39/3 zwischen der radial äußeren Ausnehmung 36/a und der zentralen, kreisrunden Ausnehmung 34 und weiter ein Segmentblech 32/5, wie in der 2d dargestellt, bei dem die zentrale, kreisrunde Ausnehmung 34 zwischen der radial inneren fluidführenden Ausnehmung 39/5 und der radial äußeren fluidführenden Ausnehmung 36/a angeordnet ist.
Bei den in den 2b und 2d dargestellten Segmentblechen 32/2 bzw. 32/5 sind die den gestreckten Kanal 14 und die die sektorförmigen Windungsabschnitte bildenden Ausnehmungen 39/3 sowie 39/5 symmetrisch bezüglich der Radialebene 43 ausgebildet, die durch die zentrale Achse 41 des gestreckten Anschlusskanals 14/a und die zentrale Achse 26 des Kühlkörpers 12 aufgespannt ist.
Diese beiden Typen von Segmentblechen können durch einen einzigen Segmentblechtyp ersetzt werden, bei dem, wie gestrichelt in der 2b angedeutet, in Opposition zu derjenigen radial äußeren Ausnehmung 36/a, der unmittelbar benachbart die radial innere Ausnehmung 39/3 angeordnet ist, – jenseits der zentralen Achse 26 – eine zweite radial äußere Ausnehmung 36/ao vorgesehen ist, die in der Orientierung des Segmentbleches gemäß 2d zur Bildung des gestreckten Kanals 14/a benutzbar ist und in der Orientierung gemäß 2b "blind" – ungenutzt – bleibt.
Zum Anschluss des von der Anschlussseite, an der die Zulauf- und Rücklaufanschlüsse 16 und 17 angeordnet sind, entfernten Endes 14/e (3a)des gewundenen Abschnittes 29 des Strömungskanals 14 an den gestreckten Kanal 14/a dient das Segmentblech 32/7 gemäß 2f, das mit der Querkanalausnehmung 14/q versehen ist, die den Anschluss der Windung an den gestreckten Kanalabschnitt 14/a vermittelt, die insgesamt durch das Abschlusssegmentblech 32/8 abgeschlossen werden.
Es versteht sich, dass zwischen einem Segmentblech 32/1 gemäß 2h, an das ein Segmentblech 32/2 gemäß 2a angesetzt ist, und einem Querkanalsegmentblech 32/7, das mittels eines Abdecksegmentbleches 32/8 gemäß 2g abgedeckt ist, eine beliebige Anzahl von Kanalwindungen an geordnet sein können, die in entsprechender Vielfachheit durch die Segmentbleche 32/3 bis 32/6 gemäß den 2b bis 2e gebildet sind. Bei Blechdicken von z. B. 1 mm trägt jede Windung nur mit 4 mm zur Länge des Kühlkörpers 12 bei.
Je nach Anordnung eines zu kühlenden Geräts relativ zu dem Kühlkörper 12, wie anhand der 2 und 3 erläutert, kann es zweckmäßig sein, gekühltes Wärmetransportfluid entweder über den gestreckten Kanalabschnitt 14/a zuzuführen, mit der Folge, dass die Temperatur des Wärmetransportmittels an der der Anschlussseite fernen Stirnseite des Kühlkörpers signifikant niedriger ist als an der Anschlussseite, oder, alternativ hierzu, das erwärmte Wärmetransportmittel über den gestreckten Anschlusskanal 14/a abzuführen, d. h. diejenige Betriebsweise zu wählen, in der die Temperatur des Wärmetransportfluids an der Anschlussseite den Minimalwert hat.
Der in der 4 insgesamt mit 50 bezeichnete Kühlkörper ist zu dem anhand der 1 bis 3c erläuterten Kühlkörper 10 weitgehend bau- und funktionsanalog, so dass es zu seiner Erläuterung als ausreichend angesehen wird, auf bauliche und funktionelle Unterschiede gegenüber dem schon erläuterten Kühlkörper 10 einzugehen.
Der Kühlkörper 50 unterscheidet sich von dem Kühlkörper 10 gemäß den 1 bis 3c im Wesentlichen dadurch, dass anstelle eines gestreckten Anschlussabschnittes, in dem das Wärmetransportfluid gleichsam in der zur Flussrichtung im Wendelabschnitt 29 entgegengesetzten Richtung strömt, ebenfalls ein gewendelter Transportfluidkanal vorgesehen ist, derart, dass zwei bezüglich der zentralen Achse 26 des Kühlkörpers 50 gleichsam konzentrische Wendelabschnitte 29/1 und 29/2 vorgesehen sind, deren Ver sorgungsanschlüsse sich an einem einseitig angeordneten Anschlusssegmentblech 52/1 befinden. Zur Bildung der konzentrischen Wendelabschnitte sind der Darstellung der 5a entsprechende Segmentbleche 52/i (i=2 bis n) vorgesehen, die alle dieselbe Form haben.
Die beiden wendelförmigen Strömungspfade 29/1 und 29/2 sind durch ein am anschlussfernen Ende angeordnetes Querkanalsegmentblech 52/q im Sinne einer hydraulischen Hintereinanderschaltung miteinander gekoppelt (5b). Der Querkanalabschnitt des Querkanalsegmentbleches ist flüssigkeitsdicht durch ein als Kreisscheibe ausgebildetes Keramikabschlusselement 52/a abgeschlossen, das an das benachbarte Querkanalsegment 52/q angelötet ist.
Die zwischen dem Querkanalsegment 52/q und dem Anschlusssegmentblech 52/1 angeordneten Segmentbleche 52/2 bis 52/n sind wiederum als Kreisringscheiben ausgebildet, die eine dem äußeren Rand 53 des Segmentbleches benachbarte, schlitzförmige Ausnehmung 54/a und eine dem inneren kreisförmigen Rand 56 des jeweiligen Segmentbleches 52/i benachbarte, innere schlitzförmige Ausnehmung 54/i haben, die konzentrisch bezüglich der zentralen Achse 26 des Kühlkörpers 50 verlaufen und jeweils durch kreisbogenförmig gekrümmte, innere und äußere Ränder sowie radial an diese anschließende innere und äußere Querränder 57/i und 57/a berandet sind.
In Richtung der zentralen Längsachse der Segmentbleche 52/i bzw. des Kühlkörpers 50 gesehen, haben die äußeren Ausnehmungen 54/a und die inneren Ausnehmungen 54/i dieselbe azimutale Weite φ, die größer ist als 180° und einen typischen Wert um 200° hat.
Die Segmentbleche 52/i sind symmetrisch bezüglich derjenigen Ebene 58 ausgebildet, die die Winkelhalbierende Ebene ist, die die Hälfte der azimutalen Ausdehnung φ markiert. Des weiteren ist die Anordnung der radial äußeren schlitzförmigen Ausnehmung 54/a und der radial inneren kreisschlitzförmigen Ausnehmung 54/i so gewählt, dass der gemeinsame Winkelbereich Δφ ihrer azimutalen Ausdehnung beidseits der Symmetrieebene 58 gleich groß ist und dem Minimalwert entspricht. Bei dem zur Erläuterung gewählten Fallbeispiel, bei dem die azimutale Ausdehnung der äußeren und der inneren Ausnehmungen 54/a und 54/i jeweils 200° ist, beträgt der gemeinsame Überlappungsbereich beidseits der Symmetrieebene 58 jeweils 20°.
Die Radien r/i und r/a des radial inneren Randes 59/ri und des radial äußeren Randes 59/ra der radial inneren Ausnehmungen 54/i sowie die Radien R/i und R/a des radial inneren Randes 59/Ri und des radial äußeren Randes 59/Ra der äußeren schlitzförmigen Ausnehmungen 54/a sind so gewählt, dass die radialen Ausdehnungen der zwischen dem äußeren Rand 53 jeweiligen Segmentbleches und dem äußeren Rand 59/Ra der äußeren schlitzförmigen Ausnehmung 54/a sowie zwischen den schlitzförmigen Ausnehmungen 54/a und 54/i sowie zwischen der inneren schlitzförmigen Ausnehmung 54/i und dem Rand 56 der zentralen Öffnung des jeweiligen Segmentbleches 52/i verbleibenden schmalen sektorförmigen Stege 61/a und 61/m sowie 61/i jeweils denselben Betrag Δr haben.
Das Fügen der Segmentbleche 52/i zu dem einheitlichen Kühlkörper 50 gemäß 4 erfolgt in einer Anordnung, in der die einander benachbarten Segmentbleche jeweils um 120° relativ zueinander um die zentrale Achse 26 gedreht sind, wobei, entlang dieser zentralen Achse 26 gesehen, die Drehung von Segment zu Segment jeweils in demselben Drehsinn – Uhrzeiger- oder Gegenuhrzeigersinn – erfolgt ist. Dadurch ergibt sich bei gleichsinniger Umströmung der zentralen Achse 26 in den beiden Wendelabschnitten 29/1 und 29/2 gegenläufige Strömungsrichtung in Richtung der Achse 26 gesehen.
Mit Kühlkörpern 10 und/oder 50, wie anhand der 1 bis 3c sowie 4 bis 5b erläutert, können auch komplexere Wärmetransporteinrichtungen realisiert werden.
Zur Erläuterung diesbezüglicher Varianten sei zunächst auf die 6a Bezug genommen, bei der zwischen einer Kühlgaskammer 62, in der ein zu kühlendes Sensorelement angeordnet ist, und einem Kühlkörper 50, wie anhand der 4 bis 5b erläutert, ein Kühlkörper 10, wie anhand der 1 bis 3b erläutert, angeordnet ist.
Die beiden Kühlkreisläufe sind hydraulisch parallel geschaltet, und werden mit demselben Wärmetransportfluid betrieben, das in einer lediglich schematisch angedeuteten Konditioniereinrichtung 63 aufbereitet wird.
Hierbei ist vorausgesetzt, dass der "Zulauf" an den gestreckten Abschnitt 14/a des Transportfluidströmungskanals des Kühlkörpers 10 angeschlossen ist.
Der durch die Segmentbleche 32/i gebildete Kühlkörper 10 ist gegenüber dem aus den Segmentblechen 52/i bestehenden Kühlkörper 50 durch eine Keramikringscheibe 64 abgesetzt. Auch der Kühlkörper 10 ist gegenüber der Kühlgaskammer 62 durch eine Keramikringscheibe 66, die an ihrer der Kühlgaskammer 62 zugewandten Innenseite das Sensorelement 64 trägt, im Wesentlichen gasdicht abgegrenzt.
Die Kühlgaszufuhr in die Gaskammer 62 erfolgt durch ein dünnwandiges Edelstahlrohr 67, das einen geraden "gestreckten" Kanal durchsetzt, der durch miteinander fluchtende Ausnehmungen der Segmentbleche 52/i des Kühlkörpers 50, der Keramikscheibe 64, der Segmentbleche 32/i sowie der Keramikscheibe 66 gebildet ist, die gleichsam den Boden der Kühlgaskammer 62 bildet, die ihrerseits an der dem Sensorelement 24 abgewandten Seite durch eine Keramikscheibe 68 abgeschlossen ist.
Das Kühlgas wird mittels eines nicht dargestellten Gebläses aus einer eigenen lediglich schematisch angedeuteten Kühlgasquelle 69 über das Edelstahlrohr 67 zugeführt, das lediglich in eine seinem Außendurchmesser entsprechenden Öffnung der Keramikscheibe 66 eingelötet ist und ansonsten lediglich "punktförmig" an inneren Stützrippen 71 von Ausnehmungen nur einiger weniger Segmentbleche des Kühlkörpers 50 und/oder des Kühlkörpers 10 radial abgestützt ist.
Eine Rückgewinnung des Kühlgases ist nicht erforderlich, so dass dieses an einer beliebigen geeigneten Stelle der Wärmetransporteinrichtung abgeblasen werden kann.
Bei Wärmetransporteinrichtungen der geschilderten Art mit mehrschichtigen Kühlkörpern können mittels der erläuterten Segmentstruktur auch auf einfache Weise "äußere" Kühlrippen geschaffen sein, derart, dass auf Segmentbleche, die gleichsam den Kern eines Kühlkörpers bilden, jeweils Segmentbleche mit größerem Außendurchmesser folgen, welche die mit Kühlluft anströmbaren Rippen bilden.
Die aus einer Vielzahl von Segmentblechen – mehrschichtig aufgebauten Kühlkörper 10 und/oder 50 gemäß den 1 und 4 eignen sich insbesondere für eine Fertigung im mehrfachen Nutzen, derart, dass die den einzelnen Schichten zugeordneten Segmentbleche jeweils in einem definierten Matrixraster mehrfach zusammenhängend ausgebildet werden, so dass durch Aufeinanderlegen solcher Segmentplatten gleichzeitig die Stapelung einer Vielzahl von Segmentblechen zu der jeweiligen Kühlkörperkonfiguration erfolgt, in der diese Bleche miteinander verlötet werden, wonach zur Vereinzelung der Kühlkörper lediglich noch die Trennung der Brücken zwischen den im übrigen fertigen Kühlkörpern erforderlich ist.
Es versteht sich, dass in der anhand von Kühlern erläuterten Mehrschichtbauweise auch Wärmetauscher realisiert werden können.

Claims

Wärmetransporteinrichtung (10) zum Kühlen oder Temperieren eines auf einer definierten Betriebstemperatur zu betretenden Geräts mit einer Kühl- und/oder Wärmetauschereinrichtung, die mindestens einen Durchflusskanal (14) für ein Wärmetransportfluid umfasst, der Wendel- oder spiralförmig durch einen mit einem zu kühlenden Gerät oder Bereich in gutem Wärmekontakt stehenden Block (12; 50) verläuft, der als mechanischer Träger für das zu temperierende Gerät – Sensor, Lager, Elektronikelement – fungiert, dadurch gekennzeichnet, dass der das Wärmetransportmittel führende Kanal (14) mindestens abschnittsweise derart ausgebildet ist, dass die Kanalwendeln (29) durch in lichter Querschnittsüberlappung stehende Abschnitte von Segmentblechaussparungen (39/i; 54/a, 54/i) gebildet sind, wobei die Segmentbleche (32/i; 52/i) stoffschlüssig fest miteinander verbunden sind und abschnittsweise ebene Kanalabschnitte beranden, die um die Blechdicke der Segmentbleche gegeneinander versetzt sind.
Wärmetransporteinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die stoffschlüssigfeste Verbindung der Segmentbleche (32/i; 52/i) durch Löten erzielt ist.
Wärmetransporteinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Lötung in einem Hart- oder Hochtemperaturlötprozess erfolgt.
Wärmetransporteinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Block (12; 50) mindestens eine Segmentplatte umfasst, die aus einem Keramikmaterial besteht, das durch Lötung mit mindestens einem benachbarten Segmentblech fügbar ist.
Wärmetransporteinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Keramiksegment (64; 66) zwischen zwei Segmentblechen angeordnet und mit diesen verlötet ist.
Wärmetransporteinrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Keramiksegment (64) zwischen mit Wärmetransportkanälen versehenen Abschnitten eines Gehäuses angeordnet ist.
Wärmetransporteinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweils einseitig von der Keramikplatte (64) angeordneten kühlbaren Abschnitte jeweils einem eigenen Wärmetransportkreislauf zugeordnet sind.
Wärmetransporteinrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden kühlbaren Blockteile hydraulisch hintereinander geschaltet sind, und dass eine Vorlaufleitung vorgesehen ist, die durch miteinander fluchtende Ausnehmungen der Segmentplatten und der Keramikscheibe gebildet ist und von einem Zulaufanschluss aus direkt in den thermisch extremalen Bereich des Mehrschichtblockes führt.
Wärmetransporteinrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die verschiedenen Temperaturbereiche des Blocks zugeordneten Transportmittelkanäle hydraulisch parallel geschaltet sind, wobei eine gemeinsame Zulaufleitung und eine gemeinsame Rücklaufleitung jeweils durch miteinander fluchtende Öffnung der Segmentbleche und des keramischen Zwischenstücks gebildet sind.
Wärmetransporteinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass Segmentbleche unterschiedlicher Dicke vorgesehen sind.
Wärmetransporteinrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der Segmentbleche zwischen einem Wert minimaler Dicke und einem Wert maximaler Dicke schrittweise monoton zunimmt.
Wärmetransporteinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, gekennzeichnet durch ihre Ausbildung als Kühler.
Wärmetransporteinrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Segmentbleche alternierend als Kernteile und als äußere radiale Kühlrippen bildende Teile ausgebildet sind, wobei die zur Temperierung vorgesehenen Transportmittelkanäle in den Kernteilen und den an diese unmittelbar anschließenden Kernbereichen der Kühlrippensegmente angeordnet sind.
Wärmetransporteinrichtung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Kühlkreisläufe vorgesehen sind, die mit verschiedenen Wärmetransportfluiden betreibbar sind.
Wärmetransporteinrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass in mindestens einem der Kühl kreisläufe ein Gas als Wärmetransportfluid eingesetzt ist.
Wärmetransporteinrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass als Kühlfluid ein auf Verdampfungstemperatur bei Normalbedingungen befindliches nicht brennbares Gas wie Stickstoff oder ein Edelgas – z. B. Argon – genutzt ist, das über eine thermisch isolierte Zuflussleitung (67) in eine Kühlkammer (62) gelangt, in der ein zu kühlendes Messelement (24) angeordnet ist.
Wärmetransporteinrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuflussleitung zylindrischrohrförmig ausgebildet ist und durch koaxial angeordnete Öffnungen der Segmentplatten des Metallblocks hindurchtritt und in dem durch die Öffnungen berandeten Kanal durch radial nach innen vorspringende Haltenasen (71) von Öffnungsrändern einiger der Segmentbleche (32/i; 52/i) kraftschlüssig fixiert, z. B. eingeklemmt ist.
Wärmetransporteinrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Gaszuleitungsrohr als dünnwandiges Edelstahlrohr (67) mit einer thermisch isolierenden Außenbeschichtung gebildet ist, die aus einem bei Normaltemperatur nachgiebigen Kunststoffmaterial besteht.