DE102006011794B3

DE102006011794B3 - Wärmetauscher

Info

Publication number: DE102006011794B3
Application number: DE102006011794A
Authority: DE
Inventors: Walter Nicolai; Joachim Maul
Original assignee: Rittal GmbH and Co KG
Current assignee: Rittal GmbH and Co KG
Priority date: 2006-03-15
Filing date: 2006-03-15
Publication date: 2007-09-13
Anticipated expiration: 2026-03-16

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher mit einem zu temperierenden Substrat, wobei dem Substrat ein Strömungskanal zugeordnet ist, und wobei im Strömungskanal ein oder mehrere Strömungsleitelemente angeordnet sind. Zur Verbesserung des Wirkungsgrades eines solchen Wärmetauschers ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass das Strömungselement Strömungsleitstrukturen aufweist, die zumindest einen Teil des über die Substratoberfläche geführten Fluidstromes von der Substratoberfläche ableiten und die zumindest einen Teil des in Abstand von der Substratoberfläche geführten Fluides in Richtung auf die Substratoberfläche lenken.

Description

Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher mit einem zu temperierenden Substrat, wobei dem Substrat ein Strömungskanal zugeordnet ist, und wobei im Strömungskanal ein oder mehrere Strömungsleitelemente angeordnet sind.

Ein derartiger Wärmetauscher ist aus der DE 102 33 736 B3 bekannt. Dabei ist ein zu kühlendes Substrat in Form einer Platte verwendet. Diese Platte ist von einer Vielzahl von matrixartig angeordneten Löchern durchdrungen. Die Platte wird beidseitig mit einem vorbei streichenden Kühlluftstrom beaufschlagt. Dabei wird die Wärme des Substrats an den Kühlluftstrom übertragen. Zur Verbesserung des Wärmeübertrages sind Verwirbelungsstege verwendet. Diese sind einteilig an das Substrat angeformt und erstrecken sich quer zur Strömungsrichtung des Kühlluftstromes.

Es ist Aufgabe der Erfindung, einen Wärmetauscher der eingangs erwähnten Art zu schaffen, bei dem die Wärmeableitung von dem zu kühlenden Substrat verbessert ist.

Diese Aufgabe wird bei einem Wärmetauscher nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 dadurch gelöst, dass das Strömungsleitelement Strömungsleitstrukturen aufweist, die zumindest einen Teil des über die Substratoberfläche geführten Fluidstromes von der Substratoberfläche ableiten und die zumindest einen Teil des in Abstand von der Substratoberfläche geführten Fluides in Richtung auf die Substratoberfläche lenken.

Mit dem Strömungsleitelement wird somit eine kreuzweise Ablenkung des Kühlfluidstromes vorgenommen. Dementsprechend wird das im Bereich der Oberfläche des Substrates geleitete Kühlfluid (Luft oder Flüssigkeit) vom Substrat weggeführt. Dafür wird kälteres Kühlfluid, das in einer der Substratoberfläche entfernten Strömungsschicht geführt wird, auf die Substratoberfläche geleitet.

Infolge dieses aktiven Fluidtausches wird die Wärmeabfuhr von der Substratoberfläche deutlich verbessert und damit ein besserer Wirkungsgrad möglich.

Gemäß einer bevorzugten Erfindungsausgestaltung kann es vorgesehen sein, dass der Strömungskanal eine Kanalabdeckung aufweist, die den Kanal begrenzt und parallel beabstandet zu der Oberfläche des Substrates angeordnet ist, und dass das Strömungsleitelement den im Bereich dieser Kanalabdeckung geführten Fluidstrom auf die Oberfläche des Substrates lenkt und dass das Strömungselement zumindest einen Teil des im Bereich der Oberfläche des Substrates geführten Fluidstromes der Kanalabdeckung zuführt. Auf diese Weise wird ein Strömungsaustausch zwischen den zwei Strömungsschichtungen bewirkt, die im Strömungskanal den höchsten Temperaturunterschied aufweisen. Dabei kann es insbesondere auch vorgesehen sein, dass die Kanalabdeckung zumindest teilweise aus einem gut Wärme leitenden Material besteht. Sie unterstützt dann aktiv die Wärmeabfuhr aus dem Strömungskanal.

Eine weitere Wirkungsgradverbesserung lässt sich dann erreichen, wenn vorgesehen ist, dass im Strömungskanal in Strömungsrichtung vor oder hinter dem Strömungsleitelement wenigstens ein Strömungsverwirbelungs-Element angeordnet ist, das lokal die Strömung im Bereich der Oberfläche des Substrates verwirbelt. Diese Strömungsleitelemente sind besonders dann wirkungsvoll, wenn sie eine turbulente Strömung erzeugen. Um die gesamte Strömung in einem Querschnittsbereich des Strömungskanals austauschen zu können, kann eine Erfindungsvariante dergestalt sein, dass das Strömungsleitelement sich quer zur Strömungsrichtung und über die gesamte Höhe des Strömungskanals erstreckt.

Die Wärmetauscher werden beispielsweise in Verbindung mit einem oder mehreren Peltier-Elementen eingesetzt. Die Erfindung betrifft dementsprechend auch einen Wärmetauscher mit wenigstens einem Peltier-Element, das eine Wärme aufnehmende (kalte Seite) und eine Wärme abgebende Seite (warme Seite) aufweist, wobei einer oder beiden Seiten ein Substrat zum Wärmeübertrag zugeordnet ist, und wobei dem Substrat ein Strömungskanal (13) zugeordnet ist.

Auch bei diesem Wärmetauscher ist es Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte Wärmeleitung von dem Substrat zu erreichen.

Diese Aufgabe wird bei einem Wärmetauscher nach dem Oberbegriff des Anspruches 7 dadurch gelöst, dass im Strömungskanal ein oder mehrere Strömungsleitelemente angeordnet sind, die Strömungsleitstrukturen aufweisen, und dass diese Strömungsleitstrukturen im Strömungskanal sich überkreuzende Teil-Fluidströme erzeugen.

Bezüglich der Vorteile dieser Ausgestaltung wird auf die vorstehenden Ausführungen Bezug genommen.

Dieser Wärmetauscher kann dadurch gekennzeichnet sein, dass das Substrat aus zwei oder mehreren Teilelementen besteht, und dass das Strömungsleitelement zwischen den Teilelementen angeordnet ist.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert. Es zeigen:
1 in Seitenansicht und im Schnitt eine Prinzipdarstellung eines Wärmetauschers,
2 in Explosionsdarstellung einen Wärmetauscher als Prinzipskizze,
3 in Seitenansicht und im Schnitt eine Prinzipdarstellung eines Wärmetauschers,
4 ein Strömungsleitelement in perspektivischer Ansicht von vorne und
5 das Strömungsleitelement gem. 4 in perspektivischer Ansicht von hinten.
Die 1 zeigt einen Wärmetauscher mit mehreren Peltier-Elementen 10. Diese sind jeweils an ihrer kalten und ihrer warmen Seite mit einem Substrat 11, 12 belegt. Das Substrat 11, 12 dient zum Wärmeübertrag zwischen dem Peltier-Element 10 und der Umgebung. Die Substrate 11, 12 sind als Platten mit guter Wärmeleitfähigkeit ausgebildet.
Wie die 1 erkennen lässt, sind jedem Peltier-Element 10 jeweils zwei Substrate 11, 12 zugeordnet. Denkbar ist auch, dass keine Teilplatten, sondern über zwei oder mehrere Peltier-Elemente 10 sich erstreckende Substrate 11, 12, verwendet sind.
Die einzelnen Wärmetauscher können modulartig aufgebaut sein, wie dies die 2 veranschaulicht. Dementsprechend sind die Substrate quadratisch oder rechteckförmig ausgebildet. Wie die 1 weiter zeigt, sind im Bereich zwischen zwei benachbarten Wärmetauschern Strömungsleitelemente 20 eingebaut. Diese sind auf zwei Verbindungsplatten 22, 23, aufgesetzt, die die Substrate 11, 12 benachbarter Wärmetauschermodule verbinden. Vorzugsweise bestehen die Verbindungsplatten 22, 23 aus dem gleichen Material wie die Substrate 11, 12, so dass gleiche Wärmeausdehnungen möglich sind. Die Verbindungsplatten 22, 23 sind in geeigneter Weise über Schnittstellen 21 mit den Substraten 11, 12 verbunden.
Die Gestaltung der Strömungsleitelemente 20 lässt sich detailliert aus den 4 und 5 entnehmen. Wie diese Zeichnungen zeigen, weist das Strömungsleitelement 20 zwei zueinander parallel beabstandete Längswände auf, zwischen denen Querwände eingezogen sind. Die Querwände bilden dabei Kanalabschnitte 25, 26. Die Kanalabschnitte sind unter 45° zur Mittelquerebene geneigt geführt, wobei benachbarte Kanalabschnitte 25, 26 jeweils gegenläufig geneigt sind.
Die Strömungsquerschnitte aller Kanalabschnitte 25, 26 sind gleich gewählt. Es ist jedoch auch denkbar, dass beispielsweise die auf die Substrate 11, 12 gerichteten Kabelabschnitte 25 mit einem größeren Strömungsquerschnitt als die vom Substrat 11, 12 wegleitende Kanalabschnitte 25, 26 auszuführen (oder umgekehrt 26 größer als 25). Damit kann gezielt die Wärmeübertragung optimiert werden.
Wie die 1 zeigt, kann das Strömungsleitelement 20 mit einer Längswand auf die zugeordnete Verbindungsplatte 23 im Bereich zwischen den Schnittstellen 21 positioniert werden.
Parallel beabstandet zu dem Substrat 12 kann eine Kanalabdeckung 15 angebaut werden. Die ist auf die dem Substrat 12 abgekehrte Seite auf die Strömungsleitelemente 20 aufgesetzt, so dass diese gleichzeitig auch als Abstandshalter dienen können. Zwischen der Kanalabdeckung 15 und dem Substrat 12 ist ein Strömungskanal 13 geschaffen. Die Kanalabdeckung 15 kann seitlich angeformte Stege 16 aufweisen, wie dies die 2 zeigt. Somit schafft die Kanalabdeckung 15 einen geschlossenen Strömungskanal 13, der einen Luftein- und einen Luftaustritt für die Kühlluft bildet. Die Strömungsleitelemente 20 erstrecken sich über die gesamte Breite des Strömungskanals 13.
Auf die Oberfläche des Substrates 12 sind jeweils zwei Strömungsverwirbelungs-Elemente 14 aufgesetzt. Diese erstrecken sich stegartig quer zur Strömungsrichtung in Form beispielsweise einer Verwirbelungsstufe im Strömungskanal 13.
Unter Bezugnahme auf die 1 wird nachfolgend die Funktion des Wärmetauschers erläutert. Während des Wärmetauscher-Betriebes erwärmt das Peltier-Element 10 das Substrat 12 und kühlt das Substrat 11. Mittels einer geeigneten, im Bereich des Lufteintritts oder Luftaustritts des Strömungskanals 13 angeordneten Luft-Fördereinrichtung wird Kühlluft in dem Strömungskanal 13 gefördert. Diese streicht über die Oberfläche des Substrates 12 und nimmt dabei Wärme auf. Die Strömungsverwirbelungs-Elemente 14 dienen dabei der Erzeugung einer turbulenten Strömung im Oberflächenbereich. Damit wird die strömende Luft von der Substratoberfläche abgelöst und dort lokal mit der darüber liegenden Schicht verwirbelt. Auf diese Weise wird eine bessere Wärmeabfuhr von der Substratoberfläche möglich. im Anschluss an die Strömungsverwirbelungs-Elemente 14 gelangt die strömende Luft zu den Strömungsleitelementen 20. Das Strömungsleitelement 20 dient zur zwangsweisen Ablenkung der im Bereich der Oberfläche des Substrates 12 und der Oberfläche der Kanalabdeckung 15 geführten Strömungsschichten. Die an der Kanalabdeckung geführte, relativ kühle Luft wird auf die Oberfläche des Substrates 12 gelenkt, während die über die Oberfläche des Substrates 12 streichende relativ wärmere Luft in Richtung auf die Kanalabdeckung geführt wird.
Somit tauscht das Strömungsleitelement 20 die Luftschichten kreuzweise aus. Dadurch wird eine effektivere Wärmeabfuhr von dem Substrat 12 möglich.
In der 3 ist eine erweiterte Ausführungsform des Wärmetauschers gem. den 1 und 2 gezeigt.
Dabei entspricht der Aufbau dieses Wärmetauschers dem gem. 1 und 2. Zusätzlich ist jedoch im Bereich des Substrates 11 eine weitere baugleiche Kanalabdeckung 15 verwendet. Diese bildet zusammen mit dem Substrat 11 einen Strömungskanal 13, durch den eine Luftströmung geleitet wird. Die Luftströmung gibt dabei Wärme an das vom Peltier-Element 10 gekühlte Substrat 11 ab. Mit den auch in diesem Strömungskanal 13 eingesetzten Strömungsleitelementen 20 und Strömungsverwirbelungs-Elementen 14 werden vergleichbare Strömungseffekte wie in den dem Substrat 12 zugeordneten Strömungskanal 13 erreicht. Die Strömungskanäle 13 können, wie 2 veranschaulicht, im Gegenstromprinzip oder im Gleichstromprinzip beaufschlagt ein. Denkbar ist auch, dass die Luftströme um 90° versetzt den Wärmetauscher durchströmen.

Claims

Wärmetauscher mit einem zu temperierenden Substrat (11, 12), wobei dem Substrat (11, 12) ein Strömungskanal (13) zugeordnet ist, und wobei im Strömungskanal (13) ein oder mehrere Strömungsleitelemente (20) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass das Strömungsleitelement (20) Strömungsleitstrukturen aufweist, die zumindest einen Teil des über die Substratoberfläche geführten Fluidstromes von der Substratoberfläche ableiten und die zumindest einen Teil des in Abstand von der Substratoberfläche geführten Fluides in Richtung auf die Substratoberfläche lenken.
Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungskanal (13) eine Kanalabdeckung (15) aufweist, die den Kanal (13) begrenzt und parallel beabstandet zu der Oberfläche des Substrates (11, 12) angeordnet ist, und dass das Strömungsleitelement (20) den im Bereich dieser Kanalabdeckung (15) geführten Fluidstrom auf die Oberfläche des Substrates (11, 12) lenkt.
Wärmetauscher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Strömungsleitelement (20) zumindest einen Teil des im Bereich der Oberfläche des Substrates (11, 12) geführten Fluidstromes der Kanalabdeckung (15) zuführt.
Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass im Strömungskanal (13) in Strömungsrichtung vor oder hinter dem Strömungsleitelement (20) wenigstens ein Strömungsverwirbelungs-Element (14) angeordnet ist, das lokal die Strömung im Bereich der Oberfläche des Substrates (11, 12) verwirbelt.
Wärmetauscher nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Strömungsverwirbelungs-Element (14) eine turbulente Strömung erzeugt.
Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Strömungsleitelement (20) sich quer zur Strömungsrichtung und über die gesamte Höhe des Strömungskanals (13) erstreckt.
Wärmetauscher mit wenigstens einem Peltier-Element (10), das eine Wärme aufnehmende (kalte Seite) und eine Wärme abgebende Seite (warme Seite) aufweist, wobei einer oder beiden Seiten ein Substrat (11, 12) zum Wärmeübertrag zugeordnet ist, und wobei dem Substrat (11, 12) ein Strömungskanal (13) zugeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass im Strömungskanal ein oder mehrere Strömungsleitelemente (20) angeordnet sind, die Strömungsleitstrukturen aufweisen, und dass diese Strömungsleitstrukturen im Strömungskanal sich überkreuzende Teil-Fluidströme erzeugen.
Wärmetauscher gemäß Anspruch 7, gekennzeichnet durch einen der Ansprüche 1 bis 6.
Wärmetauscher nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl im Bereich der Wärme aufnehmenden (kalten) und der Wärme abgebenden Seite des Peltier-Elementes (10) jeweils ein Substrat (11, 12) mit einem zugeordneten Strömungskanal (13) angeordnet ist, und dass in beiden Strömungskanälen (13) jeweils Strömungsleitelemente (20) angeordnet sind.
Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (11, 12) aus zwei oder mehreren Teilelementen besteht, und dass das Strömungsleitelement (20) zwischen den Teilelementen angeordnet ist.