DE102007023058A1

DE102007023058A1 - Kühlplattensystem

Info

Publication number: DE102007023058A1
Application number: DE200710023058
Authority: DE
Inventors: Ingolf Hoffmann
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2007-05-16
Filing date: 2007-05-16
Publication date: 2008-10-30

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Kühlplattensystem mit wenigstens einer einen Kühlmittelkanal (4) aufweisenden Kühlplatte (2), wobei dieser Kühlmittelkanal (4) aus mehreren Edelstahlrohren (6) zusammengefasst ist. Erfindungsgemäß besteht die Kühlplatte (2) aus Aluminiumguss und sind die Mantelflächen der Edelstahlrohre (6) derart behandelt, dass deren Oberflächen vergrößert sind. Somit erhält man eine Kühlplatte (2), die einfach und kostengünstig gefertigt werden kann.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Kühlplattensystem mit wenigstens einer mit einem Kühlmittelkanal aufweisenden Kühlplatte, wobei dieser Kühlmittelkanal aus mehreren Edelstahlrohren zusammengesetzt ist.
Bei elektronischen Geräten, beispielsweise Stromrichtergeräten, die mit flüssigem Kühlmittel entwärmt werden, kommen häufig Kühlplatten zum Einsatz, die auch als "Cold Plate" bezeichnet werden.
In einem offenen Kühlsystem fließt ein Kühlmittel, das eine hohe elektrische Leitfähigkeit besitzt. Dieses führt in Verbindung mit freien Ionen und vagabundierenden Strömen zu Zersetzungsprozessen in einer Aluminium-Kühlplatte (Elektrolyse, Redox-Reaktion). Daraus resultiert eine Verschlammung der Aluminium-Kühlplatte (Al₂O₃-Bildung).
Um die Probleme der Elektrolyse des Aluminiums oder der Redox-Reaktion zu vermeiden, werden die Kühlplatten nicht für offene Systeme verwendet. Wenn doch, dann muss das Kühlmittel des offenen Kühlsystems auf deren Qualität kontrolliert werden. Außerdem muss damit gerechnet werden, dass Dichtungen dieses Kühlsystems regelmäßig kontrolliert werden müssen. Unter Umständen müssen die im offenen Kühlsystem verwendeten Kühlplatten vom entstandenen Schlamm befreit werden.
Bei einem im Handel erhältlichen Stromrichtergerät (Frequenzumrichter VLT AutomationDrive FC 300 von der Firma Danfoss) wird dieses Stromrichtergerät auf eine flüssig gekühlte Teilmontageplatte montiert, die auf der Rückseite eingepresste Kupfer- oder Edelstahlrohre aufweist. Dadurch kann diese Teilmontageplatte mit dem Stromrichtergerät in ein Rückkühlsystem bzw. in eine vorhandene Wasserinfrastruktur integriert werden. Die Fertigung einer derartigen flüssig gekühlten Teilmontageplatte ist technisch aufwändig und dadurch teuer.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein für ein offenes Kühlsystem vorgesehenes Kühlplattensystem anzugeben, das fertigungstechnisch einfach und dadurch preiswert ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Dadurch, dass anstelle von Einpressen von Edelstahlrohren in stranggepressten Aluminiumplatten diese Edelstahlrohre nun mit Aluminium umgossen werden, vereinfacht sich die Fertigung einer flüssigkeitsgekühlten Kühlplatte wesentlich, wobei diese weiterhin in einem offenen Kühlsystem verwendet werden kann. Damit sich beim Umgießen der Edelstahlrohre mit Aluminiumguss die Lunkerdichte möglichst gering bleibt, sind die Edelstahlrohre oberflächenmäßig behandelt. Dabei wird eine Oberflächenbehandlung vorgesehen, wodurch sich die Oberfläche eines Edelstahlrohres vergrößert. Der Gussvorgang selbst findet im Kokillen- oder Werkzeug-Guss statt. Dadurch ist eine kostengünstige Fertigung, insbesondere Serienfertigung, möglich.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform des Kühlplattensystems bestehen die Edelstahlrohre aus nicht rostendem Stahl, insbesondere aus einer V4A-Edelstahllegierung. Dadurch besteht die Möglichkeit, als Kühlmittel Flusswasser zu verwenden.
Bei einem vorteilhaften Kühlplattensystem mit wenigstens zwei erfindungsgemäßen Kühlplatten, werden diese beiden Kühlplatten flüssigkeitsmäßig miteinander verbunden, indem ein Verbindungsanschluss zur Verbindung der beiden Kühlmittelkanäle vorgesehen ist. Dadurch können auch flächenmäßig große Kühlsysteme wirtschaftlich gefertigt werden.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Kühlplattensystems mit wenigstens zwei erfindungsgemäßen Kühlplatten sind Verbindungselemente der zu verbindenden Kühlplatten derart ausgebildet, dass eine formflüssige Verbindung entsteht. Dadurch benötigt man beim Zusammensetzen von jeweils zwei Kühlplatten keine weiteren Hilfsmittel und keine Werkzeuge. Dadurch ist der Fertigungsaufwand für ein Kühlplattensystem mit wenigstens zwei Kühlplatten minimal.
Zur Vergrößerung der Oberfläche eines Edelstahlrohres können spangebende Verfahren und Umformertechniken eingesetzt werden. Bei der Verwendung von spangebenden Verfahren wird Material abgetragen, so dass sich die Wandstärke des Edelstahlrohres verringert. Soll bei der Oberflächenvergrößerung eines Edelstahlrohres seine Wandstärke konstant bleiben, so bietet sich die Umformtechnik an. Zu diesen Umformtechniken gehören Pressen, Schmieden und Blasen. Eine weitere Umformtechnik ist das Wellmantelverfahren.
Eine bevorzugte Oberflächenbehandlung eines Edelstahlrohres besteht darin, dass nach einem Ätzvorgang die gereinigte Oberfläche sandgestrahlt wird. Dadurch ist die Oberfläche dieses Edelstahlrohres übersät mit einer Vielzahl von Einwölbungen, die jeweils die Größe eines Quartzsandkornes aufweisen. Dadurch ist diese Oberfläche um ein Vielfaches vergrößert worden, wodurch während des Gießverfahrens des Aluminiums jedes Edelstahlrohr eine Kühlplatte mit einer verringerten Lunkerdichte umschließt.
Damit an der Grenzfläche Edelstahl – Aluminiumguss ein metallischer Übergangsbereich entstehen kann, wird während des Gussvorganges darauf geachtet, dass die Edelstahlrohre und der Aluminiumguss derart temperiert werden, dass die Temperaturgradienten dieser beiden Materialien gleich sind. Der metallische Übergangsbereich stellt eine ideale Verbindung von Edelstahl und Aluminiumguss dar, der annähernd lunkerfrei ist. Dadurch erhält man eine kühlmitteläquivalente Kühlplatte zur handelsüblichen Kühlplatte mit eingepressten Edelstahl rohren, die jedoch fertigungstechnisch einfacher und damit preiswerter ist.
Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in der zwei Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Kühlplattensystems schematisch veranschaulicht sind.
1 zeigt eine Ausführungsform einer Kühlplatte des erfindungsgemäßen Kühlplattensystems, wobei in der
2 ein aus zwei Kühlplatten bestehendes erfindungsgemäßes Kühlplattensystem dargestellt ist.
In der 1 ist eine Draufsicht auf eine Kühlplatte 2 eines erfindungsgemäßen Kühlplattensystems schematisch dargestellt. Diese Kühlplatte 2 beinhaltet einen Kühlmittelkanal 4, der aus einer Anzahl von Edelstahlrohren 6 zusammengesetzt ist. Gemäß dieser Darstellung weist dieser Kühlmittelkanal 4 eine Vielzahl von Windungen auf, die in zwei Windungsgruppen 8 und 10 unterteilt sind. Diese beiden Windungsgruppen 8 und 10 sind derart nebeneinander angeordnet, dass deren Windungsenden, zueinander rechtwinklig angeordnet sind. Diese beiden Windungsenden 12 und 14 dieses Kühlmittelkanals 4 sind aus der Kühlplatte 2 herausgeführt und sind jeweils mit einem Anschluss 16 versehen. Das Ende 12 des Kühlmittelkanals 4 bildet zusammen mit dem Anschluss 16 einen Kühlmittelzulauf, wogegen das Ende 14 des Kühlmittelkanals zusammen mit dem Anschluss 16 einen Kühlmittelablauf bildet. Dadurch wird die Windungsgruppe 8 als erstes mit frischem Kühlmittel durchströmt. Mit dem Kühlplattenteil mit der Windungsgruppe 8 sind Beschaltungselemente 18 von Stromrichterventilen und Elektrolytkondensatoren 20 eines Zwischenkreiskondensators eines Spannungszwischenkreis-Umrichters thermisch leitend verbunden. Die Platzierung dieser Bauelemente 18 und 20 sind jeweils mittels einer unterbrochenen Linie markiert. Diese Bauelemente 18 und 20 weisen gegenüber den abschaltbaren Leistungshalbleiterschaltern 22 des lastseitigen Stromrichters dieses Spannungszwischenkreis-Umrichters eine wesentlich geringere Verlustleistung auf, so dass das einströmende Kühl mittel nur unwesentlich aufgewärmt wird. Die Platzierung der abschaltbaren Leistungshalbleiterschalter 22, die in dieser Ausführungsform als Schraubmodul verwendet werden, sind ebenfalls mittels unterbrochener Linie im Kühlplattenbereich mit der Windungsgruppe 10 veranschaulicht. In diesem Kühlplattenbereich mit der Windungsgruppe 10 sind außerdem noch die Stromrichterventile 24 eines netzseitigen Stromrichters eines Spannungszwischenkreis-Umrichters angeordnet. Deren Platzierung ist ebenfalls mittels unterbrochener Linie angedeutet. Abhängig von der Ausführungsform des netzseitigen Stromrichters handelt es sich bei diesem Stromrichterventil 24 um Dioden oder abschaltbaren Leistungshalbleiterschalter, jeweils in der Ausführungsform Schraubmodul.
Durch den unterschiedlichen Windungssinn der beiden Windungsgruppen 8 und 10 fällt die Kühlplatte 2 flächenmäßig klein aus. Es wäre auch möglich gewesen, diese beiden Windungsgruppen 8 und 10 räumlich hintereinander anzuordnen mit unverändertem Windungssinn. Dadurch würde die Kühlplatte eine wesentlich größere Fläche beanspruchen. Bei der räumlichen Anordnung der beiden Windungsgruppen 8 und 10 hintereinander würde ein Wechsel im Windungssinn an der beanspruchten Fläche nichts ändern.
Wie bereits erwähnt, besteht dieser Kühlmittelkanal 4 aus einer Vielzahl von Edelstahlrohren, die zu diesem Kühlmittelkanal 4 zusammengesetzt sind. Für die Herstellung dieses Kühlmittelkanals 4 werden gerade Rohre, bogenförmige Rohre und Winkelrohre benötigt. Diese Edelstahlrohre 6 sind oberflächenbehandelt, bevor diese zum Kühlmittelkanal 4 zusammengefügt werden. Zur Oberflächenbehandlung können spangebende oder umformende Verfahren eingesetzt werden. Bei der Verwendung eines spangebenden Verfahrens verringert sich die Wandstärke eines jeden Edelstahlrohres 6. Bei der Verwendung eines umformenden Verfahrens, wie beispielsweise Pressen, Schmieden oder Blasen, werden zusätzliche Formen benötigt, die den Aufwand zur Herstellung eines oberflächenbehandelten Edelstahlrohres 6 erhöht.
Die bevorzugte Oberflächenbehandlung der Edelstahlrohre 6 ist das Sandstrahlen. Bevor die Edelstahlrohre 6 sandgestrahlt werden, müssen diese von einer Oxydschicht befreit werden. Dies wird durch Ätzen erreicht. Danach werden diese gereinigten Edelstahlrohre sandgestrahlt. Dadurch entsteht auf der Oberfläche eines jeden Edelstahlrohres 6 eine Vielzahl von mikroskopisch kleinen Einbuchtungen, an denen auch Partikel des Quartzsandes anhaften. Diese so behandelten Edelstahlrohre 6 werden anschließend mit flüssigem Aluminium umgossen, wobei der Gussvorgang selbst im Kokillen- oder Werkzeug-Guss stattfindet. Durch die Oberflächenbehandlung eines jeden Edelstahlrohres 6 der Kühlplatte 2 werden diese Rohre 6 annähernd lunkerfrei umschlossen.
Um diesen annähernd lunkerfreien Übergangsbereich zwischen Edelstahlrohr 6 und Aluminiumguss zu verbessern, wird während des Gussvorganges die Edelstahlrohre 6 und der Aluminiumguss derart temperiert, dass der Temperaturgradient des Edelstahls gleich ist dem Temperaturgradienten des Aluminiums. Durch diese Temperierung entsteht im Übergangsbereich ein metallischer Übergangsbereich aus geschmolzenem Edelstahl und Aluminium. Dadurch erhält man eine Kühlplatte 2 mit eingegossenen Edelstahlrohren 6, die der einer Kühlplatte 2 mit eingepressten Edelstahlrohren 6 entspricht, aber fertigungstechnisch viel einfacher ausfällt und damit kostengünstiger ist.
In der 2 ist ein aus zwei Kühlplatten 26 und 28 bestehendes Kühlplattensystem dargestellt. Jede Kühlplatte 26 bzw. 28 weist einen Kühlmittelkanal 4 auf, der aus einer Anzahl von Edelstahlrohren 6 zusammengesetzt ist. Die beiden Enden 12 und 14 dieser Kühlmittelkanäle 4 sind aus den Kühlplatten 26 und 28 herausgeführt. Jeweils eine Seite, beispielsweise eine Schmalseite, dieser nebeneinander angeordneten Kühlplatten 26 und 28 weist ein Verbindungselement 30 bzw. 32 auf. Es ist auch möglich, dass eine Seite einer jeden Kühlplatte 26 und 28 als Verbindungselement 30 bzw. 32 ausgebildet ist. Diese Verbindungselemente 30 bzw. 32 sind derart ausgebildet, dass daraus eine formflüssige Verbindung zweier nebeneinander angeordneter Kühlplatten 26 und 28 entsteht. Das Verbindungselement 30 der Kühlplatte 26 kann beispielsweise eine Nut und das Verbindungselement 32 der Kühlplatte 28 eine Feder sein, wobei im gesteckten Zustand die Feder in der Nut steckt. Im zusammengesteckten Zustand, dargestellt in der 2, ist dann das Verbindungselement 32 der Kühlplatte 28 nicht mehr zu sehen.
Die zu kühlenden Bauelemente 18, 20, 22 und 24 eines Spannungszwischenkreis-Umrichters sind nun auf diese beiden Kühlplatten 26 und 28 angeordnet. Dabei sind die Beschaltungselemente 18 und die Elektrolytkondensatoren 20 des Zwischenkreiskondensators eines Spannungszwischenkreis-Umrichters mit der Kühlplatte 26 thermisch leitend verbunden. Die Leistungshalbleiterschaltermodule 22 und 24 sind thermisch gut leitende mit einer Flachseite der Kühlplatte 28 verbunden. Dabei sind die Stromrichterventile eines netzseitigen Stromrichters dieses Spannungszwischenkreis-Stromrichters im Modul 24 und die Stromrichterventile eines lastseitigen Stromrichters dieses Spannungszwischenkreis-Umrichters auf die beiden Module 22 aufgeteilt.
Damit diese beiden Kühlplatten 26 und 28 kühlmittelmäßig in Reihe geschaltet sind, ist das eine Ende 14 des Kühlmittelskanals 4 der Kühlplatte 26 mittels eines Verbindungsanschlusses 34 mit einem Ende 12 des Kühlmittelkanals 4 der Kühlplatte 28 verbunden. Das Ende 12 des Kühlmittelkanals 4 der Kühlplatte 26 und das Ende 14 des Kühlmittelkanals 4 der Kühlplatte 28 sind jeweils mit einem Anschluss 16 versehen.
Mit diesem erfindungsgemäßen Kühlplattensystem können selbst größere Systeme einfach und kostengünstig realisiert werden, die für offene Kühlsysteme geeignet sind. Bestehen die Edelstahlrohre 6 aus nicht rostendem Stahl, insbesondere einer V4A-Edelstahllegierung, so kann als Kühlmittel sogar Flusswasser verwendet werden.

Claims

Kühlplattensystem mit wenigstens einer mit einem Kühlmittelkanal (4) aufweisenden Kühlplatte (2), wobei dieser Kühlmittelkanal (4) aus mehreren Edelstahlrohren (6) zusammengesetzt ist, wobei die Kühlplatte (2) aus Aluminiumguss besteht, und wobei die Mantelflächen der Edelstahlrohre (6) derart behandelt sind, dass deren Oberflächen vergrößert sind.
Kühlplattensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Edelstahlrohre (6) aus nicht rostendem Stahl bestehen.
Kühlplattensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Edelstahlrohre (6) aus einer V4A-Edelstahllegierung bestehen.
Kühlplattensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3 mit wenigstens zwei Kühlplatten (26, 28), dadurch gekennzeichnet, dass deren Kühlkanäle (4) mittels eines Verbindungsanschlusses (34) flüssigkeitsmäßig miteinander verbunden sind.
Kühlplattensystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die zu verbindenden Kühlplatten (26, 28) jeweils ein Verbindungselement (30, 32) aufweisen.
Kühlplattensystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungselemente (30, 32) der zu verbindenden Kühlplatten (26, 28) derart ausgebildet sind, dass eine formschlüssig Verbindung entsteht.
Kühlplattensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zur Oberflächenvergrößerung der Edelstahlrohre (6) spangebende Verfahren eingesetzt sind.
Kühlplattensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zur Oberflächenvergrößerung der Edelstahlrohre (6) umformende Verfahren eingesetzt sind.
Kühlplattensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zur Oberflächenvergrößerung der Edelstahlrohre (6) diese sandgestrahlt sind.
Kühlplattensystem nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlmittelkanal (4) eine Vielzahl von Windungen aufweist.
Kühlplattensystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Windungen des Kühlmittelkanals (4) in zwei unterschiedliche Richtungen zueinander angeordnet sind.
Kühlplattensystem nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Kühlflüssigkeit Wasser vorgesehen.