DE102007038909A1

DE102007038909A1 - Wärmeleitrohr und Anordnung mit Wärmeleitrohr

Info

Publication number: DE102007038909A1
Application number: DE102007038909A
Authority: DE
Inventors: Gerhard Dr. Mitic; Karine Dr. Brand; Oliver WÖLFLIK; Axel Kriegsmann
Original assignee: Osram GmbH; Wieland Werke AG
Current assignee: Osram GmbH; Wieland Werke AG
Priority date: 2007-08-17
Filing date: 2007-08-17
Publication date: 2009-02-19
Anticipated expiration: 2027-08-18
Also published as: WO2009024124A2; DE102007038909B4; WO2009024124A3

Abstract

Ein Wärmeleitrohr zur Kühlung einer Wärmequelle (100) umfasst insbesondere eine Wandung (2) mit einer zu einem Innenvolumen (21) gewandten Innenseite (23) und einer vom Innenvolumen (21) abgewandten Außenseite (22), ein Wärmeübertragungsmedium (5) im Innenvolumen (21), einen ersten Teilbereich (11), der geeignet ist, Wärme von der Wärmequelle auf das Wärmeübertragungsmedium (5) zu übertragen, und einen zweiten Teilbereich (12), der geeignet ist, Wärme vom Wärmeübertragungsmedium (5) auf die Umgebung zu übertragen. Dabei ist das Innenvolumen (21) durch die Wandung (2) begrenzt und abgeschlossen, wobei das Wärmeübertragungsmedium (5) zwischen dem ersten und zweiten Teilbereich (11, 12) zirkulieren kann und in der Wandung (2) im zweiten Teilbereich (12) eine Struktur (24) ausgeformt ist.

Description

Es wird ein Wärmeleitrohr zur Kühlung einer Wärmequelle und eine Anordnung mit einem Wärmeleitrohr angegeben.
Scheinwerfer von Automobilen verfügen beispielsweise über Xenon-Lampen, die eine sehr hohe Betriebtemperatur von über 400°C besitzen und Wärme vorwiegend durch Infrarotstrahlung an die Umgebung außerhalb des Scheinwerfers abgeben. Die Abstrahlung ist dabei proportional zur vierten Potenz der Temperatur. Elektrische Komponenten wie etwa Licht emittierende Dioden mit geringerer Betriebstemperatur von maximal bis zu 150°C geben im Vergleich dazu nur einen vernachlässigbaren Anteil der Verlustwärme durch Strahlung an die Umgebung ab. Daher kommen beispielsweise aktive Kühlungen mit forcierter Kühlluft, etwa Lüfter, oder Flüssigkeitskühlkörper mit einem forcierten, d. h. gepumpten, Flüssigkeitsstrom zum Einsatz. Diese Systeme beinhalten bewegte Teile, insbesondere bei einem Lüfter oder einer Pumpe. Jedoch kann es gerade bei Verkehrsmitteln wie Automobilen erforderlich sein, dass den Anforderungen hinsichtlich eines möglichst geringen Platzbedarfs und Gewichts sowie einer hohen Zuverlässigkeit und Ausfallsicherheit Rechnung getragen werden muss.
Zumindest eine Aufgabe von bestimmten Ausführungsformen ist es, ein Wärmeleitrohr zur Kühlung einer Wärmequelle anzugeben. Weiterhin ist es zumindest eine Aufgabe, eine Anordnung mit einem Wärmeleitrohr anzugeben.
Diese Aufgaben werden durch die Gegenstände mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Gegenstände sind in den abhängigen Ansprüchen gekennzeichnet und gehen aus der nachfolgenden Beschreibung und den Zeichnungen hervor.
Ein Wärmeleitrohr zur Kühlung einer Wärmequelle gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst insbesondere

– eine Wandung mit einer zu einem Innenvolumen gewandten Innenseite und einer vom Innenvolumen abgewandten Außenseite,
– ein Wärmeübertragungsmedium im Innenvolumen,
– einen ersten Teilbereich, der geeignet ist, Wärme von der Wärmequelle auf das Wärmeübertragungsmedium zu übertragen, und
– einen zweiten Teilbereich, der geeignet ist, Wärme vom Wärmeübertragungsmedium auf die Umgebung zu übertragen,

– das Innenvolumen durch die Wandung begrenzt und abgeschlossen ist,
– das Wärmeübertragungsmedium zwischen dem ersten und zweiten Teilbereich zirkulieren kann und
– in der Wandung im zweiten Teilbereich eine Struktur ausgeformt ist.

Die Wärmequelle kann dabei am oder auf dem ersten Teilbereich des Wärmeleitrohrs angeordnet sein. Ein guter thermischer Kontakt zwischen der Wärmequelle und dem erste Teilbereich kann weiterhin mittels einer Wärmeleitpaste oder einem Lot erreicht werden. Wärme, das heißt Wärmeenergie, die bei Betrieb der Wärmequelle entstehen kann, kann somit durch den beispielsweise unmittelbaren Kontakt zwischen der Wärmequelle und dem ersten Teilbereich auf den ersten Teilbereich übergehen und abgeleitet werden. Im ersten Teilbereich kann die Wärme auf das Wärmeübertragungsmedium übertragen werden, beispielsweise durch Leitung der Wärme durch die Wandung im ersten Teilbereich und durch den Kontakt von Wärmeübertragungsmedium mit der Innenseite der Wandung im ersten Teilbereich. Dadurch, dass die Wärmequelle am oder auf dem ersten Teilbereich angeordnet ist, kann die von der Wärmequelle erzeugte Wärme nahe der Wärmequelle auf das Wärmeübertragungsmedium übergehen. Insbesondere kann der erste Teilbereich nahe bei oder an einem so genannten „hot spot" der Wärmequelle angeordnet sein. Ein „hot spot" bezeichnet dabei einen Bereich der Wärmequelle, etwa einen Oberflächenbereich, der zumindest lokal eine Temperatur aufweist, die höher ist als die Temperatur dazu benachbarter Bereiche der Wärmequelle.
Die Wärme, die im ersten Teilbereich auf das Wärmeübertragungsmedium übergegangen ist, kann eine Verdampfung des Wärmeübertragungsmediums unmittelbar verursachen, das heißt ohne dass durch weitere Grenzflächen der Wärmewiderstand erhöht wird. Der Dampf kann sich in den zweiten Teilbereich des Wärmeleitrohrs bewegen. Das Wärmeübertragungsmedium kann dabei Wärme an das Wärmeleitrohr, das heißt beispielsweise an die das Innenvolumen begrenzende Innenseite der Wandung im zweiten Teilbereich, abgeben. Durch Abgabe der Wärme an den zweiten Teilbereich des Wärmeleitrohrs, der wiederum die Wärme an die Umgebung abgeben kann, wird das Wärmeübertragungsmedium verflüssigt und fließt durch Schwerkraft oder Kapillarkraft wieder zurück in den ersten Teilbereich, um dort wiederum Wärme von der Wärmequelle aufzunehmen, wodurch die Zirkulation zustande kommen kann. Das Wärmeleitrohr kann dabei im zweiten Teilbereich die aufgenommene Wärme an die Umgebung abgeben, die vorzugsweise eine niedrigere Temperatur als der erste Teilbereich des Wärmeleitrohrs im Betrieb der Wärmequelle aufweist.
Durch die in der Wandung im zweiten Teilbereich ausgeformte Struktur und die dadurch erreichbare Oberflächenvergrößerung kann die Übertragung von wärme vom Wärmeübertragungsmedium auf die Umgebung im Vergleich zu einer unstrukturierten Wandung verbessert werden. Im Gegensatz zu Strukturen, die auf eine unstrukturierte Wandung aufgebracht werden, so etwa Kühlkörper oder Kühlrippen, die auf die Wandung aufgepresst oder aufgeklebt sind, weist das oben beschriebene Wärmeleitrohr zwischen der Wandung und der in der Wandung ausgeformten Struktur keine Grenzfläche auf, die den thermischen Widerstand erheblich erhöhen würde. Auch besteht beim oben genannten Wärmeleitrohr keine Gefahr, dass sich der thermische Kontakt zwischen der Wandung und der Struktur verschlechtern könnte, da die Struktur in der Wandung ausgeformt und damit inhärent dauerhaft stoffschlüssig ausgebildet ist. Auch können ein fertigungstechnischer Aufwand und damit verbundene technische Schwierigkeiten bei der nachträglichen Anbringung von Strukturen auf beziehungsweise an der Wandung, beispielsweise durch geometrische Vorgaben oder Zwangsbedingungen, vermieden werden.
Das verflüssigte Wärmeübertragungsmedium im zweiten Teilbereich kann dann beispielsweise durch Einwirkung einer oder mehrerer Kräfte, etwa durch die Schwerkraft und/oder durch Kapillarkräfte, in den ersten Teilbereich zurücktransportiert werden. Dabei können auch Netzstrukturen, Sinterstrukturen, Dochtstrukturen, Rillen oder Rinnen oder Kombinationen daraus, die in dem Innenvolumen oder das Innenvolumen umgebend in dem Wärmeleitrohr angeordnet sind, geeignet sein, das Wärmeübertragungsmedium vom zweiten Teilbereich in den ersten Teilbereich über Kapillarkräfte zurück zu transportieren.
Beispielsweise im Falle, dass der Rücktransport des Wärmeübertragungsmedium vom zweiten zum ersten Teilbereich durch die Schwerkraft unterstützt und/oder bewirkt wird, kann es vorteilhaft sein, wenn der zweite Teilbereich des Wärmeleitrohrs in Schwerkraftrichtung oberhalb des ersten Teilbereichs angeordnet ist. Die Schwerkraftrichtung ist dabei üblicherweise in Richtung senkrecht zur Erdoberfläche hin gerichtet.
Beispielsweise kann ein Wärmeleitrohr, das nach dem vorgenannten Prinzip Wärme leiten kann, ein Thermosyphon oder ein so genanntes Wärmerohr („heat pipe") umfassen oder ein solches sein. Ein derartiges, nach dem vorgenannten Prinzip arbeitendes Wärmeleitrohr kann vorteilhaft sein, um Wärme ohne zusätzlichen Energieaufwand auf wirtschaftliche Weise effizient vom ersten Teilbereich zum zweiten Teilbereich zu leiten.
Dabei kann das Wärmeübertragungsmedium bevorzugt Wasser aufweisen. Alternativ oder zusätzlich kann das Wärmeübertragungsmedium Ethan, Propan, Butan, Pentan, Propen, Methylamin, Ammoniak, Methanol, Ethanol, Methylbenzen, Aceton und/oder Kohlendioxid oder eine Mischung oder Kombination daraus aufweisen. Beispielsweise kann das Wärmeübertragungsmedium Wasser und ein Frostschutzmittel, beispielsweise einen Alkohol, aufweisen, so dass die Kühlvorrichtung das Wärmeübertragungsmedium in flüssiger Phase auch unterhalb des Gefrierpunkts von Wasser aufweisen kann.
Weiterhin kann im Innenvolumen ein geringerer Druck als der Umgebungsluftdruck in der Umgebung außerhalb des Innenvolumens des Wärmeleitrohrs herrschen. Alternativ kann in dem Innenvolumen auch ein höherer Druck als der Umgebungsluftdruck herrschen. Durch eine Einstellung des Drucks im Innenvolumen kann zusammen mit der Wahl des Wärmeübertragungsmediums ein gewünschter Temperaturbereich, in dem das Wärmeleitrohr effizient arbeiten kann, eingestellt werden.
Das Wärmeleitrohr kann mit dem ersten und zweiten Teilbereich beispielsweise einstückig ausgeführt sein. Weiterhin kann der der erste Teilbereich getrennt vom zweiten Teilbereich herstellbar sein und der erste Teilbereich kann an den zweiten Teilbereich mittels Stecken, Klemmen, Flanschen, Hartlöten, Weichlöten, Schweißen, Kleben oder eine Kombination daraus angeschlossen sein. Dabei kann die so gebildete Anschlussverbindung zwischen dem ersten Teilbereich und dem zweiten Teilbereich eine abgedichtete Verbindung bewirken, so dass im Wärmeleitrohr wie oben beschrieben ein abgeschlossenes Volumen erreicht werden kann.
Weiterhin kann die Struktur im zweiten Teilbereich an der Außenseite der Wandung ausgeformt sein. Dadurch kann etwa der Übergang der Wärme, die im zweiten Teilbereich des Wärmeleitrohrs vom Wärmeübertragungsmedium auf die Wandung übergehen kann, an die Umgebung erleichtert werden. Alternativ oder zusätzlich kann die Struktur an der Innenseite der Wandung im zweiten Teilbereich ausgeformt sein. Dadurch kann etwa der Übergang von wärme vom Wärmeübertragungsmedium auf die Wandung des Wärmeleitrohrs im zweiten Teilbereich erleichtert werden. Dadurch kann auch der Verflüssigungsvorgang effizienter gestaltet werden.
Insbesondere kann die in der Wandung im zweiten Teilbereich ausgeformte Struktur eine Oberflächen vergrößernde Struktur umfassen oder sein. Durch eine solche Oberflächen vergrößernden Struktur kann die Kontaktfläche zwischen der Wandung und dem angrenzenden Medium effektiv erhöht werden. Das angrenzende Medium kann dabei an der Innenseite das Wärmeübertragungsmedium sein, an der Außenseite beispielsweise Luft oder ein anderes Gas oder eine Flüssigkeit. Beispielsweise kann somit bei an der Außenseite ausgeformter Struktur die Kontaktfläche zwischen dem Wärmeleitrohr und der Umgebung, etwa der umgebenden Luft, erhöht werden, wodurch die abgegebene Wärmemenge pro Zeit vom zweiten Teilbereich des Wärmeleitrohrs an die Umgebung im Vergleich zu einem Wärmeleitrohr mit unstrukturierter Außenseite erhöht werden kann. Ähnlich kann die vom Wärmeübertragungsmedium an die Wandung des Wärmeleitrohrs im zweiten Teilbereich abgegebene Wärmemenge pro Zeit durch die Oberflächen vergrößernde Struktur an der Innenseite der Wandung im Vergleich zu einer an der Innenseite unstrukturierten Wandung erhöht werden.
Die Oberflächen vergrößernde Struktur kann dabei Elemente umfassen, die ein hohes Verhältnis von Oberfläche zu Volumen beziehungsweise Masse aufweisen, die also etwa als Rippen, Lamellen oder Finnen ausgeformt sind. Die Rippen, Lamellen oder Finnen können dabei nebeneinander oder ineinander übergehend angeordnet sein.
Beispielsweise kann die Struktur wie etwa die oben genannte Oberflächen vergrößernde Struktur durch eine Umformung eines unstrukturierten Wärmeleitrohrs herstellbar sein. Unter Umformung kann der Fachmann ein nicht abtragendes Verfahren verstehen, das etwa Kaltwalzen sein kann. Durch ein derartiges Umformen kann eine gewünschte Struktur in der Wandung des Wärmeleitrohrs ausgeformt werden, ohne dass ein Materialabtrag wie etwa durch Fräsen oder Schleifen entsteht, was zu günstigen Herstellungskosten führen kann. Eine derartige Herstellung der in der Wandung ausgeformten Struktur kann somit Material sparend sein und an die jeweiligen Anforderungen hinsichtlich der Abmessungen und Geometrie des Wärmeleitrohrs und der in der Wandung ausgeformten Struktur anpassbar sein. Durch das Kaltwalzen kann eine Struktur in der Wandung des Wärmeleitrohrs ausgebildet werden, die stoffschlüssig und ohne Grenzfläche in die Wandung übergeht. Während sich Press- oder Klebeverbindungen, etwa wenn Kühlrippen auf der Außenseite eines Wärmeleitrohrs auf die Wandung aufgebracht werden, mit häufiger Erwärmung und Abkühlung des Wärmeleitrohrs im wechselnden Betrieb der Wärmequelle durch Wärmeausdehnung oder Materialverspannung verschlechtern und somit den Wärmeübergangswiderstand von der Wandung auf die Kühlrippen erhöhen, kann durch eine kaltgewalzte Struktur ein dauerhaft und gleich bleibend niedriger Wärmewiderstand erreicht werden.
Die in der Wandung ausgeformte Struktur kann dabei mittels Kaltwalzverfahren sowohl an der Innenseite wie an der Außenseite als auch an beiden Seiten gleichzeitig ausformbar sein. Dabei können an der Innenseite andere oder gleiche Strukturen wie an der Außenseite ausgeformt werden. Die Struktur kann dabei an der Innenseite wie an der Außenseite um das Innenvolumen umlaufend wie etwa ein Gewinde ausgebildet sein. Durch Änderungen am Kaltwalzwerkzeug oder am Walzdruck können die Elemente der Oberflächen vergrößernden Struktur während des Kaltwalzverfahrens variiert werden, so dass beispielsweise Kühlrippen oder Rillen mit verschiedenen Höhen oder Dicken in verschiedenen Bereichen des Wärmeleitrohrs herstellbar sind.
Beispielsweise kann mittels des Kaltwalzens eine Struktur mit 3 bis 100 Rippen/Zoll, besonders bevorzugt 5 bis 60 Rippen/Zoll herstellbar sein, wobei die Rippen eine Höhe von 0,5 bis 30 mm aufweisen können. Die Grenzen der angegebene Bereiche sind jeweils mit eingeschlossen. Das Teilungsverhältnis, also die Anzahl der Rippen pro Länge, sowie die Rippenhöhe können je nach räumlichen und thermischen Anforderungen an das Wärmeleitrohr angepasst werden und über den Verlauf des Wärmeleitrohrs, insbesondere im zweiten Teilbereich, gleich bleiben oder variieren. Beispielsweise kann die Wandung auf der Außenseite und auf der Innenseite gewindeartig verlaufende Rippen aufweisen, die voneinander verschiedene Teilungsverhältnisse und Rippenhöhen aufweisen. Je nach Wahl des Werkzeugs beim Kaltwalzen können die Rippen oder die Rillen zwischen den Rippen eine sich verjüngende oder eine gleich bleibende Breite beziehungsweise Dicke aufweisen.
Weiterhin können die Elemente der Oberflächen vergrößernden Struktur eine Substruktur aufweisen. Eine solche Substruktur kann wiederum geeignet sein, dass das Verhältnis von Oberfläche zu Volumen beziehungsweise Oberfläche zu Masse der Elemente der Oberflächen vergrößernden Struktur weiter erhöht werden kann. Dabei kann die Substruktur eine Abmessung aufweisen, die kleiner als die Abmessung der Elemente der Oberflächen vergrößernden Struktur ist. Die Substruktur kann beispielsweise Rillen oder Einkerbungen umfassen, die in die Elemente der Oberflächen vergrößernden Struktur geformt sind und die wie die Elemente der Oberflächen vergrößernden Struktur durch ein Kaltwalzverfahren oder auch durch Fräsen oder Prägen herstellbar sein können.
Darüber hinaus können die Elemente der Oberflächen vergrößernden Struktur umgelegt, geknickt, gebogen und/oder gewinkelt sein. Das kann bedeuten, dass die Elemente der Oberflächen vergrößernden Struktur beispielsweise als Rippen oder Finnen radial und scheibenförmig oder gewindeartig um das Innenvolumen des Wärmeleitrohrs ausgeformt sind und zumindest in Teilbereichen umgelegte oder gebogenen Ränder aufweisen. Bei einer derartigen Struktur an der Außenseite der Wandung kann beispielsweise der Querschnitt des Wärmeleitrohrs im zweiten Teilbereich im Vergleich zu nicht umgelegten Elementen der Oberflächen vergrößernden Struktur änderbar sein. Beispielsweise kann in dem Wärmeleitrohr mit einer kreisförmigen Wandung eine Oberflächen vergrößernde Struktur mit ebenfalls kreisförmigem Querschnitt herstellbar sein. Durch teilweises Umlegen der kreisförmigen Elemente der Oberflächen vergrößernden Struktur können Elemente mit einem beliebigen mehr-eckigen Querschnitt, etwa quadratisch oder rechteckig, aber auch dreieckig, sechseckig oder achteckig, herstellbar sein.
Das Wärmeleitrohr kann ein Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit aufweisen, beispielsweise ein Metall wie etwa Kupfer, Aluminium, Stahl und/oder Legierungen, Kombinationen oder Mischungen daraus. Insbesondere kann das Wärmeleitrohr ein Material aufweisen, das durch Kaltwalzen verformbar ist. Weiterhin kann zumindest die Außenseite des Wärmeleitrohrs beschichtet oder eloxiert sein. Da das Wärmeleitrohr zumindest im zweiten Teilbereich einstückig mit der in der Wandung ausgeformten Struktur ausgebildet ist, lässt sich eine glatte, nahtlose Oberfläche herstellen, die sowohl widerstandsfähig gegen äußere Einwirkungen als auch optisch ansprechend sein kann.
Das Wärmeleitrohr kann zumindest teilweise, insbesondere im zweiten Teilbereich, eine längliche, stabförmige Form oder die Form eines gebogenen oder in sich gewundenen oder verdrehten Stabes aufweisen. Insbesondere kann das Wärmeleitrohr, insbesondere das Innenvolumen, dabei einen kreisrunden Querschnitt senkrecht zu einer Längsachse aufweisen. Der erste und der zweite Teilbereich des Wärmeleitrohrs können dabei durch die Endbereiche des Wärmeleitrohrs gebildet sein. Alternativ oder zusätzlich kann ein Wärmeleitrohr auch einen ellipsenförmigen oder einen n-eckigen Querschnitt aufweisen, wobei n eine ganze Zahl größer oder gleich 3 sein kann. Verschiedene Bereiche wie etwa der erste und zweite Teilbereich können dabei voneinander verschieden geformt sein. Weiterhin kann das Wärmeleitrohr auch mehrere getrennt voneinander ausgebildete Innenvolumina mit dem Wärmeübertragungsmedium aufweisen. Darüber hinaus kann des Wärmeleitrohr ein ringartiges Innenvolumen ähnlich wie etwa bei einem Torus oder einem verformten Torus aufweisen, wobei der erste und der zweite Teilbereich jeweils über zwei Bereiche des Innenvolumens miteinander verbunden sind, so dass das Wärmeübertragungsmedium durch einen Bereich des Innenvolumens vom ersten Teilbereich zum zweiten Teilbereich strömen kann und in einem weiteren Bereich des Innenvolumens vom zweiten Teilbereich wieder zurück zum ersten Teilbereich.
Weiterhin kann das Wärmeleitrohr zumindest im zweiten Teilbereich biegbar sein, so dass das Wärmeleitrohr nach der Herstellung der strukturierten Wandung im zweiten Teilbereich beispielsweise gebogen oder geknickt werden kann um an geometrische Vorgaben hinsichtlich des späteren Einbauorts des Wärmeleitrohrs angepasst werden zu können.
Das Wärmeleitrohr kann im ersten Teilbereich weiterhin eine Montagefläche für die Wärmequelle aufweisen. Eine solche Montagefläche kann beispielsweise eine ebene Fläche sein oder eine solche aufweisen. alternativ oder zusätzlich kann die Montagefläche auf eine gekrümmte, gebogene Oberfläche aufweisen oder sein. Insbesondere kann die Montagefläche in ihrer Form an die Form eines Oberflächenbereichs der Wärmequelle angepasst sein, so dass ein großflächiger, formschlüssiger Kontakt zwischen der Wärmequelle und dem Wärmeleitrohr herstellbar ist. Die Montagefläche kann weiterhin beispielsweise Haltelemente wie etwa Klemmen, Klebe- oder Lötpads oder Schraubverbindungen oder Kombinationen daraus aufweisen. Die Montagefläche kann auch Teil eines Hohlkörpers sein, dessen Innenvolumen Teil des Innenvolumens des Wärmeleitrohrs ist. Dadurch kann eine direkte Wärmeübertragung von der Wärmequelle auf das Wärmeübertragungsmedium gewährleistet werden.
Um eine gute Wärmeübertragung von der Wärmequelle auf das Wärmeübertragungsmedium im ersten Teilbereich zu ermöglich kann das Wärmeleitrohr im ersten Teilbereich auf der Innenseite der Wandung eine Oberflächen vergrößernde Struktur wie etwa Rinnen, Rillen, Rippen, Lamellen oder Finnen aufweisen. durch solche Elemente, die ein hohes Verhältnis von Oberfläche zu Volumen beziehungsweise Masse aufweisen, kann die Kontaktfläche zwischen der Innenseite der Wandung und dem Wärmeübertragungsmedium wirksam erhöht werden. Weiterhin kann durch eine derartige Struktur auch bei Temperaturen der Wärmequelle, die über dem Siedepunkt des Wärmeübertragungsmedium liegen können, der Verdampfungsprozess effizienter gestalt und das Auftreten des Leidenfrost-Effekts verhindert oder zumindest vermindert werden, durch den die Übertragung von Wärme auf das Wärmeübertragungsmedium verschlechtert werden kann. Die Struktur an der Innenseite der Wandung im ersten Teilbereich kann dabei wie die Struktur im zweiten Teilbereich durch Kaltwalzen mit den oben erwähnten Vorteilen herstellbar sein.
Eine Anordnung gemäß zumindest einer weiteren Ausführungsform umfasst insbesondere ein Wärmeleitrohr gemäß zumindest einer der oben genannten Ausführungsformen sowie eine im ersten Teilbereich des Wärmeleitrohrs angeordneten Wärmequelle, wobei die Wärmequelle ein elektronisches Bauelement umfassen kann. Ein solches elektronisches Bauelement kann insbesondere eine hohe thermische Verlustleistung aufweisen. Beispielsweise kann das elektronische Bauelement eine Leistungselektronik mit hoher Wärmeentwicklung und/oder ein optoelektronisches Bauelement umfassen. Insbesondere kann das elektronische Bauelement ein strahlungsemittierendes Bauelement umfassen oder sein, das beispielsweise eine strahlungsemittierende Halbleiterschichtenfolge aufweisen kann. Ein optoelektronisches Bauelement kann insbesondere eine optoelektronische Leuchtdiode (LED) oder eine Mehrzahl an LEDs, etwa einen so genannten LED-Stack oder ein LED-Array, aufweisen. Gerade bei LEDs kann das Wärmemanagement einen großen Einfluss auf die Photometrie, also die Abstrahlleistung haben, so dass der Einsatz von LEDs in einer Beleuchtungseinrichtung eine effektive Kühlvorrichtung wie das oben beschriebene Wärmeleitrohr erforderlich machen kann.
Durch die Verwendung des Wärmeleitrohrs kann beispielsweise eine Beleuchtungseinrichtung mit effizienter Kühlung und geringer Baugröße bei flexibler Anordnung des Wärmeleitrohrs relativ zum optoelektronischen Bauelement erreicht werden.
Insbesondere kann die Anordnung Teil eines Beleuchtungsmoduls in einem Verkehrsmittel, etwa einem Scheinwerfer in einem Automobil, Schienenfahrzeug, Wasserfahrzeug, Fahrrad oder Flugzeug sein. Bei solchen Verkehrsmitteln kann die Einbaulage der Kühlvorrichtung oder der Beleuchtungseinrichtung hinsichtlich der Schwerkraftrichtung klar definiert sein, so dass eine dauerhafte Anordnung des zweiten Teilbereichs des Wärmeleitrohrs über dem ersten Teilbereich hinsichtlich der Schwerkraftrichtung wie oben beschrieben sichergestellt werden kann.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den im Folgenden in Verbindung mit den 1A bis 6B beschriebenen Ausführungsformen.
Es zeigen:
1 eine schematische Schnittdarstellungen einer Anordnung eines Wärmeleitrohrs mit einer Wärmequelle gemäß einem Ausführungsbeispiel,
2A bis 2D schematische Darstellungen von Wärmeleitrohren gemäß weiterer Ausführungsbeispiele,
3A und 3B schematische Schnittdarstellungen der Wandung von Wärmeleitrohren gemäß weiteren Ausführungsbeispielen,
4A bis 6 schematische Schnittdarstellungen von Oberflächen vergrößernden Strukturen gemäß weiteren Ausführungsbeispielen und
7 eine schematische Darstellung einer Anordnung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel.
In den Ausführungsbeispielen und Figuren können gleiche oder gleich wirkende Bestandteile jeweils mit den gleichen Bezugszeichen versehen sein. Die dargestellten Elemente und deren Größenverhältnisse untereinander sind grundsätzlich nicht als maßstabsgerecht anzusehen, vielmehr können einzelne Elemente, wie zum Beispiel Schichten, Bauteile, Bauelemente und Bereiche, zur besseren Darstellbarkeit und/oder zum besseren Verständnis übertrieben dick oder groß dimensioniert dargestellt sein.
In der 1 ist eine Anordnung 1000 mit einem Wärmeleitrohr 1 und einer Wärmequelle 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel gezeigt.
Das Wärmeleitrohr 1 weist eine Wandung 2 aus einem Metall auf, das beispielsweise eine Aluminium- oder eine Kupferlegierung oder einen Stahl umfasst und das eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist. Die Wandung begrenzt und umschließt ein Innenvolumen 21, in dem sich ein Wärmeübertragungsmedium 5 befindet. Die Wandung 2 weist dabei eine vom Innenvolumen 21 abgewandte Außenseite 22 und eine zum Innenvolumen 21 gerichtete Innenseite 23 auf, so dass die Innenseite 23 in Kontakt mit dem Wärmeübertragungsmedium 5 steht.
Das Wärmeübertragungsmedium 5 weist im gezeigten Ausführungsbeispiel Wasser auf. Je nach Temperaturbereich passt sich der Innendruck im Innenvolumen 21 an. Das Wärmeleitrohr 1, insbesondere sein Innenvolumen 21, weist eine längliche, stabähnliche, gestreckte Form auf. Alternativ zum gezeigten Ausführungsbeispiel kann das Wärmeleitrohr 1 beispielsweise auch gebogen ausgeführt sein.
Weiterhin weist das Wärmeleitrohr 1 einen ersten Teilbereich 11 auf, der in thermischen Kontakt mit der Wärmequelle 100 steht. Im Betrieb der Wärmequelle 100 wird Wärme erzeugt, die über diesen thermischen Kontakt auf den ersten Teilbereich 11 des Wärmeleitrohrs 1 übergeht. Über den thermischen Kontakt zwischen der Innenseite 23 der Wandung 2 und dem Wärmeübertragungsmedium 5 wird die von der Wärmequelle 100 abgegebene Wärme auf das Wärmeübertragungsmedium 5 übertragen, so dass das Wärmeübertragungsmedium 5 zumindest im ersten Teilbereich 11 erwärmt und gegebenenfalls verdampft wird.
Durch einen formschlüssigen Kontakt und ein Wärmeleitmedium (nicht gezeigt) zwischen der Wärmequelle 100 und dem ersten Teilbereich 11 kann ein geringer thermischer Widerstand an der Kontakt- beziehungsweise Grenzfläche zwischen der Wärmequelle 100 und dem Wärmeleitrohr 1 erreicht werden, so dass eine gute thermische Ankopplung der Wärmequelle 100 an das Wärmeleitrohr 1 ermöglicht wird. Die Wärmequelle 100 kann dabei eine aktive Wärmequelle wie etwa ein elektronisches Bauelement sein, das im Betrieb Abwärme erzeugt, wobei die Art der Wärmequelle 100 keine Beschränkung des gezeigten Ausführungsbeispiels und insbesondere für die Funktionsweise des Wärmeleitrohrs 1 darstellt.
Das Wärmeübertragungsmedium 5 kann im Innenvolumen 21 zirkulieren, so dass beispielsweise durch eine durch eine Verdampfung des Wärmeübertragungsmediums 5 hervorgerufene Strömung 901 das erwärmte Wärmeübertragungsmedium 5 in Richtung eines zweiten Teilbereichs 12 des Wärmeleitrohrs 1 strömen kann. Die Funktionsweise des Wärmeleitrohrs 1 kann dabei eines oder mehrere Merkmale der oben im allgemeinen Teil beschriebenen Funktionsweisen aufweisen.
Das Wärmeleitrohr 1 ist dabei im zweiten Teilbereich 12 in Kontakt mit einem Wärmereservoir oder Medium (nicht gezeigt), das vorzugsweise eine geringere Temperatur als der erste Teilbereich 11 des Wärmeleitrohrs 1 beziehungsweise als die Wärmequelle 100 aufweist. Das Wärmereservoir oder Medium kann dabei beispielsweise allein durch die Umgebungsluft, aber beispielsweise auch durch einen Luftstrom durch eine aktive Kühlung wie etwa einen Ventilator, gebildet sein, wobei die Art des Wärmereservoirs oder Mediums nicht einschränkend für die gezeigte Anordnung oder ihre Funktionsweise zu verstehen ist.
Im zweiten Teilbereich 12 kann das Wärmeübertragungsmedium 5 die im ersten Teilbereich 11 aufgenommene Wärme wieder abgeben und, wie durch den Pfeil 902 angedeutet, wieder in Richtung des ersten Teilbereichs 11 zurückströmen.
Im zweiten Teilbereich 12 weist die Wandung 2 des Wärmeleitrohrs 1 eine Struktur 24 auf, die in der Wandung 2 im zweiten Teilbereich 12 ausgeformt ist und die als Oberflächen vergrößernde Struktur ausgeführt ist. Die Struktur 24 weist dabei Lamellen beziehungsweise Kühlrippen auf, die in der Wandung 2 im zweiten Teilbereich 12 ausgeformt sind.
Die Struktur 24 ist dabei auf der Außenseite 22 des Wärmeleitrohrs 1 durch ein Kaltwalzverfahren herstellbar. Dazu wird als Grundform für das Wärmeleitrohr 1 ein Rohr bereitgestellt, das eine unstrukturierte Wandung mit üblicherweise glatter Innen- und Außenseite aufweist. Durch Kaltwalzen des Rohres wird die Wandung 2 im zweiten Teilbereich 12 derart umgeformt, dass ein Teil der unstrukturierten Außenseite 22 der Wandung 2 als Struktur 24 ausgeformt wird. Dadurch, dass die Wandung 2 lediglich umgeformt wird und kein abtragendes Verfahren zum Einsatz kommt, kann die Struktur 24 ohne Materialabtrag und damit kosteneffizient hergestellt werden. Durch geeignete Wahl des anfangs bereitgestellten Rohres, insbesondere hinsichtlich seines Außendurchmessers an der Außenseite und seines Innendurchmessers an der Innenseite, sowie durch Wahl des Walzwerkzeugs kann die Struktur 24 im gewünschten Teilungsverhältnis f und der gewünschten Höhe h wie in 1 gezeigt hergestellt werden. Im gezeigten Ausführungsbeispiel in 1 weisen die Rippen der Struktur 24 sowie die Rillen beziehungsweise Zwischenräume zwischen den Rippen jeweils einen rechteckigen Querschnitt mit einer konstanten Dicke beziehungsweise Breite auf. Die Rillen zwischen den Kühlrippen sind dabei U-förmig ausgebildet. Nach dem Ausformen der Struktur 24 kann das Wärmeleitrohr 1 evakuiert, mit dem Wärmeübertragungsmedium 5 befüllt und verschlossen werden, so dass das abgeschlossene Innenvolumen 21 entsteht.
Da die Struktur 24 als Teil der Wandung 2 auf der Außenseite der Wandung 2 ausgeformt ist, gibt es keine Grenzfläche zwischen der Wandung 2 und den Kühlrippen wie beispielsweise bei üblichen Thermosyphons, bei denen Kühlrippen oder Lamellen auf ein Rohr aufgeklebt oder -gesteckt sind. Durch diesen inhärent vorliegenden stoffschlüssigen Kontakt der Struktur 24 mit der übrigen Wandung 2 des Wärmeleitrohrs 1 kann es zu keinen Alterungsprozessen wie etwa einer Delamination und damit einer Verschlechterung des thermischen Kontakts zwischen der Wandung 2 und den Kühlrippen kommen. Die bei herkömmlichen Thermosyphons übliche Degradation der Wärmeableitung durch derartige Alterungsprozesse kann somit gänzlich vermieden werden.
Die von der Wärmequelle 100 im Betrieb erzeugte Wärme kann somit durch die Zirkulation des Wärmeübertragungsmediums 5, die durch die Aufnahme und Abgabe von Wärme wie oben beschrieben zustande kommt, aus der Wärmequelle 100 effizient abgeleitet werden. Somit kann eine effektive und Platz sparende Kühlung der Wärmequelle 100 erfolgen.
Für eine Funktionsweise der Wärmeleitung durch das Wärmeübertragungsmedium 5 beispielsweise gemäß dem Funktionsprinzip eines Wärmerohres („heat pipe") kann das Innenvolumen 21 dafür geeignete Strukturen wie etwa Kapillaren aufweisen, wie im allgemeinen Teil beschrieben ist.
Weiterhin kann das Wärmeleitrohr 1 auch eine an der Innenseite 23 der Wandung 2 ausgeformte Struktur aufweisen (nicht gezeigt), wie im Zusammenhang mit Ausführungsbeispielen weiter unten näher ausgeführt ist.
In den weiteren Ausführungsbeispielen sind Variation und Abwandlungen des in Verbindung mit 1 gezeigten Ausführungsbeispiels des Wärmeleitrohrs 1 gezeigt. Die nachfolgende Beschreibung beschränkt sich daher auf die Unterschiede zum vorherigen Ausführungsbeispiel.
In 2A ist eine schematische Darstellung eines Wärmeleitrohrs 1 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel gezeigt, wobei das Wärmeleitrohr 1 wie im voran gegangenen Ausführungsbeispiel eine gestreckte Form aufweist. Durch eine geeignete Wahl der Oberfläche des Außenseite der Wandung im zweiten Teilbereich 12, die beispielsweise von der Länge des zweiten Teilbereichs 12 und dem Teilungsverhältnis f und der Höhe h (siehe 1) der Struktur 24 abhängig ist, kann die Kühlleistung des Wärmeleitrohrs 1 eingestellt und optimiert werden.
2B zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel für ein Wärmeleitrohr 1, bei dem der erste Teilbereich 11 eine Montagefläche 20 aufweist, auf der eine Wärmequelle (nicht gezeigt) angebracht werden kann. Das Wärmeleitrohr 1 weist ein in sich geschlossenes ringförmiges Innenvolumen 21 auf.
Das Wärmeübertragungsmedium 5 strömt dabei aufgrund der Aufnahme von Wärme von einer auf der Montagefläche 20 angebrachten Wärmequelle im ersten Teilbereich 11 entlang der durch die Pfeile 901 angedeuteten Richtung zum zweiten Teilbereich 12, der eine Oberflächen vergrößernde Struktur aufweist, die im zweiten Teilbereich 12 in der Wandung 2 ausgeformt ist.
Nach Abgabe der Wärme vom Wärmeübertragungsmedium 5 an die Umgebung über die Wandung 2 im zweiten Teilbereich 12 und insbesondere über die Struktur 24 kann das Wärmeübertragungsmedium 5 vom zweiten Teilbereich 12 entlang der durch die Pfeile 902 angedeuteten Richtung zum ersten Teilbereich 11 zurückströmen.
Der erste Teilbereich 11 ist als Verdampfer ausgeführt sein, das heißt, dass das Wärmeübertragungsmedium 5 von der flüssigen Phase durch Aufnahme von Wärme von der Wärmequelle in eine gasförmige Phase übergeht. Der zweite Teilbereich 12 ist als Verflüssiger ausgeführt sein, das heißt, dass das Wärmeübertragungsmedium 5 nach Abgabe der Wärme an die Wandung 2 im zweiten Teilbereich des Wärmeleitrohrs 1 wieder kondensiert und in flüssiger Phase zum ersten Teilbereich 11 zurückfließen kann.
Der erste Teilbereich 11 und der zweite Teilbereich 12 sind im gezeigten Ausführungsbeispiel getrennt voneinander durch Kaltwalzverfahren herstellbar und durch Schweißen, Löten und/oder Kleben miteinander verbindbar.
Weiterhin kann die Struktur 24 bis in den ersten Teilbereich 11 hinein oder auf der gesamten Oberfläche der Wandung 2 ausgeformt sein
In 2C ist ein weiteres Ausführungsbeispiel für ein Wärmeleitrohr 1 gezeigt, das nach demselben Prinzip wie das Wärmeleitrohr im vorangegangenen Ausführungsbeispiel gemäß 2B arbeiten kann. Das Wärmeleitrohr 1 weist dabei einen gebogenen zweiten Teilbereich 12 auf. Dadurch, dass die Struktur 24 durch Kaltwalzen herstellbar ist, kann nach dem Ausformen der Struktur 24 im zweiten Teilbereich 12 dieser in die gewünschte Form gebracht werden. Somit kann die Oberfläche vergrößernde Struktur 24 trotz der gebogenen Form des zweiten Teilbereichs 12 mit dem Wärmeübertragungsmedium 5 im gesamten zweiten Teilbereich 12 direkt in thermischem Kontakt stehen.
Die in den obigen Ausführungsbeispielen gezeigten Wärmeleitrohre können neben der gestreckten oder einfach gebogenen Ausführung beispielsweise auch in mehreren Richtungen gebogen, in sich verdreht, gewendelt oder verwinkelt sein. Insbesondere ein als Spirale oder Spule geformter zweiter Teilbereich 12 wie in 2D gezeigt kann sich durch eine hohe Oberfläche bei gleichzeitigem geringem Platzbedarf auszeichnen. In 2D ist dabei nur der zweite Teilbereich 12 eines Wärmeleitrohrs nach der Herstellung durch ein Kaltwalzverfahren gezeigt.
In 3A ist eine schematische Schnittdarstellung der Wandung 2 eines Wärmeleitrohrs im zweiten Teilbereich 12 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel gezeigt. Die Wandung 2 weist dabei an der Außenseite 22 eine Struktur 24 und an der Innenseite 23 eine Struktur 25 auf. Die Strukturen 24 und 25 sind dabei beide durch ein Umformverfahren wie etwa das oben beschriebene Kaltwalzen herstellbar. Die Struktur 24 weist in die Außenseite 22 der Wandung 2 ausgeformte Kühlrippen auf, die eine zum Innenvolumen 21 hin zunehmende Dicke aufweisen, so dass die Zwischenräume beziehungsweise Rillen zwischen den Kühlrippen V-förmig ausgebildet sind. Die Struktur 25 weist an der Innenseite 23 der Wandung 2 ausgeformte Rillen beziehungsweise Rippen auf, die eine konstante Dicke beziehungsweise Breite aufweisen. Alternativ kann die Struktur 25 auch V-förmige Rippen aufweisen.
Durch die Struktur 25 kann die Kontaktfläche zwischen der Wandung 2 im zweiten Teilbereich 12 und dem Wärmeübertragungsmedium 5 effektiv vergrößert werden, so dass die an die Wandung 2 vom Wärmeübertragungsmedium 5 abgegebene Wärmeleistung im Vergleich zu einer Wandung mit unstrukturierter, glatter Innenseite erhöht und verbessert werden kann.
Die Strukturen 24 und 25 sind gewindeartig um das Innenvolumen umlaufend ausgebildet. Obwohl die Strukturen 24 und 25 unterschiedliche Teilungsverhältnisse und unterschiedliche Gewindesteigungen aufweisen, können die beiden Strukturen in ein und demselben Arbeitsschritt durch Kaltwalzen hergestellt werden. Die Teilungsverhältnisse der Strukturen 24 und 25 liegen dabei jeweils in einem Bereich von 3 bis 100 Rippen pro Zoll, bevorzugt in einem Bereiech von 5 bis 60 Rippen bzw. Windungen pro Zoll. Insbesondere die Höhe der Struktur 24 an der Außenseite 22 kann bis zu 30 mm betragen.
3B zeigt eine schematische Schnittdarstellung der Wandung 2 eines Wärmeleitrohrs im ersten Teilbereich 11 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel. Die Wandung 2 weist dabei an der Innenseite 23 eine Struktur 25 auf, die besonders geeignet für einen wie oben beschriebenen als Verdampfer ausgeführten ersten Teilbereich 11 ist. Die Höhe und Breite der Rippen beziehungsweise Rillen beträgt dabei etwa einige zehn bis einige hundert Mikrometer und bietet durch die große Oberfläche und ebene Kontaktfläche mit dem Wärmeübertragungsmedium 5 einen optimalen Wärmeübergang von der Innenseite 23 der Wandung 2 auf das Wärmeübertragungsmedium 5. Das Teilungsverhältnis der Rippen der Struktur 25 beträgt dabei etwa 10 bis 100 Rippen/Zoll.
Durch die Struktur 25 kann gleichzeitig der Verdampfungsprozess effizienter gestaltet werden undauch beispielsweise der Leidenfrost-Effekt bei der Verdampfung des Wärmeübertragungsmediums 5 verhindert oder zumindest gegenüber einer flachen, unstrukturierten Innenseite 23 erheblich vermindert werden.
Die in den 3A und 3B gezeigten Ausführungsbeispiele für Strukturen 24, 25 in der Wandung 2 können leicht durch Variation des Herstellungsverfahren an veränderte Anforderungen angepasst werden und sind dabei für die Massenfertigung geeignet.
In den 4A und 4B ist eine in der Struktur 24 an der Außenseite 22 der Wandung 2 ausgeformte Substruktur 26 gezeigt. 4A zeigt dabei eine schematische Schnittdarstellung während 4B eine schematische Darstellung einer Draufsicht auf die Außenseite 22 zeigt.
Die Substruktur 26 ist dabei als Einkerbung in den die Struktur 24 bildenden Rippen ausgeführt. Wie in den 4A und 4B gezeigt, können die Kerben rillenartig in der Struktur 24 ausgeformt sein. Die Richtung der Einkerbungen der Substruktur 26 kann dabei wie in 4B gezeigt schräg zum Verlauf der Kühlrippen der Struktur 24 verlaufen. Alternativ oder zusätzlich können Einkerbungen entlang oder senkrecht zu den Kühlrippen der Struktur 24 ausgeformt werden.
Die in den 4A und 4B gezeigte und beschriebene Substruktur 26 kann auch im ersten Teilbereich 11 beispielsweise in der oben beschriebene Struktur 25 ausgeformt werden, um die Oberfläche der Innenseite 23 der Wandung 2 im ersten Teilbereich 11 und damit die Kontaktfläche zum Wärmeübertragungsmedium 5 weiter zu erhöhen.
In den 5 und 6 sind weitere Ausführungsbeispiele für die in die Außenseite 22 der Wandung 2 ausgeformte Struktur 24 gezeigt.
Die Struktur 24 in 5 weist dabei Lamellen oder Kühlrippen auf, die teilweise umgelegt beziehungsweise umgebogen sind und dadurch eine Substruktur 26 bilden. Durch das teilweise Umlegen oder Umbiegen der die Struktur 24 bildenden Lamellen kann beispielsweise der Querschnitt des zweiten Teilbereichs 12 wie im allgemeinen Teil beschrieben verringert oder verändert werden, ohne dass die Oberfläche der Außenseite der Wandung 2 und insbesondere der Struktur 24 reduziert werden muss. Beispielsweise kann die Struktur 24 derart umgelegt werden, dass die umgelegten Lamellen einen quadratischen Querschnitt aufweisen, während das Innenvolumen 21 des Wärmeleitrohrs und die Innenseite 22 der Wandung 2 einen kreisförmigen Querschnitt aufweisen.
Die Struktur 24 in 6 weist ein Substruktur 26 auf, bei der sich die Kühlrippen beziehungsweise Lammellen, die die Struktur 24 bilden, vom Innenvolumen weg gerichtet verbreitern. Eine derartige Substruktur 26 kann beispielsweise durch nochmaliges Walzen der durch Kaltwalzen hergestellten Lamellen oder Kühlrippen in die Struktur 24 geformt werden.
Die in den 5 und 6 gezeigten Substrukturen 26 können auch in Strukturen 25 an der Innenseite 23 der Wandung 2 eingearbeitet werden.
7 zeigt eine Anordnung 2000 mit einem Wärmeleitrohr 1 und einer Wärmequelle 100 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel. Die Anordnung 2000 ist dabei als Scheinwerfer, insbesondere als Scheinwerfer für ein Fortbewegungs- bzw. Verkehrsmittel wie etwa ein Automobil, ausgeführt.
Die Anordnung 2000 weist dazu ein Scheinwerfergehäuse 200 auf, in dem das Wärmeleitrohr 1 und die als optoelektronisches, strahlungsemittierendes Bauelement ausgeführte Wärmequelle 100 angeordnet sind. Ein derartiger Scheinwerfer für ein Automobil ist als geschlossenes System ausgeführt, das keine Belüftungsschlitze beispielsweise für Ventilatoren aufweist, da diese aufgrund der Gefahr von Verschmutzung und Kondenswasserbildung im Inneren des Scheinwerfergehäuses 200 unerwünscht sind.
Die Wärmequelle 100 weist ein LED-Array auf, das typischerweise eine Verlustleistung von etwa 50 W aufweist, die nur durch Wärmeleitung oder Wärmestrahlung abgeführt werden kann. Da aufgrund der relativ niedrigen Betriebstemperatur des LED-Arrays von maximal 150°C nur ein geringer Teil der Wärmeverlustleistung durch Wärmestrahlung abgegeben werden kann, wird der Großteil der Wärmeverlustleistung durch das Wärmeleitrohr 1 von der Wärmequelle 100 abgeleitet.
Der Motorraum des Automobils, in dem die Anordnung 2000 angebracht ist, erzeigt im hinteren Teil 201 des Scheinwerfergehäuses unter ungünstigen Bedingungen eine Umgebungstemperatur von etwa 90°C. Um die Verlustwärme der Wärmequelle 100 effektiv ableiten zu können, ist der zweite Teilbereich 12 des Wärmeleitrohrs 1 derart gebogen, dass er in den vorderen Teil 202 des Scheinwerfergehäuses hinein ragt. Je nach Platzverfügbarkeit im Scheinwerfergehäuse 200 kann das Wärmeleitrohr 1 wie in einem der vorherigen Ausführungsbeispiele ausgeführt sein und zusätzlich oder alternativ gebogen oder gewendelt sein (nicht gezeigt, siehe beispielsweise 2D), um eine möglichst große Oberfläche des zweiten Teilbereichs 12 zu erreichen.
Messungen zur thermischen Charakterisierung von Scheinwerfern unter entsprechenden Randbedingungen zeigen, dass die vergleichsweise geringsten Temperaturen im Bereich des vorderen Scheinwerferglases, also im vorderen Teil 202 des Scheinwerfergehäuses 200, liegen. Durch die Anordnung des zweiten Teilbereichs 12 des Wärmeleitrohrs 1 im vorderen Teil 202 des Scheinwerfergehäuses 200 wird die Verlustwärme von der Wärmequelle 100, also dem LED-Array, mittels des Wärmeleitrohrs 1 auf den Luftraum unmittelbar an der Innenseite des Scheinwerferglases verteilt. Von dort wird die Wärme durch freie Konvektion und Wärmeleitung über das Scheinwerferglas an die Umgebung abgeführt. Der maximale Temperaturgradient zwischen dem die Wärmequelle 100 bildenden LED-Array und dem Luftraum im vorderen Teil 202 des Scheinwerfergehäuses 200 unterstützt den Wärmetransport und damit die Kühlung der Wärmequelle 100 optimal.
Durch die in den Ausführungsformen und Ausführungsbeispielen beschriebenen und gezeigten Wärmeleitrohre kann eine Kühlung einer Wärmequelle ohne aktive Kühlung wie etwa durch Ventilatoren oder Pumpen ermöglicht werden. Dadurch und durch die fehlende Gefahr einer Verschlechterung des thermischen Kontakts zwischen der Wandung und der in der Wandung ausgeformten Struktur ermöglichen die gezeigten Ausführungsformen und Ausführungsbeispiele von Wärmeleitrohren eine erhöhte Zuverlässigkeit und eine kompakte, Platz sparende Montagemöglichkeit. Durch Biegen, Verwinden und Falten eines Wärmeleitrohrs lassen sich individuelle und sehr kompakte Ausführungen des zweiten Teilbereichs erreichen, die sich an unterschiedliche räumliche Gegebenheiten und Anforderungen beim Einbau des Wärmeleitrohrs anpassen lassen. Der niedrige thermische Widerstand im zweiten Teilbereich erlaubt weiterhin eine gegenüber herkömmlichen Thermosyphons und „heat pipes" reduzierte Kühlfläche.
Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele auf diese beschränkt. Vielmehr umfasst die Erfindung jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von Merkmalen, was insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen beinhaltet, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst nicht explizit in den Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben ist.

Claims

Wärmeleitrohr zur Kühlung einer Wärmequelle (100), umfassend: – eine Wandung (2) mit einer zu einem Innenvolumen (21) gewandten Innenseite (23) und einer vom Innenvolumen (21) abgewandten Außenseite (22), – ein Wärmeübertragungsmedium (5) im Innenvolumen (21), – einen ersten Teilbereich (11), der geeignet ist, wärme von der Wärmequelle auf das Wärmeübertragungsmedium (5) zu übertragen, und – einen zweiten Teilbereich (12), der geeignet ist, Wärme vom Wärmeübertragungsmedium (5) auf die Umgebung zu übertragen, wobei – das Innenvolumen (21) durch die Wandung (2) begrenzt und abgeschlossen ist, – das Wärmeübertragungsmedium (5) zwischen dem ersten und zweiten Teilbereich (11, 12) zirkulieren kann und – in der Wandung (2) im zweiten Teilbereich (12) eine Struktur (24) ausgeformt ist.
Wärmeleitrohr nach dem vorherigen Anspruch, wobei – die Strukturen mit der Wandung (2) einstückig ausgeformt sind.
Wärmeleitrohr nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei – an der Außenseite (22) der Wandung (2) im zweiten Teilbereich (12) die Struktur (24) ausgeformt ist.
Wärmeleitrohr nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei – an der Innenseite (23) der Wandung (2) im zweiten Teilbereich (12) die Struktur (24) ausgeformt ist.
Wärmeleitrohr nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei – die Struktur (24) durch ein Kaltwalzverfahren herstellbar ist.
Wärmeleitrohr nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei – die Struktur (24) im zweiten Teilbereich (12) eine Oberflächen vergrößernde Struktur umfasst.
Wärmeleitrohr nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei – die Oberflächen vergrößernde Struktur zumindest eines der folgenden Elemente aufweist: Rippen, Lamellen, Finnen.
Wärmeleitrohr nach dem vorherigen Anspruch, wobei – die Struktur (24) ein Teilungsverhältnis von größer oder gleich 3 und kleiner oder gleich 100 Rippen pro Zoll aufweist.
Wärmeleitrohr nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei – die Oberflächen vergrößernde Struktur umlaufend um das Innenvolumen (21) ausgebildet ist.
Wärmeleitrohr nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei – die Elemente der Oberflächen vergrößernden Struktur eine Substruktur (26) aufweisen.
Wärmeleitrohr nach dem vorherigen Anspruch, wobei – die Abmessung der Substruktur (26) kleiner als die Abmessung der Elemente der Oberflächen vergrößernden Struktur ist.
Wärmeleitrohr nach Anspruch 10 oder 11 wobei – die Substruktur (26) Einkerbungen oder Rillen umfasst.
Wärmeleitrohr nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei – die Elemente der Oberflächen vergrößernden Struktur umgelegt, geknickt, gebogen und/oder gewinkelt sind.
Wärmeleitrohr nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei – das Wärmeleitrohr Kupfer, Aluminium, Stahl und/oder Legierungen, Kombinationen oder Mischungen daraus aufweist.
Wärmeleitrohr nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei – die Außenseite (22) beschichtet oder eloxiert ist.
Wärmeleitrohr nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei – der erste Teilbereich (11) eine Montagefläche (20) für die Wärmequelle (100) umfasst.
Wärmeleitrohr nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei – an der Innenseite (23) der Wandung (2) im ersten Teilbereich (11) eine Struktur ausgeformt ist.
Wärmeleitrohr nach dem vorherigen Anspruch, wobei – die Innenseite (23) der Wandung (2) im ersten Teilbereich (11) eine Oberflächen vergrößernde Struktur (25) umfasst.
Wärmeleitrohr nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei – der erste Teilbereich (11) und der zweite Teilbereich (12) durch zumindest eine der folgenden Verbindungstechniken miteinander verbunden sind: Kleben, Hartlöten, Weichlöten, Schweißen.
Wärmeleitrohr nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei – das Wärmeleitrohr zumindest im zweiten Teilbereich (12) biegbar ist.
Wärmeleitrohr nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei – das Wärmeübertragungsmedium (5) zumindest eines aus einer Gruppe aufweist und die Gruppe umfasst: Ethan, Propan, Butan, Pentan, Propen, Methylamin, Ammoniak, Methanol, Ethanol, Methylbenzen, Aceton, Kohlendioxid und Wasser.
Anordnung, umfassend – ein Wärmeleitrohr zur Kühlung einer Wärmequelle (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 19 und – eine im ersten Teilbereich (11) des Wärmeleitrohrs angeordnete Wärmequelle (100), die ein elektronisches Bauelement umfasst.
Anordnung nach dem vorherigen Anspruch, wobei – das elektronische Bauelement ein optoelektronisches Bauelement ist.