DE102007053561A1

DE102007053561A1 - Kühlplatte

Info

Publication number: DE102007053561A1
Application number: DE102007053561A
Authority: DE
Inventors: Joachim Masatz
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2007-11-09
Filing date: 2007-11-09
Publication date: 2008-08-28

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Kühlplatte (2) aus Aluminium mit wenigstens einem Kühlmittelrohr (6). Erfindungsgemäß ist eine Mantelfläche (26) eines jeden Kühlmittelrohres (6) mit einer umlaufenden Wulst (28) versehen, die axial entlang des Kühlmittelrohres (6) gewindegangähnlich verläuft. Somit erhält man eine Kühlplatte (2) mit den thermischen Eigenschaften einer Kühlplatte (2) mit eingepressten Kühlmittelrohren (6), die jedoch erheblich kostengünstiger herstellbar ist.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Kühlplatte gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1.
Bei elektronischen Geräten, beispielsweise Stromrichtergeräten, die mit flüssigen Kühlmittel entwärmt werden, kommen häufig Kühlplatten zum Einsatz, die als "Cold Plate" bekannt sind. Stromrichtergeräten mit einer rückwärtigen Kühlplatte werden dann von einem Kunden verlangt, wenn dieser auf einer kundenspezifischen Wärmesenke montiert werden soll. Derartige kundenspezifische Wärmesenken können Bestandteil einer großen Anlage des Kunden sein, der die Kühlung der auf der rückwärtigen Kühlplatte montierten Stromrichterventile des Stromrichters übernehmen soll. Somit bildet die Kühlplatte eine Montageebene des Stromrichtergerätes mit der das Stromrichtergerät flächig auf einer kundenspezifischen Wärmesenke aufgeschraubt werden kann. Als kundenspezifische Wärmesenke kann ein Luft- oder Flüssigkeitskühlkörper vorgesehen sein.
Aus der DE 103 38 469 A1 ist eine Cold Plate bekannt, die an eine beim Kunden vorhandene Wasserinfrastruktur angeschlossen werden kann. Dazu weist diese Cold Plate zwei Anschlussmittel für einen Kühlmittelzu- und -ablauf und wenigstens einen Kühlmittelkanal auf. Diese Anschlussmittel sind jeweils mit einem Ende des oder der Kühlmittelkanäle verbunden. Bei einen kundenspezifischen Flüssigkeits-Kühlsystem handelt es sich um ein sogenanntes offenes Kühlsystem.
In einem offenen Kühlsystem fließt ein Kühlmittel, das eine hohe elektrische Leitfähigkeit hat. Dieses führt in Verbindung mit freien Ionen und vagabundierenden Strömen zu Zersetzungsprozessen in einer Kühlplatte aus Aluminium (Elektrolyse, Redox-Reaktion). Daraus resultiert eine Verschlammung der Aluminium-Kühlplatte.
Um die Probleme der Elektrolyse des Aluminiums oder der Redox-Reaktion zu vermeiden, werden Kühlplatten aus Aluminium nicht in offenen Systemen verwendet. Wenn doch, dann muss das Kühlmittel des offenen Systems auf dessen 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 aus Aluminium von entstandenem Schlamm (Al₂O₃-Bildung) befreit werden.
Um die Probleme der Elektrolyse des Aluminiums oder der Redox-Reaktion zu vermeiden, werden als Kühlmittelkanäle in einer Kühlplatte aus Aluminium Edelstahlrohre verwendet.
Bei einem gattungsgemäßen Kühlkörper, der aus der Firmenbroschüre der Firma Danfoss mit den Titel "Optimales Kühlsystem für VLT-Frequenzumrichter", in der Version 2005.11 Factsheet DO.BB.93.C1.33, bekannt ist, werden Kühlrohre aus Kupfer oder Edelstahl verwendet. Bei diesem Kühlkörper handelt es sich um eine Teilmontageplatte mit auf der Rückseite eingepressten Kupfer- oder Edelstahlrohren zur Integration in ein Rückkühlsystem oder in eine vorhandene Wasserinfrastruktur. Die Fertigung einer derartigen flüssiggekühlten Teilmontageplatte ist technisch aufwendig und dadurch kostspielig.
Anstelle der Einpressung von Edelstahlrohren in einer Aluminiumplatte kann für die Kühlplatte anstelle eines Aluminium-Strangprofils auch Gussaluminium verwendet werden. Dies hat jedoch einen wärmetechnischen Nachteil. Der Wärmeübergang von Aluminium zum Edelstahl ist von der Lunkerdichte abhängig. Diese ist bei Gussaluminium nicht zu vernachlässigen. Ein weiteres Problem ist der deutliche Unterschied im Ausdehnungskoeffizienten, die beim Temperaturgradienten zur Änderung von Wärmewiderständen führen kann.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, einen gattungsgemäßen Kühlkörper derart weiterzubilden, dass sich die Anzahl der Lunker beim Aluminiumguss wesentlich verringert.
Die Aufgabe wird mit dem kennzeichnenden Merkmal des Anspruchs 1 erfindungsgemäß gelöst.
Dadurch, dass eine Mantelfläche eines jeden Kühlmittelrohres mit einer Wulst versehen ist, die gewindegangähnlich in axialer Richtung des Kühlmittelrohres verläuft, wird erreicht, dass das beim Eingießen wenigstens eines Kühlmittelrohres das flüssige Aluminium langsamer am Kühlmittelrohr vorbeifließt. Das heißt, diese auf der Manteloberfläche aufgebrachte Wulst stellt eine Barriere für das flüssige Aluminium dar, so dass sich die Fließgeschwindigkeit des Aluminiums beim Eingießen der Kühlmittelrohre verringert. Durch diese Reduktion der Fließgeschwindigkeit können das flüssige Aluminium und das Material der Kühlmittelrohre eine wesentlich bessere Materialverbindung herstellen. Dadurch verringert sich die Anzahl der Lunker wesentlich und der Unterschied im Ausdehnungskoeffizienten zwischen Aluminium und Material eines Kühlmittelrohres wird durch die Materialverbindung an der Mantelfläche des Kühlmittelrohres verringert.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Wulst sind den Unteransprüchen 2 bis 4 zu entnehmen.
Beim Eingießen von Kühlmittelrohren ist es im Gegensatz zum Einpressen von Kühlmittelrohren unerheblich, aus welchem Material diese Kühlmittelrohre sind. Vorrangig müssen diese Kühlmittelrohre gut wärmeleitend sein. Welche Materialien verwendet werden können, sind den Unteransprüchen 5 bis 7 zu entnehmen.
Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in der eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Kühlplatte mit einem Kühlmittelrohr schematisch veranschaulicht ist.
1 zeigt eine Ausführungsform einer Kühlplatte gemäß der Erfindung, wobei in der
2 ein Kühlmittelrohr der Kühlplatte nach 1 dargestellt ist.
In der 1 ist eine Draufsicht auf eine Kühlplatte 2 nach der Erfindung schematisch dargestellt. Diese Kühlplatte 2 eines Stromrichtergerätes, insbesondere eines Spannungszwischenkreis-Umrichters, beinhaltet einen Kühlmittelkanal 4, der aus einer Anzahl von Kühlmittelrohren 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 Windungsebenen, zueinander rechtwinklig angeordnet sind. Die beiden Windungsenden 12 und 14 dieses Kühlmittelkanals 4 sind aus der Kühlplatte 2 herausgeführt und sind jeweils mit einem Anschluss 16 versehen. Das Windungsende 12 des Kühlmittelkanals 4 bildet zusammen mit dem Anschluss 16 einen Kühlmittelzulauf wogegen das Windungsende 14 des Kühlmittelkanals 4 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 Spannungszwischenkreises-Umrichters eine wesentlich geringere Verlustleistung auf, so dass das einströmende Kühlmittel 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 auch 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 diesen Stromrichterventilen 24 um Dioden oder um abschaltbare Leistungshalbleiterschalter, jeweils in der Ausführungsform als Schraubmodul.
Wie bereits erwähnt, besteht dieser Kühlmittelkanal 4 der Kühlplatte 2 aus einer Vielzahl von Kühlmittelrohren 6, die zu diesem Kühlmittelkanal 4 zusammengesetzt sind. Für die Erstellung dieses Kühlmittelkanals 4 werden gerade Rohre, bogenförmige Rohre und Winkelrohre benötigt. Jede Mantelfläche 26 eines jeden Kühlmittelrohres 6 ist gemäß der 2 mit einer Wulst 28 versehen, die gewindegangähnlich axial entlang des Kühlmittelrohres 6 verläuft. In dieser Darstellung weist die Wulst 28 eine halbkreisförmige Querschnittsfläche auf. Diese Querschnittsfläche der Wulst 28 kann aber ebenfalls trapez- oder dreieckförmig sein. Welche Querschnittsfläche für die Wulst 28 ausgewählt wird, ist einerseits von der Steigung des Gewindegangs der Wulst 28 und andererseits von der Fließfähigkeit des flüssigen Aluminiumgusses abhängig. Diese gewindegangähnliche axial entlang des Kühlmittelrohres 6 verlaufende Wulst 28 ist deshalb vorgesehen, um zu verhindern, dass das flüssige Aluminium an der Manteloberfläche 26 des Kühlmittelrohrs 6 mit einer zu hohen Fließgeschwindigkeit vorbeifließt. Diese Wulst 28 auf der Mantelfläche 26 wirkt wie eine Fließbarriere für das flüssige Aluminium. Dadurch fließt das flüssige Aluminium entsprechend langsamer an der Manteloberfläche 26 des Kühlmittelrohres 6 entlang, wodurch das flüssige Aluminium genügend Zeit hat, um mit dem Material des Kühlmittelrohres 6 eine Materialverbindung eingehen zu können. Infolge der Reduzierung der Fließgeschwindigkeit des flüssigen Aluminiums verringert sich die Anzahl der Lunker wesentlich. Die Kühlmittelrohre 6 mit einer erfindungsgemäß ausgebildeten Manteloberfläche 26 sind damit annähernd lunkerfrei im Gussaluminium eingegossen. Da der Wärmeübergang von Aluminium zum Material des Kühlmittelrohres 6, beispiels weise Edelstahl, von der Lunkerdichte abhängig ist, verbessert sich dieser Wärmeübergang infolge der Verringung der Anzahl der Lunker wesentlich. Außerdem verringert sich der Unterschied im Ausdehnungskoeffizienten zwischen Aluminium und Material des Kühlmittelrohres 6, da an der Oberfläche der Mantelfläche 26 des Kühlmittelrohres 6 das Aluminium und das Material des Kühlmittelrohres, beispielsweise Edelstahl, sich zu einem Materialverbund verbunden haben.
Somit erhält man eine Kühlplatte 2 mit den thermischen Eigenschaften einer Kühlplatte mit eingepressten Kühlmittelrohren 6, die jedoch erheblich kostengünstiger hergestellt werden kann.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- DE 10338469 A1 [0003]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

- "Optimales Kühlsystem für VLT-Frequenzumrichter", in der Version 2005.11 Factsheet DO.BB.93.C1.33 [0007]

Claims

Kühlplatte (2) aus Aluminium mit wenigstens einem Kühlmittelrohr (6), dadurch gekennzeichnet, dass eine Manteloberfläche (26) eines jeden Kühlmittelrohres (6) mit einer umlaufenden Wulst (28) versehen ist, die axial entlang des Kühlmittelrohres (6) gewindegangähnlich verläuft.
Kühlplatte (2) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die umlaufende Wulst (28) eine halbkreisförmige Querschnittsfläche aufweist.
Kühlplatte (2) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die umlaufende Wulst (28) eine trapezförmige Querschnittsfläche aufweist.
Kühlplatte (2) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die umlaufende Wulst (2) eine dreieckförmige Querschnittsfläche aufweist.
Kühlplatte (2) nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Kühlmittelrohr (6) aus Kupfer ist.
Kühlplatte (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Kühlmittelrohr (6) aus Edelstahl ist.
Kühlplatte (2) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Kühlmittelrohr (6) aus Edelstahl aus einer V4A-Edelstahllegierung besteht.