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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kühleinrichtung zur Kühlung von Bauteilen mit einem Kühlfluid.
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Kühleinrichtungen des Standes der Technik weisen üblicherweise geklebte oder geschweißte Kühlerstrukturen auf, die teuer und aufwändig herstellbar sind und häufig Dichtigkeitsprobleme verursachen. Aus der
DE 298 05 944 U1 sind Wasserkühler mit Stranghohlprofilen mit rechteckigen bis quadratischen Formen der Kühlkanäle bekannt.
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Aus der Offenlegungsschrift
DE 44 21 025 A1 ist ein Kühlkörper bekannt, welcher Kühlkanäle aufweist mit in den Kühlkanälen abstehenden Rippen. Durch den Kühlkanal erstreckt sich ein Verwirbelungskörper in Form eines sinusförmigen Metalldrahtes zur Erzeugung einer turbulenten Strömung.
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In der Patentschrift
US 5 828 549 A ist eine Elektronikvorrichtung umfassend eine Kühlvorrichtung gezeigt. Die Kühlvorrichtung weist einen Luftkanal auf, in dessen Innere hinein Kühlungsrippen abstehen.
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In gleicher Weise ist auch in der Offenlegungsschrift
EP 0 483 058 A1 ein Kühlkörper offenbart, welcher Kühlrippen in Form von Hohlprofilen aufweist. Die in den Hohlraum jeweils weisenden Profilwände weisen zueinander gerichtete Wellentäler auf.
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Die Offenlegungsschrift
WO 2009/ 154 556 A1 zeigt einen Flüssigkeitskühler mit zueinander parallelen Fluidkanälen. Diese weisen zwei zueinander gegenüberliegende ebene Flächen auf sowie zwei zueinander gerichtete Flächen, an denen jeweils Stege ins Kanalinnere abstehen.
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Offenbarung der Erfindung
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Die erfindungsgemäße Kühleinrichtung zur Kühlung von Bauteilen mit den Merkmalen des Anspruchs 1 weist demgegenüber den Vorteil auf, dass die nebeneinander in einem Stranghohlprofil angeordneten Kühlkanäle wenigstens einen Wandbereich aufweisen, der eine von einer ebenen Fläche abweichende Form aufweist. Der Wandbereich ist derart ziehbar geformt, dass die von der ebenen Fläche abweichende Form immer in Kanallängsrichtung ausgebildet ist. Dadurch wird eine Vergrößerung der Kontaktoberfläche des Kühlkanals und demzufolge eine Erhöhung der Kühlleistung bei gleichem Bauvolumen der Kühleinrichtung erreicht. Die erfindungsgemäße Kühleinrichtung ist besonders einfach und kostengünstig durch Strangpressen eines Hohlprofils herstellbar, das mehr als zwei, besonders bevorzugt vier bis fünf, Kühlkanäle aufweist. Durch eine mehrfache Anordnung der Stranghohlprofile nebeneinander kann die gewünschte Kühlleistung für den jeweiligen Einsatz der Kühleinrichtung, wie z. B. als Flüssigkeitskühler für Hochleistungselektronik-Bauteile bei Hybrid- oder Elektrofahrzeugen, Brennstoffzellen oder Solarinvertern sowie für allgemeine Fahrzeugkühler, angepasst und optimiert werden.
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Bei einer ansonsten bekannten Ausführung weisen die Kühlkanäle zumindest an einem Wandbereich eine Mikrostruktur auf. Aufgrund der Oberflächenform der Mikrostruktur, die hierbei in Bezug auf einen ebenen Wandbereich eine Vielzahl von vorragenden und/oder ausgesparten Wandbereichen aufweist, wird eine weitere Erhöhung der Kühlleistung der Kühleinrichtung erreicht. Die Mikrostrukturen weisen dabei eine Größe von ≤ 1mm auf.
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Dabei umfasst der Wandbereich beispielsweise nach innen gerichtete Bereiche. Weiterhin beispielhaft umfasst der Wandbereich nach außen gerichtete Bereiche. Über die Anzahl der jeweiligen in Bezug auf den ebenen Bereich nach außen bzw. nach innen gerichteten Bereiche ist eine Anpassung des Kanalquerschnitts, des Fluiddurchsatzes und somit der erforderlichen Kühlleistung realisierbar. Aufgrund der geometrisch einfachen und homogenen Formgebung wird hierdurch ferner eine zeit- und kostenminimierte Herstellung des Stranghohlprofils ermöglicht.
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Bei der Erfindung weist der Wandbereich eine im Schnitt im Wesentlichen wellenförmige Form auf. Aufgrund dieser Formgebung ist eine Erhöhung des Anteils der turbulenten Strömung im Kühlkanal und somit eine Steigerung der Kühlleistung erreichbar.
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Vorzugsweise weisen die Kühlkanäle einen ebenen ersten Wandbereich und einen ebenen zweiten Wandbereich auf, welche einander gegenüberliegend angeordnet sind. Aufgrund der in Bezug auf die Breite des Stranghohlprofils parallelen Anordnung der ebenen ersten und zweiten Wandbereiche ist die Herstellung eines im Wesentlichen spannungsfreien und planen Stranghohlprofils realisierbar.
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Weiterhin bevorzugt weisen ein den ersten und zweiten Wandbereich verbindender dritter und vierter Wandbereich eine von einer ebenen Fläche abweichende Form auf. Hierdurch wird eine deutliche Vergrößerung der Kontaktoberfläche der dritten und vierten Wandbereiche und dem Kühlfluid erreicht, was in einem höheren Wärmetransfer und einer demzufolge verbesserten Kühlleistung resultiert.
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Bei bekannten Ausführungen ist eine Form der Kühlkanäle symmetrisch zu einer Mittelebene ausgebildet, die vorzugsweise senkrecht zur Breite des Stranghohlprofils angeordnet ist. Hierdurch wird eine kostengünstige Herstellung des Stranghohlprofils mit großer Vorschubgeschwindigkeit begünstigt.
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Bei einer Ausführung der Erfindung weist ein Wandbereich des Kühlkanals wenigstens zwei verschiedene Formen auf. Hierdurch wird der Anteil der turbulenten Strömung im Kühlkanal drastisch erhöht, wodurch die Kühlleistung weiter ansteigt. Ferner ist dadurch die gewünschte Kühlleistung mit geringerem Bauvolumen der Kühleinrichtung erreichbar.
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In einer anderen Ausführung der Erfindung weist einer der Kühlkanäle eine Form auf, welche von der Form eines anderen Kühlkanals abweicht. Dadurch kann eine gezielte Erhöhung der Kühlleistung eines einzelnen Kühlkanals erreicht werden, der z. B. an einer der Außenseiten des Stranghohlprofils angeordnet ist.
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Es sei angemerkt, dass erfindungsgemäß alle Kühlkanäle eines Stranghohlprofils entweder gegenüberliegende Wandbereiche mit gleichen Formen oder unterschiedlichen Formen aufweisen können. Ferner können in einem Stranghohlprofil auch Kühlkanäle mit jeweils unterschiedlichen Formen angeordnet sein. Von der Erfindung abweichend können auch unterschiedliche Formen an nur einem Wandbereich vorgesehen werden. Allgemein kann eine Anordnung von mehreren Stranghohlprofilen in einer Kühleinrichtung auch aus einer Kombination von Kühlkanälen mit den oben genannten Formen für die Erfindung gebildet sein. Allgemein sind beliebige Kombinationen der vorhergehend beschriebenen Wandformen der Kühlkanäle möglich.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben. In der Zeichnung ist:
- 1 eine vereinfachte perspektivische Darstellung einer Kühleinrichtung aus einem Stranghohlprofil gemäß einem allgemein bekannten Ausführungsbeispiel,
- 2 eine schematische Schnittansicht des Stranghohlprofils von 1,
- 3 eine schematische Schnittansicht eines Stranghohlprofils gemäß einem weiteren allgemein bekannten Ausführungsbeispiel,
- 4 eine schematische Schnittansicht eines Stranghohlprofils gemäß einem weiteren allgemein bekannten Ausführungsbeispiel,
- 5 eine schematische Schnittansicht eines Stranghohlprofils gemäß einem weiteren allgemein bekannten Ausführungsbeispiel,
- 6 eine schematische Schnittansicht eines Stranghohlprofils gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung, und
- 7 eine schematische Schnittansicht eines Stranghohlprofils gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
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Ausführungsformen der Erfindung
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Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf 1 und 2 eine Kühleinrichtung zur Kühlung von Bauteilen gemäß einem allgemein bekannten Ausführungsbeispiel beschrieben.
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1 zeigt eine vereinfachte perspektivische Darstellung einer Kühleinrichtung 1 aus einem Stranghohlprofil 2, das vier Kühlkanäle 3 aufweist, die nebeneinander in Richtung einer Breite B angeordnet und zueinander parallel längs einer Länge L des Stranghohlprofils 2 verlaufen. Die Form der Kühlkanäle 3 ist hierbei symmetrisch zu einer Mittelebene M jedes Kühlkanals 3 ausgebildet, die in Richtung einer Höhe H des Stranghohlprofils 2 verläuft. Durch die Kühlkanäle 3 strömt ein Kühlfluid in Richtung eines Pfeils F.
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Wie aus der vergrößerten Darstellung von 2 ersichtlich, weist der Kühlkanal 3 einen ebenen ersten Wandbereich 4 und einen ebenen zweiten Wandbereich 5 auf, die einander gegenüberliegend angeordnet sind. Zwei symmetrisch zur Mittelebene M ausgebildete dritte und vierte Wandbereiche 6 und 7 verbinden die ersten und zweiten ebenen Wandbereiche 4 und 5 miteinander. Die dritten und vierten Wandbereiche 6, 7 weisen hierbei ebene Abschnitte 40, bzw. 50 auf, die jeweils abwechselnd mit nach innen gerichteten Bereichen 60 bzw. 70 angeordnet sind. Die nach innen gerichteten Bereiche 60 bzw. 70 sind bogenförmig ausgebildet, und ragen aus dem Material des Stranghohlprofils 2 in den Kühlkanal 3 hinein. Hierdurch ergeben sich in Längsrichtung verlaufende parallele Stege, die das Erzeugen einer turbulenten Strömung begünstigen. Im Schnitt weisen die nach innen gerichteten Bereiche 60, 70 eine Halbkreisform auf. Weiter ist die Kontaktoberfläche der Wandbereiche 5, 6 zum vorbeiströmenden Kühlfluid deutlich größer, was in einer verbesserten Wärmeabfuhr und Kühlleistung resultiert. Die Kühleinrichtung 1 kann dabei als Strangprofil sehr kostengünstig hergestellt werden und insbesondere für verschiedene Anwendungsfälle in unterschiedlichen Längen abgetrennt werden.
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Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf 3 eine Kühleinrichtung gemäß einem weiteren allgemein bekannten Ausführungsbeispiel beschrieben. Gleiche bzw. funktional gleiche Bauteile sind hier mit den gleichen Bezugszeichen wie im vorherigen allgemein bekannten Ausführungsbeispiel bezeichnet.
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Im Gegensatz zum zuvor beschriebenen allgemein bekannten Ausführungsbeispiel weist jeder im Stranghohlprofil 2 ausgebildete Kühlkanal 3 bei diesem Ausführungsbeispiel eine zur Mittelebene M symmetrische Form mit einander gegenüberliegend angeordneten dritten und vierten Wandbereichen 8 und 9 auf, auf denen die ebenen Abschnitte 40, 50 abwechselnd mit nach außen gerichteten Bereichen 80, 90 angeordnet sind. Die nach außen gerichteten Bereiche 80, 90 sind hierbei als bogenförmige Aussparungen aus dem Material des Stranghohlprofils 2 gebildet. Auf diese Weise wird wie beim ersten Ausführungsbeispiel eine verbesserte Kühlleistung infolge der Vergrößerung der Kontaktoberfläche der dritten und vierten Wandbereiche 8, 9 erreicht.
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Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf 4 eine Kühleinrichtung gemäß einem weiteren allgemein bekannten Ausführungsbeispiel beschrieben. Gleiche bzw. funktional gleiche Bauteile sind hier mit den gleichen Bezugszeichen wie in den zuvor beschriebenen allgemeinen Ausführungsbeispielen bezeichnet.
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Im Gegensatz zu den zuvor beschriebenen allgemein bekannten Ausführungsbeispielen weist jeder Kühlkanal 3 bei diesem Ausführungsbeispiel wellenförmige Wandbereiche 10, 11 auf, so dass der Kühlkanal 3 symmetrisch zur Mittelachse M ausgebildet ist. Die wellenförmigen Wandbereiche 10, 11 sind hierbei mit einer jeweils identischen Wellenlänge W und Amplitude A parallel zueinander gegenüberliegend angeordnet. Dadurch werden in Richtung der Länge L des Stranghohlprofils 2 ziehbare Kühlkanäle 3 mit schlangenförmigem Querschnitt und vergrößerten Kontaktoberflächen der Wandbereiche 10, 11 gebildet, die die Kühlleistung verbessern. Neben der hier beispielhaft dargestellten sinusförmigen Wellenform können alternativ auch andere Wellenformen eingesetzt werden.
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Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf 5 eine Kühleinrichtung gemäß einem weiteren allgemein bekannten Ausführungsbeispiel beschrieben. Gleiche bzw. funktional gleiche Bauteile sind hier mit den gleichen Bezugszeichen wie in den zuvor beschriebenen allgemein bekannten Ausführungsbeispielen bezeichnet.
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Im Gegensatz zum zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel sind die wellenförmigen Wandbereiche 10, 11 hierbei mit einer der halben Wellenlänge W entsprechenden Phasenverschiebung zueinander gegenüberliegend angeordnet. Dadurch werden ziehbare flaschenförmige Querschnittsformen der Kühlkanäle 3 in Richtung der Länge L des Stranghohlprofils 2 gebildet, die den Anteil der turbulenten Strömung in den Kühlkanälen 3 deutlich vergrößert, wodurch eine weitere Verbesserung der Kühlleistung zusätzlich zu den vergrößerten Kontaktoberflächen erreicht wird.
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Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf 6 eine Kühleinrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung im Detail beschrieben. Gleiche bzw. funktional gleiche Bauteile sind hier mit den gleichen Bezugszeichen wie in den zuvor beschriebenen allgemein bekannten Ausführungsbeispielen bezeichnet.
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Das erste Ausführungsbeispiel der Erfindung unterscheidet sich vom zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel dadurch, dass anstelle des wellenförmigen Wandbereichs 11 eine Mikrostruktur 20 dem wellenförmigen Wandbereich 10 des Kühlkanals 3 gegenüberliegend angeordnet ist. Die Mikrostruktur 20 weist hierbei eine ziehbare Wellenform mit einer Vielzahl von mit einer Größe von ≤ 1mm vorragenden und/oder ausgesparten Wandbereichen auf.
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Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf 7 eine Kühleinrichtung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung im Detail beschrieben. Gleiche bzw. funktional gleiche Bauteile sind hier mit den gleichen Bezugszeichen wie in den zuvor beschriebenen allgemein bekanntem Ausführungsbeispielen bzw. dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung bezeichnet.
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Im Gegensatz zum zuvor beschriebenen ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung weist jeder Wandbereich der Kühlkanäle 3 bei diesem Ausführungsbeispiel jeweils einen Abschnitt mit dem wellenförmigen Wandbereich 10 sowie einen Abschnitt mit der Mikrostruktur 20 auf. Wie aus 7 ersichtlich, ist hierbei dem Abschnitt mit dem wellenförmigen Wandbereich 10 jeweils der Abschnitt mit der Mikrostruktur 20 und in umgekehrter Weise dem Abschnitt mit der Mikrostruktur 20 der Abschnitt mit dem wellenförmigen Wandbereich 10 gegenüberliegend angeordnet. Alternativ kann jeder Wandbereich auch aus mehr als einem Abschnitt mit dem wellenförmigen Wandbereich 10 und mehr als einem Abschnitt mit der Mikrostruktur 20 gebildet sein, die abwechselnd zueinander benachbart und abwechselnd einander gegenüberliegend angeordnet sind. Auch die in den anderen Ausführungsbeispielen offenbarten Formen der Wandbereiche können hier verwendet werden.
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Die erfindungsgemäße Kühleinrichtung 1 der zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele weist den Vorteil auf, dass sie aufgrund der in Kanalrichtung ziehbar ausgebildeten Wandbereiche der Kühlkanäle 3, die eine von der ebenen Fläche abweichenden Form aufweisen, aus dem endlosen Stranghohlprofil 2 hergestellt und je nach Verwendungszweck aus einem oder einer Mehrzahl von abgelängten Profilstücken einfach und kostengünstig aufgebaut werden kann. Dadurch werden eine vergrößerte Kontaktoberfläche mit dem Kühlfluid und ein gesteigerter Anteil der turbulenten Strömung im Kühlkanal 3 erreicht, was in einer verbesserten Kühlleistung bei gleichem Bauvolumen resultiert.
