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TECHNISCHES GEBIET
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Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Wärmesenken. Insbesondere betrifft der hierin offenbarte Gegenstand Strukturen und Vorrichtungen zur Erhöhung der thermischen Effizienz in einer Wärmesenke.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Ein Problem im Design von elektronischen Systemen ist die Möglichkeit des Entstehens von hohen Wärmelasten, welche durch enges Anordnen einer großen Anzahl von Schaltkreisen auf einem einzelnen Chip sowie mehreren Chips auf einer einzelnen Schaltkreisplatine erzeugt werden, wodurch die Lebenserwartung solcher Vorrichtungen möglicherweise reduziert wird. Ohne effiziente Kühlsysteme würden heutige hochentwickelte Elektroniken wesentlich früher ausfallen als ihre Design-Lebenserwartung. Dies gilt insbesondere für Vorrichtungen, welche in sehr warmen Umgebungen funktionieren müssen.
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Typischerweise beruhen Kühlmittelsysteme auf erzwungener Luftkühlung, welche allgemein in elektronischen Vorrichtungen anzutreffen ist, wie zum Beispiel Personalcomputer oder Wärmetauscher mit einem Strom von flüssigem Fluid, welche üblicherweise in Fahrzeugen und industriellen Umgebungen anzutreffen sind. Systeme mit Flüssig-Strömung gelten als wirksamer als Systeme mit erzwungener Luftkühlung, insbesondere in Umgebungen, wo eine Quelle mit relativ kalter Luft nicht ohne Weiteres verfügbar ist.
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Es ist allgemein bekannt, dass die Menge an von einer Wärmesenke absorbierter Wärme proportional zur Oberfläche eines Wärmetauschers und dem Temperaturgefälle zwischen der Umgebungstemperatur und der Kühlmitteltemperatur im Wärmetauscher ist. Das erste Newtonsche Gesetz der Kühlung besagt, dass die Rate der Wärmeübertragung auf einen Körper proportional zur Differenz der Temperaturen zwischen dem Körper und seiner Umgebung ist. Eine allgemeine Beziehung für die Wärmeübertragung kann dargestellt werden als: dQ/dt = h·A(Tenv – T(ff)) wobei,
- Q
- = thermische Energie in Joule
- H
- = Wärmeübertragungskoeffizient
- A
- = Oberfläche des Wärmetauschers
- T(ff)
- = Temperatur des Kühlmittels als Funktion von Strömungsrate und wirksame Kapazität
- Tenv
- = Temperatur der Wärmeumgebung
ist.
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Somit besagt das erste Newtonsche Gesetz, dass bei gegebenem spezifischen Wärmeübertragungskoeffizient, welcher durch das verwendete Material festgelegt ist, die Rate der Wärmeübertragung proportional sowohl zu der Oberfläche des Wärmetauschers als auch zu der Differenz zwischen der Kühlmitteltemperatur und der Umgebungstemperatur ist, wobei alles andere gleich ist. Jedoch bedeuten Schwachstellen in der Kühlmittelströmung innerhalb des Wärmetauschers Faktoren, welche die wirksame Strömung reduzieren und daher die wirksame Temperatur des Wärmetauschers erhöhen. Somit wären größere Wärmetauscher erforderlich als tatsächlich notwendig.
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Dementsprechend ist es wünschenswert, effizientere Wärmetauscher zu haben. Weiterhin werden andere wünschenswerte Merkmale und Eigenschaften der vorliegenden Erfindung aus der folgenden detaillierten Beschreibung und den angefügten Ansprüchen in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen und dem vorangegangenen technischen Gebiet und Hintergrund ersichtlich.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Diese Zusammenfassung soll eine Auswahl von nicht-beschränkenden Konzepten bereitstellen. Die hierin offenbarten Ausführungsformen sind beispielhaft, da die Kombinationen und Permutationen verschiedener Merkmale des hierin offenbarten Gegenstandes zahlreich sind. Aus Gründen der Klarheit und Kürze ist die vorliegende Beschreibung knapp gefasst.
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Die vorliegende Offenbarung stellt eine neuartige Wärmesenke bereit. Die Wärmesenke umfasst eine thermisch leitfähige Abdeckung mit einem ersten Innenseitenabschnitt und einer Mehrzahl von Pin-artigen Finnen, welche integral mit und herabhängend von dem ersten Innenseitenabschnitt sind. Die Wärmesenke umfasst außerdem einen thermisch leitfähigen Gehäuseabschnitt mit einem zweiten Innenseitenabschnitt und eine zweite Mehrzahl von Pin-artigen Finnen, welche integral mit und sich erstreckend von dem zweiten Innenseitenabschnitt in eine Richtung hin zu dem ersten Innenseitenabschnitt sind.
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In einer weiteren Ausführungsform umfasst die Wärmesenke eine thermisch leitfähige Abdeckung mit einem ersten Innenseitenabschnitt und einer ersten Mehrzahl von Pin-artigen Finnen, welche integral mit und herabhängend von dem ersten Innenseitenabschnitt sind. Die Wärmesenke umfasst außerdem einen thermisch leitfähigen Gehäuseabschnitt mit einer zweiten Innenfläche und einem ersten Vorsprung, welcher von dem zweiten Innenseitenabschnitt hervorsteht, wobei der Vorsprung im Wesentlichen parallel zu wenigstens einer Pin-artigen Finne von der ersten Mehrzahl von Pin-artigen Finnen verläuft.
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In einer weiteren Ausführungsform umfasst die Wärmesenke eine thermisch leitfähige Abdeckung mit einem ersten Innenseitenabschnitt und einer ersten Mehrzahl von Pin-artigen Finnen, welche integral mit und herabhängend von dem ersten Innenseitenabschnitt sind. Die Wärmesenke umfasst außerdem einen thermisch leitfähigen Gehäuseabschnitt mit einem zweiten Innenseitenabschnitt und einem inneren Unterseitenabschnitt mit einem ersten Vorsprung, welcher von dem zweiten Innenseitenabschnitt hervorsteht, wobei der Vorsprung im Wesentlichen parallel zu wenigstens einer Pin-artigen Finne von der ersten Mehrzahl von Pin-artigen Finnen verläuft und sich von dem ersten Innenseitenabschnitt hin zu dem inneren Unterseitenabschnitt erstreckt. Zusätzlich stellt die Wärmesenke eine zweite Mehrzahl von Pin-artigen Finnen bereit, welche integral mit und sich erstreckend von dem Unterseitenabschnitt in eine Richtung hin zu dem ersten Innenseitenabschnitt sind.
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BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die vorliegende Erfindung wird nunmehr in Verbindung mit den folgenden Zeichnungsfiguren beschrieben, wobei gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente bedeuten.
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1a ist eine Querschnittsansicht eines Wärmetauschers gemäß dem Stand der Technik;
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1b ist eine Querschnittsansicht einer beispielhaften Wärmesenke gemäß dem hierin offenbarten Gegenstand;
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1c ist eine Querschnittsansicht einer alternativen beispielhaften Wärmesenke gemäß dem hierin offenbarten Gegenstand;
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2 ist eine perspektivische Ansicht eines beispielhaften Kühlmittelhohlraums;
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3 ist eine Draufsicht einer beispielhaften Ausführungsform, wobei thermisch leitfähige Vorsprünge und zum Gehäuse gehörende Pin-artige Finnen und ihre wie hierin offenbarte Anordnung gezeigt wird;
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4 ist eine weiter gefasste Querschnittsansicht eines beispielhaften Kühlmittelhohlraums mit angrenzenden Wärmequellen;
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5 ist eine perspektivische Explosionsansicht einer beispielhaften Wärmesenke gemäß dem hierin offenbarten Gegenstand; und
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6 ist eine perspektivische Ansicht einer alternativen Ausführungsform einer hierin offenbarten Wärmesenke.
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BESCHREIBUNG EINER BEISPIELHAFTEN AUSFÜHRUNGSFORM
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Die folgende detaillierte Beschreibung ist lediglich beispielhaft und soll den Gegenstand oder die Anwendung und Verwendungen des hierin unten beschriebenen Gegenstandes nicht beschränken. Weiterhin ist nicht beabsichtigt, durch eine in dem vorangegangenen technischen Gebiet, Hintergrund, kurze Zusammenfassung oder der folgenden detaillierten Beschreibung dargestellte Theorie eingeschränkt zu sein.
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Der hierin offenbarte Gegenstand betrifft eine neuartige Wärmesenke oder ein System, welches ebenfalls als eine „Wärmesenke” bezeichnet wird. Eine Wärmesenke absorbiert Wärme, welche sie von einer Wärmequelle aufnimmt, und leitet die Wärme ab an eine Masse, welche eine kühlere Temperatur aufweist. Die Wärmesenke kann in thermodynamischem Kontakt mit einer Wärmequelle sein, und zwar durch physisches Angrenzen an eine Wärmequelle (zum Beispiel einen elektronischen Schaltkreis), so dass Wärme durch Leitung aufgenommen wird, die Wärmesenke kann an eine wechselwirkende Komponente angrenzen, welche auf indirektem Wege Wärme von einer Wärmequelle aufnimmt oder sie kann Wärme direkt über einen Wechselwirkungs-Abstand durch Konvektion oder Strahlung aufnehmen. Eine Wärmesenke kann Wärme von mehreren Wärmequellen absorbieren und ableiten.
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Eine Wärmesenke kann jegliche Form aufweisen, und kann ausgebildet sein, um der Gestalt und/oder Größe einer Wärmequelle zu entsprechen. Als ein nicht-beschränkendes Beispiel betrifft der hierin offenbarte Gegenstand eine Wärmesenke, welche aus Gründen der Einfachheit als ein Parallelepiped geformt ist. Derart kann eine Wärmequelle in einfacher Weise am oberen Ende und am unteren Ende der Wärmesenke angebracht werden, als auch an einer oder mehreren Seiten der Wärmesenke. Weiterhin wird der Fachmann erkennen, dass der im Folgenden offenbarte Gegenstand sowohl für Systeme mit erzwungener Gasströmung als auch für Systeme mit erzwungener Flüssigkeitsströmung verwendet werden kann. Jedoch sollen hierin aus Gründen von Kürze und Klarheit lediglich Wärmesenke-Systeme mit erzwungener Flüssigkeitsströmung erörtert werden.
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1a ist eine Querschnittsansicht eines Abschnitts eines Kühlmittelhohlraums 105 eines Wärmetauschers 5 (das heißt Wärmesenke) mit erzwungener Fluidströmung, welche aus dem Stand der Technik bekannt ist. Der Kühlmittelhohlraum 105 umfasst einen Gehäuseabschnitt oder Rahmen 100 und eine Abdeckung 110. Die Abdeckung 110 umfasst eine Mehrzahl von gleichförmig angeordneten Strukturen oder Pin-artigen Wärmesenke-Finnen 120, welche von der Unterseite der oberen Abdeckung herabhängen. Die Pin-artigen Wärmesenkefinnen 120 können von gleichförmiger konischer oder gleichförmiger abgeflachter konischer Gestalt sein und können wahlweise in Kontakt mit dem Rahmen 100 sein.
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Der Zweck einer Pin-artigen Wärmesenkefinne 120 ist, wie mit der Kühlmittelströmung 600 (siehe 6) in Kontakt befindliche Oberfläche der Wärmesenke 5 zu vergrößern. Bei Vorbeiströmen von flüssigem Kühlmittel 600 an der Pin-artigen Wärmesenke-Finne 120 trifft etwas Kühlmittel auf die Pin-artige Wärmesenkenfinne, was zu einer Übertragung von Wärme von der Pin-artigen Wärmesenkenfinne an das Kühlmittel resultiert. Beim Auftreffen von Kühlmittel 600 auf die Pin-artige Wärmesenkenfinne 120 wird das Fluid durch Reibung gebremst, was zu einem schrittweisen Druckabfall entlang der Wärmesenke 5 führt.
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Eine Dichtung oder ein O-Ring 101 wird am Übergang von Abdeckung 110 und Rahmen 100 verwendet, um ein Austreten von Kühlmittel dort hindurch zu vermeiden. Die Abdeckung 110 ist am Rahmen 100 mittels Befestigungsmitteln 103 (siehe 5) befestigt, welche aus einem wärmeleitfähigen Material oder einem wärmeisolierenden Material hergestellt sein können. Die Befestigungsmittel 103 können beliebige geeignete Befestigungsmittel sein und können Bolzen, Clipse und dergleichen umfassen.
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Dem Fachmann wird bekannt sein, dass der Kühlmitteleinlassdruck, Kühlmittelströmungsrate, Druckabfall über der Wärmesenke und Kühlmitteleinlasstemperatur jeweils einschlägige Variablen bei der Bestimmung der Wärmemenge sind, welche eine Wärmesenke 5 absorbieren wird. Eine thermodynamische Analyse einer beliebigen Wärmesenke-Ausführungsform geht über den Umfang der Offenbarung hinaus und wird zugunsten von Kürze und Klarheit ausgelassen.
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Jedoch soll darauf hingewiesen werden, dass die in 1a dargestellte Wärmesenke aus dem Stand der Technik nicht-gleichförmige Kühlmittelkanäle bzw. Kühlmittel-Überbrückungen 115' zwischen den Pin-artigen Finnen 120 der Wärmesenke und den Seiten des Rahmens 100 erzeugt. Die Wärmesenke aus 1 erzeugt außerdem nicht-gleichförmige Kühlmittel-Überbrückungen zwischen angrenzenden Pin-artigen Finnen 120 der Wärmesenke. Der Begriff „nicht-gleichförmig” wird hierin als eine variierende Weite eines Kühlmittelkanals 115' definiert. Ein nicht-gleichförmiger Kühlmittelkanal 115' lässt etwas laminare Kühlmittelströmung zwischen Komponenten zu, wodurch zugelassen wird, dass etwas Kühlmittel einen bedeutenden thermodynamischen Kontakt mit einer wärmeübertragenden Komponente der Wärmesenke 10, wie zum Beispiel eine Pin-artige Finne 120 der Wärmesenke, vermeidet.
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1b ist eine Querschnittsansicht einer Ausführungsform einer gemäß dem hierin offenbarten Gegenstand beschriebenen Wärmesenke 10. Die Wärmesenke 10 umfasst eine Mehrzahl von thermisch leitfähigen Vorsprüngen 150 als integrale Komponenten des Rahmens 100, wobei diese vorzugsweise mit dem Rahmen vergossen sind. Die thermisch leitfähigen Vorsprünge 150 können in regelmäßigen Abständen entlang der Innenwand von Rahmen 100 der Wärmesenke angeordnet sein und im Wesentlichen rechtwinkelig zur Kühlmittelströmung hervorstehen (siehe 2). Der thermisch leitfähige Vorsprung 150 ist ein Kühlmittelüberbrückungs-Beseitigungsmerkmal, welches eine Totzone beseitigt, wo die Kühlmittelströmung darin einer laminaren Strömung mit einer langsam sich bewegenden Grenzschicht ähnelt. Langsam sich bewegende Grenzschichten tendieren dazu, als thermische Isolatoren zu wirken. Durch Einfügen eines thermisch leitfähigen Vorsprunges 150 wird die Kühlmittelströmung am Ort des thermisch leitfähigen Vorsprungs 150 umgewandelt von laminarer Strömung in turbulente Strömung, und zwar durch Umkehren der Kühlmittelströmung entlang der Wand der Kühlmittelüberbrückungsvorrichtung hin zu einer in der Nähe befindlichen Pin-artigen Finne 120 der Wärmesenke. Die hinzugefügte Oberfläche des thermisch leitfähigen Vorsprungs und die zusätzliche gegen die Pin-artige Finne 120 der Wärmesenke treffende turbulente Strömung erhöht nochmals den Wärmeübergang durch die Pin-artige Finne der Wärmesenke.
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Der thermisch leitfähige Vorsprung 150 weist eine schräge oder Neigung auf, welche sich von dem O-Ring 101 zum Boden des Rahmens 100 erstreckt, welche einer Verjüngung der Pin-artigen Finne 120 der Wärmesenke entspricht. Die entsprechende Schräge und Verjüngung erzeugen einen gleichförmigen Kühlmittelüberbrückungskanal 115 zwischen dem thermisch leitfähigen Vorsprung 150 und der in unmittelbarer Nähe befindlichen Pin-artigen Finne 120 der Wärmesenke.
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Die Oberfläche des thermisch leitfähigen Vorsprungs 150 ist eine glatte kurvenförmige Oberfläche, welche Fluid-Reibung entlang ihrer Oberfläche minimiert, wodurch ihr schrittweiser Beitrag zu dem Druckabfall über der gesamten Wärmesenke 10 minimiert wird. Nicht-beschränkende beispielhafte Formen des thermisch leitfähigen Vorsprungs 150 können einen halben Konus, eine sich verjüngende Wellenform (das heißt sinusförmig), oder eine andere Form umfassen, welche erachtet werden, sowohl Fluidreibung zu minimieren als auch einen Kühlmittelkanal mit einem gleichförmigen Abstand zwischen dem thermisch leitfähigen Vorsprung und einer benachbarten Pin-artigen Wärmesenkenfinne 120 aufrechtzuerhalten.
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1b zeigt außerdem ein ergänzendes Merkmal, welches eine oder mehrere Pin-artige Rahmen-Finnen 160 umfasst, welche hierin als am Boden des Rahmens 100 angeordnet dargestellt sind. Die Pin-artige Rahmenfinne bzw. Finnen 160 können als Teil des Bodenabschnitts des Rahmens 100 gegossen werden oder können nach dem Guss mittels im Stand der Technik bekannter Mittel, wie zum Beispiel Schweißen oder Löten, hinzugefügt werden. Die Pin-artige Rahmenfinne bzw. Finnen 160 können jede Höhe aufweisen und können verwendet werden, um den Druckabfall über der gesamten Wärmesenke 10 zu steuern. Dem Fachmann wird bewusst sein, dass es einen Kompromiss zwischen Wärmeübertragung (das heißt Höhe der Pin-artigen Finne/Oberfläche) und dem Druckabfall über dem Kühlmittelhohlraum existiert.
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In ähnlicher Weise wie der thermisch leitfähige Vorsprung 150 kann die Pin-artige Rahmenfinne 160 auch derart ausgebildet sein, dass die Schräge bzw. Verjüngung der Pin-artigen Rahmenfinne die gleiche ist wie die Verjüngung einer benachbarten Pin-artigen Finne 120 der Wärmesenke, so dass die Weite des bzw. der Kühlmittelkanäle 115 zwischen einer Pin-artigen Finne 120 der Wärmesenke und einer benachbarten Pin-artigen Rahmenfinne 160 entlang der Länge der Pin-artigen Rahmenfinne 160 gleichförmig ist. Die Gleichförmigkeit in der Weite des Kühlmittelkanals 115 gestattet es bei Anwendung entlang des gesamten Kühlmittelhohlraums 105, dass der Abstand zwischen den Pin-artigen Finnen 120 der Wärmesenke und den Pin-artigen Rahmenfinnen 160 und zwischen den Pin-artigen Finnen der Wärmesenke und den thermisch leitfähigen Vorsprüngen 150 als ein einstellbarer Herstellungsparameter verwendet werden kann. Der Abstand kann verwendet werden, um die Fluidströmung durch und den Druckabfall über der Wärmesenke 10 fein abzustimmen.
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Da die Wärmesenke 10 ausgebildet sein kann, um mehrfache Kühlmittelhohlräume 105 zu umfassen (siehe 5 und 6), kann jeder Kühlmittelhohlraum Pin-artige Rahmenfinnen 160 von unterschiedlicher Höhe als die Pin-artigen Rahmenfinnen eines anderen Kühlmittelhohlraums in derselben Wärmesenke 10 aufweisen. Diese Möglichkeit kann hilfreich sein, um den Druckabfall und die Wärmeübertragungsrate in einem Kühlmittelhohlraum zu steuern, welcher im Vergleich mit einem zweiten Kühlmittelhohlraum unterschiedlich ist.
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Beispielsweise kann eine Schaltkreisplatine A, welche an Kühlmittelhohlraum A angebracht ist, eine Wärmelast erzeugen, welche größer ist als eine Wärmelast von einer Schaltkreisplatine B, welche an einem zweiten Kühlmittelhohlraum B angebracht ist, welche in Reihe miteinander verbunden sind. Daher kann es wünschenswert sein, Pin-artige Rahmenfinnen 160 mit größerer Höhe einzufügen, um die Oberfläche des Kühlmittelhohlraums 105 zu erhöhen und die Zeit zu verlängern, während welcher das Kühlmittel in dem Kühlmittelhohlraum A verbleibt (was zu einem hohen Druckabfall führt) und kleinere Pin-artige Rahmenfinnen im Kühlmittelhohlraum B einzufügen (was zu einem geringeren Druckabfall führt), da die Wärmelast geringer ist. Jedoch kann der Gesamt-Druckabfall auf einem konstanten vorbestimmten Druckabfall-Wert über beide Kühlmittelhohlräume verbleiben.
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1c zeigt eine alternative Ausführungsform. Allerdings ist bzw. sind die Pin-artigen Finnen 120 in 1c tatsächlich in Kontakt mit dem Boden des Rahmens 100, wohingegen dies bei den Ausführungsformen aus 1b nicht der Fall ist. Tatsächlicher Kontakt mit dem Rahmen 100 vermeidet Kühlmittelströmung (das heißt laminare Strömung) unter der Pin-artigen Finne 120. Beseitigen des Zwischenraumes zwischen der Pin-artigen Wärmesenkenfinne 120 und dem Rahmen 100 zwingt das Kühlmittel zu turbolenter Strömung, welche die Wärmeabsorptionswirksamkeit des Kühlmittels 600 erhöht. Der direkte Kontakt lässt außerdem bei Bedarf direkten Wärmeübergang zwischen der Abdeckung 110 und dem Rahmen 100 zu.
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Direkter Kontakt der Pin-artigen Wärmesenkenfinne 120 mit dem Rahmen 100 kann in einigen Situationen wünschenswert sein und in anderen hingegen nicht. Beispielsweise kann in Ausführungsformen, welche eine Wärmequelle A (siehe 4) umfassen, welche lediglich am Rahmen 100 oder an der Abdeckung 110 angeordnet ist, ein direkter Kontakt wünschenswert sein, um einen Kühlmittelüberbrückung zu beseitigen und in wirksamerer Weise Wärme an die zusätzliche Masse des Rahmens 100 abzuleiten, was zu einer wirksameren Strömung des Kühlmittels 600 führt. In anderen Ausführungsformen, wo eine Wärmequelle A mit relativ hoher Temperatur an die Abdeckung 110 angrenzt und eine Wärmequelle B mit niedrigerer Temperatur an den Rahmen 100 angrenzt, kann direkter Kontakt der Pin-artigen Wärmesenkenfinnen 120 mit dem Rahmen 100 einen unerwünschten Wärmeübergang von Wärmequelle A (hohe Temperatur) auf Wärmequelle B (niedrigere Temperatur) verursachen. Daher kann ein einstellbarer Zwischenraum zwischen der Spitze der Pin-artigen Wärmesenkenfinne 120 und dem Rahmen 100 in einigen Ausführungsformen als nützlich erachtet werden.
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2 ist eine perspektivische Ansicht eines Rahmens 100, welcher teilweise den Kühlmittelhohlraum 105 definiert, wobei mehrere beispielhafte thermisch leitfähige Vorsprünge 150 in gleichmäßiger Anordnung entlang einer Seite des Rahmens 100 gezeigt werden. In dieser besonderen Ausführungsform werden zwei Reihen von Pin-artigen Rahmenfinnen 160 zwischen Pin-artigen Wärmesenkenfinnen 120 dargestellt. In einigen Ausführungsformen können jedoch weniger als zwei Reihen von Pin-artigen Rahmenfinnen 160 sein. In weiteren Ausführungsformen können drei oder mehr Reihen vorhanden sein.
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Bei Anbringung der Abdeckung 110 auf dem Rahmen 100 mit einem dazwischen angeordneten O-Ring 101 werden die thermisch leitfähigen Pin-artigen Finnen bzw. Finne 120, welche von der Abdeckung herabhängen, zwischen den Paaren von Pin-artigen Rahmenfinnen 160 mit im Wesentlichen gleichförmigem Abstand zwischen jeder der Pin-artigen Wärmesenkenfinnen 120 und jeder der Pin-artigen Rahmenfinnen entlang ihrer benachbarten Oberflächen angeordnet (siehe auch 3).
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4 ist eine Querschnittsansicht des Abschnitts eines Kühlmittelhohlraums 105, welcher in der Draufsicht in 3 entlang der Linie 4-4 gesehen dargestellt ist. Pin-artige Wärmesenkenfinnen 120 a-d hängen herab von Abdeckung 100, über welcher eine Wärmequelle A in befestigter Weise angebracht sein kann. Pin-artige Rahmenfinnen 160 w-z erstrecken sich aufwärts vom Boden des Rahmens 100, an welchem eine Wärmequelle B in befestigter Weise angebracht sein kann. Die Weite der Kanäle zwischen Pin-artigen Wärmesenkenfinnen a-e 120 und Pin-artigen Rahmenfinnen u-z 160 ist im Wesentlichen gleichförmig. Ein beispielhafter Abstand zwischen Pin-artigen Wärmesenkenfinnen 120 und den Pin-artigen Rahmenfinnen 160 ist in 3 und 4 dargestellt (siehe zum Beispiel Abstand (u-a), (a-v), (v-b), (d-w), (w-c), (c-x), (x-d), (d-y), (y-e) und (e-z)).
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5 zeigt eine beispielhafte Ausführungsform eines Einzeldurchlauf-Wärmetauscher-Verteilers 510, welcher drei Kühlmittelhohlräume 105 umfasst. Jeder Kühlmittelhohlraum 105 umfasst eine Mehrzahl von thermisch leitfähigen Vorsprüngen 150 und eine Abdeckung 110 bzw. Grundplatte, von welcher die Pin-artigen Wärmesenkenfinnen 120 herabhängen. Jede Abdeckung 110 ist in thermodynamischer Weise an einer Wärmequelle (A, B, C) angebracht, welche ein elektronisches Energiemodul oder eine andere Wärmequelle sein kann. Der Wärmetauscherverteiler 510 umfasst außerdem eine zweite Abdeckung 100, worin drei Sätze von Pin-artigen Rahmenfinnen 160 angeordnet sind, welche mit einem entsprechenden Satz von Pin-artigen Wärmesenkenfinnen 120 übereinstimmen, wodurch beim Zusammensetzen gleichförmige Kühlmittelkanäle dazwischen erzeugt werden. In dieser besonderen Ausführungsform tritt Kühlmittel 600 in den Kühlmitteleinlassanschluss 512 ein, strömt nacheinander durch jeden Kühlmittelhohlraum 105 und tritt durch Kühlmittelauslassanschluss 514 aus dem Wärmetauscherverteiler 510 aus. Während des Strömens durch jeden Kühlmittelhohlraum 105 ist das Kühlmittel 600 gleichmäßig in einer turbulenten Weise zwischen den Pin-artigen Wärmesenkenfinnen 120 verteilt, wo der Wärmeübergang stattfindet. Die Turbulenz wird durch das Vorhandensein der thermisch leitfähigen Vorsprünge 150 und der Pin-artigen Rahmenfinnen 160 maximiert, wodurch zugelassen wird, dass das gesamte Kühlmittel 600 auf die Mehrzahl von Pin-artigen Wärmesenkenfinnen in jedem Kühlmittelhohlraum auftrifft. Der Fachmann wird erkennen, dass die Pin-artigen Rahmenfinnen 160 und die thermisch leitfähigen Vorsprünge 150 außerdem Wärme an das Kühlmittel übertragen.
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6 zeigt eine beispielhafte Ausführungsform eines Doppeldurchlauf-Wärmetauscherverteilers 510, welcher zwei Verteiler einschließlich sechs Kühlmittelhohlräumen 105 umfasst. Jeder Kühlmittelhohlraum 105 umfasst eine Mehrzahl von thermisch leitfähigen Vorsprüngen 150 und eine Abdeckung 110 bzw. Grundplatte, von welcher die Pin-artigen Wärmesenkenfinnen 120 herabhängen. Jede Abdeckung 110, gegenüber den Pin-artigen Wärmesenkenfinnen 120, ist thermisch mit einer Wärmequelle (A, B, C) verbunden, welche ein elektronisches Energiemodul oder eine andere elektronische Schaltkreisplatine sein kann. Jeder Wärmetauscherverteiler 510 umfasst außerdem eine zweite Abdeckung 100, worin drei Sätze von Pin-artigen Rahmenfinnen 160 angeordnet sind, welche mit den von jeder Abdeckung 110 herabhängenden Pin-artigen Wärmesenkenfinnen 120 zusammenpassen.
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In dieser beispielhaften Ausführungsform tritt Kühlmittel 600 in den Kühlmitteleinlassanschluss 512 ein, strömt nacheinander durch jeden Kühlmittelhohlraum 105 und tritt durch Kühlmittelauslassanschluss 514 aus dem Wärmetauscherverteiler 510 aus. Während des Strömens durch jeden Kühlmittelhohlraum 105 ist das Kühlmittel 600 gleichmäßig in einer turbulenten Weise zwischen den Pin-artigen Wärmesenkenfinnen 120 verteilt, wo der Wärmeübergang stattfindet. Die Turbulenz wird durch Vorhandensein der thermisch leitfähigen Vorsprünge 150 und der Pin-artigen Rahmenfinnen 160 maximiert, wodurch zugelassen wird, dass das gesamte Kühlmittel 600 auf die Mehrzahl von Pin-artigen Wärmesenkenfinnen 120 in jedem Kühlmittelhohlraum auftrifft.
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Während 5 und 6 zwei beispielhafte Ausführungsformen eines Wärmetauschers darstellen, wird bevorzugt, dass eine beliebige Anzahl von Verteilern in Reihe, parallel oder in einer Kombination von seriellen und parallelen Anordnungen verbunden werden können und in den beabsichtigen Umfang der hier beschriebenen Offenbarung fallen. Es wird weiterhin bevorzugt, dass eine beliebige Anzahl von Kühlmittelhohlräumen 105 einen Wärmetauscherverteiler 510 umfassen, wobei die Kühlmittelhohlräume je nach Erfordernis eine beliebige gewünschte Form oder Anordnung aufweisen können.
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Da die hierin offenbarten Wärmetauscher Positiv-Druck-Systeme (das heißt als Pumpe betrieben) sind, können die Wärmetauscher in jeder beliebigen physischen Ausrichtung (zum Beispiel vertikal, horizontal oder auf dem Kopf) betrieben werden. Die Wärmetauscher können außerdem in einem Vakuum und in Umgebungen mit hoher Vibration betrieben werden, und sind daher für Raumflüge und allgemeine Luftfahrt geeignet. Weiterhin kann der hierin offenbarte Gegenstand in Systemen betrieben werden, welche zur Atmosphäre hin offen sind, oder in geschlossenen Systemen, wo jegliche atmosphärische Gase aus dem System evakuiert sind.
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Während in der vorangegangenen detaillierten Beschreibung wenigstens eine beispielhafte Ausführungsform dargestellt wurde, wird bevorzugt, dass eine große Anzahl von Variationen existiert. Es wird außerdem bevorzugt, dass die beispielhafte Ausführungsform oder beispielhafte Ausführungsformen lediglich Beispiele sind und den Umfang, die Anwendbarkeit oder Konfiguration der Erfindung in keiner Weise beschränken sollen. Vielmehr soll die vorangegangene detaillierte Beschreibung dem Fachmann eine praktische Anleitung für die Ausführung einer beispielhaften Ausführungsform oder beispielhafter Ausführungsformen an die Hand geben. Es sollte ersichtlich sein, dass verschiedene Änderungen hinsichtlich Funktion und Anordnung der in einer beispielhaften Ausführungsform beschriebenen Elemente vorgenommen werden können, ohne den Umfang der Erfindung wie in den beigefügten Ansprüchen und den rechtlichen Äquivalenten davon zu verlassen.
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Weitere Ausführungsformen
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- 1. Wärmesenke, umfassend:
Eine thermisch leitfähige Abdeckung mit einem ersten Innenseitenabschnitt;
eine erste Mehrzahl von Pin-artigen Finnen, welche integral mit und abstehend von dem ersten Innenseitenabschnitt sind;
einen thermisch leitfähigen Gehäuseabschnitt mit einem zweiten Innenseitenabschnitt; und
eine zweite Mehrzahl von Pin-artigen Finnen, welche integral mit und abstehend von dem zweiten Innenseitenabschnitt in eine Richtung zu dem ersten Innenseitenabschnitt sind.
- 2. Wärmesenke nach Ausführungsform 1, wobei die erste Mehrzahl von Pin-artigen Finnen sich unter einem im Wesentlichen rechten Winkel von dem ersten Innenseitenabschnitt herabhängen und die zweite Mehrzahl von Pin-artigen Finnen sich unter einem im Wesentlichen rechten Winkel von dem zweiten Innenseitenabschnitt erstreckt.
- 3. Wärmesenke nach Ausführungsform 2, wobei jede Pin-artige Finne von der ersten Mehrzahl von Pin-artigen Finnen und der zweiten Mehrzahl von Pin-artigen Finnen eine abgeflachte konische Form mit gleichförmiger Verjüngung aufweisen.
- 4. Wärmesenke nach Ausführungsform 3, wobei der Abstand zwischen einer Pin-artigen Finne von der ersten Mehrzahl von Pin-artigen Finnen und jeder angrenzenden Pin-artigen Finne von der zweiten Mehrzahl von Pin-artigen Finnen im Wesentlichen gleichförmig ist.
- 5. Wärmesenke nach Ausführungsform 1, wobei jede Pin-artige Finne von der ersten Mehrzahl von Pin-artigen Finnen physisch in Kontakt mit dem zweiten Innenseitenabschnitt ist.
- 6. Wärmesenke nach Ausführungsform 1, weiterhin umfassend thermisch leitfähige Bolzen, welche die thermisch leitfähige Abdeckung an dem thermisch leitfähigen Gehäuseabschnitt befestigen.
- 7. Wärmesenke nach Ausführungsform 6, weiterhin umfassend einen O-Ring zwischen der thermisch leitfähigen Abdeckung und dem thermisch leitfähigen Gehäuseabschnitt.
- 8. Wärmesenke nach Ausführungsform 2, wobei der Gehäuseabschnitt weiterhin einen dritten Innenseitenabschnitt mit einem Vorsprung aufweist, welcher von dort hervorsteht und sich im Wesentlichen parallel zu wenigstens einer Pin-artigen Finne von der ersten Mehrzahl von Pin-artigen Finnen erstreckt.
- 9. Wärmesenke nach Ausführungsform 8, wobei der Vorsprung einer aus einer Mehrzahl von Vorsprüngen ist, welche im Wesentlichen gleichmäßig entlang dem dritten Innenseitenabschnitt angeordnet sind.
- 10. Wärmesenke, umfassend:
Eine thermisch leitfähige Abdeckung einschließlich eines ersten Innenseitenabschnitts;
eine erste Mehrzahl von Pin-artigen Finnen, welche integral mit und herabhängend von dem ersten Innenseitenabschnitt sind;
einen thermisch leitfähigen Gehäuseabschnitt mit einer zweiten Innenseite; und
einen ersten Vorsprung, welcher von dem zweiten Innenseitenabschnitt hervorsteht und im Wesentlichen parallel zu wenigstens einer Pin-artigen Finne von der ersten Mehrzahl von Pin-artigen Finnen verläuft.
- 11. Wärmesenke nach Ausführungsform 10, wobei der thermisch leitfähige Gehäuseabschnitt weiterhin eine Bodenfläche gegenüber der thermisch leitfähigen Abdeckung umfasst.
- 12. Wärmesenke nach Ausführungsform 11, wobei der erste Vorsprung sich von einem Punkt in der Nähe der ersten Innenseite hin zu der Bodenfläche erstreckt.
- 13. Wärmesenke nach Ausführungsform 12, umfassend eine Mehrzahl von Vorsprüngen, welche im Wesentlichen gleichmäßig entlang dem zweiten Innenseitenabschnitt beabstandet sind.
- 14. Wärmesenke nach Ausführungsform 13, wobei jeder Vorsprung von der Mehrzahl von Vorsprüngen einen im Wesentlichen gleichförmigen Grundriss aufweist.
- 15. Wärmesenke nach Ausführungsform 11, wobei ein Abstand zwischen jedem Vorsprung von der Mehrzahl von Vorsprüngen und jeder benachbarten Pin-artigen Finne der ersten Mehrzahl von Pin-artigen Finnen im Wesentlichen gleichförmig entlang der Länge jeder Pin-artigen Finne von der Mehrzahl von benachbarten Pin-artigen Finnen der ersten Mehrzahl ist.
- 16. Wärmesenke nach Ausführungsform 11, umfassend eine zweite Mehrzahl von Pin-artigen Finnen, welche integral mit und sich erstreckend von der Bodenfläche in eine Richtung hin zu dem ersten Innenseitenabschnitt sind.
- 17. Wärmesenke, umfassend:
Eine thermisch leitfähige Abdeckung einschließlich eines ersten Innenseitenabschnitts;
eine erste Mehrzahl von Pin-artigen Finnen, welche integral mit und herabhängend von dem ersten Innenseitenabschnitt sind;
einen thermisch leitfähigen Gehäuseabschnitt mit einem zweiten Innenseitenabschnitt und einem inneren Unterseitenabschnitt;
einen ersten Vorsprung, welcher von dem zweiten Innenseitenabschnitt hervorsteht, wobei der Vorsprung im Wesentlichen parallel zu wenigstens einer Pin-artigen Finne von der ersten Mehrzahl von Pin-artigen Finnen verläuft und sich von dem ersten Innenseitenabschnitt zu dem inneren Unterseitenabschnitt erstreckt; und
eine zweite Mehrzahl von Pin-artigen Finnen, welche integral mit und sich erstreckend von dem Unterseitenabschnitt in eine Richtung hin zu dem ersten Innenseitenabschnitt sind.
- 18. Wärmesenke nach Ausführungsform 17, wobei die erste Mehrzahl von Pin-artigen Finnen und die zweite Mehrzahl von Pin-artigen Finnen eine abgeflachte konische Form mit einer Verjüngung aufweisen.
- 19. Wärmesenke nach Ausführungsform 18, wobei die Verjüngung jeder Pin-artigen Finne von der ersten Mehrzahl von Pin-artigen Finnen und der zweiten Mehrzahl von Pin-artigen Finnen im Wesentlichen gleich ist.
- 20. Wärmesenke nach Ausführungsform 19, wobei der erste Vorsprung ein Vorsprung von einer Mehrzahl von Vorsprüngen ist, welche im Wesentlichen gleichmäßig entlang der zweiten Innenseite beabstandet sind.
