DE102011078674A1

DE102011078674A1 - Kühlbauteil

Info

Publication number: DE102011078674A1
Application number: DE102011078674A
Authority: DE
Inventors: Norbert Huber
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2011-07-05
Filing date: 2011-07-05
Publication date: 2013-01-10
Also published as: WO2013004532A1

Abstract

Kühlbauteil (1), umfassend einen Grundkörper (2), wobei an wenigstens einer Fläche (3) des Grundkörpers (2) wenigstens ein zellularer Metallschaumkörper (8) angeordnet ist, wobei von wenigstens einer Fläche (3) des Grundkörpers (2) wenigstens zwei Rippen (6) abragen, wobei der zellulare Metallschaumkörper (8) den zwischen den Rippen (6) ausgebildeten Zwischenraum (7) vollständig ausfüllt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Kühlbauteil, umfassend einen Grundkörper, wobei an wenigstens einer Fläche des Grundkörpers wenigstens ein zellularer Metallschaumkörper angeordnet ist.
Es ist bekannt, elektrischen Komponenten entsprechende Kühlbauteile zuzuordnen, um die während des Betriebs der Komponenten entstehende Verlustwärme abzuführen. Derart kann die Betriebssicherheit entsprechender Komponenten sichergestellt werden, da das Überschreiten einer maximal zulässigen Betriebstemperatur derart in der Regel verhindert wird.
Zur Verbesserung entsprechender Kühlbauteile wurde vorgeschlagen, diese an entsprechenden Flächen, insbesondere im Bereich des Wärmeeintrags in das Kühlbauteil, mit Metallschaumkörpern zu versehen, welche aufgrund ihrer, auf deren zellulare Struktur zurückzuführenden, großen spezifischen Oberflächen ein hohes Wärmeaustauschpotential aufweisen.
Hierbei zeigte es sich jedoch, dass der Wärmeeintrag in die Metallschäume vermutlich aufgrund der geringen Wandstärke der die Zellen des Metallschaums begrenzenden Zellwände sehr gering ist. Mithin sind die Kühleigenschaften entsprechender mit Metallschäumen versehener Kühlbauteile nicht hinreichend zufrieden stellend.
Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, ein entsprechendes Kühlbauteil mit verbesserten Kühleigenschaften anzugeben.
Das Problem wird erfindungsgemäß durch ein Kühlbauteil der eingangs genannten Art gelöst, welches sich dadurch auszeichnet, dass von wenigstens einer des Fläche des Grundkörpers wenigstens zwei Rippen abragen, wobei der zellulare Metallschaumkörper den zwischen den Rippen ausgebildeten Zwischenraum vollständig ausfüllt.
Die Erfindung beruht auf dem Gedanken, an wenigstens einer Fläche des Grundkörpers, das heißt bevorzugt der dem Wärmeeintrag direkt ausgesetzten Fläche, Rippen bzw. Rippenstrukturen vorzusehen, welche aufgrund ihrer kompakten, d.h. nicht zellularen Struktur und Wandstärke einen erhöhten thermischen Eintrag in den von der Fläche abgewandten Bereich des Grundkörpers erlauben. Mithin ist das Problem des bei mit zellularen Metallschaumkörpern versehenen Grundkörpern begrenzten Wärmeeintrags gelöst, da der Wärmeeintrag zusätzlich bzw. insbesondere über die kompakt, das heißt im Gegensatz zu dem Metallschaumkörper nicht zellular ausgebildeten, Rippen erfolgt. Unter Rippen im erfindungsgemäßen Sinne sind jedwede, sich von der jeweiligen Fläche des Grundkörpers weg erstreckende Elemente zu verstehen.
Die Rippen stehen in thermisch leitfähigem Kontakt mit dem den zwischen den benachbarten Rippen gebildeten Zwischenraum vollständig ausfüllenden zellularen Metallschaumkörper, sodass die von den Rippen aufgenommene Wärme in den Metallschaumkörper abgeleitet werden kann, wodurch sich aufgrund dessen großer spezifischer Oberfläche gute Kühleigenschaften des erfindungsgemäßen Kühlbauteils erreichen lassen.
Die Rippen selbst können integral mit der Fläche des Grundkörpers ausgebildet sein oder als separate Bauteile an diesem lösbar oder unlösbar, insbesondere über eine ebenfalls thermisch leitfähige Anbindung, wie z. B. eine Lötverbindung, befestigt werden. Bevorzugt sind die Rippen aus einem thermisch leitfähigen Material, wie insbesondere Aluminium oder Kupfer, gebildet.
Grundsätzlich wird angestrebt, sämtliche zwischen entsprechenden Rippen ausgebildete Zwischenräume vollständig mit dem zellularen Metallschaumkörper auszufüllen. In Ausnahmen können bestimmte Zwischenräume jedoch auch frei gelassen oder mit einem anderen, insbesondere thermisch leitfähigen, Material gefüllt werden.
Der Abstand entsprechender benachbarter Rippen ist grundsätzlich frei wählbar, jedoch ist es vorteilhaft, wenn dieser der doppelten Wärmeeindringtiefe entspricht. Es zeigte sich, dass hiermit besonders gute Kühleigenschaften des erfindungsgemäßen Kühlbauteils für eine große Anzahl unterschiedlicher Kühlbedingungen erreicht werden können.
Die von der Fläche des Grundkörpers abragenden Rippen können aber auch jeweils gleich oder unterschiedlich voneinander beabstandet angeordnet sein, sodass sich entweder gleich große oder unterschiedlich große Zwischenräume zwischen benachbarten Rippen realisieren lassen, was beispielsweise zweckmäßig ist, wenn das Kühlbauteil abschnittsweise unterschiedliche Kühleigenschaften aufweisen soll.
Der Grundkörper kann als Platte oder als durch mehrere, durch entsprechende entsprechende Flächen aufweisende Wände umfassender Hohlkörper ausgebildet sein. Mithin kann der Grundkörper in einer Vielzahl an unterschiedlichen geometrischen Formen vorliegen und ist sonach an individuelle geometrische Einbaubedingungen anpassbar. Bei der Ausführung des Grundkörpers als Hohlkörper ist es möglich, dass das von dem Hohlkörper begrenzte Volumen von einem gasförmigen oder flüssigen Kühlmedium durchströmbar ist. Mithin bildet der Grundkörper hier eine Art Kanal für ein entsprechendes Kühlmedium wie etwa Luft oder Wasser.
In einer möglichen Ausführungsform kann der Grundkörper beispielsweise eine hohlzylindrische Form aufweisen, wobei die Rippen radial nach außen oder innen von einer Fläche des Grundkörpers abragen. Der Grundkörper weist demnach die Form eines Rohrs auf, auf dessen Außendurchmesser und/oder Innendurchmesser entsprechende mit Radialstegen zu vergleichende Rippen angeordnet sind. Diese Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kühlbauteils eignet sich beispielsweise besonders als Wärmerohr für einen Wärmetauscher.
Es ist weiter denkbar, dass der Grundkörper zwei hohlzylindrische Elemente unterschiedlichen Durchmessers umfasst, welche über die entsprechenden radial verlaufenden Rippen miteinander verbunden sind. Diese Ausführungsform betrifft einen im Wesentlichen als doppelwandiges Rohr ausgebildeten Grundkörper, bestehend aus zwei unterschiedlich dimensionierten hohlzylindrischen Elementen. Die Rippen dienen hier neben dem verbesserten Wärmeeintrag in den Metallschaumkörper zusätzlich als Verbindungselemente zwischen den hohlzylindrischen Elementen. Selbstverständlich kann auch der Metallschaumkörper an beide hohlzylindrische Elemente angebunden sein, sodass auch dieser zusätzlich als Verbindungselement dient. Die Ausführung als doppelwandiges Rohr verleiht dem Grundkörper ein hohes Maß an mechanischer Stabilität.
Wie erwähnt, kann der zellulare Metallschaumkörper durch Löten mit der Fläche des Grundkörpers und/oder den Rippen verbunden sein. Lötverbindungen erlauben neben einer mechanischen Stabilität einen guten Wärmeübergang zwischen den zu verbindenden Bauteilen, weshalb vorliegend der Wärmeeintrag von den Rippen in den Metallschaumkörper begünstigt werden kann. Alternativ oder zusätzlich ist auch die Verwendung thermisch leitfähiger Kleber oder dergleichen zur Herstellung einer thermisch leitfähigen wie auch mechanisch stabilen Verbindung zwischen den Rippen und dem Metallschaumkörper vorstellbar.
Der Metallschaumkörper kann beispielsweise aus einem Aluminium-, Magnesium- oder Kupferschaum gebildet sein. Der Metallschaumkörper kann sowohl in Form eines geschlossenzelligen als auch offenzelligen Schaumkörpers vorliegen.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:
1 eine Prinzipdarstellung eines Kühlbauteils gemäß einer ersten beispielhaften Ausführungsform der Erfindung;
2 eine Prinzipdarstellung eines Kühlbauteils gemäß einer zweiten beispielhaften Ausführungsform der Erfindung;
3 eine Prinzipdarstellung eines Kühlbauteils gemäß einer dritten beispielhaften Ausführungsform der Erfindung; und
4 eine Prinzipdarstellung eines Kühlbauteils gemäß einer vierten beispielhaften Ausführungsform der Erfindung.
1 zeigt eine Prinzipdarstellung eines Kühlbauteils 1 gemäß einer ersten beispielhaften Ausführungsform der Erfindung. Das Kühlbauteil 1 dient zur Kühlung eines weiteren, insbesondere elektrischen, Bauteils (nicht gezeigt). Ersichtlich handelt es sich um eine Schnittansicht (vgl. auch die weiteren Figuren).
Das Kühlbauteil 1 weist einen Grundkörper 2 auf, dessen Flächen 3 ein Innenvolumen 4 begrenzen. Von der dem Wärmeeintrag (vgl. Pfeile 5) durch das zu kühlende Bauteil zugewandten unteren Fläche 3 des Grundkörpers 2 ragen Rippen 6 ab. Der durch jeweils benachbart angeordnete Rippen 6 gebildete Zwischenraum 7 ist jeweils vollständig durch einen zellularen Metallschaumkörper 8 ausgefüllt. Entsprechend weisen die Rippen 6 und die entsprechenden Metallschaumkörper 8 die gleiche Höhe h auf. Der Metallschaumkörper 8 ist beispielsweise aus einem offenzelligen Kupferschaum gebildet.
Durch die Rippen 6, welche gleichermaßen aus einem thermisch leitfähigen Material, wie zum Beispiel Kupfer, gebildet sein können, ist ein verbesserter Wärmeeintrag in den zellularen Metallschaumkörper 8 möglich. Dieser ist über eine Lötverbindung thermisch leitend mit den Rippen 6 verbunden. Der Abstand a der Rippen 6 entspricht der doppelten Wärmeeindringtiefe der von dem zu kühlenden Bauteil abgegebenen Wärmemenge. Demzufolge entspricht die Wärmeeindringtiefe etwa dem halben Abstand a der Rippen 6.
Das erfindungsgemäße Prinzip erlaubt durch Aufbringen des Metallschaumkörpers 8 auf entsprechende Wärme leitende Rippen 6 eine hohe Wirksamkeit des Wärmeübergangs in den Metallschaumkörper 8, sodass dessen große spezifische Oberfläche zu einer hohen Kühlwirkung des Kühlbauteils 1 führt.
2 zeigt eine Prinzipdarstellung eines Kühlbauteils 1 gemäß einer zweiten beispielhaften Ausführungsform der Erfindung. Der wesentliche Unterschied zu der in 1 gezeigten Ausführungsform besteht darin, dass der Grundkörper 2 hier lediglich eine Fläche 3 umfasst. Mithin ist das Kühlbauteil 1 respektive der Grundkörper 2 plattenartig ausgebildet und somit die Rippen 6 sowie der Metallschaumkörper 8 frei von einem Kühlmedium überströmbar.
3 zeigt eine Prinzipdarstellung eines Kühlbauteils gemäß einer dritten beispielhaften Ausführungsform der Erfindung. Ersichtlich ist der Grundkörper 2 hier als Hohlzylinder ausgebildet, das heißt, der Grundkörper 2 weist insgesamt die Form eines Rohres auf. Die Rippen 6 sind in Form von radial nach außen abragenden Stegen auf dem Außendurchmesser des Grundkörpers 2 angeordnet. Wiederum befinden sich zwischen den durch die jeweiligen Rippen 6 gebildeten Zwischenräumen 7 Metallschaumkörper 8, welche die entsprechenden Zwischenräume 7 vollständig ausfüllen, sodass das Kühlbauteil 1 nach außen im Wesentlichen einen einheitlichen Durchmesser aufweist.
4 zeigt eine Prinzipdarstellung eines Kühlbauteils gemäß einer vierten beispielhaften Ausführungsform der Erfindung. Die in 4 gezeigte Ausführungsform ist ähnlich der in 3 gezeigten Ausführungsform und unterscheidet sich lediglich dahingehend, dass der Grundkörper 2 zwei hohlzylindrische Elemente 2a, 2b unterschiedlichen Durchmessers umfasst, welche über die radial verlaufenden Rippen 6 miteinander verbunden sind. Die Rippen 6 dienen sonach als radiale Verbindungsstege, welche eine stabile Befestigung der jeweiligen hohlzylindrischen Elemente 2a, 2b miteinander ermöglichen.
Die in den 3, 4 gezeigten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Kühlbauteils 1, welche jeweils rohrförmige Kühlbauteile 1 zeigen, sind insbesondere zur Verwendung in Wärmetauschern geeignet.
Insgesamt kann mit dem erfindungsgemäßen Prinzip der Wärmeübergang sowohl in Luft, Wasser oder allen anderen gasförmigen bzw. kondensierten Kühlmedien verbessert werden.
Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.

Claims

Kühlbauteil (1), umfassend einen Grundkörper (2), wobei an wenigstens einer Fläche (3) des Grundkörpers (2) wenigstens ein zellularer Metallschaumkörper (8) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass von wenigstens einer Fläche (3) des Grundkörpers (2) wenigstens zwei Rippen (6) abragen, wobei der zellulare Metallschaumkörper (8) den zwischen den Rippen (6) ausgebildeten Zwischenraum (7) vollständig ausfüllt.
Kühlbauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand (a) der Rippen (6) der doppelten Wärmeeindringtiefe entspricht.
Kühlbauteil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper (2) als Platte oder als durch mehrere, durch entsprechende entsprechende Flächen (3) aufweisende Wände umfassender Hohlkörper ausgebildet ist.
Kühlbauteil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper (2) eine hohlzylindrische Form aufweist, wobei die Rippen (6) radial nach außen oder innen von einer Fläche (3) des Grundkörpers (2) abragen.
Kühlbauteil nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper (2) zwei hohlzylindrische Elemente (2a, 2b) unterschiedlichen Durchmessers umfasst, welche über die radial verlaufenden Rippen (6) miteinander verbunden sind.
Kühlbauteil nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zellulare Metallschaumkörper (8) durch Löten mit der Fläche (3) des Grundkörpers (2) und/oder den Rippen (6) verbunden ist.
Kühlbauteil nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Metallschaumkörper (8) aus einem Aluminium-, Magnesium- oder Kupferschaum gebildet ist.