DE102011079637A1 - Process for the preparation of a seawater-resistant cooling plate and apparatus produced by this method and their use - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung einer Kühlplatte und auf eine Vorrichtung hergestellt mit dem Verfahren sowie deren Verwendung, wobei das Verfahren die folgenden Schritten umfasst, Bereitstellen wenigstens einer ersten und wenigstens einer zweiten Platte (10, 10’) jeweils mit Ausnehmungen (13) und Anordnen der wenigstens zwei Platten (10, 10’) übereinander derart, dass sich Ausnehmungen (13) der wenigstens einen ersten Platte (10) mit Ausnehmungen (13) der wenigstens einen zweiten Platte (10’) überlappen und durchgehende Kühlkanäle entlang einer Längsrichtung (30) in einer Ebene der Platten (10, 10’) ausgebildet werden, und Verbinden der wenigstens einen ersten und der wenigstens einen zweiten Platte (10, 10’). Die wenigstens eine erste und die wenigstens eine zweite Platte (10, 10’) werden jeweils aus einem mehrschichtigen Aufbau aus CuNi10Fe hergestellt. The present invention relates to a method of manufacturing a cold plate and to an apparatus made by the method and the use thereof, the method comprising the steps of providing at least first and at least one second plate (10, 10 ') each with recesses (13) and arranging the at least two plates (10, 10 ') one above the other in such a way that recesses (13) of the at least one first plate (10) overlap with recesses (13) of the at least one second plate (10') and continuous cooling channels along a longitudinal direction (30) in a plane of the plates (10, 10 ') are formed, and connecting the at least one first and the at least one second plate (10, 10'). The at least one first and the at least one second plate (10, 10 ') are each made of a multilayer structure of CuNi10Fe.
Description
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung einer Kühlplatte und auf eine Vorrichtung hergestellt mit dem Verfahren sowie deren Verwendung, wobei das Verfahren die folgenden Schritten umfasst, Bereitstellen wenigstens einer ersten und wenigstens einer zweiten Platte jeweils mit Ausnehmungen und Anordnen der wenigstens zwei Platten übereinander derart, dass sich Ausnehmungen der wenigstens einen ersten Platte mit Ausnehmungen der wenigstens einen zweiten Platte überlappen und durchgehende Kühlkanäle entlang einer Längsrichtung in einer Ebene der Platten ausgebildet werden, und Verbinden der wenigstens einen ersten und der wenigstens einen zweiten Platte. The present invention relates to a method of manufacturing a cold plate and to an apparatus made by the method and the use thereof, the method comprising the steps of providing at least a first and at least a second plate each with recesses and arranging the at least two plates over each other such that recesses of the at least one first plate overlap recesses of the at least one second plate and continuous cooling channels are formed along a longitudinal direction in a plane of the plates, and connecting the at least one first and the at least one second plate.
Bei der Kühlung von elektrischen Leistungskomponenten, wie z.B. von Umrichtern und Energiespeichern, werden bei hohen Leistungsdichten Wasser oder Wasser-Glykol-Mischungen als Kühlmedium verwendet. Das Kühlmedium zirkuliert in einem geschlossenen Kühlkreislauf und verhindert durch die Kühlung eine Zerstörung der Leistungskomponenten durch zu hohe Temperaturen, bei welchen z.B. einzelne Komponenten mechanisch und/oder chemisch instabil werden. In the cooling of electrical power components, such as e.g. of converters and energy storage, water or water-glycol mixtures are used as the cooling medium at high power densities. The cooling medium circulates in a closed cooling circuit and prevents, by cooling, destruction of the power components due to excessive temperatures, at which e.g. individual components become mechanically and / or chemically unstable.
Auf Schiffen, in Off-Shore-Anlagen oder in Küstennähe ist eine Kühlung in einem offenen Kreislauf mit Seewasser möglich. Dadurch könnte der Wärmetauscher, verwendet in geschlossenen Kühlkreisläufen zu Kühlflüssigkeitsrückkühlung, eingespart werden. Die hohe Korrossionsanfälligkeit von Materialien in Kühlkreisläufen nach dem Stand der Technik, wie z.B. bekannt aus der
Die Verarbeitung von korrosionsresistenteren Werstoffen, z.B. in Form von Kühlschlangen aus Kupfer oder Edelstahl in einer Aluminiumplatte, ist sehr aufwendig und teuer. Bei der Verarbeitung von Kühlschlangen in Platten eingebettet kann es zu Delaminierungen kommen, durch welche Wärmeübergänge und somit die Funktion einer Kühlplatte verschlechtert werden. The processing of more corrosion resistant fabrics, e.g. in the form of cooling coils made of copper or stainless steel in an aluminum plate, is very complicated and expensive. In the processing of cooling coils embedded in plates can lead to delamination, which deteriorates heat transfer and thus the function of a cooling plate.
Aufgabe des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es deshalb, eine Möglichkeit anzugeben, einfach und kostengünstig eine wenig korrosionsanfällige Kühlplatte herzustellen, welche auch mit stark korrodierenden Kühlflüssigkeiten betrieben werden kann. Insbesondere ist es Aufgabe ein Verfahren anzugeben, welches eine Kühlplatte ergibt, die in offenen Kühlkreisläufen eingesetzt werden kann, betrieben mit Seewasser. Weiterhin ist es Aufgabe eine Vorrichtung und deren Verwendung zur Kühlung anzugeben, welche mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens besonders günstig und stabil hergestellt werden kann und eine besonders korrosionsfeste Kühlplatte ergibt. The object of the method according to the invention is therefore to specify a possibility of producing a cooling plate which is not susceptible to corrosion in a simple and cost-effective manner and which can also be operated with strongly corrosive cooling liquids. In particular, it is an object to provide a method which results in a cooling plate, which can be used in open cooling circuits, operated with seawater. Furthermore, it is an object to provide a device and its use for cooling, which can be produced particularly favorable and stable by means of the method according to the invention and results in a particularly corrosion-resistant cooling plate.
Die angegebene Aufgabe wird bezüglich des Verfahrens zur Herstellung einer Kühlplatte mit den Merkmalen des Anspruchs 1, bezüglich der Vorrichtung hergestellt mit dem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 10, und bezüglich deren Verwendung mit den Merkmalen des Anspruchs 13 gelöst. The stated object is achieved with respect to the method for producing a cooling plate with the features of claim 1, with respect to the device produced by the method with the features of
Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung einer Kühlplatte, der Vorrichtung hergestellt mit dem Verfahren sowie deren Verwendung, gehen aus den jeweils zugeordneten abhängigen Unteransprüchen hervor. Dabei können die Merkmale des Hauptanspruchs mit Merkmalen der Unteransprüche und/oder Merkmale von Unteransprüchen untereinander kombiniert werden. Advantageous embodiments of the method according to the invention for producing a cooling plate, the device produced by the method and their use, will become apparent from the respective associated dependent claims. The features of the main claim with features of the subclaims and / or features of subclaims can be combined with each other.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer Kühlplatte umfasst die Schritte, Bereitstellen wenigstens einer ersten und wenigstens einer zweiten Platte jeweils mit Ausnehmungen, und Anordnen der wenigstens zwei Platten übereinander derart, dass sich Ausnehmungen der wenigstens einen ersten Platte mit Ausnehmungen der wenigstens einen zweiten Platte überlappen. Dabei werden durchgehende Kühlkanäle entlang einer Längsrichtung in einer Ebene der Platten ausgebildet. Ein weiterer Schritt ist das Verbinden der wenigstens einen ersten und der wenigstens einen zweiten Platte miteinander. Die wenigstens eine erste und die wenigstens eine zweite Platte werden jeweils aus einem mehrschichtigen Aufbau aus CuNi10Fe hergestellt. The inventive method for producing a cooling plate comprises the steps of providing at least one first and at least one second plate each with recesses, and arranging the at least two plates one above the other such that recesses of the at least one first plate overlap with recesses of the at least one second plate. In this case, continuous cooling channels are formed along a longitudinal direction in a plane of the plates. Another step is connecting the at least one first and the at least one second plate to one another. The at least one first and the at least one second plate are each made of a multilayer structure of CuNi10Fe.
Ein Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist, dass eine korrosionsfeste Kühlplatte geschaffen wird, welche einfach und kostengünstig herstellbar ist und in offenen Kühlwasserkreisläufen mit Seewasser betrieben werden kann. Die Verwendung von mehrschichtigen Aufbauten der jeweiligen Platten aus CuNi10Fe und die Erstellung von Kühlkanälen durch übereinander Anordnen und Verbinden der Platten mit ihren Ausnehmungen zur Bildung von durchgehenden Kühlkanälen, ermöglicht eine einfachere Herstellung als bei Verwendung von rohrförmigen Kühlschlangen aus einem Material, jeweils eingebettet in einer Platte eines zweiten, nicht korrosionsfesten Materials, wie aus dem Stand der Technik bekannt ist. An advantage of the method according to the invention is that a corrosion-resistant cooling plate is provided, which is simple and inexpensive to produce and can be operated in open cooling water circuits with seawater. The use of multi-layered structures of the respective plates of CuNi10 Fe and the creation of cooling channels by superimposing and connecting the plates with their recesses to form continuous cooling channels, allows for easier manufacture than when using tubular cooling coils made of a material, each embedded in a plate a second non-corrosion resistant material as known in the art.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren können die Schritte zeitlich aufeinanderfolgend in der Reihenfolge erfolgen: Herstellen, Bereitstellen und Anordnen der Platten, mit einem darauffolgenden Schritt Verbinden, unter Ausbildung einer zeitlich und mechanisch stabilen Verbindung der wenigstens einen ersten und der wenigstens einen zweiten Platte. Dabei kann eine fluiddichte Verbindung in einem umlaufend geschlossenen Randbereich der wenigstens zwei Platten hergestellt werden. Die Kühlplatte, welche so aus den Platten mit Ausnehmungen hergestellt wird, umfasst Kühlkanäle im Inneren, welche fluiddicht gegen die äußere Umgebung der Kühlplatte mit Ausnahme der Zu- und Abführungen sind. In the method according to the invention, the steps can take place chronologically successively in the order: production, provision and arrangement of the plates, with a following Step connect, forming a temporally and mechanically stable connection of the at least one first and the at least one second plate. In this case, a fluid-tight connection in a circumferentially closed edge region of the at least two plates can be produced. The cooling plate, which is thus produced from the plates with recesses, comprises cooling channels in the interior, which are fluid-tight against the outer environment of the cooling plate with the exception of the inlets and outlets.
Die Ausnehmungen in den Platten, welche die Kühlkanäle bilden, können durch Ausstanzen erzeugt werden. Dies ist eine einfache und kostengünstige Form der Herstellung, welche gerade bei der Herstellungen von großen Stückzahlen zu Zeit- und Kostenersparnissen führt. The recesses in the plates, which form the cooling channels can be produced by punching. This is a simple and inexpensive form of production, which leads to time and cost savings especially in the manufacture of large quantities.
Die Ausnehmungen können in Form von regelmäßigen Mustern jeweils in den zwei Platten ausgebildet werden. Die zwei oder mehr Platten können eine identische Form aufweisen. Dies senkt weiter die Produktionskosten und den Herstellungsaufwand. Bei Anordnung der zweiten Platte um 180 Grad gedreht um die eine Längsrichtung in der Ebene der Platten auf der wenigstens einen ersten Platte wird ein einfaches Ausrichten der Platten zur Ausbildung der Kühlkanäle ermöglicht. Der Aufwand zur Ausrichtung und Justierung der Platten zur Ausbildung durchgängiger Kühlkanäle in der Kühlplatte wird dadurch reduziert. The recesses may be formed in the form of regular patterns in the two plates, respectively. The two or more plates may have an identical shape. This further reduces production costs and manufacturing costs. By disposing the second plate 180 degrees about the one longitudinal direction in the plane of the plates on the at least one first plate, it is possible to easily align the plates to form the cooling channels. The effort to align and adjust the plates to form continuous cooling channels in the cooling plate is thereby reduced.
Die wenigstens zwei Platten können durch flächiges Löten, oder flächiges Hartlöten, oder Punktschweißen über die Fläche mit Dichtschweißen am Außenrand verbunden werden. Diese Verbindungen sind kostengünstig, sehr mechanisch stabil, zeitlich haltbar, nicht bzw. gering korrosionsanfällig und können fluiddicht hergestellt werden. The at least two plates can be bonded to the outer edge by surface brazing, or surface brazing, or spot welding across the surface. These compounds are inexpensive, very mechanically stable, durable, not susceptible to corrosion and can be made fluid-tight.
Die Platten können auch durch Klammern, und/oder Verschraubungen, insbesondere mit Bohrungen als Führung für die Verschraubungen, mechanisch stabil verbunden werden. Über die Verschraubung durch Führungen, z.B. in den Ecken der Platten als Bohrungen ausgebildet, kann eine Ausrichtung der Platten zur gewünschten Anordnung der Ausnehmungen übereinander überlappend einfach ermöglicht werden. The plates can also be mechanically stable connected by brackets, and / or fittings, in particular with holes as a guide for the screw. About the screw through guides, e.g. formed in the corners of the plates as bores, an alignment of the plates to the desired arrangement of the recesses can be easily overlapping superimposed.
Als Platten können Platten mit einer Dicke von mindestens 4 mm verwendet werden. Die durchgehenden Kühlkanäle können mit einem Mindestdurchmesser von mehr als 4 mm ausgebildet werden. Dadurch können die Kühlkanäle so ausgebildet werden, dass sie groß genug sind um zu moderaten Fließgeschwindigkeiten des Kühlfluids im Gebrauch der Kühlplatte zu führen. Dadurch wird eine lange Haltbarkeit bzw. Lebensdauer der Kühlplatte erreicht. Die Abnutzung z.B. durch mechanischen Verschleiß bei Fließen von Kühlfluid mit kleinen Partikeln wird dadurch gering bzw. in Grenzen gehalten. As plates, plates with a thickness of at least 4 mm can be used. The continuous cooling channels can be formed with a minimum diameter of more than 4 mm. Thereby, the cooling channels can be formed to be large enough to lead to moderate flow rates of the cooling fluid in use of the cooling plate. As a result, a long life and durability of the cooling plate is achieved. The wear e.g. By mechanical wear in flow of cooling fluid with small particles is kept low or within limits.
Die wenigstens zwei Platten können Sandwichartig zwischen einer Grund- und einer Deckplatte angeordnet werden, wobei Zu- und Abführungen für ein Fluid in der Grund- und/oder Deckplatte, insbesondere mit Anschlüssen, derart angeordnet werden, dass ein fluidischer Kontakt der Zu- und Abführungen zu den ausgebildeten Kühlkanälen in den wenigstens zwei Platten ausgebildet wird. Dadurch entsteht auf einfache Weise eine mechanisch stabile, kostengünstige, haltbare Kühlplatte aus den Platten mit Ausnehmungen angeordnet zwischen der Grund- und Deckplatte. The at least two plates can be sandwiched between a base and a cover plate, wherein inlets and outlets for a fluid in the base and / or cover plate, in particular with connections, are arranged such that a fluidic contact of the inlets and outlets is formed to the formed cooling channels in the at least two plates. This results in a simple way a mechanically stable, inexpensive, durable cooling plate from the plates with recesses arranged between the base and cover plate.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung, hergestellt mit dem zuvor beschriebenen Verfahren, weist die wenigstens zwei Platten jeweils mit Abmessungen im Bereich von 0.1–0,6 m Breite mal 0,1–0,6 m Länge auf und jeweils mit einer Dicke d von mindestens 2 mm. Die Breite b von ausgebildeten Kühlkanälen kann im Bereich von 5 bis 30 mm sein, mit einer Schenkellänge l der Ausnehmungen, insbesondere von Y-förmigen Ausnehmungen, im Bereich von 5 bis 30 mm, einer Länge a von Überlappungen der Ausnehmungen im Bereich von 2 bis 20 mm und mit Anschlusskanälen, welche eine Breite k im Bereich von 5 bis 50 mm aufweisen. Die beschriebene erfindungsgemäße Vorrichtung weist damit die zuvor unter dem erfindungsgemäßen Verfahren beschriebenen Vorteile auf. The device according to the invention, produced by the method described above, has the at least two plates each with dimensions in the range of 0.1-0.6 m width times 0.1-0.6 m in length and in each case with a thickness d of at least 2 mm , The width b of formed cooling channels may be in the range of 5 to 30 mm, with a leg length l of the recesses, in particular of Y-shaped recesses, in the range of 5 to 30 mm, a length a of overlaps of the recesses in the range of 2 to 20 mm and with connection channels, which have a width k in the range of 5 to 50 mm. The described device according to the invention thus has the advantages previously described under the method according to the invention.
Die Grundplatte kann eine Dicke d’ im Bereich von 1 bis 20 mm aufweisen und/oder die Deckplatte kann eine Dicke d’ im Bereich von 1 bis 10 mm aufweisen. Dadurch erhält die Vorrichtung ausreichend mechanische Stabilität und zur Herstellung bzw. Verbesserung der fluidischen Dichtheit der Vorrichtung bzw. Kühlkanäle kann über die Grund- und Deckplatte ein mechanischer Anpressdruck auf die Platten mit Ausnehmungen ausgeübt werden, z.B. mit Hilfe von Klammern oder Schraubverbindungen zwischen der Grund- und der Deckplatte. The base plate may have a thickness d 'in the range of 1 to 20 mm and / or the cover plate may have a thickness d' in the range of 1 to 10 mm. As a result, the device obtains sufficient mechanical stability and, for the production or improvement of the fluidic tightness of the device or cooling channels, a mechanical contact pressure can be exerted on the plates with recesses, for example by means of the base and cover plates. with the help of clamps or screw connections between the base and the cover plate.
Eine erfindungsgemäße Verwendung der zuvor beschriebenen Vorrichtung und/oder der Vorrichtung hergestellt nach dem zuvor beschriebenen Verfahren umfasst, dass als Kühlmedium Seewasser durch die Kühlkanäle strömt. Die Verwendung von Seewasser als Kühlfluid weist die zuvor beschriebenen Vorteile auf, insbesondere kann ein einfacher, kostengünstiger offener Kühlkreislauf ohne Wärmetauscher verwendet werden. A use according to the invention of the previously described device and / or device produced by the method described above comprises that seawater flows through the cooling channels as cooling medium. The use of seawater as a cooling fluid has the advantages described above, in particular, a simple, inexpensive open cooling circuit can be used without a heat exchanger.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung mit vorteilhaften Weiterbildungen gemäß den Merkmalen der abhängigen Ansprüche werden nachfolgend anhand der folgenden Figuren näher erläutert, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein. Preferred embodiments of the invention with advantageous developments according to the features of the dependent claims are explained in more detail with reference to the following figures, but without being limited thereto.
Es zeigen: Show it:
In
Die in
An den Enden entlang der Breite der rechteckigen Platte
In
Im Ausführungsbeispiel, welches in
Um einen zuvor beschriebenen Plattenstapel fluidisch dicht zu bekommen, können die Platten mechanisch aneinander gepresst werden. Dies erfolgt durch nicht dargestellte Verschraubung, Klammern oder andere Einrichtungen zum Ausüben von Druck. Eine dauerhafte Dichtung erfolgt in der Regel aber nur, wenn zusätzlich benachbarte Platten
Die Platten sowie die Grund- und Deckplatte können aus CuNi10Fe-Schichten aufgebaut sein, welche aus laminierten Einzelschichten aufgebaut sind. Auch ein Aufbau der Platten aus abgeschiedenen Schichten statt laminierten Folien ist möglich. So können z.B. dünne Schichten über galvanische Abscheidung, Sputtern, Aufdampfen, Chemical Vapour Deposition (CVD) oder Metal Organic Chemical Vapour Deposition (MOCVD) übereinander auf einem dünnen Substrat aufgebracht werden. Eine Abscheidung kann z.B. vor einer Ausbildung der Ausnehmungen
Eine bevorzugte Variante, weil kostengünstig und einfach herstellbar, ist die Verwendung von vorgefertigten CuNi10Fe-Platten, in welchen durch Stanzen die Ausnehmungen ausgebildet werden. Die Platten können in Form von Blechen oder in Form von laminierten Folien vorliegen. Bei Verwendung von Platten mit gleichem Muster können mehrere übereinander angeordnete Platten gleichzeitig ausgestanzt bzw. bearbeitet werden, und durch Drehung von benachbarten Platten z.B. um 180° werden anschließend die Kühlkanäle ausgebildet. A preferred variant, because inexpensive and easy to produce, is the use of prefabricated CuNi10Fe plates in which the recesses are formed by punching. The plates may be in the form of sheets or in the form of laminated films. When using plates of the same pattern, a plurality of superimposed plates can be punched out simultaneously, and by rotation of adjacent plates, e.g. by 180 ° then the cooling channels are formed.
In
Zur Montage der Platten und Grund- sowie Deckplatte zu einer Kühlplatte können in den Figuren der Einfachheit halber nicht dargestellte Bohrungen nahe den Bereichen der Ecken der Platten vorgesehen sein. Diese können als Führungen für Schraubverbindungen mit Hilfe von Schrauben und Muttern dienen. Über die Schraubverbindung können die Platten über die Grund- und Deckplatte mechanisch zusammengepresst werden, wodurch sich die fluidische Abdichtung der Kühlkanäle verbessert. For mounting the plates and base and cover plate to a cooling plate, not shown holes can be provided near the areas of the corners of the plates in the figures for the sake of simplicity. These can serve as guides for screw connections with the aid of screws and nuts. Via the screw connection, the plates can be pressed together mechanically via the base and cover plate, which improves the fluidic sealing of the cooling channels.
Die zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele können einzeln oder in Kombination sowie in Verbindung mit dem Stand der Technik verwendet werden. The embodiments described above may be used alone or in combination as well as in connection with the prior art.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
R012 | Request for examination validly filed | ||
R002 | Refusal decision in examination/registration proceedings | ||
R003 | Refusal decision now final | ||
R003 | Refusal decision now final |
Effective date: 20140925 |