DE102014017031A1

DE102014017031A1 - Heat exchanger element and method for heat transfer

Info

Publication number: DE102014017031A1
Application number: DE102014017031.4A
Authority: DE
Inventors: Dirk Ebling; Björn Pfeiffelmann; Jonas Gottschald; Stefan Dunke; Alexander Krumm
Original assignee: Fachhochschule Duesseldorf
Current assignee: Fachhochschule Duesseldorf
Priority date: 2014-11-19
Filing date: 2014-11-19
Publication date: 2016-05-19

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahrung zur Übertragung von Wärmeenergie und ein Wärmeübertragerelement zur Verbindung mit wenigstens einem zu kühlenden oder zu erwärmenden Bauteil (11) umfassend einen Wärmeübertragerkörper (1a, 1b), der wenigstens eine Kavität (2) aufweist, welche von einem Wärmeträgerfluid durchströmbar ist und der wenigstens eine Montagefläche (1c) aufweist, an welcher wenigstens ein Bauteil (11) zur Kühlung oder Erwärmung befestigbar ist, wobei die wenigstens eine Montagefläche (1c) wenigstens eine Öffnung (2a) aufweist, in welche die wenigstens eine Kavität (2) mündet und die wenigstens eine Öffnung (2a) mit einer wärmleitenden Folie (3) gedichtet überdeckt ist, insbesondere freitragend überdeckt ist.The invention relates to a Verfahrung for the transmission of heat energy and a heat transfer element for connection to at least one component to be cooled or heated (11) comprising a heat exchanger body (1a, 1b) having at least one cavity (2), which is flowed through by a heat transfer fluid and the at least one mounting surface (1c), to which at least one component (11) can be fastened for cooling or heating, wherein the at least one mounting surface (1c) has at least one opening (2a) into which the at least one cavity (2) opens and the at least one opening (2a) is sealed covered with a heat-conducting film (3), in particular cantilevered.

Description

Die Erfindung betrifft ein Wärmeübertragerelement zur Verbindung mit wenigstens einem zu kühlenden oder zu erwärmenden Bauteil, umfassend einen Wärmeübertragerkörper, der wenigstens eine Kavität aufweist, welche von einem Wärmeträgerfluid durchströmbar ist und der wenigstens eine Montagefläche aufweist, an welcher wenigstens ein Bauteil zur Kühlung oder Erwärmung befestigbar ist. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Übertragung von Wärmeenergie zwischen einem Wärmeträgerfluid und wenigstens einem zu kühlenden oder zu erwärmenden Bauteil, bei dem das wenigstens eine Bauteil an einer Montagefläche eines Wärmeträgerkörpers eines mit dem Wärmeträgerfluid durchströmten Wärmeübertragerelement befestigt wird.The invention relates to a heat exchanger element for connection to at least one component to be cooled or heated, comprising a heat exchanger body, which has at least one cavity, which is flowed through by a heat transfer fluid and which has at least one mounting surface, to which at least one component for cooling or heating attachable is. The invention further relates to a method for transferring heat energy between a heat transfer fluid and at least one component to be cooled or heated, in which the at least one component is fastened to a mounting surface of a heat transfer body of a heat transfer element through which the heat transfer fluid flows.

Verfahren und Vorrichtungen dieser Art sind im Stand der Technik hinlänglich bekannt und werden eingesetzt, um einen Wärmeaustausch zwischen Wärmeübertragerelement und wenigstens einem Bauteil vorzunehmen. Oftmals soll durch einen solchen Wärmeaustausch eine Kühlung des wenigstens einen Bauteils erzielt werden, beispielsweise eines Abwärme produzierenden elektrischen oder elektronischen Bauteils.Methods and devices of this type are well known in the art and are used to carry out a heat exchange between the heat exchanger element and at least one component. Often a cooling of the at least one component is to be achieved by such a heat exchange, for example, a waste heat producing electrical or electronic component.

Problematisch bei der Wärmeübertragung zwischen dem wenigstens einen Bauteil und dem Wärmeübertragerelement ist regelmäßig die thermische Ankopplung zwischen diesen Teilen. Zwar steht theoretisch eine Wärmeübertragerfläche zur Verfügung, die der Fläche entspricht, mit welcher die Teile einander kontaktieren, die praktisch zur Wärmeübertragung zur Verfügung stehende Fläche ist jedoch oftmals kleiner aufgrund nicht zu vermeidender Unebenheiten der sich kontaktierenden Flächenbereiche.The problem with the heat transfer between the at least one component and the heat transfer element is regularly the thermal coupling between these parts. Although theoretically there is a heat transfer surface available which corresponds to the area with which the parts contact each other, the surface practically available for heat transfer is often smaller due to unavoidable unevenness of the contacting surface areas.

Im Stand der Technik ist es daher bekannt, zwischen den einander kontaktierenden Flächen eines Wärmeübertragerelementes und eines Bauteils die thermische Ankopplung verbessernde Materialien zwischenzufügen, wie beispielsweise sogenannte Wärmeleitpasten.In the prior art, it is therefore known to interpose between the contacting surfaces of a heat transfer element and a component, the thermal coupling materials improving, such as so-called thermal grease.

Auch solche Maßnahmen erzielen oftmals nicht eine ausreichende thermische Ankopplung und stellen eine Fehleranfälligkeit eines so gekoppelten thermischen Systems dar, insbesondere wenn z. B. der Auftrag einer solchen Wärmeleitpaste nicht genügend sorgfältig, insbesondere nicht gleichmäßig erfolgt.Even such measures often do not achieve a sufficient thermal coupling and represent a susceptibility to error of a so coupled thermal system, especially if z. B. the order of such a thermal grease is not carefully enough, in particular not evenly.

Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung eine Vorrichtung und ein Verfahren bereitzustellen, mit dem die eingangs genannten gattungsgemäßen Wärmeübertragerelemente bzw. Verfahren zur Wärmeübertragung derart weitergebildet werden, dass eine zuverlässige hocheffiziente und besonders bevorzugt wenig fehleranfällige thermische Ankopplung zwischen einem Wärmeübertragerelement und einem Bauteil erzielt werden kann. Weiterhin ist es eine Aufgabe die thermische Ankopplung gezielt beeinflussen zu können.It is therefore an object of the invention to provide an apparatus and a method with which the generic heat transfer elements or methods for heat transfer mentioned above are developed in such a way that a reliable, highly efficient and preferably less error-prone thermal coupling between a heat transfer element and a component can be achieved , Furthermore, it is an object to be able to influence the thermal coupling targeted.

Diese Aufgabe wird bei einem Wärmeübertragerelement der eingangs genannten gattungsgemäßen Art dadurch gelöst, dass die wenigstens eine Montagefläche wenigstens eine Öffnung aufweist, in welche die wenigstens eine Kavität mündet und die wenigstens eine Öffnung mit einer wärmeleitenden Folie gedichtet, überdeckt, beispielsweise überspannt ist. Dabei ist es vorgesehen, dass die Folie die Öffnung freitragend überdeckt, also die Folie unmittelbar mit dem Fluid in der Kavität in Verbindung steht.This object is achieved in a heat transfer element of the aforementioned generic type in that the at least one mounting surface has at least one opening into which opens the at least one cavity and sealed at least one opening with a thermally conductive film, covers, for example, is spanned. It is provided that the film covers the opening cantilever, so that the film is directly in communication with the fluid in the cavity.

Verfahrensgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass die Wärmeübertragung durch eine wärmeleitende Folie hindurch erfolgt, welche eine in der Montagefläche offene fluiddurchströmte Kavität überdeckt, insbesondere überspannt und welche über die Kavität mit dem Wärmeüberträgerfluid druckbeaufschlagt ist.According to the method, the object is achieved in that the heat transfer takes place through a heat-conducting film which covers a fluid-flowed in the mounting surface cavity, in particular spans and which is pressurized via the cavity with the heat transfer fluid.

Hier ist es ein wesentlicher Kerngedankte der Erfindung, die Wärmeübertragung zwischen einem Bauteil, das gekühlt oder erwärmt werden soll und dem genannten Wärmeübertragerelement nicht durch starre Flächenbereiche vorzunehmen, sondern durch eine wärmeleitende Folie, d. h. im Sinne der Erfindung ein flexibles, flächiges Element, das aufgrund seiner Flexibilität sich an die anzukoppelnde Wärmeübertragungsfläche eines Bauteiles besonders gut anpasst und hierdurch eventuelle Unebenheiten ausgleicht.Here it is an essential core idea of the invention, the heat transfer between a component to be cooled or heated and said heat transfer element not make by rigid surface areas, but by a heat-conducting film, d. H. in the context of the invention, a flexible, planar element which, due to its flexibility, adapts particularly well to the heat transfer surface of a component to be coupled and thereby compensates for any unevenness.

Eine solche eine Öffnung überspannende bzw. überdeckende Folie bildet demnach zwischen dem Wärmeübertragerelement und dem Bauteil ein Ankopplungsmedium aus, das über seine Fläche hinweg eine vorbestimmte Dicke aufweist und somit reproduzierbare Wärmeankopplungen ohne Zwischenfügung weiterer ankoppelnder Mittel erlaubt.Such an opening spanning or covering film thus forms between the heat transfer element and the component from a coupling medium, which has a predetermined thickness across its surface and thus allows reproducible thermal coupling without interposition of further coupling means.

Durch eine solche Folie können darüber hinaus auch Bauteile mit nicht gerade erstreckten bzw. ebene Ankopplungsflächen gekühlt oder erwärmt werden, sondern auch solche mit gekrümmten Ankopplungsflächen.In addition, components with not exactly extended or even coupling surfaces can be cooled or heated by such a film, but also those with curved coupling surfaces.

Durch eine Druckbeaufschlagung des Fluides in der Kavität, deren Öffnung von der Folie überdeckt wird, kann auf die Folie aus dem Inneren der Kavität heraus eine druckabhängige Kraft ausgeübt werden, welche die Folie an eine Wärmeankopplungsfläche eines Bauteils anpresst. Aufgrund der Flexibilität der wärmeleitenden Folie kann diese sich so an die ungewünschten Unebenheiten in der Ankopplungsfläche des wenigstens einen Bauteiles ideal anpassen und so gegenüber dem Stand der Technik eine verbesserte Wärmeankopplung erzielen.By pressurizing the fluid in the cavity, whose opening is covered by the film, a pressure-dependent force can be exerted on the film from the interior of the cavity, which presses the film against a heat-coupling surface of a component. Due to the flexibility of the thermally conductive foil, this can be so as to adapt to the unwanted bumps in the coupling surface of at least one component ideal and thus achieve over the prior art improved heat coupling.

Dabei ist es bevorzugt vorgesehen, dass ein Wärmeübertragerelement der vorbeschriebenen Art mit einem Überdruck gegenüber der Umgebung bei Fluidbeaufschlagung betrieben wird, somit also insbesondere bei Fluiddrücken größer als den umgebenden Atmosphärendruck, üblicherweise also größer als 1 bar.It is preferably provided that a heat transfer element of the type described above is operated with an overpressure relative to the environment when fluid is applied, thus therefore in particular at fluid pressures greater than the surrounding atmospheric pressure, usually greater than 1 bar.

Hierbei kann es eine Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens vorsehen, dass die zu übertragende Wärmeleistung gesteuert oder auch geregelt wird durch die Höhe des Druckes, mit welchem die Kavität durch das Wärmeträgerfluid druckbeaufschlagt und somit die Folie kraftbeaufschlagt ist, so dass mit der Erfindung auch die Möglichkeit erschlossen ist, während des Betriebes eines Bauteiles die Wärmeübertragung zwischen dem Bauteil und dem Wärmeübertragerelement unterschiedlich einzustellen und hierdurch gegebenenfalls Betriebsbedingungen des wenigstens einen Bauteiles zu beeinflussen.In this case, it may provide a development of the method according to the invention that the thermal power to be transmitted is controlled or regulated by the amount of pressure with which the cavity pressurized by the heat transfer fluid and thus the film kraftbeaufschlagt, so that opened up with the invention, the possibility is to adjust the heat transfer between the component and the heat transfer element differently during operation of a component and thereby optionally influence operating conditions of the at least one component.

Insbesondere kann durch eine Erhöhung des Fluiddruckes in der Kavität und somit durch eine Erhöhung der auf die Folie aus dem Kavitätsinneren wirkenden Kraft die thermische Ankopplung zu dem wenigstens einen Bauteil verbessert und hierdurch die zu übertragende Wärmeleistung erhöht werden. In umgekehrter Richtung kann demnach durch Verringerung des Fluiddruckes die Wärmeankopplung verringert werden.In particular, by increasing the fluid pressure in the cavity and thus by increasing the force acting on the film from the inside of the cavity, the thermal coupling to the at least one component can be improved and the heat output to be transmitted thereby increased. In the opposite direction can therefore be reduced by reducing the fluid pressure, the heat input.

Um im Sinne der Erfindung zu gewährleisten, dass eine wärmeleitende Folie eine genügend große Flexibilität zum Ausgleich eventueller Unebenheiten an der Wärmeankopplungsfläche eines Bauteils bereitstellt, kann es bevorzugt vorgesehen sein, dass eine eingesetzte wärmeleitende Folie eine Materialdicke kleiner als 500 μm bevorzugt kleiner 250 μm und weiter bevorzugt kleiner 100 μm aufweist.In order to ensure according to the invention that a thermally conductive film provides sufficient flexibility to compensate for any unevenness in the heat coupling surface of a component, it may preferably be provided that a heat-conducting film used has a material thickness of less than 500 .mu.m, preferably less than 250 .mu.m and more preferably less than 100 microns.

Grundsätzlich kann hier angenommen werden, dass mit geringer werdender Materialdicke die Flexibilität einer wärmeleitenden Folie zunimmt, jedoch auch eine potentielle Rissgefahr der Folie bei der Handhabung eines Wärmeträgerelementes dieser Art. Insofern ist bevorzugt ein Kompromiss zu finden zwischen unproblematischer Handhabbarkeit und erzielbarer Wärmeankopplung, der mit den zuvor genannten Materialdicken einer wärmeleitenden Folie genügend erzielt wird.Basically, it can be assumed here that with decreasing material thickness, the flexibility of a heat-conducting film increases, but also a potential risk of cracking of the film when handling a heat transfer element of this type. Insofar, a compromise is to be found between unproblematic handling and achievable heat coupling, with the Said material thicknesses of a thermally conductive film is achieved sufficiently.

Als wärmeleitende Folien können bevorzugt Metallfolien zum Einsatz kommen, wie beispielsweise Aluminium- oder auch Kupferfolien oder auch nicht metallbasierte Kunststofffolien.As heat-conducting films may preferably be used metal foils, such as aluminum or copper foils or non-metal-based plastic films.

Eine bevorzugte Ausführung der Erfindung kann hier vorsehen, dass eine Folie in den eine Öffnung umgebenden Randbereichen der Montagefläche an der Montagefläche gedichtet befestigt ist. Eine solche gedichtete Befestigung kann beispielsweise durch eine stoffschlüssige Befestigung erfolgen, z. B. kann eine Folie mit einem Kleber an der Montagefläche verklebt werden. Hier kann in weiterer Bevorzugung ein nach Aushärtung elastisch verbleibender Kleber eingesetzt werden, um gegebenenfalls geringe Bewegungen einer wärmeleitenden Folie bei der Druckbeaufschlagung und dem Anlegeprozess an die Ankopplungsfläche eines Bauteiles im Befestigungsbereich zuzulassen. Zum Beispiel kann ein Silikon, Polyurethan oder auch ein Epoxidharz hierfür eingesetzt werden.A preferred embodiment of the invention can provide here that a film is sealed in the surrounding an opening edge regions of the mounting surface on the mounting surface. Such a sealed attachment can be done for example by a cohesive attachment, z. B. can be glued to a film with an adhesive to the mounting surface. Here, in a further preference, an elastically remaining adhesive after curing can be used in order to allow possibly small movements of a thermally conductive film during the pressurization and the application process to the coupling surface of a component in the mounting area. For example, a silicone, polyurethane or an epoxy resin can be used for this purpose.

Sofern ein Höhenaufbau der Folie über der Montagefläche vermieden werden soll, kann es vorgesehen sein, dass die Montagefläche in den eine Öffnung umgebenden Randbereichen gegenüber dem Rest der Montagefläche zurückspringend ausgebildet ist, wobei die Tiefe des Rücksprunges in einem solchen Fall ≥ der Dicke der eingesetzten Folie zuzüglich der Materialstärke eines Klebers ist.If a height build-up of the film over the mounting surface is to be avoided, it may be provided that the mounting surface is recessed in the edge regions surrounding an opening with respect to the remainder of the mounting surface, wherein the depth of the recess in such a case ≥ the thickness of the film used plus the material thickness of an adhesive.

Besonders dann, wenn ein Wärmeübertragerelement der vorbeschriebenen Art verwendet werden soll, um nicht nur ein Bauteil sondern mehrere Bauteile und bevorzugt mehrere identische Bauteile zu kühlen oder zu erwärmen kann es vorgesehen sein, dass ein Wärmeübertragerkörper eines solchen Wärmeübertragerelementes mehrere in der Montagefläche offene Kavitäten aufweist, die jeweils fluiddurchströmbar sind, insbesondere wobei beispielsweise diese mehreren Kavitäten zumindest fluidabströmseitig miteinander verbunden sein können.Especially when a heat transfer element of the type described above is to be used to cool or heat not only one component but rather several identical components, it may be provided that a heat exchanger body of such a heat transfer element has a plurality of cavities open in the mounting surface, each of which can be flowed through by fluid, in particular wherein, for example, these multiple cavities can be connected to each other at least on the fluid outflow side.

So können die einzelnen Kavitäten gegebenenfalls separat Zuströmöffnungen aufweisen, der Fluidabstrom kann hingegen bei einem solchen Wärmeübertragerelement aus allen Kavitäten zusammengeführt werden. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass jede Kavität eigene zu- und Abströmöffnungen aufweist, zumindest jeder Kavität solche eigenen Zu- und/oder Abströmöffnungen zugeordnet sind, selbst wenn diese fluidtechnisch verbunden sind.Thus, the individual cavities may optionally have separate inflow openings, whereas the fluid outflow may be combined from all cavities in such a heat transfer element. However, it may also be provided that each cavity has its own inlet and outlet openings, at least each such inlet and / or outlet openings are assigned to each cavity, even if they are fluidly connected.

Bei dieser Ausführung eines Wärmeübertragerelementes mit mehreren geöffneten Kavitäten kann eine mögliche Ausführung vorsehen, dass die Öffnung jeder Kavität mit einer eigenen wärmeleitenden Folie gedichtet überdeckt ist oder alternativ, dass eine Teilanzahl aller Öffnungen durch eine gemeinsame Folie überdeckt ist oder weiter alternativ auch das alle Öffnungen aller Kavitäten durch eine einzige gemeinsame Folie überdeckt sind.In this embodiment of a heat exchanger element with a plurality of open cavities, a possible embodiment can provide that the opening of each cavity is sealed covered with its own heat-conducting film or alternatively that a part number of all openings is covered by a common film or, alternatively, also that all openings of all cavities are covered by a single common foil.

Besonders in dem Fall, wenn eine Folie gleichzeitig mehrere Öffnungen überdeckt, kann die Erfindung weiterhin bevorzugt vorsehen, dass diese Folie im Randbereich jeder überdeckten Öffnung an der Montagefläche gedichtet befestigt ist. So ist sichergestellt, dass die einzelnen Kavitäten keine fluidtechnische Verbindung über die Öffnungen in der Montagefläche zueinander haben und somit ungewollte Querströmungen zwischen den Kavitäten vermieden sind.In particular, in the case where a film simultaneously covers a plurality of openings, the invention may further preferably provide that this film is mounted sealed in the edge region of each covered opening on the mounting surface. This ensures that the individual cavities have no fluidic connection to each other via the openings in the mounting surface and thus unwanted cross flows between the cavities are avoided.

Bei der Verwendung eines Wärmeübertragerelementes der eingangs genannten Art mit mehreren Öffnungen zur Wärmeübertragungen bezüglich mehrerer identischer Bauteile, aber grundsätzlich auch bei allgemeinen Anwendungen, kann es vorgesehen sein, dass die Öffnungen in der Montagefläche in einer Richtung, bevorzugt aber auch in zwei Richtungen, insbesondere zwei zueinander senkrechten Richtungen nebeneinander angeordnet sind, bevorzugt äquidistant zueinander nebeneinander angeordnet sind.When using a heat exchanger element of the type mentioned above with a plurality of openings for heat transfer with respect to several identical components, but basically also in general applications, it may be provided that the openings in the mounting surface in one direction, but preferably in two directions, in particular two mutually perpendicular directions are arranged side by side, are preferably arranged equidistantly to each other next to each other.

Besonders bei einer in zwei Richtungen vorgesehenen Anordnung der Öffnungen kann sich so ein mit Folien überspanntes Kavitäten- bzw. Öffnungsfeld ergeben, auf dem die entsprechenden, bevorzugt identischen Bauteile angeordnet werden können. Es kann so eine Rasteranordnung mehrerer Bauteile, z. B. für einen gleichzeitigen Betrieb unter möglichst identischen Bedingungen erzielt werden.In particular, in the case of an arrangement of the openings provided in two directions, a cavity or opening field spanned by films can thus result, on which the corresponding, preferably identical, components can be arranged. It can be such a grid arrangement of several components, eg. B. for simultaneous operation under identical conditions as possible.

Die Erfindung kann weiterhin vorsehen, dass eine Kavität, bevorzugt jede Kavität, die in einer Öffnung in der Montagefläche mündet, wenigstens eine der Öffnung bzw. der diese überdeckenden Folie gegenüberliegende Zuströmöffnung aufweist, so dass im Betrieb die Folie aus einer solchen Zuströmöffnung durch das Wärmeträgerfluid bevorzugt senkrecht angeströmt wird und insbesondere hierdurch eine sogenannte Prallströmung des Fluides mit starken Turbulenzen auf der Folie erzeugt wird.The invention may further provide that a cavity, preferably each cavity, which opens into an opening in the mounting surface, at least one of the opening or the foil covering this opposite inflow has, so that in operation, the film from such an inflow through the heat transfer fluid preferably is flowed perpendicularly and in particular by this a so-called impingement of the fluid is generated with strong turbulence on the film.

Weiterbildend kann es hier vorgesehen sein, dass das Wärmeträgerfluid aus der Kavität durch bevorzugt mehrere Abströmöffnungen oder Überströmbereiche die weiter bevorzugt um die wenigstens eine Zuströmöffnung angeordnet sind aus der Kavität ausströmt. Eine bzw. die mehreren Abströmöffnungen oder Überströmbereiche können hier bevorzugt nahe dem Öffnungsrand, bevorzugt gegenüber dem Öffnungsrand angeordnet sein, so dass bei der bevorzugt erzielten Prallströmung die aus mittigen Folienbereichen zum Rand strömenden Fluidanteile durch diese randnahen Öffnungen oder Bereiche aus der Kavität austreten können.In a further development, it can be provided here that the heat carrier fluid flows out of the cavity through preferably a plurality of outflow openings or overflow areas which are further preferably arranged around the at least one inflow opening out of the cavity. One or more outlet openings or overflow areas can here preferably be arranged close to the opening edge, preferably opposite the opening edge, so that in the preferably achieved impingement flow, the fluid portions flowing from the central film areas to the edge can exit the cavities through these openings or regions close to the edge.

Sofern lediglich eine Zuströmöffnung in Gegenüberlage zur Folie vorgesehen ist, ist diese bezogen auf den Öffnungsquerschnitt (in der Ebene der Montagefläche) mittig angeordnet. Sofern mehrere Zuströmöffnungen vorgesehen sind kann es zum Beispiel vorgesehen sein, dass diese in Gegenüberlage zur Folie um die Mitte der Öffnung herum angeordnet sind.If only one inflow opening is provided in opposition to the foil, this is centered with respect to the opening cross section (in the plane of the mounting surface). If a plurality of inflow openings are provided, it can be provided, for example, that they are arranged in opposition to the foil around the center of the opening.

Bei der Gestaltung der Querschnittsform und Querschnittsgröße der Öffnung, in die eine fluidbeauflagte Kavität eines erfindungsgemäßen Wärmeübertragelementes mündet sieht die Erfindung bevorzugt vor, dass eine solche Öffnung in Form und Flächengröße derjenigen Form und Flächengröße entspricht, die an einem Bauteil bei dessen thermischer Ankopplungsfläche für den Wärmeaustausch konstruktiv vorgesehen ist. So kann der an einem Bauteil für den Wärmeaustausch maximal vorgesehene Flächenbereich mit dem erfindungsgemäßen Wärmeübertragerelement vollständig genutzt werden. Der Querschnitt der Kavität betrachtet parallel zur Montagefläche kann mindestens genausogroß, bevorzugt größer als die Öffnung ausgebildet sein.In the design of the cross-sectional shape and cross-sectional size of the opening into which opens a fluid-bearing cavity of a heat transfer element according to the invention, the invention preferably provides that such an opening in shape and area size of that shape and area corresponds to a component at its thermal interface for heat exchange is provided constructively. Thus, the maximum provided on a component for the heat exchange surface area can be fully utilized with the heat transfer element according to the invention. The cross-section of the cavity considered parallel to the mounting surface can be at least equal to, preferably larger than the opening formed.

Eine konstruktive Ausgestaltung des Wärmeübertragerelementes kann es vorsehen, dass der Wärmeübertragerkörper mit der wenigstens einen Kavität die in eine Öffnung in der Montagefläche mündet zweiteilig ausgestaltet ist, wobei z. B. ein unterer bevorzugt plattenförmiger Teil die zum Bauteil weisende Montagefläche aufweist und in diese Teil die wenigstens eine Kavität als durch die Dicke dieses Teils z. B. dieser Platte durchgehende Ausnehmung ausgebildet ist, die randseitig und bevorzugt innenseitig Materialabtragungen aufweist über welche in die Kavität einströmendes Fluid aus dem Bereich dieses Teils bzw. dieser Platte in eine andere, bevorzugt höhere Ebene überströmen kann, die in einem anderen Teil insbesondere einer anderen Platte vorgesehen ist.A structural design of the heat exchanger element may provide that the heat exchanger body with the at least one cavity which opens into an opening in the mounting surface is designed in two parts, wherein z. B. a lower plate-shaped part preferably has the component facing the mounting surface and in this part, the at least one cavity as by the thickness of this part z. B. this plate through recess is formed, the edge and preferably on the inside material ablation has over which in the cavity inflowing fluid from the region of this part or this plate in another, preferably higher level can flow over, in another part in particular another Plate is provided.

So kann in der anderen Platte z. B. durch Materialabtragungen, beispielsweise durch Fräsungen die Fluidführung durch Kanäle sowie Zu- und Abstromöffnungen realisiert sein. Durch das Zusammenfügen von zwei solchen Teilen bzw. Platten wird insgesamt der Wärmeübertragerkörper eines erfindungsgemäßen Wärmeübertragerelementes ausgebildet, bei dem z. B. gegenüberliegend zur Montagefläche die Zu- und Abstromöffnungen realisiert sind, und die Fluidführung durch die zwischen den Platten ausgebildeten Hohlräume und Kanäle.So can in the other plate z. B. by material removal, for example by milling the fluid guide through channels and inflow and outflow can be realized. By joining two such parts or plates, the entire heat exchanger body of a heat transfer element according to the invention is formed, in which z. B. opposite to the mounting surface, the inlet and outlet openings are realized, and the fluid guide through the formed between the plates cavities and channels.

Eine Ausführungsform der Erfindung wird anhand der nachfolgend beschriebenen Figuren näher erläutert.An embodiment of the invention will be explained in more detail with reference to the figures described below.

Die 1 zeigt in zwei verschiedenen Schnitten ein Wärmeübertragerelement gemäß der Erfindung, das mit einem zweiteiligen Wärmeübertragerkörper 1 ausgebildet ist, der durch eine untere Platte 1a und eine obere Platte 1b realisiert ist. Durch das gedichtete Zusammenfügen beider Platten ergibt sich ein Wärmeübertragerkörper mit mehreren Kavitäten 2, die im Wesentlichen in der unteren Platte 1a als durch diese hindurch gehende Ausnehmungen realisiert sind und die demnach in einer Montagefläche 1c in Öffnungen 2a münden. Jede Öffnung 2a ist hier, verdeutlicht als einfache Linie im unteren Teil der 1, mit einer Folie 3 überdeckt, so dass eine solche Folie 3 nach außen hin eine Abdichtung einer Kavität 2 bildet und gleichzeitig auch ein thermisches Ankopplungselement an ein in der 1 nicht gezeigtes Bauteil.The 1 shows in two different sections a heat transfer element according to the Invention, with a two-piece heat exchanger body 1 is formed by a lower plate 1a and a top plate 1b is realized. The sealed joining of the two plates results in a heat exchanger body with several cavities 2 which are essentially in the lower plate 1a are realized as passing through these recesses and thus in a mounting surface 1c in openings 2a lead. Every opening 2a is here, clarified as a simple line in the lower part of the 1 , with a foil 3 covered, so that such a slide 3 outwardly a seal of a cavity 2 forms and at the same time a thermal coupling element to a in the 1 not shown component.

Die in der 1 bei einer horizontalen Plattenanordnung im vertikalen Schnitt gezeigten Platten des Wärmeübertragerkörpers 1 werden in der 2 in ihren Aufsichten jeweils in das Innere hinein dargestellt. Die hier im oberen Bereich der 2 dargestellte untere Platte 1a des Wärmeübertragerkörpers lässt die durch diese Platte hindurch gehenden Öffnungen 2 von im Wesentlichen rechteckigen Querschnitt erkennen, um die herum innenseitig im Randbereich Materialausnehmungen oder -abtragungen 2b realisiert sind die z. B. durch spanenden Materialabtrag aus der Platte hergestellt sind.The in the 1 in a horizontal plate assembly shown in vertical section plates of the heat exchanger body 1 be in the 2 in their supervision, each in the interior shown inside. The here at the top of the 2 illustrated lower plate 1a the heat exchanger body leaves the openings passing through this plate 2 of substantially rectangular cross-section recognize around the inside in the edge area material recesses or erosions 2 B realized are the z. B. are made by cutting material removal from the plate.

Die 1 lässt im unteren Schnitt erkennen, dass über diese Materialabtragungen 2b das in eine Kavität 2 durch eine Zuströmöffnung 4 einströmende Wärmeträgerfluid in Richtung des dargestellten Pfeiles 5 aus der Kavität 2 und somit der Ebene der unteren Platte 1a nach oben in die Ebene der oberen Platte 1b des Wärmeübertragerkörpers durch Überströmbereiche 8 übertreten kann, um sodann aus der oberen Platte 1b durch Austrittsöffnungen 6 gemäß der weiteren Führung entsprechend Pfeil 5 auszutreten.The 1 lets in the lower section realize that about these material erosions 2 B that in a cavity 2 through an inflow opening 4 inflowing heat transfer fluid in the direction of the arrow shown 5 from the cavity 2 and thus the level of the lower plate 1a upwards in the plane of the upper plate 1b the heat exchanger body by overflow areas 8th can then pass out of the top plate 1b through outlet openings 6 according to the further guidance according to arrow 5 withdraw.

Demnach weist die obere Platte 1b gemäß der Darstellung in der 2 sowohl kavitätsbegrenzende Wandbereiche 7 auf, die der Öffnung 2a gegenüberliegen und die hier die mittig zur Öffnung 2a angeordneten Zuströmöffnungen 4 aufweisen. Die Auströmöffnungen 6 sind hierbei bevorzugt symmetrisch um die Zuströmöffnungen 4 angeordnet und durch kanalbildende Überströmbereiche 8 die an die Materialabtragungen 2b im Randbereich jeder Öffnung 2a angrenzen verbunden.Accordingly, the upper plate 1b as shown in the 2 both cavity limiting wall areas 7 on, the opening 2a opposite and here the center of the opening 2a arranged inflow openings 4 exhibit. The Auströmöffnungen 6 are preferably symmetrical about the inflow openings 4 arranged and through channel-forming overflow areas 8th the material removal 2 B in the edge area of each opening 2a connected.

Die Zu- und Abführung des Wärmeträgerfluids dieses zweiteiligen Wärmeübertragungskörpers des erfindungsgemäßen Wärmeübertragerelementes kann somit in Gegenüberlage der Öffnungen 2a bzw. in Gegenüberlage der dieser überdeckenden wärmeleitenden Folien 3 erfolgen. Besonders durch die Gegenüberlage der Zuströmöffnungen 4 wird erzielt, dass das Fluid in der Konfiguration einer so genannten Prallströmung turbulenter Art bevorzugt senkrecht auf die Innenseiten der Folien 3 auftritt.The supply and discharge of the heat transfer fluid of this two-part heat transfer body of the heat transfer element according to the invention can thus in confronting the openings 2a or in the opposite of this covering heat-conducting films 3 respectively. Especially by the opposite of the inflow openings 4 is achieved that the fluid in the configuration of a so-called impingement turbulent flow preferably perpendicular to the inner sides of the films 3 occurs.

Die 1 und 2 verdeutlichen, dass der Wärmeübertragerkörper 1 eines erfindungsgemäßen Wärmeübertragerelementes hier in zwei Richtungen nebeneinander angeordnete Öffnungen 2 aufweist, hierdurch also ein Feld von Öffnungen ausgebildet ist, wobei jede Öffnung durch eine eigene Folie oder mehrere, bevorzugt alle Öffnungen durch eine gemeinsame Folie überdeckt sind und somit auf der Montagefläche 1c des Wärmeübertragerkörpers 1 mehrere Bauteile bevorzugt mehrere identische Bauteile befestigt werden können. Zum Beispiel kann ein Wärmeübertragerelement dieser erfindungsgemäßen Art verwendet werden, um mehrere baugleiche oder bauidentische thermoelektrische Elemente zu kühlen.The 1 and 2 clarify that the heat exchanger body 1 a heat transfer element according to the invention here in two directions juxtaposed openings 2 Thus, a field of openings is thus formed, wherein each opening is covered by its own film or more, preferably all openings by a common film and thus on the mounting surface 1c of the heat exchanger body 1 several components preferably several identical components can be attached. For example, a heat exchanger element of this type according to the invention can be used to cool a plurality of identical or identical structural thermoelectric elements.

Ein wesentlicher Aspekt der Erfindung ist es, dass durch eine Druckbeaufschlagung der Kavitäten 2 mit unter Druck stehendem Wärmeträgerfluid die Wärmeankopplung und somit die übertragene Wärmeleistung zwischen dem Wärmeübertragerelement und einem Bauteil verändert werden kann.An essential aspect of the invention is that by pressurizing the cavities 2 pressurized heat transfer fluid, the heat input and thus the transmitted heat output between the heat exchanger element and a component can be changed.

Die 3 zeigt hier eine Abhängigkeit der übertragenen Wärmeleistung vom Druck, die deutlich erkennen lässt, das mit zunehmendem Druck die Wärmeleistung bis zu einer Plateaubildung gesteigert werden kann. Es ist hieraus erkennbar, dass die Wärmeankopplung ab einem bestimmten Grenzdruck demnach nicht weiter erhöht werden kann, so dass auch keine Notwendigkeit besteht ein erfindungsgemäßes Wärmeübertragungselement mit einem darüber hinaus gehenden Druck zu betreiben.The 3 shows here a dependence of the transferred heat output on the pressure, which clearly shows that with increasing pressure the heat output can be increased up to a plateau formation. It can be seen from this that the heat coupling can not be further increased above a certain limit pressure, so that there is no need to operate a heat transfer element according to the invention with an additional pressure going beyond.

Für ein Betriebsverfahren kann es demnach vorgesehen sein, einen solchen Grenzdruck, ab dem die übertragene Leistung in die Plateaubildung übergeht messtechnisch festzustellen und sodann ein Wärmeübertragungselement der erfindungsgemäßen Art mit diesem Druck oder knapp unterhalb des Druckes zu betreiben.For an operating method, it may accordingly be provided to determine such a limit pressure, from which the transmitted power passes into the plateau formation, by measurement, and then to operate a heat transfer element of the type according to the invention at this pressure or just below the pressure.

Sofern der Betrieb von zu kühlenden oder zu wärmenden Bauteilen vorsehen kann, mit unterschiedlichen Wärmeleistungen bei der Übertragung zwischen Wärmeübertragerelement und den Bauteilen zu arbeiten besteht demnach die Möglichkeit, durch Druckvariation die Leistung wunschgemäß zu verändern.Insofar as the operation of components to be cooled or heated can provide for working with different heat outputs during the transfer between the heat transfer element and the components, it is therefore possible to vary the output by pressure variation as desired.

Die 4 zeigt in mehreren Schnittansichten den konkreten Einsatz eines erfindungsgemäßen Wärmeübertragerelementes in einem Spannrahmen 10. Hier ist erkennbar, dass mehrere Bauteile, hier konkret thermoelektrische Elemente 11 zwischen einem erfindungsgemäßen Wärmeübertragerelement mit dem Wärmeübertragerkörper 1 aus den beiden Platten 1a und 1b und einer Andruckplatte 12 eingeschlossen sind. Hierdurch werden die Bauteile 11 wie beispielsweise die thermoelektrischen Elemente an der Montagefläche 1c durch Andruck befestigt. Selbstverständlich kann es hier auch vorgesehen sein statt des Andrückens von Bauteilen durch der Montagefläche gegenüberliegende Elemente die Bauteile auch unmittelbar selbst z. B. durch Verschraubung oder Verklebung oder auf sonstige Art und Weise an der Montagefläche 1c zu befestigen.The 4 shows in several sectional views the concrete use of a heat transfer element according to the invention in a tenter 10 , Here it can be seen that several components, specifically thermoelectric elements 11 between a heat exchanger element according to the invention with the heat exchanger body 1 from the two plates 1a and 1b and a pressure plate 12 are included. This will make the components 11 such as the thermoelectric elements on the mounting surface 1c attached by pressure. Of course, it may also be provided here instead of the pressing of components by the mounting surface opposite elements, the components also directly themselves z. B. by screwing or gluing or otherwise on the mounting surface 1c to fix.

Im Betrieb und hier insbesondere unter Überdruckbeaufschlagung mit einem Druck größer als den umgebenden Atmosphärendruck, kann bewirkt werden, dass die die Öffnungen 2a überdeckende wärmeleitende Folie 3 sich aufgrund ihrer Verformbarkeit und der wirkenden Kraft an die Ankopplungsfläche der Bauteile 11 anlegt und ggfs. nur mikroskopisch kleine Unebenheiten ausgleicht.In operation, and in particular under overpressurization with a pressure greater than the ambient atmospheric pressure, can be made that the openings 2a Covering thermally conductive foil 3 due to their deformability and the force acting on the coupling surface of the components 11 applies and, if necessary, only compensates for microscopically small unevenness.

Die 4 zeigt in der oberen Schnittdarstellung weiterhin eine bevorzugte Weiterbildung, gemäß der es vorgesehen sein kann in den Zuströmöffnungen 4 Düsenelemente 4a einzusetzen, die eine Strömungsformung des auf die Folie 3 von Innen aufströmenden Wärmeträgerfluids bewirken.The 4 shows in the upper sectional view furthermore a preferred development, according to which it can be provided in the inflow openings 4 nozzle elements 4a to use, which is a flow forming on the film 3 cause from flowing inside heat transfer fluid.

Die Figuren lassen weiterhin erkennen, dass die Querschnittsform und Flächengröße der Öffnungen 2 idealerweise der Form und Flächengröße der Ankopplungsfläche eines Bauteiles 11 entspricht. So kann die maximale zur Verfügung stehende Ankopplungsfläche eines Bauteils 11 für die Wärmeübertragung gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren verwendet werden, wobei es bevorzugt vorgehsehen sein kann, dass die Querschnittsfläche im Schnitt parallel zur Montagefläche bei der hinter der Öffnung liegenden Kavität leicht größer gestaltet ist als diese zur Wärmeübertragung vorgesehene Ankopplungsfläche eines Bauteils, wobei sich insbesondere die Vergrößerungen dadurch ergeben, dass im Randbereich der Kavität die eingangs beschriebenen Materialausnehmungen bzw. -abtragungen 2b vorgesehen sind. Abgesehen von diesen Materialabtragungen kann es demnach vorgesehen sein, dass die Kavität im Schnitt parallel zur Montagefläche hinsichtlich Größe und Form gleich ausgebildet ist wie die zur Wärmeankopplung zur Verfügung stehende Ankopplungsfläche des Bauteils. Dies gilt allgemein für jegliche Ausführung der Erfindung und nicht nur für die hier konkret in den Figuren beschriebenen Ausführungsformen.The figures further show that the cross-sectional shape and area size of the openings 2 ideally the shape and area size of the coupling surface of a component 11 equivalent. So can the maximum available coupling surface of a component 11 be used for the heat transfer according to the inventive method, wherein it may be preferably vorgehsehen seen that the cross-sectional area is slightly larger in section parallel to the mounting surface at the cavity behind the opening designed as this heat transfer coupling surface of a component, in particular the magnifications result in that in the edge region of the cavity, the material recesses or abrasions described above 2 B are provided. Apart from these Materialabtragungen it may therefore be provided that the cavity in section parallel to the mounting surface in terms of size and shape is the same design as the coupling surface of the component available for heat coupling. This applies generally to any embodiment of the invention and not only to the embodiments specifically described here in the figures.

Claims

Heat exchanger element for connection to at least one component to be cooled or heated ( 11 ) comprising a heat exchanger body ( 1a . 1b ), the at least one cavity ( 2 ), which can be traversed by a heat transfer fluid and the at least one mounting surface ( 1c ), on which at least one component ( 11 ) can be fastened for cooling or heating, characterized in that the at least one mounting surface ( 1c ) at least one opening ( 2a ) into which the at least one cavity ( 2 ) and the at least one opening ( 2a ) with a heat-conducting film ( 3 ) Is covered covered, in particular cantilevered is covered.

Heat exchanger element according to claim 1, characterized in that a film ( 3 ) has a material thickness of less than 500 microns, preferably less than 250 microns, more preferably less than 100 microns.

Heat exchanger element according to one of the preceding claims, characterized in that a film ( 3 ) into the one opening ( 2a ) surrounding edge areas of the mounting surface ( 1c ) on the mounting surface ( 1c ) Is fixed in a sealed, in particular cohesively secured, preferably glued to an adhesive.

Heat exchanger element according to one of the preceding claims, characterized in that a heat exchanger body ( 1a . 1b ) several in the mounting surface ( 1c ) open cavities ( 2 ), each of which is fluid-flowable, in particular at least fluid downstream side are connected to each other, wherein a. the opening ( 2a ) of each cavity ( 2 ) with a separate foil ( 3 ) is covered or b. a part number all openings ( 2a ) by a common foil ( 3 ) is covered or c. all openings ( 2a ) of all cavities ( 2 ) by a single common foil ( 3 ) is covered.

Heat exchanger element according to claim 4, characterized in that a film ( 3 ), which has several openings ( 2a ) at the same time, in the edge area of each covered opening ( 2a ) on the mounting surface ( 1c ) is attached sealed.

Heat exchanger element according to claim 4 or 5, characterized in that the openings ( 2a ) in the mounting surface ( 1c ) are arranged side by side in one direction, preferably in two directions, in particular two mutually perpendicular directions, in particular equidistant.

Heat exchanger element according to one of the preceding claims, characterized in that a cavity ( 2 ), preferably each cavity ( 2 ) in an opening ( 2a ) in the mounting surface ( 1c ), at least one of the opening ( 2a ) or the covering foil ( 3 ) opposite inflow opening ( 4 ) and at least one near the opening edge, preferably opposite to the Opening edge lying discharge opening ( 6 ) or overflow areas ( 8th ).

Method for transferring heat energy between a heat transfer fluid and at least one component to be cooled or heated ( 11 ), in which the at least one component ( 11 ) on a mounting surface ( 1c ) of a heat exchanger body ( 1a . 1b ) is fastened to a heat transfer medium through which the heat transfer fluid flows, characterized in that the heat transfer by a heat-conducting film ( 3 ), which one in the mounting surface ( 1c ) open fluid-flowed cavity ( 2 ) and which over the cavity ( 2 ) is pressurized with the heat transfer fluid.

A method according to claim 8, characterized in that the thermal power to be transmitted is controlled or regulated by the amount of pressure with which the cavity ( 2 ) or the film ( 3 ) is exhausted, in particular an increase in the heat output to be transmitted is effected by an increase in the fluid pressure.

Method according to claim 8 or 9, characterized in that the film ( 3 ) from at least one of the films ( 3 ) in the cavity ( 2 ) opposite inflow opening ( 4 ) is flown through the heat transfer fluid, in particular an impingement flow of the fluid on the film ( 3 ), in particular wherein the heat transfer fluid from the cavity ( 2 ) into the at least one inflow opening ( 4 ) surrounding outflow openings ( 6 ) from the cavity ( 2 ) or through overflow areas ( 8th ) to the outflow openings ( 6 ).

Use of the method according to one of claims 8 to 10 and / or of the heat transfer element according to one of the preceding claims 1 to 7 for cooling thermoelectric elements ( 11 ), in particular a field of several in two directions juxtaposed thermoelectric elements ( 11 ).