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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft Kühlvorrichtungen, insbesondere passive Kühlvorrichtungen, die auf einer Fläche mit Rippenstrukturen ausgebildet sind. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung die Anordnung von Kühlrippenstrukturen auf zu kühlende Flächen.
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Zur Abführung von Verlustwärme werden beispielsweise Außenflächen von Gehäusen für elektronische Baugruppen mit Kühlrippen versehen, um durch eine Vergrößerung der Fläche mit der umgebenden Luft den thermischen Widerstand zwischen der zu kühlenden Fläche und der Umgebung zu reduzieren. Auch können die Kühlrippen bei einer Anströmung mit einem Luftstrom zu Verwirbelungen führen, wodurch die Wärmeabführung weiterhin verbessert wird. Üblicherweise werden zu kühlende Flächen mit parallel verlaufenden stegartigen Kühlrippen versehen, da diese einfach herzustellen sind.
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Parallel verlaufende Kühlrippen haben jedoch den Nachteil, dass eine Kühlwirkung erheblich von der Lage der Kühlfläche bezüglich eines Schwerkraftsvektors abhängt. Da bei passiven Kühlvorrichtungen die Kühlung maßgeblich durch Konvektion der erwärmten Luft stattfindet, kann sich eine Luftströmung gut zwischen den Kühlrippen ausbilden, wenn die Kühlrippen parallel zum Schwerkraftvektor verlaufen und dadurch eine Wärmeabführung gewährleisten. Verlaufen die Kühlrippen senkrecht zum Schwerkraftvektor, verläuft die Luftströmung über die Kühlrippen hinweg, und zwischen den Kühlrippen findet im Wesentlichen keine Luftbewegung statt, so dass der Oberflächen vergrößernde Effekt der Kühlrippen nahezu wirkungslos bleibt.
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Gehäusebauteile mit einer aufgebrachten Kühlvorrichtung werden häufig einstückig als Gussbauteil gefertigt. Jedoch kann ein solches Gehäusebauteil mit einer mit parallel verlaufenden Kühlrippen versehenen Außenfläche zu einem erhöhten Korrekturaufwand im Gusswerkzeug führen, da die Kühlrippen in ihrer Längsrichtung versteifen, das Bauteil quer dazu labil bleibt und sich beim Erkalten verziehen kann.
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Offenbarung der Erfindung
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Diese Aufgabe wird durch die Kühlvorrichtung nach Anspruch 1 sowie ein Gehäuse mit einer solchen Kühlvorrichtung gemäß dem nebengeordneten Anspruch gelöst.
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Weitere Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Gemäß einem ersten Aspekt ist eine Kühlvorrichtung zum Kühlen eines Gehäuses vorgesehen, umfassend:
- – eine zu kühlende Fläche;
- – mehrere sternförmig auf der zu kühlenden Fläche angeordnete längliche stegartig hervorstehende Kühlrippenstrukturen, die zu einem Zentrumsbereich der zu kühlenden Fläche ausgerichtet sind.
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Eine Idee der obigen Kühlvorrichtung besteht darin, Kühlrippenstrukturen sternförmig auf einer zu kühlenden Fläche anzuordnen, so dass bei einer parallel zum Schwerkraftsvektor angeordneten zu kühlenden Fläche sich stets eine Luftströmung zwischen benachbarten Kühlrippenstrukturen ausbilden kann. Dadurch ist eine verbesserte Wärmeabführung unabhängig von einer parallel zum Schwerkraftsvektor verlaufenden Einbaulage möglich.
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Verläuft die zu kühlende Fläche senkrecht zum Schwerkraftsvektor, insbesondere mit nach oben weisenden Kühlrippenstrukturen, so kann sich durch die Anordnung der Kühlrippenstrukturen ein Kamineffekt ausbilden, der eine Luftströmung zwischen den Kühlrippenstrukturen hindurch zur Mitte der Kühlvorrichtung bewirkt und über der Mitte ein Kamineffekt aufgrund der Konvektion der gesammelten erwärmten Luft entsteht. Somit ist es möglich, eine Kühlvorrichtung zu schaffen, mit der nahezu einbaulagenunabhängig eine verbesserte Kühlwirkung erreicht werden kann.
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Weiterhin ermöglicht die sternförmige Anordnung der Kühlrippenstrukturen bei einer einstückigen Ausbildung auf der zu kühlenden Fläche eine Versteifung der Oberflächenstruktur in beiden Flächenrichtungen.
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Insgesamt kann durch die obige Kühlvorrichtung eine effiziente Kühlwirkung unabhängig von der Ausrichtung des Bauteils bezüglich des Schwerkraftsvektors unter Berücksichtigung einer maximalen Verwindungssteifigkeit erreicht werden.
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Weiterhin können die sternförmig angeordneten Kühlrippenstrukturen nicht direkt verbunden sein und insbesondere einen vorgegebenen Mindestabstand von insbesondere mehr als 2 mm, bevorzugt mehr als 3mm, zueinander aufweisen. Durch den Mindestabstand zwischen den Kühlrippenstrukturen wird erreicht, dass sich zwischen den Kühlrippenstrukturen stets eine Luftströmung ausbilden kann, die nicht durch die Wandreibverluste bzw. Wandströmungsverluste durch enge Kanalführung behindert wird. Insbesondere wird durch Einhalten des Mindestabstands zwischen den Kühlrippenstrukturen gewährleistet, dass sich eine Luftströmung zwischen den Kühlrippenstrukturen ausbilden kann. Bei einem zu geringen Abstand führen Wandströmungsverluste in der Regel dazu, dass sich keine Luftströmung ausbildet.
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Insbesondere kann ein Maximalabstand der Kühlrippenstrukturen auf der zu kühlenden Fläche vorgesehen sein, der insbesondere der Summe einer Breite der Kühlrippenstrukturen und des vorgegebenen Mindestabstands entspricht.
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Es kann vorgesehen sein, dass erste Kühlrippenstrukturen, die einen Teil der sternförmig angeordneten Kühlrippenstrukturen darstellen, in einen den Zentrumsbereich umgebenden Mittenbereich bis zum Rand des Zentrumsbereichs geführt sind. Durch den Mindestabstand zwischen den Kühlrippenstrukturen wird erreicht, dass in einem Mittenbereich, in dem die Kühlrippenstrukturen zusammenlaufen, keine oder nur ein Teil der Kühlrippenstrukturen hineingeführt sind und die übrigen Kühlrippenstrukturen entsprechend außerhalb des Mittenbereichs enden.
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Weiterhin kann der Zentrumsbereich einem Bereich entsprechen, der durch die aufeinander zu weisenden Enden der ersten Kühlrippenstrukturen definiert ist, wobei die aufeinander zu weisenden Enden der ersten Kühlrippenstrukturen einen Abstand aufweisen, der einem vorgegebenen Mindestabstand der Kühlrippenstrukturen entspricht.
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Die Enden der ersten Kühlrippenstrukturen können mit einem im Zentrumsbereich angeordneten insbesondere ringförmigen Verbindungselement verbunden sein. Das Verbindungselement kann zur Versteifung der zu kühlenden Fläche dienen.
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Gemäß einer Ausführungsform kann die zu kühlende Fläche polygonal sein, wobei die äußeren Enden eines Teils der ersten Kühlrippenstrukturen zu den Ecken der zu kühlende Fläche verlaufen. Durch die Anordnung der ersten Kühlrippenstrukturen von den Ecken der zu kühlenden Fläche bis zum Zentrumsbereich kann eine besonders hohe Steifigkeit des Bauteils erreicht werden, auf dem die zu kühlende Fläche sich befindet.
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Die Kühlrippenstrukturen können eine Höhe aufweisen, die etwa das 1 bis 10-fache ihrer durchschnittlichen Breite entspricht. Dadurch werden Verhältnisse der Abmessungen der Kühlrippenstrukturen definiert, die zu einer besonders effektiven Führung der Luftströmung entlang der Kühlrippenstrukturen führen.
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Es kann vorgesehen sein, dass die Kühlrippenstrukturen einen rechteckigen oder sich hin zur oder weg von der zu kühlenden Fläche verjüngenden Querschnitt aufweisen.
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Gemäß eines weiteren Aspekts kann ein Gehäuse oder Gehäuseteil mit einer Außenseite, die eine zu kühlende Fläche darstellt, und mit der obigen Kühlvorrichtung vorgesehen sein.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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Ausführungsformen werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine Draufsicht auf eine Kühlvorrichtung mit einer zu kühlenden Fläche als eine Außenseite eines Gehäuses;
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2 eine perspektivische Ansicht auf die Kühlvorrichtung der 1; und
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3a und 3b einen Vergleich eines Strömungsbildes für Luftströmung über einer Kühlvorrichtung mit geraden, parallel angeordneten Kühlrippenstrukturen und einer Kühlvorrichtung mit sternförmig angeordneten Kühlrippenstrukturen.
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Beschreibung von Ausführungsformen
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1 zeigt eine Draufsicht auf eine Kühlvorrichtung 1 mit einer insbesondere ebenen zu kühlenden Fläche 2, die beispielsweise als eine Außenseite eines Gehäuses 3 bzw. Gehäuseelementes gebildet sein kann. Das Gehäuse 3 kann beispielsweise zur Aufnahme einer elektronischen Baugruppe dienen und aus einem gut wärmeleitfähigen Material, insbesondere aus einem Metall, wie beispielsweise Aluminium, ausgebildet sein.
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Das Gehäuseteil, auf dem sich die zu kühlende Fläche 2 befindet, kann mit der elektronischen Baugruppe (nicht gezeigt) so gekoppelt sein, dass die sich in der elektronischen Baugruppe entwickelnde Wärme mit einem geringen thermischen Widerstand an das Gehäuseteil übertragen wird. Über die Kühlvorrichtung wird dann die in der Baugruppe entstehende Wärme abgeführt.
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Die zu kühlende Fläche 2 ist mit Kühlrippenstrukturen 4 versehen, die im Wesentlichen stegartig von der zu kühlenden Fläche 2 hervorstehen und geradlinig verlaufen. Grundsätzlich vergrößern die Kühlrippenstrukturen 4 die Grenzfläche zwischen der Kühlvorrichtung und der Umgebung und reduzieren dadurch den thermischen Widerstand. Insbesondere können die Kühlrippenstrukturen 4 senkrecht von der zu kühlenden Fläche 2 abstehen und einen rechteckigen sich zur zu kühlenden Fläche hin oder weg davon verjüngenden Querschnitt haben. Die Kühlrippenstrukturen 4 sind entlang sternförmig verlaufender Halbgeraden L auf der zu kühlenden Fläche 2 angeordnet. Die sternförmig angeordneten Halbgeraden L können mit gleichmäßigen Winkeln oder mit variablen Winkeln zueinander angeordnet sein. Um eine optimale Führung der Luftströmung zu gewährleisten, ist es zweckmäßig, dass die Höhe H der Kühlrippen das 1- bis 10-fache, insbesondere das 2- bis 5-fache ihrer Breite B beträgt. Insbesondere können die Höhen der Kühlrippen entlang ihrer Verläufe auch innerhalb der obigen Größenbereiche variieren.
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Die Kühlvorrichtung mit der zu kühlenden Fläche 2 und den darauf angeordneten Kühlrippenstrukturen 4 können einstückig mit dem Gehäuse 3 oder dem Gehäuseteil gefertigt sein, insbesondere als ein Gussteil aus einem Metall, wie z.B. Aluminium oder dergleichen. Die sternförmige Anordnung der Kühlrippenstrukturen 4 ermöglicht eine verbesserte Steifigkeit des Gehäuses, so dass das gegossene Gehäuseteil formstabil ist.
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Es wurde festgestellt, dass sich zwischen den Kühlrippenstrukturen 4 keine Luftströmung ausbilden kann, wenn der Abstand zwischen den benachbarten Kühlrippenstrukturen 4 zu gering ist. Dadurch entfällt bei zu geringem Abstand der Kühlrippenstrukturen 4 die durch diese erreichte Vergrößerung der Grenzfläche in diesem Bereich. Stattdessen verläuft eine entsprechende Luftströmung über die Kühlrippenstrukturen 4 hinweg. Die geringe oder nicht vorhandene Luftkonvektion zwischen den zu gering beabstandeten Kühlrippenstrukturen 4 bewirkt eine deutliche Reduzierung der Wärmeabfuhr.
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Insbesondere bei einer sternförmigen Anordnung der Kühlrippenstrukturen 4 nähern sich die Kühlrippenstrukturen 4 hin zu einem Mittenbereich M einander an und benachbarte Kühlrippenstrukturen 4 würden den Mindestabstand, der für das Erreichen einer Luftströmung zwischen den Kühlrippen notwendig ist, unterschreiten. Es ist daher für den Mittenbereich M vorgesehen, dass sich darin keine oder nur ein Teil der Kühlrippenstrukturen 4 hinein erstreckt.
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Im gezeigten Ausführungsbeispiel erstrecken sich lediglich sechs der Kühlrippenstrukturen 4, als erste Kühlrippenstrukturen 4a, in den Mittenbereich M hinein, während zwischen ihnen jeweils drei zweite Kühlrippenstrukturen 4b entlang der sternförmig verlaufenden Halbgeraden L angeordnet sind, die bereits außerhalb des Mittenbereichs M enden. Die ersten Kühlrippenstrukturen 4a, die sich in den Mittenbereich hinein erstrecken, können außerhalb eines Zentrumsbereichs Z, in dem sich die sternförmig verlaufenden Linien L treffen und der etwa mittig in dem Mittenbereich M angeordnet sein kann, enden und dadurch nicht direkt miteinander verbunden sein.
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Für eine bessere Stabilität des Gehäuses 3 kann jedoch im Zentrumsbereich Z ein Verbindungselement 5 angeordnet sein, das beispielsweise ringförmig angeordnet ist, und die im Mittenbereich M liegenden Enden der ersten Kühlrippenstrukturen 4a miteinander verbinden. Das Verbindungselement 5 weist einen ringförmigen Steg auf, dessen Höhe HS das 1- bis 10-fache, insbesondere das 2- bis 5-fache ihrer Breite BS beträgt.
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Dadurch wird die Stabilität des gesamten Gehäuses 1 deutlich verbessert. Gleichzeitig beeinträchtigt das Verbindungselement 5 nicht die Luftströmung zwischen den sich in den Mittenbereich M hinein erstreckenden ersten Kühlrippenstrukturen 4a.
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Es wurde festgestellt, dass aufgrund der Geschwindigkeitsgrenzschicht von Luft ein Mindestabstand der Kühlrippenstrukturen 4 von 2 mm nicht unterschritten werden sollte. Beispielsweise kann ein Abstand D zwischen den Kühlrippenstrukturen 4 von 3 mm sicher eine Luftströmung zwischen den Kühlrippenstrukturen 4 gewährleisten. Abhängig von der Breite B der Kühlrippenstrukturen 4 und der Anzahl A der sternförmig angeordneten Halbgeraden L ergibt sich ein Radius r des kreisförmigen Mittenbereichs M von r = A·(B + D)/2π, wobei D dem Abstand der Kühlrippenstrukturen 4 entspricht. Insbesondere ergibt sich eine verbesserte Führung der Luftströmung ins Innere des Mittenbereichs, wenn jede dritte, vierte oder jede fünfte Kühlrippenstruktur 4 sich ins Innere des Mittenbereichs erstreckt.
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Weiterhin ist vorgesehen, dass abhängig von den Abmessungen der zu kühlenden Fläche 2 der sich nach außen hin vergrößernde Abstand zwischen zwei benachbarten Kühlrippenstrukturen 4 nicht beliebig groß werden sollte, da dadurch nicht die verbesserte Wärmeabführung aufgrund des verbesserten thermischen Widerstands Rth = 1/(α·A) (mit α als Wärmeübergangskoeffizient und A als Oberfläche) erreicht werden kann, die sich beim Vorsehen der Kühlrippenstrukturen 4 durch Erhöhung der Oberfläche ergibt. Daher ist dort vorgesehen, durch Hinzufügen einer weiteren Kühlrippenstruktur 4 den thermischen Widerstand zu reduzieren. Somit kann vorgesehen sein, weitere Kühlrippenstrukturen 4 sternförmig anzuordnen, sobald der Abstand zwischen zwei Kühlrippen 2d + b erreicht bzw. überschreitet.
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Insbesondere kann der Verlauf und die Ausrichtung der ersten Kühlrippenstrukturen 4a, die sich in den Mittenbereich hinein erstrecken, abhängig von der Form der zu kühlenden Fläche 2 vorgesehen werden. Insbesondere ist es aus Gründen der Steifigkeit des Gehäuses 3, auf dem sich die zu kühlende Fläche 2 befindet, zweckmäßig, dass die ersten Kühlrippenstrukturen 4a sich von einer Ecke der zu kühlenden Fläche 2 bzw. einer Ecke des Gehäuses 3 in den Mittenbereich M, insbesondere in den Zentrumsbereich Z, erstrecken. Dadurch wird eine optimale Steifigkeit gewährleistet.
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Wie man aus 2 erkennen kann, kann die zu kühlende Fläche 2 an den Rändern abgerundet verlaufen. Dabei ist es vorteilhaft, auch die abstehenden Kanten der Kühlrippenstrukturen der Kontur der zu kühlenden Fläche nachzuführen und insbesondere die Höhe der Kühlrippenstrukturen 4 über der zu kühlenden Fläche konstant zu halten.
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In den 3a und 3b erkennt man im Vergleich mit einer zu kühlenden Fläche, die mit geradlinig parallel verlaufenden Kühlrippenstrukturen 4 versehen ist, dass bei sternförmig verlaufenden Kühlrippenstrukturen 4, die auf einer quer zur Schwerkraftsvektor angeordneten zu kühlenden Fläche angeordnet sind, unterschiedliche Konvektionsströmungen ausgebildet werden. Während sich im ersteren Fall (3a) eine über die gesamte zu kühlende Fläche erstreckende Konvektion ergibt, entsteht bei der sternförmigen Anordnung (3b) ein Kamineffekt, der eine Luftströmung parallel zur kühlenden Fläche außerhalb des Mittenbereichs und im Mittenbereich zu einer starken vertikalen Strömung in Richtung entgegengesetzt zum Schwerkraftsvektor ausbildet. Dadurch wird die Strömungsgeschwindigkeit in den Zwischenräumen zwischen den Kühlrippenstrukturen 4 erhöht und eine verbesserte Kühlwirkung erreicht.
