DE102018203231A1 - Wärmetauscher zum kühlen mehrerer schichten aus elektronischen modulen - Google Patents

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Benjamin A. Kenney
Meinrad K. A. Machler
Kenneth M. A. Abels
Jiang Feng Yu
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Abstract

Ein Wärmetauscher aus gestapelten Platten zum Kühlen mehrerer wärmeerzeugender elektronischer Komponenten, die in mehreren Schichten angeordnet sind, weist einen Stapel aus flachen Rohren, die mehrere parallele Fluidströmungsdurchgänge definieren, auf, wobei die Rohre durch Räume zum Aufnehmen der elektronischen Komponenten getrennt sind. Eine oder mehrere strömungsbeschränkende Rippen sind innerhalb zumindest einiger der Fluidströmungsdurchgänge angeordnet, um eine Fluidströmung zwischen zumindest einem der Verteiler und dem Wärmeübertragungsbereich durch Verringern der Höhe des Fluidströmungsdurchgangs außerhalb des Wärmeübertragungsbereichs entlang zumindest eines Teils der Breite des Fluidströmungsdurchgangs teilweise zu blockieren, um die Strömungsverteilung eines Wärmeübertragungsfluids zwischen den und innerhalb der Fluidströmungsdurchgänge des Wärmetauschers zu verbessern und eine Umgehungsströmung an den äußeren Kanten des Fluidströmungsdurchgangs zu minimieren.

Description

  • QUERVERWEIS AUF BEZOGENE ANMELDUNGEN
  • Diese Anmeldung beansprucht die Priorität und den Nutzen der provisorischen US-Patentanmeldung Nr. 62/467 459 , die am 6. März 2017 eingereicht wurde, und der chinesischen Patentanmeldung Nr. 201710979228.3 , die am 19. Oktober 2017 eingereicht wurde; deren Inhalte hier einbezogen werden.
  • GEBIET
  • Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf kompakte Wärmetauscher für doppelseitige Kühlung von wärmeerzeugenden elektronischen Komponenten, die in mehreren Schichten angeordnet sind.
  • HINTERGRUND
  • Elektrische Fahrzeuge („EV“) und hybridelektrische Fahrzeuge („HEV“) verwenden Leistungselektronikgeräte, die beträchtliche Mengen von Wärmeenergie erzeugen. Diese Wärmeenergie muss verteilt werden, um eine übermäßige Erwärmung dieser Geräte zu vermeiden, die zu einer Beschädigung oder einem verminderten Leistungsvermögen führen kann.
  • Leistungselektronikgeräte in Automobilen enthalten typischerweise eine oder mehrere wärmeerzeugende elektronische Komponenten wie Transistoren, Widerstände, Kondensatoren, Feldeffekttransistoren (FETs), bipolare Transistoren mit isoliertem Gate (IGBTs), Leistungswechselrichter, Gleichspannungswandler und Wechselrichter. Diese Komponenten können auf einem Substrat wie einer Leiterplatte befestigt sein.
  • Obgleich die Struktur von Leistungselektronikgeräten für Automobile variabel ist, sind die Leistungselektronikgeräte für einige Anwendungen mit gegenüberliegenden ebenen Oberflächen versehen, entlang deren eine Kühlung bewirkt werden kann. IGBTs sind ein Beispiel für Leistungselektronikgeräte, die diese Struktur haben können. Ein typisches EV oder HEV kann viele IGBTs enthalten, die in mehreren Gruppen von drei angeordnet sein können. IGBTs können gekühlt werden, indem eine oder beide der gegenüberliegenden ebenen Oberflächen jedes IGBT mit einem Kühlkörper kontaktiert wird. Um die Wärmeübertragung zu erhöhen, kann ein Kühlfluid wie Luft oder ein flüssiges Kühlmittel entlang des oder durch den Kühlkörper zirkulieren. Beispielsweise kann, wie in der am 14. Dezember 2016 eingereichten provisorischen US-Anmeldung Nr. 62/433 936 offenbart ist, ein Wärmetauscher für doppelseitiges Kühlen von elektronischen Komponenten ein Paar von Kühlkörpern in Kontakt mit entgegengesetzten ebenen Oberflächen von einer oder mehreren elektronischen Komponenten, die in einer einzelnen Schicht angeordnet sind, aufweisen.
  • Aufgrund von Raumbeschränkungen und Kostengründen kann es vorteilhaft sein, die wärmeerzeugenden elektronischen Komponenten in einem kompakten Feld zu montieren und einen einzelnen hartgelöteten Wärmetauscher vorzusehen, um beide Seitenflächen jeder elektronischen Komponente in dem Feld zu kühlen. Wärmetauscher dieses Typs sind beispielsweise aus der internationalen Anmeldung Nr. PCT/CA2016/051010, die am 26. August 2016 eingereicht wurde, bekannt. Jedoch bleibt ein Bedarf für einfache und effektive Wärmetauscher für doppelseitiges Kühlen von wärmeerzeugenden elektronischen Komponenten, die in einem kompakten Feld montiert sind und eine effektive thermische Verbindung mit den elektronischen Komponenten und eine ausgeglichene Strömung von Kühlfluid entlang der Seitenflächen aller Komponenten in dem Gehäuse vorsehen.
  • KURZFASSUNG
  • Gemäß einem Aspekt ist eine Wärmetauscheranordnung vorgesehen, welche aufweist: einen Wärmetauscherkern, aufweisend mehrere flache Rohre, wobei jedes der flachen Rohre einen länglichen Fluidströmungsdurchgang mit einer oberen Wand, einer unteren Wand und einem Paar von äußeren Kanten, die in Querrichtung einen gegenseitigen Abstand aufweisen, umschließt, wobei eine Breite des Fluidströmungsdurchgangs zwischen den äußeren Kanten definiert ist; wobei die flachen Rohre in einem Stapel angeordnet sind, mit den Fluidströmungsdurchgängen in gegenseitigem parallelen Abstand entlang einer Höhe des Stapels, derart, dass die mehreren Abstände zur Aufnahme von wärmeerzeugenden elektronischen Komponenten zwischen benachbarten flachen Rohren über die Höhe des Stapels definiert sind, wobei die flachen Rohre Wärmeübertragungsflächen definieren, entlang denen die flachen Rohre für thermischen Kontakt mit den wärmeerzeugenden Komponenten ausgebildet sind; wobei die flachen Rohre miteinander verbunden sind, um einen Einlassverteiler und einen Auslassverteiler zu bilden, sich jeder der Verteiler über die Höhe des Stapels erstreckt, mit dem Einlassverteiler in direkter Strömungsverbindung mit einem ersten Ende jedes Fluidströmungsdurchgangs und dem Auslassverteiler in direkter Strömungsverbindung mit einem zweiten Ende jedes Fluidströmungsdurchgangs; wobei der Fluidströmungsdurchgang jedes flachen Rohres einen Wärmeübertragungsbereich hat, der sich zwischen den Verteilern befindet, wobei ein turbulenzerhöhender Einsatz innerhalb des Wärmeübertragungsbereichs angeordnet ist, und wobei der Wärmeübertragungsbereich in jedem Fluidströmungsdurchgang direkt entgegengesetzt zu zumindest einer Wärmeübertragungsfläche auf einer äußeren Oberfläche des flachen Rohres ist, wobei der Fluidströmungsdurchgang eine maximale Höhe zwischen der oberen und der unteren Wand in dem Wärmeübertragungsbereich hat, mit dem turbulenzerhöhenden Einsatz in direktem thermischem Kontakt mit der oberen und der unteren Wand; wobei die Wärmetauscheranordnung weiterhin eine oder mehrere strömungsbeschränkende Rippen hat, die innerhalb zumindest einigen der Fluidströmungsdurchgänge angeordnet sind, um die Fluidströmung zwischen zumindest einem der Verteiler und dem Wärmeübertragungsbereich teilweise zu blockieren durch Verringern der Höhe des Fluidströmungsdurchgangs außerhalb des Wärmeübertragungsbereichs, entlang zumindest eines Teils der Breite des Fluidströmungsdurchgangs.
  • Bei einem Ausführungsbeispiel weist jedes der flachen Rohre ein Paar von gepaarten länglichen Kernplatten mit erhabenen, mit Öffnungen versehenen Wulsten an ihren entgegengesetzten Enden auf, wobei die erhabenen Wulste von benachbarten flachen Rohren so miteinander verbunden sind, dass sie den Einlassverteiler und den Auslassverteiler definieren, und wobei mittlere Bereiche eines Paares von gepaarten Kernplatten die obere und die untere Wand jedes flachen Rohrs definieren.
  • Bei einem Ausführungsbeispiel haben die erhabenen, mit Öffnungen versehenen Wulste eine derartige Höhe, dass vor dem Einsetzen der wärmeerzeugenden elektronischen Komponenten in die Räume zwischen den flachen Rohren die Höhe jedes der Räume geringfügig größer als eine Dicke von einer der wärmeerzeugenden Komponenten ist, um zu ermöglichen, dass die wärmeerzeugenden elektronischen Komponenten in die Räume zwischen den Wärmeübertragungsflächen eingesetzt werden; wobei die Wulste jeweils einen komprimierbaren Seitenwandbereich haben, um zu ermöglichen, dass die Höhe der Räume zwischen den flachen Rohren durch die Anwendung einer Kraft entlang einer Kompressionsachse parallel zu der Höhe der Verteiler verringert wird; wobei jede der Kernplatten weiterhin einen oder mehrere Stützvorsprünge aufweist, von denen sich jeder in einem im Wesentlichen flachen Bereich nahe einer Basis von einem der erhabenen Wulste befindet; wobei jeder der Stützvorsprünge sich von einer Unterseite der Kernplatte in einer Richtung entgegengesetzt zu einer Richtung, in der sich die erhabenen Wulste von einer Oberseite der Kernplatte erstrecken, erstreckt; und wobei jeder der Stützvorsprünge eine als ein Abstand zwischen einer Basis und einer oberen Oberfläche hiervon definierte Höhe hat, wobei die Höhe derart ist, dass die obere Oberfläche des Stützvorsprungs im Wesentlichen koplanar mit dem peripheren Flansch der Kernplatte ist; derart, dass, wenn die Kernplatten montiert sind, um die flachen Rohre zu bilden, die Stützvorsprünge einer Kernplatte jedes flachen Rohrs in Kontakt mit den Stützvorsprüngen der anderen Kernplatte, die das flache Rohr bilden, sind.
  • Gemäß einem anderen Aspekt ist ein Wärmetauschermodul vorgesehen, das eine Wärmetauscheranordnung mit erhabenen, mit Öffnungen versehenen Wulsten mit komprimierten Seitenwandbereichen aufweist, wobei das Wärmetauschermodul weiterhin mehrere wärmeerzeugende Komponenten und mehrere starre Kompressionsbefestigungsvorrichtungen für die Anwendung bei dem Wärmetauschermodul während dessen Montage und unmittelbar vor einem Schritt des Ausübens einer Kompressionskraft auf den Wärmetauscher entlang der Höhe jedes Verteilers, um die Wärmeübertragungsflächen der flachen Rohr in thermischen Kontakt mit Seitenflächen der wärmeerzeugenden elektronischen Komponenten zu bringen, aufweist. Jede Kompressionsbefestigungsvorrichtung ist im Wesentlichen U-förmig, hat eine Dicke, die im Wesentlichen die gleiche wie die der wärmeerzeugenden elektronischen Komponenten ist; wobei jede der Kompressionsbefestigungsvorrichtungen zwischen benachbarten flachen Rohren so einsetzbar ist, dass sie die erhabenen Wulste der flachen Rohre entlang von drei Seiten hiervon umgeben und eine unerwünschte Verformung der Kernplatten während des Schritts des Ausübens einer Kompressionskraft verhindern.
  • Gemäß einem anderen Aspekt ist ein Verfahren zum Zusammensetzen eines Wärmetauschermoduls, das einen hartgelöteten Wärmetauscher mit erhabenen, mit Öffnungen versehenen Wulsten mit komprimierbaren Seitenwandbereichen aufweist, wie vorstehend beschrieben ist, vorgesehen. Das Verfahren weist das Einsetzen von einer oder mehreren wärmeerzeugenden elektronischen Komponenten in die Räume zwischen benachbarten flachen Rohren und das Ausüben einer Kompressionskraft auf den Wärmetauscher entlang der Höhe jedes Verteilers so vor, dass die Wärmeübertragungsflächen der flachen Rohre in thermischen Kontakt mit Seitenflächen der wärmeerzeugenden, elektronischen Komponenten gebracht werden.
  • Bei einem Ausführungsbeispiel weist das vorbeschriebene Verfahren weiterhin den Schritt des Anwendens mehrerer starrer Kompressionsbefestigungsvorrichtungen bei dem Wärmetauschermodul vor dem Schritt des Ausübens einer Kompressionskraft vor, wobei jede Kompressionsbefestigungsvorrichtung im Wesentlichen U-förmig ist, eine Dicke hat, die im Wesentlichen die gleiche wie die der wärmeerzeugenden elektronischen Komponenten ist; und wobei jede der Kompressionsbefestigungsvorrichtungen zwischen benachbarten flachen Rohren so eingesetzt wird, dass sie die erhabenen Wulste der flachen Rohre entlang drei Seiten hiervon umgibt und eine unerwünschte Verformung der Kernplatten während des Kompressionsschritts verhindert.
  • Bei einem Ausführungsbeispiel hat der Wärmetauscher eine U-Strömungskonfiguration, wobei sich der Einlass- und der Auslassverteiler an einem ersten Ende des Kerns befinden; wobei jedes zweite der flachen Rohr in Strömungsverbindung mit nur dem Einlassverteiler ist und einen Einlass-Fluidströmungsdurchgang definiert, während jedes der anderen flachen Rohre in Strömungsverbindung mit nur dem Auslassverteiler ist und einen Auslass-Fluidströmungsdurchgang definiert; und wobei ein Verbindungsdurchgang zwischen jedem der Einlass-Fluidströmungsdurchgänge und einem benachbarten der Auslass-Fluidströmungsvorgänge vorgesehen ist, sich jeder der Verbindungsdurchgänge nahe des zweiten Endes des Kerns, das distal von den Verteilern ist, befindet. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel befinden sich die Teile der flachen Rohre, die die Verteiler bilden, in vorstehenden Endbereichen der flachen Rohre. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel können die äußeren Kanten der flachen Rohre mit im Abstand angeordneten Öffnungen versehen sein, durch die Zugstangen hindurchgeführt sind, wobei die Zugstangen mit Gewinde versehene Enden haben, die mit Muttern versehen sind, die ausgestaltet sind zum Zusammendrücken des Stapels aus flachen Rohren in thermischen Kontakt mit den elektronischen Komponenten.
  • Gemäß einem anderen Aspekt ist ein Verfahren zum Zusammensetzen eines Wärmetauschermoduls, das einen Wärmetauscher mit einer U-Strömungskonfiguration wie vorstehend beschrieben aufweist, vorgesehen. Das Verfahren weist auf: Bereitstellen der flachen Rohre der Wärmetauscheranordnung; Anwenden der elastischen Abdichtteile bei den ersten und/oder zweiten rohrförmigen Segmenten; Zusammensetzen der Wärmetauscheranordnung durch Einsetzen der ersten rohrförmigen Segmente in die zweiten rohrförmigen Segmente, um die rohrförmigen Verteiler und den rohrförmigen Verbindungsdurchgang zu bilden; Einsetzen einer oder mehrerer wärmeerzeugender elektronischer Komponenten in die Räume zwischen benachbarten flachen Rohren; und Ausüben einer Kompressionskraft auf den Wärmetauscher entlang der Höhe jedes Verteilers mit Zugstangen wie vorbeschrieben, um die Wärmetauscherflächen der flachen Rohre in thermischen Kontakt mit Seitenflächen der wärmeerzeugenden elektronischen Komponenten zu bringen.
  • Gemäß einem anderen Aspekt ist ein Wärmetauschermodul, das den vorbeschriebenen U-Strömungs-Wärmetauscher aufweist, vorgesehen, bei dem die ersten rohrförmigen Segmente in den zweiten rohrförmigen Segmenten so aufgenommen sind, dass die rohrförmigen Verteiler und der rohrförmige Verbindungsdurchgang gebildet sind; wobei eine oder mehrere der wärmeerzeugenden elektronischen Komponenten in den Räumen zwischen benachbarten flachen Rohren aufgenommen sind; und wobei die Wärmetauscheranordnung durch mehrere der Zugstangen unter Kompressionsdruck gehalten werden, wobei eine Kompressionskraft, die durch die Zugstangen ausgeübt wird, entlang der Höhe jedes Verteilers derart gerichtet ist, dass die Wärmeübertragungsflächen in thermischem Kontakt mit Seitenflächen der wärmeerzeugenden elektronischen Komponenten sind.
  • Figurenliste
  • Die Erfindung wird nun nur beispielhaft mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, in denen:
    • 1 eine perspektivische Draufsicht auf einen Wärmetauscher nach einem ersten Ausführungsbeispiel ist;
    • 2 ein Querschnitt entlang der Linie 2-2' in 1 ist;
    • 3 eine perspektivische Draufsicht auf eine Kernplatte des Wärmetauschers nach 1 ist;
    • 4 eine perspektivische Unteransicht einer Kernplatte des Wärmetauschers nach 1 ist;
    • 5 ein vergrößerter Teilquerschnitt ist, der das linke Ende eines Plattenpaares des Wärmetauschers nach 1 zeigt, der in der gleichen Ebene wie der Querschnitt nach 2 liegt;
    • 6 ein vergrößerter Querschnitt in Querrichtung entlang der Linie 6-6' in 1 ist;
    • 7 ein vergrößerter Längsquerschnitt ist, der einen Teil des Wärmetauschermoduls, das den Wärmetauscher nach 1 enthält, vor der Kompression zeigt;
    • 8 ein Querschnitt ähnlich der 7 ist, der das Wärmetauschermodul nach der Kompression zeigt;
    • 9 eine isolierte perspektivische Ansicht einer Kompressionsbefestigungsvorrichtung ist;
    • 10 ein Teillängsschnitt ist, der mehrere Kompressionsbefestigungsvorrichtungen zeigt, die bei einem Ende des Wärmetauschers nach dem ersten Ausführungsbeispiel angewendet werden;
    • 11 ein Teilquerschnitt in Querrichtung ist, der mehrere an einem Ende des Wärmetauschers nach dem ersten Ausführungsbeispiel angewendete Kompressionsbefestigungsvorrichtungen zeigt;
    • 12 eine Vergrößerung eines Bereichs von 11 ist, die die Kooperation zwischen den Kompressionsbefestigungsvorrichtungen und den Vorsprüngen der Kernplatten während der Kompression zeigt;
    • 13 eine perspektivische Draufsicht auf ein Wärmetauschermodul nach einem zweiten Ausführungsbeispiel ist;
    • 14 eine perspektivische Draufsicht auf eine Kernplatte des Wärmetauschermoduls nach 13 ist;
    • 15 eine perspektivische Unteransicht einer Kernplatte des Wärmetauschermoduls nach 13 ist;
    • 16 ein Teillängsschnitt durch ein Plattenpaar des Wärmetauschermoduls nach 13 ist;
    • 17 ein Teillängsschnitt durch ein Plattenpaar eines Wärmetauschermoduls mit einer abwechselnden strömungsbeschränkenden Rippenkonfiguration ist;
    • 18 ein Teillängsschnitt durch ein Plattenpaar eines Wärmetauschermoduls mit einer abwechselnden strömungsbeschränkenden Rippenkonfiguration ist;
    • 19 ein Teillängsschnitt durch ein Plattenpaar eines Wärmetauschermoduls mit einer abwechselnden strömungsbeschränkenden Rippenkonfiguration ist;
    • 20 ein Teillängsschnitt durch ein Plattenpaar eines Wärmetauschermoduls mit einer abwechselnden strömungsbeschränkenden Rippenkonfiguration ist;
    • 21 ein Teillängsschnitt durch ein Plattenpaar eines Wärmetauschermoduls mit einer abwechselnden strömungsbeschränkenden Rippenkonfiguration ist;
    • 22 eine perspektivische Draufsicht einer Kernplatte eines Wärmetauschermoduls mit einer abwechselnden strömungsbeschränkenden Rippenkonfiguration ist;
    • 23 eine perspektivische Unteransicht der Kernplatte nach 23 ist;
    • 24 ein Teilquerschnitt in Querrichtung durch ein Plattenpaar mit der strömungsbeschränkenden Rippenkonfiguration der 22 und 23 ist;
    • 25 eine perspektivische Seitenansicht eines Wärmetauschers nach einem dritten Ausführungsbeispiel ist;
    • 26 eine perspektivische Vorderansicht des Wärmetauschers nach 25 ist;
    • 27 eine perspektivische Seitenansicht des Wärmetauschers nach 25 mit hinzugefügten Zugstangen ist; und
    • 28 ein Querschnitt einer gleitenden elastischen Abdichtung für einstellbares Verbinden der Plattenpaare des Wärmetauschers nach 25 ist.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
  • Das Folgende ist eine detaillierte Beschreibung von Wärmetauschern nach bestimmten Ausführungsbeispielen. Die hier beschriebenen Wärmetauscher sind kompakte Wärmetauscher, die einen Stapel aus Kernplatten aufweisen, und werden hier manchmal als „Plattenstapel“-Wärmetauscher bezeichnet. Um die Kosten zu minimieren, können die meisten oder alle der Kernplatten in dem Stapel einander identisch sein. Auch kann der Wärmetauscher eine hartgelötete, gleichförmige Konstruktion haben. Da das Hartlöten von Wärmetauschern bei hohen Temperaturen durchgeführt wird und typischerweise das Erwärmen der gesamten Wärmetauscheranordnung in einem Hartlötofen enthält, müssen die Wärmetauscher-Kernplatten vor dem Zusammensetzen eines Wärmetauschermoduls, das den Wärmetauscher und die wärmeerzeugenden elektronischen Komponenten aufweist, miteinander hartverlötet werden.
  • Die den Wärmetauscher bildenden Kernplatten sehen im Abstand voneinander angeordnete Wärmetauscherflächen vor, die so angeordnet sind, dass sie in thermischem Kontakt mit wärmeerzeugenden elektronischen Komponenten sind, die entgegengesetzte ebene Seitenflächen haben, wobei jede der entgegengesetzten ebenen Seitenflächen jeder wärmeerzeugenden elektronischen Komponente in thermischem Kontakt mit einer Wärmeübertragungsfläche des Wärmetauschers ist, und wobei die wärmeerzeugenden elektronischen Komponenten in einer kompakten Anordnung vorgesehen sind, wie mehreren gegeneinander beabstandeten Schichten.
  • Um die Montage des Wärmetauschermoduls zu ermöglichen, sind die Kernplatten des Wärmetauschers mit Merkmalen versehen, die eine Kompression des Wärmetauschers nach dem Hartlöten zulassen, um eine permanente Verformung des Wärmetauschers zu erzeugen, die die Wärmeübertragungsflächen hiervon in engen thermischen Kontakt mit den entgegengesetzten Seitenflächen der wärmeerzeugenden elektronischen Komponenten bringt, ohne die Strömungsverteilung von Wärmeübertragungsfluid zwischen den und innerhalb der Fluidströmungsdurchgänge des Wärmetauschers negativ zu beeinflussen.
  • Um den Kühlungswirkungsgrad zu maximieren, sind die Kernplatten des Wärmetauschers mit Merkmalen versehen, die einen adäquaten Fluidrückdruck bereitstellen, um die Fluidströmungsverteilung zwischen den und innerhalb der Fluidströmungsdurchgänge zu steuern, und die auch eine Umgehungsströmung innerhalb der Fluidströmungsdurchgänge reduzieren.
  • Eine Wärmetauscheranordnung 10 nach einem ersten Ausführungsbeispiel und ein Wärmetauschermodul 42, das die Wärmetauscheranordnung 10 und mehrere wärmeerzeugende elektronische Komponenten 44 aufweist, werden nachfolgend mit Bezug auf die 1 bis 6 beschrieben.
  • Die Wärmetauscheranordnung 10 enthält einen Kern, der mehrere längliche flache Rohre 22 aufweist, von denen jedes einen länglichen Fluidströmungsdurchgang 36 umschließt. Die flachen Rohre sind in einem Stapel angeordnet, wobei die Fluidströmungsdurchgänge eine gegenseitig beabstandete parallele Beziehung entlang der Höhe des Stapels (entlang der Achse C in 1) haben, derart, dass mehrere Räume für die Aufnahme von wärmeerzeugenden elektronischen Komponenten 44 zwischen benachbarten flachen Rohren 22 über die Höhe des Stapels definiert sind, wobei die flachen Rohre 22 Wärmeübertragungsflächen 40 definieren, entlang denen die flachen Rohre 22 für einen thermischen Kontakt mit den wärmeerzeugenden Komponenten 44 ausgebildet sind. Die flachen Rohre 22 sind miteinander verbunden, um einen Einlassverteiler 32 und einen Auslassverteiler 34 zu bilden, wobei sich jeder der Verteiler 32, 34 über die Höhe des Stapels erstreckt und der Einlassverteiler 32 in direkter Fluidverbindung mit einem ersten Ende jedes Fluidströmungsdurchgangs 36 ist und der Auslassverteiler 34 in Fluidströmungsverbindung mit einem zweien Ende jedes Fluidströmungsdurchgangs 36 ist. Die ersten und die zweiten Enden der Fluidströmungsdurchgänge sind in Längsrichtung entlang der Achse A in gegenseitigem Abstand.
  • Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist der Wärmetauscher 10 aus Kernplatten gebildet, enthaltend mehrere Zwischenkernplatten 12, eine obere Kernplatte 14 an der oberen Seite des Plattenstapels und einer unteren Kernplatte 16 an der unteren Seite des Plattenstapels. Jedes flache Rohr 22 weist ein Paar von Kernplatten 12, 14, 16 auf, und daher werden die flachen Rohre 22 hier auch als „Plattenpaare 22“ bezeichnet. Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel sind alle Zwischenkernplatten 12 und die obere Platte 14 einander identisch, und unterschiedlich gegenüber der unteren Platte 16, wie nachfolgend weiter beschrieben wird. Eine Einlassarmatur 18 und eine Auslassarmatur 20 sind abdichtend an der oberen Platte 14 befestigt, obgleich die Orte der Einlass- und der Auslassarmatur 18, 20 variabel sind, wie nachfolgend weiter diskutiert wird.
  • Jede Kernplatte 12, 14, 16 bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel weist einen ebenen Umfangsflansch 24 auf, der einen erhabenen mittleren Bereich 26 umgibt. Die Kernplatten 12, 14, 16 jedes flachen Rohrs 22 sind abdichtend in einander zugewandter Anordnung entlang ihrer Umfangsflansche 24 verbunden. Bei dem illustrierten Ausführungsbeispiel sind die flachen Rohre 22, die durch Paare von Zwischenplatten 12 gebildet sind, einander identisch, und identisch mit dem obersten flachen Rohr 22, das durch eine Zwischenplatte 12 und die obere Platte 14 gebildet ist. Das unterste flache Rohr, das durch eine Zwischenplatte 12 und die untere Platte 14 gebildet ist, ist unterschiedlich gegenüber den anderen flachen Rohren 22 aus nachfolgend diskutierten Gründen, und wird in den 1 und 2 als 22' bezeichnet.
  • Die Kernplatten 12, 14, 16 sind im Allgemeinen länglich, mit entgegengesetzten Enden jeder Zwischenkernplatte 12 und entgegengesetzten Enden der oberen Platte 14, die mit erhabenen, mit Öffnungen versehenen Wulsten 28 versehen sind. Die erhabenen Wulste 28 befinden sich in dem erhabenen mittleren Bereich 26 jeder Kernplatte 12, 14. Die untere Platte 16 hat keine erhabenen Wulste 28, und kann stattdessen einen mittleren Bereich 26 haben, der im Wesentlichen flach und frei von Perforationen ist, um die untere Seite des Wärmetauschers 10 abzudichten, wie in 2 gezeigt ist.
  • Jedes der flachen Rohre 22 hat ein Paar von erhabenen Wulsten 28, die von beiden ihrer entgegengesetzten Seiten vorstehen, wobei die erhabenen Wulste 28 von benachbarten flachen Rohren 22 so miteinander verbunden sind, dass sie einen Einlassverteiler 32 und einen Auslassverteiler 34 an entgegengesetzten Enden des Wärmetauschers 10 definieren. Das unterste flache Rohr 22' hat ein Paar von erhabenen Wulsten 28, die nur von seiner oberen Seite vorstehen, durch die es mit den erhabenen Wulsten 28 eines benachbarten flachen Rohrs verbunden ist. Der Einlassverteiler 32 erstreckt sich von der Einlassarmatur 18 zu der geschlossenen unteren Platte 16, und der Auslassverteiler 34 erstreckt sich von der Auslassarmatur 20 zu der geschlossenen unteren Platte 16.
  • Jedes flache Rohr 22, 22' umschließt einen Fluidströmungsdurchgang 36, der sich entlang der Längsachse A von dem Einlassverteiler 32 zu dem Auslassverteiler 34 erstreckt, und zwischen den erhabenen Wulsten 28 an den entgegengesetzten Enden jedes flachen Rohrs 22, 22'. Die Fluidströmungsdurchgänge 36 haben jeweils eine obere Wand und eine untere Wand, die bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel die mittleren Bereiche 26 der Kernplatten 12, 14, 16, die jede der flachen Rohre 22 bilden, aufweisen. Die Fluidströmungsdurchgänge 36 haben jeweils ein Paar von äußeren Kanten, die in Querrichtung einen gegenseitigen Abstand aufweisen (entlang der Achse B in 1), wobei die Breite des Fluidströmungsdurchgangs 36 zwischen den äußeren Kanten definiert ist. Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel befinden sich die äußeren Kanten der Fluidströmungsdurchgänge 36 unmittelbar einwärts der Umfangsflansche 24, wie beispielsweise aus 6 ersichtlich ist. Die obere Wand 2, die untere Wand 4 und die äußeren Kanten 6, 8 der flachen Rohre 22 sind in 6 bezeichnet. Es ist darauf hinzuweisen, dass die Rohre 22 nicht notwendigerweise aus Paaren von Kernplatten 12, 14, 16 gebildet sind. Stattdessen können die Rohre 22 jeweils aus einem einzigen Materialstück gebildet sein, das entweder extrudiert oder gefaltet und entlang einer Naht abgedichtet ist.
  • Jeder Fluidströmungsdurchgang 36 hat einen Wärmeübertragungsbereich 76, der sich zwischen den Verteilern 32, 34 befindet, wobei ein turbulenzerhöhender Einsatz 38 in dem Wärmeübertragungsbereich 76 jedes der flachen Rohre 22 angeordnet sein kann. Jeder der turbulenzerhöhenden Einsätze 38 kann eine Rippe oder einen Turbulizer aufweisen. Die hier verwendeten Begriffe „Rippe“ und „Turbulizer“ sollen sich auf gewellte turbulenzerhöhende Einsätze mit mehreren sich axial erstreckenden Kämmen oder Firsten, die durch Seitenwände verbunden sind, haben, wobei die Kämme gerundet oder flach sind. Wie hier definiert ist, hab eine „Rippe“ kontinuierliche Kämme, während ein „Turbulizer“ Kämme hat, die entlang ihrer Länge unterbrochen sind, so dass eine axiale Strömung durch den Turbulizer gewunden ist. Turbulizer werden manchmal als versetzte oder durchstochene Streifenrippen bezeichnet, und Beispiele für derartige Turbulizer sind in dem US-Patent Nr. Re. 35 890 (So) und dem US-Patent Nr. 6 273 183 (So et al.) beschrieben. Die Patente für So und So et al. werden hier in ihrer Gesamtheit einbezogen.
  • Bei den hier illustrierten Ausführungsbeispielen sind die turbulenzerhöhenden Einsätze 38 als einfache gewellte Rippen gezeigt, die jeweils mehrere parallele Rillen 39 aufweisen, die sich entlang der Längsachse A erstrecken. Die Rillen 39 sind als im Wesentlichen vertikale Seitenwände 41 definiert, die in einander beabstandeter paralleler Beziehung angeordnet sind, wobei benachbarte Seitenwände 41 entlang Kämmen 43 und Tälern 45 miteinander verbunden sind, wobei die Kämme 43 und die Täler 45 in thermischem Kontakt mit der oberen und der unteren Wand 2, 4 des Fluidströmungsdurchgangs 36 sind, d.h., der Fluidströmungsdurchgang 36 hat eine maximale Höhe zwischen der oberen und der unteren Wand 2, 4 in dem Wärmeübertragungsbereich 76, wobei der turbulenzerhöhende Einsatz 38 in direktem thermischem Kontakt mit der oberen und der unteren Wand 2, 4 ist.
  • In dem illustrierten Ausführungsbeispiel hat der turbulenzerhöhende Einsatz 38 im Wesentlichen vertikale Seitenwände 41, die frei von Perforationen sind, und abgerundete Kämme und Täler 43, 45. Jedoch ist darauf hinzuweisen, dass die Seitenwände 41 relativ zueinander geneigt sein können, die Seitenwände beispielsweise durch Klappen perforiert sein können, und/oder die Kämme und Täler 43, 45 abgewinkelt sein können.
  • Es ist ersichtlich, dass die länglichen Räume zwischen benachbarten Seitenwänden 41 jedes turbulenzerhöhenden Einsatzes 38 an den entgegengesetzten Enden des Einsatzes 38 offen sind, wodurch ermöglicht wird, dass Fluid durch den Einsatz 38 entlang der Achse A strömen kann. Das durch den Einsatz 38, derart, dass Wärme zwischen dem Fluid und dem Einsatz 38 übertragen wird. Der Einsatz 38 vergrößert wesentlich den Oberflächenbereich, über den Wärme zwischen dem Wärmetauscherkern und dem durch diesen strömenden Fluid übertragen wird.
  • Mehrere wärmeerzeugende elektronische Komponenten 44 befinden sich in Räumen, die zwischen benachbarten flachen Rohren 22, 22' definiert sind. Ebene Wärmeübertagungsflächen 40 sind entlang der äußeren Oberflächen der oberen und unteren Wand 2, 4 von flachen Rohren 22 definiert, direkt entgegengesetzt zu den darin definierten Fluidströmungsdurchgängen 36 und direkt entgegengesetzt zu dem Wärmeübertragungsbereich 76. Jedes der flachen Rohre 22 hat eine obere und eine untere ebene Wärmeübertragungsfläche 40, während das unterste flache Rohr 22' nur eine obere ebene Wärmeübertragungsfläche 40 hat. Die Wärmeübertragungsflächen 40, die durch benachbarte flache Rohre 22, 22' definiert sind, weisen einen gegenseitigen Abstand auf, der im Wesentlichen der gleiche wie die zweifache Höhe der erhabenen Wulste 28 ist. Die Höhe der Wulste 28 ist so ausgewählt, dass der Abstand zwischen den Wärmeübertragungsflächen 40 von benachbarten flachen Rohren 22 geringfügig größer als eine Dicke der wärmeübertragenden Komponenten 44 ist, um die Montage des Wärmetauschermoduls 42 durch Gleiten der wärmeerzeugenden elektronischen Komponenten 44 in die Räume zwischen benachbarten Wärmeübertragungsflächen 40 zu ermöglichen, nachdem der Wärmetauscher 10 durch Hartlöten und vor der Kompression zusammengesetzt wurde, wie nachfolgend diskutiert wird.
  • Die wärmeerzeugenden elektronischen Komponenten 44 bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel sind schematisch als rechteckige Prismen mit einem Paar von entgegengesetzten Seitenflächen 46, die die Hauptflächen des rechteckigen Prismas sind und eine im Allgemeinen quadratische oder rechteckige Form haben, illustriert. Jede der wärmeerzeugenden elektronischen Komponenten 44 kann einen oder mehrere IGBTs und/oder Dioden aufweisen, die zwischen Schichten aus elektrisch isolierenden Materialien angeordnet sind. Die Zeichnungen zeigen wärmeerzeugende elektronische Komponenten 44 in beabstandeter Anordnung Seite an Seite zwischen den Wärmeübertragungsflächen 40 von benachbarten flachen Rohren 22, 22', wobei jedoch jede Schicht aus wärmeerzeugenden elektronischen Komponenten 44 drei getrennte wärmeerzeugende elektronische Komponenten 44 aufweisen kann, die Seite an Seite angeordnet sind.
  • Wie vorstehend diskutiert ist, muss der Abstand zwischen den Wärmeübertragungsflächen 40 von benachbarten flachen Rohren 22 des Wärmetauschers 10 nach der Hartlötung anfänglich ausreichend sein, um die Einführung der wärmeerzeugenden elektronischen Komponenten 44 darin zu ermöglichen, um das Wärmetauschermodul 42 zusammenzusetzen. Jedoch muss ein enger thermischer Kontakt zwischen den Wärmeübertragungsflächen 40 und den Seitenflächen 46 der wärmeerzeugenden elektronischen Komponenten 44 erzielt werden, um eine effiziente Wärmeübertragung zwischen den wärmeerzeugenden elektronischen Komponenten 44 und dem durch die Fluidströmungsdurchgänge 36 des Wärmetauschers 10 zirkulierenden Fluid zu erhalten. Daher ist der Wärmetauscher 10 komprimierbar und permanent verformbar, um zu ermöglichen, dass der Abstand zwischen den Wärmeübertragungsflächen 40 von benachbarten flachen Rohren 22 durch die Ausübung einer Kraft entlang einer Kompressionsachse C parallel zu der Höhe der Verteiler 32, 34 verringert wird.
  • Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel sind die erhabenen Wulste 28 so gebildet, dass sie mit einem Grad von Komprimierbarkeit versehen sind, so dass ihnen ermöglicht wird, durch die Ausübung von einer ausreichenden Kraft entlang der Kompressionsachse C leicht abgeflacht werden. wie in 5 gezeigt ist, weist jeder der erhabenen Wulste 28 eine Seitenwand 48 auf, die sich über den erhabenen mittleren Bereich 26 einer Kernplatte 12, 14 von einer ringförmigen Basis 50 aus, an der er mit dem erhabenen mittleren Bereich 26 verbunden ist, zu einer ringförmigen oberen Oberfläche 52 erhebt, die eine eine mittlere Öffnung 56 umgebende ebene Abdichtfläche 54 definiert. Die ebenen Abdichtflächen 54 sind die Oberflächen, entlang denen die erhabenen Wulste 28 der Kernplatten 12, 14, 16 abdichtend mit den erhabenen Wulsten von benachbarten Kernplatten 12, 14, 16 verbunden sind und entlang denen die erhabenen Wulste 28 der oberen Kernplatte 14 abdichtend mit den Armaturen 18, 20 verbunden sind.
  • Wie auch in 5 gezeigt ist, weisen die Seitenwände 48 der erhabenen Wulste 28 mehrere Segmente zwischen der Basis 50 und der oberen Oberfläche 52 auf. In dieser Hinsichtlich enthält die Seitenwand 48 einen hochstehenden Wandbereich 60, der sich von der Basis 50 aufwärts erstreckt und um etwa 60 bis 90 Grad relativ zu der Achse A und dem ebenen Umfangsflansch 24 der Kernplatten 12, 14, 16 abgewinkelt ist, und der vertikal oder im Wesentlichen vertikal relativ zu der Achse A sein kann.
  • Zwischen dem hochstehenden Wandbereich 60 und der oberen Oberfläche 52 ist ein komprimierbarer Bereich 58, entlang dessen die erhabenen Wulste 28 des zusammengesetzten Wärmetauschermoduls 42 komprimiert werden können. Jeder der komprimierbaren Bereiche 58 weist einen einwärts geneigten Wandbereich 62 auf, der um etwa 0 bis 30 Grad relativ zu der Achse A abgewinkelt ist. Das obere Ende des hochstehenden Wandbereichs 60 ist mit dem unteren Ende des geneigten Wandbereichs 62 an einer abgewinkelten Kante 64 verbunden, derart, dass ein stumpfer Winkel α (siehe 7 - 8) größer als etwa 90 Grad und kleiner als etwa 150 Grad zwischen den Wandbereichen 60, 62 gebildet ist. Die Struktur von erhabenen Wulsten 28 ist derart, dass die Ausübung einer vorbestimmten Kraft entlang der Achse C vorzugsweise zu einer permanenten Abflachung des einwärts geneigten Wandbereichs 62 führt, wodurch der Winkel α permanent verringert wird ohne eine signifikante Verformung in anderen Bereichen des erhabenen Wulstes 28 zu bewirken.
  • Wie in den 7 und 8 illustriert ist, kann die Höhe der erhabenen Wulste 28 um einen ausreichenden Betrag reduziert werden, um die Wärmeübertragungsflächen 40 in engen thermischen Kontakt mit den Seitenflächen 46 der wärmeerzeugenden elektronischen Komponenten 44 zu bringen. 7 zeigt die anfängliche (nach dem Hartlöten) Höhe der Räume zwischen den Wärmeübertragungsflächen 40 von benachbarten flachen Rohren 22 als geringfügig größer als die Dicke oder Höhe der wärmeerzeugenden elektronischen Komponente 44, derart, dass ein Spalt zwischen der Wärmeübertragungsfläche 40 und der Seitenfläche 46 der wärmeerzeugenden Komponente 44 besteht. Dies ermöglicht, dass die wärmeerzeugenden Komponenten 44 in die Räume zwischen den flachen Rohren 22 des hartgelöteten Wärmetauschers 10 gleiten können.
  • 8 zeigt das Wärmetauschermodul 42 nach der vertikalen Komprimierung der Wulste 28. Es ist ersichtlich, dass beide Seitenflächen 46 der wärmeerzeugenden elektronischen Komponente 44 in Kontakt mit den Wärmeübertragungsflächen 40 von benachbarten flachen Rohren 22 sind. Weiterhin ist ersichtlich, dass keine Verformung außerhalb der komprimierbaren Bereiche 58 der Wulste 28 stattgefunden hat. In dieser Hinsicht hat die Kompression eine geringe Abflachung in dem einwärts geneigten Wandbereich 62 bewirkt, wodurch der Winkel α leicht verringert wurde.
  • Der thermische Kontakt zwischen den Wärmeübertragungsflächen 40 des Wärmetausches 10 und den Seitenflächen 46 der wärmeerzeugenden elektronischen Komponenten 44 kann erhöht werden durch Vorsehen einer dünnen Schicht eines thermischen Schnittflächenmaterials (TIM) an der Schnittstelle zwischen den Wärmeübertragungsflächen 40 und den Seitenflächen 46. Das TIM kann ein thermisch leitendes Fett, Wachs oder metallisches Material aufweisen.
  • Obgleich die Kompressionskräfte in dem Bereich der erhabenen Wulste 28 lokalisiert sind, können die Kernplatten 12, 14, 16 zusätzliche Merkmale enthalten, um einer Verformung der Kernplatten 12, 14, 16 in die erhabenen Wulste 28 umgebenden Bereichen zu widerstehen, insbesondere in ungestützten Bereichen, die im Wesentlichen flach (d.h., im Wesentlichen parallel zu der Achse A) sind. Beispielsweise sind bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel Kernplatten 12, 14, 16 mit einem oder mehreren Vorsprüngen 66 in flachen Bereichen benachbart den erhabenen Wulsten 28 versehen, die sich von der Unterseite der Kernplatte 12, 14, 16, d.h. in einer Richtung entgegengesetzt zu der Richtung, in der sich die erhabenen Wulste 28 von der Oberseite der Kernplatte 12, 14, 16 erstrecken, erstrecken. Zwei derartige Vorsprünge 66 in der Form von kreisförmigen Vertiefungen sind an jedem Ende der Kernplatte 12, 14, 16 oder auf jeder Seite eines der erhabenen Wulste 28 angeordnet.
  • Jeder der Vorsprünge 66 kann eine Höhe haben, die als ein Abstand zwischen der Basis 68 und der oberen Oberfläche 70 hiervon definiert ist, und die ausreichend ist, dass die obere Oberfläche 70 im Wesentlichen koplanar mit dem Umfangsflansch 24 der Kernplatte 12, 14, 16 ist. Demgemäß können, wenn die Kernplatten 12, 14, 16 in flache Rohre 22 zusammengesetzt sind, die Vorsprünge 66 einer Kernplatte 12, 14, 16 in Kontakt mit den Vorsprüngen 66 der anderen Kernplatte 12, 14, 16, die das flache Rohr 22 bildet, und mit diesen hartverlötet sein. Auf diese Weise verhindern die Vorsprünge 66 eine unerwünschte und unkontrollierte Verformung von Bereichen der Kernplatten 12, 14, die die erhabenen Wulste 28 umgeben, und die einen nachteiligen Einfluss auf das Leistungsvermögen des Wärmetauschers 10 haben kann. Beispielsweise zeigen die 7 und 8 die gegenüberliegenden Vorsprünge 66 von gegenüberliegenden Platten 12 von flachen Rohren 22, die entlang ihrer oberen Oberflächen 70 in Kontakt sind, wodurch eine unerwünschte Verformung der erhabenen Bereiche 26 der Platten 12 um die Wulst 28 herum verhindert werden.
  • Um weiterhin eine unerwünschte Verformung der Kernplatten 12, 14, 16 in dem Bereich der Verteiler 32, 34 zu verhindern, kann eine Reihe von starren Kompressionsbefestigungsvorrichtungen 30 an jedem Ende des Wärmetauschermoduls 42 während des Kompressionsschritts angewendet werden, wie in den 9 bis 12 gezeigt ist. Jede Kompressionsbefestigungsvorrichtung 30 ist ein im Wesentlichen U-förmiger Block, der ein Paar von Beinen 29, 31 aufweist, die an einem Endbereich 33 angebracht sind, und hat eine Dicke (entlang der Achse C), die im Wesentlichen die gleiche wie die der wärmeerzeugenden elektronischen Komponenten 44 (in 15 nicht gezeigt) ist. Die Beine 29, 31 und der Endbereich 33 definieren einen U-förmigen Ausschnitt 35, der so geformt ist, dass er eine enge Passung um die Seitenwände 48 eines Paares von verbundenen Wulsten 28 bildet.
  • Wie in den 10 - 12 gezeigt ist, umgeben die Kompressionsbefestigungsvorrichtungen 30 die erhabenen Wulste 28 entlang drei Seiten und verhindern eine unerwünschte Verformung der Kernplatten 12, 14 während des Kompressionsschritts. 10 ist ein Längsschnitt entlang einer mittleren Ebene, der die Befestigungsvorrichtungen 30 in ihren installierten Positionen zeigt, wobei sich das Bein 29 entlang der Seiten der Wulste 28 in Längsrichtung erstreckt und der Endbereich 33 sich quer über das Ende des Wärmetauschers erstreckt. 11 ist ein Querschnitt in Querrichtung entlang einer Ebene, die durch die Vorsprünge 66 der Kernplatten 12 hindurchgeht. 11 zeigt die Konfiguration des Wärmetauschermoduls 42 nach der Kompression, wobei die Kanten der wärmeerzeugenden elektronischen Komponenten 44 durch gestrichelte Linien gezeigt sind. Anhand von 11 ist ersichtlich, dass die Dicke der Befestigungsvorrichtungen 30 im Wesentlichen die gleiche wie die Dicke der wärmeerzeugenden elektronischen Komponenten 44 ist, und jede Befestigungsvorrichtung 30 und Komponente 44 ist in Kontakt mit den erhabenen Bereichen 26 eines Paares von benachbarten flachen Rohren 22. Es ist weiterhin ersichtlich, dass die Befestigungsvorrichtungen 30 in einem Stützeingriff mit den erhabenen Bereichen 26 und mit den Basen 50 der Wulste 28 entlang der inneren Umfangskanten des U-förmigen Ausschnitts 35 sind.
  • 12 zeigt eine Kompressionsbefestigungsvorrichtung 30 mit der gleichen Höhe wie der einer wärmeerzeugenden Komponente 44, die vor der Kompression des Kerns in der Richtung der Pfeile zwischen die Kanten von zwei flachen Rohren 22 des hartgelöteten Wärmetauscherkerns eingesetzt wurden. Wie in 7 ist ersichtlich, dass ein kleiner Spalt zwischen den oberen Oberflächen der Kompressionsbefestigungsvorrichtung 30 und der wärmeerzeugenden Komponente 44 und dem erhabenen Bereich 26 des oberen flachen Rohrs 22 vorliegt. Wie vorstehend mit Bezug auf 8 diskutiert ist, bringt die Kompression des Wärmetauschers 10 die Wärmeübertragungsflächen 40 der flachen Rohre 22 in Kontakt mit den Seitenflächen 46 der wärmeerzeugenden Komponente 44. Da die wärmeerzeugende Komponente 44 und die Kompressionsbefestigungsvorrichtung 30 in 12 die gleiche Höhe haben, ist der maximale Betrag der Verformung, der durch die Kompressionsbefestigungsvorrichtungen 30 zugelassen ist, derjenige, der die Wärmeübertragungsflächen 40 in Kontakt mit den Seitenflächen 46 der wärmeerzeugenden Komponente 44 bringt, und eine weitere Verformung und/oder Kompression wird durch die Anwesenheit der Kompressionsbefestigungsvorrichtungen 30 verhindert. Nachdem der Kompressionsvorgang beendet ist, werden die Befestigungsvorrichtungen 30 entfernt.
  • Es ist aus den 11 und 12 ersichtlich, dass die Beine 29, 31 der Kompressionsbefestigungsvorrichtungen 30 vertikal (entlang der Achse C) mit den Vorsprüngen 66 in den Kernplatten 12, 14 ausgerichtet sind. Die Vorsprünge 66 stützen die Wände des erhabenen Bereichs 26, um eine Verformung der flachen Rohre 22 in den die Wulste 28 umgebenden Bereichen zu verhindern. Wie in 12 gezeigt ist, haben die oberen Oberflächen der Vorsprünge 66 in dem oberen flachen Rohr 22 vor der Kompression des Wärmetauschers 10 einen geringen Abstand. Es kann erwartet werden, dass die Vorsprünge 66 während der Kompression in Kontakt miteinander gebracht werden. Demgegenüber können, wie anhand des unteren flachen Rohrs 22 in 12 ersichtlich ist, die Vorsprünge 66 bereits vor der Kompression in Kontakt miteinander sein und können durch Hartlöten miteinander verbunden sein.
  • Die Kernplatten 12, 14, 16 enthalten auch ein oder mehrere Merkmale zum Optimieren der Strömungsverteilung unter den mehreren Fluidströmungsdurchgängen 36 des Wärmetauschers 10, und auch zum Optimieren der Strömungsverteilung innerhalb der individuellen Fluidströmungsdurchgänge 36, während eine Umgehungsströmung minimiert wird. Es ist darauf hinzuweisen, dass die Fluidströmungsdurchgänge 36 des Wärmetauschers 10 parallel angeordnet sind, so dass die Fluidströmungsverteilung jedes Durchgangs 36 von den relativen Druckabfällen der Verteiler 32, 34 und der individuellen Fluidströmungsdurchgänge 36 abhängen. Aufgrund der relativ quadratischen oder rechteckigen Geometrie der wärmeerzeugenden elektronischen Komponenten 44 und der begrenzten Anzahl von wärmeerzeugenden elektronischen Komponenten 44 in jeder Schicht haben die Fluidströmungsdurchgänge von Wärmetauschern des hier beschriebenen Typs eine relativ kurze Längenabmessung (entlang der Achse A). Beispielsweise beträgt in dem Wärmetauscher 10 die Länge der Fluidströmungsdurchgänge 36 typischerweise etwa das 1- bis 4-fache ihrer Breite. Aufgrund der Geometrie der Fluidströmungsdurchgänge 36 haben die Erfinder gefunden, dass die Druckabfälle der Fluidströmungsdurchgänge 36 relativ zu dem Druckabfall der Verteiler 32, 34 unzureichend sein können, um eine gleichförmige Verteilung von Kühlfluid über die Fluidströmungsdurchgänge 36 des Wärmetauschers 10 aufrechtzuerhalten. Aus diesem Grund enthält der Wärmetauscher 10 auch ein oder mehrere Strömungsverteilungsmerkmale, um den Druckabfall innerhalb jedes Fluidströmungsdurchgangs 36 zu steuern und hierdurch die Fluidströmungsverteilung der Fluidströmungsdurchgänge 36 zu optimieren.
  • Die Erfinder haben auch gefunden, dass eine Erhöhung des Druckabfalls innerhalb der Fluidströmungsdurchgänge 36 zu einer höheren Umgehungsströmung führen kann, beispielsweise durch enge Umgehungskanäle 72, die sich von dem Einlassverteiler 32 zu dem Auslassverteiler 34 erstrecken und sich zwischen den Längskanten (entlang der Achse A) der turbulenzerhöhenden Einsätze 38 und äußeren Kanten 6, 8 der Fluidströmungsdurchgänge 36 befinden. Diese erhöhte Umgehungsströmung durch die Kanäle 72 hat eine negative Wirkung auf den Wirkungsgrad des Wärmetauschers 10. Daher sind die hier beschriebenen Strömungsverteilungsmerkmale so konfiguriert, dass sie auch die Größe der Umgehungsströmung durch die Kanäle 72 an den äußeren Kanten 6, 8 der Fluidströmungsdurchgänge 36 minimieren, was zu einer effektiveren Kühlung der wärmeerzeugenden Komponenten 44 führt.
  • Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel weist die Wärmetauscheranordnung 10 weiterhin Strömungsverteilungsmerkmale auf, die eine oder mehrere strömungsbeschränkende Rippen 74, die innerhalb von zumindest einigen der Fluidströmungsdurchgänge 36 angeordnet sind, aufweisen, um die Fluidströmung zwischen zumindest einem der Verteiler 32, 34 und dem Wärmeübertragungsbereich 76 durch Verringern der Höhe des Fluidströmungsdurchgangs 36 außerhalb des Wärmeübertragungsbereichs 76 entlang zumindest eines Teils der Breite des Fluidströmungsdurchgangs 36 teilweise zu blockieren. Jede von der einen oder den mehreren strömungsbeschränkenden Rippen 74 erstreckt sich von der oberen Wand 2 oder unteren Wand 4 des flachen Rohrs 22. Beispielsweise verringern innerhalb jedes beliebigen der Fluidströmungsdurchgänge 36 die eine oder die mehreren strömungsbeschränkenden Rippen 74 die Höhe des Fluidströmungsdurchgangs 36 entlang zumindest eines Teils der Breite des Fluidströmungsdurchgangs 36 zwischen zumindest einem der Verteiler 32, 34 und dem Wärmeübertragungsbereich 76.
  • Wie vorstehend erwähnt ist, sind die Kernplatten 12, 14 des Wärmetauschers 10 einander identisch, und daher haben alle die gleiche Konfiguration der strömungsbeschränkenden Rippen 74. Obgleich die untere Platte 16 keine mit Öffnungen versehenen, erhabenen Wulste 28 hat, kann sie auch die gleiche Konfiguration von strömungsbeschränkenden Rippen 74 wie die Kernplatten 12, 14 haben. Die strömungsbeschränkenden Rippen 74 sind in dem erhabenen Bereich 26 der Kernplatte 12, 14, 16 gebildet und erstrecken sich von der Unterseite der Kernplatte 12, 14, 16, d.h., in einer Richtung entgegengesetzt zu der Richtung, in der sich die erhabenen Wulste 28 von der Oberseite der Kernplatte 12, 14, 16 erstrecken. Jede strömungsbeschränkende Rippe 74 hat eine Höhe, die als ein Abstand zwischen der Basis 78 und der oberen Oberfläche 80 hiervon definiert ist.
  • Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist jede der Kernplatten 12, 14, 16 mit einer ersten strömungsbeschränkenden Rippe 74 zwischen dem Einlassverteiler 32 und dem Wärmeübertragungsbereich 76 versehen, und eine zweite strömungsbeschränkende Rippe 74 ist zwischen dem Auslassverteiler 34 und dem Wärmeübertragungsbereich 76 angeordnet. Bei einigen Ausführungsbeispielen kann eine strömungsbeschränkende Rippe 74 nur zwischen dem Einlassverteiler 32 und dem Wärmeübertragungsbereich 76 oder nur zwischen dem Auslassverteiler 34 und dem Wärmeübertragungsbereich 76 angeordnet sein. Mit anderen Worten, es ist nicht wesentlich, dass strömungsbeschränkende Rippen 74 bei allen Ausführungsbeispielen an beiden Enden des Wärmeübertragungsbereichs 76 angeordnet sind. Dies hängt teilweise von den Abmessungen der Fluidströmungsdurchgänge 36, der Höhe des gewünschten Rückdrucks, der von den Rippen 74 zu erhalten ist, und der sich ergebenden Größe der Umgehungsströmung durch die Umgehungskanäle 72 ab.
  • Die strömungsbeschränkenden Rippen 74 der Kernplatten 12, 14, 16 sind als sich entlang einer Querachse B erstreckend gezeigt, die quer zu der Längsachse A ist, obgleich dies nicht bei allen Ausführungsbeispielen erforderlich sein muss. Die Queranordnung von strömungsbeschränkenden Rippen 74 nach dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ermöglicht dass die Größe der Wärmeübertragungsfläche 40 maximiniert wird. Bei einigen Ausführungsbeispielen können die strömungsbeschränkenden Rippen 74 im Wesentlichen oder angenähert quer zu der Längsachse A sein und/oder können relativ zu der Längsachse A abgewinkelt sein.
  • Die strömungsbeschränkenden Rippen 74 bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel sind Rippen reduzierter Höhe entlang ihrer gesamten Längen, was bedeutet, dass die oberen Oberflächen 80 der rippen 74 niedriger als der Umfangsflansch 26 sind. Demgemäß haben, wenn die Kernplatten 12, 14, 16 in flache Rohre 22 zusammengesetzt sind, die oberen Oberflächen 80 der Rippen 74 in den gegenüberliegenden Kernplatten 12, 14, 16 jedes flachen Rohrs 22 einen gegenseitigen Abstand, um einen Fluidströmungsspalt 81 vorzusehen, wie aus den 2, 5, 7 und 8 ersichtlich ist.
  • Die 13 - 16 illustrieren ein Wärmetauschermodul 42', das einen Wärmetauscher 10' gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel enthält. Der Wärmetauscher 10' unterscheidet sich von dem Wärmetauscher 10 dadurch, dass die Vorsprünge 66 fehlen und dass die Rippen 74 eine andere Konfiguration als die des Wärmetauschers 10 haben. Alle anderen Elemente des Wärmetauschers 10' sind identisch mit denjenigen des Wärmetauschers 10. Diese Elemente werden durch gleiche Bezugszahlen identifiziert und die vorstehende Beschreibung dieser gleichen Elemente in Verbindung mit dem Wärmetauscher 10 ist in gleicher Weise auf den Wärmetauscher 10' anwendbar.
  • Die Kernplatten 12, 14, 16 des Wärmetauschers 10' enthalten auch ein Paar von strömungsbeschränkenden Rippen 74, die sich an entgegengesetzten Enden des Wärmeübertragungsbereichs 76 befinden. Die Rippen 74 des Wärmetauschers 10' sind Rippen mit vollständiger Höhe, was bedeutet, dass sie eine maximale Höhe haben, die als ein Abstand zwischen der Basis 78 und der oberen Oberfläche 80 hiervon definiert ist, derart, dass die obere Oberfläche 80 im Wesentlichen koplanar mit dem Umfangsflansch 24 der Kernplatte 12, 14, 16 ist. Demgemäß sind, wenn die Kernplatten 12, 14, 16 in flache Rohre 22 zusammengesetzt sind, die oberen Oberflächen 80 der Rippen 74 in einer Kernplatte 12, 14, 16 in Kontakt mit den Rippen 74 der anderen Kernplatte 12, 14, 16, die das flache Rohr 22 bildet, und können mit diesen hartverlötet werden, wie aus 12 ersichtlich ist.
  • Jede Rippe 74 kann sich entweder kontinuierlich zwischen dem Umfangsflansch 24 auf entgegengesetzten Seiten der Kernplatte 12, 14, 16 wie in dem Wärmetauscher 10 erstrecken, oder die Rippe 74 kann durch einen oder mehrere Spalte 82, in denen die Höhe der Rippe 74 kleiner als ihre volle Höhe ist, oder in denen die Höhe der Rippe 74 auf null reduziert ist, unterbrochen werden. In dem Wärmetauscher 10' hat jede Rippe 74 zwei Spalte 82, in denen die Höhe der Rippe 74 gleich null ist, d.h., die Rippe ist in dem Bereich der Spalte 82 nicht gebildet, und die Spalte 82 sind daher koplanar mit der Unterseite des erhabenen Bereichs 26. Die beiden Spalte 82 bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel haben einen Abstand nach innen von dem Umfangsflansch 24 von im Wesentlichen gleicher Größe, wodurch sich ein mittleren Rippensegment 74a und zwei Kantensegmente 74b und 74c ergeben.
  • Wie in 15 gezeigt ist, ist die sich ergebende Verteilung der Fluidströmung in den mittleren Bereichen der Kernplatte 12, 14, 16 und des sich ergebenden flachen Rohrs 22 konzentriert, wobei Bereiche mit höherer Strömung als hellere Bereiche gezeigt sind. Es ist aus 15 ersichtlich, dass die Strömung des Kühlfluids von den Kanten des Fluidströmungsdurchgangs 36, an denen die Umgehungskanäle 72 existieren, weggelenkt wird, und bewirkt wird, dass sie durch den turbulenzerhöhenden Einsatz 38 in dem Wärmeübertragungsbereich 76 strömt, was zu einer optimalen Wärmeübertragung zwischen den wärmeerzeugenden elektronischen Komponenten 44 und dem Wärmeübertragungsfluid führt. Weiterhin sind die angenäherten Orte der IGBTs und/oder die Dioden 90, die in eine der wärmeerzeugenden elektronischen Komponenten 44 eingebettet sind, in 14 durch Quadrate unterschiedlicher Größe innerhalb des Wärmeübertragungsbereichs 76 angezeigt. Es ist darauf hinzuweisen, dass diese Quadrate „Hot Spots“ anzeigen, d.h. Bereiche höherer Wärmeerzeugung, und daher ist die durch die Rippenkonfiguration des Wärmetauschers 10' erhaltene Strömungsverteilung forteilhaft, da sie die Strömung von Kühlfluid zu diesen Hot Spots konzentriert.
  • Es gibt zahlreiche andere Konfigurationen von strömungsbeschränkenden Rippen 74, die verwendet werden können, um für spezifische Anwendungen die Strömungsverteilung zu ändern. Beispielsweise zeigen die 17 und 18 ein flaches Rohr 22, das aus zwei identischen Kernplatten 12 besteht, bei denen die Höhen der strömungsbeschränkenden Rippen 74 an den entgegengesetzten Enden jeder Kernplatte 12 verschieden sind. In dieser Hinsicht ist jede Kernplatte 12 in den 17 und 18 mit Rippen 74 „reduzierter Höhe“ an beiden Enden des Wärmeübertragungsbereichs 76 versehen, wobei die Rippe 74 (identifiziert als 74-1) an einem Ende des Wärmeübertragungsbereichs 76 eine erste Höhe hat und die Rippe 74 (identifiziert als 74-2) an dem anderen Ende des Wärmeübertragungsbereichs 76 eine zweite Höhe hat, wobei die erste Höhe größer als die zweite Höhe ist.
  • In der in 17 gezeigten Konfiguration ist das flache Rohr 22 mit einer höheren rippe 74-1 in einer Kernplatte 12, die der höheren Rippe 74-1 in der zugewandten Kernplatte 12 gegenüberliegt, derart, dass sich ein kleiner Spalt 84 an einem Ende des Wärmetauscherbereichs 76 befindet. Auch liegt die niedrigere Rippe 74-2 in einer Kernplatte 12, 14, 16 der niedrigeren Rippe 74-2 in der zugewandten Kernplatte 12, 14, 16 gegenüber, derart, dass sich ein großer Spalt 86 an dem entgegengesetzten Ende des Wärmeübertragungsbereichs 76 befindet. Der kleine Spalt 84 ergibt, ob er sich nahe des Einlass- oder des Auslassverteilers 32, 34 befindet, einen relativ hohen Rückdruck, was für einige Anwendungen erwünscht sein kann.
  • 18 illustriert eine alternative Konfiguration, bei der die höhere Rippe 74-1 in jeder Kernplatte 12, 14, 16 der niedrigeren Rippe 74-2 in der zugewandten Kernplatte 12, 14, 16 gegenüberliegt, derart, dass ein Zwischenspalt 88 (d.h., größer als der Spalt 84 und kleiner als der Spalt 86) an beiden Enden des Wärmeübertragungsbereichs 76 angeordnet ist. Dies ergibt einen relativ niedrigen Druckabfall im Vergleich zu der Konfiguration des flachen Rohrs in 17. Es ist darauf hinzuweisen, dass die Verwendung von strömungsbeschränkenden Rippen 74 unterschiedlicher Höhe an den entgegengesetzten Enden des Wärmeübertragungsbereichs 76 eine gewisse Variabilität des Rückdrucks in verschiedenen Fluidströmungsdurchgängen 36 des Wärmetauschers 10 ermöglicht, während sämtlichen Kernplatten 12, 14, 16 ermöglicht wird, identisch zu sein und/oder eine identische Konfiguration der Rippen 74 zu haben. In dieser Hinsicht kann man die Konfigurationen in jeder 17 oder 18 einfach durch Drehen einer der Kernplatten 12 um eine vertikale Achse auswählen.
  • Es ist darauf hinzuweisen, dass es möglich ist, einen variablen Rückdruck in den Fluidströmungsdurchgängen 36 des Wärmetauschers 10 auf andere Weise einzuführen. Beispielsweise kann eine Rippe 74 reduzierter Höhe oder ganzer Höhe an einem Ende des Wärmeübertragungsbereichs 76 jeder Kernplatte 12, 14, 16 angeordnet sein, während an dem entgegengesetzten Ende keine Rippe 74 angeordnet ist. Die 19 - 20 zeigen eine Konfiguration, bei der jede Kernplatte 12 eine strömungsbeschränkende Rippe 74-1 reduzierter Höhe an einem Ende (identische der Rippe 74-1 in den 17 - 18) enthält und keine strömungsbeschränkende Rippe 74 an dem entgegengesetzten Ende aufweist. Bei dieser Konfiguration ist die niedrigere Rippe 74-2 der 17 - 18 vollständig eliminiert, so dass jede Kernplatte 12 nur eine einzige strömungsbeschränkende Rippe 74-1 hat, die entweder an dem Einlass- oder dem Auslassende der Kernplatte 12 positioniert ist. die Wirkung des Eliminierens der niedrigeren Rippe 74-2 besteht darin, dass ein großer Spalt 86 ( 20) die volle Höhe des Fluidströmungsdurchgangs 36 hat, während ein Zwischenspalt 88 (19) um einen Betrag höher ist, der gleich der Höhe der fehlenden unteren Rippe 74-2 ist.
  • 21 illustriert eine Konfiguration des flachen Rohrs, die identisch der von 19 ist, mit der Ausnahme, dass die Rippe 74-1 eine Rippe von voller Höhe ist, die eine obere Oberfläche 80 hat, die koplanar mit den oberen Oberflächen 70 der Vorsprünge 66 ist, die koplanar mit der Abdichtfläche des Umfangsflansches 24 (in 21 nicht gezeigt) sind. Die Höhe der Fluidströmungsspalte 88 in 21 ist gleich der Hälfte der maximalen Höhe des Fluidströmungsdurchgangs 36.
  • Es ist darauf hinzuweisen, dass die Rippen 74 in den 17 - 21 entlang Teilen ihrer Länge eine volle Höhe und entlang anderen Teilen ihrer Länge eine reduzierte Höhe haben können.
  • Die 22 bis 24 zeigen ein alternatives Rippenmuster, das in dem Wärmetauscher 10' verwendet werden kann, und eine hierdurch gebildete Strömungsverteilung. In dieser Hinsicht kann die dreiteilige strömungsbeschränkende Rippe 74 (aufweisend die Segmente 74a, 74b, 74c) des Wärmetauschers 10' durch eine zweiteilige strömungsbeschränkende Rippe 74 voller Höhe ersetzt werden, wie in den 22 - 24 gezeigt ist, die Segmente 24a und 24b voller Höhe aufweist, die durch einen in der Mitte befindlichen Spalt 72 getrennt sind. Der Spalt 82 erstreckt sich über die volle Höhe des Fluidströmungsdurchgangs 38, die Rippensegmente 24a, 24b erstrecken sich von den äußeren Kanten der Platten 12, 14, 16 einwärts, und die oberen Seiten 80 der Rippensegmente 74a, 74b sind abdichtend miteinander verbunden, beispielsweise durch Hartlöten. Daher bewirkt die Rippenkonfiguration nach 22, dass das gesamte Fluid durch den in der Mitte befindlichen Spalt 82 abgelenkt wird, was zu einer Fluidverteilung wie in 23 durch strichlierte Linien gezeigt führt, bei der das Fluid bewirkt wird, durch den mittleren Bereich der Platte 12, 14, 16 zu strömen, d.h., den Bereich, der einen turbulenzerhöhenden Einsatz 38 enthält, während die Kanten der Platte 12, 14, 16, d.h., die Bereiche der Umgehungsdurchgänge 72 gemieden werden. Es ist darauf hinzuweisen, dass eine der Rippen 74 von jedem Ende des Wärmeübertragungsbereichs in dem Ausführungsbeispiel der 22 - 24 eliminiert werden kann.
  • Ein Wärmetauscher 110 gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel wird nun mit Bezug auf die 25 bis 28 beschrieben. Der Wärmetauscher 110 teilt eine Anzahl von gemeinsamen Merkmalen mit den vorbeschriebenen Wärmetauschern 10 und 10', und gleiche Bezugszahlen werden verwendet, um gleiche Elemente zu illustrieren. Die vorstehend Beschreibung der gleichen Elemente der Wärmetauscher 10 und 10' ist in gleicher Weise auf den Wärmetauscher 110 anwendbar, sofern nicht nachfolgend etwas Anderes festgestellt wird.
  • Wie aus den Zeichnungen ersichtlich ist, hat der Wärmetauscher 110 eine U-Strömungskonfiguration, bei der sich die Einlass- und die Auslassarmatur 18, 20 und die Verteiler 32, 34 an demselben Ende der flachen Rohre 22 befinden. Die flachen Rohre 22 des Wärmetauschers 110 sind schematisch in den Zeichnungen gezeigt, aber es ist darauf hinzuweisen, dass die flachen Rohre 22 eine Konstruktion ähnlich der der Wärmetauscher 10, 10' haben kann, die ein Paar von miteinander hartverlöteten Kernplatten in einander zugewandter Beziehung entlang ihrer peripheren Flansche aufweist, mit einem turbulenzerhöhenden Einsatz, der den Wärmeübertragungsbereich des flachen Rohrs 22 definiert.
  • Räume zum Aufnehmen wärmeerzeugender elektronischer Komponenten 44 (nicht gezeigt) sind zwischen benachbarten flachen Rohren 22 des Wärmetauschers 110 definiert. Es ist ersichtlich, dass jedes zweite flache Rohr (mit 22a bezeichnet) in dem Wärmetauscher 110 mit dem Einlassverteiler 32 kommuniziert, während jedes der anderen flachen Rohre (mit 22b bezeichnet) nur mit dem Auslassverteiler 34 kommuniziert. Daher definiert jedes flache Rohr 22a (hier auch als „flaches Einlassrohr“ bezeichnet) einen Einlass-Fluidströmungsdurchgang 36a, während jedes flache Rohr 22b (hier auch als ein „flaches Auslassrohr“ bezeichnet) einen Auslass-Fluidströmungsdurchgang 36b definiert.
  • Es ist ersichtlich, dass ein rohrförmiger Verbindungsdurchgang 112 zwischen jedem flachen Einlassrohr 22a und einem benachbarten flachen Auslassrohr 22b angeordnet ist, wobei sich der Verbindungsdurchgang 112 an den Enden von flachen Rohren 22a, 22b befindet, die distal von den Verteilern 32, 34 sind.
  • Um lineare Verteilerverbindungen über die Höhe des Wärmetauschers 110 zu ermöglichen, befinden sich Teile der flachen Rohre 22a, 22b, die die Verteiler 32, 34 bilden, in vorstehenden Endbereichen der flachen Rohre 22a, 22b. Insbesondere hat das flache Einlassrohr 22a einen vorstehenden Endbereich 114, der von den Kanten von flachen Auslassrohren 22b nach außen vorsteht, um zu ermöglichen, dass der Einlassverteiler 32 sich über die Höhe des Wärmetauschers 110 vertikal erstreckt. In gleicher Weise hat das flache Auslassrohr 22b einen vorstehenden Endbereich 116, der von den Kanten der flachen Einlassrohre 22a nach außen vorsteht, um zu ermöglichen, dass sich der Auslassverteiler 34 vertikal über die Höhe des Wärmetauschers 110 erstreckt. In den Zeichnungen sind die flachen Einlass- und Auslassrohre 22a, 22b schematisch als flach gezeigt, die durch rohrförmige Einlass- und Auslassverbindungsdurchgänge 118, 120 verbunden sind. Jedoch ist darauf hinzuweisen, dass die flachen Rohre 22a, 22b stattdessen aus gestanzten Kernplatten ähnlich den vorstehend beschriebenen gebildet sein können, mit erhabenen, mit Öffnungen versehenen Wulsten, die miteinander verbunden sind, um die Verteiler 32, 34 zu bilden, wie vorstehend mit Bezug auf den Wärmetauscher 10 diskutiert ist. In gleicher Weise kann der rohrförmige Verbindungsdurchgang 112 durch erhabene, mit Öffnungen versehene Wulste ersetzt werden.
  • Wie bei den vorstehend beschriebenen Wärmetauschern 10 und 10' kann der Wärmetauscher 110 in seiner Höhenabmessung komprimiert sein, um einen engen thermischen Kontakt zwischen den flachen Rohren 22 und den wärmeerzeugenden elektronischen Komponenten 44, die in die Räume zwischen benachbarten flachen Rohren 22 einzusetzen sind, zu schaffen, um ein Wärmetauschermodul 42 zu bilden. Wie in 27 gezeigt ist, können die Kanten der flachen Rohre 22 mit im Abstand angeordneten Öffnungen versehen sein, durch die Zugstäbe 122 hindurchgehen können. Die Zugstäbe 122 können mit Gewinde versehene Enden haben, die mit Muttern oder dergleichen versehen sind, um den Stapel der flachen Rohre 22 in thermischen Kontakt mit den elektronischen Komponenten 44 zu komprimieren. Beispielsweise können, wenn der Wärmetauscher 110 aus flachen Rohren mit Umfangsflanschen 24 gebildet ist, wie vorstehend beschrieben ist, die im Abstand angeordneten Öffnungen in den Umfangsflanschen 24 angeordnet sein.
  • Die Verteiler 32, 34 des Wärmetauschers 110 können auch mit Merkmalen versehen sein, durch die sie komprimierbar werden, um den thermischen Kontakt mit den wärmeerzeugenden elektronischen Komponenten 44 zu erhöhen. Wenn beispielsweise die flachen Rohre 22 aus Kernplatten wie vorstehend beschrieben gebildet sind, mit erhabenen, mit Öffnungen versehenen Wulsten 28 anstelle von rohrförmigen Verbindungsdurchgängen 112, 118, 120, können die Wulste 28 wie vorstehend mit Bezug auf den Wärmetauscher 10 beschrieben, so gebildet sein, dass sie komprimierbar gemacht sind. Alternativ können, wenn der Wärmetauscher 110 mit Verbindungsdurchgängen 112, 118, 120 in der Form von rohförmigen Leitungen, die integral mit den flachen Rohren 22 des Wärmetauschers 110 gebildet oder mit diesen hartverlötet sind, gebildet ist, die rohrförmigen Verbindungsdurchgänge 112, 118, 120 mit höheneinstellbaren, gleitenden Abdichtungen wie in 28 gezeigt gebildet sein.
  • Wie in 28 gezeigt ist, ist ein rohrförmiger Verbindungsdurchgang 112, 118, 120 zwischen benachbarten flachen Rohren 22 aus einem ersten und einem zweiten rohrförmigen Segment 124, 126 gebildet, von denen jedes an einem der flachen Rohre 22 befestigt ist. Der innere Durchmesser des zweiten rohrförmigen Segments 126 ist größer als der äußere Durchmesser des ersten rohrförmigen Segments 124, und ein ringförmiges elastisches Abdichtteil 128 ist zwischen den Durchmessern des ersten und des zweiten rohrförmigen Segments 124, 126 angeordnet. Das elastische Abdichtteil 128 kann in einer Nut der äußeren Oberfläche des ersten rohrfömigen Segments 124 oder auf der inneren Oberfläche des zweiten rohrförmigen Segments aufgenommen sein.
  • Wenn der rohrförmige Verbindungsdurchgang 112, 118, 120 gemäß der Gleitdichtungsanordnung in 28 ausgebildet ist, ist darauf hinzuweisen, dass jedes flache Rohr 22 mit seinen assoziierten rohrförmigen Segmenten 124, 126 zuerst durch Hartlöten zusammengesetzt wird. Die elastischen Abdichtteile 128 werden dann zu dem rohrförmigen Segmenten 124 und/oder 126 hinzugefügt, und dann wird der Wärmetauscher 110 zusammengesetzt durch Einsetzen der ersten rohrförmigen Segmente 124 in die zweiten rohrförmigen Segmente 126, um die rohrförmigen Verbindungsdurchgänge 112, 118, 120 zu bilden, Einsetzen der wärmeerzeugenden elektronischen Komponenten 44 zwischen die flachen Rohre 22, und schließlich Komprimieren der flachen Rohre 22 in thermischen Kontakt mit den elektronischen Komponenten 44, beispielsweise mit den Zugstangen 120, wie in 27 gezeigt ist.
  • Obgleich die Erfindung in Verbindung mit bestimmten Ausführungsbeispielen beschrieben wurde, ist sie nicht hierauf beschränkt. Stattdessen enthält die Erfindung alle Ausführungsbeispiele, die in den Bereich der folgenden Ansprüche fallen können.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • US 62467459 [0001]
    • CN 201710979228 [0001]
    • US 35890 [0028]
    • US 6273183 [0028]

Claims (25)

  1. Wärmetauscheranordnung, welche aufweist: einen Wärmetauscherkern, aufweisend mehrere flache Rohre, wobei jedes flache Rohr einen länglichen Fluidströmungsdurchgang mit einer oberen Wand, einer unteren Wand und einem Paar von äußeren Kanten, die in Querrichtung einen gegenseitigen Abstand haben, umschließt, und eine Breite des Fluidströmungsdurchgangs zwischen den äußeren Kanten definiert ist; wobei die flachen Rohre in einem Stapel mit den Fluidströmungsdurchgängen in beabstandeter paralleler Beziehung zueinander entlang einer Höhe des Stapels angeordnet sind, derart, dass mehrere Räume zum Aufnehmen von wärmeerzeugenden elektronischen Komponenten zwischen benachbarten flachen Rohren über die Höhe des Stapels definiert sind, und die flachen Rohre Wärmeübertragungsflächen definieren, entlang denen die flachen Rohre für einen thermischen Kontakt mit den wärmeerzeugenden Komponenten ausgestaltet sind; wobei die flachen Rohre miteinander verbunden sind, um einen Einlassverteiler und einen Auslassverteiler zu bilden, jeder der Verteiler sich über die Höhe des Stapels erstreckt, wobei der Einlassverteiler in direkter Strömungsverbindung mit einem ersten Ende jedes Fluidströmungsdurchgangs und der Auslassverteiler in direkter Strömungsverbindung mit einem zweiten Ende jedes Fluidströmungsdurchgangs ist; wobei der Fluidströmungsdurchgang jedes flachen Rohrs einen Wärmeübertragungsbereich hat, der sich zwischen den Verteilern befindet, wobei ein turbulenzerhöhender Einsatz innerhalb des Wärmeübertragungsbereichs angeordnet ist, und wobei der Wärmeübertragungsbereich in jedem Fluidströmungsdurchgang direkt gegenüberliegend zumindest einer Wärmeübertragungsfläche einer äußeren Oberfläche des flachen Rohrs ist, wobei der Fluidströmungsdurchgang eine maximale Höhe zwischen der oberen und der unteren Wand in dem Wärmeübertragungsbereich hat, mit dem turbulenzerhöhenden Einsatz in direktem thermischem Kontakt mit der oberen und der unteren Wand; wobei die Wärmetauscheranordnung weiterhin eine oder mehrere strömungsbeschränkende Rippen aufweist, die innerhalb zumindest einiger der Fluidströmungsdurchgänge angeordnet sind, um teilweise eine Fluidströmung zwischen zumindest einem der Verteiler und dem Wärmeübertragungsbereich zu blockieren durch Herabsetzen der Höhe des Fluidströmungsdurchgangs außerhalb des Wärmeübertragungsbereichs entlang zumindest eines Teils der Breite des Fluidströmungsdurchgangs.
  2. Wärmetauscheranordnung nach Anspruch 1, bei der die eine oder die mehreren strömungsbeschränkenden Rippen in jedem Fluidströmungsdurchgang eine Höhe des Fluidströmungsdurchgangs entlang zumindest eines Teils seiner Breite zwischen zumindest einem der Verteiler und dem Wärmeübertragungsbereich herabsetzen.
  3. Wärmetauscheranordnung nach Anspruch 1, bei der die eine oder die mehreren strömungsbeschränkenden Rippen in jedem Fluidströmungsdurchgang eine Höhe des Fluidströmungsdurchgangs über im Wesentlichen seine gesamte Breite zwischen zumindest einem der Verteiler und dem Wärmeübertragungsbereich herabsetzen.
  4. Wärmetauscheranordnung nach Anspruch 1, bei der die eine oder die mehreren strömungsbeschränkenden Rippen äußere Kantenbereiche nahe den äußeren Kanten des Fluidströmungsdurchgangs zwischen zumindest einem der Verteiler und dem Wärmeübertragungsbereich und zumindest einen Spalt, durch den eine Fluidströmung zugelassen ist, enthalten, wobei die äußeren Kantenbereiche der strömungsbeschränkenden Rippen sich von der oberen Wand zu der unteren Wand des Fluidströmungsdurchgangs erstrecken.
  5. Wärmetauscheranordnung nach Anspruch 4, bei der die turbulenzerhöhenden Einsätze ein Paar von longitudinalen Kanten, die im Abstand von den äußeren Kanten des Fluidströmungsdurchgangs so angeordnet sind, dass sie Umgehungskanäle bilden, die sich zwischen dem Einlassverteiler und dem Auslassverteiler entlang der longitudinalen Kanten der turbulenzerhöhenden Einsätze erstrecken, haben; und wobei die äußeren Kantenbereiche der strömungsbeschränkenden Rippen longitudinal mit den Umgehungskanälen so ausgerichtet sind, dass sie zumindest teilweise eine Strömung in die Umgehungskanäle blockieren und/oder eine Fluidströmung von den Umgehungskanälen weg leiten.
  6. Wärmetauscheranordnung nach Anspruch 1, bei der jedes der flachen Rohre ein Paar von gepaarten länglichen Kernplatten mit erhabenen, Öffnungen aufweisenden Wulsten an ihren entgegengesetzten Enden aufweist, wobei die erhabenen Wulste von benachbarten flachen Rohren so miteinander verbunden sind, dass sie den Einlassverteiler und den Auslassverteiler definieren, und wobei mittlere Bereiche eines Paares von gepaarten Kernplatten die obere und die untere Wand jedes flachen Rohrs definieren.
  7. Wärmetauscheranordnung nach Anspruch 6, bei der jeder der Fluidströmungsdurchgänge eine Länge hat, die etwa das 1- bis 4-fache seiner Breite hat, und wobei enge Umgehungskanäle zwischen longitudinalen Kanten der turbulenzerhöhenden Einsätze und den äußeren Kanten der Fluidströmungsdurchgänge vorhanden sind; wobei eine oder mehrere strömungsbeschränkende Rippen innerhalb zumindest einigen der Fluidströmungsdurchgänge angeordnet sind, um eine Fluidströmung zwischen den Verteilern und dem Wärmeübertragungsbereich teilweise zu blockieren, wobei die Rippen in den Kernplatten gebildet sind.
  8. Wärmetauscheranordnung nach Anspruch 7, bei der eine erste strömungsbeschränkende Rippe zwischen einem der Verteiler und dem Wärmeübertragungsbereich angeordnet ist.
  9. Wärmetauscheranordnung nach Anspruch 7, bei der eine erste strömungsbeschränkende Rippe zwischen dem Einlassverteiler und dem Wärmeübertragungsbereich angeordnet ist und eine zweite strömungsbeschränkende Rippe zwischen dem Auslassverteiler und dem Wärmeübertragungsbereich angeordnet ist.
  10. Wärmetauscheranordnung nach Anspruch 8, bei der sich jede strömungsbeschränkende Rippe quer zu einer Längsachse der flachen Rohre erstreckt.
  11. Wärmetauscheranordnung nach Anspruch 7, bei der die äußeren Kanten der Fluidströmungsdurchgänge sich an Umfangsflanschen der Kernplatten befinden, entlang denen die Kernplatten jedes der flachen Rohre miteinander verbunden sind; wobei jede strömungsbeschränkende Rippe eine Rippe mit reduzierter Höhe entlang ihrer gesamten Länge ist, und wobei eine obere Oberfläche jeder Rippe mit reduzierter Höhe niedriger als der Umfangsflansch der Kernplatte, in der sie gebildet ist, ist; derart, dass, wenn die Kernplatten in die flachen Rohre zusammengesetzt sind, die oberen Oberflächen der Rippen mit reduzierter Höhe in den gegenüberliegenden Kernplatten jedes flachen Rohrs einen gegenseitigen Abstand aufweisen, um einen Fluidströmungsspalt zwischen sich vorzusehen, wobei eine Höhe des Fluidströmungsspalts geringer als die maximale Höhe ist.
  12. Wärmetauscheranordnung nach Anspruch 7, bei der jede strömungsbeschränkende Rippe eine Rippe mit voller Höhe ist, wobei eine obere Oberfläche jeder Rippe mit voller Höhe im Wesentlichen koplanar mit dem Umfangsflansch der Kernplatte, in der sie gebildet ist, ist; derart, dass, wenn die Kernplatten in die flachen Rohre zusammengesetzt sind, die oberen Oberflächen der Rippen mit voller Höhe in den gegenüberliegenden Kernplatten jedes flachen Rohrs in Kontakt miteinander sind; wobei jede Rippe mit voller Höhe entlang ihrer Länge durch einen oder mehrere Spalte, in denen die Höhe der Rippe geringer ist als die volle Höhe, unterbrochen ist.
  13. Wärmetauscheranordnung nach Anspruch 12, bei der jeder der Spalte in jeder Rippe mit voller Höhe nach innen von den Umfangsflanschen der Kernplatten beabstandet ist.
  14. Wärmetauscheranordnung nach Anspruch 11, bei der jede Kernplatte mit einer ersten und einer zweiten Rippe verringerter Höhe, die sich an entgegengesetzten Enden des Wärmeübertragungsbereichs befinden, versehen ist, wobei die erste Rippe mit verringerter Höhe eine erste Höhe hat und die zweite Rippe mit verringerter Höhe eine zweite Höhe hat, und die erste Höhe größer als die zweite Höhe ist; derart, dass eines oder mehrere der flachen Rohre in dem Stapel mit den ersten Rippen verringerter Höhe in den einander gegenüberliegenden Kernplatten derart zusammengesetzt sind, dass ein erster Spalt zwischen den oberen Oberflächen jedes Paares von gegenüberliegenden ersten Rippen mit verringerter Höhe an einem Ende des Wärmeübertragungsbereichs angeordnet ist, und wobei die zweiten Rippen mit verringerter Höhe in den einander gegenüberliegenden Kernplatten derart sind, dass ein zweiter Spalt zwischen den oberen Oberflächen jedes Paares von gegenüberliegenden zweiten Rippen verringerter Höhe an dem entgegengesetzten Ende des Wärmeübertragungsbereichs angeordnet ist, wobei der zweite Spalt höher als der erste Spalt ist; und/oder derart, dass eines oder mehrere der flachen Rohre in dem Stapel mit der ersten Rippe mit verringerter Höhe in einer Kernplatte der zweiten Rippe mit verringerter Höhe in der zugewandten Kernplatte gegenüberliegend zusammengesetzt sind, derart, dass ein Zwischenspalt zwischen den oberen Oberflächen jedes Paares von gegenüberliegenden Rippen mit verringerter Höhe an beiden Enden des Wärmübertragungsbereichs angeordnet ist, wobei der Zwischenspalt höher als der erste Spalt und niedriger als der zweite Spalt ist.
  15. Wärmetauscheranordnung nach Anspruch 6, bei der die Wulste eine Höhe derart haben, dass vor dem Einsetzen der wärmeerzeugenden elektronischen Komponenten in die Räume zwischen den flachen Rohren die Höhe jedes der Räume geringfügig größer als eine Dicke einer der wärmeerzeugenden Komponenten ist, um den wärmeerzeugenden elektronischen Komponenten zu ermöglichen, in die Räume zwischen den Wärmeübertragungsflächen eingesetzt zu werden; wobei die Wulste jeweils einen komprimierbaren Seitenwandbereich haben, um der Höhe der Räume zu ermöglichen, zwischen den flachen Rohren durch die Ausübung einer Kraft entlang einer Kompressionsachse parallel zu der Höhe der Verteiler verringert zu werden; wobei jede der Kernplatten weiterhin einen oder mehrere Stützvorsprünge aufweist, von denen jeder sich in einem im Wesentlichen flachen Bereich nahe einer Basis von einem der erhabenen Wulste befindet; wobei jeder der Stützvorsprünge sich von einer Unterseite der Kernplatte in einer Richtung entgegengesetzt zu einer Richtung, in der sich die erhabenen Wulste von einer Oberseite der Kernplatte aus erstrecken, erstreckt; und wobei jeder der Stützvorsprünge eine Höhe hat, die als ein Abstand zwischen einer Basis und einer oberen Oberfläche hiervon definiert ist, und die Höhe derart ist, dass die obere Oberfläche des Stützvorsprungs im Wesentlichen koplanar mit dem Umfangsflansch der Kernplatte ist; derart, dass, wenn die Kernplatten zusammengesetzt sind, um die flachen Rohre zu bilden, die Stützvorsprünge einer Kernplatte jedes flachen Rohrs in Kontakt mit den Stützvorsprüngen der anderen Kernplatte, die das flache Rohr bildet, ist.
  16. Wärmetauscheranordnung nach Anspruch 15, bei der die Stützvorsprünge die Form kreisförmiger Vertiefungen haben, von denen sich jede unmittelbar benachbart der Basis einer der erhabenen Wulste befindet.
  17. Wärmetauschermodul, aufweisend die Wärmetauscheranordnung nach Anspruch 15 und mehrere der wärmeerzeugenden Komponenten; wobei das Wärmetauschermodul weiterhin mehrere starre Kompressionsbefestigungsvorrichtungen zur Anwendung bei dem Wärmetauschermodul während dessen Montage und vor einem Schritt des Ausübens einer Kompressionskraft auf den Wärmetauscher entlang der Höhe jedes Verteilers, um die Wärmeübertragungsflächen der flachen Rohre in thermischen Kontakt mit Seitenflächen der wärmeerzeugenden elektronischen Komponenten zu bringen, aufweist; wobei jede Kompressionsbefestigungsvorrichtung im Wesentlichen U-förmig ist mit einer Dicke, die im Wesentlichen die gleiche wie die der wärmeerzeugenden elektronischen Komponenten ist; wobei jede der Kompressionsbefestigungsvorrichtungen zwischen benachbarte flachen Rohre so einführbar ist, dass sie die erhabenen Wulste der flachen Rohre entlang drei Seiten von diesen umgeben und eine unerwünschte Verformung der Kernplatten während des Schritts des Ausübens einer Kompressionskraft verhindern.
  18. Verfahren zum Zusammensetzen eines Wärmetauschermoduls, welches aufweist: Zusammensetzen eines Wärmetauschers nach Anspruch 15 durch Hartlöten; Einsetzen einer oder mehrerer wärmeerzeugender elektronischer Komponenten in die Räume zwischen benachbarten flachen Rohren; und Ausüben einer Kompressionskraft auf den Wärmetauscher entlang der Höhe jedes Verteilers, um die Wärmeübertragungsflächen der flachen Rohre in thermischen Kontakt mit Seitenflächen der wärmeerzeugenden elektronischen Komponenten zu bringen.
  19. Verfahren nach Anspruch 18, weiterhin aufweisend den Schritt des Anbringens mehrerer starrer Kompressionsbefestigungsvorrichtungen an dem Wärmetauschermodul vor dem Schritt des Ausübens einer Kompressionskraft; wobei jede Kompressionsbefestigungsvorrichtung im Wesentlichen U-förmig ist und eine Dicke hat, die im Wesentlichen die gleiche wie die der wärmeerzeugenden elektronischen Komponenten ist; wobei jede der Kompressionsbefestigungsvorrichtungen zwischen benachbarte flache Rohre so eingesetzt wird, dass sie die erhabenen Wulste der flache Rohre entlang drei Seiten von diesen umgibt und eine unerwünschte Verformung der Kernplatten während des Kompressionsschritts verhindert.
  20. Wärmetauscheranordnung nach Anspruch 1, bei der der Wärmetauscher eine U-Strömungskonfiguration hat, wobei der Einlass- und der Auslassverteiler sich an einem ersten Ende des Kerns befinden; wobei jedes zweite der flachen Rohre in Strömungsverbindung nur mit dem Einlassverteiler ist und einen Einlass-Fluidströmungsdurchgang definiert, während jedes der anderen flachen Rohre in Strömungsverbindung nur mit dem Auslassverteiler ist und einen Auslass-Fluidströmungsdurchgang definiert; und wobei ein Verbindungsdurchgang zwischen jedem der Einlass-Fluidströmungsdurchgänge und einem benachbarten der Auslass-Fluidströmungsdurchgänge angeordnet ist und jeder der Verbindungsdurchgänge sich nahe des zweiten Endes des Kerns, das distal von den Verteilern ist, befindet.
  21. Wärmetauscheranordnung nach Anspruch 20, bei der sich Teile der flache Rohre, die die Verteiler bilden, in vorstehenden Endbereichen der flachen Rohre befinden.
  22. Wärmetauscheranordnung nach Anspruch 20, bei der äußere Kanten der flachen Rohre mit im Abstand angeordneten Öffnungen versehen sind, durch die Zugstangen hindurchgehen, wobei die Zugstangen mit Gewinde versehene Enden haben, die mit Muttern versehen sind und ausgebildet sind zum Komprimieren des Stapels von flachen Rohren in thermischen Kontakt mit den elektronischen Komponenten.
  23. Wärmetauscheranordnung nach Anspruch 20, bei der die flachen Rohre durch rohrförmige Verbindungen in der Form von rohrförmigen Leitungen, die integral mit den flachen Rohren des Kerns gebildet oder mit diesen hartverlötet sind, verbunden sind; wobei jeder rohrförmige Verbindungsdurchgang eine höhenverstellbare Gleitabdichtung hat, die ein erstes rohrförmiges Segment und ein zweites rohrförmiges Segment aufweist, von denen jedes an einem der flachen Rohre befestigt ist; wobei ein Innendurchmesser des zweiten rohrförmigen Segments größer als ein Außendurchmesser des ersten rohrförmigen Segments ist und ein ringförmiges elastisches Abdichtteil zwischen den Durchmessern des ersten und des zweiten rohrförmigen Segments angeordnet ist.
  24. Wärmetauschermodul, aufweisend die Wärmetauscheranordnung nach Anspruch 23, wobei die ersten rohrförmigen Segmente in den zweiten rohrförmigen Segmenten so aufgenommen sind, dass sie rohrförmige Verteiler und den rohrförmigen Verbindungsdurchgang bilden; wobei eine oder mehrere der wärmeerzeugenden elektronischen Komponenten in den Räumen zwischen benachbarten flachen Rohren aufgenommen sind; und wobei die Wärmetauscheranordnung durch mehrere Zugstangen unter Kompression gehalten wird, wobei eine durch die Zugstangen ausgeübte Kompressionskraft entlang der Höhe jedes Verteilers derart gerichtet ist, dass die Wärmeübertragungsflächen in thermischem Kontakt mit Seitenflächen der wärmeerzeugenden elektronischen Komponenten sind.
  25. Verfahren zum Zusammensetzen eines Wärmetauschermoduls, welches aufweist: Bereitstellen der flachen Rohre der Wärmetauscheranordnung nach Anspruch 23; Anbringen der elastischen Abdichtteile an dem ersten und/oder zweiten rohrförmigen Segment; Zusammensetzen der Wärmetauscheranordnung nach Anspruch 19 durch Einsetzen der ersten rohrförmigen Segmente in die zweiten rohrförmigen Segmente, um die rohrförmigen Verteiler und den rohrförmigen Verbindungsdurchgang zu bilden; Einsetzen einer oder mehrerer wärmeerzeugender elektronischer Komponenten in die Räume zwischen benachbarten flachen Rohren; und Ausüben einer Kompressionskraft auf den Wärmetauscher entlang der Höhe jedes Verteilers mit den Zugstangen nach Anspruch 19, um die Wärmeübertragungsflächen der flachen Rohre in thermischen Kontakt mit Seitenflächen der wärmeerzeugenden elektronischen Komponenten zu bringen.
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