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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Wärmeübertrager gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Bekannter Weise stellen eine Batterie, ein Bordcomputer aber auch eine Leistungselektronik in vielerlei elektronischen Komponenten hohe Anforderungen an die Kühlung, die zudem sehr unterschiedlich sein können und von der Sicherstellung der Gesamtkühlleistung über die Sicherstellung von maximal tolerierbaren Differenztemperaturen innerhalb der Komponenten bis hin zur Sicherstellung der Nichtüberschreitung von lokalen Maximaltemperaturen reichen. Diese thermischen Anforderungen muss der Wärmeübertrager gewährleisten können. Gleichzeitig muss ein derartiger Wärmeübertrager auch andere Anforderungen, wie eine maximale Druckbelastung, erfüllen können. In den meisten Fällen sitzen dabei die zu kühlenden Komponenten nur auf einer Seite des Wärmeübertragers, so dass es ausreicht, die thermischen Anforderungen nur für eine Seite des Wärmeübertragers bereitzustellen. Sollen auf beiden Seiten des Wärmeübertragers zu kühlende Komponenten angebracht werden, erweitern sich die thermischen Anforderungen entsprechend auf beiden Seiten des Wärmeübertragers. Dies wiederum stellt besondere konstruktive Anforderungen an den Wärmeübertrager, um geforderte thermische Bedingungen einzuhalten.
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Aktuell sind unterschiedlichste Ausführungsformen an Wärmeübertrager zur Kühlung von elektronischen Komponenten bekannt, wie diese beispielsweise nachfolgende aufgeführt sind:
- Bei einem Multi-Layer-Wärmeübertrager werden beispielsweise drei oder mehr Stanzplatten übereinander gestapelt und miteinander verlötet. Eine Fluidführung ist dabei über eine Zwischenplatte realisiert, indem die fluidführenden Bereiche in Form von Strömungskanälen aus der Zwischenplatte ausgestanzt werden. Nachteilig hierbei ist jedoch, dass eine Leistung eines solchen Multi-Layer-Wärmeübertragers eingeschränkt ist, da die fluidführende Kanäle meist nur geringe Turbulenzen ausbilden und dadurch eine Durchmischung des Kühlmittels nur bedingt bewirken können. Eine derartige Durchmischung des Kühlmittels ist jedoch Grundlage für eine effiziente Wärmeübertragung. Darüber hinaus muss besonders bei langen Strömungskanälen eine gewisse Materialstärke zwischen den fluidführenden Bereichen eingehalten werden, um eine Beschädigung der Zwischenplatte während der Fertigung und dem Handling bzw. Transport zu verhindern. Dies reduziert wiederum die Wärmeübertragerleistung in diesen Bereichen.
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Bei einem Multi-Layer-Wärmeübertrager mit einer Turbulenzeinlage wird zusätzlich zu der im vorherigen Absatz beschriebenen Ausführungsform in den fluidführenden Kanälen eine Turbulenzeinlage eingelegt, die an ihrer Ober- und Unterseite mit den Platten verlötet ist. Auch hier muss bei langen Strömungskanälen eine gewisse Materialstärke zwischen den fluidführenden Bereichen beibehalten werden, um eine Beschädigung der Zwischenplatte während der Fertigung und dem Handling bzw. Transport zu verhindern. In diesen Fällen stellt die Turbulenzeinlage Druckbelastungsanforderungen durch entsprechende Lötpunkt mit der obenliegenden Grundplatte und der untenliegenden Abdeckplatte, so dass bei großen Freiflächen die Turbulenzeinlage beibehalten werden muss, selbst wenn sie für thermische Anforderungen in diesem Bereich nicht erforderlich wäre. Derartige Turbulenzeinlagen steigern immer auch einen Durchströmungswiderstand und damit einen Druckverlust.
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Bei einem Strangpressprofil mit Sammler beinhaltet das Strangpressprofil fluidführende Strömungskanäle, die über einen Sammler an den Enden zum Anschluss zusammengeführt werden. Auch bei einer derartigen Ausführungsform ist eine Leistung des Wärmeübertragers eingeschränkt, da Strangpressprofile nur glatte Kanäle fertigungstechnisch ausbilden können, in denen Turbulenzen des Kühlmittels so gut wie nicht auftreten. Ein weiterer Nachteil besteht, falls der Wärmeübertrager über den gesamten Bereich eine plane Oberfläche aufweisen soll, da in diesem Fall innere Bereich des Strangpressprofils an beiden Längsenden maschinell abgefräst werden müssen, um den Sammler innerhalb des Strangpressprofils zu ermöglichen.
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Bei einem 2-Layer-Wärmeübertrager werden zwei Stanzplatten übereinander gelegt und miteinander verlötet. Eine der Platten ist wie eine Wanne ausgeführt, die die spätere Fluidführung sicherstellt. Die Fluidführung und entsprechende Turbulenzen sind dabei über Stege bzw. Noppen und Leitrippen ausgeführt, welche mit der zweiten Platte verlötet sind. Die zweite Platte wiederum ist eben, das heißt plan ausgeführt. Nachteilig bei dieser Ausführungsform ist, dass die wannenartig ausgebildete Stanzplatte keine plane Oberfläche aufweist, was die Verlötung im Außenbereich mit der zweiten Platten ebenso wie Bereich der Stege, Noppen und Leitrippen betrifft. Auf der Seite der wannenförmig umgeformten Platte ist kein vollflächiger Kontakt mit einer zu kühlenden Komponente möglich, was zu einer Verringerung einer Kühlleistung im Allgemeinen führt, aber auch lokal dazu führen kann, dass in diesem Bereich die Kühlleistung nicht sichergestellt wird.
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Eine weitere mögliche Ausführungsform besteht in einem 2-Layer Wärmeübertrager mit Turbulenzeinlagen, der bezüglich der planen Fläche an der wannenförmig umgeformten Platte die gleichen Nachteile aufweist, wie im vorherigen Absatz beschrieben. Durch die nicht plane Oberfläche der wannenförmig umgeformten Platte kann es bei einer daran angeordneten und zu kühlenden Komponente, insbesondere bei einem Anschrauben der zu kühlenden Komponente, zu Quetschungen des Wärmeübertragers oder zu Biegungen des Wärmeübertragers oder der zu kühlenden Komponente kommen, wodurch Kontaktflächen zwischen dem Wärmeübertrager und der zu kühlenden Komponente und damit die Wärmeübertragerleistung weiter verringert werden.
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Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich daher mit dem Problem, für einen Wärmeübertrager der gattungsgemäßen Art eine verbesserte oder zumindest eine alternative Ausführungsform anzugeben, die insbesondere eine beidseitige Anbindung von zu kühlenden Komponenten und eine einfache Handhabung ermöglicht.
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Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Die vorliegende Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, einen an sich bekannten Wärmeübertrager als 3-Layer-Wärmeübertrager auszubilden, mit einer ebenen Grundplatte und einer ebenen Abdeckplatte, zwischen denen eine Noppenzwischenstegplatte angeordnet ist. Diese begrenzt zusammen mit der Grundplatte und der Abdeckplatte einen Strömungskanal und weist zudem Noppenstege auf, die sowohl flachgedrückte Bereiche als auch davon erhabene Noppen besitzen. Die Noppenzwischenstegplatte ist dabei mit der Grundplatte und der Abdeckplatte verbunden, wobei die Noppenstege an einem Rücken der Noppen und der flachgedrückten Bereiche flächig mit der Grundplatte und an den Noppenspitzen mit der Abdeckplatte verbunden, beispielsweise verlötet, sind. Durch die ebene Grundplatte und Abdeckplatte ist ein vollflächiger beidseitiger Anschluss von zu kühlenden Komponenten an den Wärmeübertrager möglich. Durch die Noppenstege kann auch eine quer zum eigentlichen Strömungskanal verlaufende Aussteifung der Noppenzwischenstegplatte erreicht werden, wobei durch die Verbindung der Noppenstege sowohl mit der Grundplatte als auch mit der Abdeckplatte zugleich eine Aussteifung des Wärmeübertragers möglich ist. Durch die flachgedrückten Bereiche der Noppenstege behindern diese einen Strömungsdurchfluss nicht oder nur marginal, wodurch ein Druckverlust reduziert werden kann. Durch die Verbindung der Noppenstege sowohl mit der Grundplatte als auch mit der Abdeckplatte können auch höhere Druckbelastungen aufgenommen werden, da die einerseits mit der Grundplatte und andererseits mit der Abdeckplatte verbunden Noppen eine Queraussteifung zwischen der Grundplatte und der Abdeckplatte bewirken. Die Noppenstege können dabei auch in Bereichen eingesetzt werden, in denen keine oder nur eine geringe Wärmeübertragerleistung erforderlich ist.
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Zweckmäßig sind die ebene Grundplatte, die ebene Abdeckplatte und die Noppenzwischenstegplatte als Metallstanzteile ausgebildet. Derartige Metallstanzteile lassen sich kostengünstig und fertigungstechnisch einfach sowie qualitativ hochwertig herstellen, wobei hier insbesondere Aluminium zum Einsatz kommen kann, wodurch eine hohe Wärmeübertragerleistung gewährleistet werden kann.
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Zweckmäßig ermöglichen die flachgedrückten Bereiche der Noppenstege eine Fluidüberströmung. Dies ermöglicht es, die Noppenstege rein theoretisch auch quer zum Strömungskanal in der Noppenzwischenstegplatte anzuordnen, da die flachgedrückten Bereiche rein theoretisch lediglich der Halterung der Noppen dienen und einen Strömungsquerschnitt nur marginal verringern.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung ist zwischen der ebenen Grundplatte und der ebenen Abdeckplatte eine Turbulenzeinlage angeordnet. Derartige Turbulenzeinlagen ermöglichen dabei eine Durchmischung des Kühlmittels/Kühlfluids während der Durchströmung des Strömungskanals und dadurch einem deutlich verbesserten Wärmeübertrag. Die Turbulenzeinlage kann dabei ebenfalls mit der Grundplatte und/oder der Abdeckplatte verbunden, beispielsweise verlötet, sein, wobei zusätzlich oder alternativ auch denkbar ist, dass die Turbulenzeinlage über die Noppenstege bzw. deren Noppen in ihrer Einbauposition gehalten wird.
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Zweckmäßig weist die Noppenzwischenstegplatte einen umlaufenden Rand und einen Mittelsteg auf, wobei der Mittelsteg eine U-Strömung bewirkt und über Noppenstege mit dem Rand verbunden ist. Über die Noppenstege kann somit eine Halterung des Mittelstegs erreicht werden, wobei die Noppenstege zudem eine Aussteifung der Abdeckplatte bezüglich der Grundplatte ermöglichen. Derartige Noppenstege können somit insbesondere in denjenigen Bereichen von großem Vorteil sein, in denen zwar eine Halterung des Mittelstegs, nicht aber Turbulenzeinlagen zur verbesserten Kühlleistung erforderlich sind.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung ist die Noppenzwischenstegplatte über ihren umlaufenden Rand und den Mittelsteg flächig mit der Grundplatte und der Abdeckplatte verbunden. Hierdurch kann eine Aussteifung der Abdeckplatte gegenüber der Grundplatte sowohl am Randbereich als auch über den Mittelsteg und sofern erforderlich zusätzlich über die Noppenstege erfolgen. Durch die Verbindung, beispielsweise eine Verlötung, kann eine langfristig dichte Ausführungsform der Strömungskanäle gewährleistet werden.
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Zweckmäßig ist eine weitere ebene Abdeckplatte vorgesehen, sowie eine zwischen der Grundplatte und der weiteren Abdeckplatte angeordnet weitere Noppenzwischenstegplatte, die zusammen mit der Grundplatte und der weiteren Abdeckplatte einen Strömungskanal begrenzt und Noppenstege aufweist, die flachgedrückte Bereich und Noppen besitzt. Die Noppenzwischenstegplatte ist dabei mit der Grundplatte und der weiteren Abdeckplatte verbunden, wobei die Noppenstege an einem Rücken der Noppen und der flachgedrückten Bereiche flächig mit der Grundplatte und an Noppenspitzen mit der weiteren Abdeckplatte verbunden sind. Durch einen derartigen zwei parallele Strömungskanäle aufweisenden Wärmeübertrager kann eine beidseitige Kühlung mit deutlich gesteigerter Kühlleistung erreicht werden.
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Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Komponenten beziehen.
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Es zeigen, jeweils schematisch,
- 1 eine Explosionsdarstellung eines erfindungsgemäßen Wärmeübertragers,
- 2 eine Ansicht auf eine Noppenzwischenstegplatte,
- 3 eine Detaildarstellung der Noppenzwischenstegplatte im Bereich der Noppenstege.
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Entsprechend der 1, weist ein erfindungsgemäßer Wärmeübertrager 1 zur Kühlung von beispielsweise elektronischen Komponenten, wie beispielsweise Batterien oder einer Leistungselektronik, eine ebene Grundplatte 2 sowie eine ebene Abdeckplatte 3 auf. Zwischen der Grundplatte 2 und der Abdeckplatte 3 ist eine Noppenzwischenstegplatte 4 vorgesehen (vgl. auch die 2 und 3), die zusammen mit der Grundplatte 2 und der Abdeckplatte 3 einen Strömungskanal 5 begrenzt. Der Strömungskanal 5 ist bei dem in den 1 bis 3 dargestellten Wärmeübertrager 1 bzw. bei der gemäß der 2 dargestellten Noppenzwischenstegplatte 4 als U-förmiger Strömungskanal ausgebildet. Die Noppenzwischenstegplatte 4 besitzt darüber hinaus Noppenstege 6 (vgl. insbesondere auch die 2 und 3), die jeweils flachgedrückte Bereiche 7 und Noppen 8 aufweisen. Die Noppenstege 6 sind dabei an einem Rücken 9 der Noppen 8 und der flachgedrückten Bereiche 7 flächig mit der Grundplatte 2 und an Noppenspitzen 10 mit der Abdeckplatte 3 verbunden, beispielsweise verlötet. Hierdurch ist es möglich, einen Wärmeübertrager 1 mit zwei ebenen Seitenflächen zu schaffen, so dass mit dem Wärmeübertrager 1 beidseitig Komponenten gekühlt werden können. Über die Noppenzwischenstegplatte 4 mit den Noppenstegen 6 kann darüber hinaus eine Aussteifung zwischen der Abdeckplatte 3 und der Grundplatte 2 in Bereichen geschaffen werden, in welchen beispielsweise keine Turbulenzeinlage 11 (vgl. 1) angeordnet, jedoch eine Abstützung bzw. Aussteifung erwünscht ist. In der Abdeckplatte 3 sind dabei noch ein Zulauf 12 sowie ein Ablauf 13 für Kühlfluid 16 vorgesehen.
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Die ebene Grundplatte 2 und die ebene Abdeckplatte 3 sowie auch die Noppenzwischenstegplatte 4 sind dabei vorzugsweise als Metallstanzteile ausgebildet und dadurch kostengünstig und qualitativ hochwertig herstellbar. Durch den Einsatz von Metallen, beispielsweise Aluminium, kann darüber hinaus eine optimale Wärmeübertragung und damit eine hohe Kühlleistung des erfindungsgemäßen Wärmeübertragers 1 erreicht werden.
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Betrachtet man die flachgedrückten Bereiche 7 der Noppenstege 6 näher, so kann man erkennen, dass diese Durchgangsgassen für Kühlfluid 16 bilden, so dass auch einen Strömungskanal 5 querende Noppenstege 6 eine Strömung des Kühlfluids 16 nicht oder nur marginal behindern.
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Um die Wärmeübertragungsleistung insbesondere in bestimmten Bereichen zusätzlich steigern zu können, kann in dem Strömungskanal 5 zwischen der ebenen Grundplatte 2 und der ebenen Abdeckplatte 3 einen Turbulenzeinlage 11 angeordnet sein, wie dies gemäß der 1 dargestellt ist. Derartige Turbulenzeinlagen 11 können dabei durch eine Verwirbelung des Kühlfluids 16 eine verbesserte Durchmischung desselben und damit eine Erhöhung der Kühlleistung ermöglichen. Durch eine Verbindung der Turbulenzeinlagen 11 sowohl mit der Abdeckplatte 3 als auch mit der Grundplatte 2, beispielsweise durch eine Verlötung, kann eine Aussteifung der Abdeckplatte 3 gegenüber der Grundplatte 2 im Bereich der Turbulenzeinlagen geschaffen werden. In Bereichen, in denen eine erhöhte Kühlleistung durch beispielsweise derartige Turbulenzeinlagen 11 nicht erforderlich ist, können Noppenstege 6 die Aussteifung des Wärmeübertragers 1 bewirken.
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Betrachtet man die 1 bis 3 weiter, so kann man erkennen, dass die Noppenzwischenstegplatte 4 einen umlaufenden Rand 14 und einen Mittelsteg 15 aufweist, wobei der Mittelsteg 15 für die U-förmig Gestalt des Strömungskanals 5 steht. Eine U-förmige Strömung des Kühlfluids 16 ist dabei gemäß den 2 und 3 mit Strömungspfeilen angedeutet. Durch die Noppenstege 6 ist der Mittelsteg 15 gegenüber dem Rand 14 ausgesteift und zugleich fixiert. Darüber hinaus können selbstverständlich weitere Stege 17 (vgl. 2) zur Aussteifung bzw. Fixierung des Mittelsteges 15 relativ zum Rand 14 der Noppenzwischenstegplatte 4 vorgesehen sein, wobei die Stege 17 deutlich flacher ausgebildet sind, als die Noppenzwischenstegplatte 4 und dadurch eine Strömung des Kühlfluids 16 nicht oder nur marginal behindern. Die Noppenzwischenstegplatte 4 ist dabei über ihren umlaufenden Rand 14 und dem Mittelsteg 15 sowie die Rücken 9 der Noppenstege 6 flächig mit der Grundplatte 2 und alternativ zum Rücken 9 über die Noppenspitzen 10 mit der Abdeckplatte 3 verbunden, beispielsweise verlötet, wodurch eine insgesamt steife Ausführungsform des Wärmeübertragers 1 geschaffen werden kann.
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Bei einer nicht gezeigten weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wärmeübertragers 1 kann noch eine weitere ebene Abdeckplatte sowie eine zwischen der Grundplatte 2 und der weiteren Abdeckplatte angeordnete weitere Noppenzwischenstegplatte vorgesehen sein, die zusammen mit der Grundplatte 2 und der weiteren Abdeckplatte einen Strömungskanal begrenzt und Noppenstege aufweist, die flachgedrückte Bereiche und Noppen besitzt. Im Großen und Ganzen ist dabei dieser Wärmeübertrager in einer durch die Grundplatte 2 gelegten Spiegelebene gespiegelt und besitzt dadurch auf jeder Seite der Grundplatte 2 einen Strömungskanal 5 sowie eine Noppenzwischenstegplatte 4 und eine Abdeckplatte 3. Hierdurch kann eine nochmals gesteigerte Kühlleistung erreicht werden. Die Noppenzwischenstegplatte 4 und die weitere Noppenzwischenstegplatte können dabei als Gleichteile ausgebildet sein, während die Abdeckplatte 3 und die weitere Abdeckplatte spiegelbildlich ausgebildet sind.
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Neben der Ausführungsform mit einem U-förmigen Strömungskanal 5 ist selbstverständlich auch ein I-Flow oder andere Fluidführungsarten denkbar. Statt der Noppen 8 können selbstverständlich auch Leitrippen, das heißt länger gezogene Noppen, vorgesehen sein. Eine Ausführung des erfindungsgemäßen Wärmeübertragers 1 ist dabei sowohl mit als auch ohne Turbulenzeinlagen 11 möglich.
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Mit dem erfindungsgemäßen Wärmeübertrager 1 ist eine beidseitig Anbindung von zu kühlenden Komponenten mit gleichzeitig flächigem Kontakt zwischen dem Wärmeübertrager 1 und den zu kühlenden Komponenten bei gleichzeitiger Sicherstellung von thermischen Anforderungen, geringem Druckverlust und verbesserter Handhabung möglich.
