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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kühlvorrichtung zur Kühlung von elektronischen Bauteilen sowie eine Elektronikanordnung.
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Bekannt sind Kühlvorrichtungen zur Kühlung von elektronischen Bauteilen, wie beispielsweise von Leistungsmodulen von Wechselrichtern. Beispielsweise weisen derartige Kühlvorrichtungen von einem flüssigen Medium durchströmbare Kühlkanäle auf. Bekannt ist dabei auch, dass in den Kühlkanälen Turbulatoren angeordnet werden, um eine Wärmeabfuhr zu verbessern.
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Offenbarung der Erfindung
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Die erfindungsgemäße Kühlvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 zeichnet sich demgegenüber durch eine besonders hohe Effizienz hinsichtlich einer Kühlung der zu kühlenden elektronischen Bauteile aus. Dies wird erfindungsgemäß erreicht durch eine Kühlvorrichtung zur Kühlung von elektronischen Bauteilen, umfassend ein Bodenblech, ein Deckblech, und mindestens einen Turbulator. Das Deckblech ist als ein Tiefziehbauteil ausgebildet, welches eine Vertiefung aufweist. Insbesondere ist das Deckblech topfförmig ausgebildet. Bodenblech und Deckblech sind so aneinander angeordnet, dass durch die Vertiefung ein Kühlkanal zwischen Bodenblech und Deckblech gebildet ist. Der Kühlkanal erstreckt sich dabei entlang einer Längsrichtung von einer Einlassöffnung zu einer Auslassöffnung. Vorzugsweise weist der Kühlkanal bei Betrachtung auf eine Blechebene des Bodenblechs einen länglichen Bereich, insbesondere mit rechteckiger Geometrie, auf, der sich entlang der Längsrichtung, welche insbesondere durch eine gerade Linie definiert ist, erstreckt. Einlassöffnung und/oder Auslassöffnung können dabei durch offene Seiten der Vertiefung und/oder durch Öffnungen in Bodenblech und/oder Deckblech gebildet sein. Der Kühlkanal ist entlang der Längsrichtung von der Einlassöffnung zur Auslassöffnung von einer Kühlfluid-Strömung eines Kühlfluids durchströmbar. Der mindestens eine Turbulator ist innerhalb eines Turbulator-Abschnitts des Kühlkanals angeordnet. Insbesondere ist der Turbulator zwischen Deckblech und Deckblech angeordnet. Stromauf und/oder stromab des Turbulator-Abschnitts ist dabei mindestens eine, insbesondere lokale, Verjüngung eines Strömungsquerschnitts des Kühlkanals ausgebildet, um einen randnahen Teilbereich der Kühlfluid-Strömung innerhalb des Kühlkanals umzulenken.
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Bevorzugt erstreckt sich der Turbulator zwischen dem Bodenblech und einem zum Bodenblech parallelen Bereich der Vertiefung des Deckblechs vollständig durch den Kühlkanal, insbesondere sodass der Turbulator am Bodenblech und an dem dazu parallelen Bereich der Vertiefung des Deckblechs anliegt.
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Das Bodenblech und das Deckblech können beispielsweise abschnittsweise aneinander anliegen. Alternativ kann eine Zwischenschicht zwischen Bodenblech und Deckblech angeordnet sein.
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Insbesondere sind Bodenblech und Deckblech mittels einer Hartlotverbindung miteinander verbunden.
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Mit anderen Worten ist der Kühlkanal stromauf und/oder stromab des Turbulator-Abschnitts durch die Verjüngung, insbesondere lokal, verengt, sodass Strömungslinien der Kühlfluid-Strömung am Rand des Kühlkanals durch diese Verjüngung umgelenkt werden, und nicht geradeaus weiter durch den Kühlkanal verlaufen können. Die Verjüngung bewirkt aufgrund dieser Umlenkung ein Abbremsen der randnahen Kühlfluid-Strömung. Hierdurch wird insbesondere ein zusätzlicher Druckverlust in dem randnahen Teilbereich der Kühlfluid-Strömung erzeugt. Dadurch kann eine Bypass-Strömung neben dem Turbulator, also am Rand des Kühlkanals, reduziert werden. Eine derartige Bypass-Strömung kann beispielsweise in einem Bypass-Bereich bezüglich der Längsrichtung neben dem Turbulator und zwischen Turbulator, Deckblech und Bodenblech vorliegen. Beispielsweise liegt in diesem Bypass-Bereich eine fertigungsbedingte Entformungsgeometrie des Deckblechs, welche Radien und/oder Schrägen aufweist, vor. Insbesondere kann aufgrund der Entformungsgeometrie des Deckblechs der Turbulator nicht den gesamten Strömungsquerschnitt des Kühlkanals ausfüllen, wodurch ein Teilbereich der Kühlfluid-Strömung, nämlich die Bypass-Strömung, am Turbulator vorbei strömen kann. Durch die Verjüngung des Kühlkanals wird diese Bypass-Strömung durch die zusätzliche Umlenkung abgebremst bzw. ein Druckverlust in der Bypass-Strömung erzeugt, sodass ein geringerer Volumenstrom am Turbulator vorbei fließt und stattdessen ein größerer Volumenstrom durch den Turbulator hindurch. Die Verjüngung bietet dabei ein besonders einfaches und kostengünstig herstellbares Mittel zur Reduzierung der Bypass-Strömung.
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Die Unteransprüche haben bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung zum Inhalt.
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Bevorzugt ist die Verjüngung derart ausgebildet, dass eine minimale Breite des Strömungsquerschnitts in der Verjüngung kleiner ist als eine Breite des Turbulators. Als Breite wird dabei insbesondere jeweils eine Abmessung in einer Richtung senkrecht zur Strömungsrichtung bzw. Längsrichtung und in einer Richtung parallel zu einer Blechebene des Bodenblechs angesehen. Insbesondere beträgt die minimale Breite des Strömungsquerschnitts in der Verjüngung maximal 90 %, vorzugsweise maximal 80 %, der maximalen Breite des Turbulator. Somit wird zuverlässig eine signifikante Umlenkung des randnahen Teilbereichs der Kühlfluid-Strömung sichergestellt, um eine besonders effektive Reduzierung der Bypass-Strömung zu erzielen.
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Besonders bevorzugt wird die Verjüngung durch mindestens einen Vorsprung einer den Kühlkanal begrenzenden Wand gebildet. Als den Kühlkanal begrenzende Wände werden insbesondere das Bodenblech und das Deckblech angesehen. Damit kann eine besonders einfache und kostengünstige Konstruktion der Kühlvorrichtung ermöglicht werden, da beispielsweise keine zusätzlichen Bauteile erforderlich sind.
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Vorzugsweise ist der Vorsprung durch eine Sicke des Deckblechs gebildet, welche insbesondere im Wesentlichen orthogonal zur Längsrichtung ausgebildet ist, und von einem Rand des Kühlkanals in den Kühlkanal hineinragt. Durch eine oder mehrere Sicken des Deckblechs kann die Verjüngung besonders einfach und kostengünstig hergestellt werden. Beispielsweise kann die Sicke bereits durch den Tiefzieh-Prozess des Deckblechs hergestellt werden.
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Besonders bevorzugt ist die Verjüngung bezüglich der Längsrichtung unmittelbar an den Turbulator angrenzend angeordnet. Dadurch kann ein besonders guter Effekt der Verjüngung sichergestellt werden, da durch die Vermeidung von freien Querschnitten zwischen Turbulator und Verjüngung eine besonders starke Umlenkung erzielt wird.
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Bevorzugt ist die Verjüngung symmetrisch bezüglich der Längsrichtung ausgebildet. Das heißt, die Verjüngung ist insbesondere durch eine beidseitige, beispielsweise bezüglich der Strömungsrichtung gegenüberliegende, Einengung des Strömungskanals verwirklicht.
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Weiter bevorzugt ist die Verjüngung derart ausgebildet, dass der Strömungsquerschnitt des Kühlkanals im Bereich der Verjüngung mindestens 5 %, insbesondere maximal 20 %, kleiner ist als der Strömungsquerschnitt des Kühlkanals im Turbulator-Abschnitt, um zuverlässig eine ausreichende Umlenkung bereitzustellen.
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Vorzugsweise umfasst die Kühlvorrichtung mehrere Turbulatoren, welche im Kühlkanal entlang der Längsrichtung hintereinander angeordnet sind. Beispielsweise können die Turbulatoren identisch oder alternativ unterschiedlich zueinander ausgebildet sein.
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Besonders bevorzugt umfasst die Kühlvorrichtung jeweils eine Verjüngung zwischen zwei in Längsrichtung hintereinander angeordneten Turbulator. Insbesondere erfolgen dadurch mehrfache Umlenkungen der randnahen Stromlinien der Kühlfluid-Strömung, sodass eine besonders effektive Reduzierung der Bypass-Strömung erreicht werden kann.
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Bevorzugt weisen die mehreren Turbulatoren entlang der Längsrichtung steigende Turbulenzfaktoren auf. Als Turbulenzfaktor wird insbesondere ein Grad einer durch den Turbulator verursachten Verwirbelung der Kühlfluid-Strömung angesehen. Beispielsweise kann ein Turbulator eine Vielzahl an Turbulenzblechen aufweisen, welche jeweils in einem vorbestimmten Turbulenzwinkel gegen die Strömungsrichtung geneigt angeordnet sind. Beispielsweise kann ein erster Turbulenzwinkel eines in Strömungsrichtung ersten Turbulators 10° betragen, wobei insbesondere ein zweiter Turbulenzwinkel eines zweiten Turbulators 15°, und beispielsweise ein dritter Turbulenzwinkel eines dritten Turbulators 20°, betragen kann. Dadurch kann eine besonders hohe Kühlwirkung der Kühlvorrichtung erzielt werden.
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Weiter bevorzugt ist die Verjüngung durch ein erstes Blockierelement gebildet, welches vorzugsweise als zusätzliches Bauteil zu Bodenblech und Deckblech ausgebildet ist. Insbesondere kann das Blockierelement ein, beispielsweise quaderförmiges, Einlegeteil sein, welches in den Kühlkanal zwischen Deckblech und Bodenblech eingelegt ist und die Verjüngung des Strömungsquerschnitts bewirkt. Dadurch kann eine einfache Herstellung bei flexibler Anpassbarkeit der Verjüngung an unterschiedliche Kühlkanal-Geometrien ermöglicht werden.
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Bevorzugt umfasst die Kühlvorrichtung ferner mindestens ein zweites Blockierelement, welches bezüglich der Längsrichtung neben dem Turbulator, und insbesondere zwischen Turbulator, Deckblech und Bodenblech, angeordnet ist. Das zweite Blockierelement kann dabei die Bypass-Strömung direkt zumindest teilweise blockieren bzw. einen Bypass-Querschnitt verringern. Dadurch kann eine noch weiter gesteigerte Effizienz der Kühlvorrichtung ermöglicht werden.
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Ferner betrifft die Erfindung eine Elektronikanordnung, umfassend die beschriebene Kühlvorrichtung, und mindestens ein zu kühlendes elektronisches Bauteil. Das zu kühlende elektronische Bauteil ist bevorzugt ein Leistungsmodul einer Leistungselektronik. Insbesondere ist die Elektronikanordnung ein leistungslektronisches Bauteil, wie beispielsweise ein Wechselrichter. Durch die hocheffiziente Kühlvorrichtung kann auch eine besonders hohe Effizienz und Langlebigkeit des elektronischen Bauteils ermöglicht werden.
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Bevorzugt ist das zu kühlende elektronische Bauteil wärmeleitend, beispielsweise mittels einer Kupferschicht, mit dem Bodenblech der Kühlvorrichtung verbunden. Insbesondere ist das elektronische Bauteil am Bodenblech im Bereich des Turbulators, also am Bodenblech gegenüberliegend zum Turbulator, angeordnet. Bevorzugt können pro Turbulator mehrere zu kühlende elektronische Bauteile am Bodenblech angeordnet sein.
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Figurenliste
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Figuren beschrieben. In den Figuren sind funktional gleiche Bauteile jeweils mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet. Dabei zeigt:
- 1 eine Ansicht einer Kühlvorrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
- 2 eine Schnittansicht einer Elektronikanordnung mit der Kühlvorrichtung der 1, und
- 3 eine Ansicht einer Kühlvorrichtung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung
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1 zeigt eine Kühlvorrichtung 1 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung. In 2 ist eine Schnittansicht einer Elektronikanordnung 50 mit der Kühlvorrichtung 1 von 1 entlang der Schnittlinie A-A dargestellt.
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Die Kühlvorrichtung 1 umfasst ein Bodenblech 3 und ein Deckblech 4. In der 1 ist die Kühlvorrichtung 1 zur besseren Anschaulichkeit ohne das Bodenblech 3 abgebildet.
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Bodenblech 3 und Deckblech 4 sind jeweils aus einem Metall, vorzugsweise Aluminium, gebildet.
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Das Bodenblech 3 ist als gerade ebene Platte ausgebildet.
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Das Deckblech 4 ist als ein Tiefziehbauteil ausgebildet, welches eine Vertiefung 40 aufweist. Insbesondere ist die Vertiefung 40 dadurch gebildet, dass ebene Blechabschnitte 41, 42 des Deckblechs 4 parallel zueinander und entsprechende Oberseiten in einem vordefinierten Abstand 45 zueinander angeordnet sind (vergleiche 2).
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Bodenblech 3 und Deckblech 4 sind so aneinander angeordnet, dass durch die Vertiefung 40 ein Kühlkanal 5 zwischen Bodenblech 3 und Deckblech 4 gebildet ist. Insbesondere sind dabei Bodenblech 3 und der erste Blechabschnitt 41 des Deckblechs 4 mittels einer Hartlotverbindung miteinander verbunden.
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Zwischen Bodenblech 3 und Deckblech 4 kann ein Zwischenblech 8 angeordnet sein, wie in 2 dargestellt. Beispielsweise kann durch das Zwischenblech 8 ein zusätzlicher Abstand zu einer Oberseite des Deckblechs 4 bereitgestellt werden, um eine Höhe des Kühlkanals 5 anzupassen. Alternativ können Bodenblech 3 und erster Blechabschnitt 41 des Deckblech 4 auch unmittelbar aneinander anliegen.
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Die Vertiefung 40 und damit der Kühlkanal 5 können bezüglich einer Ebene E des Deckblechs 4 länglich, insbesondere zumindest abschnittsweise mit einer rechteckigen Form, ausgebildet sein (vergleiche 1).
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Der Kühlkanal 5 erstreckt sich zumindest abschnittsweise, insbesondere symmetrisch entlang einer Längsrichtung 11, welche insbesondere als gerade Linie ausgebildet ist.
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Der Kühlkanal 5 erstreckt sich außerdem mindestens von einer Einlassöffnung 51 zu einer Auslassöffnung 52 und ist entlang der Längsrichtung 10 von der Einlassöffnung 51 zur Auslassöffnung 52 von einer Kühlfluid-Strömung eines Kühlfluid durchströmbar.
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Als Einlassöffnung 51 und Auslassöffnung 52 sind jeweils Querschnitte des Kühlkanals 5 in einer zur Ebene E senkrechten Querschnittsebene am Anfang und am Ende des rechteckigen Bereichs definiert.
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Insbesondere kann der Kühlkanal 5 einen zu der Einlassöffnung 51 hin führenden Einlassbereich 51a und einen an die Auslassöffnung 52 anschließenden Auslassbereich 52a aufweisen. Im Auslassbereich 52a ist dabei eine Austrittsöffnung 53 vorgesehen, durch welche die Kühlfluid-Strömung aus der Kühlvorrichtung 1 austreten kann.
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Der Einlassbereich 51a kann, wie in 1 dargestellt, gewinkelt zu dem rechteckigen Bereich des Kühlkanal 5 angeordnet sein. Beispielsweise kann ein Umlenkungselement 51b im Einlassbereich 51a vorgesehen sein, um eine Richtung der Kühlfluid-Strömung zur Einlassöffnung 51 hin um zu lenken.
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Die Kühlvorrichtung 1 weist zudem insgesamt drei Turbulatoren 6 auf, die innerhalb des Kühlkanals 5 angeordnet sind. Jeder Turbulator 6 ist dabei in einem sich entlang der Längsrichtung 11 erstreckenden Turbulator-Abschnitt 56 angeordnet.
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Jeder Turbulator 6 kann in der Draufsicht, wie in 1, beispielsweise einen rechteckigen Querschnitt aufweisen, wobei dessen Breite 60 quer zur Strömungsrichtung 10 vorzugsweise größer ist als dessen Länge entlang der Strömungsrichtung 10.
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Die Kühlvorrichtung 1 ist vorgesehen zur Kühlung von elektronischen Bauteilen 2, beispielsweise von leistungselektronischen Vorrichtungen, wie Wechselrichtern. In 2 ist eine entsprechende Elektronikanordnung 50, welche die Kühlvorrichtung 1 und mehrere elektronische Bauteile 2 umfasst, dargestellt.
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Die elektronischen Bauteile 2 sind wärmeleitend mit dem Bodenblech 3 verbunden. Zur Verbesserung der Wärmeleitung kann beispielsweise eine Kupferbeschichtung 9 zwischen Bodenblech 3 und elektronischen Bauteilen 2 vorgesehen sein.
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Die elektronischen Bauteile 2 sind bei Betrachtung auf die Ebene E des Deckblechs 4 (vergleiche 1) innerhalb bzw. im Bereich der Turbulator-Abschnitte 56 angeordnet.
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Jeder Turbulator 6 umfasst eine Vielzahl an Turbulenzblechen, welche in einem Winkel zur Längsrichtung 11 angeordnet sind, um das durch den Kühlkanal 5 strömende Kühlfluid turbulent zu verwirbeln. Dadurch kann Wärme von den elektronischen Bauteilen 2 besonders effektiv abgeführt werden.
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Vorzugsweise weist jeder Turbulator 6 jeweils Turbulenzbleche auf, welche in gleichem Winkel zur Längsrichtung 11 angeordnet sind. Besonders bevorzugt weisen die Turbulatoren 6 untereinander entlang der Strömungsrichtung 10 jeweils Turbulenzbleche mit größerem Winkel zur Längsrichtung 11 auf. Das heißt, die Turbulatoren 6 weisen in Strömungsrichtung 10 jeweils höhere Turbulenzfaktoren auf. Dadurch kann auch bei den weiter stromab liegenden Turbulatoren 6, an welchen durch die Wärmeübertragung von den elektronischen Bauteilen eine höhere Kühlfluid-Temperatur als an den weiter stromauf liegenden Turbulatoren 6 vorliegt, weiterhin eine möglichst optimale Wärmeabfuhr von den elektronischen Bauteilen 2 mittels des Kühlfluids ermöglicht werden.
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Um eine möglichst hohe Effizienz der Kühlung zu erzielen, wird ein möglichst großer Teil des Strömungsquerschnitts des Kühlkanals 5 durch den Turbulator 6 abgedeckt. Da das Deckblech 4 ein Tiefziehbauteil ist, sind für den Entformungsvorgang beim Tiefziehen eine Entformungsschräge und Radien am Rand der Vertiefung 40 erforderlich. Da die Turbulatoren 6 rechteckige Querschnitte aufweisen, liegen somit am Rand des Strömungskanals 5 seitlich neben den Turbulatoren 6, also zwischen den Turbulatoren 6, dem Deckblech 4 und dem Bodenblech 3, Bypass-Bereiche 59 vor, in welchen keine turbulente Verwirbelung der Kühlfluid-Strömung erfolgt (vergleiche 2).
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Um eine Bypass-Strömung 15 durch die Bypass-Bereiche 59 möglichst gering zu halten und damit eine möglichst hohe Kühlwirkung der Kühlvorrichtung 1 bereitstellen zu können, sind zwischen den Turbulator-Abschnitten 56 jeweils Verjüngungen 7 des Strömungsquerschnitts des Kühlkanals 5 vorgesehen. Die Verjüngungen 7 bewirken dabei Umlenkungen von randnahen Teilbereichen der Kühlfluid-Strömung, wie durch die Pfeile B in 1 angedeutet. Diese Umlenkungen bewirken eine Abbremsung und damit einen Druckverlust in den randnahen Teilbereichen der Kühlfluid-Strömung, wodurch der durch die Bypass-Bereiche 59 hindurchströmende Volumenstrom verringert wird.
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Die Verjüngungen 7 sind dabei in Form von Sicken des Deckblechs 4 ausgebildet, welche am Rand der Vertiefung 40 angeordnet sind. Mit anderen Worten sind die Verjüngungen 7 in Form von seitlich in den Kühlkanal 5 hineinragenden Vorsprüngen ausgebildet, welche sich insbesondere über die gesamte Höhe des Kühlkanals 5 in einer Richtung senkrecht zur Ebene E erstrecken.
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Eine minimale Breite 70 des Strömungsquerschnitts in den Verjüngungen 7 ist dabei kleiner, bevorzugt 10 % kleiner, als eine Breite 60 des Turbulators 6. Dadurch hinterschneiden sich Turbulator 6 und Verjüngungen bei Betrachtung entlang der Strömungsrichtung 10, wodurch besonders zuverlässig eine Strömungs-Umlenkung am Rand des Kühlkanal 5 erzwungen wird.
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Die Verjüngungen 7 sind, wie in der 1 zu erkennen, symmetrisch bezüglich der Längsrichtung 11 ausgebildet. Das heißt, es sind jeweils zwei Verjüngungen 7 gegenüberliegend an den Rändern des Kühlkanals 5 ausgebildet.
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Durch die beiden jeweils gegenüberliegenden Verjüngungen wird der Strömungsquerschnitt des Kühlkanals 5 in diesem Bereich derart eingeengt, dass der Strömungsquerschnitt mindestens 5 % kleiner ist als der gesamte Strömungsquerschnitt des Kühlkanals 56 innerhalb einem der Turbulator-Abschnitte 56. Als gesamter Strömungsquerschnitt wird dabei der gesamte Querschnitt zwischen Deckblech 4 und Bodenblech 3 angesehen.
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3 zeigt eine Ansicht einer Kühlvorrichtung 1 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Das zweite Ausführungsbeispiel entspricht im Wesentlichen dem ersten Ausführungsbeispiel der 1, mit dem Unterschied, dass die Verjüngungen 7 anstatt durch Sicken des Deckblechs 4 durch erste Blockierelemente 75 gebildet sind. Die ersten Blockierelemente 75 sind dabei Quaderförmige, oder zumindest teilweise an die Entformungsgeometrie des Deckblechs 4 angepasste, Einlegeteile, welche am Rand des Kühlkanals 5 und zwischen den Turbulator-Abschnitten 56 angeordnet sind. Turbulatoren 6 und Blockierelemente 75 sind dabei in Längsrichtung 11 unmittelbar aneinander angrenzend angeordnet.
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Zusätzlich sind im zweiten Ausführungsbeispiel der 3 zweite Blockierelemente 76 vorgesehen, welche bezüglich der Längsrichtung 11 neben dem mittleren Turbulator 6 angeordnet sind. Die zweiten Blockierelemente 76 können ebenfalls als zusätzliche Einlegeteile vorgesehen sein. Dadurch kann die Bypass-Strömung 15 weiter reduziert werden. Alternativ zu der in 3 dargestellten Variante können bevorzugt neben sämtlichen Turbulatoren 6 zweite Blockierelemente 76 angeordnet sein.
