DE10324190B4

DE10324190B4 - Wärmetauscher

Info

Publication number: DE10324190B4
Application number: DE10324190A
Authority: DE
Inventors: Jürgen Dr. Schädlich-Stubenrauch; Dieter Dr. Girlich; Carsten Kühn
Original assignee: Mpore GmbH; M Pore GmbH
Current assignee: Mpore GmbH; M Pore GmbH
Priority date: 2003-05-28
Filing date: 2003-05-28
Publication date: 2009-07-23
Anticipated expiration: 2023-05-29
Also published as: DE10324190A1

Abstract

Wärmetauscher, umfassend zumindest einen Kühlkörper aus offenporigem Metallschaum, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Oberfläche des Kühlkörpers mit einer 0,02 ... 0,5 mm dicken Metallfolie bedeckt ist, die sich in Kontakt mit einem zu kühlenden Bauelement befindet, wobei die Metallfolie eine kanalartige Strukturierung aufweist, sodass ein Kühlmittel durch die Folie geführt werden kann, und die Metallfolie in den Metallschaum eingepresst ist.

Description

Wärmetauscher sind Vorrichtungen, die Wärme von einem Medium mit höherer Temperatur auf ein Medium mit niedrigerer Temperatur übertragen, wobei sich das wärmere Medium abkühlt, während sich das kältere Medium erwärmt. In Abhängigkeit vom Anwendungszweck sind unterschiedliche technische Ausführungen von Wärmetauschern bekannt.
Für einen effektiven Wärmeaustausch zwischen den Medien ist eine möglichst große Austauschfläche erforderlich. Zu diesem Zweck weisen Wärmetauscher Kühlkörper mit Rippenprofil und Bandwicklungen oder lamellenbesetzte Rohre auf. Der berührungslose Kontakt zwischen einem derartigen Kühlkörper und einem Medium wird über Rohre oder ähnliches hergestellt, die mit dem Kühlkörper mechanisch verbunden sind. Derartige Verbindungen, die durch Pressen, Kleben oder Fügen hergestellt wurden, haben den Nachteil, dass Luftspalte Barrieren für den Wärmefluß bilden und die mechanische Belastbarkeit gering ist. Überdies ist die Berührungsfläche für den Wärmeaustausch zwischen Kühlkörper und Rohr gering, aufgrund der Rohre sind derartige Wärmeaustauscher schwer, der Aufbau solcher Wärmeaustauscher kann nur schwer variiert werden und die Werkstoffauswahl zur Konstruktion dieser Wärmeaustauscher ist vergleichsweise gering. Außerdem sind solche Wärmeaustauscher in bezug auf ihr Leistungsvermögen groß und daher auch schwer.
Zur Verbesserung des Wärmeaustausches wird in DE 101 23 456 A1 ein Wärmetauscher vorgeschlagen, der aus offenporigem Metallschaum besteht, dessen Zellen derart miteinander verbunden sind, dass ein fluides Medium durch den Metallschaum hindurch fließen kann. An den offenporigen Metallschaum ist ein Bauelement stoffschlüssig angegossen. Das Bauelement kann als Platte ausgebildet sein, wobei die Platte selbst keine Poren aufweist, sondern als Vollmaterial gebildet ist.
Der vorstehende Wärmetauscher ist in WO 02/093 644 A2 derart weitergebildet, dass die dem Metallschaum abgewandte Oberfläche des zumindest einen plattenförmigen Wärmeverteilers strukturiert ist, wobei vielfältige Ausführungen von Strukturierungen angeregt sind.
Aus EP 0 559 092 A1 ist ein an einem Metallschaum angebundener Wärmeverteiler, gleichfalls plattenförmig ausgeführt, bekannt, der durch eine vergleichsweise geringe Dicke gekennzeichnet ist.
Bei jedem der abgeführten Wärmetauscher ist nach wie vor der Wärmeübergang vom Metallschaum auf den (plattenförmigen) Wärmeverteiler aufgrund der kleinen, praktisch nur punktuellen Kontaktflächen unbefriedigend.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Nachteile des Standes der Technik zu beseitigen. Dabei soll ein Wärmetauscher angegeben werden, dessen Aufbau flexibel gestaltet werden kann und eine geringe Größe und ein geringes Gewicht besitzt.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Merkmalen der Ansprüche 2 bis 4.
Nach Maßgabe der Erfindung ist ein Wärmetauscher vorgesehen, der zumindest einen Kühlkörper aus offenporigem Metallschaum umfaßt, wobei zumindest eine Oberfläche des Kühlkörpers mit einer Metallfolie bedeckt ist, die sich in Kontakt mit einem zu kühlenden Bauelement befindet.
Der erfindungsgemäße Wärmeaustauscher kann besonders vorteilhaft zur Kühlung elektronischer Bauelemente verwendet werden. Dazu wird die dem Kühlkörper abgewandte Seite der Metallfolie mit einem Löthilfsstoff wie beispielsweise Lötzinn beschichtet, sodass die Metallfolie auf die Oberfläche des elektronischen Bauelementes aufgeklebt werden kann. Die von dem elektronischen Bauelement erzeugte Wärme wird so effektiv in die Metallfolie und von dort in den Kühlkörper geleitet. Aufgrund der Metallschaumstruktur des Kühlkörpers kann der Kühlkörper von einem Kühlmedium durchströmt werden, um die Wärme aus dem Kühlkörper abzuführen.
Die Metallfolie ersetzt die Rohre bisher bekannter Wärmetauscher. Aufgrund dessen kann ein leichterer und kleiner Wärmetauscher hergestellt werden, der bessere Wärmeübergänge ermöglicht und dessen Aufbau leicht modifiziert werden kann. Darüber hinaus ist die Werkstoffauswahl für die einzelnen Komponenten größer, da die Anforderung an eine Folie im Hinblick auf Formbarkeit, Beständigkeit usw. im Vergleich zu einem Rohr wesentlich geringer sind.
Der Begriff "Metallfolie" bedeutet im Rahmen dieser Erfindung eine Folie mit einer Dicke von 0,02 ... 0,5 mm. Die Metallfolie besteht vorzugsweise aus Aluminium, Kupfer oder Stahl.
Der Metallschaum ist ein offenporiger Metallschaum, d. h. die in der Metallstruktur enthaltenden Hohlräume stehen miteinander in Verbindung, sodass ein Kühlmittel durch Metallschaum strömen kann. Der Metallschaum besteht vorzugsweise aus Aluminium, Kupfer oder Stahl, wobei das Material des Metallschaums unabhängig von dem Material der Metallfolie gewählt werden kann.
Ein bevorzugter Wärmetauscher weist einen Kühlkörper aus Aluminium und eine Metallfolie aus Kupfer auf.
Die Metallfolie und der Kühlkörper sind kraftschlüssig miteinander verbunden. Hierzu ist die Metallfolie in den Metallschaum eingepresst. Die damit bewirkte enge und großflächige Verbindung Metallschaum/Wärmeverteiler sichert einen guten und schnellen Wärmeübergang. Dies kann durch gleichzeitiges Verschweißen, Verlöten oder Verkleben der Metallfolie und der Kühlkörper unterstützt sein.
Die Metallfolie ist strukturiert. Der Begriff "Strukturierung" ist dabei so zu verstehen, dass einerseits nur die Oberfläche der Metallfolie strukturiert wird oder anderseits die Metallfolie kanalartige Strukturen aufweist. Die kanalartigen Strukturen sind so ausgerichtet, dass sie den Transport eines Kühlmittels parallel zu den Oberflächen der Metallfolie durch die Metallfolie ermöglichen. Eine Strukturierung der Metallfolie kann durch Pressen, Prägen, Ätzen, thermische Behandlung, Bestrahlung oder jedes andere dem Fachmann zu diesem Zweck bekannte Verfahren erreicht werden. Die Strukturierung der Metallfolie führt zu einer Vergrößerung der Oberfläche der Metallfolie, sodass Wärme effizienter von dem zu kühlenden Bauelement in den Metallschaum geleitet wird.
Die geometrische Form des Wärmetauschers ist sehr variabel, der Metallschaum kann in einer für den jeweiligen Anwendungszweck geeigneten Form hergestellt werden. Der Kühlkörper kann eine quader-, würfel-, rohrförmige oder kammartige Gestalt aufweisen.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist der erfindungsgemäße Wärmetauscher modular aufgebaut. Dabei wird eine Sandwich-artige Struktur ausgebildet, wobei sich zwischen zwei benachbarten Kühlkörpern eine Metallfolie befindet. Eine weitere Folie befindet sich in Kontakt mit dem zu kühlenden Bauelement. Die von dem zu kühlenden Bauelement entwickelte Wärme gelangt über die erste Metallfolie in den ersten Kühlkörper, aus dem ein Teil der Wärme von dem Kühlmedium, das den ersten Kühlkörper durchströmt, abgeführt wird. Ein weiterer Teil der Wärme wird jedoch über eine zweite Metallfolie, die die Oberfläche des ersten Kühlkörpers bedeckt, die der Oberfläche gegenüberliegt, die die erste Metallfolie bedeckt, auf einen zweiten Kühlkörper übertragen. Dieser zweite Kühlkörper wird ebenfalls von einem Kühlmedium, vorzugsweise im Gegenstromprinzip zum ersten Kühlkörper durchströmt. Auch dieser zweite Kühlkörper kann von einer weiteren (dritten in bezug auf den Wärmeaustauscher insgesamt) bedeckt sein, die wiederum mit einem dritten Kühlkörper in Kontakt steht. Die Kühlmedien können jeweils nach dem Gleich-, Gegen- oder Kreuzstromprinzip durch die einzelnen Kühlkörper in bezug auf den oder die benachbarten Kühlkörper oder die Metallfolie(n) geführt werden.
Vorteil dieses sandwichartigen Aufbaus des Wärmetauschers ist die effektivere Abführung von Wärme, sodass Wärmestaus besser vermieden werden können.
In allen Fällen kann/können auch die Metallfolie(n) im Gleich-, Gegen- oder Kreuzstromprinzip in bezug auf den oder die benachbarten Kühlkörper oder die weitere(n) Metallfolie(n) von Kühlmedium durchströmt werden.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Wärmetauschers mit einem Kühlkörper aus offenporigem Metallschaum und mit einer Metallfolie;
2 eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Wärmetauschers mit Sandwich-artigem Aufbau;
3 eine dritte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Wärmetauschers mit Sandwich-artigem Aufbau;
4 eine strukturierte Metallfolie und
5 eine andere strukturierte Metallfolie.
Nach 1 besteht der Wärmetauscher 1 aus einem Kühlkörper 2 und einer Metallfolie 3, die die Unterseite des Kühlkörpers 2 bedeckt. Die Metallfolie 3 ist eingepresst und mit dem Kühlkörper 2 verschweißt. Der Wärmetauscher 1 kann auf ein zu kühlendes Bauelement (nicht gezeigt) aufgebracht werden. Dazu wird die dem Kühlkörper 2 abgewandte Seite der Metallfolie 3 mit einem Lötzusatzstoff wie Lötzinn beschichtet, sodass die Metallfolie 3 und damit der gesamte Kühlkörper 1 auf das zu kühlende Bauelement geklebt werden können. Die von dem Bauelement entwickelte Wärme wird dann über die Metallfolie 3 auf den Kühlkörper 2 übertragen. Der Kühlkörper 2, der aus offenporigem Metallschaum besteht, wird von einem fluiden Kühlmedium durchströmt, sodass die Wärme aus dem Kühlkörper 1 abtransportiert wird.
Die Metallfolie, 0,2 mm dick, besteht beispielhaft aus Kupfer. Der Kühlkörper besteht aus offenporigem Aluminium-Schaum, der wie in DE 101 23 456 A1 beschrieben hergestellt wurde. Der Wärmetauscher zeichnet sich neben den grundsätzlich bekannten Vorteilen, die der Metallschaum impliziert, durch hohe Wärmeleitfähigkeit, geringe Masse und daraus folgend eine kurze Reaktionszeit aus.
Der in 2 gezeigte Wärmetauscher 4 besteht aus drei Kühlkörpern 5, 7 und 9 sowie drei Metallfolien 6, 8 und 10. Die dritte Metallfolie 6 befindet sich zwischen dem dritten Kühlkörper 5 und dem zweiten Kühlkörper 7, mit denen sie jeweils verschweißt ist. Die zweite Metallfolie 8 befindet sich zwischen dem zweiten Kühlkörper 7 und dem ersten Kühlkörper 9, mit denen sie jeweils verscheißt ist. Der erste Kühlkörper 9 umfaßt weiterhin eine erste Metallfolie 10, die die Oberfläche des Kühlköpers 9 bedeckt, die der von der zweiten Metallfolie 8 bedeckten Oberfläche des Kühlkörpers abgewandet ist. Die erste Metallfolie 10 ist mit dem ersten Kühlkörper verschweißt.
Der Wärmetauscher 4 kann auf ein zu kühlendes Bauelement (nicht gezeigt) aufgebracht werden. Dazu wird die dem ersten Kühlkörper 9 abgewandte Seite der Metallfolie 10 mit einem Lötzusatzstoff wir Lötzinn beschichtet, sodass die Metallfolie 10 und damit der gesamte Wärmetauscher 4 auf das zu kühlende Bauelement geklebt werden können. Die von dem Bauelement entwickelte Wärme wird dann über die Metallfolie 10 auf den Kühlkörper 9 übertragen. Der Kühlkörper 9, der aus offenporigem Metallschaum besteht, wird von einem fluiden Kühlmedium in Richtung des Pfeils C durchströmt, sodass ein Teil der Wärme aus dem ersten Kühlkörper 9 abtransportiert wird. Ein anderer Teil der Wärme wird aus dem Kühlkörper 9 über die Metallfolie 8 auf den Kühlkörper 7 übertragen. Der Kühlkörper 7, der aus offenporigem Metallschaum besteht, wird von einem fluiden Kühlmedium in Richtung des Pfeils B durchströmt, sodass ein Teil der Wärme aus dem zweiten Kühlkörper 7 abtransportiert wird. Ein weiterer Teil der Wärme wird aus dem Kühlkörper 7 über die Metallfolie 6 auf den Kühlkörper 5 übertragen. Der Kühlkörper 5, der aus offenporigem Metallschaum besteht, wird von einem fluiden Kühlmedium in Richtung des Pfeils A durchströmt, sodass Wärme aus dem zweiten Kühlkörper 7 abtransportiert wird. Die Kühlkörper werden somit im Gegenstromprinzip durchströmt.
Diese Ausführungsform bietet den Vorteil einer effizienteren Kühlung, sodass im Vergleich zu der in 1 gezeigten Ausführungsform Wärmestaus in dem (ersten) Kühlkörper verhindert werden können.
Die Metallfolien 6, 8 und 10 haben dieselben Eigenschaften wie die Metallfolie 3. Die Kühlkörper 5, 7 und 9 haben dieselben Eigenschaften wie der Kühlkörper 2. Es ist jedoch auch möglich, dass die Metallfolien 6, 8 und 10 mit unterschiedlichen Eigenschaften gewählt werden, sodass sie voneinander verschieden sind. Das gilt ebenso für die verwendeten Kühlkörper.
Der in 3 gezeigte Wärmetauscher 11 besteht aus einem ersten Kühlkörper 12 und einem zweiten Kühlkörper 14, zwischen denen sich eine Metallfolie 13 befindet, die mit den Kühlkörpern 12 und 14 verschweißt ist. Die Metallfolie 13 weist kanalartige Strukturierungen 15 auf, durch die ein Kühlmedium (Pfeil D) geführt werden kann.
Der Wärmetauscher 11 wird auf einem zu kühlenden Bauelement (nicht gezeigt), fixiert. Die von dem Bauelement entwickelte Wärme wird von der Wärmequelle auf die Folie 13 und von dieser direkt auf die Kühlkörper 12 und 14 übertragen, wobei ein Teil der Wärme bereits von dem Kühlmedium, das die Metallfolie durchströmt, abgeführt wird. Die Kühlkörper werden von einem Kühlmedium jeweils im Gegenstrom zu dem Kühlmedium, das durch die Metallfolie fließt, durchströmt.
Die Metallfolie 15 hat, abgesehen von der Strukturierung, dieselben Eigenschaften wie die Metallfolie 3. Die Kühlkörper 12, 14 haben dieselben Eigenschaften wie der Kühlkörper 2. Die Kühlkörper 12 und 14 können jedoch auch voneinander verschieden sein.
Vorteil dieser Ausführungsform ist, der hohe Wirkungsgrad bezogen auf das Volumen des Wärmetauschers; dadurch wird der Trend zur Miniaturisierung der Bauteile unterstützt.
Die 4 und 5 zeigen strukturierte Metallfolien. Die Metallfolie 16 weist geradlinige kanalförmige Strukturen 17 auf (4), die Metallfolie 18 gekrümmte kanalförmige Strukturen 19 (5). In beiden Fällen ist die Oberfläche der Metallfolie strukturiert, die der Oberfläche abgewandt ist, die mit dem Kühlkörper verschweißt wird. Wie die 4 und 5 zeigen, ist die Kanalstruktur beliebig wählbar, solange sie von einem Kühlmedium durchströmt werden kann.
Auch wenn die Metallfolie nicht von einem Kühlmedium durchströmt wird, ermöglicht die Strukturierung einen besseren Wärmeübergang von dem zu kühlenden Bauelement auf den Kühlkörper.

1: Wärmetauscher
2: Kühlkörper
3: Metallfolie
4: Wärmetaucher
5: dritter Kühlkörper
6: dritte Metallfolie
7: zweiter Kühlkörper
8: zweite Metallfolie
9: erster Kühlkörper
10: erste Metallfolie
11: Wärmetaucher
12: erster Kühlkörper
13: Metallfolie
14: zweiter Kühlkörper
15: rohrartige Strukturen in der Metallfolie 13
16: Metallfolie
17: Strukturierung
18: Metallfolie
19: Strukturierung
A, B, C, D: Strömungsrichtungen eines fluiden Kühlmediums

Claims

Wärmetauscher, umfassend zumindest einen Kühlkörper aus offenporigem Metallschaum, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Oberfläche des Kühlkörpers mit einer 0,02 ... 0,5 mm dicken Metallfolie bedeckt ist, die sich in Kontakt mit einem zu kühlenden Bauelement befindet, wobei die Metallfolie eine kanalartige Strukturierung aufweist, sodass ein Kühlmittel durch die Folie geführt werden kann, und die Metallfolie in den Metallschaum eingepresst ist.
Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass er einen sandwichartigen Aufbau aufweist, wobei jeweils eine Metallfolie zwischen jeweils zwei benachbarten Kühlkörpern aus offenporigem Metallschaum angeordnet ist.
Wärmetauscher nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkörper und die Metallfolie unabhängig von einander aus Aluminium, Kupfer oder Stahl bestehen.
Wärmetauscher nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die dem Kühlkörper abgewandte Oberfläche der Metallfolie mit einem Löthilfsstoff wie Lötzinn beschichtet ist.