DE19600166A1 - Kühlkörper mit verbessertem Strömungswiderstand - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Kühlkörper gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Aus der Patentschrift DE 40 17 749 ist ein Kühlkörper bekannt, der aus einem oberen und einem unteren Teil zusammengesetzt ist und bei dem auf der inneren Oberfläche eines solche Teils stoffschlüssig Zapfen senkrecht im Strömungsweg des Kühlmediums angeordnet sind.

Das Problem einer solchen Anordnung besteht darin daß die Wärmeableitung etwaiger Bauelemente auf den Außenflächen des Kühlkörpers unzureichend ist. Es bilden sich deshalb heiße Zonen auf den Außenflächen. Der Wärmewiderstand der Anordnung in DE 40 17 749 hat einen hohen Wärmewiderstand von ca. 30 K/kW, was zu einer Überhitzung des Kühlmittels führt.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen Kühlkörper mit einer Zapfenausbildung anzugeben, der die Strömungsverhältnisse im Kühlkörper verbessert.

Die Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Weiterführende und vorteilhafte Ausgestaltungen sind den Unteransprüchen und der Beschreibung zu entnehmen.

Der erfindungsgemäße Kühlkörper zeichnet sich durch die strömungsgünstige Ausbildung der Zapfen sowie durch einen hohen Füllgrad mit Zapfen im Kühlkörperinnern aus.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn zusätzlich die mindestens an einer inneren Oberfläche stoffschlüssig angebrachten Zapfen eine spitz zulaufende Form aufweisen, wobei die jeweilige Kontaktfläche eines Zapfens zu einer inneren Oberfläche des Kühlkörpers die größte Querschnittsfläche des Zapfens aufweist. Der Wärmewiderstand der Anordnung ist damit reduziert.

Im folgenden ist die Erfindung anhand von Abbildungen näher beschrieben.

Es zeigen:

Fig. 1a Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Kühlkörpers b Aufsicht auf die Innenseite eines Kühlkörperteils mit strömungsgünstigen Zapfen

Fig. 2 Seitenansicht eines Kühlkörpers mit aufeinanderstehenden Zapfen

Fig. 3 Seitenansicht eines Kühlkörpers mit ineinandergreifenden Zapfen

Fig. 4 Aufbau eines mehrteiligen Kühlkörpers

Fig. 5 Klammer zum Verbinden der Teile eines mehrteiligen Kühlkörpers.

Fig. 1a zeigt die Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Kühlkörpers 1 mit einem oberen und einem unteren Teil 2 und 2′. Die Anschlüsse für Kühlmitteleingang 3 und Kühlmittelausgang 4 sind angedeutet. Die Anschlüsse 3 und 4 können auf gegenüberliegenden Seiten oder auf derselben Seite angeordnet sein. Die beiden Teile 2 und 2 sind miteinander verbunden und können z. B. verklebt. gesintert, verschraubt oder geklammert oder über ein Zwischenstück miteinander verbunden sein. Der Kühlkörper ist z. B. für flüssige Kühlmedien geeignet, kann aber auch für gasförmige Kühlmedien eingesetzt sein.

In Fig. 1b ist eine Aufsicht auf die Innenfläche eines Kühlkörperteils 2 des Kühlkörpers 1 dargestellt. Auf der Innenfläche des Kühlkörperteils 2 ist eine Vielzahl von strömungsgünstigen Zapfen 5 angeordnet, die durch Kanäle 6 getrennt und über die Innenfläche des Kühlkörperteils 2 verteilt sind. Die Grundfläche der Zapfen 5 ist eckig, vorzugsweise rautenförmig ausgebildet, wobei die lange Diagonale der Zapfen 5 in etwa parallel zum möglichen Strömungsweg des Kühlmediums angeordnet ist.

Die Rautenform ist besonders günstig, da sich an der angeströmten Spitze kein Staupunkt am Zapfen 5 ausbilden kann. Statt dessen wird die Strömung des Kühlmediums geteilt und kann den Zapfen 5 umströmen und kühlen. Bei dieser Zapfenform ist zudem das Verhältnis von Oberfläche zum Volumen vorteilhaft, so daß die Wärmeabfuhr weiter verbessert ist. Bei der Verwendung von einem gut wärmeleitenden Material für den Kühlkörperteil 2, wie z. B. Aluminiumnitrid, liegt die Wärmeübergangskonstante dieser Anordnung bei über 3000 W/(m² K) und ermöglicht so eine gute Kühlung des Kühlkörperteils 2.

Die Umströmung der Zapfen 5 ist dann besonders günstig, wenn der Öffnungswinkel der angeströmten vorderen Spitze jeder Raute 5 zwischen 40° und 60°, insbesondere bei 46°-55°, liegt, da die Strömungsgeschwindigkeit um den Zapfen und die Wärmeabfuhr aus dem Zapfen dann maximal ist. Bei größeren Winkeln oder z. B. bei zylinderförmigen Zapfen reduziert die Ausbildung von Staupunkten an der Anströmseite des Zapfens 5 die Umströmung, bei geringeren Winkeln verringert sich die mechanische Stabilität des umströmten Zapfens (5).

Vorteilhaft ist eine mittlere Zapfendichte von 2-7 Zapfen/cm². insbesondere 4-6 Zapfen/cm², da bei einer derartigen Zapfendichte die Werkzeuge bei einer etwaigen Keramik-Prozeßtechnik für den Kühlkörper 1 noch gut handhabbar sind. Die Anordnung weist einen geringen Wärmewiderstand von deutlich unter 30 K/kW, nämlich nur 20 K/kW auf.

Der Füllgrad variiert vorzugsweise von etwa 1 : 1 (Hohlraum zu Volumenanteil Material) bis 2 : 1. Der Vorteil liegt darin, daß so die Fertigung etwaiger Werkzeuge zur Herstellung eines solchen Kühlkörpers 1, z. B. durch Pressen und Sintern von Keramik, noch einfach ist. Etwaiger Ausschuß durch Ausbrechen von Zapfen 5, 5 oder Kanälen 6 wird vermieden. Außerdem ist dann die Strömungsgeschwindigkeit bei den üblichen Kühlmitteldurchflüssen um 10 l/min groß genug für eine ausreichende Wärmeabfuhr, jedoch klein genug, um den Kühlkörper nicht abrasiv zu schädigen.

In Fig. 2 ist eine spiegelsymmetrische Anordnung der Zapfen 5, 5 gezeigt. Beide Kühlkörperteile 2, 2 weisen an ihren Innenseiten Zapfen 5, 5. auf. Die Anordnung ist symmetrisch zur Spiegelebene 9 zwischen den beiden Kühlkörperhälften 2 und 2′, die Zapfen 5, 5′ stehen sich im fertig montierten Zustand des Kühlkörpers 1 direkt gegenüber.

In Fig. 3 ist eine Anordnung gezeigt, die einen höheren Füllgrad der Zapfen erlaubt. Die Zapfen 5, 5′ der oberen und unteren Kühlkörperhälften 2, 2 sind versetzt zueinander und ineinandergreifend angeordnet. Damit kann die Kühlmittelgeschwindigkeit noch weiter erhöht werden, da die Breite der Kanäle 6 auch in der Mittelzone des Kühlkörpers 1, wo die beiden Kühlkörperteile 2 und 2′ aufeinandertreffen, klein ist. Besonders vorteilhaft ist eine kegelförmige Ausgestaltung der Zapfen 5, 5′, die bei hohem Füllgrad zusätzlich noch eine Materialersparnis und eine besonders gute Wärmeabfuhr in das Kühlmedium ermöglicht. Die Spitze der Zapfen 5, 5′ kann spitz oder abgeplattet sein. Die heiße Zone des Kühlkörpers 1 ist stoffschlüssig von der größten Querschnittsfläche der Zapfen 5, 5′ kontaktiert und die wärmeabführenden Zapfen 5, 5′ sind großflächig mit Kühlmittel umströmt.

Grundsätzlich ist die Wärmeabfuhr dann optimal, wenn die Kühlmittelgeschwindigkeit so hoch ist, daß sich eine turbulente Strömung ausbildet. Es zeigt sich aber, daß bei derart hohen Geschwindigkeiten das Kühlmittel den Kühlkörper 1 durch Erosion beschädigt.

Die minimale Wärmeübergangskonstante R_th des erfindungsgemäßen Kühlkörpers 1 soll nicht unter 3000 W/(m² K) liegen. Bei geringeren Werten von R_th ist die Kühlung unzureichend. Für Wasser als etwaiges Kühlmedium ergibt sich daraus z. B. bei 1 kW Verlustleistung eine minimale Strömungsgeschwindigkeit von 0, 1 m/sec. Wesentlich ist, daß eine minimale Strömungsgeschwindigkeit, bei Wasser z. B. von ca. 0,1 m/sec, nicht unterschritten wird. Als obere Grenze der Strömungsgeschwindigkeit darf diejenige Kühlmittelgeschwindigkeit nicht überschritten werden, ab welcher der Kühlkörper 1 abrasiv beschädigt wird. Für Aluminiumnitrid liegt diese Grenze z. B. bei etwa 1 m/sec, bei Aluminium bei etwa 1,5 m/sec.

Obwohl die Strömung des Kühlmediums, z. B. Wasser oder Öl, noch laminar ist, gelingt mit dem erfindungsgemäßen Kühlkörper 1 eine deutliche Reduktion des Wärmewiderstands. Der Wärmewiderstand liegt deutlich unterhalb von 30 K/kW. Für die genannten Daten des Beispiels liegt der Wert z. B. bei 20 K/kW.

Besonders vorteilhaft ist es, die Zapfen 5, 5 derart anzuordnen, daß im Mittel im Innern des Kühlkörpers 1 ein im wesentlichen homogener Strömungswiderstand entlang der möglichen Strömungswege herrscht. Dazu wird der Füllgrad der Zapfen 5, 5′ im Kühlkörperinnern lokal verändert, z. B. durch Weglassen bpw. Hinzufügen von Zapfen oder durch Vergrößern oder Verkleinern von Zapfen 5, 5′ oder Kanälen 6 oder Verändern der Zapfengröße oder Kanalgröße mit unveränderten Kanälen 6 bpw. Zapfen 5, 5′.

Besonders im Bereich des direkten Verbindungswegs zwischen Kühlmitteleingang und -ausgang 3 und 4 muß der Füllgrad erhöht sein, wobei die Breite des Bereichs mindestens dem kleinsten der Durchmesser des Kühlmitteleingangs und -ausgangs 3 und 4 entspricht.

Als Material für den erfindungsgemäßen Kühlkörper 1 ist ein gut wärmeleitendes Material vorteilhaft. Ist eine hohe elektrische Isolierfähigkeit notwendig, kann der Kühlkörper 1 aus einem Isolator wie z. B. Aluminiumnitrid, Siliziumkarbid, Aluminiumoxid, Berrylliumoxid, Siliziumoxid aufgebaut oder sein oder aus Schichtkörpern bestehen, die mit elektrisch isolierenden Beschichtungen versehen sind, z. B. aus der obengenannten Gruppe von Isolatoren oder Diamant.

In Fig. 4 ist ein erfindungsgemäßer mehrteiliger Kühlkörpers 1 gezeigt, der aus einem oberen Teil 2, einem unteren Teil 2 und einem ringförmigen Mittelteil 2′′ besteht. Kühlmitteleingang und Kühlmittelausgang 3 und 4 können am Mittelteil 2 auf entgegengesetzten Seiten oder gleichen Seiten des Umfangs des Mittelteils 2′′ angeordnet sein. Auf der Innenseite des oberen Teils 2 und des unteren Teils 2 sind Zapfen 5 und 5′ angeordnet (nur angedeutet). Die Teile 2 und 2′ sind mit dem Mittelteil 2′′ mittels Dichtungsmittel 10, 10′ abgedichtet und lösbar verbunden. Das untere Dichtungsmittel 10′ ist nicht dargestellt. Als Dichtungsmittel eignen sich beispielsweise elastische Flachdichtungen oder Rundschnurringe z. B. aus Perbunan oder Viton und dergleichen. Die lösbare Verbindung kann über Klammern. Muffen oder dergl. hergestellt sein.

Der Mittelteil selbst ist hohl ausgeführt und hat Anschlüsse 3 und 4 für das Kühlmittel. Besonders vorteilhaft ist, wenn dieser Mittelteil 2′′ aus Metall (Aluminium oder Kupfer oder anderen kostengünstigen Materialien) ausgeführt ist oder aus Kunststoff. Der Kühlkörper 1 ist z. B. für flüssige Kühlmedien geeignet, kann aber auch für gasförmige Kühlmedien eingesetzt sein.

In Fig. 5 ist eine Klanimervorrichtung 11 angegeben, mit der die Kühlkörperteile 2, 2′ und 2′′ miteinander verbunden werden können. Mehrere Klammern dieser Art sind am Außenrand des Kühlkörpers 1 angebracht. Diese Verbindungsart ist besonders in einer Stapelanordnung vorteilhaft mit einer Vielzahl von hintereinandergeschalteten Kühlkörpern und zu kühlenden Leistungsbauelementen in Elektromotor-Leistungssträngen.

Die eigentliche Haltekraft, die die Teile zusammenpreßt, wird über die Einspannvorrichtung des Stapels aufgebracht, die bei den bekannten Kühlkörperstapeln typischerweise ca. 40 kN beträgt. Das Klammern der einzelnen Kühlkörper 1 erleichtert die Wartung und das Austauschen etwaiger defekter Bauelemente oder Kühlkörper erheblich.

Während bei keramischen Körpern der Anschluß von Kühlmittelleitungen technisch aufwendig ist, ist dies in der erfindungsgemäßen Anordnung erheblich vereinfacht. Die Anschlüsse, wie handelsübliche Flanschverbindungen oder Stutzen, können z. B. über Schraubgewinde am Mittelteil 2′′ befestigt oder durch Anlöten verbunden sein.

Bei Verwendung von isolierenden, wärmeleitenden Keramiken für die Teile 2 und 2′ ist eine beträchtliche Materialersparnis der teuren Grundstoffe möglich, ohne die geforderte Hochspannungstauglichkeit einer solchen Kühlanordnung zu verschlechtern. Ebenso wird die Abdichtung und die Verbindung der Kühlkörperteile miteinander stark vereinfacht.

Der Anschluß der Kühlmittelleitungen ist dadurch erheblich vereinfacht, und bei Verwendung von elektrisch isolierenden, aber wärmeleitenden Keramiken für die Teile 2 und 2′ ist eine beträchtliche Materialersparnis der teuren Grundstoffe ermöglicht. Ebenso wird die Abdichtung und die Verbindung der Kühlkörperteile miteinander stark vereinfacht.

Als Material für den erfindungsgemäßen Kühlkörper 1 ist ein gut wärmeleitendes Material vorteilhaft. Ist eine große elektrische Isolierfähigkeit notwendig, kann der Kühlkörper 1 vorzugsweise aus Isolator-Teilen aufgebaut sein, wie z. B. Aluminiumnitrid. Siliziumkarbid, Aluminiumoxid, Berrylliumoxid, Siliziumoxid oder aus Schichtkörpern gebildet sein, die mit gut wärmeleitenden Beschichtungen versehen ist, z. B. aus der obengenannten Gruppe von Isolatoren oder Diamant.

Vorzugsweise wird der Kühlkörper aus keramischen Teilen 2 und 2′ und einem metallischen oder elektrisch isolierenden Mittelteil 2′′ zusammengesetzt.

Claims (21)

1. Kühlkörper bestehend aus einem oberen und unteren Teil mit an mindestens einer der Innenseiten stoffschlüssig angeordneten und in das Kühlmedium hineinragenden Zapfen (5, 5′) mit mehreckiger Grundfläche, die durch Gräben (6) getrennt sind, wobei die Winkelhalbierende (7) einer angeströmten Ecke im wesentlichen parallel zum Strömungsweg des Kühlmediums angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Zapfen (5, 5′) entlang des Strömungsweges mit einem Öffnungswinkel von 40° bis 60° angeordnet sind.

2. Kühlkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Grundfläche der Zapfen (5, 5′) rautenförmig ausgebildet ist.

3. Kühlkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Grundfläche der Zapfen (5, 5′) dreieckig ist.

4. Kühlkörper nach Anspruch 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß die Zapfen (5, 5′) mit einer vorgegebenen Dichte mit einem Wert zwischen 2 bis 7 Zapfen/cm² angeordnet sind.

5. Kühlkörper nach Anspruch 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis des Volumenanteils der Kanäle (6) zum Volumenanteil der Zapfen (5, 5′) zwischen 1 : 1 und 2:1 ist.

6. Kühlkörper nach Anspruch 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß die Zapfen (5, 5′) in das Kühlkörperinnere hin spitz zulaufend ausgebildet sind, wobei die größte Querschnittsfläche der Zapfen (5, 5′) mit der Kühlkörperinnenseite (2, 2′) in Kontakt ist.

7. Kühlkörper nach Anspruch 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichte der Zapfen (5, 5′) in einem vorgegebenen Bereich entlang der gedachten kürzesten Verbindungslinie (8) zwischen einem Kühlmittelausgang (4) und einem Kühlmitteleingang (3) hoch ist, entfernt davon gering, so daß der Strömungswiderstand über die Fläche gesehen für jeden möglichen Strömungsweg zwischen einem Kühlmittelausgang (4) und einem Kühlmitteleingang (3) in etwa gleich ist.

8. Kühlkörper nach Anspruch 1-7, dadurch gekennzeichnet, daß der vorgegebene Bereich entlang der gedachten direkten Verbindungslinie (8) zwischen einem Kühlmittelausgang (4) und einem Kühlmitteleingang (3) mindestens so breit ist wie kleinere der Durchmesser von Kühlmittelausgang (4) und Kühlmitteleingang (3).

9. Kühlkörper nach Anspruch 1-8, dadurch gekennzeichnet, daß die obere und die untere Kühlkörperteil-Innenfläche (2, 2′) mit Zapfen (5, 5′) versehen sind.

10. Kühlkörper nach Anspruch 1-9, dadurch gekennzeichnet, daß die Zapfen (5) der oberen Kühlkörperinnenseite (2) und die Zapfen (5′) der unteren Kühlkörperinnenseite (2′) spiegelsymmetrisch zueinander oder gegeneinander versetzt angeordnet sind.

11. Kühlkörper nach Anspruch 1-10, dadurch gekennzeichnet, daß das Strömungsgeschwindigkeitsmaximum des Kühlmittels längs der Kanäle (6) geringer als die den Kühlkörper (1) abrasiv schädigende Geschwindigkeit ist.

12. Kühlkörper nach Anspruch 1-11, dadurch gekennzeichnet, daß das Strömungsgeschwindigkeitsmaximum des Kühlmittels längs der Kanäle (6) in jedem Kanal (6) nicht mehr als 50% unter oder über dem mittleren Strömungsgeschwindigkeitsmaximum ist.

13. Kühlkörper nach Anspruch 1-12, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmewiderstand des Kühlkörpers (1) kleiner als 25 K/kW ist.

14. Kühlkörper nach Anspruch 1-13, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeübergangskonstante des Kühlkörpers (1) größer als 3000 W/(cm² K) ist.

15. Kühlkörper nach Anspruch 1-14, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlkörperoberteil (2) und/oder Kühlkörperunterteil (2′) aus einem Isolator wie Aluminiumnitrid, Siliziumkarbid, Aluminiumoxid, Berrylliumoxid und/oder Siliziumoxidgebildet ist.

16. Kühlkörper nach Anspruch 1-15, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlkörperoberteil (2) und/oder Kühlkörperunterteil (2′) mit einem wärmeleitenden Material beschichtet ist, wie Aluminiumnitrid. Siliziumkarbid. Aluminiumoxid, Siliziumoxid und/oder Diamant.

17. Kühlkörper nach Anspruch 1-16. dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlkörper (1) mit einem Zwischenteil (2′′) zwischen dem oberen und der unteren Teil (2, 2′) ausgestattet ist.

18. Kühlkörper nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß das Zwischenteil (2′′) lösbar mit dem oberen und der unteren Teil (2, 2′) verbunden ist.

19. Kühlkörper nach Anspruch 17-18, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlkörpermittelteil (2′′) aus einem metallisieren oder elektrisch isolierenden Werkstoff gebildet ist.

20. Kühlkörper nach Anspruch 17-19, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlkörpermittelteil (2′′) aus einem Schichtkörper mit elektrisch isolierender Beschichtung gebildet ist.

21. Kühlkörper nach Anspruch 17-20, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlkörpermittelteil (2′′) mit Kühlmedienanschlüssen (3, 4) versehen ist.