DE202009007008U1

DE202009007008U1 - Kompaktfluidkühler

Info

Publication number: DE202009007008U1
Application number: DE200920007008
Authority: DE
Original assignee: EDAG GmbH and Co KGaA
Current assignee: EDAG GmbH and Co KGaA
Priority date: 2009-05-15
Filing date: 2009-05-15
Publication date: 2009-10-15
Anticipated expiration: 2019-05-16

Abstract

Kompaktfluidkühler umfassend:
a) eine Wärmeaufnahmekammer (K1) für ein Kühlfluid,
b) eine längs einer Kühlerachse (A) über der Wärmeaufnahmekammer (K1) befindliche Wärmeabfuhrkammer (K2) für das Kühlfluid,
c) eine Wärmeaufnahmestruktur (1), die eine äußere Kammerwand der Wärmeaufnahmekammer (K1) bildet,
d) eine Wärmeabfuhrstruktur (4), die eine äußere Kammerwand der Wärmeabfuhrkammer (K1) bildet,
e) eine Förderkammer (K3), die entweder als zusätzliche Kammer axial zwischen der Wärmeaufnahmekammer (K1) und der Wärmeabfuhrkammer (K2) angeordnet ist oder von einer dieser beiden Kammern (K1, K2) gebildet wird,
f) einen in der Förderkammer (K3) angeordneten Förderer (10), mittels dem das Kühlfluid in einem geschlossenen Kreislauf aus der Wärmeaufnahmekammer (K1) in die Wärmeabfuhrkammer (K2) und aus dieser zurück in die Wärmeaufnahmekammer (K1) förderbar ist,
g) und eine axial zwischen der Wärmeaufnahmekammer (K1) und der Wärmeabfuhrkammer (K2) angeordnete erste Zwischenwand (2), die eine Kammerwand der Förderkammer (K3) und ferner eine innere Kammerwand der...

Description

Die Erfindung betrifft einen Kompaktfluidkühler, insbesondere einen Kompaktwasserkühler, der für die Kühlung von Wärmeerzeugern verwendet werden kann, die unter beengten Platzverhältnissen angeordnet oder aus anderen Gründen schwer zugänglich sind. Beispiele von Wärmeerzeugern, zu deren Kühlung der Kompaktkühler vorteilhafterweise verwendbar ist, sind elektronische Bauteile oder Bauteilgruppen von Computer, Geräten der Unterhaltungselektronik, Mobilfunkgeräten und in Fahrzeugen, in Fahrzeugen unter anderem Bauteile oder Bauteilgruppen von Bordnavigationsgeräten, Bordunterhaltungsgeräten, Fahrassistenzsystemen oder Beleuchtungssystemen, etwa Beleuchtungselemente oder Gruppen von Beleuchtungselementen von beispielsweise Scheinwerfern oder anderen Fahrzeugleuchten.
Elektronische Geräte werden kleiner und leistungsfähiger. Die Kühlung der Geräte wird anspruchsvoller, da die pro Volumeneinheit abzuführende Wärme steigt und der für einen Kühler zur Verfügung stehende Raum abnimmt. Die DE 10 2007 01 701 B3 offenbart einen Wasserkühler mit einer hohlen Basis, die auf einer Schnittstellenkarte angeordnet und mit einem zu kühlenden Prozessorchip und Speicherchips in Kontakt gebracht werden kann. Eine Pumpe fördert Kühlwasser in einem geschlossenen Kreislauf. An der Basis ist ein Plattenwärmetauscher befestigt, durch den das von der Pumpe umgewälzte Kühlwasser strömt. Ein an der Basis angebrachter Ventilator sorgt für eine Kühlung des Plattenwärmetauschers mit Luft. Die Pumpe ist in einem an der Basis befestigten eigenen Pumpengehäuse untergebracht und pumpt das Kühlwasser aus einer Wärmeaufnahmekammer der Basis in eine weitere Kammer der Basis, aus der das Kühlwasser aufgrund des Pumpendrucks durch den Plattenwärmetauscher hindurch und zurück in die Wärmeaufnahmekammer strömt.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, einen besonders raumsparenden und einfach aufgebauten Kühler zu schaffen.
Gegenstand der Erfindung ist ein Kompaktfluidkühler mit einer Wärmeaufnahmekammer und einer Wärmeabfuhrkammer für ein Kühlfluid. Das Kühlfluid kann grundsätzlich zwar gasförmig sein, bevorzugt ist es jedoch eine Kühlflüssigkeit und kann insbesondere Wasser sein. Der Kühler umfasst eine Wärmeaufnahmestruktur, die eine äußere Kammerwand der Wärmeaufnahmekammer bildet und der Aufnahme von Wärme von außen dient, vorzugsweise durch Kontakt mit einer zu kühlenden Fläche eines Wärmeerzeugers, eine Wärmeabfuhrstruktur, die eine äußere Kammerwand der Wärmeabfuhrkammer bildet und der Abfuhr innerer Wärme nach außen dient, und wenigstens eine längs einer Achse des Kühlers zwischen der Wärmeaufnahmekammer und der Wärmeabfuhrkammer angeordnete erste Zwischenwand, die eine innere Kammerwand wenigstens einer dieser Wärmeaustauschkammern bildet. Der Kühler weist ferner einen Förderer auf, mittels dem das Kühlfluid in einem geschlossenen Kreislauf in einem Hinstrom durch eine Hinströmverbindung aus der Wärmeaufnahmekammer in die Wärmeabfuhrkammer und in einem Rückstrom durch eine Rückströmverbindung aus dieser zurück in die Wärmeaufnahmekammer förderbar ist. Die Hin- und die Rückströmverbindung erstrecken sich vorzugsweise durch die Zwischenwand. Eine dieser Verbindungen oder beide könnte(n) die Zwischenwand aber durchaus auch umgehen.
In bevorzugten ersten Ausführungen weist der Kühler axial zwischen der Zwischenwand und einer der beiden genannten Wärmeaustauschkammern zusätzlich eine Förderkammer für den Förderer auf. Die Zwischenwand bildet vorzugsweise eine Kammerwand auch für die Förderkammer. In alternativen zweiten Ausführungen bildet die Zwischenwand eine innere Kammerwand sowohl der Wärmeaufnahmekammer als auch der Wärmeabfuhrkammer. Der Kreislauf des Kühlfluids kann in solchen Ausführungen aus den beiden Kammern und einer Hin- und einer Rückströmverbindung bestehen und der Förderer in einer der beiden Kammern oder in der Hinström- oder Rückströmverbindung angeordnet sein, so dass entweder die Wärmeaufnahme- oder die Wärmeabfuhrkammer oder eine der Strömungsverbindungen die Förderkammer bildet.
Die Wärmeaufnahmekammer und die Wärmeabfuhrkammer sind bezüglich der genannten Achse axial übereinander angeordnet. In den ersten Ausführungen ist axial zwischen ihnen noch die Förderkammer angeordnet, während sie in den zweiten Ausführungen nur durch die Zwischenwand axial voneinander entfernt und somit unmittelbar übereinander angeordnet sind. In den ersten Ausführungen ist eine weitere, zweite Zwischenwand axial zwischen der ersten Zwischenwand und der Wärmeaufnahmekammer oder bevorzugter der Wärmeabfuhrkammer angeordnet. Die erste Zwischenwand bildet besagte innere Kammerwand vorzugsweise der Wärmeaufnahmekammer, die zweite Zwischenwand bildet vorzugsweise eine innere Kammerwand der Wärmeabfuhrkammer, und die Förderkammer befindet sich axial zwischen den beiden Zwischenwänden. Bevorzugt sind die drei Kammern in der axialen Abfolge ”Wärmeaufnahmekammer – Förderkammer – Wärmeabfuhrkammer” nur über die Zwischenwände voneinander beabstandet und somit unmittelbar übereinander angeordnet, wobei die beiden Zwischenwände jeweils eine Kammerwand gleichzeitig auch der Förderkammer bilden.
Die Kammern sind flächenhaft, weisen also eine im Vergleich zu ihrer Länge und Breite deutlich kleinere Dicke auf. Die Wärmeaufnahmestruktur ist zumindest im Bereich der von ihr gebildeten Kammerwand schalenförmig gewölbt oder vorzugsweise plattenförmig. Die Zwischenwand oder -wände ist oder sind an die Flächenform der von der Wärmeaufnahmestruktur gebildeten Kammerwand angepasst geformt. Bevorzugt bestehen die Wärmeaufnahmestruktur und die Zwischenwand oder -wände nur aus den von ihnen gebildeten Kammerwänden und jeweils einem für den Zusammenbau erforderlichen Überstand, dem Fügerand.
Die Kammern können längs einer quer zu ihrer Dickenrichtung erstreckten Achse übereinander, in einer Draufsicht parallel zur Dickenrichtung also nebeneinander angeordnet sein, wodurch ein besonders flacher Kühler erhalten werden kann. Günstiger ist es jedoch, die Wärmeaufnahmestruktur, die Kammern und die Zwischenwand oder -wände, vorzugsweise auch die Wärmeabfuhrstruktur, zumindest soweit sie die äußere Kammerwand der Wärmeabfuhrkammer bildet, längs einer Achse parallel zur Dickenrichtung übereinander anzuordnen, also die Kammerwände und Kammern Lage über Lage axial zu stapeln bzw. zu schichten, also sandwichartig anzuordnen. Der Kühler ist mit diesem Schichtaufbau axial, in Dickenrichtung immer noch sehr flach, während bei unveränderter Wärmeaufnahme- und Wärmeabfuhrstruktur die Ausdehnung quer zur Achse verkleinert ist. Es kann ein Kühler mit besonders kurzen Strömungswegen zwischen der Wärmeaufnahmekammer und der Wärmeabfuhrkammer erhalten werden. Die Menge des Kühlfluids kann minimiert werden.
Der Kompaktfluidkühler weist in bevorzugter Ausführung somit in axialer Richtung eine Stapelfolge von abwechselnd Kammerstirnwänden und dazwischen gebildeten Kammern auf. Die Kammerstirnwände werden vorzugsweise jeweils von einer eigenen Struktur gebildet, die Zwischenwand oder –wände von einer oder je einer Zwischenstruktur, und die Strukturen sind im fertigen Kühler miteinander gefügt. Die Strukturen sind vorzugsweise je in einem Stück geformt, insbesondere die Zwischenstruktur(en), können grundsätzlich aber auch aus mehreren Teilen zusammengestzt sein. Die Kammern sind innerhalb des Kompaktfluidkühlers miteinander verbunden, so dass der geschlossene Kreislauf für das Kühlfluid erhalten wird. Vorzugsweise sind sie innerhalb des Stapels miteinander verbunden.
In den ersten Ausführungen mit einer Förderkammer als Zusatzkammer axial zwischen der Wärmeaufnahme- und der Wärmeabfuhrkammer kann das Kühlfluid die Förderkammer entweder im Hinstrom oder vorzugsweise im Rückstrom durchströmen. Bevorzugt tritt wenigstens einer dieser Ströme durch die in diesen Ausführungen wenigstens zwei Zwischenwände. Noch bevorzugter treten der Hinstrom und der Rückstrom durch die Zwischenwände.
In den ersten Ausführungen mit wenigstens zwei Zwischenwänden, vorzugsweise nur zwei Zwischenwänden, kann wenigstens eine der Zwischenwände vorteilhafterweise zu einer thermischen Isolierung, sozusagen einer Thermowand, weitergebildet sein, um den Wärmeübergang zwischen der Wärmeaufnahmekammer und der Wärmeabfuhrkammer zu verringern. In den zweiten Ausführungen gilt dies für die erste Zwischenwand analog. Der Wärmetransport ist vorteilhafterweise auf das Kühlfluid konzentriert. Die Zwischenwand oder –wände können insbesondere aus Kunststoff geformt sein, während die Wärmeaufnahme- und Wärmeabgabestruktur zweckmäßigerweise je aus einem die Wärme gut leitenden Material gefertigt sind, beispielsweise aus Kupfer oder Aluminium oder einer Legierung solch eines Metalls.
Vorteilhafterweise ist die Ausdehnung der Förderkammer quer zur Bezugsachse derart, dass die Förderkammer wenigstens eine der Wärmeaustauschkammern in einer axialen Draufsicht, in den ersten Ausführungen also in einer Stirnansicht beispielsweise der Wärmeaufnahmestruktur gesehen über zumindest den überwiegenden Teil der Querschnittsfläche überlappt. Bevorzugt überlappt die Förderkammer zumindest einen überwiegenden Teil der Querschnittsfläche sowohl der Wärmeaufnahmekammer als auch der Wärmeabfuhrkammer.
Axial zwischen der ersten und zweiten Zwischenwand kann oder können in den ersten Ausführungen eine oder mehrere weitere Zwischenwand oder -wände angeordnet sein, um eine oder mehrere weitere von dem Kühlfluid durchströmbare Fluidkammern zu bilden, beispielsweise zur Wärmeabfuhr. Bevorzugt bildet jedoch wenigstens eine der beiden Zwischenwände, also die erste oder die zweite Zwischenwand auch eine Stirnwand der Förderkammer. Bevorzugter ist zwischen der ersten und der zweiten Zwischenwand keine weitere Zwischenwand angeordnet, so dass die zwei Zwischenwände eine linke und eine rechte Stirnwand der Förderkammer bilden.
Von Vorteil ist, wenn die Wärmeaufnahmekammer und die Wärmeabfuhrkammer in den ersten Ausführungen jeweils direkt mit der Förderkammer fluidisch verbunden sind und nicht erst über eine Zwischenkammer, so dass das Kühlfluid entweder im Hinstrom aus der Wärmeaufnahmekammer direkt in die Förderkammer und aus dieser direkt in die Wärmeabfuhrkammer oder aber, wie bevorzugt, im Rückstrom aus der Wärmeabfuhrkammer direkt in die Förderkammer und aus dieser direkt in die Wärmeaufnahmekammer strömt. Zwischen der ersten und der zweiten Zwischenwand sind das aus der Wärmeaufnahmekammer in Richtung zu der Wärmeabfuhrkammer hinströmende Kühlfluid und das aus der Wärmeabfuhrkammer zur Wärmeaufnahmekammer rückströmende Fluid vorteilhafterweise voneinander getrennt. Der die Förderkammer umgehende Strom, entweder wie bevorzugt der Hinstrom oder der Rückstrom, wird vorteilhafterweise durch die Zwischenwände geführt, besonders bevorzugt auf axial geradem Wege. Die geometrische Anordnung der Förderkammer zwischen der Wärmeaufnahme- und der Wärmeabfuhrkammer und die direkte Strömungsverbindung verkürzen den Strömungsweg zwischen den Wärmeaufnahmekammer und der Wärmeabfuhrkammer. Die Strömungsverluste zwischen diesen Wärmeaustauschkammern können gering gehalten werden. In der Folge ist nur wenig Kühlfluid und Energie für dessen Umwälzung erforderlich. Ein kurzer Weg für das die Förderkammer umgehende Kühlfluid ist auch von Vorteil, um entweder einen möglichst hohen Anteil der aufgenommenen Wärme erst in der Wärmeabfuhrkammer abzugeben oder im Rückstrom möglichst wenig Wärme vor Eintritt in die Wärmeaufnahmekammer aufzunehmen.
Die Wärmeaufnahmestruktur, die Zwischenwand oder –wände und die Wärmeabfuhrstruktur sind in axialer Richtung wie gesagt übereinander angeordnet, entweder direkt oder indirekt. In einer bevorzugten Bauweise sind die genannten Strukturen ohne zusätzliche Dichtungen unmittelbar übereinander, also aufeinander angeordnet. Axial zwischen den Strukturen kann aber auch eine die jeweilige Fluidkammer umgebende Dichtung oder jeweils eine Dichtung angeordnet sein. Es kann oder können auch eine oder mehrere axial zwischengeordnete Abstandsstruktur(en) vorhanden sein, obgleich weniger bevorzugt.
In bevorzugten Ausführungen bildet die erste Zwischenwand für das Kühlfluid einen Einlass und einen Auslass der Wärmeaufnahmekammer. Vorteilhafterweise ist oder sind der Einlass oder der Auslass ein Durchgang oder jeweils ein Durchgang in der ersten Zwischenwand. Bevorzugt ist wenigstens eines aus Auslass und Einlass in der ersten Zwischenwand als axialer, gerader und deshalb kürzest möglicher Durchgang geformt. In den zweiten Ausführungen bildet einer der Durchgänge gleichzeitig auch einen Einlass und der andere einen Auslass der Wärmeabfuhrkammer. In den ersten Ausführungen bildet vorzugsweise die zweite Zwischenwand den Einlass und den Auslass der Wärmeabfuhrkammer, wobei vorteilhafterweise wenigstens eines aus Einlass und Auslass von einem axialen, geraden Durchgang der zweiten Zwischenwand gebildet wird.
Weist der Kompaktkühler mehrere vom Kühlfluid nacheinander durchströmbare Wärmeaufnahmekammern auf, in denen das Kühlfluid erwärmt wird, oder weist der Kompaktkühler mehrere Wärmeabfuhrkammern auf, die das Kühlfluid nacheinander durchströmen und in denen jeweils Wärme abgeführt werden kann, so ist die Förderkammer in den ersten Ausführungen im Strömungsweg entweder zwischen der stromabwärtigsten Wärmeaufnahmekammer und der stromaufwärtigsten Wärmeabfuhrkammer oder bevorzugter zwischen der stromabwärtigsten Wärmeabfuhrkammer und der stromaufwärtigsten Wärmeaufnahmekammer angeordnet. Die Wärmeaufnahmekammer und die Wärmeabfuhrkammer sind im Hinstrom zur Wärmeabfuhrkammer oder bevorzugt im Rückstrom zur Wärmeaufnahmekammer über die Förderkammer direkt miteinander verbunden, direkt in dem Sinne, dass das Kühlfluid im Hinstrom oder bevorzugt im Rückstrom zwischen der Wärmeaufnahmekammer und der Förderkammer einerseits und der Wärmeabfuhrkammer und der Förderkammer andererseits weder mit der Wärmeaufnahmestruktur noch mit der Wärmeabgabestruktur einen Strömungskontakt hat. Die Förderkammer ist somit zwischen der Wärmeaufnahmeseite und der Wärmeabfuhrseite des Kompaktfluidkühlers angeordnet, wobei in bevorzugten Ausführungen die Wärmeaufnahmekammer die gesamte Wärmeaufnahmeseite und die Wärmeabfuhrkammer die gesamte Wärmeabfuhrseite des Kompaktfluidkühlers bildet.
In der Wärmeaufnahmekammer oder der Wärmeabfuhrkammer ist in bevorzugten Ausführungen wenigstens ein Strömungskanal vorgesehen, der das Kühlfluid in der betreffenden Kammer auf einem vorgegebenen Strömungsweg vom Einlass zum Auslass der betreffenden Kammer leitet. Das Wort ”oder” wird vorstehend und auch sonst von der Erfindung im üblichen logischen Sinne als ”inklusiv oder” verstanden, umfasst also die Bedeutung von ”entweder ... oder” und auch die Bedeutung von ”und”, soweit sich aus dem jeweils konkreten Zusammenhang nicht ausschließlich nur eine einzige dieser Bedeutungen ergeben kann. Bezogen auf den wenigstens einen Strömungskanal bedeutet dies, dass solch ein Strömungskanal entweder nur in der Wärmeaufnahmekammer oder nur in der Wärmeabfuhrkammer oder, wie bevorzugt, dass wenigstens ein Strömungskanal in der Wärmeaufnahmekammer und ebenfalls wenigstens ein Strömungskanal in der Wärmeabfuhrkammer vorgesehen ist. Vorteilhafterweise sind in wenigstens einer der Wärmeaustauschkammern zwei oder noch mehr Strömungskanäle der genannten Art vorgesehen. Der wenigstens eine Strömungskanal der Wärmeaufnahmekammer oder der Wärmeabfuhrkammer kann sich in mehrere dem Strömungsquerschnitt nach kleinere Strömungskanäle auffächern, um die Wärmeaufnahme oder -abgabe möglichst gleichmäßig über die Fläche der Wärmeaufnahmestruktur oder der Wärmeabfuhrstruktur zu verteilen. Indem das Kühlfluid in der betreffenden Kammer in einem oder mehreren Strömungskanälen geführt wird, können unkontrollierte Quer- oder gar Rückströmungen in der Kammer verhindert werden. Falls in einer der Wärmeaustauschkammern mehrere Strömungskanäle vorhanden sind, wird es bevorzugt, wenn diese Strömungskanäle fluidisch voneinander getrennt sind, so dass kein Kühlfluid quer zur Strömungsrichtung aus einem der Strömungskanäle in einen benachbarten abströmen kann. Die Bildung mehrerer Strömungskanäle ist im Sinne einer Führung der Strömung einerseits und einer über die Fläche der Kammerwand gleichmäßigen Temperatur andererseits einer Ausführung mit nur einem Strömungskanal überlegen.
Diejenige Kammerwand, die jeweils die gleiche Kammer begrenzt wie die mit dem wenigstens einen Strömungskanal versehene Kammerwand, überdeckt den wenigstens einen Strömungskanal bevorzugterweise und dichtet ihn ab. Falls der Strömungskanal oder die mehreren Strömungskanäle einer Kammer mittels einer zwischen den Kammerstirnwänden angeordneten, zusätzlichen Einlegestruktur oder mehreren solchen Einlegestrukturen gebildet wird oder werden, überdecken vorzugsweise die einander axial über die Einlegestruktur(en) zugesandten Kammerstirnwände den Kanal oder die Kanäle an beiden Stirnseiten, um ihn oder sie abzudichten.
Falls wie vorstehend erläutert wenigstens ein Strömungskanal in der Wärmeaufnahmekammer vorgesehen ist, kann solch ein Strömungskanal insbesondere durch eine entsprechende Strukturierung der Oberfläche der Innenseite der Wärmeaufnahmestruktur geformt sein. Durch eine Strukturierung, insbesondere eine reliefartige Strukturierung der Innenseite der Wärmeaufnahmestruktur, wird nicht nur die Funktion der Strömungsführung erfüllt, sondern zusätzlich auch die Oberfläche, mit der die Wärmeaufnahmestruktur mit dem internen Kühlfluid in einem wärmeübertragenden Kontakt steht, vorteilhaft vergrößert. Alternativ kann stattdessen aber auch die Zwischenwand, die die andere Kammerstirnwand der Wärmeaufnahmekammer bildet, den wenigstens einen oder die bevorzugt mehreren Strömungskanäle der Wärmeaufnahmekammer bilden, indem diese Zwischenwand an ihrer der Wärmeaufnahmestruktur zugewandten Oberfläche strukturiert ist, so dass sie dort den oder die Strömungskanäle der Wärmeaufnahmekammer bildet. Grundsätzlich könnten auch die Wärmeaufnahmestruktur und die Zwischenwand jeweils eine Oberflächenstrukturierung aufweisen, die gemeinsam miteinander den oder die Strömungskanäle oder jeweils eigene, im Zusammenbau nebeneinander angeordnete Strömungskanäle bilden. Das Gleiche gilt in Bezug auf die Wärmeabfuhrkammer, wobei diesbezüglich die Wärmeaufnahmestruktur als durch die Wärmeabfuhrstruktur ergänzt zu denken ist. Während es bevorzugten Ausführungen entspricht, den oder die Strömungskanäle der Wärmeaufnahmekammer durch eine Oberflächenstrukturierung der Wärmeaufnahmestruktur zu bilden, wird es für die Wärmeabfuhrkammer bevorzugt, wenn deren Strömungskanal oder -kanäle durch eine Oberflächenstrukturierung der Zwischenwand erhalten wird oder werden, die die der Wärmeabfuhrstruktur axial gegenüberliegende Kammerstirnwand bildet.
Der Förderer kann beispielsweise als Linearhubkolbenförderer gebildet sein, bevorzugter ist er jedoch um eine Drehachse drehbar, vorzugsweise um eine zumindest im Wesentlichen orthogonal zu der ersten Zwischenwand weisende geometrische Drehachse drehbar. In der axial gestapelten Anordnung weist die Drehachse daher bevorzugt parallel zur Achse, längs der die Strukturen übereinander gestapelt sind. Ein drehbarer Förderer kann als Axialförderer oder bevorzugter als Radialförderer arbeiten. Einlass und Auslass sind bei Ausführung als Radialförderer an der Peripherie des Förderers, in Umfangsrichtung vorzugsweise um zumindest im Wesentlichen 180° zueinander versetzt angeordnet. Der Förderer ist vorzugsweise als Flügelrad mit mehreren Flügeln gebildet. Der Förderer kann Drehmoment übertragend mit einer drehgelagerten Welle verbunden oder insbesondere auf einem stillstehenden Achselement drehgelagert sein. Solch ein Achselement kann in den ersten Ausführungen an einer der oder vorzugsweise an beiden axialen Stirnwände(n) der Förderkammer und in den zweiten Ausführungen an der ersten Zwischenwand abgestützt sein.
Ein Drehförderer kann insbesondere ein Magnetpolglied mit um die Drehachse alternierender Polarität umfassen, das in einer der Kammern, vorzugsweise der Förderkammer der ersten Ausführungen, drehbar angeordnet und berührungslos mittels eines außerhalb der Kammer erzeugten Magnetdrehfelds antreibbar ist. Das Magnetpolglied ist drehfest mit einem Flügelrad des Förderers verbunden. Es ist vorteilhafterweise permanent magnetisch, so dass kein elektrischer Strom in die Förderkammer geführt werden muss.
Der Kompaktfluidkühler umfasst in bevorzugter Ausführung ein äußeres Laufrad für eine konvektive Kühlung der Wärmeabfuhrstruktur. Mittels des Laufrads ist ein Gas, zweckmäßigerweise Luft aus der Umgebung, über eine äußere Oberfläche der Wärmeabfuhrstruktur förderbar. Das Laufrad ist vorzugsweise an der Wärmeabfuhrstruktur drehbar abgestützt.
Damit der Förderer klein und mit geringem Aufwand verbaut werden kann, wird der Förderer vorzugsweise berührungslos von außerhalb der Kammern mittels eines äußeren Magnetdrehfelds angetrieben. In bevorzugten Ausführungen, in denen sowohl der Förderer als auch das äußere Laufrad drehbar angeordnet ist, können der Förderer und das äußere Laufrad mittels einer berührungslosen Magnetkupplung Drehmoment übertragend miteinander gekoppelt sein. Das Laufrad wird im Kühlbetrieb drehangetrieben und erzeugt dabei das drehende Magnetfeld, das den mit dem Magnetpolglied ausgestatteten Förderer drehantreibt. In einer alternativen Ausführung kann ein Magnetdrehfeld außerhalb der Kammern auch mit einer stillstehenden Spuleneinrichtung erzeugt werden, um den Förderer von außen berührungslos anzutreiben.
Die Wärmeabfuhrstruktur ist in bevorzugter Ausführung zumindest im Bereich der von ihr gebildeten Kammerwand schalenförmig gewölbt oder vorzugsweise plattenförmig. Zumindest in den Ausführungen, in denen die Wärmeaufnahme- und die Wärmeabfuhrstruktur im Stapel einander zugewandte Kammerstirnwände bilden, ist die Kammerwand der Wärmeabfuhrstruktur an die Flächenform der Kammerwand der Wärmeaufnahmestruktur angepasst geformt. Bevorzugt weist die Wärmeabfuhrstruktur in der axialen Draufsicht eine Fläche auf, die sich nur aus der mit dem Kühlfluid im Kontakt befindlichen Kammerwand und einem für den Zusammenbau erforderlichen Überstand, dem Fügerand der Wärmeabfuhrstruktur, zusammensetzt. Trifft dies wie bevorzugt auch für die Wärmeaufnahmestruktur und die Zwischenwand oder –wände zu, wird der Kühler in der axialen Draufsicht gesehen besonders kompakt.
Die Wärmeabfuhrstruktur kann an ihrer Außenseite zur Verbesserung der Wärmeabfuhr an die Umgebung Finnen aufweisen, die von der Kammerwand der Wärmeabfuhrstruktur nach außen abragen. Vorzugsweise ragen die Finnen zumindest im Wesentlichen in eine Normalenrichtung dieser Kammerwand ab, so dass in axialer Draufsicht auf die Kammerwand die Abmessungen des Kühlers in Querrichtung nicht durch die Finnen vergrößert werden. Das äußere Laufrad ist zweckmäßigerweise zwischen den Finnen angeordnet, um über diese die Kammerwand konvektiv zu kühlen, wobei das Laufrad einen kühlenden Strom auch direkt gegen die Außenseite der Kammerwand richten kann. Die Finnen sind mit der Kammerwand der Wärmeabfuhrstruktur vorteilhafterweise in einem Stück geformt oder stoffschlüssig verbunden, um eine besonders gute Wärmeleitung zu gewährleisten. Eine Drehachse des Laufrads weist vorzugsweise zumindest im Wesentlichen orthogonal zu der von der Wärmeabfuhrstruktur gebildeten Kammerwand. Das kühlende Gas strömt radial durch die Lücken zwischen den Finnen vom Laufrad aus nach radial außen ab, könnte grundsätzlich aber auch in umgekehrter Richtung zwischen den Finnen nach innen zum Laufrad strömen.
Vorteilhafte Merkmale werden auch in den Unteransprüchen und deren Kombinationen beschrieben.
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand von Figuren erläutert. An dem Ausführungsbeispiel offenbar werdende Merkmale bilden jeweils einzeln und in jeder Merkmalskombination die Gegenstände der Ansprüche und auch die vorstehend beschriebenen Ausgestaltungen vorteilhaft weiter. Es zeigen:
1 einen erfindungsgemäßen Kompaktfluidkühler,
2 die entlang einer Kühlerachse aufgereihten Einzelkomponenten des Kompaktfluidkühlers in einer Sicht auf eine Wärmeaufnahmeseite des Kühlers,
3 die entlang der Kühlerachse aufgereihten Einzelkomponenten in einer Sicht auf eine Wärmeabfuhrseite des Kühlers,
4 eine Wärmeaufnahmestruktur des Kühlers in einer Stirnansicht auf eine Innenseite der Wärmeaufnahmestruktur,
5 eine erste Zwischenwand des Kühlers in einer Stirnansicht,
6 eine zweite Zwischenwand des Kühlers in einer Stirnansicht auf eine Förderkammerseite der Zwischenwand und
7 die zweite Zwischenwand in einer Draufsicht auf die von der Förderkammerseite abgewandte andere Stirnseite.
1 zeigt einen Kompaktfluidkühler für vorzugsweise mobile Einsätze, beispielsweise zur Kühlung elektronischer Baugruppen oder von LED-Leuchtsystemen in Fahrzeugen, vorzugsweise Automobilen. Der Kühler setzt sich aus vier miteinander gefügten Strukturen, nämlich einer Wärmeaufnahmestruktur 1, einer ersten Zwischenwand 2, einer zweiten Zwischenwand 3 und einer Wärmeabfuhrstruktur 4, einem Anbaulüfter mit einem Laufrad 20 und einem eingebauten internen Förderer zur Förderung eines internen Kühlfluids zusammen. Die Wärmeaufnahmestruktur 1 nimmt im Kühlbetrieb an einer äußeren Stirnseite des Kühlers, der Wärmeaufnahmeseite 5, Wärme von einem zu kühlendem Bauteil oder einer zu kühlenden Bauteilgruppe auf. In einem im Kühler geschlossenen, internen Kreislauf wird das interne Kühlfluid umgewälzt, um die aufgenommene Wärme über die Wärmeabfuhrstruktur 4 an die äußere Umgebung abzugeben. Die Wärmeabfuhrstruktur 4 bildet mit ihrer von der Wärmeaufnahmeseite 5 axial abgewandten äußeren Stirnseite eine Wärmeabfuhrseite 8 des Kühlers. Sie weist zur Erhöhung der Wärmeaustauschfläche an ihrer Wärmeabfuhrseite 8 eine Vielzahl von Firmen 19 auf, die von einer flächenhaften Wandstruktur der Wärmeabfuhrstruktur 4 außen abragen. Die Finnen 19 ragen an der Wärmeabfuhrseite 8 axial ab, axial bezogen auf eine Hauptachse A des Kühlers. Die Finnen 19 sind dicht an dicht in einem zweidimensionalen Muster, beispielhaft in Spalten und Reihen, nebeneinander angeordnet, wobei zwischen den Finnen 19 enge Spalte für Kühlluft verbleiben. Das Laufrad 20 ist in einem Anbaugehäuse 21 um die Achse A drehbar gelagert. Das Anbaugehäuse 21 ummantelt das Laufrad 20 und ist in das Feld der Finnen 19 versenkt an der Wärmeabfuhrseite 8 an der Wärmeabfuhrstruktur 4 befestigt.
Die Strukturen 1 bis 4 bilden miteinander ein fluiddichtes Gehäuse des Kühlers. Sie sind längs der Kühlerachse A axial übereinander, beispielhaft aufeinander, in einer Stapelfolge angeordnet, wodurch der Kühler im Ganzen einen schichtweisen äußerst kompakten Aufbau erhält.
Die axial einander jeweils nächstbenachbarten Strukturen umhüllen paarweise miteinander jeweils eine interne Kammer des Kühlers. So umgeben und bilden dadurch die Wärmeabfuhrstruktur 1 und die erste Zwischenwand 2 eine interne Wärmeaufnahmekammer K1, die Zwischenwand 3 und die Wärmeabfuhrstruktur 4 eine interne Wärmeabfuhrkammer K2 und die beiden Zwischenwände 2 und 3 eine interne Förderkammer K3. Die Zwischenwand 2 trennt die Kammern K1 und K3, und die Zwischenwand 3 trennt die Kammern K2 und K3. Allerdings sind die Kammern K1, K2 und K3 über die Zwischenwände 2 und 3 in einem geschlossenen Fluidkreislauf miteinander verbunden, wobei der Fluidkreislauf durch die axial zwischen den Kammern K1 und K2 angeordnete Förderkammer K3 führt.
2 zeigt den Kühler zerlegt in seine Einzelkomponenten, die entlang der Kühlerachse A entsprechend der Stapelfolge im montierten Zustand gereiht sind. 2 ist eine perspektivische Sicht in Richtung auf die Wärmeaufnahmeseite 5 der Wärmeaufnahmestruktur 1 und des Kühlers. 3 zeigt die gleichen Einzelkomponenten längs der Achse A gereiht in einer perspektivischen Sicht in Richtung auf die Wärmeabfuhrseite 8. In der Sicht der 2 ist die Förderkammer K3 und in der Sicht der 3 sind die Wärmeaufnahmekammer K1 und die Wärmeabfuhrkammer K2 erkennbar.
Die Strukturen 1 bis 4 bilden nicht nur die Umhüllung der Kammern K1 bis K3, sondern auch deren Kammerstirnwände. Die Strukturen 1 bis 4 sind im gefügten Zustand, den 1 zeigt, axial übereinander gestapelt. Die Wärmeaufnahme 5 ist von der Wärmeabfuhrseite 8 axial abgewandt. Die Innenseite 6 der Wärmeaufnahmestruktur 1 liegt einer Stirnseite der ersten Zwischenwand 2 axial zugewandt gegenüber, zwischen den beiden Stirnflächen von 1 und 2 ist die Wärmeaufnahmekammer K1 gebildet. In der axialen Stapelfolge liegen sich eine von der Wärmeaufnahmestruktur 1 axial abgewandte Stirnseite der ersten Zwischenwand 2 und eine der Wärmeaufnahmestruktur 1 axial zugewandte Stirnseite der zweiten Zwischenwand 3 axial zugewandt gegenüber und begrenzen miteinander die Förderkammer K3. Die von der Wärmeaufnahmestruktur 1 axial abgewandte andere Stirnseite der Zwischenwand 3 liegt der Innenseite 7 der Wärmeabfuhrstruktur 8 axial zugewandt gegenüber und begrenzt mit dieser die Wärmeabfuhrkammer K2.
Die Strukturen 1 bis 4 sind plattenförmig, die Wärmeabfuhrstruktur 4 allerdings nur an einem Stirnende, mit dem sie die äußere Kammerstirnwand der Wärmeabfuhrkammer K2 bildet. Die Finnen 19 ragen axial von dieser Kammerstirnwand ab und sind mit dieser in einem Stück geformt. Die Wärmeabfuhrstruktur 4 ist an ihrer die Stirnwand der Kammer K2 bildenden Fläche, also an ihrer Innenseite 7, bezogen auf den montierten Zustand, überall eben und glatt.
Die erste Zwischenwand 2 ist an ihren beiden Stirnseiten von Durchgängen abgesehen ebenfalls überall glatt und eben. Die Wärmeaufnahmestruktur 1 und die zweite Zwischenwand 3 hingegen weisen an ihrer der Wärmeabfuhrseite 8 zugewandten Stirnseite jeweils Strömungskanäle für das interne Kühlfluid auf, die Wärmeaufnahmestruktur 1 Strömungskanäle 16 und die Zwischenwand 3 Strömungskanäle 17 (3). Die Zwischenwand 3 weist ferner an ihrer der Wärmeaufnahmeseite 5 zugewandten Stirnseite Formelemente zur Bildung der Förderkammer K3 auf. Ferner sind die Zwischenwände 2 und 3 jeweils mit Durchgängen für das interne Kühlfluid versehen, die Zwischenwand 2 mit zwei axialen Durchgängen 11 und 15 und die Zwischenwand 3 mit zwei axialen Durchgängen 12 und 13.
Die Strukturen 1 bis 4 liegen in der axialen Stapelfolge im montierten Zustand direkt aufeinander, umhüllen also die Kammern K1 bis K3 und dichten diese auch nach außen ab. Sie bilden gleichzeitig das Gehäuse und sämtliche inneren Wandstrukturen des Kühlers. Sie weisen jeweils in ihrem äußeren Randbereich, ihrem Dichtflansch, Durchgangsbohrungen für Montageelemente 23 auf, mittels denen die Wandstrukturen 1 bis 4 im montierten Zustand fest und fluiddicht mit ihren äußeren Dichtflanschen axial gegeneinander gepresst sind. Die Achse A ist eine zentrale Achse des Kühlers, bezogen auf die von den Strukturen 1 bis 4 gebildeten Kammerstirnwände.
In der von den Zwischenwänden 2 und 3 begrenzten Förderkammer K3 ist ein Förderer 10 um die Achse A drehbar gelagert. Der Förderer 10 umfasst ein Flügelrad, das auf einem Achselement 18 frei drehbar in der Förderkammer K3 gelagert ist. Das Achselement 18 erstreckt sich axial zwischen den Zwischenwänden 2 und 3 und ist an beiden Zwischenwänden 2 und 3 abgestützt. Der Förderer 10 wird von außen berührungslos mittels eines Magnetdrehfelds angetrieben. Er weist über das Flügelrad hinaus ein Polglied 9 auf, das drehfest mit dem Flügelrad verbunden, beispielhaft in einer zentralen Buchse des Flügelrads drehfest aufgenommen ist. Das Polglied 9 weist in Umfangsrichtung in alternierender Polarität hintereinander angeordnete Dauermagneten auf. Das interne Polglied 9 bildet mit einem äußeren Polglied 22 eine Magnetkupplung. Das Polglied 22 ist drehfest mit dem äußeren Laufrad 20 verbunden, das elektromotorisch drehangetrieben wird. Das äußere Polglied 22 weist an seinem Umfang ebenfalls in Umfangsrichtung in alternierender Polarität hintereinander angeordnete Dauermagnete auf. Wird das Laufrad 20 drehangetrieben, dreht sich dementsprechend das äußere Polglied 22 und nimmt bei seiner Drehbewegung aufgrund der magnetischen Wechselwirkung das interne Polglied 9 und somit das Flügelrad des Förderers 10 mit. Das äußere Laufrad 20, das interne Flügelrad und die Polglieder 9 und 22 sind koaxial, d. h. um die gleiche Achse A drehbar.
Die erste Zwischenwand 2 erfüllt im Wesentlichen die Funktion einer die Kammern K1 und K3 trennenden Kammerstirnwand. Sie ist als dünne ebene Platte mit glatten Stirnflächen gebildet. Der Durchgang 11 bildet den Auslass der Wärmeaufnahmekammer K1, und der andere Durchgang 15 bildet den Einlass der Kammer K1.
Die zweite Zwischenwand 3 ist als eine im Vergleich mit der Zwischenwand 2 dickere Platte geformt. Sie trennt die Wärmeabfuhrkammer K2 von der Förderkammer K3. Sie weist an ihrer der Zwischenwand 2 zugewandten Stirnseite im zentralen Bereich um die Kühlerachse A eine Vertiefung auf, die von einer aus dem vertieften Bereich axial aufragenden, stegförmig dünnen Abragung umlaufend umgeben wird. In der Vertiefung ist im gefügten Zustand der Strukturen 1 bis 4 der Förderer 10 aufgenommen. Die Abragung um die Vertiefung bildet eine Ummantelung für den Förderer 10. Im gefügten Zustand liegt die Zwischenwand 2 auf der die Vertiefung und somit die Förderkammer K3 radial außen umgebenden Abragung auf, so dass die Abragung die Förderkammer K3 zur Zwischenwand 2 hin über den Umfang der Vertiefung abdichtet. Außerhalb des von der Abragung umgebenen Bereichs, also außerhalb der Förderkammer K3, weist die Zwischenwand 3 den Durchgang 12 auf, der im gefügten Zustand unmittelbar an den Auslass 11 der Kammer K1 anschließt und mit diesem zusammen einen geraden axialen Durchgang und somit eine kürzestmögliche direkte Fluidverbindung zwischen der Wärmeaufnahmekammer K1 und der Wärmeabfuhrkammer K2 schafft. In dem von der Abragung ummantelten Bereich, der Förderkammer K3, befindet sich an einer Seite nahe der Abragung ein weiterer Durchgang 13, der in 2 vom Polglied 9 verdeckt wird und der im montierten Zustand die Wärmeabfuhrkammer K2 mit der Förderkammer K3 direkt verbindet. Der Durchgang 12 bildet den Einlass und der Durchgang 13 bildet den Auslass der Wärmeabfuhrkammer K2. Der Durchgang 13 bildet ferner den Einlass der Förderkammer K3. Die Förderkammer K3 weist in einem dem Durchgang 13 über die Achse A gegenüberliegenden Bereich einen Auslass 14 auf, in den im gefügten Zustand der Einlass 15 der Wärmeaufnahmekammer K1 mündet.
Im Kühlbetrieb nimmt die Wärmeaufnahmestruktur 1 an ihrer Wärmeaufnahmeseite 5 Wärme von dem zu kühlenden Bauteil oder der zu kühlenden Bauteilgruppe auf und gibt die Wärme an ihrer Innenseite 6 an das durch die Wärmeaufnahmekammer K1 strömende interne Kühlfluid ab. Das an der Wärmeaufnahmestruktur 1 erwärmte Kühlfluid wird mittels des Förderers 10 durch den Auslass 11 der Kammer K1 und den Einlass 12 der Kammer K2 auf axial geradem und somit kürzestem Weg direkt in die Wärmeabfuhrkammer K2 gefördert. Beim Durchströmen der Wärmeabfuhrkammer K2 gibt das interne Kühlfluid die aufgenommene Wärme an die Wärmeabfuhrstruktur 4 ab. Das abgekühlte Kühlfluid verlasst die Wärmeabfuhrkammer K2 durch deren Auslass 13, strömt in die Förderkammer K3 und wird darin mittels des drehenden Förderers 10 zum Auslass 14 der Förderkammer K3 transportiert. Beim Förderkammerauslass 14 strömt das Kühlfluid durch den Durchgang 15 der Zwischenwand 2, der den Einlass 15 der Kammer K1 bildet, in die Wärmeaufnahmekammer K1 zurück, und der Kreislauf beginnt erneut.
4 zeigt die Wärmeaufnahmestruktur 1 von ihrer Innenseite 6, an der sie mit der Zwischenwand 2 die Wärmeaufnahmekammer K1 bildet. Die Wärmeaufnahmestruktur 1 weist an ihrer Innenseite 6 eine Reliefstruktur auf mit stegartigen Abragungen und dazwischenliegenden Vertiefungen. Die Vertiefungen bilden Strömungskanäle 16, in denen das Kühlfluid beim Durchströmen der Kammer K1 vom Kammereinlass 15 bis zum Kammerauslass 11 geführt wird. In Strömungsrichtung gesehen wird die Strömung des Kühlfluids in mehrere Strömungskanäle 16 aufgefächert, die sich in Richtung auf den Kammerauslass 11 wieder zu einem einzigen, im Querschnitt entsprechend größeren Strömungskanal 16 vereinigen. Die aus den vertieften Oberflächenbereichen axial aufragenden Abragungen begrenzen die Strömungskanäle 16 zu deren Seiten. Die Zwischenwand 2 liegt im montierten Zustand dichtend an diesen Abragungen an, so dass die Strömungskanäle 16 quer zur Strömungsrichtung voneinander separiert sind. Mittels der Strömungskanäle 16 wird dem Kühlfluid in der Kammer K1 ein für die Wärmeaufnahme günstiger Strömungsverlauf aufgezwungen.
5 zeigt die erste Zwischenwand 2 in einer Draufsicht auf die der Wärmeaufnahmestruktur 1 zugewandte Stirnseite, also auf die Stirnseite, an der im gefügten Zustand der Strukturen 1 bis 4 die Wärmeaufnahmekammer K1 gebildet ist.
In 6 ist die der Zwischenwand 2 zugewandte Stirnfläche der zweiten Zwischenwand 3 dargestellt. Die Zwischenwand 3 weist an dieser Stirnfläche ein Oberflächenrelief mit axial zurückstehenden Vertiefungen und dazwischen stegartig aufragenden Abragungen auf. Insbesondere umrahmt eine dieser Abragungen eine um die Kühlachse A erstreckte Vertiefung, die wie bereits erläutert die Förderkammer K3 bildet, in welcher der Förderer 10 um die Achse A drehbar aufgenommen ist. In 6 sind insbesondere auch die axialen Durchgänge 12 und 13 zu erkennen, von denen der Durchgang 12 den Einlass der Wärmeabfuhrkammer K3 und der Durchgang 13 deren Auslass und gleichzeitig den Einlass der Förderkammer K3 bildet. Der Auslass 14 der Förderkammer K3 wird von einem wurmartigen seitlichen Fortsatz der Kammer K3 gebildet, der dem Förderkammereinlass 13 über die Achse A gegenüberliegend angeordnet ist und durch die umrahmende Abragung gebildet wird. Der Durchgang 12, der die Kammern K1 und K2 durch die Zwischenwand 3 hindurch auf kürzestem Wege miteinander verbindet, wird von der die Förderkammer K3 umrahmenden Abragung von der Förderkammer K3 separiert, so dass im Raum axial zwischen den Zwischenwänden 2 und 3 kein Fluidaustausch zwischen dem zur Kammer K2 hinströmenden warmen und dem durch die Kammer K3 rückströmenden kälteren Kühlfluid stattfindet.
7 zeigt die Zwischenwand 3 von ihrer der Wärmeabfuhrstruktur 4 zugewandten Stirnseite. Die Zwischenwand 3 weist auch an dieser Stirnseite ein Oberflächenrelief mit flachen Vertiefungen und aus den Vertiefungen axial aufragenden, stegartigen Abragungen auf. Dieses Oberflächenrelief bildet vergleichbar dem Oberflächenrelief an der Innenseite 6 der Wärmeaufnahmestruktur 1 ein System von Strömungskanälen 17, in denen das Kühlfluid die Wärmeabfuhrkammer K2 vom Einlass 12 bis zum Auslass 13 durchströmt. Die Strömungskanäle 17 sind in der Stirnansicht gesehen mäanderförmig, um den Strömungsweg des Kühlfluids zwischen dem Einlass 12 und dem Auslass 13 zu verlängern. Die Strömungskanäle 17 werden von der flächig an den Abragungen anliegenden Innenseite 7 der Wärmeabfuhrstruktur 4 abgedichtet.
Die Wärmeaufnahmestruktur 1 und die Wärmeabfuhrstruktur 4 sind aus einem Material mit einer hohen thermischen Leitfähigkeit gefertigt. Sie können insbesondere aus einem metallischen Werkstoff gefertigt sein, vorzugsweise aus Kupfer oder Aluminium oder einer Kupfer- oder Aluminiumlegierung. Die Zwischenwände 2 und 3 hingegen sind aus einem Material mit demgegenüber niedriger thermischer Leitfähigkeit, vorzugsweise einem thermischen Isolatormaterial geformt. Die Zwischenwände 2 und 3 können insbesondere aus Kunststoff geformt sein. Bei Formung der Zwischenwand 3 aus Kunststoff kann diese mit den beiden reliefartigen Stirnflächen und sämtlichen Durchgängen, insbesondere den Durchgängen 12 und 13 in einem Spritzgussverfahren geformt werden. Die Strukturen 1 bis 4 werden vorzugsweise jeweils in einem Verfahren der Urformung in einem Stück geformt und, soweit erforderlich, jeweils nachbearbeitet. Grundsätzlich kann jedoch auch eine der Strukturen 1 bis 4 oder können mehrere der Strukturen 1 bis 4 aus mehreren separat gefertigten Teilen bestehen, die zur jeweiligen Struktur 1, 2, 3 oder 4 fest miteinander gefügt sind.
Der sandwich- bzw. schichtartige Aufbau mit den axial übereinander, vorzugsweise aufeinander gestapelten Strukturen 1 bis 4 sorgt für einen axial flachen Aufbau mit effizienter Führung des Kühlfluids. Die direkte Hinströmung aus der Kammer K1 durch die axial kurzen Durchgänge 11 und 12 in die Kammer K2 minimiert für diesen Strömungszweig die Strömungsverluste. Auch der Rückströmweg aus K2 über K3 in die Kammer K1 ist vorteilhaft kurz. Die thermische Isolierung durch die Zwischenwände 2 und 3 sorgt dafür, dass die Wärmeaufnahme auf die Wärmeaufnahmekammer K1 und die Wärmeabfuhr auf die Wärmeabfuhrkammer K2 konzentriert wird. Zur flachen Bauweise und verlustarmen Strömungswegen trägt insbesondere bei, dass die Zwischenwände 2 und 3 nicht nur Kammerstirnwände der Wärmeaufnahmekammer K1 und der Wärmeabfuhrkammer K2, sondern auch die beiden Stirnwände der Förderkammer K3 bilden. Es wird somit kein eigenes Gehäuse für die Förderkammer K3 benötigt, vielmehr wird diese als integrierte Kammer erhalten. Dies verkürzt vorteilhafterweise bereits für sich die beiden Strömungswege zwischen den Kammern K1 und K2. Die genannten Merkmale tragen ferner jedes für sich dazu bei, dass das interne Volumen des Kühlers und somit die Menge des verwendeten Kühlfluids, vorzugsweise Kühlwasser, vergleichsweise gering gehalten werden kann. Ein im genannten Sinne günstiger weiterer Faktor ist die Bereitstellung der Strömungskanäle 16 und 17 und der Förderkammer K3 durch reliefartige Oberflächenstrukturen mit flachen Vertiefungen und Abragungen. Schließlich tragen je für sich und in Kombination auch die zwischen den Finnen 19 versenkte Anordnung des Laufrads 20 und die frei drehbare Lagerung des Förderers 10 und dessen Antrieb berührungslos von außen, beispielhaft im Schlepp des Laufrads 20, zur Kompaktheit, insbesondere zum axial flachen Aufbau bei.
Der Kühler kann um einen oder mehrere Temperatursensor(en) ergänzt werden, der oder die die Temperatur des Kühlers, vorzugsweise des Kühlfluids, besonders bevorzugt in der Kammer K1, erfasst oder erfassen, um sie für eine Regelung für einen Drehantrieb des Laufrads 20 zu nutzen. Der Kühler kann mittels der Regelung anhand einer als Führungsgröße vorgegebenen Soll-Temperatur in Abhängigkeit von der oder den als Regelgröße(n) zurückgeführten, erfassten Ist-Temperatur(en) in einem geregelten Kühlbetrieb betrieben werden. Durch Vergleich der Führungsgröße mit der oder den Regelgröße(en) bildet eine Regelungseinrichtung eine Stellgröße für den Antrieb des Laufrads 20. Das Laufrad 20 wird von diesem äußeren Antrieb entsprechend angetrieben und schleppt über die Magnetkupplung 9, 22 den internen Förderer 10 mit, der im internen Kreislauf das interne Kühlfluid in Abhängigkeit vom Kühlbedarf umwälzt. Die Strukturen 1 bis 4 kapseln den internen Kühlkreislauf leckagedicht ab. Im Ergebnis entsteht ein kompakter und robuster, optional sich selbst bedarfgerecht regelnder Kühler für elektronische Hochleistungskomponenten und auch andere zu kühlende Bauteile und Bauteilgruppen. Die Ausführungen über die Regelvariante mit Temperaturerfassung am oder vorzugsweise im Kühler gelten nicht nur für das Ausführungsbeispiel, sondern auch für alle anderen Ausführungsformen eines erfindungsgemäßen Kühlers.

1: Wärmeaufnahmestruktur
2: Zwischenwand
3: Zwischenwand
4: Wärmeabfuhrstruktur
5: Wärmeaufnahmeseite
6: Innenseite
7: Innenseite
8: Wärmeabfuhrseite
9: Magnetpolglied
10: Förderer
11: Auslass der Wärmeaufnahmekammer
12: Einlass der Wärmeabfuhrkammer
13: Auslass der Wärmeabfuhrkammer, Einlass Förderkammer
14: Auslass Förderkammer
15: Einlass der Wärmeaufnahmekammer
16: Strömungskanäle
17: Strömungskanäle
18: Achselement
19: Finnen
20: Laufrad
21: Gehäuse
22: Magnetpolglied
23: Montageelement
24: Montageelement
A: Bezugsachse, Stapelachse
K1: Wärmeaufnahmekammer
K2: Wärmeabfuhrkammer
K3: Förderkammer

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 10200701701 B3 [0002]

Claims

Kompaktfluidkühler umfassend: a) eine Wärmeaufnahmekammer (K1) für ein Kühlfluid, b) eine längs einer Kühlerachse (A) über der Wärmeaufnahmekammer (K1) befindliche Wärmeabfuhrkammer (K2) für das Kühlfluid, c) eine Wärmeaufnahmestruktur (1), die eine äußere Kammerwand der Wärmeaufnahmekammer (K1) bildet, d) eine Wärmeabfuhrstruktur (4), die eine äußere Kammerwand der Wärmeabfuhrkammer (K1) bildet, e) eine Förderkammer (K3), die entweder als zusätzliche Kammer axial zwischen der Wärmeaufnahmekammer (K1) und der Wärmeabfuhrkammer (K2) angeordnet ist oder von einer dieser beiden Kammern (K1, K2) gebildet wird, f) einen in der Förderkammer (K3) angeordneten Förderer (10), mittels dem das Kühlfluid in einem geschlossenen Kreislauf aus der Wärmeaufnahmekammer (K1) in die Wärmeabfuhrkammer (K2) und aus dieser zurück in die Wärmeaufnahmekammer (K1) förderbar ist, g) und eine axial zwischen der Wärmeaufnahmekammer (K1) und der Wärmeabfuhrkammer (K2) angeordnete erste Zwischenwand (2), die eine Kammerwand der Förderkammer (K3) und ferner eine innere Kammerwand der Wärmeaufnahmekammer (K1) oder der Wärmeabfuhrkammer (K2) bildet.
Kompaktfluidkühler nach dem vorhergehenden Anspruch, bei dem eine weitere, zweite Zwischenwand (3) axial zwischen der ersten Zwischenwand (2) und der Wärmeabfuhrkammer (K2) angeordnet ist, die erste Zwischenwand (2) die innere Kammerwand der Wärmeaufnahmekammer (K1) und die zweite Zwischenwand (3) eine innere Kammerwand der Wärmeabfuhrkammer (K2) bildet und die Förderkammer (K3) sich axial zwi schen den Zwischenwänden (2, 3) befindet, die vorzugsweise Kammerwände der Förderkammer (K3) sind.
Kompaktfluidkühler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Wärmeaufnahmestruktur (1), die Zwischenwand (2) oder -wände (2, 3) und die Wärmeabfuhrstruktur (4) axial übereinander in einem Stapel angeordnet sind.
Kompaktfluidkühler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Förderkammer (K3) in einer Stirnansicht des Kompaktfluidkühlers gesehen zumindest einen überwiegenden Teil der Wärmeaufnahmekammer (K1) oder der Wärmeabfuhrkammer (K2) überlappt.
Kompaktfluidkühler nach einem der vorhergehenden Ansprüche und wenigstens einem der folgenden Merkmale: (i) die Wärmeaufnahmestruktur (1) und die erste Zwischenwand (2) sind miteinander gefügt und bilden jeweils eine axiale Stirnwand der Wärmeaufnahmekammer (K1), vorzugsweise umgeben sie die Wärmeaufnahmekammer (K1) an allen Seiten; (ii) die Wärmeabfuhrstruktur (4) und die zweite Zwischenwand (3) nach Anspruch 2 sind miteinander gefügt und bilden jeweils eine axiale Stirnwand der Wärmeabfuhrkammer (K2), vorzugsweise umgeben sie gemeinsam die Wärmeabfuhrkammer (K2) an allen Seiten; (iii) die erste Zwischenwand (2) und die zweite Zwischenwand (3) nach Anspruch 2 sind miteinander gefügt und bilden jeweils eine axiale Stirnwand der Förderkammer (K3), vorzugsweise umgeben sie gemeinsam die Förderkammer (K3) an allen Seiten.
Kompaktfluidkühler nach einem der vorhergehenden Ansprüche und wenigstens einem der folgenden Merkmale: (i) das Kühlfluid ist durch einen Auslass (11) der ersten Zwischenwand (2) aus der Wärmeaufnahmekammer (K1) und durch einen Einlass (15) der ersten Zwischenwand (2) in die Wärmeaufnahmekammer (K1) förderbar; (ii) das Kühlfluid ist durch einen Einlass (12) der zweiten Zwischenwand (3) nach Anspruch 2 in die Wärmeabfuhrkammer (K2) und durch einen Auslass (13) der zweiten Zwischenwand (3) aus der Wärmeabfuhrkammer (K2) förderbar.
Kompaktfluidkühler nach dem vorhergehenden Anspruch, bei dem (i) entweder der Auslass (13) der zweiten Zwischenwand (3) und der Einlass (15) der ersten Zwischenwand (2) über die Förderkammer (K3), vorzugsweise jeweils direkt mit der Förderkammer (K3), und der Auslass (11) der ersten Zwischenwand (2) und der Einlass (12) der zweiten Zwischenwand (3) unter Umgehung der Förderkammer (K3) miteinander, vorzugsweise direkt, verbunden sind, (ii) oder aber der Auslass (11) der ersten Zwischenwand (2) und der Einlass (12) der zweiten Zwischenwand (3) über die Förderkammer (K3), vorzugsweise jeweils direkt mit der Förderkammer (K3), und der Auslass (13) der zweiten Zwischenwand (3) und der Einlass (15) der ersten Zwischenwand (2) unter Umgehung der Förderkammer (K3) miteinander, vorzugsweise direkt, verbunden sind.
Kompaktfluidkühler nach einem der vorhergehenden Ansprüche und wenigstens einem der folgenden Merkmale: (i) in der Wärmeaufnahmekammer (K1) ist wenigstens ein Strömungskanal (16) vorgesehen, um das Kühlfluid im Kühlbetrieb von einem Einlass (15) zu einem Auslass (11) der Wärmeaufnahmekammer (K1) zu führen; (ii) in der Wärmeabfuhrkammer (K2) ist wenigstens ein Strömungskanal (17) vorgesehen, um das Kühlfluid im Kühlbetrieb von einem Einlass (12) zu einem Auslass (13) der Wärmeabfuhrkammer (K2) zu führen.
Kompaktfluidkühler nach dem vorhergehenden Anspruch, bei dem an einer Oberfläche der Wärmeaufnahmestruktur (1) oder ersten Zwischenwand (2) oder Wärmeabfuhrstruktur (4) oder zweiten Zwischenwand (3) nach Anspruch 2 wenigstens eine Vertiefung oder Abragungen vorhanden ist oder sind, vorzugsweise an der Wärmeaufnahmestruktur (1) und an der zweiten Zwischenwand (3), und die wenigstens eine Vertiefung oder die Abragungen den wenigstens einen Strömungskanal (16, 17) bildet oder bilden.
Kompaktfluidkühler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Wärmeaufnahmekammer (K1) und die Wärmeabfuhrkammer (K2) in Bezug auf Wärmeleitung thermisch voneinander isoliert sind, vorzugsweise mittels der ersten Zwischenwand (2) oder der zweiten Zwischenwand (3) nach Anspruch 2.
Kompaktfluidkühler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Kammerwände (1, 2, 3, 4) schalenförmig gewölbt oder vorzugsweise plattenförmig sind.
Kompaktfluidkühler nach einem der vorhergehenden Ansprüche und wenigstens einem der folgenden Merkmale: (i) der Förderer (10) ist um eine zu der ersten Zwischenwand (2) vorzugsweise zumindest im Wesentlichen orthogonale Drehachse (A) drehbar; (ii) der Förderer (10) ist um eine Drehachse (A) frei drehbar gelagert; (iii) der Förderer (10) ist an der ersten Zwischenwand (2) oder der zweiten Zwischenwand (3) nach Anspruch 2 drehbar abgestützt, vorzugsweise auf oder an einem von der Zwischenwand (2, 3) abragenden Achselement (18).
Kompaktfluidkühler nach einem der zwei vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Förderer (10) ein Magnetpolglied (9) mit um die Drehachse (A) alternierender Polarität umfasst, das in einer der Kammern (K1, K2, K3), vorzugsweise der Förderkammer (K3), angeordnet und berührungslos mittels eines außerhalb der Kammern erzeugten Magnetdrehfelds drehantreibbar ist.
Kompaktfluidkühler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend ein äußeres Laufrad (20) für eine konvektive Kühlung der Wärmeabfuhrstruktur (4) mit einem mittels des Laufrads (20) über eine äußere Oberfläche (8) der Wärmeabfuhrstruktur (4) förderbaren Gases, wobei das Laufrad (20) vorzugsweise an der Wärmeabfuhrstruktur (4) angeordnet ist.
Kompaktfluidkühler nach dem vorhergehenden Anspruch, bei dem der Förderer (10) und das Laufrad (20) drehbar angeordnet und mittels einer berührungslosen Magnetkupplung (9, 22) Drehmoment übertragend miteinander gekoppelt sind.
Kompaktfluidkühler nach einem der zwei vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Förderer (10) und das Laufrad (20) koaxial drehbar angeordnet sind.
Kompaktfluidkühler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem an der Außenseite der von der Wärmeabfuhrstruktur (4) gebildeten Kammerwand Finnen (19) abragen, vorzugsweise zumindest im Wesentlichen orthogonal zu dieser Kammerwand.
Kompaktfluidkühler nach dem vorhergehenden Anspruch in Kombination mit Anspruch 14, bei dem das äußere Laufrad (20) zwischen den Finnen (19) angeordnet ist und eine Drehachse (A) des Laufrads (20) vorzugsweise zumindest im Wesentlichen orthogonal zu der von der Wärmeabfuhrstruktur (4) gebildeten Kammerwand weist.