DE202011000830U1

DE202011000830U1 - Konvektionswärmeübertrager

Info

Publication number: DE202011000830U1
Application number: DE202011000830U
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2011-04-08
Filing date: 2011-04-08
Publication date: 2011-08-05
Anticipated expiration: 2021-04-09

Abstract

Konvektionswärmeübertrager (1), bestehend aus einem Metall- oder Keramikblock, mit einer planen, undurchbrochenen Grundfläche (2), in dem sich zumindest ein, von Luft durchströmbarer, mit einem Winkel ≤ 60° zur Grundfläche (2) verlaufender rohrförmiger Zuströmkanal (3.1) und mehrere von der Grundfläche (2) wegführende rohrförmige Abströmkanäle (3.2) befinden, wobei jeder Zuströmkanal (3.1) mit zumindest einem Abströmkanal (3.2) in Verbindung steht.

Description

Die Erfindung betrifft einen Konvektionswärmeübertrager gemäß des Schutzanspruchs 1, dessen Anwendung sich insbesondere für die Kühlung elektronischer Bauelemente wie Hochleistungs-Leuchtdioden anbietet.
Für die Kühlung elektronischer Bauelemente sind aus dem Stand der Technik eine Vielzahl von Wärmeübertragern unterschiedlichster Bauformen bekannt.
Sehr weit verbreitet, weil einfach und kostengünstig herstellbar, sind stranggepresste Wärmeübertrager aus Aluminium. Diese haben im Regelfall eine mit dem zu kühlenden Objekt in thermischen Kontakt stehende Grundplatte, an der eine Vielzahl von wegzeigenden Kühlrippen ausgeformt sind. Ohne zusätzliche Lüfter eignen sich solche Wärmeübertrager jedoch nur für die Übertragung relativ geringer Wärmemengen; sie finden daher hauptsächlich in elektronischen Geräten geringer Leistung Anwendung. Für die Übertragung größerer Wärmemengen müssen sie mit Lüftern kombiniert werden, die einen für die Wärmeabfuhr erforderlichen Luftstrom erzeugen; Das Lüftergeräusch ist allerdings bei vielen Anwendungsfällen ausgesprochen störend.
Als weitere Möglichkeit, einfache Kühlkörper herzustellen, ist die Nutzung der Gusstechnik. Ein gusstechnisch hergestellter Kühlkörper für Halbleiterzellen ist seit vielen Jahren aus DE 1 864 800 U bekannt. Aber auch hier ist es notwendig, aufgrund der geringen Kühlleistung bei höheren Anforderungen einen Lüfter einzusetzen.
Aus US 5 781 411 A kann ein lüfterloser Kühlkörper entnommen werden, der die Konvektionsströmung erwärmter Luft nutzt, um einen effektiven Kamineffekt zu erzeugen. Der Kühlkörper besteht aus einer Grundplatte, auf dem eine Vielzahl senkrecht stehender Rohre befestigt ist. Über die Grundplatte wird die von einem elektronischen Bauelement erzeugte Wärme in die Rohre geleitet. Die sich in den Rohren befindliche Luft erwärmt sich an den Innenseiten der Rohrwände und steigt auf. Durch im unteren Bereich der Rohre eingebrachte Öffnungen kann kühle Umgebungsluft von außen in die Rohre nachströmen; es entsteht ein im Vergleich zu den zuvor beschrieben Wärmeübertragern – ohne die Zuhilfenahme von Lüftern – verhältnismäßig starker Luftstrom.
Nachteilig ist, dass der Kühlkörper fertigungstechnisch sehr aufwändig ist, da jedes einzelne Rohr gesondert erzeugt und auf der Grundplatte befestigt werden muss. Hinzu kommt, dass sich der Kamineffekt nur an den außen angeordneten Rohren effektiv nutzen lässt, da die Luft, die von den innen liegenden Rohren angesaugt wird, beim Vorbeiströmen an den weiter außen liegenden Rohren bereits Wärme aufnimmt und zwischen den Rohren aufsteigt, bevor die innen liegenden Rohre erreicht wurden. Der Kamineffekt wird damit reduziert.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen sich den Kamineffekt zu Nutze machenden Konvektionswärmeübertrager zur Verfügung zu stellen, der die Nachteile des Standes der Technik beseitigt.
Gelöst wird die Aufgabe durch einen Konvektionswärmeübertrager gemäß dem Schutzanspruch 1; vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
Nach Maßgabe der Erfindung hat der Konvektionswärmeübertrager, der aus einem Metall- oder Keramikblock besteht, eine plane, undurchbrochene Grundfläche. In ihm befinden sich zumindest ein, von Luft durchströmbarer, mit einem Winkel ≤ 60° zur Grundfläche verlaufender Zuströmkanal und mehrere von der Grundfläche wegführende Abströmkanäle, wobei jeder Zuströmkanal mit zumindest einem Abströmkanal in Verbindung steht. Der Konvektionswärmeübertrager wird bevorzugt gießtechnisch erzeugt.
Der wesentliche Vorteil des erfindungsgemäßen Konvektionswärmeübertrager ist, dass sich durch die Formgebung und Führung der Kanäle die Durchströmung des Konvektionswärmeübertragers gezielt beeinflussen lässt.
Dabei erlaubt es besonders die Gießtechnik, kostengünstig sehr komplexe Körper mit sich hinterschneidenden Hohlräumen herzustellen. Für die Herstellung des Wärmeübertragers eignen sich nahezu alle der bekannten gießtechnischen Verfahren.
Besonders vorteilhaft ist die Anwendung des Sandgussverfahrens, da die Oberfläche eines demgemäß hergestellten Wärmeübertragers technologiebedingt eine hohe Rauhigkeit aufweist; die Oberfläche des Konvektionswärmeübertragers ist folglich vergleichsweise groß und geht mit der Erhöhung seines Wirkungsgrades einher.
Bei einer ersten Ausgestaltung des Konvektionswärmeübertragers besteht dieser aus einem metallischen Quader, dessen Grundfläche, im Anwendungsfall mit der zu kühlenden Wärmequelle in thermischen Kontakt steht. Er hat mehrere parallel (Winkel zwischen Kanal und Grundfläche gleich 0°) zu der Grundfläche verlaufende Zuströmkanäle, die mit zumindest einem von der Grundfläche wegführenden Abströmkanal verbunden sind.
Die Wärmeenergie, beispielsweise gespeist durch Hochleistungsdioden, wird in die so gebildete offene Struktur des vorzugsweise aus Aluminium oder Kupfer bestehenden Konvektionswärmeübertragers geleitet, wodurch sich dieser und die in den Kanälen befindliche Luft erwärmen. Während die erwärmte Luft durch die (vorzugsweise lotrecht ausgerichteten) Abströmkanäle aufsteigt, strömt durch die Zuströmkanäle kühle Luft nach. Die gesamte Luft, die durch die Zuströmkanäle in den Konvektionswärmeübertrager einströmt, kann diesen nur durch die Abströmkanäle wieder verlassen. Im Vergleich zu den aus dem Stand der Technik bekannten Konvektionswärmeübertragers ist der Kamineffekt ungehindert.
Um einen noch höheren Wärmeübertrag zwischen dem Wärmeübertrager und der Luft zu gewährleisten, ragen in einer weiteren Ausgestaltung von der Grundfläche des Konvektionswärmeübertragers Stifte oder Platten in die Abströmkanäle, die koaxial zu den Abströmkanälen ausgerichtet und stoffschlüssig mit der Grundfläche verbunden sind. In den Abströmkanälen können sich quer zur Strömungsrichtung der Luft verlaufende und zueinander parallele Stege befinden, die zumindest mit einer Wand der Abströmkanäle stoffschlüssig verbunden sind. Zudem kann der Konvektionswärmeübertragers an seinen von der Luft umströmbaren Oberflächen mit Kühlrippen versehen sein.
In einer anderen Ausgestaltung hat der Konvektionswärmeübertrager anstelle von einigen Abströmkanälen mit Wärmespeichermaterial gefüllte Behältnisse, deren Grundfläche regelmäßig mit der der Abströmkanäle identisch ist. Als Wärmespeichermaterial wird bevorzugt ein Phasenwechselmaterial oder Wasser verwendet.
Teile des Konvektionswärmeübertragers mit einem Phasenwechselmaterial zu befüllen, hat den Vorteil, dass Lastspitzen beim Wärmeeintrag abgefangen werden können. Sollte die Konvektionsströmung der Luft durch den Konvektionswärmeübertrager nicht ausreichen, um die Wärme schnell genug abzuführen, geht das Phasenwechselmaterial vom festen in den flüssigen Aggregatzustand über. Es wird dem zu kühlenden Objekt sensible Wärme entzogen, die als latente Wärme im Konvektionswärmeübertrager zwischengespeichert wird, ohne das die Temperatur des Konvektionswärmeübertrager und des zu kühlenden Bauteils über eine kritische Temperatur ansteigt.
Sobald die Luft wieder mehr Wärme aufnehmen kann als am zu kühlenden Objekt erzeugt wird, wird dem Phasenwechselmaterial wieder latente Wärme entzogen und in Form sensibler Wärme an die Umgebung abgegeben; das Phasenwechselmaterial verfestigt sich in der Folge wieder. Es wird ein Phasenwechselmaterial verwendet, dessen Phasenübergangstemperatur etwas unterhalb der kritischen Temperatur des zu kühlenden Objekts liegt.
Die Anwendung des erfindungsgemäßen Konvektionswärmeübertragers bietet sich für Anwendungen an, bei denen es darum geht, Luft in kurzer Zeit auf hohe Temperaturen zu erwärmen, so beispielsweise in einem Heißluft-Händetrockner, Fön oder Solarabsorber.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von fünf Ausführungsbeispielen und den 1 bis 6 veranschaulicht; hierbei zeigen:
1: einen angeschnittenen würfelförmigen Konvektionswärmeübertrager mit runden Kanälen;
2: einen angeschnittenen würfelförmigen Konvektionswärmeübertrager mit runden Kanälen und Nuten;
3: einen angeschnittenen würfelförmigen Konvektionswärmeübertrager mit runden Kanälen, Nuten und PCM-Einschluss;
4: einen angeschnittenen würfelförmigen Konvektionswärmeübertrager mit rechteckigen Kanälen und Heizeinrichtung;
5: einen Konvektionswärmeübertrager für Leuchtdioden in Profilansicht;
6: den Konvektionswärmeübertrager aus 5 in Schnittdarstellung.
Der in 1 gezeigte Konvektionswärmeübertrager 1 sitzt auf einem zu kühlenden Mikroprozessor (IC). In dem Konvektionswärmeübertrager 1 sind acht parallel zu seiner Grundfläche 2 verlaufende Zuströmkanäle 3.1 eingebracht, die jeweils mit zwei von oben in den Konvektionswärmeübertrager 1 eingebrachten Abströmkanälen 3.2 in Verbindung stehen. Die Zuströmkanäle 3.1 verlaufen von zwei sich gegenüberliegenden Seiten des Wärmeübertragers 1 aufeinander zu, ohne sich zu treffen; kühle Luft kann so von zwei Seiten in den Konvektionswärmeübertrager 1 hineinströmen.
Der in 2 dargestellte Konvektionswärmeübertrager 1 unterscheidet sich von dem in 1 dadurch, dass die Abströmkanäle 3.2 durch Nuten 4 voneinander getrennt sind und die Zuströmkanäle mit einem Winkel von 45° zur Grundfläche in den Wärmeübertrager hineinführen. Die Nuten 4 verlaufen orthogonal zueinander und bilden in der Draufsicht ein Gittermuster. Das die Abströmkanäle umgebende Material bildet also separate Kühlfinger. Der Vorteil ist, dass so die wirksame, luftumspülte Oberfläche des Konvektionswärmeübertrager 1 erhöht wird. Durch die winklig zur Grundfläche ausgerichteten Zuströmkanäle 3.1 wird die Luft beim Übertritt von den Zuströmkanälen 3.1 in die Abströmkanäle 3.2 weniger stark.
Die in 3 gezeigte Ausführungsvariante zeigt einen Konvektionswärmeübertrager 1 mit parallel zu der Grundfläche 2 verlaufenden Zuströmkanälen 3.1. Die Abströmkanäle 3.2 sind durch Nuten 4 voneinander getrennt. An den vier Ecken der Grundfläche befindet sich jeweils ein mit einem Stopfen 5 verschlossener Behälter, der mit einem Phasenwechselmaterial (PCM) gefüllt ist und dessen Geometrie der der Kühlfinger entspricht. In die übrigen Abströmkanäle 3.2 erstrecken sich von der Grundfläche 2 aus, stoffschlüssig mit dieser verbundene Stifte 6.
Die Kanäle 3.1 und 3.2 des in 4 dargestellten Konvektionswärmeübertragers 1 aus Keramik haben einen rechteckigen Querschnitt, wobei sich in die Abströmkanäle 3.2 von der Grundfläche 2 aus Stifte 6 erstrecken, die jeweils mit einer Heizspirale 7 umwickelt sind. Diese Ausführung kann vorteilhaft wie oben erwähnt zum Beispiel in einem Heißluft-Händetrockner eingesetzt sein. Der erfindungsgemäße Wärmeübertrager wird also nicht als Kühlkörper, sondern als Heizelement genutzt.
In 5 und 6 ist ein Konvektionswärmeübertrager speziell für Hochleistungs-Leuchtdioden gezeigt. Der Konvektionswärmeübertrager 1 hat die Form eines U-Profils. Zwischen den Schenkeln des Profils sind mehre Leuchtdioden (LED) in einer Reihe angeordnet. In den Schenkeln befinden sich von der Umgebungsluft durchströmbare Kanäle 3, die aus den Zuströmkanälen 3.1 und den Abströmkanälen 3.2 bestehen.
Bezugszeichenliste

1: Konvektionswärmeübertrager
2: Grundfläche
3: Kanal
3.1: Zuströmkanal
3.2: Abströmkanal
4: Nut
5: Stopfen
6: Stift
7: Heizspirale
PCM: Phasenwechselmaterial
IC: Mikroprozessor
LED: Leuchtdiode

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 1864800 U [0004]
US 5781411 A [0005]

Claims

Konvektionswärmeübertrager (1), bestehend aus einem Metall- oder Keramikblock, mit einer planen, undurchbrochenen Grundfläche (2), in dem sich zumindest ein, von Luft durchströmbarer, mit einem Winkel ≤ 60° zur Grundfläche (2) verlaufender rohrförmiger Zuströmkanal (3.1) und mehrere von der Grundfläche (2) wegführende rohrförmige Abströmkanäle (3.2) befinden, wobei jeder Zuströmkanal (3.1) mit zumindest einem Abströmkanal (3.2) in Verbindung steht.
Konvektionswärmeübertrager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich von der Grundfläche (2) aus, stoffschlüssig mit dieser verbundene, Stifte (6) oder Platten koaxial in die Abströmkanäle (3.2) erstrecken.
Konvektionswärmeübertrager nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich in den Abströmkanälen (3.2) quer zur Strömungsrichtung der Luft parallel zueinander beabstandete Stege befinden, die stoffschlüssig mit zumindest einer Wand des Abströmkanals (3.2) verbunden sind.
Konvektionswärmeübertrager (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass er anstelle einiger Abströmkanäle (3.2) mit Wärmespeichermaterial gefüllte Behältnisse aufweist, wobei zumindest deren Grundfläche mit der der Abströmkanäle (3.2) identisch ist.
Konvektionswärmeübertrager nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmespeichermaterial ein Phasenwechselmaterial (PCM), Wasser, Graphit oder ein Gemisch aus einem Phasenwechselmaterial (PCM) und Wasser ist.
Konvektionswärmeübertrager (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Abströmkanälen (3.2) durch Nuten (4) voneinander getrennt sind.
Konvektionswärmeübertrager nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass er an seinen umströmbaren Oberflächen Kühlrippen hat.