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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Offset-Turbulator für einen Kühlkörper für mindestens ein zu kühlendes Bauelement gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie einen Kühlkörper für mindestens ein zu kühlendes Bauelement gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 9.
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Gattungsgemäße Kühlkörper, insbesondere sogenannte flüssigkeitsführende Kühlplatten werden in zunehmendem Maße zur Entwärmung von Bauteilen der Leistungselektronik, beispielsweise in Umrichtern von elektrischen Antrieben von Nutzfahrzeugen, Schiffen, Pkws, von Maschinen, beispielsweise Schweißanlagen sowie in Anlagen zur Stromerzeugung wie Windturbinen oder Photovoltaikanlagen eingesetzt. Auch zur Temperierung von Traktionsbatterien werden solche Kühlkörper eingesetzt.
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Die aus dem Stand der Technik bekannten Kühlkörper bestehen dabei in der Regel aus Aluminiumplatten mit eingepressten Rohren, Strangpressplatten, reibrührgeschweißten Platten oder auch hartgelöteten Platten mit Turbulatoren.
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Solche gelöteten Kühlkörper mit Turbulatoren besitzen dabei die größte Leistungsdichte und ermöglichen gleichzeitig eine hohe konstruktive Freiheit bei der Zuführung und Verteilung der Kühlflüssigkeit sowie für die Befestigung der zu kühlenden Bauteile wie beispielsweise Leistungshalbleiter.
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Die zu entwärmenden Leistungshalbleiter sind meist IGBTs (Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode), wobei in vielen Fällen konstruktionsbedingt die wärmeerzeugenden Hotspots (Chips, Dioden) paarweise nebeneinander in einer Linie angeordnet sind. Dabei gilt, dass der am schlechtesten gekühlte Hotspot die Leistung des gesamten IGBTs limitiert.
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Als Turbulatoren werden dabei üblicherweise sogenannte Offset-Turbulatoren eingesetzt.
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Turbulatoren müssen zum einen eine hinreichende Fläche zur Wärmeübertragung bereitstellen, zum anderen dienen sie der Verwirbelung bzw. Durchmischung der sie durchströmenden Flüssigkeit bzw. dem Aufbrechen von sich bildenden Grenzschichten. Gleichzeitig soll der Strömungswiderstand (Druckverlust) innerhalb gegebener Limits liegen.
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Da die Turbulatoren i.d.R mit der Ober- und Unterseite des sie aufnehmenden Strömungskanals verlötet sind, sind sie gleichzeitig maßgeblich für die Druckfestigkeit der Kühlplatte verantwortlich.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Offset-Turbulator für einen Kühlkörper sowie einen Kühlkörper für mindestens ein zu kühlendes Bauelement, insbesondere ein Halbleiterbauelement, bereitzustellen, das kostengünstig herstellbar ist und mit dem eine möglichst gleichbleibende Kühlung der in Strömungsrichtung hintereinander angeordneten Bauelemente erreichbar ist.
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Die gestellte Aufgaben wird durch einen Offset-Turbulator für einen Kühlkörper mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch einen Kühlkörper für mindestens ein zu kühlendes Bauelement, insbesondere ein Halbleiterbauelement, mit den Merkmalen des Anspruchs 9 gelöst.
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Der erfindungsgemäße Offset-Turbulator für einen Kühlkörper für mindestens ein zu kühlendes Bauelement, insbesondere ein Halbleiterbauelement, weist eine Vielzahl von quer zu einer Durchströmungsrichtung mit einer Offsetlänge versetzt zueinander angeordnete wellenförmige Lamellen auf.
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Jede der Lamellen weist durch erste und zweite Nockenrücken miteinander verbundene Lamellenflanken auf.
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Die ersten und zweiten Nockenrücken sind dabei mit einer halben Teilung voneinander beabstandet angeordnet.
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Das Verhältnis des Produkts aus Lamellenhöhe und Lamellendicke zur Teilung der Lamellen ist dabei größer oder gleich 0,4.
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Ein Offset-Turbulator mit einem solchen Verhältnis ermöglicht dabei eine kostengünstige Herstellbarkeit des Turbulators bei gleichzeitig guter Kühlung des zu kühlenden Bauelements.
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Vorteilhafte Ausführungsvarianten der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Offset-Turbulators sind die Nockenrücken der Lamellen abgerundet ausgebildet, was insbesondere das Stanzen oder Walzen der bevorzugt aus Aluminiumband gefertigten Lamellen des Offset-Turbulators erleichtert.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsvariante sind benachbarte, versetzt zueinander angeordnete Lamellen im Bereich der Lamellenflanken miteinander verbunden.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsvariante beträgt der Versatz der in Strömungsrichtung hintereinander angeordneten benachbarten Lamellen ein Drittel der Teilung der Lamellen.
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Die Lamellenhöhe des erfindungsgemäßen Offset-Turbulators beträgt gemäß einer vorteilhaften Ausführungsvariante zwischen 3 mm und 8 mm.
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Des Weiteren ist gemäß einer bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Offset-Turbulators das Verhältnis der Lamellenhöhe zur Teilung der Lamellen größer oder gleich 1,33.
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Die Lamellendicke beträgt bevorzugt zwischen 0,3 mm und 1 mm.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsvariante beträgt die Offsetlänge mehr als 1 mm.
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Der erfindungsgemäße Kühlkörper für mindestens ein zu kühlendes Bauelement, insbesondere eines Halbleiterbauelements, weist eine Grundplatte auf sowie eine Deckplatte, auf die das mindestens eine zu kühlendes Bauelement aufsetzbar oder anbringbar ist.
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In einer der Deckplatte zugewandten Seite der Grundplatte ist eine mit einem Kühlmitteleintritt verbundene Fluidpassage zur Durchleitung eines Kühlfluids und Aufnahme mindestens eines Offset-Turbulators angeformt.
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Der mindestens eine Offset-Turbulator ist dabei wie oben beschrieben ausgebildet.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Kühlkörpers ist der mindestens eine Turbulator im Bereich der Nockenrücken mit der Grundplatte und der Deckplatte verlötet.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsvariante ist in einer Auflagefläche der Grundplatte wenigstens ein Bypasskanal angeformt, der sich von der Seite des Kühlmitteleintritts in Strömungsrichtung erstreckt.
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Insbesondere bei linienförmig hintereinander angeordneten zu kühlenden Bauelelementen auf der Deckplatte des Kühlkörpers kann so noch kaltes Kühlmittel durch die Bypasskanäle unter einem vorderen Bereich des Offset-Turbulators hindurchgeführt und zu den in Strömungsrichtung weiter hinten liegenden zu kühlenden Bauelementen geführt werden.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsvariante nimmt die Tiefe des wenigstens einen Bypasskanals in Strömungsrichtung ab, was zur Gleichmäßigkeit der Kühlung der zu kühlenden Bauelemente beiträgt.
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Eine weitere Maßnahme zur Verbesserung der Gleichmäßigkeit der Kühlung der zu kühlenden Bauelemente besteht darin, dass zwei Bypasskanäle von einem seitlichen, äußeren Rand des Kühlmitteleintrittsbereiches in Strömungsrichtung zur Mitte der Grundplatte hin verlaufend geführt sind.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsvariante erstreckt sich ein Bypasskanal zentral in Strömungsrichtung in der quer zur Strömungsrichtung betrachteten Mitte der Grundplatte.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsvariante ist zwischen der Grundplatte und dem mindestens einen Turbulator ein Trennblech mit wenigstens einer Öffnung für den Durchtritt des Kühlfluids von dem Bypasskanal in den Bereich der Fluidpassage, in dem der Turbulator angeordnet ist, vorgesehen.
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Durch die wenigstens eine Öffnung in dem Trennblech kann so eine gezielte Zuführung noch kühlen Kühlfluids an die Stellen der Fluidpassage geführt werden, an denen die zu kühlenden Baukörper auf der Deckplatte angebracht sind.
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Durch die vorgenannten Maßnahmen ist es insbesondere ermöglicht, die Differenz von Hotspot-Temperaturen zu reduzieren und damit sicherzustellen, dass sämtliche zu kühlenden Bauteile in möglichst gleichem Maße gekühlt werden.
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Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert.
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Es zeigen:
- 1 eine perspektivische Darstellung eines aus dem Stand der Technik bekannten Offset-Turbulators,
- 2 eine perspektivische Darstellung einer Ausführungsvariante eines erfindungsgemäßen Offset-Turbulators,
- 3 eine schematische Vorderansicht auf den Offset-Turbulator aus 2,
- 4 eine perspektivische Darstellung einer Ausführungsvariante eines erfindungsgemäßen Kühlkörpers mit angehobener Deckplatte und in einer Fluidpassage der Grundplatte eingebettetem Offset-Turbulator,
- 5 und 6 perspektivische Darstellungen zweier Ausführungsvariante eines erfindungsgemäßen Kühlkörpers mit teilweile ausgeblendetem Offset-Turbulator zur Darstellung unterschiedlich ausgeführter Bypass-Kanälen in der Grundplatte, und
- 7 eine perspektivische Darstellung einer weiteren Ausführungsvariante eines erfindungsgemäßen Kühlkörpers mit zwischen Auflagefläche der Fluidpassage und Offset-Turbulator eingesetztem Trennblech.
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In der nachfolgenden Figurenbeschreibung beziehen sich Begriffe wie oben, unten, links, rechts, vorne, hinten usw. ausschließlich auf die in den jeweiligen Figuren ausgewählte beispielhafte Darstellung und Position des Kühlkörpers, der Grundplatte, der Deckplatte, des Offset-Turbulators, der Fluidpassage und dergleichen. Diese Begriffe sind nicht einschränkend zu verstehen, d.h., durch verschiedene Arbeitsstellungen oder die spiegelsymmetrische Auslegung oder dergleichen können sich diese Bezüge ändern.
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In der 4 ist mit dem Bezugszeichen 1 insgesamt eine Ausführungsvariante eines erfindungsgemäßen Kühlkörpers bezeichnet. Der Kühlkörper 1 ist dabei bevorzugt als flächige, mehrteilige Kühlplatte ausgebildet, auf der ein oder mehrere Bauelemente 5 befestigbar sind.
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Als Beispiel für solche zu kühlenden Bauelemente sind in 4 Chips und Dioden eines IGBTs dargestellt, wobei die unter diesen elektronischen Bauteilen angeordnete Grundplatte und Leiterplatte des IGBTs der Vereinfachung halber nicht gezeigt sind.
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Denkbar sind jedoch auch andere zu kühlende Bauelemente 5.
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1 zeigt einen aus dem Stand der Technik bekannten Offset-Turbulator 14.
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Ein solcher Offset-Turbulator 14 weist eine Vielzahl von quer zu einer Durchströmungsrichtung mit einer Offsetlänge S versetzt zueinander angeordnete wellenförmige Lamellen 141, 142 auf.
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Jede der Lamellen 141, 142 weist durch erste und zweite Nockenrücken 144, 145 miteinander verbundene Lamellenflanken 146 auf.
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Die ersten und zweiten Nockenrücken 144, 145 sind dabei mit einer Teilung T voneinander beabstandet angeordnet, die hier bei 4,5 liegt. Die Lamellenhöhe H dieser Lamellen beträgt im hier gezeigten Beispiel 3 mm. Die Offsetlänge beträgt 1,5 mm und die Dicke des Aluminiumbandes, aus dem der Offset-Turbulator gestanzt oder gewalzt ist, beträgt 0,3 mm.
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Benachbarte Lamellen 141, 142 sind hier um ein Viertel der Teilung versetzt zueinander angeordnet, um jeweils die Grenzschicht des den Offset-Turbulator durchströmenden Strömungsmediums, beispielsweise ein wasserbasiertes Kühlmittel, jeweils zu erneuern.
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Die sich zwischen den auf beiden Seiten mit der Deckplatte und der Grundplatte verlöteten Nockenrücken erstreckenden Flanken sind hier annähernd parallel zueinander und weitgehend senkrecht zur Fläche der Deckplatte und der Grundplatte ausgerichtet.
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Eine vorteilhafte Ausführungsvariante eines erfindungsgemäßen Offset-Turbulators ist in 2 und 3 dargestellt.
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Der erfindungsgemäße Offset-Turbulator 4 für einen Kühlkörper 1 für mindestens ein zu kühlendes Bauelement 5, insbesondere eines Halbleiterbauelements, weist ebenfalls eine Vielzahl von quer zu in einer Durchströmungsrichtung x mit einer Offsetlänge S versetzt zueinander angeordnete wellenförmige Lamellen 41, 42, 43 auf.
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Jede der Lamellen 41, 42, 43 weist durch erste und zweite Nockenrücken 44, 45 miteinander verbundene Lamellenflanken 46 auf.
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Die ersten und zweiten Nockenrücken 44, 45 sind hier mit einer Teilung T voneinander beabstandet angeordnet. Bei dem erfindungsgemäßen Offset-Turbulator 4 ist das Verhältnis des Produkts der für einen solchen Offset-Turbulator 4 kennzeichnenden Größen Lamellenhöhe H und Lamellendicke D zur Teilung T der Lamellen 41, 42, 43 größer oder gleich 0,4.
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Im Gegensatz dazu beträgt das Verhältnis des Produkts aus Lamellenhöhe H und Lamellendicke D zur Teilung T der Lamellen 141, 142 des aus dem Stand der Technik bekannten Offset-Turbulators 14 etwa 0,2.
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Um bei möglichst einfacher Herstellbarkeit eines solchen Offset-Turbulators 4 eine gleichzeitig hohe Leistungsfähigkeit zu ermöglichen, ist prinzipiell eine Erhöhung der Lamellendicke D sowie eine Verringerung der Teilung T günstig für die Leistung eines solchen Offset-Turbulators 4. Gleichzeitig wird dadurch jedoch der Kanalquerschnitt der durch die Lamellen gebildeten Kanalquerschnitte verringert sowie der Druckverlust teilweise unzulässig erhöht.
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Um dem entgegenzuwirken, kommt eine Vergrößerung der Lamellenhöhe H in Frage. Die Lamellenhöhe H beträgt hier bevorzugt zwischen 3 mm und 8 mm.
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Um eine verbesserte Durchmischung der Kühlflüssigkeit zu erreichen, beträgt der Versatz der in Strömungsrichtung hintereinander angeordneten benachbarten Lamellen 41, 42, 43 bevorzugt ein Drittel der Teilung T.
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Des Weiteren sind zur einfacheren Herstellung die Nockenrücken 44, 45 bevorzugt abgerundet ausgebildet.
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Die Lamellenflanken 46 verbinden direkt benachbarte Nockenrücken 44, 45 bevorzugt schrägwinklig zu einer Auflagefläche 8 der Grundplatte 2 bzw. der Deckplatte 3.
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Die Verbindung benachbarter, versetzt zueinander angeordneter Lamellen 41, 42, 43 erfolgt hier bevorzugt im Bereich der Lamellenflanken 46 und nicht im Bereich der Nockenrücken 44, 45.
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Ein geeignetes Verhältnis von Lamellenhöhe H zur Teilung T der Lamellen 41, 42, 43 ist dabei bevorzugt größer oder gleich 1,33.
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Die Lamellendicke D beträgt bevorzugt zwischen 0,3 mm und 1 mm.
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Des Weiteren beträgt die Offsetlänge S bevorzugt mehr als 1 mm.
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Wie in 4 bis 7 gezeigt, weist ein erfindungsgemäßer Kühlkörper 1 für mindestens ein zu kühlendes Bauelement 5 eine Grundplatte 2 auf sowie eine Deckplatte 3, auf die das mindestens eine zu kühlendes Bauelement 5 aufsetzbar oder anbringbar ist.
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Im gezeigten Ausführungsbeispiel sind mehrere solcher zu kühlenden Bauelemente 5 in Strömungsrichtung x hintereinander zentral auf der Deckplatte 3 aufgebracht.
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In einer der Deckplatte 3 zugewandten Seite der Grundplatte 2 ist eine mit einem Kühlmitteleintritt 15 verbundene, durch Innenwände 18 begrenzte Fluidpassage 7 zur Durchleitung eines Kühlfluids, bevorzugt eines wasserbasierten Kühlmittels, und Aufnahme mindestens eines Offset-Turbulators 4 angeformt, wobei der Offset-Turbulator 4 bevorzugt einen in den 2 und 3 gezeigten Aufbau aufweist.
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Der Offset-Turbulator 4 ist dabei bevorzugt im Bereich der Nockenrücken 44, 45 mit der Grundplatte 2 und der Deckplatte 3 verlötet.
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Wie insbesondere in den 5 bis 7 gezeigt ist, ist in einer Auflagefläche 8 der Grundplatte 2 wenigstens ein Bypasskanal 9, 10, 11 angeformt, der sich von der Seite des Kühlmitteleintritts 15 in Strömungsrichtung x erstreckt.
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Der Kühlmitteleintritt 15 ist in der hiergezeigten Ausführungsvariante so angeordnet, dass er in einen auf der Unterseite der Grundplatte 2 angeordneten Einlassstutzen 6 mündet, durch den das Kühlmittel in den Kühlkörper 1 einführbar ist.
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Denkbar ist auch die Anordnung des Einlassstutzens 6 an anderen Positionen der Grundplatte 2, beispielsweise an der Stirnseite der Grundplatte 2 oder auch der Deckplatte 3.
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Bei den in den 4 bis 7 gezeigten Ausführungsvarianten erstreckt sich von dem Kühlmitteleintritt 15 eine Nut 16 über den Bereich des Kühlmitteleintritts 15, entlang einer die Fluidpassage 7 in der Grundplatte 2 begrenzenden Innenwand 18 und bildet damit einen gegenüber einer Auflagefläche 8 innerhalb der Fluidpassage 7, auf der der Offset-Turbulator 4 aufliegt, vertieften Bereich der Fluidpassage 7.
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Auch der Kühlmitteleintritt 15 ist relativ zur Auflagefläche 8 hin durch eine Stufe 17 abgesenkt ausgebildet.
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Von dieser Nut 16 erstrecken sich bei der in den 5 und 6 gezeigten Ausführungsvariante zwei Bypasskanäle11 von einem seitlichen äußeren Rand des Kühlmitteleintrittsbereiches 15 und die Stufe 17 durchbrechend in Strömungsrichtung x in Richtung der Mitte der Grundplatte 2 (betrachtet senkrecht zur Strömungsrichtung x).
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Bei dem in 6 gezeigten Ausführungsbeispiel erstreckt sich ein weiterer Bypasskanal 9 zentral vom Kühlmitteleintritt 15 weg geradlinig in Strömungsrichtung x.
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Im Vergleich zu den Bypasskanälen 11 ist der Bypasskanal 9 deutlich kürzer ausgebildet und dient dementsprechend der Zuführung noch kühleren Kühlmittels zu einem zu kühlenden Bauteils 5 in einem Bereich nahe des Kühlmitteleintritts 5, während die Bypasskanäle 11 der Zuführung noch kühleren Kühlmittels weiter stromabwärts in Strömungsrichtung des Kühlmittels dienen.
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Während bei den in den 5 und 6 gezeigten Ausführungsvariante die Bypasskanäle 11 etwa gleich lang ausgebildet sind, ist es auch denkbar, die Bypasskanäle 11 unterschiedlich lang auszubilden, so dass jeder der Bypasskanäle 11 sich in Strömungsrichtung unterschiedlich weit erstreckt und damit eine Zuführung noch kühleren Kühlmittels zu unterschiedlichen Bereichen stromabwärts in Strömungsrichtung ermöglicht ist.
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Des Weiteren sind bei den in den 6 und 7 gezeigten Ausführungsvarianten die Bypasskanäle 9, 10 und 11 so geformt, dass sich deren Tiefe t in Strömungsrichtung x verringert.
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Bei der in 7 gezeigten Ausführungsvariante ist zwischen der Grundplatte 2 und dem Offset-Turbulator 4 ein Trennblech 12 eingelegt, das wenigstens eine Öffnung 13 für den Durchtritt des Kühlfluids vom Bypasskanal 10 in den Bereich der Fluidpassage 7, in dem der Offset-Turbulator 4 angeordnet ist, vorgesehen.
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Bei der hier gezeigten Ausführungsvariante sind zwei solcher Öffnungen 13 im Trennblech 12 vorgesehen. Die Öffnungen 13 sind dabei bevorzugt so positioniert, das sie unmittelbar unterhalb der zu kühlenden Bauelemente 5 platziert sind.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Kühlkörper
- 2
- Grundplatte
- 3
- Deckplatte
- 31
- Oberseite
- 4
- Turbulator
- 41
- Lamelle
- 42
- Lamelle
- 43
- Lamelle
- 44
- Nockenrücken
- 45
- Nockenrücken
- 46
- Lamellenflanke
- 5
- Bauelement
- 6
- Stutzen
- 7
- Fluidpassage
- 8
- Auflagefläche
- 9
- Bypasskanal
- 10
- Bypasskanal
- 11
- Bypasskanal
- 12
- Trennblech
- 13
- Öffnung
- 14
- Turbulator
- 15
- Kühlmitteleintritt
- 16
- Nut
- 17
- Stufe
- 18
- Innenwand
- T
- Teilung
- H
- Lamellenhöhe
- D
- Lamellendicke
- S
- Offsetlänge
- t
- Tiefe
- x
- Strömungsrichtung
