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Die Neuerung bezieht sich auf eine
Wärmetauschervorrichtung
gemäß dem Oberbegriff
des Schutzanspruches 1.
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Eine derartige Wärmetauschervorrichtung ist aus
der nicht vorveröffentlichten
deutschen Patentanmeldung
DE
102 33 736.5 bekannt. Diese Wärmetauschervorrichtung hat
ein als dünne
Platte ausgebildetes Substrat mit einer Unterseite und einer Oberseite
sowie eine Einrichtung zur Erzeugung eines gerichteten Fluidstromes
mit einer Anströmrichtung,
die tangential zur Unterseite und zur Oberseite des Substrates liegt.
Von der Oberseite des Substrates stehen in Anströmrichtung hintereinander liegende
Stege ab, deren Höhe
kleiner ist als der Abstand von den Anströmrichtung benachbarten Stegen.
Die Stege sind quer zur Anströmrichtung
angeordnet. Das Substrat weist weiterhin eine Vielzahl von regelmäßig und
jeweils zwischen den Stegen angeordneten, sich durch das Substrat
hindurch erstreckenden Kanälen
auf.
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Die
DE 39 29 004 A1 zeigt eine Wärmetauschervorrichtung
mit Doppelplatten, die an ihren inneren und/oder äußeren Flächen Profilierungen
aufweisen, die als quer zur Anströmrichtung liegende Sicken oder
Stege ausgebildet sind. Diese Stege liegen in Anströmrichtung
hintereinander und ihre Höhe
ist kleiner als der Abstand von benachbarten Stegen. Die Stege sollen
dabei Turbulenzen des strömenden Mediums
und damit einen verbesserten Wärmeübergang
bewirken.
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Die
DE 38 22 890 A1 zeigt eine Kühlanordnung
mit einem Gebläse
und eine Vielzahl von parallel zueinander angeordneten Kühlelementen,
die jeweils langgestreckte Kühlstege
und dazwischenliegende Spaltöffnungen
aufweisen, wobei die Kühlstege
von jeweils zwei benachbarten Kühlelementen
gegeneinander versetzt sind, so daß in Anströmrichtung die Kühlstege
eines Kühlelementes
die Spaltöffnung
des benachbarten Kühlelementes überdecken.
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Die
DE 198 13 119 A1 zeigt einen Turbulenz-Wärmerückgewinner
mit Profilplatten, deren Profile in der Plattenebene alternierend
entgegengerichtet um den gleichen Winkel gegen die Längserstreckung
des Druckgradienten schräg
gestellt sind. Hierdurch soll eine turbulente Strömung erzeugt
werden, die die Wärmetauscherleistung
verbessert.
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Kühlvorrichtungen
mit einem Substrat, durch welches sich Kanäle hindurch erstrecken, sind
auch aus der
DE 196
19 060 A1 und der
EP
0 308 576 A2 bekannt. Die Kanäle können dabei rechteckig oder kreisförmig sein.
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Die
DE 92 14 061 U1 beschreibt einen Kühlkörper, dessen
Wärmeeinleitungsfläche zur
Oberflächenvergrößerung Rippen
und Furchen aufweist.
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Wärmetauschervorrichtungen
der oben beschriebenen Art werden beispielsweise zur Kühlung elektronischen
Komponenten, wie Mikroprozessoren oder Chips, verwendet. Generell
unterscheidet man aktive und passive Kühleinrichtungen. Bei aktiven Kühleinrichtungen
werden Aggregate, wie z.B. Gebläse
oder Ventilatoren, genutzt, um den Abtransport von Wärme mit
Hilfe eines Fluidstromes zu unterstützen oder überhaupt erst zu ermöglichen.
Der dabei erzeugte Fluidstrom strömt über einen Kühlkörper, der mit einer Wärmequelle
gekoppelt ist und von dieser Abwärme
aufnimmt. Bekannte Kühlkörper haben beispielsweise
eine Rippen- oder Säulenstruktur
und sind teilweise an der Oberfläche
aufgerauht. Das den Kühl-körper um- bzw. durchströmende Fluid
nimmt dabei die Wärme
auf. Meistens wird als Fluid bei der Kühlung von Prozessoren Luft
genutzt. Da Luft ein schlechter Wärmeleiter ist, müssen die
Kühlkörper verhältnismäßig groß ausgelegt
werden, um eine im Verhältnis
zur Wärmeeinleitungsfläche große Wärmeabgabefläche zu haben.
Zu diesem Zweck ist in der
DE
100 41 829 A1 vorgeschlagen, daß die Wärmeabgabefläche wesentlich größer als
die Wärmeeinleitungsfläche ist,
was durch eine vorgegebene Strukturierung in Form von Kanälen und
in Form von Furchen, die in Strömungsverbindung
mit den Kanälen
stehen, erreicht wird.
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Ein Problem bei aktiven Wärmetauschervorrichtungen
ist neben den großen
Abmessungen der Energiebedarf für
die Einrichtung zur Erzeugung des Fluidstromes. Für einen
effektiven Wärmeübergang ergibt
sich daraus ein verhältnismäßig hoher
Leistungsverbrauch und meist auch Platzbedarf für die entsprechende Einrichtung,
wie z.B. ein Gebläse. Hinzu
kommt, daß eine
gute Wärmeübertragung
von der Wärmeabgabefläche an das
Fluid dann erfolgt, wenn die Wärmeabgabefläche gegenüber dem
Fluidstrom einen relativ hohen Strömungswiderstand hat, was aber
wiederum ein stärkeres
Gebläse
und damit einen höheren
Leistungsverbrauch bedingt.
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Die eingangs genannte Wärmetauschervorrichtung
gemäß der nicht
vorveröffentlichten
deutschen Patentanmeldung
DE
102 33 736 löst
das Problem einer hohen Wärmetauscherleistung
bei geringem Strömungswiderstand
und geringem Platzbedarf und ermöglicht
auch bei Verwendung von Luft als Fluid eine gute Wärmeübertragung.
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Bei vielen Anwendungszwecken ist
allerdings die Wärmequelle,
also beispielsweise eine elektronisches Bauteil, wie ein Mikrochip,
hinsichtlich seiner Wärmeabgabefläche wesentlich
kleiner als ein eingangs beschriebenes Kühlelement, so daß dieses nicht
direkt mit der Wärmeabgabefläche des
zu kühlenden
Gegenstandes gekoppelt werden kann. Es stellt sich somit das Problem,
die abzuführende
Wärmeenergie
möglichst
rasch und vollständig
zu den Kühlelementen
zu transportieren, wo sie dann durch das Fluid an die Umgebung abgeführt werden
kann.
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Dieses Problem wird durch die im
Schutzanspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen
und Weiterbildungen der Neuerung sind den Unteransprüchen zu
entnehmen.
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Das Grundprinzip der Neuerung besteht
darin, einen Wärmeleitungskörper mit
einer Grundplatte und mehreren davon abstehenden Trägerplatten
vorzusehen, wobei an jeder Trägerplatte
mindestens ein Kühlelement
angebracht ist.
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Vorzugsweise stehen die Trägerplatten
parallel zueinander und jeweils senkrecht auf der Grundplatte. Die
Kühlelemente
sind jeweils auf den Seiten der Trägerplatten angebracht, die
einer benachbarten Trägerplatte
zugewandt sind. Mit anderen Worten muß an den jeweils äußeren Trägerplatten
kein Kühlelement
vorgesehen sein. Die Stege der Kühlplatten stehen
vorzugsweise senkrecht auf der Grundplatte. Aus Gründen der
Gewichtseinsparung sind die Grundplatte und/oder die Trägerplatten
aus Aluminium. Zur besseren Wärmeleitung
ist dann zwischen der Grundplatte und den Trägerplatten jeweils eine Schicht
aus Kupfer vorhanden. Zusätzlich
kann an der dem zu kühlenden
Gegenstand zugewandten Unterseite der Grundplatte ebenfalls eine
Schicht aus Kupfer vorgesehen sein, die in unmittelbarem Kontakt
zur Wärmeabgabefläche des
zu kühlenden Gegenstandes
steht und vorzugsweise auch nur eine der Wärmeabgabefläche des Gegenstandes entsprechende
Oberfläche
hat.
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Vorzugsweise ist die Einrichtung
zur Erzeugung eines gerichteten Fluidstromes und insbesondere ein
Ventilator oberhalb der Trägerplatten
angeordnet, so daß dessen
Strömung
zunächst
im wesentlichen senkrecht zur Grundplatte gerichtet ist. Durch zusätzliche
Leitbleche, die vorzugsweise zwischen den Trägerplatten angeordnet sind,
wird der Fluidstrom umgelenkt, so daß er dann im wesentlichen parallel
zur Grundplatte und zu den Trägerplatten
gerichtet ist.
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Im folgenden wird die Neuerung anhand
eines Ausführungsbeispieles
im Zusammenhang mit der Zeichnung ausführlicher erläutert. Es
zeigt:
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1 eine
perspektivische Teilansicht eines bei der Neuerung verwendeten Kühlelementes;
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2 eine
perspektivische Ansicht einer Wärmetauschervorrichtung
nach einem ersten Ausführungsbeispiel
der Neuerung;
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3 einen
Querschnitt (geschnittene Draufsicht) auf eine Wärmetauschervorrichtung nach einem
zweiten Ausführungsbeispiel
der Neuerung;
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4 einen
Schnitt längs
der Linie A–A
der 3; und
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5 einen
Schnitt ähnlich 3 nach einem dritten Ausführungsbeispiel
der Neuerung.
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Zunächst sei auf 1 Bezug genommen. Ein Kühlelement
K hat ein Substrat 1 mit einer Unterseite 2 und
einer Oberseite 3, wobei das Substrat eine Vielzahl von
regelmäßig angeordneten,
sich durch das Substrat 1 hindurch erstreckenden Kanälen 4 aufweist,
die hier rechteckig ausgebildet sind. Die Kanäle haben eine Längskante 5 und
eine Querkante 6. Das Substrat 1 ist durch Abstandhalter 7 gegenüber der
Oberfläche
eines Objektes 11 gehalten, wobei sich die Abstandhalter 7 über die
gesamte Länge
des Substrates 1 erstrecken. Es sind mehrere, parallel
zueinander verlaufende Abstandhalter 7 vorgesehen, die
jeweils so angeordnet sind, daß sie
zwischen den Kanälen 4 liegen.
Hierdurch werden zwischen dem Substrat 1, dem Objekt 11 und
den Abstandhaltern 7 weitere Kanäle 8 gebildet, die
längs des
Substrates 1 verlaufen. Eine Einrichtung 9, die beispielsweise
ein Gebläse
sein kann, erzeugt einen gerichteten Fluidstrom, der in Richtung
des Pfeiles 10, im folgenden Anströmrichtung 10 genannt,
sowohl durch die Kanäle 8 strömt und damit
längs der Unterseite 2 als
auch längs
der Oberfläche 3 des Substrates 1 und
dabei teilweise auch durch die Kanäle 4 hindurch und
zwar teilweise in beiden Richtungen, d.h. von oben nach unten und
an anderer Stelle von unten nach oben. Die Abstandhalter 7 können einstückig mit
dem Substrat 1 ausgebildet sein. Sie können aber auch von der Oberfläche eines
zu kühlenden
Gegenstandes 11 abstehen und somit an dessen Oberfläche ausgebildet
sein.
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In Anströmrichtung 10 vor den
Kanälen
sind quer zur Anströmrichtung 10 verlaufende
Stege 12.1, 12.2, 12.3 vorgesehen, die
Turbulenzen erzeugen, die für
einen verbesserten Wärmeübergang
sorgen. Andererseits sind die Stege 12.1, 12.2 so
niedrig, daß sie
den Strömungswiderstand
nur geringfügig
erhöhen
und deshalb auch als Mikrohindernisse bezeichnet werden.
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Versuche haben ergeben, daß drei in
Strömungsrichtung 10 hintereinander
liegende Reihen 4.1, 4.2 und 4.3 von
Kanälen
sowie drei in Anströmrichtung
hintereinander liegende Stege 12.1, 12.2 und 12.3,
die jeweils in Anströmrichtung 10 vor
den Reihen von Kanälen
liegen, für
einen guten Wärmeabtransport
vollkommen ausreichen, da bereits nach der dritten Reihe von Kanälen die
meiste Wärme
abgeführt
ist. Selbstverständlich
sind auch mehr oder weniger als drei Reihen von Kanälen und
Stegen möglich.
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2 zeigt
ein erstes Ausführungsbeispiel der
Neuerung, bei der mehrere Kühlelemente
gemäß 1 zur Anwendung kommen.
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Die Vorrichtung hat eine ebene Grundplatte 22,
von der mehrere Trägerplatten 13, 14, 15 senkrecht
abstehen. Die Trägerplatten 13–15 sind
hier quaderförmig
ausgebildet und stehen parallel zueinander, wobei zwischen benachbarten
Trägerplatten, wie
z.B. 13 und 14 oder 14 und 15,
jeweils ein Zwischenraum vorhanden ist.
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Die Trägerplatten 13–15 können entweder direkt
an der Grundplatte 22 angebracht sein. Es kann auch eine
Zwischenplatte 16 zwischen der Grundplatte 22 und
den Trägerplatten 13–15 angeordnet
werden, die dann aus einem anderen Material ist. Bevorzugte Materialien
für die
Grundplatte 22 und die Trägerplatten 13–15 ist
Aluminium, wobei im Falle der Fortlassung der Zwischenplatte 16 die
Grundplatte 22 und die Trägerplatten 12–15 dann
einstückig sind.
Aluminium ist aus Gewichtsgründen
bevorzugt, auch wenn man dadurch einen gewissen Nachteil der nur
mittelmäßigen Wärmeleitungsfähigkeit
in Kauf nimmt. Die Zwischenplatte 16 ist dann vorzugsweise aus
Kupfer, das zwar ein höheres
Gewicht als Aluminium hat, dafür
aber eine bessere Fähigkeit
zur Wärmeleitung.
An den Seitenflächen
der Trägerplatten 13–15 sind
Kühlelemente
K1 bis K5 entsprechend dem Kühlelement
K der 1 angebracht,
wobei die Abstandhalter 7 in wärmeleitendem Kontakt mit den Flächen der
Trägerplatte 13–15 stehen.
Die Stege 12 der Kühlelemente
K1 bis K5 sind senkrecht zur Grundplatte 22 angeordnet
und verlaufen parallel zu den Seitenflächen der Trägerplatten. Die Hauptanströmrichtung
ist auch hier durch den Pfeil 10 angedeutet.
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Die Kühlelemente K2–K5 sind
jeweils auf solchen Flächen
der Trägerplatten
angeordnet, die zu einer benachbarten Trägerplatte hinweisen. Es handelt
sich hierbei beispiels weise um die Kühlelemente K2, K3, K4 und K5.
An den Außenseiten
der Trägerplatten 13 und 15,
die also zu keiner benachbarten Trägerplatte hinweisen, können ebenfalls
Kühlelemente
angebracht sein, wie beispielsweise das Kühlelement K1 an der Trägerplatte 13.
Wie am Beispiel der Trägerplatte 15 dargestellt,
ist die dortige Außenseite
aber nicht mit einem Kühlelement
versehen. An der Innenseite der Trägerplatte 13, die
zum Kühlelement
K2 hinweist, ist auch noch zu erkennen, daß die Abstandhalter 7 einstückig mit
der Trägerplatte 13 ausgebildet
sein können,
während
sie bei den Kühlelementen
K1, K3, K4 und K5 Bestandteil des Kühlelementes sind. Im erst genannten
Fall hat man den Vorteil, daß die
Kühlelemente
ohne Abstandhalter eine ebene Unterseite haben, was vor allem fertigungstechnische
Vorteile hat, aber auch die Montage erleichtert.
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Die Anzahl der Trägerplatten kann beliebig sein
und hängt
von der abzuführenden
Wärmeleistung
ab.
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Normalerweise ist die Wärmeabgabefläche des
zu kühlenden
Gegenstandes 11 kleiner als die Grundfläche der Grundplatte 22.
Um eine gute und rasche Wärmeableitung
von dem Gegenstand 11 zu erhalten, ist zwischen der Unterseite
der Grundplatte 22 und der Wärmeabgabefläche des Gegenstandes 11 eine
weitere Zwischenplatte 17 vorgesehen, die vorzugsweise
ebenfalls aus Kupfer ist und damit rasch für eine gute Wärmeableitung
sorgt. Für
den Fall, daß die
Grundplatte 22 selbst aus Kupfer ist, kann natürlich die
Zwischenplatte 17 fortgelassen werden.
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Aus 2 ist
zu erkennen, daß die
Hauptanströmrichtung 10 tangential
zur Wärmeabgabefläche des
zu kühlenden
Gegenstandes 11 liegt. Bei der Kühlung von Mikroprozessoren
oder anderen elektronischen Bauteilen ist es oftmals aus baulichen Gründen üblich, die
Einrichtung zur Erzeugung eines gerichteten Fluidstromes, also beispielsweise
einen Ventilator, oberhalb des Gegenstandes und oberhalb des Kühlkörpers anzuordnen,
wobei dann zunächst die
Strömung senkrecht
von oben nach unten (entgegen der z-Richtung) verläuft. Um
die Strömung
dann in der gewünschten
Richtung 10, d.h. in y-Richtung, zu bringen, sind Leitbleche
vorzusehen, die die Strömung
umlenken.
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3 zeigt
ein entsprechendes Ausführungsbeispiel
in einem Querschnitt und 4 in
einem Schnitt längs
der Linie A–A
der 3.
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Der geschnittenen Draufsicht der 3 ist zu entnehmen, daß die Grundplatte 22 hier
die Form einer Kreisscheibe hat, auf der insgesamt fünf Trägerplatten 13, 14, 15, 14' und 13' angeordnet
sind, an deren zur jeweils benachbarten Trägerplatte hinweisenden Außenfläche Kühlelemente
K2 bis K9 angebracht sind. Ein Ventilator 9 ist oberhalb
der Stirnseiten der Trägerplatten
angeordnet und erzeugt eine Luftströmung, die zunächst entgegen
der z-Richtung läuft.
In den Zwischenräumen
zwischen benachbarten Trägerplatten
sind jeweils mindestens ein Paar von Umlenkblechen 18, 19, 20 und 21 angeordnet, die
die Strömung
umlenken, so daß sie
in y-Richtung bzw. entgegengesetzt zur y-Richtung fließt und damit wieder
die Hauptströmungsrichtung 10 einnimmt.
Im unteren Teil der 3 und 4 ist eine andere Variante gezeigt,
bei der die Zwischenräume
zwischen gegenüberliegenden
Trägerplatten
durch eine Wand 23 teilweise geschlossen ist, wobei diese
Wand lediglich nahe der Grundplatte 22 eine Öffnung 24 hat,
durch welche Luft abströmen
kann. Hierdurch findet ebenfalls zwangsweise eine Strömungsumlenkung
statt, was durch den Pfeil 25 angedeutet ist. Damit die Strömungsrichtung
jeweils im wesentlichen senkrecht zu den Stegen 12 verläuft, sind
die Kühlelemente,
wie hier beispielsweise das Kühlelement
K4, schräg
zur Hauptachse 26 der Wärmetauschervorrichtung
angeordnet, wobei dann die Umlenkbleche des oberen Teiles der 3 und 4 fortgelassen werden können.
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Im Ausführungsbeispiel der 5 sind die Trägerplatten 13, 14, 15, 14' und 13' einstückig miteinander
verbunden, wobei dann in die Zwischenräume die Kühlelemente eingesetzt sind
sowie auch Umlenkbleche 18, wobei pro Zwischenraum je nur ein
Umlenkblech benötigt
wird. Da ein Teil des von dem oberhalb der in 5 dargestellten Zeichenebene angeordneten
und hier nicht dargestellten Ventilators erzeugten Strömung auf
die Stirnfläche
der Trägerplatten
auftrifft und dort schon eine Umlenkung in die xy-Ebene stattfindet,
können
die Umlenkbleche auch fortgelassen werden. Auch ist es möglich, die Kühlelemente
schräg
zur Grundplatte 22 anzuordnen, so daß die Stege 12 quer
zur sich einstellenden Hauptströmungsrichtung
stehen.