DE20317298U1

DE20317298U1 - Wärmetauschervorrichtung

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Publication number: DE20317298U1
Application number: DE20317298U
Authority: DE
Original assignee: NFT Nanofiltertechnik GmbH
Current assignee: NFT Nanofiltertechnik GmbH
Priority date: 2003-11-07
Filing date: 2003-11-07
Publication date: 2004-03-18
Anticipated expiration: 2013-11-08

Abstract

Wärmetauschervorrichtung mit mehreren Kühlelementen, die ein Substrat aufweisen, von dessen einer Oberfläche mehrere hintereinander liegende Stege abstehen, deren Höhe kleiner ist als der Abstand benachbarter Stege, wobei das Substrat eine Vielzahl von regelmäßig angeordneten, sich durch das Substrat hindurch erstreckenden Kanälen aufweist,
mit einer Einrichtung zur Erzeugung eines gerichteten Fluidstromes, der tangential zu beiden Seiten des Substrates und im wesentlichen quer zu den Stegen strömt und
mit einem Wärmeleitungskörper mit mehreren Trägerplatten, zwischen denen je ein Strömungsraum gebildet ist, an dessen Wänden die Kühlelemente in wärmeleitendem Kontakt angebracht sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungsräume (19–24) abgebogen verlaufen.

Description

Die Neuerung bezieht sich auf eine Wärmetauschervorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Schutzanspruches 1.
Eine derartige Wärmetauschervorrichtung ist aus der nicht vorveröffentlichten deutschen Gebrauchsmusteranmeldung 203 16 334.6 bekannt. Diese Wärmetauschervorrichtung hat mehrere Kühlelemente, die ein Substrat mit einer Unterseite und einer Oberseite aufweisen, wobei von der Oberseite des Substrates abstehende, hintereinanderliegende Stege vorgesehen sind, deren Höhe kleiner ist, als der Abstand benachbarter Stege. Das Substrat hat eine Vielzahl von regelmäßig angeordneten, sich durch das Substrat hindurch erstreckenden Kanälen. Eine Einrichtung zur Erzeugung eines gerichteten Fluidstromes erzeugt einen Fluidstrom mit einer Anströmrichtung, die tangential zur Unterseite und zur Oberseite des Substrates liegt und im wesentlichen quer zu den Stegen verläuft. Die Kühlelemente sind an einem Wärmeleitungskörper angebracht, der eine Grundplatte und mehrere davon abstehende Trägerplatten aufweist. An jeder Trägerplatte ist mindestens ein Kühlelement angebracht. Zwischen gegenüberliegenden Trägerplatten ist somit ein Strömungsraum vorhanden, in dem die Kühlelemente angebracht sind und durch den das Fluid strömt.
Das Fluid ist vorzugsweise Luft, die von einem Ventilator durch die Strömungsräume gedrückt wird.
Bei der bekannten Wärmetauschervorrichtung sind die Strömungsräume im wesentlichen parallel zueinander angeordnet und verlaufen geradlinig. Der Ventilator ist oberhalb der nach oben und zur Seite offenen Strömungsräume angeordnet. Durch Leitbleche wird die Luftströmung dann so umgelenkt, daß sie im wesentlichen senkrecht zu den Stegen verläuft.
Kühlelemente der oben genannten Art sind auch aus der nicht vorveröffentlichten deutschen Patentanmeldung DE 102 33 736.5 bekannt.
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.
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.
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.
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.
Die DE 92 14 061 U1 beschreibt einen Kühlkörper, dessen Wärmeeinleitungsfläche zur Oberflächenvergrößerung Rippen und Furchen aufweist.
Wärmetauschervorrichtungen der oben beschriebenen Art werden beispielsweise zur Kühlung elektronischer 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 Kühlkörper 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 Wärmeab gabefläche 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.
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.
Das eingangs genannte, nicht vorveröffentlichte deutsche Gebrauchsmuster 203 16 334.6 löst dieses Problem durch die Wärmeleitungskörper mit Trägerplatten, an denen mindestens jeweils ein Kühlelement angebracht ist.
Aufgabe der vorliegenden Neuerung ist es, die Wärmetauscherleistung der eingangs genannten Wärmetauschervorrichtung weiter zu verbessern. Diese Aufgabe wird durch die im Schutzanspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Neuerung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
Die Neuerung geht von der Erkenntnis aus, daß die von dem Ventilator erzeugte Luftströmung nicht geradlinig verläuft. Die einzelnen Luftpartikel bewegen sich vielmehr längs einer gewendelten bzw. spiraligen Bahn, so daß die Luftströmung unter einem Winkel auf die Oberfläche der Kühlelemente auftrifft und dort erst zu der genannten Anströmrichtung tangential zur Unterseite und zur Oberseite des Substrates umgelenkt wird. Hierdurch wird der Strömungswiderstand für die Fluidströmung erhöht und dadurch der Fluiddurchsatz (Volumen pro Zeiteinheit) verringert. Eine gute Wärmetauscherleistung, d.h. insbesondere eine Abfuhr von Wärme, bedingt aber einen hohen Fluiddurchsatz, der bei der eingangs genannten älteren Vorrichtung durch Erhöhung der Leistung des Ventilators erreicht wird.
Bei der Neuerung dagegen sind die Strömungsräume so angeordnet und ausgerichtet, daß sie dem genannten gewendelten bzw. spiraligen Verlauf der Strömung angepaßt sind. Die einzelnen Strömungsräume haben daher in der Draufsicht einen gekrümmten bzw. abgeknickten Verlauf. Mit anderen Worten steht ihre Mittelebene stets unter einem Winkel zu einem Radiusstrahl, welcher von der Mittelachse (z-Achse) des Ventilators ausgeht. Optimal ist ein gerkümmter Verlauf der Strömungsräume, der an jeder Stelle möglichst exakt parallel zur Strömungsrichtung verläuft. Aus fertigungstechnischen Gründen verlaufen die Strömungsräume jedoch vorzugsweise abschnittsweise geradlinig, so daß Kühlelemente mit ebenem Substrat verwendet werden können, die ansonsten gebogen sein müßten. Auch sind die Strömungsräume einfacher herzustellen, beispielsweise durch Fräsen.
Um den Strömungswiderstand weiter herabzusetzen und die Wärmeabfuhrleistung zu erhöhen, sind die Kühlelemente vorzugsweise so in die Strömungsräume eingesetzt, daß die Stege unter einem stumpfen Winkel (größer 90°) zur Mittelachse des Ventilators stehen, damit die Strömungskomponente z-Richtung berücksichtigt ist und die Anströmung der Stege stets senkrecht erfolgt.
Im folgenden wird die Neuerung anhand eines Ausführungsbeispieles im Zusammenhang mit der Zeichnung ausführlicher erläutert. Es zeigt:
1 eine perspektivische Teilansicht eines bei der Neuerung verwendeten Kühlelementes;
2 eine Seitenansicht der Wärmetauschervorrichtung nach der Neuerung;
3 einen Querschnitt durch die Wärmetauschervorrichtung nach der Neuerung längs der Linie A–A der 2; und
4 einen Querschnitt ähnlich 3 mit zwei Untervarianten der Neuerung.
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.
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.
Versuche haben ergeben, daß drei in Strömungsrichtung 10 hintereinander liegende Reihen 4.1, 4.2 und 4.3 von Kanälen sowie drei (max. 4) 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.
2 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Neuerung, bei dem mehrere Kühlelemente gemäß 1 zur Anwendung kommen.
Die Vorrichtung hat eine ebene, in der Draufsicht ( 3) kreisförmige Grundplatte 22, von der vorzugsweise einstückig mit der Grundplatte verbundene Trägerplatten 13-18 abstehen. Zwischen den jeweils benachbarten Trägerplatten sind Strömungsräume 19–24 vorgesehen, an deren Innenwänden Kühlelemente K angebracht sind. Die Strömungsräume sind nach oben (Richtung der z-Achse) offen. An der Oberseite 25 der Trägerplatten ist ein Ventilator 26 angebracht, der von einem Elektromotor 27 angetrieben wird und Außenluft in Richtung der Pfeile 28 ansaugt und in die Strömungsräume 19–24 drückt. Die Strömungsräume 19-24 sind zum Außenumfang 29 hin zumindest teilweise offen, so daß die Luft dort abströmen kann.
Die von dem Ventilator 26 erzeugte Luftströmung hat nicht nur eine Bewegungskomponente in Richtung der negativen z-Achse sondern auch eine Bewegungskomponente in der x-, y-Ebene, was durch die Pfeile 30 in 3 angedeutet ist. Relativ innenliegend, d.h. nahe der z-Achse, verläuft die Strömung noch nahezu radial nach außen, wie durch die sternförmig angeordneten Pfeile 31 in 3 dargestellt. Je weiter die strömenden Luftpartikel von der z-Achse entfernt sind, desto größer ist deren Geschwindigkeitskomponente tangential zur Umfangsrichtung, d.h. zur Umdrehungsrichtung des Ventilators 26.
Die Strömungsräume 19–24 sind der jeweiligen Strömungsrichtung in der x-, y-Ebene angepaßt, so daß dort die Strömung im wesentlichen tangential zur Oberfläche der Kühlelemente K verläuft.
Im konkret dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Strömungsräume 19–24 jeweils aus zwei Abschnitten (vgl. 22a und 22b) gebildet, wobei jeder Abschnitt geradlinig verläuft, d.h. die Seitenwände der Strömungsräume verlaufen jeweils parallel zu einer Ebene 32 bzw. 33. Diese beiden Ebenen 32 und 33 verlaufen hier parallel zur z-Achse, wobei jedoch keine dieser Ebenen 32, 33 die z-Achse schneidet, vielmehr dieser gegenüber versetzt angeordnet ist, so daß ein von der z-Achse ausgehender Radiusstrahl an dieser Ebene stets einen Winkel mit dieser Ebene bildet. Die beiden Ebenen 32 und 33 schneiden sich ebenfalls unter einem Winkel a. Da die Luftströmung nahe der Mittelachse (z-Achse) eine relativ große Geschwindigkeitskomponente in z-Richtung, dagegen nur eine relativ kleine Geschwindigkeitskomponente in der x-, y-Ebene hat, ist zusätzlich vorgesehen, daß eine Seitenwand der inneren Abschnitte (z.B. 22a) der Strömungsräume eine verbreiterte Einlauföffnung 34 aufweist, die die Strömung umlenkt.
Im Ausführungsbeispiel der 3 sind die Stege 12 der Kühlelemente parallel zur z-Achse verlaufend dargestellt. Da die beste Kühlwirkung dann erreicht wird, wenn diese Stege rechtwinklig angeströmt werden, können die Kühlelemente in die Strömungsräume 19–24 so eingesetzt werden, daß die Stege 12 mit der z-Achse einen spitzen Winkel β bilden, was am linken Strömungsraum 20 der 2 dargestellt ist.
Dieser Winkel β wird so gewählt, daß der Großteil aller Stege 12 im wesentlichen rechtwinklig angeströmt wird.
Das Ausführungsbeispiel der 4 unterscheidet sich von dem der 3 zum einen darin, daß die Kühlelemente K nur am stromabwärtigen Teil der Strömungsräume 19-24 angebracht sind, dagegen nicht in den weiter innen liegenden Abschnitten, wie z.B. dem Abschnitt 22a.
Weiter ist anhand des Strömungsraumes 20 dargestellt, daß dieser auch stetig gekrümmte Innenwände haben kann, wobei dann die Kühlelemente ebenfalls dieser Krümmung anzupassen sind. Schließlich ist es, wie anhand des Strömungsraumes 21 dargestellt, auch möglich, den inneren Abschnitt des Kühlraumes stetig gekrümmt auszugestalten und den weiter außen liegenden Abschnitt geradlinig.
Allgemein sei noch bemerkt, daß der Wärmeleitungskörper mit Grundplatte 22 und Trägerplatten 13-18 außer durch bekannte Metallberarbeitungsverfahren, wie Fräsen etc., auch durch Spritzgußtechniken oder Extrusion hergestellt werden kann. Im letzteren Fall wird das im Querschnitt der 4 dargestellte Profil extrudiert und später mit der Grundplatte 22 verbunden.

Claims

Wärmetauschervorrichtung mit mehreren Kühlelementen, die ein Substrat aufweisen, von dessen einer Oberfläche mehrere hintereinander liegende Stege abstehen, deren Höhe kleiner ist als der Abstand benachbarter Stege, wobei das Substrat eine Vielzahl von regelmäßig angeordneten, sich durch das Substrat hindurch erstreckenden Kanälen aufweist, mit einer Einrichtung zur Erzeugung eines gerichteten Fluidstromes, der tangential zu beiden Seiten des Substrates und im wesentlichen quer zu den Stegen strömt und mit einem Wärmeleitungskörper mit mehreren Trägerplatten, zwischen denen je ein Strömungsraum gebildet ist, an dessen Wänden die Kühlelemente in wärmeleitendem Kontakt angebracht sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungsräume (19–24) abgebogen verlaufen.
Wärmetauschervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungsräume (19–24) mindestens zwei Abschnitte (22a, 22b) aufweisen, deren Mittelebenen (32, 33) unter einem stumpfen Winkel (α) zueinander stehen.
Wärmetauschervorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittelebenen (32, 33) gegenüber einer Mittelachse (35) der Einrichtung (26, 27) zur Erzeugung des gerichteten Fluidstromes (28, 30) versetzt angeordnet sind.
Wärmetauschervorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungsräume (19–24) an ihrer zur Einrichtung (26, 27) zur Erzeugung des gerichteten Fluidstromes weisenden Seite (25) eine Verbreiterung (34) aufweisen.
Wärmetauschervorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbreiterung (34) konvex zur Außenseite der Strömungsräume (19–24) gekrümmt verläuft.
Wärmetauschervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Stege (12) gegenüber der Mittelachse (35) der Einrichtung (26, 27) zur Erzeugung des gerichteten Fluidstromes unter einem spitzen Winkel (β) geneigt angeordnet sind.