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Die vorliegende Erfindung betrifft Kühlmodule für
elektronische Schaltungsvorrichtungen.
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Eine gedruckte Schaltungsplatte, die elektronische
Schaltungsbauelemente enthält, wie Halbleiter,
hochintegrierte schaltungen (LSI's) oder integrierte schaltungen
(IC's), kann durch eine Reihe von Kühlmodulen gekühlt
werden, die betriebsfähig sind, um die Wärme zu entfernen, die
von den Bauelementen abgegeben wird.
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Eine frühere europäische Patentanmeldung von Fujitsu
Limited, die unter der Nummer EP-A-0151068 veröffentlicht
wurde, offenbart ein Kühlmodul in Kombination mit einem
elektronischen Schaltungsbauelement, das auf eine gedruckte
Schaltungsplatte montiert ist, mit einer
Wärmeübertragungsplatte, zum Leiten von Wärme von dem elektronischen
Schaltungsbauelement zu einem Kühlmittel in dem Modul, einem
elastischen Vorspannmittel, das mit der Wärmeübertragungsplatte
verbunden ist und dazu dient, jene Platte hin zu dem
Schaltungsbauelement zu drängen, und einem Düsenmittel, das zum
Emittieren eines Stroms solch eines Kühlmittels hin zu einer
gegenüberliegenden Hauptfläche der Wärmeübertragungsplatte
angeordnet ist, welche Hauptfläche mit einer Vielzahl von
Rippen versehen ist, um die Übertragung einer solchen Wärme
zu dem Kühlmittel zu erleichtern.
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Es ist wünschenswert, die Effektivität der
Wärmeübertragung von solch einem Kühlmodul zu verbessern.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein Kühlmodul
vorgesehen, in Kombination mit einem elektronischen
Schaltungsbauelement, das auf eine gedruckte Schaltungsplatte montiert
ist, das eine Wärmeübertragungsplatte enthält, zum Leiten
von Wärme von dem elektronischen Schaltungsbauelement zu
einem Kühlmittel in dem Modul, ein elastisches
Vorspannmittel, das mit der Wärmeübertragungsplatte verbunden ist
und dazu dient, jene Platte hin zu dem Schaltungsbauelement
zu drängen, und ein Düsenmittel, das zum Emittieren eines
Stroms eines solchen Kühlmittels hin zu einer
gegenüberliegenden
Hauptfläche der Wärmeübertragungsplatte angeordnet
ist, welche Hauptfläche mit einer Vielzahl von Rippen
versehen ist, um die Übertragung solch einer Wärme zu dem
Kühlmittel zu erleichtern, dadurch gekennzeichnet, daß die
Rippen im wesentlichen ringförmig sind und angeordnet sind, um
mit dem Strom des Kühlmittels, der von dem Düsenmittel
emittiert wird, im wesentlichen koaxial zu sein, um dadurch die
Turbulenz in solch einem Kühlmittel angrenzend an die
Hauptfläche zu fördern.
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Das Düsenmittel kann so sein, daß der Strom, der durch
dieses emittiert wird, einen runden Querschnitt hat, wobei
er beim Austreten aus dem Düsenmittel einen Durchmesser D
hat, und die im wesentlichen ringförmigen Rippen können
angeordnet sein, um eine Teilung P zwischen benachbarten
Rippen und jeweilige Höhen e und Breiten w zu haben, so daß
die folgenden Beziehungen eingehalten werden:
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e/D = 1/20 1/3; P/e = 3 10; und w/e 1.
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Vorzugsweise nimmt die Teilung P zwischen benachbarten
Rippen von der Achse des emittierten Kühlmittelstroms nach
außen hin zu, so daß die Teilung zwischen den zwei
benachbarten Rippen, die jener Achse am nächsten sind, kleiner als
die zwischen den zwei benachbarten Rippen ist, die am
weitesten von ihr entfernt sind. In einer Ausführungsform nehmen
die jeweiligen Höhen e der im wesentlichen ringförmigen
Rippen von der Achse des emittierten Kühlmittelstroms nach
außen hin zu, so daß die Höhe der Rippe, die jener Achse am
nächsten ist, kleiner als die der Rippe ist, die am
weitesten von ihr entfernt ist.
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Die jeweiligen Verhältnisse e/D für die im wesentlichen
ringförmigen Rippen können von der Achse nach außen hin
zunehmen, so daß das Verhältnis bei der Rippe, die jener Achse
am nächsten ist, kleiner als das bei der Rippe ist, die am
weitesten von ihr entfernt ist.
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Jede der im wesentlichen ringförmigen Rippen kann
vorteilhafterweise ein unterbrochener Ring sein. Die
Vertiefungen,
die in einer Ausführungsform der Erfindung zwischen
benachbarten Rippen von der Vielzahl definiert sind, haben
einen haibrunden Querschnitt.
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Als Beispiel wird nun Bezug auf die beiliegenden
Zeichnungen genommen, in denen:
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Fig. 1 eine schematische axiale Schnittansicht einer
ersten elektronischen Schaltungsvorrichtung ist, die nicht
die vorliegende Erfindung verkörpert;
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Fig. 2 eine schematische axiale Schnittansicht einer
Baugruppe von Vorrichtungen ist, die Fig. 1 ähnlich sind;
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Fig. 3 eine graphische perspektivische Ansicht der in
Fig. 2 gezeigten Baugruppe ist;
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Fig. 4 eine schematische perspektivische Ansicht eines
Teils einer zweiten elektronischen Schaltungsvorrichtung
ist, die nicht die vorliegende Erfindung verkörpert;
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Fig. 5 eine axiale Schnittansicht von Fig. 4 ist;
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Fig. 6 eine graphische Darstellung bezüglich der
Vorrichtung von Fig. 4 zeigt;
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Fig. 7 eine axiale Schnittansicht einer elektronischen
Schaltungsvorrichtung ist, die die vorliegende Erfindung
verkörpert;
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Fig. 8 eine vergrößerte graphische Draufsicht auf einen
Teil der Vorrichtung von Fig. 7 ist;
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Fig. 9 eine vergrößerte Querschnittsteilansicht des in
Fig. 8 gezeigten Teils ist;
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Fig. 10 eine Draufsicht ist, die Fig. 8 ähnlich ist,
aber eine Variante von ihr zeigt;
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Fig. 11 eine erläuternde Querschnittsansicht ist, die
jener von Fig. 9 ähnlich ist;
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Fig. 12 und 13 erläuternde Querschnittsansichten sind,
die Fig. 11 entsprechen, aber jeweilige abgewandelte Formen
des betreffenden Teils zeigen; und
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Fig. 14 graphische Darstellungen zeigt, die
Versuchsergebnisse repräsentieren.
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Figur 1 zeigt eine elektronische Schaltungsvorrichtung,
die nicht die vorliegende Erfindung verkörpert und ein
Kühlmodul enthält, das einen Durchgang 1 für einen
Kühlmittelfluß hat.
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Das Kühlmittel kann Gas sein, ist aber nicht darauf
begrenzt, oder kann eine Flüssigkeit wie z. B. Wasser,
flüssiger Fluorkohlenwasserstoff oder sogar ein Flüssigmetall wie
z. B. Quecksilber oder Gallium sein. Der Durchgang 1 kann
ein Teil einer Zirkulationsleitung mit einer Pumpe und einem
Wärmeradiator oder Wärmetauscher sein.
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Eine Wärmeübertragungsplatte 3, die zum Beispiel aus
einem wärmeleitenden Material wie Kupfer oder Messing ist,
ist mit dem Durchgang 1 durch einen Balgen 5 verbunden, der
am Durchgang 1 angebracht ist. Die Wärmeübertragungsplatte 3
kann aus einem Metall mit einem hohen Lotbenetzungsvermögen
sein. Der Balgen 5 kann aus einem dünnen Blatt aus Kupfer
oder rostfreiem Stahl sein. Der Durchgang 1 hat einen
Deflektor 21, der sich hin zu der Wärmeübertragungsplatte 3
erstreckt. Eine Kühlmittelzirkulationszone 32 ist in dem
Balgen 5 definiert, in welcher Zone 32 die
Wärmeübertragungsplatte 3 dem Kühlmittel an einer Hauptfläche der Platte
3 ausgesetzt ist.
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Die Richtung des Kühlmittelflusses in dem Durchgang 1
wird durch den Deflektor 21 verändert, und Wärme wird von
der Wärmeübertragungsplatte 3 in der Zirkulationszone 32
entfernt.
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Die Platte 3 wird durch den Balgen 5 und den
hydraulischen Druck des Kühlmittels federnd hin zu einem
elektronischen Schaltungsbauelement 7 wie z. B. einem Halbleiter,
einer IC oder einer LSI gedrängt, das auf einer gedruckten
Schaltungsplatte 9 vorgesehen ist.
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Das Bauelement 7 haftet zum Beispiel durch Lot 11 auf
der gedruckten Schaltungsplatte 9.
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In der Vorrichtung von Figur 1 ist eine Zwischenschicht
aus Lot 31 zwischen der Wärmeübertragungsplatte 3 und dem
Schaltungsbauelement 7 vorgesehen. Die Zwischenschicht 31
ist auf der unteren Fläche der Wärmeübertragungsplatte 3
befestigt. Alternativ kann die Zwischenschicht 31 an dem
Schaltungsbauelement 7 auf der gedruckten Schaltungsplatte 9
befestigt sein.
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Das Lot 31 behält bei normaler Temperatur, d. h., wenn
die Schaltungsvorrichtung nicht in Betrieb ist, seine
ursprüngliche blattartige Form bei. Wenn die
Schaltungsvorrichtung betrieben wird und demzufolge Wärme erzeugt, wird
das Lot 31 geschmolzen, so daß die Wärmeübertragungsplatte 3
und das Schaltungsbauelement 7 durch das Lot 31 verbunden
werden. Daher können die Platte 3 und das Bauelement 7 im
wesentlichen völlig direkt miteinander verbunden werden,
ungeachtet einer etwaigen Unebenheit von deren
Kontaktoberflächen.
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Somit kann die Kühleffektivität des Kühlmoduls hoch
sein, da das zweite Lot 31 eine thermische Verbindung
zwischen der Wärmeübertragungsplatte 3 und dem
Schaltungsbauelement 7 gewährleistet.
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Figur 2 zeigt eine Baugruppe von Kühlmodulen, die im
Prinzip jenem von Figur 1 ähnlich sind, bei denen der
Durchgang 1 eine untere Hälfte 1A und eine obere Hälfte 1B
umfaßt. Die untere Hälfte 1A hat zum Beispiel im allgemeinen
einen U-förmigen Querschnitt und Öffnungen 73, die mit den
Zirkulationszonen 32 der Kühlmodule verbunden sind. Die
obere Hälfte 1B kann auf die untere Hälfte 1A montiert sein,
um einen Austrittsdurchgang 81 zu definieren.
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Die obere Hälfte iB dient deshalb als Abdeckung des
Durchgangsweges für das Kühlmittel 2. Die obere Hälfte 1B
hat einen oberen Eintrittsdurchgang 83, der dem Durchgang 1
in Fig. 1 entspricht. Der Durchgang 83 ist mit dem
Austrittsdurchgang 81 durch Düsen 85 verbunden, so daß das
Kühlmittel 2, das durch eine Zirkulationsleitung geführt
wird, durch die Düsen 85 hin zu den jeweiligen
gegenüberliegenden Hauptflächen der Wärmeübertragungsplatten 3 der
Kühlmodule
geführt oder ausgestoßen wird und durch den
Austrittsdurchgang 81 und eine Austrittsröhre 88, die auf der
oberen Hälfte 1B des Durchgangs 1 vorgesehen ist, zu der
Zirkulationsleitung zurückgeführt wird. Das Kühlmittel 2
kann von einer Eintrittsröhre 89, die auf der oberen Hälfte
1B vorgesehen ist, in den Eintrittsdurchgang 83 eingeleitet
werden.
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Die obere Hälfte 1B kann mit der unteren Hälfte zum
Beispiel durch Schrauben 71 lösbar verbunden sein.
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Das Bezugszeichen 70 bezeichnet eine Abdichtung, wie
einen Dichtungsring oder eine Dichtungsmanschette, die
zwischen den oberen und unteren Hälften 1A und 1B angeordnet
ist, um die Verbindung zwischen ihnen abzudichten.
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Figur 3 zeigt ein Beispiel einer perspektivischen
Ansicht einer Kühleinheit, die eine Baugruppe aus Kühlmodulen
hat, wie sie in Fig. 2 gezeigt ist. In Fig. 3 sind die
Eintrittsröhre 89 und die Austrittsröhre 88 an anderen
Positionen als in Fig. 2 angeordnet. Die Abdeckung iB kann von der
unteren Hälfte 1A durch Entfernen der Schrauben 71 gelöst
werden.
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Um die Wärmeleitfähigkeit der Wärmeübertragungsplatte 3
zu erhöhen, kann ein Mittel zum Erzeugen einer Turbulenz im
Fluß des Kühlmittels 2 vorgesehen sein, wie in Fig. 4 bis 6
gezeigt.
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In einer zweiten elektronischen Schaltungsvorrichtung,
die nicht die vorliegende Erfindung verkörpert, welche
Vorrichtung in Fig. 4 und 5 gezeigt ist, ist die Platte 3 mit
einer Vielzahl von parallelen Rippen 182 versehen, die dazu
dienen, den Bereich der Hauptwärmeübertragungsfläche der
Platte 3, der mit dem Kühlmittel 2 in Kontakt ist, zu
vergrößern. Die Düse 85 hat einen rechteckigen Querschnitt, und
die Rippen 182 erstrecken sich parallel zu der Länge des
Rechtecks, das durch die Düse 85 gebildet wird. Wenn das
Kühlmittel 2 aus der Düse 85 auf die Platte 3 ausgestoßen
wird, wird das Kühlmittel, das auf die Hauptfläche 12
fließt, durch die Rippen 182 gestört, so daß auf der Platte
3 eine Turbulenz des Kühlmittels 2 auftritt.
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Diese Turbulenz verursacht eine Störung im Fluß des
Kühlmittels 2 beim Kontakt mit der
Hauptwärmeübertragungsfläche 12 der Platte 3, woraus die Bildung von Wirbeln im
Fluß des Kühlmittels 2 resultiert, wie in Fig. 5 ersichtlich
ist. Die Wirbel erhöhen die Wärmeübertragung lokal. Der Fluß
des Kühlmittels 2, der am laminaren Fließen gehindert wird
und die Wirbel bildet, trifft zusätzlich an einem Punkt RL
auf der Fläche 12 auf. Die Wärmeübertragung kann somit lokal
erhöht werden, insbesondere in der Nähe des Punktes RL.
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Unter Bezugnahme auf Fig. 6 ist eine Beziehung zwischen
der übertragenen Wärme y und dem Abstand x von einem Punkt
direkt unter der Düsenöffnung der Düse 85 und auf der Fläche
12 der Platte 3 gezeigt. Die durchgehende Linie Cl stellt
die Vorrichtung von Fig. 4 und 5 dar, in der die Rippen 182
auf der Platte 3 vorgesehen sind, und die Strichpunktlinie
C2 stellt eine Vorrichtung dar, in der keine Rippen auf der
Platte 3 vorgesehen sind (Platte mit ebener Fläche). Wie aus
Fig. 6 hervorgeht, erhöhen die Rippen 182 die
Wärmeübertragung selbst an Stellen, die von dem Mittelpunkt 0 weit
entfernt sind. Falls im Gegensatz dazu keine Rippen auf der
Platte vorhanden sind, ist die Wärmeübertragung nur an oder
in der Nähe von dem Mittelpunkt 0 hoch. So sehen die Rippen
182 eine gleichförmigere Verteilung der Wärmeübertragung
über die gesamte Oberfläche der Platte 3 vor, aber die
Wärmeübertragung nimmt dennoch mit zunehmendem Abstand x von
der Mitte 0 der Fläche 12 leicht ab. Die Kurve C1 schwankt
gemäß dem Abstand L zwischen dem unteren Ende der Düse 85
und der Wärmeübertragungsfläche 12 der Platte 3, der Breite
w einer Rippe 182, der Höhe e der Rippen 182 und der Teilung
P der Rippen 182.
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Figuren 7 bis 9 zeigen ein Kühlmodul, das die
vorliegende Erfindung verkörpert und in dem die Platte 3 eine
Vielzahl von ringförmigen Rippen 186 hat, die auf der
Wärmeübertragungsfläche 12 koaxial zueinander sind.
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Die Rippen 186 haben einen rechteckigen Querschnitt.
Die Platte 3 ist in der Draufsicht rund. Die Düse 85, die
einen runden Querschnitt hat, ist direkt über der Mitte der
Platte 3 angeordnet, um mit den ringförmigen Rippen 186
koaxial zu sein, Es wurde herausgefunden, daß diese
Konstruktionsform eine gleichförmigere Verteilung einer höheren
Wärmeübertragung ergeben kann, als sie von einer Anordnung
wie in Fig. 4 erwartet werden kann.
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Es sei erwähnt, daß jede Rippe 186 nicht immer ein
vollständiger Kreis zu sein braucht, sondern durch eine
Lücke, wie in Fig. 10 gezeigt, oder eine Vielzahl von Lücken
unterbrochen sein kann.
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In Fig. 10 ist jede der ringförmigen Rippen 186 von
Fig. 9 durch eine einzelne unterbrochene ringförmige Rippe
186' ersetzt. So hat jede ringförmige Rippe 186' eine kleine
Lücke 187, um eine unterbrochene ringförmige Rippe zu
definieren.
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Vorzugsweise sind die Lücken 187 von jeweiligen Rippen
in der Umfangsrichtung voneinander versetzt.
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In Fig. 11 trifft der Strom des Kühlmittels 2, der von
der Düse 85 emittiert wird, auf eine zentrale Zone der
gegenüberliegenden Hauptfläche 12 der Platte 3 innerhalb der
innersten ringförmigen Rippe 186 (oder 186') auf und breitet
sich über die umgebenden Rippen 186 (oder 186') nach außen
hin aus. Dieselben Erscheinungen treten bei jeder der Rippen
186 (oder 186') auf, und es bilden sich Wirbel, wie in Fig.
11 gezeigt.
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Es ist auch möglich und vorzuziehen, runde Vertiefungen
188 mit halbrundem Querschnitt zwischen den ringförmigen
Rippen 186 (oder 186') vorzusehen, wie in Fig. 12 gezeigt.
Solche runden Vertiefungen 188 fördern die Bildung und
Aufrechterhaltung der Wirbel.
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Figur 13 zeigt eine alternative Anordnung der
ringförmigen Rippen 186 oder 186', bei der die Rippen verschiedene
Teilungen und verschiedene Höhen haben. Die Teilungen
variieren, so daß die Teilung P&sub1; zwischen der innersten Rippe
und ihrer benachbarten Rippe am kleinsten ist und die
Teilung hin zu den äußeren Rippen zunimmt. So ist in Fig&sub0; 13 P&sub3;
> P&sub2; > P&sub1;. Die Höhen variieren, so daß die Höhe der
innersten Rippe am kleinsten ist und die Höhen hin zu den äußeren
Rippen zunehmen.
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Figur 14 zeigt graphische Darstellungen, die
Versuchsergebnisse von drei Wärmeübertragungsplatten zeigen. Die
erste Wärmeübertragungsplatte A ist die von Fig. 12, die die
runden Vertiefungen 188 zwischen den ringförmigen Rippen 186
hat; die zweite Wärmeübertragungsplatte B ist die von Fig.
11, die ringförmige Rippen 186 und ebene
Oberflächenabschnitte zwischen den Rippen hat; und die dritte
Wärmeübertragungsplatte hat keine Rippen und ist dieselbe, die bei
dem in Fig. 6 gezeigten Experiment verwendet und durch die
Kurve C2 dargestellt wurde.
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Bei den Versuchen hatten der Innendurchmesser D der
Düse 85, die Breite w der Rippe 186, die Höhe e einer Rippe
186 und die Teilung P der Rippen 186 die folgende Beziehung:
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w/D = 0,1 ; e/w = 1 ; P/e 5 (bei der
Wärmeübertragungsplatte A).
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Die Wärmeübertragungsplatte B hatte dieselbe Breite w,
dieselbe Teilung P und denselben Durchmesser D wie die
Wärmeübertragungsplatte A. In Fig. 14 stellt die
Ordinatenachse, die durch R bezeichnet ist, den effektiven
thermischen Widerstand zwischen dem Kühlmittel 2 und der
Wärmeübertragungsfläche 12 der Platte 3 dar, und die
Abszissenachse, die durch Q bezeichnet ist, stellt die Flußrate des
Kühlmittels 2 dar. Es ist ersichtlich, daß dann, wenn der
Kühlmittelfluß relativ groß ist, der effektive thermische
Widerstand R durch das Vorsehen der Rippen 186 um etwa die
Hälfte verringert werden kann.
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Es ist ferner ersichtlich, daß die runden Vertiefungen
188 zu einer Verringerung des effektiven thermischen
Widerstandes R beitragen.
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Die in Fig. 4 gezeigten Versuchsergebnisse wurden mit
einer Anordnung erhalten, bei der L/D ≤ 6 8 war.
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Die optimalen Werte von w, e, p hängen von der Werten
von L und D ab. Vorzugsweise ist bei der Ausführungsform von
Fig. 11 e/D = 1/20 1/3, P/e = 3 10 und wie 1, und bei
der Ausführungsform von Fig. 12 ist P/D = 0,2 2, W/D =
1/20 1/3; wobei L/D ≤ 6 8, die Reynoldssche Zahl NRe =
uD/γ = 1000 einige Zehntausend ist (dabei ist u = die
Geschwindigkeit des Kühlmittels, das von der Düse 85
emittiert wird, und ist γ = der Koeffizient der kinematischen
Viskosität).
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Es ist möglich, eine Anordnung zu konstruieren, bei der
solch eine Beziehung zwischen P, D, e vorhanden ist, daß e/D
und/oder P/D von der innersten Rippe hin zu den äußeren
Rippen zunimmt.
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Die Kühlvorrichtung kann verkehrt herum verwendet
werden, so daß das Kühlmittel von den Düsen 85 hin zu den
Wärmeübertragungsplatten 3, die über den Düsen 85 angeordnet
sind, nach oben ausgestoßen wird.