DE8804742U1 - Heat sink with inserted filler piece for cooling an electrical component with a liquid cooling medium - Google Patents
Heat sink with inserted filler piece for cooling an electrical component with a liquid cooling mediumInfo
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Description
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Siemens AktiengesellschaftSiemens AG
Kühlkörper rt'iit eingesetztem Füllstück 2Ur Kühlung eines elektrischen Bauelementes mit einem flüssigen KühlmediumHeat sink with inserted filler piece Cooling of an electrical component with a liquid cooling medium
Die Neuerung betrifft einen Kühlkörper für elektrische Bauelemente, insbesondere für Leistungstransistoren, welcher von einem flüssigen Kühlmedium zum Abführen der an den Kühlkörper übergegangenen Verlustwärme durchströmt wird, und der über einen wärmeleitenden Träger für das elektrische Bauelemente verfügt, welcher von einem Kanal zur Durchströmung des Kühlmediums durchsetzt ist.The innovation relates to a heat sink for electrical components, in particular for power transistors, through which a liquid cooling medium flows to dissipate the waste heat transferred to the heat sink, and which has a heat-conducting carrier for the electrical component, through which a channel for the cooling medium to flow passes.
Bei einem elektrischen Bauelement, z.B. einem Leistungstransistor bzw. -thyristor, dient häufig ein flüssiges Kühlmedium zum Abführen der an einen Kühlkörper abgegebenen Verlustwärme. Dabei besteht in der Regel das Problem, eine ausreichende Wärmeleitfähigkeit im Übergang zwischen dem Kühlkörper und dem diesen durchströmenden flüssigen Kühlmedium sicherzustellen. Die Ursache hierfür liegt darin, daß das flüssige Kühlmedium an den Innenflächen der Strömungskanäle zum Teil "anhaftet". Hierdurch bildet sich eine sogenannte "Grenzschicht" aus stillstehendem Kühlmedium aus, welche nicht an der Strömung des restlichen Kühlmediums durch das Zentrum des Strömungskanales beteiligt ist. Diese Grenzschicht belegt wie ein Isolator die Innenwandungen der Kühlkörperströmungskanäle und behindert den Wärmeübergang zwischen Kühlkörper und Kühlmedium. Die wärmeisolierende Wirkung dieser Grenzschicht ist insbesondere bei der Verwendung von Öl als Kühlmedium besonders ausgeprägt, da Öl zwar über eine hohe Wärmespeicherfähigkeit aber eine schlechte Wärmeleitfähigkeit verfügt. Zudem ist hierbei die Grenzschichtdicke aufgrund der hohen Ölviskosität besonders groß.In an electrical component, e.g. a power transistor or thyristor, a liquid cooling medium is often used to dissipate the waste heat given off to a heat sink. The problem here is usually to ensure sufficient thermal conductivity in the transition between the heat sink and the liquid cooling medium flowing through it. The reason for this is that the liquid cooling medium partially "sticks" to the inner surfaces of the flow channels. This creates a so-called "boundary layer" of stationary cooling medium, which is not involved in the flow of the remaining cooling medium through the center of the flow channel. This boundary layer covers the inner walls of the heat sink flow channels like an insulator and hinders the heat transfer between the heat sink and the cooling medium. The heat-insulating effect of this boundary layer is particularly pronounced when oil is used as the cooling medium, since oil has a high heat storage capacity but poor thermal conductivity. In addition, the boundary layer thickness is particularly large due to the high oil viscosity.
Zur Erhöhung der Wärmeleitfähigkeit bei derartigen flüssigkeitsdurchströmten Kühlkörpern ist es zum einen bekannt, die LängeTo increase the thermal conductivity of such liquid-flow heat sinks, it is known to increase the length
Mie 2 Bih / 05,04.1988 Mie 2 Bih / 05.04.1988
M 63 H 6 DEM 63 H 6 EN
des den Kühlkörper durchsetzenden resultierenden Stfömungskanales z.B. durch Verwendung von mehreren parallelen Strömuhgskanä^ len zu erweitern» £ine derartige Vergrößerung der somit für den Wärmeübergang insgesamt zur Verfügung stehenden Übergangsfläche zwischen Kühlkörper und Kühlmedium ist aber in aller Regel nur mit einer erheblichen Vergrößerung der Abmessungen, bzw* einer Erhöhung des konstruktiven und fertigungstechnischen Aufwandes des Kühlkörpers zu erreichen. Insbesondere bei elektrischen Anlagen in der Lelstungselektronik* bei denen eine Vielzahl von bevorzugt identischen elektrischen Bauelementen z.B. in einem g Stromrichter gekühlt werden müssen, ist es insbesondere ausof the resulting flow channel passing through the heat sink, e.g. by using several parallel flow channels. However, such an increase in the overall transition area between the heat sink and the cooling medium available for heat transfer can generally only be achieved by significantly increasing the dimensions or by increasing the design and manufacturing effort of the heat sink. In particular in electrical systems in power electronics, where a large number of preferably identical electrical components, e.g. in a power converter, have to be cooled, it is particularly important for
Gründen des Raumbedarfes unerwünscht, wenn die äußeren Abmessung
( gen des Kühlkörpers die des dazugehörigen einzelnen Bauelementes, z.B. einer sogenannten "Scheibenzelle", überschreiten. Zudem
wird die Flüssigkeitskühlung bevorzugt aufgrund der im Vergleich zur Luftkühlung größeren Wärmetransportfähigkeit insbesondere
gerade da eingesetzt, wo eine besonders kompakte Bauform der jeweiligen elektrischen Anlage gewünscht und notwendig
j ist.
20For reasons of space requirements, it is undesirable if the external dimensions ( d of the heat sink) exceed those of the associated individual component, e.g. a so-called "disk cell". In addition, liquid cooling is preferred due to its greater heat transport capacity compared to air cooling, especially where a particularly compact design of the respective electrical system is desired and necessary.
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Zur Erhöhung der Wärmeleitfähigkeit ist es desweiteren bekannt, die Strömungsgeschwindigkeit des flüssigen Kühlmediums zu erhöhen. Neben der eigentlichen Vergrößerung des Kühlmitteldurcrisatzes wird durch diese Maßnahme auch eine Reduzierung der Dicke der isolierenden Grenzschichten erreicht. Der Erhöhung der ( ) Strömungsgeschwindigkeit sind in der Praxis aber in der Regel enge Grenzen gesetzt, da hierzu ein stark exponentiell steigender Bedarf an Pumpenleistung bereitgestellt werden muß. Insbesondere bei mobilen elektrischen Anlagen, z.B. in Flugzeugen, sind aber die zur Auslegung der Kühlmittelpumpen zur Verfügung stehenden Freiheitsgrade insbesondere in Bezug auf Energiebedarf und Baugröße sehr beschränkt.In order to increase the thermal conductivity, it is also known to increase the flow rate of the liquid coolant. In addition to the actual increase in the coolant flow rate, this measure also reduces the thickness of the insulating boundary layers. In practice, however, there are usually strict limits to increasing the flow rate, as this requires a strongly exponentially increasing pump power requirement. However, in mobile electrical systems in particular, e.g. in aircraft, the degrees of freedom available for designing the coolant pumps are very limited, particularly in terms of energy requirements and size.
Der Neuerung liegt die Aufgabe zugrunde, einen flüssigkeitsdurchströmten Kühlkörper anzugeben, bei dem bei möglichst kompakter äußerer Bauform und einfacher innerer Gestaltung eineThe innovation is based on the task of specifying a liquid-flow heat sink with the most compact possible external design and simple internal design.
44 4 mit4 with mittmid
, 4 a . 4 4 , , .4, 4 a . 4 4 , , .4
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,, 4 .44 4 < 4 · 4 .44 4 < 4 ·
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maximale Wärmeleitfähigkeit im Übergöngsbereiön zwischen dem Kühlkörper uftü dem kühlmedium erzielt weidefi kann> ohnS daß hierzu die Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmediums erhöht werden muß»maximum thermal conductivity in the transition area between the heat sink and the cooling medium can be achieved without having to increase the flow rate of the cooling medium.
P Die Aufgabe wird gelöst durch ein wärmeleitendes Füllstück, wel- |: ches für Erhöhung der Wärmeleitfähigkeit des Überganges zwischen dem Kühlkörper und dem Kühlmedium in den StrÖmuhgskanal einge-^ setzt und wärmeleitend mit desstin Innenwandung verbunden ist. lö Besonders vorteilhafte Gestaltungen eines derartigen Füllstückes und weitere Ausführungsformen der Neuerung sind in den Unteransprüchen angegeben.P The problem is solved by a heat-conducting filler piece which is inserted into the flow channel to increase the thermal conductivity of the transition between the cooling body and the cooling medium and is connected to the inner wall in a heat-conducting manner. lö Particularly advantageous designs of such a filler piece and further embodiments of the innovation are specified in the subclaims.
Die Neuerung wird desweiteren anhand der nachfolgend kurz angeführten Figuren näher erläutert, Dabei zeigt:The innovation is further explained in more detail using the following figures, which show:
FIG Ia-Ic den Aufbau eines flussigkeitsdurchstromten KühlkörpersFIG Ia-Ic the structure of a liquid-flow heat sink
in Draufsicht» Seiten- und Frontansicht,in plan view» side and front view,
FIG 2 ein Füllstück in Form einer wendeiförmigen Spirale mit einem annähernd rechteckigen Querschnitt, FIG 3 ein Füllstück in Form einer wendeiförmigen SpiraleFIG 2 a filler piece in the form of a helical spiral with an approximately rectangular cross-section, FIG 3 a filler piece in the form of a helical spiral
mit einem parabolischen Querschnitt,with a parabolic cross-section,
FIG 4 Füllstücke in Form einer jeweils aus Rohrstücken bestehenden Rohrpackung,FIG 4 Filler pieces in the form of a pipe packing consisting of pipe pieces,
FIG 5 Füllstücke in Form einer jeweils aus Rohrstücken be- (j stehenden Rohrpackung mit einem Kernstift im Zentrum,FIG 5 Filler pieces in the form of a tube packing consisting of tube pieces with a core pin in the centre,
FIG 6 ein Füllstück in Form einer aus einer Vielzahl vonFIG 6 a filler piece in the form of one of a plurality of
Kugeln bestehenden Kugelpackung,Balls consisting of ball packing,
FIG 7 Füllstücke in Form jeweils eines Frässtückes mit nuten förmigen Strömungskanälen an der Oberseite,FIG 7 Filler pieces in the form of a milled piece with groove-shaped flow channels on the top,
FIG 8 Füllstücke in Form jeweils eines Ffässtückes mit nuten förmigen Strömungskänlen an der Oberseite und einer zu sätzlichen Kernbohrung im Zentrum,FIG 8 Filler pieces in the form of a barrel piece with groove-shaped flow channels on the top and an additional core hole in the center,
FIG 9 Füllstücke in Form jeweils eines gewellten, r.lr.v"""_.nigen Federstückes,FIG 9 Filler pieces in the form of a corrugated, right-left spring piece,
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FIG 10 Füllstücke in Form jeweils eines Längsstückes mit4
FIG 10 Filler pieces in the form of a longitudinal piece with
einem annähernd rechteckigen Querschnitt, und FIG 11 Füllstücke in Form jeweils eines Längsstückes mit einem parabolischen Querschnitt.an approximately rectangular cross-section, and FIG 11 filler pieces in the form of a longitudinal piece with a parabolic cross-section.
\\
In den Figuren la,Ib und Ic ist beispielhaft eine mögliche Aus- | führungsform eines flussigkeitsdurchstromten Kühlkörpers für ein elektrisches Bauelement in Draufsicht, Seiten- und Frontansicht dargestellt. Das wesentliche Element dieses Kühlkörpers ist ein im Beispiel der FIG 1 zylindrisch ausgeführter Kühlkörperträger 2 mit dem Durchmesser L. Mit diesem wird insbesondere über dessen Auflagefläche F das zu kühlende Objekt in wärmeleitenden Kontakt gebracht. Vorteilhaft stimmen dessen äußere, durch den Durchmesser L bestimmte Abmessungen annähernd mit den Abmessungen des zu kühlenden Objektes überein. Der Kühlkörperträger 2 wird vorzugsweise von einem einzigen, insbesondere geradlinig verlaufenden Strömungskanal 3 mit dem Durchmesser D für das flüssige Kühlmedium durchsetzt. Zur Ein- und Ausleitung des Kühlmediums dienen Anschlußrchre 1, welche vorteilhaft an den Enden mit Außengewinden 4 zum Anschluß von weitergehenden Kühlmittelschläuchen versehen sind. Die in der FIG 1 dargestellte Ausführungsform eines Kühlkörpers zeichnet sich durch einen besonders einfachen äußeren Aufbau aus, welcher insbesondere durch den den Kühlkörperträger 2 geradlinig durchlaufenden Strömungskanal 3 bedingt ist.Figures 1a, 1b and 1c show an example of a possible embodiment of a liquid-flow heat sink for an electrical component in a top, side and front view. The essential element of this heat sink is a heat sink carrier 2 with a diameter L, which is cylindrical in the example in FIG. 1. The object to be cooled is brought into heat-conducting contact with this carrier, in particular via its support surface F. Its external dimensions, determined by the diameter L, advantageously correspond approximately to the dimensions of the object to be cooled. The heat sink carrier 2 is preferably penetrated by a single, in particular straight-running flow channel 3 with a diameter D for the liquid cooling medium. Connection pipes 1 are used to feed in and out the cooling medium, and are advantageously provided at the ends with external threads 4 for connecting further cooling medium hoses. The embodiment of a heat sink shown in FIG 1 is characterized by a particularly simple external structure, which is particularly due to the flow channel 3 that runs straight through the heat sink carrier 2.
Gemäß der Neuerung wird bevorzugt in den innerhalb des Kühlkörperträgers 2 befindlichen Teil des Strömungskanales 3 ein wärmeleitendes Füllstück eingesetzt und wärmeleitend mit dessen Innenwandung verbunden. Hierdurch wird besonders vorteilhaft in dem Bereich des Kühlkörpers, in dem der größte Teil der Wärmeenergie auf das flüssige Kühlmedium übergeht, die für diesen Wärmeübergang zur Verfugung stehende Oberfläche, und somit die Wärmeleitfähigkeit des gesamten Kühlkörpers, erheblich vergrö-According to the innovation, a heat-conducting filler is preferably inserted into the part of the flow channel 3 located inside the heat sink carrier 2 and connected to its inner wall in a heat-conducting manner. This has the particularly advantageous effect of significantly increasing the surface available for this heat transfer in the area of the heat sink in which the majority of the heat energy is transferred to the liquid cooling medium, and thus the thermal conductivity of the entire heat sink.
ßert. Desweiteren wird die ansonsten die gesamten Strömungskanal" | Innenseiten 3 gleichmäßig überziehende Grenzschicht im BereichFurthermore, the boundary layer that otherwise evenly covers the entire flow channel" | Inner sides 3 in the area
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des Füllstückes gestört. Im Füllstück selbst bilden sich kürzere und im Vergleich zur bisherigen Grenzschicht dünnere Grenzschichten aus. Hierdurch wird in besonders vorteilhafter Weise auf der strömungsabwärtsliegenden Seite des Füllstückes im Strömungskanalquerschnitt gesehen eine Verringerung der Temperaturgradienten innerhalb des Kühlmediums erreicht. Der wärmeisolierende Einfluß der Grenzschichten wird folglich durch die Neuerung gerade im Zentrum des Wärmeüberganges zwischen Kühlkörper und Kühlmedium durch das Einsetzen des Füllstückes insbesondere in den direkt im Kern des wärmeleitenden Trägers 2 befindlichen Teil des Strömungskanales 3 in besonders vorteilhafter Weise reduziert.of the filler piece is disturbed. In the filler piece itself, shorter and thinner boundary layers are formed compared to the previous boundary layer. This achieves a particularly advantageous reduction in the temperature gradients within the cooling medium on the downstream side of the filler piece in the flow channel cross-section. The heat-insulating influence of the boundary layers is therefore particularly advantageously reduced by the innovation, especially in the center of the heat transfer between the heat sink and the cooling medium, by inserting the filler piece, in particular in the part of the flow channel 3 located directly in the core of the heat-conducting carrier 2.
Die Wärmeleitfähigkeitserhöhende Wirkung des Füllstückes kann desweiteren dadurch erhöht werden, daß die Strömungsgeschwindig- i keit des Kühlmediums beim Durchtritt durch das Füllstück aufgrund von dessen Querschnittsgestaltung vergrößert wird. Hierdurch wird die Dicke der füllstückinternen Grenzschichten und somit deren wärmeisolierende Wirkung weiter reduziert. In einer weiteren Ausführungsform der Neuerung kann die Ausbildung von kurzen, dünnen Grenzschichten und die innere Durchmengung des Kühlmediums besonders vorteilhaft weiter dadurch gefördert werden, daß das Füllstück geteilt ausgeführt ist, und die sich so ergebenden Teilfüllstücke insbesondere in einem Abstand voneinander in den Strömungskanal eingesetzt sind. Schließlich ist es besonders vorteilhaft, wenn die Teilfüllstücke zusätzlich untereinander axial verdreht in den Strömungskanal eingesetzt sind. Hierdurch wird erreicht, daß das Kühlmedium nicht mehr auf durchgehenden, geradlinigen und parallel zur Strömungskanalwandung verlaufenden Bahnen insbesondere den Kühlkörperträger durch-The thermal conductivity-increasing effect of the filler can be further increased by increasing the flow speed of the cooling medium as it passes through the filler due to its cross-sectional design. This further reduces the thickness of the boundary layers inside the filler and thus their heat-insulating effect. In a further embodiment of the innovation, the formation of short, thin boundary layers and the internal mixing of the cooling medium can be particularly advantageously further promoted by the filler being designed in sections and the resulting partial fillers being inserted into the flow channel at a distance from one another. Finally, it is particularly advantageous if the partial fillers are also inserted into the flow channel axially rotated relative to one another. This ensures that the cooling medium no longer flows through the heat sink carrier in continuous, straight paths running parallel to the flow channel wall.
strömt. Vielmehr wird die Strömungsrichtung dGs Kühlmediums \ Rather, the flow direction dGs cooling medium \
durch die verdrehten Teilfüllstücke zum Teil mehrfach umgelenkt. j Auch diese zusätzliche innere Vermengung des Kühlmediums trägt &iacgr; zur weiteren Verringerung des Wärmeübergangswiderstandes zwischen Kühlkörper, Füllstück und Kühlmedium bei. Anhand von in ;by the twisted partial filling pieces, sometimes redirected several times. j This additional internal mixing of the cooling medium also contributes to a further reduction in the heat transfer resistance between the heat sink, filling piece and cooling medium. Based on in ;
den Figuren 2 bis 9 dargestellten besonders vorteilhaften Ausführungsformeri Von wäriiieleitenden Füllstücken Wird die Neuerungthe particularly advantageous embodiments shown in Figures 2 to 9 of heat-conducting fillers If the innovation
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desweiteren näher erläutert. Dabei ist im oberen Teil der jeweiligen Figur ein Querschnitt und im unteren Teil eine Draufsicht des jeweiligen Füllstückes dargestellt.further explained in more detail. The upper part of each figure shows a cross-section and the lower part shows a top view of the respective filling piece.
FIG 2 zeigt ein Füllstück Sl, welches die Form einer wendeiförmigen Spirale mit einer annähernd rechteckigen Querschnittsfläche hat. Diese steht mittels der Übergangsstellen 5 an den Längsseiten in wärmeleitender Verbindung mit der Innenwandung des Strömungskanales 3. Bei der in der FIG 2 dargestellten Ausführungsform erstreckt sich diese Spirale gerade über die volle Länge L das im Kühlkörperträger 2 befindlichen Teils des Strömungskanales 3. Ein derartiges Füllstück hat zum einen den be-( ) sonderen Vorteil, daß aufgrund der geringen Strömungsquerschnittsminderung die Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmediums geringfügig erhöht wird. Zum anderen wird aber aufgrund der innerhalb der Spirale zusätzlich zur Verfügung stehenden Oberfläche der Wärmeübergangswiderstand zwischen Kühlkörper und Kühlmedium erheblich verringprt. Desweiteren ist aufgrund der Anströmung des Kühlmediums auf üia gekrümmten Flächen der Spirale mit einer besonders geringeren Grenzschichtdicke zu rechnen.FIG 2 shows a filler piece S1 which has the shape of a helical spiral with an approximately rectangular cross-sectional area. This is in heat-conducting connection with the inner wall of the flow channel 3 by means of the transition points 5 on the long sides. In the embodiment shown in FIG 2, this spiral extends exactly over the full length L of the part of the flow channel 3 located in the heat sink carrier 2. A filler piece of this type has the particular advantage that the flow speed of the cooling medium is slightly increased due to the slight reduction in the flow cross-section. On the other hand, however, the heat transfer resistance between the heat sink and the cooling medium is significantly reduced due to the additional surface available within the spiral. Furthermore, a particularly small boundary layer thickness can be expected due to the flow of the cooling medium on the curved surfaces of the spiral.
Die in der FIG 3 dargestellte weitere Ausführungsform S2 eines spiralförmigen Füllstückes zeichnet sich besonders durch eine parabolisch verlaufende Querschr.ittsflache aus. Hierbei sind die Randbereiche in der Nähe der Kontaktflächen 6 zur Innenwan- ! dung des Strömungskanales "verdickt", während sich das Querschnittsprofil im Zentrum des Strömungskanales "verjüngt". Hierdurch wird zum einen besonders vorteilhaft der fVärmeübergangswiderstand zwischen dem Kühlkörper und dem wendeiförmigen Füllstück S2 an den Kontaktflächen 6 verringert.The further embodiment S2 of a spiral-shaped filler piece shown in FIG. 3 is particularly characterized by a parabolic cross - section area. In this case, the edge areas near the contact surfaces 6 to the inner wall of the flow channel are "thickened", while the cross-sectional profile in the center of the flow channel "tapers". This particularly advantageously reduces the heat transfer resistance between the heat sink and the spiral-shaped filler piece S2 at the contact surfaces 6.
Ein weiteres vorteilhaftes Füllstück ist in der FIG 4 dargestellt. Es besteht aus einer Vielzahl von einzelnen Rohrstücken 7, welche insbesondere über ein einzelnes als ein Kernrohr dienendes Rohrstück 8 im Strömungskanal 3 zu einer Rohrpackung RSl verklemmt sind. Auch dieses Füllstück zeichnet sich durch einenAnother advantageous filler piece is shown in FIG 4. It consists of a large number of individual pipe pieces 7, which are clamped in particular via a single pipe piece 8 serving as a core pipe in the flow channel 3 to form a pipe packing RS1. This filler piece is also characterized by a
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relativ niedrigen Strömungswiderstand aus. Aufgrund der Vielzahl einzelner Rohrstücke 7 ist bei einem derartigen Füllstück RSl die Oberflächenvergrößerung bezogen auf die Füllstücklänge besonders groß. Zudem ist dieser Füllstücktyp besonders dazu geeignet» in Form von mehreren, bevorzugt kurzen Teilfüllstücken ausgeführt zu werden. In der im unteren Teil der FIG 4 dargestellten Draufsicht des Strömungskanalausschnittes der Länge L sind beispielsweise drei derartige Teilrohrpackungen RSIl, RS12 und RS13 eingesetzt. Auf diese Weise werden besonders vcrtßilhaft innerhalb des einzelnen Teilfüllstückes besonders kurze Grenzschichtlängen erreicht, wodurch wiederum die Dicke und somit die wärmeisolierende Wirkung der jeweiligen Grenzschichtrelatively low flow resistance. Due to the large number of individual pipe sections 7, the surface area increase in relation to the length of the filler piece is particularly large in the case of such a filler piece RS1. In addition, this type of filler piece is particularly suitable for being designed in the form of several, preferably short, partial filler pieces. In the top view of the flow channel section of length L shown in the lower part of FIG 4, for example, three such partial pipe packings RS11, RS12 and RS13 are used. In this way, particularly short boundary layer lengths are achieved within the individual partial filler piece, which in turn increases the thickness and thus the heat-insulating effect of the respective boundary layer.
) herabgesetzt wird. Entsprechend einer der bereits erläuterten weiteren Ausführungsformen der Neueruno sind in der Ausführungsform von FIG 4 diese Teilfüllstücke bereits sowohl untereinander axial in Strömungskanalrichtung verdreht, als auch in einem Abstand 9 voneinander in den Strömungskanal 3 eingesetzt. Da hierdurch die Kühlmittelströmung in den Bereichen 9 zwischen den Teilfüllstücken RSIl, RS12 und RS13 umgelenkt wird, was in der FIG 4 durch Pfeile angedeutet ist, ergibt sich auf der strömungsabwärts liegenden Seite eines jeden Teilfüllstückes eine bessere innere Durchmischung des Kühlmediums, und somit im Strömungskanalc,jerschnitt gesehen eine Verringerung der Temperaturgradienten innerhalb des Kühlmediums. In einer anderen, nicht dargestellten Ausführungsform können die Teilfüllstücke auch ohne) is reduced. According to one of the already explained further embodiments of the innovation, in the embodiment of FIG 4 these partial filling pieces are already both axially rotated in the flow channel direction and inserted into the flow channel 3 at a distance 9 from each other. Since this diverts the coolant flow in the areas 9 between the partial filling pieces RS11, RS12 and RS13, which is indicated by arrows in FIG 4, a better internal mixing of the cooling medium results on the downstream side of each partial filling piece and thus a reduction in the temperature gradients within the cooling medium as seen in the flow channel cross-section. In another embodiment not shown, the partial filling pieces can also be used without
) Abstand direkt hintereinander in den Strömungskanal eingesetzt werden, wenn die Wanddicken der einzelnen Rohrstücke 7 klein sind gegenüber dem Innendurchmesser der Rohrstücke.) spacing directly one after the other in the flow channel if the wall thicknesses of the individual pipe sections 7 are small compared to the inner diameter of the pipe sections.
In der FIG 5 ist eine weitere vorteilhafte Ausführungsform eines als Rohrpackung RS2 ausgeführten Füllotückes dargestellt. Dieses verfügt im Gegensatz zur Ausführungsform der TIG 4 über einen massiven Kernstift 11 im Zentrum. Hierdurch kann besonders vorteilhaft die Anpreßkraft der Rohrstücke 7 an die Innenwandung des Strömungskanales 3,und somit die Wärmeleitfähigkeit zwischen dem kühikörperträger und dem Füllstück RS2 an den KontaktflächenFIG. 5 shows a further advantageous embodiment of a filler piece designed as a tube packing RS2. In contrast to the embodiment of the TIG 4, this has a solid core pin 11 in the center. This makes it particularly advantageous to increase the contact force of the tube pieces 7 on the inner wall of the flow channel 3, and thus the thermal conductivity between the cooling body carrier and the filler piece RS2 at the contact surfaces.
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6 31 &eeacgr; g DE6 31 &eeacgr; g DE
wärmeleitend miteinander zu einer Kugelpäckung KP verbunden sind. Diese zeichnet sich durch eine besonders starke VergrÖ-are connected to one another in a heat-conducting manner to form a ball packing KP. This is characterized by a particularly strong enlargement
10 verbessert werden« Auch hier känri das Füllstück besonders vorteilhaft geteilt ausgeführt sein, In der Draufsicht in der FlG 5 sind hierzu beispielhaft die beiden Teilfüllstücke R521 und RS22 dargestellt, welche in der bereits beschriebenen Weise | zueinander axial Verdreht Und in einem Abstand voneinander in den Strömungskanal eingesetzt sind*10 can be improved« Here too, the filler piece can be designed to be particularly advantageously divided. The top view in Fig. 5 shows the two partial filler pieces R521 and RS22 as an example, which are axially rotated relative to one another in the manner already described and inserted into the flow channel at a distance from one another*
In der FIG 6 ist ein weiteres vorteilhaftes Füllstück dargestellt. Es besteht aus einer Vielzahl von wärmeleitenden Kugeln, iö weiche unter Aufrechterhaitung von StremungszwischenfäumenFIG 6 shows another advantageous filler piece. It consists of a large number of heat-conducting balls, which, while maintaining flow gaps,
ßeruhg der für den Wärmeübergang zwischen Kühlkörper bzw. Füll-ßeruhg the heat transfer between heat sink or filling
stück und Kühlmedium zur Verfügung stehenden Oberfläche aus. In |piece and cooling medium available surface. In |
einer besonders vorteilhaften Ausführungsform wird dieses Füll- % stück KP aus Sintermaterial hergestellt, wobei besonders gut \ In a particularly advantageous embodiment, this filler piece KP is made of sintered material, whereby particularly good \
wärmeleitende Übergänge zwischen den einzelnen Kugeln dieser Kugelpäckung durch die Versinterung erreicht werden können.Heat-conducting transitions between the individual balls of this ball pack can be achieved through sintering.
Die in der FIG 7 dargestellte weitere Ausführungsform eines Füllstückes FRSl besteht aus einem Zylinder, in dessen Oberfläche nutenförmige Strömungskanäle SK eingefräst sind. Die hierdurch gebildeten Stege 12 eines derartigen "Frässtückes" FRSl ermöglichen aufgrund der großen Kontaktflächen 15 mit der Stromungskanalinnenwandung einen besonders gut wärmeleitenden ! Übergang. Auch dieses Füllstück ist besonders dazu geeignet, geteilt ausgefüllt zu werden. Die Draufsicht in der FIG 7 zeigt hierzu beispielhaft die beiden in bekannter Weise axial zueinander verdreht und in einem Abstand voneinander in den Strömungskanal eingesetzten Teilfüllstücke FRSIl und FR512.The further embodiment of a filler piece FRS1 shown in FIG. 7 consists of a cylinder in whose surface groove-shaped flow channels SK are milled. The webs 12 of such a "milled piece" FRS1 thus formed enable a particularly good heat-conducting transition due to the large contact surfaces 15 with the inner wall of the flow channel. This filler piece is also particularly suitable for being filled in parts . The top view in FIG. 7 shows, as an example, the two partial fillers FRSI1 and FR512, which are axially rotated in relation to one another in a known manner and inserted into the flow channel at a distance from one another.
In einer weiteren, in der FIG 8 dargestellten Ausführungsform FRS2 eines Frässtückes ist zur weiteren Oberflächenvergrößerung und Strömungswiderstandsverringerung eine zusätzliche Kernbohrung 14 im Zentrum des Füllstückes vorgesehen. Auch hierbei ist es besonders vorteilhaft, wenn dieses geteilt ausgeführt ist. DieIn a further embodiment FRS2 of a milled piece shown in FIG 8, an additional core hole 14 is provided in the center of the filler piece to further increase the surface area and reduce flow resistance. Here too, it is particularly advantageous if this is designed in a split manner. The
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Draufsicht in der FlG 8 zeigt hierzu beispielhaft die drei Teil-Top view in FlG 8 shows the three parts as an example.
füllstücke FRS21, FRS22 und FRS23, welche in bereits beschriebener Weise zueinander axial verdreht und in einem Abstand &ngr;&ogr;&eeacgr;-einändef in den Strb'mungskanai 3 eingesetzt sind. 5filling pieces FRS21, FRS22 and FRS23, which are axially rotated relative to one another in the manner already described and are inserted into the flow channel 3 at a distance of ν-ε. 5
Die FIG 9 zeigt ein weiteres vorteilhafte Füllstück, welches in Form eines gewellten, ringförmigen Federstückes FDS ausgeführt ist. Dabei bilden die Außenseiten des Federstückes besonders gut leitende Kontaktflächen 13 mit der Innenwandung des StrÖ-FIG 9 shows another advantageous filler piece, which is designed in the form of a corrugated, ring-shaped spring piece FDS. The outer sides of the spring piece form particularly good conductive contact surfaces 13 with the inner wall of the StrÖ-
Iu iüüriyskänäles 3, Wahlenu uj.6 WeilSFif uffiiigen Feuer innensei ten ie zur Oberflächenvergrößerung des Füllstückes beitragen. Aufgrund der durch ein derartiges Füllstück hervorgerufenen äußerst geringen Stfömungsquerschnittsminderung ist es gemäß der Draufsicht von FIG 9 nicht unbedingt notwendig, Teilfüllstücke FDSl, FDS2 und FDS3 in einem Abstand voneinander in den Strömungskanal 3 einzusetzen. Vielmehr können diese Teilfederstücke direkt aufeinander folgend in den Strömungskanal 3 eingesetzt werden und bevorzugt dessen Gesamtlänge L im Kühlkörperträger ausfüllen. Hierdurch ist eine besonders hohe Oberflächenvergrößerung zwisehen dem Kühlkörper bzw. den Teilfüllstücken und dem Kühlmedium ohne eine nennenswerte Erhöhung des Strömungswiderstandes zu erreichen.Iu iüiykanales 3, Wahlu uj.6 Because the inner surfaces of the filler piece contribute to the enlargement of the surface area of the filler piece. Due to the extremely slight reduction in the flow cross-section caused by such a filler piece, it is not absolutely necessary, according to the plan view in FIG. 9 , to insert partial filler pieces FDS1, FDS2 and FDS3 at a distance from one another in the flow channel 3. Rather, these partial spring pieces can be inserted directly one after the other into the flow channel 3 and preferably fill its entire length L in the heat sink carrier. This makes it possible to achieve a particularly high increase in surface area between the heat sink or the partial filler pieces and the cooling medium without a significant increase in the flow resistance.
Der obere Teil der FIG 9 zeigt im Querschnitt beispielhaft ein erstes Teilfüllstück FDSl und strichliert ein in Strömungsrichtung dahinterliegendes, axial verdrehtes zweites Teilfüllstück FDS2. Aufgrund eines derartigen "auf Lücke setzen" von Teilfüllstücken wird gemäß der Neuerung in der bereits beschriebenen Weise erreicht, daß z.B. die Stirnseiten der Federinnenbereiche 16 des zweiten Teilfüllstückes FDS2 nicht im "Strömungsschatten" der Grenzschichten auf den Federinnenbereichen 16 des ersten Teilfüllstückes FDSl liegt. Die der Strömung zugewandte Stirnseite öieses zweiten Teilfüllstückes FDS2 kann somit auf besonders vorteilhafte Weise zum Großteil vom Kühlmedium direkt angeströmt werden.The upper part of FIG. 9 shows a cross-section of an example of a first partial filler FDS1 and a dashed line shows a second partial filler FDS2 located behind it in the direction of flow and axially rotated. Due to such "gap placement" of partial fillers, the innovation achieves in the manner already described that, for example, the front sides of the spring inner regions 16 of the second partial filler FDS2 are not located in the "flow shadow" of the boundary layers on the spring inner regions 16 of the first partial filler FDS1. The front side of this second partial filler FDS2 facing the flow can thus be directly flowed against for the most part by the cooling medium in a particularly advantageous manner.
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Die FIG 10 zeigt ein weiteres Vorteilhafte Füllstück in der Form eines plattenförmigen, geradlinigen Längsstüoke-s QSl mit an" nähernd rechteckiger Querschnittsfläche. Es ist in St-rb'murigsrichtung des* Kühlmediumi; in den Strömungskanal 3 eingesetzt und steht über die Kontaktflächen 17 mit dessen Innenseiten in wärmeleitender Verbindung. Hierdurch wird die zum Wärmeübergang auf das Kühlmedium 24 zur Verfugung stehende Oberfläche auf besonders einfache Weise vergrößert. Zudem ist auf dem Längsstück selbst aufgrund von dessen geringer Länge nur mit einer relativ dünnen, visrmsisGlisrsndsn Grenzschicht aus Kühlmedium zu rechnen. Im Vergleich zum Füllstück Sl mit der Form einer wendelför^ migen Spirale gemäß FiG 2 zeichnet sich ein derartiges Füllstück &igr; durch einen besonders niedrigen Strömungswiderstand aus. Auch dieses Füllstück ist besonders dazu geeignet, geteilt ausgeführt zu werden. Die Draufsicht in der FIG 10 zeigt hierzu beispielhaft drei in bekannter Weise axial zueinander verdreht und in einem Abstand 9 voneinander in den Strömungskanal 3 eingesetzte Teilfüllstücke QSIl1, QS12 und QS13. Aufgrund des niedrigen Strömungswiderstandes eines jeden dieser Teillängsstücke können diese entsprechend dem Beispiel der Teilfederstücke FDSl, FDS2, FDS3 gemäß der Darstellung in FIG 9 auch ohne Abstand direkt hintereinander in den Strömungskanal eingesetzt werden.FIG. 10 shows a further advantageous filler piece in the form of a plate-shaped, straight longitudinal piece QS1 with an approximately rectangular cross-sectional area. It is inserted into the flow channel 3 in the direction of flow of the cooling medium and is in heat-conducting connection with its inner sides via the contact surfaces 17. This increases the surface available for heat transfer to the cooling medium 24 in a particularly simple manner. In addition, only a relatively thin, visibly gliding boundary layer of cooling medium is to be expected on the longitudinal piece itself due to its short length. In comparison to the filler piece S1 with the shape of a helical spiral according to FIG. 2, such a filler piece is characterized by a particularly low flow resistance. This filler piece is also particularly suitable for being designed in sections. The top view in FIG. 10 shows, as an example, three axially rotated relative to one another in a known manner and spaced 9 from one another. Partial filler pieces QSIl 1 , QS12 and QS13 inserted into the flow channel 3. Due to the low flow resistance of each of these partial longitudinal pieces, they can be inserted into the flow channel directly one after the other without any spacing, as is the case with the example of the partial spring pieces FDSl, FDS2, FDS3 as shown in FIG 9.
Schließlich zeigt die FIG 11 eine weitere Ausführungsformm QS2 des als Füllstück dienenden Längsstückes. Entsprechend dem Füllstück S2 mit der Form einer wendeiförmigen Spirale S2 gemäß FIG verläuft auch hier die Querschnittsfläche parabolisch, wobei die Randbereiche in der Nähe der Kontaktflächen 18 zur Strömungskanalinnenwandung "verdickt" sind, während sich das Querschnittsprofil im Zentrum des Strömungskanales "verjüngt".Finally, FIG 11 shows a further embodiment QS2 of the longitudinal piece serving as a filler piece. In accordance with the filler piece S2 with the shape of a helical spiral S2 according to FIG, the cross-sectional area here also runs parabolically, with the edge areas near the contact surfaces 18 to the inner wall of the flow channel being "thickened", while the cross-sectional profile "tapers" in the center of the flow channel.
16 Schutzansprüche
11 Figuren16 Protection claims
11 figures
Claims (1)
gekennzeichnet durchelement, which is penetrated by a channel (3) for the flow of the cooling medium,
marked by
f.
|; 2. Kühlkörper nach Anspruch 1, gekennzeichnet I
f.
|; 2. Heat sink according to claim 1, characterized
&igr; 4. Kühlkörper nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine wendeiförmige Spirale (Sl,S2) als Füllstück (FIG 2,3).3. Cooling body according to claim 2, characterized in that the balls of the ball packing (KP) are connected to one another by sintering. 25
&igr; 4. Cooling body according to claim 1, characterized by a helical spiral (S1,S2) as a filler piece (FIG 2,3).
Priority Applications (1)
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