EP0069283A1 - Kühlkörper zur kombinierten Wärmetausch von Luft und einem flüssigen Medium mit einem gemeinsamen Kühlmedium - Google Patents

Kühlkörper zur kombinierten Wärmetausch von Luft und einem flüssigen Medium mit einem gemeinsamen Kühlmedium Download PDF

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EP0069283A1
EP0069283A1 EP82105581A EP82105581A EP0069283A1 EP 0069283 A1 EP0069283 A1 EP 0069283A1 EP 82105581 A EP82105581 A EP 82105581A EP 82105581 A EP82105581 A EP 82105581A EP 0069283 A1 EP0069283 A1 EP 0069283A1
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    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
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    • F28F3/02—Elements or assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with recesses, with corrugations
    • F28F3/04—Elements or assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with recesses, with corrugations the means being integral with the element
    • F28F3/048—Elements or assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with recesses, with corrugations the means being integral with the element in the form of ribs integral with the element or local variations in thickness of the element, e.g. grooves, microchannels
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D9/00—Heat-exchange apparatus having stationary plate-like or laminated conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall
    • F28D9/0093—Multi-circuit heat-exchangers, e.g. integrating different heat exchange sections in the same unit or heat-exchangers for more than two fluids
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F28F1/10—Tubular elements and assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with projections, with recesses
    • F28F1/12—Tubular elements and assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with projections, with recesses the means being only outside the tubular element
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    • F28F1/16—Tubular elements and assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with projections, with recesses the means being only outside the tubular element and extending longitudinally the means being integral with the element, e.g. formed by extrusion
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    • F28F7/00—Elements not covered by group F28F1/00, F28F3/00 or F28F5/00
    • F28F7/02—Blocks traversed by passages for heat-exchange media

Definitions

  • the invention relates to a heat sink for the combined cooling of air and a liquid medium with a common cooling medium.
  • cooling devices are only suitable for cooling a single medium. However, there are applications in which both a gaseous medium, for example air and a liquid medium, for example water, have to be cooled in a device.
  • a gaseous medium for example air
  • a liquid medium for example water
  • the laser itself is cooled with water.
  • Such a cooling device is e.g. explained in DE-PS'15 64 685.
  • the cooling water is passed through an inner tube containing the laser rod and is discharged through an outer tube after its relaxation. Since the cooling water used must be highly pure, a second cooling circuit is generally provided for recooling.
  • the air in this device cabinet must also be cooled. This can be done, for example, by means of a finned tube heat exchanger described in DE-OS 25 19 694.
  • a tube is provided on the outside with several soldered fins, which are surrounded by the air to be cooled. For example, cooling water flows through the pipe itself.
  • the object of the invention is therefore a heat sink. train that it is suitable for the combined cooling of air and a liquid medium.
  • the heat sink is designed as a metal plate with laterally projecting ribs, that the metal plate has two groups of openings opening in the end faces of the metal plate, that all openings of a group are connected by grooves in the end faces of the metal plate to form a closed channel are and that one channel of the liquid medium to be cooled and the other channel is flowed through by the cooling medium.
  • the heat sink has a simple construction and is therefore inexpensive to manufacture.
  • two adjacent openings are alternately connected by grooves in opposite end faces of the metal plate, so that each channel is meandering.
  • the respective channel length is thus particularly large, so that an intensive heat exchange takes place.
  • all grooves on each end face of the metal plate are covered in a liquid-tight manner with a common plate. This results in a particularly simple sealing of the grooves.
  • the two channels can lie in two parallel planes, all the openings having a V-shaped cross section, the tips of the V-shaped cross sections of the two groups of openings facing each other and each opening of the one group at least partially between two openings the other group.
  • the total cross section of the metal plate is almost completely filled by the cross section of the openings, so that a particularly intensive heat transfer to the cooling medium is obtained.
  • a similar effect can be achieved with cooling channels with a circular or rectangular cross section.
  • Figure 1 shows a sectional view and Figure 2 shows a partially sectioned elevation of the heat sink.
  • This consists of a metal plate 1 which has cooling fins 1a on two opposite sides.
  • the cooling fins 1a are covered with plates 1b in the exemplary embodiment, so that closed air shafts are created for the air to be cooled.
  • the metal plate 1 has two groups A, B of openings 2a, 2b which are parallel to one another and parallel to the cooling fins 1a.
  • Each opening has a substantially V-shaped cross section.
  • the tips of the V-shaped cross sections face each other and each opening 2b of the second group B lies between two openings 2a of the first group A.
  • grooves 3a and 3b are provided in two opposite end faces 1c, 1d of the metal plate 1, each of which connects two adjacent openings of the same group A and B to one another.
  • two adjacent openings 2a and 2b are via a groove 3a and 3b in an end face 1c of the metal plate 1, the next opening is over.
  • a groove in the opposite end face 1d and the subsequent opening neither connected via a groove 3a in the end face 1c.
  • the openings 2a and 2b together with the grooves 3a and 3b thus form meandering, closed channels.
  • the grooves 3a and 3b are sealed on each end face 1c or 1d via a common cover plate 1e or 1f.
  • an elastic insert is expediently inserted between each cover plate 1e or 1f and the end face 1c or 1d.
  • the cover plates 1 and 1f also contain the inlet and outlet connections 1g and 1h or 1i and 1k for the channels formed with the openings 2a and the grooves 3a or the openings 2b and the grooves 3b. Both cover plates 1e and 1f are identical.
  • the heat sink described will be accommodated in the cabinet containing the electrical components required for operating the laser, and thus the cabinet air is cooled via the cooling fins 1a.
  • One channel, e.g. Channel A is connected to a circuit for the liquid medium that cools the laser itself.
  • the second channel B is connected to an external cooling circuit, for example to the water network.
  • the heat sink described also has the advantage that a heat exchange can take place between the cabinet air and the liquid cooling medium. For example, the heat from the cabinet at a relatively low ambient temperature is emitted to the ambient temperature at least for a certain operating time via the liquid medium and the laser having a relatively high heat transfer surface.
  • the heat capacity of the cabinet helps to even out the temperature of the liquid medium, which in turn benefits the life of the laser lamp.
  • the cooling medium circuit may only be needed if necessary, for example after a longer operating time or longer Ambient temperature can be switched on. This connection can be controlled, for example, by the temperature of the liquid medium or by the cabinet temperature.

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Abstract

Der erfindungsgemäße Kühlkörper ist als Metallplatte (1) mit seitlich abstehenden Rippen (1a) ausgebildet. Die Metallplatte (1) weist zwei Gruppen (A, B) von in Stirnseiten der Metallplatte (1) mündenden Durchbrüchen (2a, 2b) auf. Jeweils alle Durchbrüche (2a, 2b) einer Gruppe (A, B) sind durch Nuten (3a, 3b) in Stirnseiten der Metallplatte (1) zu einem geschlossenen Kanal (A, B) verbunden. Der eine Kanal (A) wird vom zu kühlenden flüssigen Medium und der andere Kanal (B) vom Kühlmedium durchflossen. Damit kann mit einem einzigen Kühlkörper und einem gemeinsamen Kühlmedium sowohl Luft als auch ein flüssiges Medium gekühlt werden.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Kühlkörper zur kombinierten Kühlung von Luft und einem flüssigen Medium mit einem gemeinsamen Kühlmedium.
  • Im Handel erhältliche Kühleinrichtungen sind nur zur Kühlung eines einzigen Mediums geeignet. Es gibt jedoch Anwendungsfälle, bei denen in einem Gerät sowohl ein gasförmiges Medium, beispielsweise Luft als auch ein flüssiges Medium, beispielsweise Wasser gekühlt werden muß. Bei Laser-Anlagen wird beispielsweise der Laser selbst mit Wasser gekühlt. Eine derartige Kühleinrichtung ist z.B. in der DE-PS'15 64 685 erläutert. Dabei wird das Kühlwasser durch ein den Laserstab enthaltendes inneres Rohr geführt und nach seiner Entspannung durch ein äußeres Rohr abgeführt. Da das verwendete Kühlwasser hochrein sein muß, wird im allgemeinen ein zweiter Kühlkreis zur Rückkühlung vorgesehen.
  • Da zum Betrieb des Lasers außerdem eine Vielzahl von in einem Geräteschrank untergebrachten elektrischen Bauelementen erforderlich ist, muß auch die Luft in diesem Geräteschrank gekühlt werden. Dies kann beispielsweise durch einen in der DE-OS 25 19 694 beschriebenen Lamellen-Rohr-Wärmetauscher erfolgen. Dabei ist ein Rohr an der Außenseite mit mehreren aufgelöteten Lamellen versehen, die von der zu kühlenden Luft umströmt werden. Durch das Rohr selbst fließt beispielsweise Kühlwasser.
  • Bisher war also die Kühlung von Luft und einem füssigen Medium nur mit zwei gesonderten Wärmetauschern möglich.
  • Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen Kühlkörper so. auszubilden, daß er zur kombinierten Kühlung von Luft und einem flüssigen Medium geeignet ist.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Kühlkörper als Metallplatte mit seitlich abstehenden Rippen ausgebildet ist, daß die Metallplatte zwei Gruppen von in Stirnseiten der Metallplatte mündenden Durchbrüchen aufweist, daß jeweils alle Durchbrüche einer Gruppe durch Nuten in Stirnseiten der Metallplatte zu einem geschlossenen Kanal verbunden sind und daß der eine Kanal vom zu kühlenden flüssigen Medium und der andere Kanal vom Kühlmedium durchflossen ist.
  • Damit wird mit einem einzigen Kühlelement sowohl die Luft als auch das flüssige Medium durch ein gemeinsames Kühlmedium gekühlt. Der Kühlkörper weist einen einfachen konstruktiven Aufbau auf und ist somit kostengünstig zu fertigen.
  • Vorteilhafterweise sind jeweils zwei benachbarte Durchbrüche abwechselnd durch Nuten in gegenüberliegenden Stirnseiten der Metallplatte verbunden, so daß jeder Kanal mäanderförmig verläuft. Damit wird die jeweilige Kanallänge besonders groß, so daß ein intensiver Wärmeaustausch stattfindet.
  • Zweckmäßigerweise sind alle Nuten je Stirnseite der Metallplatte mit einer gemeinsamen Platte flüssigkeitsdicht abgedeckt. Damit ergibt sich eine besonders einfache Abdichtung der Nuten.
  • Bei einer vorteilhaften Ausführungsform können die beiden Kanäle in zwei parallelen Ebenen liegen, wobei alle Durchbrüche einen V-förmigen Querschnitt aufweisen, die Spitzen der V-förmigen Querschnitte der beiden Gruppen von Durchbrüchen einander zugewandt sein und jeder Durchbruch der einen Gruppe zumindest teilweise zwischen zwei Durchbrüchen der anderen Gruppe liegten, Bei dieser Ausführungsform wird der Gesamtquerschnitt der Metallplatte nahezu völlig vom Querschnitt der Durchbrüche ausgefüllt, so daß man einen besonders intensiven Wärmeübergang zum Kühlmedium erhält. Einen ähnlichen Effekt kann man mit Kühlkanälen mit kreisförmigem oder rechteckförmigem Querschnitt erreichen.
  • Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der Figuren 1 bis 3 näher erläutert.
  • Figur 1 zeigt ein Schnittbild und Figur 2 einen teilweise geschnittenen Aufriß des Kühlkörpers. Dieser besteht aus einer Metallplatte 1, die an zwei gegenüberliegenden Seiten Kühlrippen 1a aufweist. Die Kühlrippen 1a sind im Ausführungsbeispiel mit Platten 1b abgedeckt, so daß geschlossene Luftschächte für die zu kühlende Luft entstehen.
  • Die Metallplatte 1 weist zwei Gruppen A, B von Durchbrüchen 2a, 2b auf, die parallel zueinander und parallel zu den Kühlrippen 1a liegen. Jeder Durchbruch weist einen im wesentlichen V-förmigen Querschnitt auf. Dabei sind die Spitzen der V-förmigen Querschnitte einander zugewandt und jeder Durchbruch 2b der zweiten Gruppe B liegt jeweils zwischen zwei Durchbrüchen 2a der ersten Gruppe A. Das soweit beschriebene Profil kann kostengünstig durch Strangpreßverfahren hergestellt werden.
  • Um die Durchbrüche 2a, 2b einer Gruppe A, B jeweils zu einem geschlossenen Kanal zusammenzufügen, sind in zwei gegenüberliegenden Stirnflächen 1c, 1d der Metallplatte 1 Nuten 3a bzw. 3b vorgesehen, die jeweils zwei benachbarte Durchbrüche derselben Gruppe A bzw. B miteinander verbipden. Dabei sind beispielsweise zwei benachbarte Durchbrüche 2a bzw. 2b über eine Nut 3a bzw. 3b in einer Stirnfläche 1c der Metallplatte 1, der nächste Durchbruch über. eine Nut in der gegenüberliegenden Stirnfläche 1d und der darauffolgende Durchbruch weder über eine Nut 3a in der Stirnfläche 1c verbunden. Damit bilden die Durchbrüche 2a bzw. 2b zusammen mit den Nuten 3a bzw. 3b mäanderförmige, geschlossene Kanäle. Die Abdichtung der Nuten 3a und 3b erfolgt je Stirnseite 1c bzw. 1d über eine gemeinsame Abdeckplatte 1e bzw. 1f. Dabei ist zweckmäßigerweise zwischen jede Abdeckplatte 1e bzw. 1f und die Stirnseite 1c bzw. 1d zur Abdichtung eine in den Figuren der Übersichtlichkeit wegen nicht dargestellte elastische Einlage eingefügt.
  • Die Abdeckplattenle und 1f enthalten auch die Ein- und Auslaßstutzen 1g und 1h bzw. 1i und 1k für die mit den Durchbrüchen 2a und den Nuten 3a bzw. den Durchbrüchen 2b und den Nuten 3b gebildeten Kanäle. Beide Abdeckplatten 1e und 1f sind identisch ausgeführt.
  • Zur Verdeutlichung der Anordnung ist in Figur 3 der Verlauf der Kanäle nochmals schematisch dargestellt.
  • Die dargestellte Anordnung wird nun so an Kühlkreisläufe angeschlossen, daß ein Kanal, beispielsweise der Kanal A von einem zu kühlenden flüssigen Medium und der andere Kanal,in diesem Fall also der Kanal B vom Kühlmedium durchflossen wird. Damit wird mit einem einzigen Kühlmedium sowohl das flüssige Medium als auch die die Kühlrippen 1a umströmende Luft gekühlt. Dabei besteht wegen der großen Wärmeübergangsfläche und des geringen Abstands sowohl zwischen den vom Kühlmedium durchflossenen Durchbrüchen und den vom flüssigen Medium durchflossenen Durchbrüchen als auch zwischen den vom Kühlmedium durchflossenen Durchbrüchen und den Kühlrippen nur ein geringer Wärmewiderstand, so daß der beschriebene Kühlkörper eine sehr gute Kühlleistung aufweist.
  • Bei Laser-Anlagen wird man den beschriebenen Kühlkörper in dem die zum Betrieb des Lasers erforderlichen elektrischen Bauelemente enthaltenden Schrank unterbringen und somit über die Kühlrippen 1a die Schrankluft kühlen. Ein Kanal, z.B. der Kanal A wird an einen Kreislauf für das den Laser selbst kühlende flüssige Medium angeschlossen. Der zweite Kanal B wird an einen externen Kühlkreislauf, beispielsweise an das Wassernetz angeschlossen. Dabei weist der beschriebene Kühlkörper außerdem den Vorteil auf, daß zwischen der Schrankluft und dem flüssigen Kühlmedium ein Wärmeaustausch stattfinden kann. So kann z.B. die Wärme aus dem Schrank bei verhältnismäßig niedriger Umgebungstemperatur über das flüssige Medium und den eine verhältnismäßig hohe Wärmeübergangsfläche aufweisenden Laser zumindest für eine gewisse Betriebszeit an die Umgebungstemperatur abgegeben werden. Außerdem trägt die Wärmekapazität des Schrankes zu einer Vergleichmäßigung der Temperatur des flüssigen Mediums bei, was wiederum der Lebensdauer der Laserlampe zugute kommt.
  • Wegen des Wärmeaustausches zwischen der Schrankluft und dem flüssigen Kühlmedium des Lasers ist je nach Anlage ein externer Kühlkreislauf nicht in allen Betriebszuständen erforderlich. In diesen Fällen kann dann der Kreislauf des Kühlmediums unter Umständen erst bei Bedarf, z.B. nach längerer Betriebszeit oder höherer Umgebungstemperatur zugeschaltet werden. Dieses Zuschalten kann z.B. durch die Temperatur des flüssigen Mediums oder durch die Schranktemperatur gesteuert werden.

Claims (4)

1. Kühlkörper zur kombinierten Kühlung von Luft und einem flüssigen Medium mit einem gemeinsamen Kühlmedium, dadurch gekennzeichnet , daß der Kühlkörper als Metallplatte (1) mit seitlich abstehenden Rippen (1a) ausgebildet ist, daß die Metallplatte (1) zwei Gruppen (A, B) von in Stirnseiten (1c, 1d) der Metallplatte (1) mündenden Durchbrüchen (2a, 2b) aufweist, daß jeweils alle Durchbrüche (2a, 2b) einer Gruppe (A, B) durch Nuten (3a, 3b) in Stirnseiten der Metallplatte (1) zu einem geschlossenen Kanal (A, B) verbunden sind und daß der eine Kanal (A) vom zu kühlenden flüssigen Medium und der andere Kanal (B) vom Kühlmedium durchflossen ist.
2. Kühlkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß jeweils zwei benachbarte Durchbrüche (2a, 2b) abwechselnd durch Nuten (3a, 3b) in gegenüberliegenden Stirnseiten der Metallplatte (1) verbunden sind, so daß jeder Kanal mäanderförmig verläuft.
3. Kühlkörper nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß alle Nuten (3a, 3b) je Stirnseite der Metallplatte (1) mit einer gemeinsamen Platte (1e) flüssigkeitsdicht abgedeckt sind.
4. Kühlkörper nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , daß die beiden Kanäle (A, B) in zwei parallelen Ebenen liegen, daß alle Durchbrüche (2a, 2b) einen V-förmigen Querschnitt aufweisen und daß die Spitzen der V-förmigen Querschnitte der beiden Gruppen von Durchbrüchen (2a, 2b) einander zugewandt sind, wobei jeder Durchbruch (2a) der einen Gruppe (A) zumindest teilweise zwischen zwei Durchbrüchen (2b) der anderen Gruppe (B) liegt.
EP82105581A 1981-07-07 1982-06-24 Kühlkörper zur kombinierten Wärmetausch von Luft und einem flüssigen Medium mit einem gemeinsamen Kühlmedium Expired EP0069283B1 (de)

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DE (2) DE3126790A1 (de)

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DE3260781D1 (en) 1984-10-25
DE3126790A1 (de) 1983-01-27
JPS5818088A (ja) 1983-02-02

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