EP0835524A1 - Cooling unit with pin elements - Google Patents

Cooling unit with pin elements

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EP0835524A1
EP0835524A1 EP97900948A EP97900948A EP0835524A1 EP 0835524 A1 EP0835524 A1 EP 0835524A1 EP 97900948 A EP97900948 A EP 97900948A EP 97900948 A EP97900948 A EP 97900948A EP 0835524 A1 EP0835524 A1 EP 0835524A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
kuhlkoφer
pins
cooling
pin
kühlkoφer
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP97900948A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Klaus Becker
Wolfgang Staiger
Matthias Jung
Peter Heinemeyer
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Mercedes Benz Group AG
Original Assignee
ABB Daimler Benz Transportation Schweiz AG
Daimler Benz AG
ABB Daimler Benz Transportation Deutschland GmbH
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Filing date
Publication date
Priority claimed from DE1996100166 external-priority patent/DE19600166A1/en
Priority claimed from DE1996100164 external-priority patent/DE19600164A1/en
Application filed by ABB Daimler Benz Transportation Schweiz AG, Daimler Benz AG, ABB Daimler Benz Transportation Deutschland GmbH filed Critical ABB Daimler Benz Transportation Schweiz AG
Publication of EP0835524A1 publication Critical patent/EP0835524A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L23/00—Details of semiconductor or other solid state devices
    • H01L23/34—Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements
    • H01L23/46—Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements involving the transfer of heat by flowing fluids
    • H01L23/473—Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements involving the transfer of heat by flowing fluids by flowing liquids
    • 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
    • F28D9/0031—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 the conduits for one heat-exchange medium being formed by paired plates touching each other
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • 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
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
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    • 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
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    • H01L2924/0002—Not covered by any one of groups H01L24/00, H01L24/00 and H01L2224/00

Definitions

  • the invention relates to a cooling element according to the preamble of claim 1
  • the problem with such an arrangement is that the heat dissipation of any components on the outer surfaces of the cooler body is inhomogeneous.
  • the flow path is short-circuited between the coolant inlet and coolant outlet. Hot zones therefore form on the outer surfaces.
  • the heat resistance of the arrangement in DE 40 17 749 also has a high level Heat resistance of approx. 30 K / kW, which leads to overheating of the coolant
  • the object of the invention is therefore to provide a cooling element with a pin arrangement which improves the flow conditions in the cooling element
  • the local density of the pegs is chosen so that in the interior of the cooling element there is an essentially homogeneous flow resistance. Em short-circuiting of the flow path of the cooling medium is prevented, and the cooling medium flows evenly around the pegs
  • the pegs attached to at least one inner surface have a tapering shape, the respective contact surface of a peg with an inner surface of the cooling body having the largest cross section of the peg. The thermal resistance of the arrangement is thus reduced
  • the pins (5. 5 1 ) are arranged along the flow path with an opening angle of 40 ° to 60 °
  • the Kuhlko ⁇ er invention is characterized by the flow-favorable design of the cones and by a high degree of fullness with cones in the Kuhlko ⁇ e ⁇ nnern
  • the pins at least cohesively attached to the inner surface have a tapering shape, the respective contact surface of a pin with the inner surface of the cooling body having the largest cross-sectional area of the pin. The thermal resistance of the arrangement is thus reduced
  • Fig 1 b eme top view of the inside of a cooler body with unevenly distributed cones
  • FIG. 2 eme top view of the inside of another embodiment emer
  • FIG. 3a shows a side view of a cooling body with consecutive pegs in longitudinal section
  • FIG. 3b shows a view of another embodiment of a cooling body with consecutive pegs in longitudinal section.
  • 4 shows the structure of a multi-part cooling body
  • FIG. 5 shows a clamp for connecting the parts of a multi-part cooling body
  • FIG. 1 a shows the side view of a cooling body 1 according to the invention with an upper and a lower part 2 and 2 '.
  • the connections for coolant inlet 3 and coolant outlet 4 are indicated.
  • the connections 3 and 4 can be arranged on opposite sides or on the same side.
  • the two parts 2 and 2 'smd connected to each other and can eg be glued, sintered, screwed or clamped or connected to one another via an intermediate piece.
  • the cooling body is, for example, suitable for liquid cooling media, but can also be used for gaseous cooling media
  • a top view of the inner surface of the cooler body 2 of the cooler body 1 is shown, the wall being shown schematically by a circle.
  • a large number of pins 5 are arranged on the inner surface of the cooler body part 2.
  • the pins 5 are separated by channels 6 and are uneven Distributed over the inner surface of the Kuhlko ⁇ erteil 2
  • the degree of fullness of the pin 5 in the area of the imaginary shortest connecting line 7 between the coolant inlet 3 and coolant outlet 4 is high, removed ge ⁇ ng, so that the flow resistance over the O
  • the area with the higher cone density is at least as wide as the smaller the diameter of the cooling water inlet and outlet 3 and 4
  • the resultant Narrow channel width is advantageous for the flow rate of the cooling medium.
  • the arrangement has a narrow thermal resistance of only 20 K / kW
  • the degree of fullness varies from 1 1 (cavity to volume fraction of material) to 2 1.
  • the advantage then lies in the fact that for such a full degree, the manufacture of the tools for producing such a cooling body. e.g. by pressing and sintering ceramics, it is still simple. Any rejects by breaking out pins 5. 5 'or channels 6 are avoided.
  • the flow rate is then 10 1 / ⁇ un large enough for the usual coolant flow rates for sufficient heat removal, but still small enough not to damage the Kuhlko ⁇ er 1 abrasively
  • the degree of fullness can be achieved by omitting or adding pins 5. 5 ' or by enlarging or reducing pins 5, 5' or channels 6 or changing the pin size or channel size with unchanged channels 6 or pins 5, 5 * . that the maximum flow rate of the coolant along the channels 6 in each channel is not more than 50%, especially not more than 30%. is below or above the mean flow rate maximum
  • the pins can have any shape per se. However, it turns out that a special base area of the pins 5, 5 'is particularly advantageous
  • the middle part 2 is hollow and has connections 3 and 4 for the coolant. It is particularly advantageous if this middle part consists of metal (aluminum or copper or other cost-effective materials) or plastic. While ceramic bodies connect the coolant lines is technically complex This is considerably simplified in the arrangement according to the invention.
  • the connections such as commercially available flange connections or sockets, can be attached, for example, by means of screw threads on the central part 2 "or connected to this by soldering

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Abstract

The invention concerns a cooling unit made from a heat-conducting insulator with pin elements (5) inside the inner chamber of the cooling unit. The ratio of the volume of the pin elements (5) to that of the troughs (6) in the inner chamber of both cooling unit sections (2, 2') in the region of the imaginary direct connecting line (7) between a coolant outlet (4) and a coolant inlet (3) is greater than in the regions beyond the imaginary connecting line (7).

Description

Kuhlkoφer mit Zapfen Kuhlkoφer with cones
Die Erfindung betπfft emen Kuhlkoφer gemäß dem Oberbegnff des Anspruchs 1The invention relates to a cooling element according to the preamble of claim 1
Aus der Patentschπft DE 40 17 749 ist ein Kuhlkoφer bekannt, der aus emer oberen und emer unteren Hälfte zusammengesetzt ist und bei dem auf der inneren Oberflache emer solchen Hälfte stoffschlussig Zapfen senkrecht im Stromungsweg des Kuhlmediums angeordnet sindFrom the patent DE 40 17 749 a Kuhlkoφer is known, which is composed of emer upper and emer lower half and in which on the inner surface emer such half cohesive pins are arranged vertically in the flow path of the cooling medium
Das Problem emer solchen Anordnung besteht dann, daß die Wärmeableitung etwaiger Bauelemente auf den Außenflachen des Kuhlkoφers inhomogen ist Zwischen Kuhlmitteleingang und Kuhlmittelausgang wird der Stromungsweg kurzgeschlossen Es bilden sich deshalb heiße Zonen auf den Außenflachen Der Warmewiderstand der Anordnung in DE 40 17 749 hat zudem emen hohen Warmewiderstand von ca 30 K/kW, was zu emer Uberhitzung des Kuhlmittels führtThe problem with such an arrangement is that the heat dissipation of any components on the outer surfaces of the cooler body is inhomogeneous. The flow path is short-circuited between the coolant inlet and coolant outlet. Hot zones therefore form on the outer surfaces. The heat resistance of the arrangement in DE 40 17 749 also has a high level Heat resistance of approx. 30 K / kW, which leads to overheating of the coolant
Aufgabe der Erfindung ist es daher, emen Kuhlkoφer mit einer Zapfenanordnung anzugeben, der die Stromungsverhaltnisse im Kuhlkoφer verbessertThe object of the invention is therefore to provide a cooling element with a pin arrangement which improves the flow conditions in the cooling element
Die Aufgabe wird durch die Merkmaie des Anspruchs 1 gelost Weiterführende und vorteilhafte Ausgestaltungen smd den Unteranspruchen 2 - 6 und 7 - 22 und der Beschreibung zu entnehmenThe object is achieved by the features of claim 1. Further and advantageous refinements can be found in subclaims 2 - 6 and 7 - 22 and the description
Bei dem erfindungsgemaßen Kühlkörper ist die lokale Dichte der Zapfen so gewählt, daß im Innenraum des Kuhlkoφers em un wesentlichen homogener Stromungswiderstand herrscht Em Kurzschluß des Stromungsweges des Kuhlmittels wird unterbunden, und das Kuhlmittel strömt gleichmaßig um die ZapfenIn the heat sink according to the invention, the local density of the pegs is chosen so that in the interior of the cooling element there is an essentially homogeneous flow resistance. Em short-circuiting of the flow path of the cooling medium is prevented, and the cooling medium flows evenly around the pegs
Besonders vorteilhaft ist, wenn zusätzlich die mindestens an einer inneren Oberflache stoffschlussig angebrachten Zapfen eine spitz zulaufende Form aufweisen, wobei die jeweilige Kontaktflache eines Zapfens zu einer inneren Oberflache des Kuhlkoφers den größten Querschnitt des Zapfens aufweist Der Warmewiderstand der Anordnung ist damit reduziertIt is particularly advantageous if, in addition, the pegs attached to at least one inner surface have a tapering shape, the respective contact surface of a peg with an inner surface of the cooling body having the largest cross section of the peg. The thermal resistance of the arrangement is thus reduced
Besonders vorteilhaft ist es. den Kuhlkoφer aus mehreren Teilen losbar zusammenzusetzenIt is particularly advantageous. the Kuhlkoφer assembled from several parts detachable
Bei einer Weiterbildung, die eigenständigen, erfinderischen Gehalt aufweist, sind die Zapfen (5. 51) entlang des Stromungsweges mit einem Offhungswinkel von 40° bis 60° angeordnet Der erfindungsgemaße Kuhlkoφer zeichnet sich durch die stromungsgunstige Ausbildung der Zapfen sowie durch einen hohen Fullgrad mit Zapfen im Kuhlkoφeπnnern ausIn a further development, which has independent inventive content, the pins (5. 5 1 ) are arranged along the flow path with an opening angle of 40 ° to 60 ° The Kuhlkoφer invention is characterized by the flow-favorable design of the cones and by a high degree of fullness with cones in the Kuhlkoφeπnnern
Besonders vorteilhaft ist es. wenn zusatzlich die mmdestens an emer inneren Oberflache stoffschlussig angebrachten Zapfen eine spitz zulaufende Form aufweisen, wobei ώe jeweilige Kontaktflache emes Zapfens zu emer inneren Oberflache des Kuhlkoφers die größte Querschnittsflache des Zapfens aufweist Der Warmewiderstand der Anordnung ist damit reduziertIt is particularly advantageous. if, in addition, the pins at least cohesively attached to the inner surface have a tapering shape, the respective contact surface of a pin with the inner surface of the cooling body having the largest cross-sectional area of the pin. The thermal resistance of the arrangement is thus reduced
Im folgenden ist die Erfindung anhand von Abbildungen naher beschriebenThe invention is described in more detail below with reference to figures
Es zeigenShow it
Fig la eme Seitenansicht emes KuhlkoφersFig la eme side view of Kuhlkoφers
Fig 1 b eme Aufsicht auf die Innenseite einer Kuhlkoφerhalfte mit ungleich verteilten ZapfenFig 1 b eme top view of the inside of a cooler body with unevenly distributed cones
Fig 2 eme Ansicht von oben der Innenseite einer weiteren Ausführungsform emerFig. 2 eme top view of the inside of another embodiment emer
Kuhlkoφerhalfte mit ungleich verteilten Zapfen. Fig 3a eme Seitenansicht eines Kuhlkoφers mit aufeinanderstellenden Zapfen im Längsschnitt, Fig 3b eine Ansicht emer anderen Ausführungsform eines Kuhlkoφers mit aufeinanderstellenden Zapfen im Längsschnitt. Fig 3 c emen Kuhlkoφer mit ineinandergreifenden Zapfen im Längsschnitt. Fig 4 den Aufbau emes mehrteiligen Kuhlkoφers, Fig 5 eine Klammer zum Verbinden der Teile eines mehrteiligen KuhlkoφersKuhlkoφerhalfte with unevenly distributed cones. 3a shows a side view of a cooling body with consecutive pegs in longitudinal section, FIG. 3b shows a view of another embodiment of a cooling body with consecutive pegs in longitudinal section. Fig 3 c emen Kuhlkoφer with interlocking pin in longitudinal section. 4 shows the structure of a multi-part cooling body, FIG. 5 shows a clamp for connecting the parts of a multi-part cooling body
Fig 1 a zeigt die Seitenansicht emes erfindungsgemaßen Kuhlkoφers 1 mit einem oberen und emem unteren Teil 2 und 2' Die Anschlüsse für Kuhlmitteleingang 3 und Kuhlmittelausgang 4 sind angedeutet Die Anschlüsse 3 und 4 können auf gegenüberliegenden Seiten oder auf derselben Seite angeordnet sein Die beiden Teile 2 und 2' smd miteinander verbunden und können z B verklebt, gesintert, verschraubt oder geklammert oder über em Zwischenstuck miteinander verbunden sem Der Kuhlkoφer ist z B für flussige Kuhlmedien geeignet, kann aber auch für gasformige Kuhlmedien eingesetzt werden1 a shows the side view of a cooling body 1 according to the invention with an upper and a lower part 2 and 2 '. The connections for coolant inlet 3 and coolant outlet 4 are indicated. The connections 3 and 4 can be arranged on opposite sides or on the same side. The two parts 2 and 2 'smd connected to each other and can eg be glued, sintered, screwed or clamped or connected to one another via an intermediate piece. The cooling body is, for example, suitable for liquid cooling media, but can also be used for gaseous cooling media
In Fig 1 b ist eme Aufsicht auf die Innenfläche der Kuhlkoφerhalfte 2 des Kuhlkoφers 1 dargestellt, wobei die Wand durch emen Kreis schematisch gezeichnet ist Auf der Innenflache des Kuhlkoφerteils 2 ist eme Vielzahl von Zapfen 5 angeordnet Die Zapfen 5 sind durch Kanäle 6 getrennt und ungleichmäßig über die Innenflache des Kuhlkoφerteils 2 verteilt Der Fullgrad der Zapfen 5 im Bereich der gedachten kürzesten Verbindungslinie 7 zwischen Kuhlmitteleingang 3 und Kuhlmittelausgang 4 ist hoch, entfernt davon geπng, so daß der Stromungswiderstand über die oIn Fig. 1 b, a top view of the inner surface of the cooler body 2 of the cooler body 1 is shown, the wall being shown schematically by a circle. On the inner surface of the cooler body part 2, a large number of pins 5 are arranged. The pins 5 are separated by channels 6 and are uneven Distributed over the inner surface of the Kuhlkoφerteil 2 The degree of fullness of the pin 5 in the area of the imaginary shortest connecting line 7 between the coolant inlet 3 and coolant outlet 4 is high, removed geπng, so that the flow resistance over the O
Flache gesehen für jeden möglichen Stromungsvveg zwischen 3 und 4 in etwa gleich ist Der Bereich mit der höheren Zapfendichte ist dabei mindestens so breit wie der kleinere der Durchmesser von Kuhlwasseremgang und -ausgang 3 und 4Seen flat for every possible flow path between 3 and 4, the area with the higher cone density is at least as wide as the smaller the diameter of the cooling water inlet and outlet 3 and 4
Vorteilhaft ist eme mittlere Zapfendichte von 2 - 7 Zapfen/cm", msbesondere 4 - 6 Zapfen/cm3 in diesem Bereich, da bei emer derartigen Dichte die Werkzeuge bei emer etwaigen Keramik- Prozeßtechnik für den Kuhlkoφer 1 noch gut handhabbar smd Die daraus resultierende gennge Kanalbreite ist vorteilhaft für die Stromungsgeschwindigkeit des Kuhlmediums Die Anordnung weist emen geπngen Warmewiderstand von nur 20 K/kW aufAn average spigot density of 2 - 7 spigots / cm "is advantageous, especially 4 - 6 spigots / cm 3 in this area, since with such a density, the tools in the case of any ceramic process technology for the cooling element 1 are still easy to handle. The resultant Narrow channel width is advantageous for the flow rate of the cooling medium. The arrangement has a narrow thermal resistance of only 20 K / kW
Der Fullgrad variiert von 1 1 (Hohlraum zu Volumenanteil Matenal) bis 2 1 Der Vorteil liegt dann, daß für emen sochen Fullgrad die Fertigung der Werkzeuge zur Herstellung emes solchen Kuhlkoφers. z B durch Pressen und Sintern von Keramik, noch einfach ist Etwaiger Ausschuß durch Ausbrechen von Zapfen 5. 5 ' oder Kanälen 6 wird vermieden Außerdem ist dann die Stromungsgeshwmdigkeit bei den üblichen Kuhlmitteldurchflussen um 10 1/πun groß genug für eme ausreichende Waππeabfuhr, jedoch noch klein genug, um den Kuhlkoφer 1 nicht abrasiv zu schadigenThe degree of fullness varies from 1 1 (cavity to volume fraction of material) to 2 1. The advantage then lies in the fact that for such a full degree, the manufacture of the tools for producing such a cooling body. e.g. by pressing and sintering ceramics, it is still simple. Any rejects by breaking out pins 5. 5 'or channels 6 are avoided. In addition, the flow rate is then 10 1 / πun large enough for the usual coolant flow rates for sufficient heat removal, but still small enough not to damage the Kuhlkoφer 1 abrasively
Die Vaπauon des Fullgrades kann erzielt sem durch Weglassen bzw Hinzufügen von Zapfen 5. 5' oder durch Vergroßem oder Verkleinern von Zapfen 5, 5 ' oder Kanälen 6 oder Verandern der Zapfengroße oder Kanalgroße mit unveränderten Kanälen 6 bzw Zapfen 5, 5* Wesentlich dabei ist. daß das Maximum der Stromungsgeschwindigkeit des Kuhlmittels längs der Kanäle 6 in jedem Kanal nicht mehr als 50%, insb nicht mehr als 30%. unter oder über dem mittleren Stromungsgeschwmdigkeitsmaximum hegtThe degree of fullness can be achieved by omitting or adding pins 5. 5 ' or by enlarging or reducing pins 5, 5' or channels 6 or changing the pin size or channel size with unchanged channels 6 or pins 5, 5 * . that the maximum flow rate of the coolant along the channels 6 in each channel is not more than 50%, especially not more than 30%. is below or above the mean flow rate maximum
Die Zapfen können dabei an sich beliebige Formen aufweisen Es zeigt sich jedoch, daß eine spezielle Grundflache der Zapfen 5, 5' besonders vorteilhaft istThe pins can have any shape per se. However, it turns out that a special base area of the pins 5, 5 'is particularly advantageous
In Fig 2 ist eme Aufsicht auf die Innenflache eines Kuhlkoφerteiis 2 emer besonders gunstigen Ausführungsform eines Kuhlkoφers 1 dargestellt Auf der Innenflache des Kuhlkoφers 2 ist eme Vielzahl von stromungsgunstigen Zapfen 5 angeordnet Die Grundflache der Zapfen ist rautenförmig, wobei ώe lange Diagonale 8 der Zapfen 5 in etwa parallel zum möglichen Stromungsweg des Kuhlmediums angeordnet ist Die Rautenform ist besonders gunstig. da sich an der angeströmten Spitze des Zapfens 5 kein Staupunkt ausbilden kann Stattdessen wird die Strömung des Kuhlmediums geteilt und kann den Zapfen 5 umströmen und kühlenFIG. 2 shows a top view of the inner surface of a cooling body 2, a particularly favorable embodiment of a cooling body 1. A large number of flow-efficient pins 5 are arranged on the inner surface of the cooling body 2. The base area of the pins is diamond-shaped, with a long diagonal 8 of the pins 5 in is roughly parallel to the possible flow path of the cooling medium. The diamond shape is particularly favorable. since no stagnation point can form at the tip of the pin 5 against which flow flows. Instead, the flow of the cooling medium is divided and can flow around and cool the pin 5
Es zeigt sich, daß speziell bei ώeser Zapfenform das Verhältnis von Oberflache zu Volumen sehr gunstig ist. was die mögliche Warmeabfuhr weiter verbessert Bei der Verwendung von einem gut wärmeleitenden Material wie z B Aluminiumnitnd liegt ώe Warmeubergangskonstante dieser Anordnung bei über 3000 W/(m2K)It turns out that the ratio of surface to volume is very high, especially with this cone shape is cheap. which further improves the possible heat dissipation When using a good heat-conducting material such as aluminum, the heat transfer constant of this arrangement is over 3000 W / (m 2 K)
Die Umstromung der Zapfen 5 mit rautenförmiger Grundflache ist erfindungsgemaß dann besonders vorteilhaft, wenn der Offiiungswinkel der angeströmten vorderen Spitze jeder Raute 5 zwischen 40° und 60°, insb zwischen 46° bis 55° hegt, da ώe Strömungsgeschwindigkeit um den Zapfen dann maximal bzw ώe Uberstromlange klein ist Bei größeren Winkeln oder z. B bei zylmderfbrmigen Zapfen verschlechtert ώe Ausbildung von Staupunkteπ an der Anstromseite der Zapfen 5 ώe Umstromung, bei geringeren Winkeln verringert sich ώe mechanische Stabilität der umströmten Zapfen 5 Außerdem ist ώe Uberstromlange bei emer vorgegebenen gunstigen Zapfenώchte zu groß und verschlechtert den Warmeabfluß aus dem Zapfen 5The flow around the pins 5 with a diamond-shaped base area is particularly advantageous according to the invention when the opening angle of the flowed front tip of each diamond 5 is between 40 ° and 60 °, in particular between 46 ° and 55 °, since the flow velocity around the pin is then at a maximum or Overcurrent length is small At larger angles or z. B with cylindrical cones deteriorates terte formation of stagnation points π on the upstream side of the cones 5 Um flow around them, at lower angles the mechanical stability of the flow around the cones 5 decreases Außerdeme overcurrent length is too large for given favorable cones and deteriorates the heat flow from the cone 5
In Fig 3a ist im Querschnitt eme weitere vorteilhafte Zapfenform dargestellt. Die Zapfen 5 laufen kegelförmig spitz in das Innere des Kuhlkoφers 1 zu und kontaktieren mit ihrer größten Querschnittsflache ώe innere Oberflache 2 des Kuhlkoφers 1 Die Spitze der Zapfen 5 kann spitz oder abgeplattet sein Damit kann ώe Warmeabfuhr weiter verbessert werden, da eme etwaige heiße Seite des Kühlkoφers großflächig kontaktiert ist und die warmeabieiteπden Zapfen 5, 5' emen großflächigen Kontakt zum Kuhlmeώurn aufweisen. Gleichzeitig kann mit ώeser Zapfenform an sich teures Grundmateπal bei der Herstellung des Kuhlkoφers 1 eingespart werdenA further advantageous cone shape is shown in cross section in FIG. 3a. The pins 5 run tapered into the interior of the cooling body 1 and contact with their largest cross-sectional area ώe inner surface 2 of the cooling body 1 The tip of the pins 5 can be pointed or flattened, so that heat dissipation can be further improved, since any hot side of the The cooling body is contacted over a large area and the heat-dissipating pins 5, 5 'have a large area contact with the cooling element. At the same time, with this cone shape, expensive basic material can be saved in the manufacture of the cooling body 1
Im gezeigten Beispiel ist der Aufbau der beiden Kuhlkoφerteile 2, 2' des Kύhlkoφers symmetrisch zur Spielebene 9 zwischen den beiden Kuhlkoφerteileπ 2 und 2\ ώe Zapfen 5, 5' stehen sich im fertig montierten Zustand des Kuhlkoφers 1 direkt gegenüberIn the example shown, the structure of the two cooling parts 2, 2 'of the cooling part is symmetrical to the play plane 9 between the two cooling parts 2 and 2 \ \e pins 5, 5' face each other directly in the fully assembled state of the cooling part 1
In Fig 3b ist eine spiegelsymmetπsche Anordnung der Zapfen 5. 5' gezeigt Beide Kuhlkoφerteile 2. T weisen an ihren Innenseiten Zapfen 5, 5' auf. Die Anordnung ist symmetnsch zur Spiegelebene 9 zwischen den beiden Kuhlkoφerhalften 2 und 2', ώe Zapfen 5. 5' stehen sich im fertig monueren Zustand des Kuhlkoφers 1 direkt gegenüber3b shows a mirror-symmetric arrangement of the pins 5. 5 '. Both cooling parts 2. T have pins 5, 5' on their inner sides. The arrangement is symmetrical to the mirror plane 9 between the two cooling element halves 2 and 2 ', Zape pins 5. 5' face each other directly in the finished, monolithic state of the cooling element 1
In Fig 3c ist eme Anordnung gezeigt, die einen besonders hohen Fullgrad der Zapfen erlaubt Die Zapfen 5, 5' der oberen und unteren Kύhlkorperteile 2, 2' smd versetzt zueinander und ineinandergreifend angeordnet Damit kann die Kuhlmittelgeschwinώgkeit noch weiter erhöht werden, da die Kanäle 6 auch im mittleren Bereich des Kuhlkoφers 1. wo ώe beiden Kuhlkoφerteile 2 un 2' aufeinandertreffen, schmal smd Auch m ώeser Anordnung können prinzipiell verschiedene Zapfenformen und -grundflachen gewählt werden Grundsatzlich ist die Warmeabfuhr dann optimal, wenn die Kuhlmittelgeschwindigkeit so hoch ist. daß sich eine turbulente Strömung ausbildet Es zeigt sich aber, daß bei derart hohen Geschwindigkeiten das Kuhlmittel den Kuhlkoφer durch Erosion beschädigt3c shows an arrangement which permits a particularly high degree of fullness of the pins. The pins 5, 5 'of the upper and lower cooling body parts 2, 2' are arranged offset from one another and intermeshing. This allows the coolant speed to be increased even further since the channels 6 also in the middle area of the cooling body 1. where the two cooling body parts 2 and 2 ' meet, narrow smd In principle, different cone shapes and base areas can also be selected with this arrangement In principle, heat dissipation is optimal when the coolant speed is so high. that a turbulent flow is formed. However, it turns out that at such high speeds the coolant damages the cooler body by erosion
Die minimale Warmeubergaπgskonstante R,h des erfindungsgemaßen Kuhlkoφers 1 soll nicht unter 3000 W/(m2K) liegen. Bei geringeren Werten von R«, ist ώe Kühlung unzureichend Für Wasser als etwaiges Kuhlmeώum ergibt sich daraus z B bei 1 kW Verlustleistung eme minimale Strömungsgeschwindigkeit von 0.1 m/secThe minimum heat transfer constant R, h of the cooling element 1 according to the invention should not be less than 3000 W / (m 2 K). With lower values of R «, cooling is insufficient. For water as a possible cooling medium, this results in a minimum flow velocity of 0.1 m / sec with 1 kW power loss
Wesentlich ist, daß eme minimale Strömungsgeschwindigkeit von ca 0, 1 m/sec nicht unterschntten wird. Als obere Grenze der Strömungsgeschwindigkeit darf diejenige Kühlmittelgeschwmώgkeit rucht überschritten werden, ab welcher der Kύhlkoφer 1 abrasiv beschädigt wird. Für Alurrumurnmtπd ist ώese Grenze z B bei 1 m/sec, bei Aluminium bei 1 ,5 m/secIt is essential that a minimum flow rate of about 0.1 m / sec is not underestimated. As the upper limit of the flow rate, the coolant flow rate from which the cooling body 1 is abrasively damaged may be exceeded. For aluminum currents, this limit is, for example, 1 m / sec, for aluminum at 1.5 m / sec
Obwohl die Strömung des Kuhlmediums. z B Wasser, noch laminar ist. gelingt mit dem erfindungsgemaßen Kuhlkoφer 1 eme deutliche Reduktion des Warmewiderstands Der Warmewiderstand hegt deutlich unterhalb von 30 K/kW Für ώe genannten Daten des Beispiels liegt der Wert z.B bei 20 K/kWAlthough the flow of the cooling medium. e.g. water, is still laminar. succeeds with the Kuhlkoφer 1 according to the invention a significant reduction in the heat resistance. The heat resistance is clearly below 30 K / kW. For the data of the example mentioned, the value is, for example, 20 K / kW
In Fig 4 ist eme weitere vorteilhafte Ausgestaltung eines erfindungsgerriaßen Kuhlkoφers 1 gezeigt. mit emem oberen Teil 2, emem unteren Teil 2' und einem ringförmigen Mittelteil 2" Kühlmitteleingang und -ausgang 3 und 4 können am Mittelteil 2" auf entgegengesetzten Seiten oder gleichen Seiten des Urnfangs des Mittelteils 2" angeordnet sem Auf der Innenseite des oberen Teils 2 und des unteren Teils 2' smd Zapfen 5 und 5" angeordnet (nur angedeutet) Die Teile 2 und 2' smd mit dem Mittelteil 2" mittels Dichtungsmittel 10 abgeώchtet und losbar verbunden Das untere Dichtungsmittel 10' ist nicht dargestellt Als Dichtungsmittel eignen sich beispielsweise elastische Flachώchtungen oder Rundschnurnnge. z B aus Perbunan oder Viton Die losbare Verbindung kann über Klammem. Muffen oder dgl hergestellt sem.FIG. 4 shows a further advantageous embodiment of a cooling body 1 according to the invention. with an upper part 2, a lower part 2 'and an annular middle part 2 "coolant inlet and outlet 3 and 4 can be arranged on the middle part 2" on opposite sides or the same sides of the circumference of the middle part 2 "on the inside of the upper part 2 and the lower part 2 'smd pins 5 and 5 " arranged (only indicated) The parts 2 and 2' smd with the middle part 2" aligned and detachably connected by means of sealant 10. The lower sealant 10 'is not shown Flat openings or round lines, e.g. made of Perbunan or Viton. The detachable connection can be made using clamps, sleeves or the like.
In Fig 5 ist eme solche Verbindungskiammer dargestellt, mit der die Kuhlkoφerteile 2, 2' und 2" losbar miteinander verbunden werden können Mehrere Klammern ώeser Art sind am Außenrand des Kuhlkoφers 1 angeordnet. Diese Verbindungsart ist besonders in der Stapelanordnung mit emer Vielzahl von luntereinandergeschalteten Kuhlkoφem und zu kühlenden Leistungsbauelementen z B in Elektromotor-Leistungsstrangen vorteilhaft Die eigentliche Haltekraft, die die Teile zusammenpreßt, wird über die Einspannvorπchtung des Stapels aufgebracht, die bei den bekamen Kuhlkoφerstapeln typischerweise ca 40 kN betragt Das Klammern der einzelnen Kuhlkoφer erleichtert die Wartung und das Austauschen etwaiger defekter Bauelemente oder Kuhlkoφer aus b dem Stapel erheblich5 shows such a connecting chamber with which the cooling body parts 2, 2 'and 2 "can be detachably connected to one another. Several clamps of this type are arranged on the outer edge of the cooling body 1. This type of connection is particularly in the stacked arrangement with a plurality of cooling elements connected in series and power components to be cooled, for example in electric motor power trains, are advantageous. The actual holding force, which presses the parts together, is applied via the clamping device of the stack, which is typically around 40 kN when the cooling body stacks are received. The clamping of the individual cooling bodies facilitates maintenance and replacement of any defective components or Kuhlkoφer from b the stack considerably
Der Mittelteil 2" selbst ist hohl ausgeführt und hat Anschlüsse 3 und 4 für das Kühlmittel Besonders vorteilhaft ist, wenn ώeser Mittelteil aus Metall (Aluminium oder Kupfer oder anderen kostengunsügen Materialien) besteht oder aus Kunststoff Wahrend bei keramischen Koφem der Anschluß von Kuhlmittelleitungen technisch aufwendig ist. ist dies m der erfindungsgemaßen Anordnung erheblich vereinfacht Die Anschlüsse, wie etwa handelsübliche Flanschverbindungen oder Stutzen, können z B über Schraubgewmde am Mittelteil 2" befesngt oder durch Anlöten mit ώesem verbunden semThe middle part 2 "itself is hollow and has connections 3 and 4 for the coolant. It is particularly advantageous if this middle part consists of metal (aluminum or copper or other cost-effective materials) or plastic. While ceramic bodies connect the coolant lines is technically complex This is considerably simplified in the arrangement according to the invention. The connections, such as commercially available flange connections or sockets, can be attached, for example, by means of screw threads on the central part 2 "or connected to this by soldering
Bei Verwendung von isolierenden, wärmeleitenden Keramiken für die Teile 2 und 2' ist eme beträchtliche Matenalersparrus bei der Hersteilung des Kuhlkoφers 1 insgesamt und damit eine Kostenersparnis der teuren Grundstoffe möglich, ohne ώe geforderte Hochspannungstaughchkeit emer solchen Kuhlanordnung zu verschlechtern Ebenso wird ώe Abdichtung und ώe Verbmduπg der Kuhikoφerteile 2. 2', 2" miteinander stark vereinfacht und ώe Zuverlässigkeit des Kuhlkoφers 1 erhöhtWhen using insulating, heat-conducting ceramics for the parts 2 and 2 ', a considerable amount of material is spared in the manufacture of the cooling body 1 as a whole, and thus a cost saving of the expensive raw materials is possible without deteriorating the required high-voltage suitability in such a cooling arrangement. The sealing and the sealing are also reduced the Kuhikoφerteile 2. 2 ', 2 "together greatly simplified and unde reliability of the Kuhlkoφers 1 increased
Als Matenal für den erfindungsgemaßen Kuhlkoφer 1 ist ein gut wärmeleitendes Matenal vorteilhaft Ist eine große elektrische Isolierfähigkeit notwendig, kann der Kuhlkoφer 1 vorzugsweise aus Isolator-Teilen, wie z B Alummiumnitnd, Siliziumkarbid. Aluminiumoxid. Berylhumoxid, Siliziumoxid oder aus Scfuchtkoφern gebildet sem. ώe mit gut wärmeleitenden Beschichtungen versehen sind, z B aus der obengenannten Gruppe von Isolatoren oder DiamantA good heat-conducting material is advantageous as material for the cooling element 1 according to the invention. If a high electrical insulation capacity is necessary, the cooling element 1 can preferably be made of insulator parts, such as aluminum, silicon carbide. Alumina. Berylhumoxid, silicon oxide or formed from Scfuchtkoφern sem. ώe are provided with heat-conducting coatings, for example from the above-mentioned group of insulators or diamond
Vorzugsweise wird der erfindungsgemaße mehrteilige Kuhlkoφer 1 aus isolierenden, vorzugsweise volikeramischen Teilen 2 und 2' und einem metallischen oder isolierenden Mittelteil 2" zusammengesetzt The multi-part cooler body 1 according to the invention is preferably composed of insulating, preferably voleramic parts 2 and 2 'and a metallic or insulating middle part 2 "

Claims

Patentansprüche claims
1 Kuhlkoφer bestehend aus emem oberen und unteren Teil (2, 2') mit an mindestens emer der Innenseiten stoffschlussig angeordneten und m das Kuhimeώum hineinragenden Zapfen (5, 5'). ώe durch Graben (6) getrennt smd, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis aus dem Volumenanteil der Zapfen (5, 5') und dem Volumenanteil der Graben (6.6') un Innenraum der beiden Kuhlkoφerteile (2.2') im Bereich der gedachten direkten Verbindungslinie (7) zwischen emem Kύhlmitteiausgang (4) und emem Kuhlmitteleingang (3) großer ist als in den Bereichen außerhalb der gedachten Verbindungslinie (7)1 Kuhlkoφer consisting of an upper and lower part (2, 2 ') with at least emer on the inner sides arranged cohesively and m protruding into the Kuhimeώum (5, 5'). ώe separated by trench (6) smd, characterized in that the ratio of the volume portion of the pin (5, 5 ' ) and the volume portion of the trench (6.6') and interior of the two Kuhlkoφerteile (2.2 ') in the area of the imaginary direct connecting line (7) between a coolant outlet (4) and a coolant inlet (3) is larger than in the areas outside the imaginary connecting line (7)
2 Kuhlkoφer nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet. daß der Fullgrad der Zapfen (5, 5*) im Bereich der gedachten kürzesten Verbindungslinie (7) zwischen emem Kuhlmittelausgang (4) und emem Kuhlmitteleingang (3) hoch ist. entfernt davon gering, so daß der Stromungswiderstand über ώe Flache gesehen für jeden möglichen Stromungwiderstand zwischen einem Kuhlmittelausgang (4) und emem Kuhlπuttelemgang (3) in etwa gleich ist2 Kuhlkoφer according to claim 1. characterized. that the degree of fullness of the pins (5, 5 * ) is high in the area of the imaginary shortest connecting line (7) between the coolant outlet (4) and the coolant inlet (3). removed slightly from it, so that the flow resistance across ώe area is approximately the same for every possible flow resistance between a coolant outlet (4) and a coolant outlet (3)
3 Kuhlkoφer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet. daß der vorgegebene Bereich entlang der gedachten direkten Verbindungslinie (7) zwischen emem Kuhlmittelausgang (4) und emem Kuhlmitteleingang (3) mmdestens so breit ist wie kleinere der Durchmesser von Kuhlmittelausgang (4) und Kuhlmitteleingang (3)3 Kuhlkoφer according to claim 1 or 2, characterized. that the predetermined area along the imaginary direct connecting line (7) between a coolant outlet (4) and a coolant inlet (3) is at least as wide as the smaller the diameter of the coolant outlet (4) and coolant inlet (3)
4 Kuhlkoφer nach emem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet. daß das Verhältnis des Volumenanteils der Kanäle (6) zum Volumenanteil der Zapfen (5.5) zwischen I 1 und 21 ist4 Kuhlkoφer according to one or more of the preceding claims, characterized. that the ratio of the volume fraction of the channels (6) to the volume fraction of the pins (5.5) is between I 1 and 21
5 Kuhlkoφer nach emem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet. daß die Zapfen (5.5') im wesentlichen spitz zulaufend ausgebildet sind, wobei die größte Flache der Zapfen (5, 5*) mit der Kuhlkoφeπnnenseite (2, 2') in Kontakt ist5 Kuhlkoφer according to one or more of the preceding claims, characterized. that the pins (5.5 ') are essentially tapered, the largest surface of the pins (5, 5 * ) being in contact with the inside of the cooling body (2, 2')
6 Kuhlkoφer nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet. daß die Grundflache der Zapfen (5.5") mehreckig ausgebildet ist6 Kuhlkoφer according to one or more of the preceding claims, characterized characterized. that the base of the pin (5.5 " ) is polygonal
7 Kύhlkoφer insbesondere nach emem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ώe Zapfen (5, 5') entlang des Stromungswegs mit emem όfrhungswinkel von 40° bis 60° angeordnet sind.7 Kkohlkoφer in particular according to one or more of the preceding claims, characterized in that ώe pins (5, 5 ') are arranged along the flow path with an angle of advance of 40 ° to 60 °.
8. Kühikoφer nach emem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Grundfläche der Zapfen (5, 5') rautenförmig ausgebildet ist.8. Kühikoφer according to one or more of the preceding claims, characterized in that the base of the pin (5, 5 ') is diamond-shaped.
9 Kühlkoφer nach Anspruch 7. dadurch gekennzeichnet, daß die Grundfläche der Zapfen (5.5') dreieckig ist9 Kühlkoφer according to claim 7, characterized in that the base of the pin (5.5 ') is triangular
10 Kühlkoφer nach Anspruch 8 oder 9. dadurch gekennzeichnet. daß ώe Winkelhalbierende (7) emer angeströmten Ecke der Zapfen (5, 5") un wesentlichen parallel zum Stromungsweg des Kühimediums angeordnet sind10 Kühlkoφer according to claim 8 or 9. characterized. that Winkele bisector (7) emer flowed corner of the pins (5, 5 ") are arranged substantially parallel to the flow path of the cooling medium
11. Kühlkoφer nach einem oder mehreren der vorhergehenden .Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die obere und ώe untere Kühlkoφerteil-lnneniläche (2, 2') mit Zapfen (5, 5') versehen smd.11. Kühlkoφer according to one or more of the preceding .Claims, characterized in that the upper and unteree lower Kühlkoφerteil-inner surface (2, 2 ') with pins (5, 5') provided smd.
12. Kühlkoφer nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Zapfen (5) der oberen Kuhlkoφeπnnenseite (2) und ώe Zapfen (5') der unteren Kühlkoφerseite (2') spiegelsymmetπsch zueinander oder gegeneinander versetzt angeordnet smd.12. Kühlkoφer according to one or more of the preceding claims, characterized in that the pin (5) of the upper Kuhlkoφeπnnseite (2) and ώe pin (5 ') of the lower Kühlkoφerseite (2') mirror symmetry to each other or mutually offset smd.
13 Kühlkoφer nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Strömungsgeschwindigkeitsmaximum des Kühlmittels längs der Kanäle (6) geπnger als ώe den Kühlköφer ( 1 ) abrasiv schädigende Geschwmώgkeit ist.13 Kühlkoφer according to one or more of the preceding claims, characterized in that the flow velocity maximum of the coolant along the channels (6) is smaller than ώe the cooling body (1) is abrasively damaging completeness.
14 Kühlkoφer nach emem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Stromungsgeschwindigkcitsmaximum des Kuhlmiπeis längs der Kanäle (6) nicht mehr als 50% unter oder über dem Stromungsgeschwindigkeitsmaximum ist14 cooling body according to one or more of the preceding claims, characterized in that that the flow rate maximum of the cooling medium along the channels (6) is not more than 50% below or above the flow rate maximum
15 Kuhlkoφer nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Warmewiderstand des Kuhlkoφers ( 1 ) kleiner ais 25 K/kW hat.15 cooling element according to one or more of the preceding claims, characterized in that the thermal resistance of the cooling element (1) is less than 25 K / kW.
16 Kuhlkoφer nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet. daß der Kuhlkoφer (1) aus einem Isolator wie Aluminiumoxid. Berylhumoxid und/der Siliziumoxid gebildet ist16 Kuhlkoφer according to one or more of the preceding claims, characterized. that the Kuhlkoφer (1) from an insulator such as aluminum oxide. Berylhumoxid and / the silicon oxide is formed
17 Kuhlkoφer nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet. daß der Kuhlkoφer (I) aus emem wärmeleitenden Matenal beschichtet ist. wie Aluminiumnitπd. Siliziumkarbid. Aluminiumoxid. Siliziumoxid und/oder Diamant17 Kuhlkoφer according to one or more of the preceding claims, characterized. that the Kuhlkoφer (I) is coated from a thermally conductive material. like aluminum nitride. Silicon carbide. Alumina. Silicon oxide and / or diamond
18 Kuhlkoφer nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlkoφer (1) mit einem Zwischenteil (2") zwischen dem oberen und der unteren Teil (2, 2') ausgestattet ist18 Kuhlkoφer according to one or more of the preceding claims, characterized in that the Kühlkoφer (1) with an intermediate part (2 ") between the upper and the lower part (2, 2 ') is equipped
19 Kuhlkoφer nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet. daß das Kuhlkoφermittelteil (2") losbar mit dem oberen und dem unteren Teil (2, 2') verbunden ist19 Kuhlkoφer according to one or more of the preceding claims, characterized. that the Kuhlkoφermittelteil (2 ") is detachably connected to the upper and lower parts (2, 2 ')
20 Kühlkoφer nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Kuhlkoφermittelteil (2") aus emem metallischen oder elektπsch isolierenden20 Kühlkoφer according to one or more of the preceding claims, characterized in that the Kuhlkoφermittelteil (2 ") made of metallic or electrically insulating
Werkstoff gebildet istMaterial is formed
21 Kuhlkoφer nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet. daß das Kύhlkoφermittelteil (2") aus einem Schichtkoφer mit elektrisch isolierenden Beschichtungen gebildet ist 22 Kuhlkoφcr nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet. daß das Kuhlkoφermitteltcil (2") mit Kύhlmedienanschlussen (3.4) versehen ist. 21 Kuhlkoφer according to one or more of the preceding claims, characterized. that the Kkohlkoφermittelteil (2 ") is formed from a layer body with electrically insulating coatings 22 Kuhlkoφcr according to one or more of the preceding claims, characterized. that the Kuhlkoφermitteltcil (2 ") is provided with cooling media connections (3.4).
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