WO2006136325A1 - Wärmeaustauscher für kleinbauteile - Google Patents

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WO2006136325A1
WO2006136325A1 PCT/EP2006/005776 EP2006005776W WO2006136325A1 WO 2006136325 A1 WO2006136325 A1 WO 2006136325A1 EP 2006005776 W EP2006005776 W EP 2006005776W WO 2006136325 A1 WO2006136325 A1 WO 2006136325A1
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heat exchange
exchange element
heat exchanger
heat
channel
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PCT/EP2006/005776
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Karine Brand
Florian Schopper
Oliver WÖLFLIK
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Wieland-Werke Ag
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    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F3/00—Plate-like or laminated elements; Assemblies of plate-like or laminated elements
    • F28F3/12—Elements constructed in the shape of a hollow panel, e.g. with channels
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F3/00—Plate-like or laminated elements; Assemblies of plate-like or laminated elements
    • 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
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    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
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    • F28F9/00—Casings; Header boxes; Auxiliary supports for elements; Auxiliary members within casings
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    • F28F9/026—Header boxes; End plates with static flow control means, e.g. with means for uniformly distributing heat exchange media into conduits
    • F28F9/0263—Header boxes; End plates with static flow control means, e.g. with means for uniformly distributing heat exchange media into conduits by varying the geometry or cross-section of header box
    • 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
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    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D21/00—Heat-exchange apparatus not covered by any of the groups F28D1/00 - F28D20/00
    • F28D2021/0019—Other heat exchangers for particular applications; Heat exchange systems not otherwise provided for
    • F28D2021/0028—Other heat exchangers for particular applications; Heat exchange systems not otherwise provided for for cooling heat generating elements, e.g. for cooling electronic components or electric devices
    • F28D2021/0029—Heat sinks
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
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    • H01L2924/0001—Technical content checked by a classifier
    • H01L2924/0002—Not covered by any one of groups H01L24/00, H01L24/00 and H01L2224/00

Definitions

  • the invention relates to a heat exchanger for small components, which can be traversed by a fluid, consisting of several exclusively Umformtechnisch manufactured individual parts, the joining technology firmly together to an inlet channel, a flat heat exchange element and an outlet channel, wherein the heat exchange element connectable to at least one heat source Has top and bottom.
  • heat exchangers are already used in a wide variety of technical fields.
  • heat exchangers with liquid cooling or evaporation are becoming increasingly important.
  • Previously available heat exchangers in the form of water coolers for microprocessors are usually made of a copper or aluminum block by machining. Since solid material is used for the individual components, a machining is correspondingly complex and therefore expensive.
  • document JP 2005019905 A discloses a cooling device with a heat exchanger, which is used as a heat sink for semiconductor components.
  • the heat exchanger has a structured interior to the heat source to increase the heat dissipation. These structures with low height expansion have no significant influence on the fluid flowing in the interior.
  • the heat exchanger consists of several individual parts, which are joining technology firmly connected to an inlet channel, a flat heat exchange element and an outlet channel.
  • the lid and bottom element existing closed heat exchange element is in contact with the heat source.
  • the invention has the object of developing a heat exchanger of the aforementioned type and to optimize this under specification of a cost-effective manufacturing process in its heat exchange capacity.
  • the invention includes a heat exchanger for small components, which can be traversed by a fluid consisting of several exclusively Umformtechnisch produced individual parts, the joining technology firmly together to an inlet channel, a flat heat exchange element and an outlet channel are connected, wherein the heat exchange element with at least one heat source connectable top and bottom, wherein the inlet channel consists of a metal connecting pipe, which continuously widens on the input side to the heat exchange element, the outlet channel, starting from the heat exchange part, the output side continuously tapers to a metal connecting pipe, and the heat exchange element to increase the heat transfer in Has flow direction extending channel-like inner structure, which extends in the interior of the bottom to the top.
  • the heat exchanger consists of several parts exclusively manufactured by forming technology.
  • the individual parts are in their geometry such that they can be produced by a cold forming process.
  • the end face of the conically widened inlet channel is then connected to the input-side end face of the flat heat exchange element and the end face of the conically tapering outlet channel is connected to the outlet-side end face of the heat exchanger.
  • the design options of the forming technique thus determine up to a certain extent the geometry of the top and bottom of the heat exchange element.
  • the metal connecting pipe of the inlet channel or outlet channel can basically have any cross-sectional shape, but is preferably round or oval for reasons of deformation and the fluidic conditions.
  • An important function has the running in the heat exchange element channel-like internal structure. These extends in the interior of the bottom to the top, whereby an increased heat transfer takes place.
  • the channel structure proves to be extremely stable against external forces. These can occur when connecting and fixing a heat source on the heat exchanger, which would result in the contact forces used in hollow interior structures that the common contact surface of the heat exchanger is deformed with the heat source or even pressed. This is particularly useful when, for reasons of material savings thin walls are considered, which are no longer designed for such strong mechanical loads. Alone by forming techniques can already be achieved compared to the previously used cutting methods, a material savings and thus a cost reduction. The above-described structural design of the interior with corresponding channel structures provides this yet another contribution.
  • channel-like internal structures running in the direction of flow are not necessarily continuous side walls.
  • pins or cuboids arranged at shorter intervals in the direction of flow can also form a corresponding channel structure.
  • Suitable joining methods are in particular the already widely used in the soldering, gluing or welding.
  • the frontally abutting surfaces of the heat exchange element with the inlet or outlet channel can also be formed plugged into each other by grooves formed on the front side.
  • Another two-part design of the individual parts produced by deformation can consist of two half-elements formed in the longitudinal direction, which only have to be joined together in the longitudinal direction by means of joining technology.
  • the particular advantage is that with correspondingly thin walls of the heat exchanger against deformation is correspondingly stable.
  • the channels running in the interior lead thereby the one- or two-phase fluid targeted by the heat exchanger, so that the heat exchange performance is optimized for mechanical stability.
  • the conical inlet and outlet channels provide a smooth transition for a uniform fluid distribution with minimal pressure drop in the flow.
  • the inner structure may be formed so that the fluid flow over the cross section is constant. This can be achieved, for example, via a different width of the channel-like inner structure, also referred to below as channels, wherein in the middle of the heat exchanger smaller channel cross-sections are present, which increase on both sides towards the outside. From the inlet channel in this way the main flow is distributed more uniformly throughout the heat exchanger.
  • the constructive design of the internal volume of the heat exchange element with respect to favorable fluid mechanical conditions is given special attention.
  • the internal structure of the heat exchange element in the inlet channel and / or outlet channel can continue.
  • the fluid is already distributed according to flow-favorable aspects in the individual channels immediately after passing out of the metal connecting pipe in the widening part of the heat exchange element.
  • Such structures are preferably in the inlet channel.
  • channels in the tapered part of the heat exchange element can also guide the fluid flow in a targeted manner and have a favorable effect on flow mechanics.
  • the inner structure may consist of continuous ribs forming channels.
  • Continuous ribs are manufacturing technology especially with small rib distances with forming process reliable manufacture.
  • the ribs run as partitions in the interior from the bottom to the top and form the individual longitudinal channels in which the fluid is conducted in the operating state.
  • the internal structure can consist of rods or pyramids projecting from the inner wall.
  • these are always arranged so that form channel-like internal structures in the flow direction.
  • structurally favorable structures are generated which still allow a certain fluid exchange with adjacent channels.
  • the heat exchange element may be integrally formed.
  • the channel structure is produced with longitudinal ribs which are continuous in the interior. As a result, the joining technical effort is reduced for the heat exchange element. Integral heat exchange elements are only connected to the inlet channel and the outlet channel.
  • the inlet channel, the heat exchange element and the outlet channel can be arranged in alignment.
  • the elongate shape has no further bends in tight radii and thus promotes uniform fluid flow throughout the heat exchanger.
  • the heat exchanger for example, as a heat sink for microprocessors or other heat-generating components in a computer, only a small amount of space is available.
  • the inlet channel and / or the outlet channel can then run away from the heat source. However, this will usually only happen with the largest possible bending radii, which support the most undisturbed fluid flow possible.
  • corrosion of some of the common fluids can not be ruled out.
  • the inner surface of the heat exchanger can then be coated.
  • FIG. 1 is a view of a heat exchanger with a heat source
  • Fig. 3 shows a cross section of a heat exchange element with the same design
  • Fig. 4 shows a cross section of a heat exchange element with the same design
  • Fig. 5 is a cross section of a stacked trays formed
  • Fig. 7 is a plan view of a heat exchanger having channel-like structures of different width
  • Fig. 8 is a plan view of a heat exchanger with channel-like structures continuing into the inlet and outlet channels.
  • FIG. 1 shows a schematic view of a heat exchanger 1 with a heat source 5.
  • the heat exchanger 1 consists of an inlet channel 2, a flat heat exchange element 3 and an outlet channel 4, which are joined together by joining technique.
  • the heat source 5 is arranged on the underside of the heat exchange element 3.
  • the inlet channel 2 is made from a metal connecting pipe 21 which continuously widens on the input side to the heat exchange element 3.
  • the shape of the inlet channel shown in the figure can be produced in one piece by means of a forming process, such as extruding.
  • the joint is in this case at the common contact surface of the inlet channel 2 to the heat exchanger element 3.
  • the outlet channel 4 which may also be integral, from a collection zone 42 and a metal connecting pipe 41.
  • the collecting zone 42 tapers continuously to the metal connection pipe 41st
  • the joint is located at the common contact surface of the outlet channel 4 to the heat exchange element.
  • the heat source 5 is an electronic component, such as a microprocessor.
  • the heat source 5 is often held with clips or an adhesive bond, whereby the heat well-conductive intermediate layers are used. In intermediate layers, the heat source 5 is connected to the heat exchanger 1 under a contact pressure. In the embodiment shown, the inlet channel 2 and the outlet channel 4 are directed away from the heat source 5.
  • Fig. 2 shows a cross section of a two-part heat exchange element 3 with lid 32 and bottom 33.
  • the inner structure is formed together with the bottom 33, the lid 32 is firmly joined to the ground.
  • Joining technology used to connect lid 32 and bottom 33 welding, soldering or adhesive joints or interference fits into consideration. Preference is given to joining methods which do not thermally and mechanically lead to a deformation of the component.
  • Fig. 3 shows a cross section of a heat exchange element 3 with the same design lid 32 and bottom 33 and an interlocking inner structure 31.
  • the inner structure is in each case half formed together with the lid 32 and the bottom 33. This offers the advantage of forming technology, for example, with continuous ribs in the lid 32 and bottom 33 to provide coarser structures that engage in one another after joining so that correspondingly small Channels arise.
  • Fig. 4 shows in cross section a heat exchange element 3 with the same design lid 32 and bottom 33. Both form successive set the channel-like inner structure.
  • FIG. 5 shows a cross-section of a heat exchange element 3 with a closed cover 32 formed from two trays 33 stacked one above the other.
  • Such structures are suitable, for example, if a heat source is arranged both on the upper side and on the lower side.
  • FIG. 6 another embodiment of the heat exchange element 3 is shown, which may be integrally formed by extrusion.
  • One-piece components are preferred for manufacturing reasons for larger channel structures used. These can also be manufactured continuously and cut to the appropriate dimension.
  • FIG. 7 shows a plan view of a heat exchanger 1 cut open in the region of the heat exchange element 3 with channel-like structures of different widths.
  • the channels of the inner structure 31 are formed so that the fluid flow over the cross section of the heat exchange element 3 is constant and forms a uniform pressure drop in the flow direction of the fluid.
  • FIG. 8 shows a plan view of a partially cut-open heat exchanger 1 with channel-like structures that continue into the inlet channel 2 and outlet channel 4.
  • the fluid is already distributed immediately after the passage from the metal connecting pipe 21 in the widening part of the distribution zone 22 or from the tapered parts of the collection zone 42 of the heat exchanger 1 after flow-favorable aspects in the individual channels of the inner structure 31 and the metal connection pipe 41 collected again.

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Wärmeaustauscher (1) für Kleinbauteile, der von einem Fluid durchströmbar ist, bestehend aus mehreren ausschließlich umformtechnisch hergestellten Einzelteilen, die fügetechnisch fest miteinander zu einem Eintrittskanal (2), einem flachen Wärmeaustausch element (3) und einem Austrittskanal (4) verbunden sind, wobei das Wärmeaustausch element (3) eine mit zumindest einer Wärmequelle verbindbare Ober- und Unterseite aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Eintrittskanal (2) aus einem Metallanschlussrohr (21) besteht, das sich zum Wärmeaustausch element (3) hin eingangsseitig kontinuierlich bis zur gesamten durchströmbaren Querschnittsfläche der eingangsseitigen Stirnseite des Wärmeaustauschelements (3) aufweitet, dass sich der Austrittskanal (4), ausgehend vom Wärmeaustauschelement (3), ausgangsseitig kontinuierlich von der gesamten durchströmbaren Querschnittsfläche der ausgangsseitigen Stirnseite des Wärmeaustauschelements (3) bis zu einem Metallanschlussrohr (41 ) verjüngt, und dass das Wärmeaustausch element (3) zur Erhöhung der Wärmeübertragung eine in Strömungsrichtung verlaufende kanalartige Innenstruktur (31) aufweist, die sich im Innenraum von der Unterseite bis zur Oberseite erstreckt.

Description

B e s c h r e i b u n g
Wärmeaustauscher für Kleinbauteile
Die Erfindung betrifft einen Wärmeaustauscher für Kleinbauteile, der von einem Fluid durchströmbar ist, bestehend aus mehreren ausschließlich umformtechnisch hergestellten Einzelteilen, die fügetechnisch fest miteinander zu einem Eintrittskanal, einem flachen Wärmeaustausch element und einem Austrittskanal verbunden sind, wobei das Wärmeaustauschelement eine mit zumindest einer Wärmequelle verbindbare Ober- und Unterseite aufweist.
Derartige Wärmeaustauscher werden bereits in den unterschiedlichsten technischen Gebieten eingesetzt. Insbesondere aufgrund der sehr hohen Wärmeabgabe bei Mikroprozessoren oder bei Bauteilen der Hochleistungselektronik gewinnen Wärmeaustauscher mit Flüssigkeitskühlung oder Verdampfung zunehmend an Bedeutung.
Bisher zur Verfügung stehende Wärmeaustauscher in Form von Wasserkühlern für Mikroprozessoren sind in der Regel aus einem Kupfer- oder Aluminiumblock durch spanende Bearbeitung gefertigt. Da für die einzelnen Komponenten Vollmaterial verwendet wird, ist eine spanende Bearbeitung entsprechend aufwendig und damit teuer.
Eine Weiterentwicklung, die sich einer nicht spanenden Fertigungsmethode bedient, ist in der Druckschrift DE 103 15225 A1 beschrieben. Aus der Schrift ist ein Wärmeaustauscher mit einem topfförmigen und einem deckeiförmigen Element bekannt, die beide miteinander verbunden werden können, um einen dichten Innenraum mit zwei Öffnungen auszubilden, durch die ein Wärmeaustauscher-Medium in den Innenraum hinein- beziehungsweise herausgeführt werden kann. Der Wärmeaustauscher besitzt eine Vielzahl von in den Innenraum hineinragenden Erhebungen. Die topf- oder deckeiförmigen Elemente sind durch ein Kaltumformverfahren und vorzugsweise durch ein Fließpressverfahren ausgebildet. Durch die in den Innenraum hineinragenden Erhebungen ist die Oberfläche, an der das Kühlmedium entlang strömt, entsprechend groß, um eine möglichst hohe Wärmetauschleistung zu erzielen. Ein wesentliches Ziel ist dabei jedoch eine kostengünstige Herstellung bei großer Stückzahl.
Des Weiteren ist aus der Druckschrift JP 2005019905 A eine Kühleinrichtung mit einem Wärmeaustauscher bekannt, der als Wärmesenke für Halbleiter-Bauelemente eingesetzt wird. Der Wärmeaustauscher besitzt einen zur Wärmequelle hin strukturierten Innenraum, um die Wärmeableitung zu steigern. Diese Strukturen mit geringer Höhenausdehnung haben keinen wesentlichen Einfluss auf das im Innenraum strömende Fluid.
Auch aus der Druckschrift US 5,473,508 ist ein Wärmeaustauscher zur Kühlung von elektronischen Komponenten mittels eines Luftstroms bekannt. Der Wärmeaustauscher besteht aus mehreren Einzelteilen, die fügetechnisch fest miteinander zu einem Eintrittskanal, einem flachen Wärmeaustauschelement und einem Austrittskanal verbunden sind. Das aus Deckel- und Bodenelement bestehende geschlossene Wärmeaustauschelement steht dabei in Kontakt mit der Wärmequelle.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Wärmeaustauscher der vorstehend genannten Art weiterzubilden und diesen unter Vorgabe eines kostengünstigen Herstellungsverfahrens in seinem Wärmeaustauschvermögen zu optimieren.
Die Erfindung wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 wiedergegeben. Die weiteren rückbezogenen Ansprüche betreffen vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen der Erfindung. Die Erfindung schließt einen Wärmeaustauscher für Kleinbauteile ein, der von einem Fluid durchströmbar ist, bestehend aus mehreren ausschließlich umformtechnisch hergestellten Einzelteilen, die fügetechnisch fest miteinander zu einem Eintrittskanal, einem flachen Wärmeaustausch element und einem Austrittskanal verbunden sind, wobei das Wärmeaustauschelement eine mit zumindest einer Wärmequelle verbindbare Ober- und Unterseite aufweist, wobei der Eintrittskanal aus einem Metallanschlussrohr besteht, das sich zum Wärmeaustauschelement hin eingangsseitig kontinuierlich aufweitet, der Austrittskanal, ausgehend vom Wärmeaustauschteil, sich ausgangsseitig kontinuierlich bis zu einem Metallanschlussrohr verjüngt, und das Wärmeaustausch element zur Erhöhung der Wärmeübertragung eine in Strömungsrichtung verlaufende kanalartige Innenstruktur aufweist, die sich im Innenraum von der Unterseite bis zur Oberseite erstreckt.
Die Erfindung geht dabei von der Überlegung aus, dass der Wärmeaustauscher aus mehreren ausschließlich umformtechnisch hergestellten Einzelteilen besteht. Die Einzelteile sind in ihrer Geometrie so beschaffen, dass sie mit einem Kaltumformverfahren herstellbar sind. Insbesondere bietet sich dabei an, aus einem im Wesentlichen runden Rohrquerschnitt eine Aufweitung des Eintrittskanals in einen konischen Übergang beziehungsweise die Verjüngung des Austrittskanals zu schaffen. Fügetechnisch werden in diesem Falle dann die Stirnfläche des konisch aufgeweiteten Eintrittskanals mit der eingangsseitigen Stirnseite des flachen Wärmeaustauschelements und die Stirnseite des sich konisch verjüngenden Austrittskanals mit der ausgangsseitigen Stirnseite des Wärmeaustauschers verbunden. Die Gestaltungsmöglichkeiten der Umformtechnik bestimmen demnach bis zu einem gewissen Teil die Geometrie der Oberseite und Unterseite des Wärmeaustauschelements.
Das Metallanschlussrohr des Eintrittskanal oder Austrittskanals kann im Grunde jede Querschnittsform aufweisen, ist aus Gründen der Umformung und der strömungstechnischen Gegebenheiten jedoch bevorzugt rund oder oval. Eine wichtige Funktion besitzt die im Wärmeaustauschelement verlaufende kanalartige Innenstruktur. Diese erstreckt sich im Innenraum von der Unterseite bis zur Oberseite, wodurch eine erhöhte Wärmeübertragung stattfindet.
Auch erweist sich die Kanalstruktur als ausgesprochen stabil gegenüber einer Einwirkung äußerer Kräfte. Diese können beim Verbinden und Fixieren einer Wärmequelle auf dem Wärmeaustauscher auftreten, was bei den verwendeten Anpresskräften bei hohlen Innenstrukturen zur Folge hätte, dass die gemeinsame Berührungsfläche des Wärmeaustauschers mit der Wärmequelle deformiert oder sogar eingedrückt wird. Dies kommt insbesondere dann zum Tragen, wenn aus Gründen der Materialersparnis dünne Wandungen angedacht werden, die auf derartige starke mechanische Belastungen nicht mehr ausgelegt sind. Allein durch umformtechnische Verfahren kann gegenüber den bisher verwendeten spanenden Verfahren bereits eine Materialersparnis und damit eine Kostenreduzierung erzielt werden. Die vorstehend beschriebene konstruktive Ausgestaltung des Innenraums mit entsprechenden Kanalstrukturen liefert hierzu noch einen weiteren Beitrag.
In diesem Zusammenhang sind die in Strömungsrichtung verlaufenden kanalartigen Innenstrukturen nicht notwendigerweise durchgängige Seitenwände. Ebenso können auch in Strömungsrichtung in geringeren Abständen angeordnete Stifte oder Quader eine entsprechende Kanalstruktur ausbilden. Im Ergebnis jedoch so, dass sich, strömungsmechanisch betrachtet, eine vorteilhafte konstruktive Auslegung ergibt.
Als Fügeverfahren eignen sich besonders die bereits in der Technik verbreiteten Lötverfahren, Kleben oder Schweißen. Die stirnseitig aneinander stoßenden Flächen des Wärmeaustauschelements mit dem Eintritts- oder Austrittskanal können jedoch auch durch stirnseitig ausgeformte Nuten ineinander steckbar ausgebildet sein.
Eine andere zweiteilige Ausführung der umformtechnisch hergestellten Einzelteile kann aus zwei in Längsrichtung ausgebildeten Halbelementen bestehen, die fügetechnisch nur in Längsrichtung miteinander verbunden werden müssen. Der besondere Vorteil besteht darin, dass bei entsprechend dünnen Wandungen der Wärmeaustauscher gegenüber Verformungen entsprechend stabil ist. Die im Innenraum verlaufenden Kanäle führen dabei das ein- oder zweiphasige Fluid gezielt durch den Wärmeaustauscher, so dass zur mechanischen Stabilität die Wärmeaustausch leistung optimiert wird. Insbesondere die konischen Eintritts- bzw. Austrittskanäle sorgen durch einen fließenden Übergang für eine gleichmäßige Fluidverteilung mit geringstem Druckabfall in der Strömung.
In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung kann die Innenstruktur so ausgebildet sein, dass die Fluidströmung über den Querschnitt konstant ist. Dies kann beispielsweise über eine unterschiedliche Breite der kanalartigen Innenstruktur, nachfolgend auch als Kanäle bezeichnet, erzielt werden, wobei in der Mitte des Wärmeaustauschers kleinere Kanalquerschnitte vorhanden sind, die zu beiden Seiten nach außen hin zunehmen. Vom Eintrittskanal wird auf diese Weise die Hauptströmung im gesamten Wärmeaustauscher gleichmäßiger verteilt.
Die konstruktive Auslegung des Innenvolumens des Wärmeaustauschelements in Bezug auf strömungsmechanisch günstige Verhältnisse findet besondere Beachtung. So kann sich vorteilhafterweise die Innenstruktur des Wärmeaustauschelements im Eintrittskanal und/oder Austrittskanal fortsetzen. Hierdurch wird bereits das Fluid unmittelbar nach dem Durchtritt aus dem Metallanschlussrohr in den sich aufweitenden Teil des Wärmeaustauschelements nach strömungsmechanisch günstigen Gesichtspunkten entsprechend in die einzelnen Kanäle verteilt. Dabei sind derartige Strukturen bevorzugt im Eintrittskanal. Ausgangsseitig können Kanäle im sich verjüngenden Teil des Wärmeaustausch elements jedoch auch die Fluidströmung gezielt leiten und sich strömungsmechanisch günstig auswirken.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung kann die Innenstruktur aus durchgängigen Rippen bestehen, die Kanäle bilden. Durchgängige Rippen sind besonders bei geringen Rippenabständen mit Umformverfahren fertigungstechnisch zuverlässig herzustellen. Die Rippen verlaufen als Trennwände im Innenraum von der Unterseite bis zur Oberseite und bilden die einzelnen längsverlaufenden Kanäle, in denen im Betriebszustand das Fluid geführt wird.
Vorteilhafterweise kann die Innenstruktur aus von der Innenwandung herausragende Stäbe oder Pyramiden bestehen. Diese sind jedoch stets so angeordnet, dass sich in Strömungsrichtung kanalartige Innenstrukturen bilden. Hierdurch werden strömungsmechanisch günstige Strukturen erzeugt, die einen gewissen Fluidaus- tausch mit benachbarten Kanälen immer noch zulassen.
In weiterer bevorzugter Ausgestaltung kann das Wärmeaustauschelement einstückig ausgebildet sein. Mit dem zugrunde gelegten Umformverfahren ist dies jedoch nur unter gewissen Voraussetzungen möglich. Bevorzugt wird bei der einstückigen Ausbildung die Kanalstruktur mit im Innenraum durchgängigen längsgerichteten Rippen erzeugt. Hierdurch wird für das Wärmeaustauschelement der fügetechnische Aufwand reduziert. Einstückige Wärmeaustauschelemente werden nur noch mit dem Eintrittskanal und dem Austrittskanal verbunden.
Vorteilhafterweise können der Eintrittskanal, das Wärmeaustausch element und der Austrittskanal fluchtend angeordnet sein. Mit anderen Worten, die längsgestreckte Form weist keine weitere Umbiegungen in engen Radien auf und begünstigt so eine gleichmäßige Fluidströmung durch den gesamten Wärmeaustauscher.
Alternativ müssen jedoch auch Bauformen in Betracht gezogen werden, wenn dem Wärmeaustauscher, beispielsweise als Kühlkörper für Mikroprozessoren oder andere Wärme erzeugende Bauteile in einem Computer, nur ein geringer Bauraum zur Verfügung steht. Vorteilhafterweise können dann der Eintrittskanal und/oder der Austrittskanal von der Wärmequelle weggerichtet verlaufen. Dies wird in der Regel jedoch nur mit möglichst großen Biegeradien geschehen, die eine möglichst ungestörte Fluidströmung unterstützen. Bei der Verwendung von Kupfer und Kupferlegierungen kann bei einigen der gebräuchlichen Fluide eine Korrosion nicht ausgeschlossen werden. Vorteilhafterweise kann dann die Innenoberfläche des Wärmeaustauschers beschichtet sein.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung werden anhand der schematischen Zeichnungen näher erläutert.
Dabei zeigen:
Fig. 1 eine Ansicht eines Wärmeaustauschers mit einer Wärmequelle ,
Fig. 2 einen Querschnitt eines Wärmeaustauschelements mit Deckel und Boden,
Fig. 3 einen Querschnitt eines Wärmeaustauschelements mit gleich gestaltetem
Deckel und Boden und ineinander greifender Innenstruktur, Fig. 4 einen Querschnitt eines Wärmeaustauschelements mit gleich gestaltetem
Deckel und Boden und aufeinander gesetzter Innenstruktur, Fig. 5 einen Querschnitt eines aus übereinander gestapelten Böden gebildeten
Wärmeaustauschelements mit abschließendem Deckel,
Fig. 6 einen Querschnitt eines einstückig ausgebildeten Wärmeaustauschelements, Fig. 7 eine Draufsicht eines Wärmeaustauschers mit kanalartigen Strukturen unterschiedlicher Breite, und Fig. 8 eine Draufsicht eines Wärmeaustauschers mit kanalartigen Strukturen, die sich in den Eintrittskanal und Austrittskanal fortsetzen.
Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen.
In Fig. 1 ist eine schematische Ansicht eines Wärmeaustauschers 1 mit einer Wärmequelle 5 dargestellt. Der Wärmeaustauscher 1 besteht aus einem Eintrittskanal 2, einem flachen Wärmeaustauschelement 3 und einem Austrittskanal 4, die fügetechnisch fest miteinander verbunden sind. Die Wärmequelle 5 ist auf der Unterseite des Wärmeaustauschelements 3 angeordnet. Der Eintrittskanal 2 besteht aus einem Metallanschlussrohr 21 , das sich zum Wärmeaustauschelement 3 hin eingangsseitig kontinuierlich aufweitet. Die in der Figur dargestellte Form des Eintrittskanals lässt sich mittels eines umformtechnischen Verfahrens, wie beispielsweise das Fließpressen, in einem Stück herstellen. Die Fügestelle befindet sich in diesem Fall an der gemeinsamen Berührungsfläche des Eintrittskanals 2 zum Wärmeaustauscherelement 3. Ebenso besteht der Austrittskanal 4, der auch einstückig sein kann, aus einer Sammelzone 42 und einem Metallanschlussrohr 41. Die Sammelzone 42 verjüngt sich kontinuierlich bis zum Metallanschlussrohr 41. Die Fügestelle befindet sich dabei an der gemeinsamen Berührungsfläche des Austrittskanals 4 zum Wärmeaustauschelement 3.
Die Wärmequelle 5 ist ein elektronisches Bauteil, wie beispielsweise ein Mikroprozessor. Die Wärmequelle 5 wird oft mit Klammern oder einer Klebeverbindung gehaltert, wobei auch die Wärme gut leitende Zwischenschichten Verwendung finden. Bei Zwischenschichten wird die Wärmequelle 5 unter einem Anpressdruck mit dem Wärmeaustauscher 1 verbunden. In der gezeigten Ausgestaltung verlaufen der Eintrittskanal 2 und der Austrittskanal 4 von der Wärmequelle 5 weggerichtet.
Fig. 2 zeigt einen Querschnitt eines zweiteiligen Wärmeaustauschelements 3 mit Deckel 32 und Boden 33. Die Innenstruktur ist zusammen mit dem Boden 33 geformt, der Deckel 32 ist fest mit dem Boden gefügt. Fügetechnisch kommen zur Verbindung von Deckel 32 und Boden 33 Schweiß-, Löt- oder Klebeverbindungen oder auch Presspassungen in Betracht. Bevorzugt sind Fügeverfahren, die thermisch und mechanisch nicht zu einer Deformation des Bauteils führen.
Fig. 3 zeigt einen Querschnitt eines Wärmeaustauschelements 3 mit gleich gestaltetem Deckel 32 und Boden 33 und einer ineinander greifenden Innenstruktur 31. Die Innenstruktur ist dabei jeweils zur Hälfte zusammen mit dem Deckel 32 und dem Boden 33 geformt. Dies bietet umformtechnisch den Vorteil, beispielsweise bei durchgängigen Rippen in Deckel 32 und Boden 33, gröbere Strukturen vorzusehen, die nach dem Zusammenfügen so ineinander greifen, dass entsprechend kleine Kanäle entstehen.
In einer weiteren Ausgestaltung zeigt Fig. 4 im Querschnitt ein Wärmeaustauschelement 3 mit gleich gestaltetem Deckel 32 und Boden 33. Beide bilden aufeinander gesetzt die kanalartige Innenstruktur aus.
Fig. 5 zeigt einen Querschnitt eines aus zwei übereinander gestapelten Böden 33 gebildeten Wärmeaustauschelements 3 mit abschließendem Deckel 32. Derartige Strukturen kommen beispielsweise in Betracht, wenn sowohl auf der Oberseite als auch auf der Unterseite eine Wärmequelle angeordnet ist.
In Fig. 6 ist eine weitere Ausgestaltung des Wärmeaustauschelements 3 dargestellt, die einstückig mittels Fließpressen hergestellt sein kann. Einstückige Bauteile werden aus fertigungstechnischen Gründen bevorzugt für größere Kanalstrukturen eingesetzt. Diese können auch kontinuierlich gefertigt und auf entsprechende Dimension abgelängt werden.
Fig. 7 zeigt eine Draufsicht eines im Bereich des Wärmeaustauschelements 3 aufgeschnittenen Wärmeaustauschers 1 mit kanalartigen Strukturen unterschiedlicher Breite. Die Kanäle der Innenstruktur 31 sind dabei so ausgebildet, dass die Fluidströmung über den Querschnitt des Wärmeaustauschelements 3 konstant ist und sich ein gleichförmiger Druckabfall in Strömungsrichtung des Fluids ausbildet.
Fig. 8 zeigt eine Draufsicht eines partiell aufgeschnittenen Wärmeaustauschers 1 mit kanalartigen Strukturen, die sich in den Eintrittskanal 2 und Austrittskanal 4 fortsetzen. Bei dieser Ausgestaltung wird das Fluid bereits unmittelbar nach dem Durchtritt aus dem Metallanschlussrohr 21 in den sich aufweitenden Teil der Verteilerzone 22 oder aus dem sich verjüngenden Teile der Sammelzone 42 des Wärmeaustauschers 1 nach strömungsmechanisch günstigen Gesichtspunkten in die einzelnen Kanäle der Innenstruktur 31 verteilt und zum Metallanschlussrohr 41 hin wieder gesammelt. Bezugszeichenliste
Wärmeaustauscher
Eintrittskanal
Metallanschlussrohr
Verteilerzone
Wärmeaustausch element
Innenstruktur
Deckel
Boden
Austrittskanal
Metallanschlussrohr
Sammelzone
Wärmequelle

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e
1. Wärmeaustauscher (1 ) für Kleinbauteile, der von einem Fluid durchströmbar ist, bestehend aus mehreren ausschließlich umformtechnisch hergestellten Einzelteilen, die fügetechnisch fest miteinander zu einem Eintrittskanal (2), einem flachen Wärmeaustauschelement (3) und einem Austrittskanal (4) verbunden sind, wobei das Wärmeaustausch element (3) eine mit zumindest einer Wärmequelle verbindbare Ober- und Unterseite aufweist, dadurch gekennzeichnet,
- dass der Eintrittskanal (2) aus einem Metallanschlussrohr (21) besteht, das sich zum Wärmeaustauschelement (3) hin eingangsseitig kontinuierlich bis zur gesamten durchströmbaren Querschnittsfläche der eingangsseitigen Stirnseite des Wärmeaustauschelements (3) aufweitet,
- dass sich der Austrittskanal (4), ausgehend vom Wärmeaustauschelement (3), ausgangsseitig kontinuierlich von der gesamten durchströmbaren Querschnittsfläche der ausgangsseitigen Stirnseite des Wärmeaustauschelements (3) bis zu einem Metallanschlussrohr (41) verjüngt, und
- dass das Wärmeaustauschelement (3) zur Erhöhung der Wärmeübertragung eine in Strömungsrichtung verlaufende kanalartige Innenstruktur (31) aufweist, die sich im Innenraum von der Unterseite bis zur Oberseite erstreckt.
2. Wärmeaustauscher nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Innenstruktur (31) so ausgebildet ist, dass die Fluidströmung über den Querschnitt konstant ist.
3. Wärmeaustauscher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Innenstruktur (31) des Wärmeaustausch elements (3) im Eintrittskanal (2) und/oder Austrittskanal (4) fortsetzt.
4. Wärmeaustauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenstruktur (31) aus durchgängigen Rippen besteht, die Kanäle bilden.
5. Wärmeaustauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenstruktur (31) aus von der Innenwandung herausragenden Stäben oder Pyramiden besteht.
6. Wärmeaustauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmeaustauschelement (3) einstückig ausgebildet ist.
7. Wärmeaustauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Eintrittskanal (2), das Wärmeaustauschelement (3) und der Austrittskanal (4) fluchtend angeordnet sind.
8. Wärmeaustauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Eintrittskanal (2) und/oder der Austrittskanal (4) von der Wärmequelle (5) weggerichtet verlaufen.
9. Wärmeaustauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenoberfläche beschichtet ist.
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