WO2013013995A1 - Vorrichtung zum kühlen und verfahren zu deren herstellung sowie verwendung der vorrichtung - Google Patents

Vorrichtung zum kühlen und verfahren zu deren herstellung sowie verwendung der vorrichtung Download PDF

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WO2013013995A1
WO2013013995A1 PCT/EP2012/063693 EP2012063693W WO2013013995A1 WO 2013013995 A1 WO2013013995 A1 WO 2013013995A1 EP 2012063693 W EP2012063693 W EP 2012063693W WO 2013013995 A1 WO2013013995 A1 WO 2013013995A1
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plates
recesses
adjacent
range
plane
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PCT/EP2012/063693
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Robert Goraj
Norbert Huber
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Siemens Aktiengesellschaft
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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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    • F28F3/08—Elements constructed for building-up into stacks, e.g. capable of being taken apart for cleaning
    • F28F3/086—Elements constructed for building-up into stacks, e.g. capable of being taken apart for cleaning having one or more openings therein forming tubular heat-exchange passages
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    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F2255/00—Heat exchanger elements made of materials having special features or resulting from particular manufacturing processes
    • F28F2255/12—Heat exchanger elements made of materials having special features or resulting from particular manufacturing processes expanded or perforated metal plate

Definitions

  • the present invention relates to a device for cooling, their production and their use, which comprises a stack of at least two plates each with Ausneh ⁇ rules.
  • the at least two plates are stacked in such a way over ⁇ each other such that a continuous cooling channels are formed for a cooling fluid through the recesses.
  • the cooling fluid is passed through fixtures and tried a large surface area for cooling to testify he ⁇ .
  • cooling devices with very fine structures are needed, which have a large overflow surface. All the more so because the heat transfer to air or other gases compared to liquids is low. The necessary fine structures are usually expensive to manufacture and thus very expensive.
  • the plates with ribs and fins are also usually made of solid metal such as aluminum. This leads to a high weight of the cooling apparatus, a high material consumption and price as well as increased, but not maximum heat exchanging surface between the pre ⁇ device for cooling and for example the surrounding air.
  • the herstel ⁇ development of the ribs and fins rangy running is very complex and expensive.
  • Object of the present invention is to provide a device for cooling, their preparation and their use, which has a good heat transfer between the cooling fluid, eg air or water, and device to be cooled, eg electrical power component, with low Her ⁇ positioning effort and costs as well as reduced material expenditure and weight compared to known pin-fins.
  • the cooling fluid eg air or water
  • device to be cooled eg electrical power component
  • the stated object is achieved with respect to the device for cooling with the features of claim 1, with regard to the method for producing the device with the features of claim 13 and with respect to the use of the device with the features of claim 15.
  • Advantageous embodiments of the device according to the invention for cooling and the method for producing the device will become apparent from the respectively associated dependent subclaims.
  • the characteristics of the adjacent Neten claims with each other and with features of a respective associated subclaim or preferably combined with Merk ⁇ paint several assigned subclaims.
  • the cooling device according to the invention comprises a
  • Stack of at least two plates each with recesses The at least two plates one above the other gesta ⁇ pelt that are formed by the recesses continuous cooling channels for a cooling fluid.
  • the at least two plates with recesses are rolled expanded grids. By this is meant that these rolled expanded grids comprise and / or are identical to rolled expanded meshes.
  • Rolled expanded metal mesh are easy and inexpensive to produce. In contrast to plates with punched-out recesses fall with expanded metal no waste parts. In Streckgit ⁇ tern be quickly and easily perforated by shearing large areas in plates, the recesses are formed as perfo ⁇ ration in the plates. In contrast to plates with ribs and fins comprises a stack of rolled Streckgit ⁇ tern on a larger surface area over which heat from a ⁇ exchange with a cooling fluid, for example air, can take place. The weight and material consumed is smaller with increased Oberflä ⁇ che. The cost and the cost of production are also lower.
  • the device may comprise at least one base plate.
  • the stack of at least two plates each with recesses mechanically and thermally to the device to be cooled, such as the electrical power component or component, be attached.
  • the contact surface between ⁇ the device to be cooled and the device is formed for cooling in this case.
  • the at least two plates may be metallically connected with each other and / or with the base plate.
  • connections via, for example, thermal conductive adhesive are possible.
  • the advantage of a metallic connection is the high mechanical and thermal stability and the good heat transfer via such a connection.
  • the metallic compound may be a solder joint, a braze joint and / or a welded joint.
  • the at least two plates can be arranged with their plane perpendicular to the plate plane of the base plate. This arrangement is particularly advantageous in air cooling, with a direction of air flow parallel to the Maisflä ⁇ surface between the device to be cooled and of the cooling apparatus.
  • the at least two plates may alternatively be arranged with their plate plane parallel to the plate plane of the base plate. This is advantageous when cooling with water. By the arrangements, large turbulences of the cooling fluid are respectively achieved at the plates and thus a good heat ⁇ transition from the plates to the cooling fluid.
  • the recesses of the at least two plates can form identical patterns.
  • same can be regular
  • Pattern may be formed with constant spacing between adjacent recesses along a direction in the plate plane. These patterns can be produced in a particularly simple and cost-effective manner with expanded metal meshes which, by subsequent over-rolling, maintain the flatness of the original metal sheet.
  • the at least two plates may be attached one above the other ⁇ arranged that the patterns of adjacent plates are shifted from each other by half the distance between adjacent recesses along one direction in the plane of the plate.
  • Characterized cooling channels along the plate plane over the recesses are formed, which are continuous through the plate package and along the plate plane by fluidically ⁇ can flow, and provide a large transfer surface area between the plates and the cooling fluid safely.
  • the stack can comprise at least three plates with recesses on ⁇ , wherein the at least three plates above the other in such a way are arranged such that the patterns of adjacent plates are mutually displaced by a distance which is irregular or not repeated.
  • This arrangement of plates one above the other is particularly easy to produce, since no alignment of the recesses of adjacent plates against each other is necessary.
  • a disadvantage over the variant described above is that the diameter of the cooling channels may not be precisely defined or equal over the device along the plane of the plate. This can lead to non-uniform flow conditions, and thus also temperature distributions, due to differential heat exchange, and can lead to increased wear in the case of cooling with cooling fluids with particles if the particles have increased rates of constriction and lead to material removal.
  • the plates may be stacked such that the patterns of adjacent plates are rotated relative to one another by an angle beta, in particular by an angle N times beta, where N is the numbered number of the Nth plate in the stack.
  • the angle beta can have a value equal to or in the range of 90 °.
  • the rotation of plates or their patterns against each other can have the same advantages as previously described for a displacement of the patterns of the plates against each other.
  • N the natural number is given, which indicates which number of disk drives in ⁇ stack of, for example the first plate in contact with a base plate from ⁇ calculated, representing the N-th sheet.
  • the shape of the recesses of the at least two plates may be the same. This makes a simple production possible with an expanded metal tool.
  • the shape of the recesses may, in particular, essentially have the shape of a parallelogram. In essence, this means that at a parity two parallel straight lines cut rallelogramm two more pa ⁇ rallele straight line, and thereby enclose an acute angle Alpha.
  • the angle may not be sharp, but rounded in shape a circle radius section or a straight piece ⁇ include, with a length H.
  • Thighs of the parallelogram can be in the range of 91 ° to 170 °.
  • the distance P of the centers of adjacent recesses may be in the range of 5 to 70 mm, wherein center point of the intersection of the diagonal is designated in a Pa ⁇ parallelogram.
  • the distance B of adjacent boundaries of two adjacent recesses may be in the range of 0.4 times P, in particular with a value of the distance B in the range of 1 to 10 mm.
  • At a distance B is the smallest width of webs in a plane between recesses referred to, which remain when rolling from the plate material.
  • the distance H of two legs of the parallelogram can be in the range of less than 0.1 times P, in particular in the range of 5 to 20 mm.
  • the shape of the recesses of the at least two plates may also have a circular shape.
  • the distance P of the centers of adjacent recesses may be in the range of 5 to 70 mm.
  • a center is given by a circular recess through the center of the circle.
  • the distance B of adjacent boundaries of two adjacent recesses may be in the range of 0.4 times P, in particular with a value of the distance B in the range of 1 to 10 mm.
  • the method according to the invention for producing a device described above comprises that the recesses in the expanded gratings are respectively produced by local shearing.
  • the webs can be flat-rolled between the recesses in the plate plane.
  • the webs can be set up perpendicular to the plate plane. This can limit the arrangement of the plates as stacks with small points of contact, hindering the transport of heat across the plates. In order to reduce or eliminate such problems, a processing step of flat rolling can be useful.
  • the device according to the invention may comprise, for cooling purposes, a fluid flowing air or water through the cooling channels.
  • a fluid flowing air or water may be used as the cooling fluid flowing through the at least two boards.
  • the air can then flow conveniently parallel to the plate plane.
  • water which flows through the at least two plates
  • the water can then also conveniently flow parallel to the plate plane and sweep a lot of plate area.
  • FIG. 1 is a plan view of a plate 3 with parallelogram-shaped recesses 5 of a device 1 according to the invention for cooling, and
  • FIG. 2 shows a schematic sectional view through an exemplary embodiment of a device 1 according to the invention for cooling, with the plates of the plate stack 2 arranged perpendicular to the base plate 6, and FIG
  • Fig. 3 is a schematic sectional view through another
  • Embodiment of a device according to the invention 1 for cooling arranged with the plates of the plate stack 2 parallel to the base plate 6, and
  • FIG. 4 is an oblique view of two plates 3, 4 of an inventive device 1 for cooling according to the embodiment of FIG. 2, and
  • FIG. 5 is a plan view of the arrangement of the two plates 3, 4 corresponding to FIG. 4th
  • Fig. 1 shows a plan view of a plate 3 with wesentli ⁇ chen parallelogram-shaped recesses 5 of a device 1 according to the invention for cooling.
  • the plate 3 is a rolled expanded grid with webs 9 and recesses 5 produced by shearing, wherein the webs 9 are flat-rolled and lie in one plane of the plate.
  • the plate plane is in Fig. 1, the plane of the drawing.
  • the expanded metal 3 can be made, for example, from a metal sheet such as an aluminum sheet, a steel sheet, a galvanized sheet or a CuNiFe sheet.
  • the sheet metal typically has a thickness not Darge ⁇ presented in Fig. 1 in the region of a few mm.
  • the recesses 5 are the same in shape and give a regular pattern, which results from each other by the parallelogram shape and the distance P of the centers of the recesses 5.
  • a center point of a parallelogram results from the intersection of the diagonal of the parallelogram, which connect the vertices together.
  • the distance P of the centers of adjacent recesses is in the range of 5 to 70 mm, for example 5 mm.
  • the webs 9 have a width B in the range of 0.4 times P, in particular 1 to 10 mm. At a value P equal to 5 mm results in a value B of 2 mm.
  • the recesses 5 are only substantially parallelogram. At two opposite lying intersection points 10, 10 'of a recess 5 is formed no tip, but a straight portion of the length H is inserted, which is parallel to a diagonal of the parallelogram.
  • the straight portion includes with the adjacent angle of the parallelogram Schen- an angle Alfa, which lies in the range from 91 ° Be ⁇ to 170 °. In the embodiment of Fig. 1, the angle alpha is 170 °.
  • the straight portion has ei ⁇ NEN value H to 0.1 times P, in particular in the range 5 to 20 mm. At a value P of 5 mm, H is equal to 0.5 mm.
  • Fig. 1 the sake of clarity, no second Plat ⁇ run 4 of the panel stack 2 located.
  • the second plate 4 may be arranged under the first plate 3, rotated with a pattern by the angle beta, beta is insbeson ⁇ particular 90 °. This means that the parallelogram, which is given by the recess 5 of the underlying plate 4, is rotated by 90 ° relative to the recess 5 of the first plate 3.
  • FIG. 2 shows a schematic sectional view through an exemplary embodiment of a device 1 according to the invention for cooling, with a plurality of the previously described plates 3 arranged in a plate stack 2.
  • the plates 3, 4 are arranged perpendicular to a base plate 6.
  • the expanded metal or plates 3, 4 are with their plate plane, which corresponds to the drawing plane in FIG. 1, perpendicular to the base plate 6 and the drawing plane of FIG.
  • the cooling fluid eg air
  • the expanded metal of the plate stack 2 are mechanical and thermally connected to the opposite side to the side 12 of the base plate 6. This connection can be made by soldering, brazing, or welding metallic, whereby a good heat transfer through the connection is given.
  • the cooling fluid flow 8 flows through the stack 2 of expanded meshes, wherein, depending on the arrangement of the expanded mesh or plates 3, 4 one above the other, the flow is swirled.
  • a surface of the expanded metal mesh 3, 4 is covered with cooling fluid and there is a heat exchange from the device to be cooled, via the base plate 6, the expanded metal mesh of the stack 2 to the cooling fluid instead. This results in a removal of heat, i. a cooling of the device to be cooled.
  • a cooling device 1 according to the invention, corresponding to Fig. 2, with only one plate stack 2 with a direction of stacking perpendicular to the plane of the base plate 6.
  • This arrangement is preferably combined with a liquid cooling fluid, e.g. Water operated, but can also be with a gaseous cooling fluid such. Air operated.
  • Fig. 3 the plates 3, 4 of the disk stack 2 with ih ⁇ rer plate plane as Darge ⁇ up as drawing plane in FIG. 1, is disposed parallel to the base plate 6.
  • stacked expanded metal 3, 4 does not flows against or through flows vertically but horizontally.
  • Depending on the type of fluid and - speed and required cooling capacity is a pre ⁇ direction to choose for 2 or 3..
  • Fig. 4 is an oblique view of two plates of he ⁇ inventive device 1 for cooling according to the embodiment of Fig. 2 in detail.
  • the fluid flow 8 is perpendicular to the plate plane 3, 4.
  • Plates 3, 4 are fixed to the plate plane of the base plate 6 at this mechanically and thermally conductive.
  • the base plate 6 is in a longitudinal section Darge ⁇ represents.
  • the expanded metal meshes 3, 4 with their patterns of the recesses 5 are arranged one above the other displaced relative to one another.
  • Fig. 5 for better clarity shown with their dimensions for an up ⁇ view to this arrangement.
  • the expanded metal 3 is displaced so against the pattern of the recesses 5 of the expanded metal 4 disposed such that the Ver ⁇ shift a length 1/2 P corresponds to, ie P equal to 5 mm has a value of 2.5 mm, in a direction perpendicular to the plane of the base plate 6.
  • the arranged above it, not shown in Fig. 5 expanded metal grid of the stack 2 can be moved with sei ⁇ nem pattern by the same value in the same or in the opposite direction. The result is the same overall pattern at a glance.
  • a stacking of the further expanded mesh in the stack 2 is analogous.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung (1) zum Kühlen, deren Herstellung sowie deren Verwendung, welche einen Stapel (2) aus wenigstens zwei Platten (3, 4) jeweils mit Ausnehmungen (5) umfasst. Die wenigstens zwei Platten (3, 4) sind derart übereinander gestapelt, dass durch die Ausnehmungen (5) durchgehende Kühlkanäle für ein Kühlfluid ausgebildet sind. Die wenigstens zwei Platten (3, 4) mit Ausnehmungen (5) sind gewalzte Streckgitter (3, 4).

Description

Beschreibung
Vorrichtung zum Kühlen und Verfahren zu deren Herstellung sowie Verwendung der Vorrichtung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Kühlen, deren Herstellung sowie deren Verwendung, welche einen Stapel aus wenigstens zwei Platten jeweils mit Ausneh¬ mungen umfasst. Die wenigstens zwei Platten sind derart über¬ einander gestapelt, dass durch die Ausnehmungen durchgehende Kühlkanäle für ein Kühlfluid ausgebildet sind.
Elektrische Leistungskomponenten müssen in der Regel gekühlt werden, um die entstehende Verlustwärme dem System zu entzie¬ hen. Dadurch kann eine zulässige Maximaltemperatur im Inneren der Leistungskomponenten eingehalten werden. Das Einhalten der zulässigen Maximaltemperatur zu jedem Zeitpunkt ist wichtig für eine zuverlässige Funktionsweise und für eine lange Lebensdauer .
Typischerweise wird bei Kühlern das Kühlfluid durch Einbauten geführt und versucht eine große Oberfläche zum Kühlen zu er¬ zeugen. Bei der Luftkühlung von elektrischen Leistungskomponenten, welche mittels erzwungener oder freier Konvektion erfolgen kann, werden Vorrichtungen zur Kühlung mit sehr feinen Strukturen benötigt, welche eine große überströmte Oberfläche aufweisen. Dies um so mehr, da der Wärmeübergang auf Luft oder andere Gasen im Vergleich zu Flüssigkeiten gering ist. Die dafür notwendigen feinen Strukturen sind in der Regel aufwendig zu fertigen und damit sehr teuer.
Neben einer möglichst großen inneren Oberfläche der Vorrichtung zum Kühlen ist eine gute Wärmeleitung der Vorrichtung senkrecht zur Kontaktfläche zwischen elektrischer Leistungs¬ komponente und Vorrichtung zum Kühlen notwendig, um eine gute Abführung der Wärme über z.B. Kühlrippen zu erreichen. Aus dem Stand der Technik sind Vorrichtungen zum Kühlen mit Luft bekannt, welche Platten mit Rippen und Finnen aufweisen Diese sogenannten Pin-Fins sind speziell bei Luftkühlung mit einer großen Zahl sehr dünner Finnen ausgestattet, welche in der Regel senkrecht zur Kontaktfläche zwischen elektrischer Leistungskomponente und Pin-Fin angeordnet sind. Die Platten mit Rippen und Finnen erhöhen die Wärmeaustausch-Oberfläche zwischen der Vorrichtung zum Kühlen und z.B. der Umgebungsluft verglichen mit einer kompakten Kühlplatte z.B. aus Me- tall.
Die Platten mit Rippen und Finnen sind in der Regel ebenfalls massiv aus einem Metall wie z.B. Aluminium ausgeführt. Dies führt zu einem hohen Gewicht der Vorrichtung zum Kühlen, ei- nem hohen Materialverbrauch und Preis sowie erhöhte, aber nicht maximale Wärmeaustausch-Oberfläche zwischen der Vor¬ richtung zum Kühlen und z.B. der Umgebungsluft. Die Herstel¬ lung der feingliedrig ausgeführten Rippen und Finnen ist sehr aufwendig und teuer.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung zum Kühlen, deren Herstellung sowie deren Verwendung anzugeben, welche einen guten Wärmeübergang zwischen Kühlfluid, z.B. Luft oder Wasser, und zu kühlender Einrichtung, z.B. elektrischer Leistungskomponente, aufweist, bei geringem Her¬ stellungsaufwand und -Kosten sowie verringertem Materialauf¬ wand und Gewicht verglichen mit bekannten Pin-Fins.
Die angegebene Aufgabe wird bezüglich der Vorrichtung zum Kühlen mit den Merkmalen des Anspruchs 1, bezüglich des Verfahrens zum Herstellen der Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 13 und bezüglich der Verwendung der Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 15 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Kühlen und des Verfahrens zum Herstellen der Vorrichtung gehen aus den jeweils zugeordneten abhängigen Unteransprüchen hervor. Dabei können die Merkmale der nebengeord- neten Ansprüche untereinander und mit Merkmalen eines jeweils zugeordneten Unteranspruchs oder vorzugsweise auch mit Merk¬ malen mehrerer zugeordneter Unteransprüche kombiniert werden. Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Kühlen umfasst einen
Stapel aus wenigstens zwei Platten jeweils mit Ausnehmungen. Die wenigstens zwei Platten sind derart übereinander gesta¬ pelt, dass durch die Ausnehmungen durchgehende Kühlkanäle für ein Kühlfluid ausgebildet sind. Die wenigstens zwei Platten mit Ausnehmungen sind gewalzte Streckgitter. Darunter ist zu verstehen, dass diese gewalzte Streckgitter umfassen und/oder identisch mit gewalzten Streckgittern sind.
Gewalzte Streckgitter sind einfach und günstig herstellbar. Im Gegensatz zu Platten mit heraus gestanzten Ausnehmungen fallen bei Streckgittern keine Abfallteile an. Bei Streckgit¬ tern werden in Platten schnell und einfach große Flächen durch Abscheren perforiert, wobei die Ausnehmungen als Perfo¬ ration in den Platten entstehen. Im Gegensatz zu Platten mit Rippen und Finnen weist ein Stapel aus gewalzten Streckgit¬ tern eine größere Oberfläche auf, über welche ein Wärmeaus¬ tausch mit einem Kühlfluid, z.B. Luft, erfolgen kann. Das Gewicht und verbrauchte Material ist bei vergrößerter Oberflä¬ che geringer. Die Kosten und der Aufwand zur Herstellung sind ebenfalls geringer.
Die Vorrichtung kann wenigstens eine Grundplatte umfassen. Über die Grundplatte kann der Stapel aus wenigstens zwei Platten jeweils mit Ausnehmungen mechanisch und thermisch an der zu kühlenden Einrichtung, wie z.B. der elektrischen Leistungskomponente bzw. -Bauteil, befestigt sein. Über eine Oberfläche der Grundplatte wird in diesem Fall die Kontakt¬ fläche zwischen der zu kühlenden Einrichtung und der Vorrichtung zum Kühlen gebildet.
Die wenigstens zwei Platten können untereinander und/oder mit der Grundplatte metallisch verbunden sein. Alternativ sind auch Verbindungen über z.B. thermische Leitkleber möglich. Vorteil einer metallischen Verbindung ist die hohe mechanische und thermische Stabilität und der gute Wärmeübergang über eine solche Verbindung. Die metallische Verbindung kann eine Lötverbindung, eine Hartlötverbindung und/oder eine Schweißverbindung sein.
Die wenigstens zwei Platten können mit ihrer Plattenebene senkrecht zur Plattenebene der Grundplatte angeordnet sein. Diese Anordnung ist besonders vorteilhaft bei Luftkühlung, mit einer Strömungsrichtung der Luft parallel zur Kontaktflä¬ che zwischen der zu kühlenden Einrichtung und der Vorrichtung zum Kühlen. Die wenigstens zwei Platten können alternativ mit ihrer Plattenebene parallel zur Plattenebene der Grundplatte angeordnet sein. Dies ist vorteilhaft bei Kühlung mit Wasser. Durch die Anordnungen werden jeweils große Verwirbelungen des Kühlfluids an den Platten erreicht und damit ein guter Wärme¬ übergang von den Platten auf das Kühlfluid.
Die Ausnehmungen der wenigstens zwei Platten können gleiche Muster ausbilden. Insbesondere können gleiche regelmäßige
Muster mit konstantem Abstand zwischen benachbarten Ausnehmungen entlang einer Richtung in der Plattenebene ausgebildet sein. Diese Muster sind besonders einfach und kostengünstig mit Streckgittern herstellbar, die durch nachträgliches Über- walzen die Ebenheit des ursprünglichen Bleches erhalten.
Die wenigstens zwei Platten können derart übereinander ange¬ ordnet sein, dass die Muster von benachbarten Platten gegeneinander verschoben sind, um den halben Abstand zwischen be- nachbarten Ausnehmungen entlang einer Richtung in der Plattenebene. Dadurch werden Kühlkanäle entlang der Plattenebene über die Ausnehmungen gebildet, welche durchgängig durch den Plattenstapel und entlang der Plattenebene fluidisch durch¬ strömbar sind, und eine große Austauschfläche zwischen den Platten und dem Kühlfluid sicher stellen.
Der Stapel kann wenigstens drei Platten mit Ausnehmungen auf¬ weisen, wobei die wenigstens drei Platten derart übereinander angeordnet sind, dass die Muster von benachbarten Platten gegeneinander jeweils um einen Abstand verschoben sind, welcher sich unregelmäßig oder gar nicht wiederholt. Diese Anordnung von Platten übereinander ist besonders einfach herstellbar, da keine Ausrichtung der Ausnehmungen benachbarter Platten gegeneinander notwendig ist. Nachteilig gegenüber der zuvor beschriebenen Variante ist jedoch, dass der Durchmesser der Kühlkanäle unter Umständen nicht genau definiert bzw. gleich über die Vorrichtung entlang der Plattenebene ist. Dies kann zu ungleichmäßigen Strömungsverhältnissen und somit auch Temperaturverteilungen, wegen unterschiedlichem Wärmeaustausch führen, und es kann zu einer erhöhten Abnutzung im Falle von Kühlung mit Kühlfluiden mit Partikeln führen, wenn die Partikel erhöhte Geschwindigkeiten an Verengungen aufweisen und zu einem Materialabtrag führen.
Die Platten können derart übereinander angeordnet sein, dass die Muster von benachbarten Platten gegeneinander um einen Winkel Beta verdreht sind, insbesondere um einen Winkel N mal Beta, wobei N die durchnummerierte Zahl der N-ten Platte im Stapel ist. Der Winkel Beta kann z.B. einen Wert gleich oder im Bereich von 90° aufweisen. Die Verdrehung von Platten bzw. deren Mustern gegeneinander kann die gleichen Vorteile aufweisen, wie zuvor für eine Verschiebung der Muster der Plat- ten gegeneinander beschrieben. Mit N ist die natürliche Zahl wiedergegeben, welche angibt die wievielte Platte im Platten¬ stapel von z.B. der ersten Platte in Kontakt mit einer Grund¬ platte aus gerechnet, die N-te Platte darstellt. Die Form der Ausnehmungen der wenigstens zwei Platten kann gleich sein. Dies macht eine einfache Herstellung mit einem Streckgitterwerkzeug möglich. Die Form der Ausnehmungen kann insbesondere im Wesentlichen die Form eines Parallelogramms aufweisen. Im Wesentlichen bedeutet dabei, dass bei einem Pa- rallelogramm jeweils zwei parallele Geraden zwei weitere pa¬ rallele Geraden schneiden, und dabei einen spitzen Winkel Alpha einschließen. Jedoch kann produktionstechnisch oder gewollt der Winkel nicht spitz sein, sondern abgerundet in Form eines Kreisradiusausschnitts oder ein gerades Stück ein¬ schließen, mit einer Länge H. Der Winkel Alpha zwischen
Schenkeln des Parallelogramms kann im Bereich von 91° bis 170° liegen. Der Abstand P der Mittelpunkte von benachbarten Ausnehmungen kann im Bereich von 5 bis 70 mm liegen, wobei mit Mittelpunkt der Schnittpunkt der Diagonalen in einem Pa¬ rallelogramm bezeichnet ist. Der Abstand B von benachbarten Begrenzungen von zwei benachbarten Ausnehmungen kann im Bereich von 0.4 mal P, insbesondere mit einem Wert des Abstands B im Bereich von 1 bis 10 mm liegen. Mit Abstand B ist die kleinste Breite von Stegen in einer Ebene zwischen Ausnehmungen bezeichnet, welche beim Walzen vom Plattenmaterial übrig bleiben. Der Abstand H von zwei Schenkeln des Parallelogramms kann im Bereich kleiner 0.1 mal P, insbesondere im Bereich 5 bis 20 mm liegen.
Die Form der Ausnehmungen der wenigstens zwei Platten kann auch eine kreisrunde Form aufweisen. Dabei kann der Abstand P der Mittelpunkte von benachbarten Ausnehmungen im Bereich von 5 bis 70 mm liegen. Ein Mittelpunkt ist bei einer kreisrunden Ausnehmung durch den Kreismittelpunkt gegeben. Der Abstand B von benachbarten Begrenzungen von zwei benachbarten Ausnehmungen kann im Bereich von 0.4 mal P, insbesondere mit einem Wert des Abstands B im Bereich von 1 bis 10 mm liegen.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Herstellen einer zuvor beschriebenen Vorrichtung umfasst, dass die Ausnehmungen in den Streckgittern jeweils durch lokales Abscheren erzeugt werden. Dabei können die Stege zwischen den Ausnehmungen in der Plat- tenebene flachgewalzt werden. Beim Abscheren können sich die Stege senkrecht zur Plattenebene aufstellen. Dies kann die Anordnung der Platten als Stapel mit kleinen Berührpunkten begrenzen, was den Wärmetransport quer zu den Platten behindert. Um solche Probleme zu reduzieren oder auszuschließen kann ein Bearbeitungsschritt Flachwalzen sinnvoll sein.
Eine erfindungsgemäße Verwendung der zuvor beschriebenen Vorrichtung oder einer nach dem zuvor beschriebenen Verfahren hergestellten Vorrichtung kann umfassen, dass zur Kühlung ein Fluid Luft oder Wasser durch die Kühlkanäle strömt. Bei Ver¬ wendung von Luft als Kühlfluid, welche durch die wenigstens zwei Platten strömt, ist es vorteilhaft die Platten mit ihrer Plattenebene senkrecht zur Plattenebene der Grundplatte anzu¬ ordnen. Die Luft kann dann günstiger Weise parallel zur Plattenebene strömen. Bei Verwendung von Wasser als Kühlfluid, welches durch die wenigstens zwei Platten strömt, ist es vor¬ teilhaft die Platten mit ihrer Plattenebene parallel zur Plattenebene der Grundplatte anzuordnen. Das Wasser kann dann günstiger Weise ebenfalls parallel zur Plattenebene strömen und viel Plattenfläche überstreichen. Dadurch ist ein hoher Wärmeaustausch zwischen Kühlfluid und Platten und somit der zu kühlenden Einrichtung sicher gestellt.
Für das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung der Vorrichtung und für deren Verwendung ergeben sich die vorstehend erwähnten, mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung verbundenen Vorteile .
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung mit vorteilhaften Weiterbildungen gemäß den Merkmalen der abhängigen Ansprüche werden nachfolgend anhand der folgenden Figuren näher erläutert, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein.
Es zeigen:
Fig. 1 eine Aufsicht auf eine Platte 3 mit parallelogramm- förmigen Ausnehmungen 5 einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 zum Kühlen, und
Fig. 2 eine schematische Schnittansicht durch ein Ausfüh- rungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 zum Kühlen, mit den Platten des Plattenstapels 2 senkrecht zur Grundplatte 6 angeordnet, und
Fig. 3 eine schematische Schnittansicht durch ein weiteres
Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrich- tung 1 zum Kühlen, mit den Platten des Plattenstapels 2 parallel zur Grundplatte 6 angeordnet, und
Fig. 4 eine Schrägansicht auf zwei Platten 3, 4 einer erfin- dungsgemäßen Vorrichtung 1 zum Kühlen entsprechend dem Ausführungsbeispiels der Fig. 2, und
Fig. 5 eine Aufsicht auf die Anordnung der zwei Platten 3, 4 entsprechend der Fig. 4.
Fig. 1 zeigt eine Aufsicht auf eine Platte 3 mit im Wesentli¬ chen parallelogrammförmigen Ausnehmungen 5 einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 zum Kühlen. Die Platte 3 ist ein gewalztes Streckgitter mit durch Abscheren hergestellten Stegen 9 und Ausnehmungen 5, wobei die Stege 9 flachgewalzt sind und in einer Plattenebene liegen. Die Plattenebene ist in Fig. 1 die Zeichnungsebene. Im Weiteren werden die Begriffe Streck¬ gitter und Platte 3, 4 äquivalent gebraucht. Das Streckgitter 3 kann z.B. aus einem Metallblech, wie einem Aluminiumblech, einem Stahlblech, einem verzinktem Blech oder einem CuNiFe- Blech hergestellt sein.
Das Blech weist üblicherweise eine in Fig. 1 nicht darge¬ stellte Dicke im Bereich von einigen mm auf. Die Ausnehmungen 5 sind gleich in ihrer Form und ergeben ein regelmäßiges Muster, welches sich durch die Parallelogramm-Form und den Abstand P der Mittelpunkte der Ausnehmungen 5 voneinander ergibt. Ein Mittelpunkt eines Parallelogramms ergibt sich durch den Schnittpunkt der Diagonalen des Parallelogramms, welche die Eckpunkte jeweils miteinander verbinden. Der Abstand P der Mittelpunkte von benachbarten Ausnehmungen liegt im Bereich von 5 bis 70 mm, z.B. 5 mm. Die Stege 9 weisen eine Breite B im Bereich von 0.4 mal P auf, insbesondere 1 bis 10 mm. Bei einem Wert P gleich 5 mm ergibt sich ein Wert B von 2 mm.
Im Ausführungsbeispiel der Fig. 1 sind die Ausnehmungen 5 nur im Wesentlichen parallelogrammförmig . An zwei sich gegenüber- liegenden Schnittpunkten 10, 10' einer Ausnehmung 5 ist keine Spitze gebildet, sondern ein gerader Bereich der Länge H eingefügt, welcher parallel einer Diagonalen des Parallelogramms ist. Der gerade Bereich schließt mit dem benachbarten Schen- kel des Parallelogramms einen Winkel Alfa ein, welcher im Be¬ reich von 91° bis 170° liegt. Im Ausführungsbeispiel der Fig. 1 beträgt der Winkel Alpha 170°. Der gerade Bereich weist ei¬ nen Wert H von 0.1 mal P auf, insbesondere im Bereich 5 bis 20 mm. Bei einem Wert P von 5 mm ist H gleich 0.5 mm. Die zwei anderen sich gegenüberliegenden Schnittpunkte 11, 11' sind spitz ausgebildet, ohne geraden Bereich.
In Fig. 1 ist der Übersichtlichkeit halber keine zweite Plat¬ te 4 des Plattenstapels 2 eingezeichnet. Die zweite Platte 4 kann aber unter der ersten Platte 3 angeordnet sein, mit einem Muster um den Winkel Beta gedreht, wobei Beta insbeson¬ dere 90° beträgt. Dies bedeutet, dass das Parallelogramm, welches durch die Ausnehmung 5 der darunter liegenden Platte 4 gegeben ist, um 90° gegenüber der Ausnehmung 5 der ersten Platte 3 gedreht ist.
In der Fig. 2 ist eine schematische Schnittansicht durch ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 zum Kühlen dargestellt, mit mehreren der zuvor beschriebenen Platten 3 in einem Plattenstapel 2 angeordnet. Die Platten 3, 4 sind senkrecht zur einer Grundplatte 6 angeordnet. Die Streckgitter bzw. Platten 3, 4 sind mit ihrer Plattenebene, welche in Fig. 1 der Zeichnungsebene entspricht, senkrecht zur Grundplatte 6 und zur Zeichnungsebene der Fig. 2 angeord- net bzw. dargestellt.
Die Plattenebene der Grundplatte 6, welche senkrecht zur Zeichnungsebene in Fig. 2 ist, stellt auf der der Kontaktflä¬ che zwischen dem Plattenstapel 2 und der Grundplatte 6 entge- gen gesetzten Seite 12 die Kontaktfläche zu der zu kühlenden Einrichtung dar. Parallel zu dieser Fläche strömt das Kühl- fluid, z.B. Luft durch den Plattenstapel 2 aus Streckgittern. Die Streckgitter des Plattenstapels 2 sind mechanisch und thermisch mit der gegenüberliegenden Seite zur Seite 12 der Grundplatte 6 verbunden. Diese Verbindung kann durch Löten, Hartlöten, oder Schweißen metallisch erfolgen, wodurch ein guter Wärmeübergang über die Verbindung gegeben ist.
Die Kühlfluidströmung 8 durchströmt den Stapel 2 von Streckgittern, wobei je nach Anordnung der Streckgitter bzw. Platten 3, 4 übereinander, die Strömung verwirbelt erfolgt. Übereinander ist in diesem Zusammenhang zu verstehen in einer Richtung parallel der Oberfläche 12. Je nach Anordnung wird eine Fläche der Streckgitter 3, 4 mit Kühlfluid überstrichen und es findet ein Wärmeaustausch von der zu kühlenden Einrichtung, über die Grundplatte 6, den Streckgittern des Stapels 2 zu dem Kühlfluid statt. Dadurch erfolgt ein Abtrans- port von Wärme, d.h. eine Kühlung der zu kühlenden Einrichtung .
In Fig. 3 ist eine erfindungsgemäße Vorrichtung 1 zum Kühlen entsprechend der Fig. 2 dargestellt, nur mit einem Platten- Stapel 2 mit einer Richtung der Stapelung senkrecht zur Ebene der Grundplatte 6. Diese Anordnung wird bevorzugt mit einem flüssigen Kühlfluid wie z.B. Wasser betrieben, kann aber auch mit einem gasförmigen Kühlfluid wie z.B. Luft betrieben werden .
In Fig. 3 sind die Platten 3, 4 des Plattenstapels 2 mit ih¬ rer Plattenebene, wie sie in Fig. 1 als Zeichenebene darge¬ stellt ist, parallel zur Grundplatte 6 angeordnet. Bei einer Kühlfluidströmung 8 parallel zur Plattenebene sowohl der Streckgitter 3, 4, als auch der Grundplatte 6, erfolgt ein guter Wärmeübergang von der zu kühlenden Einrichtung, über die Grundplatte 12, den Streckgittern des Stapels 2 zu dem Kühlfluid. Im Unterschied zu dem in Fig. 2 dargestellten Aus¬ führungsbeispiel, werden im Ausführungsbeispiel der Fig. 3 die gestapelten Streckgitter 3, 4 nicht senkrecht sondern wagerecht angeströmt bzw. überströmt. Je nach Fluidart und - Geschwindigkeit sowie benötigter Kühlleistung ist eine Vor¬ richtung nach Fig. 2 oder 3 zu wählen. In Fig. 4 ist eine Schrägansicht auf zwei Platten einer er¬ findungsgemäßen Vorrichtung 1 zum Kühlen entsprechend dem Ausführungsbeispiels der Fig. 2 im Detail dargestellt. Die Fluidströmung 8 ist senkrecht zur Plattenebene 3, 4. Die
Platten 3, 4 sind senkrecht zur Plattenebene der Grundplatte 6 an dieser mechanisch und thermisch leitend befestigt. In Fig. 4 ist die Grundplatte 6 in einem Längsschnitt darge¬ stellt. Die Streckgitter 3, 4 mit ihren Mustern der Ausneh- mungen 5 sind gegeneinander verschoben übereinander angeordnet .
In Fig. 5 ist der besseren Übersichtlichkeit wegen eine Auf¬ sicht auf diese Anordnung mit ihren Bemaßungen dargestellt. Das Streckgitter 3 ist derart verschoben gegen das Muster der Ausnehmungen 5 des Streckgitters 4 angeordnet, dass die Ver¬ schiebung einer Länge 1/2 P entspricht, d.h. bei P gleich 5 mm einen Wert 2.5 mm aufweist, in eine Richtung senkrecht zur Ebene der Grundplatte 6. Das darüber angeordnete, in Fig. 5 nicht dargestellte Streckgitter des Stapels 2, kann mit sei¬ nem Muster um den gleichen Wert in gleicher oder in entgegen gesetzter Richtung verschoben sein. Es ergibt sich das gleiche Gesamtmuster im Aufblick. Eine Stapelung der weiteren Streckgitter im Stapel 2 erfolgt analog.
Es sind je nach Bedarf auch andere Stapelungen denkbar, wie zuvor beschrieben auch mit Drehung und/oder unregelmäßiger Verschiebung von Streckgittermustern gegeneinander. Je nach gewünschten Strömungsverhältnissen, welche die Kühlungseigen- schaffen der Vorrichtung ergeben, ist eine Anordnung der
Streckgitter 3, 4 im Stapel 2 vorzunehmen. Es sind auch Anordnungen denkbar, bei welchen die Streckgitter 3, 4 auf der Grundplatte mit einem Winkel ungleich Null oder 90° zwischen Streckgitterebene und Grundplattenebene angeordnet werden. Die zuvor beschriebenen Beispiele sollen die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 zur Kühlung nicht beschränken, sondern erläutern, und sind auch in Kombination untereinander sowie mit dem Stand der Technik anwendbar. So können die Ausnehmungen 5 statt kreisrunder Form oder der Form von Parallelogrammen auch andere beliebige Formen aufweisen.

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung (1) zum Kühlen, welche einen Stapel (2) aus wenigstens zwei Platten (3, 4) jeweils mit Ausnehmungen (5) umfasst, wobei die wenigstens zwei Platten (3, 4) derart übereinander gestapelt sind, dass durch die Ausnehmungen (5) durchgehende Kühlkanäle für ein Kühlfluid ausgebildet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens zwei Platten (3, 4) mit Ausnehmungen (5) gewalzte Streckgitter (3, 4) sind.
2. Vorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Grundplatte (6) umfasst ist.
3. Vorrichtung (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens zwei Platten (3, 4) untereinander
und/oder mit der Grundplatte (6) metallisch verbunden sind.
4. Vorrichtung (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die metallische Verbindung eine Lötverbindung, eine Hartlötverbindung und/oder eine Schweißverbindung ist.
5. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens zwei Platten (3, 4) mit ihrer Plattenebene senkrecht zur Plattenebene der Grundplatte (6) angeordnet sind.
6. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens zwei Platten (3, 4) mit ihrer Plattenebene parallel zur Plattenebene der Grundplatte (6) angeordnet sind.
7. Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmungen (5) der wenigs¬ tens zwei Platten (3, 4) gleiche Muster ausbilden, insbeson- dere gleiche regelmäßige Muster mit konstantem Abstand P zwi¬ schen benachbarten Ausnehmungen (5) entlang einer Richtung in der Plattenebene.
8. Vorrichtung (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens zwei Platten (3, 4) derart übereinander angeordnet sind, dass die Muster von benachbarten Platten (3, 4) gegeneinander verschoben sind, um den halben Abstand P zwischen benachbarten Ausnehmungen (5) entlang einer Richtung in der Plattenebene.
9. Vorrichtung (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Stapel (2) wenigstens drei Platten (3, 4) mit Aus- nehmungen (5) aufweist, wobei die wenigstens drei Platten (3, 4) derart übereinander angeordnet sind, dass die Muster von benachbarten Platten (3, 4) gegeneinander jeweils um einen Abstand verschoben sind, welcher sich unregelmäßig oder gar nicht wiederholt.
10. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Platten (3, 4) derart übereinander angeordnet sind, dass die Muster von benachbarten Platten (3, 4) gegeneinander um einen Winkel Beta verdreht sind, insbe- sondere um einen Winkel N mal Beta, wobei N die durchnumme- rierte Zahl der N-ten Platte im Stapel (2) ist, insbesondere wobei der Winkel Beta einen Wert im Bereich von 90° aufweist.
11. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, da- durch gekennzeichnet, dass die Form der Ausnehmungen (5) der wenigstens zwei Platten (3, 4) gleich ist, insbesondere im Wesentlichen mit einer Form eines Parallelogramms, insbesondere mit einem Winkel Alpha zwischen Schenkeln des Parallelo¬ gramms im Bereich von 91° bis 170°, und/oder mit einem Ab- stand P der Mittelpunkte von benachbarten Ausnehmungen (5) im Bereich von 5 bis 70 mm, und/oder mit einem Abstand B von benachbarten Begrenzungen von zwei benachbarten Ausnehmungen (5) im Bereich von 0.4 mal P, insbesondere mit einem Wert des Abstands B im Bereich von 1 bis 10 mm, und/oder mit einem Ab- stand H von zwei Schenkeln des Parallelogramms im Bereich kleiner 0.1 mal P, insbesondere im Bereich 5 bis 20 mm.
12. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Form der Ausnehmungen (5) der wenigstens zwei Platten (3, 4) jeweils gleich ist, mit einer kreisrunden Form, insbesondere mit einem Abstand P der Mit- telpunkte von benachbarten Ausnehmungen (5) im Bereich von 5 bis 70 mm, und/oder mit einem Abstand B von benachbarten Begrenzungen von zwei benachbarten Ausnehmungen (5) im Bereich von 0.4 mal P, insbesondere mit einem Wert des Abstands B im Bereich von 1 bis 10 mm.
13. Verfahren zum Herstellen einer Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmungen (5) in den Streckgittern (3, 4) jeweils durch lokales Abscheren erzeugt werden.
14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass Stege (9) zwischen den Ausnehmungen (5) in der Plattenebene flachgewalzt werden.
15. Verwendung der Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 12 oder einer nach dem Verfahren nach einem der Ansprüche 13 oder 14 hergestellten Vorrichtung (1), dadurch gekennzeichnet, dass zur Kühlung ein Fluid Luft oder Wasser durch die Kühlkanäle strömt, insbesondere dass Luft durch die we- nigstens zwei Platten (3, 4) mit ihrer Plattenebene senkrecht zur Plattenebene der Grundplatte (6) angeordnet strömt oder dass Wasser durch die wenigstens zwei Platten (3, 4) mit ih¬ rer Plattenebene parallel zur Plattenebene der Grundplatte (6) angeordnet strömt.
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