DE102005029074B3

DE102005029074B3 - Wärmeaustauscher für Kleinbauteile

Info

Publication number: DE102005029074B3
Application number: DE102005029074A
Authority: DE
Inventors: Karine Dr. Brand; Florian Dr. Schopper; Oliver WÖLFLIK
Original assignee: Wieland Werke AG
Current assignee: Wieland Werke AG
Priority date: 2005-06-23
Filing date: 2005-06-23
Publication date: 2006-08-10
Anticipated expiration: 2025-06-24
Also published as: WO2006136325A1; US20090236083A1; EP1894238A1

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 Wärmeaustauschelement (3) und einem Austrittskanal (4) verbunden sind, wobei das Wärmeaustauschelement (3) eine mit zumindest einer Wärmequelle verbindbare Ober- und Unterseite aufweist, wobei DOLLAR A - der Eintrittskanal (2) aus einem Metallanschlussrohr (21) besteht, das sich zum Wärmeaustauschelement (3) hin eingangsseitig kontinuierlich aufweitet, DOLLAR A - der Austrittskanal (4), ausgehend vom Wärmeaustauschteil (3), sich ausgangsseitig kontinuierlich bis zu einem Metallanschlussrohr (41) verjüngt und DOLLAR A - 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.

Description

Die Erfindung betrifft einen Wärmeaustauscher Kleinbauteile, der von einem Fluid durchströmbar ist, bestehend aus mehreren ausschließlich umformtechnisch hergestellten Einzelteilen, die fügetechnisch fest miteinander zu einem Eintrittskanal, einem flachen Wärmeaustauschelement und einem Austrittskanal verbunden sind, wobei das Wärmeaustauschelement eine mit zumindest einer Wärmequelle verbindbare Ober- und Unterseite aufweist.
Derartige Wärmeaustauscherwerden 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 15 225 A1 beschrieben. Aus der Schrift ist ein Wärmeaustauscher mit einem topfförmigen und einem deckelförmigen 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 deckelförmigen 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 Wärmeaustauscherzur 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 Kleinbauteile ein, der von einem Fluid durchströmbar ist, bestehend aus mehreren ausschließlich umformtechnisch hergestellten Einzelteilen, die fügetechnisch fest miteinander zu einem Eintrittskanal, einem flachen Wärmeaustauschelement und einem Austrittskanal verbunden sind, wobei das Wärmeaustauschelement eine mit zumindest einer Wärmequelle verbindbare Ober- und Unterseite aufweist, wobei der Eintrittskanal aus einem Metallan schlussrohr besteht, das sich zum Wärmeaustauschelement hin eingangsseitig kontinuierlich aufweitet, der Austrittskanal, ausgehend vom Wärmeaustauschteil, sich ausgangsseitig kontinuierlich bis zu einem Metallanschlussrohr verjüngt, und das Wärmeaustauschelement 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 Anpress kräften 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 Wärmeaustauschleistung 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 Wärmeaustauschelements 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 Fluidaustausch 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 Wärmeaustauschelement 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:

1 eine Ansicht eines Wärmeaustauschers mit einer Wärmequelle,

2 einen Querschnitt eines Wärmeaustauschelements mit Deckel und Boden,

3 einen Querschnitt eines Wärmeaustauschelements mit gleich gestaltetem Deckel und Boden und ineinander greifender Innenstruktur,

4 einen Querschnitt eines Wärmeaustauschelements mit gleich gestaltetem Deckel und Boden und aufeinander gesetzter Innenstruktur,

5 einen Querschnitt eines aus übereinander gestapelten Böden gebildeten Wärmeaustauschelements mit abschließendem Deckel,

6 einen Querschnitt eines einstückig ausgebildeten Wärmeaustauschelements,

7 eine Draufsicht eines Wärmeaustauschers mit kanalartigen Strukturen unterschiedlicher Breite, und

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 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.
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.
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 4 im Querschnitt ein Wärmeaustauschelement 3 mit gleich gestaltetem Deckel 32 und Boden 33. Beide bilden aufeinander gesetzt die kanalartige Innenstruktur aus.
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 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.
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.
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.

1: Wärmeaustauscher
2: Eintrittskanal
21: Metallanschlussrohr
22: Verteilerzone
3: Wärmeaustauschelement
31: Innenstruktur
32: Deckel
33: Boden
4: Austrittskanal
41: Metallanschlussrohr
42: Sammelzone
5: Wärmequelle

Claims

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 Wärmeaustauschelement (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.
Wärmeaustauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenstruktur (31) so ausgebildet ist, dass die Fluidströmung über den Querschnitt konstant ist.
Wärmeaustauscher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Innenstruktur (31) des Wärmeaustauschelements (3) im Eintrittskanal (2) und/oder Austrittskanal (4) fortsetzt.
Wärmeaustauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenstruktur (31) aus durchgängigen Rippen besteht, die Kanäle bilden.
Wärmeaustauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenstruktur (31) aus von der Innenwandung herausragenden Stäben oder Pyramiden besteht.
Wärmeaustauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmeaustauschelement (3) einstückig ausgebildet ist.
Wärmeaustauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Eintrittskanal (2), das Wärmeaustauschelement (3) und der Austrittskanal (4) fluchtend angeordnet sind.
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.
Wärmeaustauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenoberfläche beschichtet ist.