DE102006008033A1 - Kühlkörper mit von Kühlmittel durchströmtem Rohr - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Kühlkörper, mit wenigstens einem von Kühlmittel durchströmten Rohr (2), welches mit einem Wärme leitenden Material (1) umgeben ist, wobei die Rohrwand des wenigstens einen Rohrs (2) in Strömungsrichtung gewellt ist. Die gewellte Ausführung hat den Vorteil, dass der Übergang von laminarer zu turbulenter Strömung gegenüber einem geradwandigen Rohr bei einer geringeren Strömungsgeschwindigkeit erfolgt und die Wärmeübergangsfläche bei gleicher Rohrlänge größer ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Kühlkörper, mit wenigstens einem von Kühlmittel durchströmten Rohr, welches mit einem Wärme leitenden Material umgeben ist.
  • Derartige Kühlkörper werden beispielsweise zur Kühlung von Wärme erzeugenden Bauteilen verwendet, für deren Funktion eine Erwärmung der Umgebungsluft unerwünscht ist. Das sind beispielsweise Beschaltungswiderstände, Leistungshalbleiter oder Elektrolytkondensatoren in der Leistungselektronik. Dabei dient der Kühlkörper üblicherweise als Montageauflage für die Elektronikbauteile. Die Aufbringung der Bauteile auf den Kühlkörper erfolgt flächig mit gutem Wärmekontakt, sodass sich eine Wärmeübertragung von den Bauteilen auf den Kühlkörper einstellt. Dabei ergibt sich die Anforderung, dass die Wärme möglichst direkt an das Kühlmittel abgegeben wird. Ist das der Fall, weisen die Bauteile einen sehr guten Wärmewiderstand auf und es findet nur eine geringe Erwärmung der jeweiligen Bauteilumgebung im Kühlkörper statt.
  • Im Kühlkörper erfolgt eine Wärmeabgabe an das in Röhren strömende Kühlmittel. In der Regel ist dabei ein geschlossener Kreislauf vorgesehen, bei dem das Kühlmittel mittels Pumpe umgewälzt und über einen Wärmetauscher abgekühlt wird. Dabei ist man bestrebt, die Kühlmittelmenge gering zu halten um ein maximales Verhältnis von Kühlleistung zum Gerätevolumen sicherzustellen.
  • Nach dem Stand der Technik sind Ausführungsformen bekannt, bei denen geschweißte Edelstahlrohre in Aluminium eingegossen werden, beispielsweise vom Hersteller Entwicklung und Fertigung Volker Eßbach, D-09600 Berthelsdorf (www.efeessbach.de).
  • Um die Kühlleistung zu optimieren wird ein guter Wärmeübergang zwischen Kühlkörper und Kühlmittel angestrebt. Nach dem Stand der Technik werden deshalb innerhalb der Rohre Verwirbelungselemente angeordnet, um eine turbulente Strömung sicherzustellen. Eine laminare Strömung ist aufgrund des geringeren Wärmeübergangskoeffizienten unvorteilhaft.
  • Derartige Verwirbelungselemente bringen es oft mit sich, dass sich innerhalb der Rohre Zonen ausbilden, innerhalb derer kleine Mengen von Kühlmittel zirkulieren oder innerhalb derer sich geringe Strömungsgeschwindigkeiten einstellen. Das führt mit der Zeit zur Ablagerung von Schlacken und Rückständen, die aus dem Kühlmittel ausfallen und sich an der Rohrinnenwand und an den Verwirbelungselementen festsetzen. Die Folge davon sind eine Verschlechterung des Wärmeübergangs sowie ein Anstieg des Strömungswiderstandes bis hin zur völligen Verstopfung des Rohres.
  • Ohne Verwirbelungselemente muss die Durchflussgeschwindigkeit so hoch gewählt werden, dass ein Übergang von laminarer zu turbulenter Strömung erfolgt. Damit sinkt aber aufgrund des erforderlichen Anstiegs der Pumpleistung der Gesamtwirkungsgrad der Kühlanlage und es kommt zu einer unerwünschten Erhöhung der Geräuschemission.
    •
  • Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für einen Kühlkörper der eingangs genannten Art eine Verbesserung gegenüber dem Stand der Technik anzugeben.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst mit einem Kühlkörper mit wenigstens einem von Kühlmittel durchströmten Rohr, welches mit einem Wärme leitenden Material umgeben ist, wobei die Rohrwand des wenigstens einen Rohrs in Strömungsrichtung gewellt ist. Die gewellte Ausführung hat den Vorteil, dass der Übergang von laminarer zu turbulenter Strömung gegenüber einem geradwandigen Rohr bei einer geringeren Strömungsgeschwindigkeit erfolgt. Es sind dann keine Verwirbelungselemente mehr notwendig. Zudem ist die Wärmeübergangsfläche bei gleicher Rohrlänge gegenüber einem geradwandigen Rohr größer, wodurch mehr Wärme an das Kühlmittel abgegeben wird.
  • Eine vorteilhafte Ausführung der Erfindung sieht vor, dass das wenigstens eine Rohr als Wellrohr mit Parallel-Wellung ausgebildet ist. Derartige Wellrohre sind in verschiedenen Materialen kostengünstig verfügbar. Die Parallel-Wellung hat zudem den Vorteil, dass ein Rohr auf einfache Weise gebogen werden kann.
  • Eine weitere vorteilhafte Ausführung ist gegeben, wenn das wenigstens eine Rohr als Spiralrohr mit Spiral-Wellung ausgebildet ist. Ein derartiges Rohr verbindet die Vorteile eines Wellrohrs mit einer einfachen Verbindungsmöglichkeit zu Anschlussstücken, welche geeignete Innengewinde aufweisen und ohne weitere Vorarbeiten auf die Enden des Spiralrohrs geschraubt werden. Zudem ist in einem Spiralrohr eine bessere Durchspülung zum Abtransport möglicher Kühlmittelschlacken gegeben.
  • Vorteilhaft ist es zudem, wenn das wenigstens eine Rohr aus korrosionsbeständigem Edelstahl oder aus Kupfer gefertigt ist. Mit Edelstahl ist eine hohe Lebensdauer des Kühlkörpers sichergestellt, auch wenn das Kühlmittel korrosionsfördernde Inhaltsstoffe aufweist. Bei der Verwendung eines Kühlmittels, dessen Korrosionswirkung bekanntermaßen gering ist, ist auch der Einsatz von Kupfer vorteilhaft, da die Wärmeleitfähigkeit gegenüber Edelstahl besser ist.
  • Dabei ist es günstig, als umgebendes Material Aluminium oder Kupfer oder Messing oder Zink vorzusehen. Diese Materialen eignen sich gut zum Gießen und verfügen über eine hohe Wärmeleitfähigkeit, sodass die Abwärme der am Kühlkörper angebrachten Bauteile direkt an das Kühlmittel abgegeben wird.
  • Eine andere günstige Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass das wenigstens eine Rohr aus dem Wärme leitenden Material als rohrförmiger Hohlraum gebildet ist. Dabei wird kein eigenes Rohr eingesetzt, sondern während eines Gießverfahrens ein Gusskern mit der Form der gewellten Rohrinnenwand in eine Gussform eingelegt. Im Gusskörper aus Wärme leitendem Material ist dann ein Hohlraum mit der Form des Gusskerns ausgebildet. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, den Kühlkörper zweiteilig mit einer, durch die Rohrmittelachse festgelegte, Trennfuge auszubilden. Der rohrförmige Hohlraum ist dann mittels spanabhebender Verfahren in der Weise gefertigt, dass in jeder Kühlkörperhälfte eine gewellte Rinne ausgenommen ist. Im zusammengesetzten Kühlkörper bilden diese beiden Rinnen den rohrförmigen Hohlraum.
  • Von Vorteil ist es des Weiteren, wenn der Kühlkörper eine im Wesentlichen plattenförmige Geometrie aufweist. Der Kühlkörper ist dann einfach herzustellen und weist eine ebene Montagefläche zur Anbringung von Wärme abgebenden Bauteilen auf.
  • Für die Anordnung des wenigstens einen Rohres ist es günstig, wenn dieses mäanderförmig angeordnet ist. Das Rohr bildet dann mehrere Kühlschlingen innerhalb des Kühlkörpers, wodurch eine bessere Wärmeabgabe an das Kühlmittel gegeben ist. Zudem bleibt zwischen den Kühlschlingen genügend Platz für Montagelöcher.
  • Eine andere günstige Anordnung ist gegeben, wenn das wenigstens eine Rohr spiralförmig angeordnet ist. Dabei ist z.B. das Rohr im Zentrum der Spirale mit einem Halbkreisbogen ausgebildet, sodass zwei parallel verlaufende Abschnitte des Rohrs spiralförmig nach außengeführt und am Rand des Kühlkörpers mit Anschlussstücken versehen sind. Wie bei der mäanderförmigen Anordnung ist dadurch innerhalb des Kühlkörpers eine ausreichende Rohrlänge für eine gute Wärmeabgabe an das Kühlmittel gegeben.
  • Günstig ist es zudem, wenn als Kühlmittel eine Wasser-Frostschutz-Mischung vorgesehen ist. Ein derartiges Gemisch ist einerseits einfach verfügbar und eignet sich für einen frostsicheren Einsatz des Kühlkörpers.
    •
  • Die Erfindung wird nachfolgend in beispielhafter Weise unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren erläutert. Es zeigen in schematischer Darstellung:
  • 1: Aufriss und Seitenriss eines Kühlkörpers
  • 2: Längsquerschnitt eines Wellrohres
  • 3: Längsquerschnitt eines Spiralrohres
  • 1 zeigt eine beispielhafte Ausführung eines Kühlkörpers mit mäanderförmig angeordnetem Rohr 2, wobei die Rohrwand erfindungsgemäß in Strömungsrichtung gewellt ist. Das Rohr weist dabei an den Enden Anschlussstücke 3, 4 auf. Dabei wird über ein erstes Anschlussstück 3 abgekühltes Kühlmittel in den Kühlkörper gepumpt. Innerhalb des Kühlkörpers bildet das Rohr 2 mehrere Kühlschlingen indem zwischen geraden Rohrabschnitten Halbbögen angeordnet sind, sodass die geraden aufeinander folgenden Rohrabschnitte parallel zu einander verlaufen. Die Ausrichtung der parallel zueinander verlaufenden Rohrabschnitte ist dabei innerhalb des Kühlkörpers änderbar, wodurch eine Anpassung an die Lage und Wärmeabgabe der auf dem Kühlkörper angeordneten Bauteile erfolgt. Bauteile mit einer erhöhten Wärmeabgabe sind dabei direkt über einem oder mehreren Rohrabschnitten angeordnet, wohingegen Bauteile mit geringerer Wärmeabgabe auch in Bereichen zwischen zwei Rohrabschnitte platzierbar sind.
  • Das Kühlmittel nimmt beim Durchströmen des innerhalb des Kühlkörpers angeordneten Rohres 2 Wärme auf und strömt über ein zweites Anschlussstück 4 aus dem Kühlkörper, in der Regel über eine Pumpe zu einem Wärmetauscher, mittels welchem eine Abkühlung des Kühlmittels erfolgt.
  • Das Rohr 2 ist beispielhaft als Wellrohr aus korrosionsbeständigem Edelstahl ausgebildet. Es besteht auch die Möglichkeit, einen Kühlkörper mit mehreren Rohren 2 auszustatten und auf diese Weise mehrere Kühlkreisläufe vorzusehen. Dabei kann jeder Kühlkreislauf ein eigenes Temperaturniveau und eine eigene Strömungsgeschwindigkeit aufweisen, wodurch eine optimale Anpassung an die Kühlungsanforderungen der auf dem Kühlkörper angebrachten Bauteile gegeben ist.
  • Das Rohr 2 ist mäanderförmig in einer Ebene angeordnet und in einen Wärme leitendes Material (1), beispielsweise Aluminium, eingegossen. Aus dem Wärme leitendes Material (1) ragen somit nur die Enden des Rohres 2 mit den Anschlussstücken 4,5 heraus.
  • In den Zonen zwischen den parallel verlaufenden Rohrabschnitten sind Bohrungen 5 vorgesehen, die als Montagebohrungen zum Anbringen von Bauteilen dienen. Mittels Bohrungen 5 ist aber auch der Kühlkörper selbst auf eine entsprechende Halterung montierbar.
  • Beim Anbringen der Bauteile auf den Kühlkörper ist darauf zu achten, dass eine gute Wärmeübertragung von den Bauteilen auf den Kühlkörper gegeben ist. Gegebenfalls ist eine Wärme leitende Substanz im Spalt zwischen einem Bauteil und dem Kühlkörper vorzusehen.
  • Zur Bestimmung der optimalen Kühlbedingungen ist es sinnvoll, empirische Versuche mit unterschiedlichen Rohranordnungen vorzunehmen. Dabei wird in einem Versuchsaufbau der Kühlkörper zunächst gleichmäßig erwärmt und anschließend durch Zirkulation eines Kühlmittels abgekühlt. Während des Abkühlvorganges wird die Temperaturveränderung als Funktion der Zeit und des Ortes auf der Kühlkörperoberfläche gemessen. Auf Grundlage dieser Messergebnissen erfolgt in weiterer Folge die Platzierung der einzelnen Bauteile auf dem Kühlkörper.
  • Der Druckverlust pro Rohrlängeneinheit als Funktion des Volumenstromes folgt in durchströmten Well- oder Spiralrohren einem parabolischen Verlauf, d.h. der Druckverlust pro Rohrlängeneinheit steigt mit steigendem Volumenstrom kontinuierlich immer stärker an. Das Ausmaß dieses Anstiegs nimmt dabei mit kleiner werdenden Durchmesser des Rohres zu. Die optimale Abstimmung der einzelnen Größen (Volumenstrom, Rohrdurchmesser, Rohrlänge, Druckabfall etc.) erfolgt entweder in Versuchen empirisch, durch Simulation oder durch strömungstechnische Berechnungen. Das Optimum ist dann gegeben, wenn bei minimaler Energiezufuhr (für eine Zirkulationspumpe und sonstige Aggregate) ein größtmöglicher Wärmeentzug des Kühlkörpers erfolgt.
  • Die strömungstechnischen Eigenschaften von Well- und Spiralrohren werden zudem in der Regel von den Herstellern dieser Rohre veröffentlicht (z.B. Water Way Engeneering GmbH, D-47441 Moers).
  • 2 zeigt ein als Wellrohr ausgebildetes Rohr 2 im Längsschnitt. Die einzelnen Wellen verlaufen dabei achssymmetrisch. In 3 hingegen ist ein als Spiralrohr ausgebildetes Rohr 2 in einem Längsschnitt dargestellt. Hierbei verlaufen die Wellen in einer Schraubenlinie um die Mittelachse des Rohres 2.

Claims (10)

  1. Kühlkörper, mit wenigstens einem von Kühlmittel durchströmten Rohr (2), welches mit einem Wärme leitenden Material (1) umgeben ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohrwand des wenigstens einen Rohrs (2) in Strömungsrichtung gewellt ist.
  2. Kühlkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Rohr (2) als Wellrohr mit Parallel-Wellung ausgebildet ist.
  3. Kühlkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Rohr (2) als Spiralrohr mit Spiral-Wellung ausgebildet ist.
  4. Kühlkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Rohr (2) aus korrosionsbeständigem Edelstahl oder Kupfer gefertigt ist.
  5. Kühlkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass als umgebendes Material (1) Aluminium oder Kupfer oder Messing oder Zink vorgesehen ist.
  6. Kühlkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Rohr (2) aus dem Wärme leitenden Material (1) als rohrförmiger Hohlraum gebildet ist.
  7. Kühlkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkörper eine im Wesentlichen plattenförmige Geometrie aufweist.
  8. Kühlkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Rohr (2) mäanderförmig angeordnet ist.
  9. Kühlkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Rohr (2) spiralförmig angeordnet ist.
  10. Kühlkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das als Kühlmittel eine Wasser-Frostschutz-Mischung vorgesehen ist.
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