DE102019118834A1

DE102019118834A1 - Fluiddurchströmter Kühlkörper

Info

Publication number: DE102019118834A1
Application number: DE102019118834.2A
Authority: DE
Inventors: Alexander Adamczewski
Original assignee: Cool Tec Electronic GmbH
Current assignee: Cool Tec Electronic GmbH
Priority date: 2019-07-11
Filing date: 2019-07-11
Publication date: 2021-01-14

Abstract

Die Erfindung betrifft einen fluiddurchströmten Kühlkörper (01) umfassend eine Bodenplatte (02) und eine Deckelplatte (03), jeweils mit zahlreichen Bodenrippen (09) bzw. Deckelrippen (11). Weiterhin ist ein Gehäuserahmen (04) vorgesehen, welcher die Boden- und die Deckelrippen (09, 11) an ihren Stirnseiten umschließt und die Bodenplatte (02) mit der Deckelplatte (03) fluiddicht verbindet, um einen Kühlkörperinnenraum zu bilden, wobei der lichte Abstand zwischen Bodenplatte (02) und Deckelplatte (03) größer ist als die Höhe (h) der Boden- und Deckelrippen: Die Boden- und Deckelrippen (09, 11) sind so zueinander ausgerichtet sind, dass sie kammartig ineinandergreifen, wobei zwischen Bodenrippen und Deckelrippen jeweils eine Abstand verbleibt, der einen mäandernden Strömungskanal (06) ausbildet. Eine Nanobeschichtung aus einem Nanomaterial ist mindestens auf den im Kühlkörperinnenraum freiliegenden Flächen der Boden- und Deckelrippen (09, 11) aufgebracht.

Description

Die Erfindung betrifft einen fluiddurchströmten Kühlkörper, der sich insbesondere zur Kühlung von elektrischen und elektronischen Bauteilen eignet, wobei hohe Wärmeleistungen von diesen Bauteilen abgeführt werden können. Der Kühlkörper besitzt ein Gehäuserahmen, eine Bodenplatte und eine Deckelplatte, zwischen denen ein vom Fluid durchströmter Kühlkörperinnenraum gebildet ist.
In vielen technischen Bereichen der Leistungselektronik sind vor allem die auf Konvektion basierenden Luft- und Flüssigkeitskühlungen die dominierenden Kühltechnologien. Bei elektronischen Bauelementen mit hohen Verlustleistungen ist die Flüssigkeitskühlung und speziell die Wasserkühlung verbreitet im Einsatz. Ein Wasserkühlsystem besteht in der Regel aus einer geschlossenen Kühlplatte mit integrierten Rohrleitungen oder mit variablen Innenstrukturen, die z. B. von Wasser oder Wasser-Glycol-Gemisch durchströmt wird. Die Effizienz des Wärmeabtransports hängt maßgeblich von der Strömungsgeschwindigkeit und vom Turbulenzgrad beim Kühlmediumdurchfluss ab. Verunreinigungen und Ablagerungen in den Kühlmediumkanälen führen teils zu starken Leistungseinschränkungen.
Die DE 10 2015 115 261 A1 beschreibt eine Kühleinrichtung mit einem Flüssigkeitskühlkörper, in dem ein von einer Flüssigkeit durchströmbarer Kanal mit kreisförmiger Querschnittsfläche angeordnet ist. In dem Kanal verläuft eine speziell geformte Wendel mit parallelogrammförmiger Querschnittfläche, welche helixförmig um eine Achse umläuft. Die Achse der Wendel ist in der Durchströmungsrichtung des Kanals ausgerichtet. Angestrebt wird ein verbesserter Wärmeübergang von der Kühlplatte auf die Flüssigkeit. Durch Nutzung der Wendeln in den Kanälen erhöht sich allerdings der Strömungswiderstand, sodass ein hoher Differenzdruck erzeugt werden muss, um eine hinreichende Menge an Kühlflüssigkeit durch den Kühlkörper zu fördern.
In der DE 10 2016 013 736 A1 ist ein Mikrostrukturkühler zur Wasserkühlung für ein elektrisches oder elektronisches Bauteil offenbart. Der Kühler besitzt eine Bodenplatte, eine mehrteilige Zwischenebene und einen Deckel. In der Zwischenebene sind ein Strömungsumlenker, ein Strömungsverteiler und eine schlitzförmige Einspritzöffnung integriert. Die Bodenplatte weist parallele Kühlkanalfinnen auf. Beim Einströmen des Kühlmediums verteilen der Strömungsumlenker und der Strömungsverteiler den Fluidstrom gleichmäßig auf eine Einspritzvorkammer. Angestrebt wird durch diese Konstruktion ein gleichmäßiger Einspritzdruck des Kühlmediums über die Länge und Seite der Einspritzöffnung, sodass ein gleichmäßiger Fluidstrom in Mikrokühlkanälen des Bodens entsteht, welcher die Kühlleistung des Mikrostrukturkühlers steigert. Für größere Kühler eignet sich diese Bauform kaum, da eine gleichmäßige Durchströmung des Kühlmediums nicht sichergestellt werden kann.
Die DE 20 2010 013 676 U1 zeigt einen flüssigkeitsdurchströmten Kühlkörper mit einer Bodenplatte, welche eine Struktur besitzt, die senkrecht zum Wärmestrom angeordnet ist. In diese Struktur ragen Barrieren hinein, die den Flüssigkeitsstrom ableiten. Dadurch soll ein Gegenstromeffekt erreicht werden, um die Kühlung zu verbessern. Es bildet sich ein Hauptstrom der Kühlflüssigkeit aus, welcher parallel zur Bodenplatte verläuft. Vom Hauptstrom zweigen an den Barrieren zahlreiche Nebenströme ab, welche senkrecht zum Hauptstrom verlaufen und in die Strukturen der Bodenplatte einströmen.
Ausgehend vom Stand der Technik besteht eine Aufgabe der Erfindung darin, einen verbesserten fluiddurchströmten Kühlkörper bereitzustellen, der eine hohe Kühlleistung aufweist, einfach herzustellen ist, platzsparend zur Kühlung großer Wärmemengen insbesondere an elektronischen Bauteilen eingesetzt werden kann sowie eine langzeitstabile Kühlung mit geringer Ausfallquote garantiert.
Diese und weitere Aufgaben werden gelöst durch einen fluiddurchströmten Kühlkörper gemäß dem beigefügten Anspruch 1.
Der erfindungsgemäße fluiddurchströmte Kühlkörper umfasst eine Bodenplatte und eine dieser gegenüberliegende Deckelplatte, die jeweils eine Längs- und eine Quererstreckung zeigen. Vorzugsweise besitzen Boden- und Deckelplatte eine rechteckige Grundform, wobei die Längserstreckung insbesondere um den Faktor 1,5 bis 3 größer als die Quererstreckung ist. Sowohl die Bodenplatte als auch die Deckelplatte tragen auf ihrer Innenseite jeweils Bodenrippen bzw. Deckelrippen, die sich bevorzugt senkrecht stehend von der Innenseite der jeweiligen Platte in Richtung der gegenüberliegenden Platte erstrecken. Die Längsachse der Rippen verläuft parallel zur Quererstreckung der beiden Platten. Die Rippen sind an den Platten so angeordnet, dass sie zueinander alternierend positioniert sind, kammartig ineinander greifen und mit ihren freien Enden jeweils nicht an der gegenüberliegenden Platte anliegen. Zwischen den Bodenrippen und den Deckelrippen bleiben jeweils Abstände, die gemeinsam einen um die Rippen mäandernden Strömungskanal bilden, in welchem eine Fluid strömen kann. Der Strömungskanal verläuft somit nicht parallel zu den Rippen sondern in Mäandern um die einzelnen Rippen herum und mit der Hauptflussrichtung senkrecht zur Längsachse der Rippen.
Vorzugsweise sind Boden- und Deckelplatte jeweils auf ihrer Außenseite mit einer glatten Oberfläche versehen, welche als Wärmeübergangsflächen dienen. Somit können Wärme abgebende Bauteile sowohl an die Bodenplatte als auch an die Deckelplatte mit geringem Wärmewiderstand angebracht werden. Der Kühlkörper stellt auf diese Weise zwei gegenüberliegende Wärmeübergangsflächen bereit, womit sich der erforderliche Bauraum in vielen Anwendungen reduzieren lässt. Da Bodenplatte und Deckelplatte mit ihren Rippen im Wesentlichen symmetrisch zueinander aufgebaut sind, können die bereitgestellten Wärmeübergangsflächen als gleichwertig angesehen werden.
Weiterhin besitzt der Kühlkörper einen Gehäuserahmen, welcher die Boden- und die Deckelrippen an ihren Stirnseiten umschließt und welcher die Bodenplatte mit der Deckelplatte fluiddicht verbindet, um einen Kühlkörperinnenraum zu bilden. Die Rippen verlaufen damit im Kühlkörperinnenraum und erstrecken sich in ihrer Längsrichtung jeweils bis zum Gehäuserahmen. Der Gehäuserahmen besitzt eine Höhe, die so bestimmt ist, dass der lichte Abstand zwischen Bodenplatte und Deckelplatte größer ist als die Höhe der Boden- und Deckelrippen, womit sichergestellt ist, dass zwischen dem freien Ende der Rippen und der gegenüberliegenden Platte ein Spalt verbleibt, der Teil des im Kühlkörperinnenraum für das Fluid ausgebildeten Strömungskanals ist. Durch das kammartige Ineinandergreifen der Rippen weist dieser Strömungskanal eine Mäanderform auf. Die Längserstreckung des Kühlkörpers definiert die Hauptströmungsrichtung des Kühlfluid, d. h. das Kühlfluid strömt mäandernd um sämtliche Rippen. Vorzugsweise sind neben diesem mäandernden Strömungskanal keine Nebenkanäle ausgebildet. Die freien Enden der Rippen können abgerundet sein, um unerwünschte Verwirbelungen des Fluid zu vermeiden. Schließlich besitzt der Kühlkörper einen Fluideinlass und einen Fluidauslass, die jeweils in den Kühlkörperinnenraum münden und mit dem Anfang bzw. dem Ende des Strömungskanals verbunden sind. Vorzugsweise befinden sich Fluideinlass und Fluidauslass an gegenüberliegenden Stirnseiten des Gehäuserahmens. Alternativ kann der Strömungskanal aber auch innerhalb des Kühlkörpers umgeleitet werden, sodass Fluideinlass und Fluidauslass auf derselben Seite des Gehäuserahmens angeordnet werden können.
Eine weitere Besonderheit des Kühlkörpers besteht darin, dass eine Nanobeschichtung aus einem Nanomaterial mindestens auf den im Kühlkörperinnenraum freiliegenden Flächen der Boden- und Deckelrippen aufgebracht ist. Dies dient vor allem der Vermeidung des Entstehens von Ablagerungen im Strömungskanal, welche den Durchfluss stark beeinträchtigen und damit die Kühlleistung reduzieren könnten. Die Nanobeschichtung auf der metallischen Oberfläche im Kühlkörperinnenraum erzeugt aufgrund dielektrischer Eigenschaften eine Verschiebungspolarisation, die dem Anhaften von im Fluid enthaltenen Partikeln entgegenwirkt. Bevorzugt dazu kommt zur Erzeugung der Nanobeschichtung ein fluordotierter, dünnflüssiger, thermischvernetzender Einkomponentenlack zum Einsatz, der antiadhäsive Eigenschaften besitzt und insbesondere zur Beschichtung metallischer Oberflächen geeignet ist. Die Schichtdicke der Nanobeschichtung liegt bevorzugt im Bereich 50 - 500 nm.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform beträgt die Breite der Bodenrippen etwa 1/3 bis 1/4 des Abstands zwischen den Deckelrippen. Ebenso beträgt die Breite der Deckelrippen vorzugsweise etwa 1/3 bis 1/4 des Abstands zwischen den Bodenrippen. Die Höhe der Bodenrippen ist bevorzugt gleich der Höhe der Deckelrippen.
Eine bevorzugte Ausführungsform des Kühlkörpers zeichnet sich dadurch aus, dass der Abstand zwischen zwei benachbarten Bodenrippen sowie der Abstand zwischen zwei benachbarten Deckelrippen jeweils etwa 6 - 12 mm beträgt. Die Rippen sind vorzugsweise 2 - 5 mm dick. Bei gleichmäßiger abwechselnder Anordnung der Rippen in der Folge Bodenrippe - Deckelrippe - Bodenrippe usw. verbleibt zwischen den Rippen jeweils ein Spalt von vorzugsweise 2 - 4 mm. Besonders bevorzugt verbleibt dasselbe Spaltmaß zwischen den freien Enden der Rippen und der gegenüberliegenden Platte, sodass der gesamte, mehrfach mäandernde Strömungskanal einen im Wesentlichen gleichbleibenden Querschnitt über seine gesamte Erstreckung aufweist. Vorzugsweise besitzen Bodenrippen und Deckelrippen eine Höhe von etwa 9 - 15 mm.
Die Bodenplatte, die Deckelplatte und die jeweils daran angeordneten Rippen bestehen bevorzugt aus Aluminium, Kupfer oder einer gut wärmeleitenden Legierung. Vorzugsweise sind die Platten und ihre zugehörigen Rippen einstückig ausgebildet. Diese Haupteile des Kühlkörpers sind dabei besonders einfach herzustellen, beispielsweise durch Färsen oder durch Druckgussverfahren. Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn der Gehäuserahmen einstückig mit der Bodenplatte oder mit der Deckelplatte hergestellt ist, sodass beim Zusammenbau nur noch die Verbindung mit der jeweils anderen Platte hergestellt werden muss.
Ebenso ist es vorteilhaft, wenn die Verbindung zwischen dem Gehäuserahmen und einer bzw. beiden Platten durch Schweißen, Löten oder Kleben hergestellt wird. Dabei ist darauf zu achten, dass eine dauerhaft fluiddichte Verbindung erzeugt wird, die auch dem jeweiligen Betriebsdruck standhält, der beispielsweise bei 2 bar liegen kann.
Weiter Vorteile und Einzelheiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform, unter Bezugnahme auf die Zeichnung. Es zeigen:

1 eine Draufsicht auf einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen fluiddurchströmten Kühlkörpers;
2 eine Schnittansicht des Kühlkörpers entlang einer Schnittlinie B-B in 1;
3 eine Detailansicht des Kühlkörpers gemäß eines in 2 markierten Details C.

1 zeigt eine vereinfachte Draufsicht eines erfindungsgemäßen fluiddurchströmten Kühlkörpers 01, der eine rechteckige Grundform besitzt, mit einer Längserstreckung L von beispielsweise 200 mm und einer Quererstreckung Q von beispielsweise 100 mm. Die Abmessungen können an den jeweiligen Einsatzzweck angepasst werden.
2 zeigt den Kühlkörper in einer Schnittansicht. Daraus ist ersichtlich, dass der Kühlkörper eine Bodenplatte 02, eine gegenüberliegende Deckelplatte 03 und einen Gehäuserahmen 04 besitzt. Im dargestellten Beispiel ist der Gehäuserahmen 04 einstückig mit der Bodenplatte 02 geformt. Die Deckelplatte 03 ist fluiddicht am Gehäuserahmen 04 befestigt, sodass ein weitgehend geschlossener Kühlkörperinnenraum ausgebildet ist, in welchem ein von einem Kühlfluid durchströmter Strömungskanal 06 verläuft. Der Strömungskanal ist eingangsseitig an einen Fluideinlass 07 und ausgangsseitig an einen Fluidauslass 08 angeschlossen (1). Fluideinlass 07 und Fluidauslass 08 befinden sich an gegenüberliegenden Seiten des Gehäuserahmens 04 und gestatten den Anschluss eines externen Kühlmittelkreislaufs.
Alternativ kann der Gehäuserahmen auch aus mehreren Abschnitten zusammengesetzt sein, die teilweise mit der Bodenplatte und teilweise mit der Deckelplatte einstückig ausgebildet sind. Auf diese Weise können beispielsweise zwei vollständig symmetrische Hälften den Kühlkörper bilden, die sowohl Bodenals auch Deckelplatte formen.
3 zeigt als Detailzeichnung den Kühlkörperinnenraum. Ausgehend von der Bodenplatte 02 erstrecken sich zahlreiche Bodenrippen 09 senkrecht in Richtung Deckelplatte. Ausgehend von der Deckelplatte 03 erstrecken sich zahlreiche Deckelrippen 11 senkrecht in Richtung Bodenplatte. Bodenrippen 09 und Deckelrippen 11 wechseln sich im Kühlerinnenraum regelmäßig ab, sodass der Strömungskanal 06 eine Mäanderform aufweist. Die Rippen 09, 11 erstrecken sich in ihrer Längsrichtung parallel zur Quererstreckung Q des Kühlkörpers. Die Rippen erstrecken sich mit ihren Stirnseiten bis an die Innenwand des Gehäuserahmens, sodass zwischen den Stirnseiten der Rippen und dem Gehäuserahmen vorzugsweise kein Kühlfluid entlang strömen kann (1). Zwischen den nebeneinander liegenden Rippen verbleibt ein Spalt s mit einer Breite von beispielsweise 3 mm. Die Rippen können beispielsweise dieselbe Dicke aufweisen wie die Spaltbreite s. Somit ergibt sich, dass zwischen benachbarten Bodenrippen ein Abstand von 3 s besteht, ebenso zwischen benachbarten Deckelrippen. Zwischen den freien Enden der Rippen 09, 11 und der gegenüberliegenden Platte 03, 02 verbleibt ebenfalls ein Spalt mit der Breite s. Die Rippen können beispielsweise eine Höhe h von 11 mm besitzen.
Die Innenflächen des Kühlkörperinnenraums sind mit einer Nanobeschichtung aus Nanomaterial beschichtet (nicht dargestellt), um das Anhaften von Partikel bzw. das Ablagern beispielsweise von im Kühlmedium enthaltenem Kalk zu verhindern. Damit ist dauerhaft sichergestellt, dass der Wärmeabtransport durch das Kühlfluid, insbesondere Kühlwasser, mit hoher Effizienz erfolgen kann.
Bezugszeichenliste

01: Kühlkörper
02: Bodenplatte
03: Deckelplatte
04: Gehäuserahmen
05
06: Strömungskanal
07: Fluideinlass
08: Fluidauslass
09: Bodenrippen
10
11: Deckelrippen
L: Längserstreckung
Q: Quererstreckung
s: Spaltmaß zwischen den Rippen und Dicke der Rippen
h: Höhe der Rippen

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102015115261 A1 [0003]
DE 102016013736 A1 [0004]
DE 202010013676 U1 [0005]

Claims

Fluiddurchströmter Kühlkörper (01) umfassend: - eine Bodenplatte (02) mit einer Längs- und einer Quererstreckung sowie zahlreichen sich von der Bodenplatte (02) erstreckenden Bodenrippen (09), deren Längsachse parallel zur Quererstreckung der Bodenplatte (02) verläuft; - eine Deckelplatte (03) mit einer Längs- und einer Quererstreckung sowie zahlreichen sich von der Deckelplatte (03) erstreckenden Deckelrippen (11), deren Längsachse parallel zur Quererstreckung der Deckelplatte (03) verläuft; - einen Gehäuserahmen (04), welcher die Boden- und die Deckelrippen (09, 11) an ihren Stirnseiten umschließt und die Bodenplatte (02) mit der Deckelplatte (03) fluiddicht verbindet, um einen Kühlkörperinnenraum zu bilden, wobei der lichte Abstand zwischen Bodenplatte (02) und Deckelplatte (03) größer ist als die Höhe (h) der Boden- und Deckelrippen, wobei die Boden- und Deckelrippen (09, 11) so zueinander ausgerichtet sind, dass sie kammartig ineinandergreifen, und wobei zwischen Bodenrippen und Deckelrippen jeweils eine Abstand verbleibt, der einen mäandernden Strömungskanal (06) ausbildet; - einen Fluideinlass (07) und einen Fluidauslass (08), die jeweils in den Kühlkörperinnenraum münden und mit dem Anfang bzw. dem Ende des Strömungskanals (06) verbunden sind; - eine Nanobeschichtung aus einem Nanomaterial, welche mindestens auf den im Kühlkörperinnenraum freiliegenden Flächen der Boden- und Deckelrippen (09, 11) aufgebracht ist.
Fluiddurchströmter Kühlkörper (01) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils die Außenseiten von Bodenplatte (02) und Deckelplatte (03) als Kühlflächen zum Wärmeabtransport von erwärmten Bauelementen konfiguriert sind.
Fluiddurchströmter Kühlkörper (01) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Breite der Bodenrippen 1/3 bis 1/4 des Abstands zwischen den Deckelrippen beträgt; dass die Breite der Deckelrippen 1/3 bis 1/4 des Abstands zwischen den Bodenrippen beträgt; und dass die Höhe der Bodenrippen gleich der Höhe der Deckelrippen ist.
Fluiddurchströmter Kühlkörper (01) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen benachbarten Bodenrippen (09) sowie der Abstand zwischen benachbarten Deckelrippen (11) etwa 6 - 12 mm und die Höhe (h) der Bodenrippen sowie die Höhe (h) der Deckelrippen etwa 9 - 15 mm beträgt.
Fluiddurchströmter Kühlkörper (01) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine fluiddichte Verbindung zwischen der Innenseite des Gehäuserahmens (04) einerseits sowie den Stirnseiten der Bodenrippen (09) und den Stirnseiten der Deckelrippen (11) andererseits besteht.
Fluiddurchströmter Kühlkörper (01) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Nanobeschichtung aus einem fluordotierten, thermisch-vernetzten Einkomponentenlack besteht.
Fluiddurchströmter Kühlkörper (01) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Fluideinlass (07) bzw. der Fluidauslass (08) an in Längserstreckung der Bodenplatte (02) gegenüberliegenden Seiten des Gehäuserahmens (04) angebracht sind.
Fluiddurchströmter Kühlkörper (01) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Bodenrippen (09) einstückig an die Bodenplatte (02) angeformt sind; dass die Deckelrippen (11) einstückig an die Deckelplatte (03) angeformt sind; und dass diese Teile aus einem Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit bestehen, insbesondere aus Aluminium.
Fluiddurchströmter Kühlkörper (01) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Bodenplatte (02) einstückig mit dem Gehäuserahmen (04) ausgestaltet ist.
Fluiddurchströmter Kühlkörper (01) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Bodenplatte (02) symmetrisch zur Deckelplatte (03) geformt ist.