DE10324190A1 - Metal foam heat exchanger, especially for electronic components, has a metal film on at least one of its outer surfaces with which a contact or connection is formed or made with the component that is to be cooled - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher.The The invention relates to a heat exchanger.
Wärmetauscher sind Vorrichtungen, die Wärme von einem Medium mit höherer Temperatur auf ein Medium mit niedrigerer Temperatur übertragen, wobei sich das wärmere Medium abkühlt, während sich das kältere Medium erwärmt. In Abhängigkeit vom Anwendungszweck sind unterschiedliche technische Ausführungen von Wärmetauschern bekannt.heat exchangers are devices that heat from a medium with higher Transfer temperature to a lower temperature medium, being the warmer Cooling medium, while the colder one Medium heated. Dependent on The purpose of the application are different technical versions of heat exchangers known.
Für einen effektiven Wärmeaustausch zwischen den Medien ist eine möglichst große Austauschfläche erforderlich. Zu diesem Zweck weisen Wärmetauscher Kühlkörper mit Rippenprofil und Bandwicklungen oder lamellenbesetzte Rohre auf. Der berührungslose Kontakt zwischen einem derartigen Kühlkörper und einem Medium wird über Rohre oder ähnliches hergestellt, die mit dem Kühlkörper mechanisch verbunden sind. Derartige Verbindungen, die durch Pressen, Kleben oder Fügen hergestellt wurden, haben den Nachteil, daß Luftspalte Barrieren für den Wärmefluß bilden und die mechanische Belastbarkeit gering ist. Überdies ist die Berührungsfläche für den Wärmeaustausch zwischen Kühlkörper und Rohr gering, aufgrund der Rohre sind derartige Wärmeaustauscher schwer, der Aufbau solcher Wärmeaustauscher kann nur schwer variiert werden und die Werkstoffauswahl zur Konstruktion dieser Wärmeaustauscher ist vergleichsweise gering. Außerdem sind solche Wärmeaustauscher in bezug auf ihr Leistungsvermögen groß und daher auch schwer.For one effective heat exchange between the media is one possible size exchange area required. For this purpose, heat exchangers have heat sinks Rib profile and band windings or lamellated tubes on. Of the contactless Contact between such a heat sink and a medium is via pipes or the like made with the heat sink mechanically are connected. Such compounds by pressing, gluing or joining have the disadvantage that air gaps form barriers to heat flow and the mechanical strength is low. Moreover, the contact surface for the heat exchange between the heat sink and Pipe low, due to the pipes are such heat exchanger heavy, the Construction of such heat exchangers It is difficult to vary and the choice of material to construct this heat exchangers is comparatively low. Furthermore are such heat exchangers in terms of their performance big and therefore difficult.
Zur
Verbesserung des Wärmeaustausches wird
in
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Nachteile des Standes der Technik zu beseitigen. Insbesondere soll ein Wärmetauscher angegeben werden, dessen Aufbau flexibel gestaltet werden kann und eine geringe Größe und ein geringes Gewicht besitzt.Of the Invention is based on the object, the disadvantages of the prior art to eliminate the technology. In particular, a heat exchanger can be specified, the structure of which can be made flexible and a small size and a has low weight.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Merkmalen der Ansprüche 2 bis 9.These The object is solved by the features of claim 1. Advantageous embodiments of Invention emerge from the features of claims 2 to 9th
Nach Maßgabe der Erfindung ist ein Wärmetauscher vorgesehen, der zumindest einen Kühlkörper aus offenporigem Metallschaum umfaßt, wobei zumindest eine Oberfläche des Kühlkörpers mit einer Metallfolie bedeckt ist, die sich in Kontakt mit einem zu kühlenden Bauelement befindet.To proviso The invention is a heat exchanger provided, the at least one heat sink of open-cell metal foam comprises where at least one surface of the heat sink with covered with a metal foil that is in contact with one cooling Component is located.
Der erfindungsgemäße Wärmeaustauscher kann besonders vorteilhaft zur Kühlung elektronischer Bauelemente verwendet werden. Dazu wird die dem Kühlkörper abgewandte Seite der Metallfolie mit einem Löthilfsstoff wie beispielsweise Lötzinn beschichtet, so daß die Metallfolie auf die Oberfläche des elektronischen Bauelementes aufgeklebt werden kann. Die von dem elektronischen Bauelement erzeugte Wärme wird so effektiv in die Metallfolie und von dort in den Kühlkörper geleitet. Aufgrund der Metallschaumstruktur des Kühlkörpers kann der Kühlkörper von einem Kühlmedium durchströmt werden, um die Wärme aus dem Kühlkörper abzuführen.Of the Heat exchanger according to the invention can particularly advantageous for cooling electronic components are used. This is the heat sink facing away Side of the metal foil with a Löthilfsstoff such as solder coated so that the Metal foil on the surface of the electronic component can be glued. The one of the heat generated by electronic components will be so effective in the Metal foil and from there into the heat sink passed. Due to the Metal foam structure of the heat sink can the heat sink of a cooling medium flows through be to the heat remove from the heat sink.
Die Metallfolie ersetzt die Rohre bisher bekannter Wärmetauscher. Aufgrund dessen kann ein leichterer und kleiner Wärmetauscher hergestellt werden, der bessere Wärmeübergänge ermöglicht und dessen Aufbau leicht modifiziert werden kann. Darüber hinaus ist die Werkstoffauswahl für die einzelnen Komponenten größer, da die Anforderung an eine Folie im Hinblick auf Formbarkeit, Beständigkeit usw. im Vergleich zu einem Rohr wesentlich geringer sind.The Metal foil replaces the tubes of previously known heat exchangers. Because of that a lighter and smaller heat exchanger can be made, which allows better heat transfer and whose structure can be easily modified. Furthermore is the material selection for the individual components bigger, there the requirement for a film with regard to formability, durability, etc. compared to a tube are much lower.
Der Begriff "Metallfolie" bedeutet im Rahmen dieser Erfindung eine Folie mit einer Dicke von 0,02 ... 0,5 mm. Die Metallfolie besteht vorzugsweise aus Aluminium, Kupfer oder Stahl.Of the Term "metal foil" means in the context of this Invention a film with a thickness of 0.02 ... 0.5 mm. The metal foil is preferably made of aluminum, copper or steel.
Der Metallschaum ist ein offenporiger Metallschaum, d. h. die in der Metallstruktur enthaltenden Hohlräume stehen miteinander in Verbindung, so daß ein Kühlmittel durch Metallschaum strömen kann. Der Metallschaum besteht vorzugsweise aus Aluminium, Kupfer oder Stahl, wobei das Material des Metallschaums unabhängig von dem Material der Metallfolie gewählt werden kann.Of the Metal foam is an open-pored metal foam, d. H. the in the Cavities containing metal structure are in communication with each other, so that one coolant can flow through metal foam. The metal foam is preferably made of aluminum, copper or Steel, wherein the material of the metal foam is independent of chosen the material of the metal foil can be.
Ein bevorzugter Wärmetauscher weist einen Kühlkörper aus Aluminium und eine Metallfolie aus Kupfer auf.One preferred heat exchanger has a heat sink Aluminum and a metal foil of copper on.
Die Metallfolie und der Kühlkörper können stoff- oder kraftschlüssig miteinander verbunden sein. Bevorzugt werden die Metallfolie und der Kühlkörper miteinander verschweißt, verlötet oder verklebt. Alternativ kann die Metallfolie in den Metallschaum eingepreßt werden.The Metal foil and the heat sink can be material or non-positively be connected to each other. Preference is given to the metal foil and the heat sink together welded, soldered or glued. Alternatively, the metal foil in the metal foam pressed become.
Die Metallfolie ist in einer bevorzugten Ausführungsform strukturiert. Der Begriff "Strukturierung" ist dabei so zu verstehen, daß einerseits nur die Oberfläche der Metallfolie strukturiert wird oder anderseits die Metallfolie kanalartige Strukturen aufweist. Die kanalartigen Strukturen sind so ausgerichtet, daß sie den Transport eines Kühlmittels parallel zu den Oberflächen der Metallfolie durch die Metallfolie ermöglichen. Eine Strukturierung der Metallfolie kann durch Pressen, Prägen, Ätzen, thermische Behandlung, Bestrahlung oder jedes andere dem Fachmann zu diesem Zweck bekannte Verfahren erreicht werden. Die Strukturierung der Metallfolie führt zu einer Vergrößerung der Oberfläche der Metallfolie, so daß Wärme effizienter von dem zu kühlenden Bauelement in den Metallschaum geleitet wird.The Metal foil is structured in a preferred embodiment. Of the The term "structuring" is the same understand that on the one hand only the surface the metal foil is structured or on the other hand, the metal foil having channel-like structures. The channel-like structures are aligned so that they the transport of a coolant parallel to the surfaces allow the metal foil through the metal foil. A structuring the metal foil can be removed by pressing, embossing, etching, thermal treatment, Irradiation or any other known to those skilled in the art for this purpose Procedure can be achieved. The structuring of the metal foil leads to a Magnification of the surface the metal foil, so that heat more efficient from that to be cooled Component is passed into the metal foam.
Die geometrische Form des Wärmetauschers ist sehr variabel, der Metallschaum kann in einer für den jeweiligen Anwendungszweck geeigneten Form hergestellt werden. Der Kühlkörper kann eine quader-, würfel-, rohrförmige oder kammartige Gestalt aufweisen.The geometric shape of the heat exchanger is very variable, the metal foam can in one for each Application suitable form can be produced. The heat sink can a cuboid, cube, tubular or comb-like shape.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist der erfindungsgemäße Wärmetauscher modular aufgebaut. Dabei wird eine Sandwich-artige Struktur ausgebildet, wobei sich zwischen zwei benachbarten Kühlkörpern eine Metallfolie befindet. Eine weitere Folie befindet sich in Kontakt mit dem zu kühlenden Bauelement. Die von dem zu kühlenden Bauelement entwickelte Wärme gelangt über die erste Metallfolie in den ersten Kühlkörper, aus dem ein Teil der Wärme von dem Kühlmedium, daß den ersten Kühlkörper durchströmt, abgeführt wird. Ein weiterer Teil der Wärme wird jedoch über eine zweite Metallfolie, die die Oberfläche des ersten Kühlkörpers bedeckt, die der Oberfläche gegenüberliegt, die die erste Metallfolie bedeckt, auf einen zweiten Kühlkörper übertragen. Dieser zweite Kühlkörper wird ebenfalls von einem Kühlmedium, vorzugsweise im Gegenstromprinzip zum ersten Kühlkörper durchströmt. Auch dieser zweite Kühlkörper kann von einer weiteren (dritten in bezug auf den Wärmeaustauscher insgesamt) bedeckt sein, die wiederum mit einem dritten Kühlkörper in Kontakt steht. Die Kühlmedien können jeweils nach dem Gleich-, Gegen- oder Kreuzstromprinzip durch die einzelnen Kühlkörper in bezug auf den oder die benachbarten Kühlkörper oder die Metallfolie(n) geführt werden.In a preferred embodiment is the heat exchanger according to the invention modular. A sandwich-like structure is formed, wherein there is a metal foil between two adjacent heat sinks. Another foil is in contact with the component to be cooled. The one to be cooled by Component developed heat passes over the first metal foil in the first heat sink, from which part of the Heat from the cooling medium, that the flows through the first heat sink, is dissipated. Another part of the heat but is over a second metal foil covering the surface of the first heat sink, the surface opposite, which covers the first metal foil transferred to a second heat sink. This second heat sink is also from a cooling medium, preferably flows through in countercurrent to the first heat sink. Also this second heat sink can from another (third with respect to the heat exchanger in total) covered which in turn is in contact with a third heat sink. The cooling media can in each case according to the DC, counter or cross-current principle by the single heat sink in with respect to the or the adjacent heat sink or the metal foil (s) are guided.
Vorteil dieses sandwichartigen Aufbaus des Wärmetauschers ist die effektivere Abführung von Wärme, so daß Wärmestaus besser vermieden werden können.advantage This sandwich structure of the heat exchanger is the more effective one removal of heat, so that heat buildup can be better avoided.
In allen Fällen kann/können auch die Metallfolie(n) im Gleich-, Gegen- oder Kreuzstromprinzip in bezug auf den oder die benachbarten Kühlkörper oder die weitere(n) Metallfolie(n) von Kühlmedium durchströmt werden.In all cases can / can also the metal foil (s) in the equal, counter or cross flow principle with respect to the adjacent heat sink (s) or the other metal foil (s) be flowed through by cooling medium.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:following Be exemplary embodiments of Invention explained in more detail with reference to the drawings. Show it:
Nach
Die
Metallfolie, 0,2 mm dick, besteht beispielhaft aus Kupfer. Der Kühlkörper besteht
aus offenporigem Aluminium-Schaum, der wie in
Der
in
Der
Wärmetauscher
Diese
Ausführungsform
bietet den Vorteil einer effizienteren Kühlung, so daß im Vergleich
zu der in
Die
Metallfolien
Der
in
Der
Wärmetauscher
Die
Metallfolie
Vorteil dieser Ausführungsform ist, der hohe Wirkungsgrad bezogen auf das Volumen des Wärmetauschers; dadurch wird der Trend zur Miniaturisierung der Bauteile unterstützt.advantage this embodiment is, the high efficiency based on the volume of the heat exchanger; This supports the trend towards miniaturization of the components.
Die
Auch wenn die Metallfolie nicht von einem Kühlmedium durchströmt wird, ermöglicht die Strukturierung einen besseren Wärmeübergang von dem zu kühlenden Bauelement auf den Kühlkörper. In diesem Fall muß die Strukturierung nicht kanalförmig sein.Also if the metal foil is not flowed through by a cooling medium, allows the structuring provides better heat transfer from the to be cooled Component on the heat sink. In In this case, the Structuring should not be channel-shaped.
- 11
- Wärmetauscherheat exchangers
- 22
- Kühlkörperheatsink
- 33
- Metallfoliemetal foil
- 44
- Wärmetaucherheat divers
- 55
- dritter Kühlkörperthird heatsink
- 66
- dritte Metallfoliethird metal foil
- 77
- zweiter Kühlkörpersecond heatsink
- 88th
- zweite Metallfoliesecond metal foil
- 99
- erster Kühlkörperfirst heatsink
- 1010
- erste Metallfoliefirst metal foil
- 1111
- Wärmetaucherheat divers
- 1212
- erster Kühlkörperfirst heatsink
- 1313
- Metallfoliemetal foil
- 1414
- zweiter Kühlkörpersecond heatsink
- 1515
-
rohrartige
Strukturen in der Metallfolie
13 tubular structures in the metal foil13 - 1616
- Metallfoliemetal foil
- 1717
- Strukturierungstructuring
- 1818
- Metallfoliemetal foil
- 1919
- Strukturierungstructuring
- A, B, C, DA, B, C, D
- Strömungsrichtungen eines fluiden Kühlmediumsflow directions a fluid cooling medium
Claims (9)
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