Titel

Wärmetauscher zur Kühlung von Komponenten

Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher zur Kühlung von Komponenten, insbesondere von wärmezeugenden elektronischen oder elektrischen Komponenten, der sich durch eine besonders vorteilhafte konstruktive Ausbildung auszeichnet, die eine relativ wirtschaftliche Fertigung des Wärmetauschers bei großen Stückzahlen ermöglicht.

Stand der Technik

Ein Wärmetauscher zur Kühlung von Komponenten mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 ist aus der DE 692 24 314 T2 bekannt. Ein derartiger Wärmetauscher ist auch unter der Bezeichnung „pulsating heat pipe“ (PHP) bekannt und weist einen in einem Gehäuserahmen angeordneten mäanderförmigen Kanal für ein Kühlmedium auf. Der Gehäuserahmen ist sandwichartig zwischen einem Gehäusedeckel und einem Gehäuseboden des Gehäuses des Wärmetauschers aufgenommen, um den Kanal abzudichten. Bei dem aus der genannten Schrift bekannten Wärmetauscher verläuft der mäanderförmige Kanal über die gesamte Höhe des Gehäuserahmens und ist durch einen Materialabtrag aus einer Platte ausgebildet.

Offenbarung der Erfindung

Der erfindungsgemäße Wärmetauscher zur Kühlung von Komponenten mit den Merkmalen des Anspruchs 1 weist den Vorteil auf, dass er in Art eines Baukastensystems durch Anpassung von Bauteilen im Bereich des Gehäuserahmens sehr einfach an unterschiedlichste Anforderungen bzw. Dimensionierungen angepasst werden kann.

Der Erfindung liegt die Idee zugrunde, durch wenigstens ein zusätzliches, im Bereich des Gehäuserahmens angeordnetes und von dem Gehäuserahmen separates Bauteil eine gewünschte Ausbildung bzw. Führung des Kühlmediums in dem wenigstens einen Kanal für das Kühlmedium zu ermöglichen.

Vor dem Hintergrund der obigen Erläuterungen ist es daher bei einem erfindungsgemäßen Wärmetauscher mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgesehen, dass innerhalb des Gehäuserahmens wenigstens ein separates, einen Teilabschnitt des wenigstens einen Kanals ausbildendes Einlegeteil angeordnet ist, das zumindest im Wesentlichen über die gesamte Höhe des Gehäuserahmens in einer senkrecht zur Ebene des Gehäuserahmens verlaufenden Richtung reicht, und dass das wenigstens eine Einlegeteil mit dem Gehäuseboden und dem Gehäusedeckel kühlmediendicht verbunden ist.

Vorteilhafte Weiterbildungen und konstruktive Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Wärmetauschers sind in den Unteransprüchen aufgeführt.

Besonders einfach lässt sich ein derartiges Einlegeteil zur Ausbildung des wenigstens einen Kanals dadurch ausbilden, dass dieses als wellenartig umgeformtes Blechteil ausgebildet ist, das mit dem Gehäuseboden oder dem Gehäusedeckel verbundene erste Abschnitte, und zumindest bereichsweise in etwa senkrecht zur Ebene des Gehäuserahmens verlaufende zweite Abschnitte aufweist, wobei die zweiten Abschnitte geradlinig ausgebildet sind und seitliche Begrenzungen des wenigstens einen Kanals ausbilden.

Eine weitere konstruktive Ausgestaltung bzw. Weiterbildung des zuletzt gemachten Vorschlags, die eine definierte Führung des Kühlmediums im Kanal ermöglicht, sieht vor, dass die zweiten Abschnitte in ihrer Längsrichtung betrachtet in Anlagekontakt mit dem Gehäuserahmen und/oder einem weiteren Einlegeteil angeordnet sind/ist. Dabei kann es entweder vorgesehen sein, dass die zweiten Abschnitte mit ihrer Stirnseite an den Gehäuserahmen bzw. das weitere Einlegeteil anstoßen bzw. in Kontakt zu diesen angeordnet sind, oder aber, dass in dem Gehäuserahmen und/oder dem weiteren Einlegeteil eine Nut ausgebildet ist, die den stirnseitigen Endbereich des zweiten Abschnitts des Einlegeteils aufnimmt.

Die Ausbildung des Kanals ohne zusätzliche weitere Bauteile bei Minimierung des Strömungswiderstands kann dadurch in einer Weiterbildung gestaltet werden, dass der Gehäuserahmen und/oder das weitere Einlegeteil gerundet ausgebildete Bogenabschnitte aufweisen/aufweist, die zur Strömungsumlenkung, vorzugsweise zur Strömungsumkehr des Kühlmediums in dem wenigstens einen Kanal dienen.

Insbesondere kann es vorgesehen sein, dass die Bogenabschnitte halbkreisbogenförmig oder halbellipsenförmig ausgebildet sind. Eine derartige Ausgestaltung bzw. Formgebung umfasst auch den Fall, dass innerhalb eines Wärmetauschers sowohl halbkreisbogenförmig als auch halbellipsenförmig ausgebildete Bogenabschnitte vorhanden sind.

Weiterhin kann es zur Strömungsoptimierung vorgesehen sein, dass wenigstens ein zweiter Abschnitt des Einlegeteils in den Bereich des Bogenabschnitts eintaucht.

Auch können zur Strömungsführung zusätzliche zweite Abschnitte am Einlegeteil vorgesehen sein, die parallel zu den zweiten Abschnitten angeordnet sind, und die in ihrer Längsrichtung betrachtet mit Abstand zu dem Gehäuserahmen und/oder dem weiteren Einlegeteil angeordnet sind.

Eine weitere Möglichkeit zur Beeinflussung der Strömung sieht vor, dass an dem Einlegeteil an den längsseitigen Enden des zweiten und/oder des zusätzlichen zweiten Abschnitts zusätzliche Strömungselemente für das Kühlmedium angeordnet sind. Derartige zusätzliche Strömungselemente sind vorzugsweise in Form separat hergestellter Bauteile ausgebildet und mit dem Einlegeteil verbunden.

Eine weitere Möglichkeit zur Beeinflussung der Strömungsführung des Kühlmediums sieht vor, dass die zweiten und/oder zusätzlichen zweiten Abschnitte des Einlegeteils in einer senkrecht zu deren Längsrichtung verlaufenden Richtung betrachtet unterschiedliche Abstände zueinander aufweisen. Dadurch können insbesondere in Art von Strömungsverengungen Bereiche ausgebildet werden, in denen eine höhere Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmediums vorherrscht als in Bereichen, in denen die zweiten und/oder dritten Abschnitte einen im Vergleich hierzu größeren Abstand aufweisen.

Auch die Form des Querschnitts des wenigstens einen Kanals kann in unterschiedlicher Art und Weise, je nach Anwendungsfall bzw. Fertigung des Einlegeteils unterschiedlich gestaltet werden. So sieht eine erste Ausgestaltung vor, dass die ersten Abschnitte des Einlegeteils parallel und die zweiten Abschnitte des Einlegeteils zumindest im Wesentlichen senkrecht zur Ebene des Gehäuserahmens verlaufen, sodass der wenigstens eine Kanal im Querschnitt rechteckförmig ausgebildet ist.

Auch kann es vorgesehen sein, dass die ersten Abschnitte und die zweiten Abschnitte des Einlegeteils in etwa halbkreisförmig ausgebildet sind. Durch eine wechselförmig angeordnete Anordnung der ersten und zweiten Abschnitte wird somit ein Querschnitt des Kanals mit Rundungen geschaffen.

Ganz besonders bevorzugt im Sinne einer einfachen und wirtschaftlichen Fertigung des Wärmetauschers ist es, wenn zumindest der Gehäuserahmen und das wenigstens eine Einlegeteil als Stanzbauteile ausgebildet sind.

Eine mediendichte Verbindung zwischen dem Gehäuserahmen und dem wenigstens einen Einlegeteil mit dem Gehäusedeckel und dem Gehäuseboden kann auf unterschiedlichste Art und Weise erfolgen. Bevorzugt ist es, dass die Verbindung zwischen den genannten Bauteilen als stoffschlüssige Verbindung ausgebildet ist. Eine derartige stoffschlüssige Verbindung kann beispielsweise in Form von Hartlöten, als Laserschweißverbindung, als Klebeverbindung o.ä. ausgebildet sein. Auch sind Rührreibverbindungen denkbar.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich anhand der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung sowie anhand der Zeichnungen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen Fig. 1 zeigt einen vereinfachten Schnitt durch eine erste Ausführungsform eines Wärmetauschers,

Fig. 2a und Fig. 2b Teilquerschnitte in der Ebene II - II der Fig. 1 bei unterschiedlich geformten Einlegeteilen und

Fig. 3 bis Fig. 9 vereinfachte Schnitte entsprechend der Darstellung der Fig. 1 bei gegenüber der Fig. 1 abgewandelten Ausführungsformen des Wärmetauschers.

Ausführungsformen der Erfindung

Gleiche Elemente bzw. Elemente mit gleicher Funktion sind in den Figuren mit den gleichen Bezugsziffern versehen.

Der in der Fig. 1 stark vereinfacht dargestellte Wärmetauscher 10 dient der Kühlung einer nicht dargestellten elektrischen oder elektronischen Komponente, beispielsweise eines Leistungsbauteils im Rahmen der Elektromobilität oder anderen Anwendungen. Der Einsatz des Wärmetauschers 10 soll jedoch grundsätzlich auch für andere Anwendungen denkbar bzw. möglich sein.

Der Wärmetauscher 10 weist, wie im Zusammenhang mit den Fig. 2a und 2b erkennbar ist, ein Gehäuse 12 auf, das blockförmig ausgebildet ist. Auch können selbstverständlich andere Formen des Gehäuses 12 realisiert werden. Insbesondere weist der Wärmetauscher 10 bzw. dessen Gehäuse 12 einen ersten Bereich 14 auf, der beispielsweise an einer senkrecht zur Zeichenebene der Fig. 1 verlaufenden (ebenen) Fläche des Gehäuses 12 ausgebildet ist, und der mit dem erwähnten, nicht dargestellten, wärmeabgebenden Bauteil zumindest mittelbar verbunden ist, beispielsweise mittels eines Wärmeleitklebers. Beispielhaft auf der dem ersten Bereich 14 gegenüberliegenden Seite des Gehäuses 12 weist dieses einen zweiten Bereich 16 auf, in dem die mittels eines Kühlmediums 15 vom ersten Bereich 14 aufgenommene Wärme an die Umgebung abgegeben werden kann. Bei dem Kühlmedium 15 handelt es sich insbesondere um ein flüssiges, verdampfungsfähiges Kühlmedium, das bei einer Temperaturerhöhung im ersten Bereich 14 verdampft und bei einer Temperaturerniedrigung im zweiten Bereich 16 wieder verflüssigt und wieder in den ersten Bereich 14 zurückgelangt. Ein derartiger Wärmetauscher 10 bzw. ein derartiges Wirkprinzip ist auch als „pulsating heat pipe“ (PHP) bekannt.

Das Gehäuse 12 weist einen Gehäuseboden 18 und einen Gehäusedeckel 20 auf, die jeweils plattenförmig ausgebildet sind und vorzugsweise, jedoch nicht einschränkend, aus Metall, beispielsweise aus Aluminium oder Stahl, bestehen. Zwischen dem Gehäuseboden 18 und dem Gehäusedeckel 20 ist ein Gehäuserahmen 22 angeordnet, der sandwichartig zwischen dem Gehäuseboden 18 und dem Gehäusedeckel 20 angeordnet und kühlmediendicht mit den genannten Bauteilen verbunden ist, insbesondere durch aus dem Stand der Technik an sich bekannte stoffschlüssige Verbindungstechnologien. Vorzugsweise fluchtet die äußere Begrenzung 23 des Gehäuserahmens 22 mit den entsprechenden Außenseiten des Gehäusebodens 18 und des Gehäusedeckels. 20. Weiterhin besteht der Gehäuserahmen 22 vorzugsweise aus demselben Material wie der Gehäuseboden 18 und der Gehäusedeckel 20.

Innerhalb des Gehäuserahmen 22 ist wenigstens ein Kanal 25 zur Führung des Kühlmediums 15 angeordnet bzw. ausgebildet. In den in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen ist mit Ausnahme der Fig. 7 der wenigstens eine Kanal 25 jeweils als in sich geschlossener Kanal 25 ausgebildet. Der Kanal 25 kann jedoch auch als nicht in sich geschlossener, d.h. als endseitige Endbereiche aufweisender Kanal 25 ausgebildet sein (Fig. 7), wie dies aus dem Stand der Technik an sich bekannt ist. Insbesondere weist der Kanal 25 im zuerst genannten Fall auf der dem zweiten Bereich 16 zugewandten Seite einen zumindest über einen wesentlichen Teil der Länge und parallel zum zweiten Bereich 16 verlaufenden Teilabschnitt 26 auf. Der restliche Teil des Kanals 25 weist einen mäanderförmig ausgebildeten Teilabschnitt 28 auf.

Der Gehäuserahmen 22 ist insbesondere als Stanzteil aus Blech ausgebildet, wobei der ausgestanzte Bereich des Gehäuserahmens 22 zur Ausbildung des wenigstens einen Kanals 25 in einer Aussparung 39 des Gehäuserahmens 22 dient.

Ergänzend wird erwähnt, dass der Gehäuserahmen 22 alternativ zur Herstellung durch Stanzen auch auf sonstige, mit Blick auf die konkrete Geometrie und anderen Randbedingungen geeignete Herstellverfahren ausgebildet sein kann. Exemplarisch sei hierzu Extrudieren, Fließpressen, Fräsen, Erodieren und Ätzen genannt.

Zur Formgebung bzw. Ausbildung des wenigstens einen Kanals 25 weist das Gehäuse 12 darüber hinaus wenigstens ein Einlegeteil 30 auf. Das Einlegeteil 30 ist bei dem in den Fig. 1 und 2a und 2b dargestellten Ausführungsbeispiel als wellenartig umgeformtes Blechteil 31 ausgebildet, das mit dem Gehäuseboden 18 den Gehäusedeckel 20 verbundene erste Abschnitte 33, und zumindest bereichsweise in etwa senkrecht zur Ebene des Gehäuserahmens 22 verlaufende zweite Abschnitte 34 aufweist, wobei die zweiten Abschnitte 34, wie besonders deutlich anhand der Fig. 1 erkennbar ist, geradlinig ausgebildet sind und seitliche Begrenzungen des wenigstens einen Kanals 25 ausbilden.

In der Fig. 2a ist der Fall dargestellt, dass die ersten Abschnitte 33 als zumindest im Wesentlichen ebene Abschnitte 33 ausgebildet sind, die in mehr oder weniger vollflächigem Anlagekontakt mit den zugewandten Seiten des Gehäusebodens 18 und des Gehäusedeckels 20 angeordnet sind. Dadurch ist der Querschnitt des wenigstens einen Kanals 25 näherungsweise rechteckförmig. In der Fig. 2b ist demgegenüber der Fall dargestellt, bei dem der Querschnitt des Einlageteils 30 aus zwei in etwa halbkreisförmig ausgebildeten Abschnitten 35, 36 gebildet ist, sodass eine in etwa linienförmige Anlage zwischen dem Einlegeteil 30 und den zugewandten Seiten des Gehäusebodens 18 und des Gehäusedeckels 20 vorhanden ist.

Wesentlich ist darüber hinaus, dass auch das Einlegeteil 30 kühlmediendicht mit dem Gehäuseboden 18 und dem Gehäusedeckel 20 verbunden ist. Hierzu kommt vorzugsweise dasselbe Verbindungsverfahren zur Anwendung, wie dies auch zwischen dem Gehäuserahmen 22 und dem Gehäuseboden 18 sowie dem Gehäusedeckel 20 zur Anwendung kommt. Zusätzlich zu dem Einlegeteil 30 ist bei dem in der Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ein weiteres Einlegeteil 38 innerhalb der Aussparung 39 des Gehäuserahmens 22 angeordnet. Auch das weitere Einlegeteil 38 verläuft über die gesamte, senkrecht zur Zeichenebene der Fig. 1 verlaufende Höhe der Aussparung 39 und ist mit dem Gehäuseboden 18 und dem Gehäusedeckel 20 kühlmediendicht verbunden. Das weitere Einlegeteil 38 weist auf der dem zweiten Bereich 16 zugewandten Seite einen geradlinig ausgebildeten Abschnitt 40 auf, der zur Ausbildung einer Wand des ersten Teilabschnitts 26 dient. Auf der dem ersten Teilabschnitt 26 abgewandten bzw. dem Einlegeteil 30 zugewandten Seite weist das weitere Einlageteil 38 beispielshaft halbkreisförmige Bogenabschnitte 42 zur Führung des Kühlmediums 15 bzw. zur Ausbildung des Kanals 25 auf. Weiterhin weist der Gehäuserahmen 22 auf der dem ersten Teilabschnitt 26 abgewandten Seite des Einlegeteils 30 beispielhaft sowohl halbkreisförmig ausgebildete Bogenabschnitte 43, als auch in etwa halbellipsenförmig ausgebildete Bogenabschnitte 44 auf. Zur Ausbildung des Kanals 25 sind die stirnseitigen einen Endbereiche des Einlegeteils 30 beispielhaft in Anlagekontakt mit dem Gehäuserahmen 22 angeordnet. Im Bereich des weiteren Einlageteils 38 weist dieses Aufnahmenuten 45 oder Stufen für die entsprechenden stirnseitigen anderen Endbereiche des Einlegeteils 30 auf.

Ergänzend wird erwähnt, dass anstelle von Aufnahmenuten 45 auch eine stirnseitige Anlage entsprechend dem Gehäuserahmen 22 vorgesehen sein kann.

In der Fig. 3 ist ein gegenüber Fig. 1 abgewandeltes weiteres Einlegeteil 38a dargestellt, bei dem beispielhaft an einer Seite ein Wandabschnitt 46 ausgebildet ist, der parallel zu den zweiten Abschnitten 34 des Einlegeteils 30 verläuft und der Strömungsführung dient. Weiterhin weist sein Gehäuserahmen 22a ausschließlich halbkreisförmige Bogenabschnitte 43 auf.

In der Fig. 4 ist der Fall dargestellt, dass das Einlegeteil 30a mit einem zweiten Abschnitt 34a in Anlagekontakt mit einer Seitenwand der Aussparung 39 angeordnet ist. Hierzu weist die Seitenwand eine Vertiefung 47 auf. Eine derartige Ausbildung erleichtert die Anordnung des Einlegeteils 30a, da hierzu lediglich der in Anlagekontakt mit der Seitenwand des Gehäuserahmens 22b befindliche zweite Abschnitt 34a in Anlagekontakt mit dem Gehäuserahmen 22b gebracht werden muss. Weiterhin ist erkennbar, dass die Aussparung 39 an einer Seite einen rechteckförmig ausgebildeten Bereich 49 aufweist, der der Strömungsumkehr des Kühlmediums 15 im Kanal 25 dient.

Bei dem in der Fig. 5 dargestellten Ausführungsbeispiel weist der Gehäuserahmen 22c eine rechteckförmige Innenkontur bzw. Aussparung 51 auf. Weiterhin findet neben dem weiteren Einlegeteil 38a ein zusätzliches weiteres Einlegeteil 38b Verwendung, das in etwa spiegelsymmetrisch zu einer Symmetrieachse 52 angeordnet ist. Weiterhin weist das zusätzliche weitere Einlegeteil 38b einen verlängerten Schenkelabschnitt 53 auf, der über die gesamte kürzere Innenseite der Aussparung 51 verläuft.

Der Gehäuserahmen 22d in der Fig. 6 bzw. das entsprechende Gehäuse 12 verzichtet auf ein Einlegeteil 30. Hier ist lediglich ein weiteres Einlegeteil 38c vorgesehen, das kammartig mit Verlängerungen 54 am Gehäuserahmen 22d zusammenwirkt, um den Kanal 25 auszubilden.

Bei dem Gehäuse 12 gemäß der Fig. 7 ist lediglich ein Gehäuserahmen 22e vorgesehen, der mit dem Einlegeteil 30e zusammenwirkt. Weiterhin ist beispielhaft im Bereich eines zweiten, verlängerten und gestrichelt dargestellten Abschnitts 34e erkennbar, dass der zweite Abschnitt 34e in den Bereich der Bogenabschnitte 43 eintauchen kann. Derartige, verlängert ausgebildete zweiten Abschnitte 34e, die in die Bogenabschnitte 43 (oder 44) eintauchen, können selbstverständlich auch bei den soweit beschriebenen Ausführungsformen vorgesehen bzw. vorhanden sein.

In der Fig. 8 ist der Fall dargestellt, dass zwischen den zweiten Abschnitten 34 jeweils zusätzliche zweite Abschnitte 56 am Einlegeteil 30f vorhanden sind. Die Länge der zusätzlichen zweiten Abschnitte 56 und der zweiten Abschnitt 34 ist gleich groß, jedoch sind sie in Längsrichtung versetzt zueinander angeordnet sind. Weiterhin wird erwähnt, dass die Abstände a zwischen den zweiten Abschnitten 34 und den zusätzlichen zweiten Abschnitten 56 jeweils gleich groß sind. Die Abstände a können jedoch auch unterschiedlich groß sein, um eine Querschnittsverengung oder Querschnittsvergrößerung des Kanals 25 zur Beeinflussung der Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmediums 15 zu erzielen. Zuletzt ist in der Fig. 9 der Fall dargestellt, dass in Verlängerung der zweiten Abschnitte 34 des Einlegeteils 30 zusätzliche, ggf. unterschiedliche Formen aufweisende Strömungselemente 65 angeordnet sein können, die in den Bereich der Bogenabschnitte 43 eintauchen.

Ergänzend wird erwähnt, dass die soweit beschriebenen Gehäuse 12 der Wärmetauscher 10, wenigstens eine zusätzliche, in den Figuren nicht dargestellte Bohrung zur Einbringung des Kühlmediums 15 aufweisen.

Der soweit beschriebene Wärmetauscher 10 kann in vielfältiger Art und Weise abgewandelt bzw. modifiziert werden, ohne vom Erfindungsgedanken abzuweichen.