WO1997025741A1 - Kühlkörper mit zapfen - Google Patents

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WO1997025741A1
WO1997025741A1 PCT/EP1997/000002 EP9700002W WO9725741A1 WO 1997025741 A1 WO1997025741 A1 WO 1997025741A1 EP 9700002 W EP9700002 W EP 9700002W WO 9725741 A1 WO9725741 A1 WO 9725741A1
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WO
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kuhlkoφer
pins
cooling
pin
kühlkoφer
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PCT/EP1997/000002
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English (en)
French (fr)
Inventor
Klaus Becker
Wolfgang Staiger
Matthias Jung
Peter Heinemeyer
Original Assignee
Daimler-Benz Aktiengesellschaft
Abb Daimler-Benz Transportation (Deutschland) Gmbh
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Priority to US08/894,988 priority patent/US6039114A/en
Priority to JP09524831A priority patent/JP3090954B2/ja
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L23/00—Details of semiconductor or other solid state devices
    • H01L23/34—Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements
    • H01L23/46—Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements involving the transfer of heat by flowing fluids
    • H01L23/473—Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements involving the transfer of heat by flowing fluids by flowing liquids
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D9/00—Heat-exchange apparatus having stationary plate-like or laminated conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall
    • F28D9/0031—Heat-exchange apparatus having stationary plate-like or laminated conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the conduits for one heat-exchange medium being formed by paired plates touching each other
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F3/00—Plate-like or laminated elements; Assemblies of plate-like or laminated elements
    • F28F3/02—Elements or assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with recesses, with corrugations
    • F28F3/022—Elements or assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with recesses, with corrugations the means being wires or pins
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
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    • F28F3/02—Elements or assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with recesses, with corrugations
    • F28F3/04—Elements or assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with recesses, with corrugations the means being integral with the element
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F3/00—Plate-like or laminated elements; Assemblies of plate-like or laminated elements
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    • H—ELECTRICITY
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    • H01L2924/0002—Not covered by any one of groups H01L24/00, H01L24/00 and H01L2224/00

Definitions

  • the invention relates to a cooling element according to the preamble of claim 1
  • the problem with such an arrangement is that the heat dissipation of any components on the outer surfaces of the cooler body is inhomogeneous.
  • the flow path is short-circuited between the coolant inlet and coolant outlet. Hot zones therefore form on the outer surfaces.
  • the heat resistance of the arrangement in DE 40 17 749 also has a high level Heat resistance of approx. 30 K / kW, which leads to overheating of the coolant
  • the object of the invention is therefore to provide a cooling element with a pin arrangement which improves the flow conditions in the cooling element
  • the local density of the pegs is chosen so that in the interior of the cooling element there is an essentially homogeneous flow resistance. Em short-circuiting of the flow path of the cooling medium is prevented, and the cooling medium flows evenly around the pegs
  • the pegs attached to at least one inner surface have a tapering shape, the respective contact surface of a peg with an inner surface of the cooling body having the largest cross section of the peg. The thermal resistance of the arrangement is thus reduced
  • the pins (5. 5 1 ) are arranged along the flow path with an opening angle of 40 ° to 60 °
  • the Kuhlko ⁇ er invention is characterized by the flow-favorable design of the cones and by a high degree of fullness with cones in the Kuhlko ⁇ e ⁇ nnern
  • the pins at least cohesively attached to the inner surface have a tapering shape, the respective contact surface of a pin with the inner surface of the cooling body having the largest cross-sectional area of the pin. The thermal resistance of the arrangement is thus reduced
  • Fig 1 b eme top view of the inside of a cooler body with unevenly distributed cones
  • FIG. 2 eme top view of the inside of another embodiment emer
  • FIG. 3a shows a side view of a cooling body with consecutive pegs in longitudinal section
  • FIG. 3b shows a view of another embodiment of a cooling body with consecutive pegs in longitudinal section.
  • 4 shows the structure of a multi-part cooling body
  • FIG. 5 shows a clamp for connecting the parts of a multi-part cooling body
  • FIG. 1 a shows the side view of a cooling body 1 according to the invention with an upper and a lower part 2 and 2 '.
  • the connections for coolant inlet 3 and coolant outlet 4 are indicated.
  • the connections 3 and 4 can be arranged on opposite sides or on the same side.
  • the two parts 2 and 2 'smd connected to each other and can eg be glued, sintered, screwed or clamped or connected to one another via an intermediate piece.
  • the cooling body is, for example, suitable for liquid cooling media, but can also be used for gaseous cooling media
  • a top view of the inner surface of the cooler body 2 of the cooler body 1 is shown, the wall being shown schematically by a circle.
  • a large number of pins 5 are arranged on the inner surface of the cooler body part 2.
  • the pins 5 are separated by channels 6 and are uneven Distributed over the inner surface of the Kuhlko ⁇ erteil 2
  • the degree of fullness of the pin 5 in the area of the imaginary shortest connecting line 7 between the coolant inlet 3 and coolant outlet 4 is high, removed ge ⁇ ng, so that the flow resistance over the O
  • the area with the higher cone density is at least as wide as the smaller the diameter of the cooling water inlet and outlet 3 and 4
  • the resultant Narrow channel width is advantageous for the flow rate of the cooling medium.
  • the arrangement has a narrow thermal resistance of only 20 K / kW
  • the degree of fullness varies from 1 1 (cavity to volume fraction of material) to 2 1.
  • the advantage then lies in the fact that for such a full degree, the manufacture of the tools for producing such a cooling body. e.g. by pressing and sintering ceramics, it is still simple. Any rejects by breaking out pins 5. 5 'or channels 6 are avoided.
  • the flow rate is then 10 1 / ⁇ un large enough for the usual coolant flow rates for sufficient heat removal, but still small enough not to damage the Kuhlko ⁇ er 1 abrasively
  • the degree of fullness can be achieved by omitting or adding pins 5. 5 ' or by enlarging or reducing pins 5, 5' or channels 6 or changing the pin size or channel size with unchanged channels 6 or pins 5, 5 * . that the maximum flow rate of the coolant along the channels 6 in each channel is not more than 50%, especially not more than 30%. is below or above the mean flow rate maximum
  • the pins can have any shape per se. However, it turns out that a special base area of the pins 5, 5 'is particularly advantageous
  • FIG. 2 shows a top view of the inner surface of a cooling body 2, a particularly favorable embodiment of a cooling body 1.
  • a large number of flow-efficient pins 5 are arranged on the inner surface of the cooling body 2.
  • the base area of the pins is diamond-shaped, with a long diagonal 8 of the pins 5 in is roughly parallel to the possible flow path of the cooling medium.
  • the diamond shape is particularly favorable. since no stagnation point can form at the tip of the pin 5 against which flow flows. Instead, the flow of the cooling medium is divided and can flow around and cool the pin 5
  • the flow around the pins 5 with a diamond-shaped base area is particularly advantageous according to the invention when the opening angle of the flowed front tip of each diamond 5 is between 40 ° and 60 °, in particular between 46 ° and 55 °, since the flow velocity around the pin is then at a maximum or Overcurrent length is small At larger angles or z. B with cylindrical cones deteriorates terte formation of stagnation points ⁇ on the upstream side of the cones 5 Um flow around them, at lower angles the mechanical stability of the flow around the cones 5 decreases A foundede overcurrent length is too large for given favorable cones and deteriorates the heat flow from the cone 5
  • a further advantageous cone shape is shown in cross section in FIG. 3a.
  • the pins 5 run tapered into the interior of the cooling body 1 and contact with their largest cross-sectional area ⁇ e inner surface 2 of the cooling body 1
  • the tip of the pins 5 can be pointed or flattened, so that heat dissipation can be further improved, since any hot side of the The cooling body is contacted over a large area and the heat-dissipating pins 5, 5 'have a large area contact with the cooling element.
  • expensive basic material can be saved in the manufacture of the cooling body 1
  • the structure of the two cooling parts 2, 2 'of the cooling part is symmetrical to the play plane 9 between the two cooling parts 2 and 2 ⁇ ⁇ e pins 5, 5' face each other directly in the fully assembled state of the cooling part 1
  • 3b shows a mirror-symmetric arrangement of the pins 5. 5 '.
  • Both cooling parts 2. T have pins 5, 5' on their inner sides.
  • the arrangement is symmetrical to the mirror plane 9 between the two cooling element halves 2 and 2 ', Zape pins 5. 5' face each other directly in the finished, monolithic state of the cooling element 1
  • 3c shows an arrangement which permits a particularly high degree of fullness of the pins.
  • the pins 5, 5 'of the upper and lower cooling body parts 2, 2' are arranged offset from one another and intermeshing. This allows the coolant speed to be increased even further since the channels 6 also in the middle area of the cooling body 1. where the two cooling body parts 2 and 2 ' meet, narrow smd
  • different cone shapes and base areas can also be selected with this arrangement
  • heat dissipation is optimal when the coolant speed is so high. that a turbulent flow is formed.
  • the coolant damages the cooler body by erosion
  • the minimum heat transfer constant R, h of the cooling element 1 according to the invention should not be less than 3000 W / (m 2 K). With lower values of R «, cooling is insufficient. For water as a possible cooling medium, this results in a minimum flow velocity of 0.1 m / sec with 1 kW power loss
  • a minimum flow rate of about 0.1 m / sec is not underestimated.
  • the coolant flow rate from which the cooling body 1 is abrasively damaged may be exceeded.
  • this limit is, for example, 1 m / sec, for aluminum at 1.5 m / sec
  • the flow of the cooling medium e.g. water
  • the Kuhlko ⁇ er 1 succeeds with the Kuhlko ⁇ er 1 according to the invention a significant reduction in the heat resistance.
  • the heat resistance is clearly below 30 K / kW.
  • the value is, for example, 20 K / kW
  • FIG. 4 shows a further advantageous embodiment of a cooling body 1 according to the invention.
  • a lower part 2 'and an annular middle part 2 "coolant inlet and outlet 3 and 4 can be arranged on the middle part 2" on opposite sides or the same sides of the circumference of the middle part 2 "on the inside of the upper part 2 and the lower part 2 'smd pins 5 and 5 " arranged (only indicated)
  • the parts 2 and 2' smd with the middle part 2" aligned and detachably connected by means of sealant 10.
  • the lower sealant 10 ' is not shown Flat openings or round lines, e.g. made of Perbunan or Viton.
  • the detachable connection can be made using clamps, sleeves or the like.
  • FIG. 5 shows such a connecting chamber with which the cooling body parts 2, 2 'and 2 "can be detachably connected to one another.
  • Several clamps of this type are arranged on the outer edge of the cooling body 1.
  • This type of connection is particularly in the stacked arrangement with a plurality of cooling elements connected in series and power components to be cooled, for example in electric motor power trains, are advantageous.
  • the actual holding force, which presses the parts together, is applied via the clamping device of the stack, which is typically around 40 kN when the cooling body stacks are received.
  • the clamping of the individual cooling bodies facilitates maintenance and replacement of any defective components or Kuhlko ⁇ er from b the stack considerably
  • the middle part 2 is hollow and has connections 3 and 4 for the coolant. It is particularly advantageous if this middle part consists of metal (aluminum or copper or other cost-effective materials) or plastic. While ceramic bodies connect the coolant lines is technically complex This is considerably simplified in the arrangement according to the invention.
  • the connections such as commercially available flange connections or sockets, can be attached, for example, by means of screw threads on the central part 2 "or connected to this by soldering
  • the cooling element 1 can preferably be made of insulator parts, such as aluminum, silicon carbide. Alumina. Berylhumoxid, silicon oxide or formed from Scfuchtko ⁇ ern sem. ⁇ e are provided with heat-conducting coatings, for example from the above-mentioned group of insulators or diamond
  • the multi-part cooler body 1 according to the invention is preferably composed of insulating, preferably voleramic parts 2 and 2 'and a metallic or insulating middle part 2 "

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Kühlkörper aus einem wärmeleitenden Isolator mit im Innenraum des Kühlkörpers angebrachten Zapfen (5). Das Verhältnis aus dem Volumenanteil der Zapfen (5) und dem Volumenanteil der Gräben (6) im Innenraum der beiden Kühlkörperteile (2, 2') im Bereich der gedachten direkten Verbindungslinie (7) zwischen einem Kühlmittelausgang (4) und einem Kühlmitteleingang (3) ist größer als in den Bereichen außerhalb der gedachten Verbindungslinie (7).

Description

Kuhlkoφer mit Zapfen
Die Erfindung betπfft emen Kuhlkoφer gemäß dem Oberbegnff des Anspruchs 1
Aus der Patentschπft DE 40 17 749 ist ein Kuhlkoφer bekannt, der aus emer oberen und emer unteren Hälfte zusammengesetzt ist und bei dem auf der inneren Oberflache emer solchen Hälfte stoffschlussig Zapfen senkrecht im Stromungsweg des Kuhlmediums angeordnet sind
Das Problem emer solchen Anordnung besteht dann, daß die Wärmeableitung etwaiger Bauelemente auf den Außenflachen des Kuhlkoφers inhomogen ist Zwischen Kuhlmitteleingang und Kuhlmittelausgang wird der Stromungsweg kurzgeschlossen Es bilden sich deshalb heiße Zonen auf den Außenflachen Der Warmewiderstand der Anordnung in DE 40 17 749 hat zudem emen hohen Warmewiderstand von ca 30 K/kW, was zu emer Uberhitzung des Kuhlmittels führt
Aufgabe der Erfindung ist es daher, emen Kuhlkoφer mit einer Zapfenanordnung anzugeben, der die Stromungsverhaltnisse im Kuhlkoφer verbessert
Die Aufgabe wird durch die Merkmaie des Anspruchs 1 gelost Weiterführende und vorteilhafte Ausgestaltungen smd den Unteranspruchen 2 - 6 und 7 - 22 und der Beschreibung zu entnehmen
Bei dem erfindungsgemaßen Kühlkörper ist die lokale Dichte der Zapfen so gewählt, daß im Innenraum des Kuhlkoφers em un wesentlichen homogener Stromungswiderstand herrscht Em Kurzschluß des Stromungsweges des Kuhlmittels wird unterbunden, und das Kuhlmittel strömt gleichmaßig um die Zapfen
Besonders vorteilhaft ist, wenn zusätzlich die mindestens an einer inneren Oberflache stoffschlussig angebrachten Zapfen eine spitz zulaufende Form aufweisen, wobei die jeweilige Kontaktflache eines Zapfens zu einer inneren Oberflache des Kuhlkoφers den größten Querschnitt des Zapfens aufweist Der Warmewiderstand der Anordnung ist damit reduziert
Besonders vorteilhaft ist es. den Kuhlkoφer aus mehreren Teilen losbar zusammenzusetzen
Bei einer Weiterbildung, die eigenständigen, erfinderischen Gehalt aufweist, sind die Zapfen (5. 51) entlang des Stromungsweges mit einem Offhungswinkel von 40° bis 60° angeordnet Der erfindungsgemaße Kuhlkoφer zeichnet sich durch die stromungsgunstige Ausbildung der Zapfen sowie durch einen hohen Fullgrad mit Zapfen im Kuhlkoφeπnnern aus
Besonders vorteilhaft ist es. wenn zusatzlich die mmdestens an emer inneren Oberflache stoffschlussig angebrachten Zapfen eine spitz zulaufende Form aufweisen, wobei ώe jeweilige Kontaktflache emes Zapfens zu emer inneren Oberflache des Kuhlkoφers die größte Querschnittsflache des Zapfens aufweist Der Warmewiderstand der Anordnung ist damit reduziert
Im folgenden ist die Erfindung anhand von Abbildungen naher beschrieben
Es zeigen
Fig la eme Seitenansicht emes Kuhlkoφers
Fig 1 b eme Aufsicht auf die Innenseite einer Kuhlkoφerhalfte mit ungleich verteilten Zapfen
Fig 2 eme Ansicht von oben der Innenseite einer weiteren Ausführungsform emer
Kuhlkoφerhalfte mit ungleich verteilten Zapfen. Fig 3a eme Seitenansicht eines Kuhlkoφers mit aufeinanderstellenden Zapfen im Längsschnitt, Fig 3b eine Ansicht emer anderen Ausführungsform eines Kuhlkoφers mit aufeinanderstellenden Zapfen im Längsschnitt. Fig 3 c emen Kuhlkoφer mit ineinandergreifenden Zapfen im Längsschnitt. Fig 4 den Aufbau emes mehrteiligen Kuhlkoφers, Fig 5 eine Klammer zum Verbinden der Teile eines mehrteiligen Kuhlkoφers
Fig 1 a zeigt die Seitenansicht emes erfindungsgemaßen Kuhlkoφers 1 mit einem oberen und emem unteren Teil 2 und 2' Die Anschlüsse für Kuhlmitteleingang 3 und Kuhlmittelausgang 4 sind angedeutet Die Anschlüsse 3 und 4 können auf gegenüberliegenden Seiten oder auf derselben Seite angeordnet sein Die beiden Teile 2 und 2' smd miteinander verbunden und können z B verklebt, gesintert, verschraubt oder geklammert oder über em Zwischenstuck miteinander verbunden sem Der Kuhlkoφer ist z B für flussige Kuhlmedien geeignet, kann aber auch für gasformige Kuhlmedien eingesetzt werden
In Fig 1 b ist eme Aufsicht auf die Innenfläche der Kuhlkoφerhalfte 2 des Kuhlkoφers 1 dargestellt, wobei die Wand durch emen Kreis schematisch gezeichnet ist Auf der Innenflache des Kuhlkoφerteils 2 ist eme Vielzahl von Zapfen 5 angeordnet Die Zapfen 5 sind durch Kanäle 6 getrennt und ungleichmäßig über die Innenflache des Kuhlkoφerteils 2 verteilt Der Fullgrad der Zapfen 5 im Bereich der gedachten kürzesten Verbindungslinie 7 zwischen Kuhlmitteleingang 3 und Kuhlmittelausgang 4 ist hoch, entfernt davon geπng, so daß der Stromungswiderstand über die o
Flache gesehen für jeden möglichen Stromungsvveg zwischen 3 und 4 in etwa gleich ist Der Bereich mit der höheren Zapfendichte ist dabei mindestens so breit wie der kleinere der Durchmesser von Kuhlwasseremgang und -ausgang 3 und 4
Vorteilhaft ist eme mittlere Zapfendichte von 2 - 7 Zapfen/cm", msbesondere 4 - 6 Zapfen/cm3 in diesem Bereich, da bei emer derartigen Dichte die Werkzeuge bei emer etwaigen Keramik- Prozeßtechnik für den Kuhlkoφer 1 noch gut handhabbar smd Die daraus resultierende gennge Kanalbreite ist vorteilhaft für die Stromungsgeschwindigkeit des Kuhlmediums Die Anordnung weist emen geπngen Warmewiderstand von nur 20 K/kW auf
Der Fullgrad variiert von 1 1 (Hohlraum zu Volumenanteil Matenal) bis 2 1 Der Vorteil liegt dann, daß für emen sochen Fullgrad die Fertigung der Werkzeuge zur Herstellung emes solchen Kuhlkoφers. z B durch Pressen und Sintern von Keramik, noch einfach ist Etwaiger Ausschuß durch Ausbrechen von Zapfen 5. 5 ' oder Kanälen 6 wird vermieden Außerdem ist dann die Stromungsgeshwmdigkeit bei den üblichen Kuhlmitteldurchflussen um 10 1/πun groß genug für eme ausreichende Waππeabfuhr, jedoch noch klein genug, um den Kuhlkoφer 1 nicht abrasiv zu schadigen
Die Vaπauon des Fullgrades kann erzielt sem durch Weglassen bzw Hinzufügen von Zapfen 5. 5' oder durch Vergroßem oder Verkleinern von Zapfen 5, 5 ' oder Kanälen 6 oder Verandern der Zapfengroße oder Kanalgroße mit unveränderten Kanälen 6 bzw Zapfen 5, 5* Wesentlich dabei ist. daß das Maximum der Stromungsgeschwindigkeit des Kuhlmittels längs der Kanäle 6 in jedem Kanal nicht mehr als 50%, insb nicht mehr als 30%. unter oder über dem mittleren Stromungsgeschwmdigkeitsmaximum hegt
Die Zapfen können dabei an sich beliebige Formen aufweisen Es zeigt sich jedoch, daß eine spezielle Grundflache der Zapfen 5, 5' besonders vorteilhaft ist
In Fig 2 ist eme Aufsicht auf die Innenflache eines Kuhlkoφerteiis 2 emer besonders gunstigen Ausführungsform eines Kuhlkoφers 1 dargestellt Auf der Innenflache des Kuhlkoφers 2 ist eme Vielzahl von stromungsgunstigen Zapfen 5 angeordnet Die Grundflache der Zapfen ist rautenförmig, wobei ώe lange Diagonale 8 der Zapfen 5 in etwa parallel zum möglichen Stromungsweg des Kuhlmediums angeordnet ist Die Rautenform ist besonders gunstig. da sich an der angeströmten Spitze des Zapfens 5 kein Staupunkt ausbilden kann Stattdessen wird die Strömung des Kuhlmediums geteilt und kann den Zapfen 5 umströmen und kühlen
Es zeigt sich, daß speziell bei ώeser Zapfenform das Verhältnis von Oberflache zu Volumen sehr gunstig ist. was die mögliche Warmeabfuhr weiter verbessert Bei der Verwendung von einem gut wärmeleitenden Material wie z B Aluminiumnitnd liegt ώe Warmeubergangskonstante dieser Anordnung bei über 3000 W/(m2K)
Die Umstromung der Zapfen 5 mit rautenförmiger Grundflache ist erfindungsgemaß dann besonders vorteilhaft, wenn der Offiiungswinkel der angeströmten vorderen Spitze jeder Raute 5 zwischen 40° und 60°, insb zwischen 46° bis 55° hegt, da ώe Strömungsgeschwindigkeit um den Zapfen dann maximal bzw ώe Uberstromlange klein ist Bei größeren Winkeln oder z. B bei zylmderfbrmigen Zapfen verschlechtert ώe Ausbildung von Staupunkteπ an der Anstromseite der Zapfen 5 ώe Umstromung, bei geringeren Winkeln verringert sich ώe mechanische Stabilität der umströmten Zapfen 5 Außerdem ist ώe Uberstromlange bei emer vorgegebenen gunstigen Zapfenώchte zu groß und verschlechtert den Warmeabfluß aus dem Zapfen 5
In Fig 3a ist im Querschnitt eme weitere vorteilhafte Zapfenform dargestellt. Die Zapfen 5 laufen kegelförmig spitz in das Innere des Kuhlkoφers 1 zu und kontaktieren mit ihrer größten Querschnittsflache ώe innere Oberflache 2 des Kuhlkoφers 1 Die Spitze der Zapfen 5 kann spitz oder abgeplattet sein Damit kann ώe Warmeabfuhr weiter verbessert werden, da eme etwaige heiße Seite des Kühlkoφers großflächig kontaktiert ist und die warmeabieiteπden Zapfen 5, 5' emen großflächigen Kontakt zum Kuhlmeώurn aufweisen. Gleichzeitig kann mit ώeser Zapfenform an sich teures Grundmateπal bei der Herstellung des Kuhlkoφers 1 eingespart werden
Im gezeigten Beispiel ist der Aufbau der beiden Kuhlkoφerteile 2, 2' des Kύhlkoφers symmetrisch zur Spielebene 9 zwischen den beiden Kuhlkoφerteileπ 2 und 2\ ώe Zapfen 5, 5' stehen sich im fertig montierten Zustand des Kuhlkoφers 1 direkt gegenüber
In Fig 3b ist eine spiegelsymmetπsche Anordnung der Zapfen 5. 5' gezeigt Beide Kuhlkoφerteile 2. T weisen an ihren Innenseiten Zapfen 5, 5' auf. Die Anordnung ist symmetnsch zur Spiegelebene 9 zwischen den beiden Kuhlkoφerhalften 2 und 2', ώe Zapfen 5. 5' stehen sich im fertig monueren Zustand des Kuhlkoφers 1 direkt gegenüber
In Fig 3c ist eme Anordnung gezeigt, die einen besonders hohen Fullgrad der Zapfen erlaubt Die Zapfen 5, 5' der oberen und unteren Kύhlkorperteile 2, 2' smd versetzt zueinander und ineinandergreifend angeordnet Damit kann die Kuhlmittelgeschwinώgkeit noch weiter erhöht werden, da die Kanäle 6 auch im mittleren Bereich des Kuhlkoφers 1. wo ώe beiden Kuhlkoφerteile 2 un 2' aufeinandertreffen, schmal smd Auch m ώeser Anordnung können prinzipiell verschiedene Zapfenformen und -grundflachen gewählt werden Grundsatzlich ist die Warmeabfuhr dann optimal, wenn die Kuhlmittelgeschwindigkeit so hoch ist. daß sich eine turbulente Strömung ausbildet Es zeigt sich aber, daß bei derart hohen Geschwindigkeiten das Kuhlmittel den Kuhlkoφer durch Erosion beschädigt
Die minimale Warmeubergaπgskonstante R,h des erfindungsgemaßen Kuhlkoφers 1 soll nicht unter 3000 W/(m2K) liegen. Bei geringeren Werten von R«, ist ώe Kühlung unzureichend Für Wasser als etwaiges Kuhlmeώum ergibt sich daraus z B bei 1 kW Verlustleistung eme minimale Strömungsgeschwindigkeit von 0.1 m/sec
Wesentlich ist, daß eme minimale Strömungsgeschwindigkeit von ca 0, 1 m/sec nicht unterschntten wird. Als obere Grenze der Strömungsgeschwindigkeit darf diejenige Kühlmittelgeschwmώgkeit rucht überschritten werden, ab welcher der Kύhlkoφer 1 abrasiv beschädigt wird. Für Alurrumurnmtπd ist ώese Grenze z B bei 1 m/sec, bei Aluminium bei 1 ,5 m/sec
Obwohl die Strömung des Kuhlmediums. z B Wasser, noch laminar ist. gelingt mit dem erfindungsgemaßen Kuhlkoφer 1 eme deutliche Reduktion des Warmewiderstands Der Warmewiderstand hegt deutlich unterhalb von 30 K/kW Für ώe genannten Daten des Beispiels liegt der Wert z.B bei 20 K/kW
In Fig 4 ist eme weitere vorteilhafte Ausgestaltung eines erfindungsgerriaßen Kuhlkoφers 1 gezeigt. mit emem oberen Teil 2, emem unteren Teil 2' und einem ringförmigen Mittelteil 2" Kühlmitteleingang und -ausgang 3 und 4 können am Mittelteil 2" auf entgegengesetzten Seiten oder gleichen Seiten des Urnfangs des Mittelteils 2" angeordnet sem Auf der Innenseite des oberen Teils 2 und des unteren Teils 2' smd Zapfen 5 und 5" angeordnet (nur angedeutet) Die Teile 2 und 2' smd mit dem Mittelteil 2" mittels Dichtungsmittel 10 abgeώchtet und losbar verbunden Das untere Dichtungsmittel 10' ist nicht dargestellt Als Dichtungsmittel eignen sich beispielsweise elastische Flachώchtungen oder Rundschnurnnge. z B aus Perbunan oder Viton Die losbare Verbindung kann über Klammem. Muffen oder dgl hergestellt sem.
In Fig 5 ist eme solche Verbindungskiammer dargestellt, mit der die Kuhlkoφerteile 2, 2' und 2" losbar miteinander verbunden werden können Mehrere Klammern ώeser Art sind am Außenrand des Kuhlkoφers 1 angeordnet. Diese Verbindungsart ist besonders in der Stapelanordnung mit emer Vielzahl von luntereinandergeschalteten Kuhlkoφem und zu kühlenden Leistungsbauelementen z B in Elektromotor-Leistungsstrangen vorteilhaft Die eigentliche Haltekraft, die die Teile zusammenpreßt, wird über die Einspannvorπchtung des Stapels aufgebracht, die bei den bekamen Kuhlkoφerstapeln typischerweise ca 40 kN betragt Das Klammern der einzelnen Kuhlkoφer erleichtert die Wartung und das Austauschen etwaiger defekter Bauelemente oder Kuhlkoφer aus b dem Stapel erheblich
Der Mittelteil 2" selbst ist hohl ausgeführt und hat Anschlüsse 3 und 4 für das Kühlmittel Besonders vorteilhaft ist, wenn ώeser Mittelteil aus Metall (Aluminium oder Kupfer oder anderen kostengunsügen Materialien) besteht oder aus Kunststoff Wahrend bei keramischen Koφem der Anschluß von Kuhlmittelleitungen technisch aufwendig ist. ist dies m der erfindungsgemaßen Anordnung erheblich vereinfacht Die Anschlüsse, wie etwa handelsübliche Flanschverbindungen oder Stutzen, können z B über Schraubgewmde am Mittelteil 2" befesngt oder durch Anlöten mit ώesem verbunden sem
Bei Verwendung von isolierenden, wärmeleitenden Keramiken für die Teile 2 und 2' ist eme beträchtliche Matenalersparrus bei der Hersteilung des Kuhlkoφers 1 insgesamt und damit eine Kostenersparnis der teuren Grundstoffe möglich, ohne ώe geforderte Hochspannungstaughchkeit emer solchen Kuhlanordnung zu verschlechtern Ebenso wird ώe Abdichtung und ώe Verbmduπg der Kuhikoφerteile 2. 2', 2" miteinander stark vereinfacht und ώe Zuverlässigkeit des Kuhlkoφers 1 erhöht
Als Matenal für den erfindungsgemaßen Kuhlkoφer 1 ist ein gut wärmeleitendes Matenal vorteilhaft Ist eine große elektrische Isolierfähigkeit notwendig, kann der Kuhlkoφer 1 vorzugsweise aus Isolator-Teilen, wie z B Alummiumnitnd, Siliziumkarbid. Aluminiumoxid. Berylhumoxid, Siliziumoxid oder aus Scfuchtkoφern gebildet sem. ώe mit gut wärmeleitenden Beschichtungen versehen sind, z B aus der obengenannten Gruppe von Isolatoren oder Diamant
Vorzugsweise wird der erfindungsgemaße mehrteilige Kuhlkoφer 1 aus isolierenden, vorzugsweise volikeramischen Teilen 2 und 2' und einem metallischen oder isolierenden Mittelteil 2" zusammengesetzt

Claims

Patentansprüche
1 Kuhlkoφer bestehend aus emem oberen und unteren Teil (2, 2') mit an mindestens emer der Innenseiten stoffschlussig angeordneten und m das Kuhimeώum hineinragenden Zapfen (5, 5'). ώe durch Graben (6) getrennt smd, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis aus dem Volumenanteil der Zapfen (5, 5') und dem Volumenanteil der Graben (6.6') un Innenraum der beiden Kuhlkoφerteile (2.2') im Bereich der gedachten direkten Verbindungslinie (7) zwischen emem Kύhlmitteiausgang (4) und emem Kuhlmitteleingang (3) großer ist als in den Bereichen außerhalb der gedachten Verbindungslinie (7)
2 Kuhlkoφer nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet. daß der Fullgrad der Zapfen (5, 5*) im Bereich der gedachten kürzesten Verbindungslinie (7) zwischen emem Kuhlmittelausgang (4) und emem Kuhlmitteleingang (3) hoch ist. entfernt davon gering, so daß der Stromungswiderstand über ώe Flache gesehen für jeden möglichen Stromungwiderstand zwischen einem Kuhlmittelausgang (4) und emem Kuhlπuttelemgang (3) in etwa gleich ist
3 Kuhlkoφer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet. daß der vorgegebene Bereich entlang der gedachten direkten Verbindungslinie (7) zwischen emem Kuhlmittelausgang (4) und emem Kuhlmitteleingang (3) mmdestens so breit ist wie kleinere der Durchmesser von Kuhlmittelausgang (4) und Kuhlmitteleingang (3)
4 Kuhlkoφer nach emem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet. daß das Verhältnis des Volumenanteils der Kanäle (6) zum Volumenanteil der Zapfen (5.5) zwischen I 1 und 21 ist
5 Kuhlkoφer nach emem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet. daß die Zapfen (5.5') im wesentlichen spitz zulaufend ausgebildet sind, wobei die größte Flache der Zapfen (5, 5*) mit der Kuhlkoφeπnnenseite (2, 2') in Kontakt ist
6 Kuhlkoφer nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet. daß die Grundflache der Zapfen (5.5") mehreckig ausgebildet ist
7 Kύhlkoφer insbesondere nach emem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ώe Zapfen (5, 5') entlang des Stromungswegs mit emem όfrhungswinkel von 40° bis 60° angeordnet sind.
8. Kühikoφer nach emem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Grundfläche der Zapfen (5, 5') rautenförmig ausgebildet ist.
9 Kühlkoφer nach Anspruch 7. dadurch gekennzeichnet, daß die Grundfläche der Zapfen (5.5') dreieckig ist
10 Kühlkoφer nach Anspruch 8 oder 9. dadurch gekennzeichnet. daß ώe Winkelhalbierende (7) emer angeströmten Ecke der Zapfen (5, 5") un wesentlichen parallel zum Stromungsweg des Kühimediums angeordnet sind
11. Kühlkoφer nach einem oder mehreren der vorhergehenden .Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die obere und ώe untere Kühlkoφerteil-lnneniläche (2, 2') mit Zapfen (5, 5') versehen smd.
12. Kühlkoφer nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Zapfen (5) der oberen Kuhlkoφeπnnenseite (2) und ώe Zapfen (5') der unteren Kühlkoφerseite (2') spiegelsymmetπsch zueinander oder gegeneinander versetzt angeordnet smd.
13 Kühlkoφer nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Strömungsgeschwindigkeitsmaximum des Kühlmittels längs der Kanäle (6) geπnger als ώe den Kühlköφer ( 1 ) abrasiv schädigende Geschwmώgkeit ist.
14 Kühlkoφer nach emem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Stromungsgeschwindigkcitsmaximum des Kuhlmiπeis längs der Kanäle (6) nicht mehr als 50% unter oder über dem Stromungsgeschwindigkeitsmaximum ist
15 Kuhlkoφer nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Warmewiderstand des Kuhlkoφers ( 1 ) kleiner ais 25 K/kW hat.
16 Kuhlkoφer nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet. daß der Kuhlkoφer (1) aus einem Isolator wie Aluminiumoxid. Berylhumoxid und/der Siliziumoxid gebildet ist
17 Kuhlkoφer nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet. daß der Kuhlkoφer (I) aus emem wärmeleitenden Matenal beschichtet ist. wie Aluminiumnitπd. Siliziumkarbid. Aluminiumoxid. Siliziumoxid und/oder Diamant
18 Kuhlkoφer nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlkoφer (1) mit einem Zwischenteil (2") zwischen dem oberen und der unteren Teil (2, 2') ausgestattet ist
19 Kuhlkoφer nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet. daß das Kuhlkoφermittelteil (2") losbar mit dem oberen und dem unteren Teil (2, 2') verbunden ist
20 Kühlkoφer nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Kuhlkoφermittelteil (2") aus emem metallischen oder elektπsch isolierenden
Werkstoff gebildet ist
21 Kuhlkoφer nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet. daß das Kύhlkoφermittelteil (2") aus einem Schichtkoφer mit elektrisch isolierenden Beschichtungen gebildet ist 22 Kuhlkoφcr nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet. daß das Kuhlkoφermitteltcil (2") mit Kύhlmedienanschlussen (3.4) versehen ist.
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