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Stand der
Technik
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Die
Erfindung betrifft einen Kühlkörper für den Regler
einer Elektromaschine, insbesondere für einen Spannungsregler eines
Gleichstromgenerators eines Fahrzeugs.
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Regler
von Elektromaschinen, wie der Spannungsregler eines Gleichstromgenerators
eines Kraftfahrzeugs, sind im Allgemeinen in der Nähe der Elektromaschine
montiert, so dass sie gekühlt
werden müssen,
um eine Beschädigung
von wärmeempfindlichen
elektronischen Bauteilen des Reglers infolge der im Betrieb der
Elektromaschine erzeugten Wärme
zu vermeiden. Augenblicklich von der Anmelderin hergestellte und
am Generator montierte Spannungsregler von Kraftfahrzeugen sind
dazu auf ihrer vom Generator abgewandten Seite mit einem Kühlkörper aus
einem gut wärmeleitenden
Material versehen, der im Betrieb des Generators mit einem Kühlluftstrom
aus einem vom Generator angetriebenen Kühlluftgebläse beaufschlagt wird. Um die
Kühlleistung
zu verbessern, weist der Kühlkörper dort
auf seiner Oberseite mehrere im Wesentlichen parallel zueinander
ausgerichtete glatte Kühlrippen
auf, deren Oberflächen
zusammen mit den Oberflächen
in den Zwischenräumen
zwischen den Kühlrippen
eine Wärmetauscheroberfläche des
Kühlkörpers bilden. Diese
Wärmetauscheroberfläche ist
in Bezug zum Kühlluftstrom
so ausgerichtet, dass die Kühlluft
durch die Zwischenräume
zwischen den Kühlrippen
hindurch im Wesentlichen parallel zur Oberseite des Kühlkörpers an
der Wärmetauscheroberfläche vorbei geleitet
wird. Jedoch wurde festgestellt, dass sich an der Wärmetauscheroberfläche Grenzschichten
bilden, die eine konvektive Wärmeübertragung
und damit die Kühlwirkung
beeinträchtigen.
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Ausgehend
hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Kühlkörper mit
einer verbesserten Kühlwirkung
bereitzustellen.
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Offenbarung
der Erfindung
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Zur
Lösung
dieser Aufgabe wird ein Kühlkörper mit
den im Anspruch 1 genannten Merkmalen vorgeschlagen. Dieser Kühlkörper weist
den Vorteil einer besseren Kühlwirkung
auf und ermöglicht
bei gleichbleibender Temperatur und Strömungsgeschwindigkeit der Kühlluft eine
Temperaturabsenkung im Inneren des Reglers und insbesondere in den
Bereichen mit der höchsten
Temperatur um mehrere Kelvin.
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Der
Erfindung liegt die durch Simulationen und Versuche gewonnene Erkenntnis
zugrunde, dass sich die unterschiedliche Form und Beströmung der
Wärmetauscheroberflächen positiv
auf den Wärmeübergang
zwischen der Wärmetauscheroberfläche und
dem Kühlluftstrom
auswirkt, insbesondere dann, wenn in bevorzugter Ausgestaltung der
Erfindung die Wärmetauscheroberfläche im Zuströmbereich
entweder eine im Wesentlichen ebene und senkrecht zu einer Hauptströmungsrichtung
der ankommenden Kühlluft
ausgerichtete Anströmfläche oder
eine konvex gewölbte
Oberseite einer sattelförmigen
Erhebung mit mindestens zwei schräg zur Hauptströmungsrichtung
der ankommenden Kühlluft ausgerichteten
Umlenkflächen
umfasst. In diesem Fall wird der Kühlluftstrom von der Anströmfläche bzw.
von der Oberseite der Erhebung in Richtung des Abströmbereichs
umgelenkt, wo der Kühlkörper ähnlich wie
bekannte Kühlkörper vorzugsweise
mit überstehenden
rippenartigen Vorsprüngen
versehen ist, zwischen denen die Kühlluft zu einem benachbarten Rand
des Kühlkörpers strömen kann.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist der Zuströmbereich
im Wesentlichen in der Mitte der mit der Wärmetauscheroberfläche versehenen
Oberseite des Kühlkörpers angeordnet,
dessen Unterseite dem Regler zugewandt ist, während der Abströmbereich
den Zuströmbereich entweder
mindestens teilweise umgibt oder auf entgegengesetzten Seiten des
Zuströmbereichs
angeordnet ist.
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Eine
weitere bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass innerhalb
des Zuströmbereichs
mehrere einzelne, über
die Anströmfläche und/oder
die Erhebung überstehende
stift- oder nadelartige Vorsprünge
angeordnet sind, deren Oberflächen
zusammen mit der Anströmfläche bzw.
der Oberseite der Erhebung im Zuströmbereich die Wärmetauscheroberfläche bilden.
Diese stift- oder
nadelartigen, über
die Anströmfläche überstehenden
Vorsprünge
haben den Vorteil, dass die ankommende Kühlluft bereits vor ihrem Kontakt
mit der Anströmfläche bzw.
der Oberseite der Erhebung an den Umfangsflächen der Vorsprünge entlang
strömt
und dabei Wärme
aus den Vorsprüngen
aufnimmt. Durch die stift- oder
nadelartige Form der Vorsprünge
weisen diese verhältnismäßig große, von
der Kühlluft umströmte Umfangsflächen aber
eine verhältnismäßig kleine
von der Kühlluft
angeströmte
Stirnfläche auf,
so dass die ankommende Kühlluft
an den Vorsprüngen
nicht oder nur geringfügig
abgelenkt und die Größe der Anströmfläche bzw.
der Oberseite der Erhebung nicht merklich verkleinert wird.
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Eine
besonders bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass
mindestens ein Teil der stift- oder nadelartigen Vorsprünge im Abstand
voneinander entlang der sattelförmigen
Erhebung und/oder beiderseits der sattelförmigen Erhebung angeordnet
ist, da sich dies bei Simulationen und Messungen als günstigste
Variante für
den Zuströmbereich
erwiesen hat.
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Die
sattelförmige
Erhebung weist dabei im Querschnitt bevorzugt ein Verhältnis von
Höhe zu Breite
der Basis von etwa 0,8 bis 1,2 auf, während das Verhältnis von
Breite der Basis zu Breite des Scheitels etwa 2,0 bis 4,0 beträgt.
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Die
stift- oder nadelförmigen
Vorsprünge weisen
zweckmäßig eine
von ihrem Fuß aus
kegelstumpfförmig
verjüngte
Gestalt auf, bei der das Verhältnis
von Höhe
zu Fußdurchmesser
etwa 1,0 bis 2,5 beträgt,
während
das Verhältnis
von Fußdurchmesser
zu Kopfdurchmesser etwa 1,8 bis 2,2 beträgt.
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Grundsätzlich kann
die Anströmfläche bzw. die
sattelförmige
Erhebung im Zuströmbereich
jedoch auch leer sein, das heißt
keine überstehenden Vorsprünge aufweisen.
Eine Verwendung von rippenartigen Vorsprüngen im Zuströmbereich
hat sich hingegen als ungünstig
erwiesen.
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Wie
bereits angegeben, werden demgegenüber im Abströmbereich
rippenartige Vorsprünge
bevorzugt, die sich vorzugsweise vom Zuströmbereich weg in Richtung eines
benachbarten Randes der Wärmetauscheroberfläche erstrecken
und deren Oberflächen
zusammen mit dem Boden der langgestreckten Zwischenräume zwischen
den Vorsprüngen
die Wärmetauscheroberfläche innerhalb
des Abströmbereichs
bilden und infolge der Vergrößerung der
Wärmetauscheroberfläche im Vergleich
mit einer ebenen Oberfläche
eine Verbesserung des Wärmeübergangs
im Abströmbereich
ermöglichen.
Die Zwischenräume
zwischen benachbarten Vorsprüngen bilden
dort Strömungskanäle für die Kühlluft,
die nach ihrer Umlenkung im Zuströmbereich entlang der rippenartigen
Vorsprünge,
das heißt
im Wesentlichen parallel zur Oberseite des Kühlkörpers durch den Abströmbereich
hindurch zum benachbarten Rand der Wärmetauscheroberfläche strömt.
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An
Stelle der rippenartigen Vorsprünge
können
im Abströmbereich
jedoch auch stift- oder nadelartige Vorsprünge vorgesehen sein, wobei
diese in Strömungsrichtung
der Kühlluft
im Abströmbereich bevorzugt
versetzt zueinander angeordnet sind. Durch einen Versatz der Vorsprünge wird
eine bessere Umströmung
der Vorsprünge
erreicht und damit die Oberflächen
der Vorsprünge
vergrößert, an
denen die Kühlluft
beim Hindurchtritt durch den Abströmbereich entlang strömen muss.
Die Anordnung der Vorsprünge
ist zweckmäßig so gewählt, dass
der Versatz der Vorsprünge
in zwei in Strömungsrichtung der
Kühlluft
hintereinander angeordneten Reihen von Vorsprüngen dem halben Mittenabstand
der Vorsprünge
in jeder Reihe entspricht, während
der Abstand der beiden benachbarten Reihen in Strömungsrichtung
zweckmäßig das
0,5 bis 1,5-fache des Mittenabstands von quer zur Strömungsrichtung benachbarten
Vorsprüngen
entspricht.
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Die
stift- oder nadelförmigen
Vorsprünge
im Abströmbereich
weisen zweckmäßig wie
die stift- oder nadelförmigen
Vorsprünge
im Zuströmbereich eine
von ihrer Basis aus kegelstumpfförmig
verjüngte Gestalt
auf, wobei das Verhältnis
von Höhe
zu Fußdurchmesser
etwa 1,0 bis 2,5 beträgt,
während
das Verhältnis
von Fußdurchmesser
zu Kopfdurchmesser etwa 1,8 bis 2,2 beträgt. Entsprechendes gilt auch
für die
rippenartigen Vorsprünge
bei Betrachtung in Strömungsrichtung
der Luft.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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Die
Erfindung wird nachfolgend in einigen Ausführungsbeispielen anhand der
zugehörigen Zeichnungen
näher erläutert. Es
zeigen:
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1:
eine perspektivische Ansicht eines bekannten Kühlkörpers für einen Spannungsregler eines
Gleichstromgenerators eines Kraftfahrzeugs;
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2:
eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Kühlkörpers für denselben Spannungsregler;
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3:
eine perspektivische Ansicht einer Simulation einer erfindungsgemäßen Beaufschlagung des
Kühlkörpers aus 2 mit
Kühlluft;
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4:
eine vereinfachte schematische Oberseitenansicht des Kühlkörpers mit
einer Darstellung des Zuström-
und Abströmbereichs;
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5:
eine vereinfachte schematische Schnittansicht des Kühlkörpers entlang
der Linie V-V der 4;
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6:
eine Oberseitenansicht des Kühlkörpers;
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7:
eine schematische Darstellung der Anordnung von stift- oder nadelartigen
Vorsprüngen des
Kühlkörpers;
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8:
eine schematische Schnittansicht von einem der stift- oder nadelartigen
Vorsprünge.
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Ausführungsformen
der Erfindung
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Die
in der Zeichnung dargestellten, aus einem Material mit guter Wärmeleitfähigkeit,
wie Aluminium, bestehenden Kühlkörper 2 dienen
zur Anbringung auf einem Spannungsregler (nicht dargestellt) eines
Gleichstromgenerators eines Fahrzeugs im Kühlluftstrom K eines Gebläses des
Gleichstromgenerators.
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Der
in 1 dargestellte bekannte Kühlkörper 2 wird in Richtung
des Pfeils K von einer Seite her mit der Kühlluft beaufschlagt, die mit
einer Wärmetauscheroberfläche 4 auf
der Oberseite des Kühlkörpers 2 in
einem Zuströmbereich 6 an
einer Seite der Wärmetauscheroberfläche 4 in
Kontakt tritt und den Kühlkörper 2 in
einem Abströmbereich
an der entgegengesetzten Seite der Wärmetauscheroberfläche 4 wieder
verlässt.
Um die mit dem Kühlluftstrom
im Kontakt stehende Wärmetauscheroberfläche 4 zu vergrößern, weist
der Kühlkörper 2 insgesamt
vier über
seine Oberseite überstehende
glatte Kühlrippen 10 auf,
die sich im Wesentlichen parallel zur Strömungsrichtung K der Kühlluft vom
Zuströmbereich 6 bis
zum Abströmbereich 8 erstrecken.
Jedoch wurde bei dem bekannten Kühlkörper 2 festgestellt,
dass sich beim Hindurchtritt der Kühlluft durch Strömungskanäle in den
Zwischenräumen 12 zwischen
benachbarten Kühlrippen 10 an
den Wänden
der Kühlrippen 10 und
am Boden der Zwischenräume 12 Grenzschichten
mit geringerer Strömungsgeschwindigkeit bilden,
welche die konvektive Wärmeübertragung und
damit die Kühlwirkung
des Kühlkörpers 2 beeinträchtigen.
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Aus
diesem Grund wurde der in den 2 bis 6 dargestellte
Kühlkörper 2 entwickelt,
dessen allgemeine Umrissform und Außenmaße denjenigen des bekannten
Kühlkörpers 2 entsprechen,
der jedoch anders als der bekannte Kühlkörper 2 zum einen nicht
von der Seite her sondern von oben mit der Kühlluft K beaufschlagt wird,
wie in 2 und 3 dargestellt, und der zum anderen
im Zuströmbereich 6 und
im Abströmbereich 8 unterschiedlich
gestaltet ist.
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Bei
dem in den 2 bis 6 dargestellten Kühlkörper 2 trifft
der zugeführte
Kühlluftstrom
in dem etwa in der Mitte der Wärmetauscheroberfläche gelegenen
Zuströmbereich 6 im
Wesentlichen senkrecht auf die Oberseite des Kühlkörpers 2, wo die Kühlluft überwiegend
nach zwei entgegengesetzten Seiten der Wärmetauscheroberfläche 4 abgelenkt
wird und dann im Wesentlichen parallel zur Oberseite des Kühlkörpers 2 durch
den Abströmbereich 8 zum
jeweils benachbarten Rand der Wärmetauscheroberfläche 4 strömt, wie
auch in den 4 und 5 schematisch
dargestellt.
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Wie
am besten in den 2, 3 und 6 dargestellt,
weist der Kühlkörper 2 im
Zuströmbereich 6 eine
Mehrzahl von einzelnen stift- oder
nadelartigen Vorsprüngen 12 auf,
die im Abstand voneinander über
eine zwischen den Vorsprüngen
angeordnete Anströmfläche 14 des
Zuströmbereichs 6 überstehen.
Wie in den 2 und 7 dargestellt, besitzen
die Vorsprünge 12 eine
kegelstumpfförmig nach
oben verjüngte
Gestalt mit einem gerundeten Kopf, wobei das Verhältnis von
Höhe h
zu Fußdurchmesser
d etwa 1,0 bis 2,5 beträgt,
während
das Verhältnis
von Fußdurchmesser
d zu Kopfdurchmesser d0 etwa 1,8 bis 2,2
beträgt.
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Bei
dem in den 2, 3 und 6 dargestellten
Kühlkörper 2 weist
der Zuströmbereich 6 weiter
eine sattelförmige
Erhebung 16 auf, die sich ungefähr parallel zu den entgegengesetzten
kürzeren
Rändern
der Wärmetauscheroberfläche 4 geradlinig über diese
hinweg erstreckt, so dass die zuströmende Kühlluft K von zwei schrägen Umlenkflächen an
den entgegengesetzten Seiten der Erhebung 16 überwiegend
in zwei beiderseits der Erhebung 16 angeordnete Teilbereiche 8a, 8b des
Abströmbereichs 8 umgelenkt
wird. Die Erhebung 16 ist so geformt, dass im Querschnitt
das Verhältnis
von Höhe
h zu Breite b ihrer Basis etwa 0,8 bis 1,2 beträgt, während das Verhältnis der
Breite b ihrer Basis zur Breite b0 ihres
Scheitels etwa 2,0 bis 4,0 beträgt,
wie in 2 dargestellt. Über die Erhebung 16 stehen
drei der stift- oder nadelartigen Vorsprünge 12 in gleichen
Abständen
voneinander über.
Beiderseits der Erhebung 16 ist noch innerhalb des Zuströmbereichs 6 jeweils eine
Reihe von stift- oder nadelartigen Vorsprüngen 12 im Abstand
voneinander entlang der Erhebung 16 angeordnet.
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Der
Abströmbereich 8 des
in den 2, 3 und 6 dargestellten
Kühlkörpers 2 besteht im
Wesentlichen aus den beiden im Abstand beiderseits der Erhebung 16 angeordneten
Teilbereichen 8a, 8b, wie aus 2 ersichtlich
ist. Der Abströmbereich 8 ist
mit überstehenden
Vorsprüngen 18 in Form
von länglichen
Kühlrippen
mit gerundeten Scheiteln versehen, die sich in einer Richtung von der
Erhebung 16 weg zum jeweils benachbarten Rand der Wärmetauscheroberfläche 4 hin
erstrecken, wobei benachbarte Vorsprünge 18 ggf. leicht divergieren.
Wie insbesondere im rechten Teil der 3 sichtbar
ist, strömt
ein Großteil
der im Zuströmbereich 6 zur
Wärmetauscheroberfläche 4 zugeführten Kühlluft durch
Zwischenräume 20 zwischen
den Kühlrippen 18 hindurch,
wo die Temperatur des Kühlkörpers 2 im
Vergleich zu den Oberseiten der Kühlrippen 18 höher ist,
so dass eine sehr gute Wärmeabfuhr
gewährleistet
wird.
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Durch
Versuche wurde zudem festgestellt, dass es bei dem Kühlkörper 2 aus
den 2, 3 und 6 sowohl
im Zuströmbereich 6 als
auch im Abströmbereich 8 nicht
oder nur in einem sehr geringen Maß zur Bildung von Grenzschichten
kommt und daher die konvektive Wärmeübertragung
nicht oder nur unwesentlich beeinträchtigt wird. Im Inneren des mit
dem Kühlkörper 2 aus
den 2, 3 und 6 versehenen
Spannungsreglers konnte daher in den Bereichen mit der höchsten Temperatur
eine Temperaturabsenkung um etwa 5 Kelvin gegenüber einem Spannungsregler mit
dem Kühlkörper 2 aus 1 gemessen
werden.
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Dort,
wo anders als in den Figuren dargestellt, beiderseits der sattelförmigen Erhebung 16 mehrere
Reihen von stift- oder nadelartigen Vorsprüngen 12 in Strömungsrichtung
der Kühlluft
im Zuström-
und/oder Abströmbereich
hintereinander angeordnet sind, sind die Vorsprünge 12 in diesen Reihen
zumindest im Abströmbereich 8 quer
zur Strömungsrichtung
der Kühlluft
gegeneinander versetzt. Wie in 6 dargestellt,
entspricht in diesem Fall der Versatz V in etwa dem halben Mittenabstand
T der Vorsprünge 12 jeder
Reihe, während
der Abstand a zwischen den Reihen das etwa 0,5 bis 1,5-fache des Mittenabstands
T beträgt.