DE102007002492A1

DE102007002492A1 - Plattenförmig aufgebauter Wärmetauscher, Kühlvorrichtung und Verfahren zur Herstellung eines Wärmetauschers

Info

Publication number: DE102007002492A1
Application number: DE102007002492A
Authority: DE
Inventors: Christof Bürdek; Richard Zinken
Original assignee: Deutsche Mechatronics GmbH
Current assignee: Deutsche Mechatronics GmbH
Priority date: 2007-01-11
Filing date: 2007-01-11
Publication date: 2008-09-25

Abstract

Die Erfindung betrifft einen plattenförmig aufgebauten Wärmetauscher mit mindestens einer Befestigungsfläche und einer Wärmetauscher- oder Kühlfläche, wobei die Befestigungsfläche aus einem mindestens eine Vertiefung in Form einer Sicke, Nut etc. (4, 5, 6, 18) aufweisenden Stahlblech (2, 3, 19) und die Wärmetauscher- bzw. Kühlfläche aus einer Kupferplatte (1) besteht, die die Vertiefung vollständig abdeckt und mit dieser über eine um den Rand der Vertiefung umlaufenden Schweißnaht (8-13) verbunden ist. Die Erfindung betrifft auch eine Kühlvorrichtung sowie ein Verfahren zur Herstellung eines plattenförmig aufgebauten Wärmetauschers mit mindestens einer Befestigungsfläche und mindestens einer Wärmetauscher- bzw. Kühlfläche, wobei die Befestigungsfläche aus einem Stahlblech besteht, in die mindestens eine Vertiefung als linien- oder ringförmiger Kanal mit geradem, gekrümmtem oder alternierendem Verlauf eingeformt wird. Die Vertiefungen werden mit einer Kupferplatte abgedeckt, wobei mehrere um die Vertiefungen umlaufende, schmale Randbereiche entstehen und wobei in den umlaufenden schmalen Randbereichen eine gas- und flüssigkeitsdichte Verbindung zwischen Stahlblech und Kupferplatte durch Laserschweißen erzeugt wird.

Description

Die Erfindung betrifft einen plattenförmig aufgebauten Wärmetauscher mit mindestens einer Befestigungsfläche und einer Wärmetauscher- oder Kühlfläche, einer unter Verwendung von Wärmetauschern aufgebauten Kühlvorrichtung, sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Wärmetauschers.
Aus dem Gebrauchsmuster DE 202 00 484 U1 ist eine Kühlvorrichtung für Bauteile, insbesondere für elektrische oder elektronische Bauteile bekannt, die in Schaltschränken eingesetzt werden sollen. Ausgehend von luftbeaufschlagten Schaltschrankkühlern, deren Kühlleistung jedoch bei vielen Hochleistungsbauteilen wegen des im Innern des Schaltschranks erzeugten Luftstroms unzulänglich blieb und die bisher relativ kostenaufwändig hergestellt werden mussten, soll eine intensivere Kühlung bei geringem Platzbedarf ermöglicht werden.
Das Prinzip der Kühlvorrichtung nach dem Gebrauchsmuster besteht nun darin, die Verlustwärme eines Hochleistungsbauteils durch Kontaktkühlung abzuleiten, ohne dass es hierzu einer besonderen Zwangsbelüftung in Innern des Schaltschranks bedurfte. Der Kühlkörper nach dem Gebrauchsmuster ist plattenförmig aufgebaut und besteht aus einer wärmeleitenden Platte und einem darin eingebetteten, von einem Kühlmedium durchströmten Wärmetauscher. Die wärmeleitende Platte wurde vorzugsweise aus Aluminium und die Kühlplatte aus einer Doppelplatte mit zwei im Abstand voneinander verlaufenden Wänden hergestellt, wobei im Zwischenraum zwischen den Wänden Kanäle in einer nutförmigen Vertiefung ausgebildet waren, die etwa mäanderförmig verliefen und von einem Kühlmedium durchströmt wurden.
In einer besonders effektiven Variante beschreibt das Gebrauchsmuster einen Wärmetauscher, der mit Kupferrohren ausgestattet ist, die von einem Kühlmedium durchströmt werden. Vorzugsweise sind diese Kupferrohre in einer nutartigen Vertiefung angeordnet, die sich über die ganze Länge der Kühlplatte erstreckt.
Bei dieser Variante wird in dem Ausführungsbeispiel des Gebrauchsmusters eine Kühlplatte mit an den Rändern quer abstehenden Vorsprüngen bzw. Stegen dargestellt, die in entsprechend ausgebildeten Nuträndern der nutartigen Vertiefung eingreifen. Zur Befestigung ist zusätzlich ein Federelement vorgesehen, das zwischen der Bodenfläche der Vertiefung und der dieser zugewandten Seite des Wärmetauschers angeordnet ist. Dadurch kann nach dem seitlichen Einschieben des Wärmetauschers eine Befestigung des Wärmetauschers über die Anpresskraft der Federelemente bewirkt werden.
Die bekannte Vorrichtung nach Gebrauchsmuster DE 202 00 484 har zwar im Vergleich zu einem Schaltschrankkühler einen geringeren Platzbedarf, sie ist jedoch in der Fertigung relativ kostenaufwändig wegen der erforderlichen Passgenauigkeit bei den Hinterschneidungen für die Eingriffe der an den Rändern der Kühlplatte abstehenden Stege. Außerdem ist diese Befestigungsart nicht gas- und flüssigkeitsdicht, sodass gesonderte Leitungen für das Kühlmedium erforderlich sind. Hier entstehen zwischen den Kühlleitungen ungenutzte Toträume, wodurch der Gesamtnutzungsgrad (Verhältnis von durchströmter Kühlfläche zu Wärmetauscherfläche) bei den bekannten Kühlvorrichtungen nicht optimal ist.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Wärmetauscher und eine Kühlvorrichtung zu entwickeln, welche eine effiziente Kontaktkühlung bei geringem Platzbedarf und geringen Fertigungskosten ermöglicht. Der neue Wärmetauscher soll aus möglichst wenigen Einzelteilen herstellbar und gewichtsgarend ausgebildet sein, sodass auch hocheffiziente Leichtbauteile hergestellt werden können, die mit einem unter Druck stehenden Kühl- oder Wärmetauschermedium beaufschlagt werden können.
Ferner soll ein Herstellungsverfahren angegeben werden, mit dem eine druckdichte, korrosionsfeste und gewichtsgarende Bauweise für plattenförmig aufgebaute Wärmetauscher verwirklicht werden kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß anhand mehrerer Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:
1 Teilquerschnitt durch einen erfindungsgemäß aufgebauten Wärmetauscher
2 Perspektivische Seitenansicht eines erfindungsgemäßen plattenförmigen Wärmetauschers
3 Teilquerschnitt durch eine erfindungsgemäße Kühlvorrichtung
4 Perspektivische Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung
5 Verfahrensschema zur Herstellung eines erfindungsgemäß aufgebauten plattenförmigen Wärmetauschers
Nach 1 besteht der plattenförmig aufgebauten Wärmetauscher aus einer Kupferplatte 1, auf der beidseitig je ein Stahlblech 2, 3 mit Vertiefungen 4–7 aufgebracht wurde. In den Randbereichen der Vertiefungen sind Schweißnähte 8–13 angeordnet, sodass die Innenräume 14–17 der abgedeckten Vertiefungen 4–7 vollständig abgedichtet sind. Die Innenräume 14–17 können mit einem unter Druck stehenden Wärmetauschermedium gefüllt werden. Außerdem ist es möglich, Anschlüsse für die Zu- und Ableitungen in die Vertiefungen 4–7 an beliebiger Stelle einzubringen.
2 zeigt eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Wärmetauschers in vereinfachter Darstellung. Eine Kupferplatte 1 deckt die Vertiefung 18 mit einem Stahlblech 19 vollständig ab, sodass nach der Verschweißung z. B. an dem umlaufenden Rand 20 der erfindungsgemäße Wärmetauscher absolut dicht ausgebildet ist.
Zur Einleitung eines Druckmediums sind Anschlüsse 21, 22 vorgesehen, die in das Stahlblech im Bereich der Vertiefung 18 mit fertigungstechnisch einfachen Mitteln befestigt werden können. Die auf der Kupferplatte 1 und dem Stahlblech 19 angedeuteten Bohrungen dienen lediglich der Zentrierung wie z. B. bei der Vormontage. Auf der Kupferplatte können verschiedene Bauteile befestigt werden, die entweder gekühlt oder aufgeheizt werden sollen. Auch auf der Stahlplatte können Bauteile direkt befestigt werden, ohne dass es weiterer Hilfsmittel bedarf.
Die 3 und 4 zeigen typische Kühlvorrichtungen für Bauteile, aus denen z. B. laufend Wärme abgeführt werden soll. Mit ähnlichen Vorrichtungen können Bauteile auch auf einer bestimmten Temperatur konstant gehalten werden. In den Stahlblechen 23, 24 sind Vertiefungen 25, 26 in Form von Sicken, Nuten oder Prägungen eingebracht. Diese Vertiefungen sind als linien- oder ringförmige Kanäle ausgebildet, wobei die Kanäle gerade, gekrümmt oder alternierend, sinusförmig oder mäanderförmig verlaufen. Es sind auch mehrere parallel geführte Kanäle möglich.
Von der Rückseite her sind die Vertiefungen 25, 26 mit einer Kupferplatte 28, 29 abgedeckt. Beidseits der Vertiefungen sind umlaufende Schweißnähte 30, 31 abgedeutet.
In 5 ist ein Verfahrensschema dargestellt, wonach zunächst ein Einformen von mindestens je einer Vertiefung in dem oder den Stahlblechen erfolgt unter Ausbildung eines Randbereiches von mindestens 1 mm Breite.
Danach wird die Vertiefung mit einem Kupferblech bzw. einer Kupferplatte abgedeckt, die bis über den Randbereich hinausreicht. Im Anschluss daran kann das Laserschweißen an den Randbereichen umlaufend um die Vertiefung erfolgen, ggf. können Druckanschlüsse in die Vertiefungen eingebracht werden.
Ausführungsbeispiele
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines plattenförmig aufgebauten Wärmetauschers mit mindestens einer Befestigungsfläche und mindestens einer Wärmetauscherfläche bzw. Kühlfläche wird wie folgt durchgeführt:

1. Zunächst wird die Befestigungsfläche aus Edelstahl in eine Pressvorrichtung eingespannt und die Vertiefung mit Hilfe eines Prägewerkzeuges oder in einem Tiefziehvorgang hergestellt. Das eingesetzte Material bestand aus Edelstahl: 1.4571 X6CrNiMoTi17-12-2. Die Abmessungen der Befestigungsfläche betrugen: Länge 295 mm, Breite 62,5 mm, Dicke 1 mm. Länge der Vertiefung 260 mm, Breite der Vertiefung 28,5 mm, Tiefe 4 mm. Die Dicke des Edelstahlblechs kann im Bereich von 0,5 bis 2 mm, vorzugsweise bei 1 mm liegen. Die Wärmetauscher- bzw. Kühlfläche bestand aus einer Kupferplatte der Qualität Cu-DHP(SF-Cu) mit einer Dicke von 5 mm. Die Kupferplatte wurde so bemessen, dass die Vertiefung vollständig abgedeckt wurde und nur ein Randbereich mit der Befestigungsfläche überlappte.
2. In diesem Randbereich wurde mittels Laserschweißen eine Schweißverbindung wie folgt erzeugt: Die zu verbindenden Oberflächen wurden gesäubert, entfettet und durch Schleifen von der Oxidschicht befreit. Als Laser wurde ein Festkörperlaser eingesetzt mit den folgenden Parametern für Energieeintrag, Geschwindigkeit, Fokuslage, Schutzgas, Schutzgasmenge, Einstellung des Schutzgasrohres: Leistung P.: 2 KW Focus Z.: –0,5 mm Gesch. V.: 100 cm/min Schutzgas: 25 I Argon 4.6 Material: Stahlblech 1 mm 1.4571 und 5 mm Kupfer Cu DHP Material-Temperatur von ca.: 50°–60°C • Schutzgasdüse 8 Innendurchmesser • Leistungsrampen am Anfang auf den ersten 10 mm Leistung erhöhen, indem die Geschwindigkeit verringert wird • Leistungsrampen am Ende auf den letzten 10 mm Leistung verringern, indem die Geschwindigkeit erhöht wird. Brennweite 150 mm Während des Schweißens hatte die Probe eine Temperatur von ca. 50°C, die Eindringtiefe des Laserstrahls wurde im Beispiel auf 2 mm eingestellt. Vorzugsweise liegt der Bereich für die Einschweißtiefe bei 20 bis 50% bezogen auf die Dicke des Kupferbleches, das im vorliegenden Fall eine Dicke von 5 mm aufwies.
3. Anhand von metallographischen Untersuchungen wurde festgestellt, dass eine besonders günstige Schweißverbindung unter folgenden Voraussetzungen erhalten wurde: Mischungsverhältnis Kupfer zu Edelstahl 1: 2 bis 3 Temperierung der Proben vor dem Schweißen auf Temperaturen kleiner 100°C, vorzugsweise kleiner 60°C Unter diesen Voraussetzungen ist ein Optimum an mechanischer Festigkeit und Korrosions-Widerstand zu erreichen. Wichtige Faktoren sind hierbei: a) Geringe Korngrenzensprödigkeit b) Porenfreies, homogenes Schweißgefüge

5

A: Einformen von mindestens je 1 Vertiefung in das oder die Stahlbleche Ausbilden eines Randbereichs, mindestens 1 mm Breite
B: Abdecken der Vertiefungen mit einem Cu-Blech/Platte bis über den Randbereich reichend
C: Laserschweißen, an den Randbereichen umlaufend um die Vertiefung, ggf. Einbringen von Druckanschlüssen

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- DE 20200484 U1 [0002]
- DE 20200484 U [0006]

Claims

Plattenförmig aufgebauter Wärmetauscher mit mindestens einer Befestigungsfläche und einer Wärmetauscher- oder Kühlfläche, dadurch gekennzeichnet, dass die Befestigungsfläche aus einem mindestens eine Vertiefung in Form einer Sicke, Nut etc. (4, 5, 6, 18) aufweisenden Stahlblech (2, 3, 19) und die Wärmetauscher- bzw. Kühlfläche aus einer Kupferplatte (1) besteht, die die Vertiefung vollständig abdeckt und mit dieser über eine um den Rand der Vertiefung umlaufenden Schweißnaht (8–13) verbunden ist.
Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schweißnaht als Laser-Schweißnaht ausgebildet ist.
Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserschweißnaht ein Mischgefüge von Kupfer zu Edelstahl im Verhältnis von 1 zu 2 bis 3,5 aufweist.
Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der durch die Vertiefung gebildete Hohlraum mit einem Wärmetauscher- bzw. Kühlmedium gefüllt ist.
Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmetauscher- bzw. Kühlmedium ein druckbeaufschlagtes Medium ist, wobei die Anschlüsse für eine Zu- und Ableitung des Druckmediums in die Vertiefung des Stahlbleches münden.
Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass beidseits der Wärmetauscher- bzw. Kühlfläche je eine Befestigungsfläche angeordnet ist, die mit jeweils mindestens einer Vertiefung für die Aufnahme des Wärmetauscher- bzw. Kühlmediums ausgestattet ist, wobei die Vertiefungen von der zwischen ihnen angeordneten Kupferplatte vollständig abgedeckt und über je eine um den Vertiefungsrand umlaufenden Schweißnaht an dieser befestigt sind.
Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jede der Vertiefungen als linien- oder ringförmiger Kanal ausgebildet ist, wobei die Kanäle gerade, gekrümmt oder alternierend (sinusförmig, mäanderförmig) verlaufen und die offene Kanalseite von der Kupferplatte vollständig abgedeckt ist, wobei die Kanalränder mit einer umlaufenden Schweißnaht dichtend mit der Kupferplatte verbunden sind.
Kühlvorrichtung für Bauteile, insbesondere für Wärme erzeugende Hochleistungsbauteile mit mindestens einer Befestigungsfläche und einer Kühlfläche, dadurch gekennzeichnet, dass die Befestigungsfläche aus einem mit mindestens einer Vertiefung in Form von Sicken, Nuten oder Prägungen ausgestatteten Stahlblech und die Kühlfläche aus einer Kupferplatte besteht, die die Vertiefung vollständig abdeckt und mit dieser über eine am Rand der Vertiefung umlaufenden Schweißnaht verbunden ist, wobei die Wärme erzeugenden bzw. abgebenden Teile (Bauteile) direkt auf der Kupferplatte montierbar sind.
Verfahren zur Herstellung eines plattenförmig aufgebauten Wärmetauschers mit mindestens einer Befestigungsfläche und mindestens einer Wärmetauscher- bzw. Kühlfläche, dadurch gekennzeichnet, dass die Befestigungsfläche aus einem Stahlblech besteht, in die mindestes eine Vertiefung als linien- oder ringförmiger Kanal mit geradem, gekrümmtem oder alternierendem Verlauf eingeformt wird, dass die Vertiefungen mit einer Kupferplatte abgedeckt werden, wobei mehrere um die Vertiefungen umlaufende, schmale Randbereiche entstehen, und dass in den umlaufenden schmalen Randbereichen eine gas- und flüssigkeitsdichte Verbindung zwischen Stahlblech und Kupferplatte durch Laserschweißen erzeugt wird.
Verfahren zur Herstellung eines plattenförmig aufgebauten Wärmetauschers nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Eindringtiefe des Laserstrahls in die Kupferplatte im Bereich von 20 bis 50% bezogen auf die Dicke der Kupferplatte liegt.