DE20207864U1

DE20207864U1 - Modularer Wärmetauscher mit geschlossenem Kreislauf

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Publication number: DE20207864U1
Application number: DE20207864U
Authority: DE
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Current assignee: Individual
Priority date: 2002-03-08
Filing date: 2002-05-21
Publication date: 2002-10-24
Anticipated expiration: 2012-05-22
Also published as: US6688377B2; TWI248566B; US20030168207A1

Description

MODULARER WÄRMETAUSCHER MIT GESCHLOSSENEM KREISLAUF

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Wärmetauscher, insbesondere einen modularen Wärmetauscher mit geschlossenem Kreislauf.

Ein konventioneller auf einer Zentralprozeßeinhait (CPU) montierter Wärmetauscher, wie in Fig. 1 gezeigt, weist einen Auflageblock 10', eine Wärmezuleitung II¹, eine Wärmetauschereinheit 12' und einen Lüfter 13' auf. Der Auflageblock 10' ist auf einer CPU 20' montiert. Die Wärmezuleitung 11' stellt eine Verbindung zwischen dem Auflageblock 10' und der Wärmetauschereinheit 12' her. Der Lüfter 13' ist an der Wärmetauschereinheit 12' angebracht und führt frische Luft heran, um die Dissipation von Wärme zu bewirken. Wie in Fig. 2 gezeigt, ist die Wärmezuleitung 11' mit Dochtmaterial 111' gefüllt, das dafür sorgt, daß leicht sich verflüchtigende Arbeitsflüssigkeit in der Wärmezuleitung 11' fließt. Die Wärmezuleitung 11' hat ein erwärmtes Ende, das mit dem Auflageblock 10' verbunden ist, und ein gekühltes Ende, das mit einer Unterseite der Wärmetauschereinheit 12' verbunden ist. Der Auflageblock 10' leitet von der CPU 20' erzeugte Wärme weiter, so daß Arbeitsflüssigkeit in der Wärmezuleitung 11' verdampft, wodurch die CPU 20' gekühlt wird. Am gekühlten Ende der Wärmezuleitung 11' kondensiert die Arbeitsflüssigkeit und kehrt zum erwärmten Ende 112' zurück, um dort erneut erhitzt und verdampft zu werden. Damit wird ein Wärmeaustauschziyklus durchlaufen. Kondensierte und verdampfte Arbeitsflüssigkeit laufen einander in einer Zuleitung entgegen, so daß es zu großen Druckverlusten kommt. Falls die Wärmezuleitung 11' eine große Länge hat, findet kein wirksamer Austausch von Wärme statt. Eine Unterlage oder

Kühlrippen der Wärmetauschereinheit 12' lassen sich nicht vollkommen dicht an das gekühlte Ende anschießen, was zu einem vergleichsweise hohe thermischen Übergangswiderstand führt. Die Kontaktfläche zwischen dem erwärmten Ende und dem Auflageblock 10' ist begrenzt, so daß die Abgabe von Wärme beeinträchtigt wird. Konventionelle Wärmetauscher haben nicht nur die oben erwähnten Nachteile, sondern sind auch durch die große Anzahl verwendeter Komponenten aufwendig in der Herstellung.

m. Die wesentliche Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen modularen Wärmetauscher mit geschlossenem Kreislauf mit guten Wärmeleiteigenschaften zu schaffen.

Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen modularen Wärmetauscher mit geschlossenem Kreislauf zu schaffen, der eine geringe Anzahl leicht zu montierender Bauteile aufweist.

Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen.

Fig. 1 ist eine schematische Darstellung eines

konventionellen Wärmetauschers.

Fig. 2 ist eine schematische Darstellung einer konventionellen Wärmezuleitung.

Fig. 3 ist eine schematische Darstellung der

vorliegenden Erfindung während des Gebrauches. Fig. 4 ist eine perspektivische Ansicht einer der

Grundplatten der vorliegenden Erfindung im ersten

Ausführungsbeispiel. Fig. 5 ist eine perspektivische Ansicht der Abschlußplatte der vorliegenden Erfindung im ersten Ausführungsbeispiel. Fig. 6 ist eine Schnittansicht der Verbindung der

Grundplatten und der Abschlußplatte der Fig. und 5.
Fig. 7 ist eine Schnittansicht der Verbindung der Grundplatten der Fig. 4 und der ebenen Abschlußplatte.

Fig. 8 ist eine Ansicht einer der Grundplatten der vorliegenden Erfindung im zweiten Ausführungsbeispiel von oben.

Fig. 9 ist eine Ansicht einer der Grundplatten der vorliegenden Erfindung im dritten

Ausführungsbeispiel von oben.

Fig. 10 ist eine Ansicht einer der Grundplatten der vorliegenden Erfindung im vierten Ausführungsbeispiel von oben. Fig. 11 ist eine seitliche Ansicht der Grundplatte der

Fig. 10.

Fig. 12 ist eine Ansicht einer der Grundplatten der vorliegenden Erfindung im fünften Ausführungsbeispiel von oben. Fig. 13 ist eine seitliche Ansicht der Grundplatte der

Fig. 12.

Fig. 14 ist eine Ansicht einer der Grundplatten der vorliegenden Erfindung im sechsten Ausführungsbeispiel von oben.

Fig. 15 ist eine Ansicht der Abschlußplatte der vorliegenden Erfindung im sechsten Ausführungsbeispiel von oben.

Fig. 16 ist eine seitliche Ansicht der Abschlußplatte der Fig. 15.

Fig. 17 ist eine schematische Darstellung der vorliegenden Erfindung im sechsten Ausführungsbeispiel während des Gebrauches.

Wie in Fig. 3 gezeigt, ist die vorliegende Erfindung ein Wärmetauscher 30, der eine Wärmetauschereinheit 40 und einen Verdampfer 50 aufweist. Wie in Fig. 4 gezeigt, weist die Wärmetauschereinheit 40 eine Vielzahl metallener Grundplatten 10 auf, die durch Pressen oder Schneiden und Rollen hergestellt sind. Jede der Grundplatten 10 hat zwei Enden, die mit einer ersten Erhöhung 11 bzw. einer zweiten Erhöhung 12 versehen sind. Ein dazwischenliegender Mittelteil weist eine Vielzahl von Einsenkungen 13 mit Bodenflächen und von Erhöhungen 14 mit Deckenflächen auf. Die erste und zweite Erhöhung 11, 12 haben regelmäßig angeordnete, nach innen weisende Erhöhungsabschnitte 111, 121, und die Erhöhungen 14 haben regelmäßig angeordnete jeweils sich von zwei gegenüberliegenden Seiten weg erstreckende Erhöhungsabschnitte 141, 142. In jeder Einsenkung befindet sich eine Rippe 131 mit je zwei Enden, an denen Verbindungsröhrchen 132 geformt sind, die bis auf die Höhe der Deckenflächen der Erhöhungen 14 hinaufreichen. In gleicher Weise befindet sich jeder Erhöhung eine Nut 143 mit je zwei Enden, an denen Verbindungsröhrchen 144 geformt sind, die bis auf die Höhe der Bodenfläche der Einsenkungen 13 hinabreichen. Die Verbindungsröhrchen 132 sind an oberen Enden mit Durchgangslöchern 133 versehen, und die Verbindungsröhrchen 143 sind an unteren Enden mit Durchgangslöchern 14 5 versehen. Dadurch sind die Rippen 131 und Nuten 143 einander entsprechend geformt.

Wie in Fig. 4 und 5 gezeigt, schließt eine Abschlußplatte 2 0 die Durchgangslöcher 133 und die Nuten 143 von oben

ab. Die Abschlußplatte 2 0 ist wie die Grundplatten 10 geformt, hat jedoch Verbindungsröhrchen 211 und 221 ohne Durchgangslöcher.

Wie in Fig. 6 gezeigt, sind die Grundplatten 10 übereinandergelegt, wobei je zwei Nachbarn umgekehrt orientiert sind. Eine Abschlußplatte 20 ist als oberste Platte darauf gelegt. Verbindungen werden durch Löten hergestellt. Nach dem Zusammenbau bilden Paare von Rippen 21, 131, von Rippen 131 und von Nuten 143 horizontale Kanäle 15. Miteinander verbundene Verbindungsröhrchen 132, 144 bilden vertikale Kanäle 16. Luftkanäle 17 verlaufen zwischen benachbarten horizontalen Kanälen 15 in Zwischenräumen, die von den Erhöhungen 14 und den Rippen 131 bzw. den Einsenkungen 13 und den Nuten 143 begrenzten Zwischenräumen eingeschlossen sind. Durch die gleichartige Form der Erhöhungsabschnitte 111, 121, 141, 142 haben Luftströme durch die Luftkanäle 17 eine hohe Austauschwirkung mit großen Kontaktflächen zwischen Luft und den Grundplatten 10, so daß es zu wirksamem Wärmeaustausch kommt.

Wie in Fig. 7 gezeigt, ersetzt in einer anderen Ausführung eine ebene Platte die Abschlußplatte 2 0 und verschließt die Durchgangslöcher 133 und die Einsenkungen 143, so daß dieselbe Austauschwirkung wie die der in Fig. 3 gezeigten Anordnung erreicht wird.

Wie in Fig. 3 und 7 gezeigt, hat der Verdampfer 50 einen Innenraum 51, der mit Dochtmaterial 52 gefüllt ist, und eine Oberseite mit Löchern 53, deren Positionen den Positionen der Durchgangslöcher 133 an den Rippen 131 und der Durchgangslöcher 145 an den Nuten 143 entsprechen, so daß der Innenraum mit den vertikalen Kanälen 41 der

Wärmetauschereinheit 4 0 verbunden sind. Der Verdampfer enthält leicht verdampfende Arbeitsflüssigkeit. Die Arbeitsflüssigkeit fließt in Kapillaren des Dochtmaterials 52. Im Innenraum 51 sind ferner ein Flüssigkeitstank 54 und ein Verdampferraum 55 untergebracht. Der Flüssigkeitstank 54 speichert Arbeitsflüssigkeit und erlaubt deren Vorheizung. Der Flüssigkeitstank 54 und der Verdampferraum 55 sind einzeln mit den vertikalen Kanälen 41 der Wärmetauschereinheit 40 verbunden, so daß ein geschlossener Kreislauf gebildet wird.

Zum Gebrauch der vorliegenden Erfindung wird der aus Metall gefertigte Verdampfer 50 auf eine Wärmequelle, beispielsweise eine CPU, gesetzt. Dazwischenliegende Kontaktflächen werden mit Wärmeleitpaste bestrichen, um eine wärmeleitende Verbindung zwischen dem Verdampferraum 55 und der CPU zu schaffen. Die Arbeitsflüssigkeit wird nach Erhitzen im Innenraum 51 verdampft, steigt durch die Löcher 53 in die vertikalen Kanäle 41 der Wärmetauschereinheit 40, folgt den horizontalen Kanälen 42 (in Fig. 3 von rechts nach links). Beim Kontakt mit Wänden niedrigerer Temperatur kondensiert die Arbeitsflüssigkeit, fließt die vertikalen Kanäle 41 hinab und kehrt durch die Löcher 53 in den Flüssigkeitstank 54 des Verdampfers 50 zurück. Anschließend durchströmt die Arbeitsflüssigkeit das Dochtmaterial 52 und erreicht die Verdampferkammer 55, um dort erneut erhitzt und verdampft zu werden und so einen weiteren Wärmeaustauschzyklus zu beginnen. Die vorliegende Erfindung nutzt kühle Luft 60, die gegen die Wärmetauschereinheit 4 0 geblasen wird (in Fig. 3 von links nach rechts) oder eine andere Kühlsubstanz. Die kühle Luft 60 dringt in die Luftkanäle neben den horizontalen Kanälen 42 in der Wärmetauscher-

einheit 40 ein, wo es zum Austausch von Wärme kommt. Da die Ströme kühler Luft und der Arbeitsflüssigkeit in den horizontalen Kanälen 42 einander entgegengerichtet sind, findet ein wirksamer Austausch von Wärme statt. Der Flüssigkeitstank 54 und der Verdampferraum 55 der vorliegenden Erfindung sind in unteren Bereichen mit Dochtmaterial 52 gefüllt. Seitliche und untere Bereiche des Innenraums sind optioneil mit Dochtmaterial 52 gefüllt.

Die vorliegende Erfindung vereinigt eine konventionelle Wärmezuleitung und einen konventionellen Auflageblock in einer Unterlage aus einem Stück. Innerhalb der Wärmetauschereinheit bilden Leitungen und Röhren einen geschlossenen Kreislauf. Dadurch wird nicht nur der thermische Übergangswiderstand von einem konventionellen Auflageblock eliminiert, sondern auch der Nachteil einer ungenügend dichten Verbindung zwischen einem Auflageblock mit WärmeZuleitungen und der Wärmetauschereinheit überwunden. Es kommt zu keinen Druckverlusten, wie in konventionellen WärmeZuleitungen, so daß der Austausch von Wärme mit mehr Effektivität erfolgt. Weiterhin sorgt der modulare Aufbau der vorliegenden Erfindung für große Kostenersparnisse bei der Fertigung.

Wie in Fig. 4 und 8 gezeigt, weist die vorliegende Erfindung in einem zweiten Ausführungsbeispiel Grundplatten 80 mit Verbindungsröhrchen 801, 802 ovalen Querschnitts auf. Die Querschnitte sind dadurch vergrößert und bewirken wirksamere und stabilere Ströme in vertikaler Richtung.

Wie in Fig. 8 und 9 gezeigt, weist die vorliegende Erfindung in einem dritten Ausführungsbeispiel

Grundplatten 81 auf. Auf jeder Grundplatte 81 sind an Rippen 803 (in Fig. 8 gezeigt) zusätzliche Verbindungsröhrchen 811 mit kreisförmigem Querschnitt mit oder ohne Durchgangslöchern jeweils zwischen den Verbindungsröhrchen 801 angebracht. In gleicher Weise sind an Nuten 804 (in Fig. 8 gezeigt) zusätzliche Verbindungsröhrchen 812 mit kreisförmigem Querschnitt mit oder ohne Durchgangslöchern jeweils zwischen den Verbindungsröhrchen 8 02 angebracht. Dies bewirkt wirksamere und stabilere Ströme in vertikaler Richtung.

Wie in Fig. 8, 10 und 11 gezeigt, weist die vorliegende Erfindung in einem vierten Ausführungsbeispiel Grundplatten 82 auf, die an jedem der Erhöhungsabschnitte mit Verstärkungsrippen 821 versehen sind.

Wie in Fig. 8, 12 und 13 gezeigt, weist die vorliegende Erfindung in einem fünften Ausführungsbeispiel Grundplatten 83 auf, die anstelle von Nuten 804 (in Fig. 8 gezeigt) Rippen 831 haben. Erhöhungsabschnitte 806, 807, 808, 809 sind mit Verstärkungsrippen 832, 833, 834 bzw. 835 versehen.

Wie in Fig. 8 und 14 gezeigt, weist die vorliegende Erfindung in einem sechsten Ausführungsbeispiel Grundplatten 71 auf, die den in Fig. 8 gezeigten Grundplatten 80 ähneln, jedoch Verbindungsröhrchen 713, 714 an jeweils nur einem Ende von Rippen 711 bzw. Nuten 712 haben. An dem jeweils verbleibenden Ende der Rippen 711 bzw. Nuten 712 befinden sich Erhöhungsabschnitte bzw. 716.

Wie in Fig. 14 - 16 gezeigt, wird eine Abschlußplatte eingesetzt, die eine ebene Platte ist, welche zusätzlich

mit Nuten 721 und Erhöhungsabschnitten 715, 716 versehen ist. Die Nuten 721 und Erhöhungsabschnitte 715, 716 entsprechen den Nuten 712 und Erhöhungsabschnitten 716 der Grundplatten 71. Nach Aufsetzen der Abschlußplatte auf die Grundplatten 71 verschließen deren Nuten 721 die Nuten 712. In einer anderen Ausführung ist die Abschlußplatte 72 eine ebene Platte ohne Nuten. Wesentlich ist allein das Abdecken der Nuten 712.

Wie in Fig. 14, 15 und 17 gezeigt, bildet die vorliegende Erfindung in einem sechsten Ausführungsbeispiel eine Wärmetauschereinheit 70, die aus zwei Hälften besteht. Jede Hälfte weist eine Vielzahl gegensinnig übereinandergelegter Grundplatten 71 und eine daraufgelegte Abschlußplatte 72 auf. Die Erhöhungsabschnitte 715, 716, 722 der Grundplatten 71 und der Abschlußplatten 72 sind mit einem Verdampfer 90 verbunden. Die Rippen 711 und Nuten 712 der gegensinnig übereinandergelegten Grundplatten 71 bilden vertikale Kanäle 73. Die Verbindungsröhrchen 713 und Rippen 711 sowie die Verbindungsröhrchen 714 und Nuten 712 bilden separate horizontale Kanäle 74. Der Verdampfer 90 hat einen Innenraum 91 mit zwei Hälften, in denen sich jeweils ein Flüssigkeitstank 911 und ein Verdampferraum 912 befindet.

Arbeitsflüssigkeit im Innenraum 91 verdampft nach Erhitzen, steigt durch die vertikalen Kanäle 73 auf, folgt des horizontalen Kanälen 74 fließt durch die vertikalen Kanäle 73 an zwei Seiten wieder hinab und durchströmt Dochtmaterial 92 im Verdampfer 90, um erneut erhitzt zu werden und zu verdampfen, so daß ein neuer Wärmeaustauschzyklus begonnen wird.

Die vorangegangene Erläuterung der vorliegenden Erfindung ist, obwohl sie die Merkmale und Vorteile der vorliegenden

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Erfindung an Hand einer detaillierten Struktur- und Funktionsbeschreibung erklärt, nur illustrativ zu verstehen. Änderungen im Detail, insbesondere bezüglich Größe, Form und Anordnung von Teilen sind durchführbar in dem Rahmen, der durch die folgenden Patentansprüche abgesteckt ist.

Claims

1. Wärmetauscher, aufweisend:
einen Verdampfer mit einem Innenraum, der mit Dochtmaterial gefüllt ist; und
eine Wärmetauschereinheit mit einer Unterseite, die auf den Verdampfer gesetzt ist, und einem Kanal, neben dem Luftkanäle verlaufen;
wobei der Innenraum und der Kanal der Wärmetauschereinheit einen geschlossenen Kreislauf bilden.

2. Wärmetauscher nach Anspruch 1, wobei die Wärmetauschereinheit weiterhin aufweist:
eine metallene Abschlußplatte; und
wenigstens eine metallene Grundplatte, die mit der Abschlußplatte in übereinanderliegenden horizontalen Schichten angeordnet ist, wenigstens eine Rippe mit zwei Enden hat, an denen sich zwei Verbindungsröhrchen befinden, die obere Enden mit Durchgangslöchern haben;
wobei je zwei benachbarte Abschluß- bzw. Grundplatten umgekehrt zueinander orientiert sind, so daß aus den Rippen horizontale Kanäle und aus den Verbindungsröhrchen vertikale Kanäle gebildet werden, und die Abschlußplatte auf einer oberste Grundplatte angebracht ist und so die Durchgangslöcher verschließt.

3. Wärmetauscher nach Anspruch 2, wobei sich zu beiden Seiten jeder der Rippen Verstärkungsrippen befinden.

4. Wärmetauscher nach Anspruch 2, wobei jede der Grundplatten wenigstens eine Einsenkung mit einer Bodenfläche und wenigstens eine Erhöhung mit einer Deckenfläche aufweist, wobei die Rippen sich in den Einsenkungen befinden und die Verbindungsröhrchen an den Enden der Rippen und die Deckenflächen der Erhöhungen sich auf gleicher Höhe befinden, ferner die Erhöhungen jeweils eine Nut mit zwei Enden haben, an denen sich zwei Verbindungsröhrchen befinden, wobei die Verbindungsröhrchen an den Enden der Nuten und die Bodenflächen der Einsenkungen sich auf gleicher Höhe befinden.

5. Wärmetauscher nach Anspruch 4, wobei die Erhöhungen an einander gegenüberliegenden Seiten in Reihen angeordnete Erhöhungsabschnitte aufweisen und die Grundplatte zwei Enden mit einer ersten und einer zweiten Erhöhung aufweist.

6. Wärmetauscher nach Anspruch 5, wobei die erste und zweite Erhöhung nach innen weisende in Reihen angeordnete Erhöhungsabschnitte aufweisen.

7. Wärmetauscher nach Anspruch 2, wobei die Verbindungsröhrchen ovale Querschnitte haben.

8. Wärmetauscher nach Anspruch 7, wobei sich für jede der Rippen wenigstens ein Verbindungsröhrchen zwischen deren Enden befindet, ferner sich für jede der Nuten wenigstens ein Verbindungsröhrchen zwischen deren Enden befindet.

9. Wärmetauscher nach Anspruch 4, wobei die Erhöhungsabschnitte nach unten weisende Verstärkungsrippen aufweisen.

10. Wärmetauscher nach Anspruch 2, wobei die Abschlußplatte und die Grundplatten gleich geformt sind mit der Ausnahme, daß die Verbindungsröhrchen der Abschlußplatte nicht mit Durchgangslöchern versehen sind.

11. Wärmetauscher nach Anspruch 2, wobei die Abschlußplatte eine ebene Platte ist.

12. Wärmetauscher nach Anspruch 1, wobei der Innenraum einen Flüssigkeitstank und einen Verdampferraum aufweist, der mit der Wärmetauschereinheit sowie mit dem Flüssigkeitstank verbunden ist, so daß ein geschlossener Kreislauf gebildet wird.

13. Wärmetauscher nach Anspruch 2, wobei der Innenraum einen Flüssigkeitstank und einen Verdampferraum aufweist, der mit der Wärmetauschereinheit sowie mit dem Flüssigkeitstank verbunden ist, so daß ein geschlossener Kreislauf gebildet wird.

14. Wärmetauscher nach Anspruch 1, wobei der Innenraum zwei Endteile mit je einem Flüssigkeitstank und einen Mittelteil mit einem Verdampferraum aufweist.

15. Wärmetauscher nach Anspruch 2, wobei der Innenraum zwei Endteile mit je einem Flüssigkeitstank und einen Mittelteil mit einem Verdampferraum aufweist.

16. Wärmetauscher nach Anspruch 14, aufweisend eine metallene Abschlußplatte und eine Vielzahl metallener Grundplatten, die mit der Abschlußplatte in übereinanderliegenden horizontalen Schichten angeordnet sind, wobei je zwei benachbarte Abschluß- bzw. Grundplatten umgekehrt zueinander orientiert sind, und die jeweils wenigstens eine Einsenkung mit einer Bodenfläche und wenigstens eine Erhöhung mit einer Deckenfläche aufweisen, wobei die Einsenkungen jeweils eine Rippe haben, an deren einem Ende sich ein Verbindungsröhrchen befindet und an dere anderem Ende sich ein Erhöhungsabschnitt befindet derart, daß die Verbindungsröhrchen an den Rippen und die Deckenflächen der Erhöhungen sich auf gleicher Höhe befinden, wobei ferner die Erhöhungen jeweils eine Nut haben, an deren einem Ende sich ein Verbindungsröhrchen befindet und an deren anderem Ende sich ein Erhöhungsabschnitt befindet derart, daß die Verbindungsröhrchen an den Nuten und die Bodenflächen der Einsenkungen sich auf gleicher Höhe befinden, wobei die Abschlußplatte mit Erhöhungsabschnitten versehen ist, die den Erhöhungsabschnitten der Grundplatten entsprechen, und die Nuten der Grundplatten abdeckt.

17. Wärmetauscher nach Anspruch 16, wobei die Abschlußplatte eine ebene Platte ist.

18. Wärmetauscher nach Anspruch 16, wobei die Abschlußplatte mit Nuten versehen ist, die den Nuten der Grundplatten entsprechen.

19. Wärmetauscher nach Anspruch 16, wobei die Erhöhungen an einander gegenüberliegenden Seiten in Reihen angeordnete Erhöhungsabschnitte aufweisen.