DE10137748A1

DE10137748A1 - Kühlsystem

Info

Publication number: DE10137748A1
Application number: DE2001137748
Authority: DE
Inventors: Bernhard Eichhorn
Original assignee: Conti Temic Microelectronic GmbH
Current assignee: Conti Temic Microelectronic GmbH
Priority date: 2001-08-01
Filing date: 2001-08-01
Publication date: 2003-02-13

Abstract

Bei bisherigen Kühlsystemen für wärmeerzeugende Bauteile wurden entweder einzelne flüssigkeitsgefüllte, metallene Wärmetransportleitungen auf der einen Seite an das Bauteil angeklebt und auf der anderen Seite mit einem Kühlkörper verbunden. Diese Wärmetransportleitungen sind jedoch nicht lötfähig. DOLLAR A Um einen guten Wärmekontakt zwischen Bauteil und Wärmetransportleitung herzustellen, wird die Wärmetransportleitung erst nachträglich mit der wärmeableitenden Flüssigkeit befüllt. Dadurch können auch Verbindungsverfahren zwischen Bauteil und Wärmetransportleitung verwendet werden, die hohe Temperaturen benötigen. Um die nachträgliche Befüllung zu gewährleisten, weist das Kühlsystem eine Öffnung auf, mit der die am Bauteil befestigte Wärmetransportleitung befüllt werden kann. DOLLAR A Solche Aufbauten eignen sich vor allem für Anwendungen im Kraftfahrzeug, insbesondere für Bremssteuergeräte, die eine hohe Zuverlässigkeit bei geringsten Kosten aufweisen müssen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Kühlsystem für ein wärmeerzeugendes Bauteil gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und 4.
Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Aufbau eines Kühlsystems für ein wärmeerzeugendes Bauteil gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 9.
Es sind zum Wärmetransport einzelnen zylinderförmige Wärmetransportleitungen sogenannten "Heatpipes" bekannt, die mit einer Kühlflüssigkeit gefüllt sind. Die Funktionsweise solcher Heatpipes beruht darauf, dass am heißen Bereich der Anordnung eine Flüssigkeit verdampft, die eine hohe latente Verdampfungswärme aufweist. Der bei der Verdampfung entstehende Druck treibt den Dampf zum kalten Teil der Anordnung. Dort kondensiert der Dampf in die flüssige Phase und gibt die transportierte Wärme wieder ab. Das flüssige Kondensat wird wieder zur Verdampfungsstelle zurückgeführt.
Nachteilig bei solchen Wärmetransportleitungen ist es, dass sie nicht lötbar sind sondern nur an das wärmeerzeugende Bauteil angeklebt werden können. Die Wärmeableitung einer Wärmetransportleitung ist so hoch, dass die für den Lötvorgang benötigte Temperatur nicht erzielt werden kann.
In der WO 98/00869 werden Vorrichtungen mit sogenannten "Heatpipe- Strukturen" offenbart. Hierbei ist ein Mehrschicht-Keramikträger auf einem metallischen Kühlkörper angebracht. In der obersten Lage des Mehrschicht-Keramikträgers sind im Bereich des aufzubringenden Chips thermische Durchlässe angeordnet. In der darunter befindlichen nächsten Lage des Mehrschicht-Keramikträgers ist im Bereich des montierten Chips ein als Verdampfungsraum wirkender Hohlraum vorgesehen und im darunter liegenden metallischen Kühlkörper befindet sich eine Aussparung, die als Kondensor wirkt. Die Lagen des Mehrschicht- Keramikträgers, die zwischen dem Verdampfungsraum und dem Kondensor liegen sind im Bereich dieser Räume mit einer Anzahl von Dampf- und als Kapillaren wirkenden Kondensatkanälen versehen, die diese Räume miteinander verbinden. Die Aussparung im Kühlkörper ist mit einer Füllöffnung versehen, die durch eine Schraube verschließbar ist.
In der DE 34 02 003 A1 wird ein Leistungshalbleitermodul offenbart bei dem wärmeerzeugende Bauteile elektrisch isoliert auf einem Substrat aufgebaut sind. Dabei wird in eine Metallisierung des Substrats ein Wärmerohr integriert. Das Wärmerohr kann dabei mit Kapillaren für den Flüssigkeitsrücktransport ausgestattet sein.
Nachteilig bei solchen Aufbauten ist es, dass derartige Keramikaufbauten sehr aufwendig in der Herstellung sind und ihr Aufbau dem jeweiligen Bauteil von der Flächenabmessung angepasst werden muss. Auch ist Keramik ein schlechter Wärmeleiter. Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass für einen solchen Aufbau immer mehrere Kanäle benötigt werden. Im einen Fall werden sogar zwei getrennte Hohlräume benötigt, den Verdampfungsraum im Keramikaufbau und den Kondensatraum im Kühlkörper. Die beiden Bereiche müssen dann auch noch über mehrere Kanäle miteinander verbunden werden, um die Funktionsweise eines solchen Aufbaus zu gewährleisten. Derartige Wärmetransportleitungen, die mit viel Aufwand in Keramikstrukturen oder Platten eingebracht werden müssen, eignet sich nicht für den Einsatz von einfachen und kostengünstigen Leiterplattenaufbauten.
In der DE 31 23 602 A1 wird ein Kühlkörper für wärmeerzeugende Elemente mit Kühlrippen ausgestattet. Für hohe Kühlleistung wird der Kühlkörper mit einem Abschnitt zur Aufnahme der wärmeerzeugenden Elemente und mit zumindest einer Wärmetransportleitung oder -kammer versehen. Diese Wärmetransportleitung kann über einen Einlass mit Kühlflüssigkeit befüllt werden.
Nachteilig bei einem solchen Aufbau ist es, das die Bauteile direkt auf dem Kühlkörper angebracht werden müssen. Die Wärme wird hierbei zuerst herkömmlich vom Bauteil direkt an den Kühlkörper abgegeben und im Kühlkörper mittels Wärmetransportleitung an eine weiter entfernte Stelle im Kühlkörper transportiert, die Wärmetransportleitung die Wärme innerhalb des Kühlkörpers. Ein solcher Aufbau erfordert viel Platz. Die Wärmeabfuhr direkt am Bauteil ist gering.
Aufgabe der Erfindung ist es einerseits die Ankopplung zwischen der Wärmetransportleitung und dem wärmeerzeugenden Bauteil zu verbessern und andererseits einen einfachen und kostengünstigen Aufbau aufzuzeigen, der auch für Bauteile verwendet werden kann, die auf Leiterplatten angeordnet sind.
Diese Aufgabe wird durch ein Kühlsystem gelöst bei dem eine in einem Metallgehäuse angeordnete Wärmetransportleitung nachträglich, also nach dem durch Wärmeeinwirkung erzielten stoffschlüssigen Verbinden z. B. dem Anlöten an das wärmeerzeugende Bauteil befüllt wird.
Die Vorteile der Erfindung bestehen darin, dass eine geringere thermische Wechselbeanspruchung der Bauteile durch optimale thermische Anbindung an den Kühlkörper erfolgt. Wärmebedingte Verformungen beispielsweise auf der Leiterplatte können verhindert werden. Weiterhin lassen sich einzelne Wärmetransportleitungen, deren Herstellung einfach ist, beliebig an einem Träger anordnen und müssen nicht spezifisch für eine Anwendung aufgebaut werden. Der Aufbau ist einfach und kostengünstig.
Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen. Hierbei befindet sich in dem mit Flüssigkeit zu befüllenden Hohlraum der Wärmetransportleitung ein saugfähiges Element, das bewirkt, dass die Wärmetransportleitung richtungsunabhängig angebracht werden kann. Dadurch wird gewährleistet, dass zumindest ein Teil der Flüssigkeit sich immer an der Lötstelle, also am Übergang von wärmeerzeugendem Bauteil und der Wärmetransportleitung befindet.
Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen und Figuren näher erläutert werden. Kurze Beschreibung der Figuren:
Fig. 1 Kühlsystem bestehend aus, Wärmetransportleitung und Kühlkörper.
Fig. 2 Bauteil mit angelötetem Kühlsystem.
Fig. 3 Ablaufdiagramm zur Anbringung des Kühlsystems.
Fig. 1 zeigt das Kühlsystem 1 bestehend aus einer metallenen Wärmetransportleitung 3 und einem Kühlkörper 2. Die Wärmetransportleitung 3 ist in diesem Ausführungsbeispiel hutförmig. Hierbei weist ein zylinderförmiges Rohr auf der einen Seite einen Boden bzw. eine Decke auf, während es an der gegenüberliegenden Seite offen ist. Diese Öffnung weist eine äußere Umrandung auf. Die Wärmetransportleitung 3 besteht aus Kupfer. Jedoch können auch andere Metalle oder Metallverbindungen bzw. Legierungen verwendet werden, die sich zumindest im Bereich des Bodens für das Löten, Schweißen oder einen anderen durch Wärmeeinwirkung erzielten Stoffschluß eignen und die eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweisen. Im Innern des zylinderförmigen Rohrs der Wärmetransportleitung 3 ist eine Stufe ausgebildet. Für eine gute Wärmeleitung muss die Wärmetransportleitung 3 im späteren Verlauf mit einer Flüssigkeit gefüllt werden.
Die Wärmetransportleitung 3 kann jedoch auch andere Formen aufweisen, wie beispielsweise eine Becherform, eine Wannenform eine Rohrform. Jedoch muss zumindest an einer Seite die Wärmetransportleitung 3 offen sein oder sich öffnen lassen, um eine nachträgliche Befüllung des Hohlraum mit Flüssigkeit und gegebenenfalls mit einem saugfähigen Element zu gewährleisten, die nach dem Anlöten der Wärmetransportleitung 3 an ein Bauteil 12 erfolgen kann.
Ferner weist das Kühlsystem 1 ein saugfähiges Flies 7 oder ein anderes Material auf, das Flüssigkeit aufnehmen und in seinem Innern speichern kann. Dieses saugfähige Element 7 ist becherförmig aufgebaut, wobei die Außenwand des Bechers gleichfalls eine Stufe aufweist. Das abgebildete becherförmige Element 7 wird dabei so in der hutförmige Wärmetransportleitung 3 positioniert, dass der saugfähige Fliesboden 7 am Boden der Wärmetransportleitung anliegt und die innere Stufe der Wärmetransportleitung 3 als Aufsetzkante für die äußere Stufe des saugfähigen Elements 7 dient. Einer solcher Aufbau dient dazu, dass saugfähige Element 7 in seiner Position zu halten. Die spätere Aufgabe des saugfähigen Elements 7 besteht darin, die Flüssigkeit im Innern der Wärmetransportleitung 3, möglichst nah an deren Boden bzw. Decke und damit an das wärmeerzeugende Bauteil zu bringen bzw. zu halten. Dadurch wird das Kühlsystem 1 richtungsunabhängig.
Die Form und Beschaffenheit des saugfähigen Elements 7 kann beliebig gestaltet werden. Hierbei kann der Hohlraum 5 der Wärmetransportleitung 3 auch beispielsweise mit saugfähigen Körnern, Granulat, Flocken, Bändern oder Tüchern befüllt werden, die dafür sorgen, dass die Kühlflüssigkeit im Hohlraum 5 richtungsunabhängig an der, dem wärmeerzeugenden Bauteil zugewandeten Fläche, also der Decke bzw. dem Boden im Hohlraum 4 gehalten wird.
Falls sich, aufgrund der Schwerkraft, die Flüssigkeit immer am Boden der Wärmetransportleitung 3 befindet, also an der dem wärmeerzeugenden Bauteil zugewandten Seite, kann auch auf das Flies 7 verzichtet werden.
Der Kühlkörper 2 des Kühlsystems 1 weist eine möglichst große Oberfläche auf, um möglichst viel Wärme an die Umgebung abgeben zu können. Im Anwendungsbeispiel sind auf einer Kühlplatte zur Oberflächenvergrößerung zapfenförmige Kühlrippen 11 ausgebildet. Hierbei ist eine der Kühlrippen 11 ein Verschließelement 6 mit dem eine Befüllöffnung 5 verschlossen werden kann. Hierbei handelt es sich um einen Schraubverschluss. Jedoch eignet sich auch jeder andere Verschluss, der die Befüllöffnung hermetisch dicht verschließen kann.
Zur Befestigung der Wärmetransportleitung 3 an den Kühlkörper 2 wird eine gleichfalls druckdichte Klebeverbindung 10 zwischen der Umrandung der Wärmetransportleitung 3 und der Kühlplatte des Kühlkörpers 2 angebracht. Die Positionierung der Wärmetransportleitung 3 erfolgt direkt unter der Befüllöffnung 5 des Kühlkörpers 2, so dass der Hohlraum 4 der mit saugfähigem Flies 7 bestückten Wärmetransportleitung 3 befüllt werden kann.
Fig. 2 zeigt ein Bauteil 12 mit angelötetem Kühlsystem 1. Das Bauteil 12 erzeugt bei seinem Betrieb Wärme, die unerwünscht ist und daher abgeführt werden soll. Bei dem Bauteil 12 kann es sich beispielsweise um ein einzelnes elektronisches Bauelement handeln, das allein oder auf einer Leiterplatte montiert ist. Das Bauteil kann auch eine Baugruppe umfassen, die aus mehreren Einzelbauelementen besteht, welche auf einem Träger montiert sind. Im Ausführungsbeispiel wird die hutförmige Wärmetransportleitung 3 am Boden an das Bauteil 12 angelötet, so dass sich eine Lötschicht 9 zwischen dem Bauteil 12 und der Wärmetransportleitung 3 ausbildet. Um eine gute Wärmeanbindung zwischen der Wärmetransportleitung 3 und Bauteil 12 zu erzielen sollte die Schicht 9 aus einem Metall bzw. Metallgemisch bestehen, welche die beiden Teile 12, 3 durch Wärmeeinwirkung stoffschlüssig verbindet, wie es beispielsweise beim Löten oder Schweißen der Fall ist. Im Hohlraum 4 des Wärmeableitkörpers 3 befindet sich eine Kühlflüssigkeit 8. Gleichfalls in diesem Hohlraum 4 befindet sich ein mit der Kühlflüssigkeit 8 vollgesaugtes Flies 7. Bei dem in dieser Figur dargestellten Aufbaurichtung wärmeerzeugendes Bauteil 12 unten und Kühlsystem 1 oben, ist das Flies 7 nicht zwingend erforderlich. Bei einem umgekehrten Aufbau Kühlsystem 1 unten und wärmeerzeugendes Bauteil 12 oben gewährleistet das Flies 7 bei niedrigem Füllstand der Kühlflüssigkeit 8, dass diese nach oben, zur Wärmeübergangsfläche zwischen Bauteil 12 und Kühlsystem 1 gelangt. Das Flies 7 bewirkt das Kühlsystem 1 richtungsunabhängig am Bauteil 12 montiert werden kann.
Über eine Klebstoffschicht 10 ist die Wärmetransportleitung 3 mit einem Kühlkörper 2 verbunden, wobei dessen Befüllöffnung 5 mit dem flüssigkeitsgefüllten Hohlraum 4 in Verbindung steht. Die Befüllöffnung 5 ist mit dem Schraubverschluss 6 gegebenenfalls mittels Dichtring hermetisch dicht verschlossen. Der Verschluss 6 dient gleichzeitig als Kühlrippe 11 für den Kühlkörper 2. Der Kühlkörper 2 besteht aus einer Metallplatte vorzugsweise Aluminium, der an der Bauteil abgewandten Seite Profile 11 aufweist. Diese Profile 11 dienen als Kühlrippen welche die Oberfläche des Kühlkörpers 2 vergrößern und die Wärmeabfuhr an die Umgebung begünstigen. Der Verschluss 6 für die Befüllöffnung 5 kann so aufgebaut sein, dass er entweder nach dem Verschließen nicht mehr geöffnet oder beliebig oft geöffnet und wieder verschlossen werden kann.
Die nach der Montage des Bauteils an die Wärmetransportleitung 3 verschließbare Befüllöffnung 5 mit dem entsprechenden Verschluss 6 kann auch an einer beliebigen anderen Stelle des Kühlsystems 1 angebracht sein, also auch beispielsweise seitlich an der Wärmetransportleitung 3.
Fig. 3 zeigt das Ablaufdiagramm zur Anbringung des Kühlsystems 1 an ein wärmeerzeugendes Bauteil 12.
Im ersten Schritt 20 wird die hohle metallene Wärmetransportleitung 3 mit dem wärmeerzeugenden Bauteil 12 verbunden. Dies erfolgt vorzugsweise mittels Löten oder Schweißen.
Im zweiten Schritt 21 wird das saugfähige Element 7, sofern benötigt, in die wärmetransportleitung 3 eingebracht und dort falls erforderlich fixiert. Jedoch kann Schritt 21 auch bereits vor Schritt 20 oder nach Schritt 22 ausgeführt werden.
Im dritten Schritt 22 wird die Wärmetransportleitung 3 mit dem Kühlkörper 2 verbunden. Dies kann beispielsweise über eine Klebe- aber auch über eine Löt-, oder Schweißverbindung 10 erfolgen.
Im vierten Schritt 23 wird über die Befüllöffnung 5 in den Hohlraum 4 der Wärmetransportleitung 3, der ganz oder teilweise oder gar nicht mit einem saugfähigen Element 7 bestückt ist, eine Kühlflüssigkeit 8 eingefüllt.
Im fünften Schritt 24 wird das Kühlsystem 1 solange erwärmt bis die Siedetemperatur der Kühlflüssigkeit 8 erreicht ist.
Dann wird zum Schluss im sechsten Schritt 25 das Kühlsystem 1 an der Befüllöffnung 5 hermetisch dicht verschlossen.
Ein solcher Aufbau für lötbare "Heatpipes" eignet sich für Anwendungen im KFZ-Bereich, insbesondere zur Wärmeableitung in Bremssteuersystemen. Für weitere Anwendungen ist es nicht zwingend notwendig, dass die Gestalt der Wärmetransportleitung leitungsförmig ist; sie kann auch als Kammer aufgebaut sein.
Durch die einfachen und kostengünstige Einzelteile eines solchen Kühlsystems und deren vielfältigen Einsatzgebiete kann auf keramische Träger verzichtet werden. Durch den schnellen Wärmetransport vom Bauteil 12 zum Kühlkörper 2 lässt sich der Kühlkörper 2 verkleinern und an einer beliebigen Stelle positionieren. Der Kühlkörper 2 kann dadurch auch weiter vom Bauteil 12 entfernt positioniert werden.
Ferner können die Wärmetransportleitungen auch flexibel oder ausziehbar z. B. ziehharmonikaförmig ausgestaltet sein, so dass sie in beliebiger Richtung ausgelegt werden können und der freie Platz in einem Aufbau mit zu kühlenden Bauteilen optimal genutzt werden kann.

Claims

1. Kühlsystem (1) für ein wärmeerzeugendes Bauteil (12), bestehend aus
einer metallenen Wärmetransportleitung (3),
die im Innern einen Hohlraum (4) aufweist und
die auf der einen Seite mit dem wärmeerzeugenden Bauteil (12) verbunden ist und
einem Kühlkörper (2),
der mit der anderen Seite der Wärmetransportleitung (3) verbunden ist,
dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlsystem (1) eine Befüllöffnung (5) mit einem Verschluss (6) aufweist und die Befüllöffnung (5) in den Hohlraum (4) der Wärmetransportleitung (3) führt.

2. Kühlsystem (1) nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Hohlraum (4) ein saugfähiges Element (7) angeordnet ist.

3. Kühlsystem (1) nach Patentanspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass im Hohlraum (4) eine Flüssigkeit (8) vorhanden ist.

4. Kühlsystem (1) für ein wärmeerzeugendes Bauteil (12), bestehend aus
einer metallenen Wärmetransportleitung (3),
die im Innern einen mit Flüssigkeit (8) befüllten Hohlraum (4) aufweist und
die mit dem wärmeerzeugenden Bauteil (12) verbunden ist und
einem Kühlkörper (2),
der mit der Wärmetransportleitung (3) verbunden ist,
dadurch gekennzeichnet, dass das die Verbindung zwischen dem wärmeerzeugenden Bauteil (12) und der Wärmetransportleitung (3) des Kühlsystems (1) ein durch Wärmeeinwirkung erzielter Stoffschluss ist.

5. Kühlsystem (1) nach Patentanspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung (9) zwischen dem wärmeerzeugenden Bauteil (12) und der Wärmetransportleitung (3) eine Lötverbindung ist.

6. Kühlsystem (1) nach Patentanspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung (9) zwischen dem wärmeerzeugenden Bauteil (12) und der Wärmetransportleitung (3) eine Schweißverbindung ist.

7. Kühlsystem (1) nach Patentanspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass im Hohlraum (4) ein saugfähiges Element (7) angeordnet ist.

8. Kühlsystem (1) nach Patentanspruch 2 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass das saugfähige Element (7) mit Flüssigkeit (8) getränkt ist.

9. Verfahren zum Aufbau eines Kühlsystems (1) für ein wärmeerzeugendes Bauteil (12), bestehend aus
einer metallenen Wärmetransportleitung (3),
die im Innern einen mit Flüssigkeit (8) befüllten Hohlraum (4) aufweist und
die mit dem wärmeerzeugenden Bauteil (12) verbunden ist und
einem Kühlkörper (2),
der mit der Wärmetransportleitung (3) verbunden ist,
dadurch gekennzeichnet, dass zuerst die Wärmetransportleitung (3) unter Wärmezufuhr mit dem Bauteil (12) stoffschlüssig verbunden wird und dann der Hohlkörper (4) der Wärmetransportleitung (3) mit der Flüssigkeit (8) befüllt wird.