DE102009000914A1 - Verdampfer und Kühleinrichtung unter Verwendung derartiger Verdampfer - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Verdampfer für eine hermetische, mit einem phasenwechselnden Kältemittel befüllte Kühleinrichtung sowie dessen Verwendung, vorzugsweise zur Kühlung von Halbleiterbauelementen oder Photovoltaikmodulen. Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, den Herstellungsaufwand für flächig ausgebildete Verdampfer zu reduzieren und die Effizienz von Kühleinrichtungen mit Flächenverdampfern zu verbessern. Der erfindungsgemäße Verdampfer für eine mit einem phasenwechselnden Kältmittel befüllte hermetische Kühleinrichtung umfasst einen Träger, der mit Kältemittelkanälen versehen ist. Eine erste Folie, die mit wenigstens einer ersten, einen Expansionsraum bildenden Ausprägung sowie wenigstens einer weiteren, einen in den Expansionsraum mündenden Zuführkanal bildenden Ausprägung und wenigstens einer dritten, einen vom Expansionsraum ausgehenden Ableitkanal bildenden Ausprägung versehen ist, ist mit wenigstens einer zweiten Folie flächig die Ausprägungen hermetisch abdeckend verbunden. Jede einen Zuführkanal bildende Ausprägung ist über eine hermetisch anschließbare Verbindungsleitung an den Ausgang eines Verflüssigers und jede einen Ableitkanal bildende Ausprägung ist über eine hermetisch anschließbare Verbindungsleitung an den Eingang eines Verdichters anschließbar.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Verdampfer für eine hermetische, mit einem phasenwechselnden Kältemittel befüllte Kühleinrichtung sowie dessen Verwendung zur Kühlung von flächigen Objekten. Ein bevorzugtes Anwendungsgebiet der Erfindung ist die Kühlung von auf Leiterplatten angeordneten Bauelementen oder von Photovoltaikmodulen.
  • Mit zunehmender elektrischer Leistung erzeugen Halbleiterbauelemente oder Photovoltaikmodule zunehmend Verlustwärme, die es abzuführen gilt. Neben spontaner Konvektionskühlung mittels geeignet ausgebildeter, insbesondere die Oberfläche vergrößernder Kühlkörper ist die Kühlung durch Ventilation bzw. auch die Flüssigkeitskühlung bekannt, indem der Kühlmittelstrom an die Bauelemente oder die inaktive Seite der Module geleitet wird und über einen Wärmetauscher die Verlustwärme aufnimmt. Die hierfür erforderlichen Wärmetauscher sind über einen größtmöglichen Flächenkontakt mit Wärmequellen thermisch gekoppelt und diesbezüglich ausgebildet. Ein bekannter Wärmetauscher dieser Gattung für ein Kältegerät ist in der DE 102 60 165 A1 beschrieben. Er umfasst eine Platine, auf welcher mittels einer bevorzugt aus einer Bitumenzusammensetzung bestehenden Haltematerialschicht eine Rohrleitung befestigt ist, wobei auch die andere Seite der Platine geeignet erscheint, flächig und thermisch gekoppelt an der Oberfläche eines zu kühlenden Objekts angeordnet zu werden. Die Rohrleitung ist in den Kältemittelkreis des Kältegeräts eingebunden. Der bekannte Wärmetauscher selbst weist kein Mittel zur Entspannung eines verdichteten phasenwechselnden Kältemittels auf.
  • Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, den Herstellungsaufwand für flächig ausgebildete Verdampfer zu reduzieren und insbesondere die Verwendung von Materialien mit einem relativ niedrigen Schmelzpunkt wie beispielsweise Bitumenzusammensetzungen zu vermeiden und die Effizienz von Kühleinrichtungen mit Flächenverdampfern zu verbessern.
  • Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Verdampfer mit den Merkmalen nach Patentanspruch 1 und einer Kühleinrichtung mit den Merkmalen nach Patentanspruch 10 gelöst. Der erfindungsgemäße Verdampfer für eine mit einem phasenwechselnden Kältemittel befüllte hermetische Kühleinrichtung umfasst einen Träger, der mit Kältemittelkanälen versehen ist. Eine erste Folie, die mit wenigstens einer ersten, einen Expansionsraum bildenden Ausprägung sowie wenigstens einer weiteren, einen in den Expansionsraum mündenden Zuführkanal bildenden Ausprägung und wenigstens einer dritten, einen vom Expansionsraum ausgehenden Ableitkanal bildenden Ausprägung versehen ist, ist mit wenigstens einer zweiten Folie flächig die Ausprägungen hermetisch abdeckend verbunden. Jede einen Zuführkanal bildende Ausprägung ist über eine hermetisch anschließbare Verbindungsleitung an den Ausgang eines Verflüssigers und jede einen Ableitkanal bildende Ausprägung ist über eine hermetisch anschließbare Verbindungsleitung an den Eingang eines Verdichters anschließbar. Die erfindungsgemäße Kühleinrichtung für Halbleiterelemente in Form einer mit einem phasenwechselnden Kältemittel befüllten hermetischen Kühleinrichtung umfasst einen Verdichter und einen Verflüssiger, welcher an den Ausgang des Verdichters angeschlossen ist, wenigstens eine hermetisch an den Verflüssigerausgang angeschlossene Kältemittelzuführleitung und wenigstens eine an den Verdichtereingang angeschlossene Kältemittelrückführleitung sowie wenigstens eine Verdampfer, der mit einer Kältemittelzuführ- und einer Kältemittelrückführleitung hermetisch verbunden ist. Der Verdampfer ist an das Halbleiterelement flächig thermisch gekoppelt und besteht aus einer ersten Folie, die mit wenigstens einer ersten, einen Expansionsraum bildenden Ausprägung sowie wenigstens einer weiteren, einen in den Expansionsraum mündenden Zuführkanal bildenden Ausprägung und wenigstens einer dritten, einen vom Expansionsraum ausgehenden Ableitkanal bildenden Ausprägung versehen ist, und wenigstens einer zweiten Folie, die flächig mit der ersten Folie die Ausprägungen abdeckend verbunden ist.
  • Vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen. Indem jeder Ableitkanal eine größere Querschnittsfläche aufweist als der mit dem gleichen Expansionsraum verbundene Zuführkanal kann die Strömungsgeschwindigkeit im Vorlauf und damit die Effizienz des Wärmeabtransports erhöht werden. Der Wärmeübergang wird verbessert, wenn wenigstens eine Außenfläche mit einem zu kühlenden Objekt thermisch koppelbar ist. Die maximale Wärmeaufnahme wird erreicht, indem wenigstens eine Außenfläche an eine Oberfläche des zu kühlenden Objekts anschmiegbar ausgebildet ist. Der Herstellungsaufwand für einen erfindungsgemäßen Verdampfer wird reduziert, wenn die Folien entlang der Ausprägungen miteinander verbunden sind, da auf diese Weise der hermetische Abschluss der Ausprägungen besonders effizient erreicht wird. Zum Ausgleich verschieden hoher Bauelemente sowie zur Verbesserung der gegenseitigen Isolierung mehrerer Kältequellen eines Folienverbundes ist es vorteilhaft, dass die Folien einen die Ausprägungen auf drei Seiten umgebenden Freischnitt aufweisen können.
  • Der erfindungsgemäße Verdampfer kann in verschiedenen Ausführungsformen ausgebildet sein. Eine erste vorteilhafte Ausbildung des Verdampfers ergibt sich dadurch, dass die Ausprägungen sämtlich auf einer Seite der ersten Folie angeordnet sind und die zweite Folie frei von Ausprägungen ist. Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform des Verdampfers ist dadurch gekennzeichnet, dass die Ausprägungen auf mehr als einer ersten Folie angeordnet sind, die im Wechsel mit zweiten Folien verbunden sind und die Kältemittelkanäle über geeignete Verbindungsbohrungen miteinander verbunden sind. Der Verdampfer ist ferner vorteilhaft derart ausgebildet, dass eine erste Folie wenigstens eine einen Expansionsraum und eine einen von dem Expansionsraum abgehenden Ableitkanal bildende Ausprägung aufweist, eine zweite Folie wenigstens eine einen Zuführkanal bildende Ausprägung aufweist, die zweite Folie in der Weise angeordnet und mit der ersten Folie verbunden ist, dass der Zuführkanal jeweils innerhalb des Ableitkanals angeordnet ist und die zweite Folie im Übrigen den Ableitkanal abdeckt, und eine dritte Folie den Zuführkanal hermetisch abdeckend mit der zweiten Folie verbunden ist, da hierdurch die jeweils zu einem Expansionsraum gehörenden Zuführ- und Ableitkanäle wenigstens annähernd die gleiche Länge aufweisen, wodurch Druckunterschiede zwischen mehreren Expansionsräumen eines Folienverbundes verhindert werden. Die genannten Ausbildungen eines erfindungsgemäßen Verdampfers können miteinander verknüpft angewendet oder mehrere Ausbildungen können baulich miteinander verbunden eingesetzt werden. Ebenso sind Verdampfer von der Erfindung umfasst, die durch die Kombination von Merkmalen mehrerer Ausführungsformen gekennzeichnet sind. Die Ausprägungen zur Bildung der Expansionsräume, Zuführ- und/oder Ableitkanäle können hinsichtlich ihres Querschnitts verschiedene Geometrien aufweisen, z. B. können dreieckige, rechteckige, trapez- oder halbkreisförmige oder andere geeignete Querschnitte ausgebildet sein. Erfindungsgemäße Verdampfer ermöglichen besonders flache Ausführungen von Kühleinrichtungen für Halbleiterbauelemente oder Photovoltaikmodule.
  • Nachfolgend wird die Erfindung in Form der bevorzugten Ausführungsformen anhand der Zeichnung näher erläutert. Die Zeichnung zeigt in
  • 1 einen erfindungsgemäßen Verdampfer in perspektivischer Ansicht;
  • 2 eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verdampfers mit einer ersten geprägten und einer zweiten ungeprägten Folie im Schnitt;
  • 3 eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verdampfers mit zwei geprägten Folien und einer ungeprägten Folie im Schnitt;
  • 4 eine dritte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verdampfers mit einem Zuführkanal innerhalb eines Ableitkanals im Schnitt und
  • 5 eine Verdampferanordnung zur Flächenkühlung mit einer Vielzahl erfindungsgemäßer Verdampfer.
  • Der in 1 gezeigte erfindungsgemäße Verdampfer besteht aus einer ersten Folie 1, die einen Expansionsraum 3, einen in diesen mündenden Zuführkanal 4 sowie einen aus dem Expansionsraum 3 austretenden Ableitkanal 5 aufweist. Expansionsraum 3, Zuführkanal 4 und Ableitkanal 5 sind in die Folie 1 eingeprägt, wobei zur Herstellung der Ausprägungen hiefür geeignete Umformtechnologien wie beispielsweise Pressen oder Tiefziehen oder auch Urformtechnologien wie beispielsweise Gießen oder Spritzen zur Anwendung gelangen können. Die Folie 1 ist mit einer planen Folie 2 verbunden, so dass die Ausprägungen von Folie 1 hermetisch abgedeckt sind. Die Verbindung der Folien 1 und 2 erfolgt vorteilhaft durch Schweißen, vorzugsweise Elektronenstrahlschweißen, Kleben oder ein anderes geeignetes Verfahren, wobei die Verbindung vorteilhaft insbesondere entlang der Ausprägungen ausgebildet wird. Die Folien 1 und 2 können aus Metallblech oder aus Kunststoff bestehen. Die Ausprägungen können sowohl wie dargestellt einen rechteckigen Querschnitt als auch wie in den 2 bis 4 gezeigt halbkreisförmige Querschnittsflächen aufweisen. Die Ausprägungen sind an drei Seiten von einem Freischnitt 12 umgeben, so dass die von den Ausprägungen gebildete Kältequelle durch Biegen aus der Ebene des Folienverbundes herausgeschwenkt und an das zu kühlende Objekt angeschmiegt werden. Erfolgt das Herausschwenken über den tatsächlich erforderlichen Winkel hinaus, schmiegt sich der Verdampfer unter der hierdurch hervorgerufenen Federkraft an das zu kühlende Objekt an.
  • Die in 2 dargestellte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verdampfers besteht aus einer planen Trägerfolie 2 und einer mit dieser verbundenen Ausprägungen, nämlich einen Zuführkanal 4 und einen Ableitkanal 5 sowie einen Expansionsraum 3 aufweisenden Folie 2. Die Ausführungsform entspricht somit der in 1 gezeigten.
  • Die Ausführungsform gemäß 3 besteht aus einer ersten Folie 1-1, welche eine Ausprägung für einen Zuführkanal 4 aufweist, einer zweiten Folie 1-2, welche Ausprägungen für einen Expansionsraum 3 und einen aus diesem austretenden Ableitkanal 5 aufweist, und einer dritten, planen Folie 2, die zwischen den Folien 1-1 und 1-2 angeordnet und mit diesen derart verbunden ist, dass die Ausprägungen hermetisch abgedeckt sind. Zur Verbindung des Zuführkanals 4 mit dem Expansionsraum 3 verfügt die Folie 2 über eine Bohrung 6.
  • Die Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verdampfers gemäß 4 besteht aus einer ersten Folie 1-1 mit Ausprägungen für einen Ableitkanal 5 und einen Expansionsraum 3 sowie einer zweiten Folie 1-2 mit einer Ausprägung für einen Zuführkanal 4, wobei die zweite Folie 1-2 in der Weise angeordnet und mit der ersten Folie 1-1 verbunden ist, dass der Zuführkanal 4 innerhalb des Ableitkanals 5 angeordnet und im Übrigen der Ableitkanal 5 hermetisch abgedeckt ist. Eine dritte Folie 2 ist den Zuführkanal 4 hermetisch abdeckend mit der zweiten Folie 1-2 verbunden. Hierdurch weisen Zuführ- und Ableitkanal wenigstens annähernd die gleiche Länge auf, wodurch Druckunterschiede zwischen mehreren Expansionsräumen eines Folienverbundes verhindert werden.
  • 5 zeigt eine Flächenkühlung zur Kühlung von Halbleiterbauelementen mit einer aus einer Vielzahl erfindungsgemäßer Verdampfer bestehenden Verdampferanordnung, die über eine Zuleitung 4L hermetisch an den Ausgang eines Verflüssigers 9 und eine Ableitung 5L hermetisch an den Eingang eines Verdichters 8 angeschlossen ist und derart ein geschlossener Kühlkreis gebildet wird, der mit einem phasenwechselnden Kältemittel befüllt ist. Die Flächenkühlung besteht aus einer ersten Folie 1-1 mit Ausprägungen für sternförmig von einem Verteiler 7 ausgehende Zuführkanäle 4, wobei der Verteiler über einen ebenfalls ausgeprägten Zuführkanal 4V an die Zuleitung 4L angeschlossen ist, einer zweiten Folie 1-2 mit Ausprägungen für verteilt angeordnete Expansionsräume 3 und von diesen ausgehenden, die gleiche Länge wie die Zuführkanäle 4 aufweisenden Ableitkanälen, deren zentrale Ableitung 5 an die Ableitung 5L angeschlossen ist, sowie einer dritten, planen Folie 2, die zwischen den Folien 1-1 und 1-2 angeordnet und mit diesen die Ausprägungen hermetisch abdeckend verbunden ist. Die Folie 2 verfugt im Bereich der Enden der Zuführkanäle 4 über nicht dargestellte Bohrungen zur Verbindung der Zuführkanäle 4 mit den Expansionsräumen 3. Der Übersichtlichkeit wegen nur an einem Verdampferpaar dargestellt sind die Verdampfer an drei Seiten von einem Freischnitt 12 umgeben, so dass durch Verformung des Folienverbundes der thermische Kontakt der Expansionsräume 3 zu unterschiedlich weit entfernten Bauelementen hergestellt wird.
  • 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 10260165 A1 [0002]

Claims (17)

  1. Verdampfer für eine mit einem phasenwechselnden Kältemittel befüllte hermetische Kühleinrichtung mit einem Träger, der mit Kältemittelkanälen versehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste Folie (1) mit wenigstens einer ersten, einen Expansionsraum (3) bildenden Ausprägung sowie wenigstens einer weiteren, einen in den Expansionsraum (3) mündenden Zuführkanal (4) bildenden Ausprägung und wenigstens einer dritten, einen vom Expansionsraum (3) ausgehenden Ableitkanal (5) bildenden Ausprägung versehen ist, wenigstens eine zweite Folie (1, 2) flächig mit der ersten Folie (1) die Ausprägungen hermetisch abdeckend verbunden ist und jede einen Zuführkanal (4) bildende Ausprägung über eine hermetisch anschließbare Verbindungsleitung (4L) an den Ausgang eines Verflüssigers (9) und jede einen Ableitkanal (5) bildende Ausprägung über eine hermetisch anschließbare Verbindungsleitung (5L) an den Eingang eines Verdichters (8) anschließbar ist.
  2. Verdampfer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Ableitkanal (5) eine größere Querschnittsfläche aufweist als der mit dem gleichen Expansionsraum (3) verbundene Zuführkanal (4).
  3. Verdampfer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Außenfläche mit einem zu kühlenden Objekt thermisch koppelbar ist.
  4. Verdampfer nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Außenfläche an eine Oberfläche des zu kühlenden Objekts anschmiegbar ausgebildet ist.
  5. Verdampfer nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Folien (1, 2) entlang der Ausprägungen miteinander verbunden sind. Verdampfer nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Folien (1, 2) einen die Ausprägungen auf drei Seiten umgebenden Freischnitt (12) aufweisen.
  6. Verdampfer nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausprägungen sämtlich auf einer Seite der ersten Folie (1) angeordnet sind und die zweite Folie (2) frei von Ausprägungen ist.
  7. Verdampfer nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausprägungen auf mehr als einer ersten Folie (1) angeordnet sind, die im Wechsel mit zweiten Folien (2) verbunden sind und die Kältemittelkanäle (4, 5) über geeignete Verbindungsbohrungen (6) miteinander verbunden sind.
  8. Verdampfer nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste Folie (1-1) wenigstens eine einen Expansionsraum (3) und eine einen von dem Expansionsraum (3) abgehenden Ableitkanal (5) bildende Ausprägung aufweist, eine zweite Folie (1-2) wenigstens eine einen Zuführkanal (4) bildende Ausprägung aufweist, die zweite Folie (1-2) in der Weise angeordnet und mit der ersten Folie (1-1) verbunden ist, dass der Zuführkanal (4) jeweils innerhalb des Ableitkanals (5) angeordnet ist und im Übrigen die zweite Folie (1-2) den Ableitkanal (5) hermetisch abdeckt, und eine dritte Folie (2) den Zuführkanal (4) hermetisch abdeckend mit der zweiten Folie (1-2) verbunden ist.
  9. Kühleinrichtung für Halbleiterelemente in Form einer mit einem phasenwechselnden Kältemittel befüllten hermetischen Kühleinrichtung mit einem Verdichter (8) und einem Verflüssiger (9), welcher an den Ausgang des Verdichters (8) angeschlossen ist, wenigstens einer hermetisch an den Verflüssigerausgang angeschlossenen Kältemittelzuführleitung (4L) und wenigstens einer an den Verdichtereingang angeschlossenen Kältemittelrückführleitung (5L) sowie wenigstens einem Verdampfer, der mit einer Kältemittelzuführ- (4L) und einer Kältemittelrückführleitung (5L) hermetisch verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdampfer an das Halbleiterelement flächig thermisch gekoppelt ist und aus einer ersten Folie (1), die mit wenigstens einer ersten, einen Expansionsraum (3) bildenden Ausprägung sowie wenigstens einer weiteren, einen in den Expansionsraum (3) mündenden Zuführkanal (4) bildenden Ausprägung und wenigstens einer dritten, einen vom Expansionsraum (3) ausgehenden Ableitkanal (5) bildenden Ausprägung versehen ist, und wenigstens einer zweiten Folie (2) besteht, die flächig mit der ersten Folie (1) die Ausprägungen abdeckend verbunden ist.
  10. Kühleinrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass bei wenigstens einem Verdampfer jeder Ableitkanal (5) eine größere Querschnittsfläche aufweist als der mit dem gleichen Expansionsraum (3) verbundene Zuführkanal (4).
  11. Kühleinrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Außenfläche eines Verdampfers mit einem zu kühlenden Objekt thermisch koppelbar ist.
  12. Kühleinrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Außenfläche eines Verdampfers an eine Oberfläche eines zu kühlenden Objekts anschmiegbar ausgebildet ist.
  13. Kühleinrichtung nach Anspruch 10, 11, 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Folien (1, 2) wenigstens eines Verdampfers entlang der Ausprägungen miteinander verbunden sind.
  14. Kühleinrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Folien (1, 2) wenigstens eines Verdampfers einen die Ausprägungen auf drei Seiten umgebenden Freischnitt (12) aufweisen.
  15. Kühleinrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausprägungen wenigstens eines Verdampfers sämtlich auf einer Seite der ersten Folie (1) angeordnet sind und die zweite Folie (2) frei von Ausprägungen ist.
  16. Kühleinrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausprägungen wenigstens eines Verdampfers auf mehr als einer ersten Folie (1) angeordnet sind, die im Wechsel mit zweiten Folien (2) verbunden sind und die Kältemittelkanäle (4, 5) über geeignete Verbindungsbohrungen (6) miteinander verbunden sind.
  17. Kühleinrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass bei wenigstens einem Verdampfer eine erste Folie (1-1) wenigstens eine einen Expansionsraum (3) und eine einen von dem Expansionsraum (3) abgehenden Ableitkanal (5) bildende Ausprägung aufweist, eine zweite Folie (1-2) wenigstens eine einen Zuführkanal (4) bildende Ausprägung aufweist, die zweite Folie (1-2) in der Weise angeordnet und mit der ersten Folie (1-1) verbunden ist, dass der Zuführkanal (4) jeweils innerhalb des Ableitkanals (5) angeordnet ist und im Übrigen die zweite Folie (1-2) den Ableitkanal (5) hermetisch abdeckt, und eine dritte Folie (2) den Zuführkanal (4) hermetisch abdeckend mit der zweiten Folie (1-2) verbunden ist.
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