DE102009023113A1 - Cooling device and method for its production - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Kühlvorrichtung, die aus einem flachen Verdampfer (1), einem Dampfrohr (2), einem Flüssigkeitsrohr (3) und einem Kondensator (4) besteht. Der Verdampfer (1) umfasst einen Hauptkörper, der eine Bodenplatte (11), ein poröses Material (12) und einen Oberdeckel (13) aufweist, wobei das poröse Material (12) Dampfkanäle (121) bildet, wobei der Oberdeckel mit der Bodenplatte (mpföffnung (131) und eine Flüssigkeitsöffnung (134) aufweist, die mit dem Dampfrohr (2) und dem Flüssigkeitsrohr (3) verbunden sind, die am anderen Ende mit dem Kondensator (4) verbunden sind. Der flache Verdampfer (1) kann dicht auf einem Chip aufliegen, wodurch der Raumbedarf und der Wärmewiderstand reduziert werden. Zudem werden eine einfache Herstellung und niedrige Herstellungskosten erreicht. Die Erfindung ist geeignet für Computerchip, Leuchtdiodenlampe, Hochleistungschip von Kommunikation, wärmeerzeugende elektronische Bauelemente von Militär, Medizin, Luftfahrt und Raumfahrt.The invention relates to a cooling device, which consists of a flat evaporator (1), a steam pipe (2), a liquid pipe (3) and a condenser (4). The evaporator (1) comprises a main body having a bottom plate (11), a porous material (12) and an upper lid (13), wherein the porous material (12) steam channels (121) forms, the upper lid with the bottom plate ( and a liquid opening (134) connected to the steam pipe (2) and the liquid pipe (3) connected to the condenser (4) at the other end. The flat evaporator (1) can be sealed The invention is suitable for computer chip, light emitting diode lamp, high performance chip of communication, heat generating electronic components of military, medical, aerospace and aerospace industries.
Description
Technisches GebietTechnical area
Die Erfindung betrifft eine Kühlvorrichtung für elektronische Produkte, insbesondere eine Wärmerohrschleife, und ein Verfahren zur Herstellung dieser Kühlvorrichtung.The The invention relates to a cooling device for electronic Products, in particular a heat pipe loop, and a Process for the preparation of this cooling device.
Stand der TechnikState of the art
Die Kühlung des Hochleistungschips für Elektronik, Computer, Kommunikation und Optoelektronik ist eine wichtige Technik. Zur Zeit verwendet die Kühlung des Hochleistungschips üblicherweise folgende Kühlmodule: (1) Ventilator + Kühlkörper, (2) Ventilator + Wärmerohr + Kühlkörper, (3) Ventilator + Flüssigkeitskühler. Diese Kühlmodule weisen jedoch folgende Nachteile auf: (1) Ventilator + Kühlkörper: um die Kühlwirkung zu erhöhen, muß die Fläche der Kühlrippen vergrößert und die Drehzahl des Ventilators erhöht werden, wodurch der Raumbedarf und das Geräusch vergrößert werden; (2) Ventilator + Wärmerohr + Kühlkörper: der Aufbau ist kompliziert und die Anordung des Wärmerohrs ist begrenzt, so dass die Kühlwirkung begrenzt ist; (3) Ventilator + Flüssigkeitskühler: der Flüssigkeitskühler weist eine höhere Kühlwirkung und ein niedrigeres Geräusch auf, so dass die Kühlwirkung von 1000 W erreichbar ist (der Wärmewiderstand des Flüssigkeitskühler kann unter 0,12°C/W sein). Der Aufbau des Flüssigkeitskühlers ist jedoch kompliziert. Die Pumpe, die das Arbeitsmedium fördert, und die Rohrleitung können die Lebensdauer des Flüssigkeitskühlers beeinflußen. Zudem ist die Herstellungskosten des Flüssigkeitskühlers das dreifache des normalen Kühlkörpers (mit gleicher Kühlwirkung).The Cooling of the high performance chip for electronics, Computer, communication and optoelectronics is an important technology. At present, the cooling of the high-power chip usually uses the following Cooling modules: (1) fan + heat sink, (2) fan + heat pipe + heat sink, (3) fan + liquid cooler. These cooling modules However, they have the following disadvantages: (1) fan + heat sink: around To increase the cooling effect, the area must be the cooling fins increased and the speed be increased by the fan, reducing the space requirement and the Noise can be increased; (2) fan + Heat pipe + heat sink: the construction is complicated and the arrangement of the heat pipe is limited so that the cooling effect is limited; (3) Fan + liquid cooler: the liquid cooler has a higher Cooling effect and a lower noise, so that the cooling effect of 1000 W is achievable (the Thermal resistance of the liquid cooler can below 0.12 ° C / W). The construction of the liquid cooler but it is complicated. The pump that pumps the working fluid and the piping can extend the life of the chiller influence. In addition, the manufacturing cost of the liquid cooler three times the normal heat sink (with the same Cooling effect).
Um die obengenannten Probleme zu lösen, wurde in 1974 eine Kühlvorrichtung mit einer Wärmerohrschleife entwickelt, die eine große Anwendung auf Luftfahrt und Raumfahrt findet. Die Wärmerohrschleife wird auch immer mehr für die Kühlung des Chips verwendet. Die Wärmerohrschleife kombiniert die Vorteile des Wärmerohrs und des Flüssigkeitskühlers und kann eine kompakte Form und eine Kühlwirkung von über 500 W verwirklichen (der Wärmewiderstand der Wärmerohrschleife ist unter 0,15°C/W). Die Kühlvorrichtung mit der Wärmerohrschleife weist folgende Vorteile auf: (1) der Einfluß der Leistung durch die Schwerkraft ist kleiner als beim normalen Wärmerohr; (2) die Form kann beliebig ausgestaltet werden; (3) ein Langstrecken-Wärmetransport ist möglich. Zudem ist die Herstellungstechnik der Wärmerohrschleife ähnlich wie die des normalen Wärmerohrs, so dass die Zuverläßigkeit und die Lebensdauer auch ähnlich sind.Around to solve the above problems became a 1974 Cooling device developed with a heat pipe loop which finds a great application to aerospace. The heat pipe loop is also getting more and more for used the cooling of the chip. The heat pipe loop combines the advantages of the heat pipe and the liquid cooler and can have a compact shape and a cooling effect of over 500 W (the thermal resistance of the heat pipe loop is below 0.15 ° C / W). The cooling device with the Heat pipe loop has the following advantages: (1) the Influence of the power by gravity is smaller as the normal heat pipe; (2) the shape can be arbitrary be designed; (3) a long-distance heat transport is possible. In addition, the manufacturing technique of the heat pipe loop is similar like that of the normal heat pipe, so that the reliability and the lifespan are also similar.
Die herkömmliche Wärmerohrschleife umfaßt einen Verdampfer mit einer Kapillarstruktur, ein Dampfrohr, ein Flüssigkeitsrohr und einen Kondensator. Beim Einsatz liegt der Verdampfer auf der Wärmequelle (wie Chip), um ihre Wärme zu absorbieren. Dadurch wird das Arbeitsmedium in der Kapillarstruktur verdampft und fließt durch das Dampfrohr in den Kondensator mit Kühlrippen, so dass die Wärme in das Umgebungsmedium (wie Luft) des Kondensators abgegeben wird. Das Kondensat fließt durch die Kapillarwirkung in den Verdampfer zurück, wodurch ein Kreislauf gebildet ist. Daher kann die Wärme der Wärmequelle kontinuierlich in die Umgebungsluft abgeführt werden.The includes conventional heat pipe loop an evaporator with a capillary structure, a steam pipe, a Liquid pipe and a condenser. When using lies the evaporator on the heat source (like chip) to her To absorb heat. This will change the working medium into the capillary structure evaporates and flows through the steam pipe in the condenser with cooling fins, so that the heat is discharged into the surrounding medium (such as air) of the condenser. The condensate flows through the capillary action into the evaporator back, creating a cycle. Therefore, can the heat of the heat source continuously in the Ambient air to be dissipated.
Aus
wie
Der Chip ist überlicheweise quadratisch (oder rechteckig) ausgebildet. Der zylinderförmige Verdampfer hat nur eine kleine Kontaktfläche mit dem Chip. Der Scheibenverdampfer hat eine schwere Herstellung und einen hohen Raumbedarf. Der herkömmliche Plattenverdampfer, der durch die mikroelektronische Bearbeitungstechnik hergestellt ist, kann bislang die Anforderung der Industrie nicht erfüllen.Of the The chip is designed to be square (or rectangular). The cylindrical evaporator has only a small contact area with the chip. The disk evaporator has a heavy production and a high space requirement. The conventional plate evaporator, made by the microelectronic machining technique can not yet meet the requirement of the industry.
Aufgabe der ErfindungObject of the invention
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Kühlvorrichtung und ein Verfahren zur deren Herstellung zu schaffen, die/das die obengenannten Nachteile überwinden kann.Of the Invention is based on the object, a cooling device and to provide a method of manufacturing the same overcome the above disadvantages.
Diese Aufgabe wird durch die erfindungsgemäße Kühlvorrichtung gelöst, die aus einem Verdampfer, einem Dampfrohr, einem Flüssigkeitsrohr und einem Kondensator besteht. Der Verdampfer ist ein flacher Verdampfer und hat eine rechteckige, mehrkantige oder andere geometrische Form. Der flache Verdampfer umfaßt einen Hauptkörper, der eine Bodenplatte, ein poröses Material und einen Oberdeckel aufweist. Das poröse Material ist auf der Grundplatte angeordnet. Der Oberdeckel ist mit der Bodenplatte verbunden. Das poröse Material bildet Dampfkanäle. Der Oberdeckel weist an den beiden Seiten eine Dampföffnung und eine Flüssigkeitsöffnung auf, die mit dem Dampfrohr und dem Flüssigkeitsrohr verbunden sind.These Task is achieved by the cooling device according to the invention solved that from an evaporator, a steam pipe, a Liquid tube and a capacitor consists. The evaporator is a flat evaporator and has a rectangular, polygonal or other geometric shape. The flat evaporator includes a main body that has a bottom plate, a porous one Material and has an upper lid. The porous material is arranged on the base plate. The top cover is with the bottom plate connected. The porous material forms vapor channels. The upper lid has a steam opening on both sides and a liquid opening communicating with the Steam pipe and the liquid pipe are connected.
Der Oberdeckel weist im Inneren eine Trennplatte auf, wobei zwischen der Trennplatte und der Flüssigkeitsöffnung eine Nachfüllkammer und zwischen der Trennplatte und der Dampföffnung eine Dampfsammelkammer gebildet ist. Der Oberdeckel des Verdampfers weist auf der Oberseite eine Öffnung zum evakuieren oder Einfüllen des Arbeitsmediums auf.The upper lid has inside a partition plate, wherein between the partition plate and the Liquid opening a refill and between the separation plate and the vapor opening a vapor collection chamber is formed. The upper lid of the evaporator has on top of an opening for evacuating or filling the working medium.
Das Verfahren zur Herstellung der Kühlvorrichtung enthält folgende Schritte:
- (1) Bereitstellung des porösen Materials: das poröse Material kann durch ein Metallpulver oder Metallnetz mit hoher Wärmeleitfähigkeit oder ein anorganisches Material, wie Keramikpulver, hergestellt werden; wenn das poröse Material aus Metallpulver hergestellt ist, kann es durch ein separates Sintern erhalten werden oder direkt auf der Bodenplatte gesintert werden; beim Sintern werden ein Formwerkzeug und ein Dorn verwendet; das Formwerkzeug kann aus Stahl oder Hochtemperaturkeramik hergestellt werden; der Dorn dient zur Bildung der Dampfkanäle des poröses Materials und kann aus Graphit oder Stahl hergestellt werden; das Formwerkzeug mit dem gefüllten Sinterpulver wird in einen Sinterofen gebracht, um das Pulvermaterial zu sintern; nach der Entfernung des Formwerkzeugs und der Dorne wird das poröse Material erhalten; das poröse Material kann auch durch mikroelektronische Bearbeitungstechnik oder mit Nanostab hergestellt werden.
- (2) Bereitstellung des Oberdeckels: der Oberdeckel ist aus Metall oder Halbleitermaterial hergestellt; wenn der Oberdeckel aus Metall hergestellt ist, kann er durch mechanische Bearbeitung oder Gießen geformt werden; wenn der Oberdeckel aus Halbleitermaterial hergestellt ist, kann er durch mikroelektronische Bearbeitung geformt werden;
- (3) Bereitstellung der Bodenplatte: die Bodenplatte ist aus Kupfer, Aluminium oder Silizium hergestellt und durch mechanische Bearbeitung, Stanzen, Gießen oder mikroelektronische Bearbeitung geformt;
- (4) nach der Herstellung des porösen Materials werden der Oberdeckel und die Bodenplatte des Verdampfers miteinander verbunden; wenn der Oberdeckel und die Bodenplatte aus Metell hergestellt sind, kann das Löten verwendet werden; wenn sie aus Halbleitermaterial hergestellt sind, kann das Bonden verwendet werden;
- (5) der dadurch erhaltene Verdampfer werden über Rohre mit dem Kondensator verbunden; danach wird das Wärmerohr hergestellt; dies enthält die Schritte wie Reinigen, Evakuieren, Füllen des Arbeitsmediums und Verschließen.
- (1) Provision of the porous material: the porous material can be produced by a metal powder or metal net with high thermal conductivity or an inorganic material such as ceramic powder; if the porous material is made of metal powder, it can be obtained by a separate sintering or sintered directly on the bottom plate; during sintering, a mold and a mandrel are used; the mold can be made of steel or high temperature ceramics; the mandrel serves to form the vapor channels of the porous material and can be made of graphite or steel; the mold with the filled sintered powder is placed in a sintering furnace to sinter the powder material; after removal of the mold and mandrels, the porous material is obtained; The porous material can also be produced by microelectronic machining technology or with nanostab.
- (2) provision of the upper lid: the upper lid is made of metal or semiconductor material; when the upper lid is made of metal, it can be formed by mechanical working or casting; if the top cover is made of semiconductor material, it can be formed by microelectronic machining;
- (3) provision of the bottom plate: the bottom plate is made of copper, aluminum or silicon and formed by mechanical working, stamping, casting or microelectronic machining;
- (4) after the production of the porous material, the upper lid and the bottom plate of the evaporator are bonded together; if the top cover and bottom plate are made of metal, soldering can be used; if made of semiconductor material, bonding can be used;
- (5) the evaporator obtained thereby is connected to the condenser via pipes; then the heat pipe is made; this includes the steps of cleaning, evacuating, filling the working fluid and closing.
Im Vergleich mit der herkömmlichen Lösung weist die Erfindung folgende Vorteile auf:
- 1. ein dichter Kontakt mit dem Chip, eine größere Kontaktfläche und ein kleinerer Raumbedarf der Chip ist überlicherweise quadratisch ausgebildet; der erfindungsgemäße flache Verdampfer kann eine rechteckige, mehrkantige oder andere geometrische Form haben und weist eine plane Kontaktfläche auf. Daher kann der flache Verdampfer dicht auf dem Chip aufliegen;
- 2. Reduzierung des Wärmewiderstands das poröse Material des Verdampfers kann eine Kapillarwirkung erzeugen und direkt auf der Bodenplatte des porösen Materials gesintert werden, wodurch der Wärmewiderstand erheblich reduziert wird, so dass die Kühlwirkung erhöht wird; nach Test des Erfinders beträgt der Wärmewiderstand des Systems 0,15 und der Wärmewiderstand des Wärmerohrs unter 0,05 Die Kühlwirkung ist höher als 600 W;
- 3. einfache Herstellung und niedrige Kosten der Oberdeckel, die Bodenplatte und die Füllöffnung des Verdampfers sowie das Flüssigkeitsrohr und das Dampfrohr können durch Löten miteinander verbunden werden, so dass die Bearbeitungszeit und -kosten reduziert werden.
- 1. a close contact with the chip, a larger contact area and a smaller space requirement of the chip is usually formed square; the flat evaporator according to the invention may have a rectangular, polygonal or other geometric shape and has a flat contact surface. Therefore, the flat evaporator can rest close to the chip;
- 2. Reduction of thermal resistance The porous material of the evaporator can create a capillary action and be sintered directly on the bottom plate of the porous material, whereby the thermal resistance is significantly reduced, so that the cooling effect is increased; according to the inventor's test, the thermal resistance of the system is 0.15 and the thermal resistance of the heat pipe below 0.05 The cooling effect is higher than 600 W;
- 3. Easy manufacture and low cost of the upper lid, the bottom plate and the filling opening of the evaporator and the liquid tube and the steam tube can be connected by soldering, so that the processing time and costs are reduced.
Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings
Wege zur Ausführung der ErfindungWays to execute the invention
Wie
aus
Wie
aus den
Wie
aus den
Nachfolgend werden die Schritte des Verfahrens zur Herstellung der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung beschrieben:
- (1) Bereitstellung
des porösen Materials: das poröse Material
12 kann durch ein Metallpulver oder Metallnetz mit hoher Wärmeleitfähigkeit oder ein anorganisches Material, wie Keramikpulver, hergestellt werden. Wie aus5 ersichtlich ist, bildet das poröse Material Dampfkanäle121 . Wenn das poröse Material12 aus Metallpulver hergestellt ist, kann es durch ein separates Sintern erhalten werden oder direkt auf der Bodenplatte gesintert werden. Beim Sintern werden ein Formwerkzeug und ein Dorn8 verwendet, um die Dampfkanäle121 zu bilden. Das Formwerkzeug und der Dorn können aus Hochtemperaturgraphit, Hochtemperaturkeramik oder Kohlenstoffstahl hergestellt werden. Wie aus5E ersichtlich ist, werden die Dorne8 und das Formwerkzeug miteinander kombiniert. Das Formwerkzeug umfaßt eine Unterplatte71 , eine Oberplatte72 und einen Rahmen73 . Die Unterplatte71 und die Dorne8 sind einteilig ausgebildet, wodurch eine Positionierung der Dorne nicht erforderlich ist. Anschließend wird das Pulvermaterial9 in das Formwerkzeug gefüllt. Danch wird die Oberplatte72 auf den Rahmen73 gebracht, so dass das Pulvermaterial den Innenraum des Formwerkzeugs ausfüllt. Schließlich (wie bekanntes Sintern von Wärmerohr) wird das Formwerkzeug in einen Sinterofen gebracht, um das Pulvermaterial zu sintern. Nach der Entfernung des Formwerkzeugs und der Dorne wird das poröse Material erhalten. Das poröse Material kann auch durch mikroelektronische Bearbeitungstechnik, wie standardisiertes Ätzen von porösem Silzium oder mit Nanostab, wie standardisierte Pfeilung-Depositionstechnik, hergestellt werden. - (2) Bereitstellung des Oberdeckels: der Oberdeckel ist aus Kupfer oder Aluminium oder Halbleitermaterial hergestellt. Wenn der Oberdeckel aus Metall hergestellt ist, kann er durch mechanische Bearbeitung oder Gießen geformt werden. Wenn der Oberdeckel aus Halbleitermaterial hergestellt ist, kann er durch mikroelektronische Bearbeitung geformt werden.
- (3) Bereitstellung der Bodenplatte: die Bodenplatte ist aus Kupfer, Aluminium oder Silizium hergestellt und durch mechanische Bearbeitung, Stanzen, Gießen oder mikroelektronische Bearbeitung geformt.
- (4) Nach der Herstellung des porösen Materials werden der Oberdeckel und die Bodenplatte des Verdampfers miteinander verbunden. Wenn der Oberdeckel und die Bodenplatte aus Metell (wie Kupfer) hergestellt sind, kann das Löten (Weichlöten, Hartlöten oder Diffusionslöten) verwendet werden. Wenn sie aus Halbleitermaterial (wie Silizium) hergestellt sind, kann das Bonden verwendet werden.
- (5) der dadurch erhaltene Verdampfer werden über Rohre durch Löten mit dem Kondensator verbunden. Danach wird das Wärmerohr hergestellt. Dies enthält die Schritte wie Reinigen, Evakuieren, Füllen des Arbeitsmediums und Verschließen.
- (1) Provision of the porous material: the porous material
12 can be produced by a metal powder or metal net with high thermal conductivity or an inorganic material such as ceramic powder. How out5 As can be seen, the porous material forms vapor channels121 , If the porous material12 Made of metal powder, it can be obtained by a separate sintering or sintered directly on the bottom plate. During sintering, a mold and a mandrel are used8th used to the steam channels121 to build. The mold and mandrel can be made of high temperature graphite, high temperature ceramics or carbon steel. How out5E it can be seen, the spines are8th and combined the mold with each other. The mold comprises a lower plate71 , a top plate72 and a frame73 , The lower plate71 and the spines8th are formed in one piece, whereby a positioning of the mandrels is not required. Subsequently, the powder material9 filled in the mold. Danch becomes the top plate72 on the frame73 brought so that the powder material fills the interior of the mold. Finally, as known heat pipe sintering, the mold is placed in a sintering furnace to sinter the powder material. After removal of the mold and mandrels, the porous material is obtained. The porous material can also be made by microelectronic machining technology, such as standardized etching of porous silicon or nanorod, such as standard sweep deposition technique. - (2) Provision of upper lid: the upper lid is made of copper or aluminum or semiconductor material. When the upper lid is made of metal, it can be formed by mechanical working or casting. When the upper lid is made of semiconductor material, it can be molded by microelectronic machining.
- (3) Provision of the bottom plate: The bottom plate is made of copper, aluminum or silicon and formed by mechanical working, stamping, casting or microelectronic machining.
- (4) After the production of the porous material, the upper lid and the bottom plate of the evaporator are bonded together. When the top lid and base plate are made of metal (such as copper), brazing (soldering, brazing or diffusion brazing) can be used. When made of semiconductor material (such as silicon), bonding can be used.
- (5) The evaporator obtained thereby is connected to the condenser through pipes by brazing. Thereafter, the heat pipe is made. This includes the steps of cleaning, evacuating, filling the working fluid, and closing.
Der Kondensator und die Rohre sind handelsüblich.Of the Condenser and pipes are commercially available.
Beim
Einsatz kann die Bodenplatte des Verdampfers
Die Erfindung ist geeignet für Computerchip, wie CPU und GPU. Die Erfindung ist auch geeignet für Leuchtdiodenlampe, Hochleistungschip von drahtloser oder verdrahteter Kommunikation. Die Erfindung ist sogar geeignet für die wärmeerzeugenden elektronischen Bauelemente von Radar, Laser, medizinischen Geräten oder Luftfahrt und Raumfahrt.The Invention is suitable for computer chip, such as CPU and GPU. The invention is also suitable for light-emitting diode lamp, High performance chip of wireless or wired communication. The invention is even suitable for the heat-generating electronic Components of radar, laser, medical devices or Aeronautics and Space.
Die vorstehende Beschreibung stellt nur ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung dar und soll nicht als Definition der Grenzen und des Bereiches der Erfindung dienen. Alle gleichwertige Änderungen und Modifikationen gehören zum Schutzbereich dieser Erfindung.The The above description represents only a preferred embodiment of the invention and should not be used as a definition of boundaries and serve the scope of the invention. All equivalent changes and modifications are within the scope of this invention.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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