DE10333877A1 - Cooling of power electronics is provided by closed fluid circuit having evaporator and condenser together with a fan - Google Patents

Cooling of power electronics is provided by closed fluid circuit having evaporator and condenser together with a fan Download PDF

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DE10333877A1
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Andreas Dr. Schulz
Guennadi Nikolaevitsch Akapiev
Herbert Rösler
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Abstract

The primary cooling circuit has an evaporator [3] mounted adjacent to the power electronics [2]. The evaporator has a matrix of tubes [15] and the evaporated fluid is fed [5] to the condenser [4]. The cooled liquid is returned to the evaporator. A secondary cooling effect is provided by a fan [8] providing forced convection.

Description

Die Erfindung betrifft eine Kühlvorrichtung, insbesondere zur Kühlung von Bauelementen der Leistungselektronik mittels eines Wärmeübertragungskreislaufes, der aus einem mit dem Elektronikbauteil wärmeübertragend gekoppelten sowie von einem primären Kühlmittel beaufschlagten Verdampferteil sowie einem extern von einem sekundären Kühlmittel beaufschlagten Kondensatorteil besteht, in dem das primäre Kühlmittel gekühlt und seine Dampfphase kondensiert ist, wobei das primäre Kühlmittel entweder unter seiner Schwerkraft oder mittels einer Pumpe vom Kondensatorteil zum Verdampferteil gefördert ist.The The invention relates to a cooling device, in particular for cooling of components of the power electronics by means of a heat transfer circuit, the one from a coupled to the electronic component heat transfer coupled as well from a primary coolant acted evaporator part and one externally from a secondary coolant acted on capacitor part, in which the primary coolant chilled and its vapor phase is condensed, the primary coolant either under its gravity or by means of a pump from the condenser section promoted to the evaporator part is.

Mit dem stetig steigenden Bedarf an leistungsstarken Elektronikbauteilen steigt zwangsläufig auch die abgegebene Wärmemenge der von elektrischen Strömen durchflossenen Elektronikbauteile. Diese Wärmemengen müssen möglichst rasch und umfangreich aus dem Anordnungsraum der Elektronikbauteile entfernt werden, weil diese andernfalls sowohl in ihrer Funktion als auch bezüglich ihrer Lebensdauer beeinträchtigt werden. Dabei wird stets an die Kühlvorrichtungen die Forderung einer möglichst kompakten Baugröße einerseits und eines möglichst hohen Wärmeabtransports andererseits gestellt, mithin zwei Forderungen, die in gewisser Weise in einem kontradiktorischen Gegensatz stehen.With the ever-increasing demand for high-performance electronic components inevitably increases too the heat released that of electric currents flowed through electronic components. These amounts of heat must be as quick and extensive be removed from the arrangement space of the electronic components, because otherwise, both in their function and in theirs Lifespan affected become. It is always the requirement of the cooling devices as compact as possible Size on the one hand and as high as possible heat transported away On the other hand, therefore, two demands that in some Way in an adversarial opposition.

Als am leistungsstärksten haben sich dabei Kühlvorrichtungen der eingangs genannten Gattung erwiesen, die sich eines Verdampfungsprozesses eines primären Kühlmittels innerhalb eines thermodynamischen Clausius-Rankine-Prozesses bedienen, weil die in der Dampfphase des primären Kühlmittels von den Elektronikbauteilen abtransportierte Wärmemenge diejenige mittels einer flüssigen Phase eines primären Kühlmittels abtransportierte Wärmemenge bei weitem übertrifft.When most powerful have cooling devices the genus mentioned above, which is an evaporation process a primary refrigerant operate within a thermodynamic Clausius-Rankine process because in the vapor phase of the primary Coolant from the amount of heat removed by the electronic components by means of a liquid Phase of a primary refrigerant transported away amount of heat far surpasses.

Aus der DE 100 07 066 A1 ist eine Kühlvorrichtung der eingangs genannten Gattung bekannt geworden, bei welcher eine Wärmeübertragungsplatine aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung mit einem Verdampferteil in einen Bereich mit den Elektronikbauteilen hineinragt, wobei das Verdampferteil durch eine Wand getrennt zu einem Kondensatorteil durchgeführt wird, welches mit einer möglichst großen und daher berippten Wärmeübertragungsfläche zum Kontakt mit dem sekundären Kühlmittel ausgebildet ist. Mittels anderweitiger Offenbarung erfolgt bei dieser Kühlvorrichtung der Rücktransport des kondensierten primären Kühlmittels unter Schwerkraft. Aus dem Mißverhältnis der Wärmeübertragungsflächen des Verdampferteils zum Kondensatorteil wird deutlich, daß mit einer derartigen Kühlvorrichtung nur ein sehr begrenzter Wärmemengentransport vom Elektronikbauteil an das sekundäre Kühlmittel – hier Luft – erfolgen kann.From the DE 100 07 066 A1 a cooling device of the type mentioned is known, in which a heat transfer plate made of aluminum or an aluminum alloy protrudes with an evaporator part in an area with the electronic components, wherein the evaporator part is separated by a wall to a capacitor part is performed, which with the largest possible and therefore finned heat transfer surface is formed for contact with the secondary coolant. By means of other disclosure in this cooling device, the return transport of the condensed primary coolant takes place under gravity. From the disproportion of the heat transfer surfaces of the evaporator part to the condenser part becomes clear that with such a cooling device only a very limited heat transfer from the electronic component to the secondary coolant - here air - can be done.

Aus der DE 100 17 971 A1 ist eine weitere Kühlvorrichtung der eingangs genannten Gattung offenbart, bei welcher der Rücktransport des im Kondensatorteil kondensierten Kühlmittels entweder über eine dort nicht dargestellte Pumpe oder unter Schwerkraft zurück in das Verdampferteil erfolgen kann. Zwar ist in dieser Druckschrift stets die Rede von „Kältemittel", jedoch ist offenkundig ein Kühlmittel gemeint, da man unter einem Kältemittel üblicherweise ein solches aus Frigenen bis hin zu Kohlenwasserstoffen versteht, deren Einsatz ausdrücklich in dieser Druckschrift aufgrund der damit verbundenen Abdichtungsprobleme sowie der Höhe des Dampfdruckes zutreffend abgelehnt wird.From the DE 100 17 971 A1 a further cooling device of the type mentioned is disclosed, in which the return transport of condensed refrigerant in the condenser part can be done either via a pump not shown there or under gravity back into the evaporator part. Although in this document is always talk of "refrigerant", but obviously a coolant is meant, since one usually understands a refrigerant from Frigen to hydrocarbons whose use expressly in this document due to the associated sealing problems and the amount the vapor pressure is properly rejected.

Die dort offenbarte Kühlvorrichtung soll aus einem in keiner Weise konkret offenbarten Mikro-Wärmeübertrager bestehen, dessen Verdampferteil das Kühlmittel teilweise verdampfen läßt und die flüssige sowie die Dampfphase des primären Kühlmittels zu einem gleichfalls nicht näher offenbarten Kondensatorteil leitet, in welchem die Dampfphase verflüssigt und erneut unter Schwerkraft oder mittels einer Pumpe zum Verdampferteil zurückgeleitet werd. Der Mikro-Wärmeübertxager soll durch eine Vielzahl von durchströmten Kanälen eine große Wärmeübertragungsfläche bilden, die wiederum von einem geeigneten primären sowie sekundären Kühlmittel beaufschlagt werden sollen. Diese aufgabenhaften Offenbarungen lassen jeden konkreten Hinweis auf die Ausbildung des Verdampferteils und des Kondensatorteils vermissen. Wie jeder Fachmann auf dem hier in Rede stehenden Fachgebiet der Wärmetechnik weiß, kommt dem Verdampferteil eine besondere Bedeutung zu, da seine Wärmeübertragungsleistung im wesentlichen von den Eigenschaften des primären Kühlmittels, von einer möglichst hohen Wärmestromdichte sowie durch die Struktur der Wärmeübertragungsflächen bestimmt werden. Dabei wiederum wird die Wärmestromdichte in zwei Bereiche unterteilt, die durch das Verdampfungsverhalten des primären Kühlmittels gekennzeichnet sind, nämlich

  • 1. die Filmverdampfung im niederen Leistungsbereich (Verdunstungskühlung) und
  • 2. die Blasenverdampfung im hohen Leistungsbereich (Kühlung durch Sieden).
The cooling device disclosed therein is to consist of a micro-heat exchanger in no specific disclosed, the evaporator part of the refrigerant evaporates partially and the liquid and the vapor phase of the primary coolant to a similarly not disclosed capacitor part passes, in which the vapor phase liquefies and again under Gravity or be returned by a pump to the evaporator section. The micro-Wärmeübertxager is to form a large heat transfer surface by a plurality of channels through which in turn are to be acted upon by a suitable primary and secondary coolant. These task-related disclosures miss any concrete indication of the formation of the evaporator part and the condenser part. As any person skilled in the art of heat engineering in question will know, the evaporator part is of particular importance because its heat transfer performance is essentially determined by the properties of the primary coolant, the highest possible heat flux and the structure of the heat transfer surfaces. In turn, the heat flow density is divided into two areas, which are characterized by the evaporation behavior of the primary coolant, namely
  • 1. the film evaporation in the low power range (evaporative cooling) and
  • 2. the bubble evaporation in the high power range (cooling by boiling).

Wie effektiv dabei die Wärmemengen vom Elektronikbauteil durch Film- oder Blasenverdampfung auf das primäre Kühlmittel übertragen werden können, hängt wiederum von den Eigenschaften der Oberflächenstruktur, nämlich insbesondere von der Größe der Oberfläche, von der Kapillarität und Benetzungsrate, von seiner Porosität und seiner mechanischen Festigkeit ab.As effective while the amounts of heat from the electronic component by film or bubble evaporation on the primary Transfer coolant can be hangs again from the properties of the surface structure, namely especially the size of the surface, of the capillarity and wetting rate, of its porosity and its mechanical strength from.

Für die Größe des Wärmeabtransports ist auch die konkrete Ausgestaltung des Kondensatorteils, dessen Wärmeübertragungsleistung an das sekundäre Kühlmittel sowie die Tropfenbildung des Kondensats und damit die Beschaffenheit seiner wärmeübertragenden Oberflächen, nämlich wie und in welcher Form die wärmeübertragenden Oberflächen vom Kondensat überflutet und dieses zum Verdampfer zurückgeleitet wird, von entscheidender Bedeutung. Hierüber geben die beiden vorgenannten Druckschriften keine Auskunft.For the size of the heat dissipation is also the specific embodiment of the capacitor part, whose Heat transfer performance to the secondary coolant as well as the dripping of the condensate and thus the condition its heat transmitting Surfaces, namely how and in what form the heat transferring Surfaces of Condensate flooded and returned this to the evaporator becomes, crucial. This is what the two aforementioned publications provide no Information.

Aus der DE 101 02 869 A1 ist eine gattungsfremde Kühlvorrichtung offenbart, bei welcher das primäre Kühlmittel komprimiert an das zu kühlende Bauteil herangeführt wird und ein Mittel zur Dekompression des Kühlmittels vorgesehen ist. Bei dieser Vorrichtung handelt es sich offenkundig um eine Wärmepumpe, die im T-S-Diagramm die Umkehrung des Clausius-Rankine-Prozesses darstellt. Eine solche Wärmepumpe erfordert nicht nur einen Kompressor auf der Verdampferseite, sondern auch ein Druck-Reduzierventil auf der Kondensatorseite. Das Verdampferteil und das Kondensatorteil stehen unter relativ hohem Druck und müssen dementsprechend abgedichtet werden. Auch hier wird nur ein seit Jahrzehnten bekanntes Kühlverfahren angegeben, ohne auf die eigentlichen Probleme, nämlich die spezifische Ausbildung der Oberflächenstruktur der Wärmeübertragungsflächen, das primäre und sekundäre Kühlmittel noch auf die zusätzlich einzusetzenden Energien für den Kompressor konkret einzugehen.From the DE 101 02 869 A1 a non-generic cooling device is disclosed in which the primary refrigerant is supplied in a compressed manner to the component to be cooled and a means for decompressing the coolant is provided. Obviously, this device is a heat pump, which in the TS diagram represents the reversal of the Rankine cycle. Such a heat pump not only requires a compressor on the evaporator side, but also a pressure reducing valve on the condenser side. The evaporator part and the condenser part are under relatively high pressure and must be sealed accordingly. Again, only a known for decades cooling method is given, without specifically address the actual problems, namely the specific design of the surface structure of the heat transfer surfaces, the primary and secondary coolant on the additional energies to be used for the compressor.

Eine weitere, allerdings gleichfalls gattungsfremde Kühlvorrichtung ist aus der US 2003/0056940 A1 bekannt geworden. Bei dieser gelangt einmal unter Schwerkraft und einmal mittels einer Pumpe ein von einem Luftstrom als sekundäres Kühlmittel gekühltes primäres Kühlmittel aus einem Vorratstank zu einem Verdampferteil, welches einerseits wärmeübertragend mit dem Elektronikbauteil gekoppelt ist und andererseits das verdampfte primäre Kühlmittel mit seiner Enthalpie in die Umgebung des Verdampferteils entläßt. Abgesehen vom Nachteil eines ständig neu zuzuführenden primären Kühlmittels, ist diese Kühlvorrichtung mit dem Nachteil behaftet, daß der vom Verdampferteil in die Umgebung austretende Dampf sich an kälteren Flächen, z.B. an Gehäuseflächen des Elektronikbauteiles, niederschlagen, dort auskondensieren und auf Elektronikbauteile herabtropfen kann, was zu unkontrollierbaren Kriechströmungen und damit zu Fehlfunktionen der Elektronikbauteile führen kann. Ein offener Verdampfungsprozeß ist daher schon aus diesen Gründen für die Kühlung von Elektronikbauteilen abzulehnen.A Another, albeit generic generic cooling device is from the US 2003/0056940 A1 become known. This one gets under once Gravity and once by means of a pump from an air flow as a secondary coolant chilled primary coolant from a storage tank to an evaporator part, which on the one hand transfer heat coupled with the electronic component and on the other hand, the evaporated primary Coolant with releases its enthalpy into the environment of the evaporator part. apart from the disadvantage of a constant to be fed primary Coolant, is this cooler with the disadvantage that the Steam exiting the evaporator section into the environment will evaporate on colder surfaces, e.g. on housing surfaces of the Electronic components, knock down, there condense and on Electronic components can drip, resulting in uncontrollable Kriechströmungen and thus can lead to malfunction of the electronic components. An open evaporation process is therefore, for these reasons for the cooling of Reject electronic components.

Neben diesen Kühlvorrichtungen sind noch eine Reihe älterer gattungsfremder Kühlvorrichtungen bekannt, die man unter dem Gattungsbegriff „Kühlrohr" (Heat Pipe) zusammenfassen kann. Eine solche Heat Pipe ist beispielsweise in der DE 101 45 311 A1 offenbart. Das Verdampferteil dieser Heat Pipe wird mit dem Elektronikteil und das Kondensatorteil, welches mit einer großen äußeren Wärmeübertragungsfläche für das sekundäre Kühlmittel (hier Luft) versehen ist, wird darüber angeordnet und befindet sich mit dem Verdampferteil in einem gemeinsamen rohrförmigen Gehäuse. Da das Kondensatorteil der Heat Pipe senkrecht über dem Verdampferteil angeordnet ist, strömt das kondensierte primäre Kühlmittel unter seiner Schwerkraft in das Verdampferteil zurück. Auch hier ist nicht entscheidend für den Wärmemengentransport das Prinzip der Anordnung einer Heat Pipe und deren Verbindung mit einem Elektronikbauteil, sondern die Oberflächenstruktur der Wärmeübertragungsflächen, worauf in diesem Dokument gleichfalls mit keinem Wort eingegangen wird.In addition to these cooling devices, a number of older non-generic cooling devices are known, which can be summarized under the generic term "heat pipe." Such a heat pipe is for example in the DE 101 45 311 A1 disclosed. The evaporator portion of this heat pipe is connected to the electronic part and the condenser part, which is provided with a large outer heat transfer surface for the secondary coolant (here air) is placed above it and is located with the evaporator part in a common tubular housing. Since the condenser part of the heat pipe is arranged vertically above the evaporator part, the condensed primary coolant flows back under gravity into the evaporator part. Again, the principle of arranging a heat pipe and its connection to an electronic component, but the surface structure of the heat transfer surfaces is not critical for the heat transfer, what is also not covered in this document.

Weitere Anordnungen und Varianten einer Heat Pipe sind in der US 6,517,221 B1 sowie in der US 2002/0080584 A1 offenbart.Other arrangements and variants of a heat pipe are in the US 6,517,221 B1 and in US 2002/0080584 A1.

Von diesem nächstkommenden Stand der Technik ausgehend, liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Kühlvorrichtung der eingangs genannten Gattung zu schaffen, die bei kompakter Bauweise des einzusetzenden Verdampfer- und Kondensatorteils sowie bei relativ geringem energetischem Einsatz große Wärmemengen vom Elektronikbauteil über das primäre und sekundäre Kühlmittel abführen kann.From this closest one Based on the prior art, the invention is based on the object a cooling device to create the genus mentioned in the beginning, the compact design to be used evaporator and condenser part as well as relative Low energy use large amounts of heat from the electronic component on the primary and secondary coolant can dissipate.

Diese Aufgabe wird in Verbindung mit dem eingangs genannten Gattungsbegriff erfindungsgemäß bezüglich des Verdampferteils dadurch gelöst, daß das mit dem Bauelement der Leistungselektronik wärmeübertragend gekoppelte Verdampferteil aus einer Vielzahl von matrixartig auf einer Basisfläche eines Verdampfergehäuses angeordneten Stäben, Rohren, ebenen oder gekrümmten Platten oder einer Kombination davon aus Kupfer oder Aluminium besteht, deren Oberfläche ganz oder teilweise mit Vorsprüngen in Form von geordneten Mikrostrukturen bedeckt ist, die mittels einer mit Mikroporen versehenen Polymermembran auf die Oberfläche der Stäbe, Rohre oder Platten aufgalvanisiert sind und eine Stiftform aufweisen, die sich mit ihrer Längsachse entweder senkrecht oder unter einem Winkel zur Oberfläche der Stäbe, Rohre oder Platten erstreckt.These Task becomes in connection with the genus term mentioned above according to the invention Evaporator parts solved by that with the component of the power electronics heat transfer coupled evaporator part from a variety of matrix-like on a base surface of a Evaporator arranged Rods, tubes, plane or curved Plates or a combination thereof made of copper or aluminum, their surface in whole or in part with protrusions is covered in the form of ordered microstructures by means of a microporous polymer membrane on the surface of the Bars, pipes or plates are galvanized and have a pin shape, which is with its longitudinal axis either perpendicular or at an angle to the surface of the bars, Pipes or plates extends.

Da Kupfer und Aluminium eine hohe Wärmeleitfähigkeit besitzen, können von dem Bauelement der Leistungselektronik erhebliche Wärmemengen über die Basisfläche auf die Kupfer- oder Aluminiumstäbe übertragen werden. Aufgrund der auf der Außenfläche dieser Kupfer- und Aluminiumstäbe angeordneten Mikrostrukturen ist deren Oberfläche bis zum Vierzigfachen gegenüber einer glatten Oberfläche vergrößert. Da die Stiftform der Mikrostrukturen durch ihre Aufgalvanisierung stoffschlüssig mit den Kupfer- oder Aluminiumstäben verbunden ist, wird eine große Wärmeübertragungsleistung von der Basisfläche des Verdampferteils über die Kupfer- oder Aluminiumstäbe auf deren Oberflächenstruktur gesichert, die von stiftförmigen Vorsprüngen in stochastischer Anordnung gebildet ist. Durch diese Oberflächenstruktur können sich in den Mikrobereichen zwischen den stiftförmigen Vorsprüngen beim Verdampfungsprozeß ungehindert Dampfblasen entwickeln, die bei einer mindesterforderlichen Überhitzung der siedenden Flüssigkeit mit entsprechender Temperaturdifferenz Blasen großer Abmessungen entstehen lassen, nach deren Abriß in den offenen Hohlräumen zwischen den einzelnen Stiften erneut Dampfblasen keimen und expandieren können, so daß nicht nur eine hohe Blasendichte, sondern auch eine hohe Blasenfrequenz gewährleistet ist. Dementsprechend hoch ist die Größe des Wärmemengentransports pro Zeiteinheit.Since copper and aluminum have a high thermal conductivity, significant amounts of heat can be transferred from the power electronics component via the base surface to the copper or aluminum rods. Due to the arranged on the outer surface of these copper and aluminum rods microstructures whose surface is up magnified forty times over a smooth surface. Since the pin shape of the microstructures is integrally bonded to the copper or aluminum bars by electroplating, a large heat transfer capacity is ensured from the base surface of the evaporator part via the copper or aluminum bars to their surface structure formed by pin-shaped projections in a stochastic arrangement. By this surface structure can develop unhindered in the micro-areas between the pin-shaped projections during the evaporation process vapor bubbles that arise at a minimum required overheating of the boiling liquid with a corresponding temperature difference bubbles of large dimensions, after the demolition in the open cavities between the individual pins again germinate vapor bubbles and can expand, so that not only a high bubble density, but also a high bubble frequency is guaranteed. Accordingly high is the size of the heat energy transport per unit time.

Bezüglich des Kondensatorteils wird die Aufgabe in Verbindung mit dem vorstehend genannten Gattungsbegriff erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Kondensatorteil als Rohrbündel-, Stabbündel- oder Plattenkondensator ausgebildet und die vom primären Kühlmittel beaufschlagte Außenseite der Rohre, Stäbe oder Platten aus Kupfer oder Aluminium innerhalb eines Kondensatorgehäuses ganz oder teilweise mit Vorsprüngen in Form von geordneten, aufgalvanisierten Mikrostrukturen versehen ist, die mittels einer mit Mikroporen versehenen Polymermembran auf die Oberfläche aufgalvanisiert sind und eine Stiftform aufweisen, die sich mit ihrer Längsachse entweder senkrecht oder unter einem Winkel zur Oberfläche der Rohre, Stäbe oder Platten erstreckt. Damit wird auch die Außenfläche der Rohre oder Platten durch die aufgalvanisierten Mikrostrukturen in stochastischer Ordnung auf ein bis zu vierzigfaches gegenüber der glatten Oberfläche vergrößert. Da sich nunmehr zwischen den aufgalvanisierten Stiften gleichmäßig völlig offene Hohlräume bilden, ist eine hervorragende Filmkondensation gewährleistet, wobei der Flüssigkeitsfilm stets in sämtlichen Richtungen gleichmäßig sowie ungehindert abströmen kann. Dadurch wird ein ausgezeichneter thermischer Wirkungsgrad sowie ein ungewöhnlich großer Wärmemengentransport von den so gestalteten Wärmeübertragungsflächen gewährleistet. Die Flächendichte und die Dicke der stiftförmigen Vorsprünge läßt sich sowohl beim Verdampfer als auch beim Kondensatorteil je nach der Viskosität des beaufschlagten Fluids variieren, nämlich zwischen 102/cm2 und 108/cm2 bei einer Dicke von 100 μm und 0,2 μm.With respect to the condenser part, the object is achieved in connection with the abovementioned generic term in that the condenser part designed as a tube bundle, rod bundle or plate capacitor and the acted upon by the primary coolant outside of the tubes, rods or plates made of copper or aluminum within a capacitor housing completely or partially provided with projections in the form of ordered, electroplated microstructures which are electroplated onto the surface by means of a microporous polymer membrane and have a pin shape extending either longitudinally or at an angle to the surface of the tubes, rods or plates extends. Thus, the outer surface of the tubes or plates is increased by the aufgalvanisierten microstructures in stochastic order to one to forty times compared to the smooth surface. Since now uniformly open cavities form between the electrodes aufgalvanisierten, excellent film condensation is ensured, the liquid film can always flow evenly in all directions as well as unhindered. This ensures an excellent thermal efficiency and an unusually large heat transfer from the thus designed heat transfer surfaces. The surface density and the thickness of the pin-shaped projections can be varied both in the evaporator and the condenser part depending on the viscosity of the fluid acted, namely between 10 2 / cm 2 and 10 8 / cm 2 at a thickness of 100 microns and 0.2 microns ,

Die Herstellung und der Aufbau von Wärmeübertragungsflächen aus Kupfer oder Aluminium mit einer aufgalvanisierten Mikrostruktur ist aus dem DE 201 19 741 U1 bekannt.The production and construction of heat transfer surfaces made of copper or aluminum with a galvanized microstructure is from the DE 201 19 741 U1 known.

Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung bestehen zur Sicherstellung einer kompakten Bauweise die Rohre des Kondensators aus Kupfer oder Aluminium mit einem Innendurchmesser von mindestens 5 mm, und ebenso weisen die Platten eine Mindestdicke von 0,5 mm auf. Dabei ist der Kondensator als Einwegkondensator ausgebildet, zwischen dessen Rohrböden die Rohre parallel zueinander angeordnet sind und der jeweils mit einer Eintritts- und Austrittsöffnung für das sekundäre Kühlmittel und mit je einem Einlaß- und Auslaßstutzen für das primäre Kühlmittel versehen ist.To An advantageous development of the invention are to ensure a compact design, the tubes of the capacitor made of copper or Aluminum with an internal diameter of at least 5 mm, and as well the plates have a minimum thickness of 0.5 mm. It is the Capacitor designed as a disposable capacitor, between the tube sheets the Tubes are arranged parallel to each other and each with a Inlet and outlet for the secondary coolant and with one intake and outlet for the primary coolant is provided.

Für kleinere abzuführende Wärmemengen vom betreffenden Bauteil der Leistungselektronik gestattet die Erfindung auch, das Verdampferteil und das Kondensatorteil als einteiliges, kompaktes Kühlrohr in Form einer Heat Pipe auszubilden. Die Querschnittsform dieses Kühlrohres kann kreisrund, oval, elliptisch oder polygonal ausgebildet sein.For smaller ones dissipated Amounts of heat from relevant component of the power electronics allows the invention also, the evaporator part and the condenser part as one-piece, compact cooling tube in the form of a heat pipe. The cross-sectional shape of this cooling pipe may be circular, oval, elliptical or polygonal.

Speziell für diesen Verwendungszweck ist nach einer besonders vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung das Kondensatorteil wie das Verdampferteil und damit gleich ausgebildet und getrennt im gleichen Gehäuse um 180° zueinander versetzt angeordnet, wobei die Basisfläche des Kondensatorteils mit einem aus dem abgedichteten Gehäuse herausführenden sowie vom sekundären Kühlmittel beaufschlagten Wärmeübertrager stoffschlüssig oder kraftschlüssig gekoppelt ist.specially For this Use is according to a particularly advantageous development the invention, the capacitor part as the evaporator part and thus Equally formed and arranged separately in the same housing offset by 180 ° to each other, the base area the condenser part with a leading out of the sealed housing as well as secondary coolant acted upon heat exchanger cohesively or non-positively is coupled.

Die Stifte der Mikrostrukturen weisen eine Mindesthöhe von 10 μm auf, die zwischen 10 μm und 100 μm liegen kann. Der Winkel α der Stifte zu ihrer Basisfläche kann sich zwischen 30° und 90° erstrecken.The Pins of the microstructures have a minimum height of 10 .mu.m, which are between 10 .mu.m and 100 .mu.m can. The angle α of Pins to their base surface can be between 30 ° and Extend 90 °.

Die Eintrittstemperatur des sekundären Kühlmittels in das Kondensatorteil wird stets unterhalb der Kondensationstemperatur des primären Kühlmittels gehalten, insbesondere dann, wenn das sekundäre Kühlmittel aus Luft oder Wasser besteht.The Inlet temperature of the secondary coolant in the condenser part is always below the condensation temperature of the primary coolant held, especially if the secondary coolant from air or water consists.

Als primäres Kühlmittel wird vorteilhaft Frigen, Alkohol oder Ammoniak verwendet. Diese Kühlmittel sind insbesondere für die in der Leistungselektronik interessanten Temperaturbereiche von –70° C bis +200°C einsetzbar. Generell sollte das primäre Kühlmittel nicht brennbar und nicht giftig sein und einen guten elektrischen Widerstand besitzen. Weiterhin ist eine geringe Oberflächenspannung für die Kapillarwirkung der Mikrostrukturen sowie ein Siedepunkt im Temperaturbereich von 30°C bis 100°C bei Atmosphärendruck erwünscht.When primary coolant Advantageously Frigen, alcohol or ammonia is used. These coolant are in particular for the temperature ranges of interest in power electronics from -70 ° C to + 200 ° C can be used. Generally, the primary coolant should be not flammable and not toxic and good electrical Possess resistance. Furthermore, a low surface tension for the Capillary action of the microstructures and a boiling point in the temperature range of 30 ° C up to 100 ° C at atmospheric pressure he wishes.

Die Innenoberfläche der Rohre des Rohrbündelkondensators ist von einem Ventilator mit der Kühlluft oder von einer Pumpe mit Wasser beaufschlagt. Wenn der Rohrbündelkondensator oberhalb des Verdampferteils eingesetzt und somit das auskondensierte primäre Kühlmittel unter seiner Schwerkraft zum Verdampferteil zurückströmen kann, ist der Energieeinsatz für den Ventilator der einzige bei den Betriebskosten zu beachtende Faktor. Bei einem Förderprozeß mittels einer Pumpe träte noch deren – geringe – Antriebsenergie hinzu.The inner surface of the tubes of the tube bundle condenser is a fan with the Cooling air or acted upon by a pump with water. If the shell-and-tube condenser can be used above the evaporator part and thus the condensed primary coolant can flow back under gravity to the evaporator part, the energy input for the fan is the only factor to be considered in the operating costs. In a delivery process by means of a pump would still their - low - added drive energy.

Zur Gewährleistung eines großen Wärmetransports durch Wärmeleitung ist die Basisfläche des Verdampfers mit der wärmeübertragenden Fläche des Elektronikbauteils entweder stoffschlüssig und/oder kraftschlüssig verbunden. Dabei kann die stoffschlüssige Verbindung aus einer Lötung, Verklebung, einer Verschweißung oder aus einer Verschmelzung bestehen.to warranty a big one heat transport by heat conduction is the base of the Evaporator with the heat transferring area the electronic component connected either cohesively and / or non-positively. In this case, the cohesive Compound from a soldering, Bonding, a welding or consist of a merger.

Die kraftschlüssige Verbindung wiederum kann durch eine Einpressung, eine Verpressung, eine Verquetschung, eine Verkeilung, eine Verschraubung oder eine Verwicklung der kontaktierenden Flächen des Elektronikbauteils einerseits mit der Basisfläche des Verdampfers andererseits hergestellt werden.The frictional Connection in turn can be made by a pressfit, a pressing, a Crimping, wedging, screwing or tangling the contacting surfaces the electronic component on the one hand with the base surface of the On the other hand be made evaporator.

Mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt. Dabei zeigen:Several embodiments The invention are illustrated in the drawings. Showing:

1 die schematische Darstellung des mit dem elektronischen, zu kühlenden Bauteils gekoppelten Verdampferteils und dem damit über Rohrleitungen zu einem geschlossenen Kreislauf verbundenen Kondensatorteil, das über einen Ventilator von Luft als sekundärem Kühlmittel beaufschlagt ist, 1 the schematic representation of the coupled with the electronic component to be cooled evaporator part and thus connected via pipes to a closed circuit capacitor part, which is acted upon by a fan of air as a secondary coolant,

2 die gerätetechnische Darstellung von 1, bei welcher das kondensierte primäre Kühlmittel unter seiner Schwerkraft vom Kondensatorteil zum Verdampferteil zurückströmt, 2 the device-technical representation of 1 in which the condensed primary coolant flows back under gravity from the condenser part to the evaporator part,

3 die perspektivische Draufsicht einer ersten Ausführungsform des Verdampferteils mit auf die Oberseite einer mit Stäben versehenen Basisfläche, deren Oberflächen mit einer Mikrostruktur (s. vergrößerten Ausschnitt von 3) versehen sind, 3 the perspective top view of a first embodiment of the evaporator part with on the top of a barred base surface whose surfaces with a microstructure (s 3 ),

4 die Darstellung eines einzelnen Stabes von 3 mit einer Ausschnittvergrößerung seiner Mikrostruktur, 4 the representation of a single rod of 3 with a detail enlargement of its microstructure,

5 eine perspektivische Ansicht einer ersten Ausführungsform des Kondensatorteils in Form eines Rohrbündelverdampfers, 5 a perspective view of a first embodiment of the condenser part in the form of a tube bundle evaporator,

6 einen Ausschnitt eines Rohres in senkrechter Position des Rohrbündelverdampfers von 5 mit einer vergrößerten Ausschnittansicht seiner aufgalvanisierten Mikrostruktur, 6 a section of a pipe in the vertical position of the tube bundle evaporator of 5 with an enlarged detail view of its galvanized microstructure,

7 eine zweite Ausführungsform eines Verdampferteils mit plattenförmigen Verdampferflächen, deren Oberflächen mit einer Mikrostruktur (s. vergrößerten Ausschnitt) versehen sind, 7 A second embodiment of an evaporator part with plate-shaped evaporator surfaces whose surfaces are provided with a microstructure (see enlarged detail),

8 die Ausbildung einer zweiten Ausführungsform des Kondensatorteils mit plattenförmigen Kondensatorflächen, die mit Löchern und deren Oberflächen mit einer mikrostrukturierten Oberfläche versehen sind, 8th the formation of a second embodiment of the capacitor part with plate-shaped capacitor surfaces, which are provided with holes and their surfaces with a microstructured surface,

9 die Ansicht in Richtung des Pfeiles IX von 8 auf die übereinandergeordneten Platten mit der zueinander versetzten Lochanordnung, 9 the view in the direction of the arrow IX of 8th on the superimposed plates with the staggered hole arrangement,

10 eine dritte Ausführungsform des Kondensatorteils mit Kondensatorplatten, die wechselseitig zueinander geneigt sind, 10 a third embodiment of the capacitor part with capacitor plates that are mutually inclined,

11 die Anordnung eines Verdampfer- und eines Kondensatorteils innerhalb eines Kühlrohres in Form einer Heat Pipe, 11 the arrangement of an evaporator and a condenser part within a cooling pipe in the form of a heat pipe,

12 einen stab- oder rohrförmigen Körper, der von einer mit Mikroporen versehenen Polymermembran umwickelt ist, vor seiner Einlage in ein Galvanobad zur Aufbringung der Mikrostrukturen und 12 a rod or tubular body wrapped by a microporous polymer membrane prior to its insertion into a plating bath for application of the microstructures and

13 eine Mikroaufnahme einer Mikrostruktur. 13 a micrograph of a microstructure.

Die in den 1 und 2 dargestellt Kühlvorrichtung 1 zur Kühlung von Bauelementen der Leistungselektronik 2 weist einen Verdampfer 3 und einen Kondensator 4 auf, die durch zwei Rohrleitungen 5, 6 miteinander zu einem geschlossenen Kreislauf verbunden sind. Die Rohrleitung 5 wird von dem das primäre Kühlmittel 7 symbolisierenden Pfeilen in dampfförmiger Phase und die Rohrleitung 6 von dem primären Kühlmittel in flüssiger Phase durchströmt. Über einen Ventilator 8 wird der Kondensator 4 vom sekundären Kühlmittel 9, hier Luft, beaufschlagt.The in the 1 and 2 shown cooling device 1 for cooling components of the power electronics 2 has an evaporator 3 and a capacitor 4 on that through two pipes 5 . 6 connected to each other to a closed circuit. The pipeline 5 this becomes the primary coolant 7 symbolizing arrows in vapor phase and the pipeline 6 flows through the primary coolant in the liquid phase. About a fan 8th the condenser 4 is the secondary coolant 9 , here air, charged.

Wie deutlich aus 2 entnommen werden kann, wird die vom elektronischen Bauteil 2 an den Verdampfer 3 abgegebene Wärmemenge vom primären Kühlmittel 7 aufgenommen und dieses automatisch in Dampfform über den Rohrstutzen 10 und die Leitung 5 zum Eintrittsstutzen 11 des Gehäuses 4a des Kondensatorteils 4 geleitet. Die Innenfläche 12b (s. 6) der Rohre 12 des als Rohrbündelkondensators ausgebildeten Kondensatorteils 4 wird von dem sekundären Kühlmittel 9 beaufschlagt, welches über Eintrittsöffnungen 9a hinein- und durch die Austrittsöffnungen 9b herausgelangt. Die Außenfläche 12a der Rohre 12 wird zunächst von der dampfförmigen Phase des primären Kühlmittels 7 beaufschlagt. Die auskondensierte und damit flüssige Phase des primären Kühlmittels 7 verläßt den Rohrbündelkondensator 4 über den Rohrstutzen 13 und strömt unter ihrer Schwerkraft durch die zweite Rohrleitung 6 zum Eintrittsstutzen 14 des Verdampferteils 3. Die Basisfläche 3a des Verdampferteils 3 ist im dargestellten Fall mit einer Vielzahl von matrixartig auf ihr angeordneten Stäben 15 versehen, deren Außenfläche 15a mit Vorsprüngen 16 in Form von geordneten Mikrostrukturen 16a bedeckt ist, die mittels einer mit Mikroporen 17 versehenen Polymermembran 18 (s. 12) auf die Oberfläche 15a der Stäbe 15 aufgalvanisiert sind und eine Stiftform aufweisen, die sich mit ihrer Längsachse 19 (s. 2) entweder wie dargestellt senkrecht oder unter einem Winkel α zwischen 30° und 90° erstreckt.How clear 2 can be taken, which is the electronic component 2 to the evaporator 3 amount of heat released from the primary coolant 7 and this automatically in vapor form over the pipe socket 10 and the line 5 to the inlet 11 of the housing 4a the capacitor part 4 directed. The inner surface 12b (S. 6 ) of the pipes 12 of the condenser part designed as a tube bundle condenser 4 is from the secondary coolant 9 impinged, which via inlet openings 9a into and through the outlet openings 9b comes out. The outer surface 12a the pipes 12 is first of the vapor phase of the primary coolant 7 applied. The condensed and thus liquid phase of the primary coolant 7 leaves the tube bundle capacitor 4 over the pipe socket 13 and flows under gravity through the second pipeline 6 to the inlet 14 of the evaporator part 3 , The base area 3a of the evaporator part 3 is in the illustrated case with a variety of matrix-like arranged on her rods 15 provided, the outer surface 15a with projections 16 in the form of ordered microstructures 16a covered by means of a micropores 17 provided polymer membrane 18 (S. 12 ) on the surface 15a of the bars 15 galvanized and have a pin shape that aligns with its longitudinal axis 19 (S. 2 ) either as shown perpendicular or at an angle α between 30 ° and 90 °.

Zur Effizienz der Verdampfung ist ein möglichst gleichmäßiger Flüssigkeitsfilm 30 in den von der Mikrostruktur 16a gebildeten sowie nach sämtlichen Seiten offenen Hohlräumen 31 erwünscht. Wie 3 und die darauf bezogene Mikrostruktur 16a der stiftartigen Vorsprünge 16 anschaulich zeigt, keimt zunächst in der Nähe der Oberfläche 15a der Stäbe 15 eine Blase auf, die stetig mit der Temperaturdifferenz entlang des Stabes 15 und entlang der Vorsprünge 16 wächst und die lichte Weite W (s. 4) zwischen zwei mikrostrukturierten Vorsprüngen 16 durchdringt, dort zunächst eine kleine Blase 20, dann eine mittelgroße Blase 21 und schließlich eine große Blase 22 bildet, die abreißt und auf einen relativ großen Radius anwächst. Nach dem Abriß der großen Blase 22 oder kurz zuvor bildet sich zwischen den stiftförmigen Vorsprüngen 16 wiederum ein Blasenkeim 23 der in der vorbeschrieben Art bis zum Abreißen einer großen Blase 22 anwächst. Da zwischen der mindesterforderlichen Überhitzung ΔT der siedenden Flüssigkeit auf der Außenseite 15a der Stäbe 15 und dem Radius der abgerissenen Blasen 22 die Abhängigkeit besteht, daß mit größerwerdendem Radius die mindesterforderliche Überhitzung ΔT abnimmt, wird deutlich, daß die Wärmeübertragung aufgrund der Mikrostruktur 16a nicht nur wegen der Vergrößerung der Wärmeübertragungsfläche auf das bis zu Vierzigfache gegenüber einer glatten Oberfläche, sondern auch wegen der vorbeschriebenen physikalischen Gegebenheiten der Blasenbildung erheblich ansteigt.Efficiency of evaporation is as uniform a liquid film as possible 30 in the of the microstructure 16a formed and open to all sides cavities 31 he wishes. As 3 and the related microstructure 16a the pin-like projections 16 shows clearly, germinates first near the surface 15a of the bars 15 a bubble that is steady with the temperature difference along the bar 15 and along the protrusions 16 grows and the inside width W (s. 4 ) between two microstructured protrusions 16 penetrates, there first a small bubble 20 , then a medium bubble 21 and finally a big bubble 22 forms, which breaks off and grows to a relatively large radius. After the demolition of the big bubble 22 or shortly before forms between the pin-shaped projections 16 again a bubble germ 23 in the manner described above until the tearing of a large bubble 22 increases. Since between the minimum required overheating ΔT of the boiling liquid on the outside 15a of the bars 15 and the radius of the torn blisters 22 the dependence exists that with increasing radius the minimum required overheating ΔT decreases, it is clear that the heat transfer due to the microstructure 16a Not only because of the increase in the heat transfer area up to forty times over a smooth surface, but also because of the above-described physical conditions of blistering increases significantly.

Im Ausführungsbeispiel der 5 und 6 ist das Kondensatorteil 4 als Rohrbündelkondensator ausgebildet. Möglich ist selbstverständlich auch ein Plattenkondensator, auf den noch an anderer Stelle eingegangen werden wird.In the embodiment of 5 and 6 is the capacitor part 4 designed as a tube bundle capacitor. Of course, a plate capacitor is also possible, which will be discussed later.

Die Rohre 12 des Kondensatorteils 4 werden auf ihrer Außenseite 12a von dem primären Kühlmittel 7 beaufschlagt. Auf der Innenseite 12b werden die Rohre 12 durch das vom Ventilator 8 herangeführte sekundäre Kühlmittel 9 – hier Luft – beaufschlagt.The pipes 12 the capacitor part 4 be on their outside 12a from the primary coolant 7 applied. On the inside 12b become the pipes 12 by the fan 8th introduced secondary coolant 9 - here air - charged.

Die Außenseite 12a der Rohre 12 ist ganz oder teilweise mit Vorsprüngen 16 in Form von geordneten, aufgalvanisierten Mikrostrukturen 16a versehen, die wie beim Verdampferteil 3 eine Stiftform aufweisen, die sich mit ihrer Längsachse 19 entweder wie dargestellt senkrecht (= 90°) oder unter einem Winkel α zwischen 30° und 90° zur Oberfläche 12a der Rohre 12 erstreckt.The outside 12a the pipes 12 is wholly or partially with protrusions 16 in the form of ordered, electroplated microstructures 16a provided, as the evaporator part 3 have a pin shape that aligns with its longitudinal axis 19 either as shown vertically (= 90 °) or at an angle α between 30 ° and 90 ° to the surface 12a the pipes 12 extends.

Das vom Kondensatorteil 4 erwärmte sekundäre Kühlmittel 9 wird in weiter Entfernung vom Standort des Elektronikbauteils 2 abgeführt, z.B. in die Außenatmosphäre.That of the condenser part 4 heated secondary coolant 9 becomes far away from the location of the electronic component 2 discharged, eg into the outside atmosphere.

Beim Kondensatorteil 4 tritt zwischen den Mikrostrukturen 16a der stiftförmigen Vorsprünge 16 eine Filmkondensation ein, die mit einer Kondensationshaut auf den stiftförmigen Vorsprüngen 16 beginnt. Bei einer geringen Oberflächenspannung ergibt sich ein treibendes Druckgefälle im Kondensatfilm, welches die entsprechenden Werte im Bereich der üblichen einphasigen Strömungen bei weitem übersteigt. Dadurch wird die Kondensation nicht nur durch die infolge der Mikrostrukturen 16a bis zum Vierzigfachen gegenüber einer glatten Fläche vergrößerten Oberfläche der Rohre 15a, sondern auch durch die Gleichmäßigkeit des Kondensatfilmes 30 sowie seiner freien Abströmung durch die Zwischenräume 31 der Mikrostrukturen 16a begünstigt. Dieses Kondensat des primären Kühlmittels 7 durchströmt sodann den Auslaßstutzen 13 des Kondensatorteils 4 unter seiner Schwerkraft und gelangt durch die Leitung 6 zum Verdampferteil 3 zurück. Zur Erhöhung der Effizienz ist es selbstverständlich auch möglich, zwischen dem Kondensatorteil 4 und dem Verdampferteil 3 einen Puffertank mit nachgeschalteter Pumpe anzuordnen, um somit ein flüssiges primäres Kühlmittel 7 rascher und gleichmäßiger vom Kondensatorteil 4 zum Verdampferteil 3 gelangen zu lassen. Allerdings muß in diesem Fall die für den Antrieb der Pumpe erforderliche Energie gegengerechnet werden.At the condenser part 4 occurs between the microstructures 16a the pin-shaped projections 16 a film condensation that with a condensation skin on the pin-shaped projections 16 starts. At a low surface tension results in a driving pressure gradient in the condensate film, which far exceeds the corresponding values in the range of the usual single-phase flows. As a result, the condensation is not only due to the microstructures 16a Up to forty times compared to a smooth surface enlarged surface of the tubes 15a but also by the uniformity of the condensate film 30 as well as its free outflow through the interstices 31 of the microstructures 16a favored. This condensate of the primary coolant 7 then flows through the outlet 13 the capacitor part 4 under its gravity and passes through the line 6 to the evaporator part 3 back. To increase the efficiency, it is of course also possible between the capacitor part 4 and the evaporator part 3 to arrange a buffer tank with downstream pump, thus a liquid primary coolant 7 faster and more even from the condenser part 4 to the evaporator part 3 to get to. However, in this case, the energy required to drive the pump must be offset.

In 7 ist das Verdampferteil 3 von 2 anstelle der Stäbe 15 mit Platten 24 bestückt, deren Oberflächen 24a gleichfalls von Mikrostrukturen 16a in Form von stiftförmigen Vorsprüngen 16 bedeckt sind. Die Platten 24 sind mit ihrem Fußbereich 24b in Nuten 3b der Basisfläche 3a des Verdampferteils 3 eingelassen. Da die die Oberfläche 24a der Platten 24 bedeckenden Mikrostrukturen 16a eine hohe Kapillarität, insbesondere bei flüssigen Kühlmitteln mit geringer Oberflächenspannung, z.B. bei Dichlormethan, Methanol oder Chloroform, aufweisen, wird das dem Boden der Basisfläche 3a des Verdampferteils 3 bedeckende primäre Kühlmittel wie von einer Pumpe durch die Mikrostruktur 16a aufgesaugt, wodurch sich ein dünner Flüssigkeitsfilm auf der Oberfläche 24a der Platten 24 ausbildet, dessen Dicke durch die Höhe der stiftförmigen Vorsprünge 16 der Mikrostrukturen 16a vorgegeben ist. Gleichzeitig setzt der Verdampfungsprozeß des primären Kühlmittels 7 ein, was zu einer schnellen Wärmeabfuhr und zu einem Auskühlen der Mikrostrukturen 16a führt und damit auch zur Abkühlung der Oberflächen 24a der Platten 24, die von dem primären Kühlmittel benetzt sind. Erste Versuche mit Methanol für das primäre Kühlmittel haben überraschend ergeben, daß dadurch das Methanol von ursprünglich 23°C innerhalb von 15 Minuten auf –5°C abgekühlt werden konnte. Da bei glatten Oberflächen keine Kapillarität vorliegt, ist schon aus diesem Grunde die Kühlwirkung von glatten Oberflächen erheblich geringer.In 7 is the evaporator part 3 from 2 instead of the bars 15 with plates 24 equipped, their surfaces 24a likewise of microstructures 16a in the form of pin-shaped projections 16 are covered. The plates 24 are with their foot area 24b in grooves 3b the base area 3a of the evaporator part 3 admitted. Because the the surface 24a the plates 24 covering microstructures 16a have a high capillarity, especially in liquid coolants with low surface tension, for example in dichloromethane, methanol or chloroform, that is the bottom of the base surface 3a of the evaporator part 3 covering primary coolant as from a pump through the microstructure 16a sucked up, causing a thin liquid film on the surface 24a the plates 24 whose thickness is determined by the height of the pin-shaped projections 16 the microstructure tures 16a is predetermined. At the same time sets the evaporation process of the primary coolant 7 resulting in rapid heat removal and cooling of the microstructures 16a leads and thus also to the cooling of the surfaces 24a the plates 24 that are wetted by the primary coolant. Initial experiments with methanol for the primary coolant have surprisingly revealed that thereby the methanol could be cooled from originally 23 ° C within 15 minutes to -5 ° C. Since there is no capillarity on smooth surfaces, the cooling effect of smooth surfaces is considerably lower for this reason alone.

In den 8 und 9 ist eine zweite Ausführungsform eines Kondensatorteils 4 dargestellt, welches ebenfalls Platten 25 mit Oberflächen 25a aufweist, die mit Mikrostrukturen 16a in Form von stiftförmigen Vorsprüngen 16 versehen sind. Außerdem weisen die Platten 25 Löcher 26 auf, um einen rascheren Abflug des Kondensats zu gewährleisten, sobald die stiftförmigen Vorsprünge 16 vom Kondensat überflutet sind. Dadurch wird von den Löchern 26 ein Überlauf gebildet, der für eine möglichst gleichmäßige Überflutung der stiftförmigen Vorsprünge 16 sorgen soll.In the 8th and 9 is a second embodiment of a capacitor part 4 represented, which also plates 25 with surfaces 25a that has microstructures 16a in the form of pin-shaped projections 16 are provided. In addition, the plates have 25 holes 26 to ensure a faster departure of the condensate as soon as the pin-shaped projections 16 are flooded by the condensate. This will remove from the holes 26 formed an overflow, for the most uniform flooding of the pin-shaped projections 16 should take care of.

In 10 ist ein drittes Ausführungsbeispiel eines Kondensatorteils 4 dargestellt, bei welchem die Oberflächen 27a von kaskadenförmig angeordneten Platten 27 mit Mikrostrukturen 16a in Form von stiftförmigen Vorsprüngen 16 bestückt und unter einem Winkel gegenseitig zueinander geneigt sind, um gleichfalls für eine möglichst gleichmäßige Kondensatüberflutung der stiftförmigen Vorsprünge 16 zu sorgen. In diesem Fall sind die Löcher 26 der Ausführungsform der 8 und 9 entbehrlich.In 10 is a third embodiment of a capacitor part 4 represented, in which the surfaces 27a of cascaded panels 27 with microstructures 16a in the form of pin-shaped projections 16 equipped and inclined to each other at an angle to each other, also for the most uniform condensate overflow of the pin-shaped projections 16 to care. In this case, the holes are 26 the embodiment of the 8th and 9 dispensable.

In 11 ist eine zweite Ausführungsform einer Kühlvorrichtung 1a in Form eines Kühlrohres (Heat Pipe) schematisch dargestellt. Mit den 1 bis 4 übereinstimmende Teile sind mit gleichen Bezugsziffern bezeichnet. Das Gehäuse 28 ist mit einem kreisringförmigen Querschnitt versehen. Es ist jedoch auch möglich, das Gehäuse 28 kastenförmig auszubilden und beispielsweise mit einem ovalen, elliptischen oder polygonalen Querschnitt auszubilden.In 11 is a second embodiment of a cooling device 1a in the form of a cooling pipe (heat pipe) shown schematically. With the 1 to 4 Matching parts are designated by the same reference numerals. The housing 28 is provided with a circular cross-section. However, it is also possible the case 28 box-shaped and form, for example, with an oval, elliptical or polygonal cross-section.

Im unteren Teil des Gehäuses 28 ist das Verdampferteil 3 mit der Struktur der 3 und 4 angeordnet. Im oberen Teil des Gehäuses befindet sich das Kondensatorteil 4, welches gleichfalls mit Stäben 15 versehen ist, die jedoch um 180° gegenüber den Stäben 15 des Verdampferteils 3 versetzt im Gehäuse 28 angeordnet ist. Das Gehäuse 28 ist gegenüber der Außenatmosphäre abgedichtet. Das Kondensatorteil 4 ist darüber hinaus mit plattenförmigen Kühllamellen 29 ausgestattet, die von einem natürlichen Konvektions-Luftstrom oder von einem über einen Ventilator 8 herangeführten Zwangsluftstrom oder auch von Wasser als sekundärem Kühlmittel beaufschlagt werden können.In the lower part of the housing 28 is the evaporator part 3 with the structure of 3 and 4 arranged. In the upper part of the housing is the condenser part 4 which also with bars 15 is provided, however, by 180 ° with respect to the bars 15 of the evaporator part 3 offset in the housing 28 is arranged. The housing 28 is sealed from the outside atmosphere. The capacitor part 4 is also with plate-shaped cooling fins 29 equipped by a natural convection airflow or by a fan 8th supplied forced air stream or can be acted upon by water as a secondary coolant.

Auch die Kühllamellen 29 lassen mehrere Varianten zu, beispielsweise mit Kühllamellen berippte Stäbe, die von Luft oder Wasser als sekundärem Kühlmittel beaufschlagt sind.Also the cooling fins 29 allow several variants, for example, with cooling fins ribbed rods, which are acted upon by air or water as a secondary coolant.

Bei dieser Heat Pipe wird die vom elektronischen Bauteil 2 an das Verdampferteil 3 abgegebene Wärmemenge vom primären Kühlmittel 7 aufgenommen, welches in der bereits zu den 3 und 4 beschriebenen Weise in seiner Dampfphase im Gehäuse 28 aufsteigt, dadurch zum Kondensatorteil 4 gelangt und dort in der gleichfalls bereits beschriebenen Weise auskondensiert.This heat pipe is the one of the electronic component 2 to the evaporator part 3 amount of heat released from the primary coolant 7 recorded, which in the already to the 3 and 4 described manner in its vapor phase in the housing 28 ascends, thereby to the capacitor part 4 passes and condenses there in the manner already described also.

In den 12 und 13 ist ein Stab 15 oder ein Rohr 12 mit einer mit Mikroporen 17 versehenen Polymermembran 18 umwickelt und wird anschließend so lange in ein Galvanisierungsbad gelegt, bis die stiftförmigen Vorsprünge 16, die auch eine Pilzform aufweisen können, die Mikroporen 17 ganz oder teilweise durchdrungen haben und eine geordnete Mikrostruktur 16a von stiftförmigen Vorsprüngen 16 in stochastischer Anordnung bilden.In the 12 and 13 is a bar 15 or a pipe 12 with one with micropores 17 provided polymer membrane 18 wrapped and then placed in a galvanizing bath until the pin-shaped projections 16 , which may also have a mushroom shape, the micropores 17 have penetrated completely or partially and an ordered microstructure 16a of pin-shaped projections 16 form in a stochastic arrangement.

Nach Beendigung des Galvanisierungsprozesses wird die Polymermembran 18 entfernt, wodurch die aus 13 ersichtlichen stiftförmigen Vorsprünge 16 freigelegt werden. Da diese stiftförmigen Vorsprünge 16 mit der Oberfläche 15a der Stäbe 15 und der Oberfläche 12a der Rohre 12 stoffschlüssig verbunden sind, wird ein ausgezeichneter Wärmeübergang in der beschriebenen Weise gewährleistet.Upon completion of the plating process, the polymer membrane becomes 18 removed, causing the out 13 apparent pin-shaped projections 16 be exposed. Because these pin-shaped projections 16 with the surface 15a of the bars 15 and the surface 12a the pipes 12 are cohesively connected, an excellent heat transfer is ensured in the manner described.

1, 1a1, 1a
KühlvomchtungKühlvomchtung
22
Leistungselektronik 2 power electronics 2
33
Verdampferteil 3 evaporator part 3
3a3a
Basisfläche des Verdampferteils 3 Base surface of the evaporator part 3
3b3b
Nuten in Basisfläche 3a Grooves in base area 3a
44
Kondensatorteilcondenser part
4a4a
Kondensatorgehäusecapacitor case
5, 65, 6
Rohrleitungenpiping
77
primäres Kühlmittelprimary coolant
88th
Ventilatorfan
99
sekundäres Kühlmittelsecondary coolant
9a9a
Eintrittsöffnung inlet opening
9b9b
Austrittsöffnung outlet opening
1010
Rohrstutzenpipe socket
1111
Eintrittsstutzen desinlet connection of
Kondensatorteils 4 condenser part 4
1212
Rohre 12 Tube 12
12a12a
Außenseite der Rohre 12 Outside of the pipes 12
12b12b
Innenseite der Rohre 12 Inside of the pipes 12
1313
Rohrstutzen 13 pipe socket 13
1414
Eintrittsstutzen desinlet connection of
Verdampferteils 3 evaporator part 3
1515
Stäberods
15a15a
Außenfläche der Stäbe 15 Outside surface of the bars 15
1616
Stifte 16 pencils 16
16a16a
Mikrostrukturenmicrostructures
1717
Mikroporenmicropores
1818
Polymermembranpolymer membrane
1919
Längsachselongitudinal axis
2020
kleine Blasesmall bladder
2121
mittelgroße Blasemedium sized bubble
2222
große Blasebig bubble
2323
Blasenkeimbubble nucleation
24, 25, 2724 25, 27
Plattenplates
24a, 25a, 27a24a, 25a, 27a
Oberfläche der Platten 24, 25, 27 Surface of the plates 24 . 25 . 27
24b24b
Fußbereich der Plattenfooter the plates
2626
Löcherholes
2828
Gehäusecasing
2929
Kühllamellencooling fins
3030
Flüssigkeitsfilmliquid film
3131
Hohlräumecavities
hH
Höhe der Stifte 16 Height of the pins 16
WW
lichte Weite zwischen den Stiften 16 clear width between the pins 16
Neigungswinkel der Stifte 16 Tilt angle of the pins 16
αα
zur Oberflächeto surface

Claims (17)

Kühlvorrichtung, insbesondere zur Kühlung von Bauelementen der Leistungselektronik mittels eines Wärmeübertragungskreislaufes, der aus einem mit dem Elektronikbauteil wärmeübertragend gekoppelten sowie von einem primären Kühlmittel beaufschlagten Verdampferteil sowie einem extern von einem sekundären Kühlmittel beaufschlagten Kondensatorteil besteht, in dem das primäre Kühlmittel gekühlt und seine Dampfphase kondensiert ist, wobei das primäre Kühlmittel entweder unter seiner Schwerkraft oder mittels einer Pumpe vom Kondensatorteil zum Verdampferteil gefördert ist, dadurch gekennzeichnet, daß das mit dem Bauelement (2) der Leistungselektronik wärmeübertragend gekoppelte Verdampferteil (3) aus einer Vielzahl von matrixartig auf einer Basisfläche (3a) eines Verdampfergehäuses (3b) angeordneten Stäben (15), Rohren oder ebenen oder gekrümmten Platten (24) oder einer Kombination davon aus Kupfer oder Aluminium besteht, deren Oberfläche (15a, 24a) ganz oder teilweise mit Vorsprüngen (16) in Form von geordneten Mikrostrukturen (16a) bedeckt ist, die mittels einer mit Mikroporen (17) versehenen Polymermembran (18) auf die Oberfläche (15a) der Stäbe (15), Rohre oder Platten (24) aufgalvanisiert sind und eine Stiftform aufweisen, die sich mit ihrer Längsachse (19) entweder senkrecht oder unter einem Winkel (α) zur Oberfläche (15a, 24a) der Stäbe (15), Rohre oder Platten (24) erstreckt.Cooling device, in particular for cooling components of the power electronics by means of a heat transfer circuit consisting of a heat transfer coupled to the electronic component and acted upon by a primary coolant evaporator part and externally acted upon by a secondary coolant condenser part in which the primary coolant cooled and its vapor phase is condensed in which the primary coolant is conveyed either under its gravitational force or by means of a pump from the condenser part to the evaporator part, characterized in that that with the component ( 2 ) of the power electronics heat transfer coupled evaporator part ( 3 ) of a plurality of matrix-like on a base surface ( 3a ) of an evaporator housing ( 3b ) arranged rods ( 15 ), Pipes or flat or curved plates ( 24 ) or a combination thereof of copper or aluminum whose surface ( 15a . 24a ) in whole or in part with projections ( 16 ) in the form of ordered microstructures ( 16a ) covered by one with micropores ( 17 ) provided polymer membrane ( 18 ) on the surface ( 15a ) of the bars ( 15 ), Pipes or plates ( 24 ) are galvanized and have a pin shape, which with its longitudinal axis ( 19 ) either perpendicular or at an angle (α) to the surface ( 15a . 24a ) of the bars ( 15 ), Pipes or plates ( 24 ). Kühlvorrichtung, insbesondere zur Kühlung von Bauelementen der Leistungselektronik mittels eines Wärmeübertragungskreislaufes, der aus einem mit dem Elektronikbauteil wärmeübertragend gekoppelten sowie von einem primären Kühlmittel beaufschlagten Verdampferteil sowie einem extern von einem sekundären Kühlmittel beaufschlagten Kondensatorteil besteht, in dem das primäre Kühlmittel gekühlt und seine Dampfphase kondensiert ist, wobei das primäre Kühlmittel entweder unter seiner Schwerkraft oder mittels einer Pumpe vom Kondensatorteil zum Verdampferteil gefördert ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Kondensatorteil (4) als Rohrbündel-, Stabbündel- oder Plattenkondensator ausgebildet ist und die vom primären Kühlmittel (7) beaufschlagte Außenseite (12a) der Rohre (12), Stäbe (15) oder Platten (25, 27) aus Kupfer oder Aluminium innerhalb eines Kondensatorgehäuses (4a) ganz oder teilweise mit Vorsprüngen (16) in Form von geordneten, aufgalvanisierten Mikrostrukturen (16a) versehen ist, die mittels einer mit Mikroporen (17) versehenen Polymermembran (18) auf die Oberfläche (12a, 15a, 25a, 27a) aufgalvanisiert sind und eine Stiftform aufweisen, die sich mit ihrer Längsachse (19) entweder senkrecht oder unter einem Winkel (α) zur Oberfläche (12a, 15a, 24a, 25a, 27a) der Rohre (12), Stäbe (15) oder Platten (24, 25, 27) erstreckt.Cooling device, in particular for cooling components of the power electronics by means of a heat transfer circuit consisting of a heat transfer coupled to the electronic component and acted upon by a primary coolant evaporator part and externally acted upon by a secondary coolant condenser part in which the primary coolant cooled and its vapor phase is condensed in which the primary coolant is conveyed either under its gravity or by means of a pump from the condenser part to the evaporator part, characterized in that the condenser part ( 4 ) is designed as a tube bundle, rod bundle or plate capacitor and that of the primary coolant ( 7 ) acted upon outside ( 12a ) of the pipes ( 12 ), Rods ( 15 ) or plates ( 25 . 27 ) made of copper or aluminum within a capacitor housing ( 4a ) in whole or in part with projections ( 16 ) in the form of ordered, electroplated microstructures ( 16a ) provided by means of a microporous ( 17 ) provided polymer membrane ( 18 ) on the surface ( 12a . 15a . 25a . 27a ) are galvanized and have a pin shape, which with its longitudinal axis ( 19 ) either perpendicular or at an angle (α) to the surface ( 12a . 15a . 24a . 25a . 27a ) of the pipes ( 12 ), Rods ( 15 ) or plates ( 24 . 25 . 27 ). Kühlvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohre (12) des Kondensatorteils (4) einen Innendurchmesser von mindestens 5 mm und die Platten (24, 25, 27) eine Mindestdicke von 0,5 mm aufweisen.Cooling device according to claim 2, characterized in that the pipes ( 12 ) of the capacitor part ( 4 ) an inner diameter of at least 5 mm and the plates ( 24 . 25 . 27 ) have a minimum thickness of 0.5 mm. Kühlvorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Kondensatorteil (4) als Einwegkondensator ausgebildet ist, zwischen dessen Rohrböden die Rohre (12) parallel zueinander angeordnet sind und der mit jeweils einer Eintritts- (9a) und Austrittsöffnung (9b) für das sekundäre Kühlmittel (9) und mit je einem Einlaß- (11) und Auslaßstutzen (13) für das primäre Kühmttel (7) versehen ist.Cooling device according to claim 2 or 3, characterized in that the condenser part ( 4 ) is designed as a disposable capacitor, between the tube sheets, the tubes ( 12 ) are arranged parallel to each other and each having an entrance ( 9a ) and outlet ( 9b ) for the secondary coolant ( 9 ) and each with an inlet ( 11 ) and outlet ( 13 ) for the primary cattle ( 7 ) is provided. Kühlvorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Verdampferteil (3) und das Kondensatorteil (4) als einteiliges Kühlrohr in Form einer Heat Pipe (1a) ausgebildet ist.Cooling device according to Claims 1 and 2, characterized in that the evaporator part ( 3 ) and the capacitor part ( 4 ) as a one-piece cooling tube in the form of a heat pipe ( 1a ) is trained. Kühlvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Querschnittsformdes Kühlrohres (1a) kreisrund, oval, elliptisch oder polygonal ausgestaltet ist.Cooling device according to claim 5, characterized in that the cross-sectional shape of the cooling tube ( 1a ) is circular, oval, elliptical or polygonal configured. Kühlvorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Kondensatorteil (4) wie das Verdampferteil (3) ausgebildet und getrennt im gleichen Gehäuse (28) um 180° zueinander versetzt angeordnet ist, wobei die Basisfläche des Kondensatorteils (4) mit einem aus dem abgedichteten Gehäuse (28) herausführenden sowie vom sekundären Kühlmittel (9) beaufschlagten Wärmeübertrager (29) stoffschlüssig oder kraftschlüssig gekoppelt ist.Cooling device according to claim 5 or 6, characterized in that the condenser part ( 4 ) like the evaporator part ( 3 ) formed and separated in the same housing ( 28 ) is arranged offset by 180 ° to each other, wherein the base surface of the capacitor part ( 4 ) with one from the sealed housing ( 28 ) as well as secondary coolant ( 9 ) acted upon heat exchanger ( 29 ) is coupled cohesively or non-positively. Kühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Stifte (16) der Mikrostrukturen (16a) eine Mindesthöhe (h) von 10 μm aufweisen.Cooling device according to one of claims 1 to 7, characterized in that the pins ( 16 ) of the microstructures ( 16a ) have a minimum height (h) of 10 microns. Kühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Stifte (16) der Mikrostruktur (16a) mit einer Höhe (h) zwischen 10 μm und 100 μm versehen sind.Cooling device according to one of claims 1 to 8, characterized in that the pins ( 16 ) of the microstructure ( 16a ) are provided with a height (h) between 10 .mu.m and 100 .mu.m. Kühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel (α) der Stifte (16) zur Oberfläche (12a, 15a, 24a, 25a, 27a) ihrer Basis zwischen 30° und 90° liegt.Cooling device according to one of claims 1 to 9, characterized in that the angle (α) of the pins ( 16 ) to the surface ( 12a . 15a . 24a . 25a . 27a ) of its base is between 30 ° and 90 °. Kühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Eintrittstemperatur des sekundären Kühlmittels (9) in das Kondensatorteil (4) stets unterhalb der Kondensationstemperatur des primären Kühlmittels (7) gehalten ist.Cooling device according to one of claims 1 to 10, characterized in that the inlet temperature of the secondary coolant ( 9 ) in the condenser part ( 4 ) always below the condensation temperature of the primary coolant ( 7 ) is held. Kühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß dassekundäre Kühlmittel (9) aus Luft oder Wasser besteht.Cooling device according to one of claims 1 to 11, characterized in that the secondary coolant ( 9 ) consists of air or water. Kühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß dasprimäre Kühlmittel (7) aus Frigen, Alkohol oder Ammoniak besteht.Cooling device according to one of claims 1 to 12, characterized in that the primary coolant ( 7 ) consists of Frigen, alcohol or ammonia. Kühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenoberfläche (12b) der Rohre (12) des Rohrbündelkondensators (4) von einem Ventilator (8) mit der Kühlluft (9) oder von einer Pumpe mit Wasser beaufschlagt ist.Cooling device according to one of claims 1 to 13, characterized in that the inner surface ( 12b ) of the pipes ( 12 ) of the tube bundle capacitor ( 4 ) from a fan ( 8th ) with the cooling air ( 9 ) or is supplied by a pump with water. Kühlvomchtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Basisflächedes Verdampferteils (3) mit der wärmeübertragenden Fläche des Elektronikbauteils (2) entweder stoffschlüssig und/oder kraftschlüssig verbunden ist.Cooling device according to one of claims 1 to 14, characterized in that the base surface of the evaporator part ( 3 ) with the heat transfer surface of the electronic component ( 2 ) is connected either cohesively and / or non-positively. Kühlvorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die stoffschlüssige Verbindung aus einer Lötung, Verklebung, einer Verschweißung oder aus einer Verschmelzung besteht.cooler according to claim 15, characterized in that the cohesive connection of a soldering, Gluing, welding or consists of a merger. Kühlvorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die kraftschlüssige Verbindung aus einer Einpressung, Verpressung, einer Verquetschung, einer Verkeilung, einer Verschraubung oder einer Verwicklung der kontaktierenden Flächen des Elektronikbauteils (2) einerseits mit der Basisfläche (3a) des Verdampferteils (3) andererseits hergestellt ist.Cooling device according to claim 15, characterized in that the frictional connection of a press-fitting, pressing, a squeezing, a wedging, a screw connection or an entanglement of the contacting surfaces of the electronic component ( 2 ) on the one hand with the base surface ( 3a ) of the evaporator part ( 3 ) On the other hand.
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