DE19527674A1 - Kühleinrichtung - Google Patents
KühleinrichtungInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Kühleinrichtung, insbesondere für elektro
nische Schaltungen, mit mindestens einem Wärmerohr, das an seinem unten
liegenden Ende mit einem Verdampfer strömungsmäßig verbunden und an sei
nem oben liegenden Ende mit Kühlelementen versehen ist, wobei der Ver
dampfer mindestens eine Kammer für zu verdampfendes, flüssiges Wärmeüber
tragungsmittel aufweist, der erzeugte Dampf im Wärmerohr im Bereich der
Kühlelemente kondensiert und das Kondensat in die Kammer zurückfließt und
der so gebildete Kreislauf nach außen dicht abgeschlossen ist.
Bei der Kühltechnik mittels Wärmerohren wird eine in dem Wärmerohr einge
schlossene Flüssigkeit an einer heißen Stelle verdampft (Verdampfer),
strömt durch ein Rohr nach oben und kondensiert an den gekühlten Wänden
(Kondensator) und läuft unter Schwerkraft als Kondensat zurück zu dem
Verdampfer. Hierdurch wird ein Kreislauf im Innern des Rohrs hergestellt,
ohne daß dazu Pumpen eingesetzt werden müssen. Die Wärmeübertragung von
der Zone der Wärmezuführung (Verdampfer) zu der Wärmeabgabezone (Konden
sator) erfolgt ohne Verluste (adiabatische Zone), und es ist daher mög
lich, Verdampfer und Kondensator in größeren Abständen voneinander zu
installieren.
Durch die einfache Konstruktion der Wärmerohre und deren wartungsfreie
Funktion, die ohne Energieverbrauch abläuft, werden solche in vielen
Branchen zur Kühlung eingesetzt. Hiervon sind unter anderem die Bereiche
der Haushaltsgeräte, der Sonnenkollektoren sowie die Elektronikindu
strie, wo mit solchen Wärmerohren elektronische Komponenten gekühlt wer
den, zu nennen.
Der Verdampfer eines Wärmerohrs besteht normalerweise aus einem quader
förmigen Aluminium- oder Kupferblock. Der Kondensator ist üblicherweise
aus einer Reihe von dünnen Kühlblechen aus Aluminium oder Kupfer, die von
den Wärmerohren durchquert werden und mit diesen fest verbunden sind,
gebildet. Die Maße werden von den thermischen Kühlungsdaten sowie von der
unmittelbar umgebenden Luftzone bestimmt, die ruhend oder ventiliert sein
kann. Die Wärmerohre haben die Aufgabe, die vom Verdampfer kommende Wärme
zum Kondensor mit den kleinstmöglichen Verlusten weiterzuleiten.
Nachteilig bei der vorstehend beschriebenen Ausführung ist die Verwendung
von chlorierten Chlorfluorkohlenwasserstoffen als Kühlmedium sowie die
Ausführung des Kondensators aus Aluminium oder Kupfer. Diese Materialien
erfordern zur Isolation von elektronischen Bauteilen, die beispielsweise
an den dazu vorbereiteten Flächen des Verdampfers zur Kühlung aufgebracht
werden, die Zwischenfügung einer Isolierschicht, beispielsweise einer
Keramikplatte, gegebenenfalls einer Kunststoffplatte. Der Wärmewiderstand
wird hierbei durch den zweimaligen Übergang Metall-Keramik bzw. Kera
mik-Kupfer erhöht.
In den letzten Jahren ist man auch dazu übergegangen, Verdampfer in Form
von Kupferrohren, die in einer wärmeleitenden Keramik eingebettet sind,
aufzubauen. Allerdings ist hierbei der Wärmeübergang zwischen den Kupfer
rohren und der Keramik äußerst schlecht, außerdem entstehen Probleme
durch den großen Unterschied in den Wärmeausdehnungskoeffizienten, so daß
solche Verdampfer nicht zuverlässig arbeiteten oder nur in eng begrenzten
Temperaturbereichen zu verwenden sind.
Ausgehend von dem vorstehend beschriebenen Stand der Technik und der
damit verbundenen Problematik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufga
be zugrunde, eine Kühleinrichtung zu schaffen, die in Verbindung mit
unterschiedlichen Kühlmedien eingesetzt werden kann, die in Bezug auf
Kühlmedien korrosionsbeständig ist und die insbesondere auch zur Kühlung
von elektronischen Bauteilen geeignet ist.
Die vorstehende Aufgabe wird, ausgehend von einer Kühleinrichtung der
eingangs beschriebenen Art, dadurch gelöst, daß der Verdampfer aus einer
wärmeleitenden Keramik mit einer Wärmeleitfähigkeit von
mindestens
gebildet ist.
Zum einen wird es mit einem solchen Verdampfer aus einer gut wärmeleitfähigen
Keramik mit einer Wärmeleitfähigkeit höher als 90 Watt pro m K
(bei 20° C) möglich, insbesondere auch dann, wenn an den Flächen des
Verdampfers elektronische Bauteile einschließlich deren elektrischen
Verbindungen angebracht werden, Wasser zu verwenden, wodurch der ther
mische Widerstand des Gesamtsystems deutlich gesenkt wird, da der Wärme
transport von Wasser wesentlich besser als derjenige nach dem Stand der
Technik eingesetzten Chlorfluorkohlenwasserstoffe (FCKW) ist. Außerdem
können die FCKW′s durch umweltneutrale Stoffe ersetzt werden. Weiterhin
kann, aufgrund der Möglichkeit, Wasser zu verwenden, die Effektivität des
Gesamtkühlsystems wesentlich erhöht werden, wenn neben Wasser auch Me
thanol, Ethanol verwendet werden, so daß der Wärmetauscher bereits bei
Temperaturen von -30° C über das Methanol effektiv wird, bei mittleren
Temperaturen durch die Verdampfung von Ethanol oder Isopropanol und bei
hohen Temperaturen durch Verdampfung des Wassers. Die einzelnen wärmeab
führenden Flüssigkeiten werden in einzelne, getrennte Kammern des Wärme
tauschers aus der wärmeleitenden Keramik eingefüllt, so daß der Wärmetau
scher dann aus unterschiedlichen, geschlossenen Kreisläufen aufgebaut
ist, von denen jeder aus einer Kammer im Wärmetauscher, einem damit ver
bundenen Rohr und einem Kondensator besteht. Weiterhin können mit der
erfindungsgemäßen Kühleinrichtung mehrere elektronische Bauteile
oder -komponenten auf der Oberfläche des Verdampfers angeordnet und
gleichzeitig elektrisch miteinander verbunden werden. In einem solchen
Fall kann das Material des Verdampfers ein Substrat ersetzen bzw. ergän
zen, auf dem üblicherweise solche elektronischen Komponenten und Bauteile
angeordnet werden.
Für eine gute Isolation gegenüber elektronischen Bauteilen oder Schal
tungen, die mittels solcher Kühleinrichtungen gekühlt werden sollen,
werden bevorzugt Keramiken mit einem elektrischen Widerstand oberhalb von
10¹⁰ Ω·cm bevorzugt. Materialien, die die vorstehend genannten Eigen
schaften, d. h. die Wärmeleitfähigkeit von mindestens 90 Watt pro mK und
einen elektrischen Widerstand oberhalb von 10¹⁰ Ω·cm, erfüllen, sind
Siliziumnitrid, Siliziumkarbid, Berylliumoxid oder Aluminiumnitrid, üb
licherweise in reiner Form, mit der Ausnahme von Sinterhilfsmitteln, die
üblicherweise in der Größenordnung von bis zu 3% vorliegen. Am bevorzug
testen ist Aluminiumnitrid, da es hinsichtlich seiner Wärmeleitfähigkeit
und elektrischen Isolation am günstigsten ist, außerdem ist Aluminiumni
trid nicht toxisch. Berylliumoxid besitzt eine Wärmeleitfähigkeit und
einen elektrischen Widerstand, der mit Aluminiumnitrid vergleichbar ist,
allerdings ist Berylliumoxid toxisch, so daß Berylliumoxid erst an Alu
miniumnitrid nachgeordneter Stelle heranzuziehen ist. Siliziumnitrid ist
dort einzusetzen, wo ein hoher elektrischer Widerstand gefordert ist,
allerdings die Wärmeleitfähigkeit eine nicht so wesentliche Rolle spielt,
so daß Siliziumnitrid einem Siliziumkarbid vorzuziehen ist. Als Sinter
hilfsmittel eignen sich zum Beispiel für Siliziumnitrid Yttrium- und/oder
Aluminiumoxid und für Aluminiumnitrid Yttrium- und/oder Kalziumoxid.
Um fertigungstechnisch in einfacher Weise einen solchen Verdampfer aus
Keramik herzustellen, haben sich zwei schalenförmige Teile als bevorzugt
erwiesen, die nach ihrer Herstellung miteinander verbunden werden und den
Verdampfer mit einem Hohlraum im Innenraum bilden. Um die Wärmeaustausch
fläche zwischen der wärmeleitenden Flüssigkeit und dem Verdampfer zu
vergrößern, werden die Innenwände der Kammer des Verdampfers mit Erhe
bungen und Vertiefungen strukturiert. Solche Erhebungen können durch
Zapfen und/oder Stege gebildet werden, mit einer Breite von 1 bis 10 mm,
vorzugsweise von 2 bis 5 mm. Benachbarte Zapfen und/oder Stege werden
hierbei vorzugsweise durch Freiräume getrennt, die eine Breite von 0,7
bis 5 mm, vorzugsweise von 1 bis 3 mm, haben. Gerade in Verbindung mit
zwei schalenförmigen Teilen, die nach ihrer Herstellung zuammengeklebt
werden, um den Verdampfer zu bilden, können solche Strukturierungen auf
der Innenwand derart gebildet werden, daß die Vertiefungen in die Innen
wand eingefräst oder eingeschnitten werden. Bei der kommerziellen Ferti
gung, d. h. bei der Massenherstellung, werden die Vertiefungen und Erhö
hungen in der Innenwand durch Pressen der keramischen Pulver in eine
Negativform oder Gießen keramischen Schlickers ebenfalls in eine Negativ
form ausgeführt. Solche Grünlinge werden dann anschließend gebrannt, so
daß ein formstabiler Keramikkörper entsteht. Um die für den Wärmeaus
tausch zur Verfügung stehende Oberfläche im Innern des Wärmetauschers
noch weiter zu erhöhen, werden die Zapfen und/oder Stege des einen scha
lenförmigen Teils spiegelbildlich zu dem anderen schalenförmigen Teil
ausgebildet, so daß nach Zusammenfügen der beiden schalenförmigen Teile
die zapfenförmigen Stege des einen schalenförmigen Teils an die Zapfen
und Stege des anderen schalenförmigen Teils anschließen. Die bezüglich
der Wärmeabfuhr neutrale Schicht ist die Symmetrieebene der Hohlkörper
hälften.
Wie bereits vorstehend erwähnt ist, kann der Verdampfer mehrere Einzel
kammern aufweisen, die dann jeweils mit einem Wärmerohr strömungsmäßig
verbunden sind, wobei die Möglichkeit gegeben ist, zur Erweiterung des
Temperaturbereichs in die einzelnen Kammern unterschiedliche Wärmeüber
tragungsmittel mit unterschiedlicher Verdampfungstemperatur einzufüllen.
Für die Wärmerohre zwischen Verdampfer und Kondensator eignen sich insbe
sondere Kupferrohre oder Rohre aus einer Kupfer-Legierung. Allerdings
tritt hierbei die Problematik der unterschiedlichen Wärmeausdehnungs
koeffizienten zwischen dem Wärmerohr und dem Verdampfer auf, so daß vor
zugsweise zwischen dem Verdampfer und dem Wärmerohr ein Zwischenstück zur
elektrischen Isolierung und/oder zum Ausgleichen von Wärmeausdehnungen
angeordnet wird. Zwischenstücke aus Keramik (z. B. Aluminiumoxid oder
Magnesiumsilikat) werden mit dem Verdampfer verbunden. Die Keramiken
werden in den Verdampfer eingeklebt oder es werden metallisierte Kera
mikrohre in den Verdampfer hartgelötet. Auch eignet sich ein Anbringen
von Keramikrohren in dem Verdampfer mittels Aktivlöten. Das Kupferwärme
rohr wird durch Weich- oder Hartlöten angeschlossen. Zwischen Keramikrohr
und Wärmerohr kann eventuell ein Faltenbalg (ebenfalls durch Hart- oder
Weichlöten oder durch Einkleben des Faltenbalgs direkt in den Verdampfer)
eingefügt werden, wobei auch hier statt Kleben die Löttechnik eingesetzt
werden kann. Die beiden schalenförmigen Teile, aus denen der Verdampfer
vorzugsweise zusammengesetzt wird, können mittels eines Epoxidharzes
miteinander verklebt werden.
Dem Epoxidharz kann zusätzlich ein Füllmittel aus keramischen Pulvern,
wie SiO₂, SiC oder Al₂O₃, beigegeben werden, um den thermischen
Ausdehnungskoeffizienten des Epoxidklebers zu senken und an die Klebe
partner anzugleichen. Der gleiche Epoxidharz-Kleber kann auch zur Verbin
dung des Keramikrohrs mit dem Verdampfer eingesetzt werden. Da eine sol
che Kühleinrichtung, wie sie vorstehend beschrieben ist, insbesondere für
die Kühlung von elektronischen Bauteilen geeignet ist, werden für den
Einsatz dieser Kühleinrichtung in diesem Bereich auf der Außenseite des
Verdampfers Flächen zur Aufnahme von elektronischen Bauteilen vorgesehen,
auf denen die Bauteile unmittelbar angeordnet und elektrisch versorgt
werden können; durch die isolierende Wirkung der eingesetzten Keramikmaterialien
kann der Verdampfer selbst unmittelbar den Trägerkörper für
diese elektronischen Bauteile ohne Zwischenteile bilden, so daß ein hoher
Kühlwirkungsgrad erzielt wird, was insbesondere bei Hochleistungselektro
niken vorteilhaft ist.
Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der
nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeich
nung. In der Zeichnung zeigt:
Fig. 1 einen schematischen Aufbau einer erfindungsgemäßen Kühleinrich
tung,
Fig. 2 einen erfindungsgemäßen Verdampfer, teilweise aufgebrochen, und
Fig. 3 schematisch einen Schnitt durch eine alternative Ausführungsform
eines Verdampfers mit drei Kammern.
Die Kühleinrichtung, wie sie in der Fig. 1 dargestellt ist, weist ein
Wärmerohr 1 auf, das an seinem oberen Ende mit lamellenartigen Kühlele
menten 2 verbunden ist, während es mit seinem unteren Ende über ein Zwi
schenstück in Form eines Faltenbalgs 3 und eines keramischen Zwischen
rohr 4 mit einem Verdampfer 5 verbunden ist. Diese Kühleinrichtung ist
zur Kühlung elektronischer Bauteile 6 vorgesehen; hierzu sind an dem
Verdampfer 5 ebene Flächen 7 vorhanden, an denen diese elektronischen
Bauteile 6 direkt, ähnlich eines Trägersubstrats, aufgebracht werden
können. Alternativ dazu können solche elektronischen Bauteile 6 auch
mittels Klemmschienen oder anderer Befestigungseinrichtungen an dem Ver
dampfer 5 befestigt werden.
Der Verdampfer 5 ist aus Siliziumnitrid, Siliziumkarbid, Berylliumoxid
oder Aluminiumnitrid gebildet. Die Wärmeleitfähigkeit dieser Keramiken
liegt oberhalb von 90 Watt pro mK (bei 20°C), darüberhinaus weisen diese
Keramiken einen elektrischen Widerstand oberhalb von ϕ = 10¹⁰ Ω·cm
auf. Im einzelnen liegen die üblichen Wärmeleitfähigkeiten von Silizium
nitrid bei 40-120 Watt pro mK, für Siliziumkarbid bei 25-100 Watt pro
mK, bei Berylliumoxid bei 220-270 Watt pro mK und für Aluminiumnitrid
bei 70-250 Watt pro mK. Der elektrische Widerstand liegt für Silizium
nitrid bei 10⁹-10¹⁴Ω·cm, für Siliziumkarbid bei 40-10¹⁰
Ω·cm, bei Berylliumoxid bei 10¹⁰-10¹⁴ Ω·cm und für Aluminium
nitrid bei 10¹¹-10¹⁴ Ω·cm.
Prinzipiell arbeiten solche Kühleinrichtungen mit Wärmerohr derart, daß
innerhalb des Verdampfers 5 und des Wärmerohrs 1 ein geschlossener Hohl
raum gebildet ist, der mit einer bestimmten Menge einer Flüssigkeit ge
füllt ist. Im Ausgangszustand befindet sich diese Flüssigkeit im Bereich
des Verdampfers 5. Wenn von den elektrischen Bauteilen 6 Wärme an den
Verdampfer 5 abgegeben wird, wird durch diese Wärme die Flüssigkeit in
dem Verdampfer erwärmt und verdampft, steigt in dem Wärmerohr 1 auf und
wird im Bereich der Kühlelemente 2 gekühlt, so daß der Dampf auskonden
siert und an der Wandung des Wärmerohrs wieder zurück unter Einwirkung
der Schwerkraft in den Verdampfer 5 läuft. Mittels des schematisch darge
stellten Gebläses 8 kann eine Kühlluftströmung 9 erzeugt werden, die die
Wärmeabfuhr im Bereich der Kühlelemente 2 verstärkt.
Vorzugsweise besteht der Verdampfer aus einem monolithischen, keramischen
Block, der aus zwei Halbschalen 10 zusammengesetzt ist, wie die Fig. 1
zeigt, die entlang ihrer Verbindungsfläche bzw. Verbindungsebene 11 nach
der Herstellung miteinander mit einem Epoxidharz verklebt sind. Als Fül
lung werden keramische Pulver, wie SiO₂, SiC oder Al₂O₃ eingesetzt,
um dadurch den thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Epoxidklebers zu
senken und an die beiden zu verbindenden Halbschalen 10 anzugleichen.
In dem Innern des Verdampfers 5 sind, wie die Ausführungsform der Fig. 2
zeigt, drei einzelne Kammern 12 ausgebildet, die an ihrer Oberseite je
weils eine Anschlußöffnung 13 aufweisen, in der das keramische Zwischen
rohr 4, wie dies die Fig. 1 zeigt, eingefügt wird. Die Unterteilung des
Verdampfers 5 gemäß der Ausführungsform der Fig. 2 in drei Kammern dient
dazu, unterschiedliche Flüssigkeiten aufzunehmen. So wird zum Beispiel in
die eine Kammer 12 Wasser eingefüllt, das einen hohen Verdampfungspunkt
besitzt, während in der zweiten Kammer Ethanol oder Isopropanol einge
füllt werden, um einen mittleren Temperaturbereich zu erfassen. In der
dritten Kammer wird Methanol eingefüllt, das bereits ab -30°C die Ver
dampfungswirkung zeigt. Gerade durch den Aufbau des Verdampfers 5 aus der
Keramik mit der erfindungsgemäßen Spezifizierung ist es zum einen mög
lich, Wasser einzusetzen, zum anderen wird eine gute elektrische Isolie
rung in Bezug auf die zu kühlenden elektrischen Bauteile 6 erzielt, die
auf den ebenen Flächen 7 aufgebracht werden. Jede der drei Kammern mit
dem zugeordneten Wärmerohr bildet ein für sich geschlossenes System.
An den Innenwänden der Halbschalen 10 im Bereich der Kammern 12 sind
einzelne Zapfen mit quadratischem Querschnitt zu sehen, die so zu Feldern
geordnet sind, daß zwischen den Zapfen 14 noch ausreichender Zwischenraum
verbleibt, so daß die verdampfende Flüssigkeit in dem Wärmerohr 1 auf
steigen kann. Durch diese Zapfen wird die Wärmeaustauschfläche zwischen
der Keramik und der Flüssigkeit groß gestaltet. Gerade in Verbindung mit
dem Aufbau des Wärmetauschers aus den beiden Halbschalen 10 können diese
Zapfen fertigungstechnisch einfach durch Schnitte oder Fräsvorgänge in
dem Vollmaterial gebildet werden; alternativ können die Halbschalen in
eine Form gegossen oder gepreßt werden, so daß ein Grünling entsteht, der
anschließend gebrannt wird.
Die Verwendung von Wasser, das aufgrund der guten elektrischen Isolation
der keramischen Halbschalen 10 möglich ist, senkt den thermischen Wider
stand des Systems, da der Wärmetransport von Wasser wesentlich höher als
derjenige von Chlorfluorkohlenwasserstoffe ist.
Eine weitere Ausführungsform des Wärmetauschers 5 der Fig. 1 ist in der
Fig. 3 dargestellt. Diese Ausführungsform weist drei Kammern 15, 16 und
17 auf, wobei die Kammer 15 zentral in der Mitte unter einem kreisrunden,
durch den Kreis 18 in Fig. 3 angedeuteten, elektronischen Bauteil, das
zu kühlen ist, positioniert ist. Um diese zentrale Kammer 15, die dann in
einem solchen Fall vorzugsweise mit Methanol gefüllt ist, sind zwei
äußere Kammern 16 und 17 in Form jeweils eines Halbkreises angeordnet, so
daß die gesamte Montagefläche des elektronischen Bauteils 6 durch die
Kammern 15, 16 und 17 unterlegt ist. Die beiden äußeren Kammern 16 und 17
mit zueinander spiegelsymmetrischer Halbkreisform sind vorzugsweise mit
Wasser gefüllt. Wiederum besitzt jede Kammer an ihrer Oberseite des Ver
dampfers 5 eine Anschlußöffnung 13 für jeweils ein Wärmerohr 1. Auch
bildet jede Kammer 15, 16 und 17 mit dem zugeordneten Wärmerohr ein ei
genes, in sich geschlossenes System.
Auch in den Kammern 15, 16 und 17 der Fig. 3 können Vorsprünge in Form
von Zapfen und Stegen (nicht dargestellt) vorgesehen werden, um die Wär
meaustauschfläche zu vergrößern.
Wie bereits vorstehend anhand der Fig. 1 erläutert wurde, wird das Wär
merohr 1, das aus Kupfer hergestellt ist, nicht unmittelbar mit dem Wär
metauscher 5 bzw. mit dessen Anschlußöffnungen 13 befestigt, da eine
solche Anordnung zu Spannungen aufgrund der unterschiedlichen Ausdeh
nungskoeffizienten zwischen dem Kupfermaterial des Wärmerohrs und dem
Keramikmaterial des Verdampfers 5 führen könnte. Aus diesem Grund ist in
die Anschlußöffnungen 13 das erwähnte keramische Zwischenrohr 4 mittels
des Epoxidharzklebers eingeklebt. Die Oberfläche der anderen Seite dieses
keramischen Zwischenrohrs 4, die mit dem Zwischenstück in Form eines
Faltenbalgs 3 verbunden ist, ist vorzugsweise metallisiert, so daß ein
solcher Faltenbalg 3, beispielsweise aus Bronze und Edelstahl, verlötet
oder angeschweißt werden kann. Dieser Faltenbalg 3 dient dazu, Längenän
derungen in der Richtung der Rohrachse des Wärmerohrs, aber auch Schwin
gungen, aufzunehmen.
Versuche anhand erfindungsgemäßer Verdampfer haben gezeigt, daß die Lei
stungsdaten gegenüber herkömmlichen Kühleinrichtungen, die Verdampfer aus
Flachkupfer einsetzen, wesentlich verbessert werden können. Beispielswei
se wurden Versuche an Kühleinrichtungen durchgeführt, deren Verdampfer
aus Aluminiumnitridkeramikblöcken (Halbschalen 10) mit drei getrennten
Kammern und jeweiligen Zapfenfeldern in den Kammern (siehe Fig. 2) auf
gebaut waren. Die Kammern der Verdampfer hatten Außenabmessungen von
120 mm × 120 mm × 15 mm. Die Anschlußrohre hatten einen Innendurchmesser
von 10 mm, eine Länge von 70 mm, hergestellt aus Aluminiumoxid, glasiert,
daran anschließend einen Metallfaltenbalg, Länge 25 mm, weichgelötet, um
daran anschließend ein Kupferwärmerohr, das zum Kondensator führte (Auf
bau entsprechend Fig. 1). Als Flüssigkeit wurde in der mittleren Kammer
Ethanol eingefüllt, während in den beiden äußeren Kammern ein Was
ser/Glykol-Gemisch vorhanden war. Das Wärmeaustauschfeld im Innern des
Verdampfers bestand aus Zapfen mit einer Kantenlänge von 3 mm und Kanälen
dazwischen von 1,5 mm Breite. Die Tiefe betrug 9 mm, d. h. 4,5 mm je Halb
schale 10. Bei einer Luftgeschwindigkeit von 5 m/sek. der Luftströmung 9,
die über den Kühllüfter 8 (siehe Fig. 1) auf den Kondensator zugeführt
wurde, wurde ein Wärmewiderstand von nur 0,019 K/W gemessen.
Dagegen wurde mit einem Verdampfer, der nach dem Stand der Technik aufge
baut war, bei gleicher Kühlluftgeschwindigkeit durch den Kondensator, von
5 m/sec. ein Wärmewiderstand des Aufbaus von 0,045 K/W gemessen. Der hier
für eingesetzte Verdampfer bestand aus Flachkupfer mit einer Kantenlänge
von 120 mm × 120 mm und einer Dicke von 20 mm, die Wärmerohre besaßen
ebenfalls einen Innendurchmesser von 16 mm und als wärmeübertragende
Flüssigkeit wurde darin FC72 eingesetzt.
Claims (23)
1. Kühleinrichtung, insbesondere für elektronische Schaltungen, mit
mindestens einem Wärmerohr, das an seinem unten liegenden Ende mit
einem Verdampfer strömungsmäßig verbunden und an seinem oben liegen
den Ende mit Kühlelementen versehen ist, wobei der Verdampfer min
destens eine Kammer für zu verdampfendes, flüssiges Wärmeübertra
gungsmittel aufweist, der erzeugte Dampf im Wärmerohr im Bereich der
Kühlelemente kondensiert und das Kondensat in die Kammer zurückfließt
und der so gebildete Kreislauf nach außen dicht abgeschlossen ist,
dadurch gekennzeichnet, daß der Verdampfer (5) aus einer wärmelei
tenden Keramik mit einer Wärmeleitfähigkeit von
mindestens
gebildet ist.
2. Kühleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die
Keramik elektrisch isolierend ist mit einem elektrischen Widerstand
oberhalb von ϕ = 10¹⁰ Ω·cm.
3. Kühleinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß
der Verdampfer (5) im wesentlichen aus Siliziumnitrid, Siliziumkar
bid, Berylliumoxid oder Aluminiumnitrid, vorzugsweise Aluminiumni
trid, gebildet ist.
4. Kühleinrichtung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß
der Verdampfer (5) aus mindestens zwei schalenförmigen Teilen (10)
zusammengesetzt ist.
5. Kühleinrichtung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß
die Innenwand der Kammer des Verdampfers (5) in Form von Erhe
bungen (14) und/oder Vertiefungen strukturiert ist.
6. Kühleinrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die
Erhebungen durch Zapfen (14) und/oder Stege gebildet sind.
7. Kühleinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die
Zapfen (14) und die Stege eine Breite von 1 bis 10 mm, vorzugsweise 2
bis 5 mm, aufweisen.
8. Kühleinrichtung nach Anspruch 6 oder Anspruch 7, dadurch gekennzeich
net, daß benachbarte Zapfen (14) und/oder Stege durch einen freien
Raum mit einer Breite von 0,7 bis 5 mm, vorzugsweise 1 bis 3 mm,
voneinander beabstandet sind.
9. Kühleinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die
Kammer (12, 15, 16, 17) spiegelbildlich zur Verbindungsebene der
schalenförmigen Teile ausgebildet ist.
10. Kühleinrichtung nach Anspruch 6 und Anspruch 9, dadurch gekennzeich
net, daß sich die Zapfen (14) und/oder Stege des einen schalenförmigen
Teils an die Zapfen (14) und/oder Stege des anderen schalenförmi
gen Teils aneinander anschließen.
11. Kühleinrichtung nach Anspruch 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß
der Verdampfer (5) mindestens zwei Einzelkammern aufweist, die je
weils mit einem Wärmerohr strömungsmäßig verbunden sind.
12. Kühleinrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß in die
einzelnen Kammern (15, 16, 17) unterschiedliche Wärmeübertragungsmit
tel mit unterschiedlicher Verdampfungstemperatur eingefüllt sind.
13. Kühleinrichtung nach Anspruch 11 oder Anspruch 12, dadurch gekenn
zeichnet, daß in wenigstens eine der Kammern (15, 16, 17) Wasser
eingefüllt ist.
14. Kühleinrichtung nach Anspruch 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß
der Verdampfer (5) drei Einzelkammern (15, 16, 17) aufweist, wobei in
die eine Kammer Methanol, in die zweite Kammer Ethanol und/oder Iso
propanol und in die dritte Kammer Wasser als Wärmeübertragungsmittel
eingefüllt sind.
15. Kühleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekenn
zeichnet, daß das Wärmerohr (1) aus einem Metall, insbesondere Kup
fer (5) oder einer Kupfer-Legierung, gebildet ist.
16. Kühleinrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß zwi
schen dem Wärmerohr (19) und dem Verdampfer (5) ein Zwischenstück (3,
4) zur elektrischen Isolierung und/oder zum Ausgleichen von Wärme
dehnungen angeordnet ist.
17. Kühleinrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß das
Zwischenstück (4) aus Keramik gebildet ist.
18. Kühleinrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß das
Zwischenstück (4) und der Verdampfer (5) mittels Aluminiumoxid oder
Magnesiumsilikat miteinander verbunden sind.
19. Kühleinrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß das
Zwischenstück als Faltenbalg (3) ausgebildet ist.
20. Kühleinrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß sich an
das Zwischenstück ein Faltenbalg anschließt.
21. Kühleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 17 oder 20, dadurch
gekennzeichnet, daß einzelne Bauteile mittels Epoxidharz verklebt
sind.
22. Kühleinrichtung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß das
Epoxidharz mit einem keramischen Pulver gefüllt ist.
23. Kühleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 22, dadurch gekenn
zeichnet, daß auf der Außenseite des Verdampfers (5) Flächen (7) zur
Aufnahme von elektronischen Bauteilen (6) vorgesehen sind.
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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OP8 | Request for examination as to paragraph 44 patent law | ||
8127 | New person/name/address of the applicant |
Owner name: ANCERAM GMBH & CO KG, 95463 BINDLACH, DE FRAUNHOFE |
|
D2 | Grant after examination | ||
8364 | No opposition during term of opposition | ||
8339 | Ceased/non-payment of the annual fee |