DE19610852A1 - Kühleinrichtung für elektrische Bauteile - Google Patents

Kühleinrichtung für elektrische Bauteile

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Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Kühleinrichtung für elektronische Bauteile, die dazu bestimmt ist, elektronische Bauteile zu kühlen, die Wärme entwickeln, wie beispielsweise Gleichrichterdioden und LSI-Chips.
Ein Kühlkörper zur Kühlung eines elektronischen Bauteiles, das Wärme entwickelt, wie beispielsweise eine Gleichrichterdiode oder ein LSI-Chip, wurde zum Beispiel in der ungeprüften japanischen Gebrauchsmusterveröffentlichung No. Sho. 55-74198 beschrieben.
Der Kühlkörper ist in Fig. 7 dargestellt. Im Kühlkörper ist ein elektronisches Bauteil 13, das Wärme erzeugt, wie beispielsweise eine Gleichrichterdiode, fest auf einer Seite eines Befesti­ gungselementes 11 befestigt, auf dessen anderer Seite eine Vielzahl von Wärmeleitplatten 17 (im Folgenden wird sich ggf. lediglich auf "Leitplatten 17" bezogen) befestigt ist.
Gewellte Kühlrippen 19 (im Folgenden wird sich ggf. lediglich auf "Kühlrippen 19" bezogen) sind zwischen den Wärmeleitplatten angeordnet.
Beim Kühlkörper dieser Art wird die vom elektronischen Bauteil 13 erzeugte Wärme über das Befestigungselement 11 und die Leit­ platten 17 zu den Kühlrippen 19 geleitet, und dann über die Kühlrippen 19 an die Außenluft abgestrahlt. Dadurch wird das elektronische Bauteil 13 wirksam gekühlt.
Beim oben beschriebenen, herkömmlichen Kühlkörper ergeben sich jedoch folgende Schwierigkeiten: das elektronische Bauteil 13 wird durch natürliche Wärmeabstrahlung mit Hilfe der Leitplatten 17 und den gewellten Kühlrippen 19 gekühlt. Daher ist die Kühl­ wirkung des Kühlkörpers nicht hoch.
Darüberhinaus ergibt sich beim Kühlkörper ein Problem, für den Fall, daß das elektronische Bauteil 13 unförmig ist, was bedeutet, daß es viel Wärme abstrahlt. In diesem Fall ist es notwendig, die Leitplatten 17 zu verlängern. Wenn jedoch die Leitplatten 17 verlängert werden, wird die Wirksamkeit, mit der die Leitplatten 17 die Wärme zu den Kühlrippen leitet, wie auch die thermische Leitfähigkeit vermindert. Auf diese Weise wird, selbst wenn die Zahl der Kühlrippen 19 vergrößert wird, um die wärmeabstrahlende Fläche zu vergrößern, die Kühlkraft nicht wesentlich erhöht. Das bedeutet, das es schwierig ist, die Wärme noch wirksamer vom elektronischen Bauteil 13 abzuführen.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Dementsprechend ist es ein Ziel der Erfindung, die oben beschriebenen Schwierigkeiten zu beseitigen, die eine herköm­ mliche Kühleinrichtung für elektronische Bauteile begleiten. Insbesondere ist es ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Kühleinrichtung für elektronische Bauteile anzugeben, die eine wesentlich größere Kühlwirkung elektronischer Bauteile hat, als herkömmliche Kühleinrichtungen.
Bei einer Kühleinrichtung für elektronische Bauteile ent­ sprechend eines ersten Aspektes der Erfindung ist die eine Seite einer Kühlplatte, auf deren anderer Seite ein elektronisches Bauteil befestigt ist, mit einem Abdeckelement bedeckt, um eine Tanksektion auszubilden, in der ein Kühlmittel gespeichert ist; ein Behälterrohr erstreckt sich derart von dem Abdeckelement, daß das Behälterrohr mit der Tanksektion in Verbindung steht; ein Dochtstab ist derart in das Behälterrohr eingefügt, daß eine Vielzahl von axialen Leitungen in dem Behälterrohr ausgebildet werden, und mit Luft, die aus der Tanksektion und den axialen Leitungen entfernt wird, wird ein Kühlmittel dichtend in die Tanksektion und die axialen Leitungen gefüllt.
Eine Kühleinrichtung für elektronische Bauteile entsprechend eines zweiten Aspektes der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß bei der Einrichtung des ersten Aspektes die andere Seite der Kühlplatte eine Aussparung hat, die eine Tanksektion ausbildet, und daß der Boden dieser Aussparung leicht aufgerauht ist.
Bei der Kühleinrichtung für elektronische Bauteile des ersten Aspektes wird die Wärme, die von dem elektronischen Bauteil erzeugt wird, das auf der einen Seite der Kühlplatte befestigt ist, zur anderen (gegenüberliegenden) Seite der Kühlplatte geleitet.
Obwohl die so weitergeleitete Wärme das Kühlmittel in der Tanksektion erwärmt, da die Luft aus der Tanksektion und den axialen Leitungen entfernt wurde, wird das Kühlmittel bei einer relativ geringen Temperatur verdampft und in Form einer Druck­ welle in den axialen Leitungen zu den Enden mit Schallgeschwin­ digkeit bewegt.
Wenn das Kühlmittel in den axialen Leitungen in der oben beschriebenen Weise fließt, führt es einen Wärmeaustausch mit der Außenluft so durch, daß es gekühlt und kondensiert wird; das bedeutet, es wird verflüssigt. Das so verflüssigte Kühlmittel fließt hinunter in die Tanksektion.
Bei der Kühleinrichtung für elektronische Bauteile des zweiten Aspektes hat die Kühlplatte die Aussparung, die die Tanksektion ausbildet. Somit erwärmt die von dem elektronischen Bauteil erzeugte Wärme, das in der Aussparung gespeicherte Kühlmittel gleichmäßig.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Fig. 1 ist eine Schnittansicht einer Kühleinrichtung für elektronische Bauteile, die eine erste Ausführungsform der Erfindung bildet.
Fig. 2 ist eine Schnittansicht eines Behälterrohres und eines Dochtstabs in der Kühleinrichtung für elektronische Bauteile aus Fig. 1.
Fig. 3 ist eine Explosionszeichnung der Kühleinrichtung für elektronische Bauteile aus Fig. 1.
Fig. 4 ist eine Schnittansicht, die den Zustand der Kühlein­ richtung für elektronische Bauteile zeigt, bevor die Luft entfernt wird.
Fig. 5 ist eine Schnittansicht der Kühleinrichtung für elek­ tronische Bauteile, die eine zweite Ausführungsform der Erfin­ dung bildet.
Fig. 6 ist eine Explosionszeichnung der Kühleinrichtung für elektronische Bauteile aus Fig. 5.
Fig. 7 ist eine Seitenansicht eines herkömmlichen Kühlkörpers.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf ihre bevorzugten Ausführungsformen beschrieben, die in den beilie­ genden Zeichnungen erläutert sind.
Fig. 1 zeigt eine Kühleinrichtung für elektronische Bauteile als erste Ausführungsform der Erfindung. In Fig. 1 kennzeichnet das Bezugszeichen 31 eine recheckige Kühlplatte.
Die Kühlplatte besteht aus einem Metall mit hoher thermischer Leitfähigkeit, wie beispielsweise Aluminium.
Ein elektronisches Bauteil 33, wie beispielsweise ein LSI-Chip oder ein Multi-Chipmodul (MCM), das durch Integrieren von LSIs ausgebildet ist, ist auf einer der Kühlplatte 31 mit einem Kleb­ stoff mit hoher thermischer Leitfähigkeit aufgeklebt.
Das elektronische Bauteil 33 ist auf einer gedruckten Leiter­ platte 34 befestigt.
Die andere (gegenüberliegende) Seite der Kühlplatte 31 hat eine runde Aussparung 31a. Zusätzlich sind dünne Rillen 31A am Boden der Aussparung 31a der Kühlplatte 31 ausgebildet. Weiterhin ist eine Eingreifaussparung 31b am Randabschnitt der Aussparung 31a ausgebildet, und Klemmnasen 31c sind außerhalb der Eingreifaus­ sparung 31b ausgebildet.
Der Boden (oder Körper) 35a eines runden Abdeckelementes 35 ist in die Eingreifaussparung 31b eingefügt und an der Kühlplatte 31 mit den Klemmnasen 31c befestigt.
Das Abdeckelement 35 und die Aussparung 31a bilden eine Tanksek­ tion 37 aus.
Das Abdeckelement 35 besteht ebenfalls aus einem Metall mit hoher thermischer Leitfähigkeit, wie beispielsweise Aluminium.
Das Abdeckelement 35 hat ein rundes Befestigungsloch 35b in der Mitte, in das das Behälterrohr 39 eingeführt wird.
Das Behälterrohr 39 besteht ebenfalls aus einem Metall mit hoher thermischer Leitfähigkeit, wie beispielsweise Aluminium.
Der äußere Endabschnitt 41 des Behälterrohrs 39 ist durch Kalt­ schmieden oder Schweißen verschlossen.
Das Behälterrohr 39 enthält eine Wärmetauschsektion 39a. Recht­ eckige oder runde Wärmekühlrippen 43 (im folgenden wird sich ggf. lediglich auf "Kühlrippen 43" bezogen) sind an der Wärme­ tauschsektion 39a des Behälterrohres 39 in vorgegebenen Abstän­ den in axialer Richtung des letzteren befestigt.
Die Kühlrippen bestehen ebenfalls aus einem Metall mit hoher thermischer Leitfähigkeit, wie beispielsweise Aluminium.
Ein Dochtstab 47 ist in das Behälterrohr 39 eingefügt, um eine Vielzahl von axialen Leitungen 45 in dem Behälterrohr 39 so aus­ zubilden, daß sich die Leitungen 45 axial im Behälterrohr 39 ausdehnen.
Der Dochtstab 47 besteht ebenfalls aus einem Metall mit hoher thermischer Leitfähigkeit, wie beispielsweise Aluminium.
Der Dochtstab 47 aus Fig. 2 enthält einen Axialabschnitt 47a, der sich entlang der Mittelachse erstreckt und eine Vielzahl von Vorsprüngen 47b, die sich radial nach außen von dem Axialab­ schnitt 47a erstrecken. Feine (dichte) Rillen 47c sind in der Oberfläche der Vorsprünge 47b derart ausgebildet, daß sie axial verlaufen.
Ein Ende des Dochtstabes 47 stößt gegen die Kühlplatte 31.
Die oben beschriebene Kühleinrichtung für elektronische Bauteile wird wie folgt hergestellt:
Zunächst wird, wie in Fig. 3 dargestellt, eine Anzahl von Kühl­ rippen 43 in vorbestimmten Abständen angeordnet, und dann wird das Behälterrohr 39 in die so gebildete Anordnung der Kühlrippen 43 eingeführt. Und der Endabschnitt des Behälterrohres 39 wird in das Befestigungsloch 35b des Abdeckelementes 35 eingefügt.
Danach wird der Dochtstab 47, dessen Außendurchmesser etwas größer ist als der Innendurchmesser des Behälterrohres 39, so in das Rohr 39 preßeingepaßt, daß während das Behälterrohr 39 im Durchmesser vergrößert wird, die Kühlrippen 43 und das Abdeck­ element 35 fest an dem Behälterrohr 39 befestigt werden.
In diesem Zustand kommt die Eingreifaussparung 31b der Kühl­ platte 31 mit dem Boden 35a des Abdeckelementes 35 in Eingriff, und die Klemmnasen 31c werden so gebogen, daß die Kühlplatte 31 fest mit dem Abdeckelement 35 verbunden wird.
Danach werden die so vorläufig zusammengesetzten Einzelteile einem Lötvorgang in einem Lötofen unterzogen, wodurch sie vorzugsweise durch Hartlöten fest zu einer Einheit verbunden werden.
In diesem Zustand, wie in Fig. 4 gezeigt, ist nun das Ende des Behälterrohres 39 noch offen; das heißt das Rohr 39 hat die Kühlmitteleinlaßöffnung 39b am Ende. Eine vorbestimmte Menge eines Kühlmittels, wie beispielsweise Wasser, wird in die Tank­ sektion 37 gefüllt, und danach wird die Luft aus der Tanksektion 37 und den axialen Leitungen 45 bis zu einem Druck von etwa 10-5 Torr durch die Kühlmitteleinlaßöffnung 39b entfernt, und dann wird die Kühlmitteleinlaßöffnung 39b dichtend mit einem Abdicht­ element 41 verschlossen.
Bei der so aufgebauten Kühleinrichtung für elektronische Bau­ teile, wird die Wärme, die vom elektronischen Bauteil erzeugt wird, das auf einer Seite der Kühlplatte 31 befestigt ist, zum Boden 31d der Aussparung 31a geleitet, die in der Kühlplatte 31 ausgebildet ist.
Die so übertragene Wärme erwärmt das Kühlmittel in der Tank­ sektion und bringt es zum Sieden. Da die Luft aus der Tank­ sektion 37 und den axialen Leitungen entfernt worden ist, wird das Kühlmittel bei einer relativ geringen Temperatur verdampft, und das so verdampfte Kühlmittel wird in Form einer Druckwelle in den axialen Leitungen zu den Enden mit Schallgeschwindigkeit bewegt.
Während das Kühlmittel in den axialen Leitungen 45 des Behälter­ rohres in der oben beschriebenen Art und Weise strömt, führt es einen Wärmeaustausch mit der Außenluft durch, so daß es gekühlt wird und kondensiert; das heißt, es wird verflüssigt. Das so verflüssigte Kühlmittel wird in den feinen Rillen 47c, die in den Oberflächen des Dochtstabes 47 ausgebildet sind, gesammelt und fließt so die Rillen 47c abwärts in die Kühlplatte 31.
Bei der Kühleinrichtung für elektronische Bauteile, wie sie oben beschrieben wurde, ist Luft aus der Tanksektion 37 und den axialen Leitungen 45 entfernt worden, und daher wird das Kühl­ mittel in der Tanksektion bei einer relativ niedrigen Temperatur verdampft. Das so verdampfte Kühlmittel wird in Form einer Druckwelle in den axialen Leitungen mit Schallgeschwindigkeit bewegt, während es einen Wärmeaustausch mit der Außenluft durch­ führt, so daß es gekühlt wird und kondensiert; das heißt, es wird verflüssigt. Das so verflüssigte Kühlmittel wird in den feinen Rillen 47c gesammelt, die in der Oberfläche des Docht­ stabes 47 ausgebildet sind, und fließt somit die Rillen 47c abwärts in die Kühlplatte 31. Dadurch ist die Kühlwirkung der Kühleinrichtung für elektronische Bauteile wesentlich höher, als die einer herkömmlichen Kühleinrichtung.
Das bedeutet, bei der Kühleinrichtung für elektronische Bau­ teile, bei der das Kühlmittel im Vakuum verdampft wird, wird die vom elektronischen Bauteil erzeugte Wärme zur Wärmetauschsektion 39a des Behälterrohrs 39 geleitet. Somit wird mit der Kühlein­ richtung die vom elektronischen Bauteil erzeugte Wärme mit hoher Wirksamkeit zur Wärmetauschsektion 39a geleitet. Mit anderen Worten ist das Verfahren der Erfindung für die Kühlung eines elektronischen Bauteils weitaus wirksamer als ein herkömmliches Verfahren, bei dem die Wärme nur durch thermisches Leiten über­ tragen wird und mit Kühlrippen abgestrahlt wird.
Daher kann, verglichen mit einem herkömmlichen Kühlkörper, bei dem das elektronische Bauteil durch natürliche Wärmeabstrahlung gekühlt wird, die Kühleinrichtung für elektronische Bauteile der Erfindung miniaturisiert werden, und ist dazu geeignet, eine große Wärmemenge abzustrahlen.
Weiterhin hat bei der oben beschriebenen Kühleinrichtung für elektronische Bauteile die Kühlplatte 31 eine Aussparung 31a, der eine Tanksektion 27 ausbildet. Somit kann die vom elektro­ nischen Bauteil erzeugte Wärme zur Aussparung 31a mit großer Effizienz übertragen werden.
Zusätzlich sind bei der oben beschriebenen Kühleinrichtung für elektronische Bauteile die Kühlrippen 43 an der Wärmetausch­ sektion 39a des Behälterrohres angeordnet, wodurch die Effek­ tivität des Wärmeaustausches des Kühlmittels mit der Außenluft in großem Maß verbessert wird.
Darüberhinaus fließt das Kühlmittel bei der oben beschriebenen Kühleinrichtung für elektronische Bauteile gleichmäßig über die gesamte Oberfläche der Kühlplatte 31; das heißt, die Kühlplatte 31 hat keinen Hitzefleck, und daher kann das an ihr befestigte elektronische Bauteil 33 aktiv geschützt werden.
Weiterhin stößt bei der oben beschriebenen Kühleinrichtung für elektronische Bauteile der Dochtstab 47 gegen den Boden 31d der Aussparung 31a, die in der Kühlplatte 31 ausgebildet ist. Daher bleibt die Tanksektion 37, wenn sie entleert ist, mechanisch ausreichend stabil.
Fig. 5 zeigt eine Kühleinrichtung für elektronische Bauteile, in einer zweiten Ausführungsform der Erfindung. Bei der zweiten Ausführungsform hat die Kühlplatte keine Aussparung, und eine Tanksektion 55 wird nur mit einem Abdeckelement 53 ausgebildet.
Das Abdeckelement 53 aus Fig. 6 ist rechteckig und hat Klemm­ nasen an seinem Rand, so daß das Abdeckelement 53 fest mit der Kühlplatte 51 verbunden wird.
Die zweite Ausführungsform hat die gleichen Eigenschaften oder Vorteile, wie die oben beschriebene erste Ausführungsform.
Bei der oben beschriebenen Ausführungsform wird das technische Konzept der Erfindung zum Schutz des elektronischen Bauteiles 33 angewendet, das ein MCM ist; die Erfindung ist jedoch nicht darauf oder dadurch begrenzt. Das bedeutet, es braucht nicht erwähnt zu werden, daß die Erfindung vielfältig auf eine Viel­ zahl elektronischer Bauteile anwendbar ist, die Wärme erzeugen.
Wie es oben beschrieben wurde, bilden bei der Kühleinrichtung für elektronische Bauteile des ersten Aspektes die Tanksektion und die axialen Leitungen einen Behälter, der evakuiert wird. Dadurch wird das Kühlmittel in der Tanksektion bei einer relativ geringen Temperatur verdampft und in Form einer Druckwelle in den axialen Leitungen zu den Enden bewegt, während es einen Wärmeaustausch mit der Außenluft durchführt. Dadurch wird es gekühlt und kondensiert, das heißt verflüssigt, und in die Tank­ sektion rückgeleitet. Somit ist Kühlwirkung elektronischer Bau­ teile mit der Kühleinrichtung für elektronische Bauteile der Erfindung weitaus besser, als jene herkömmlicher Kühleinrich­ tungen.
Bei der Kühleinrichtung für elektronische Bauteile des zweiten Aspektes hat die Kühlplatte eine Aussparung, die die Tanksektion ausbildet. Somit erwärmt die vom elektronischen Bauteil erzeugte Wärme das in der Aussparung der Kühlplatte gespeicherte Kühl­ mittel gleichmäßig. Somit hat das elektronische Bauteil keinen Hitzepunkt. Das bedeutet, daß die Kühleinrichtung für elektro­ nische Bauteile der Erfindung eine sehr hohe Kühlwirkung hat.

Claims (3)

1. Kühleinrichtung für elektronische Bauteile, enthaltend:
eine Kühlplatte, ein elektronisches Bauteil, das auf einer Seite der Kühlplatte befestigt ist;
ein Abdeckelement, das die andere Seite der Kühlplatte abdeckt, um eine Tanksektion zu bilden, in der ein Kühlmittel gespeichert ist,
ein Behälterrohr, das sich von dem Abdeckelement derart erstreckt, daß das Behälterrohr mit der Tanksektion in Verbindung steht; und
einen Dochtstab, der an dem Behälterrohr derart befestigt ist, daß eine Vielzahl von axialen Leitungen in dem Behälterrohr ausgebildet werden, wobei die Tanksektion und die axialen Leitungen bis zu einem Vakuum evakuiert werden.
2. Kühleinrichtung für elektronische Bauteile nach Anspruch 1, bei der die andere Seite der Kühlplatte eine Aussparung hat, die eine Tanksektion ausbildet.
3. Kühleinrichtung für elektronische Bauteile nach Anspruch 2, bei der Boden der Aussparung leicht aufgerauht ist.
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