DE19750415A1

DE19750415A1 - Kühleinheit mit Übertragungsrohren und Verfahren zu ihrer Herstellung

Info

Publication number: DE19750415A1
Application number: DE19750415A
Authority: DE
Inventors: Yuichi Kimura; Masaaki Yamamoto; Suemi Tanaka; Namba Kenichi
Original assignee: Furukawa Electric Co Ltd
Current assignee: Furukawa Electric Co Ltd
Priority date: 1996-11-15
Filing date: 1997-11-14
Publication date: 1998-05-20
Also published as: JP3268734B2; JPH10141877A; US5960866A; US6189213B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Kühleinheit mit Wärmeübertragungsrohren zum Abführen der von elektronischen Komponenten und dergleichen in elektronischen Geräten erzeugten Wärme, beispielsweise von Halbleitern und anderen wärmeerzeugenden Elementen. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Kühleinheit.

Zur Vermeidung von Überhitzung in elektronischen Geräten werden im Stand der Technik häufig Luftstromkühlsysteme unter Verwendung von Ventilatoren eingesetzt. In hochdicht gepackten elektronischen Einheiten, beispielhaft vertreten durch Computer, neigt jedoch die Quantität der in den Einheiten erzeugten Wärme dazu, auffällig zu steigen, und zwar aufgrund der hohen Dichte wärmeerzeugender Komponenten wie beispielsweise IC oder LSI in den Geräten, und die luftgekühlte Ventilatoren verwendenden Kühlsysteme haben eine begrenzte Kühlkapazität.

Darüber hinaus wird mit dem rapiden Fortschreiten der Verringerung der Größe elektronischer Komponenten der Raum für die Montage von Kühleinheiten innerhalb der Elemente kleiner, wodurch die Wärmeableitung in elektronischen Elementen und Einheiten schwierig wird.

Als eine Gegenmaßnahme zur Lösung dieser Probleme wurde ein Mechanismus vorgeschlagen, bei welchem von den elektronischen Komponenten oder elektronischen Einheiten - im folgenden allgemein als elektronische Komponenten bezeichnet - erzeugte Wärme von einem Wärmeleiter aufgenommen und dann von den elektronischen Komponenten abgeführt wird. Ein derartiger Mechanismus ist teilweise im praktischen Einsatz. Entsprechend diesem Verfahren wird eine wärmeleitfähige Platte oder dergleichen in Kontakt mit der zu kühlenden elektronischen Komponente gebracht und die Wärme der Komponente wird in die Platte oder dergleichen abgeleitet, um ein exzessives Ansteigen der Temperatur der elektronischen Komponente zu verhindern. Darüber hinaus wird die in die Platte oder dergleichen geleitete Wärme in der elektronischen Einheit weiter abgeleitet oder nach außerhalb der elektronischen Einheit entladen, wenn dies notwendig ist.

Wird der Wärmeleiter in Kontakt mit einer spezifischen elektronischen Komponente zu Kühlzwecken gebracht, ist es natürlich wünschenswert das Volumen des Wärmeleiters zur Erhöhung der Wärmekapazität zu vergrößern und die Kontaktfläche zwischen Wärmeleiter und der elektronischen Komponente zur Erhöhung der Wärmeübertragungsgeschwindigkeit von der elektronischen Komponente zu vergrößern. Aufgrund der fortschreitenden Miniaturisierung elektronischer Komponenten ist jedoch die Kontaktfläche der Komponenten relativ zum Wärmeleiter begrenzt und die Verwendung von Kühleinheiten mit einem größeren Volumen ist ausgeschlossen. Daher wurde ein Verfahren zur Erhöhung der Wärmeableitung durch die Anordnung von Wärmeübertragungsrohren am Wärmeleiter vorgeschlagen. Eine Arbeitsflüssigkeit ist dicht innerhalb des Wärmeübertragungsrohres angeordnet und wird wiederholt einer Verdampfung und einer Kondensation unterworfen, so daß die von der elektronische Komponente erzeugte Wärme in einen Verdampfungsbereich des Wärmeübertragungsrohres übertragen wird. Die verdampfte Arbeitsflüssigkeit wird dann in den Kondensationsbereich zur Kondensierung und zur Wärmeentladung bewegt. Dadurch kann eine hervorragende Wärmeverteilung erreicht werden, da die Bewegungsgeschwindigkeit der Arbeitsflüssigkeit extrem hoch ist.

Fig. 14 bis 16 zeigen ein Beispiel einer herkömmlichen Kühleinheit unter Verwendung derartiger beschriebener Wärmeübertragungsrohre. Fig. 14 ist eine Draufsicht auf eine herkömmliche Kühleinheit; Fig. 15 ist eine teilweise vergrößerte Schnittansicht entlang der Linie A-A in Fig. 16; Fig. 16 ist eine Frontansicht der Kühleinheit.

Die Kühleinheit wird gebildet durch: Wärmeübertragungsrohre 1, welche jeweils einen flachen/elliptischen Querschnitt aufweisen und in Richtung des kurzen Durchmessers einen äußeren Durchmesser von ca. 2 mm sowie in Richtung des langen Durchmessers einen äußeren Durchmesser von etwa 4 mm aufweisen; einen Metallblock 2, der an einen Verdampfungsbereich 10 eines jeden Wärmeübertragungsrohres 1 angeordnet ist; und Strahlungsrippen 3, die an einem Kondensationsbereich 11 eines jeden Wärmeübertragungsrohres 1 angeordnet sind. Überlicherweise wird als Metallblock 2 Aluminium oder eine Aluminiumlegierung verwendet, um Gewicht und Größe der Kühleinheit zu verringern. Die Befestigung der Wärmeübertragungsrohre 1 am Metallblock 2 im Verdampfungsbereich 10 wird erreicht durch Ausbildung einer Rohreinsetzbohrung 18 in den Metallblock 2 in der Dickenrichtung, die etwas größer ist als die flachen Wärmeübertragungsrohre 1, und das Einsetzen der flachen Wärmeübertragungsrohre 1 in die Rohreinsetzbohrung 18, wie in Fig. 15 gezeigt ist. Dickenrichtung bezeichnet die Richtung zwischen den beiden Hauptoberflächen in dem Metallblock. Bohrung bezeichnet eine Öffnung oder ein Loch, welches durch Bohren oder sonstige bei der Herstellung des Metallblockes angewandte Verfahren gebildet wird. Abschließend wird Lötmetall 19 in die Lücke zwischen der Oberfläche des Wärmeübertragungsrohres und einer inneren Wandung der Einsetzbohrung zur Verbindung beigebracht. Bei der so ausgebildeten Kühleinheit mit den Wärmeübertragungsrohren wird die hintere Hauptoberfläche - eine der beiden Hauptoberflächen - des Metallblocks 2 in Kontakt mit jeder wärmeerzeugenden Komponente 5 wie beispielsweise einem LSI auf einer gedruckten Schaltung 7 unter Zwischenlage eines hoch wärmeleitenden Gummis 6 mit guter Wärmeleitfähigkeit gebracht, und der Metallblock 2 wird in dieser Position an der gedruckten Schaltung befestigt. Die in den wärmeerzeugenden Komponenten 5 erzeugte Wärme heizt den Verdampfungsbereich 10 jedes der Wärmeübertragungsrohre 1 und verdampft die im Inneren des Rohres 1 eingebrachte Flüssigkeit. Dies erhöht den Dampfdruck in dem Verdampfungsbereich 10 des Wärmeübertragungsrohres 1 so daß ein Dampfstrom in Richtung des Kondensationsbereichs 11, wo der Druck niedrig ist, stattfindet. Die von dem Dampf in den Kondensationsbereich 11 bewegte Wärme wird auf die Strahlungsrippen 3 übertragen und in die Luft abgegeben. Entsprechend ist es möglich, vergleichsweise kleine Kühleinheiten mit einer extrem hohen Abstrahlungsleistung zu erhalten.

Der Metallblock 2 und der Verdampfungsbereich 10 jeder Wärmeübertragungsrohre 1 der oben beschriebenen Kühleinheit werden unter Verwendung der Lötlegierung 19 wie oben beschrieben miteinander verbunden. Ist jedoch des Material des Metallblocks Aluminium oder eine Aluminiumlegierung, verhindert ein auf der Oberfläche des Metallblocks ausgebildeter Oxydfilm eine Befestigung des Lötmetalls an der Oberfläche, so daß eine Lücke oder Blase zwischen der Oberfläche des Wärmeübertragungsrohres und der inneren Wandung der Einsetzbohrung gebildet wird, so daß der Wärmewiderstand zwischen dem Wärmeübertragungsrohr und dem Metallblock groß wird, so daß die Kühlcharakteristik der Einheit abgesenkt ist. Darüber hinaus muß die Rohreinsetzbohrung groß ausgebildet sein, um die eindringende Lötmetallmenge zu erhöhen, um die Erzeugung der Lücke zu unterdrücken und das Wärmeübertragungsrohr in dem Rohreinsetzloch zu fixieren. In diesem Fall ist aufgrund des großen spezifischen Gewichts des Lötmetalls das Gewicht der Kühleinheit erhöht und durch die Vergrößerung des Rohreinsetzloches bzw. der Rohreinsetzbohrung muß auch die Dicke des Metallblocks vergrößert werden, so daß eine Reduzierung der Dicke der Kühleinheit nicht erreicht werden kann.

Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Kühleinheit mit Wärmeübertragungsrohren anzugeben, durch welches die Dicke des Metallblocks reduzierbar ist, um ein geringes Gewicht der gesamten Einheit zu realisieren und den Wärmewiderstand durch die Verbindung des Metallblocks mit den Wärmeübertragungsrohren zu verringern, um eine gute Wärmeverteilung oder Wärmeabführungsleistung zu erzielen. Darüber hinaus ist es Aufgabe der Erfindung, eine neuartige Kühleinheit bereitzustellen.

Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird zur technischen Lösung der Aufgabe angegeben ein Verfahren zur Herstellung einer Kühleinheit, gekennzeichnet durch folgende Schritte:

a) Ausbilden eines im Wesentlichen plattenförmigen Metallblocks zum Abführen der von einer elektronischen Komponente erzeugten Wärme, mit wenigstens einer in dem Dickenbereich zwischen den beiden Hauptoberflächen liegenden Bohrung und einem den Verlauf der Bohrung entsprechenden konvexen Bereich auf einer oder auf beiden Hauptoberflächen des Metallblocks;
b) Einsetzen eines Wärmeübertragungsrohres in jede der Bohrungen zum Abführen der Wärme; und
c) Ausüben einer lokalen und zweidimensionalen Kraft auf die Oberfläche des konvexen Bereichs des Metallblocks, um die Oberfläche im Wesentlichen abzuflachen und damit die äußere Oberfläche eines jeden Wärmeübertragungsrohres in engen Kontakt mit der inneren Wandung jeder Bohrung des Metallblocks zu bringen.

Mit Vorteil wird gemäß einem zweiten Aspekt vorgeschlagen, daß jede der Bohrungen, in welche ein Wärmeübertragungsrohr eingesetzt ist, und jedes Wärmeübertragungsrohr einen im Wesentlichen kreisförmigen Querschnitt aufweisen.

Gemäß einem dritten Aspekt wird in vorteilhafter Weise vorgeschlagen, daß jeder der konvexen Bereiche einen im Wesentlichen rechteckigen oder trapezförmigen Querschnitt aufweist.

Gemäß einem vierten Aspekt der Erfindung wird vorgeschlagen, daß jeder der konvexen Bereiche einen im Wesentlichen dreieckigen Querschnitt aufweist.

Gemäß einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird vorgeschlagen, daß jeder der konvexen Bereiche auf einer der Hauptoberflächen einen trapezförmigen und auf der gegenüberliegenden Hauptoberfläche einen dreieckigen Querschnitt aufweist.

Weiterhin wird gemäß einem sechsten Aspekt der Erfindung vorgeschlagen, daß der Metallblock aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung gebildet wird.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird der Metallblock mit Bohrungen oder im Wesentlichen länglichen Löchern zur Aufnahme von Wärmeübertragungsrohren versehen und im Wesentlichen parallel zur Ausdehnung der Bohrungen bzw. Langlöcher werden auf einer oder beiden Hauptoberflächen konvexe Bereiche, also Erhebungen ausgebildet. Zwischen den Erhebungen auf den Hauptoberflächen verbleiben somit nutartige Vertiefungen. Nach dem Einsetzen der Wärmeübertragungsrohre in den Metallblock werden auf die Hauptoberflächen, insbesondere im Bereich der konvexen Bereiche, Druckkräfte ausgeübt, um den Metallblock abzuflachen. Durch diese Maßnahme werden Metallblock und Wärmeübertragungsrohr exzellent und unter Aufrechterhaltung einer sehr guten Wärmeübertragung bei sehr geringem Übertragungswiderstand miteinander verbunden. Durch Verwendung eines kreisförmigen Querschnittes für die Bohrungen und die Rohre wird ein sehr guter, leicht abgeflachter Verdampfungsbereich im Inneren des Metallblocks durch die abgeflachten Rohre ausgebildet. Konvexe Bereiche mit rechteckigem, trapezförmigem oder dreieckförmigem Querschnitt lassen sich leicht herstellen, beispielsweise durch das Ausfräsen von Nuten im Bereich der Hauptoberflächen. Besonders vorteilhaft hat sich die Kombination eines konvexen Bereichs mit trapezförmigen Querschnitt auf einer der Hauptoberflächen mit einem konvexen Bereich mit einem dreieckförmigen Querschnitt auf der gegenüberliegenden Hauptoberfläche erwiesen. Die Formen der konvexen Bereiche bestimmen im Wesentlichen die Form der Abflachung im Inneren der Bohrungen nach dem Zusammendrücken. Durch die Erfindung wird eine nach dem beschriebenen Verfahren hergestellte Kühleinheit bereitgestellt, welche in vorteilhafter Weise dünn und mit geringem Wärmeübertragungswiderstand ausgebildet ist.

Mit besonderem Vorteil wird mit der Erfindung eine weitere, achte Ausführungsform vorgeschlagen, betreffend ein Verfahren zur Herstellung einer Kühleinheit, gekennzeichnet durch folgende Schritte:

a) Ausbilden eines im Wesentlichen plattenförmigen Metallblocks zum Ableiten der von einer elektronischen Komponente erzeugten Wärme, mit Bohrungen in der Dickenrichtung zwischen den beiden Hauptoberflächen des Metallblocks, in welche Wärmeübertragungsrohre eingesetzt sind, mit U-förmigen Nuten, die jeweils mit vorstehenden und entsprechend den Bohrungen ausgebildeten Bereichen auf wenigstens einer Hauptoberfläche oder beiden Hauptoberflächen versehen sind;
b) Anordnen der Wärmeübertragungsrohre in den U-förmigen Nuten zum Ableiten der Wärme vom Metallblock; und
c) Ausüben von lokalem und zweidimensionalem Druck auf die Oberfläche des Metallblocks in den vorstehenden Bereichen, um die Oberfläche im Wesentlichen nach der Montage der Wärmeübertragungsrohre in den U-för migen Nuten abzuflachen und um die äußere Oberfläche eines jeden Wärmeübertragungsrohres in engen Kontakt mit der inneren Wandung einer jeden Bohrung in den Metallblock zu bringen.

Mit Vorteil wird gemäß einer neunten Ausführungsform vorgeschlagen, daß jede der Bohrungen, in welche ein Wärmeübertragungsrohr eingesetzt ist, und jedes Wärmeübertragungsrohr einen im Wesentlichen kreisförmigen Querschnitt aufweisen.

In vorteilhafter Weise wird für eine zehnte Ausführungsform vorgeschlagen, daß ein weiterer konvexer Bereich in den entsprechenden Positionen auf der anderen Hauptoberfläche des Metallblocks gegenüber der U-förmigen Nut mit den vorstehenden Bereichen ausgebildet wird.

Für eine elfte Ausführungsform wird vorgeschlagen, daß der konvexe Bereich auf der anderen Hauptoberfläche eine im Wesentlichen trapezförmige Querschnittsform aufweist.

Auch für diese Ausführungsform ist in vorteilhafter Weise der Metallblock aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung.

Die Erfindung betrifft eine Kühleinheit, die nach den weiteren vorteilhaften Verfahrensschritten hergestellt ist.

Als weitere vorteilhafte Ausführungsform wird mit der Erfindung vorgeschlagen, daß nur auf eine der Hauptoberflächen konvexe Bereiche ausgebildet sind, wobei diese hinsichtlich der Formen den obigen Ausführungen entsprechen.

Mit der Erfindung werden einfach und wirtschaftlich durchführbare Verfahren zur Herstellung äußerst wirksamer Kühleinheiten vorgeschlagen sowie sehr effektiv einsetzbare, miniaturisierbare im Wirkungsgrad verbesserte Kühleinheiten.

Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung anhand der Figuren. Dabei zeigen:

Fig. 1(a) eine perspektivische Ansicht eines Ausführungsbeispiels einer Kühleinheit;

Fig. 1(b) eine perspektivische Ansicht eines Ausführungsbeispiels einer Kühleinheit;

Fig. 2(a) bis (c) Querschnittansichten von Wärmeübertragungsrohren nach der Ausübung von Druck;

Fig. 3(a) und (b) Ansichten eines weiteren Ausführungsbeispiels einer Kühleinheit;

Fig. 4(a) bis (c) Frontansichten weiterer Ausführungsbeispiele für Kühleinheiten;

Fig. 5(a) bis (c) Ansichten eines weiteren Ausführungsbeispiels einer Kühleinheit mit U-förmigen Nuten;

Fig. 6(a) und (b) Ansichten verschiedener Anordnungen U-förmiger Nuten;

Fig. 7(a) und (b) Ansichten eines weiteren Ausführungsbeispiels einer Kühleinheit;

Fig. 8(a) bis (c) Schnittansichten von Wärmeübertragungsrohren gemäß dem Ausführungsbeispiel in Fig. 7 nach Ausübung von Druck;

Fig. 9 eine perspektivische Ansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels für eine Kühleinheit;

Fig. 10(a) und (b) Ansichten von Herstellungsschritten für das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 9;

Fig. 11 Darstellung eines Prüfexemplars;

Fig. 12 eine perspektivische Ansicht einer Kühleinheit nach dem Stand der Technik;

Fig. 13 eine Ansicht zur Erläuterung eines Testverfahrens zur Überprüfung der Wärmeableitung einer Kühleinheit;

Fig. 14 eine Draufsicht auf eine Kühleinheit nach dem Stand der Technik;

Fig. 15 eine teilweise vergrößerte Schnittansicht entlang der Linie A-A gemäß Fig. 14 und

Fig. 16 eine Seitenansicht einer Kühleinheit nach dem Stand der Technik.

Die Erfindung wird nun im Detail in Bezug auf die Figuren beschrieben. In der folgenden Beschreibung haben die Wärmeübertragungsrohre einen kreisförmigen Querschnitt, wobei die Durchmesser von 2 bis 5 mm und die Rohrlänge zwischen 50 und 200 mm liegen kann. Das Rohrmaterial ist Kupfer oder Aluminium. Weiterhin ein Metallblock überlicherweise aus Aluminium oder Aluminiumlegierungen zu Zwecken der Gewichtsreduzierung hergestellt.

Gemäß der Erfindung zeigt Fig. 1(b) das Erscheinungsbild eines Ausführungsbeispiels für eine mit Wärmeübertragungsrohren versehene Kühleinheit. Der Metallblock 2 wird gebildet durch eine Platte aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung, wobei die äußeren Dimensionen beispielsweise 100×200 mm bei einer Dicke von 3 mm sein können. Wärmeübertragungsrohre 1 aus Kupfer mit einem äußeren Durchmesser von 3 mm werden verwendet. Gemäß Fig. 1 ist der in den Metallblock 2 eingesetzte Teil eines jeden Wärmeübertragungsrohres 1 abgeflacht ist, während der außerhalb des Metallblocks 2 verbleibende Teil des Rohres zylindrisch bleibt. Wie in Fig. 16 gezeigt, sind an einem freien Ende der Wärmeübertragungsrohre 1 Rippen 3 angeordnet, beispielsweise durch Blechverbindung, und durch beispielsweise Verstemmen mit diesen Verbunden, um der Wärmeabstrahlung zu dienen. Im folgenden wird ein Verfahren zur Bindung zwischen Wärmeübertragungsrohren 1 und dem Metallblock 2 beschrieben. Der Metallblock 2 aus Aluminium hat eine Dicke t₁ = 3 mm in Bereichen, in welchen kein Wärmeübertragungsrohr 1 eingesetzt ist, und im Wesentlichen trapezförmige oder rechteckige konvexe Bereiche 15, welche jeweils eine Breite von t₂ = 4 mm und eine Höhe von t₃ = 0,4 mm sind an dem Metallblock 2 in den Bereichen in welchen Wärmeübertragungsrohre 1 eingesetzt werden derart ausgebildet, daß die konvexen Bereiche 15 an beiden Hauptoberflächen des Aluminiummetallblocks 2 gegenüberliegend verlaufen. Der Metallblock kann auf einfache Weise durch Warmpressen oder durch Abschleifen des Aluminiums hergestellt werden. Einsetzbohrungen oder Löcher mit einem kreisförmigen Querschnitt und einem Durchmesser von 3,2 mm sind von einer Seitenfläche des Metallblocks aus zwischen den beiden Hauptoberflächen des Metallblocks liegend ausgebildet und jedes Wärmeübertragungsrohr aus Kupfer mit einem äußeren Durchmesser von 3 mm ist in eine derartige Bohrung eingesetzt. Zu diesem Zeitpunkt hat das Wärmeübertragungsrohr 1 in dem in die Bohrung eingesetzten Bereich einen kreisförmigen Querschnitt.

In diesem Stadium wird ein Druck von beispielsweise 40 kg/cm² wie durch die Pfeile in Fig. 1(a) gezeigt von oben und unten auf die Hauptoberflächen des Metallblocks ausgeübt. Ein derartiger mechanischer Druck ist vorzugsweise auf die konvexen Bereiche 15 ausgeübt und die eingesetzten Rohre werden deformiert und haben eine wie in Fig. 1(b) gezeigte, im Wesentlichen flache Form. Die deformierte Form hängt ab von den Werten der Breite t₂ oder der Höhe t₃ der konvexen Bereiche 15 oder von der Art, wie der mechanische Druck ausgeübt wird. Obwohl diese Form im Wesentlichen flach in der Art ist, daß die beiden Hauptoberflächen vollständig abgeflacht sind, wie in Fig. 2(a) gezeigt, treten in der Praxis auch keine Probleme auf, wenn der mittlere Bereich leicht konvex, wie in Fig. 2(b) gezeigt oder leicht konkav wie in Fig. 2(c) gezeigt ist. Darüber hinaus kann die Hauptoberfläche des Metallblocks 2 bei der Herstellung so ausgebildet werden, daß diese eine der elektronischen Komponente entsprechende Form hat, wodurch der Kontakt zwischen dem Metallblock 2 und der elektronischen Komponente verbessert wird, wodurch die Wärmeableitungseffektivität erhöht wird. In der vorliegenden Beschreibung werden die Oberflächen des Metallblocks, die größer sind als die Seitenflächen, als Hauptoberflächen bezeichnet. Fig. 2(b) zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei welchem die Oberfläche des Metallblocks, welche thermisch mit der elektronischen Komponente zu verbinden ist, geeignet geschliffen sein soll, und die Hauptoberfläche des Metallblocks 2 kann durch Druckanwendung mittels einer Presse oder dergleichen, durch Abtragen oder andere Verfahren geglättet werden. Dadurch wird der gute Kontakt zwischen der zu kühlenden elektronischen Komponente erhalten, wodurch ein hoher Wirkungsgrad erzielt wird. In Fig. 1 werden drei Wärmeübertragungsrohre verwendet, jedoch kann die Anzahl und der Abstand zwischen diesen in geeigneter Weise in Abhängigkeit von der Anzahl der zu kühlenden elektronischen Komponenten oder der Menge der Wärmeerzeugung festgelegt werden.

Wie oben beschrieben wird der Querschnitt eines in den Metallblock 2 eingesetzten Wärmeübertragungsrohres 1 deformiert, um eine im Wesentlichen flache Form durch die Anwendung mechanischen Druckes zu erreichen, wobei die flache Ebene der im Wesentlichen flachen Form gegen die innere Wand des Metallblocks 2 mit sehr starken Kräften gepreßt wird, um den geeigneten thermischen Kontakt herzustellen, wobei der Hauptabstand von der Oberfläche des Metallblocks 2 zum Wärmeübertragungsrohr 1 verkürzt wird, wodurch der Wärmewiderstand der Wärmeleitung verringert wird. Fig. 3(a) zeigt eine Deformation in einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung, wobei dieses ähnlich zu dem oben beschriebenen ist, bei welchem jeder konvexe Bereich 15 auf beiden Hauptoberflächen des Metallblocks 2 in einem mit dem Einsetzbereich für das Wärmeübertragungsrohr korrespondierenden Bereich ausgebildet ist, wobei jedoch der Unterschied zum Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 darin besteht, daß die Dicke des Metallblocks 2, in welche das Wärmeübertragungsrohr eingesetzt wird, größer ist als der äußere Durchmesser des Wärmeübertragungsrohres 1. Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 ist ein äußerer Durchmesser eines Wärmeübertragungsrohres 13 mm, der Metallblock 2 hat eine Dicke t₁ = 4 mm, der konvexe Bereich 15 hat eine Breite t₂ = 4 mm und eine Höhe t₃ = 0,2 mm. Die Einsetzbohrung hat einen äußeren Durchmesser von 3,2 mm. Wenn die Dicke des Metallblocks 2 größer ist als der äußere Durchmesser des Wärmeübertragungsrohres 1, wie bei diesem Ausführungsbeispiel, ist es wünschenswert, daß die Höhe der konvexen Bereiche 15 größer ist als eine Lücke zwischen der Einsetzbohrung, die in dem Basismetallblock ausgebildet ist, und der äußere Durchmesser des Wärmeübertragungsrohres 1, und daß ein Querschnittsbereich des konvexen Bereichs 15 größer ist als der der Lücke. Wenn die Wärmeübertragungsrohre 1 in die Einsetzbohrungen eingesetzt sind, wie in Fig. 3(a) gezeigt, wird die Preßarbeit durchgeführt um eine wie in Fig. 3(b) gezeigte Form zu erhalten. Da die durch die Druckanwendung bewirkte Deformation im Vergleich zu dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 gering ist, kann bei diesem Verfahren das Pressen bei einer Normaltemperatur ausgeübt werden und die Zeit für die Druckanwendung kann vorteilhafterweise gekürzt werden.

Obwohl in Fig. 3(a) jeder konvexe Bereich 15 einen im Wesentlichen trapezförmigen oder rechteckigen Querschnitt hat, ist der Querschnitt nicht auf im Wesentlichen trapezförmige oder rechteckige Formen beschränkt, und er kann beispielsweise eine im Wesentlichen dreieckige Form haben mit einer Breite von 2 mm und einer Höhe von 0,5 mm, wie in Fig. 4(a) gezeigt. Auch kann der konvexe Bereich auf beiden Hauptoberflächen des Metallblocks einen unterschiedlichen Querschnitt haben. Beispielsweise ist vorteilhaft die Kombination eines im Wesentlichen trapezförmigen oder rechteckigen Querschnitts mit einem im Wesentlichen dreieckigen Querschnitt, wie in Fig. 4(b) gezeigt. Weiterhin können die konvexen Bereiche 15 auf beiden Oberflächen des Metallblocks in einer abwechselnden gegenüberliegenden Weise, wie in Fig. 4(c) gezeigt, angeordnet sein, oder die konvexen Bereiche 15 können alternativ auf beiden Oberflächen in Bezug auf ein Wärmeübertragungsrohr angeordnet sein. Da in diesem Fall die Größe der Deformation, wie sie auf die Wärmeübertragungsrohre wirkt, klein ist, ist eine derartige Anordnung insbesondere vorteilhaft, wenn der Durchmesser des Rohres klein ist und wird häufig angewendet, wenn der Flußweg der Arbeitsflüssigkeit in dem Übertragungsrohr sichergestellt sein soll.

Fig. 5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung. Gemäß Fig. 5(a) sind U-förmige Nuten 17 für die Montage der Wärmeübertragungsrohre 1 auf einer Oberfläche des Metallblocks 2 ausgebildet, und konvexe Bereiche 15 sind seitlich der Nuten 17 ausgebildet sowie konvexe Bereiche 16 mit einem im Wesentlichen trapezförmigen oder rechteckigen Querschnitt sind auf der anderen Oberfläche des Metallblocks 2 ausgebildet. In diesem Fall haben die beiden konvexen Bereiche 15 an den Seitenbereichen an jeder Nut vorteilhafterweise einen Querschnitt, dessen Fläche größer ist als die Differenz zwischen der Querschnittsfläche der U-förmigen Nut und der des Wärmeübertragungsrohres, das heißt, der Querschnittsfläche A im schraffierten Bereich in Fig. 5(c). Gemäß Fig. 5 wird eine Aluminiumplatte mit einer Dicke von 5 mm als Metallblock 2 verwendet; eine U-förmige Nut 17 mit einer Breite von 3,2 mm und einer Tiefe von 4 mm wird auf einer Oberfläche der Platte gebildet; ein konvexer Bereich 15 mit einem Querschnitt von 1×1 mm ist auf jeder der beiden Seiten der Nut ausgebildet. Ein konvexer Bereich mit einer Höhe von 0,2 mm und einer Breite von 2 mm ist auf der hinteren Oberfläche des Metallblocks 2 ausgebildet. Das Wärmeübertragungsrohr hat einen äußeren Durchmesser von 3 mm und wird in der U-förmigen Nut 17 des so gebildeten Metallblocks 2 montiert. Die mechanische Kraft wird mittels einer Presse auf die Oberfläche des Metallblocks 2 ausgeübt. Als ein Ergebnis wird das Wärmeübertragungsrohr 1 deformiert und hat eine im wesentliche flache Form und das Wärmeübertragungsrohr 1 und der Metallblock 2 sind thermisch und dicht wie in Fig. 5(b) gezeigt verbunden. Obwohl bei dem in Fig. 5 gezeigten Beispiel die U-förmige Nut 17 auf einer Oberfläche des Metallblocks 2 und der konvexe Bereich 16 auf der anderen Oberfläche desselben ausgebildet sind, können die U-förmige Nut 17 und der konvexe Bereich 15 auch alternierend, wie in Fig. 6(a), angeordnet sein. Alternativ können auch nur die konvexen Bereiche 15 an den Seitenbereichen der U-förmigen Nuten 17 ausgebildet sein, ohne daß die konvexen Bereiche 16 auf der anderen Oberfläche verwendet werden, wie in Fig. 6(b) gezeigt ist.

Fig. 7 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, bei welchem im Wesentlichen trapezförmige oder rechteckige konvexe Bereiche auf einer Hauptoberfläche des Metallblocks ausgebildet sind, und Bohrungen zum Einsetzen der zylindrischen Wärmeübertragungsrohre sind in den entsprechenden dicken Teilen der konvexen Bereiche gebildet. Nach dem Einsetzen der Wärmeübertragungsrohre in diese Bohrungen oder Langlöcher wird auf den Metallblock Druck ausgeübt, beispielsweise mittels einer Presse, so daß ein Teil der Umfangsbereiche eines jeden Wärmeübertragungsrohres abgeflacht wird. In diesem Fall wird der Querschnitt eines jeden Wärmeübertragungsrohres in der in Fig. 8 gezeigten Weise in Abhängigkeit vom Grad des Drucks oder vom Preßverfahren deformiert. Dennoch ist der durch dieses Verfahren erlangte thermische Kontakt zwischen dem Metallblock und dem Wärmeübertragungsrohr hervorragend im Vergleich zu dem, der durch Lötverfahren erreicht werden kann.

Fig. 9 und 10 zeigen ein weiteres Verfahren zum Pressen des Metallblocks derart, daß der Querschnitt eines jeden Wärmeübertragungsrohres eine im Wesentlichen halbkreisförmige Form hat. In diesem Fall wird in dem plattenförmigen Metallblock das kreisförmige Einsetzloch gebildet, und ein Abstandshalter wird in einer Position angesetzt, wo das Wärmeübertragungsrohr eingesetzt ist. Nach dem Einsetzen des Wärmeübertragungsrohres mit einem kreisförmigen Querschnitt wird, beispielsweise unter Verwendung einer Presse, Druck ausgeübt. Das zylindrische Wärmeübertragungsrohr wird dann derart gepreßt, daß es einen halbkreisförmigen Querschnitt hat, wie in den Figuren gezeigt, und der thermische Kontakt zwischen dem Metallblock und dem Wärmeübertragungsrohr wird dadurch verbessert.

Im folgenden wird der spezielle Effekt des thermischen Kontaktes zwischen dem Metallblock und dem Wärmeübertragungsrohr gemäß der Erfindung beschrieben. Fig. 11 ist eine schematische perspektivische Ansicht einer Kühleinheit nach der Erfindung. Der Block 20 ist aus Aluminium (A1100) hergestellt und plattenförmig mit einer Größe von 50×30 mm. Die Kühleinheit wurde wie folgt hergestellt: Der Block mit einer Bohrung (Durchmesser = 3,1 mm) darin wurde zunächst vorbereitet. Dieser Block hat eine Dicke von 4 mm in einem Bereich, wo die Bohrung gebildet ist und eine Dicke von 2 mm in den anderen Bereichen. Ein Wärmeübertragungsrohr aus Kupfer mit einem Durchmesser von 3 mm (Kupfer; Länge = 200 mm; Dicke 0,3 mm; Wasser als Arbeitsflüssigkeit verwendet; nicht gezeigte kleine Nuten innenseitig ausgebildet) wurde in die Bohrung eingesetzt. Ein Teil des Blocks mit der Dicke von 4 mm wurde einem Druck ausgesetzt, so daß der Teil des Blocks, in welchen das Wärmeübertragungsrohr eingesetzt ist, auf eine Dicke von 3 mm gepreßt wurde. Als Ergebnis wurde das eingesetzte Wärmeübertragungsrohr 1 deformiert, so daß es eine im Wesentlichen halbkreisförmige Querschnittsform aufweist, und ebenso wurde die Bohrung zu einer im Wesentlichen halbkreisförmigen Querschnittsform deformiert, wie in Fig. 11 gezeigt ist. Auf diesem Wege wurde ein Muster des Blocks 20 gemäß Fig. 11 hergestellt und an beiden Enden des Wärmeübertragungsrohres 1 angeordnet. Wie in Fig. 13 gezeigt wurde einer der Blöcke, Block 20a, in heißes Wasser 24 mit einer Temperatur von 60°C getaucht. Im gezeigten Ausführungsbeispiel wurde das Wärmeübertragungsrohr 1 im Wesentlichen vertikal für 5 Minuten gehalten, wobei annähernd 15 mm des Blocks 20a in das heiße Wasser getaucht waren. Nach 5 Minuten wurde der Block 20a aus dem heißen Wasser 24 genommen und die Temperaturen der Blöcke 20a und 20b wurden an den zentralen Bereichen schnellstens gemessen und miteinander verglichen. Das Ergebnis zeigte, daß der Unterschied zwischen den Temperaturen der Blöcke 20a und 20b 6°C betrug.

Vergleichsbeispiel 1

Als ein Vergleichsbeispiel wurde ein plattenförmiger Aluminiumblock (A1100) ohne konvexen Bereich auf der Hauptoberfläche mit einer Größe von 50×30 mm und einer Dicke von 4 mm hergestellt. Eine Bohrung wurde in etwa in der gleichen Stelle wie bei dem Beispiel gemäß Fig. 11 ausgebildet und der Block wurde nach dem Einsetzen des Wärmeübertragungsrohres in das Loch mechanisch gepreßt, wobei die primäre Komponente der Kühleinheit gemäß der Erfindung gebildet wurde. Die Dicke des Blocks, einschließlich des Teils, in welchen das Wärmeübertragungsrohr eingesetzt war, war vor Anwendung des mechanischen Drucks 4 mm, anschließend nach Anwendung des mechanischen Drucks 3 mm. Als ein Ergebnis wurde das Wärmeübertragungsrohr zu einer Form mit im Wesentlichen elliptischem Querschnitt in dem in dem Block eingesetzten Bereich deformiert. Der Wirkungsgrad des beschriebenen Vergleichsbeispiels wurde in entsprechender Weise gemessen wie bei dem vorbeschriebenen Beispiel. Die Messungen zeigten eine Temperaturdifferenz zwischen den Metallblöcken von annähernd 7°C. Im Vergleich zu dem ersten Beispiel und obwohl die Wärmekapazität des Metallblocks des Vergleichsbeispiels unterschiedlich ist, kann festgehalten werden, daß das erste Beispiel bessere Wärmeleitfähigkeiten zeigte als das Vergleichsbeispiel 1.

Vergleichsbeispiel 2

Dieses Ausführungsbeispiel wurde in der wie in Fig. 11 gezeigten Form nach dem Herstellungsverfahren gemäß Fig. 1 hergestellt. Die speziellen Dimensionen sind die wie in Verbindung mit Fig. 9 beschriebenen. Der Block besteht aus Aluminium (A1100) und hat die Größe von 50×30 mm. Ein Wärmeübertragungsrohr wurde in die Bohrung mit einem Durchmesser von 3,1 mm eingesetzt, welche in dem Metallblock mit einer Dicke von 4 mm ausgebildet ist, und der Druck wurde ausgeübt. Die Überprüfung erfolgte wie bei dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel und es zeigte sich eine Temperaturdifferenz in den Blöcken an beiden Enden von 7°C.

Stand der Technik

Fig. 12 ist eine perspektivische Ansicht einer Hauptkomponente einer herkömmlichen Kühleinheit. Der Block 22 ist aus Aluminium (A1100) hergestellt und plattenförmig mit einer Größe von 50×30 mm. Die Dicke des Blocks 22 ist 4 mm. Ein Wärmeübertragungsrohr 1 und der Block 22 sind mittels Löten miteinander verbunden. Um das Herstellungsverfahren zu beschreiben wird eine geschmolzene Lötlegierung (Mischung: Sn/Pd = 6/4) in eine Bohrung mit einem Durchmesser von 3,3 mm gefüllt, in welche das Wärmeübertragungsrohr 1 bei auf der Kante liegenden Block 22 eingesetzt wird. In dieser Phase wird das Wärmeübertragungsrohr 1 langsam eingesetzt und die Lötlegierung härtet aus. Als Ergebnis der Leistungsbewertung gemäß dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel wurde eine Temperaturdifferenz zwischen den Blöcken 22 an beiden Enden des Wärmeübertragungsrohres 1 von 8°C ermittelt.

Wie sich aus den beschriebenen Beispielen und der oben beschriebenen Leistungsbewertung der Hauptkomponenten der Kühleinheiten ergibt, ist bei den erfindungsgemäßen Kühleinheiten der Temperaturunterschied zwischen den Blöcken an beiden Enden des Wärmeübertragungsrohres gering. Der gute thermische Kontakt zwischen Wärmeübertragungsrohr und Block wird nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt. Daher ermöglicht die Verwendung der erfindungsgemäßen Kühleinheiten wie beispielsweise nach Fig. 1 eine effektive Wärmeleitung oder Wärmeabstrahlung von elektronischen Komponenten. Im Vergleich mit dem Stand der Technik können die erfindungsgemäßen Kühleinheiten einfach und kostengünstig hergestellt werden.

Wie detailliert beschrieben wurde, werden nach der Erfindung die Bohrungen oder U-förmigen Nuten zur Montage der Wärmeübertragungsrohre in dem zur Befestigung an dem Wärme absondernden Part der elektronischen Komponente vorgesehenen Metallblock gebildet, die konvexen Bereiche sind am Metallblock in Bereichen ausgebildet, die mit den Bereichen korrespondieren, wo die Wärmeübertragungsrohre montiert sind, und die mechanische Kraft wird durch die Verwendung von Pressen oder dergleichen nach dem Einsetzen der Wärmeübertragungsrohre zu Zwecken der Verbindung von Wärmeübertragungsrohr und Metallblock ausgeübt. Dadurch wird der Querschnitt eines jeden Wärmeübertragungsrohres deformiert, um eine flache Form zu erreichen und die äußere Oberfläche eines jeden Wärmeübertragungsrohres ist in dichtem Kontakt mit der inneren Wandung eines jeden Loches oder jeder Nut des Metallblockes gebracht, um zu bewirken, daß der Wärmewiderstand erheblich abgesenkt ist, wodurch eine Kühleinheit mit Wärmeübertragungsrohren realisiert ist, welche einen extrem hohen Wirkungsgrad der Wärmestrahlung oder Kühlung hat.

Da darüber hinaus der Metallblock und die Wärmeübertragungsrohre nicht durch Lötlegierungen verbunden werden müssen, kann die Dicke des Metallblocks verringert werden, woraus sich eine Reduktion in Größe und Gewicht der Kühleinheit ergibt. Darüber hinaus können, wenn schließlich eine Oberfläche des Metallblocks flach und glatt durch Bearbeitung erzeugt ist, der wärmeerzeugende Teil und der Metallblock dicht miteinander verbunden werden, was eine Verbesserung der Wärmeableitung oder Kühlungscharakteristik bewirkt.

Bezugszeichenliste

1

Wärmeübertragungsrohr

2

Metallblock

3

Strahlungsrippen

5

Komponente

7

Schaltung

10

Verdampfungsbereich

11

Verdampfungsbereich

15

konvexe Bereiche

16

konvexe Bereiche

17

Nut

18

Rohreinsetzbohrung

19

Lötmetall

20

Block

20

a Block

20

b Block

21

Block

22

Block
t₁

Dicke
t₂

Breite
t₃

Höhe

Claims

1. Verfahren zur Herstellung einer Kühleinheit, gekennzeichnet durch folgende Schritte:

2. Verfahren zur Herstellung einer Kühleinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede der Bohrungen, in welche ein Wärmeübertragungsrohr eingesetzt ist, und jedes Wärmeübertragungsrohr einen im Wesentlichen kreisförmigen Querschnitt aufweisen.

3. Verfahren zur Herstellung einer Kühleinheit nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der konvexen Bereiche einen im Wesentlichen rechteckigen oder trapezförmigen Querschnitt aufweist.

4. Verfahren zur Herstellung einer Kühleinheit nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der konvexen Bereiche einen im Wesentlichen dreieckigen Querschnitt aufweist.

5. Verfahren zur Herstellung einer Kühleinheit nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der konvexen Bereiche auf einer der Hauptoberflächen einen trapezförmigen und auf der gegenüberliegenden Hauptoberfläche einen dreieckigen Querschnitt aufweist.

6. Verfahren zur Herstellung einer Kühleinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Metallblock aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung gebildet wird.

7. Kühleinheit mit einem Metallblock und Wärmeübertragungsrohren, hergestellt nach dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6.

8. Verfahren zur Herstellung einer Kühleinheit, gekennzeichnet durch folgende Schritte:

a) Ausbilden eines im Wesentlichen plattenförmigen Metallblocks zum Ableiten der von einer elektronischen Komponente erzeugten Wärme, mit Bohrungen in der Dickenrichtung zwischen den beiden Hauptoberflächen des Metallblocks, in welche Wärmeübertragungsrohre eingesetzt sind, mit U-förmigen Nuten, die jeweils mit vorstehenden und entsprechend den Bohrungen ausgebildeten Bereichen auf wenigstens einer Hauptoberfläche oder beiden Hauptoberflächen versehen sind;
b) Anordnen der Wärmeübertragungsrohre in den U-förmigen Nuten zum Ableiten der Wärme vom Metallblock; und
c) Ausüben von lokalem und zweidimensionalem Druck auf die Oberfläche des Metallblocks in den vorstehenden Bereichen, um die Oberfläche im Wesentlichen nach der Montage der Wärmeübertragungsrohre in den U-förmigen Nuten abzuflachen und um die äußere Oberfläche eines jeden Wärmeübertragungsrohres in engen Kontakt mit der inneren Wandung einer jeden Bohrung in den Metallblock zu bringen.

9. Verfahren zur Herstellung einer Kühleinheit nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß jede der Bohrungen, in welche ein Wärmeübertragungsrohr eingesetzt ist, und jedes Wärmeübertragungsrohr einen im Wesentlichen kreisförmigen Querschnitt aufweisen.

10. Verfahren zur Herstellung einer Kühleinheit nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß ein weiterer konvexer Bereich in den entsprechenden Positionen auf der anderen Hauptoberfläche des Metallblocks gegenüber der U-förmigen Nut mit den vorstehenden Bereichen ausgebildet wird.

11. Verfahren zur Herstellung einer Kühleinheit nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß der konvexe Bereich auf der anderen Hauptoberfläche eine im Wesentlichen trapezförmige Querschnittsform aufweist.

12. Verfahren zur Herstellung einer Kühleinheit nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Metallblock aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung gebildet wird.

13. Kühleinheit mit Metallblock und Wärmeübertragungsrohren, hergestellt nach dem Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 12.