DE2015518A1

DE2015518A1 - Kühlvorrichtung für wärmeerzeugende Einrichtungen

Info

Publication number: DE2015518A1
Application number: DE19702015518
Authority: DE
Inventors: Sebastian William Lancaster Pa. Kessler jun. (V.St.A.)
Original assignee: RCA Corp
Current assignee: RCA Corp
Priority date: 1969-04-01
Filing date: 1970-04-01
Publication date: 1970-10-15
Also published as: FR2042243A5; JPS4822017B1; GB1295775A; CA926033A

Description

6970-79/Kö/s
RCA 61,156
Convention Date:
April 1, I969

RCA Corporation, New York, N.Y., V. St, A.-

Kühlvorrichtung für wärmeerzeugende Einrichtungen

Die Erfindung betrifft eine Kühlvorrichtung für wärmeerzeugende Einrichtungen.

Es ist bekannt, bei elektrischen Bauelementen wie z.B. SiIiciumgleichrichtern oder Transistoren eine Wärmeableitung dadurch zu erzielen, daß man das Bauelement auf einem Wärmesenkenkörper anordnet. Der Wärmesenkenkörper hat im allgemeinen eine verhältnismäßig große Masse, damit sein Wärmeaufnahmevermögen groß ist, und er kann beispielsweise die Form eines Massivblockes aus wärmeleitendem Material wie Kupfer haben. Das Bauelement kann dabei mit einem verhältnismäßig großen Teil einer seiner Flächen unmittelbar am Wärmesenkenkörper befestigt, beispielsweise angelötet sein. Eine solche Wärmeableitvorrichtung für elektrische Bauelemente ist jedoch aus mehreren Gründen nicht voll befriedigend* Wenn das Bauelement t&b einem großen Teil seiner Fläche unmittelbar mit dem Wärmesenkenkörper verbunden ist, treten bei Erhitzung des Bauelemeats, gleichgültig ob während des Befestigungsvorgangs oder im Betrieb,, .infolge der unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten des Bauelements u»d des Wärmesenkenkörpers Mechanische Spannungen im Bauelement auf_β Zwar können diese Spannungsbeanspruchun-. gen durch Verkleinerung des mit dem Wärmesenkenkörper verbundenen Teils der Bauelementfläche etwas verringert werdenj doch, hat dies

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zur Folge, daß auch die Wärmeübertragung vom Bauelement zum Wärmesenkenkörper sich verringert. Ferner ergibt sich, wenn Weichlote für die Verbindung großer Flächenbereiche des Bauelements mit dem Wärmesenkenkörper verwendet werden, das Problem der thermischen Ermüdung des Lotes bei wechselnder Temperaturbelastung des Bauelements. Wird dagegen ein Hartlot verwendet, so muß man in vielen Fällen eine Isolierscheibe für mechanische Spannungen aus z.B. Wolfram oder Molybdän zwischen dem Wärmesenkenkörper und dem Bauelement vorsehen, um letzteres zu schützen. Außerdem wird durch die Grenzflächen zwischen Bauelement und Lot .sowie zwischen Lot und Wärmesenkenkörper ein verhältnismäßig hoher thermischer Widerstand eingeführt, der die Wärmeableitung vom Bauelement erschwert. Ferner hat infolge der verhältnismäßig großen Masse des Wärmesenkenkörpers die gesamte Anordnung ein ziemlich großes Gewicht, so daß ihre Brauchbarkeit beschränkt ist.

Zum Kühlen von Lasern ist eine andere Methode bekannt. Beispielsweise wird bei einem Gas- oder Flüssigkeitslaser mit einem äußeren Gehäuse die vom Laser erzeugte Wärme auf das Lasergehäuse übertragen und von dort abgeleitet. Wenn ein Laser mit verhältnismäßig schwacher Energie oder Leistung arbeitet, wird durch Druckluftkühlung des Lasergehäuses während des Betriebs im allgemeinen eine ausreichende Wärmeableitung vom Laser erreicht. Wenn dagegen der Laser mit hoher Energie oder Leistung arbeitet, ergibt sich eine niedrige Wärmeleitzahl für die Wärmeübertragung vom Lasergehäuse auf ein darüber strömendes Gas wie Luft, so daß die vom Laser abgeführte Wärmemenge beschrankt ist. Aus diesem Grunde verwendet man im allgemeinen Flüssigkeitskühlung statt Luftkühlung« Eine solche Flüssigkeitskühlung erfordert jedoch entweder einen großen Kühlmittelvorratsbehälter oder ein System mit geschlossenem Kühlmittelkreislauf» Im ersteren Falle wird das Kühlmittel laufend vom Vorratsbehälter entnommen und über die Laseroberflache geleitet, womit es dann verbraucht ist. Im letzteren Falle wird die Wäime zuerst vom Lasergehause, durch einen umlaufenden Flüssigkeitsstrom, der über die Lasergehäuseoberfläche gepumpt wj rd, abgeführt und anschließend mittels eines großflächigen Wärmeaustauschers von der Flüssigkeit auf die Umgebung abgeleitet» Bside der genannten

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Vorrichtungen zum Kühlen von Lasern sind jedoch wegen ihres verhältnismäßig großen Volumens und Gewichtes nur beschränkt brauchbar. Diese Kühlvorrichtungen können auch für Festkörperlaser verwendet werden; jedoch ist auch in diesem Fall ihre'Brauchbarkeit aus den genannten Gründen beschränkt.

Die zur Vermeidung dieser Nachteile erfindungsgemäß vorgesehene Kühlvorrichtung besteht aus einem hermetisch abgedichteten, in sich geschlossenen Gefäß mit einem Gehäuseteil mit einer Unterbrechung in seiner Wandung, wobei die zu kühlende Einrichtung abdichtend an diesem Gehäuseteil so befestigt ist, daß sie die Unterbrechung vollständig abschließt. Die Einrichtung oder das Bauelement hat eine im Betrieb sich erwärmende Außenfläche, von der ein verhältnismäßig großer Teil einen integralen Bestandteil der Innenfläche des Gefäßes bildet. Erfindungsgemäß können sowohl elektrische als auch nichtelektrische Einrichtungen und Bauelemente gekühlt werden. Als zu kühlende elektrische Bauelemente kommen beispielsweise verschiedene Arten von Lasern und Halbleiterkörpern oder -plättchen für Diodensperrschichtlaser, Siliciumgleichrichter, Transistoren usw. in Frage. An der Innenfläche des Gefäßes ist eine Kapillaranordnung vorgesehen, die mindestens einen Teil der Außenfläche der Einrichtung oder des Bauelements bedeckt. Ein verdampfbares Arbeitsmittel, von dem mindestens ein Teil durch die Kapillaranordnung festgehalten wird, befindet sich im Gefäß. Mindestens ein Teil des Arbeitsmittels ist in direkter Berührung mit der Außenfläche der Einrichtung oder des Bauelements. Erfindungsgemäß kann eine Einrichtung oder ein Bauelement an mehreren Außenflächen zugleich mit einer solchen Kühlvorrichtung versehen sein. Indem man eine Außenfläche der zu kühlenden Einrichtung als Bestandteil einer wärmeabführenden Kühlvorrichtung ausbildet, werden die Nachteile der bekannten Kühlvorrichtungen ganz oder teilweise vermieden. Zu den Vorteilen der erfindungsgemäien Kühlvorrichtung gehören eine verbesserte Wärmeübertragung von einer Einrichtung oder einem Bauelement infolge minimalen thermischen Widerstandes und erhöhter Wärmeübergangezahl zwischen der Einrichtung oder dem Bauelement und dem Arbeitsmittel, geringe Größe und geringes Gewicht der Kühlvorrichtung sowie die verringerte Möglichkeit des

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Auftretens von mechanischen Spannungen in der Einrichtung oder dem Bauelement.

In den Zeichnungen zeigen:

Figur 1 eine Schnittdarstellung einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung für ein elektrisches Bauelement mit pn-übergang;

Figur 2 eine Schnittdarstellung eines Teils einer anderen Ausfuhrungsform der Kühlvorrichtung, wobei das Bauelement einen pn-übergang enthält;

Figur 3 eine Schnittdarstellung einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung;

Figur 4 eine teilweise im Schnitt dargestellte Stirnansicht einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einem Laser; und

Figur 5 eine teilschnittliche Darstellung der Vorrichtung nach Figur 4 entlang der Längsachse 5-5 in Figur 4*

Die in Figur 1 gezeigte Kühlvorrichtung 10 weist ein hermetisch abgedichtetes, in sich geschlossenes Gefäß 12 von ganzstückiger Bauart auf. Das Gefäß 12 besteht aus einem Gehäuseteil 14, mit dem ein elektrisches Bauelement 16 verbunden ist. Der Ausdruck "Gehäuseteil" bezeichnet hier einen hohlen Körper, der den durch ihn begrenzten Raum nicht vollständig umschließt, da er in ■einer Wandung eine Qffnung oder anderweitige Unterbrechung aufweist. Die Unterbrechung wird im vorliegenden Fall durch ein offenes Stirnende des Gehäuseteils 14 gebildet, kann aber auch andere Formen haben. Der Gehäuseteil 14 besteht aus wärmeleitendem Material wie z.B. Kupfer. Das elektrische Bauelement 16, das eine Außenfläche 18 aufweist, ist auf dem Gehäuseteil 14 so angeordnet, daß es dessen Unterbrechung oder Öffnung vollständig abschließt. Mindestens ein Teil der Außenfläche 18 bildet einen integralen Bestandteil der Innenfläche 22 des Gefäßes 12. Als einen Teil der Innenfläche 22 bildende Außenfläche 18 des Bauelements sollte eine solche Fläche verwendet werden, die im Betrieb des Bauelements

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erwärmt wird, und zwar vorzugsweise diejenige Bauelementoberfläche, welche die größte Erwärmung aufweist. Die Unterbrechung oder Öffnung ist in ihren Abmessungen vorzugsweise nur geringfügig kleiner als die Außenfläche 18 bemessen, so daß nur ein verhältnismäßig kleiner Teil der»Außenfläche 18 durch den Gehäuseteil 14 bedeckt und mit diesem verbunden ist. Das Verbinden des Bauelements 16 mit dem Gehäuseteil 14 erfolgt nach bekannten Methoden, beispielsweise durch Anlöten mit einem GoId~Siliciumeutektikum. Wenn der Bauelementkörper einen Außendurchmesser von z.B. ungefähr 2,413 cm (950 Mil) hat, so reicht der verbundene Teil vom Rand aus nur 0,0635 cm (25 Mil) weit, so daß ein im wesentlichen runder Flächen bereich mit einem Durchmesser von ungefähr 2,286 cm (900 Mil) in Berührung mit dem Arbeitsmittel ist. Da nur ein verhältnismäßig kleiner Teil der Außenfläche 18 des Bauelements 16 mit dem Gehäuse teil verbunden ist, sind die mechanischen Spannungen im Bauelement wesentlich geringer als bei den bekannten Vorrichtungen. Diese Verkleinerung der Verbindungsfläche hat jedoch dank der erfindungs gemäßen Maßnahmen keine nennenswerte Verringerung der Wärmeübertragung vom Bauelement zur Folge.

Das elektrische Bauelement l6 kann z.B. ein Halbleiterplättchen oder -körper mit einem einsigen pn-übergang (z„B_o ein Siliciumgleichrichter oder ein Diodensperrschichtlaser) sein, wie in Figur 1 gezeigt. ErfinduKigsgemäß können jedoch auch andere elektrische Bauelemente, beispielsweise Halbleiterplättchen oder -körper mit mehr als einem pn-übergang (z.B. steuerbare Siliciumgleich richter oder Transistoren) sowie Nichthalbleiterbauelemente (z.B. Gaslaser, Flüssigkeitslaser und Kristall-Laser) gekühlt werden. Vorzugsweise sind die Halbleiterbauelemente auf dem Gefäß 12 so angebracht, daß ihre pn-Übergänge nicht dem Arbeitsmittel im Gefäß ausgesetzt sind, sondern vielmehr, wie in Figur 1 gezeigt, an von der Unterbrechung des Gefäßes entfernten Stellen ertdea bzw. isutage treten. Die pn-Übergänge des Bauelements sind dadurch gegen mögliche schädliche Einflüsse des Arbeitsmittels geschützt» Halbleiterbauelemente 19 (Figur 2) mit nicht bis zum Umfang reichenden pn-Übergängen können auf einem Gefäß 14 in der in Figur 2 gezeigten Weise angebracht werden. Während in Figur 1 der Gehäuse-

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teil 14 zylindrische Form hat,¹ können auch andere, z.B. kubische usw. Formen verwendet werden.

An der Innenfläche 22 des Gefäßes 12 ist eine Kapillaranordnung 20 mit Haarkanälen, d.h. Kanälen von kapillaren Abmessungen angebracht. Bezüglich der Anbringung der Kapillaranordnung 20 soll der Ausdruck "an" hier bedeuten, daß die Anordnung sowohl "auf" als auch "in unmittelbarer Nähe" der Innenfläche 22 angebracht ist. Wenn die Kapillaranordnung 20 in unmittelbarer Nähe der Innenfläche 22 angebracht ist, besteht aus noch anzugebenden Gründen zwischen der Kapillaranordnung 20 und der Innenfläche 22 ein Abstand von höchstens kapillaren Dimensionen. Mindestens ein Teil der Kapillar anordnung 20 muß an der Außenfläche 18 des Bauelements 16 angebracht sein und diese bedecken, damit eine ausreichende Kühlung des Bauelements 16 gewährleistet ist. Die Kapillaranordnung 20 trägt dazu bei, daß ein an das Bauelement 16 gelegtes elektrisches Potential über die Außenfläche 18 verteilt wird. Die Kapillar anordnung 20 hat im vorliegenden Fall die Form eines Hohlzylinders mit einem offenen Stirnende; jedoch können auch Kapillaranordnungen von anderer Form verwendet werden. Die Kapillaranordnung 20 wird beispielsweise durch Pressen und Sintern eines geeigneten Metallpulvers, z.B. Kupfer, nach bekannten Verfahren hergestellt. Innerhalb des Gefäßes 12 befindet sich eine Menge eines Arbeitsmittels (nicht gezeigt), das im Betriebstemperaturbereich des betreffenden elektrischen Bauelements 16 verdampfbar und mit dem Material des Gefäßes 12 chemisch verträglich ist. Damit ein kapillares Pumpen des Kühlmittels stattfinden kann, muß dieses Arbeitsmittel entweder im flüssigen Zustand oder im Betriebstemperaturbereich des betreffenden elektrischen Bauelements 16 verflüssigbar sein und die Kapillaranordnung "benetzen". Als ein derartiges Arbeitsmittel kommt Wasser, Azeton oder ein Dielektrikum wie Freon in Frage. Im allgemeinen ist es wünschenswert, daft die Arbeitsmittelmenge im Gefäß 12 mindestens ausreicht, um die Kapillaren der Anordnung vollständig zu füllen. Es ist notwendig, daß mindestens ein Teil des Arbeitsmittels durch Kapillarkraft in dem an der Außenfläche l8 des Bauelements 16 angebrachten Teil der Kapillaranordnung 20 festgehalten wird und daß mindestens ein gewisser Anteil des

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Arbeitsmittels eich in direkter Berührung alt der Außenfläche 18 befindet. Durch die direkte Berührung des Arbeitsmittels alt der Außenfläche l8 des Bauelements 16 ohne irgendweiche dazwischenbefindlichen körperlichen Teile oder Gebilde wird erreicht, daß der -Widerstand gegen die Wärmeströmung vom Bauelement 16 zum Arbeitsmittel minimal klein und die Wärmeableitung vom Bauelement 16 entsprechend groß ist« Ferner ergibt sich eine verhältnismäßig hohe Wärmeübergangszahl zwischen dem Bauelement 16 und dem flüssigen. Arbeitsmittel, wodurch die Wärmeableitung vom Bauelement 16 noch weiter verbessert wird. Wenn die Kapillaranordnung 20 von der Innenfläche 22 des Gefäßes 12 getrennt oder beabstandet ist, wird dadurch, daß der Abstand auf weniger als kapillare Dimensionen beschränkt ist, sichergestellt, daß das Arbeitsmittel durch Kapillarkraft in direkter Berührung mit dem Bauelement 16 gehalten wird.

Um die freiliegenden Teile des elektrischen Bauelements 16, insbesondere den pn-übergang gegen Umgebungseinflüsse zu schützen, ist eine Abdichtkonetruktion 30 vorgesehen. Die Abdichtkonstruktion 30 besteht aus einem ersten Metallteil 32, das z.B. durch Hartlöten an der Außenfläche des Gehäuseteils 14 befestigt ist, einer Isolation 34 aus z.B. keramischem Material, die mit dem ersten Metallteil durch eine erste Keramik-Metallverbindung verbunden ist, und einem zweiten MetaSteil 36, das mit der Isolation 34 durch eine zweite Keramik-Metallverbindung verbunden ist. Die Abdichtkonstruktion 30 bildet um das Bauelement 16 herum einen hermetisch abgedichteten, isolierten Raum 38, der mit einem trockenen Inertgas gefüllt sein kann, um das Bauelement 1.6 zusätzlich gegen Umgebungseinflüsse zu schützen.

Das Bauelement 16 kann durch eine Spannungsquelle (nicht gezeigt) über äußere elektrische Zuleitungen 40 und 42, die am ersten bzw. zweiten Metallteil 32 und 36 befestigt Sind, mit Spannung beaufschlagt werden. Das erste Metallteil 32 ist über den leitenden Gehäuseteil 14 elektrisch mit einem Teil des Bauelements 16 verbunden. Das zweite Metallteil 36 ist über eine innere Leitungsverbindung 44 elektrisch mit einem anderen Teil des Bauelements 16 verbunden und durch die Isolation 34 elektrisch vom ersten Metall-.-

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teil 32 isoliert. Indem man die verschiedenen Gebiete, eines elektrischen Bauelements 16 wie z.B. Siliciumgleichrichterplättchens so anordnet, daß ein solches Gebiet (z.B. das p-leitende Gebiet des Bauelements 16) in Kontakt mit dem Gehäuseteil 14 und ein anderes solches Gebiet (z.B. das η-leitende Gebiet des Bauelements 16) in Kontakt mit der inneren Leitungsverbindung 44 steht, kann man das Bauelement über die äußeren Anschlüsse 4° und 42 «it elektrischer Energie speisen. Die Energieversorgungseinrichtung kann dem jeweils verwendeten Bauelement angepaßt werden, wobei erforderlichenfalls mehr als zwei äußere Zuleitungen vorzusehen sind. Wenn mehr als zwei äußere Zuleitungen benötigt werden, kann die Abdichtkonstruktion 30 mit zusätzlichen Metallteilen versehen werden, die in der oben beschriebenen Weise durch zusätzliche Isolationen elektrisch voneinander isoliert sind. An der Außenfläche 23 des Gehäuseteils 14 sind an vom Bauelement 16 entfernter Stelle Kühlrippen 46 angebracht .

Im Betrieb der Vorrichtung 10 arbeitet das elektrische Bauelement 16 in üblicher Weise bei über die äußeren Zuleitungen 40 und 42 angelegter Spannung. Die vom Bauelement 16 erzeugte Wärme wird auf das Arbeitsmittel, das sich in direkter Berührung damit befindet, übertragen. Wenn das Bauelement l6 ausreichende Wärmemengen erzeugt, verdampft das zunächst der Außenfläche l8 des Bauelements l6 befindliche Arbeitsmittel. Diese Verdampfung dauert solange an, wie das Bauelement 16 ausreichend Wärme erzeugt. Der Arbeitsmitteldampf wird durch das Innere 43 des Gehäuseteils 14 gegen das vomBauelement 16 entfernte kältere Ende des Gehäuseteils 14 getrieben. An diesem entfernten Ende übergibt der. Dampf seine latente Verdampfungswärme an die Kapillaranordnung 20 und etwaige freiliegende Teile der Wände des Gehäuseteils 14, wo er kondensiert. Der Arbeitsmitteldampf wird in dieser Weise durch das im Gefäß 12 herrschende Dampfdruckgefälle angetrieben, indem der Dampfdruck in der Nähe des Bauelements 16 höher als am entfernten Ende ist. Dieses Druckgefälle wird durch die Verdampfung des flüssigen Arbeitsmittels in der Nähe des Bauelements 16 und die Kondensation des Arbeitsmitteldampfes in den vom Bauelement l6 entfernten kälteren Bereichen des Gefäßes 12 erzeugt. Da die Kapillaranordnung 20 auf

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oder in unmittelbarer Nähe der Innenfläche 22 des Gefäßes 12 angebracht ist, wird die auf die Kapillaranordnung 20 übergebene Wärme auf die Wände des Gehäuseteils 14 übertragen. Wenn die Kapillaranordnung 20 in unmittelbarer Nähe der Innenfläche 22 angebracht ist, erfolgt die Wärmeübertragung von der Kapillaranordnung 20 auf die Wände des Gehäuseteils 14 über das durch Kapillarkraft dazwischen festgehaltene Arbeitsmittel. Die auf die Kapillar anordnung 20 und die Wände des Gehäuseteils 14 übergebene Wärme wird durch die Kühlrippen 46 in die Umgebung abgeleitet. Das kondensierte Arbeitsmittel wird durch die Kapillaranordnung 20 absorbiert und durch Kapillarkraft in Richtung zum Bauelement l6 geleitet. Durch den am Bauelement 16 angebrachten Teil der Kapillar^ anordnung 20 wird das Bauelement ständig mit flüssigem Arbeitsmittel versorgt» Die Wärme wird daher durch Verdampfung des Arbeitsmittels laufend vom Bauelement 16 wegtransportiert.

Da sich das Arbeitsmittel in direkter Berührung mit dem elektrischen Bauelement l6 der Vorrichtung 10 befindet, kann die Wärmeübertragung vom Bauelement 16 auf das Arbeitsmittel mit sehr wenig thermischem Widerstand erfolgen, wodurch die Kühlung des Bauelements 16 verbessert wird. Ferner ergibt sich eine verbesserte Kühlwirkung dadurch, daß Arbeitsmittel durch das Bauelement 16 verdampft wird, da große Wärmemengen in Form von latenter Verdampfungswärme und in Form von spezifischer Wärme dem Bauelement 16 entzogen werden, so daß die Temperatur des Arbeitsmittels auf den Verdampfungspunkt ansteigt* Da ferner die Kapillaranordnung 20 das Bauelement 16 durch Kapillarkraft mit Arbeitsmittel versorgt, ist die Versorgung des Bauelements 16 mit Arbeitsmittel weitgehend unabhängig von der Schwerkraft, Die Kühlvorrichtung 10 kann daher in beliebiger Lage oder Winkelanordnung betrieben werden.

Bei der in Figur 3 gezeigten Ausführungsform besteht die Kühlvorrichtung 50 aus mehreren Gehäuseteilen und Kapillaranordnungen von der in Figur 1 gezeigten Art, Die Kühlvorrichtung 50 enthält ein einziges elektrisches Bauelement 52 mit zwei gegenüber_ liegenden Außenflächen 54 und 50· An jeder der beiden Außenflächen 54 und. 56 ist ein Gehäuseteil 58 bzw. 60 mit offenem Stirnende an-

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gebracht. Die beiden Gehäuseteile 58 und 60 sind so angeordnet, daß ihre offenen Enden oder Unterbrechungen durch das Bauelement 52 hermetisch abgeschlossen werden und dadurch zwei nichtkommunizierende, in sich abgeschlossene Gefäße 62 und 64 entstehen. An den Innenwänden der Gefäße 62 und 64 ist je eine Kapillaranordnung 66 und 68 angebracht, von der mindestens ein Teil sich an der entsprechenden Außenfläche 54 bzw. 56 des Bauelements befindet. In jedem Gefäß befindet sich ein verdampf bares Arbeitsmittel, das mir» destens teilweise von der entsprechenden Kapillaranordnung 66 bzw. 68 festgehalten wird und von dem mindestens ein Teil in direkter Berührung mit dem Bauelement 52 an dessen entsprechender Außenfläche 54 bzw, 56 steht. Wie bei der Ausführungsform nach Figur 1 sind Kühlrippen 70 und eine Abdichtkonstruktion 72 vorgesehen. Die Vorrichtung 50 nach Figur 3 stellt effektiv eine Verdopplung oder Duplizierung der Vorrichtung 10 nach Figur 1 dar und enthält die gleichen Materialarten. Durch das Anbringen eines zweiten Gefäßes 64 wird das Wärmeübertragungsvermögen der Kühlvorrichtung 50 noch mehr erhöht und dadurch die Leistungsfähigkeit des elektrischen Bauelements 52 weiter verbessert.

Bei der Ausführungsform nach Figur 4 und 5 besteht die Vorrichtung 100 aus einem hermetisch abgedichteten, in sich geschlossenen Gefäß 102 mit einem Gehäuseteil 104 und einem Laser IO6. Während an sich Flüssigkeits-, Gas- oder Kristall-Laser verwendet werden können, ist in Figur 4 und 5 der Laser 106 lediglich als Gehäuse IO8 eines Flüssigkeits- oder Gaslasers mit Brewsterschen Fenstern 110 dargestellt. Das Lasergehäuse IO8 wird hier als integraler Bestandteil der Lasereinrichtung angesehen. Im Falle eines Kristall-Lasers, beispielsweise eines Rubin-Lasers entspricht der Außenumfang des Laserkristalls der Form des Lasergehäuses 108_t Der Gehäuseteil 104 besteht in diesem Fall aus einem Hohlzylinder mit ringförmigen Stirnenden 105· Der Gehäuseteil I04 hat in seiner Wajn dung eine Unterbrechung, die durch die Öffnung zwischen den Ringenden 105 und gegenüber dem Zylinderteil des Gehäuseteils IO4 gebildet wird. >er Laser I06 ist auf dem Gehäuseteil 104 so angeordnet, daß die Unterbrechung oder Öffnung des Gehäuseteils 104 vollständig abgeschlossen ist. Der Laser 106 bildet einen Teil der

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Gefäßwand, wobei ein verhältnismäßig großer Teil der Außenfläche 116 dee Läsers 106 einen !Feil der Innenfläche II4 des Gefäßes 102 bildet. Die einen Teil der Innenfläche II4 bildende Außenfläche des Lasers sollte diejenige Fläche sein, die im Betrieb des Lasers erwärmt wird, und zwar vorzugsweise diejenige Außenfläche, welche die stärkste Erwärmung aufweist. Das Lasergehäuse 108 ist hermetisch abdichtend mit den Ringenden 105 des Gehäuseteils 104 verbunden. Wenn das Lagergehäuse 108 aus Saphir besteht, kann dieses Verbinden beispielsweise durch Metallisieren.von Teilen des Lasergehäuses 108 und Hartverlöten dieser metallisierten Teile mit den Ringenden 105 erfolgen. An der Innenfläche 114 des Gefäßes 102 ist eine Kapillaranordnung 112 angebracht, von der sich mindestens ein Teil an der Außenfläche II6 des Lasers 106 befindet. Die Kapillaranordnung 112 enthält Haarkanäle und ist nach den im Zusammenhang mit Figur 1 erwähnten Verfahren hergestellt. Der elektrische Anschluß (nicht gezeigt) des Lasers erfolgt durch die Öffnungen in den Ringenden IO5 des Gehäuseteils 104. An der Außenfläche 112 des Gefäßes 102 sind Kühlrippen 120 vorgesehen. Innerhalb des Gefäßes 102 befindet sich ein verdampfbares Arbeitsmittel (nicht gezeigt), beispielsweise von der oben erwähnten Art. Mindestens ein Teil des Arbeitsmittels wirddurch die Kapillaranordnung 112 festgehalten, und mindestens ein gewisser Anteil des Arbeitsmittels befindet sich in direkter Berührung mit dem Lasergehäuse 108. Die Wirkungsweise der Vorrichtung 100 ist wie oben beschrieben, wobei Arbeitsmittel durch die Wärme vom Laser 106 verdampft wird und der Dampf in die kälteren Bereiche des Gefäßes 102 getrieben wird, wo er Wärme abgibt und kondensiert. Aufgrund der direkten Berührung von flüssigem Arbeitsmittel mit dem Laser 106 ergibt sich eine verbesserte Wärmeübergangszahl zwischen Laser und Arbeitsmittel sowie ein nur minimaler Widerstand gegen die Wärmeströmung vom Laser 106 zum Arbeitsmittel.

Die Erfindung läßt sich nicht nur auf elektrische Bauelemente und Einrichtungen, sondern auch auf nichtelektrische Einrichtungen oder Apparaturen wie z.B. Verbrennungsmotoren, kernreaktoren und Formmaschinen anwenden. Bei Anwendung auf nichtelektrische Einrichtungen bildet eine Außenfläche der betreffenden nichtelektri-

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sehen Einrichtung in der beschriebenen Weise einen Bestandteil der Innenfläche des Gefäßes der Vorrichtung. Diese Außenfläche sollte diejenige Außenfläche der betreffenden Einrichtung sein, die im Betrieb derselben erwärmt wird, und zwar vorzugsweise diejenige Oberfläche, welche die stärkste Erwärmung aufweist.

Zu den Vorteilen, die durch die Erfindung erzielt werden, gehören eine bessere Wärmeübertragung von einem elektrischen Bauelement mit entsprechend verbesserten Betriebseigenschaften des Bauelements, eine beträchtliche Verringerung der Größe und des Gewichts der Kühlvorrichtung für ein elektrisches Bauelement sowie eine erhebliche Verringerung der in einem elektrischen Bauelement durch thermische Schwankungen hervorgerufenen mechanischen Spannungen.

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Claims

Patentansprüche

1.)Kühlvorrichtung für wärmeerzeugende Einrichtungen, g e k en η ζ eic .h η et durch ein hermetisch abgedichtetes, in sich geschlossenes Gefäß (12) mit einem Gehäuseteil (14)> das in seiner Wandung eine Durchbrechung aufweist und auf dem die zu kühlende Einrichtung (16) so angebracht ist, daß sie die Durchbrechung vollständig abschließt und mit mindestens einem Teil einer ihrer Außenflächen (l8) einen Teil der Innenfläche (22) des Gefäßes bildet, wobei an dieser Innenfläche eine Kapillaranordnung (20) angebracht ist, die mindestens einen Teil der Außenfläche (18) der Einrichtung bedeckt, und wobei im Gefäß sich ein verdampf_ bares Arbeitsmittel befindet, das mindestens teilweise durch die Kapillaranordnung festgehalten wird und von dem mindestens ein Teil sich in direkter Berührung mit der Außenfläche der Einrichtung befindet.

2. Kühlvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die zu kühlende Einrichtung ein elektrisches Bauelement ist.

3. Kühlvorrichtung nach Anspruch 2, d .a durch gekennzeichnet, daß das elektrische Bauelement mindestens einen pn-übergang hat und so angeordnet ist, daß dieser pn-übergang sich an von der Durchbrechung des Gehäuseteils (14) entfernter Stelle befindet und nicht in Berührung mit dem Arbeits mittel iste

4* Kühlvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch g e k'ennzeichnet , daß das elektrische Bauelement ein Siliciumgleichrichter ist_o

5» Kühlvorrichtung each Anspruch 3, dadurch ge-Ic e nnz e "ich η e.t .,-. daß das elektrische Bauelement ein Transistor ist.

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6. Kühlvorrichtung nach.Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das elektrische Bauelement ein Diodensperrschichtlaser ist.

7. Kühlvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die freiliegenden Teile des Bauelements durch eine Abdichtkonstruktion (30) von der Umgebung isoliert ist.

8. Kühlvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das elektrische Bauelement ein Laser ist.

9. Kühlvorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Laser ein Flüssigkeitslaser ist.

10. Kühlvorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Laser ein Gaslaser ist.

11. Kühlvorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Laser ein Kristall-Laser ist.

12. Kühlvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die wärmeerzeugende Einrichtung ein Verbrennungsmotor ist.

13. Kühlvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die wärmeerzeugende Einrichtung ein Kernreaktor ist.

14. Kühlvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die wärmeerzeugende Einrichtung eine Formmaschine ist.

15· Kühlvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

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da dur ch ge kenn ζ e i e h η e t , daß der Gehäuseteil (14) ein hohlzylindrischer Körper mit nur einem vollständig abgeschlossenen Stirnende ist.

16. Kühlvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß auf einer weiteren Außenfläche der wärmeerzeugenden Einrichtung ein zweites hermetisch abgedichtetes, in sich geschlossenes Gefäß von der in Anspruch 1 gekennzeichneten Art mit Kapillaranordnung und im Inneren befindlichem verdampfbaren Arbeitsmittel so angeordnet ist, daß die weitere Außenfläche der Einrichtung die Durchbrechung dieses zweiten Gefäßes vollständig abschließt und mindestens teilweise einen Bestandteil der Innenfläche des zweiten Gefäßes bildet (Figur 3).

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