-
Zusammenfassung
-
Die
Erfindung betrifft im Hauptanspruch eine Heatpipe (Wärmeleitrohr),
welche die Form einer flachen Platte hat, und in Nebenansprüchen Kühlkörper, welche
diese Heatpipe verwenden. Die Heatpipe hat die Funktion, an einer
beliebigen Stelle ihrer Oberfläche
Wärme aufzunehmen,
und diese über ihre
gesamte Oberfläche
zu verteilen. Dieses geschieht unter Zuhilfenahme eines Flüssigen Transportmediums
(z.B. Wasser). Die Heatpipe hat im Inneren eine Vakuum Kammer, in
welche das Wasser eingefüllt
ist. Wird die Heatpipe an einer beliebigen Stelle erwärmt, so
verdampft dort das Wasser. Der Dampf kondensiert im restlichen kälteren Bereich
der Heatpipe und erwärmt
diesen dadurch. Das kondensierte Wasser fließt durch Kapillarkräfte zurück zur Wärmequelle
und verdampft erneut. Durch diesen Kreislauf kann innerhalb der
Heatpipe sehr viel mehr Wärme
transportiert werden, als durch eine vergleichbare massive Metallplatte,
z.B. Kupfer. Der Wärmetransport
geschieht wesentlich schneller als in massivem Kupfer, und die Temperatur
ist über
die gesamte Fläche
gleich. Daher sind flache Heatpipes ideal als Basisplatten in Kühlkörpern und
Wärmetauschern,
da sie den Wärmeeintrag
in die Kühlrippen optimieren.
-
Stand der
Technik
-
Flache
Heatpipes sind in vielen verschiedenen Ausführungen bekannt. Alle bekannten
Ausführungen
haben jedoch erhebliche Nachteile, insbesondere für den universellen
Einsatz als Basisplatten in Hochleistungskühlkörpern.
-
Die
ersten Heatpipes wurden als Rohre entwickelt. Die Patentschriften
US 6725910 B2 ,
JP 2001208490 ,
JP 2001208491 ,
JP 2004053186 ,
JP 2002081875 ,
JP 2004198096 ,
US 3680189 , US 2007/0068657
A1 und
CN 2716787 Y zeigen
verschiedene flache Heatpipes, welche durch pressen der Rohre produziert
werden. Diese haben keine ausreichende Größe, ungenügend mechanische Stabilität und fehlende,
bzw. falsche Leistungseigenschaften.
-
Weitere
bekannte Ausführungen
in den Schriften
JP 2004020116 ,
GB 2360007 A ,
EP 0753713 B1 ,
US 4880052 ,
US 6745825 B1 , US 2004/0112572
A1,
EP 1681911 A1 ,
JP 02110296 ,
US 7100680 B2 ,
US 7028760 B2 ,
JP 08136168 ,
JP 09049692 ,
JP 09072680 ,
JP 10103884 ,
JP 10306989 ,
JP 11023166 ,
JP 11083356 ,
JP 11173776 ,
JP 11201673 ,
JP 2000018853 ,
JP 2000028281 ,
JP 2000035292 ,
JP 2000039275 ,
JP 2000111281 ,
JP 2000146470 ,
JP 2000193385 ,
JP 2001241870 ,
JP 2001324286 ,
JP 2002016201 ,
JP 2002022378 ,
JP 2002039693 ,
JP 2003322483 ,
JP 2004309002 ,
JP 2005009763 ,
JP 2005114341 ,
JP 2006046868 ,
JP 2006052942 ,
JP 60106633 ,
JP 63083587 ,
JP 62172189 ,
CN 2608928 Y CN 1665021 A ,
JP 04347492 ,
JP 11023166 ,
JP 11063864 und
JP 2002130965 nutzen mehre parallele
Kammern oder Heatpipes, welche in einer flachen Kammer gebildet
oder eingelassen werden. Nachteilig ist hierbei die eingeschränkte Wärmeverteilung über die
gesamte Fläche.
Auch verfügen
die meisten Ausführungen über schlechte
oder keine Kapillareigenschaften, wodurch die Leistung stark limitiert wird.
Die meisten der Ausführungen
sind außerdem in
ihrer Benutzung nicht lageunabhängig.
-
In
den Ausführungen
der Schriften
JP 2000356480 ,
JP 11047961 ,
JP 10238973 ,
JP 10220975 und
US 5697428 werden die parallelen Kammern
miteinander in Mäanderform
verbunden. Hierdurch verbessert sich der Wärmeeintrag in die Fläche deutlich,
jedoch ist die Leistung erheblich beschränkt, da der Rückfluss
der Flüssigkeit
auf den Querschnitt der Kammer beschränkt ist. Ist die Wärmequelle
größer als
zwei nebeneinander liegende Kammern, so kommt es in der Mitte der
Wärmequelle schnell
zu einer Überhitzung,
da hier nur ungenügend
Wasser zur Verfügung
steht. Viele Ausführungen
sind auch nicht lageunabhängig.
-
In
weiter optimierten Ausführungen
der Schriften
US 6827134
B1 ,
CN 2590177
Y und
JP 2001336889 werden
die Kanäle
nicht mehr parallel angeordnet, sondern optimiert. Es bleiben jedoch
die Nachteile der Lageabhängigkeit
und dass die Heatpipe nicht gleichmäßig auf ihrer vollen Fläche, sondern nur
an den Kanälen
erwärmt
wird.
-
Die
Schriften
JP 2001165582 ,
JP 10339592 ,
JP 10038483 ,
JP 06213584 und
US 5598632 beschreiben Ausführungen,
in denen in mindestens zwei Schichten paralleler Kammern in 90° Winkel übereinander
angeordnet sind, so dass es zu einer Verbesserung der Wärmeverteilung
in der Fläche kommt.
Nachteilig ist hierbei jedoch, dass im Inneren der Heatpipe Wärmewiderstände beim
Wärmetransfer
zwischen den Kammern entstehen. Es bleiben außerdem für die meisten Ausführungen
die Nachteile der Lageabhängigkeit
und dass die Heatpipe nicht gleichmäßig auf ihrer vollen Fläche erwärmt wird.
-
Eine
Variante der Vorherigen Ausführungen sind
die Schriften
JP 09159382 und
US 5329993 . In diesen werden
in einen Block Vollmaterial entsprechende Kanäle im 90° Winkel zueinander gebohrt und
verschlossen. Hierdurch entfallen die inneren Wärmeübergangswiderstände, jedoch
bleiben die anderen Nachteile erhalten. Zusätzlich ist von Nachteil, dass
die Produktion sehr aufwändig
ist.
-
In
den Ausführungen
der Schriften
TW 580127 ,
CN 2695903 Y ,
CN 1192202 C ,
JP 2005283093 ,
JP 2002130964 ,
JP 2003240461 ,
JP 2003314979 ,
JP 2002327993 ,
JP 2002221398 ,
JP 2002022380 ,
JP 2001183079 ,
JP 2001082887 ,
JP 2000074582 ,
JP 2000039273 ,
JP 2000031680 ,
JP 11274782 ,
JP 11183068 ,
JP 10300372 ,
JP 10185467 ,
JP 08210790 , WO 02/058879 A1, US 2006/0096740
A1 und
US 6817097 B2 werden
mindestens 2 Bleche vorgeformt und so mit einander verbunden (z.B.
durch Schweißen),
dass sich verschiedenste Kammersysteme bilden, aus denen die Heatpipe
besteht. Dieses ist eine sehr günstige
Produktionsweise einer Heatpipe, es ergibt sich jedoch automatisch
das erhebliche Problem, dass mindestens eine Seite der Heatpipe
keine plane Fläche
ist. Zusätzlich
ist in den meisten Ausführungen
kein ausreichendes Kapillarsystem vorhanden und sie sind im Betrieb
lageabhängig.
-
Die
Ausführungen
der Schriften
DE
202 005 008 792 U1 ,
EP 0745819
A2 ,
GB 2342153
A ,
US 3613778 ,
US 3680189 ,
US 4046190 ,
US 4461343 ,
US 5465782 ,
US 6397935 B1 ,
US 6679318 B2 ,
US 6782942 B1 ,
US 6802363 B1 ,
US 6889756 B1 , US 2004/0011512
A1, US 2005/0183847 A1, US 2003/0159806 A1, US 2007/0056714 A1,
WO 2006/112586 A1, WO 2007/029359 A1,
JP 04184094 ,
JP 11183067 ,
JP 11183070 ,
JP 11193994 ,
JP 11237193 ,
JP 2000161878 ,
JP 2000230790 ,
JP 2001208488 ,
JP 2001255085 ,
JP 2001336888 ,
JP 2001339026 ,
JP 2002022379 ,
JP 2002062068 ,
JP 2002062067 ,
JP 2004060911 ,
JP 2002062071 ,
JP 2002062072 ,
JP 2002168575 ,
JP 2004226032 ,
JP 2005257174 und
JP 2004037074 bilden eine große Kammer
für die
gesamte Heatpipe. Hierdurch findet eine optimale Verteilung der
Wärme auf
die gesamte Oberfläche
statt. Jedoch haben alle Ausführungen mindestens
einen der folgenden Nachteile: Sie sind lageabhängig, haben nicht genug mechanische
Stabilität,
insbesondere bezüglich
Druck, oder sie sind nicht für
hohe Temperaturen geeignet, wie sie zur Herstellung (z.B. Löten) von
Hochleistungskühlkörpern gebraucht
werden.
-
In
den Schriften
JP 2000018854 und
JP 11287578 werden Ausführungen
gezeigt, welche die meisten der geforderten Eigenschaften erfüllen, jedoch
haben sie gen deutlichen Nachteil, dass sie aufwendig in der Konstruktion
sind, aus vielen Einzelteilen bestehen und daher aufwändig in
der Produktion sind. In der Ausführung
der Schrift
JP 2005106451 wird
ein vorab gesintertes Innenteil verwendet. Dieses wird in die Kammer
der Heatpipe geklebt oder angesintert. In der Klebevariante ist
die Heatpipe nicht mehr hitzebeständig, in der Sintervariante
wird das Innenteil zwei mal gesintert, was die Kapillare im Innenteil
deutlich verschließt.
Außerdem
ist das Kapillarsystem an der Ober- und Unterseite nicht geschlossen.
-
Fast
alle oben genannten Ausführungen
halten hohen Temperaturen, wie sie beim Löten oder Sintern entstehen,
nicht stand.
-
Die
Schriften
US 6871701
B2 und
JP 2002168577 zeigen
verschiedene Ausführungen zum
Verschluss der Kanten von Heatpipes.
-
Die
Schriften
JP 2003322483 ,
JP 2000249481 ,
US 4461343 und
JP 2004108620 zeigen verschiedene
Ausführungen
zur Integration von Bohrlöchern
und Gewinden in einer Heatpipe.
-
Die
Schriften
JP 2005114341 ,
JP 11274782 ,
GB 2337162 A , KR10-2004-0019150,
EP 1780789 A1 und
US 6195893 B1 zeigen Ausführungen,
in denen Heatpipes auf verschiedene Weise in Kühlkörpern integriert werden.
-
Des
weiteren wurden die Schriften US 2006/0143916 A1,
JP 11294978 , US 2001/0004934 A1,
JP 2005077052 ,
TW 577971 ,
US 6901994 B1 , US 2006/0162906
A1,
JP 2002364990 ,
JP 2000161879 und
JP 10267573 beachtet.
-
Problemstellung
-
Ziel
der Erfindung nach Schutzanspruch 1 ist eine universell nutzbare
flache Heatpipe, welche insbesondere als Bodenplatte für Hochleistungskühlkörper dienen
soll. Die bekannten Konstruktionen weisen eine Vielzahl von Nachteilen
auf, woraus sich eine Liste von Anforderungen ergibt, die eine universelle
Heatpipe erfüllen
muss:
Die Heatpipe muss sich an allen Stellen gleichmäßig erwärmen, um
in allen auf oder an ihr angebrachten Kühlrippen einen gleichmäßigen und
optimalen Wärmeeintrag
zu erreichen. Dieses erfordert, dass die Heatpipe als eine komplette
Kammer konstruiert ist und der Dampf jede Stelle der Heatpipe problemlos erreichen
kann. Des weiteren sollte das in der Kammer liegende Kapillarsystem
aus einem gut Wärme leitenden
Material sein und mit der Ober- und Unterseite der Heatpipe optimal
Wärme leitend
verbunden sein. Im Optimalfall sind alle thermisch relevanten Materialien
gleich, z.B. Kupfer.
-
Die
Heatpipe muss in jeder Lage (auch über Kopf, d.h. Wärmequelle
oben) ihre volle Leistung bringen. Dieses setzt ein entsprechendes
Kapillarsystem voraus, welches das kondensierte Wasser zurück zur Wärmequelle
transportiert. Hierfür
ist notwendig, dass die Ober- und die Unterseite innen komplett
mit einer kapillaren Schicht versehen sind. Diese Schichten müssen eine
ausreichende Kapazität
besitzen. Zusätzlich
müssen
beide Schichten in ausreichendem Maße miteinander durch kapillare Verbindungsbrücken verbunden
werden, so dass ein in beide Richtungen funktionierendes Kapillarsystem entsteht,
und der Rückfluss
des Wassers zur Wärmequelle
nicht mehr von der Lage abhängig
ist.
-
Die
Heatpipe muss hohe Temperaturen während der Herstellung des Kühlkörpers (dessen
Basisplatte sie sein soll) aushalten. Um die maximale Leistung für einen
Kühlkörper zu
erreichen, müssen
die Rippen entsprechend thermisch gut mit der Basisplatte verbunden
werden. Dieses ist möglich
mit speziellen Lötverfahren
oder durch Sintern. Hierbei treten Temperaturen von mindestens 250°C (Löten) bzw. über 1.000°C (Sintern)
auf. Daher dürfen
in der Heatpipe keine Materialien verwendet werden, welche diesen
Temperaturen nicht Stand halten.
-
Die
Heatpipe muss mechanisch stabil sein. Sie darf einerseits im Vakuum
Zustand nicht nach Innen nachgeben, und darf sich andererseits auch nicht
ausbeulen, wenn sie im Betrieb unter Dampf steht. Auch muss sie
den mechanischen Belastungen Stand halten, wenn sie z.B. zur Befestigung
verschraubt oder gepresst wird.
-
Die
Heatpipe sollte in einem einzigen thermischen Prozess (Sintern)
komplett gefertigt werden, um die Produktionskosten möglichst
gering zu halten. Vor allem beschädigt mehrfaches Sintern erheblich
das Kapillarsystem. Die Heatpipe sollte aus möglichst wenigen Komponenten
bestehen.
-
Die
Heatpipe sollte möglichst
Leicht sein.
-
Die
beiden Seiten der Heatpipe müssen
Plan parallel und eben sein, um auf der einen Seite einen optimalen
Kontakt zur Wärmequelle
zu ermöglichen, und
auf der anderen Seite einen optimalen Wärmeeintrag in die Kühlrippen
zu leisten. Sie sollten frei sein von Erhebungen, Senkungen oder
Löchern
(außer
gewollten Bohrlöchern).
-
Beschreibung
-
Die
Anforderungen werden durch die im folgenden beschriebene Erfindung
nach Schutzanspruch 1 gelöst.
-
1 und 2 zeigen
die Heatpipe (1) bestehend aus einer Bodenplatte (2),
welche in Wannenform gepresst wurde, und einer Oberplatte (6), welche
ebenfalls in eine Wannenform gepresst wurde und einen Umlaufenden
Rand besitzt. Die Größe der Oberplatte
(6) ist so gewählt,
dass der Umlaufende Rand exakt in die Innenmaße der Bodenplatte (2) passt.
In die Bodenplatte (2) wird eine Bodenschicht (3)
aus Pulver eingefüllt,
welche sich beim Sintern mit der Bodenplatte (2) verbindet
und offenporig fest wird. Alternativ kann die Bodenschicht (3)
auch aus gepresstem Draht bestehen. Auf die Bodenschicht (3)
wird der kapillare Oberseitenkorpus (4) gestellt, welcher
aus einem porösen
Material besteht. Der Oberseitenkorpus (4) ist eine vorgefertigte
Platte (7), welche auf ihrer Unterseite
ein gleichmäßiges Raster
kapillarer Verbindungsbrücken
(20) hat. Diese Verbindungsbrücken (20) werden auf
die Bodenschicht (3) gestellt und verbinden sich beim Sintern
mit der Bodenschicht (3), wobei ein geschlossenes Kapillarsystem
bestehend aus der Bodenschicht (3) und dem Oberseitenkorpus
(4) entsteht. Auf den Oberseitenkorpus (4) wird
die Oberplatte (6) gelegt, welche sich beim Sintern vollflächig mit
dem Oberseitenkorpus (4) verbinden soll. Um diese Verbindung zu
verbessern wird eine zusätzliche
sehr dünne
Pulverschicht (5), bestehend aus extra feinem Pulver, auf
den Oberseitenkorpus (4) gegeben.
-
Die
Pulverschicht (5) hat beim Sintern die Funktion eines Starters,
welcher bewirkt, dass der Sinterprozess zwischen der Oberplatte
(6) und dem Oberseitenkorpus (4) schon bei deutlich
niedrigerer Temperatur beginnt, und ein eventuelles Absinken des
Oberseitenkorpus (4) an den Stellen zwischen den Verbindungsbrücken (20)
verhindert wird. In der Oberplatte (6) befindet sich eine
Befüllöffnung (8), durch
welche die Heatpipe evakuiert und das Wasser eingefüllt wird.
Zum Verschließen
der Heatpipe (6) ergibt sich zwischen der
Bodenplatte (2) und der Oberplatte (6) eine komplett
um die Heatpipe laufende Rinne (7). Diese Rinne (7)
wird mit einem geeigneten Schmelzpulver gefüllt, welches knapp unter der
Sintertemperatur schmilzt, und beim Sintern die Bodenplatte (2)
und die Oberplatte (6) luftdicht verbindet.
-
Die
Heatpipe (1) wird komplett in einem einzigen Sinterprozess
gefertigt. Dieses ist ein wesentliches Konstruktionsmerkmal dieser
Erfindung, da ein mehrfaches Sintern der Heatpipe oder einzelner Komponenten
des Kapillarsystems die Poren im Kapillarsystem deutlich verschließen würde, was
eine wesentliche Leistungsreduzierung der Heatpipe zur Folge hätte. Abschließend wird
die Heatpipe evakuiert, mit Wasser gefüllt und verschlossen.
-
5 zeigt
das Funktionsschema der Heatpipe. Eine Wärmequelle (10) gibt
ihre Wärme über die
Bodenplatte an die Bodenschicht (3) ab. An dieser Stelle
verdampft das in der Bodenschicht (3) enthaltene Wasser
und der Dampf (11) verteilt sich in der kompletten Heatpipe.
Der Dampf kondensiert anschließend
am kühleren
Oberseitenkorpus (4) und gibt dort die Wärme ab.
Wegen des Druckverlustes, welcher beim Verdampfen an der Wärmequelle
(10) in der Bodenschicht (3) entsteht, wird das
kondensierte Wasser (12) mit Hilfe des Kapillarsystems
von der Oberseite des Oberseitenkorpus (4) durch die Verbindungsbrücken in
die Bodenschicht (3) zur Wärmequelle (10) zurück geführt. Anschließend beginnt
der Kreislauf von vorne. Da die Rückführung des Wassers ausschließlich auf
den Kapillarkräften beruht
ist die Heatpipe in jeder Lage nutzbar.
-
Für die Befüllung der
Heatpipe befindet sich eine Befüllöffnung (8)
in der Oberplatte (6). Durch die Befüllöffnung (8) wird die
Heatpipe evakuiert und das Vakuum der Heatpipe mit Wasser befüllt. Anschließend wird
die Befüllöffnung (8)
dicht verschlossen. Wird ein geeignetes Material verwendet, so wird
die Befüllöffnung (8)
von innen nach außen
aus dem Material gezogen. Ist dieses nicht möglich, so wird alternativ (20 & 21)
in die Oberplatte (3) ein Loch (48) gestanzt,
und die Kante des Loches (48) verjüngend nach innen gezogen. In
das Loch (48) wird ein Befüllrohr (47) geschoben.
Dieses Befüllrohr
(47) ist mit einem Schmelzpulver (49) beschichtet,
welches sich beim einschieben in das Loch (48) an der Verjüngung ringförmig abstreift.
Beim Sintern der Heatpipe verbindet das Schmelzpulver (49)
die Oberplatte (6/48) luftdicht mit dem Befüllrohr (47).
-
Alle
thermisch relevanten Teile der Heatpipe (Bodenplatte (2),
Bodenschicht (3), Oberseitenkorpus (4) und Oberplatte
(6)) sollten aus einem gut Wärme leitenden Material sein.
Geeignet hierfür
sind Kupfer, Aluminium und Silber, wobei Silber zu teuer ist, und
Aluminium mit den bekannten Verfahren und Werkstoffen auf die hier
benötigte
Art nicht zu sintern ist. Aktuell ist Kupfer das am besten geeignete
Material. Alle Teile der Heatpipe sollten aus dem gleichen Material
sein, um thermische Übergangswiderstände zu vermeiden.
Es werden in der Heatpipe nur Materialien verwendet, die zum Sintern
geeignet sind. Die Heatpipe hält
daher den wesentlich tieferen Temperaturen beim Löten problemlos
stand.
-
Unter
Verwendung von Kupfer für
die Heatpipe empfehlen sich als Schmelzpulver Bronze oder Messing
Legierungen, welche individuell auf die verwendeten Kupferpulver
abgestimmt werden müssen. Auch
können
Kupferpulver in andere Körnung
und anderer Form benutzt werden.
-
Als
Transportmedium innerhalb der Heatpipe wird im Bereich der Elektronikkühlung in
der Regel Wasser verwendet. Jedoch können für andere Anwendungen auch andere
Flüssigkeiten
verwendet werden.
-
Ein
Ziel der Konstruktion ist die Reduzierung des Gewichtes. Die Bodenplatte
(2) und die Oberplatte (6) können vergleichsweise dünn ausgelegt
werden, da die Platten vom inneren Kapillarsystem erheblich gestützt werden.
Das Kapillarsystem (3 & 4) bildet
beim Sintern eine Wabenstruktur, welche vollflächig mit den Platten (2 & 6) durch
das Sintern verbunden ist. Es entsteht eine hoch stabile Sandwichbauweise,
welche allen Drücken
und sonstigen üblichen
mechanischen Belastungen stand hält.
-
Der
Oberseitenkorpus (4) wird vorgefertigt. Dieser kann ein
gepresster Grünling
sein, ein mit Bindemittel (z.B. geeigneter Kunststoff) hergestellter Korpus,
oder er wird per Schüttsinterung
gefertigt. Ein aus Pulver oder Draht gepresster Grünling hat den
Nachteil, dass durch das Pressen die Poren im Kapillarsystem reduziert
werden. Jedoch hat ein gepresster Grünling eine enorme mechanische
Stabilität
und die geringsten Produktionskosten. Ein mit Bindemittel gefertigter
Korpus (z.B. Spritzguss) hat die geringste Stabilität, jedoch
das beste Kapillarsystem. In der ersten Phase des Sinterns wird
das Bindemittel rückstandsfrei
ausgebrannt, und es bleibt lediglich das Kapillarsystem bestehen.
Ein per Schüttsinterung
vorgefertigter Korpus hat den Nachteil, das er zwei mal gesintert
werden muss, und sich beim zweiten Sintern die Poren im Kapillarsystem
verkleinern. Mit geeigneten Fertigungsparametern entsteht bei Schüttsinterung
ein Korpus, dessen Eigenschaften zwischen den beiden anderen Varianten
liegen. Der Oberseitenkorpus (4) kann auch aus einem offenporigem
Schaum z.B. durch Fräsen
gefertigt werden. Die Eigenschaften von einem Korpus aus Schaum
sind vergleichbar mit einem Korpus, der mit Bindemittel gefertigt
wurde.
-
In
einer weiteren vorteilhaften Ausführung der Erfindung wird die
kapillare Bodenschicht Pulver (3) durch Draht in verschiedene
kapillare Zonen unterteilt. In verschiedenen Fällen, wie z.B. mehreren Wärmequellen
unterschiedlicher Temperaturniveaus, sollte die Heatpipe in einzelne
separate Kapillarsysteme unterteilt werden, da sonst eine Überhitzung der
kühleren
Wärmequelle
droht. Der Draht ist aus dem gleichen Material wie das Pulver, und
sein Durchmesser entspricht der Dicke der Bodenschicht (3).
Er versintert komplett mit dem Pulver, wird dabei Teil der Bodenschicht
(3) und unterbricht gezielt das Kapillarsystem.
-
Entsprechend
dem vorangehenden Beispiel wird in einer weiteren vorteilhaften
Ausführung (22)
der Erfindung der kapillare Oberseitenkorpus (4j) so ausgeführt, dass
er die Heatpipe in zwei weitestgehend getrennte Kapillarsysteme
trennt. Der Bereich (52) ist durch die Streben (51)
auf der Unterseite des Oberseitenkorpus (4j) so vom Rest
der Heatpipe getrennt, dass es zu keinem Dampfaustausch zwischen
dem Bereich (52) und dem Rest der Heatpipe kommt. Wird
zusätzlich
ein Draht in der Bodenschicht (3) entlang der Streben (51)
eingelegt, so wird die Heatpipe in zwei nahezu komplett getrennte
Kapillarsysteme geteilt. Durch Streben (50) auf der Unterseite
des Oberseitenkorpus (4j) kann der Dampf innerhalb einer
Kapillarzone in bestimmte Richtungen geführt werden, um die Dampfverteilung
zu beeinflussen. Alle Streben (50 & 51) bestehen aus dem gleichen
kapillaren Material wie der Rest des Oberseitenkorpus (4j),
und sind daher Teil des Kapillarsystems. Zusätzlich zu den Streben können weitere
kapillare Verbindungsbrücken
(20) an der Unterseite des Oberseitenkorpus (4j)
integriert werden.
-
In
einer weiteren vorteilhaften Ausführung der Erfindung wird die
Bodenschicht (3) im Bereich der Wärmequelle mit einem Raster
feiner Löcher
im Kapillarsystem versehen. Diese Löcher dienen der besseren Dampfabfuhr
und verhindern bzw. vermindern die Bildung von Dampfblasen im Kapillarsystem,
welche die Leistung der Heatpipe erheblich reduzieren können. Die
Löcher
werden beim Einfüllen der
Bodenschicht (3) mit entsprechenden Werkzeugen in diese
gedrückt.
Hierbei können
Komplikationen insbesondere bei Verwendung von Pulver dergestalt
auftreten, dass sich die Löcher
vor dem Sintern durch die Handhabung wieder schließen. Dieses kann
dadurch vermieden werden, dass ein entsprechendes Werkzeug (z.B.
eine Platte mit Dornen in der Bodenschicht (3)) während des
Sinterns in der Heatpipe verbleibt. Dieses Werkzeug wird aus einem geeigneten
Bindemittel hergestellt, welches beim Sintern in der Entbinderphase
komplett und rückstandsfrei
verbrennt.
-
In
einer weiteren vorteilhaften Ausführung der Erfindung wird zwischen
der Bodenplatte (2) und der Bodenschicht (3) eine
dünne Platte
aus hitzebeständigem,
aber schlecht Wärme
leitendem Material (z.B. Keramik) eingefügt. Diese Platte enthält an den Stellen
der Wärmequellen
entsprechende Löcher,
an denen die Bodenschicht (3) direkt mit der Bodenplatte
(2) verbunden ist und die Wärme in die Heatpipe gelangt.
Auf diese Weise wird der Wärmeeintrag
auf den Rest der Bodenplatte (2) außerhalb der Wärmequelle
deutlich reduziert. Dieses ist z.B. dann wichtig, wenn neben der
Wärmequelle
noch andere Bauteile verbaut sind, welche die Temperatur der Wärmequelle
nicht aushalten. Für
die mechanische Stabilität
der Heatpipe können,
falls erforderlich, kleine Löcher
in der Platte angebracht werden um zusätzliche mechanische Verbindungen
zwischen der Bodenplatte (2) und der Bodenschicht (3)
zu schaffen.
-
In
einer weiteren vorteilhaften Ausführung der Erfindung (8)
wird am Oberseitenkorpus (4a) in einem beispielhaften Bereich
(21) das gleichmäßige Raster
der Verbindungsbrücken
(20) aufgehoben und durch ein engeres Raster von Verbindungsbrücken ersetzt.
Dieses führt
zu einer höheren
Stabilität in
dem Bereich (21), wie er häufig z.B. zur mechanischen
Befestigung der Heatpipe gebraucht wird. Alternativ (9)
können
auch an einem Oberseitenkorpus (4b) eine oder mehrere Verbindungsbrücken (22)
größer ausgeführt werden,
und so die mechanische Stabilität
der Heatpipe punktuell vergrößert werden.
-
In
einer weiteren vorteilhaften Ausführung der Erfindung (10)
werden am Oberseitenkorpus (4c) in einem beispielhaften
Bereich (23), welcher über
der Wärmequelle
liegt, alle Verbindungsbrücken weggelassen,
um die Dampfabfuhr zu verbessern. Alternativ (11)
können
auch an einem Oberseitenkorpus (4d) die Verbindungsbrücken (24) über der Wärmequelle
kleiner ausgeführt
werden, und so die Dampfabfuhr verbessert werden.
-
In
einer weiteren vorteilhaften Ausführung der Erfindung (12)
werden die Verbindungsbrücken
eines Oberseitenkorpus (4e) so ausgelegt, dass ihre Größe mit steigender
Entfernung von einer Wärmequelle
(25) zunimmt. Die Verbindungsbrücken (30) mit der
kürzesten
Distanz (I) zur Wärmequelle sind
die Kleinsten. Mit den zunehmenden Distanzen (II bis IV)
steigen auch die Größen der
entsprechenden Verbindungsbrücken
(31, 32 & 33),
um bei der größten Distanz
(V) zur Wärmequelle
(25) die größten Verbindungsbrücken (34)
auszubilden. Hierdurch wird die Dampfabfuhr verbessert und es entsteht
der Nebeneffekt, dass über
die verschiedenen Größen der
Verbindungsbrücken
das Kapillarsystem reguliert werden kann.
-
In
einer weiteren vorteilhaften Ausführung der Erfindung (13)
besteht der Oberseitenkorpus (4f) aus mehreren (hier beispielhaft
zwei) einzelnen Segmenten (26) und (27). Dieses
ist möglich,
da beide Segmente (26 & 27)
beim Sintern mit der Bodenschicht (3) zu einem geschlossenen
Kapillarsystem versintern. Es muss jedoch beachtet werden, dass alle
Segmente in sich stabil vor dem Sintern auf der Bodenschicht (3)
stehen können,
und dass bei einer Heatpipe mit segmentiertem Oberseitenkorpus die Wärmequelle
immer an der Bodenplatte (2) angebracht werden muss.
-
In
einer weiteren vorteilhaften Ausführung der Erfindung (14 & 15)
werden am Oberseitenkorpus (4g) auf der Korpusoberseite
Erhebungen (28) angebracht. Die Erhebungen (28)
der Korpusoberseite werden immer mittig zwischen den Verbindungsbrücken (20)
der Korpusunterseite angeordnet. Hierdurch wird verhindert, dass
während
des Sinterns, bei einem temperaturbedingtem Absinken der Flächen zwischen
den Verbindungsbrücken
(20), diese Flächen
den Kontakt zur Oberplatte (6) verlieren. Die Erhebungen
(28 & 29)
auf der Korpusoberseite können
beliebige optimierte Formen haben. Eine weitere beispielhafte Ausführung zeigt 16.
-
In
einer weiteren vorteilhaften Ausführung der Erfindung (17 & 18)
werden an einem Oberseitenkorpus (4i) Vorrichtungen für die spätere Anbringung
von Bohrlöchern
ausgeführt.
Problematisch hierbei ist, dass die innere Vakuum dichte Kammer
der Heatpipe beim Bohren nicht verletzt werden darf, da ansonsten
die Heatpipe nicht mehr funktioniert. Der Oberseitenkorpus (4i)
hat an den Stellen, an denen Löcher
gebohrt werden sollen, runde Löcher
(40). In diese Löcher
(40) werden Hohlzylinder (42) mit einem Kern (41)
gestellt. Die Kerne (41) werden aus dem Sinterpulver gepresst.
Die Hohlzylinder (42) bestehen aus gepresstem Schmelzpulver.
Beim Sintern verbindet sich das Schmelzpulver (42) mit
der Oberplatte (6), es fließt in die äußeren Poren des Kerns (41)
und versiegelt diesen. Das Schmelzpulver (6) sickert durch
die Bodenschicht (3) bis zur Bodenplatte (2),
versiegelt dabei einen entsprechenden Bereich der Bodenschicht (3)
unterhalb des Hohlzylinders (42) und verbindet sich mit
der Bodenplatte (2). So entsteht im Inneren des Hohlzylinders
(42) ein abgeschlossener Raum, welcher angebohrt werden kann,
ohne das Vakuum der Heatpipe zu verletzen. 18a zeigt
eine optimale Form des Hohlzylinders (42) nach dem Sintern,
bzw. Schmelzen. In einer weiteren Variante (19) wird
in den Kern (44) beim Pressen des Pulvers eine einseitig
geschlossene Mutter (45) oder eine entsprechende Gewindehülse so ein
gepresst, dass die offene Seite der Mutter oder Hülse nach
unten hin auch im Kern (44) offen bleibt. Der Kern (44)
wird, an den Stellen, an denen die Heatpipe Gewinde haben soll,
so in die Löcher
(40) des Oberseitenkorpus (4i) gestellt, dass
die offene Seite der Mutter (45) oder Hülse auf der Bodenschicht (3) steht.
Nach dem Sintern ist das Gewinde fest in der Heatpipe verankert.
-
Die
Erfindung findet Anwendung in den Nebenansprüchen 28 und 29. Die wesentliche
Nutzung der Heatpipe besteht in der Anwendung als Basisplatte für Hochleistungskühlkörper. 23 zeigt
einen solchen Kühlkörper, bestehend
aus der Basisplatte (1) und darauf angebrachten Kühlrippen
(53). Von den üblichen
Verfahren zur Anbringung von Kühlrippen
(53) auf einer Basisplatte (1) ist das Löten (25)
mit einer dicken Lotschicht (55) das am besten geeignete,
da mit diesem Verfahren der niedrigste Wärmewiderstand zwischen der
Basisplatte (1) und den Kühlrippen (53) realisiert
werden kann. Jedoch wird die Basisplatte, bzw. die Heatpipe, hierbei sehr
hohen Temperaturen ausgesetzt. Alternativ können die Kühlrippen (53) auch
auf die Basisplatte (1) gesintert werden. Thermisch ist
dieses die beste Verbindung, da im fertigen Kühlkörper dann keine Wärmewiderstände existieren.
Hierzu wird auf der Basisplatte (1) ein mittelstarke Schicht
(54) aus feinem Sinterpulver aufgetragen. Dieses Sinterpulver
ist ähnlich dem
Pulver der Starterschicht (5) im Inneren der Heatpipe.
Es versintert in so hohem Grad mit den Kühlrippen (53) und
der Basisplatte (1/6), dass sich eine fast porenlose
Schicht (54) ohne Wärmewiderstände bildet.
Jedoch muss die Aufsinterung der Kühlrippen (53) auf
die Basisplatte (1) während
der Herstellung der Basisplatte (1) geschehen. Ansonsten
würde die Basisplatte
(1) zwei mal gesintert, was das Kapillarsystem im Inneren
der Basisplatte (1) deutlich beschädigen würde.
-
Ausführungsbeispiele
sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben.
Es zeigen:
-
1:
Eine Heatpipe (1) (Wärmeleitrohr)
in Form einer Platte. Es ist die Querschnittsposition von 3 eingezeichnet.
-
2:
Die Explosionszeichnung der Heatpipe aus 1. Es zeigt
die Bodenplatte (2), eine Bodenschicht Pulver (3),
den Oberseitenkorpus (4), eine optionale Schicht (5)
aus feinstem Pulver als Starter für den Sintervorgang, die Oberplatte
(6), die Spaltbefüllung
(7) aus geeignetem Schmelzpulver und die Befüllvorrichtung
(8).
-
3:
Zeigt einen Querschnitt der Heatpipe (1), sowie die Position
der Vergrößerung von 6.
-
4:
Zeigt eine perspektivische Explosionszeichnung von 3.
-
5:
Zeigt die Wirkungsweise der Heatpipe. Mittig unter der Heatpipe
ist eine Wärmequelle (10).
Die Bodenschicht (3) aus gesintertem Pulver wird über der
Wärmequelle
(10) erwärmt,
und die darin enthaltene Flüssigkeit
verdampft und verteilt sich gleichmäßig in der Heatpipe (11).
Sie kondensiert an der kühleren
Oberplatte in dem Oberseitenkorpus (4). Da die Bodenschicht
(3) und der Oberseitenkorpus (4) ein geschlossenes
kapillares System bilden, wird die kondensierte Flüssigkeit
durch die Kapillarkräfte
(12) wieder zur Wärmequelle
(10) hin gezogen.
-
6:
Zeigt eine Ausschnittsvergrößerung aus 3.
Die Bodenplatte (2) und die Oberplatte (6) passen
so ineinander, dass zwischen ihnen ein schmaler Spalt entsteht.
Dieser ist mit einem geeigneten Schmelzmedium (7) gefüllt, welches
beim Sintern der Heatpipe den Spalt zwischen der Bodenplatte (2)
und der Oberplatte (6) dicht verschließt.
-
7:
Zeigt die Unterseite des Oberseitenkorpus (4). Auf der
Unterseite befinden sich in einem regelmäßigem Raster Verbindungsbrücken (20).
Diese stellen die mechanische und kapillare Verbindung zwischen
der Oberseite und der Unterseite der Heatpipe her.
-
8:
Zeigt die Unterseite einer Variante (4a) des Oberseitenkorpus.
In einem Bereich (21), hier Beispielhaft mittig angeordnet,
sind die Verbindungsbrücken
dichter angeordnet, um in diesem Bereich (21) eine höhere Stabilität der Heatpipe
zu gewährleisten.
-
9:
Zeigt die Unterseite einer Variante (4b) des Oberseitenkorpus.
In einem Bereich (22), hier Beispielhaft mittig angeordnet,
sind die Verbindungsbrücken
stärker
ausgebildet, um in diesem Bereich (22) eine höhere Stabilität der Heatpipe
zu gewährleisten.
-
10:
Zeigt die Unterseite einer Variante (4c) des Oberseitenkorpus.
In einem Bereich (23), hier Beispielhaft mittig angeordnet,
sind die Verbindungsbrücken
weggelassen, um in diesem Bereich (23) eine bessere Verdampfung
der Flüssigkeit
zu gewährleisten.
-
11:
Zeigt die Unterseite einer Variante (4d) des Oberseitenkorpus.
Die Verbindungsbrücken (24),
hier Beispielhaft mittig angeordnet, sind kleiner ausgebildet, um
dort eine bessere Verdampfung der Flüssigkeit zu gewährleisten.
-
12:
Zeigt die Unterseite einer Variante (4e) des Oberseitenkorpus.
Die Verbindungsbrücken (30 bis 34)
haben unterschiedliche stärken.
Die Verbindungsbrücken
(30) sind die kleinsten. Sie haben die kürzeste Entfernung
(I) von einer angenommenen Wärmequelle (30), hier
Beispielhaft mittig angenommen. Mit steigender Entfernung (II bis V)
von der Wärmequelle
nimmt die Größe der Verbindungsbrücken zu.
Die Verbindungsbrücken
(34) haben den größten Abstand
(V) zur Wärmequelle
(30), und sind am stärksten
ausgebildet.
-
13:
Zeigt die Unterseite einer Variante (4f) des Oberseitenkorpus.
Der Oberseitenkorpus besteht hier aus mehreren Segmenten, hier beispielhaft
zwei angenommen. Die einzelnen Segmente (26) und (27)
sind jeweils in sich mechanisch stabil. Nach dem sintern bilden
sie zusammen mit der Bodenschicht ((3)/2)
ein geschlossenes kapillares System.
-
14:
Zeigt die Oberseite einer Variante (4g) des Oberseitenkorpus.
Es sind in einem gleichmäßigem Raster
Erhebungen (28) angeordnet. Es ist die Position des Querschnitts
aus 15 eingezeichnet.
-
15:
Zeigt einen Querschnitt einer Variante (4g) des Oberseitenkorpus.
Die Erhebungen (28) auf der Oberseite sind relativ zu den
Verbindungsbrücken
(20) auf der Unterseite mittig zwischen diesen positioniert.
-
16: Zeigt die Oberseite einer Variante (4h)
des Oberseitenkorpus. Es sind in einem gleichmäßigem Raster Erhebungen (29)
angeordnet. Die Erhebungen (29) haben eine optimierte Form,
hier Beispielhaft ähnlich
einer Raute.
-
17:
Zeigt die Unterseite einer Variante (4i) des Oberseitenkorpus
mit Verbindungsbrücken (20).
In Löcher
(40) des Oberseitenkorpus (4i) werden Zylinder
für spätere Bohrlöcher eingefügt. Die Zylinder
bestehen aus einem Kern (41), bestehend aus gepresstem
Sinterpulver, und einem umgebendem Zylinder (42), bestehend
aus gepresstem Schmelzpulver. Es ist die Position des Querschnitts aus 18 eingezeichnet.
-
18:
Zeigt einen Querschnitt des Oberseitenkorpus (4i) mittig
durch einen Bohrlochzylinder nach dem sintern. Der Schmelzpulverzylinder
(42) ist während
des sinterns mit dem Pulver des Kerns (41), der Bodenschicht
(3), dem Oberseitenkorpus (4), der Bodenplatte
(2) und der Oberplatte (6) so verschmolzen, dass
der Kern (41) luftdicht zum Inneren der Heatpipe abgeschlossen
ist. 18a zeigt eine optimale äußere Form
des Zylinders (42) nach dem sintern.
-
19:
Zeigt einen alternativen Kern (44) für einen Bohrlochzylinder. Der
Kern (44) enthält
eine einseitig geschlossene Mutter (45) oder eine Gewindebuchse
statt der Mutter. An der Unterseite ist der Kern offen, und das
innen liegende Gewinde zugänglich.
-
20:
Zeigt die Heatpipe (1) mit der Befüllvorrichtung (47)
und der eingezeichneten Position des Querschnitts aus 21.
-
21:
Zeigt die nach innen gezogene Befüllöffnung (48) der Oberplatte
und den Befüllstutzen (47).
Im Detail B ist das Schmelzpulver (49) zu sehen, welches
beim sintern die Befüllöffnung (48)
und den Befüllstutzen
(47) dicht verschließt.
-
22:
Zeigt die Unterseite einer Variante (4j) des Oberseitenkorpus.
Dort angeordnet, hier beispielhaft in Kreuzform, sind Streben (50 & 51)
zur gezielten Leitung des Dampfes. Die Streben (51) sind beispielhaft
so ausgeführt,
dass der Bereich 52 nicht vom Dampf erreicht wird.
-
23:
Zeigt einen Kühlkörper mit
Kühlrippen
(53). Als Bodenplatte ist eine Heatpipe (1) benutzt.
Die Heatpipe (1) wird mit den Rippen (53) mit Hilfe
einer Sinterpulverschicht (54) oder einer Lotschicht (55)
verbunden. Es ist die Position der Querschnitte aus den 24 und 25 eingezeichnet.
-
24:
Zeigt den Querschnitt eines Ausschnittes eines Kühlkörpers mit Kühlrippen (53). Auf der
Oberplatte (6) stehen die Kühlrippen (53) in einer Pulverschicht
(54). Beim Sintern bildet die Pulverschicht (54)
eine Verbindung zwischen den Kühlrippen
(53) und der Oberplatte (6).
-
25:
Zeigt den Querschnitt eines Ausschnittes eines Kühlkörpers mit Kühlrippen (53). Auf der
Oberplatte (6) stehen die Kühlrippen (53) in einer Lotschicht
(55), welche die Verbindung zwischen den Kühlrippen
(53) und der Oberplatte (6) herstellt.