DE2031192A1

DE2031192A1 - Heat transfer device

Info

Publication number: DE2031192A1
Application number: DE19702031192
Authority: DE
Inventors: Nils Johan Dipl Ing Lindholm Gunnel Vasteras Bergsjo (Schweden) P
Original assignee: Allmanna Svenska Elektriska AB, Vasteras (Schweden)
Priority date: 1969-06-27
Filing date: 1970-06-24
Publication date: 1971-01-14
Also published as: SE328906B

Description

Vorrichtung zur Wärmeübertragung ,

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Wärmeübertragung mit Hilfe eines flüchtigen Wärmeübertragungsmittels, das in einem geschlossenen System kontinuierlich zwischen einer Kondensierungsstelle und einer Verdampfungsstelle zirkuliert. Kondensierungs- und Verdampfungsstelle sind einmal durch einen Kapillarkörper verbunden, der durch Kapillarwirkung das kondensierte Wärmeübertragungsmittel von der Kondensierungsstelle zur Verdampfungsstelle bringt, und zum anderen durch einen nichtkapillaren Kanal, durch den das verdampfte Wärmeübertragungsmittel von der Verdampfungsstelle zur Kondensierungsstelle strömt. Da es sich um ein geschlossenes System handelt, ist der Druck im System im wesentlichen überall gleich. Derartige unter dem Namen "Wärmerohr" bekannte Vorrichtungen dienen zur Kühlung verschiedener Apparate und Geräte, z.B. von Halbleiteranordnungen, Das Wärmerohr nimmt an der Verdampfungsstelle Wärme von dem Gerät auf, das gekühlt werden soll, und gibt diese an seine Umgebung ab, z.B. an die umgebende Atmosphäre oder ein Kühlmittel wie Wasser, an der Kondensierungsstelle.

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Bei derartigen Wärmerohren ist es bekannt, dem Kapillarkörper die Form eines Rohres, bestehend aus aneinander und an den Wänden. des Behälters festgesinterten Partikeln aus Metall wie Eisen, Nickel oder Kobalt zu geben oder die Form -eines in mehreren Lagen angeordneten feinmaschigen Netzes oder einer Litze oder auch die Form von längsgehenden feinen Nuten in der Behälterwand.

Die Erfindung zeigt einen Weg, die Kühlleistung solcher Wärmerohre zu verbessern. Zu diesem Zweck ist· die beschriebene Vorrichtung zur Wärmeübertragung so ausgebildet, daß die Verdampfungsstelle die Form einer Platte hat, die zumindestens in ihrem zentralen Teil mehrere vorspringende Teile hat, _t deren Abstand voneinander so gering ist, daß die Zwischenräume zwischen den Vorsprüngen eine Kapillarwirkung auf das im Kapillarkörper befindliche Wärmeübertragungsmittel ausüben, und deren Querschnittsfläche winkelrecht zu der Richtung der Vorsprünge an der Basis mindestens halb so groß ist wie ihre entsprechende größte, von P der Basis entfernte Querschnittsfläche.'

Die Erklärung für die stark verbesserten Eigenschaften eines Wärmerohres gemäß der Erfindung im Vergleich zu den bisher bekannten ist die, daß die Vorsprünge eine besonders wirksame Übertragung von der Platte der Verdampfungsstelle auf das Wärmeübertragungsmittel im Wärmerohr ermöglichen und gleichzeitig die Weiterleitung des Wärmeübertragungsmittels vom Kapillarkörper zur Verdampfungsstelle verbessern.

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Die Vorsprünge können verschiedene Formen haben und im Verhältnis zueinander verschieden angeordnet sein, vorausgesetzt, daß die obengenannten Bedingungen bezüglich der Zwischenräume und der Querschnittsflächen der Vorsprünge erfüllt sind..U.a. können die Vorsprünge im wesentlichen zylindrische oder parallelepipedische Form haben, was ein Vorteil bei der Herstellung ist und zu einer gleichmäßigen Verbreitung des Wärmeübertragungsmittels über die Platte führt. Die Vorsprünge können weiter u.a. die Form von Rippen haben, die sich von den äußeren Teilen der Platte zum Zentrum der Platte erstrecken und deren Breite zum Zentrum hin abnimmt» Eine solche Ausführung gibt der Kapillarwirkung eine vorteilhafte Richtung. Die Vorsprünge können u.a. auch konische, konvexe oder konkave Begrenzungsflächen haben.

Wenn die Vorsprünge und die Platte als ein kontinuierlich zusammenhängender Körper, d.h. ohne Fugen zwischen den Vorsprüngen und der Platte ausgeführt werden, wird eine optimale Wärmeverbreitung von der Platte zu den Oberflächen der Vorsprdnge erreicht. .

Die Zwischenräume zwischen den Vorsprüngen haben vorteilhaft eine Breite von zwischen 10 und 1000/Ua, vorzugsweise 50 bis 300/um. Ihre Höhe ist vorteilhaft 20 bis 2000/um,vorzugsweise 50 bis 600/um. ■·■■■'

Die·Platte der Verdampfungsstelle und ihre Vorsprünge können aus einem metallischen Material wie z.B. Kupfer, Silber, Nickel, ■

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Aluminium und Legierungen mit mindestens einem dieser Hetalle bestehen. Bei der Verwendung von Kupfer und Legierungen mit hohem Kupfergehalt, z.B. mindestens 95 Gewichtsprozenten, hat es sich als besonders vorteilhaft erwiesen, sauerstoffreies Kupfer anzuwenden. Dadurch verhindert man das Entstehen von schädlichen Hikrο-Sprüngen in der Platte in Verbindung mit der Fixierung dos Kapillarkörpers an den äußeren Teilen der Platte.

Es ist vorteilhaft, das obengenannte Material auch für den Behälter zwischen der Verdampfungsstelle und der Kondensierungsstelle und an der Kondensierungsstelle zu verwenden. Es ist jedoch'auch möglich,' zwischen Verdampfungsstelle und Kondensierungsstelle ein Isolationsmaterial zu verwenden, z.B. ein Kunststoffmaterial wie Epoxidplast oder Polyesterplast. Der Kapillarkörper kann dabei u.a. dadurch an der Behälterwand fixiert werden, daß er mit Plast umg^ossen wird oder das der Plast auf den Kapillarkörper aufgeschrumpft wird.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung, die dem Wärmerohr gute Eigenschaften gibt, besteht der Kapillarkörper aus aneinander festgesinterten Partikeln aus metallischem Material, die vorzugsweise im wesentlichen rund sind. Wenn die Wände des Behälters aus einem metallischen Material sind und der Kapillarkörper dadurch an den Wänden des Behälters fixiert ist, daß die nahe an den Wänden liegenden Partikel an den Wänden festgesintert sind, hat es sich gezeigt, daß man eine ungünstige Störung des Flüssigkeitstransports im Kapillarkörper vermeiden kann.

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Bei Verwendung eines Kapillarkörpers in Form von Partikeln aus metallischem Material ist es vorteilhaft, gut abgegrenzte Partikelfraktionen zu verwenden, Zweckmäßigerweise haben die Partikel eine Größe von 100 bis 1000/um, vorzugsweise 200 bis 700 /um. Wenn die Behälterwände aus metallischem Material sind, sollte als Partikelmaterial ein Metall gewählt werden, das ungefähr denselben Wärmeausdehnungskoeffizient hat wie das Wandmaterial. Geeignetes Partikelmaterial ist u.a. Kupfer, Silber, Nickel, Aluminium und Legierungen mit mindestens einem dieser Metalle. Kupfer und Kupferlegierungen führen zu guten Resultaten dank ihrem guten Wärmeleitungsvermögen, Kupferlegierungen mit Zinn haben' sich als wirtschaftlich vorteilhaft erwiesen, z.B. eine Legierung aus ungefähr 90 Gewichtsprozenten Kupfer und ungefähr 10 Gewichtsprozenten Zinn,

Das Wärmeübertragungsmittel muß natürlich unter Stoffen gewählt werden, die gegen den Behälter und den Kapillarkörper inert sind. In vielen Fällen sind destilliertes Wasser, Alkohole, Äther und Ammoniak u.dgl. geeignet. Auch Metalle mit nicht allzu hohen Schmelzpunkten können verwendet werden.

Die Erfindung ist im folgenden anhand eines Ausführungsbeispieles näher beschrieben. In dar Zeichnung zeigen :

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Fig. 1 eine Halbleiteranordnung mit einem Wärmerohr gemäß der Erfindung und

Fig. 2 bis 4 in Aufsicht Teile der Verdampfungsstelle mit verschiedenen Arten von VorSprüngen.

Die mit 10 bezeichnete Vorrichtung zur Wärmeübertragung besteht ψ aus einem Rohr 11 aus sauerstoffreiem Kupfer mit einem Durchmesser von etwa 30 mm und einer Länge von 150 mm. Die Wandstärke ist ungefähr 0,5 mm. An der Innenwand des Rohres ist ein Kapillarkörper

12 festgesintert. Er besteht aus aneinander festgesinterten Kugeln

13 aus einer Legierung aus 89 Gewichtsprozenten Kupfer und 11 Gewichtsprozenten Zinn. Die Kugeln haben einen Durchmesser von 300 bis 600/um. Der Kapillarkörper ist also im wesentlichen ' rohrförmig und konzentrisch zum Rohr 11, er hat eine Wandstärke von ungefähr 2 mm. Das Wärmeübertragungsmittel kann Metanol sein,

fc seine Menge muß ausreichend sein, um den ganzen Kapillarkörper mit Sicherheit zu füllen.

Zwecks Herstellung der Vorrichtung kann ein an beiden Enden offenes Kupferrohr auf einen schwach konischen Dorn geschoben werden, dessen Außendurchmesser etwas kleiner ist als der Innendurchmesser des Rohres und der an einem Ende etwas abgerundet ist.

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Dor Zwischenraum zwischen Rohr und Dorn wird dann mit den Kugeln "gefüllt, die den Kapillarkörper bilden sollen. Danach wird ein Deckel 14 aus sauerstoffreiem Kupfer über der genannten Stirnfläche, des Dorns angebracht, der das Rohr 11.an einem Ende verschließen soll. Dieser Deckel 14 dient als Verdampfungsstelle und hat die Form einer Platte mit vorspringenden Teilen 40, die der genannten Stirnfläche des Dorns zugewandt sind. Beispiele für die Ausbilduni:: dieser Teile sind anhand der Fig. 2 bis 4 beschrieben. Nach dem Auflegen des Deckels wird das Rohr mit Inhalt in ein Werkzeug gesetzt, in dem unter Druck und Wärme die Kugeln aneinander sowie an das Rohr und an die Platte angesintertax werden, gleichzeitig'wird der Deckel 14 mit einem im voraus am Rohr angebrachten Lot am Rohr festgelötet. Nach dem Entfernen des Dornes aus dem Rohr wird an seinem offenen Ende ein Deckel aus sauerstoffreiem Kupfer angelötet, der die andere Stirnfläche 15 des Behälters bildet. Dieser Deckel ist mit einem rohrförmigen Anschlußstück 16 zur.. Evakuierung des Behälters und zur Einführung eines Wärmeübertragungsmittels versehen. Der Behälter wird nach seiner Füllung hermetisch verschlossen.

Auf dem Deckel 15 liegt eine lose gesinterte Filterplatte 17. Sie besteht aus Kugeln aus demselben Material wie der Kapillarkörper 12. Am äußeren Mantel des Behälters sind Kühlflanschen angeordnet. Diese können mit einem strömenden Gas, z.B. Luft, oder Flüssigkeit, z.B. Wasser, gekühlt werden. Wie aus Fig. 1 ' hervorgeht, erstreckt sich der Kapillarkörper 12 bis zu den äußeren Teilen 41 der Verdampfungsstelle, aber nicht bis zu

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zentralen Teilen 42, die mit dem Apparat in Kontakt stehen, der gekühlt werden soll. Dadurch wird verhindert, daß in den genannten äußeren Teilen eine Verdampfung erfolgt, xvas ein Trocken-'kochen in diesen Teilen und damit das Risiko zur Folge haben könnte, daß die Vorrichtung aufhört zu arbeiten.

Die Verlustwärme, die sich in dem gezeigten Halbleiterapparat entwickelt, führt zu einer Verdampfung des Wärmeübertragungsmittels an der Verdampfungsstelle 14 des Wärmetransportapparates, die an dem dem Halbleiterapparat zugewandten Ende liegt.. Der entstehende Dampf geht durch den nichtkapillaren Kanal 19 zu der Kondensierungsstelle 15, die an dem vom Halbleiterapparat abgewandten Ende liegt* Die beim Kondensieren des Dampfes entstehende Flüssigkeit wird von dem Kapillarkörper wieder zurück zur Verdampfungsstelle geleitet. Der beschriebene Verlauf setzt sich kontinuierlich fort-r

Die Halbleiteranordnung, die eine Halbleiterscheibe 20 mit Elektroden und eventuell Stützplatten konventioneller Art umfaßt, ist auf dem Deckel 14 der ißboraVorrichtung montiert. Sie ist hermetisch in einer haubenähnlichen Hülle 21 eingeschlossen, die mit den Flanschen 22 des Wärmerohres durch Kaltpreßschweißen verbunden ist. Im übrigen umfaßt die Halbleiteranordnung einen Stromabnehmer 23» ein inneres Kabel 24, einen Durchführungsbolzen 25, ein äußeres Kabel 26, Kontaktklemmen 27, 28 und 29, eine Durchführung 30, z.B. aus gepreßtem Glas, Halter 31 und 32 für die Durchführung und eine Isolationshaube 33.

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Fig. 2 zeigt ein Beispiel für die Ausführung der vorspringenden Teile 40 der Anordnung in Fig. 1. Sie haben parallelepipedische Form mit quadratischem Querschnitt. Das Quadrat hat eine Seite von 100 /um und der Zwischenraum 43 zwischen zwei nebeneinander liegenden Teilen eine Breite von 100/um. Die Höhe der Teile beträgt 150/um.

Fig. 3 zeigt eine andere Ausführung der vorspringenden 'Teile 40. Sie haben eine zylindrische Form Hit einen Durchmesser von 100/um und einen Zwischenraum 43 zwischen zwei nebeneinander liegenden Teilen von 100/um, ihre Höhe beträgt wieder 150/um. Diese Ausführungsform führt zu einer besonders gleichmäßigen Strömung des Wärmeübertragungsmittels, was die Gefahr einer örtlichen Überhitzung verringert.

Fig. 4 zeigt eine weitere Ausführung der Vorsprünge 40 in einer Anordnung gemäß Fig. 1. Sie haben die Form von Rippen, die sich von den äußeren Teilen der Platte zum Zentrum der Platte erstrecken und deren Breite zum Zentrum hin abnimmt. Die Zwischenräume 43 zwischen den Rippen haben eine Breite von 100/um. Die Höhe der Rippen beträgt 150 /um. Diese AufÜhrungsform bewirkt wie erwähnt eine vorteilhafte Richtung der Kapillarwirkung.

Die Vorsprünge auf der Platte 14 können auf verschiedene Art Züatandegebracht werden, z.B. dadurch, daß das Material dort, wo die Zwischenräume sein sollen, gefräst, graviert oder herausgeätzt wird,

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Das Wärmerohr kann zur Kühlung von anderen Apparaten als Ilalb-r leiteranordnung verwendet werden, z.B. bei elektrischen Maschinen und Apparaten wie Motoren und Reaktoren. Es kann auch zur Erwärmung von Apparaten und Ausrüstungen angewandt werden, da die an der Kondensierungsstelle entwickelte Wärme natürlich auch für Erwärmungszwecke ausgenutzt werden kann.

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Claims

• Patentansprüche ; Λ J Vorrichtung zur Übertragung von Wärme von einer Stelle zu

einer anderen, bestehend aus einem geschlossenen System in Form eines vorzugsweise rohrförmigen Behälters, in dem ein flüchtiges Wärmeübertragungsmittel an einer Verdampfungsstelle verdampft und an einer Kondensierungss-telle bei im wesentlichen gleichen Druck kondensiert wird und in dem zwischen der Kondensieruhgsstelle und der Verdampfungsstelle ein Kapillarkörper zur Leitung des flüssigen Wärmeübertragungsmittels von der Kondensierungsstelle zur Verdampfungsstelle durch Kapillarwirkung und ein nichtkapillarer Kanal zur Leitung des dampfförmigen Wärmeüber- · führungsmittels von der Verdampfungsstelle zur Kondensierungsstelle angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Verdampfungsstelle die Form einer Platte hat, die zumindestens in ihrem zentralen Teil mehrere vorspringende Teile (40) hat, deren Abstand voneinander so gering ist, daß die Zwischenräume zwischen den VorSprüngen eine Kapillarwirkung auf das im Kapillarkörper befindliche Wärmeübertragungsmittel ausüben, und deren Querschnittsfläche winkelrecht zu der Richtung der Vorsprünge an der Basis mindestens halb so groß ist wie ihre entsprechende größte, von der Basis entfernte Querschnittsfläche.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorsprünge (40) im wesentlichen eine zylindrische oder parallelepipedische Form haben.

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3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorsprünge (4o) die Form von Rippen haben, die sich von den äußeren Teilen der Platte zum Zentrum der Platte erstrecken und deren Breite zum Zentrum hin abnimmt.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorsprünge (40) und die Platte (14) einen kontinuierlich zusammenhängenden Körper ohne Fugen zwischen Vorsprüngen und Platte bilden.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche.1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Wände des Behälters (10) und die Platte (14) aus metallischem Material bestehen und 'daß der Kapillarkörper (12) an den Wänden des Behälters und den äußeren Teilen der Platte fixiert ist, vorzugsweise dadurch, daß die den Wänden bzw. den äußeren Teilen der Platte zunächstliegenden Teile des Kapillarkörpers an den Wänden bzw. den äußeren Teilen der Platte festgesintert sind,

6. Vorrichtung nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß das metallische Material des Behälters (10) und der Platte .(14) mit den VorsprUngen Kupfer oder eine Kupferlegierung ist«

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das metallische Material des Behälters (10) und der Platte (14) mit den VorSprüngen sauerstoffreies Kupfer ist«

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G. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Kapillarkörper (12) aus Partikeln aus metallischem Material besteht.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Kapillarkörper (12) aus Partikeln aus Kupfer oder einer Kupferlegierung besteht.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Kapillarkörper (12) aus Partikeln aus einer Legierung aus im wesentlichen Kupfer und Zinn besteht.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Kapillarkörper (12) aus Partikeln aus einer Legierung von 90 Gewichtsprozenten Kupfer und ungefähr 10 Gewichtsprozenten Zinn besteht.

12. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß nur der zentrale Teil der Platte in Kontakt mit einer wärmeabgebenden Fläche angeordnet ist.

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