DE2120474A1

DE2120474A1 - Elektrisch isolierendes Wärmerohr

Info

Publication number: DE2120474A1
Application number: DE19712120474
Authority: DE
Inventors: Gregor Dipl.-Phys. 6901 Dossenheim; Heidtmann Uwe 6901 Nußloch Gammel
Original assignee: BBC Brown Boveri AG Germany
Current assignee: BBC Brown Boveri AG Germany
Priority date: 1971-04-27
Filing date: 1971-04-27
Publication date: 1972-11-02

Description

Elektrisch isolierendes Wärmerohr" Die Erfindung betrifft ein elektrisch isolierendes Wärmeror zum Transport von Wärme von elektronischen Bauteilen, z.B.
Dioden, Thyristoren und Leistungsröhren, mit eLnem ein dielek= trisches Arbeitsmittel enthaltendes, vakuumdicht geschlossenes Gefäß, und einer innerhalb des Gefäßes angeordneten Kapillar= struktur, wobei die Arbeitsflüssigkeit an der Wärmeaufnahme= flAche verdampft, zu der Wärmeabgabefläche strömt, dort kon= densiert und durch die Kapillarstruktur zurück zur Heizzon~ transportiert wird.
Vorrichtungen der eingangs genannten Art sind unter der Be= zeichnung Wärmerohre oder heat-pipes bekannt. Bei derartigen Wärmerohren sind vollkommen vakuumdichte rohrförmige Gefäße zum Teil mit einer benetzenden und verdampfbaren Fltissigkeit gefüllt. Der Druck innerhalb des Wärmerohres ist gleich dem Dampfdruck dieser Flüssigkeit bei entsprechender Temperatur.
An einer Stelle des Wärmerohrs, der Verdampferseite, wird die Flüssigkeit verdampft; der Dampf strömt der nicht erhitzten Seite, der Kondensationsseite, zu und kondensiert dort. Die Flüssigkeit wird nun zurück zur Verdampferseite durch Schwerkraft= einfluß oder durch den Kapillardruck einer Kapillarstruktur, z.B. einer Netzstruktur, getrieben. Dadurch, da Verdampfung und Kondensation bei praktisch gleicher Temperatur vonstatten gehen, ist der Wärmetransport praktisch isotherm. Mit einem solchen Wärmerohr lassen sich große Wärmemengen übertragen.
Insbesondere können Wärmerohre zur Kühlung von elektronischen Bauteilen verwendet werden. Liegt die Seite des Bauteiles, die mit der Verdampferseite des Wärmerohres verbunden ist, auf Hochspannung und sollte außerdem die Kondensationsseite aus Gründen der Wärmeabfuhr auf Erdpotential liegen, so muß die Verdampferseite von der Kondensationsseite unbedingt elektrisch getrennt sein.
Es ist ein Wärmerohr beschrieben worden, dessen Verdampferzone von der Kondensationszone dadurch elektrisch getrennt ist, daß ihr-Behälterrohr aus Glas~hergestellt ist. Die Kapillare struktur, der Docht, besteht aus Fiberglas und darüberhinaus wird als Flüssigkeit ein Fluor-Hydrokarbonat benutzt. Damit hat zwar das wärmerohr gute elektrische Isoliereigenschaften; das Material hat aber ein derart schlechtes Wärmeleitvermögen, daß ein sehr hohes Temperaturgefälle von der Verdampferseite zur Kondensationsseite in Kauf genommen werden muß.
Aus diesem Grunde benutzt man als Wandmaterial und zur Her= stellung der Kapillarstruktur in der Heiz- und Kühlzone die Wärme gut leitende Werkstoffe. So ist ein Wärmerohr bekannt, dessen Gefäßwand und die'Kapillarbtruktur aus Metall und die elektrische Isolation zwischen Heiz- und Kühlzone aus kerami= schem Material hergestellt ist. Die Kapillarstruktur kann anstatt einer porösen Keramikmasse auch aus einer Glasfaser struktur aufgebaut sein.
Die Nachteile derartiger Wärmerohre aus Keramikmaterial sind in der geringen mechanischen Schockbebastbarkeit zu sehen, weswegen solche Materialien nicht unter extremen Bedingungen, z.B. in Fahrzeugen eingesetzt werden können.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein elektrisch isolierendes Wärmerohr zu schaffen, bei welchem der Nachteil der bekannten Wärmerohre vermieden wird. Dabei sollen die Ubergänge von der metallischen Kapillarstruktur zur dielektrischen gut beherrscht werden. Insbesondere soll das Wärmerohr gegen Stoß unempfindlich sein.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß in der Mitte des Wärmerohres zwischen der Wärmeaufnahmefläche und der Wärmeabgabefläche ein Zwischenrohrstück aus isolierendem Kunststoff mit gleichem Innendurchmesser wie das übrige Wärme rohr eingesetzt ist, und daß zu dem Zwischenrohrstück zugehörig eine an ihrem Außendurchmesser mit gleichmäßig am Umfang verteil ten Längsstegen versehene Hülse vorgesehen ist, deren Außen= durchmesser um einen solchen Betrag kleiner ist als der Innen= durchmesser des Wärmerohres, so daß die Kapillarkraft in dem Raum zwischen dem Außendurchmesser der Hülse und dem Innen= durchmesser des Wärmerohres#ausreicht, das Arbeitsmittel durch den Spalt zu ziehen.
Als Arbeitsflüssigkeit ist eine dielektrische Flüssigkeit vorgesehen. In an sich bekannter Weise kann zur Vermeidung von Gasentladungen (beim Anfahren) wegen des geringen Dampf druckes ein Löschgas z.B. SF6 oder ein Edelgas vorgesehen werden.
Die Stege an der Außenfläche der Elülse dienen zur exakten Zentrierung der Hülse in dem Wärmerohr. Dadurch wird eine über den gesamten Umfang und entlang der gesamten Länge der pulse konstante Kapillarkraft erzielt.
In weiterer Ausbildung können auf der Innenseite der Hülse an ihren Enden kreisförmig gebogene, geschlitzte federnde Ringe aus Stahl angeordnet sein, die die Enden der Ilülse aufwei= ten und gegen die Kapillarstruktur pressen.
Die Vorteile der erfindungsgemäßen Ausführung bestehen darin, daß die mechanische Festigkeit insbesondere bezüglich einer Schwingungsbelastung stark erhöht sind. Zum anderen ist der Übergang von der dielektrischen auf die elektrisch leitende Kapillarstruktur durch Vorsehen der Federn gewährleistet.
Durch Vorsehen einer die Wärme gut leitenden Kapillarstruktur in der Wärmeaufnahme- bzw. Wärmeabgabefläche, kann der Wärme= transport praktisch isotherm, d.h. mit nur kleiner Temperatur= differenz zwischen WArmeaufnaBr.e- und Wärmeabgabefläche erfolgen.
Anhand der Zeichnung soll ein Ausführungsbeispiel eines er= findungsgemäßen Wärmerohres näher erläutert werden.
Es zeigt: Fig, 1 ein Ausführungsbeispiel eines Wärmerohres im Längs= schnitt, Fig. 2 das Wärmerohr nach Fig. 1 im Querschnitt.
Ein W&rmerohr weist zwei Rohre 1 und 2 aus die Wärme gut leitendem Material auf, zwischen denen sich ein aus elektrisch isolierendem Material gefertigtes, beide Rohre auf einem kleinen Teilstück 3 Umfassendes Zwischenstück 4 befindet. Die Einheit, an deren Innenwänden sich eine Kapillarstruktur 5 und 6 befindet, ist mit den beiden Deckeln 12 an den Enden vakuumdicht ver schlossen. Dabei ist die Kapillarstruktur 5,6 aus die Wärme gut leitendem Material. Die Pfeilrichtung gibt die Zu- 7 bzw. Abführrichtung 8 der Wärme und die Pfeilrichtung 9 die Strömungsrichtung des Dampfes an. Die Wärme wird in der Wärmeaufnahmefläche 10 zugefüiirt und in der Wärmeabgabefläche 11 abgeführt.
Zwischen die Kapillarstrukturenden der Wärmeaufnahme-10' bzw. Wärmeabgabefläche 11 ist eine Hülse 13 aus elektrische gut isolierendem Material gesetzt. Diese Hülse 13 ist mit längslaufenden schmalen Stegen 14 versehen, mittels derer sie gut zentriert ist. Auch dienen die Stege 14 dazu, einen bestimmten Abstand d zwischen der Außenfläche der Hülse 13 und der Innenfläche des isolierenden Teilrohres 4 zu gewähr= leisten. Dieser kleine Abstand dient als Kapillare, durch welche die Flüssigkeit hindurchgetrieben wird. Zur Verbesse= rung der Übergänge der Kapillarstrukturen 5 und 6 auf die Kapillare,.die durch die Hülse 13 gebildet wird, dienen Federn 15, die an den Enden der Hülse 13 vorgesehen sind und diese -aufweiten. Die Federn 15 sind als geschlitzte ;#reisförmig gebogene Ringe aus Stahl ausgebildet.

Claims

P atentansprüche

Elektrisch isolierendes Wärme rohr zum Transport von Wärme von elektronischen Bauteilen, z.B. Dioden, Thyristoren und Leistungsröhren, mit einem ein dielektrisches Arbeits= mittel enthaltendes, vakuumdicht geschlossenes Gefäß, und ine innerhalb des Gefäßes angeordneten Kapillarstruk= tur, wobei die Arbeitsflidssijkeit in der Wärmeaufnahme= fläche verdampft, zu der Wärmeabgabefläche strömt, dort kondensiert und durch die kapillarstruktur zurück zur Heizzone transportiert wird, dadurch gekennzeichnet, daß in der elitte des Wärmerohres zwischen der Wärmeauf= nahmefläche (10) undder Wärmeabgabefläche (11) ein Zwi= schenrohrstück (4) aus isolierendem Kunststoff mit gleichem innendurchmesser wie das übrige Warmerohr eingesetzt ist, und daß'-zu dem Zwisciienrohrstück'(4) zugehörig eine an ihrem Außendurchmesser; mit gleichmäßig am Umfang verteilten Längsstegen (14) versehene Hülse (13) vorgesehen ist, deren Außendurchmesser um einen solchen Betrag (2.d) kleiner ist als der Innendurchmesser des Wärmerohres, so daß die Kapillarkraft in dem Raum zwischen dem Außendurchmesser dar Hülse (13) und dem Innendurchmesser des Wärmerobres ausreicht, um das Arbeitsmittel durch den Spalt zu ziehen.
2. Elektrisch isolierendes Wärmerohr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Löschgas z.B. SF6 oder ein Edelgas vorgesehen ist.
3. Elektrisch isolierendes Wärmerohr nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Innenseite der hülse (13) an ihren Enden kreisförmig gebogene, geschlitzte federn= de Ringe (15) aus Stahl vorgesehen sind, die die Enden der pulse (13) aufweiten und gegen die Kapillarstruktur (5,6) pressen.