DE2120477A1

DE2120477A1 - Elektrisch isolierende Wärmerohranordnung für hohe Wärmestromdichten

Info

Publication number: DE2120477A1
Application number: DE19712120477
Authority: DE
Inventors: Gregor Dipl.-Phys. 6901 Dossenheim; Pawlowski Peter H. Dipl.-Ing. 6900 Heidelberg; Heidtmann Uwe 6901 Nußloch; Jons Mattias 6900 Heidelberg 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
Also published as: DE2120477C3; DE2120477B2; US3827480A; CH536993A; SE371330B

Description

BROWFvJ, BOVERI & CIE · AKTIENGESELLSCHAFT * I £U* / / ^,^ ^'^> MANNHEIM BFiOWN DOVERI

Mp.-Nr. 546/71 - Mannheim, den 13. April 1971

Pat-FT/St.

"Elektrisch isolierende Wärmerohranordnung für hohe Wärme=

stromdichten"

Die Erfindung betrifft eine elektrisch isolierende Wärmerohr= anordnung für hohe Wärmestromdichten zur Kühlung von Wärmequellen mit hohem elektrischen Potential, z.B. von Bauteilen der Lei= stungselektronik , die mindestens zwei Wärmerohre aufweist.

Bekanntlich ist ein-Wärmerohr ein vakuumdicht verschlossenes rohrförmiges Gefäß, das teilweise mit einer verdampfbaren Flüs= sigkeit gefüllt ist und in dem sich eine die Flüssigkeit lei= tende .Kapillarstruktur befindet. Dabei wird an einer Seite des Wärmerohrs, an der Wärmeaufnahmeflache Wärme zugeführt, so daß die Arbeitsflüssigkeit verdampft. Die verdampfte Ar= beitsflüssigkeit strömt zu der anderen Seite des Wärmerohrs, zu der Wärmeabgabefläche und kondensiert dort. Durch die Ka= pillarstruktur wird die kondensierte Arbeitsflüssigkeit von der Wärmeabgabefläche zur Wärraeaufnahmeflache transportiert. Mittels eines derartigen Wärmerohres können relativ große Wärme= mengen bei geringen Temperaturdifferenzen zwischen Wärmeaufnahme- und Wärmeabgabefläche transportiert werden. Solche Wärmerohre können zur Kühlung von Halbleiterbauelementen, Senderöhren, Wanderfeldröhren usw. angewandt werden.

Soll nun die Wärmeaufnahme- und Wärmeabgabefläche auf unter= schiedlichem elektrischen Potential liegen, so muß die Arbeite= flüssigkeit dielektrisch sein. Außerdem muß 3ich zwischen Wärmeaufnahme- und Wärmeabgabefläche des Wärmerohres selbst

209845/1005

eine elektrisch isolierende Zone befinden, die nicht durch

das Arbeitsmittel elektrisch überbrückt werden darf. ί

j Bei dielektrischen Arbeitsmitteln ist jedoch die Wärmeüber= [

gangszahl beim Verdampfen wesentlich geringer als z.B. bei j

Wasser oder Metallen. Außerdem ist die maximale Heizflächen= '

belastung bis zur Filmsiedegrenze von dielektrischen Flüssig= \

keiten um mindestens das zweifache kleiner als von Wasser. i

Gegenüber Metallen kann der Faktor sogar mehr als das zwanzig= I fache betragen.

Bekannt ist die Kühlung von Wanderfeldröhren mit elektrisch j isolierenden Wärmerohren. Dabei ist der Elektronenauffänger
der Röhre topfförmig ausgebildet und stellt gleichzeitig die
Heizzone des Wärraerohres dar. Durch eine Keramik ist der Elek=
tronenauffänger von dem übrigen Teil der Röhre elektrisch
getrennt. Da zwischen dem äußeren Mantel des Wärmerohrs, also
der Wärmeabgabefläche und dem Elektronenauf fänger, der Wärme= j aufnahmefläche, ein Spannungsunterschied besteht - der Elek= j tronenauffänger liegt auf Hochspannung, während die Wärme= j abgabefläche geerdet ist, - muß zwischen der Wärmeabgabefläche
und der Wärmeaufnahmefläche eine isolierende Zone vorhanden
sein. Die zur Verbesserung des Flüssigkeitstransports einge=
baute radiale Kapillarstruktur muß also aus elektrisch isolieren= dem Material sein. Als Arbeitsflüssigkeit für dieses Wärme=
rohr werden dielektrische Flüssigkeiten vorgesehen._vJedoch
haben solche dielektrischen Flüssigkeiten große Nachteile.
Benutzt man beispielsweise als Arbeitsmittel Silikonöl, so
kann man bei Blasensieden innerhalb der Wärmeaufnahmeflache
einen maximal erreichbaren Wärmestrom von 20 Watt pro qcm
erreichen, die Temperaturdifferenz zwischen der Behälter=
wand und der Flüssigkeit, d.h. die Temparaturdifferenz inner=
halb des Flüssigkeitsfilmes an der Wärmeaufnahmefläche beträgt
155°. Ein solches Wärmerohr ist aber nxcht sehr günstig, denn
der Vorteil, der isotherme Wärmetransport, fällt dabei völlig

20984S/1005

_3- 212Q477

weg. Würde man anstatt Silikonöl Wasser verwenden, dann würde man einen maximal erreichbaren Wärmestrom für Blasensieden von 140 Watt pro qcia und eine Temperaturdifferenz innerhalb des Filmes von 14°C erreichen.

Ziel der Erfindung ist es, eine Wärmerohranordnung mit hoher Heizflächenbelastung zur Kühlung von Wärmequellen mit hohem elektrisch Potential z.B. von Leistungsröhren und Halbleiter= bauelementen zu schaffen, bei welcher die Temperaturdifferenz zwischen der Wärmeaufnahme- und der Wärmeabgabefläche wesent= lieh verringert ist. Dabei soll die Wärmeaufnahmefläche und die Wärmeabgabefläche auf unterschiedlichem elektrischem Po= tential liegen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Kühlanordnung mindestens zwei Wärmerohre aufweist, wobei sich ein Wärmerohr so innerhalb des zweiten befindet, daß die Wärme= abgabefläche des inneren Wärmerohres die Wärmeaufnahmefläche des äußeren Wärmerohres ist, und daß das innere, sich an der Anode befindliche Wärmerohr als Arbeitsmittel ein Metall oder Wasser aufweist, während das äußere Wärmerohr ein dielektri= sches Arbeitsmittel enthält, und daß das innere Wärmerohr mit j dem äußeren Wärmerohr über ein isolierendes Zwischenstück j verbunden ist, und daß die Kapillarstruktur des äußeren Wärme² rohrs aus elektrisch isolierendem Material hergestellt ist.

Vorteilhaft befinden sich innerhalb des äußeren Härmerohrs Verbindungsstege zwischen der Kapltlarstruktur an der Wärme=» aufnahmefläche und der Kapillarstruktur der Wärmeabgabefläche, welche für den Kondensatrücklauf sorgen und v/eiche aus elek= trisch gut isolierendem Material bestehen.

Ein bevorzugtes Anwendungsgebiet einer solchen Wärmerohran= Ordnung ist die Kühlung von elektronischen Bauteilen, wie Halb= leiterelemente und Leistungsröhren im erdgebundenen Betrieb.

2098Λ5/1005

Darüberhinaus besteht auch die Möglichkeit, auf Grund des geringen Leistungsgewichtes die erfindungsgemäße Wärmerohran= Ordnung zur Kühlung von Wärmeerzeugenden Bauteilen im Flug= zeugbau und in der Raumfahrt anzuwenden.

Das innere Wärmerohr enthält eine Arbeitsflüssigkeit, die eine hohe Wärmestromdichte bei kleinem Temp.eraturgefälle auf= nimmt. Dadurch, daß die Wärmeabgabefläche des inneren Wärme= rohres gleichzeitig die Wärmeaufnahmefläche des äußeren ist, kann die Wärmestromdichte in das Wärmerohr mit dem dielek= trischen Material klein sein, da die Wärmeaufnahmefläche des äußeren Wärmerohres groß ist. Damit wird aber auch das Tem= peraturgefälle zwischen der Wärmeaufnahmefläche und der Wärme= abgabefläche des äußeren Wärmerohres sehr klein.

Anhand der Zeichnung sollen zwei Beispiele der Erfindung näher erläutert werden.

Es zeigen:

Fig. 1 eine erfindungsgemäße Wäi.-merohr anordnung für die Kühlung einer Anode einer Wanderfeldröhre,

Fig. 2 eine erfindungsgemäße Wärmerohranordnung zur Kühlung eines scheibenförmigen Halbleiterelementes, eines Thyristors.

Eine Wärmerohranordnung für eine Wanderfeldröhre weist ein inneres Wärmerohr 1 und ein äußeres Wärmerohr 2 auf. Das innere Wärmerohr 1 ist an der Wärmeaufnahmeflache 3 topfförmig ein= gezogen und nimmt den Kollektor 4 einer Wanderfeldröhre 13 auf. Somit dient der Kollektor 4 als Wärmeaufnahmefläche des inneren Wärmerohres 1. Das innere Wärmerohr 1 weist eine Ka= pillarstruktur 5 aus metallischem Werkstoff auf und enthält als Arbeitsmittel eine Flüssigkeit wie Metall oder Wasser, mit der hohe Heizflächenbelastungen erzielbar sind. Zur Ver=

209845/1005

besserung des Kondensatrücktransports aus der Wärmeabgabe= fläche 6 ist zusätzlich eine Kapillarstruktur 7 aus dem gleichen metallischen Werkstoff wie die übrige Kapillarstruktur 5 vorge= sehen. Die Wärmeabgabefläche 6 ist vom zweiten Wärmerohr 2 vollständig umgeben und dient ihm somit als Wärmeaufnahme= fläche. Um das innere Wärmerohr herum ist eine Kapillarstruk= tür 8 aus metallischem Material angebracht, und ist mit der Kapillarstruktur 9 der Wärmeabgabefläche des äußeren Wärme= rohrs 2 über Kapillarverbindungsbrücken 10 elektrisch isoliert verbunden. Die mechanische Verbindung des inneren Wärmerohres

I mit dem äußeren Wärmerohr 2 geschieht über eine Isolier= strecke 11. Die Kapillarstruktur 12, die diese Isolierstrecke

II überbrückt, besteht ebenso wie die Verbindungsbrücken 10 zwischen Wärmeaufnahme- und Wärmeabgabefläche des äußeren Wärmerohres 2 aus einer Kapillarstruktür aus isolierendem Material.

Die Wirkungsweise dieser Wärmerohranordnung sei im folgenden beschrieben.

Vom Kollektor 4 der Wanderfeldröhre 13 wird Wärme an die Wärme= aufnahmefläche 3 des inneren Wärmerohres 1 abgegeben. Diese Wärme wird mittels Wasser oder Metall, also mittels eines Ma= terials mit einer hohen Wärmeübergangszahl an die Wärmeabgabe» fläche 6 des inneren Wärmerohres 1 transportiert. Hier konden=* siert das Arbeitsmittel und die Wärmeabgabefläche des inneren Wärmerohres 1 dient als Wärmeaufnahmefläche für das äußere Wärmerohr 2. Innerhalb dieses äußeren Wärmerohres 2 befindet sich als Arbeitsmittel eine dielektrische Flüssigkeit, welche an der Wämeaufnahneflache 6 des äußeren Rohres verdampft, zur Wärraeabgabeflache strömt Und 'dort kondensiert. 'Das koii= densierte, d.h. flüssige Arbeitsmittel fließt nun über die Verbindungsbrücken 10 und 12 zur Wärraeaufnaliinef lache 6 des äußeren VJärmerohres 2 zurück. Λία äußeren Wärmerohr 2 kann die Wärme entweder durch Strahlung oder über ein flüssiges oder

- 6

209845/100S

BAD ORIGINAL

gasförmiges Kühlmittel abgeführt v/erden. Innerhalb des äußeren j Wärmerohres 2 befindet sich zur Vermeidung von Gasentladungen '

i ein Puffergas, z.B. SF_g, das entweder in einem separaten Be= halter über die Rohrleitung 14 oder im Wärmerohr selbst ge= speichert ist.

Der Vorteil einer derartigen Wärmrohranordnung besteht darin, daß im inneren.Wärmerohr Wasser oder Metall vorgesehen werden kann, so daß die Heizflächenbelastung im Falle von Wasser als Arbeitsmittel bei annähernd konstantem Temperaturverlauf sehr hoch liegt. Bei dem Beispiel kann die Heizflächenbelastung bis auf 140 Watt pro qcm mit einem Temperaturgefälle inner= halb des Flüssigkeitsfilms von nur 14° gesteigert werden. An= statt einer sehr kleinen Anodenoberfläche kann nun die v/esent= lieh größere Wärmeabgabefläche des inneren Wärraerohrs dazu verwendet werden, Wärme an das Dielektrikum abzugeben.

Nachfolgend v/ird die Verringerung des Temperaturunterschiedes zwischen der Wärme aufnahme fläche und der Wärmeabgabefläche bei einer Anordnung mit einem Wärmerohr und der erfindungs= gemäßen mit zwei Wärmerohren vergleichsweise angegeben. Als dielektrisches Arbeitsmittel wird im ersten Fall eine Fluor-Carbon-Verbindung und im zweiten Wasser und die gleiche Fluor-Carbon-Verbindung gewählt. Nach Fall eins wird an der Wärmeauf=

2 nahmefläche bei einer Wärme stromdichte von 70 W/cm ein Tem= peraturgefälle über dem Flüssigkeitsfilm von 200° C entstehen. Im Falle zwei entsteht an der Wärmeaufnahmefläche dos inneren Wärmerohres, in dem sich z.B. Wasser befindet, bei gleicher Wärmestromdichte ein Temperaturgefälle von 3° C. Wird die. Wärmeabgabefläche des inneren Wärmerohres, die gleichzeitig die Wärmeaufnahmefläche des· äußeren· -ißb,. ura einen .Faktor .2.0·. ·; gegenüber der Wärmeaufnaonefläche vergrößert, so ergibt sich über die dielektrische Flüssigkeit des äußeren Wärmerohrs ein Temperaturgefälle von 40° C. Das Gesamttemperaturgefälle im ersten Fall beträgt also 200° C und im zweiten 43° C.

BAO ORIGINAL

In einer weiteren Ausführung kann die Wärme einer Scheiben= zelle 15 eines Thyristors an die eben ausgeführte Wärmeauf= nahmeflache des inneren Wärmerohres abgegeben werden. Sie gelangt von dort über.das Arbeitsmittel zur Wärmeabgabefläche, d.h. zur Wärmeaufnähmefläche des* äußeren Wärmerohrs und von dort zur Wärmeabgabefläche des äußeren Wärmerohres. Die weitere
Anordnung ist gleich wie in Pig. I beschrieben.

209845/1005

Pat 4 F 1 (δ"0 ΙΟΚΐ/ΚΕ)

Claims

- 8 Patentansprüche

Elektrisch isolierende Wärmerohranordnung für hohe Wärme= stromdichten zur Kühlung von Wärmequellen, die auf hohem elektrischen Potential'liegen, z.B. von Bauteilen der Lei= stungselektronik, dadurch gekennzeichnet , daß die Kühl= ; anordnung mindestens zwei Wärincrohre (1,2) aufweist, wobei j sich ein Wärmerohr (1) innerhalb des zweiten (2) befindet, I so daß die Wärmeabgabeflache (6) des inneren Wärmerohres ; (1) die Wärneaufnahmeflache des äußeren Wärmerohres (2) ; ist, und daß das innere sich an der Anode (3) befindliche I Wärmerohr (1) als Arbeitsmittel ein Metall oder Wasser I aufweist, während das äußere Wärmerohr (2) ein dielek= j trisches Arbeitsmittel enthält, und daß das innere Wärme= I rohr (1) mit dorn äußeren Wärmerohr (2) über ein.isolieren= ; des Zwischenstück (11) verbunden ist, und daß die Ka= i pillarstruktur (9,10) des äußeren Wärmerohres (2) aus elektrisch isolierendem Material hergestellt ist.

j 2. Wärmerohranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich= net, daß sich innerhalb des äußeren Wärmerohres (2) Ver= bindungsstege (10) zwisehen der Kapillarstruktur (3) an

I der Wärmoaufηahmeflache und der Kapillarstruktur (9) an der Wärmeabgabefläche befinden, welche für den Konden= satrücklauf sorgen und welche aus elektrisch gut isolieren= dem Material bestehen.

2090A 5/1005

BAO ORIGINAL