DE2120477C3

DE2120477C3 - Elektrisch isolierende Wärmerohranordnung für hohe Wärmestromdichte

Info

Publication number: DE2120477C3
Application number: DE2120477A
Authority: DE
Inventors: Gregor Dipl.-Phys. 6901 Dossenheim Gammel; Uwe 6901 Nussloch Heidtmann; Mattias 6900 Heidelberg Joens; Peter H. Dipl.- Ing. 6900 Heidelberg Pawlowski
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: 1980-07-31
Also published as: CH536993A; DE2120477B2; SE371330B; DE2120477A1; US3827480A

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrisch isolierende Wärmerohranordnung für hohe Wärmcsironidichic /ur Kühlung eines eine Wärmequelle bildenden, auf hohem elektrischen Potential liegenden Teils eines elektrischen Bauelements.

Eine Wärmerohranordnung dieser Art ist aus der US-PS 35 63 309 bekannt. Ein Wärmerohr ist bekanntlich ein vakuumdicht verschlossenes rohrförmigcs Gefäß, das teilweise mit einer verdampfbaren Flüssigkeit gefüllt ist und in dem sich ein die Flüssigkeit leitender Teil mit Kapillarstruktur befindet, vgl. /. B. die vorgenannte US-PS 35 63 309. Dabei wird an einer Seile des Wärmcrohrcs, an der Wärmeaufnahmefläche, Wärme zugeführt, so daß dort die Flüssigkeit verdampft. Der so erzeugte Dampf strömt zu der anderen Seite des Wärmerohrs, zu der Wärmeabgabefläche, und kondensiert dort. Durch den Wärmerohrteil mit Kapillarstruklur wird die kondensierte Flüssigkeit von der Wärmeabgabefläche zur Wärmeaufnahmefläche zurückgeführt. Mittels eines derartigen Wärmerohres können relativ große Wärmemengen bei geringen Temperaturdifferenzen zwischen Wärmeaufnahme- und Wärmeabgabefläche transportiert werden. Solche Wärmerohre können zur Kühlung von Halbleiterbauelementen, Senderöhren, Wanderfeldröhren und anderen eleklronischen Bauelementen angewandt werden.

Soll nun die Wärmeaufnahme- und Wärmeabgabefläche auf unterschiedlichem elektrischen Potential liegen, so muß die verdampfbare Flüssigkeit aus einem elektrisch isolierenden Material bestehen,

Außerdem muß das Wärmerohr selbst zwischen dem Teil mit der Wärmeaufnahmefläche und dem Teil mit der Wärmeabgabefläche einen elektrisch isolierenden Teil aufweisen der diese beiden wärmeübertragenden Teile elektrisch voneinander isoliert.

Bei elektrisch isolierenden Wärmetransportmitteln ist jedoch die Wärmeübergangszahl beim Verdampfen wesentlich geringer als bei Wasser oder Metallen.

Außerdem ist die maximale Wärmestromdichtebelastung bis zur Filmsiedegrenze von elektrisch isolierenden Flüssigkeiten um mindestens das zweifache kleiner als von Wasser. Gegenüber Metallen kann der Faktor sogar mehr als das zwan?:igfache betragen.

Aus der US-PS 35 63 309 ist auch die Kühlung von Wanderfeldröhren mit elektrisch isolierenden Wärmerohren bekannt Dabei ist der Kollektor der Wanderfeldröhre topfförmig ausgebildet und stellt gleichzeitig die Wärmequelle für das Wärmerohr dar. Da zwischen dem äußeren Mantel des Wärmerohrs, also der Wärmeabgabefläche und dem Kollektor, also der Wärmeaufnahmefläche, ein Spannungsunterschied besteht — der Kollektor liegt auf Hochspannung, während die Wärmeabgabefläche geerdet ist — muß zwischen dem Teil mit der Wärmeabgabefläche und dem Teil mit der Wärmeaufnahmefläche ein elektrisch isolierender Teil vorhanden sein. Der zur Verbesserung des Flüssigkeitstransports eingebaute radiale Teil mit Kapillarstruktur muß also aus elektrisch isolierendem

ίο Material bestehen. Als verdampfbare Flüssigkeil für dieses Wärmerohr sind elektrisch isolierende Flüssigkeiten große Nachteile. Benutzt man beispielsweise als Wärmclransportmittel Silikonöl, so kann man bei Blasensiedcn innerhalb der Wärmcaufnahnicflächc eine

J5 maximal erreichbare Wärmcstromdichte von 20 Walt pro cm² erreichen, die Tcnipcralurdiffcrcn/. zwischen der Wärmerohrwand und der Flüssigkeil, d. h. die Temperaturdifferenz innerhalb des Flüssigkcilsfilms an der Wärmeaufnahmefläche betrügt I55"C. Ein solches Wärmerohr ist jedoch nicht sehr günstig, denn der Vorteil des isothermen Wärmclransports füllt dabei völlig weg. Würde man anstatt Silikonöl Wasser verwenden, dann würde man eine maximal erreichbare Wärmestromdichte für Blasensiedcn von 140 Watt pro cm² und eine Tcmpcraturdiffercnz innerhalb des Flüssigkeilsfilms von 14" C erreichen.

Ferner ist es aus der DE-AS IO 15 935 bekannt, eine Halbleiteranordnung durch zwei thermisch hinicrcinandergcschaltele Sicdckühlcr zu kühlen. Hierbei ist die Halbleiteranordnung von einer crslcn Kühlflüssigkeit umgeben, die bei normaler Betriebstemperatur die anfallende Wärme nur durch Leitung an den /weilen Sicdckühler weitergibt, der seinerseits durch Ausnutzung von Verdampfung und Kondcnsaiion einer zweiten Kühlflüssigkeit die aufgenommene Wärme an die Umgebung abführt. Steigt jedoch die Temperatur der Halbleiteranordnung an, so ist auch die crslc Kühlflüssigkeit einem Phascnwcchscl unterworfen, die Wärmeaufnahme und Wärmeabgabe erfolgt jetzt durch

M) Verdampfung bzw. Kondensation mit dem Erfolg, daß die Wärmeabfuhr von der Halbleiteranordnung gesteigert ist. Die DE-AS IO 15 935 befaßt sich somit lediglich mit der selbsttätigen, icmpcraturubhängigcn Steuerung der Wärmeabfuhr, das Problem der Kühlung von

<>5 Bauelementen, die auf hohem elektrischen Potential liegen, ist nicht angesprochen.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Wärmerohranordnung mit hoher Wärmestromdichte

zur Kühlung eines eine Wärmequelle bildenden, auf hohem elektrischen Potential liegenden Teils eines elektrischen Bauelements zu schaffen, bei welcher cjie Temperaturdifferenz zwischen der Wärmeaufnahme- und der Wärmeabgabefläche wesentlich verringert ist, Dabei soll die Wärmeaufnahmefläche und die Wärmeabgabefläche auf unterschiedlichem elektrischen Potential liegen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Wärmerohranordnung mindestens zwei Warmerohre aufweist, wobei ein Wärmerohr innerhalb eines zweiten Wärmerohres so angeordnet ist, daß die Wärmeabgabefläche des inneren Wärnierohrs die Wärmeaufnahmefläche des äußeren Wärmerohres ist, daß das innere Wärmerohr mit seinem wärmeaufnehmenden Teil an dem die Wärmequelle bildenden, auf hohem elektrischen Potential liegenden Teil des elektrischen Bauelements anliegt, die Wärmeabgabefläche des inneren Wärmerohres größer als dessen Wärmeaufnahmefläche ist, daß das innere Wärmerohr als Wärmetransportmittel ein Metall oder Wasser aufweist, während das äußere Wärmerohr als Wärmetransportmittel ein elektrisch isolierendes Material enthält, daß das innere Wärmerohr mit dem äußeren Wärmerohr über ein isolierendes Zwischenstück verbunden ist und daß der Kapillarstrukturteil des äußeren Wärmerohres aus elektrisch isolierendem Material besteht.

Vorteilhaft verbinden innerhalb des äußeren Wärmerohres Stege mit Kapillarstruklur aus elektrisch isolierendem Material den Teil mit Kapiilarstruktur an der Wärmeaufnahmefläche mit dem Teil mit Kapiilarstruktur an der Wärmeabgabefläche. Über diese Stege erfolgt der Kondcnsatrücklauf.

Eine bevorzugte Anwendung einer solchen Wärmerohranordnung ist die Kühlung von elektronischen Bauelementen, wie Halbleiterbauelementen und Lcislungsröhrcn, im crdgebundenen Beirieb. Darüber hinaus besieht auch die Möglichkeit, aufgrund des geringen Leistiingsgcwichles eine solche Wärmerohranordnung /ur Kühlung von wiirmeer/etigenden elektronischen Bauelementen in flugzeugen oder in Raumfahrzeugen anzuwenden.

Das innere Wärmerohr enthalt eine Wärmetransporlflüssigkcit, die eine hohe Wärniesiromdichte bei kleinem Tempcralurgcfälle aufnimmt. Dadurch, daß die Wärmeabgabefläche des inneren Wärmerohres gleichzeitig die Wärmeaufnahmefläche des äußeren ist, kann die Wärmestromdichte in das äußere Wärmerohr mit elektrisch isolierender Wärmctransportflüssigkcit klein sein, da die Wärmeaufnahmefläche des äußeren Wärmerohres groß ist. Damit wird aber auch das Tcmpcraturgcfällc zwischen der Wärmeaufnahmefläche und der Wärmeabgabefläche des äußeren Wärmerohres sehr klein.

Anhand der Zeichnung werden zwei Beispiele der Wärmcrohranordnung nach der Erfindung näher erläutert. Es zeigt

Fig. I eine erfindungsgemäße Wärmcrohranordnung für die Kühlung einer Anode einer Wanderfeldröhre,

F i g. 2 eine erfindungsgemäße Wärmcrohranordnung zur Kühlung eines scheibenförmigen Thyristors.

Eine Wärmerohranordnung für eine Wanderfeldröhre weist ein inneres Wärmerohr I und ein äußeres Wärmerohr 2 auf. Das innere Wärmerohr 1 ist an der Wärmeaufnahmefläche 3 lopfförmig eingezogen und nimmt den Kollektor 4 einer Wanderfeldröhre 13 auf. Somit dient der Kollektor 4 als Wärmeaufnahmefläche

des inneren Wärmerohrs I, Pas innere Wärmerohr 1 weist einen Teil 5 mit Kqpillarstruktur aus metallischem Werkstoff auf und enthält als Wärmeiransportmittel ein Metall oder Wasser, mit dem hohe Wärmestramdichten erzielbar sind. Zur Verbesserung des Kondensatrücktransports aus dem Teil mit der Wärmeabgabefläch·-· 6 ist zusätzlich ein Teil 7 mit Kapillarstruktur aus dem gleichen metallischen Werkstoff wie der übrige Teil 5 mit Kapillarstruktur vorgesehen.

Die Wärmeabgabefläche 6 des ersten Wärmerohres 1 ist vom zweiten äußeren Wärmerohr 2 vollständig umgeben und dient ihm somit als Wärmeaufnahmefläche. Um das innere, erste Wärmerohr 1 herum ist ein Teil 8 mit Kapiilarstruktur aus metallischem Material angebracht. Er ist mit dem Teil 9 mit Kapillarstruklur an der Wärmeabgabefläche des äußeren Wärmerohres 2 über Stege mit Kapiilarstruktur 10 aus elektrisch isolierendem Material verbunden. Die mechanische Verbindung des inneren Wärmerohres I mit dem äußeren Wärmerohr 2 geschieht über ein elektrisch isolierendes Zwischenstück 11. Γ/. Steg 12 mit Kapiliarstruktur, der dieses Isolierzwl-chenstück If überbrückt, besteht ebenso wie die Stege mit Kapiilarstruktur 10 zwischen Wärmeaufnahme- und Wärmeabgabefläche des äußeren Wärmerohres 2 aus isolierendem Mr'ierial mit Kapiilarstruktur.

Die Wirkungsweise dieser Wärmerohranordnung wird im folgenden beschrieben.

Vom Kollektor 4 der Wanderfeldröhre 13 wird Wärme an die Wärmeaufnahmefläche 3 des inneren Wärmerohres I abgegeben. Diese Wärme wird mittels Wasser oder Metall, also mittels eines Materials mit einer hohen Wärnieübergangszahl zu der Wärmeabgabeflüche 6 des inneren Wärmerohres 1 transportiert. Hier kondensiert das Wärnielransportmittel und die Wärmeabgabefläche des inneren Wärmerohres 1 dient als Wärmeaufnahmefläche für das äußere Wärmerohr 2. Innerhalb dieses äußeren Wärmerohres 2 befindet sich als Wärmciransporimittcl eine elektrisch isolierende Flüssigkeit, welche an der Wärmeaufnahmefläche 6 des äußeren Wärmerohres 2 verdampft, zur Wärmeabgabeflätiic des äußeren Wärmerohres strömt und dort kondensiert. Das kondensierte, d. h. flüssige Wärmetransporimittel fließt nun über die Stege mit Kapiilarstruktur 10 und 12 zur WärmeaufnahmefUiche 6 des äußeren Wärmerohres 2 zurück.

Am äußeren Wärmerohr 2 kann die Wärme durch Strahlung und/oder über ein flüssiges oder gasförmiges Kühlmittel abgeführt werden. Innerhalb des äußeren Wärmerohres 2 befindet sich zur Vermeidung von Gasentladung ein Puffergas, z. B. SF₆, das entweder in einem über die Rohrleitung 14 angeschlossenen, separaten Behälter oder im Wärmerohr selbst gespeichert Ut.

Der Vorteil einer derartigen Wärmerohranordnung besteht darin, daß im inneren Wärmerohr Wasser oder Metall als Wärmctransportmittel vorgesehen werden kann, so daß die Wärmestromdichte im Falle von Wasser als Wärmetransportmittel bei annähernd konstantem Temperaturverlauf sehr hoch liegt. Bei diesem Beispiel kann die Wärmestromdichte bis auf 140 Watt pro cm² mit einem Temperaturgefälle innerhalb des Flüssigkeitsfilms von nur 14°C gesteigert werden. Anstatt einer sehr kleinen Anodenoberfläche kann nun die wesentlich größere Wärmeabgabefläche des inneren Wärmerohres dazu verwendet werden. Wärme an ein elektrisch isolierendes Wärmetransportmittel abzugeben.

Nachfolgend wird die Verringerung des Temperaturunterschiedes zwischen der Wiirmeaufnahmcriäche und der Wärmeabgabeflüchc bei einer Anordnung mit einem Wärmerohr und der Anordnung nach der Erfindung mit zwei Wärmerohren vergleichsweise angegeben. Als elektrisch isolierendes Wärmetransportmittcl wird im ersten Falle eine Fluor-Kohlenstoff-Verbindung und im zweiten Falle Wasser sowie die gleiche Fluor-Kohlenstoff-Verbindung gewählt. Im ersten Fall wird an der Wärmeaufnahmefläche bei einer Wärmestromdichte von 70 Watt pro cm² über dem Fliissigkeitsfilm der elektrisch isolierenden fluor-Kohlenstoff-Verbindung ein Tcmperatiirgcfälle von 200 C" entstehen. Im zweiten Falle entsteht an der Wärmeaufnahmcflüche des inneren Wärmerohres, in dem sich Wasser befindet, bei gleicher Wärmcstromdichte ein Temperaturgcfälle von 8 C. Wird die Wärmeabgabefläche des inneren Wärmerohres, die gleichzeitig die Wärmeaufnahmeflächc des äußeren Wärmerohres ist. um einen Faktor 20 gegenüber der Wärmeaufnahmefläche des inneren Wärmerohres vergrößert, so ergibt sich über dem Fliissigkeitsfilm der elektrisch isolierenden

"> Fluor-Kohlenstoff-Verbindung ein Temperaturgefälle von 40"C. Das Gesamltemperaturgefälle im ersten Fall beträgt also 200 C. im zweiten Fall dagegen 48°C.

In einem weiteren Ausführungsbeispiel — vergleiche Fi g. 2 — kann die Wärme einer Scheibenzelle 15 eines

ίο Thyristors an die obengenannte Wärmeaufnahmefläche 3 des inneren Wärmerohrcs I abgegeben werden. Sie gelangt von don über das Wiirmctransporimittcl des inneren Wärmerohres I zur WäriiKMbgabcfläche lies inneren Wärmerohres I. d. h. zur Würmeaiifnahmeflä-

Ii ehe des äußeren Wärmerohres 2 und von dort zur Wärmeabgabefläche des äußeren Wärmerohres 2. Die weitere Ausbildung der Wärmerohranordnung isi gleich der in F i g. 1 beschriebenen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche;

t. Elektrisch isolierende Wärmerohranordnung ffir hohe wsrmestromdichte zur Kühlung eines eine Wärmequelle bildenden, auf tiQhem elektrischen Potential liegenden Teils eines elektrischen Bauelements, dadurch gekennzeichnet, daß sie mindestens zwei Wärmerohre (1,2) aufweist, wobei ein Wärmerohr (!) innerhalb eines zweiten Wärmerohres (2) so angeordnet ist, daß die Wärmeabgabeflache (6) des inneren Wärmerohres (1) die Wärmeaufnahmefläche des äußeren Wärmerohres (2) ist, daß das innere Wärmerohr (1) mit seinem wärmeaufnehmenden Teil an dem die Wärmequelle bildenden, auf hohem elektrischen Potential liegenden Teil (4) des elektrischen Bauelements anliegt, daß die Wärmeabgabefläche (6) des inneren Wärmerohres (1) größer als dessen Wärmeaufnahmefläche (3) ist. daß das innere Wärmerohr (1) als Wärmetransportmittel ein Metall oder Wasser enthält, während das äußere Wärmerohr (2) als Wärmetransportmittel ein elektrisch isolierendes Material enthält, daß das innere Wärmerohr (1) mit dem äußeren Wärmerohr (2) über ein elektrisch isolierendes Zwischenstück (U) verbunden ist und daß der Kapillarstrukturteil (9, 10) des äußeren Wärmerohres (2) aus elektrisch isolierendem Material besteht.
2. Wärmeroiiranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb des äußeren Wärmerohres (2) Stege (10) mit Kapillarstruktur aus elektrisch leitendem Material den Teil (8) mit Kapillarstruktur an der Wärrc^aufnahmefläche mit dem Teil (9) mit Kapilla^rstruktur an der Wärmeabgabefläche verbinden.