DE2231597B2 - Kühleinrichtung für wärmeerzeugende Schaltelemente - Google Patents

Description

Die Erfindung gehl aus von einer bekannten Kühleinrichtung für wärmeerzeugende elektronische Bauelemente (FR-PS 14 Ob 481). bei welcher ein wärmeerzeugender Halbleiter-Bauelement in einem Behälter angeordnet ist, der eine dielektrische Siedeflüssigkeit enthält. Das Bauelement ist befestigt an einer Vorderwand des Behälters, der eine Rückwand aufweist. die bezüglich der Vorderwand in einem schiefen Winkel angeordnet ist, wodurch sich der Querschnitt des Behälters nach oben zunehmend erwcileri. Abhängig von der am Bauelement erzeugten und abzuführenden Wärme ergeben sich in der Siedeflüssigkeit Dampfbläs chen. die an den über der Siedeflüssigkeit befindlichen Teilen der Behälterwand kondensieren. Für eine bessere Wärmeübertragung zwischen dem Halbleiter-Bauelement und der Siedeflüssigkeit ist die Innenfläche der Vorderwand des Behälters mit Kühlrippen verbunden. Für die Abstrahlung der Wärme vom Behälter in dessen Umgebungsbereich ist die Außenfläche einer Behälter wand ebenfalls mit Kühlrippen verbunden.

Die bekannte Konstruktionsari des Kühlbehälters ermöglicht einen beschleunigten Wärmeaustausch durch die in der Siedeflüssigkeit aufsteigenden Dampf flächen dadurch, daß sich der Behäl'cr-Innenratim nach oben erweitert. Die erforderliche kondensationsfläehe wird dadurch vergrößert. Fs besteht iedoch der Nachteil, daß die für den Kühlzweck bestimmten Konstruktionselemente eine maximale Raumausnüt-/ung der Gesamtanordnung nicht zulassen.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Kühleinrichtung für wärmeerzeugende Schaltelemente so auszubilden, daß zwischen den wärmeerzeugenden Schaltelementen und dem UmgebungsbereLh der Kühleinrichtung bei bestmöglicher Raumausnützung maximale Werte der Wärmeübertragung erzielt werden.

Die genannte Aufgabe wird bei einer Kühleinrichtung für wärmeerzeugende Schaltelemente gemiß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 durch die in dessen Kennzeichen angeführten Merkmale gelöst.

Die angeführten Merkmale ermöglichen im Innenraum des Behälters eine erhebliche Vergrößerung der Kondensationsflächen, von welchen die Wärme durch die bestmögliche Ausnützung konstruktiver Ausgestaltung der Kühlrippen in den Umgebungsbereich der Kühleinrichtung übertragbar ist.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand von Abbildungen näher erläutert. Es zeigt

F i g. I eine Teilschnitt-Ansicht einer in isometrischer Darstellung abgebildeten Kühleinrichtung,

Fig. 2 eine schematische Ansicht, die zeigt, wie die Behälter mit den Schalltafeln und den von der Siedeflüssigkeit umgebenen Moduls senkrecht übereinander in einem Kanal angeordnet sind, der von Kühlluft durchströmt wird, und

F i g. 3 eine Teilschnitt-Ansicht einer in isometrischer Darstellung abgebildeten Kühleinrichtung, bei der die Schalttafel mit den Moduls in horizontaler Richtung angeordnet ist.

Nach Fig. I isl eine Anzahl von Moduls 12. welche die wärmeerzeugenden und zu kühlenden elektrischen Bauelemente. /. B. Transistoren enthalten, mit Abstand übereinanderliegend auf einer Seite oitier Schalttafel 10 befestigt. Die Module 12 sind auf ihrer einen Seite mil Anschlußstiflcn 16 versehen, die die Schalttafel 10 durchdringen und aus ihr an der zugänglichen Seite herausragen. Auf dieser Schaliscilc sind die herausragenden Anschlußslifle 16 durch Steckverbindungen oder andere Verdruhiiingsarien. z. B. lösbare Würgeverbindungen miteinander, oder mit den Anschlußlei tungen oder den Signallcitungcn verbindbar. Die Module 12 sind spaltenweise, übereinanderliegend, vorzugsweise in Form eines Rasters auf der Schalttafel 10 befestigt Die Schalttafel 10 isl (Fig. I) an ihren Randbereichen flüssigkcitsdichi mil einem Behälter 18 verbunden: dabei dient sie als Teil der Vorderwand des Bcnälters 18. so daß sich ein geschlossener Hohlkörper ergibt, in dessen Hohlraum die Module 12einragcn. Die Schalttafel 10 bzw. die Anordnung der vertikalen mit Absland übereinanderliegenden Module 12 hai eine geringere Höhe als die innere Ciesamthöhe des Hohlraums im Behälter 18. Die Fläche der offenen Vorderwand zwischen dem oberen Fndbcrcich der Schalttafel 10 und der Oberseile des Behälters 18 wird durch eine Abdeckplane 20 luftdicht verschlossen

Der Hohlraum des Behälters 18 ist nur teilweise und nur bis /\\ einer bestimmten Höhe mit einer dielektrischen Siedeflüssigkeit 24. du.· eine niedrige Siedetemperatur aufweist, gefüllt, /um Beispiel sind Kohlenstoff-Flunride vervendbar. Der Oberfläihcnspiegcl der Siedeflüssigkeit hegt über den oberen Moduln 12 und diese Moduln 12 sind mit Sicherheit von dieser Siedeflüssigkeit 24 umgeben. Der Res! des oberen Hohlraumes des Behälters 18. welcher iiber dem

Oberflächenspiegel der Siedeflüssigkeit 24 liegt, bildet den Dampfraum 22. Die dielektrische Siedeflüssigkeit 24 steht in direktem Kontakt mit der Oberfläche der Moduln 12. Ist die Oberfläche der Moduln 12 zu klein, um den erforderlichen Wärmeabfluß zur Siedeflüssigkeil 24 zu erhalten und um die gewünschte Kühlung zu erreichen, so muß man die Oberflächen dieser kri'ischen Moduln 12 durch zusätzlich angeordnete Kühlfahnen vergrößern.

Beim Behälter 18 hat dessen Rückwand 26, weiche der Schalttafel 10 gegenüber liegt, einen schrägen Verlauf. Dadurch ergibt sich im Behälter 18 ein Hohlraum, der sich zur Oberseite hin keilförmig erweitert und der an der Unterseite eine relativ kleine Grundfläche aufweist. Von der schrägen Rückwand 26 ii aus ragt eine Anzahl von Kühlrippen 28 in den Hohlraum des Behalters 18. Diese inneren Kühlrippen 28 sind keilförmig und sie stehen von der schrägen Rückwand 26 bis zur .Schahtafel !0 vor; sip sind im Abstand zueinander parallel angeordnet und verlaufen im rechten Winkel zur Oberfläche der Schalttafel 10. Desgleichen verlaufen sie auch senkrecht im Hohlraum des Behälters 18. Aus dieser Anordnung und der keilförmigen Gestalt des Hohlraumes und der inneren Kühlrippen 28 ergibt sich, daß die Oberfläche der inne- 2^ ren Kühlrippen 28 im Dampfraum 22 größer ist als die von der Siedeflüssigkeit 24 benetzte Gesamtfläche der inneren Kühlrippen 28. Zu der Kühlfläche der Kühlrippen 28 ist auch die Fläche der schrägen Rückwand 26 des Behälters 18 /u rechnen, welche 1» zwischen den parallelen inneren Kühlrippen 28 liegt. Die Größe der Oberflächen der inneren Kühlrippen 28 nimmt nach unten stark ab. infolge der schräg geneigten Rückwand 26 des Behälters 18.

Von der Außenseite der schrägen Rückwand 26 r> erstrecken sich ebenfalls äußere Kühlrippen 30 nach außen in den Umgcbiingsluflratim.

Die äußerer Kühlrippen 30 haben zueinander den gleichen Abstand wie die inneren Kühlrippen 28 und sie sind ebenfalls in vertikaler Richtung angeordnet. ■>" Zwischen den inneren Kühlrippen 28 und den äußeren Kühlrippen 30 besieht insofern ein Unterschied, daß im oberen Bereich des Behälters 18 die inneren Kühlrippen 28 breit sin I und eine große Fläch·: aufweisen, die äußeren Kühlrippen 30 hingegen relativ schmal sind und ·>■'> demzufolge nur eine relativ kleine Kühlfläche haben. Infolge der schrägen Behällerrückwand 26 sind die äußeren Rippen 30 im Bereich der Oberseile des Behälters 18 schmal im Vergleich /u ihrer Rippenfläche an der Grurrlscitc des Behäkers 18. Die Änderung der '·< > Kühlrippen 28 und 30 in ihrer Breite bzw. ihrer Kühlfläche in Abhängigkeit von ihrer Höhe erfolgt in einen linearen Verhältnis, du die schräge Behältcrrück wand 26 in einer geraden Linie verläuft. Die beiden Seilenwändc 32, 34 des Behälters 18 sind auch mil v> äußeren Kühlrippen 36, 38 verschen, die ebenfalls parallel und .senkrecht angeordnet sind, so daß sich kaminähnliehc Kanäle auf der Außenseite des Behälters 18 ergeben, durch die l.ufl nach oben strömen kann. Die ebenfalls geschlossene Oberseile 40 des Behälters 18 isl mi mil einer verschließbaren Öffnung 42 zum Einfüllen für die Siedeflüssigkeit 24 versehen

Im Betrieb erzeugen die Moduln 12 Wärme, die an der Grenzfläche ohne großen Widersland an die Siedeflüssigkcit 24 uhertr.11 cn wird, da diese die Moduln *■'> 12 großflächig umgibt, wobei an der Grenzfläche /wischen Modtilobcrflachc und .Siedeflüssigkeit 24 kleine Damnfblascn cntsk τη. die /ur Oberfläche der Siedeflüssigkeit 24 aufsteigen und in den darüberliegenden Dampfraum 22 gelangen. Der aus der Siedeflüssigkeit 24 austretende Dampf kondensiert im Dampfraum 22 an den kühleren, großflächigen inneren Kühlrippen 28. Die bei der Kondensation frei gewordene Wärme wird von den inneren Kühlrippen 28 durch die Rückwand 26 und die Seitenwände 32, 34 infolge Wärmeleitung an die luftgekühlten äußeren Kühlrippen 30, 36, 38 abgeleitet. Die zur Kondensation dienende Oberfläche des Dampfraumes 22 ist durch die inneren Kühlrippen 28 und die Begrenzungswände des Behälters 18 relativ sehr groß, so daß für die Dampfkondensation eine große Kühlfläche zur Verfügung steht. Einige der Dampfbläschen werden nicht in den Dampfraum 22 eintreten, da diese bereits unterhalb des Oberflächenspiegels der Siedeflüssigkeit 24 an den Flächen der in der Siedeflüssigkeit 24 befindlichen inneren Kühlrippen kondensieren. Dieser Teil der innerer Kühlrippen 28, der sich unterhalb des Oberflächtrhspiegels in der Siedeflüssigkeit 24 befindet, wirkt mit. dieser zusammen als eine Kombination eines Unterkühler-Kondensators, dessen wirksame Kühlfläche sich infolge der keilförmigen Rippenfläche nach unten hin stetig verkleinert. Somit ergibt sich, daß in dem unteren Teil des Behälters 18. wo noch wenig gekühlt werden muß. also bei den unteren Moduln 12. wo die abzuführende Wärmemenge noch nicht groß ist. die Kühlfläche noch relativ klein sein kann, und daß die Kühlfläche nach oben stciig ansteigt, weil sich durch die übereinander angeordneten Moduln 12 auch die abzuführende Wärmemenge erhöhl. In dem oberen Bereich des kombinierten Unterkühler Kondensators erhöht sich die Wärmeabfuhr noch zusätzlich durch die direkt in den Dampfraum 22 eintretenden Dampfbläschen. Die etwa keilförmige Querschniitsform des Hohlraumes im Flüssigkeitsbehälter 18 und der inneren Kühlrippen 28 wird durch die einfache schräg geneigte Gestalt der Behälterrückwarid 26 erzielt. Diese von unten nach oben schräg nach außen geneigte Rück'vand 26 erbringt den weiteren Vorteil, daß die /wischen den äußeren Kühlrippen 30 nach oben strömende L.ufl in gute Berührung mit der Rückwand 26 kommt, wobei sich die Wärmeabfuhr verbessert.

Die F" i g. 2 zeigt in einer schematischen Seitenansicht mehrere die Moduln 12 tragende Schalttafeln 10. welche Wandseilen der Behälter 18 sind, die in einem Abstand übereinander angeordnet sind und einen Stapel bilden. Schemalisch ist unter diesem Bchälterstapel ein Gebläse 44 dargestellt, dessen nach oben gerichteter Luftstrom durch Pfeile angedeutet wird, die dessen Richtung angeben. Die Behälterrückwand 26 der ein/einen Behältern 18 isi gestrichelt als schräge Linie gezeichnet. Gemäß den Pfeilen der F i g. 2 wird die nach oben strömende Kühlluft durch die schräge Rückwand 26 des jeweiligen Behälters 18 nach außen abgelenkt, so daß sich eine Turbulenz in der Luftströmung ergibt. .Somit wirkt die schräge Rückwand 26 auch als I.iifttiirbulalor: Du ^<;ch wie aus den Fig. I und 2 zu ersehen ist. die Rückwand 26 von unten nach oben gliMchmiif·;· schräg nach außen neigt, bildet sich in dem Bchälterstapi'l /wischen zwei benachbarten Behältern 18 emc /one Λ, die einen hohen statischen Druck aufweist und eine Zone ö mit niederem statischen Druck. Die aufwärts s römende Kühlluft fließt von der /one Λ mit hohem Druck zur Zone B mit niedrigem Druck und es ergibt sich somit eine Querströmung, die sich der Aufwänsströmung überlagert und somit /n einer Turbulenz führt, welche die Kühlwirkung der äußeren Kühlrippen 30 verbes.eit. Nach l·'i e· 2 sind die

Behälter 18 übereinander in einem kaminförmigcn Kanal 46 untergebracht, welcher den wesentlichen Zweck hat. die Luftströmung vertikal nach oben /u lenken.

In der F i g. 3 ist ein anderes Allsführungsbeispiel der Kühleinrichtung dargestellt, bei dem die Schalttafel IO horizontal angeordnet ist, und auf ihrer Oberseite die /u kühlenden Moduln 12 trägt. Die Schalttafel 10 ist in eine als Grundplatte dienende Verteilertafcl 48 gesteckt und somit liegen die Schalttafel 10 und die darauf befestigten Moduln 12 in einer horizontalen Fbcnc. Über der Oberseite der Schalttafel 10 findet sich eine niedrige Schicht der Siedeflüssigkeit 24, deren Hohe so gewählt ist, daß sie die Moduln 12 vollständig überdeckt, d.h.. daß die Moduln noch in die Siedeflüssigkeit 24 getaucht sind, um den bereits beschriebenen Siedeeffekt zu erzeugen. Über dem Oberflächenspiegel der .Siedeflüssigkeit 24 befindet sich wieder ein Dampfraum 52. m dem sich ebenfalls in vertikaler Richtung innere Kühlrippen 50 erstrecken, die wenigstens bis /um Oberflächenspiegel der .Siedeflüssigkeit 24 reichen und die zueinander im Abstand parallel verlaufen. Hei diesem Ausführungsbeispiel ergibt sich eine relativ größere Kühlfläche im Dampfraum 52 als bei dem erstgenannten Ausführiingsbcispiel. so daß hier die Wärmeableitung aus der Siedeflüssigkeit 24 bzw. die Kühlung durch die Dampfblasenkondensation dominiert. Auch bei diesem zweiten Ausführungsbeispiel lsi der Behälter 18 an seinen Obcrflachenseiten mit äußeren Kühlrippen 54,55,56 versehen, die sich von den Wandseiten in den Umgcbungsraum nach außen erstrecken. Die äußeren Kühlrippen 54, 55, 56 stehen senkrecht auf den Wandseiten, so daß sich zwischen diesen Rippen 54, 55, 56 horizontale Kanäle bilden, die von der Kühlluft durchströmt werden.

Die Kühleinrichtung, welche sich selbst erhaltend ist und sich jeweils in ihrer Kühlleistung durch die Verwendung der Siedeflüssigkeit 24 an die erzeugte Wärmemenge anpaßt ist ein H\brid-S\stern, welches alle die gewünschten Merkmale enthält, die man an ein riüssigkeitskühlsystem stellt; und letztlich ist diese Kühleinrichtung dennoch ein Kühlluftsvstem. Die Kühleinrichtung b/w der Behälter 18 ist so gestaltet, daß er auch als I Jmgebiingsschtit/ für die in ihm befindlichen Moduln 12 dient. Da der Hohlraum im Behälter 18 allseitig geschlossen und vollständig dicht ■> ist, ergibt sich kein Vcrltis· der im Hohlraum eingefüllten Siedeflüssigkeit 24 durch Verdampfung, es kann deshalb eine binäre Siedeflüssigkeit 24 Verwendung finden. I Inter einer binären Flüssigkeit ist eine Mischung von zwei dielektrischen Flüssigkeiten /u verstellen, welche verschiedene Eigenschaften und auch unteischiedliche Siedepunkte aufweisen. Ls kann somit in der Kühleinrichtung eine binäre Siedefliissigkeit 24 verwendet werden, welche die besten Eigenschaften /ur Wärmeableitung aufweist und deren Wärmcübertra-

i'' t-'ungseigcnschaften an die in den Moduln 12 erzeugte Warniemenge so angepaßt ist. daß sich die beste und wirtschaftlichste Kühlung ergibt. Liner binaren Siede flüsvizkeit 24 kann man auch die Eigenschaft geben, daß sie :n Hohlraum des Behälters 18 einen möglichst geringen Dampfdruck erzeugt. Binäre Siedeflüssigkei ten 24 sind vorteilhaft nur in geschlossenen I lohlräumcn verwendbar, wie beispielsweise bei dieser Kühleinrichtung In nicht geschlossenen Svstemcn ergibt sich, daß flüssige Bestandteile dieser Rüssigkeit verdampfen und daß sie l.uftparlikel aufnimmt, so daß durch diesen entstehenden Verlust und durch die Verunreinigungen sich die ursprüngliche Eigenschaft der Siedeflüssigkeil im Laufe der /eit nachteilig ändert.

Der geschlossene, ilen Hohlraum enthaltende Behäl-JO ter 18 dieser Kuhleinrichtung mit den inneren und äußeren Kühlrippen braucht keine großen Abmessungen aufzuweisen und er ist bereits durch die Anordnung der Rippen sehr stabil und ist außerdem noch handlich, so daß er bequem auf den vorgesehenen l'lat/ in einer Schaltungsanordnung gesteckt werden kann. Der Behälter 18 in einer Ausfuhrung nach Fig. I. welche die geneigte Rückw and 26 enthält, ermöglicht eine Kühleinrichtung, die einen Behälter 18 minimaler Größe aufweist und die außerdem nur eine minimale Menge «o Siedeflüssigkeit 24 erfordert und die dennoch sehr wirksam ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Kühleinrichtung für wärmeerzeugende Schaltelemente, wie ζ. B. für an einer Trägerplatte befestigte Halbleiter-Moduls, die eine Vorderwand eines Behälters bildet, der eine bezüglich der Trägerplatte in einem schiefen Winkel angeordnete, den Querschnitt des Behälters nach oben zunehmend erweiternde Rückwand aufweist, und der eine dielektrische Siedeflüssigkeit enthält, die abhängig von der erzeugten und abgeführten Wärme aufsteigende Dampfbläschen bildet, die an den die Wärme abführenden Teilen der Behälterwand kondensieren, welche an den Innen- und Außenflächen mit Kühlrippen verbunden ist. dadurch gekennzeichnet, daß

a) mit de^r Rückwand (26) des Behälters (18) senkrecAt zu deren Innen- und Außenflächen angeordnete Kühlrippen (28, 30) verbunden sind, die sich im Behälter annähernd bis an die Trägerplatte (14) und außerhalb des Behälters bis zu einer Ebene erstrecken, die /ur Trägerplatte parallel verläuft,

b) mit den Außenflächen der Seitenwände (32, 34) senkrecht zu diesen angeordnete Kühlrippen (36, 38) verbunden sind, die sich bis /u Ebenen erstrecken, die zu den Seitenflächen parallel verlaufen,

c) die im Behälter (18) angeordnete Siedeflüssigkeit (24) die wärrt.ecr/eti^jndcn Schaltelemente (12) vollständig und die in den Behälter sich erstreckenden Kühlrippen 28) nur teilweise bedeckt.

2. Kühleinrichtung nach Anspruch I. dadurch gekennzeichnet, daß eine Anzahl von Behältern (18) übereinander in einem von Kühlluft durchsirömicn Kanal angeordnet sind.