DE2250871A1

DE2250871A1 - Kuehlvorrichtung fuer bauteile mit hoher waermeabgabe

Info

Publication number: DE2250871A1
Application number: DE2250871A
Authority: DE
Inventors: Jacques Ringuet
Original assignee: Thomson CSF SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 1971-10-18
Filing date: 1972-10-17
Publication date: 1973-04-26
Also published as: DE2250871C2; AU4763672A; US3843910A; GB1403269A; FR2157094A5

Description

DipL-ing. Dipl. oee. p**bL

DIETRICH IEWlMSKY

PATENTANWALT
8 Mönchen 21 - ^iihanlslr. Ii

Telefon 341762

17· Oktober 1972 * 721O-IV/St.

THOMSON-CSP 173, BId. Haussmann, Paris

"Kühlvorrichtung für Bauteile mit hoher Wärmeabgabe"

Priorität vom 18. Oktober 1971 aus der französischen Patentanmeldung Nr. 71/37 303

Die Erfindung betrifft eine Kühlvorrichtung für Bauteile mit hoher Wärmeabgabe, mit einem Druckventilator_s der Kühlmittel zunächst zur Abkühlung durch einen von einem äußeren Ventilator belüfteten Wärmetauscher und anschließend durch einen Hauptkanal drückt.

Der Begriff der Bauteile umfaßt dabei Teile festgelegter vorgegebener Abmessungen, die eine Gesamtanordnung bilden können und die im Rahmen vorliegender Erfindung Ort einer gewissen Ansammlung von Wärmeenergie sind, welch letztere abgeführt werden' soll, andernfalls die Gefahr besteht, daß die Bauteile zerstört werden oder zumindest ihr Betriebsverhalten ändern, was für das Betriebsverhalten des Gesamtsystems in dem diese Bauteile enthalten sind, nachteilig ist.

Die Kühlung derartiger Bauteile ist demzufolge notwendig, ohne daß es der genauen Angabe ihrer Natur und derjenigen der "

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Anordnungen, die sie bilden können, bedarf, geschieht in der Kühlung über ein Kühlmittel, das die angesammelte Wärmeenergie absorbieren soll.

Dieses Kühlmittel kann die Luft sein, und zwar entweder die Umgebungsluft, wenn die Abführung der Wärmeenergie ungehindert und in hinreichender Weise erfolgen kann, oder es kann zwangsgeführte Luft verwendet werden, wenn die örtlichen Bedingungen eine hinreichend hohe und rasche Abführung der Wärme nicht zulassen. Diese Kühlung kann entweder im offenen Kreislauf oder im geschlossenen Kreislauf, beispielsweise mit Wärmetauschern, erfolgen. Das Kühlmittel kann auch eine Flüssigkeit sein, die in den Bauteilen oder um die Bauteile herum zirkuliert und sich dabei aufheizt und dann die aufgenommene Wärmemenge beispielsweise an einen Wärmetauscher abgibt, der das Kühlmittel soweit abkühlt, so daß es in einem neuen Kühlzyklus die in den Bauteilen angesammelte Wärmemenge wieder absorbieren kann.

Bekannte Kühlvorrichtungen dieser Art reichen jedoch nicht für alle Anwendungsfälle aus und sind im Fall der Verwendung einer Kühlflüssigkeit je nach der Art der Anordnung der zu kühlenden Bauteile und der Gefahr von Lecks kompliziert, demgemäß voluminös und folglich teuer.

Dieser Fall kann eintreten, wenn die Zahl der zu kühlenden Bauteile sehr hoch ist und wenn darüberhinaus die Bauteile selbst kleine Abmessungen haben und eine ganz bestimmte räumliche Anordnung besitzen.

Derartige Verhältnisse können sich beispielsweise auf dem Gebiet der Elektronik ergeben, wenn es sich um die Kühlung der Phasenschieber eines Strahlergitters handelt. Die Bauteile, die gekühlt werden müssen, sind beispielsweise Dioden, die auf Keramikplättchen angeordnet sind und eine erhebliche Wärme entwickeln, die unter allen Umständen abgeführt werden muß.

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Die vorstehend genannten bekannten Arten der Kühlung sind den Problemen, die bei der Abführung dieser Leistung entstehen, nicht sehr gut angepaßt, voi/allem wenn berücksichtigt wird, daß die Phasenschieber in einem Strahlernetz angeordnet und gruppenweise in sehr großer Zahl angeordnet sind und sich an vielen Stellen befinden, an denen der Zugang und die Demontage sehr häufig schwierig sind, vor allem im Fall von hydraulischen Verbindungen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde,Kuhlvorrichtung der einleitend angegebenen Gattung zu schaffen, die eine einfache, wirkungsvolle und zuverlässige Kühlung jedes einzelnen Bauteiles auch bei einer Anordnung aus sehr vielen Bauteilen gestattet. -

Diese Aufgabe ist mit der hier vorgeschlagenen Kühlvorrichtung erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Hauptkanal sich in eine Anzahl von Nebenkanäle/sder Nebenkreise aufteilt, von denen jeder in einem kalibrierten Auslaß endet, der einen bestimmten Ktihl-_Nmittelstrom zuläßt, der direkt auf ein Bauteil oder indirekt über einen Kühlmittelverteilerbe'cher auf eine Gruppe von Bauteilen einwirkt.

Vorteilhafte Ausführungsformen der Kühlvorrichtung ergeben sich aus den Un-teransprüchen.

In der Zeichnung ist die Kühlvorrichtung nach der Erfindung anhand von beispielsweise gewählten Ausführungsformen schematisch veranschaulicht. Es zeigen:

Fig. 1 eine vereinfachte Darstellung einer Kühlvorrichtung nach der Erfindung mit offenem Kreislauf,

Fig. 2 eine Ausführungsform ähnlich Fig. 1, jedoch mit geschlossenem Kreislauf,

Fig. 3 eine verein -fachte Darstellung eines Injektors

Fig. 4 eine vereinfachte Darstellung einer Kühlmittelverteilungskammer u_

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Pig. 5 eine vereinfachte Darstellung eines mit einem Becher

versehenen Bauteiles,
Fig. 6 eine gegenüber Fig. 5 abgeänderte Ausführungsform.

Fig. 1 veranschaulicht in schematischer Form eine Kühlvorrichtung nach der Erfindung, die zur Abführung einer hohen spezifischen Wärmeleistung dient, wobei die Wärmeleistung in der Größenordnung von 5 Watt je Quadratmillimeter liegen kann und die Kühlvorrichtung dem Einbau bzw. der Anordnung der zu kühlenden Bauteile, deren Zahl sehr hoch liegen kann, vor allem bei der erwähnten Anwendung auf dem Gebiet der Elektronik, Rechnung tragen soll. Bei dem Beispiel der Fig. 1 ist das Kühlmittel Luft und die Kühlvorrichtung arbeitet im offenen Kreislauf bei Atmosphärendruck. Die Vorrichtung besitzt einen Lufteintritt 1, gefolgt von einem Ventilator 2, der einen überdruck erzeugt, um unter anderem die Strömungsverluste und die Strömungswiderstände auszugleichen und der Vorrichtung den für die korrekte Arbeitsweise notwendigen Luftdurchsatz zu liefern. Die aus dem Ventilator 2 austretende Luft gelangt in einen Wärmetauscher 3» wo sie gekühlt wird, und zwar durch die Wirkung eines außerhalb des Wärmetauschers vorgesehenen und auf diesen wirkenden Ventilators 4. Die aus dem Wärmetauscher austretende gekühlte Luft gelangt in einen Kanal 5, der sie zu den Stellen führt, die gekühlt werden sollen. Hierzu teilt sich nach der Erfindung der Hauptkanal 5 auf eine gewisse Zahl von Nebenkanälen 6, die auch als Nebenkreise bezeichnet werden und mit den Bezugszahlen 60 bis 69 versehen sind, auf. Die Zahl dieser Nebenkreise ist abhängig von der Zahl der zu kühlenden Bauteile und im allgemeinen ist es vorteilhaft, daß jeder Nebenkreis 60 bis 69 an einen Bauteil mündet.

In diesem Fall besitzt jeder Nebenkreis an seinem Auslaß einen Injektor 70 bis 79, der sich gegenüber dem Bauteil befindet. Diese Anordnung wird nachfolgend im Einzelnen noch beschrieben werden.

Die Luft, die zur Kühlung der Bauteile gedient hat und sich dementsprechend aufgeheizt hat, wird in einem Abströmkanal 8

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gesammelt. In dem Ausführungsbeispiel nach Pig. I mündet'dieser Abströmkanal 8 unmittelbar ins Freie.

Fig. 2 veranschaulicht eine Ausführungsform der Kühlvorrichtung ähnlich derjenigen in Fig. 1, jedoch mit einem geschlossenen Kreislauf , der unter Druck steht.

Alle Teile dieser Fig. 2, die bereits in Fig. 1

dargestellt sind, und die hier eine identische Aufgabe haben, sind mit denselben Bezugszeichen bezeichnet. Die beiden Ausführungsformen weisen somit zahlreiche Ähnlichkeiten auf. Der Abströmkanal 8, der die in Berührung mit den zu kühlenden Bauteilen aufgeheizte Luft aufnimmt, mündet hier jedoch in einen anderen Kanal, den sogenannten Rückströmkanal S₃ der die aufgeheizte Luft an den Eingang der Vorrichtung, d.h. an den Druckventilator 2 zurückleitet.

Fig. 3 gibt einen Injektor wieder.· Dieser ist an einem Ende eines Sekundärkreises an der Seite befestigt, wo letzterer auf ein zu kühlendes Bauteil mündet.

Dieser Injektor ist mit irgendeinem geeigneten und bekannten Mittel am Ende des Sekundärkreises befestigt und seine Öffnung 10 besitzt einen kalibrierten Durchmesser, um den Luftdurchsatz an die thermische Leistung des entsprechenden Bauteiles anzupassen. Allgemein gesprochen, befindet sieh der Injektor gegenüber dem zu kühlenden Bauteil.

Vorstehend wurde erwähnt, daß jeder Nebenkreis, der von dem Hauptkanal abzweigt, einem bestimmten zu kühlenden Bauteil zugeordnet ist, auf das er über einen in Fig. 3 dargestellten Injektor, der auch als Düse bezeichnet werden kann, einen Luftstrahl bestimmter Stärke richtet. Nach einer anderen Ausführungsform der Vorrichtung nach der Erfindung ist es möglich, die Zahl dieser Nebenkreise zu verringern.

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Diese Verringerung wird im Wesentlichen in dem Fall erzielt, wo die Bauteile in sehr hoher Zahl vorliegen, welcher Fall beispielsweise in der Elektronik bei einem Strahlergitter eintritt, das eine sehr hohe Zahl von Phasenschiebern umfaßt und wo die Phasenschieber in Abhängigkeit von ihrer örtlichen Lage zu Gruppen zusammengefaßt werden können.

In diesem Fall enden die Nebenkreise nicht in Injektoren, sondern münden nichts-desto-weniger kalibriert, in sogenannte Luftverteilungskammern.

Fig. 4 zeigt eine solche Anordnung. Ein Sekundärkreis 60 beispielsweise, der an seinem einen Ende eine Kalibriervorrichtung enthält, die eine Einstellung des Luftdurchsatzes gestattet, mündet in eine Luftverteilungskammer 12. In einer Wand dieser Kammer sind Injektoren 13 bis 18 verteilt, die jede einem der Bauteile 19 bis 24 zugeordnet sind, wobei letztere beispielsweise auf einer Platte 25 zu einer Gruppe zusammengefaßt sind, wenn dies möglich ist.Diese Vorrichtung mit einer Luftverteilungskammer ist in einem Behälter 26 angeordnet, der im allgemeinen unter Druck gehalten wird und die von den zu kühlenden Bauteilen aufgeheizte Luft strömt aus dem Behälter 26 über eine Leitung. aus, die mit dem Rückströmkanal 9 gemäß Fig. 2 verbunden ist.

Fig. 5 gibt eine Einzelheit der Luftverteilungskammer der Fig. 4 wieder.

Die zu kühlenden Bauteile, die in dem genannten Beispiel einer Antenne mit einem reflektierenderfötrahlergitter Dioden 28 und 29 sind, sind auf einer Platte 30 angeordnet. Die Wand der Verteilungskammer 12, an der die Injektoren 13 und 14 befestigt sind, ist mit der Bezugszahl 31 bezeichnet. Die Injektoren 13, 14 sind direkt auf die zu kühlenden Bauteile gerichtet. Um die Kühlung noch zu verbessern, wird die Wärmeaustauschfläche zwischen dem Bauteil und der daraufjfeerichteten Luftströmung vergrößert. Ein Becher 32, 33 aus einem gut wärmeleiten-

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den Werkstoff Ist vorzugsweise durch Löten mit dem Bauteil verbunden. Der dem Bauteil 28 zugeordnete Becher 32 hat eine etwa zylindrische Form und der entsprechende Injektor 13 ragt in diesen hinein. Die von dem Injektor 13 ausgestossene Luft prallt auf den Boden des Bechers 32 und tritt dann aus diesem an seinen Wänden entlangstreichend aus, wie dies durch die in der Figur eingezeichneten Pfeile veranschaulicht wird. Die Kühlung des aussen auf dem Boden des Bechers befestigten Bauteiles wird somit durch erzwungene Konvektion sichergestellt. Im Fall von elektronischen Bauteilen, beispielsweise den vorstehend angegebenen Dioden, verbleiben zwischen dem, in den Becher ragenden Injektor und den Seitenwänden und dem Boden dies.es Bechers 1 bis 2 Millimeter. Der Injektor ist in diesem Fall mit einem elektrisch isolierenden Werk-stoff überzogen.

Eine gegenüber Figur 5 abgeänderte Ausführungsform ist in Fig. 6 wiedergegeben, die einen Becher zeigt, in den der Injektor eingearbeitet ist.

Der Becher 3^ besteht hier nicht mehr aus einem offenen Zylinderabschnitt sondern hat die Form eines geschlossenen zylindrischen Gehäuses.

An einer seiner Stirnflächen 35 ist das Bauteil 36 befestigt, das seinerseits an einer Platte 37 befestigt ist. An der gegenüberliegenden Stirnfläche 38 ist eine kalibrierte öffnung 39 vorgesehen, die die Verbindung mit der Luftverteeilkammer herstellt.

Bei dieser Ausführungsform ragt der Becher in das Innere der Kammer 40, wobei die Seltenwände des Bechers über eine nachgiebige Dichtung 4l aus Isolierwerkstoff genau In die Wand 42 der Kammer 40 eingepaßt sind. In den Seitenwänden des Bechers sind Abströmöffnungen ^3 und Hk für die im Kontakt mit dem.zu kühlenden Bauteil aufgeheizte Luft vorgesehen. Diese Ausführungsform bietet in vorteilhafter Weise eine zusätzliche Kühlung infolge des Entspannungseffektes der Luft in dem Becher.

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Claims

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3*i7*i 17. Oktober 1972

7210-IV/St.

THOMSON-CSF, 173, Bid. Haussmann, Paris 8

Patentansprüche:

Kühlvorrichtung für Bauteile mit hoher Wärmeabgabe, mit einem Druckventilator, der Kühlmittel zunächst zur Abkühlung durch einen von einem äußeren Ventilator belüfteten Wärmetauscher und anschließend durch einen Hauptkanal drückt, dadurch gekennzeichnet, daß der Hauptkanal (5) sich in eine Anzahl von Nebenkanäle oder Nebenkreise (60 bis 69) aufteilt, von denen jeder in einem kalibrierten Auslaß (70 bis 79) endet, der einen bestimmten Kühlmittelstrom zuläßt, der direkt auf ein Bauteil oder indirekt über einen Kühlmittelverteilerbecher (12) auf eine Gruppe von Bauteilen einwirkt.
2. Kühlvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlmittel zu dessen Verteilung und zum Ausgleich von Druckverlusten in der Vorrichtung durch den Ventilator (2) auf überdruck gebrachte Luft ist.
3. Kühlvorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß sie im geschlossenen Kreislauf arbeitet und ein Rückstromkanal (9) zur Aufnahme der im Kontakt mit den Bauteilen aufgeheizten Luft und zu ihrer Rückführung an den Einlaß des Druckventilators (2) vorgesehen ist.

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4. Kühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Nebenkreis (60 bis 69) in einem Injektor (70 bis 79) endet, der einen bestimmten festen Luftstrom direkt auf das zu kühlende Bauteil richtet.
5. Kühlvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Nebenkreis über eine kalibrierte Durchflußöffnung (11) in eine einer Bauteilgruppe zugeordnete Luftverteilungskammer (12) strömt.
6. Kühlvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Luftverteilungskammer (12) die Luft, die sie erhält, über Injektoren (13 bis 19) auf eine Gruppe von Bauteilen lenkt, wobei jeder Injektor auf ein Bauteil gerichtet ist.
7· Kühlvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß jedes wärmeerzeugende Bauteil (28, 29 in Fig. 5) an einem Becher (32, 33) aus gut wärmeleitendeil Werkstoff befestigt ist und der zugehörige Injektor ( 13, 14) in den Becher ragt, ohne diesen zu berühren, und daß zur Vergrößerung der Wärmeaustauschfläche des Bauteiles das gegen den Becherboden geblasene Kühlmittel die Seitenwände des Bechers bestreichend ausströmt.
8. Kühlvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Becher(34) selbst in einer seiner im Inneren der LuftVerteilungskammer (40) befindlichen Wände (38) eine kalibrierte Öffnung (39) aufweist, durch welche die Kühlluft eintritt, und daß in den Seitenwänden des Bechers Ausströmöffnungen (43i 44) für die erhitzte Luft vorgesehen sind, und daß der Becher mit der Wand (42) der Luftverteilungskammer, an der er befestigt ist, mittels einer nachgiebigen Dichtung aus Isolierstoff (4l)' verbunden 1st.

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Verwendung der Kühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8 zur Kühlung einer großen Anzahl von elektronischen Bauelementen mit großer Wärmeentwicklung wie etwa die Dioden der Phasenschieber eines Strahlernetzes, die an dem Träger für das Strahlernetz angeordnet sind.

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