DE3912152A1 - Anordnung mit zumindest einem kuehlrohr-waermeableiter (heat-pipe) - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung gemäß dem Oberbe­ griff des Anspruches 1. Der verwendete Ausdruck Heat-Pipe hat sich im deutschen technischen Sprachgebrauch als Fach­ ausdruck für derartige Kühlrohr-Wärmeableiter eingebür­ gert. Hierbei wird ein wärmetransportierendes Medium, be­ vorzugt reines Wasser, in das rohrförmige Innere der Heat-Pipe eingebracht. Im wärmeaufnehmenden Bereich wird dieses Medium verdampft. Es gelangt dann in den wärme­ abgebenden Bereich, wo es kondensiert und hiernach in den wärmeaufnehmenden Bereich wieder zurückfließt. Der wärme­ aufnehmende Bereich ist in Kontakt mit elektrischen Bau­ elementen, insbesondere Halbleitern, während der wärme­ abgebende Bereich der Heat-Pipe sich an der Außenluft be­ findet und mit Kühlrippen oder -lamellen versehen, bzw. fest verbunden sind. Diese Kühlrippen oder -lamellen sind je nach ihrer Lage gegen versehentliche Berührung durch Personen geschützt, oder auch nicht. Im letztgenannten Fall ist dafür zu sorgen, daß keine elektrisch leitende Verbindung zwischen dem wärmeabgebenden und dem wärme­ aufnehmenden Bereich der Heat-Pipe besteht. Hierzu ist es bekannt, ein mit einer Innenbohrung versehenes, aus Keramik bestehendes Isolierstück vorzusehen und an die Enden der genannten Innenbohrung zwei Kupferrohre anzu­ löten, von denen eines den wärmeaufnehmenden und das andere den wärmeabgebenden Bereich der Heat-Pipe bil­ det. Die Herstellung der vorgenannten Lötverbindungen zwischen den Kupferrohren und dem Keramikteil ist tech­ nisch schwierig und trägt die Gefahr in sich, daß bei stärkeren mechanischen Beanspruchungen diese Lötver­ bindungen sich wieder lösen. Keramikteile der vorge­ nannten Art sind sehr stoßempfindlich, können also leicht zu Bruch gehen.

Die Aufgabe der Erfindung besteht demgegenüber darin, eine Anordnung gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 so zu verbessern, daß einerseits die Fertigungskosten verringert und andererseits die Stabilität der Anordnung erhöht wird.

Zur Lösung dieser Aufgabe sind zunächst, ausgehend vom Oberbegriff des Anspruches 1, die Merkmale des Kennzei­ chens des Anspruches 1 vorgesehen. Ein solches Isolier­ stück aus Kunststoff ist problemlos und mit geringen Kosten herzustellen und zwar sowohl durch mechanische Bearbeitung als auch durch Spritzen aus einem entspre­ chenden Kunststoffmaterial. Die form- oder kraftschlüssi­ gen mechanischen Verbindungen zwischen dem Isolierstück und den beiden Bereichen der Heat-Pipe sind ebenfalls mit geringen Kosten herstellbar. Ein Isolierstück aus Kunststoff ist gegen Schlag und Stoß sowie sonstige me­ chanische Beanspruchungen sehr widerstandsfähig. Es er­ laubt ferner problemlos die mechanischen Verbindungen mit den beiden Bereichen bzw. Teilen der Heat-Pipe. Wenn vorstehend und auch im nachfolgenden von Heat-Pipe die Rede ist, so ist damit eine Anordnung sowohl mit einer Heat-Pipe als auch mit mehreren Heat- Pipe gemeint. Derartige mechanische Verbindungsstellen lassen sich ebenfalls problemlos abdichten.

Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ist Gegen­ stand des Anspruches 2. Der aus Metall bestehende Block bildet mit seiner Sackbohrung zugleich den entsprechen­ den Bereich der Heat-Pipe, so daß hierfür kein gesonder­ tes Rohr vorgesehen sein muß. Ferner bildet der Block einerseits die Anlagefläche für das Isolierstück und außerdem weitere Anlageflächen für die zu kühlenden elektrischen Bauelemente.

Die Ansprüche 4-7 befassen sich mit einer festen und zugleich dichten Ausgestaltung der Verbindung zwischen dem wärmeabgebenden Kupferrohr der Heat-Pipe und dem Iso­ lierstück.

Die Ansprüche 8 und 9 stellen zwei Alternativen der Aus­ gestaltung von Isolierstück und metallischen Block für den Fall dar, daß mehrere Heat-Pipe in einer solchen An­ ordnung zusammengefaßt sind.

Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung sind dem nach­ folgend beschriebenen Ausführungsbeispiel zu entnehmen. Die zugehörige Zeichnung zeigt eine solche Anordnung im wesentlichen schematisch und im Längsschnitt.

Der wärmeaufnehmende Bereich der Heat-Pipe sieht einen Block 1 aus Metall, bevorzugt Aluminium vor, in dem sich eine Sackbohrung 2 befindet, die sich über die wesentliche Länge l des Blockes 1 erstreckt. Der Block 1 besitzt eine oder mehrere Anlageflächen 3 für das eine Wärmeübertragung ermöglichende Anlegen eines oder mehrerer elektrischer Bau­ elemente, z.B. Halbleitern, das bzw. die hier nur schema­ tisch durch ein Rechteck 4 dargestellt ist bzw. sind. Es können also Bauelemente, z.B. Halbleiter, auch an einer oder an allen seitlichen vier Anlageflächen 3 in einem wärme­ übertragenden Kontakt angeordnet sein, sofern Block und Iso­ lierstück in der bevorzugten quaderförmigen Ausführung ge­ staltet sind. Die hiervon abgegebene Wärme gelangt über das Material des Blockes 1 an die Bohrung 2 (wärmeaufnehmender Teil der Heat-Pipe) und erhitzt das darin befindliche, dem Wärmetransport dienende Medium, bevorzugt reines Wasser. Es verdampft und tritt durch die noch näher zu erläuternde In­ nenöffnung 5 eines Isolierstückes 6 in die Bohrung 7 eines den wärmeabgebenden Bereich der Heat-Pipe bildenden Kupfer­ rohres 8, das an seinem äußeren, in der Zeichnung oberen Ende 9 verschlossen ist. Das Kupferrohr 8 steht in mechanisch fester Verbindung mit Kühlrippen oder -lamellen 10. Die Wärme des dampfförmigen Mediums wird in der Bohrung 7 an das Kup­ ferrohr 8 und von diesem an die Kühlrippen oder -lamellen 10 abgegeben. Das Medium kondensiert dort und fließt im Rohr 8 bzw. in der Innenöffnung 5 in das Sackloch 2 zurück. Dieser Prozeß findet kontinuierlich statt.

Der Block 1 kann z.B. die Abmessungen von ca. 20 mm Länge und ca. 20 mm Breite haben. Er ist mit dem aus Kunststoff bestehenden Isolierstück 6 mechanisch fest verbunden, z.B. durch Verschraubungen 11. Bevorzugt sind (siehe oben) Block 1 und Isolierstück 6 quaderförmig, wobei es sich empfiehlt, eine entsprechende Anzahl von Verschraubungen 11 symmetrisch verteilt vorzusehen.

Mit dem offenen Ende der Sackbohrung 2 korrespondiert und fluchtet die Innenöffnung 5 des Isolierstückes 6. Für die Be­ festigung des Kupferrohres 8 ist im Isolierstück bevorzugt eine zum Block 2 hin sich öffnende Erweiterung 12 vor­ gesehen, die im vorliegenden Ausführungsbeispiel konisch ausgebildet ist. Das Kupferrohr 8 durchsetzt zunächst einen oberen zylindrischen Bereich 13 der Innenöffnung und ist dann mit seinem in der Zeichnung unteren, offenen Ende 14 so aufgeweitet, daß es an der Innenseite der Er­ weiterung 12 anliegt. Zur Fixierung dieser Lage des Kup­ ferrohrendes 14 an der Erweiterung 12 ist ein Einsatz 15 aus einem isolierenden Werkstoff, bevorzugt ein Kunststoff, vorgesehen, der mit seiner Fläche 16 auf der in der Zeich­ nung oberen Anlagefläche 21 des Metallblockes 1 aufliegt, in die erweiterte Innenöffnung paßt und mit seiner koni­ schen, umlaufenden Fläche 17 an der Aufweitung 14 des Roh­ res 8 anliegt. Bevorzugt sind zwischen den vorgenannten Flächen 21, 16 bzw. 17, 14 Dichtringe 18, bzw. 19 sowie weitere Dichtringe 20 zwischen der Aufweitung 14 und der Gegenfläche 12 vorgesehen, um einen Austritt des Dampfes des Mediums zu verhindern.

Es ist ersichtlich, daß die Verbindungen zwischen den Teilen 1, 6 und 8, 6 stabiler und auch gegen Biegebean­ spruchungen wesentlich fester sind als Lötverbindungen. Gleichzeitig ist für die notwendige Abdichtung gesorgt.

Es ist meist üblich, mehrere Heat-Pipe zu einer gemein­ samen Anordnung zu verbinden. Dies kann mit der Erfin­ dung entweder so verwirklicht werden, daß ein Isolier­ stück mit der Anzahl von Innenöffnungen 5 und Ein­ sätzen 15 vorgesehen ist, wie Heat-Pipes vorgesehen sein sollen. Jede Innenöffnung wird mit einem Kupfer­ rohr 8 verbunden. Ferner ist ein für alle Isolier­ stücke gemeinsamer Metallblock 1 mit einer entsprechen­ den Anzahl von Sacklöchern 2 vorgesehen. Die Sacklöcher sind so placiert und voneinander distanziert, daß die Isolierstücke sämtlich auf der Oberfläche 21 des Metall­ blockes 1 untergebracht und befestigt werden können, wo­ bei ihre Innenöffnungen mit dem betreffenden Sacklöchern fluchten. Stattdessen kann man auch ein einziges Isolier­ stück mit einer entsprechenden Anzahl von Innenöffnungen 5 vorsehen, das auf einem entsprechend dimensionierten Metallblock 1 befestigt wird, wobei ebenfalls die Innen­ öffnungen 5 mit den Sackbohrungen 2 fluchten.

Fertigungstechnisch ergibt sich bei sämtlichen Ausfüh­ rungen der Erfindung der Vorteil, daß der Metallblock und das Isolierstück bzw. die Isolierstücke, sowie die Kupferrohre 8 je für sich hergestellt werden können. Zweckmäßigerweise wird dann zunächst die Verbindung zwi­ schen Kupferrohr 8 und Isolierstück 6 angefertigt und danach das bereits mit dem Kupferrohr versehene Isolier­ stück mit dem Metallblock 1 verschraubt.

Alle dargestellten und beschriebenen Merkmale sowie ihre Kombinationen untereinander, sind erfindungswesentlich.

Claims (9)

1. Anordnung mit zumindest einem Kühlrohr-Wärmeableiter (im folgenden kurz "Heat-Pipe" genannt), wobei jede Heat-Pipe zwischen ihrem wärmeaufnehmenden Bereich und ihrem wärmeabgebenden Bereich ein Isolierstück mit einer an die Heat-Pipe-Innenbohrung angeschlos­ senen Innenöffnung für den Durchtritt des die Wärme transportierenden Mediums aufweist, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Isolierstück (6) aus Kunststoff be­ steht, daß mit diesem Isolierstück der wärmeaufneh­ mende Bereich und der wärmeabgebende Bereich der Heat- Pipe durch form- oder kraftschlüssige, mechanische Ver­ bindungsmittel verbunden sind und daß die Verbindungs­ stellen abgedichtet sind.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der wärmeaufnehmende Bereich der Heat-Pipe ein aus Metall, bevorzugt Aluminium bestehender Block (1) ist, der eine über den wesentlichen Bereich seiner Länge (l) sich erstreckende Sackbohrung (2) für die Aufnahme des Mediums aufweist, wobei das offene Ende dieser Sackbohrung in einer ersten Anlagefläche (21) endet, an der das Isolierstück (6) anliegt, daß die Innenöffnung (5) des Isolierstückes und die Sack­ bohrung des Blockes miteinander fluchten und daß der Block eine oder mehrere Anlageflächen (3) für die zu kühlenden elektrischen Elemente (4), insbe­ sondere Halbleiter aufweist.

3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Isolierstück (6) und der Metallblock (1) miteinander verschraubt sind.

4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der wärmeabgebende Bereich der Heat-Pipe ein Kupferrohr (8) ist, das an einem Ende dicht geschlossen und mit seinem anderen, offenen Ende (14) in der Innenöffnung (5) des Isolierstückes (6) mechanisch fest gehalten ist.

5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenöffnung (5) des Isolierstückes sich von der Eingangsseite des Kupferrohres (8) her er­ weitert (12) und daß das entsprechende Ende (14) des Kupferrohres (8) ebenfalls erweitert ist und an der vorgenannten Erweiterung (12) der Innenöffnung (5) des Isolierstückes anliegt.

6. Anordnung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß zwischen der Erweiterung (12) und der Anlagefläche (21) des Metallblockes (1) ein Einsatz (15) vorgesehen ist, der einerseits an der Anlage­ fläche (21) des Blockes (1) und andererseits an der Erweiterung (14) des Kupferrohres (8) anliegt.

7. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, ge­ kennzeichnet durch den Dampfdurchtritt verhindern­ de Dichtungen an den Verbindungsstellen zwischen Block (1) und Isolierstück (6), sowie Isolierstück (6) und Kupferrohr (8), bevorzugt in Form von so­ genannten O-Ringen (18, 19, 20) zwischen aneinander liegenden Flächen (16, 21; 17, 14; 14, 12).

8. Anordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 7, da­ durch gekennzeichnet, daß ein Isolierstück (6) mit mehreren Innenöffnungen (5) für das Befesti­ gen einer entsprechenden Anzahl von Kupferrohren (8) und im metallischen Block (1) eine Anzahl von zu den Innenöffnungen (5) passenden und positionier­ ten Sackbohrungen (2) vorgesehen ist.

9. Anordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine Anzahl von Isolierstücken (6) mit je einer Innenöffnung (5) für das Befestigen je eines Kupferrohres (8) vorgesehen ist und daß ein Metallblock (1) mit einer entsprechenden Anzahl vom im Abstand vonein­ ander angeordneten und positionierten Sackbohrungen (2) vorgesehen ist derart, daß die Innenöffnungen (5) der mit dem Metallblock (1) verbundener Isolier­ stücke (6) mit den betreffenden Sackbohrungen fluch­ tet.