DE60315096T2

DE60315096T2 - Thermosiphon zur Kühlung einer Elektronik mit Hochleistungsoberflächen zur Verdampfung und Kondensation

Info

Publication number: DE60315096T2
Application number: DE60315096T
Authority: DE
Inventors: Ilya Williamsville Reyzin; Mohinder S. Amherst Bhatti; Debashis Amherst Ghosh; Shrikant Mukund Williamsville Joshi
Original assignee: Delphi Technologies Inc
Current assignee: Delphi Technologies Inc
Priority date: 2002-07-18
Filing date: 2003-06-25
Publication date: 2008-04-10
Anticipated expiration: 2023-06-26
Also published as: US6588498B1; JP2004056121A; EP1383369A3; DE60315096D1; JP3779964B2; EP1383369A2; EP1383369B1

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Kühlkörper und im Spezielleren Kühlkörper zur Verwendung beim Abführen von Abwärme, die durch elektrische oder elektronische Komponenten oder Anordnungen erzeugt wird.
Hintergrund der Erfindung
Forschungsaktivitäten haben sich auf die Entwicklung von Kühlkörpern konzentriert, um Wärme von hoch konzentrierten Wärmequellen wie z. B. Mikroprozessoren und Computerchips effizient abzuführen. Diese Wärmequellen besitzen typischerweise Leistungsdichten im Bereich von etwa 5 bis 35 W/cm² (4 bis 31 Btu/ft²s) und relativ wenig verfügbaren Raum zum Anordnen von Ventilatoren, Wärmetauschern, Kühlkörpern und dergleichen.
Auf dem Komponentenniveau wurden verschiedene Arten von Wärmetauschern und Kühlkörpern verwendet, die eine natürliche oder erzwungene Konvektion oder andere Kühlverfahren anwenden. Die am häufigsten vorhandenen Kühlkörper zur Mikroelektronikkühlung wurden im Allgemeinen verwendet, um Wärme direkt von der Wärmequelle zu entfernen. Allerdings besitzt Luft eine relativ geringe Wärmekapazität. Solche Kühlkörper sind geeignet, um Wärme von Wärmequellen relativ geringer Energie mit einer Leistungsdichte im Bereich von 5 bis 15 W/cm² (4 bis 13 Btu/ft²s) zu entfernen. Erhöhungen der Rechengeschwindigkeit haben zu entsprechenden Erhöhungen der Leistungsdichte der Wärmequellen in der Größenordnung von 20 bis 35 W/cm² (18 bis 31 Btu/ft²s) geführt, was somit effektivere Kühlkörper erfordert Flüssigkeitsgekühlte Kühlkörper, die Fluide mit einer hohen Wärmekapazität verwenden, wie z. B. Wasser und Wasser/Glykol-Lösungen sind spezieller geeignet, um Wärme von diesen Arten von Wärmequellen mit hoher Leistungsdichte zu entfernen. Eine Art von flüssigkeitsgekühltem Kühlkörper zirkuliert die Kühlflüssigkeit, sodass die Flüssigkeit Wärme von der Wärmequelle entfernt und diese dann an einen entfernten Ort transportiert wird, wo die Wärme einfach in einen strömenden Luftstrom unter Verwendung eines Liquid-to-Air-Wärmetauschers abgeführt wird. Diese Arten von Kühlkörpern werden als indirekte Kühlkörper bezeichnet.
Während Rechengeschwindigkeiten weiterhin sogar noch dramatischer zunehmen, steigen die entsprechenden Leistungsdichten der Vorrichtungen bis zu 100 W/cm². Die Rahmenbedingungen der notwendigen Kühlsystem-Miniaturisierung verbunden mit einem hohen Wärmefluss erfordern extrem effiziente, kompakte, einfache und zuverlässige Kühlkörper wie z. B. ein Thermosiphon. Ein typischer Thermosiphon absorbiert die durch die elektronische Vorrichtung erzeugte Wärme durch Verdampfen des eingeschlossenen Arbeitsfluids auf einer Siedefläche des Kühlkörpers. Dieser Prozess ist durch die gut bekannten allgemeinen Theorien des Blasensiedens geregelt. Der Dampf wird dann zu einem luftgekühlten Kondensator transportiert, wo er sich durch den Prozess einer Filmkondensation über der Kondensationsfläche des Thermosiphons verflüssigt. Die Wärme wird in einen Luftstrom zurückgegeben, die über eine gerippte äußere Fläche des Kondensators strömt. Die kondensierte Flüssigkeit wird durch Schwerkraft zu dem Dampferzeuger zurückgeführt. Die Wärmeübertragungsrate von den luftgekühlten Rippen an der Außenseite des Kondensators ist viel kleiner als die für die Prozesse des Siedens und Kondensierens, die innerhalb des Thermosiphons ablaufen. Daher ist die entsprechende Rippenfläche notwendigerweise relativ groß im Vergleich mit der Chipoberfläche, die die Wärme erzeugt.
Die kompakten Thermosiphone, die in ein Computergehäuse passen sollen, erfordern es, dass Siede- und Kondensationsprozesse in enger Nähe zueinander ablaufen, was gegensätzliche thermische Zustände in einem relativ kleinen Volumen mit sich bringt. Dies bringt beträchtliche Herausforderungen bezüglich des Prozesses einer Optimierung der Thermosiphonleistung mit sich.
Somit ist ein Thermosiphon-Optimierungsprozess erwünscht, um die Prozesse des Siedens, der Kondensation und der konvektiven Wärmeübertragung an der Außenfläche des Kondensators zu intensivieren, während ein geringer luftseitiger Druckabfall erhalten bleibt. Die US 5 998 863 und die JP 08 186 208 A offenbaren bekannte Thermosiphonvorrichtungen.
Zusammenfassung der Erfindung
Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Thermosiphon zum Kühlen einer elektronischen Vorrichtung mit einer mittleren Breite eines Maßes „b". Der Thermosiphon umfasst eine Siedeplatte mit einer oberen Fläche, die eine Vielzahl von pyramidenförmigen Rippen umfasst, die von der oberen Fläche nach oben vorragen. Die Siedeplatte weist auch eine untere Fläche auf, um die zu kühlende elektronische Vorrichtung aufzunehmen. Eine Vielzahl von beabstandeten Kondensatorrohren ist über der Siedeplatte derart befestigt, dass die Siedeplatte und die Kondensatorrohre einen Dampfraum dazwischen definieren, um ein Arbeitsfluid darin aufzunehmen. Eine Vielzahl von gewellten Rippen erstreckt sich zwischen jedem benachbarten Paar von Kondensatorrohren. Die Seiten der pyramidenförmigen Rippen umfassen eine Vielzahl von Stufen, die eine Vielzahl von Eckgebieten definieren, die als Dampfblasenbildungsstellen dienen, um das Sieden eines innerhalb des Dampfraumes gehaltenen Arbeitsfluides zu verbessern.
Ein noch weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine Kühlkörperanordnung zum Kühlen einer elektronischen Vorrichtung. Die Kühlkörperanordnung umfasst eine Luftbewegungsvorrichtung, die in einer Verkleidung untergebracht ist, um eine axial gerichtete Luftströmung durch die Verkleidung hindurch zu bewirken, und einen Kanal, dessen eines Ende an der Verkleidung befestigt und in Fluidverbindung mit dieser ist. Und einen Thermosiphon gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung, das an einem zweiten Ende des Kanals befestigt und in Fluidverbindung mit diesem ist.
Diese und weitere Vorteile der Erfindung werden für einen Fachmann durch Bezugnahme auf die nachfolgende/n Spezifikation und Ansprüche in schriftlicher Form und die beiliegenden Zeichnungen besser verständlich und offensichtlich.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
1 ist eine perspektivische Darstellung eines Thermosiphons und eines Kühlventilators, die die vorliegende Erfindung enthalten, wobei der Ventilator derart angeordnet ist, dass er Kühlluft durch den Thermosiphon hindurch zwingt.
2 ist eine Querschnittsansicht im Aufriss des in 1 gezeigten Thermosiphons entlang der Linie 2-2.
3 ist eine teilweise abgebrochene perspektivische Darstellung eines Kondensatorrohres, das in dem Thermosiphon von Fig. verwendet wird.
4 ist eine vergrößerte perspektivische Darstellung der auf der Siedeplatte gebildeten Anordnung von Pyramidenrippen.
5 ist eine vergrößerte perspektivische Darstellung einer ungleichmäßigen Anordnung von Pyramidenrippen auf der Siedeplatte.
6 ist eine vergrößerte Aufrissdarstellung einer der Pyramiden von der in 4 veranschaulichten Anordnung.
7 ist eine alternative Ausführungsform einer Thermosiphon-Kühlanordnung, die zwei Kühlventilatoren verwendet.
Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
Für die Beschreibung hierin sollen sich die Ausdrücke „obere/s/r", „untere/s/r", „linke/s/r", „hintere/s/r", „rechte/s/r", „vordere/s/r", vertikale/s/r", „horizontale/s/r" und Ableitungen davon auf die Erfindung wie in 2 orientiert beziehen. Es sollte jedoch einzusehen sein, dass die Erfindung verschiedene alternative Orientierungen und Stufenfolgen annehmen kann, außer, wenn ausdrücklich das Gegenteil angegeben ist. Es sollte auch einzusehen sein, dass die in den beiliegenden Zeichnungen veranschaulichten und in der nachfolgenden Spezifikation beschriebenen spezifischen Vorrichtungen und Prozesse einfach beispielhafte Ausführungsformen der in den beiliegenden Ansprüchen definierten erfinderischen Konzepte sind. Somit sind spezifische Maße und andere physikalische Eigenschaften, die sich auf die hierin offenbarten Ausführungsfor men beziehen, nicht als einschränkend zu betrachten, es sei denn, die Ansprüche erklären ausdrücklich etwas anderes.
Wendet man sich den Zeichnungen zu, so zeigt 1 einen luftgekühlten Thermosiphon-Kühlkörper 10, der eine der bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ist und ihre verschiedenen Komponenten veranschaulicht.
Wie in 1 veranschaulicht, ist eine Luftbewegungsvorrichtung, hier als ein einzelner Axialventilator 14 gezeigt, in einer Verkleidung 16 untergebracht und durch einen Kanal 18 mit dem Thermosiphon 12 verbunden. Der Ventilator 14 könnte ein Zug- oder Schubventilator sein, ein Zugventilator wird jedoch bevorzugt, um eine Abschattung des Thermosiphons 12 durch die Ventilatornabe 15 zu minimieren. Der Abschattungseffekt bei einem Schubventilator reduziert die Luftströmung hinter der Nabe und stört daher die Wärmeübertragung von dem Thermosiphon 12 zu dem kühlenden Luftstrom. Es hat sich gezeigt, dass, um die Luftzufuhr zu maximieren und ein Mischen der Luft sicherzustellen, die Kanallänge 20, als X bezeichnet, am besten aus der Beziehung 0,1 ≤ x/√LH ≤ 0,3 bestimmt ist. In dieser Bestimmung ist L die Gesamtbreite 26 des Thermosiphons 12 und H die Gesamthöhe 24 des Thermosiphons 12.
7 veranschaulicht eine alternative Ausführungsform einer Thermosiphon- Kühlkörperanordnung 100, die eine Doppelventilatoranordnung umfasst. In dieser Ausführungsform ist der in einer Verkleidung 116a untergebrachte Ventilator 114a ein Zugventilator, der mit dem Thermosiphon 112 durch einen Kanal 118a an einem Ende des Thermosiphons 112 verbunden ist. An einem entgegengesetzten Ende des Thermosiphons 12 ist ein zweiter Axialventilator 114b in einer Verkleidung 115b untergebracht und mit dem entgegengesetzten Ende des Thermosiphons 112 durch einen Kanal 118b verbunden. Die Kanallängen X, als 120a und 120b bezeichnet, werden gemäß der Beziehung 0,1 ≤ x/√LH ≤ 0,3 wie oben ermittelt, wobei L die Gesamtbreite 126 des Thermosiphons 112 und H die Gesamthöhe 124 des Thermosiphons 112 ist. Der Thermosiphon 112 in 7 ist im Wesentlichen identisch mit dem Thermosiphon 12 in 1, wie unten stehend weiter beschrieben. In Betrieb zieht der Axialventilator 114b Luft aus der Umgebung und zwingt die Luft durch den Kanal 118b, um die Wirkung des Axialventilators 114a zu unterstützen, indem es eine gewünschte Luftströmung durch den Thermosiphon 112 bereitstellt.
Unter nunmehriger Bezugnahme auf die 2–6 sind ein Thermosiphon 12 und seine verschiedenen Merkmale im größeren Detail gezeigt. 2 ist ein Querschnitt durch einen Thermosiphon 12, der allgemein eine Siedeplatte 30 in Kombination mit einer Vielzahl von Kondensatorrohren 42 umfasst, die darauf befestigt ist, und einen Dampfraum 54 dazwischen definiert. Der Dampfraum 54 weist eine durch ein Maß "j" bezeichnete Höhe 55 auf und enthält ein Kühlfluid darin (nicht gezeigt). Luftgekühlte gewellte Rippen 58 erstrecken sich zwischen benachbarten Kondensatorrohren 42 und sind an Seiten 44 befestigt (3). Rippen 58 weisen eine durch ein Maß "ϑ" bezeichnete Höhe 59 auf, die der seitlichen Beabstandung von benachbarten Kondensatorrohren 42 entspricht. Zusätzliche luftgekühlte, gewellte Rippen 60 sind an jeder Seite des Thermosiphons 12 befestigt, um die Kühlung der äußersten Wände 44 der äußersten Kondensatorrohre 42 zu ermöglichen. Eine elektronische Vorrichtung 8 oder eine andere Energiequelle, die eine Kühlung benötigt, ist an der unteren Fläche 32 der Siedeplatte 30 befestigt. Die Vorrichtung 8 könnte entweder quadratisch oder rechteckig sein und die mittlere Breite 9 der Vorrichtung 8 ist durch ein Maß „b" bezeichnet. Die Fläche der unteren Fläche 32 in thermischem Kontakt mit der Vorrichtung 8 ist vorzugsweise poliert, um einen Wärmewiderstand zu reduzieren und eine maximale Wärmeübertragung zwischen der Siedeplatte 30 und der Vorrichtung 8 zu begünstigen.
Intern weist die Siedeplatte 30 eine obere Fläche 33 mit einem flachen mittleren Abschnitt 34 auf, der in Kombination mit der unteren Fläche 32 eine als „e" bezeichnete Dicke 35 definiert. Der mittlere Abschnitt 34 umfasst ferner einen gerippten Bereich 38, der eine als Maß „a" bezeichnete mittlere Breite 39 aufweist. Der gewellte Bereich 38 ist mit einer Anordnung von Stufenpyramidenrippen 40 versehen, die unten stehend in größerem Detail beschrieben sind. Ein nach oben gekrümmter konkaver Abschnitt 36 mit einer als Maß „c" bezeichneten Höhe 37, der an dem Außenumfang der Siedeplatte 30 positioniert ist, umgibt den mittleren Abschnitt 34 und formt die Siedeplatte 30 dadurch in eine schalenförmige Struktur. Der nach oben gekrümmte Abschnitt 36 erleichtert das Leiten des kondensierten Kühlfluids in dem Thermosiphon 10 zu dem mittleren Abschnitt 34 und das Verteilen der in dem mittleren flachen Abschnitt 34 erzeugten Wärme direkt über der Vorrichtung 8.
Die 4–6 veranschaulichen in vergrößerter Darstellung die verschiedenen Merkmale des gewellten Abschnitts 38 der Siedeplatte 30 und der Stufenpyramidenrippen 40. In der bevorzugten Ausführungsform, wie in 4 veranschaulicht, ist die Anordnung von Stufenpyramidenrippen 40 in einem rechteckigen gitterartigen Muster angeordnet. Das in 4 gezeigte regelmäßige Muster der Stufenpyramidenrippen 40 ist am besten für eine gleichmäßige Wärmebelastung geeignet. Alternativ kann die Anordnung von Rippen 40, wie durch den gewellten Abschnitt 38a veranschaulicht, versetzt angeordnet sein, wie in 5 veranschaulicht.
Um eine ungleichmäßige Wärmebelastung aufzunehmen, können die Stufenpyramiden 40 in unregelmäßigen Mustern auf der Fläche 33 der Siede platte 30 angeordnet sein. Das unregelmäßige Muster kann derart angeordnet sein, dass höhere Dichten von Rippen direkt über diesen Bereichen der Vorrichtung 8, die eine höhere Wärmeleistung aufweisen, und eine geringere Dichte von Rippen über jenen Bereichen der Vorrichtung 8 angeordnet sind, die eine geringere Wärmeleistung aufweisen. Das unregelmäßige Muster von Pyramidenrippen kann maximale Rippendichten bis zu 50 Rippen/cm² aufweisen. Jede Pyramidenrippe 40 besitzt das Aussehen, dass sie eine Vielzahl von Schichten aufweist, wobei jede aufeinanderfolgende Schicht von unten nach oben eine kleinere geometrische Fläche als die nächste darunter liegende Schicht aufweist. Alternativ kann die Stufengröße der Pyramidenrippen auch geändert sein, um einen ungleichmäßigen Wärmefluss auszugleichen.
In der bevorzugten Ausführungsform und wie in den 4 und 6 veranschaulicht, besitzen die Pyramidenrippen 40 eine quadratische Basis. Der Fachmann wird leicht erkennen, dass Pyramidenrippen 40 auch als kreisförmige, dreieckige, rechteckige, trapezförmige oder andere derartige geometrische Ausgestaltungen ausgebildet sein können, ohne vom Umfang der hierin enthaltenen Lehre abzuweichen. Des Weiteren sind Flächen der Pyramidenrippen 40 wie z. B. die Flächen 68 und die obere Fläche 33 der Siedeplatte 30 dem Arbeitsfluid innerhalb des Thermosiphons 12 ausgesetzt und sind ferner vorzugsweise sandgestrahlt oder auf eine alternative Art behandelt, um ihre entsprechenden Flächen 33, 68 in eine raue Textur zu gestalten. Die Rauheit der Flächen 33, 68 verbessert die Siedewärmeübertragung von den Rippen 40 an das die Rippen 40 bedeckende Arbeitsfluid.
Jede gestufte Schicht von Pyramidenrippen 40 definiert Stufen oder äußere Eckgebiete 74 und innere Eckgebiete 80 an der Verbindungsstelle von benachbarten Schichten. Die Eckgebiete 74, 80 sind Bereiche einer Wär mekonzentration. In Folge der Wärmekonzentrationen in den Gebieten 74, 80 dienen die Bereiche als Blasenbildungsstellen, um das Sieden des Kühlfluids innerhalb des Thermosiphons 12 zu begünstigen.
Jede Pyramidenrippe 40 weist eine durch ein Maß „k" bezeichnete Höhe 70 auf, wobei jede Stufe 74 eine durch ein Maß „s" bezeichnete Höhe 76 und eine durch ein Maß „t" bezeichnete Stufenbreite 74 aufweist. Die maximale Basisbreite 71 der Stufenpyramide 40 ist durch ein Maß „g" bezeichnet, und der Abstand 72 zwischen aneinandergrenzenden Basiskanten von benachbarten Pyramiden ist durch ein Maß "f" bezeichnet.
Zusätzlich zu den Stufenpyramidenrippen mit einer quadratischen Grundfläche, die in den 4 und 5 gezeigt sind, werden auch andere Arten von Stufenpyramidenrippen mit rechteckigen, dreieckigen, trapezförmigen und kreisförmigen Grundflächen in Erwägung gezogen. Bei verschiedenen Typen von Stufenpyramidenrippen dienen die Eckgebiete zwischen den Stufen als Blasenbildungsstellen, die das Flüssigkeitssieden infolge steiler Temperaturgradienten begünstigen. Die Eckgebiete der Stufenpyramiden könnten als die Gebiete einer Wärmekonzentration betrachtet werden.
Auf Basis einer theoretischen und experimentellen Studie wurden die folgenden Maße der Pyramidenrippen als optimal ermittelt: 0,2 ≤ f/g ≤ 0,4, 1 ≤ k/g ≤ 4 und 1 ≤ s/t ≤ 2, wobei „g" die maximale Basisbreite 71 der Pyramide ist, „f" der Abstand 72 zwischen Basiskanten von aneinander angrenzenden Pyramiden 40 ist, „k" die Höhe 70 einer Pyramidenrippe 40 ist, „s" die Stufenhöhe 76 ist, und „t" die Stufenbreite 78 einer jeden Stufe 74 ist.
Die 2 und 3 veranschaulichen die Anordnung von Kondensatorrohren 42 auf dem Thermosiphon 12 und die Detailmerkmale davon. Eine Viel zahl von Kondensatorrohren 42 sind auf der Siedeplatte 30 angeordnet. Jedes Kondensatorrohr 42 besitzt eine durch ein Maß „d" bezeichnete Breite 43 und eine durch ein Maß „u" bezeichnete Höhe 45. Jedes Kondensatorrohr 42 erstreckt sich auch über die volle Tiefe 22 des Thermosiphons 12, wie durch ein Maß „D" bezeichnet. Benachbarte Kondensatorrohre 42 sind voneinander durch ein Maß "δ", das der Höhe 59 der gewellten Rippen 58 entspricht, beabstandet. Die gewellten Rippen 58 sind ausgerichtet, um eine Luftströmung durch sie hindurch von der Vorderseite zu der Hinterseite des Thermosiphons 12 infolge der durch den Axialventilator 14 induzierten Luftströmung zuzulassen.
Jedes Kondensatorrohr 42 ist allgemein aus zwei entgegengesetzten Seiten 44 mit einer Vielzahl von quer gerichteten Trennwänden 48, die sich dazwischen erstrecken, und einer Oberseite 46, die die oberen Kanten der Seiten 44 miteinander verbindet, aufgebaut. Stirnwände 47 sind an der Vorderseite und Hinterseite des Kondensatorrohres 42 positioniert und erstrecken sich von der Unterseite zu der Oberseite 46. Das Kondensatorrohr 42 ist an der Unterseite offen und in Fluidverbindung mit dem Dampfraum 54, um zuzulassen, dass ein Fluiddampf von der Kammer 54 in die Kondensatorrohre 42 aufsteigt, und um ferner zuzulassen, dass das gekühlte Kondensat zurück in die Kammer 54 strömt. Die Trennwände 48 sind an den Seitenwänden 44 befestigt, sind jedoch nicht an der oberen Fläche 50 befestigt. Die Trennwände 48 erstrecken sich nicht bis zur Oberseite 46 und definieren dabei einen Spalt 52 zwischen der Trennwand 48 und der Oberseite 46, um eine Zirkulation des Fluiddampfes über das gesamte Kondensatorrohr 42 zu ermöglichen.
Die Trennwände 48 dienen mehreren Funktionen. Zunächst dienen sie als Zusatzrippen, um die Wärmeübertragung des Dampfes innerhalb des Kondensatorrohres 42 an die luftgekühlten Rippen 58, die an der Außen seite der Seitenwände 44 der Kondensatorrohre 42 befestigt sind, zu verbessern. Die Wände 48 verstärken auch das Kondensatorrohr 42, um dem hohen Dampfdruck von Arbeitsfluiden wie z. B. Halogenkohlenwasserstoffen, z. B. R-134a, standzuhalten. Die Wände 48 begünstigen auch die Abführung von Kondensat, da die kondensierte Flüssigkeit an der Innenseite der Kondensatorrohrwand 44 durch die Oberflächenspannung in die Ecke 56 gezogen wird, die dort gebildet ist, wo die Trennwände 48 an der Innenseite der Seitenwände 44 anliegen. Wenn die kondensierte Flüssigkeit durch Oberflächenspannung in die Ecke 56 gezogen wird, legt sie die Innenfläche des Kondensatorrohres frei und verringert dadurch dessen Wärmewiderstand. Der verringerte Wärmewiderstand fördert eine verbesserte Kondensation des Arbeitsfluiddampfes.
Auf der Basis umfangreicher Versuche wurden die folgenden Maßbeziehungen der Kondensatorrohre als optimal bestimmt: das Verhältnis der Höhe 50 (v) der Trennwände 48 zu der Höhe 45 (u) des Kondensatorrohres 42 ist durch die Beziehung 0,90 ≤ v/u ≤ 0,97 ausgedrückt, und das Verhältnis der Trennwandbeabstandung 49 (w) zu der Gesamttiefe 22 (T) des Thermosiphons 12 ist durch die Beziehung 0,1 ≤ w/D ≤ 0,5 ausgedrückt.
Arbeitsfluide, die für den Thermosiphon 12 am besten geeignet sind, umfassen entmineralisiertes Wasser und Halogenkohlenwasserstoff-Fluide wie z. B. R-134a. Das Volumen des Arbeitsfluids beträgt allgemein 30 % des Innenvolumens des Thermosiphons 12, welches das Innenvolumen der Kondensatorrohre 42 und das Volumen des Dampfraumes 54 umfasst. Das bevorzugte Niveau des kondensierten Arbeitsfluids in dem Dampfraum 54 unter stabilen Betriebsbedingungen sollte derart sein, dass die Spitzen der Pyramidenrippen 40 genau unter der Oberfläche des Flüssigkeitsreservoirs eingetaucht sind.
Auf der Basis der theoretischen und experimentellen Studie wurden die folgenden Maßbeziehungen des Thermosiphons 12 als optimal ermittelt: das Verhältnis der mittleren Breite 39 (a) des gerippten Bereiches 38 zu der mittleren Breite 9 (b) der Vorrichtung 8 ist durch die Beziehung 1 ≤ a/b ≤ 2 ausgedrückt, das Verhältnis der Höhe 55 (j) des Dampfraumes 54 zu der Höhe 24 (H) des Thermosiphons 12 ist durch die Beziehung 0,1 ≤ j/H ≤ 0,3 ausgedrückt; und die Höhe 59 (δ) der gewellten Rippen 58 zu der Breite 43 (d) der Kondensatorrohre 42 liegt vorzugsweise innerhalb des Bereiches von 1 ≤ δ/d ≤ 2.
Im Gebrauch, während die Vorrichtung 8 Energie und somit Wärme erzeugt, wird die Wärme zu dem gerippten Abschnitt 38 der Siedeplatte 30 übertragen. Wenn die Temperatur der Siedeplatte 30 und insbesondere des gerippten Abschnitts 38 ansteigt, werden die Fläche 33 und die Pyramidenrippen 40 an den Eckgebieten 74 und 80 ausreichend warm, um zu bewirken, dass das Arbeitsfluid die Pyramidenrippen 40 bedeckt, um Blasen zu bilden oder zu sieden. Der Arbeitsfluiddampf steigt auf und tritt in die Kondensatorrohre 42 ein. Der Dampf gelangt mit den Seitenwänden 44 und den Trennwänden 48 der Kondensatorrohre 42 in Kontakt und überträgt Wärmeenergie von dem Dampf an die Wände 44 und 48 und durch Konduktion an die gewellten Rippen 58. Der Axialventilator 48 bewirkt, dass Kühlluft durch die gewellten Rippen 58 entlang eines Maßes „D" strömt und konvektiv Wärme davon abzieht. Durch Entfernen der Wärmeenergie von dem Dampf wird der Dampf unter seine Kondensationstemperatur abgekühlt und kondensiert an den Wänden 44 und 48. Die Wirkung der Oberflächenspannung zieht die kondensierte Flüssigkeit dann zu den Eckgebieten 56 in dem Kondensatorrohr 42. Die Flüssigkeit sammelt sich zu Tröpfchen an, die dann zurück in das Reservoir von Arbeitsfluid in den Dampfraum 54 fallen, wonach der Prozess wiederholt wird.
Verschiedene Prototypen von Thermosiphonen 12 mit Aluminiumkondensatorrohren 42 und Aluminium- und Kupfersiedeplatten 30 mit Pyramidenrippen 40 wurden hergestellt und getestet, um die hierin stehende Lehre zu bestätigen. Die Gesamtmaße der Thermosiphone betrugen: Höhe H = 80 mm, Breite L = 70 mm und Tiefe T = 50 mm. Eine quadratische Energiequelle, die in der Lage war, eine Wärmebelastung von 220 W zu erzeugen, wies ein Seitenmaß b = 40 mm auf. Die Maße des Kondensatorrohres betrugen: Höhe u = 70 mm, Tiefe T = 50 mm und Breite d = 6 mm. Jedes Kondensatorrohr 42 umfasste zwei Trennwände 48 mit einer Höhe v = 65 mm und einer Beabstandung w = 15 mm. Die Pyramidenrippen waren mit einer Breite g = 4 mm, einer Höhe k = 5 mm und einer Beabstandung zwischen den Pyramiden f = 3 mm dimensioniert. Die Pyramidenstufenhöhe s = 0,6 mm und die Pyramidenstufenbreite t = 0,6 mm. Die Lufteinlasstemperatur wurde im Bereich von 25 bis 35°C variiert. Der Thermosiphon wurde mit 30 g R-134a als Arbeitsfluid gefüllt. Die Leistung der Thermosiphone wurde für drei Wärmebelastungen q = 100, 150 und 200 W mit einer Kupfersiedeplatte 30 und eine Wärmebelastung q = 200 W mit einer Aluminiumsiedeplatte 30 bemessen. Der Wirkungsgrad des Kühlkörpers 10 ist als der Wärmewiderstand von Fläche-zu-Luft RSA ausgedrückt, und ist eine Funktion des Luftmengenstroms über die gerippte Fläche der Kondensatorrohre für die zuvor erwähnten Werte der Wärmebelastungen q.
Um den oben erwähnten RSA zu definieren, kann angemerkt werden, dass die Wärmebelastung q von dem konvektiv gekühlten Thermosiphon nach dem Newtonschen Abkühlungsgesetz ausgedrückt werden kann als q = hA(Ts – Ta) (1) wobei

h: der Wärmeübertragungskoeffizient ist, W/m²°C (Btu/hr ft²°F)
T_s: die Maximaltemperatur der Siedeplatte an der Wärmequelle ist, °C (°F)
T_a: die Eintrittslufttemperatur ist, die verwendet wird, um die gerippte Kondensationsfläche zu kühlen, °C (°F).

In Analogie mit dem Ohmschen Gesetz wird Gleichung (1) üblicherweise in
umgewandelt, wobei RSA als der Wärmewiderstand von Fläche-zu-Luft des Kühlkörpers definiert ist.
Aus Gleichung (2) ist offensichtlich, dass RSA das Verhältnis der Differenz der Temperatur zwischen der maximalen Wärmequellentemperatur T_s und der Einlasslufttemperatur T_a zu der Wärmebelastung q der Wärmequelle ist.
Die Ergebnisse des Testens eines Thermosiphons gemäß einer bevorzugten Ausführungsform zeigten, dass der RSA der getesteten Thermosiphone unter 0,1°C/W für Luftmengenströme von mehr als 30 CFM betrug. Solch ein RSA-Wert wird als extrem gut angesehen, wenn er im Zusammenhang mit RSA-Werten von herkömmlichen luft- und flüssigkeitsgekühlten Kühlkörpern betrachtet wird, die typischerweise in der Elektronikindustrie verwendet werden. Für einen typischen luftgekühlten Kühlkörper beträgt der gezeigte RSA-Wert etwa 0,2°C/W, während für einen typischen flüs sigkeitsgekühlten Kühlkörper der RSA etwa 0,12°C/W für Luftmengenströme von mehr als 30 CFM beträgt. Die Ergebnisse haben auch gezeigt, dass der Thermosiphon niedrigere RSA-Werte aufwies, wenn die getesteten Wärmebelastungen erhöht wurden. Daher zeigt unter Bedingungen einer hohen Wärmebelastung ein Thermosiphon, dass die vorliegende Erfindung umfasst, zunehmend niedrigere RSA-Werte als für den Stand der Technik typische luft- und flüssigkeitsgekühlte Kühlkörper. Somit zeigt ein Thermosiphonkühlkörper wie z. B. die hierin beschriebene bevorzugte Ausführungsform eine definitive Verbesserung gegenüber dem Stand der Technik aufweist und ist eine bevorzugte Wahl für Anwendungen mit hoher Wärmebelastung, die in den Blasenbildungs-Siederegimen arbeiten.

Claims

Thermosiphon (12) zum Kühlen einer elektronischen Vorrichtung (8) mit einer mittleren Breite eines Maßes „b" (9), wobei der Thermosiphon (12) umfasst: eine Siedeplatte (30), wobei die Siedeplatte (30) eine obere Fläche (33) mit einer Vielzahl von pyramidenförmigen Rippen (40) aufweist, die von der oberen Fläche (33) nach oben vorragen, und ferner eine untere Fläche (32) aufweist, um die zu kühlende elektronische Vorrichtung (8) aufzunehmen; eine Vielzahl von beabstandeten Kondensatorrohren (42), die über der Siedeplatte (30) befestigt ist, wobei die Siedeplatte (30) und die Kondensatorrohre (42) einen Dampfraum (54) dazwischen definieren, um ein Arbeitsfluid darin aufzunehmen; und eine Vielzahl von gewellten Rippen (58), die sich zwischen jedem benachbarten Paar von Kondensatorrohren erstreckt, dadurch gekennzeichnet, dass die Flächen der pyramidenförmigen Rippen (40) eine Vielzahl von Stufen (74) daran umfassen, die eine Vielzahl von Eckgebieten (80) definieren, die als Dampfblasenbildungsstellen dienen, um das Sieden eines innerhalb des Dampfraumes (54) gehaltenen Arbeitsfluides zu verbessern.
Thermosiphon (12) nach Anspruch 1, wobei die Flächen der Stufen (74) der pyramidenförmigen Rippen eine geraute Textur aufweisen, um die Siedewärmeübertragung von den Rippen (40) auf das Arbeitsfluid zu verbessern.
Thermosiphon (12) nach Anspruch 1, wobei jede der Stufen eine derartige Höhe „s" (76) und eine derartige Breite „t" (78) aufweist und die Stufen (74) derart gebildet sind, dass das Verhältnis s/t in den Ausdruck 1 ≤ s/t ≤ 2 fällt.
Thermosiphon (12) nach Anspruch 1, wobei jede der pyramidenförmigen Rippen (40) eine derartige Höhe „k" (70) und eine derartige maximale Basisbreite „g" (71) aufweist und die pyramidenförmigen Rippen (40) derart gebildet sind, dass das Verhältnis k/g in den Ausdruck 1 ≤ k/g ≤ 4 fällt.
Thermosiphon (12) nach Anspruch 1, wobei die Siedeplatte (30) einen gerippten Abschnitt (38) definiert, auf dem die pyramidenförmigen Rippen (40) angeordnet sind.
Thermosiphon (12) nach Anspruch 5, wobei der gerippte Abschnitt (38) vertikal mit einem Bereich auf der unteren Fläche (32) ausgerichtet ist, der definiert ist, um darauf die zu kühlende elektronische Vorrichtung (8) aufzunehmen.
Thermosiphon (12) nach Anspruch 6, wobei die pyramidenförmigen Rippen (40) in einem geometrischen gitterartigen Muster angeordnet sind.
Thermosiphon (12) nach Anspruch 7, wobei jede der pyramidenförmigen Rippen (40) eine Basis umfasst, die eine maximale Basisbreite „g" (71) aufweist, und die jeweiligen Basen von benachbarten pyramidenförmigen Rippen voneinander um ein derartiges Maß „f" (72) beabstandet sind, dass das Verhältnis f/g in den Ausdruck 0,2 ≤ f/g s 0,4 fällt.
Thermosiphon (12) nach Anspruch 8, wobei der gerippte Bereich (38) eine mittlere Breite eines Maßes „a" (39) aufweist, und das Verhältnis a/b in den Ausdruck 1 ≤ a/b ≤ 2 fällt.
Thermosiphon (12) nach Anspruch 6, wobei die pyramidenförmigen Rippen (40) in einem unregelmäßigen Muster angeordnet sind.
Thermosiphon (12) nach Anspruch 10, wobei die pyramidenförmigen Rippen (40) auf der Siedeplatte (30) mit einer Dichte bis zu einem Maximum von 50 Rippen/cm² angeordnet sind.
Thermosiphon (12) nach Anspruch 1, wobei die Siedeplatte (30) Endabschnitte (36) umfasst, deren Dicke größer als ein mittlerer Abschnitt (34) der Siedeplatte (30) ist.
Thermosiphon (12) nach Anspruch 12, wobei eine obere Fläche der Endabschnitte eine konkave Oberfläche definiert, um ein Arbeitsfluid, das in dem Dampfraum (54) gehalten ist, in Richtung eines mittleren Abschnittes davon (34) zu lenken.
Thermosiphon (12) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei jedes der Kondensatorrohre (42) entgegengesetzte Seitenwände (44) und mindestens eine vertikal angeordnete, quer gerichtete Trennwand (48), die sich zwischen den entgegengesetzten Seitenwänden (44) und dazwischen liegenden Enden (47) des Kondensatorrohres (42) erstreckt, aufweist, wobei die Siedeplatte (30) und die Kondensatorrohre (42) einen Dampfraum (54) dazwischen definieren, um ein Arbeitsfluid darin aufzunehmen.
Thermosiphon (12) nach Anspruch 14, wobei jedes der Kondensatorrohre (42) eine Vielzahl von den quer gerichteten Trennwänden (48) umfasst.
Thermosiphon (12) nach Anspruch 15, wobei eine Oberseite der quer gerichteten Trennwände (48) in Kombination mit einer Oberseite (46) des Kondensatorrohres (42) einen Spalt (52) dazwischen definiert.
Thermosiphon (12) nach Anspruch 16, wobei die Vielzahl von gewellten Rippen (58) derart orientiert ist, dass sie Luftdurchgänge im Wesentlichen parallel zu der Siedeplatte (30) definiert.
Thermosiphon (12) nach Anspruch 15, wobei die Vielzahl von quer gerichteten Trennwänden (48) voneinander um ein Maß „w" (49) derart beabstandet sind und das Kondensatorrohr (42) ein derartiges Tiefenmaß „D" (22) parallel zu dem Maß „w" (49) aufweist, dass das Verhältnis w/D in den Ausdruck 0,1 ≤ w/D ≤ 0,5 fällt.
Thermosiphon (12) nach Anspruch 14, ferner mit einer zweiten gewellten Rippe (60), die an der äußersten Wand (44) eines jeden äußersten Kondensatorrohres (42) befestigt ist.
Kühlkörperanordnung (10) zum Kühlen einer elektronischen Vorrichtung (8), wobei die Kühlkörperanordnung (10) umfasst: eine Luftbewegungsvorrichtung (14), die in einer Verkleidung (16) untergebracht ist, um eine axial gerichtete Luftströmung durch die Verkleidung (16) hindurch zu bewirken; einen Kanal (18), dessen eines Ende an der Verkleidung (16) befestigt und in Fluidverbindung mit dieser ist; und einen Thermosiphon (12) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, der an einem zweiten Ende des Kanals (18) befestigt und in Fluidverbindung mit diesem ist.
Kühlkörperanordnung (10) nach Anspruch 20, wobei: der Kanal (18) eine Länge „X" (20) aufweist; wobei der Thermosiphon eine Breite „L" (26) und eine Höhe „H" (24) aufweist; und wobei ferner die Kanallänge „X" (20) durch die Beziehung 0,1 ≤ x/√LH ≤ 0,3 bestimmt ist.