DE69301906T2

DE69301906T2 - System zur Wärmeabführung für ein elektronisches Bauelement und ein geschlossenes Gehäuse in einem solchen System

Info

Publication number: DE69301906T2
Application number: DE69301906T
Authority: DE
Inventors: Gilles Avignon; Patrice Brunet; Franck Heron
Original assignee: Alcatel Telspace SA
Current assignee: Alcatel CIT SA
Priority date: 1992-12-16
Filing date: 1993-12-13
Publication date: 1996-08-08
Anticipated expiration: 2013-12-14
Also published as: EP0603048B1; FR2699365B1; DE69301906D1; CA2111507A1; ES2084472T3; FR2699365A1; EP0603048A1; US5508884A

Description

Die Erfindung betrifft die Wärmeabfuhr aus einem elektronischen Bauteil.
Manche elektronische Bauteile, wie z.B. Hochfrequenz- Leistungstransistoren, die sehr viel Wärme erzeugen, erfordern Kühlmittel, die diese Wärmeenergie wirksam abführen können. Diese Bauteile sind üblicherweise auf einem Wärmeabfuhrorgan montiert, das Kühlrippen besitzt.
Wenn man das zu kühlende Bauteil unmittelbar auf einem Wärmeabstrahlungsorgan montiert, ergibt sich ein sehr niedriger Wärmewiderstand zwischen diesen Elementen, aber dafür der Nachteil, daß der Wärmeaustausch auf die Fläche begrenzt ist, die die Wärmequelle des Bauteils bietet.
Außerdem ist ein Wärmeabfuhrsystem bekannt, das ein zwischen dem zu kühlenden Bauteil und einem Kühler liegendes Element verwendet, das Wärmerohr genannt wird. Ein Wärmerohr ist ein Wärmeleitungsmittel, das aus einem ein Fluid enthaltenden Kanal besteht, wobei das Fluid bei einer gegebenen Temperatur verdampft. Jede ausreichende Wärmezufuhr an einer Stelle des Wärmerohrs führt zur Verdampfung einer kleinen Menge dieses Fluids mit Absorption der latenten Verdampfungswärme. Der gebildete Dampf strömt in dem Rohr zu einem kühleren Punkt und kondensiert dort, indem die latente Wärme freigegeben wird. Das Wärmerohr besitzt auch ein Kapillarnetz, das den Rückfluß des Kondensats zum Bauteil ermöglichen soll.
Figur 1 zeigt schematisch im Schnitt ein solches Wärmeabfuhrsystem.
Ein Wärmeabfuhrsystem 10 mit einem Wärmerohr enthält ein elektronisches Bauteil 11, dessen Erwärmung man beschränken will, ein Wärmeabfuhrorgan 12, bestehend aus einem Kühler mit Rippen, und ein Wärmerohr 13 zwischen dem Bauteil 11 und dem Abfuhrorgan 12. Das Bauteil 11 und das Abfuhrorgan 12 sind an der gleichen Wand 19 des Wärmerohrs 13 befestigt. Das Wärmerohr 13 besteht aus einem geschlossenen Behälter 14 mit einem Fluid 15 und einem Kapillarnetz 16. Wenn das Bauelement 11 sich über die Verdampfungstemperatur des Fluids 15 erwärmt, verdampft dieses und der entstehende Dampf strömt zu einer Zone mit niedrigerer Temperatur in Richtung eines Pfeils 17. In Höhe des Wärmeabfuhrorgans 12 wird dieser Dampf wieder flüssig und fließt in Richtung zur heißen Zone durch das Kapillarnetz 16 in Richtung eines Pfeils 18.
Ein solches Wärmerohr besitzt einen sehr geringen thermischen Widerstand, was den Wärmekontakt zwischen dem Bauteil 11 und dem Wärmeabfuhrorgan 12 verbessert, aber der Hauptnachteil besteht darin, daß das Bauelement 11 stets auf einer höheren Temperatur als die maximal vorgesehene Umgebungstemperatur liegen muß. Ein Wärmeabfuhrsystem mit Wärmerohr ist nämlich durch einen Betriebspunkt bei fester Temperatur oberhalb der maximalen Umgebungstemperatur gekennzeichnet.
Beispielsweise muß bei Verwendung im Freien während der Sommersaison, wenn die Außentemperatur 55ºC erreichen kann, ein Fluid verwendet werden, dessen Phasenwechseltemperatur von flüssig zu dampfförmig über 55ºC liegt, beispielsweise bei 60ºC. Damit in diesem Fall das Wärmerohr 13 unabhängig von der Umgebungstemperatur arbeiten kann, muß das Bauelement 11 ganzjährig auf einer solchen Betriebstemperatur gehalten werden, daß die Temperatur des Sockels über 60ºC liegt, beispielsweise 65ºC beträgt. Wenn der Sockel des Bauelements 11 auf einer solchen Temperatur gehalten werden muß, liegt die Temperatur seines Halbleiterübergangs deutlich höher, bei etwa 150ºC, was zu einer raschen Zerstörung des Bauelements führen kann. Ein künstlicher Betrieb bei dieser Mindesttemperatur des Sockels führt zu einer Verringerung der Lebensdauer des Bauelements.
Außerdem bedarf ein Wärmeabfuhrsystem mit Wärmerohr eines nicht unerheblichen Raums, denn das Bauelement muß hinreichend weit vom Wärmeabfuhrorgan entfernt angeordnet werden, um eine Kondensation des verdampften Fluids zu erlauben.
Außerdem ist aus der Druckschrift EP-A-0 298 372 im Namen von Hitachi ein Kühlsystem für Halbleiter bekannt. Diese Vorrichtung enthält ein geschlossenes Gehäuse, das eine Flüssigkeit mit Phasenwechsel (C&sub6;F&sub1;&sub4;) und Halbleiterbauelemente enthält. Bei der Erwärmung dieser Bauelemente verdampft die Flüssigkeit und steigt nach oben, um zu kondensieren, und fällt dann in flüssiger Form wieder nach unten. Kanäle sind vorgesehen, um den ansteigenden und den abfallenden Fluß voneinander zu trennen. Das Gehäuse enthält nur ein Element, das in flüssiger und dampfförmiger Phase vorliegt.
Außerdem beschreibt die Druckschrift US-A-4 327 399 im Namen von Sasaki et al ein Kühlsystem für elektronische Bauelemente, die auf einer Druckschaltung montiert sind. Eine Seite der Bauelemente steht in Kontakt mit einem in einem geschlossenen Behälter vorliegenden Fluid. Diese Druckschrift zeigt auch, daß der Behälter nur ein Fluid enthält, das im Gleichgewicht zwischen seiner flüssigen und dampfförmigen Phase liegt.
Ziel der vorliegenden Erfindung ist es insbesondere, diese Nachteile zu beheben und ein System zur Abfuhr der von einem elektronischen Bauelement erzeugten Wärme anzugeben, das einen sehr geringen Wärmewiderstand besitzt und nicht erfordert, daß das zu kühlende Bauelement bei einer bestimmten Mindesttemperatur betrieben wird.
Ein anderes Ziel der Erfindung ist es, den Raumbedarf eines solchen Wärmeabfuhrsystems zu begrenzen.
Schließlich ist es ein Ziel der Erfindung, einen Behälter anzugeben, der in einem solchen System verwendet wird und den Übergang zwischen einem Wärmeabfuhrorgan und einem zu kühlenden Bauelement bilden soll.
Diese sowie weitere Ziele, die nachfolgend erwähnt werden, werden durch ein System zur Abfuhr von Wärme erreicht, die von einem elektronischen Bauelement abgegeben wird, wobei das System einen geschlossenen, ein Fluid enthaltenden Metallbehälter enthält und das Bauelement an der Außenwand des Behälters befestigt und mit einem Wärmeabfuhrorgan über diesen Behälter verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasenwechseltemperatur des Fluids bei Atmosphärendruck niedriger als eine gegebene maximale Umgebungstemperatur ist und daß der Behälter weiter ein Volumen eines sich vom Fluid unterscheidenden Gases enthält, derart, daß eine Veränderung der Umgebungstemperatur zu einer Veränderung des Drucks im Inneren des Behälters führt, wodurch die Phasenwechseltemperatur des Fluids verändert wird.
Man erreicht so eine Veränderung des Partialdrucks des Gases in dem Behälter abhängig von der gegebenen Volumenänderung, die von der Umgebungstemperatur abhängt.
Vorzugsweise enthält der Behälter zwei im wesentlichen parallele Wände, und das Bauelement sowie das Wärmeabfuhrorgan sind je an einer dieser Wände befestigt.
Der Behälter liegt also sandwichartig zwischen den Bauelement und dem Wärmeabfuhrorgan, und der gesamte Raumaufwand ist deutlich geringer als mit einem System, das ein Wärmerohr verwendet.
In einer anderen Ausführungsform sind das Bauelement und das Wärmeabfuhrorgan an einer gemeinsamen Wand des Behälters befestigt.
Vorzugsweise weist der Behälter mindestens eine Zone auf, in der sich Gas unter Druck konzentriert und die nicht mit Fluid gefüllt ist, wenn die Umgebungstemperatur unter der maximalen Umgebungstemperatur liegt, wobei aufgrund dieser Zone das Bauelement und das Wärmeabfuhrorgan über das Fluid in Wärmekontakt gelangen.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Bauelement ein Mikrowellentransistor, der sich in einem Gehäuse zur elektromagnetischen Abschirmung befindet.
Vorzugsweise entspricht der Füllungsgrad des Behälters mit dem Fluid folgendem Wert:
V&sub0;/v&sub0; = 1/β [1/ΔT - P&sub0;/Pi ΔT - P&sub0;/PiT&sub0;]
mit v&sub0; = vi + v&sub0; β ΔT
Hierbei ist:
- V&sub0; das verwendete Fluidvolumen,
- v&sub0; das verbleibende Gasvolumen im Inneren des Behälters bei den Anfangsbedingungen,
- β der Ausdehnungskoeffizient des Fluids,
- ΔT = Ti - T&sub0;, wobei Ti die maximale Umgebungstemperatur und T&sub0; die Temperatur ist, bei der der Behälter gefüllt wird,
- P&sub0; der Umgebungsdruck beim Füllen des Behälters,
- Pi der Druck im Inneren des Behälters bei der Temperatur Ti,
- vi das Gasvolumen im Behälter beim Druck Pi.
Vorzugsweise ist das verwendete Gas Luft.
Die Erfindung betrifft auch einen in einem solchen System verwendeten geschlossenen Behälter.
Andere Merkmale und Vorzüge der Erfindung werden nun anhand mehrerer bevorzugter Ausführungsbeispiele, die die Erfindung jedoch nicht einschränken, und der beiliegenden Zeichnungen erläutert.
Figur 1 zeigt schematisch im Schnitt ein bekanntes System zur Wärmeabfuhr von einem elektronischen Bauelement.
Die Figuren 2, 3 und 4 zeigen schematisch Schnittansichten von drei bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.
Figur 5 zeigt die Temperatur des Sockels eines Bauelements abhängig von der Umgebungstemperatur für Kühlsysteme gemäß den Figuren 2 und 3.
Figur 1 zeigt ein Wärmeabfuhrsystem, das bereits oben anhand des Stands der Technik beschrieben wurde. Wie erwähnt, besitzt dieses System den Vorteil, daß es ein Bauele ment auf einer im wesentlichen konstanten Temperatur hält, unabhängig von der Umgebungstemperatur, jedoch den Nachteil, daß das zu kühlende Bauelement permanent auf einer höheren Temperatur gehalten werden muß als die erwartete Umgebungstemperatur.
Erfindungsgemäß wird ein Wärmeabfuhrsystem vorgeschlagen, das ein Element verwendet, welches sich von einem Wärmerohrsystem dadurch unterscheidet, daß es die Temperatur des Phasenwechsels eines Fluids in einem geschlossenen Behälter der Umgebungstemperatur nachführen kann. Eine Erhöhung der Umgebungstemperatur erhöht die Temperatur des Phasenwechsels des Fluids, was zu einem höheren Siedepunkt führt. Man verwendet hierzu ein Fluid, das eine niedrige Phasenwechseltemperatur bei Umgebungsdruck, beispielsweise etwa 30ºC, besitzt, in Verbindung mit einem Gas, z.B. Luft. Diese Phasenwechseltemperatur wird auch Nenntemperatur des Phasenwechsels genannt. Ein solches Fluid wird beispielsweise von der Gesellschaft 3M unter der eingetragenen Marke "Fluorinert" vertrieben, und der Handelsname ist FC 87.
Dieses Fluid wird in eine geschlossenen Metallbehälter gebracht und die Parameter wie z.B. der Füllungsgrad des Behälters und die Temperatur, bei der das Fluid eingefüllt wird, werden abhängig vom Atmosphärendruck so optimiert, daß die Temperatur des Phasenwechsels sich mit der Umgebungstemperatur ändert, wie dies genauer anhand der Figur 5 gezeigt wird.
Figur 2 zeigt schematisch im Schnitt eine erste bevorzugte Ausführungsform der Erfindung.
In dieser Figur enthält das System 20 zur Abfuhr der Wärme von einem Bauelement 11 einen geschlossenen Behälter, dessen Innenvolumen ein Fluid 22 enthält, das seine Phase wechseln kann, wenn Wärmeenergie zugeführt wird, ebenso wie beim obengenannten Stand der Technik. Das Bauelement 11 liegt an einer Wand des Behälters 21 an und ist mit einem Wärmeabfuhrorgan 12 über diesen Behälter 21 verbunden. Die Mittel zur Befestigung des Bauelements und des Wärmeabfuhrorgans am Behälter 21 sind nicht dargestellt und gehören nicht in den Rahmen der Erfindung. Der Behälter 21 enthält weiter ein freies Volumen 23, beispielsweise mit Luft oder einem anderen Gas gefüllt, das sich von dem verwendeten Fluid unterscheidet und eine Erhöhung des Drucks im Inneren des Behälters durch Ausdehnung des Fluids 22 erlaubt. Diese Ausdehnung des Fluids ergibt sich, wenn die Umgebungstemperatur zunimmt und eine Erhöhung des Partialdrucks im Inneren des Behälters 21 bewirkt. Dieser Partialdruck beruht auf dem Vorliegen des Gases im Behälter 21. Dieses freie Volumen ergibt sich beim Füllen des Behälters 21 mit dem Fluid 22. Die Ausdehnung des Fluids 22 aufgrund einer Erhöhung der Umgebungstemperatur verringert den thermischen Widerstand, den der Behälter 21 zwischen dem Bauelement 11 und dem Wärmeabfuhrorgan 12 darstellt, wie nachfolgend erläutert wird.
Das Fluid FC 87 ist durch eine nominelle Phasenwechseltemperatur von etwa 30ºC gekennzeichnet und besitzt einen Dampfdruck Pi (Sättigungsdampfdruck), der mit der Umgebungstemperatur Ti gemäß der Formel von Clapeyron ansteigt:
Log Pi (mm Hg) = A - B/Ti(ºK)
Hierbei gilt A = 7,9768 und B = 1548. Die Werte von A und B, die charakteristische Konstanten des Fluids sind, variieren abhängig vom verwendeten Fluid und werden vom Hersteller angegeben. Andere Fluide mit einer niedrigen Phasenwechseltemperatur bei Atmosphärendruck können auch verwendet werden.
Bezeichnet man mit P&sub0; den Umgebungsdruck beim partiellen Füllen des Behälters 21 mit dem Fluid 22, mit T&sub0; die Temperatur, bei der das Füllen stattfindet, mit V&sub0; das Fluidvolumen 22 und v&sub0; das Volumen der Luft (oder eines anderen Gases) im Inneren des Behälters, dann kann man durch Berechnung das optimale Verhältnis V&sub0;/v&sub0; bestimmen, bei dem am besten die Temperatur des Bauelements der Umgebungstemperatur nachgeregelt wird. Kennt man für ein bestimmtes Fluid den Ausdehnungskoeffizienten β (der Koeffizient β für FC 87 beträgt 1,6 10&supmin;³ (cm³/cm³ºC) und löst man die folgende Gleichung
P&sub0;v&sub0;/T&sub0; = Pivi/Ti
mit vi = v&sub0; - V&sub0; β ΔT, wobei vi das nach dem Füllen beim Druck Pi vorhandene Luftvolumen ist, und mit ΔT = Ti - T&sub0;, dann erhält man:
V&sub0;/v&sub0; = 1/β (1/ΔT - P&sub0;/Pi ΔT - P&sub0;/PiT&sub0;)
Löst man diese Gleichung auf, dann findet man den optimalen Füllungsgrad V&sub0;/v&sub0;, der einen Behälter ergibt, dessen Phasenwechseltemperatur des Fluids der Umgebungstemperatur folgt.
Der Füllungsgrad V&sub0;/v&sub0; in der nachfolgenden Tabelle wurde für FC 87 unter Berücksichtigung einer Fülltemperatur (T&sub0;) von 20ºC bei Atmosphärendruck (P&sub0;) berechnet, wobei das verwendete Gas Luft bei 20ºC ist.
Man stellt fest, daß bei einem Füllungsgrad V&sub0;/v&sub0; des Behälters von 9,5 bei einer Umgebungstemperatur von 20ºC beim Füllen bei der Verwendung des Wärmeabfuhrsystems zwischen 45 und 55ºC die Umgebungstemperatur variieren kann, während zugleich eine auf diese Umgebungstemperatur nachgeregelte Phasenwechseltemperatur beibehalten wird, d.h. 50ºC und 60ºC, wobei diese Temperaturdifferenz dem thermischen mechanischen Restwiderstand Rth zwischen dem Sockel des Bauelements und dem Fluid entspricht (geschätzt auf 5ºC). Hätte man nur einen Füllungsgrad von 8,9 gewählt, dann hätte man nicht genug Fluid im Behälter, so daß für eine Umgebungstemperatur von 50ºC das Fluid sich nicht stark genug ausgedehnt hätte. Daher wäre die Druckerhöhung unzureichend und es gäbe keine Kondensation des Fluids, d.h. die Kühlung des Bauelements wäre unzureichend.
Der Betrieb eines solchen Wärmeabfuhrsystems wird nun anhand von Figur 5 beschrieben. Der Kurvenverlauf 51 in dieser Figur zeigt die Entwicklung der Temperatur ts in ºC des Sockels des Bauelements 11 abhängig von der Umgebungstemperatur (Ti) in ºC. Die Mittellinie 50 gibt den Verlauf der Umgebungstemperatur an und t3 bezeichnet die vorgesehene maximale Umgebungstemperatur (55ºC).
Solange die Temperatur unter t2 bleibt (45ºC), wird das Bauelement 11 im wesentlichen durch Wärmeleitung über den Körper des Behälters 21 gekühlt. Das Fluid 22 hat nur einen geringen Anteil am Wärmeübergang zwischen dem Bauelement 11 und dem Wärmeabfuhrorgan 12. Nähert sich die Umgebungstemperatur aber t2, dann dehnt sich das Fluid 22 etwas aus, und man beobachtet eine Erhöhung des Partialdrucks aufgrund der im Behälter vorhandenen Luft, so daß die Kurve 51 sich zu neigen beginnt. Ist t2 erreicht, verdampft das Fluid 22 und die Temperatur des Sockels sinkt rasch ab. Die Temperaturdifferenz ΔT3 von etwa 5ºC zwischen dem Sockel und der Umgebung beruht auf dem verbleibenden Wärmewiderstand an den mechanischen Übergängen zwischen dem Bauelement 11 und dem Wärmeabfuhrorgan 12. Jenseits der Temperatur t2 folgt die Temperatur des Sockels des Bauelements 11 der Umgebungstemperatur und der Temperaturunterschied ΔT3 bleibt konstant.
So verändert die Druckerhöhung im Inneren des Behälters die Phasenwechseltemperatur des Fluids derart, daß die Temperatur des Sockels des Bauelements der Umgebungstemperatur in einem Abstand von ΔT3 nachfolgt. In dieser Ausführungsform gelangt das Fluid 22 nicht in Kontakt mit der Wand, an der das Wärmeabfuhrorgan 12 befestigt ist, da die Luftschicht dies verhindert, die das freie Gasvolumen bil det, das während des Füllens des Behälters durch das Fluid optimiert wurde.
Figur 3 zeigt eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Wärmeabfuhrsystems.
Das Bauelement 11 ist hier ein Mikrowellentransistor, der in einem Gehäuse 30 zur elektromagnetischen Abschirmung montiert ist, welches von einem mit einem Deckel 32 verschlossenen Sockel 31 gebildet wird.
Der Sockel 31 umschließt ein Substrat, auf dem elektrische Leiterbahnen in Form von Mikrobandleitungen ausgebildet sind. Diese Mikrobandleitungen sind an das Bauteil 11 über Lötpunkte angeschlossen. Das Substrat ist üblicherweise eine Mischung aus einem Glas und aus Teflon, und das Bauelement 11 ist in einem Ausschnitt im Sockel 31 im allgemeinen durch Kleben oder Verschrauben befestigt. Der Ausschnitt ermöglicht es, das Bauelement 11 an einen Behälter 33 anzulegen, der das Fluid 22 enthält. Dieser Behälter 33 besitzt zwei im wesentlichen parallele Wände 34 und 35, und das Bauelement 11 sowie das Wärmeabfuhrorgan 12 sind je an einer dieser Wände befestigt. Der Behälter 33 besitzt weiter zwei Eckbereiche 36, die hier auf der Seite des Wärmeabfuhrorgans 12 liegen und Zonen der Konzentration der unter Druck stehenden von Luft bilden, deren Aufgabe nachfolgend in Verbindung mit der Kurve 52 in Figur 5 erläutert wird.
Man kann drei Betriebszustände einer Vorrichtung gemäß Figur 3 unterscheiden. In einem ersten Betriebszustand ist die Umgebungstemperatur niedrig und sehr viel niedriger als die Nennphasenwechseltemperatur, beispielsweise 10ºC (für eine Phasenwechseltemperatur von 30ºC bei atmosphärischem Druck). Der Wärmewiderstand zwischen dem Bauelement 11 und dem Wärmeabfuhrorgan 12 ist durch den Körper des Behälters 33 bestimmt, wobei das Fluid 22 kaum eine Rolle spielt, da es mit der oberen Wand des Behälters nicht in Berührung steht, auf der das Bauelement befestigt ist. Dieser Temperaturunterschied ΔT1 ist derselbe wie oben für die Kurve 51 angegeben und beträgt etwa 15ºC. Wenn die Umgebungstemperatur zunimmt und eine unter der Phasenwechseltemperatur liegende Temperatur t1 von beispielsweise etwa 35ºC erreicht, dehnt sich das Fluid 22 stark genug aus, um mit der Wand 35 in Kontakt zu kommen, auf der das Wärmeabfuhrorgan 12 befestigt ist, und um die vom Wärmeabfuhrorgan besetzte Fläche zu bedecken. Der Wärmewiderstand zwischen dem Bauelement 11 und dem Wärmeabfuhrorgan 12 gleicht nun im wesentlichen dem des Fluids 22. Dieser Wärmewiderstand ist sehr gering für ein Fluid wie z.B. FC 87, nämlich etwa 5,5 bis 7,2 W/cmK. Der Temperaturunterschied ΔT2 hängt von der Wärmeleitfähigkeit des Fluids im flüssigen Zustand ab und beläuft sich beispielsweise auf 10ºC. Die im Behälter 33 vorhandene Luft wird dann in den Eckbereichen 36 komprimiert. Dies entspricht dem zweiten Betriebszustand.
Im dritten Zustand übersteigt die Umgebungstemperatur die vorgesehene Phasenwechseltemperatur und es gibt keinen Temperaturunterschied zwischen dem Sockel des Bauelements 11 und dem Wärmeabfuhrorgan 12. Der Wärmewiderstand beruht dann allein auf der verwendeten Mechanik, und man beobachtet einen Temperaturunterschied ΔT3. Dieses Phänomen setzt sich über einen großen Temperaturbereich fort und die Kurve 52 fällt dann mit der Kurve 51 zusammen.
Beispielsweise beträgt für das oben erwähnte Fluid und ein Volumen, das bei 20ºC zu 90% des Gesamtvolumens des Behälters gefüllt ist, der Druck Pi 1,28 Bar für eine Umgebungstemperatur von 33ºC sowie 3,28 Bar für eine Umgebungstemperatur von 65ºC.
Es sei bemerkt, daß die Strukturen der Wärmeabfuhrsysteme der Figuren 2 und 3 einen optimalen Wärmeabfuhrkegel ergeben, da die Wärmequelle des Bauelements in thermischem Kontakt mit dem gesamten Sockel des Wärmeabfuhrorgans steht. Ein Wärmeabfuhrkegel entspricht der Wärmeleitung im Inneren des Behälters in Richtung zum Wärmeabfuhrorgan. Die obere Oberfläche dieses Kegels entspricht der des Halbleiterübergangs des Bauelements, in dem die Wärme erzeugt wird.
Figur 4 zeigt eine dritte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wärmeabfuhrsystems.
In dieser Figur ist das Bauelement 11 auf derselben Wand des Behälters wie das Wärmeabfuhrorgan 12 befestigt. Diese Wand trägt das Bezugszeichen 41 und der Behälter das Bezugszeichen 40. Das Wärmeabfuhrorgan 12 liegt oberhalb des Bauelements 11, und der Behälter 40 steht also aufrecht. Wie in Figur 3 enthält der Behälter 40 eine Zone 42, die mit Luft unter Druck gefüllt ist, wenn die Umgebungstemperatur eine Ausdehnung des Fluids hervorruft.
Andere Ausführungsformen sind natürlich möglich, und die Form des Behälters und die Anordnung der Luftzonen können den Bedürfnissen angepaßt werden. Es ist auch möglich, Luft durch ein anderes Gas zu ersetzen, wobei nur wichtig ist, daß eine Ausdehnung des Fluids zu einer Druckerhöhung im Inneren des Behälters führt, wobei dieser Druck dem Partialdruck aufgrund dieses Gases entspricht.
Der wesentliche Vorteil der Erfindung besteht darin, daß das zu kühlende Bauelement im wesentlichen auf Umgebungstemperatur gehalten wird und daß bei niedriger Umgebungstemperatur das Bauelement nicht über das Fluid des Behälters, sondern nur über die verwendeten metallischen Bauteile gekühlt wird (der Körper des Behälters dient als Wärmesenke). Wenn dagegen die Umgebungstemperatur ansteigt, wird das Bauelement auf diese Umgebungstemperatur (bis auf den Unterschied ΔT3) gebracht. Man mchte also das Bauelement in einem relativ engen Temperaturbereich halten, d.h. daß seine Betriebseigenschaften erhalten bleiben. Es ist nämlich wünschenswert, die Temperatur des Bauelements bei niedriger Umgebungstemperatur nicht verändern zu müssen, so daß sie der Umgebungstemperatur nachfolgt.
In einem Kühlsystem mit Wärmerohr enthält der Behälter nur das Fluid, das einen Wärmetransfer gewährleistet, und der Arbeitspunkt ist somit nur an die Clapeyron-Formel geknüpft, da die Ausdehnung des Fluids aufgrund der Erhöhung der Umgebungstemperatur keine erhöhten Druck erzeugt und somit nicht die Phasenwechseltemperatur verändert. In einem Wärmerohr wird nach dem Einfüllen der Flüssigkeit die Luft, die beim Einfüllen hineingelangt ist, abgepumpt, so daß der Druck im Inneren des Wärmerohrs dem Sättigungsdampfdruck gleicht und nur noch Fluid im Wärmerohr ist.
Dagegen verwendet die Erfindung einen geschlossenen Behälter, der eine bestimmte Menge eines vom verwendeten Fluid unterschiedlichen Gases enthält, wobei das Fluidvolumen von Bedeutung ist. Die Ausdehnung des Fluids addiert sich zu den Wirkungen des Clapeyron-Gesetzes und führt zu einer Regelung der Phasenwechseltemperatur des Fluids gemäß der Umgebungstemperatur.
Das erfindungsgemäße System verbindet Wirksamkeit, geringe Kosten und geringen Raumaufwand. Es ist auch möglich, mehrere zu kühlende Bauelemente auf einem gemeinsamen Behälter zu befestigen. Man kann auch einen Behälter verwenden, der das Wärmeabfuhrorgan und/oder ein Abschirmungsgehäuse wie in Figur 3 gezeigt als integralen Bestandteil enthält.

Claims

1. System zur Abfuhr von Wärme, die von einem elektronischen Bauelement abgegeben wird, wobei das System einen ein Fluid (22) enthaltenden geschlossenen Metallbehälter (21, 33, 40) aufweist und das Bauelement (11) an der Außenwand des Behälters (21, 33, 40) befestigt und mit einem Wärmeabfuhrorgan (12) über diesen Behälter (21, 33, 40) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasenwechseltemperatur des Fluids (22) bei Atmosphärendruck niedriger als eine gegebene maximale Umgebungstemperatur (t2) ist und daß der Behälter (21, 33, 40) weiter ein Volumen eines sich vom Fluid (22) unterscheidenden Gases (23, 36, 42) enthält, derart, daß eine Veränderung der Umgebungstemperatur zu einer Veränderung des Drucks im Inneren des Behälters (21, 33, 40) führt, wodurch die Phasenwechseltemperatur des Fluids (22) verändert wird.

2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Behälter (21, 33) zwei im wesentlichen parallele Wände (34, 35) besitzt und daß das Bauelement (11) sowie das Wärmeabfuhrorgan (12) je an einer dieser Wände (34, 35) befestigt sind.

3. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Bauelement (11) und das Wärmeabfuhrorgan (12) an einer gemeinsamen Wand (41) des Behälters (40) befestigt sind.

4. System nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Behälter (40) mindestens eine Zone (36, 42) aufweist, in der sich das nicht mit Fluid (22) besetzte Volumen von unter Druck stehendem Gas konzentriert, wenn die Umgebungstemperatur unter der maximalen Umgebungstemperatur liegt, wobei aufgrund dieser Zone (36, 42) das Bauelement (11) und das Wärmeabfuhrorgan (12) über das Fluid (2) in Wärmekontakt gelangen.

5. System nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Bauelement (11) ein Mikrowellentransistor ist, der in einem als elektromagnetische Abschirmung wirkenden Gehäuse (30) montiert ist.

6. System nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Füllungsgrad des Behälters (21, 33, 40) mit dem Fluid (22) folgender Formel entspricht:

V&sub0;/v&sub0; = 1/β (1/ΔT - P&sub0;/Pi ΔT - P&sub0;/PiT&sub0;)

mit v&sub0; = vi + v&sub0; β ΔT;

hierbei ist:

- V&sub0; das verwendete Fluidvolumen (22),

- v&sub0; das verbleibende Gasvolumen im Inneren des Behälters (21, 33, 40) bei den Anfangsbedingungen,

- β der Ausdehnungskoeffizient des Fluids (22),

- ΔT = Ti - T&sub0;, wobei Ti die maximale Umgebungstemperatur und T&sub0; die Temperatur ist, bei der der Behälter (21, 33, 40) gefüllt wird,

- P&sub0; der Umgebungsdruck beim Füllen des Behälters (21, 33, 40),

- Pi der Druck im Inneren des Behälters (21, 33, 40) bei der Temperatur Ti,

- vi das Gasvolumen im Behälter (21, 33, 40) beim Druck Pi.

7. System nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das verwendete Gas Luft ist.

8. Verschlossener Metallbehälter, dessen Innenvolumen ein Fluid (22) enthält, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasenwechseltemperatur des Fluids (22) bei Atmosphärendruck unter einer gegebenen maximalen Umgebungstemperatur (t2) liegt und daß der Behälter (21, 33, 40) weiter ein Volumen (23, 36, 42) sich von dem Fluid (22) unterscheidenden Gases enthält, derart, daß eine Veränderung der Umgebungstemperatur zu einer Veränderung des Drucks im Inneren des Behälters (21, 33, 40) führt, die wiederum die Phasenwechseltemperatur des Fluids (22) verändert.

9. Behälter nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß er mindestens eine Zone (36, 42) besitzt, in der sich das nicht mit dem Fluid (22) gefüllte Volumen des unter Druck stehenden Gases konzentriert, wenn die Umgebungstemperatur unter der maximalen Umgebungstemperatur liegt, so daß aufgrund dieser Zone (36, 42) das elektronische Bauelement (11) und ein Wärmeabfuhrorgan (12) über das Fluid (22) in Kontakt gelangen.

10. Behälter nach einem der Ansprüche 8 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Füllungsgrad des Behälters (21, 33, 40) mit dem Fluid (22) folgender Formel entspricht:

V&sub0;/v&sub0; = 1/β (1/ΔT - P&sub0;/PiΔT - P&sub0;/PiT&sub0;)

mit v&sub0; = vi + v&sub0; β ΔT