DE7224356U - Arrangement for cooling a medium by means of a heat pipe - Google Patents
Arrangement for cooling a medium by means of a heat pipeInfo
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Description
Anordnung zur Kühlung eines Mediums mittels eines WärmerohresArrangement for cooling a medium by means of a heat pipe
Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Kühlung eines Mediums mittels eines Wärmerohres, das aus einem an beiden Enden verschlossenen, innen mit einem Docht kapillarer Struktur ausgekleideten Rohr besteht, welches teilweise mit einem verdampfbaren Arbeitsfluid gefüllt ist, das in mindestens einem Verdampfungsabschnitt, der mit dem zu kühlenden Medium in Wärmekontakt steht, verdampft und in mindestens einem Kondensationsabschnitt des Rohres kondensiert.The invention relates to an arrangement for cooling a medium by means of a heat pipe, which consists of one of the two The ends are closed, the inside lined with a wick capillary structure tube, which is partially with a vaporizable working fluid is filled in at least an evaporation section, which is in thermal contact with the medium to be cooled, and evaporates in at least one Condensation section of the pipe condenses.
Auf dem Gebiet der Kühltechnik ist es bereits bekannt, z.B. aus der USA-Patentschrift 2 350 348 oder aus der Zeitschrift "Chemie-Ingenieur-Technik", 39. Jahrgang, 1967, Heft 1, Seiten 21 bis 26, sogenannte Wärmerohre einzusetzen. Ein solches Wärmerohr besteht aus einem beidseitig geschlossenen Rohr, dessen Innenwand mit einem Docht kapillarer Struktur bedeckt ist. Der Docht ist mit einem flüssigen Arbeitsfluid gesättigt, z.B. mit Preon, Methanol, Äthanol, Aceton, Benzol oder Wasser. Wird der eine Teil des Wärmerohres beheizt, so daß dort das Arbeitsfluid aus dem Docht verdampft, so strömt der Dampf in Richtung des Temperaturgefälles. Er kondensiert am anderen Teil, wobei er die Verdampfungswärme abgibt. Der mit dem zu kühlenden Medium in Wärmekontakt stehende, beheizte Teil des Wärmerohres wird im folgenden als Verdampfungsabschnitt, der im allgemeinen mit einer Kühlrippenanordnung ausgestattete andere Teil des Wärmerohres wird im folgenden als Kondensationsabschnitt bezeichnet. Das am Kondensationsabschnitt verflüssigte Arbeitafluid wird im Docht durch Kapillarkräfte aum be-In the field of cooling technology it is already known to use so-called heat pipes, for example from US Pat. No. 2,350,348 or from the magazine "Chemie-Ingenieur-Technik", 39th year, 1967, issue 1, pages 21 to 26. Such a heat pipe consists of a tube that is closed on both sides, the inner wall of which is covered with a wick with a capillary structure. The wick is saturated with a liquid working fluid such as Preon, methanol, ethanol, acetone, benzene or water. If one part of the heat pipe is heated so that the working fluid evaporates from the wick there, the steam flows in the direction of the temperature gradient. It condenses on the other part, giving off the heat of evaporation. The heated part of the heat pipe in thermal contact with the medium to be cooled is referred to below as the evaporation section, the other part of the heat pipe generally equipped with a cooling fin arrangement is referred to below as the condensation section. The working fluid liquefied at the condensation section is loaded in the wick by capillary forces.
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heizten Verdampfungsabschnitt des Wärmerohres zurückgefördert. Bei geeigneter Dimensionierung des Wärmerohres kann das Arbeitefluid auch gegen die Schwerkraft arbeiten.heated evaporation section of the heat pipe conveyed back. If the heat pipe is suitably dimensioned, the working fluid can also work against gravity.
Das bekannte Wärmerohr ist aue einem Stück gefertigt und besteht aus Metall. Das zu kühlende Medium, das feet, flüssig oder gasförmig sein kann, ist daher elektrisch leitend mit dem Kondensationsabschnitt verbunden. Für viele Anwendungefälle ist das unerwünscht. Ist das Wärmerohr beispielsweise zur Kühlung eines Halbleiterbauelements vorgesehen, so steht dieses über einen metallischen Kühlkörper, der den Verdampfungsabschnitt umschließt, mit dem Kondensationsabschnitt und damit mit der dort angeordneten Kühlrippenanordnung in elektrisch leitender Verbindung. Da solche Halbleiterbauelemente im allgemeinen mit hohen Spannungen und Strömen betrieben werden, kann sich daraus eine Gefährdung des Bedienungspersonals ergeben. Für Zwecke des praktischen Einsatzes, z.B. auch bei Flüssigkeitskühlung, ist daher eine elektrische Potentialtrennung von Verdampfungsabschnitt(en) und Kondensationsabschnitt (en) des Wärmerohres angebracht.The well-known heat pipe is made of one piece and consists of metal. The medium to be cooled, the feet, liquid or can be gaseous, is therefore electrically conductively connected to the condensation section. For many applications is that undesirable. If the heat pipe is provided, for example, to cool a semiconductor component, it is stationary Via a metallic heat sink, which encloses the evaporation section, with the condensation section and thus with the cooling fin arrangement arranged there in an electrically conductive connection. Since such semiconductor components are generally operated with high voltages and currents, this can endanger the operating personnel. For purposes of practical use, e.g. also for Liquid cooling, electrical potential separation of the evaporation section (s) and condensation section (s) of the heat pipe is therefore appropriate.
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine Kühlanordnung der eingangs genannten Art so auszugestalten, daß Verdampfungsabschnitt(e) und Kondensationsabschnitt(e) des Wärmerohres elektrisch voneinander getrennt sind.The invention is therefore based on the object of designing a cooling arrangement of the type mentioned in such a way that Evaporation section (s) and condensation section (s) of the The heat pipe are electrically isolated from one another.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Rohr aus mindestens zwei Rohrteilen aus gut wärmeleitendem Material und einem koaxial dazwischengesetzten rohrförmigen Zwischenstück gleichen Innendurchmessers aus elektrisch isolierendem Material besteht, daß über das Zwischenstück einschließlich seiner Stoßflächen eine die Stoßflächen abdichtende Hülse aus elektrisch isolierendem Material geschoben ist, daß der Docht zumindest im Bereich des Zwischenstücks aus einem elektrisch isolierendem Material besteht und daß das Arbeitsfluid elektrisch nichtleitend ist.According to the invention, this object is achieved in that the tube consists of at least two tube parts made of highly thermally conductive Material and a tubular coaxially interposed therebetween Intermediate piece of the same inner diameter consists of electrically insulating material that over the intermediate piece including its abutment surfaces, a sleeve made of electrically insulating material sealing the abutment surfaces is pushed is that the wick consists of an electrically insulating material, at least in the region of the intermediate piece, and that the working fluid is electrically non-conductive.
Die einfachste Ausführungsform dieser Anordnung ist dadurch gegeben, daß das Rohr aus zwei je an einem Ende verschlossenenThe simplest embodiment of this arrangement is given by the fact that the tube consists of two each closed at one end
SIEMENS AKTIENGESELISOHAPT Akt.Z.: fit 72 24 356.2 Berlin und MünchenSIEMENS AKTIENGESELISOHAPT current date: fit 72 24 356.2 Berlin and Munich
Unser Zeichens VPA 72/3138 Nm/MetOur mark VPA 72/3138 Nm / Met
Röhrteilen und aus einem dazwischen eingefügten, rohrförmigen Zwischenstück besteht. Bei einer weiteren Ausführungsform ist dagegen vorgesehen, daß das Rohr aus zwei an einem Ende verschlossenen Rohrteilen und aus einem mittleren Rohrteil jeweils aus gut wärmeleitendem Material besteht, zwischen welchen je ein rohrförmiges Zwischenstück aus elektrisch isolierendem Material eingefügt ist, das von einer Hülse umschlossen ist. Diese Ausführu&gsform besitzt je einen Kondensationsabschnitt an den beiden Enden des Wärmerohres und einen Verdampfungsabsohnitt im mittleren Teil Sia ist besonders geeignet für eine Kühlanordnung für flache Halbleiterbauelemente.Tubular parts and a tubular one inserted between them There is an intermediate piece. In a further embodiment, however, it is provided that the tube of two closed at one end Pipe parts and a central pipe part each made of a highly thermally conductive material, between which a tubular intermediate piece made of electrically insulating material is inserted, which is enclosed by a sleeve. This embodiment each has a condensation section on the two Ends of the heat pipe and an evaporation section in the middle part Sia is particularly suitable for a cooling arrangement for flat semiconductor components.
Aus Gründen einer einfachen Montage und aus Gründen der Rüttelfegtigkeit ist es zweckmäßig, die bisher übliche starre Konstruktion des Wärmerohres aufzugeben und dieses flexibel auszubilden. Nach einer Weiterbildung der Anordnung ist daher vorgesehen, daß das Zwischenstück und die Hülse aus biegbarem Material bestehen. Ist bei der praktischen Anwendung die Rüttelfestigkeit nicht erforderlich, so genügt es, dart Zwischenstück und die Hüitse aus einem steifen Material zu fertigen und gebogen auszuführen. Weiterhin ist es auch möglich, das rohrförmige Zwischenstück und die Hülse aus einem Stück zu fertigen.For reasons of simple assembly and for reasons of vibration ability it is advisable to abandon the previously customary rigid construction of the heat pipe and to make it flexible. According to a further development of the arrangement, it is therefore provided that the intermediate piece and the sleeve are made of flexible material. If the vibration resistance is not required in practical use, it is sufficient to remove the intermediate piece and the sleeve to be made of a rigid material and to be curved. Furthermore, it is also possible to use the tubular intermediate piece and to manufacture the sleeve from one piece.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der beigefügten Figur dargestellt undwLrd im folgenden unter Angabe von Vorteilen näher erläutert.An embodiment of the invention is shown in the attached figure and is shown below with details of advantages explained in more detail.
Die Figur zeigt eine Anordnung mit ainem dreiteiligen Wärmerohr 2, welche zur Kühlung eines Mediums 3 vorgesehen ist. Das zu kühlende Medium 3 kann beispielsweise eine FlüssigkeitThe figure shows an arrangement with a three-part heat pipe 2, which is provided for cooling a medium 3. The medium 3 to be cooled can, for example, be a liquid
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\ oder aber ein Kühlkörper sein, welcher die von einem nicht gezeigten Halbleiterbauelement im Betrieb entwickelte Verlustwärme aufnimmt. Das Wärmerohr 2 besteht aus zwei Rohrteilen 4 und 5 aus gut wärmeleitendem Material, z.B. aus Kupfer oder Aluminium, und aus einem rohrförmigen Zwischenstück 6, das aus einem elektrisch isolierenden Material, z.B. aus einem Kunststoff, gefertigt ist. Das rohrförmige Zwischenstück 6, das auch aus einem elastischen oder flexiblen Material bestehen kann, ist zwischen den beiden Rohrteilen 4 und 5 koaxial zu diesen eingefügt und besitzt denselben Innendurchmesser. Sie beiden Rohrteile 4 und 5 sind an ihren äußeren Enden verschlossen. Das Rohrteil 4 iat wärmekontakt- \ Or be a heat sink, which absorbs the heat loss developed by a semiconductor component (not shown) during operation. The heat pipe 2 consists of two pipe parts 4 and 5 made of a material that conducts heat well, for example copper or aluminum, and a tubular intermediate piece 6 made of an electrically insulating material, for example a plastic. The tubular intermediate piece 6, which can also consist of an elastic or flexible material, is inserted between the two tube parts 4 and 5 coaxially to these and has the same inner diameter. You two pipe parts 4 and 5 are closed at their outer ends. The pipe part 4 iat heat contact
schlüssig mit dem zu kühlenden Medium 3 verbunden und bildet f Λcoherently connected to the medium to be cooled 3 and forms f Λ
einen Verdampfungsabschnitt 7. Das Rohrteil 5 trägt einean evaporation section 7. The pipe part 5 carries a Kühlrippenanordnung 8 und bildet einen Kondensationsabschnitt 9.Cooling fin arrangement 8 and forms a condensation section 9.
Die Innenwand des dreiteiligen Wärmerohres 2 ist mit einem Docht 10 kapillarer Struktur ausgekleidet, welcher mit einem Arbeitsfluid getränkt ist. Das Arbeitsfluid besteht aus einer elektrisch isolierenden Flüssigkeit, z.B. aus destilliertem Wasser. Da der Docht 10 nur im Verdampfungsabschnitt 7 und im Kondensationsabschnitt 9 über den ganzen umfang fest an der Innenwand des Wärmerohres 2 anliefen muß, können sich das flexible Zwischenstück 6 und der Docht 10 unabhängig ( \ voneinander bei Erschütterungen bewegen, ohne daß eine Beein» trächtigung des Wärmetransports zu befürchten ist. Das Zwischenstück 6 und damit das Wärmerohr können somit abweichend von der Darstellung auch eine gebogene Sestalt annehmen. Damit sich keine elektrisch leitende Verbindung zwischen dem Veröampfungsabschnitt 7 und dec Kondensationsabschnitt 9 über den Docht 10 ergibt, muß dieser ganz oder zumindest im Bereich des Zwischenstücks 6 aus einem elektrisch isolierenden Material bestehen.The inner wall of the three-part heat pipe 2 is lined with a wick 10 of a capillary structure, which is soaked with a working fluid. The working fluid consists of an electrically insulating liquid, for example distilled water. Since the wick 10 must anliefen only in the vaporization section 7 and in the condensation section 9 over the entire circumference fixedly to the inner wall of the heat pipe 2, the flexible intermediate piece 6 and the wick can scroll 10 is independently (\ from each other in vibration, without a embedding »trächtigung The intermediate piece 6 and thus the heat pipe can thus, deviating from the illustration, also assume a curved shape. So that there is no electrically conductive connection between the evaporation section 7 and the condensation section 9 via the wick 10, the wick 10 must be completely or at least consist of an electrically insulating material in the area of the intermediate piece 6.
Das flexibel oder starr ausgebildete rohrförmige Zwischenstück 6 muß mit den Oberflächen von Rohrteil 4 und Rohrteil 5 einen flächenhaft stetigen übergang bilden. Zur Versteifung des O Wärmerohrs 2 und zur Abdichtung der Stoßflächen 11 und 12 istThe flexible or rigid tubular intermediate piece 6 must form a continuous transition over the surface of the pipe part 4 and pipe part 5. To stiffen the O heat pipe 2 and to seal the abutting surfaces 11 and 12 is
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■' eine Hülse 13 vorgesehen, welche aus einem elektrisch isolierenden Material, z.B. ebenfalls aus Kunststoff, besteit. Die Hülse 13 ist über das Zwischenstück 6 einschließlich seiner Stoßflächen 11 und 12 geschoben. Sie ragt genügend weit über den Bereich des Zwischenstücks 6 beidseitig hinaus und liegt an dessen Außenfläche eng an. Die Hülse 13 ist auf den Rohrteilen 4 und 5 durch Klebung, Pressung oder mechanische Befestigung (Gewinde, Spannbänder) festgehalten. Auf diese Weise ist dafür gesorgt, daß das Zwischenstück 6 in seiner Lage festgehalten ist und daß kein Arbeitsfluid nach außen treten kann. Zwischenstück 6 und Hülse 13 können aus verschiedenem oder gleichem Material bestehen und dabei auch aus einem■ 'a sleeve 13 is provided, which consists of an electrically insulating Material, e.g. also made of plastic, is made of. the The sleeve 13 is pushed over the intermediate piece 6 including its abutment surfaces 11 and 12. It protrudes far enough the area of the intermediate piece 6 on both sides and rests closely on its outer surface. The sleeve 13 is on the pipe parts 4 and 5 held in place by gluing, pressing or mechanical fastening (thread, tightening straps). In this way it is ensured that the intermediate piece 6 is held in its position and that no working fluid escapes to the outside can. Intermediate piece 6 and sleeve 13 can consist of different or the same material and also of one
χ Stück gefertigt sein.χ piece to be made.
Prinzipiell kann auf die Hülse 13 auch verzichtet -werden, wenn
an den Stoßflächen 11 und 12 jeweils eine Schraubverbindung zwischen den Rohrteilen 4 und 5 einerseits und dem Zwischenstück
6 andererseits vorgesehen ist. Solche Schraubverbindungen zwischen ungleichen Materialien bieten jedoch keine Gewähr
für eine flüssigkeitsdichte Befestigung, insbesondere dann nicht, wenn das Zwischenstück 6 aus biegsamem Material besteht
und häufig auf Biegung beansprucht wird. Die Verwendung einer Hülse 13 mit elastischem Verhalten gewährleistet hingegen
neben einer flüssigkeitsdichten Verbindung eine Kompensation von Warmeapannungen.
)In principle, the sleeve 13 can also be dispensed with if a screw connection is provided on the abutment surfaces 11 and 12 between the pipe parts 4 and 5 on the one hand and the intermediate piece 6 on the other hand. Such screw connections between dissimilar materials, however, do not guarantee a liquid-tight fastening, in particular not when the intermediate piece 6 consists of flexible material and is often subjected to bending. The use of a sleeve 13 with elastic behavior, on the other hand, ensures, in addition to a liquid-tight connection, a compensation of heat stresses.
)
Wie bereits ausgeführt, obliegt die Abdichtung der Rohrteile 4 und 5 gegen das rohrförmige Zwischenstück 6 vorrangig der Hülse 13. Der große Flächenbereich, innerhalb dessen die Hülse 13 eng auf den Außenflächen der Rohrteile 4 "und 5 anliegt, wird dabei als Dichtungsfläche ausgebildet, z.B. durch Klebung, Pressung oder durch eine mechanische Verbindung. Zusätzlich kann das rohrfö:rmige Zwischenstück 6 an seinen Stirnseiten ebenfalls abdichtend mit den Stirnseiten der Rohrteile 4 und 5 verbunden sein. Nicht gezeigte Dichtungsringe aus Metall oder Kunststoff, die an den Stoßflächen 11 und 12 angeordnet sind, können diesem Zweck dienen.As already stated, the sealing of the pipe parts is responsible 4 and 5 against the tubular intermediate piece 6 primarily the Sleeve 13. The large surface area within which the Sleeve 13 rests tightly on the outer surfaces of the pipe parts 4 "and 5, is thereby formed as a sealing surface, e.g. by Gluing, pressing or a mechanical connection. In addition, the tubular intermediate piece 6 can be attached to his The end faces can also be connected to the end faces of the pipe parts 4 and 5 in a sealing manner. Sealing rings not shown made of metal or plastic, which are arranged on the abutment surfaces 11 and 12, can serve this purpose.
J Es sei darauf hingewiesen, daß das Wärmerohr 2 sowohl mit eines J It should be noted that the heat pipe 2 with both a
1:β:— : ::·■.. .-'".: VPA 72/3138 X1 : β: -: :: · ■ .. .- '". : VPA 72/3138 X
Docht 10 aus einem zylindrischen Bete als auch mit Gewindearteriea ausgekleidet sein kann, welche beispielsweise aus der deutschen Auslegeschrift 1 904 105 bekannt sind.Wick 10 can be lined with a cylindrical beetroot as well as with a threaded artery which, for example, consists of the German Auslegeschrift 1 904 105 are known.
Durch die vom Medium 3 zugeführte Wärme verdampft das Arbeitefluid im Verdampfungsabschnitt 7 und gelangt in Richtung der Pfeile 14 in den Kondensationsabschnitt 9t der durch die mit Kühlblechen versehene Küh.lrippenanordnung 8 gekühlt wird. Hier kondensiert das Arbeitsfluid und gibt dabei die Verdampfungswärme ab. Die Kühlrippenanordnung 8 kana dabei durch einen Lüfter fremdgekühlt werden. Das kondensierte Arbeitsfluid strömt infolge der Kapillarwirkung innerhalb des Dochtes 10 zum Verdampfungsabschnitt 7 zurück, was durch die Pfeile 15 angedeutet ist.Due to the heat supplied by the medium 3, the working fluid evaporates in the evaporation section 7 and arrives in the direction of the Arrows 14 in the condensation section 9t by the with Cooling rib arrangement 8 provided with cooling plates is cooled. here the working fluid condenses and gives off the heat of vaporization. The cooling fin assembly 8 kana by a Fan are externally cooled. The condensed working fluid flows within the wick 10 due to the capillary action back to the evaporation section 7, which is indicated by the arrows 15 is indicated.
Das Rohrteil 4 ist also vom Rohrteil 5 durch den Docht 10, das rohrfb'rmige Zwischenstück 6, die Hülse 13 und das Arbeitsfluid, welche aus elektrisch isolierendem Material bzw. aus einer elektrisch nichtleitenden Flüssigkeit bestehen, elektrisch getrennt. Steht das Medium 3 unter elektrischer Spannung, so ist eine Gefährdung des Bedienungspersonals, das die Kühlrippenanordnung 8 oder das Rohrteil 5 berührt, nicht zu befürchten.The pipe part 4 is thus separated from the pipe part 5 by the wick 10, the tubular intermediate piece 6, the sleeve 13 and the working fluid, which are made of electrically insulating material or consist of an electrically non-conductive liquid, electrically separated. Is the medium 3 under electrical Voltage, this is a hazard to the operating personnel who touch the cooling fin arrangement 8 or the pipe part 5, not to fear.
4- Patentansprüche 1 Figur4- claims 1 figure
Claims (2)
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