NL9320011A - Warmteput. - Google Patents

Description

Warmteput.

Wannteput

Gebied van de uitvinding

De onderhavige uitvinding heeft betrekking op het terrein van warmteputten en in het bijzonder op warmteputten om te gebruiken in kleine elektronische apparatuur of apparatuur waarbij weinig ruimte bestaat voor warmteputten.

Achtergrond van de uitvinding

Tegenwoordig wordt een groot gedeelte van de inspanning in de elektrotechnische industrie aangewend om het elektronische produkt zo klein mogelijk uit te voeren, terwijl tegelijkertijd de prestaties van het produkt worden vergroot. Nergens anders is deze trend duidelijker dan op het terrein van de computers, alwaar zogenaamde "personal computers" in toenemende mate gedurende de afgelopen paar jaren kleiner zijn geworden. Tegelijkertijd hebben de fabrikanten tevens getracht om de kleinere computers zo snel en krachtig als mogelijk te maken. Daardoor ontstaat het probleem met betrekking tot warmteafgifte.

In het algemeen geldt dat hoe krachtiger de elektronische halfgeleider is, hoe meer warmte deze ontwikkelt. Tenzij de warmte afgevoerd wordt, kan de halfgeleider falen. Er bestaan verschillende algemeen bekende apparaten om dergelijke warmte af te voeren. Daartoe behoren verschillende met vinnen uitgevoerde warmteputten, welke de warmte via het oppervlak van de metalen vinnen afvoeren, en welke vaak in verband met computer gebruikt worden in samenhang met elektrische ventilatoren, welke lucht bewegen door de vinnen voor het verhogen van het koeleffect daarvan. Andere soorten warmteputten worden eveneens gebruikt, evenals andere koelapparaten zoals koelhuizen, welke lopen rond de apparatuur en welke een stroom van een bepaald koelmedium dragen. Het probleem met deze bestaande apparatuur is dat zij een grote hoeveelheid ruimte innemen. In feite nemen in veel toepassingen de warmteputten, ventilatoren en andere koelapparatuur meer ruimte in dan de halfgeleiders waarvoor zij als koelmedium bestemd zijn. Bovendien nemen deze warmteputten en overeenkomstige apparatuur "verticale" ruimte in. Dat wil zeggen dat zij een aanzienlijke hoogte bezitten, zodat het moeilijk wordt om ze onder te brengen in dunne behuizingen voor elektronica, ten minste zonder ze zodanig te verkleinen dat zij eigenlijk niet meer effectief zijn. Om dezelfde reden maakt de inspanning om de behuizing voor elektronische apparatuur zoals draagbare computers zo klein mogelijk te maken door ze zo dun en klein als mogelijk uit te voeren, zonder toe te geven op snelheid en kracht, de noodzaak voor dergelijke warmteputelementen in die behuizingen nog meer van belang.

Dienovereenkomstig is een doel van de uitvinding het verschaffen van een warmteput, waardoor een aanzienlijke hoeveelheid warmteafvoer wordt verschaft, terwijl bijzonder weinig ruimte wordt ingenomen, in het bijzonder bijzonder weinig verticale ruimte.

Samenvattting van de uitvinding

De huidige uitvinding betreft een warmteput voorzien van een dunne plaat vervaardigd van een warmtegeleidend materiaal, welke plaat is voorzien van een reeks kleine schoorstenen welke daardoor lopen. De plaat is geschikt om te passen over een volledige plaat met bedrukte bedrading, waarbij contact gemaakt wordt met de elektronische halfgeleiders op de plaat, waarbij de schoorstenen zich daartussen bevinden. De schoorstenen zijn uitgevoerd voor het ondersteunen van natuurlijke of geforceerde luchtstroming door de plaat door het verminderen van de drukval die ontstaat bij dergelijke openingen. Wanneer in gebruik neemt de warmteput volgens de uitvinding vrijwel geen verticale ruimte in, terwijl een effectieve warmteafvoer verschaft wordt voor een veelvoud van elektronische componenten op een plaat.

Volgens de voordelige uitvoering, omvat een warmteput overeenkomstig de onderhavige uitvinding een vlakke koperen plaat bekleed met een elektrisch isolerende, zwarte epoxyverf. De plaat is bemeten in relatie met de printplaat waarmee deze wordt gebruikt, maar een gebruikelijke afmeting is 6 inch bij 9 inch. De plaat heeft een dikte van twintigduizendsten inch. De warmteput bezit een reeks gaten welke met onderlinge tussenruimte over het oppervlak daarvan verdeeld zijn aangebracht. De plaats van die gaten hangt af van de configuratie van de elektronische elementen op de printplaat waarvoor de warmteput bestemd is te worden gebruikt. In het algemeen zijn de gaten echter zodanig geplaatst dat zij zich bevinden boven de banen tussen de elektronische apparaten op de printplaat, zodra de warmteput op zijn plaats is aangebracht. De gaten zijn niet cilindrisch. In plaats daarvan bezitten zij een brede bodem en gekromde, tapse zijden welke opwaarts lopen naar een smallere open bovenzijde welke zich ongeveer een tiende van een inch bevindt boven de rest van de plaat van de warmteput. De warmteput volgens de voordelige uitvoering bezit tevens uitlijngaten voor het verzekeren van een juiste plaatsing van de warmteput op de printplaat boven de elektronische apparaten. Een juiste plaatsing is tevens vergemakkelijkt door een reeks indrukkingen aan de onderzijde van de warmteput, waarmee beoogd is een goed uitlijnen te verschaffen van de warmteput met de elektronische apparaten waarboven de put dient te worden geplaatst. De warmteput wordt vastgehouden aan de printplaat door verbindingselementen bij de hoeken daarvan, en dubbelvlakkige, warmtegeleidende folie verbindt de halfgeleiderapparaten aan de printplaat met de onderzijde van de warmteput volgens de uitvinding. In werking voert de warmteput warmte af vanaf alle elektronische apparaten op de printplaat waarmee de warmteput is gekoppeld, en de gaten of schoorstenen verschaffen luchtstromingdoorlaten met lage drukvallen voor het ondersteunen van een koelende luchtstroom rond de elektronische apparten voor het verder afvoeren van de daardoor ontwikkelde warmte. Tegelijkertijd neemt de warmteput volgens de onderhavige uitvinding bijzonder weinig verticale ruimte in de op de printplaat.

Beschrijving van de voorkeursuitypering

Nu wordt overgegaan op een volledige beschrijving van de voorkeursuitvoering, nadat de tekeningen in het kort zijn beschreven.

Figuur 1 is een perspectivisch aanzicht van een warmteput volgens de onderhavige uitvinding bevestigd op een plaat met bedrukte bedrading; figuur 2 is een bovenaanzicht van de warmteput van figuur 1; figuur 3 is een vergroot aanzicht van een gedeelte van de zijde van de warmteput van figuur 1; figuur 4 is een vergroot aanzicht van één van de schoorstenen van de warmteput van figuur 1; en figuur 5 is een vergroot aanzicht van de wand van de warmteput van figuur 1.

Structuur

Onder verwijzing naar figuur 1, is een warmteput overeenkomstig de onderhavige uitvinding getoond bij 10. De warmteput 10 omvat in hoofdzaak een plaat 20 met een bovenvlak 22 en een benedenvlak 24, met een reeks schoorstenen 30 welke daar doorheen lopen. De warmteput 10 is in figuur 1 weergegeven als verbonden met een plaat 40 met bedrukte bedrading, waarop is bevestigd een aantal haflgeleiderapparaten 50 (slechts gedeeltelijk weergegeven in figuur 1).

Onder verwijzing naar figuur 1 en 2 is de plaat 20 rechthoekig en bezit ongeveer dezelfde lengte en breedte als de bedrukte printplaat 40. Volgens de voorkeursuitvoering zijn deze afmetingen 6 inch bij 9 inch. Andere afmetingen en vormen zijn mogelijk zonder hier af te wijken van de uitvinding, en het is niet altijd noodzakelijk dat de warmteput 10 de totale printplaat bedekt. De plaat 20 is vervaardigd van koper volgens de voorkeursuitvoering en bezit een dikte van ongeveer 0,020 inch. Andere materialen kunnen vanzelfsprekend eveneens worden gebruikt. Bijvoorbeeld kan aluminium worden gebruikt voor toepassingen waarbij de vereiste warmteafvoer niet zo groot is, of wanneer een lichter materiaal noodzakelijk is. Andere metalen kunnen eveneens worden gebruikt. De plaat 1 is bedekt met een zwarte epoxyverf welke een elektrische maar geen thermische isolatie verschaft. Een dergelijke verf is CC3_34l van Cast Coat, Ine. uit West Bridgewater, Massachusetts. De verf bedekt de totale plaat 10 waaronder zowel het bovenvlak 22 als het benedenvlak 24.

Zoals weergegeven in figuur 3 en 4, zijn alle schoorstenen 30 aan de plaat 10 identiek en hebben in hoofdzaak een konische dwarsdoorsnede.

Elke dergelijke schoorsteen 30 bezit een benedenopening 32 welke zich bevindt aan het benedenvlak 24 van de plaat. Volgens de voorkeursuitvoering bedraagt de diameter van de bodemopening 0,400 inch voor elke schoorsteen, hoewel andere afmetingen mogelijk zijn. Zoals het duidelijkst weergegeven in figuur 4, bezit elke schoorsteen 30 een binnenwaarts gekromde zijwand 34 welke vanaf de benedenopening 32 loopt naar een bovenopening 36. De bovenopening bezit een diameter van 0,200 inch volgens de voorkeursuitvoering, en de zijwand 34 loopt 0,100 inch boven het bovenvlak 22. Andere afmetingen zijn hier mogelijk. Met deze afmetingen bezit echter de schoorsteen 30 een inwendig oppervlak dat vele malen groter is dan dat van een gat met een diameter van 0,200 inch door de plaat 20. Volgens de voorkeursuitvoering worden de schoorstenen 30 met een gebruikelijk extrusieproces vervaardigd.

Zoals het duidelijkst is weergegeven in figuur 2, is de opstelling van de schoorstenen 30 niet willekeurig. In figuur 2 is gestippeld weergegeven beneden de plaat 20, de plaats van de halfgeleiderinrichtingen 50 welke zijn te koelen met de warmteput 10. Zoals weergegeven is met de stippellijnen, is de plaats van andere elektronische componenten 60 welke zich bevinden op de desbetreffende bedrukte printplaat 40 weergegeven in de figuren. Deze uitvoering van de halfgeleiders 50 en andere elektronische componenten 60 hangt af van de bedrukte printplaat 40 waarmee de warmteput 10 is te gebruiken. De hier weergegeven opstelling dient slechts ten behoeve van de illustratie.

Zoals voor vele bedrukte printplaten gebruikelijk is, zijn de halfgeleiders 50 en andere elektronische componenten 60 in meer of mindere mate in rijen opgesteld zodat open, luchtdoorlaten 62 bestaan tussen die componenten. Gewoonlijk, zoals weergegeven in figuur 2, zijn de schoorstenen 30 aangebracht in de plaat 20 boven de kruizing van dergelijke doorlaten 62 aan de plaat kO en boven anderzins open gebieden aan de plaat kO.

Zoals eveneens is getoond in figuur 2, bezit de plaat 20 een reeks daar doorheen uitgevoerde lokaliseergaten 26. De lokaliseergaten 26 zijn geplaatst boven tegenoverelkaar gelegen hoeken van de halfgeleiders 50 wanneer de warmteput 10 op de juiste wijze boven de plaat 40 is uitgelijnd. De gaten 26 maken visuele inspectie mogelijk waarmee deze uitlijning kan worden vastgesteld. De plaats van het gat 26 hangt vanzelfsprekend af van de plaats van de halfgeleiders 50 op de betreffende plaat 40 en kan aldus van plaat tot plaat variëren.

Bovendien, voor belangrijke halfgeleiders, zoals microprocessoren, is een driehoekig inspectiegat 28 verschaft zodat een visuele inspectie van het pennummer 1 van de microprocessor kan worden uitgevoerd wanneer de warmteput 10 zich op zijn plaats bevindt zodat kan worden vastgesteld of de pen nummer 1 van het apparaat op de juiste wijze is gepositioneerd.

Zoals weergegeven in figuur 3 is een ander uitlijnelement verschaft in de vorm van ribben 29 welke vanaf het benedenvlak 2k van de plaat 20 lopen. Deze ribben, welke ongeveer 0,030 inch hoog zijn volgens de voorkeursuitvoering, zijn zodanig opgesteld dat zij komen te grenzen aan elke halfgeleider 50. Dientengevolge, wanneer een warmteput 10 op zijn plaats is aangebracht, verschaffen de ribben 29 een geleiding voor het juist positioneren boven de halfgeleiders 50.

Zoals weergegeven in figuur 1 en 5 bezit de warmteput 10 een stel zijden 12, 14. De zijden 12, lk lopen naar beneden langs de langszijden van de plaat 20. Zoals getoond in figuur 5 zijn de zijden 12, Ik gevormd door het omvouwen van de randen van de plaat 20, hoewel andere elementen gebruikt kunnen worden. Connectoren 16 zijn gekoppeld met de zijden 12, 14 aan de einden daarvan, en de connectoren 16 worden gebruikt om de warmteput 10 te verbinden met de bedrukte printplaat k0. Elk standaardtype connector kan worden gebruikt. De connectoren 16 die gebruikt zijn bij de voorkeursuitvoering zijn van het type welke worden beschreven in de Amerikaanse octrooiaanvrage nr. 8θ4.8θ4, ingediend op 9 december 1991. Tengevolge van deze uitvoering met de zijden 12, 14 is de warmteput 10 aan elk breedte-einde open.

Het is ook mogelijk dat de zijden 12, 14 volledig rond de plaat 20 lopen zodat de einden gedeeltelijk afgesloten zijn. Terwijl hierdoor de luchtstroming enigzins wordt begrensd, is dit nuttig in situaties waarbij de plaat dient te worden afgeschermd van elektromagnetische straling (EMR) of radiofrequentieinterferentie (RFI).

Werking

In werking is de warmteput 10 zodanig uitgevoerd dat de schoorstenen 30, inspectiegaten 26, 28 en ribben 29 zoals hierboven aangeduidt overeenstemmen met de uitvoering van de bedrukte printplaat 40 waarmee de warmteput 10 dient te worden gebruikt. De halfgeleiders 50* welke rechtstreeks zijn te verbinden met de warmteput 10, bezitten elk een stuk dubbelzijdig, warmtegeleidend band 52 geplaatst aan de blootgestelde bovenvlakken. De warmteput 10 is vervolgens uitgelijnd met de halfgeleiders 50 onder gebruikmaking van de ribben 29 en de inspectiegaten 26, 28. Wanneer op de juiste wijze uitgelijnd zijn de connectoren 16 gekoppeld met de plaat 40 door ze in gaten (niet getoond) in de plaat te steken, en de warmteput 10 is dan gekoppeld met de plaat 40. Het band 52 verbindt de halfgeleiders 50 thermisch met het bodemvlak 24 van de plaat 20 van de warmteput 10. In werking wordt warmte van de halfgeleiders 50 afgevoerd door de warmteput, welke een aanzienlijk oppervlaktegebied heeft in vergelijking met de halfgeleiders 50. Bovendien, voor het ondersteunen van het koelen, veroorzaakt de configuratie van de schoorstenen 30 een lage drukval tussen de lucht grenzend aan het benedenvlak 24 en het bovenvlak 22 van de plaat 20. Dientengevolge stroomt lucht gemakkelijk naar boven door de schoorstenen 30 vanaf de onderzijde van de plaat 10 naar de bovenzijde, door middel van natuurlijke convexie, zonder de noodzaak dat geforceerde lucht wordt geblazen. Vanzelfsprekend kan geforceerde geblazen lucht gebruikt worden met de warmteput 10 volgens de onderhavige uitvinding, en worden toegevoerd aan een van de open einden welke niet zijn bedekt door een zijde 12, 14.

Andere uitvoeringen zullen duidelijk zijn voor de vakman. Waar rechten voor gevraagd zijn is:

Claims (12)

1. Warmteput voor het afvoeren van warmte van één of meer halfgeleiders omvattende: een plaat met een bovenvlak en een benedenvlak, welke plaat ten minste één schoorsteenelement bezit, welk schoorsteenelement een luchtdoorlaat daar doorheen bezit vanaf het benedenvlak naar dat bovenvlak, en verbindingselementen voor het thermisch verbinden van die plaat met de halfgeleiders zodat die plaat warmte daarvan afvoert wanneer die halfgeleiders in werking zijn.

2. Warmteput volgens conclusie 1, waarbij die schoorsteenelementen zijn voorzien van een eerste opening en een tweede opening, welke openingen verbonden zijn door een zijwand, en die eerste opening een grotere diameter bezit dan die tweede opening.

3. Warmteput volgens conclusie 2, waarbij die zijwand binnenwaarts gekromd is naar die eerste opening en schuin vernauwend toeloopt in de richting van die tweede opening.

4. Warmteput volgens conclusie 3» waarbij die eerste opening geplaatst is grenzend aan dat benedenvlak van die plaat en die tweede opening geplaatst is grenzend aan dat bovenvlak van die plaat.

5· Warmteput volgens conclusie 4, waarbij dat benedenvlak van die plaat thermisch verbonden is met de halfgeleiders wanneer die warmteput op zijn plaats is aangebracht.

6. Warmteput volgens conclusie 2, waarbij die plaat geschikt is om evenwijdig te lopen aan een plaat met bedrukte bedrading waarop de halfgeleiders zijn gemonteerd wanneer die warmteput zich op zijn plaats bevindt.

7· Warmteput volgens conclusie 6, waarbij die schoorstenen aangebracht zijn op verschillende plaatsen aan die plaat, welke plaatsen in hoofdzaak overeenstemmen met open ruimten aan de plaat met bedrukte bedrading wanneer die warmteput zich op zijn plaats bevindt.

8. Warmteput volgens conclusie 1, waarbij die plaat verbindingselementen bezit om die warmteput te verbinden met een plaat met bedrukte bedrading.

9. Warmteput volgens conclusie 1, waarbij die plaat ten minste één inspectiegat bezit, elk geschikt om een gedeelte van één van de halfgeleiders te bekijken wanneer die warmteput zich op zijn plaats bevindt.

10. Warmteput volgens conclusie 1, waarbij die plaat ribelementen bezit aan het benedenvlak daarvan geschikt om die warmteput uit te lijnen met de halfgeleiders.

11. Warmteput volgens conclusie 1, waarbij die plaat ten minste één stel zijwanden bezit.

12. Warmteput volgens conclusie 11, waarbij die zijwanden rond de omtrek lopen van die plaat voor het verschaffen van een afscherming tegen EMR en/of RFI.