SE503322C2 - Kylsystem för elektronik - Google Patents

Description

15 20 25 30 503 322 många och tätt packade komponenter, av vilka flera har behov av kylning, är det då svårt att åstadkomma kylning genom att var och en av dessa värmeavgivande~komponenter erfordrar sin egen förång- are med tillhörande kondensor. Svårigheter uppstår i dragningen av rörkretsarna, samt i placeringen av kondensorerna pà ett lämpligt ställe.

REDoGöRELsE FÖR UPPFINNINGEN Ändamålet med föreliggande uppfinning är att undanröja nackdelarna med befintliga termosifonkretsar genom att tillhandahålla ett kyl- system som inte fordrar komplicerad rördragning och där placering- en av kondensorn inte inskränks i samma utsträckning som vid tidi- gare kända kretsar. Detta har åstädkommits genom ett kylsystem som uppvisar de kännetecken som framgår av de bifogade patentkraven.

Uppfinningen bygger på insikten att om mer än en förångare används går det att med seriekoppling åstadkomma en pumpverkan som gör att en eller flera förångare kan placeras ovanför kondensorns vätske- nivà. Frihetsgraden för kondensorplaceringen ökar då avsevärt. I elektronikkylningssammanhang kan det dessutom antas vara vanligt att ett antal komponenter, belägna på olika höjder, behöver någon form av extra kylning. Den vätska som släpas med av de från för- ångarna avkokade gasen kan i vissa sammanhang förbättra funk- tionen, i andra sammanhang kan den vara ett problem. Vätskehalten i denna tvàfasblandning kan dock i hög grad regleras genom en lämplig utformning av förångarkonstruktionen.

Uppfinningen kommer nu att beskrivas närmare med, hjälp av ett föredraget utföringsexempel och med hänvisning till bifogade ritningar.

FIGURBESKRIVNING Figur 1 visar ett principschema för en känd termosifonkrets.

Figur 2 visar ett principschema för en termosifonkrets enligt uppfinningen. 10 15 20 25 30 3 503 322 Figur 3 visar i sidovy och i två olika snitt en förångare som används i en termosifonkrets enligt uppfinningen.

Figur 4 visar ett utföringsexempel på hur en termosifonkrets enligt uppfinningen kan användas vid en s.k. multichipmodul.

FÖREDRAGBN UTPöRINGsFoRM I figur l visas principschemat för en känd termosifonkrets, bestå- ende av en förångare 1 och en kondensor 2 som är sammankopplade med ett rörsystem 3. Kretsen är hermetisk och fylld med ett för ändamålet lämpligt medium. När värme tillförs förångaren 1 kokar en del av mediet av och en blandning av vätska och gas stiger upp i rörsystemet 3 mot kondensorn 2. I kondensorn 2 kondenserar mediet åter och värme frigörs. Den bildade vätskan rinner sedan pà grund av egentyngd tillbaka till förångaren. Värmeöverföringen visas schematiskt med de kraftiga pilarna i figuren och köldmedie- cirkulationen visas med de små pilarna. För att kretsen skall fungera krävs att vätskenivån i kondensorn är belägen något högre än förångaren.

Figur 2 visar principschemat för en termosifonkrets enligt uppfin- ningen. Genom att seriekoppla flera förångare la, lb osv. i ror- kretsen 3 kan en förhöjd pumpverkan åstadkommas av det i rörkret- sen använda köldmediet, samtidigt som kondensorn 2 kan placeras så att vätskenivån av det kondenserade köldmediet i denna ligger under den högst belägna förångaren lc i rörkretsen, såsom framgår av figuren. Förklaringen till detta är att egentyngden av' den vätska som kommer från kondensorn 2 är betydligt högre än egentyngden av den tvåfasblandning som lämnar den undre föràngaren la. Tvåfas-blandningen drivs därmed uppàt och den medföljande vätskan kan användas för avkokning i de övre förångarna lb osv.

Denna pump-princip är i litteraturen känd under namnet mammutpump.

I detta sammanhang gör den vätska som släpas med av de från för- ångarna avkokade gasen att funktionen förbättras. Vätskehalten i tvåfasblandningen kan i hög grad regleras genom lämpligt val av 10 15 20 25 30 503 322 4 drivhöjd, rördiametrar och förångarutformning. En faktor som för- bättrar värmeövergàngen har vid praktiska prov visat sig vara en kombination av höga tryck och trånga kanaler. Värmeövergångstal som är en faktor 5-10 ggr högre än vad som är vanligt i andra sammanhang där kokande medier används, har uppmätts.

Konstruktionen av en förångare l visas i figur 3. I ett metall- stycke 4 är en inloppskammare 5 och en utloppskammare 6 sinsemel- lan förbundna med ett stort antal små kanaler 7, med en diameter i millimeterstorlek. Konstruktionen kan utföras så att den samman- lagda mantelytan av dessa kanaler blir betydligt större än metall- styckets frontyta, vilket i vissa fall väsentligt kan förbättra värmeövergången.

Ett speciellt tillämpningsområde där ett kylsystem enligt uppfin- ningen kan komma till användning är vid s.k. multichipmoduler. En multichipmodul kan generellt sägas vara en kapsel som innehåller mer än en mikrokrets. I modern elektronik har dessa moduler oftast formen av ett litet kretskort med dimensioner som kan variera från ett frimärke till en handflatas storlek. En av fördelarna med mul- tichipmoduler är att mikrokretsarna kan placeras tätt, vilket gör att höga signalhastigheter kan användas. En av nackdelarna med multichipmoduler är att kylningsproblematiken är svår att lösa.

En multichipmodul har oftast ett mycket stort antal anslutningar och måste av denna anledning fästas parallellt med det kretskort på vilket det används. En konsekvens av detta är att enbart ena sidan av multichipmodulen kan användas för luftkylning, vilket är ett stort problem. Om kylningen sker från bärarsidan måste denna vara en god värmeledare och dessutom måste mikrokretsarna vara väl termiskt kopplade till bäraren. Om kylningen sker från mikrokrets- sidan. måste deras mönsterytor vara vända nedåt och kylkroppen måste också i de flesta praktiska fall anpassas så att den kan ansluta till kretsar med olika höjder. I bägge fallen uppstår således problem som i hög grad begränsar konstruktionsfriheten. 10 15 20 S iso: 322 Det är därför uppenbart att en dubbelsidig kylning, vilket går att skulle kunna ge stora fördelar. Principen framgår av figur 4. En multi- chipmodul 8 är fäst parallellt med ett kretskort 9. På multichip- modulens 8 bärarsida finns en flänskylare ll) med en. i botten- åstadkomma med en termosifonkrets enligt uppfinningen, plattan ll integrerad kondensor 2. Kondensorn utförs lämpligen som ett antal vertikala kanaler med ett för ändamålet optimalt tvär- snitt. Termosifonkretsens föràngare la och lb är belägna på mo- dulens 8 mikrokretssida och monterade på de mikrokretsar som har högst effektförluster. Arbetssättet är detsamma som beskrivits ovan i samband med figur 2.

Det är fullt möjligt att driva cirkulationen i en termosifonkrets med enbart någon centimeters höjdskillnad mellan vätskenivàn i kondensorn och den understa förångaren. De övriga förångarna kan förses med vätska genom den pumpverkan som enligt ovan kan àstad- kommas med seriekoppling. Vätskenivån i kondensorn kan därför hållas låg vilket medför ett effektivt utnyttjande av kondensor- ytorna.

Uppfinningen är naturligtvis inte begränsad till den ovan be- skrivna och på ritningen visade utföringsformen, utan kan modi- fieras inom ramen för de bifogade patentkraven.

Claims (5)

10 15 20 25 30 sus 322 6 PATEN TIGAV

1. Kylsystem, speciellt för elektronikkomponenter, bestående av en hermetiskt sluten rörkrets innefattande föràngare och kondensor och som utnyttjar termosifoneffekt för cirkulering av det i rör- kretsen använda köldmediet, varvid föràngaren står i värmeledande kontakt med en värmeavgivande komponent som skall kylas och upptar värme från denna, vilken värme medelst köldmediet transporteras genom rörkretsen till och avges i kondensorn, k ä n n e t e c k - n a d av att rörkretsen (3) innefattar flera i serie anslutna för- àngare (la, lb, lc), vilka var och en star i värmeledande kontakt med varsin värmeavgivande komponent, vilka föràngare (la, lb, lc) tillsammans åstadkommer en förhöjd pumpverkan av det i rörkretsen (3) använda, i cirkulationsriktningen efter föràngarna delvis för- àngade köldmediet, och att kondensorn (2) är placerad så att vät- skenivàn av det kondenserade köldmediet i denna ligger under den högst belägna föràngaren (lc) i rörkretsen (3), vilket möjliggörs tack vare den förhöjda pumpverkan från de seriekopplade föràngarna (la, lb, lc).

2. Kylsystem enligt patentkravet 1, k ä n n e t e c k n a d av att varje föràngare (la, lb, lc) utgörs av en värmeledande kropp (4) med ett stort antal små parallella kanaler (7) mellan i kroppen utformade in- (5) respektive utloppskammare (6) som är förbundna med rörkretsen (3).

3. Kylsystem enligt patentkravet l för multichipmoduler (8) med mikrokretssidan vänd mot tillhörande kretskort (9), k ä n n e - t e c k n a d av att föràngarna (la, lb) är anordnade på multi- chipmodulens (8) värmeavgivande komponenter, inuti modulen, och att kondensorn (2) är anordnad utanför modulen pà dess bärarsida.

4. Kylsystem enligt patentkravet 3, k ä n n e t e c k n a d av att kondensorn (2) är försedd med utàt, fran modulen riktade kyl- flänsar (10). 1 503 322

5. Kylsystem enligt patentkravet 4, k ä n n e t e c k n a d av att kondensorn (2) är utformad som en flänskylare(lO) med i bottenplattan (ll) integrerade vertikala kanaler för köldmediet.