WO2002103271A1 - Verfahren zur herstellung von wärmetauschern im sinterverfahren - Google Patents

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Hubert Hamm
Horst O. Stille
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Hubert Hamm
Stille Horst O
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    • H10N10/00Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects

Definitions

  • the invention relates to a method for producing heat exchangers for cooling, in particular of heat-developing media, such as, for example
  • Such heat exchangers have long been required for cooling heat-generating media. They are used, for example, in microprocessors to conduct the heat away from the semiconductor. The heat is released via the heat exchanger to the air surrounding the heat exchanger.
  • the heat exchanger usually consists of a good heat-conducting material. Metals such as aluminum or copper are preferably used for this.
  • the surface of the heat exchanger is relatively large in order to optimally transfer the heat to the
  • heat exchangers so that they have cooling fins for enlarging the surface.
  • a fan is often used in addition to removing the waste heat.
  • These heat exchangers are also coupled to other cooling systems, such as in the refrigerator.
  • Heat exchangers are known in which the heat exchanger has a metal core with cooling fins, the surface being roughened or a metal layer being sintered on.
  • Sintering is the caking of fine-grained or powdery materials
  • a heat sink is described in German published patent application DE 199 34 554 A1, which has sintered parts which form a porous sintered structure through which the cooling medium can flow, which favors its uniform distribution in the heat sink.
  • Such sintered parts are also particularly easy to manufacture in the required shapes.
  • the heat sink consists of several parts, namely those which are sintered and those which are not sintered. In the manufacture of such heat exchangers, this means that several different work steps are required for this. For this reason in particular, this drives up the costs for such a product.
  • the object of the invention is therefore to produce an inexpensive heat exchanger which has better heat dissipation than the known heat exchangers without the volume increasing, for example for additional surfaces.
  • the object is achieved in that in a process for the production of heat exchangers for cooling, in particular of heat-developing media, such as, for example, semi-conductor processors or high-power lamps of the type mentioned, the heat exchanger is produced entirely by the sintering process.
  • the invention is based on the principle of increasing the surface of the heat exchanger and producing it in the simplest possible way.
  • the surface area is increased by the manufacturing method according to the invention, since the heat exchanger is now completely sintered.
  • the basic elementary spheres from which the heat exchanger is baked remain in their basic structure throughout the entire body of the heat exchanger. This not only creates an enlarged surface on the outside, but also on the inside of the heat exchanger. The enlarged surface serves for additional heat dissipation.
  • a metal or a metal alloy has proven to be a particularly suitable material for sintering and for the production of heat exchangers.
  • Heat exchanger for cooling in particular of heat-developing media, such as semiconductors or high-performance lamps, solved, according to a Method of the preceding claims is produced. Surprisingly, it turns out that by using the method according to the invention, the heat exchanger can remove considerably more heat than usual.
  • the heat exchanger has cooling fins and / or cooling rods and / or cooling channels. This creates additional surfaces, which leads to even better heat dissipation to the cooling medium.
  • the heat dissipation is advantageously accelerated in the device according to the invention if suitable ventilation means are provided which guide the air heated to the heat exchanger away from the latter.
  • An electrically driven fan can easily exchange the heated air for cooler air.
  • An advantageous embodiment of the device according to the invention results if a holder for the heat exchanger is provided. This measure allows such a device to be attached, for example, to a microprocessor.
  • Peltier element is provided for an advantageous embodiment of the device according to the invention. This Peltier element can also extract heat from the body to be cooled and use the
  • Fig. 1 shows in a schematic diagram a fully sintered according to the invention
  • Heat exchangers with cooling rods are Heat exchangers with cooling rods.
  • Fig. 2 shows in a schematic diagram a fully sintered according to the invention
  • Fig. 1 denotes a heat exchanger.
  • the heat exchanger is sintered from copper granules.
  • the copper granulate is baked together during sintering.
  • Sintering involves the caking of fine-grained or powdery materials under the influence of heat by melting the goods superficially under the influence of heat, possibly prior shaping, e.g. by pressing, understood.
  • the sintering temperature must be so high that the individual grains of the starting material are welded together by an interface reaction.
  • the heat exchanger 10 is manufactured in a mold. It is intended for a semiconductor chip.
  • the present heat exchanger 10 has a basic body 12. On its lower side 14, the basic body 12 of the heat exchanger 10 is connected to a Peltier element 16. Contact surface 16 of the Peltier element 16 is completely in contact with the side 14 of the basic body 12. On the upper side 18 of the basic body 12 cooling rods 20 are arranged at certain intervals.
  • a ventilation system 22 removes warm air that has formed.
  • Metal balls 24 is made.
  • FIG. 2 shows a schematic diagram of a fully sintered heat exchanger 26 according to the invention, but this time instead of the cooling rods 20 (cf. FIG. 1) with cooling fins 28 and a fan 30.
  • the heat exchanger 26 has a basic body 34 on which the cooling fins 28 are arranged , Grundkö ⁇ er 34 and cooling fins 28, ie the entire heat exchanger 26, are all made of sintered copper granules.
  • the caked balls 36 are indicated in Fig. 2.
  • a microprocessor 32 is cooled by the heat exchanger 26.
  • the underside 38 of the heat exchanger 26 is therefore completely in contact with one of the surfaces 40 of the microprocessor 32.
  • the electrically driven fan blows the heated air away between the cooling fins and adds new and cool air from the outside for cooling.
  • the surface area is increased enormously compared to conventional heat exchangers.
  • the cooling performance is therefore not infrequently improved by up to 30% compared to the prior art.
  • the sintered cooling rods 20 or cooling fins 28 help to additionally enlarge the surface.
  • the heat exchangers 10 and 26 are each sintered in a mold so that manufacture can be carried out easily. There are now fewer work steps compared to heat exchangers made of several parts. This saves enormous manufacturing costs.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Wärmetauschern (10) zur Kühlung, insbesondere von wärmeentwickelnden Medien, wie beispielsweise Halbleiterprozessoren oder Hochleistungslampen, und eine Vorrichtung mit einem Wärmetauscher (10) zur Kühlung, insbesondere von wärmeentwickelnden Medien, wie beispielsweise Halbleiterprozessoren oder Hochleistungslampen. Die Wärmetauscher (10) werden vollständig gesintert.

Description

Verfahren zur Herstellung von Wärmetauschern im Sinterverfahren
Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Wärmetauschern zur Kühlung, insbesondere von wärmeentwickelnden Medien, wie beispielsweise
Halbleiterprozessoren oder Hochleistungslampen und eine Vorrichtung mit einem Wärmetauscher zur Kühlung, insbesondere von wärmeentwickelnden Medien, wie beispielsweise Halbleiterprozessoren oder Hochleistungslampen.
Stand der Technik
Solche Wärmetauscher werden seit langem vielfach zum Kühlen von wärmeentwickelnden Medien benötigt. Sie werden beispielsweise bei Microprozessoren eingesetzt, um die Wärme von dem Halbleiter wegzuführen. Die Wärme wird dabei über den Wärmetauscher an die den Wärmetauscher umgebende Luft abgegeben.
Der Wärmetauscher besteht in der Regel aus einem gut Wärme leitendem Material. Vorzugsweise werden hierfür Metalle, wie Aluminium oder Kupfer, verwendet. Die Fläche des Wärmetauschers ist relativ groß ausgebildet, um optimal die Wärme an die
Umgebungsluft abgeben zu können.
Es ist bekannt, Wärmetauscher so auszubilden, daß sie Kühlrippen zur Oberflächenvergrößerung aufweisen. Oft wird zusätzlich zur Abfuhr der Abwärme ein Ventilator eingesetzt. Diese Wärmetauscher sind auch mit anderen Kühlsystemen, wie z.B. beim Kühlschrank, gekoppelt. Es sind Wärmetauscher bekannt, bei denen der Wärmetauscher einen Metallkern mit Kühlrippen aufweist, wobei die Oberfläche aufgeraut oder eine Metallschicht aufgesintert ist.
Unter Sintern wird das Zusammenbacken feinkörniger oder pulverformiger Stoffe unter
Hitzeeinwirkung durch oberflächliches Aufschmelzen des Gutes unter Hitzeeinwirkung, ggf. vorherige Formgebung, z.B. durch Pressen, verstanden. Die Sintertemperatur muß so hoch sein, daß die einzelnen Körner des Ausgangsstoffes durch Grenzflächenreaktion miteinander verschweißt werden. Speziell in der Metallverarbeitung und Metallurgie, z.B. in der Pulvermetallurgie, sind Verfahren bekannt, bei dem vorgepreßte Rohlinge durch Einwirkung von Druck und Hitze mit Metall-, Metalloxid- oder Karbidpulvern bearbeitet werden, um z.B. höhere Temperaturbeständigkeit oder Verschleißfestigkeit zu erreichen.
In der deutschen Offenlegungsschrift DE 199 34 554 AI wird ein Kühlkörper beschrieben, der gesinterte Teile aufweist, die eine poröse Sinterstruktur bilden, welche vom Kühlmedium durchströmt werden kann, was dessen gleichmäßige Verteilung im Kühlkörper begünstigt. Derartige gesinterte Teile sind darüberhinaus auch besonders leicht in den benötigten Formen herzustellen. Hierbei entsteht der Nachteil, daß der Kühlkörper aus mehreren Teilen, nämlich welchen, die gesintert sind, und welchen, die nicht gesintert sind, besteht. Dies bedeutet bei der Herstellung solcher Wärmetauscher, daß hierfür mehrere verschiedene Arbeitsschritte erforderlich sind. Dies treibt insbesondere aus diesen Grund die Kosten für ein solches Produkt in die Höhe.
Nachteil bei den herkömmlichen Wärmetauschern ohne gesinterte Teile ist, daß das
Volumen regelmäßig - bei einer entsprechender Vergrößerung der Oberfläche für die Wärmeabfuhr - steigt. Offenbarung der Erfindung
Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen kostengünstigen Wärmetauscher herzustellen, der über eine bessere Wärmeabfuhr als die bekannten Wärmetauscher verfügt, ohne daß das Volumen beispielsweise für zusätzliche Flächen steigt.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß bei einem Verfahren zur Herstellung von Wärmetauschern zur Kühlung, insbesondere von wärmeentwickelnden Medien, wie beispielsweise Halbleiteφrozessoren oder Hochleistungslampen der eingangs genannten Art, der Wärmetauscher vollständig im Sinterverfahren hergestellt wird.
Die Erfindung beruht auf dem Prinzip, die Oberfläche des Wärmetauschers zu vergrößern und diesen auf möglichst einfache Weise herzustellen. Die Oberfläche wird durch das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren vergrößert, da der Wärmetauscher nunmehr vollständig gesintert ist. Die kleinen elementaren Kügelchen, aus denen der Wärmetauscher zusammengebacken wird, bleiben in ihrer Grundstruktur im gesamten Körper des Wärmetauschers bestehen. Dadurch entsteht nicht nur nach außen hin eine vergrößerte Oberfläche, sondern auch im Inneren des Wärmetauschers. Die vergrößerte Oberfläche dient zur zusätzlichen Wärmeabfuhr.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ergibt sich, wenn der Wärmetauscher in einem Stück hergestellt wird. Durch diese Maßnahme ist nur eine Form für den Sinteφrozeß erforderlich. Dies spart mehrere Arbeitschritte, wodurch Kostenersparnis zu erzielen ist.
Als besonders geeignetes Material für das Sintern und für die Herstellung von Wärmetauschern erweist sich ein Metall oder eine Metallegierung.
Ferner wird die oben genannte Aufgabe durch eine Vorrichtung mit einem
Wärmetauscher zur Kühlung, insbesondere von wärmeentwickelnden Medien, wie beispielsweise Halbleiteφrozessoren oder Hochleistungslampen, gelöst, der nach einem Verfahren der vorgenannten Ansprüche hergestellt wird. Überraschenderweise zeigt sich nämlich, daß durch Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens der Wärmetauscher erheblich mehr Wärme als üblich abfuhren kann.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ergibt sich, wenn der Wärmetauscher Kühlrippen und/oder Kühlstäbe und/oder Kühlkanäle aufweist. Hierdurch entstehen zusätzliche Oberflächen, was zu einer noch besseren Wärmeabfuhr an das Kühlmedium führt. Die Wärmeabfuhr wird bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung vorteilhafterweise beschleunigt, wenn geeignete Ventilationsmittel vorgesehen sind, die die an den Wärmetauscher erwärmte Luft von diesem wegführen.
Ein elektrisch angetriebener Ventilator kann die erwärmte Luft leicht gegen kühlere Luft auswechseln.
Eine vorteilhafte Ausbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ergibt sich, wenn eine Halterung für den Wärmetauscher vorgesehen ist. Durch diese Maßnahme läßt sich eine solche Vorrichtung beispielsweise an einem Mikroprozessor befestigen.
Um zusätzliche Kühlleistung zu erhalten, ist für eine vorteilhafte Ausgestaltung der erfindunggemäßen Vorrichtung ein Peltierelement vorgesehen. Dieses Peltierelement kann ebenfalls dem zu kühlenden Köφer Wärme entziehen und diese mit Hilfe des
Wärmetauschers leicht an die Umgebungsluft abgeben.
Weitere Vorteile ergeben sich aus dem Gegenstand der Unteransprüche.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
Fig. 1 zeigt in einer Prinzipskizze einen erfindungsgemäßen vollgesinterten
Wärmetauscher mit Kühlstäben.
Fig. 2 zeigt in einer Prinzipskizze einen erfindungsgemäßen vollgesinterten
Wärmetauscher mit Kühlrippen und Ventilator. Bevorzugtes Ausfuhrungsbeispiele
In Fig. 1 wird mit 10 ein Wärmetauscher bezeichnet. Der Wärmetauscher wird erfindungsgemäß aus Kupfergranulat gesintert. Das Kupfergranulat wird beim Sintern zusammengebacken.
Unter Sintern wird, wie bereits oben erwähnt, das Zusammenbacken feinkörniger oder pulverformiger Stoffe unter Hitzeeinwirkung durch oberflächliches Aufschmelzen des Gutes unter Hitzeeinwirkung, ggf. vorherige Formgebung, z.B. durch Pressen, verstanden. Die Sintertemperatur muß so hoch sein, daß die einzelnen Körner des Ausgangsstoffes durch Grenzflächenreaktion miteinander verschweißt werden.
Der Wärmetauscher 10 wird in einer Form hergestellt. Er ist für einen Halbleiterchip vorgesehen. Vorliegender Wärmetauscher 10 weist einen Grundköφer 12 auf. An seiner unteren Seite 14 ist der Grundköφer 12 des Wärmetauschers 10 mit einem Peltierelement 16 verbunden. Kontaktfläche 16 des Peltierelemnts 16 ist vollständig mit der Seite 14 des Grundköφers 12 in Kontakt. Auf der oberen Seite 18 des Grundköφers 12 sind Kühlstäbe 20 in bestimmten Abständen angeordnet. Ein Ventilationssystem 22 führt entstandene warme Luft ab.
In dieser Abbildung sind an einigen Stellen des Wärmetauschers 10 die Metallkügelchen 24, die durch den Sinteφrozeß zusammengebacken wurden, aus Gründen der Übersicht nur angedeutet. Es sei daher darauf hingewiesen, daß der gesamte Wärmetauscher 10, d.h. Grundköφer 12 sowie Kühlstäbe 20, aus diesen zusammengebackenen
Metallkügelchen 24 besteht.
Fig. 2 zeigt in einer Prinzipskizze einen erfindungsgemäßen vollgesinterten Wärmetauscher 26, jedoch diesmal anstelle der Kühlstäbe 20 (vgl. Fig. 1) mit Kühlrippen 28 und einem Ventilator 30. Der Wärmetauscher 26 weist einen Grundköφer 34 auf, auf dem die Kühlrippen 28 angeordnet sind. Grundköφer 34 sowie Kühlrippen 28, d.h. der gesamte Wärmetauscher 26, bestehen sämtlich aus gesintertem Kupfergranulat. Die zusammengebackenen Kügelchen 36 sind in Fig. 2 angedeutet. Ein Mikroprozessor 32 wird durch den Wärmetauscher 26 gekühlt. Die Unterseite 38 des Wärmetauschers 26 steht daher vollständig mit einer der Flächen 40 des Mikroprozessors 32 in Kontakt. Der elektrisch angetriebene Ventilator bläst die erwärmte Luft zwischen den Kühlrippen weg und führt von außen neue und kühle Luft zum Kühlen hinzu.
Durch die vollgesinterten Wärmetauscher 10 bzw. 26 wird die Oberfläche gegenüber herkömmlichen Wärmetauschern enorm vergrößert. Die Kühlleistung verbessert sich daher nicht selten um bis zu mehr als 30% gegenüber dem Stand der Technik. Die gesinterten Kühlstäbe 20 bzw. Kühlrippen 28 helfen, die Oberfläche zusätzlich zu vergrößern. Die Wärmetauscher 10 und 26 werden jeweils in einer Form gesintert, so daß die Herstellung einfach von statten gehen kann. Es werden nunmehr weniger Arbeitsschritte gegenüber Wärmetauschern aus mehreren Teilen benötigt. Dies spart enorm an Herstellungskosten.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Herstellung von Wärmetauschern (10, 26) zur Kühlung, insbesondere von wärmeentwickelnden Medien, wie beispielsweise Halbleiteφrozessoren (32) oder Hochleistungslampen, dadurch gekennzeichnet,
"10 daß der Wärmetauscher (10, 26) vollständig im Sinterverfahren hergestellt wird.
2. Verfahren zur Herstellung von Wärmetauschern (10, 26) zur Kühlung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher (10, 26) in einem Stück hergestellt wird.
15
3. Verfahren zur Herstellung von Wärmetauschern (10, 26) zur Kühlung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Material für die Herstellung des Wärmetauschers (10, 26) eine Metall oder eine Metallegierung verwendet wird.
20 4. Vorrichtung mit einem Wärmetauscher (10, 26) zur Kühlung, insbesondere von wärmeentwickelnden Medien, wie Halbleiteφrozessoren (32), der nach einem Verfahren der vorgenannten Ansprüche hergestellt wird.
5. Vorrichtung mit einem Wärmetauscher (10, 26) zur Kühlung, insbesondere von 25 wärmeentwickelnden Medien (32), nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher (10, 26) Kühlrippen (28) und/oder Kühlstäbe (20) und/oder Kühlkanäle aufweist.
6. Vorrichtung mit einem Wärmetauscher (10, 26) zur Kühlung, insbesondere von 30 wärmeentwickelnden Medien (32), nach einem der Ansprüche 4 oder 5, gekennzeichnet durch Ventilationsmittel (22, 30).
7. Vorrichtung mit einem Wärmetauscher (10, 26) zur Kühlung, insbesondere von wärmeentwickelnden Medien (32), nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine Halterung für den Wärmetauscher (10, 26) vorgesehen ist.
8. Vorrichtung mit einem Wärmetauscher (10, 26) zur Kühlung, insbesondere von wärmeentwickelnden Medien (32), nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein Peltierelement (16) vorgesehen ist.
"10
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