WO2003046982A1 - Optimierter einsatz von pcm in kühlvorrichtungen - Google Patents

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WO2003046982A1
WO2003046982A1 PCT/EP2002/010865 EP0210865W WO03046982A1 WO 2003046982 A1 WO2003046982 A1 WO 2003046982A1 EP 0210865 W EP0210865 W EP 0210865W WO 03046982 A1 WO03046982 A1 WO 03046982A1
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WO
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heat
pcm
component
temperature
cooling
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PCT/EP2002/010865
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English (en)
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Inventor
Mark Neuschütz
Ralf Glausch
Natascha Lotz
Original Assignee
Merck Patent Gmbh
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Priority to KR10-2004-7007803A priority patent/KR20040058310A/ko
Priority to JP2003548303A priority patent/JP2005510876A/ja
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    • G06F1/20—Cooling means
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    • H01L23/00—Details of semiconductor or other solid state devices
    • H01L23/34—Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements
    • H01L23/42—Fillings or auxiliary members in containers or encapsulations selected or arranged to facilitate heating or cooling
    • H01L23/427—Cooling by change of state, e.g. use of heat pipes
    • H01L23/4275—Cooling by change of state, e.g. use of heat pipes by melting or evaporation of solids
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
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    • H01L2924/0001—Technical content checked by a classifier
    • H01L2924/0002—Not covered by any one of groups H01L24/00, H01L24/00 and H01L2224/00

Definitions

  • the present invention relates to the use of phase change materials in cooling devices.
  • Heat exchangers are usually used for this. In the simplest case, they can only consist of a heat-conducting sheet that dissipates the heat and emits it into the ambient air, or it can also contain heat transfer agents that initially transport the heat from one place or medium to another.
  • convection at the cooling fins is supported by fans.
  • the maximum working temperature for CPUs is between 60 and 90 ° C depending on the design.
  • Coolers are used for short-term replacement of energy dissipation to the environment and cannot (and need not) be used multiple times.
  • Known storage media are, for example, water or stones / concrete to store sensible ("sensitive") heat or phase change materials (PCM) such as salts, salt hydrates or their mixtures or organic compounds (e.g. paraffin) for heat in the form of heat of fusion ( "latent" heat).
  • sensitive sensitive
  • PCM phase change materials
  • a higher temperature is required for charging a heat store than can be obtained during unloading, since a temperature difference is required for the transport or flow of heat.
  • the quality of the heat depends on the temperature at which it is available again: the higher the temperature, the better the heat can be dissipated. For this reason, it is desirable that the temperature level drop as little as possible during storage.
  • latent heat storage In the case of sensitive heat storage (e.g. by heating water), the entry of heat is associated with constant heating of the storage material (and vice versa when discharging), while latent heat is only stored and discharged at the phase transition temperature of the PCM. Compared to sensitive heat storage, latent heat storage therefore has the advantage that the temperature loss is limited to the loss during heat transport from and to the storage.
  • paraffins as a storage medium in latent heat stores is known from the literature.
  • shoe soles are described in which PCM-containing Microcapsules are included.
  • the application WO 93/24241 describes fabrics which are coated with a coating which contains such microcapsules and binders.
  • Paraffinic hydrocarbons having 13 to 28 carbon atoms are preferably used here as PCM.
  • European patent EP-B-306 202 describes fibers with heat storage properties, the storage medium being a paraffinic hydrocarbon or a crystalline plastic and the storage material in the form of microcapsules being integrated into the fiber base material.
  • US Pat. No. 5,728,316 recommends salt mixtures based on magnesium and lithium nitrate for the storage and use of thermal energy. The heat is stored in the melt above the melting temperature of 75 ° C.
  • Phase change materials Since these substances remain solid during the entire temperature range of the application, the encapsulation is not required. Loss of the storage medium or contamination of the surroundings by the melt of the storage medium in latent heat stores can thus be excluded. This group of phase change materials opens up many new areas of application.
  • US 5831831A, JP 10135381A and SU 570131A describe the use of similar PCM coolers in non-military use. What the inventions have in common is the absence of conventional coolers (eg with cooling fins and fans).
  • PCM coolers described above are not suitable for intercepting the peak performance of components with an irregular performance profile, since they do not guarantee optimized discharge of the PCM or absorb the base load.
  • Figure 2 proposes to buffer the power peaks of an electrical or electronic component using phase change materials (PCM), the device for cooling heat-generating electrical and electronic components (2) having an uneven power profile essentially consists of a heat-conducting unit (1) and a heat-absorbing unit (4), which contains a phase change material (PCM).
  • PCM phase change material
  • the object of the present invention is to cool heat-generating components more effectively and to absorb temperature peaks.
  • a device for cooling heat-generating components with an uneven performance profile consisting essentially of a heat-dissipating unit (1) and a heat-absorbing unit (4), which contains at least one phase change material (PCM) according to the main claim.
  • PCM phase change material
  • the invention is characterized in that the at least one PCM is arranged in the cooling device in such a way that its phase change temperature (T PC ) corresponds to the ambient temperature in the cooling device, which is present according to the temperature gradient at the temperature of the heat-generating unit (2) to be buffered ,
  • the invention is preferably characterized in that it has at least two PCMs with different phase change temperatures (T PC ).
  • the PCMs are arranged with respect to one another such that the PCM with the higher Tpc is located in the warmer area of the cooling device.
  • the Tpc are each below the critical maximum temperature of the heat-generating component (2) where this component would overheat.
  • the critical maximum temperature is the temperature of the heat-generating component, which must not be exceeded.
  • MPU microprocessors
  • cooling devices can also be used, e.g. in motors for lifts, substations or internal combustion engines.
  • Devices for cooling according to the invention are, for example, coolers.
  • Conventional coolers can be improved by using PCM.
  • the heat flow from the heat-generating component to the cooler should not be interrupted, ie the heat flow should first take place through the heat-dissipating unit, for example the cooler, and not to the PCM.
  • An interruption in this sense would exist if, due to the design of the cooler, the PCM would first have to absorb the heat before the heat could be dissipated via the cooling fins - which would lead to a deterioration in the performance of the cooler for a given design.
  • the PCMs are therefore preferably arranged in or on the cooling device in such a way that the classic cooling output of the heat-dissipating unit is not impaired as far as possible and that a significant heat flow to the PCM only takes place when the Heat dissipating unit exceeds the phase change temperature Tp C of the respective PCM.
  • Tp C phase change temperature
  • the cooling device When the critical maximum temperature of the heat-generating component is reached, the cooling device according to the invention has a defined temperature gradient between the heat-generating unit and the opposite end of the heat-dissipating unit. It has been found that PCMs are particularly suitable, their
  • Phase change temperatures TPC are suitably below the critical maximum temperature for the heat generating unit.
  • the PCMs used according to the invention are therefore preferably selected in this way and in the
  • Cooling device arranged that their T P c are matched as precisely as possible to this defined critical temperature gradient, ie that the phase changes take place almost simultaneously and / or just below this temperature gradient.
  • TPC for the PCM which is closest to the heat-generating unit are, for example in the case of the microprocessor, about 10 to 15 ° C. below the maximum temperature critical for the heat-generating component.
  • the more distant PCMs have correspondingly lower Tpc.
  • the different T P c are then preferably achieved approximately simultaneously in the arrangement according to the invention with at least two PCMs, so that the increase in performance of the cooling device is significantly increased and a “booster” effect of the PCMs is conspicuously apparent.
  • the significant heat flow to the PCM should advantageously only start at the highest possible temperatures.
  • the cooling device according to the invention operates largely conventionally up to its critical maximum temperature gradient, thus ensuring a maximum classic cooling capacity. Only when the TPC is reached is the cooling capacity supplemented by the heat absorption of the PCM. As a result, the performance of the cooling device increases suddenly and a "booster" effect of the PCM is noticeable. This ensures that the heat-generating component is not overheated.
  • cooling devices with a lower cooling capacity can be used, since the extreme heat peaks do not have to be dissipated, but rather are buffered.
  • PCMs are suitable for the device according to the invention.
  • Encapsulated materials, solid-solid PCM, PCM in matrices, solid-liquid PCM in cavities or a mixture of the forms mentioned are suitable for the use of PCM.
  • the matrix for solid-solid or solid-liquid PCM is in particular polymers, graphite, e.g. expanded graphite (e.g. Sigri ⁇ from SGL), or porous inorganic materials such as Silica gel and zeolites, suitable.
  • At least one PCM used according to the invention is preferably a fixed / fixed PCM.
  • PCM can be used with a phase change temperature between -100 ° C and 150 ° C.
  • PCM in the range from ambient temperature to 95 ° C are preferred for use in electrical and electronic components.
  • the materials can be selected from the group of paraffins (C 2 oC 45 ), inorganic salts, salt hydrates and their mixtures, carboxylic acids or sugar alcohols. A non-limiting selection is summarized in Table 1.
  • PCMs selected from the group of the di-n-alkylammonium salts, optionally with different alkyl groups, and mixtures thereof are suitable.
  • PCM whose T P c is between ambient temperature and 95 ° C are particularly suitable for use in electrical and electronic components, such as diexylammonium bromide, dioctylammonium bromide, dioctylammonium chloride, dioctylammonium acetate, dioctylammonium nitrate, dioctylammonium formium, didecylonium ammonium, didecylonium ammonium, didecylonium ammonium, didecylonium ammonium, didecylonium ammonium, didecylonium ammonium, didecylonium ammonium, didecylonium ammonium, didecylonium ammonium, didecylonium ammonium, didecylonium ammonium, didecylonium ammonium, did
  • the PCMs contain at least one aid in addition to the actual heat storage material.
  • the heat storage material and the at least one auxiliary agent are present in a mixture, preferably in an intimate mixture.
  • the auxiliary is preferably a substance or preparation with good thermal conductivity, in particular a metal powder or granulate (for example aluminum, copper) or graphite. These aids ensure good heat transfer.
  • the at least one auxiliary which is contained in the PCM in addition to the actual heat storage material can be a binder, in particular a polymeric binder.
  • the particles of the heat storage material are preferably present in fine distribution in the binder.
  • Such binders are used in particular when the PCM is to be kept in shape.
  • the binders make intimate contact during use, i.e. good wetting, between the means for storing heat and the surface of the heat-dissipating unit.
  • latent heat storage devices for cooling electronic components can be installed precisely. The binder displaces air at the contact surfaces and thus ensures close contact between the heat storage material and the component.
  • Such means are therefore preferably used in devices for cooling electronic components.
  • the polymeric binder according to the invention can be any polymer which is suitable as a binder according to the application.
  • the polymeric binder is preferably a curable polymer or a polymer precursor, in particular selected from the group consisting of polyurethanes, nitrile rubber, chloroprene, polyvinyl chloride, silicones, ethylene-vinyl acetate copolymers and
  • nucleating agents such as e.g. Borax or various metal oxides are used.
  • the entire material that is to say the PCM and, if appropriate, the auxiliaries, is preferably present either as a loose bed or as a shaped body.
  • Shaped bodies are understood to mean in particular all structures which can be produced by compacting methods, such as pelletizing, tableting, roller compacting or extrusion.
  • the shaped bodies can take on a wide variety of spatial shapes, such as spherical, cube or cuboid shapes.
  • the PCM can be pressed in pure form, pressed after crushing (e.g. grinding), or pressed in a mixture with the auxiliary materials.
  • the compacts can be easily stored, transported and used in a variety of ways.
  • the compacts can be used directly in electronic components.
  • the compacts are installed between the cooling fins so that they are in intimate contact with the surfaces of the cooling fins.
  • the thickness of the compacts is chosen so that a non-positive connection is created between the ribs and the pressing.
  • the compacts can also be inserted between cooling fins / heat exchangers before they are connected to form a stack.
  • cooling devices according to the invention, the heat-dissipating unit (1) of which has surface-enlarging structures.
  • the heat-dissipating unit (1) particularly preferably has cooling fins.
  • the heat-dissipating unit (1) preferably also has a fan on the opposite side to the heat-generating unit (2) to support the cooling capacity.
  • Another object of the present invention is a component (Z) which essentially consists of a cooling device according to the invention and a heat-generating unit (2).
  • Heat-dissipating and heat-absorbing units (1) and (4) and the unit (2) are arranged with respect to one another in such a way that the heat flow between the heat-generating component (2) and the heat-dissipating unit (1) takes place in direct contact.
  • the heat-generating unit (2) is preferably an electrical or electronic component, particularly preferably an MPU (micro processing unit), in particular a CPU (central processing unit), or a memory chip of a computer.
  • MPU micro processing unit
  • CPU central processing unit
  • the PCMs (4a + 4b) are arranged in or on the cooler (1) in such a way that the heat flow first flows through the cooler and then through the PCM, ie a significant heat flow from the CPU (2) on the carrier (3) to the PCM (4a, 4b) only takes place when the corresponding cooler areas exceed the phase change temperature T P c of the neighboring PCM. This ensures that the PCM only absorbs the peak power.
  • temperatures of 60-90 ° C (T1) are reached at the base of the cooler.
  • phase change temperature of PCM1 (4a) to the temperature, which according to the temperature gradient at the critical maximum temperature of the CPU in the cooler is close to the CPU (T2 max ), and that of PCM2 (4b) to the more distant area of the Cooler on (T3 ma ⁇ )
  • the phase change of both materials occurs almost simultaneously and when it is reached or just below the critical maximum temperature of the CPU (T1 ma ⁇ ), ie the supportive effect of the PCM is particularly efficient.
  • Discharging the PCM is also more efficient in this way, since the entire phase change material is discharged almost simultaneously when the cooler cools. A higher conventional cooling capacity leads to a faster discharge of the PCM.
  • a cooler For a processor with a maximum line of 90W, a cooler is designed as shown in Figure 3, which has a cooler output of 0.61 K / W at an ambient temperature of 30 ° C. Starting from a maximum operating temperature T1 max of 85 ° C, the temperatures in the middle and in the upper part of the cooling fins are T2m a x 65 ° C and T3 max 45 ° C. Didodecylammonium chloride (PCM1) with a TPC of 65 ° C and didecylammonium chloride (PCM2) with a T PC of 49 ° C are used as phase change materials.
  • PCM1 a maximum operating temperature
  • PCM2 didecylammonium chloride
  • PCM2 didecylammonium chloride
  • the coolers can be fine-tuned to the temperature gradient by using more than two PCMs.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft den Einsatz von Phasenwechselmaterialien in Vorrichtungen zur Kühlung insbesondere von elektrischen und elektronischen Bauteilen.

Description

Beschreibung
OPTIMIERTER EINSATZ VON PCM IN KÜHLVORRICHTUNGEN
Die vorliegende Erfindung betrifft den Einsatz von Phasenwechselmaterialien in Kühlvorrichtungen.
In technischen Prozessen müssen oft Wärmespitzen oder -defizite vermieden werden, d.h. es muss thermostatisiert werden. Üblicherweise werden dazu Wärmeaustauscher verwendet. Sie können im einfachsten Fall nur aus einem Wärmeleitblech bestehen, das die Wärme abführt und an die Umgebungsluft abgibt, oder auch Wärmeübertragungsmittel enthalten, die die Wärme zunächst von einem Ort oder Medium zu einem anderen transportieren.
Stand der Technik (Abbildung 1) zur Kühlung elektronischer Bauteile wie z.B. Mikroprozessoren (central processing unit = CPU) (2) sind Kühler aus extrudiertem Aluminium, die die Wärme vom elektronischen Bauelement, welches auf einem Träger (3) aufgebracht ist, aufnehmen und über Kühlrippen (1 ) an die Umgebung abgeben. In der Regel wird die Konvektion an den Kühlrippen durch Lüfter unterstützt.
Diese Art von Kühlern muss immer für den ungünstigsten Fall hoher
Außentemperaturen und Volllast des Bauelementes ausgelegt werden, um eine Überhitzung zu verhindern, die die Lebensdauer und Zuverlässigkeit des Bauteils verringern würde. Die maximale Arbeitstemperatur liegt bei CPUs je nach Bauart zwischen 60 und 90°C.
Im Rahmen der immer schnelleren Taktung von CPUs steigt deren Wärmeabgabe mit jeder neuen Generation sprunghaft an. Während bisher Spitzenleistungen von maximal 30 Watt abgeführt werden mussten, ist in den nächsten 8 bis 12 Monaten mit erforderlichen Kühlleistungen von bis zu 90 Watt zu rechnen. Diese Leistungen können nicht mehr mit den konventionellen Kühlsystemen abgeführt werden.
Für extreme Umgebungsbedingungen wie sie z.B. in ferngelenkten Raketenwaffen auftreten sind Kühler, welche die Abwärme von elektronischen Bauteilen in Phasenwechselmaterialien z.B. in Form von Schmelzwärme aufnehmen, beschrieben worden (US4673030A, EP116503A, US4446916A). Diese PCM-
Kühler dienen dem kurzfristigen Ersatz einer Abfuhr der Energie an die Umgebung und können (und müssen) nicht mehrfach verwendet werden. Als Speichermedien bekannt sind z.B. Wasser oder Steine/Beton um fühlbare ("sensible") Wärme zu speichern oder Phasenwechselmaterialien (Phase Change Materials, PCM) wie Salze, Salzhydrate oder deren Gemische oder organische Verbindungen (z.B. Paraffin) um Wärme in Form von Schmelzwärme ("latenter" Wärme) zu speichern.
Es ist bekannt, dass beim Schmelzen einer Substanz, d.h. beim Übergang von der festen in die flüssige Phase, Wärme verbraucht, d.h. aufgenommen wird, die, solange der flüssige Zustand bestehen bleibt, latent gespeichert wird, und dass diese latente Wärme beim Erstarren, d.h. beim Übergang von der flüssigen in die feste Phase, wieder frei wird.
Grundsätzlich ist für das Laden eines Wärmespeichers eine höhere Temperatur erforderlich als beim Entladen erhalten werden kann, da für den Transport bzw. Fluss von Wärme eine Temperaturdifferenz erforderlich ist. Die Qualität der Wärme ist dabei von der Temperatur, bei der sie wieder zur Verfügung steht, abhängig: Je höher die Temperatur ist, desto besser kann die Wärme abgeführt werden. Aus diesem Grund ist es erstrebenswert, dass das Temperaturniveau bei der Speicherung so wenig wie möglich absinkt.
Bei sensibler Wärmespeicherung (z.B. durch Erhitzen von Wasser) ist mit dem Eintrag von Wärme eine stetige Erhitzung des Speichermaterials verbunden (und umgekehrt beim Entladen), während latente Wärme nur bei der Phasenübergangstemperatur des PCM gespeichert und entladen wird. Latente Wärmespeicherung hat daher gegenüber sensibler Wärmespeicherung den Vorteil, dass sich der Temperaturverlust auf den Verlust beim Wärmetransport vom und zum Speicher beschränkt.
Bislang werden als Speichermedium in Latentwärmespeichern üblicherweise Substanzen eingesetzt, die im für die Anwendung wesentlichen Temperaturbereich einen fest-flüssig-Phasenübergang aufweisen, d.h. Substanzen, die bei der Anwendung schmelzen.
So ist aus der Literatur die Verwendung von Paraffinen als Speichermedium in Latentwärmespeichern bekannt. In der Internationalen Patentanmeldung WO 93/15625 werden Schuhsohlen beschrieben, in denen PCM-haltige Mikrokapseln enthalten sind. In der Anmeldung WO 93/24241 sind Gewebe beschrieben, die mit einem Coating, das derartige Mikrokapseln und Bindemittel enthält, beschichtet sind. Vorzugsweise werden hier als PCM paraffinische Kohlenwasserstoffe mit 13 bis 28 Kohlenstoffatomen eingesetzt. In dem Europäischen Patent EP-B-306 202 sind Fasern mit Wärmespeichereigenschaften beschrieben, wobei das Speichermedium ein paraffinischer Kohlenwasserstoff oder ein kristalliner Kunststoff ist und das Speichermaterial in Form von Mikrokapseln in das Fasergrundmaterial integriert ist. In dem US-Patent US 5 728 316 werden Salzgemische auf Basis von Magnesium- und Lithiumnitrat zur Speicherung und Nutzung von Wärmeenergie empfohlen. Die Wärmespeicherung erfolgt dabei in der Schmelze oberhalb der Schmelztemperatur von 75°C.
Bei den genannten Speichermedien in Latentwärmespeichern erfolgt während der Anwendung ein Übergang in den flüssigen Zustand. Damit sind Probleme beim technischen Einsatz der Speichermedien in Latentwärmespeichern verbunden, da grundsätzlich eine Versiegelung oder Verkapselung erfolgen muss, die einen Flüssigkeitsaustritt, der zu Substanzverlust bzw. Verunreinigung der Umgebung führt, verhindert. Dies erfordert gerade beim Einsatz in oder auf flexiblen Gebilden, wie beispielsweise Fasern, Geweben oder Schäumen in der Regel eine Mikroverkapselung der Wärmespeichermaterialien.
Darüber hinaus steigt der Dampfdruck vieler potentiell geeigneter Verbindungen beim Schmelzen stark an, so dass die Flüchtigkeit der Schmelzen einer Langzeitanwendung der Speichermaterialien oft entgegensteht. Beim technischen Einsatz von schmelzenden PCM entstehen häufig Probleme durch starke Volumenveränderungen beim Aufschmelzen vieler Substanzen.
Daher wird ein neues Gebiet der Phasenwechselmaterialien mit einem besonderen Fokus versehen. Es geht hierbei um fest/fest
Phasenwechselmaterialien. Da diese Substanzen während des gesamten Temperaturbereichs der Anwendung fest bleiben, entfällt das Erfordernis der Verkapselung. Ein Verlust des Speichermediums oder eine Verunreinigung der Umgebung durch die Schmelze des Speichermediums in Latentwärmespeichern kann so ausgeschlossen werden. Diese Gruppe der Phasenwechselmaterialien erschließt viele neue Anwendungsgebiete. US 5831831A, JP 10135381A und SU 570131A beschreiben den Einsatz einander ähnlicher PCM-Kühler im nicht-militärischen Einsatz. Gemeinsam ist den Erfindungen der Verzicht auf konventionelle Kühler (z.B. mit Kühlrippen und Lüfter).
Die oben beschriebenen PCM-Kühler sind nicht geeignet, die Spitzenleistung von Bauelementen mit unregelmäßigem Leistungsprofil abzufangen, da sie keine optimierte Entladung des PCM gewährleisten bzw. auch die Grundlast aufnehmen.
In der DE 100 27 803 (Abbildung 2) wird vorgeschlagen, die Leistungsspitzen eines elektrischen oder elektronischen Bauteiles mit Hilfe von Phasenwechselmaterialien (PCM) zu puffern, wobei die Vorrichtung zum Kühlen von Wärme erzeugenden elektrischen und elektronischen Bauteilen (2) mit ungleichmäßigem Leistungsprofil im wesentlichen aus einer Wärme leitenden Einheit (1 ) und einer Wärme aufnehmenden Einheit (4), welche ein Phasenwechselmaterial (PCM) enthält, besteht.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, Wärme erzeugende Bauteile effektiver zu Kühlen und Temperaturspitzen abzufangen.
Gelöst wird diese Aufgabe durch eine Vorrichtung zum Kühlen von Wärme erzeugenden Bauteilen mit ungleichmäßigem Leistungsprofil, bestehend im wesentlichen aus einer Wärme abführenden Einheit (1 ) und einer Wärme aufnehmenden Einheit (4), welche mindestens ein Phasenwechselmaterial (PCM) gemäß dem Hauptanspruch enthält.
Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass das mindestens eine PCM derart in der Kühlvorrichtung angeordnet ist, dass seine Phasenwechseltemperatur (TPC) der Umgebungstemperatur in der Kühlvorrichtung entspricht, die gemäß dem Temperaturgradienten bei der zu puffernden Temperatur der Wärme erzeugenden Einheit (2) vorliegt.
Bevorzugt zeichnet sich die Erfindung dadurch aus, dass sie mindestens zwei PCM mit unterschiedlichen Phasenwechseltemperaturen (TPC) besitzt. Die PCM sind derart zueinander angeordnet, dass sich jeweils das PCM mit der höheren Tpc im wärmeren Bereich der Kühlvorrichtung befindet. Die Tpc liegen jeweils unterhalb der kritischen Maximaltemperatur des Wärme erzeugenden Bauteiles (2), bei der eine Überhitzung dieses Bauteiles auftreten würde. Die kritische Maximaltemperatur ist die Temperatur des Wärme erzeugenden Bauteiles, die nicht überschritten werden darf.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung sind insbesondere Vorrichtungen zur Kühlung elektrischer und elektronischer Bauteile, die ein ungleichmäßiges Leistungsprofil aufweisen, wie beispielsweise Speicherchips oder Mikroprozessoren (MPU = micro processing unit) in Desktop und Laptop Computern bzw. Servern sowohl auf Motherboard als auch Grafikkarte, Netzteilen, Festplatten und anderen elektronischen Bauelementen, die während des Betriebes Wärme abgeben.
Diese Arten der Kühlung mit Hilfe von PCM zum Abfangen von Wärmespitzen sind jedoch nicht auf die Anwendung in Computern beschränkt. Die erfindungsgemäßen Systeme können Anwendung finden in allen Vorrichtungen, die Leistungsschwankungen aufweisen und in denen Wärmespitzen abgefangen werden sollen, weil aufgrund von Überhitzung mögliche Defekte auftreten können. Die Allgemeinheit nicht einschränkende Beispiele hierfür sind Leistungsschaltungen und Leistungsschaltkreise für die Mobilkommunikation, Sendeschaltungen für Mobiltelefone und feste Transmitter, Steuerschaltungen für elektromechanische Stellglieder in der Industrieelektronik und in Kraftfahrzeugen, Hochfrequenzschaltungen für die Satellitenkommunikation und Radar- Anwendungen, Einplatinrechner sowie für Stellglieder und Steuergeräte für Hausgeräte und Industrieelektronik. Weiterhin können die erfindungsgemäßen Kühlvorrichtungen auch Anwendung finden z.B. in Motoren für Aufzüge, Umspannwerken oder Verbrennungsmotoren.
Erfindungsgemäße Vorrichtungen zur Kühlung sind beispielsweise Kühler. Konventionelle Kühler können durch den Einsatz von PCM verbessert werden.
Der Wärmestrom vom Wärme erzeugenden Bauteil zum Kühler sollte nicht unterbrochen werden, d.h. der Wärmestrom sollte zuerst durch die Wärme abführende Einheit, z.B. den Kühler, und nicht zum PCM stattfinden. Eine Unterbrechung in diesem Sinne läge dann vor, wenn die PCM aufgrund der Bauart des Kühlers zunächst die Wärme aufnehmen müssten, bevor die Wärme über die Kühlrippen abgeführt werden könnte - was zu einer Verschlechterung der Leistung des Kühlers bei gegebener Bauart führen würde. Um zu gewährleisten, dass die PCM nur die Leistungsspitzen aufnehmen, sind die PCM daher bevorzugt so in oder an der Kühlvorrichtung angeordnet, dass die klassische Kühlleistung der Wärme abführenden Einheit möglichst nicht beeinträchtigt wird und dass ein signifikanter Wärmestrom zum PCM erst dann stattfindet, wenn die Wärme abführende Einheit die Phasenwechseltemperatur TpC des jeweiligen PCM überschreitet. Vor diesem Zeitpunkt strömt nur eine so geringe Menge Wärme ins PCM, wie sie bei normaler Temperaturerhöhung der Umgebung aufgenommen wird. Wird jedoch Tpc erreicht, so erfolgt weiterhin Kühlung (d.h. Abführung der Wärme) durch die Wärme abführende Einheit und zusätzlich findet ein erhöhter Wärmestrom zum PCM statt.
Bei Erreichen der kritischen Maximaltemperatur des Wärme erzeugenden Bauteiles weist die erfindungsgemäße Kühlvorrichtung einen definierten Temperaturgradienten zwischen der Wärme erzeugenden Einheit und dem entgegen gesetzten Ende der Wärme abführenden Einheit auf. Es wurde gefunden, dass PCM besonders geeignet sind, deren
Phasenwechseltemperaturen TPC in geeigneter Weise unterhalb der für die Wärme erzeugende Einheit kritischen Maximaltemperatur liegen. Vorzugsweise sind die erfindungsgemäß verwendeten PCM daher derart ausgewählt und in der
Kühlvorrichtung angeordnet, dass ihre TPc möglichst genau auf diesen definierten kritischen Temperaturgradienten abgestimmt sind, d.h. dass die Phasenwechsel nahezu zeitgleich und/oder kurz unterhalb dieses Temperaturgradienten erfolgen.
Beispielsweise treten in handelsüblichen Kühlern mit Gebläse für CPUs von
Desktopcomputern erhebliche Temperaturgradienten auf, die von der Grenzfläche CPU/Kühler bis zum entgegengesetzten Ende der Kühlrippen 20 bis 40°C betragen können. Geeignete TPC für das PCM, welches sich der Wärme erzeugenden Einheit am nächsten befindet, liegen zum Beispiel im Falle vom Mikroprozessoren etwa 10 bis 15°C unterhalb der für das Wärme erzeugende Bauteil kritischen Maximaltemperatur. Die weiter entfernt angeordneten PCM weisen entsprechend niedrigere Tpc auf. Aufgrund des Temperaturgradienten in der Kühlvorrichtung werden in der erfindungsgemäßen Anordnung mit mindestens zwei PCM die unterschiedlichen TPc dann bevorzugt annähernd gleichzeitig erreicht, so dass die Leistungssteigerung der Kühlvorrichtung deutlich vergrößert wird und ein „Booster"-Effekt der PCMs auffällig in Erscheinung tritt. Vorteilhafterweise sollte des weiteren der signifikante Wärmefluss zum PCM erst bei möglichst hohen Temperaturen einsetzen. Auf diese Weise arbeitet die erfindungsgemäße Kühlvorrichtung bis fast zu ihrem kritischen Maximaltemperaturgradienten weitestgehend herkömmlich und es wird so eine maximale klassische Kühlleistung gewährleistet. Erst bei Erreichen der TPC wird die Kühlleistung durch die Wärmeaufnahme der PCM ergänzt. Die Leistung der Kühlvorrichtung steigt hierdurch sprunghaft an und ein „Booster"-Effekt der PCM tritt auffällig in Erscheinung. Damit wird erreicht, dass das Wärme erzeugende Bauteil nicht überhitzt wird.
Durch den Einsatz von PCM in der erfindungsgemäßen Weise können Kühlvorrichtungen mit geringerer Kühlleistung verwendet werden, da die extremen Wärmespitzen nicht abgeführt werden müssen, sondern gepuffert werden.
In Abhängigkeit von der durch das Wärme erzeugende Bauteil bestimmten kritischen Maximaltemperatur sind alle bekannten PCM für die erfindungsgemäße Vorrichtung geeignet. Für den Einsatz der PCM sind verkapselte Materialien, festfest PCM, PCM in Matrices, fest-flüssig PCM in Hohlräumen oder eine Mischung der genannten Formen geeignet. Als Matrix für fest-fest oder fest-flüssig PCM sind dabei insbesondere Polymere, Graphit, z.B. expandierter Graphit (z.B. Sigri λ von SGL), oder poröse anorganische Stoffe wie z.B. Kieselgel und Zeolithe, geeignet. Vorzugsweise ist wenigstens ein erfindungsgemäß verwendetes PCM ein fest/fest PCM.
Für die erfindungsgemäße Vorrichtung stehen verschiedene PCM zur Verfügung. Grundsätzlich können PCM verwendet werden, deren Phasenwechseltemperatur zwischen -100°C und 150°C liegen. Für die Anwendung in elektrischen und elektronischen Bauteilen sind PCM im Bereich von Umgebungstemperatur bis 95°C bevorzugt. Dabei können die Materialien ausgewählt sein aus der Gruppe der Paraffine (C2o-C45), anorganischen Salze, Salzhydrate und deren Gemische, Carbonsäuren oder Zuckeralkohole. Eine nicht einschränkende Auswahl ist in Tabelle 1 zusammengefasst.
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Tabelle 1
Des Weiteren sind z.B. fest-fest PCM ausgewählt aus der Gruppe der Di-n-alkyl- ammonium-Salze, gegebenenfalls mit verschiedenen Alkylgruppen, sowie deren Mischungen geeignet. Dabei sind für die Anwendung in elektrischen und elektronischen Bauteilen PCM besonders geeignet, deren TPc zwischen der Umgebungstemperatur und 95°C liegt, wie z.B. Diehxylammoniumbromid, Dioctylammoniumbromid, Dioctylammoniumchlorid, Dioctylammoniumacetat, Dioctylammoniumnitrat, Dioctylammoniumformiat, Didecylammoniumchlorid, Didecylammoniumchlorat, Didodecylammoniumchlorat, Didodecylammonium- formiat, Didecylammoniumbromid, Didecylammoniumnitrat, Didecylammonium- acetat, Didodecylammoniumacetat, Didodecylammoniumsulfat, Didodecyl- ammoniumchlorid, Dibutylammonium-2-nitrobenzoat, Didodecylammonium- propionat, Didecylammoniumformiat, Didodecylammoniumnitrat und Didodecylammoniumbromid.
In einer bevorzugten Ausführungsform enthalten die PCM neben dem eigentlichen Wärmespeicherungsmaterial mindestens ein Hilfsmittel. Das Wärmespeicherungsmaterial und das mindestens eine Hilfsmittel liegen in Mischung, vorzugsweise in inniger Mischung, vor. Bei dem Hilfsmittel handelt es sich vorzugsweise um eine Substanz oder Zubereitung mit guter thermischer Leitfähigkeit, insbesondere um ein Metallpulver oder -granulat (z.B. Aluminium, Kupfer) oder Graphit. Diese Hilfsmittel gewährleisten eine gute Wärmeübertragung.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform kann das mindestens eine Hilfsmittel das neben dem eigentlichen Wärmespeicherungsmaterial im PCM enthalten ist, ein Bindemittel, insbesondere ein polymerer Binder, sein. Dabei liegen die Partikel des Wärmespeicherungsmaterials vorzugsweise in feiner Verteilung in dem Bindemittel vor. Derartige Bindemittel werden insbesondere dann eingesetzt, wenn das PCM in Form gehalten werden soll. Daneben stellen die Bindemittel bei der Anwendung einen innigen Kontakt, d.h. eine gute Benetzung, zwischen dem Mittel zur Speicherung von Wärme und der Oberfläche der Wärme abführenden Einheit her. Beispielsweise kann so der passgenaue Einbau von Latentwärmespeichern zur Kühlung elektronischer Bauteile erfolgen. Das Bindemittel verdrängt Luft an den Kontaktflächen und sorgt so für einen engen Kontakt zwischen Wärmespeichermaterial und Bauteil. Vorzugsweise finden derartige Mittel daher Verwendung in Vorrichtungen zur Kühlung von Elektronikbauteilen.
Erfindungsgemäßes polymeres Bindemittel kann jegliches Polymere sein, das sich dem Anwendungszweck entsprechend als Bindemittel eignet. Vorzugsweise ist das polymere Bindemittel dabei ein härtbares Polymer oder eine Polymervorstufe, insbesondere ausgewählt aus der Gruppe, die aus Polyurethanen, Nitrilkautschuk, Chloropren, Polyvinylchlorid, Siliconen, Ethylen-Vinylacetat-Copolymeren und
Polyacrylaten besteht. Besonders bevorzugt wird Silicon als polymeres Bindemittel verwendet. Wie die geeignete Einarbeitung der Wärmespeicherungsmaterialen in diese polymeren Bindemittel erfolgt, ist dem Fachmann auf diesem Gebiet wohl bekannt. Es bereitet ihm keine Schwierigkeiten gegebenenfalls die nötigen Zusatzstoffe, wie beispielsweise Additive zu finden, die eine solche Mischung stabilisieren.
Für anorganische flüssig-fest PCM werden vorzugsweise zusätzlich Keimbildner, wie z.B. Borax oder verschiedene Metalloxide, eingesetzt.
Das gesamte Material, d.h. das PCM und gegebenenfalls die Hilfsmittel, liegt vorzugsweise entweder als lose Schüttung oder als Formkörper vor. Unter Formkörpern werden dabei insbesondere alle Gebilde verstanden, die sich durch Kompaktierungsmethoden, wie z.B. Pelletierung, Tablettierung, Walzenkompaktierung oder Extrusion, herstellen lassen. Dabei können die Formkörper die verschiedensten Raumformen, wie beispielsweise Kugel-, Würfel- oder Quaderform, annehmen.
Das PCM kann zur Formgebung in reiner Form verpresst werden, nach dem Zerkleinern (z.B. Mahlen) gepresst werden, oder in Mischungen mit den Hilfsmitteln verpresst werden. Die Presslinge können problemlos gelagert, transportiert und vielseitig eingesetzt werden. So können die Presslinge beispielsweise direkt in elektronische Bauteile eingesetzt werden. Die Presslinge werden zwischen den Kühlrippen so eingebaut, dass sie in innigem Kontakt mit den Flächen der Kühlrippen stehen. Die Dicke der Presslinge wird so gewählt, dass zwischen Rippen und Pressung eine kraftschlüssige Verbindung entsteht. Die Presslinge können auch zwischen Kühlrippen/Wärmetauscher eingesetzt werden, bevor diese zu einem Stack verbunden werden.
Bevorzugt sind weiterhin erfindungsgemäße Kühlvorrichtungen, deren Wärme abführende Einheit (1) Oberflächen vergrößernde Strukturen aufweist. Besonders bevorzugt weist die Wärme abführende Einheit (1 ) Kühlrippen auf. Derartige
Strukturen wirken sich positiv auf die konventionelle Kühlleistung aus, so dass die Kühlleistung der erfindungsgemäßen Vorrichtung insgesamt effektiver ist. Vorzugsweise hat die Wärme abführende Einheit (1 ) ferner zur Unterstützung der Kühlleistung ein Gebläse auf der der Wärme erzeugenden Einheit (2) entgegengesetzten Seite.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Bauteil (Z), welches im wesentlichen aus einer erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung und einer Wärme erzeugenden Einheit (2) besteht. Dabei sind Wärme abführende und Wärme aufnehmende Einheit (1 ) und (4) sowie die Einheit (2) derart zueinander angeordnet, dass der Wärmefluss zwischen dem Wärme erzeugenden Bauteil (2) und der Wärme abführenden Einheit (1) im direkten Kontakt erfolgt.
Bevorzugt ist die Wärme erzeugende Einheit (2) ein elektrisches oder elektronisches Bauteil, besonders bevorzugt eine MPU (micro processing unit), insbesondere eine CPU (central processing unit), oder ein Speicherchip eines Computers. Nachfolgend wird die erfindungsgemäße Vorrichtung an einem allgemeinen Beispiel zur Kühlung von CPUs für Computer näher erläutert.
In einer erfindungsgemäßen Vorrichtung (Abbildung 3) werden die PCM (4a + 4b) so im oder am Kühler (1) angeordnet, dass der Wärmestrom zuerst durch den Kühler und anschließend durch die PCM fließt, d.h. ein signifikanter Wärmestrom von der CPU (2) auf dem Träger (3) zu den PCM (4a, 4b) findet erst dann statt, wenn die entsprechenden Kühlerbereiche die Phasenwechseltemperatur TPc des benachbarten PCM überschreiten. Damit wird gewährleistet, dass die PCM nur die Leistungsspitzen aufnehmen. In leistungsfähigen Rechnern werden am Fuß des Kühlers Temperaturen von 60-90°C (T1 ) erreicht. Die Kühlrippen weisen einen deutlichen Temperaturgradienten auf, wobei die Temperatur in dem weiter von der CPU entfernten Bereich (T3) unter derjenigen in der Nähe der CPU liegt (T2). Aufgrund leistungsfähiger Gebläse am entgegengesetzten Ende erreichen sie hier nur Temperaturen von T3 = 40-50°C und T2 = 50-70°C.
Passt man die Phasenwechseltemperatur von PCM1 (4a) an die Temperatur, die gemäß dem Temperaturgradienten bei der kritischen Maximaltemperatur der CPU im Kühler in der Nähe der CPU (T2max) vorliegt, und die von PCM2 (4b) entsprechend an den weiter entfernten Bereich des Kühlers an (T3maχ) an, so tritt der Phasenwechsel beider Materialien nahezu gleichzeitig und bei Erreichen bzw. kurz unterhalb der kritischen Maximaltemperatur der CPU (T1maχ) ein, d.h. die unterstützende Wirkung der PCM setzt besonders effizient ein. Je später die Wärmespeicherwirkung der PCM einsetzt, d.h. je höher die Kühlertemperatur sein kann, umso höher ist dabei die konventionelle und damit auch die gesamte Kühlleistung der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
Die Entladung des PCM wird auf diese Weise ebenfalls effizienter, da beim Abkühlen des Kühlers das gesamte Phasenwechselmaterial nahezu gleichzeitig entladen wird. Eine höhere konventionelle Kühlleistung führt dabei zu einer schnelleren Entladung der PCM.
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Tabelle 2: Erklärung der Bezeichnungen in den Abbildungen
Beispiel
Für einen Prozessor, dessen Maximalleitung 90W beträgt, wird ein Kühler gemäß Abbildung 3 konzipiert, der bei 30°C Umgebungstemperatur eine Kühlerleistung von 0,61 K/W hat. Ausgehend von einer maximalen Betriebstemperatur T1max von 85°C betragen die Temperaturen in der Mitte und im oberen Teil der Kühlrippen T2max 65°C und T3max 45°C. Als Phasenwechselmaterialien werden Didodecylammoniumchlorid (PCM1 ) mit einer TPC von 65°C und Didecylammoniumchlorid (PCM2) mit einer TPC von 49°C verwendet.
Mit geeigneten PCM können die Kühler durch Verwendung von mehr als zwei PCM noch feiner auf dem Temperaturgradienten abgestimmt werden.

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung zum Kühlen von Wärme erzeugenden Bauteilen, bestehend im wesentlichen aus einer Wärme abführenden Einheit (1 ) und einer Wärme aufnehmenden Einheit (4), welche mindestens ein Phasenwechselmaterial (PCM) mit einer Phasenwechseltemperatur (TPC) enthält, wobei das PCM entsprechend seiner Tpc gemäß dem Temperaturgradienten in der Kühlvorrichtung angeordnet ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadu rch gekennzeichnet, dass die Wärme aufnehmenden Einheit (4) mindestens zwei PCM mit unterschiedlicher Tpc enthält, wobei die PCM entsprechend ihrer TPc gemäß dem Temperaturgradienten in der Kühlvorrichtung zueinander angeordnet sind.
3. Vorrichtung nach mindestens einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die TPC jeweils unterhalb der kritischen Maximaltemperatur des Wärme erzeugenden Bauteiles (2) liegen.
4. Vorrichtung nach mindestens einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die PCM derart angeordnet sind, dass ihre Phasenwechsel nahezu zeitgleich und/oder kurz unterhalb der
Temperatur erfolgen, die gemäß dem Temperaturgradienten in der Kühlvorrichtung der kritischen Maximaltemperatur des Wärme erzeugenden Bauteiles (2) entspricht.
5. Vorrichtung nach mindestens einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die PCM derart angeordnet sind, dass der Wärmestrom vom Wärme erzeugenden Bauteil zu der Wärme abführenden Einheit (1) nicht unterbrochen wird und ein signifikanter Wärmestrom zum PCM erst dann stattfindet, wenn die Temperatur der Wärme abführenden Einheit (1) die Phasenwechseltemperatur TPC des PCM überschreitet.
6. Vorrichtung nach mindestens einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die PCM enthaltende Einheit (4) aus einem oder mehreren Hohlräumen besteht, in welchen die PCM eingebracht sind, wobei sich die Hohlräume in der Wärme abführenden Einheit (1) befinden.
7. Vorrichtung nach mindestens einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein PCM ein fest/fest PCM ist.
8. Vorrichtung nach mindestens einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein PCM verkapselt ist.
9. Vorrichtung nach mindestens einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein PCM mit einem oder mehreren Hilfsmitteln versehen ist.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, d ad u rch gekennzeichnet, dass das Hilfsmittel eine Substanz mit guter thermischer Leitfähigkeit, insbesondere ein Metallpulver, ein Metallgranulat oder Graphit, und/oder ein Bindemittel, insbesondere ein polymeres Bindemittel, ist.
11. Vorrichtung nach mindestens einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das PCM und ggf. die Hilfsmittel in verpresster Form vorliegen.
12. Vorrichtung nach mindestens einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärme abführende Einheit (1 ) Oberflächen vergrößernde Strukturen, insbesondere Kühlrippen, aufweist.
13. Vorrichtung nach mindestens einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärme abführende Einheit (1) zur zusätzlichen Kühlung ein Gebläse aufweist.
14. Bauteil (Z), bestehend im wesentlichen aus einer Kühlvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 13 und einem Wärme erzeugenden Bauteil (2), wobei die beiden baulichen Einheiten (1) und (4) sowie das Bauteil (2) derart zueinander angeordnet sind, dass der Wärmefluss zwischen dem Wärme erzeugenden Bauteil (2) und der Wärme abführenden Einheit (1 ) im direkten Kontakt erfolgt.
15. Bauteil (Z) nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil (2) ein elektrisches oder elektronisches Bauteil, insbesondere eine MPU (micro processing unit) oder ein Speicherchip eines Computers, ist.
16. Computer, enthaltend ein Bauteil gemäß Anspruch 14 oder 15.
17. Verwendung einer Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 13 oder eines Bauteils gemäß Anspruch 12 oder 13 in Computern und elektronischen
Datenverarbeitungssystemen.
18. Verwendung einer Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 13 oder eines Bauteils gemäß Anspruch 14 oder 15 in Leistungsschaltungen und Leistungsschaltkreisen für die Mobilkommunikation, Sendeschaltungen für Handys und feste Transmitter, Steuerschaltungen für elektromechanische
Stellglieder in der Industrieelektronik und in Kraftfahrzeugen, Hochfrequenzschaltungen für die Satellitenkommunikation und Radar- Anwendungen, Einplatinrechner sowie für Stellglieder und Steuergeräte für Hausgeräte und Industieelektronik.
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