WO2009106573A1 - System zum abtransport thermischer verlustleistungen - Google Patents

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WO2009106573A1
WO2009106573A1 PCT/EP2009/052294 EP2009052294W WO2009106573A1 WO 2009106573 A1 WO2009106573 A1 WO 2009106573A1 EP 2009052294 W EP2009052294 W EP 2009052294W WO 2009106573 A1 WO2009106573 A1 WO 2009106573A1
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WO
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heat
zone
channels
flat tube
mehrkanalflachrohr
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PCT/EP2009/052294
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Inventor
Eberhard Günther
Original Assignee
Guenther Eberhard
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Publication date
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D15/00—Heat-exchange apparatus with the intermediate heat-transfer medium in closed tubes passing into or through the conduit walls ; Heat-exchange apparatus employing intermediate heat-transfer medium or bodies
    • F28D15/02—Heat-exchange apparatus with the intermediate heat-transfer medium in closed tubes passing into or through the conduit walls ; Heat-exchange apparatus employing intermediate heat-transfer medium or bodies in which the medium condenses and evaporates, e.g. heat pipes
    • F28D15/0233—Heat-exchange apparatus with the intermediate heat-transfer medium in closed tubes passing into or through the conduit walls ; Heat-exchange apparatus employing intermediate heat-transfer medium or bodies in which the medium condenses and evaporates, e.g. heat pipes the conduits having a particular shape, e.g. non-circular cross-section, annular
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F1/00—Tubular elements; Assemblies of tubular elements
    • F28F1/02—Tubular elements of cross-section which is non-circular
    • F28F1/022—Tubular elements of cross-section which is non-circular with multiple channels
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F2250/00—Arrangements for modifying the flow of the heat exchange media, e.g. flow guiding means; Particular flow patterns
    • F28F2250/04—Communication passages between channels
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F2255/00—Heat exchanger elements made of materials having special features or resulting from particular manufacturing processes
    • F28F2255/12—Heat exchanger elements made of materials having special features or resulting from particular manufacturing processes expanded or perforated metal plate

Definitions

  • the invention relates to a system for removing thermal power losses, as it can be used in particular in electronic devices or cabinets.
  • the components of electronic devices or control cabinets naturally produce loss heat from a certain proportion of the electrical energy supplied to them. This heat loss must be dissipated to prevent failures of the electronic components. Especially for computers, it is necessary to dissipate the heat loss of the central processing unit (CPU).
  • CPU central processing unit
  • a CPU in a commercially available personal computer generates approximately 80-130 W of power loss, which must be dissipated as heat from the system.
  • power loss greater than 130 W.
  • Expansion valve and evaporator which is the computer or its heat-producing components in the traditional way after the cold-steaming process cools.
  • a cooling device which has a multi-channel flat tube through which a heat transfer fluid flows, which is thermally in communication with the loss-heat-generating components.
  • heatpipes or heat pipes are used for the cooling of electronic devices, which allow a very efficient way of heat transfer from the heat-dissipating electronic component to a heat exchanger for heat removal from the system.
  • the heat energy is delivered to a coolant, for example to an air flow or to a cooling liquid.
  • the disclosed cooling device dissipates the heat to a cooling air flow, which is generated by means of a fan.
  • the object of the invention is thus to provide a system which realizes the heat loss absorption at the source, the heat transfer and the heat release thermodynamically and cost-efficiently.
  • this object is achieved in that a system for the removal of thermal power losses of particular electronic components is provided, which is characterized in that a Mehrkanalflachrohr is provided which has a heat receiving zone, a heat conduction zone and a heat transfer zone vertically formed one above the other and that the zones the multi-channel flat tube with channels and partitions are interconnected.
  • the multi-channel flat tube is closed at its ends and in the channels a phase-changing refrigerant is provided. The orientation of the channels takes place in the vertical direction y such that the liquid refrigerant flows back into the heat absorption zone due to gravity, the individual channels of the multi-channel flat tube being designed as communicating tubes.
  • the multi-channel flat tube in the heat absorption zone and the heat conduction zone is designed to be spirally rotated vertically and evenly and in the heat release zone with a pitch angle alpha.
  • Heat receiving zone of the multi-channel flat tube is thermally contacted within a housing with the electronic components arranged on a carrier system and the heat-emitting zone of the multi-channel flat tube outside the housing is arranged, said zones are connected by means of the heat conduction zone of the multi-channel flat tube.
  • the electronic components are thermally contacted according to an advantageous embodiment of the invention by means of a clamping device with the Mehrkanalflachrohr in the heat absorption zone.
  • the multi-channel flat tube has surface enlarging elements in the area of the heat-dissipating zone.
  • the surface enlargement elements can also be designed conventionally as ribs, ribbed bodies or as lamellae.
  • the multi-channel flat tube is provided in the region of the ends with openings in the intermediate walls of the channels, which realizes the principle of the communicating tubes within the Mehrkanalflachrohres in a particularly efficient manner.
  • multi-channel flat tubes is particularly economical when the ends are each performed by pinch zones for sealing the channels to the outside.
  • the concept of the invention is that three functional areas are integrated in one device.
  • the first functional area consists of the heat absorption zone, which also fulfills the function of the thermal coupling.
  • the thermal coupling is the link between the area where the thermal power dissipation occurs and a thermosiphon system that gives the thermal coupling
  • the thermal Coupling allows an optimal, but always easy to solve connection between the heat source and the transport system to the heat sink, the heat dissipation zone.
  • the thermal coupling can also be used to connect multiple thermosyphon rails for transporting heat loss over longer distances. Furthermore, the thermal coupling can also be used for the connection to refrigeration systems, liquid cooling systems and heat sinks.
  • the heat conduction zone according to the invention is designed as a thermosiphon rail. This is a system for the low-loss transport of thermal energy to understand. It serves primarily as a flexible extension and as an intermediate piece between the thermal coupling, the heat-absorbing zone, and heat sink, the heat-dissipating zone. By suitable coupling means several thermosiphon rails can be connected in series to transfer heat to a heat sink. A parallel circuit for transmitting higher powers is an alternative embodiment of the invention. The dimensioning takes place according to volumetric and performance-specific requirements. This also results in the optimum amount of working fluid or refrigerant.
  • the heat absorbed is inventively preferably by spiral heat exchanger, z. B. in air. But it is also the coupling to the evaporator of a chiller, extruded heat sink or to a coolant circuit possible.
  • FIG. 1 Mehrkanalflachrohr in the location coordinate system
  • Fig. 2 Mehrkanalflachrohrend Sharing with openings in the intermediate walls
  • FIG. 3 multi-channel flat tube end section with pinch zone
  • FIG. Fig. 4 spiral heat exchanger with inner input
  • Fig. 5 spiral heat exchanger with external input
  • Fig. 6 Top view of the control cabinet with spiral heat exchanger and Fig. 7: side view of the control cabinet with spiral heat exchanger.
  • thermosiphon rail can be bent or twisted about the X-axis, around the Y-axis and around the Z-axis according to FIG.
  • the thermosiphon system is designed as a multi-channel flat tube 1 according to FIG. 2 with corresponding vessels or channels 2.
  • the vessels are in the liquid phase of the working fluid, ie in the region of the tail, which works as an evaporator connected.
  • the heat transport is essentially due to the isothermal or isobaric state changes in conjunction with the gravity circulation of a working fluid or refrigerant.
  • thermosiphon rail consists of a multi-channel flat tube 1.
  • the individual channels 2 of the multi-channel flat tube 1 are preferably connected to one another at both ends by means of bores.
  • the holes form openings 4 in the intermediate walls 3 of adjacent channels 2 and can be introduced from the outside transversely through the multi-channel flat tube 1, which is also referred to as a tube profile.
  • each of the left and right intermediate walls 3 are connected by obliquely to the channel direction z extending holes or thorns with each other, the respective outer walls of the outer channels 2 are not perforated.
  • the holes meet at the center of the profile and form an "x" as shown in Figure 2. This allows the profiles to be closed by only two ultrasonic welding operations without affecting the corresponding channels 2.
  • the side edges of the multi-channel flat tube 1 are pressed in wedge shape in the direction of the Z-axis according to FIG. 3 to approximately 150% of the depth of the ultrasonic weld seam, whereby a pinch zone 5 is formed.
  • This method offers the advantage of achieving a weld without deformations, such as "dovetails", which exceed the original dimensions of the multi-channel flat tube 1, and the connection to the thermal coupling with optimum utilization of the available area
  • the ends of the multichannel flat raw material rs 1 are then gas-tightly closed by ultrasonic welding Alternatively, the ends can also be closed gas-tight by soldering or other methods isothermal and isobaric state changes in which the Manufacturer of multi-channel flat tubes 1 predetermined working pressures are not exceeded.
  • the heat release zone 12 is formed according to FIG. 4 and FIG. 5 as a spiral heat exchanger with the function of a capacitor.
  • the spiral heat exchanger is according to the concept also designed as a thermosiphon system and from a multi-channel flat tube 1 and realizes the liquid return transport to the heat absorption zone by gravity.
  • the spiral heat exchanger can be bent or twisted around the X-axis, around the Y-axis and around the Z-axis in the region of the liquid phase of the working fluid.
  • the heat-dissipating zone 12 is formed as a part of the thermosiphon system and is a multi-channel flat tube 1 with corresponding channels 2 bent in the condensation region to the spiral.
  • the spiral is designed to increase in the direction of the Y-axis. According to Fig. 4, it rises from its center, as long as the evaporation region opens into the center of the spiral.
  • the evaporation zone opens into the outermost winding of the spiral according to FIG. 5
  • the rise in the direction of the Y-axis is formed inwards.
  • a cabinet with spiral heat exchanger is shown in plan view.
  • the spiral heat exchanger is arranged on the housing 6 of the control cabinet.
  • the spiral heat exchanger as a heat emitting zone 12 of the system for the removal of thermal power losses is made of a multi-channel flat tube 1 with a Lead angle in the y-direction shown in FIG. 4 or FIG. 5 wound and provided with surface enlargement elements 9.
  • a metal structure for. B. expanded metal or corrugated metal sheet, which is suitable to increase by their construction, the outer surface for heat dissipation and counteracts by turbulence the formation of laminar flows of forced or free convection of the air.
  • Fig. 7 is a side view of a cabinet with spiral heat exchanger is shown.
  • a carrier system 7 with the electronic components 8 is provided in a housing 6, the latter being intended to be cooled by means of the system for dissipating thermal power losses.
  • the heat absorption zone 10 of the system designed as a multi-channel flat tube 1 is thermally contacted via a thermal coupling or a clamping or clipping device 13 with the electronic components 8 producing heat loss.
  • the absorbed by evaporation of the working fluid or refrigerant energy is passed as a result of the rising steam through the heat conduction zone 11 of the Mehrkanalflachrohres 1 to outside the housing 6 spiral heat exchanger of the heat delivery zone 12, where the heat is released by condensation to the heat exchanger flowing around and cooling air.
  • the condensate flows back out of the heat release zone 12 through the heat conduction zone 11 into the heat absorption zone 10 due to gravity.
  • the spiral heat exchanger is formed in the heat-emitting zone 12 with a pitch angle alpha of at least two degrees. The sizing of the entire system is based on volumetric and performance-specific requirements. This also results in the optimum amount of working fluid.
  • the individual channels of the multi-channel flat tube 1 are connected to each other through openings 4 in the intermediate walls.
  • the openings are created by bores, ideally at both ends.
  • the holes can be introduced from the outside across the profile.
  • the intermediate walls 3 are connected to each other from the left and right by obliquely to the channel direction z extending holes or thorns.
  • the bores meet at the center of the profile and form an "x", which allows the profiles to be closed by only two ultrasonic welding operations, without affecting the corresponding channels 2.
  • the side edges of the multi-channel rib 1 are reduced to approx 150% of the depth of the ultrasonic weld wedge-shaped in the direction of the Z-axis of FIG.
  • the profile is subsequently evacuated and filled with a working fluid.
  • the ends are sealed gas-tight by ultrasonic welding. Alternatively, the ends are closed gas-tight by soldering. In order to solder the filled profile, it requires an active cooling of the multi-channel flat tube.
  • connection to the heat source follows the respective requirements and conditions.
  • the following variants make sense in order to compartmentalize the system.
  • the individual functional areas are physically separated and connected to each other via thermal couplings.
  • the heat receiving zone 10 is pressed by means of a suitable mechanical attachment to the heat source. Taking into account the minimum gradient between heat sink and heat source, the evaporator section can be adapted to the particular requirements by bending.
  • the thermal coupling is connected to the heat source, the heat receiving zone 10 of the multi-channel flat tube 10 of the system is mounted in the thermal coupling. Taking into account the
  • Evaporator to be adapted to the particular requirements by bending.
  • the use of a thermal coupling is particularly useful if a simple and fast
  • Heat transfer zones 11 for overcoming necessary distances between heat source and heat sink :
  • thermosiphon rail is attached, which is connected in the condensation zone by a thermal coupling with the evaporation zone of the next thermosiphon rail.
  • Thermosiphonschienen can be connected in series, and then ultimately connected to the heat-emitting zone 12. Taking into account the minimum gradient between heat sink and
  • the evaporator part can be adjusted according to the particular requirements by bending.
  • the use of the thermal coupling is particularly useful when a simple and fast assembly / disassembly or extension of the heat conduction zone 11 and an adjustment of the heat release zone 12 should be ensured.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein System zum Abtransport thermischer Verlustleistungen von insbesondere elektronischen Bauteilen, welches dadurch gekennzeichnet ist, dass ein Mehrkanalflachrohr (1) eine Wärmeaufnahmezone (10), eine Wärmeleitungszone (11) und eine Wärmeabgabezone (12) vertikal übereinander ausgebildet aufweist und durch das Mehrkanalflachrohr (1) mit Kanälen (2) und Zwischenwänden (3) miteinander verbindet, wobei das Mehrkanalflachrohr (1) an seinen Enden verschlossen und in den Kanälen (2) ein Phasen wechselndes Kältemittel vorgesehen ist und die Orientierung der Kanäle (2) derart in vertikaler Richtung y erfolgt, dass das flüssige Kältemittel in die Wärmeaufnahmezone (10) gravitationsbedingt zurückfließt, wobei die einzelnen Kanäle (2) des Mehrkanalflachrohres (1) als kommunizierende Röhren ausgebildet sind.

Description

System zum Abtransport thermischer Verlustleistungen
Die Erfindung betrifft ein System zum Abtransport thermischer Verlustleistungen, wie es insbesondere in elektronischen Geräten oder Schaltschränken einsetzbar ist.
Die Komponenten von elektronischen Geräten oder Schaltschränken produzieren naturgemäß aus einem bestimmten Anteil der ihnen zugeführten Elektroenergie Verlustwärme. Diese Verlustwärme muss zur Verhinderung von Ausfällen der elektronischen Komponenten abgeführt werden. Insbesondere für Computer ist es notwendig, die Verlustwärme der Central-Processing-Unit (CPU) abzuführen.
Nach momentanem Stand der Technik erzeugt eine CPU in einem handelsüblichen Personalcomputer ca. 80 - 130 W Verlustleistung, welche als Wärme aus dem System abgeführt werden muss. Allerdings äst bei zukünftigen Prozessorgenerationen mit einer Verlustleistung größer als 130 W zu rechnen. Um ein Funktionieren der CPU zu gewährleisten, ist es in Abhängigkeit des Prozessortyps und des Herstellers des Prozessors erforderlich, die Temperatur an der CPU auf Temperaturen zwischen 60 0C und 90 0C durch Kühlung zu begrenzen.
Neben der CPU befinden sich in einem komplexen elektronischen Gerät, wie einem Personalcomputer, weitere Komponenten, deren maximale Arbeitstemperatur ebenfalls zum Zwecke des reibungslosen Funktionierens nach oben begrenzt ist. Eine weitere wichtige Komponente stellt in diesem Zusammenhang die Grafikkarte (GPU) dar. Ebenso gilt der Chipsatz als signifikante Verlustwärmequelle.
Nach der DE 200 10 977 U1 ist ein System zum Kühlen eines Computers bekannt, welches eine Kälteanlage mit Verdichter, Kondensator,
Expansionsventil und Verdampfer aufweist, die den Computer bzw. dessen wärmeerzeugende Komponenten auf traditionelle Weise nach dem Kaltdampfprozess kühlt.
Nach der WO 2004/061908 A2 wird eine Kühlvorrichtung offenbart, die ein von einem Wärmeübertragungsfluid durchströmtes Mehrkanalflachrohr aufweist, welches mit den verlustwärmeerzeugenden Komponenten thermisch in Verbindung steht.
Weiterhin werden für die Kühlung von elektronischen Geräten Heatpipes bzw. Wärmerohre eingesetzt, welche eine sehr effiziente Art des Wärmetransportes von dem wärmedissipierenden elektronischen Bauelement zu einem Wärmeübertrager zur Wärmeabfuhr aus dem System ermöglichen. In dem Wärmeübertrager bzw. dem Kondensator des Wärmerohres wird die Wärmeenergie an ein Kühlmittel, beispielsweise an einen Luftstrom oder an eine Kühlflüssigkeit, abgegeben.
Ein solches System ist in der DE 195 27 674 offenbart. Die offenbarte Kühleinrichtung führt die Wärme an einen Kühlluftstrom ab, der mittels eines Ventilators erzeugt wird.
Nach der US 6,288,895 ist ein Apparat für die Kühlung elektronischer Komponenten in einem Computersystem offenbart, welches ein Wärmerohr zur Ableitung des Verlustwärmestromes von dem wärmeerzeugenden elektronischen Bauelement nutzt und dessen Kondensator mit einem kanalförmigen Wärmeübertrager in thermischer Verbindung steht, der Wärmeübertragungsrippen aufweist.
Nachteilig an dem aufgeführten Stand der Technik ist, dass Wärmeübertragungsaufgaben zumeist mit hohem apparativem Aufwand gelöst werden, der zu hohen Kosten und einer hohen Störanfälligkeit der Komponenten führt. Die Aufgabe der Erfindung besteht somit darin, ein System zu schaffen, welches die Verlustwärmeaufnahme an der Quelle, den Wärmetransport und die Wärmeabgabe thermodynamisch und kosteneffizient realisiert.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass ein System zum Abtransport thermischer Verlustleistungen von insbesondere elektronischen Bauteilen geschaffen wird, welches dadurch gekennzeichnet ist, dass ein Mehrkanalflachrohr vorgesehen ist, welches eine Wärmeaufnahmezone, eine Wärmeleitungszone und eine Wärmeabgabezone vertikal übereinander ausgebildet aufweist und dass die Zonen durch das Mehrkanalflachrohr mit Kanälen und Zwischenwänden miteinander verbunden sind. Dabei ist das Mehrkanalflachrohr an seinen Enden verschlossen und in den Kanälen ist ein Phasen wechselndes Kältemittel vorgesehen. Die Orientierung der Kanäle erfolgt derart in vertikaler Richtung y, dass das flüssige Kältemittel in die Wärmeaufnahmezone gravitationsbedingt zurückfließt, wobei die einzelnen Kanäle des Mehrkanalflachrohres als kommunizierende Röhren ausgebildet sind.
Erfindungsgemäß ist weiterhin vorgesehen, dass das Mehrkanalflachrohr in der Wärmeaufnahmezone und der Wärmeleitungszone senkrecht und eben sowie in der Wärmeabgabezone mit einem Steigungswinkel alpha spiralförmig gedreht ausgebildet ist.
Besonders vorteilhaft ist die Ausbildung des Steigungswinkels alpha mit mindestens 2 °.
Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, dass die
Wärmeaufnahmezone des Mehrkanalflachrohres innerhalb eines Gehäuses mit den auf einem Trägersystem angeordneten elektronischen Bauteilen thermisch kontaktiert ist und die Wärmeabgabezone des Mehrkanalflachrohres außerhalb des Gehäuses angeordnet ist, wobei die genannten Zonen mittels der Wärmeleitungszone des Mehrkanalflachrohres verbunden sind.
Die elektronischen Bauteile werden nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung mittels einer Klemmvorrichtung mit dem Mehrkanalflachrohr im Bereich der Wärmeaufnahmezone thermisch kontaktiert.
Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung besteht darin, dass das Mehrkanalflachrohr im Bereich der Wärmeabgabezone Oberflächenvergrößerungselemente aufweist. Von besonderem ökonomischen und fertigungstechnischem Vorteil ist die Ausbildung der Oberflächenvergrößerungselemente als Streckmetall bzw. Streckmetalllagen. Alternativ dazu können die Oberflächenvergrößerungselemente auch konventionell als Rippen, Rippenkörper oder als Lamellen ausgebildet sein.
Nach einer Ausgestaltung der Erfindung ist das Mehrkanalflachrohr im Bereich der Enden mit Öffnungen in den Zwischenwänden der Kanäle versehen, was das Prinzip der kommunizierenden Röhren innerhalb des Mehrkanalflachrohres auf besonders effiziente Weise realisiert.
Die Fertigung der Mehrkanalflachrohre ist dann besonders wirtschaftlich, wenn die Enden jeweils durch Quetschzonen zur Abdichtung der Kanäle nach außen hin ausgeführt werden.
Die Konzeption der Erfindung besteht darin, dass drei Funktionsbereiche in einer Vorrichtung integriert sind.
Der erste Funktionsbereich besteht aus der Wärmeaufnahmezone, welche auch die Funktion der thermischen Kupplung erfüllt.
Die thermische Kupplung ist das Bindeglied zwischen der Fläche, an der die thermische Verlustleistung anfällt, und einem Thermosiphonsystem, das dem
Abtransport der Verlustwärme, der Wärmeleitungszone, dient. Die thermische Kupplung ermöglicht eine optimale, aber jederzeit leicht zu lösende Verbindung zwischen Wärmequelle und Transportsystem zur Wärmesenke, der Wärmeabgabezone.
Konzeptionsgemäß kann die thermische Kupplung auch eingesetzt werden, um mehrere Thermosiphonschienen zum Transport von Verlustwärme über längere Strecken zu verbinden. Weiterhin kann die thermische Kupplung auch für die Ankopplung an Kälteanlagen, Flüssigkeitskühlsysteme und Kühlkörper verwendet werden.
Die Wärmeleitungszone ist erfindungsgemäß als Thermosiphonschiene ausgebildet. Darunter ist ein System zum verlustarmen Transport von thermischer Energie zu verstehen. Sie dient vor allem als flexible Verlängerung und als Zwischenstück zwischen thermischer Kupplung, der Wärmeaufnahmezone, und Wärmesenke, der Wärmeabgabezone. Durch geeignete Kopplungsmittel können mehrere Thermosiphonschienen in Reihe geschaltet werden, um Wärme an eine Wärmesenke zu übertragen. Eine Parallelschaltung zum Übertragen höherer Leistungen ist eine alternative Ausgestaltung der Erfindung. Die Dimensionierung erfolgt je nach volumetrischen und leistungsspezifischen Anforderungen. Daraus ergibt sich auch die optimale Menge des Arbeitsfluids bzw. Kältemittels.
Die aufgenommene Wärme wird erfindungsgemäß vorzugsweise durch Spiralwärmeübertrager, z. B. an Luft, abgegeben. Es ist aber auch die Ankopplung an den Verdampfer einer Kältemaschine, an Strangpresskühlkörper oder an einen Kühlflüssigkeitskreislauf möglich.
Weitere Vorteile des Systems sind seine einfache und damit kostengünstige Fertigung sowie seine Flexibilität bzgl. Größe und Gestalt. Es lässt sich an verschiedenste Anforderungen hinsichtlich Bauraum und abzuführender Wärmeleistung anpassen. Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen mit Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen. Es zeigen:
Fig. 1 : Mehrkanalflachrohr im Ortskoordinatensystem; Fig. 2: Mehrkanalflachrohrendstück mit Öffnungen in den Zwischenwänden; Fig. 3: Mehrkanalflachrohrendstück mit Quetschzone; Fig. 4: Spiralwärmeübertrager mit innerem Eingang; Fig. 5: Spiralwärmeübertrager mit äußerem Eingang;
Fig. 6: Draufsicht des Schaltschrankes mit Spiralwärmeübertrager und Fig. 7: Seitenansicht des Schaltschrankes mit Spiralwärmeübertrager.
Unter Beachtung des Mindestgefälles zwischen Wärmesenke und Wärmequelle und gegebenenfalls der durch den Hersteller der Mehrkanalflachrohre vorgegebenen Biegeradien kann die Thermosiphonschiene um die X-Achse, um die Y-Achse und um die Z-Achse, gemäß Fig. 1 , gebogen oder verdrillt werden. Das Thermosiphonsystem ist als Mehrkanalflachrohr 1 gemäß Fig. 2 mit korrespondierenden Gefäßen bzw. Kanälen 2 ausgebildet. Die Gefäße sind im Bereich der Flüssigphase des Arbeitsfluids, also im Bereich des Endstücks, das als Verdampfer arbeitet, verbunden. Bevorzugt gibt es eine zusätzliche Verbindung der Kanäle 2 im Bereich der Kondensationszone, der Wärmeabgabezone 12. Der Wärmetransport erfolgt im Wesentlichen auf Grund der isothermen bzw. isobaren Zustandsänderungen in Verbindung mit dem Schwerkraftumlauf eines Arbeitsfluids bzw. Kältemittels.
Zum Betrieb des Systems ist zwischen Wärmequelle und Wärmesenke bevorzugt ein Steigungswinkel vom mindestens 2° vorgesehen. Die Thermosiphonschiene besteht nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung aus einem Mehrkanalflachrohr 1. Die einzelnen Kanäle 2 des Mehrkanalflachrohrs 1 werden mittels Bohrungen bevorzugt an beiden Enden miteinander verbunden. Die Bohrungen bilden Öffnungen 4 in den Zwischenwänden 3 benachbarter Kanäle 2 und können von außen quer durch das Mehrkanalflachrohr 1 , welches auch als Rohrprofil bezeichnet wird, eingebracht werden.
Um jedoch das nachträgliche Verschließen der dabei entstehenden Eintrittsöffnungen in den Außenwänden zu vermeiden, werden jeweils von links und rechts die Zwischenwände 3 durch schräg zur Kanalrichtung z verlaufende Bohrungen oder Aufdornungen miteinander verbunden, wobei die jeweils äußeren Wandungen der äußeren Kanäle 2 nicht perforiert werden. Die Bohrungen treffen in der Mitte des Profils aufeinander und bilden gemäß Fig. 2 ein „x". Dies ermöglicht das Verschließen der Profile durch lediglich zwei Ultraschallschweißvorgänge, ohne die korrespondierenden Kanäle 2 zu beeinträchtigen.
Vor dem Verschließen werden die Seitenkanten des Mehrkanalflachrohrs 1 auf ca. 150 % der Tiefe der Ultraschallschweißnaht keilförmig in Richtung der Z-Achse gemäß Fig. 3 eingedrückt, wodurch eine Quetschzone 5 gebildet wird. Dieses Verfahren bietet den Vorteil des Erreichens einer Schweißnaht ohne Verformungen, wie „Schwalbenschwänze", die über die ursprünglichen Abmessungen des Mehrkanalflachrohrs 1 hinausgehen, und der Anbindung an die thermische Kupplung unter optimaler Ausnutzung der zur Verfügung stehenden Fläche. Das Mehrkanalflachrohr 1 wird evakuiert und mit einem Arbeitsfluid gefüllt. Anschließend werden die Enden des Mehrkanalflach roh rs 1 durch Ultraschallschweißen gasdicht verschlossen. Alternativ sind die Enden auch durch Löten oder andere Verfahren gasdicht verschließbar. Als Arbeitsfluid sind alle Fluide geeignet, die im Bereich der jeweils geforderten Leistungsparameter eine geeignete Dampfdruckkurve mit günstigen isothermen und isobaren Zustandsänderungen aufweisen, bei der die vom Hersteller der Mehrkanalflachrohre 1 vorgegebenen Arbeitsdrücke nicht überschritten werden.
Die Wärmeabgabezone 12 ist gemäß Fig. 4 und Fig. 5 als Spiralwärmeübertrager mit der Funktion eines Kondensators ausgebildet. Der Spiralwärmeübertrager ist konzeptionsgemäß auch als ein Thermosiphonsystem und aus einem Mehrkanalflachrohr 1 ausgebildet und realisiert den Flüssigkeitsrücktransport zur Wärmeaufnahmezone schwerkraftgebunden.
Unter Beachtung des Mindestgefälles zwischen Wärmesenke und Wärmequelle und der gegebenenfalls durch den Hersteller der Mehrkanalflachrohre 1 vorgegebenen Biegeradien kann der Spiralwärmeübertrager im Bereich der Flüssigphase des Arbeitsfluids um die X-Achse, um die Y-Achse und um die Z-Achse gebogen oder verdrillt sein.
Die Wärmeabgabezone 12 ist als ein Teil des Thermosiphonsystems ausgebildet und ist ein im Kondensationsbereich zur Spirale gebogenes Mehrkanalflachrohr 1 mit korrespondierenden Kanälen 2. Die Spirale ist in Richtung der Y-Achse ansteigend ausgebildet. Nach Fig. 4 steigt sie von ihrem Mittelpunkt aus an, sofern der Verdampfungsbereich in das Zentrum der Spirale mündet. Mündet der Verdampfungsbereich in die äußerste Wicklung der Spirale gemäß Fig. 5, dann ist der Anstieg in Richtung der Y-Achse nach innen hin ausgebildet.
In Fig. 6 ist ein Schaltschrank mit Spiralwärmeübertrager in der Draufsicht dargestellt. Dabei ist der Spiralwärmeübertrager auf dem Gehäuse 6 des Schaltschrankes angeordnet. Der Spiralwärmeübertrager als Wärmeabgabezone 12 des Systems zum Abtransport thermischer Verlustleistungen ist aus einem Mehrkanalflachrohr 1 mit einem Steigungswinkel in y-Richtung gemäß Fig. 4 oder Fig. 5 gewickelt und mit Oberflächenvergrößerungselementen 9 versehen.
Um die Effizienz zu verbessern, ist gemäß der dargestellten Ausführungsform der Erfindung zwischen den einzelnen Wicklungen eine Metallstruktur, z. B. Streckmetall oder Wellblech, angeordnet, die geeignet ist, durch ihren Aufbau die äußere Oberfläche zur Wärmeabgabe zu vergrößern und durch Verwirbelung dem Ausbilden laminarer Strömungen der erzwungenen oder freien Konvektion der Luft entgegenwirkt.
In Fig. 7 ist eine Seitenansicht eines Schaltschranks mit Spiralwärmeübertrager dargestellt. Typischerweise ist dabei in einem Gehäuse 6 ein Trägersystem 7 mit den elektronischen Bauteilen 8 vorgesehen, wobei letztere mittels des Systems zum Abtransport thermischer Verlustleistungen gekühlt werden sollen. Die Wärmeaufnahmezone 10 des als Mehrkanalflachrohr 1 ausgebildeten Systems wird über eine thermische Kupplung bzw. eine Klemm- oder Klippvorrichtung 13 thermisch mit den Verlustwärme produzierenden elektronischen Bauteilen 8 kontaktiert. Die durch Verdampfung des Arbeitsfluids bzw. Kältemittels aufgenommene Energie wird infolge des aufsteigenden Dampfes durch die Wärmeleitungszone 11 des Mehrkanalflachrohres 1 zum außerhalb des Gehäuses 6 liegenden Spiralwärmeübertrager der Wärmeabgabezone 12 geleitet, wo die Wärme durch Kondensation an die den Wärmeübertrager umströmende und kühlende Luft abgegeben wird. Nach der Kondensation des Fluids strömt das Kondensat infolge der Schwerkraft aus der Wärmeabgabezone 12 durch die Wärmeleitungszone 11 in die Wärmeaufnahmezone 10 zurück. Um den Rückfluss des Kondensats zu gewährleisten, ist der Spiralwärmeübertrager in der Wärmeabgabezone 12 mit einem Steigungswinkel alpha von mindestens zwei Grad ausgebildet. Die Dimensionierung des Gesamtsystems erfolgt je nach volumetrischen und leistungsspezifischen Anforderungen. Daraus ergibt sich auch die optimale Menge des Arbeitsfluids.
Das Verfahren der Herstellung des Systems ist durch folgende Schritte gekennzeichnet:
Die einzelnen Kanäle des Mehrkanalflachrohres 1 sind durch Öffnungen 4 in den Zwischenwänden miteinander verbunden. Die Öffnungen werden mittels Bohrungen, idealerweise an beiden Enden, erzeugt. Die Bohrungen können von außen quer durch das Profil eingebracht werden. Um jedoch das nachträgliche Verschließen der dabei entstehenden Eintrittsöffnungen zu vermeiden, werden jeweils von links und rechts die Zwischenwände 3 durch schräg zur Kanalrichtung z verlaufende Bohrungen oder Aufdornungen miteinander verbunden. Die Bohrungen treffen in der Mitte des Profils aufeinander und bilden ein „x". Dies ermöglicht das Verschließen der Profile durch lediglich zwei Ultraschallschweißvorgänge, ohne die korrespondierenden Kanäle 2 zu beeinträchtigen. Vor dem Verschließen werden die Seitenkanten des Meh rkanalf lach roh res 1 auf ca. 150 % der Tiefe der Ultraschallschweißnaht keilförmig in Richtung der Z-Achse gemäß Fig. 4 eingedrückt, um zu erreichen, dass die Schweißnaht keine Verformungen, wie „Schwalbenschwänze", aufweist, die über die ursprünglichen Abmessungen des Mehrkanalflachrohres 1 hinausgehen. Dieses Verfahren ermöglicht die Anbindung an die thermische Kupplung, unter optimaler Ausnutzung der zur Verfügung stehenden Fläche. Das Profil wird nachfolgend evakuiert und mit einem Arbeitsfluid gefüllt. Die Enden werden durch Ultraschallschweißen gasdicht verschlossen. Alternativ sind die Enden auch durch Löten gasdicht verschließbar. Um das gefüllte Profil zu verlöten, bedarf es einer aktiven Kühlung des Mehrkanalflachrohres 1.
Als Arbeitsfluid sind alle Fluide geeignet, die im Bereich der jeweils geforderten Leistungsparameter eine geeignete Dampfdruckkurve mit günstigen isothermen und isobaren Zustandsänderungen aufweisen, bei der die vom Hersteller der Mehrkanalflachrohre 1 vorgegebenen Arbeitsdrücke nicht überschritten werden.
Je nach Verlustwärmemenge kann diese durch freie Konvektion oder mit Unterstützung durch einen Lüfter an die Umgebung abgegeben werden. Der Anschluss an die Wärmequelle folgt den jeweiligen Anforderungen und Gegebenheiten. Unter anderem sind folgende Varianten sinnvoll, um das System zu kompartimentieren. Dabei werden die einzelnen Funktionsbereiche physisch getrennt und über thermische Kupplungen miteinander verbunden.
Variante 1 :
1. Direkte Ankopplung an die Wärmequelle: Die Wärmeaufnahmezone 10 wird mittels einer geeigneten mechanischen Befestigung auf die Wärmequelle gepresst. Unter Berücksichtigung des Mindestgefälles zwischen Wärmesenke und Wärmequelle kann der Verdampferteil nach den jeweiligen Anforderungen durch Biegen angepasst werden.
Variante 2:
2. Ankopplung des Systems über eine thermische Kupplung:
Die thermische Kupplung wird mit der Wärmequelle verbunden, die Wärmeaufnahmezone 10 des Mehrkanalflachrohres 10 des Systems wird in der thermischen Kupplung befestigt. Unter Berücksichtigung des
Mindestgefälles zwischen Wärmesenke und Wärmequelle kann der
Verdampferteil nach den jeweiligen Anforderungen durch Biegen angepasst werden. Die Verwendung einer thermischen Kupplung ist insbesondere dann sinnvoll, wenn eine einfache und schnelle
Demontage des Systems gewährleistet sein soll. Variante 3:
3. Ankopplung des Systems über die thermische Kupplung und Zwischenschalten von ein oder mehreren Thermosiphonschienen als
Wärmeleitungszonen 11 zur Überwindung notwendiger Abstände zwischen Wärmequelle und Wärmesenke:
Die thermische Kupplung wird mit der Wärmequelle verbunden. In der thermischen Kupplung an der Wärmequelle wird eine Thermosiphonschiene befestigt, die in der Kondensationszone durch eine thermische Kupplung mit der Verdampfungszone der nächsten Thermosiphonschiene verbunden ist. Alternativ können auch mehrere Thermosiphonschienen in Reihe geschaltet werden, um dann letztlich mit der Wärmeabgabezone 12 verbunden zu werden. Unter Berücksichtigung des Mindestgefälles zwischen Wärmesenke und
Wärmequelle kann der Verdampferteil nach den jeweiligen Anforderungen durch Biegen angepasst werden. Die Verwendung der thermischen Kupplung ist insbesondere dann sinnvoll, wenn eine einfache und schnelle Montage/Demontage oder Verlängerung der Wärmeleitungszone 11 und eine Anpassung der Wärmeabgabezone 12 gewährleistet sein soll.
LISTE DER BEZUGSZEICHEN
1 Mehrkanalflachrohr, Rohrprofil
2 Kanal
3 Zwischenwände
4 Öffnungen
5 Quetschzone
6 Gehäuse
7 Trägersystem
8 elektronisches Bauteil
9 Oberflächenvergrößerungselemente
10 Wärmeaufnahmezone
11 Wärmeleitungszone
12 Wärmeabgabezone
13 Klemmvorrichtung alpha Steigungswinkel

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. System zum Abtransport thermischer Verlustleistungen von insbesondere elektronischen Bauteilen, dadurch gekennzeichnet, dass ein Mehrkanalflachrohr (1) eine Wärmeaufnahmezone (10), eine Wärmeleitungszone (11) und eine Wärmeabgabezone (12) vertikal übereinander ausgebildet aufweist und durch das Mehrkanalflachrohr (1) mit Kanälen (2) und Zwischenwänden (3) miteinander verbindet, wobei das Mehrkanalflachrohr (1) an seinen Enden verschlossen und in den Kanälen (2) ein Phasen wechselndes Kältemittel vorgesehen ist und dass die Orientierung der Kanäle (2) derart in vertikaler Richtung y erfolgt, dass das flüssige Kältemittel in die Wärmeaufnahmezone (10) gravitationsbedingt zurückfließt, wobei die einzelnen Kanäle (2) des Mehrkanalflachrohres (1) als kommunizierende Röhren ausgebildet sind.
2. System nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Mehrkanalflachrohr (1) in der Wärmeaufnahmezone (10) und in der Wärmeleitungszone (11) senkrecht und eben sowie in der Wärmeabgabezone (12) mit einem Steigungswinkel alpha spiralförmig gedreht ausgebildet ist.
3. System nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der
Steigungswinkel alpha mindestens zwei Grad beträgt.
4. System nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeaufnahmezone (10) des Mehrkanalflachrohres (1) innerhalb eines Gehäuses (6) mit den auf einem Trägersystem (7) angeordneten elektronischen Bauteilen (8) thermisch kontaktiert ist und die Wärmeabgabezone (12) des Mehrkanalflachrohres (1) außerhalb des Gehäuses (6) angeordnet ist, wobei die Zonen (10, 12) mittels der Wärmeleitungszone (11) des Mehrkanalflachrohres (1) verbunden sind.
5. System nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die elektronischen Bauteile (8) mittels einer Klemmvorrichtung (13) mit dem Mehrkanalflachrohr (1) im Bereich der Wärmeaufnahmezone (10) thermisch kontaktiert sind.
6. System nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Mehrkanalflachrohr (1) im Bereich der Wärmeabgabezone (12) Oberflächenvergrößerungselemente (9) aufweist.
7. System nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Mehrkanalflachrohr (1) als Oberflächenvergrößerungselemente (9) Streckmetalllagen aufweist.
8. System nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Mehrkanalflachrohr (1) als Oberflächenvergrößerungselemente (9) Rippen oder Rippenkörper aufweist.
9. System nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Mehrkanalflachrohr (1) im Bereich der Enden Öffnungen (4) in den Zwischenwänden (3) der Kanäle (2) aufweist.
10. System nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Mehrkanalflachrohr (1) im Bereich der Enden Quetschzonen (5) zur Abdichtung der Kanäle (2) nach außen hin aufweist.
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