DE10333877A1

DE10333877A1 - Kühlvorrichtung, insbesondere zur Kühlung von Bauelementen der Leistungselektronik mittels eines Wärmeübertragungskreislaufes

Info

Publication number: DE10333877A1
Application number: DE2003133877
Authority: DE
Inventors: Andreas Dr. Schulz; Guennadi Nikolaevitsch Akapiev; Herbert Rösler
Original assignee: SDK-TECHNIK GmbH; SDK Technik GmbH
Current assignee: MICRYON TECHNIK GMBH, 06484 QUEDLINBURG, DE
Priority date: 2003-07-25
Filing date: 2003-07-25
Publication date: 2005-02-24

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Kühlvorrichtung (1) zur Kühlung von Bauelementen (2) der Leistungselektronik mittels eines Wärmeübertragungskreislaufes (1, 1a), der aus einem mit dem Elektronikbauteil (2) wärmeübertragend gekoppelten sowie von einem primären Kühlmittel (7) beaufschlagten Verdampferteil (3) sowie einem extern von einem sekundären Kühlmittel (9) beaufschlagten Kondensatorteil (4) besteht. DOLLAR A Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Kühlvorrichtung (1, 1a) dieser Art zu schaffen, die bei kompakter Bauweise des einzusetzenden Verdampfer- (3) und Kondensatorteils (4) sowie bei relativ geringem energetischem Einsatz den Abtransport großer Wärmemengen vom Elektronikbauteil (2) über das primäre (7) und sekundäre Kühlmittel (9) gewährleistet. DOLLAR A Diese Aufgabe wird bezüglich des Verdampferteils (3) dadurch gelöst, daß das mit dem Bauelement (2) der Leistungselektronik wärmeübertragend gekoppelte Verdampferteil (3) aaus einer Vielzahl von matrixartig auf einer Basisfläche (3a) eines Verdampfergehäuses (3b) angeordneten Stäben (15), Rohren oder ebenen oder gekrümmten Platten (24) oder einer Kombination davon aus Kupfer oder Aluminium besteht, deren Oberfläche (15a, 24a) ganz oder teilweise mit aufgalvanisierten, stiftförmigen Vorsprüngen (16) in Form von geordneten Mikrostrukturen (16a) bedeckt ist, die sich mit ihrer Längsachse (19) entweder senkrecht oder unter einem Winkel (alpha) zur Oberfläche (15a, 24a) der Stäbe (15), Rohre oder Platten (24) erstreckt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Kühlvorrichtung, insbesondere zur Kühlung von Bauelementen der Leistungselektronik mittels eines Wärmeübertragungskreislaufes, der aus einem mit dem Elektronikbauteil wärmeübertragend gekoppelten sowie von einem primären Kühlmittel beaufschlagten Verdampferteil sowie einem extern von einem sekundären Kühlmittel beaufschlagten Kondensatorteil besteht, in dem das primäre Kühlmittel gekühlt und seine Dampfphase kondensiert ist, wobei das primäre Kühlmittel entweder unter seiner Schwerkraft oder mittels einer Pumpe vom Kondensatorteil zum Verdampferteil gefördert ist.
Mit dem stetig steigenden Bedarf an leistungsstarken Elektronikbauteilen steigt zwangsläufig auch die abgegebene Wärmemenge der von elektrischen Strömen durchflossenen Elektronikbauteile. Diese Wärmemengen müssen möglichst rasch und umfangreich aus dem Anordnungsraum der Elektronikbauteile entfernt werden, weil diese andernfalls sowohl in ihrer Funktion als auch bezüglich ihrer Lebensdauer beeinträchtigt werden. Dabei wird stets an die Kühlvorrichtungen die Forderung einer möglichst kompakten Baugröße einerseits und eines möglichst hohen Wärmeabtransports andererseits gestellt, mithin zwei Forderungen, die in gewisser Weise in einem kontradiktorischen Gegensatz stehen.
Als am leistungsstärksten haben sich dabei Kühlvorrichtungen der eingangs genannten Gattung erwiesen, die sich eines Verdampfungsprozesses eines primären Kühlmittels innerhalb eines thermodynamischen Clausius-Rankine-Prozesses bedienen, weil die in der Dampfphase des primären Kühlmittels von den Elektronikbauteilen abtransportierte Wärmemenge diejenige mittels einer flüssigen Phase eines primären Kühlmittels abtransportierte Wärmemenge bei weitem übertrifft.

Aus der DE 100 07 066 A1 ist eine Kühlvorrichtung der eingangs genannten Gattung bekannt geworden, bei welcher eine Wärmeübertragungsplatine aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung mit einem Verdampferteil in einen Bereich mit den Elektronikbauteilen hineinragt, wobei das Verdampferteil durch eine Wand getrennt zu einem Kondensatorteil durchgeführt wird, welches mit einer möglichst großen und daher berippten Wärmeübertragungsfläche zum Kontakt mit dem sekundären Kühlmittel ausgebildet ist. Mittels anderweitiger Offenbarung erfolgt bei dieser Kühlvorrichtung der Rücktransport des kondensierten primären Kühlmittels unter Schwerkraft. Aus dem Mißverhältnis der Wärmeübertragungsflächen des Verdampferteils zum Kondensatorteil wird deutlich, daß mit einer derartigen Kühlvorrichtung nur ein sehr begrenzter Wärmemengentransport vom Elektronikbauteil an das sekundäre Kühlmittel – hier Luft – erfolgen kann.

Aus der DE 100 17 971 A1 ist eine weitere Kühlvorrichtung der eingangs genannten Gattung offenbart, bei welcher der Rücktransport des im Kondensatorteil kondensierten Kühlmittels entweder über eine dort nicht dargestellte Pumpe oder unter Schwerkraft zurück in das Verdampferteil erfolgen kann. Zwar ist in dieser Druckschrift stets die Rede von „Kältemittel", jedoch ist offenkundig ein Kühlmittel gemeint, da man unter einem Kältemittel üblicherweise ein solches aus Frigenen bis hin zu Kohlenwasserstoffen versteht, deren Einsatz ausdrücklich in dieser Druckschrift aufgrund der damit verbundenen Abdichtungsprobleme sowie der Höhe des Dampfdruckes zutreffend abgelehnt wird.

Die dort offenbarte Kühlvorrichtung soll aus einem in keiner Weise konkret offenbarten Mikro-Wärmeübertrager bestehen, dessen Verdampferteil das Kühlmittel teilweise verdampfen läßt und die flüssige sowie die Dampfphase des primären Kühlmittels zu einem gleichfalls nicht näher offenbarten Kondensatorteil leitet, in welchem die Dampfphase verflüssigt und erneut unter Schwerkraft oder mittels einer Pumpe zum Verdampferteil zurückgeleitet werd. Der Mikro-Wärmeübertxager soll durch eine Vielzahl von durchströmten Kanälen eine große Wärmeübertragungsfläche bilden, die wiederum von einem geeigneten primären sowie sekundären Kühlmittel beaufschlagt werden sollen. Diese aufgabenhaften Offenbarungen lassen jeden konkreten Hinweis auf die Ausbildung des Verdampferteils und des Kondensatorteils vermissen. Wie jeder Fachmann auf dem hier in Rede stehenden Fachgebiet der Wärmetechnik weiß, kommt dem Verdampferteil eine besondere Bedeutung zu, da seine Wärmeübertragungsleistung im wesentlichen von den Eigenschaften des primären Kühlmittels, von einer möglichst hohen Wärmestromdichte sowie durch die Struktur der Wärmeübertragungsflächen bestimmt werden. Dabei wiederum wird die Wärmestromdichte in zwei Bereiche unterteilt, die durch das Verdampfungsverhalten des primären Kühlmittels gekennzeichnet sind, nämlich

1. die Filmverdampfung im niederen Leistungsbereich (Verdunstungskühlung) und
2. die Blasenverdampfung im hohen Leistungsbereich (Kühlung durch Sieden).

Wie effektiv dabei die Wärmemengen vom Elektronikbauteil durch Film- oder Blasenverdampfung auf das primäre Kühlmittel übertragen werden können, hängt wiederum von den Eigenschaften der Oberflächenstruktur, nämlich insbesondere von der Größe der Oberfläche, von der Kapillarität und Benetzungsrate, von seiner Porosität und seiner mechanischen Festigkeit ab.

Für die Größe des Wärmeabtransports ist auch die konkrete Ausgestaltung des Kondensatorteils, dessen Wärmeübertragungsleistung an das sekundäre Kühlmittel sowie die Tropfenbildung des Kondensats und damit die Beschaffenheit seiner wärmeübertragenden Oberflächen, nämlich wie und in welcher Form die wärmeübertragenden Oberflächen vom Kondensat überflutet und dieses zum Verdampfer zurückgeleitet wird, von entscheidender Bedeutung. Hierüber geben die beiden vorgenannten Druckschriften keine Auskunft.

Aus der DE 101 02 869 A1 ist eine gattungsfremde Kühlvorrichtung offenbart, bei welcher das primäre Kühlmittel komprimiert an das zu kühlende Bauteil herangeführt wird und ein Mittel zur Dekompression des Kühlmittels vorgesehen ist. Bei dieser Vorrichtung handelt es sich offenkundig um eine Wärmepumpe, die im T-S-Diagramm die Umkehrung des Clausius-Rankine-Prozesses darstellt. Eine solche Wärmepumpe erfordert nicht nur einen Kompressor auf der Verdampferseite, sondern auch ein Druck-Reduzierventil auf der Kondensatorseite. Das Verdampferteil und das Kondensatorteil stehen unter relativ hohem Druck und müssen dementsprechend abgedichtet werden. Auch hier wird nur ein seit Jahrzehnten bekanntes Kühlverfahren angegeben, ohne auf die eigentlichen Probleme, nämlich die spezifische Ausbildung der Oberflächenstruktur der Wärmeübertragungsflächen, das primäre und sekundäre Kühlmittel noch auf die zusätzlich einzusetzenden Energien für den Kompressor konkret einzugehen.

Eine weitere, allerdings gleichfalls gattungsfremde Kühlvorrichtung ist aus der US 2003/0056940 A1 bekannt geworden. Bei dieser gelangt einmal unter Schwerkraft und einmal mittels einer Pumpe ein von einem Luftstrom als sekundäres Kühlmittel gekühltes primäres Kühlmittel aus einem Vorratstank zu einem Verdampferteil, welches einerseits wärmeübertragend mit dem Elektronikbauteil gekoppelt ist und andererseits das verdampfte primäre Kühlmittel mit seiner Enthalpie in die Umgebung des Verdampferteils entläßt. Abgesehen vom Nachteil eines ständig neu zuzuführenden primären Kühlmittels, ist diese Kühlvorrichtung mit dem Nachteil behaftet, daß der vom Verdampferteil in die Umgebung austretende Dampf sich an kälteren Flächen, z.B. an Gehäuseflächen des Elektronikbauteiles, niederschlagen, dort auskondensieren und auf Elektronikbauteile herabtropfen kann, was zu unkontrollierbaren Kriechströmungen und damit zu Fehlfunktionen der Elektronikbauteile führen kann. Ein offener Verdampfungsprozeß ist daher schon aus diesen Gründen für die Kühlung von Elektronikbauteilen abzulehnen.

Neben diesen Kühlvorrichtungen sind noch eine Reihe älterer gattungsfremder Kühlvorrichtungen bekannt, die man unter dem Gattungsbegriff „Kühlrohr" (Heat Pipe) zusammenfassen kann. Eine solche Heat Pipe ist beispielsweise in der DE 101 45 311 A1 offenbart. Das Verdampferteil dieser Heat Pipe wird mit dem Elektronikteil und das Kondensatorteil, welches mit einer großen äußeren Wärmeübertragungsfläche für das sekundäre Kühlmittel (hier Luft) versehen ist, wird darüber angeordnet und befindet sich mit dem Verdampferteil in einem gemeinsamen rohrförmigen Gehäuse. Da das Kondensatorteil der Heat Pipe senkrecht über dem Verdampferteil angeordnet ist, strömt das kondensierte primäre Kühlmittel unter seiner Schwerkraft in das Verdampferteil zurück. Auch hier ist nicht entscheidend für den Wärmemengentransport das Prinzip der Anordnung einer Heat Pipe und deren Verbindung mit einem Elektronikbauteil, sondern die Oberflächenstruktur der Wärmeübertragungsflächen, worauf in diesem Dokument gleichfalls mit keinem Wort eingegangen wird.

Weitere Anordnungen und Varianten einer Heat Pipe sind in der US 6,517,221 B1 sowie in der US 2002/0080584 A1 offenbart.

Von diesem nächstkommenden Stand der Technik ausgehend, liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Kühlvorrichtung der eingangs genannten Gattung zu schaffen, die bei kompakter Bauweise des einzusetzenden Verdampfer- und Kondensatorteils sowie bei relativ geringem energetischem Einsatz große Wärmemengen vom Elektronikbauteil über das primäre und sekundäre Kühlmittel abführen kann.

Diese Aufgabe wird in Verbindung mit dem eingangs genannten Gattungsbegriff erfindungsgemäß bezüglich des Verdampferteils dadurch gelöst, daß das mit dem Bauelement der Leistungselektronik wärmeübertragend gekoppelte Verdampferteil aus einer Vielzahl von matrixartig auf einer Basisfläche eines Verdampfergehäuses angeordneten Stäben, Rohren, ebenen oder gekrümmten Platten oder einer Kombination davon aus Kupfer oder Aluminium besteht, deren Oberfläche ganz oder teilweise mit Vorsprüngen in Form von geordneten Mikrostrukturen bedeckt ist, die mittels einer mit Mikroporen versehenen Polymermembran auf die Oberfläche der Stäbe, Rohre oder Platten aufgalvanisiert sind und eine Stiftform aufweisen, die sich mit ihrer Längsachse entweder senkrecht oder unter einem Winkel zur Oberfläche der Stäbe, Rohre oder Platten erstreckt.

Da Kupfer und Aluminium eine hohe Wärmeleitfähigkeit besitzen, können von dem Bauelement der Leistungselektronik erhebliche Wärmemengen über die Basisfläche auf die Kupfer- oder Aluminiumstäbe übertragen werden. Aufgrund der auf der Außenfläche dieser Kupfer- und Aluminiumstäbe angeordneten Mikrostrukturen ist deren Oberfläche bis zum Vierzigfachen gegenüber einer glatten Oberfläche vergrößert. Da die Stiftform der Mikrostrukturen durch ihre Aufgalvanisierung stoffschlüssig mit den Kupfer- oder Aluminiumstäben verbunden ist, wird eine große Wärmeübertragungsleistung von der Basisfläche des Verdampferteils über die Kupfer- oder Aluminiumstäbe auf deren Oberflächenstruktur gesichert, die von stiftförmigen Vorsprüngen in stochastischer Anordnung gebildet ist. Durch diese Oberflächenstruktur können sich in den Mikrobereichen zwischen den stiftförmigen Vorsprüngen beim Verdampfungsprozeß ungehindert Dampfblasen entwickeln, die bei einer mindesterforderlichen Überhitzung der siedenden Flüssigkeit mit entsprechender Temperaturdifferenz Blasen großer Abmessungen entstehen lassen, nach deren Abriß in den offenen Hohlräumen zwischen den einzelnen Stiften erneut Dampfblasen keimen und expandieren können, so daß nicht nur eine hohe Blasendichte, sondern auch eine hohe Blasenfrequenz gewährleistet ist. Dementsprechend hoch ist die Größe des Wärmemengentransports pro Zeiteinheit.

Bezüglich des Kondensatorteils wird die Aufgabe in Verbindung mit dem vorstehend genannten Gattungsbegriff erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Kondensatorteil als Rohrbündel-, Stabbündel- oder Plattenkondensator ausgebildet und die vom primären Kühlmittel beaufschlagte Außenseite der Rohre, Stäbe oder Platten aus Kupfer oder Aluminium innerhalb eines Kondensatorgehäuses ganz oder teilweise mit Vorsprüngen in Form von geordneten, aufgalvanisierten Mikrostrukturen versehen ist, die mittels einer mit Mikroporen versehenen Polymermembran auf die Oberfläche aufgalvanisiert sind und eine Stiftform aufweisen, die sich mit ihrer Längsachse entweder senkrecht oder unter einem Winkel zur Oberfläche der Rohre, Stäbe oder Platten erstreckt. Damit wird auch die Außenfläche der Rohre oder Platten durch die aufgalvanisierten Mikrostrukturen in stochastischer Ordnung auf ein bis zu vierzigfaches gegenüber der glatten Oberfläche vergrößert. Da sich nunmehr zwischen den aufgalvanisierten Stiften gleichmäßig völlig offene Hohlräume bilden, ist eine hervorragende Filmkondensation gewährleistet, wobei der Flüssigkeitsfilm stets in sämtlichen Richtungen gleichmäßig sowie ungehindert abströmen kann. Dadurch wird ein ausgezeichneter thermischer Wirkungsgrad sowie ein ungewöhnlich großer Wärmemengentransport von den so gestalteten Wärmeübertragungsflächen gewährleistet. Die Flächendichte und die Dicke der stiftförmigen Vorsprünge läßt sich sowohl beim Verdampfer als auch beim Kondensatorteil je nach der Viskosität des beaufschlagten Fluids variieren, nämlich zwischen 10²/cm² und 10⁸/cm² bei einer Dicke von 100 μm und 0,2 μm.

Die Herstellung und der Aufbau von Wärmeübertragungsflächen aus Kupfer oder Aluminium mit einer aufgalvanisierten Mikrostruktur ist aus dem DE 201 19 741 U1 bekannt.

Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung bestehen zur Sicherstellung einer kompakten Bauweise die Rohre des Kondensators aus Kupfer oder Aluminium mit einem Innendurchmesser von mindestens 5 mm, und ebenso weisen die Platten eine Mindestdicke von 0,5 mm auf. Dabei ist der Kondensator als Einwegkondensator ausgebildet, zwischen dessen Rohrböden die Rohre parallel zueinander angeordnet sind und der jeweils mit einer Eintritts- und Austrittsöffnung für das sekundäre Kühlmittel und mit je einem Einlaß- und Auslaßstutzen für das primäre Kühlmittel versehen ist.

Für kleinere abzuführende Wärmemengen vom betreffenden Bauteil der Leistungselektronik gestattet die Erfindung auch, das Verdampferteil und das Kondensatorteil als einteiliges, kompaktes Kühlrohr in Form einer Heat Pipe auszubilden. Die Querschnittsform dieses Kühlrohres kann kreisrund, oval, elliptisch oder polygonal ausgebildet sein.

Speziell für diesen Verwendungszweck ist nach einer besonders vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung das Kondensatorteil wie das Verdampferteil und damit gleich ausgebildet und getrennt im gleichen Gehäuse um 180° zueinander versetzt angeordnet, wobei die Basisfläche des Kondensatorteils mit einem aus dem abgedichteten Gehäuse herausführenden sowie vom sekundären Kühlmittel beaufschlagten Wärmeübertrager stoffschlüssig oder kraftschlüssig gekoppelt ist.

Die Stifte der Mikrostrukturen weisen eine Mindesthöhe von 10 μm auf, die zwischen 10 μm und 100 μm liegen kann. Der Winkel α der Stifte zu ihrer Basisfläche kann sich zwischen 30° und 90° erstrecken.

Die Eintrittstemperatur des sekundären Kühlmittels in das Kondensatorteil wird stets unterhalb der Kondensationstemperatur des primären Kühlmittels gehalten, insbesondere dann, wenn das sekundäre Kühlmittel aus Luft oder Wasser besteht.

Als primäres Kühlmittel wird vorteilhaft Frigen, Alkohol oder Ammoniak verwendet. Diese Kühlmittel sind insbesondere für die in der Leistungselektronik interessanten Temperaturbereiche von –70° C bis +200°C einsetzbar. Generell sollte das primäre Kühlmittel nicht brennbar und nicht giftig sein und einen guten elektrischen Widerstand besitzen. Weiterhin ist eine geringe Oberflächenspannung für die Kapillarwirkung der Mikrostrukturen sowie ein Siedepunkt im Temperaturbereich von 30°C bis 100°C bei Atmosphärendruck erwünscht.

Die Innenoberfläche der Rohre des Rohrbündelkondensators ist von einem Ventilator mit der Kühlluft oder von einer Pumpe mit Wasser beaufschlagt. Wenn der Rohrbündelkondensator oberhalb des Verdampferteils eingesetzt und somit das auskondensierte primäre Kühlmittel unter seiner Schwerkraft zum Verdampferteil zurückströmen kann, ist der Energieeinsatz für den Ventilator der einzige bei den Betriebskosten zu beachtende Faktor. Bei einem Förderprozeß mittels einer Pumpe träte noch deren – geringe – Antriebsenergie hinzu.

Zur Gewährleistung eines großen Wärmetransports durch Wärmeleitung ist die Basisfläche des Verdampfers mit der wärmeübertragenden Fläche des Elektronikbauteils entweder stoffschlüssig und/oder kraftschlüssig verbunden. Dabei kann die stoffschlüssige Verbindung aus einer Lötung, Verklebung, einer Verschweißung oder aus einer Verschmelzung bestehen.

Die kraftschlüssige Verbindung wiederum kann durch eine Einpressung, eine Verpressung, eine Verquetschung, eine Verkeilung, eine Verschraubung oder eine Verwicklung der kontaktierenden Flächen des Elektronikbauteils einerseits mit der Basisfläche des Verdampfers andererseits hergestellt werden.

Mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt. Dabei zeigen:
1 die schematische Darstellung des mit dem elektronischen, zu kühlenden Bauteils gekoppelten Verdampferteils und dem damit über Rohrleitungen zu einem geschlossenen Kreislauf verbundenen Kondensatorteil, das über einen Ventilator von Luft als sekundärem Kühlmittel beaufschlagt ist,
2 die gerätetechnische Darstellung von 1, bei welcher das kondensierte primäre Kühlmittel unter seiner Schwerkraft vom Kondensatorteil zum Verdampferteil zurückströmt,
3 die perspektivische Draufsicht einer ersten Ausführungsform des Verdampferteils mit auf die Oberseite einer mit Stäben versehenen Basisfläche, deren Oberflächen mit einer Mikrostruktur (s. vergrößerten Ausschnitt von 3) versehen sind,
4 die Darstellung eines einzelnen Stabes von 3 mit einer Ausschnittvergrößerung seiner Mikrostruktur,
5 eine perspektivische Ansicht einer ersten Ausführungsform des Kondensatorteils in Form eines Rohrbündelverdampfers,
6 einen Ausschnitt eines Rohres in senkrechter Position des Rohrbündelverdampfers von 5 mit einer vergrößerten Ausschnittansicht seiner aufgalvanisierten Mikrostruktur,
7 eine zweite Ausführungsform eines Verdampferteils mit plattenförmigen Verdampferflächen, deren Oberflächen mit einer Mikrostruktur (s. vergrößerten Ausschnitt) versehen sind,
8 die Ausbildung einer zweiten Ausführungsform des Kondensatorteils mit plattenförmigen Kondensatorflächen, die mit Löchern und deren Oberflächen mit einer mikrostrukturierten Oberfläche versehen sind,
9 die Ansicht in Richtung des Pfeiles IX von 8 auf die übereinandergeordneten Platten mit der zueinander versetzten Lochanordnung,
10 eine dritte Ausführungsform des Kondensatorteils mit Kondensatorplatten, die wechselseitig zueinander geneigt sind,
11 die Anordnung eines Verdampfer- und eines Kondensatorteils innerhalb eines Kühlrohres in Form einer Heat Pipe,
12 einen stab- oder rohrförmigen Körper, der von einer mit Mikroporen versehenen Polymermembran umwickelt ist, vor seiner Einlage in ein Galvanobad zur Aufbringung der Mikrostrukturen und
13 eine Mikroaufnahme einer Mikrostruktur.
Die in den 1 und 2 dargestellt Kühlvorrichtung 1 zur Kühlung von Bauelementen der Leistungselektronik 2 weist einen Verdampfer 3 und einen Kondensator 4 auf, die durch zwei Rohrleitungen 5, 6 miteinander zu einem geschlossenen Kreislauf verbunden sind. Die Rohrleitung 5 wird von dem das primäre Kühlmittel 7 symbolisierenden Pfeilen in dampfförmiger Phase und die Rohrleitung 6 von dem primären Kühlmittel in flüssiger Phase durchströmt. Über einen Ventilator 8 wird der Kondensator 4 vom sekundären Kühlmittel 9, hier Luft, beaufschlagt.
Wie deutlich aus 2 entnommen werden kann, wird die vom elektronischen Bauteil 2 an den Verdampfer 3 abgegebene Wärmemenge vom primären Kühlmittel 7 aufgenommen und dieses automatisch in Dampfform über den Rohrstutzen 10 und die Leitung 5 zum Eintrittsstutzen 11 des Gehäuses 4a des Kondensatorteils 4 geleitet. Die Innenfläche 12b (s. 6) der Rohre 12 des als Rohrbündelkondensators ausgebildeten Kondensatorteils 4 wird von dem sekundären Kühlmittel 9 beaufschlagt, welches über Eintrittsöffnungen 9a hinein- und durch die Austrittsöffnungen 9b herausgelangt. Die Außenfläche 12a der Rohre 12 wird zunächst von der dampfförmigen Phase des primären Kühlmittels 7 beaufschlagt. Die auskondensierte und damit flüssige Phase des primären Kühlmittels 7 verläßt den Rohrbündelkondensator 4 über den Rohrstutzen 13 und strömt unter ihrer Schwerkraft durch die zweite Rohrleitung 6 zum Eintrittsstutzen 14 des Verdampferteils 3. Die Basisfläche 3a des Verdampferteils 3 ist im dargestellten Fall mit einer Vielzahl von matrixartig auf ihr angeordneten Stäben 15 versehen, deren Außenfläche 15a mit Vorsprüngen 16 in Form von geordneten Mikrostrukturen 16a bedeckt ist, die mittels einer mit Mikroporen 17 versehenen Polymermembran 18 (s. 12) auf die Oberfläche 15a der Stäbe 15 aufgalvanisiert sind und eine Stiftform aufweisen, die sich mit ihrer Längsachse 19 (s. 2) entweder wie dargestellt senkrecht oder unter einem Winkel α zwischen 30° und 90° erstreckt.
Zur Effizienz der Verdampfung ist ein möglichst gleichmäßiger Flüssigkeitsfilm 30 in den von der Mikrostruktur 16a gebildeten sowie nach sämtlichen Seiten offenen Hohlräumen 31 erwünscht. Wie 3 und die darauf bezogene Mikrostruktur 16a der stiftartigen Vorsprünge 16 anschaulich zeigt, keimt zunächst in der Nähe der Oberfläche 15a der Stäbe 15 eine Blase auf, die stetig mit der Temperaturdifferenz entlang des Stabes 15 und entlang der Vorsprünge 16 wächst und die lichte Weite W (s. 4) zwischen zwei mikrostrukturierten Vorsprüngen 16 durchdringt, dort zunächst eine kleine Blase 20, dann eine mittelgroße Blase 21 und schließlich eine große Blase 22 bildet, die abreißt und auf einen relativ großen Radius anwächst. Nach dem Abriß der großen Blase 22 oder kurz zuvor bildet sich zwischen den stiftförmigen Vorsprüngen 16 wiederum ein Blasenkeim 23 der in der vorbeschrieben Art bis zum Abreißen einer großen Blase 22 anwächst. Da zwischen der mindesterforderlichen Überhitzung ΔT der siedenden Flüssigkeit auf der Außenseite 15a der Stäbe 15 und dem Radius der abgerissenen Blasen 22 die Abhängigkeit besteht, daß mit größerwerdendem Radius die mindesterforderliche Überhitzung ΔT abnimmt, wird deutlich, daß die Wärmeübertragung aufgrund der Mikrostruktur 16a nicht nur wegen der Vergrößerung der Wärmeübertragungsfläche auf das bis zu Vierzigfache gegenüber einer glatten Oberfläche, sondern auch wegen der vorbeschriebenen physikalischen Gegebenheiten der Blasenbildung erheblich ansteigt.
Im Ausführungsbeispiel der 5 und 6 ist das Kondensatorteil 4 als Rohrbündelkondensator ausgebildet. Möglich ist selbstverständlich auch ein Plattenkondensator, auf den noch an anderer Stelle eingegangen werden wird.
Die Rohre 12 des Kondensatorteils 4 werden auf ihrer Außenseite 12a von dem primären Kühlmittel 7 beaufschlagt. Auf der Innenseite 12b werden die Rohre 12 durch das vom Ventilator 8 herangeführte sekundäre Kühlmittel 9 – hier Luft – beaufschlagt.
Die Außenseite 12a der Rohre 12 ist ganz oder teilweise mit Vorsprüngen 16 in Form von geordneten, aufgalvanisierten Mikrostrukturen 16a versehen, die wie beim Verdampferteil 3 eine Stiftform aufweisen, die sich mit ihrer Längsachse 19 entweder wie dargestellt senkrecht (= 90°) oder unter einem Winkel α zwischen 30° und 90° zur Oberfläche 12a der Rohre 12 erstreckt.
Das vom Kondensatorteil 4 erwärmte sekundäre Kühlmittel 9 wird in weiter Entfernung vom Standort des Elektronikbauteils 2 abgeführt, z.B. in die Außenatmosphäre.
Beim Kondensatorteil 4 tritt zwischen den Mikrostrukturen 16a der stiftförmigen Vorsprünge 16 eine Filmkondensation ein, die mit einer Kondensationshaut auf den stiftförmigen Vorsprüngen 16 beginnt. Bei einer geringen Oberflächenspannung ergibt sich ein treibendes Druckgefälle im Kondensatfilm, welches die entsprechenden Werte im Bereich der üblichen einphasigen Strömungen bei weitem übersteigt. Dadurch wird die Kondensation nicht nur durch die infolge der Mikrostrukturen 16a bis zum Vierzigfachen gegenüber einer glatten Fläche vergrößerten Oberfläche der Rohre 15a, sondern auch durch die Gleichmäßigkeit des Kondensatfilmes 30 sowie seiner freien Abströmung durch die Zwischenräume 31 der Mikrostrukturen 16a begünstigt. Dieses Kondensat des primären Kühlmittels 7 durchströmt sodann den Auslaßstutzen 13 des Kondensatorteils 4 unter seiner Schwerkraft und gelangt durch die Leitung 6 zum Verdampferteil 3 zurück. Zur Erhöhung der Effizienz ist es selbstverständlich auch möglich, zwischen dem Kondensatorteil 4 und dem Verdampferteil 3 einen Puffertank mit nachgeschalteter Pumpe anzuordnen, um somit ein flüssiges primäres Kühlmittel 7 rascher und gleichmäßiger vom Kondensatorteil 4 zum Verdampferteil 3 gelangen zu lassen. Allerdings muß in diesem Fall die für den Antrieb der Pumpe erforderliche Energie gegengerechnet werden.
In 7 ist das Verdampferteil 3 von 2 anstelle der Stäbe 15 mit Platten 24 bestückt, deren Oberflächen 24a gleichfalls von Mikrostrukturen 16a in Form von stiftförmigen Vorsprüngen 16 bedeckt sind. Die Platten 24 sind mit ihrem Fußbereich 24b in Nuten 3b der Basisfläche 3a des Verdampferteils 3 eingelassen. Da die die Oberfläche 24a der Platten 24 bedeckenden Mikrostrukturen 16a eine hohe Kapillarität, insbesondere bei flüssigen Kühlmitteln mit geringer Oberflächenspannung, z.B. bei Dichlormethan, Methanol oder Chloroform, aufweisen, wird das dem Boden der Basisfläche 3a des Verdampferteils 3 bedeckende primäre Kühlmittel wie von einer Pumpe durch die Mikrostruktur 16a aufgesaugt, wodurch sich ein dünner Flüssigkeitsfilm auf der Oberfläche 24a der Platten 24 ausbildet, dessen Dicke durch die Höhe der stiftförmigen Vorsprünge 16 der Mikrostrukturen 16a vorgegeben ist. Gleichzeitig setzt der Verdampfungsprozeß des primären Kühlmittels 7 ein, was zu einer schnellen Wärmeabfuhr und zu einem Auskühlen der Mikrostrukturen 16a führt und damit auch zur Abkühlung der Oberflächen 24a der Platten 24, die von dem primären Kühlmittel benetzt sind. Erste Versuche mit Methanol für das primäre Kühlmittel haben überraschend ergeben, daß dadurch das Methanol von ursprünglich 23°C innerhalb von 15 Minuten auf –5°C abgekühlt werden konnte. Da bei glatten Oberflächen keine Kapillarität vorliegt, ist schon aus diesem Grunde die Kühlwirkung von glatten Oberflächen erheblich geringer.
In den 8 und 9 ist eine zweite Ausführungsform eines Kondensatorteils 4 dargestellt, welches ebenfalls Platten 25 mit Oberflächen 25a aufweist, die mit Mikrostrukturen 16a in Form von stiftförmigen Vorsprüngen 16 versehen sind. Außerdem weisen die Platten 25 Löcher 26 auf, um einen rascheren Abflug des Kondensats zu gewährleisten, sobald die stiftförmigen Vorsprünge 16 vom Kondensat überflutet sind. Dadurch wird von den Löchern 26 ein Überlauf gebildet, der für eine möglichst gleichmäßige Überflutung der stiftförmigen Vorsprünge 16 sorgen soll.
In 10 ist ein drittes Ausführungsbeispiel eines Kondensatorteils 4 dargestellt, bei welchem die Oberflächen 27a von kaskadenförmig angeordneten Platten 27 mit Mikrostrukturen 16a in Form von stiftförmigen Vorsprüngen 16 bestückt und unter einem Winkel gegenseitig zueinander geneigt sind, um gleichfalls für eine möglichst gleichmäßige Kondensatüberflutung der stiftförmigen Vorsprünge 16 zu sorgen. In diesem Fall sind die Löcher 26 der Ausführungsform der 8 und 9 entbehrlich.
In 11 ist eine zweite Ausführungsform einer Kühlvorrichtung 1a in Form eines Kühlrohres (Heat Pipe) schematisch dargestellt. Mit den 1 bis 4 übereinstimmende Teile sind mit gleichen Bezugsziffern bezeichnet. Das Gehäuse 28 ist mit einem kreisringförmigen Querschnitt versehen. Es ist jedoch auch möglich, das Gehäuse 28 kastenförmig auszubilden und beispielsweise mit einem ovalen, elliptischen oder polygonalen Querschnitt auszubilden.
Im unteren Teil des Gehäuses 28 ist das Verdampferteil 3 mit der Struktur der 3 und 4 angeordnet. Im oberen Teil des Gehäuses befindet sich das Kondensatorteil 4, welches gleichfalls mit Stäben 15 versehen ist, die jedoch um 180° gegenüber den Stäben 15 des Verdampferteils 3 versetzt im Gehäuse 28 angeordnet ist. Das Gehäuse 28 ist gegenüber der Außenatmosphäre abgedichtet. Das Kondensatorteil 4 ist darüber hinaus mit plattenförmigen Kühllamellen 29 ausgestattet, die von einem natürlichen Konvektions-Luftstrom oder von einem über einen Ventilator 8 herangeführten Zwangsluftstrom oder auch von Wasser als sekundärem Kühlmittel beaufschlagt werden können.
Auch die Kühllamellen 29 lassen mehrere Varianten zu, beispielsweise mit Kühllamellen berippte Stäbe, die von Luft oder Wasser als sekundärem Kühlmittel beaufschlagt sind.
Bei dieser Heat Pipe wird die vom elektronischen Bauteil 2 an das Verdampferteil 3 abgegebene Wärmemenge vom primären Kühlmittel 7 aufgenommen, welches in der bereits zu den 3 und 4 beschriebenen Weise in seiner Dampfphase im Gehäuse 28 aufsteigt, dadurch zum Kondensatorteil 4 gelangt und dort in der gleichfalls bereits beschriebenen Weise auskondensiert.
In den 12 und 13 ist ein Stab 15 oder ein Rohr 12 mit einer mit Mikroporen 17 versehenen Polymermembran 18 umwickelt und wird anschließend so lange in ein Galvanisierungsbad gelegt, bis die stiftförmigen Vorsprünge 16, die auch eine Pilzform aufweisen können, die Mikroporen 17 ganz oder teilweise durchdrungen haben und eine geordnete Mikrostruktur 16a von stiftförmigen Vorsprüngen 16 in stochastischer Anordnung bilden.
Nach Beendigung des Galvanisierungsprozesses wird die Polymermembran 18 entfernt, wodurch die aus 13 ersichtlichen stiftförmigen Vorsprünge 16 freigelegt werden. Da diese stiftförmigen Vorsprünge 16 mit der Oberfläche 15a der Stäbe 15 und der Oberfläche 12a der Rohre 12 stoffschlüssig verbunden sind, wird ein ausgezeichneter Wärmeübergang in der beschriebenen Weise gewährleistet.

1, 1a: Kühlvomchtung
2: Leistungselektronik 2
3: Verdampferteil 3
3a: Basisfläche des Verdampferteils 3
3b: Nuten in Basisfläche 3a
4: Kondensatorteil
4a: Kondensatorgehäuse
5, 6: Rohrleitungen
7: primäres Kühlmittel
8: Ventilator
9: sekundäres Kühlmittel
9a: Eintrittsöffnung
9b: Austrittsöffnung
10: Rohrstutzen
11: Eintrittsstutzen des
: Kondensatorteils 4
12: Rohre 12
12a: Außenseite der Rohre 12
12b: Innenseite der Rohre 12
13: Rohrstutzen 13
14: Eintrittsstutzen des
: Verdampferteils 3
15: Stäbe
15a: Außenfläche der Stäbe 15
16: Stifte 16
16a: Mikrostrukturen
17: Mikroporen
18: Polymermembran
19: Längsachse
20: kleine Blase
21: mittelgroße Blase
22: große Blase
23: Blasenkeim
24, 25, 27: Platten
24a, 25a, 27a: Oberfläche der Platten 24, 25, 27
24b: Fußbereich der Platten
26: Löcher
28: Gehäuse
29: Kühllamellen
30: Flüssigkeitsfilm
31: Hohlräume
h: Höhe der Stifte 16
W: lichte Weite zwischen den Stiften 16
: Neigungswinkel der Stifte 16
α: zur Oberfläche

Claims

Kühlvorrichtung, insbesondere zur Kühlung von Bauelementen der Leistungselektronik mittels eines Wärmeübertragungskreislaufes, der aus einem mit dem Elektronikbauteil wärmeübertragend gekoppelten sowie von einem primären Kühlmittel beaufschlagten Verdampferteil sowie einem extern von einem sekundären Kühlmittel beaufschlagten Kondensatorteil besteht, in dem das primäre Kühlmittel gekühlt und seine Dampfphase kondensiert ist, wobei das primäre Kühlmittel entweder unter seiner Schwerkraft oder mittels einer Pumpe vom Kondensatorteil zum Verdampferteil gefördert ist, dadurch gekennzeichnet, daß das mit dem Bauelement (2) der Leistungselektronik wärmeübertragend gekoppelte Verdampferteil (3) aus einer Vielzahl von matrixartig auf einer Basisfläche (3a) eines Verdampfergehäuses (3b) angeordneten Stäben (15), Rohren oder ebenen oder gekrümmten Platten (24) oder einer Kombination davon aus Kupfer oder Aluminium besteht, deren Oberfläche (15a, 24a) ganz oder teilweise mit Vorsprüngen (16) in Form von geordneten Mikrostrukturen (16a) bedeckt ist, die mittels einer mit Mikroporen (17) versehenen Polymermembran (18) auf die Oberfläche (15a) der Stäbe (15), Rohre oder Platten (24) aufgalvanisiert sind und eine Stiftform aufweisen, die sich mit ihrer Längsachse (19) entweder senkrecht oder unter einem Winkel (α) zur Oberfläche (15a, 24a) der Stäbe (15), Rohre oder Platten (24) erstreckt.
Kühlvorrichtung, insbesondere zur Kühlung von Bauelementen der Leistungselektronik mittels eines Wärmeübertragungskreislaufes, der aus einem mit dem Elektronikbauteil wärmeübertragend gekoppelten sowie von einem primären Kühlmittel beaufschlagten Verdampferteil sowie einem extern von einem sekundären Kühlmittel beaufschlagten Kondensatorteil besteht, in dem das primäre Kühlmittel gekühlt und seine Dampfphase kondensiert ist, wobei das primäre Kühlmittel entweder unter seiner Schwerkraft oder mittels einer Pumpe vom Kondensatorteil zum Verdampferteil gefördert ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Kondensatorteil (4) als Rohrbündel-, Stabbündel- oder Plattenkondensator ausgebildet ist und die vom primären Kühlmittel (7) beaufschlagte Außenseite (12a) der Rohre (12), Stäbe (15) oder Platten (25, 27) aus Kupfer oder Aluminium innerhalb eines Kondensatorgehäuses (4a) ganz oder teilweise mit Vorsprüngen (16) in Form von geordneten, aufgalvanisierten Mikrostrukturen (16a) versehen ist, die mittels einer mit Mikroporen (17) versehenen Polymermembran (18) auf die Oberfläche (12a, 15a, 25a, 27a) aufgalvanisiert sind und eine Stiftform aufweisen, die sich mit ihrer Längsachse (19) entweder senkrecht oder unter einem Winkel (α) zur Oberfläche (12a, 15a, 24a, 25a, 27a) der Rohre (12), Stäbe (15) oder Platten (24, 25, 27) erstreckt.
Kühlvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohre (12) des Kondensatorteils (4) einen Innendurchmesser von mindestens 5 mm und die Platten (24, 25, 27) eine Mindestdicke von 0,5 mm aufweisen.
Kühlvorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Kondensatorteil (4) als Einwegkondensator ausgebildet ist, zwischen dessen Rohrböden die Rohre (12) parallel zueinander angeordnet sind und der mit jeweils einer Eintritts- (9a) und Austrittsöffnung (9b) für das sekundäre Kühlmittel (9) und mit je einem Einlaß- (11) und Auslaßstutzen (13) für das primäre Kühmttel (7) versehen ist.
Kühlvorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Verdampferteil (3) und das Kondensatorteil (4) als einteiliges Kühlrohr in Form einer Heat Pipe (1a) ausgebildet ist.
Kühlvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Querschnittsformdes Kühlrohres (1a) kreisrund, oval, elliptisch oder polygonal ausgestaltet ist.
Kühlvorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Kondensatorteil (4) wie das Verdampferteil (3) ausgebildet und getrennt im gleichen Gehäuse (28) um 180° zueinander versetzt angeordnet ist, wobei die Basisfläche des Kondensatorteils (4) mit einem aus dem abgedichteten Gehäuse (28) herausführenden sowie vom sekundären Kühlmittel (9) beaufschlagten Wärmeübertrager (29) stoffschlüssig oder kraftschlüssig gekoppelt ist.
Kühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Stifte (16) der Mikrostrukturen (16a) eine Mindesthöhe (h) von 10 μm aufweisen.
Kühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Stifte (16) der Mikrostruktur (16a) mit einer Höhe (h) zwischen 10 μm und 100 μm versehen sind.
Kühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel (α) der Stifte (16) zur Oberfläche (12a, 15a, 24a, 25a, 27a) ihrer Basis zwischen 30° und 90° liegt.
Kühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Eintrittstemperatur des sekundären Kühlmittels (9) in das Kondensatorteil (4) stets unterhalb der Kondensationstemperatur des primären Kühlmittels (7) gehalten ist.
Kühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß dassekundäre Kühlmittel (9) aus Luft oder Wasser besteht.
Kühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß dasprimäre Kühlmittel (7) aus Frigen, Alkohol oder Ammoniak besteht.
Kühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenoberfläche (12b) der Rohre (12) des Rohrbündelkondensators (4) von einem Ventilator (8) mit der Kühlluft (9) oder von einer Pumpe mit Wasser beaufschlagt ist.
Kühlvomchtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Basisflächedes Verdampferteils (3) mit der wärmeübertragenden Fläche des Elektronikbauteils (2) entweder stoffschlüssig und/oder kraftschlüssig verbunden ist.
Kühlvorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die stoffschlüssige Verbindung aus einer Lötung, Verklebung, einer Verschweißung oder aus einer Verschmelzung besteht.
Kühlvorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die kraftschlüssige Verbindung aus einer Einpressung, Verpressung, einer Verquetschung, einer Verkeilung, einer Verschraubung oder einer Verwicklung der kontaktierenden Flächen des Elektronikbauteils (2) einerseits mit der Basisfläche (3a) des Verdampferteils (3) andererseits hergestellt ist.