DE202009005595U1

DE202009005595U1 - Kühlvorrichtung

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Publication number: DE202009005595U1
Application number: DE202009005595U
Authority: DE
Original assignee: Beijing AVC Technology Research Center Co Ltd
Current assignee: Beijing AVC Technology Research Center Co Ltd
Priority date: 2009-04-08
Filing date: 2009-04-08
Publication date: 2009-08-13
Anticipated expiration: 2019-04-09
Also published as: DE102009023113A1

Abstract

Kühlvorrichtung, die aus einem Verdampfer (1), einem Dampfrohr (2), einem Flüssigkeitsrohr (3) und einem Kondensator (4) besteht, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdampfer (1) ein flacher Verdampfer ist und einen Hauptkörper und mindestens ein poröses Material (12) umfaßt, wobei der Hauptkörper einen Aufnahmeraum für das poröse Material (12) und an den beiden Seiten jeweils eine Öffnung aufweist, die mit dem Dampfrohr (2) und dem Flüssigkeitsrohr (3) verbunden sind, und wobei das poröse Material (12) Dampfkanäle (121) bildet.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft eine Kühlvorrichtung für elektronische Produkte, insbesondere eine Wärmerohrschleife.
Stand der Technik
Die Kühlung des Hochleistungschips für Elektronik, Computer, Kommunikation und Optoelektronik ist eine wichtige Technik. Zur Zeit verwendet die Kühlung des Hochleistungschips üblicherweise folgende Kühlmodule: (1) Ventilator + Kühlkörper, (2) Ventilator + Wärmerohr + Kühlkörper, (3) Ventilator + Flüssigkeitskühler. Diese Kühlmodule weisen jedoch folgende Nachteile auf: (1) Ventilator + Kühlkörper: um die Kühlwirkung zu erhöhen, muß die Fläche der Kühlrippen vergrößert und die Drehzahl des Ventilators erhöht werden, wodurch der Raumbedarf und das Geräusch vergrößert werden; (2) Ventilator + Wärmerohr + Kühlkörper: der Aufbau ist kompliziert und die Anordung des Wärmerohrs ist begrenzt, so dass die Kühlwirkung begrenzt ist; (3) Ventilator + Flüssigkeitskühler: der Flüssigkeitskühler weist eine höhere Kühlwirkung und ein niedrigeres Geräusch auf, so dass die Kühlwirkung von 1000 W erreichbar ist (der Wärmewiderstand des Flüssigkeitskühler kann unter 0,12°C/W sein). Der Aufbau des Flüssigkeitskühlers ist jedoch kompliziert. Die Pumpe, die das Arbeitsmedium fördert, und die Rohrleitung können die Lebensdauer des Flüssigkeitskühlers beeinflußen. Zudem ist die Herstellungskosten des Flüssigkeitskühlers das dreifache des normalen Kühlkörpers (mit gleicher Kühlwirkung).
Um die obengenannten Probleme zu lösen, wurde in 1974 eine Kühlvorrichtung mit einer Wärmerohrschleife entwickelt, die eine große Anwendung auf Luftfahrt und Raumfahrt findet. Die Wärmerohrschleife wird auch immer mehr für die Kühlung des Chips verwendet. Die Wärmerohrschleife kombiniert die Vorteile des Wärmerohrs und des Flüssigkeitskühlers und kann eine kompakte Form und eine Kühlwirkung von über 500 W verwirklichen (der Wärmewiderstand der Wärmerohrschleife ist unter 0,15°C/W). Die Kühlvorrichtung mit der Wärmerohrschleife weist folgende Vorteile auf: (1) der Einfluß der Leistung durch die Schwerkraft ist kleiner als beim normalen Wärmerohr; (2) die Form kann beliebig ausgestaltet werden; (3) ein Langstrecken-Wärmetransport ist möglich. Zudem ist die Herstellungstechnik der Wärmerohrschleife ähnlich wie die des normalen Wärmerohrs, so dass die Zuverläßigkeit und die Lebensdauer auch ähnlich sind.
Die herkömmliche Wärmerohrschleife umfaßt einen Verdampfer mit einer Kapillarstruktur, ein Dampfrohr, ein Flüssigkeitsrohr und einen Kondensator. Beim Einsatz liegt der Verdampfer auf der Wärmequelle (wie Chip), um ihre Wärme zu absorbieren. Dadurch wird das Arbeitsmedium in der Kapillarstruktur verdampft und fließt durch das Dampfrohr in den Kondensator mit Kühlrippen, so dass die Wärme in das Umgebungsmedium (wie Luft) des Kondensators abgegeben wird. Das Kondensat fließt durch die Kapillarwirkung in den Verdampfer zurück, wodurch ein Kreislauf gebildet ist. Daher kann die wärme der Wärmequelle kontinuierlich in die Umgebungsluft abgeführt werden.
Aus wie CN 01259718.X und 200810028106.7 ist eine Wärmerohrschleife bekannt. Der Verdampfer in den bekannten Patenten haben zwei Formen: (1) zylindrische Form, und (2) flache Form. 1A und 1B zeigen einen herkömmlichen zylinderförmigen Verdampfer. Der flache Verdampfer hat folgende zwei Arten: (1) Scheibenverdampfer, wie in 1C, 1D und 1E; (2) Plattenverdampfer, der durch die mikroelektronische Bearbeitungstechnik hergestellt ist (ZL01259718.X), wie in den 1F und 1G dargestellt ist.
Der Chip ist überlicheweise quadratisch (oder rechteckig) ausgebildet. Der zylinderförmige Verdampfer hat nur eine kleine Kontaktfläche mit dem Chip. Der Scheibenverdampfer hat eine schwere Herstellung und einen hohen Raumbedarf. Der herkömmliche Plattenverdampfer, der durch die mikroelektronische Bearbeitungstechnik hergestellt ist, kann bislang die Anforderung der Industrie nicht erfüllen.
Aufgabe der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Kühlvorrichtung und ein Verfahren zur deren Herstellung zu schaffen, die/das die obengenannten Nachteile überwinden kann.
Diese Aufgabe wird durch die erfindungsgemäße Kühlvorrichtung gelöst, die aus einem Verdampfer, einem Dampfrohr, einem Flüssigkeitsrohr und einem Kondensator besteht. Der Verdampfer ist ein flacher Verdampfer und hat eine rechteckige, mehrkantige oder andere geometrische Form. Der flache Verdampfer umfaßt einen Hauptkörper, der eine Bodenplatte, ein poröses Material und einen Oberdeckel aufweist. Das poröse Material ist auf der Grundplatte angeordnet. Der Oberdeckel ist mit der Bodenplatte verbunden. Das poröse Material bildet Dampfkanäle. Der Oberdeckel weist an den beiden Seiten eine Dampföffnung und eine Flüssigkeitsöffnung auf, die mit dem Dampfrohr und dem Flüssigkeitsrohr verbunden sind.
Der Oberdeckel weist im Inneren eine Trennplatte auf, wobei zwischen der Trennplatte und der Flüssigkeitsöffnung eine Nachfüllkammer und zwischen der Trennplatte und der Dampföffnung eine Dampfsammelkammer gebildet ist. Der Oberdeckel des Verdampfers weist auf der Oberseite eine Öffnung zum evakuieren oder Einfüllen des Arbeitsmediums auf.
Das Verfahren zur Herstellung der Kühlvorrichtung enthält folgende Schritte:

(1) Bereitstellung des porösen Materials: das poröse Material kann durch ein Metallpulver oder Metallnetz mit hoher Wärmeleitfähigkeit oder ein anorganisches Material, wie Keramikpulver, hergestellt werden; wenn das poröse Material aus Metallpulver hergestellt ist, kann es durch ein separates Sintern erhalten werden oder direkt auf der Bodenplatte gesintert werden; beim Sintern werden ein Formwerkzeug und ein Dorn verwendet; das Formwerkzeug kann aus Stahl oder Hochtemperaturkeramik hergestellt werden; der Dorn dient zur Bildung der Dampfkanäle des poröses Materials und kann aus Graphit oder Stahl hergestellt werden; das Formwerkzeug mit dem gefüllten Sinterpulver wird in einen Sinterofen gebracht, um das Pulvermaterial zu sintern; nach der Entfernung des Formwerkzeugs und der Dorne wird das poröse Material erhalten; das poröse Material kann auch durch mikroelektronische Bearbeitungstechnik oder mit Nanostab hergestellt werden.
(2) Bereitstellung des Oberdeckels: der Oberdeckel ist aus Metall oder Halbleitermaterial hergestellt; wenn der Oberdeckel aus Metall hergestellt ist, kann er durch mechanische Bearbeitung oder Gießen geformt werden; wenn der Oberdeckel aus Halbleitermaterial hergestellt ist, kann er durch mikroelektronische Bearbeitung geformt werden;
(3) Bereitstellung der Bodenplatte: die Bodenplatte ist aus Kupfer, Aluminium oder Silizium hergestellt und durch mechanische Bearbeitung, Stanzen, Gießen oder mikroelektronische Bearbeitung geformt;
(4) nach der Herstellung des porösen Materials werden der Oberdeckel und die Bodenplatte des Verdampfers miteinander verbunden; wenn der Oberdeckel und die Bodenplatte aus Metell hergestellt sind, kann das Löten verwendet werden; wenn sie aus Halbleitermaterial hergestellt sind, kann das Bonden verwendet werden;
(5) der dadurch erhaltene Verdampfer werden über Rohre mit dem Kondensator verbunden; danach wird das Wärmerohr hergestellt; dies enthält die Schritte wie Reinigen, Evakuieren, Füllen des Arbeitsmediums und Verschließen.

Im Vergleich mit der herkömmlichen Lösung weist die Erfindung folgende Vorteile auf:

1. ein dichter Kontakt mit dem Chip, eine größere Kontaktfläche und ein kleinerer Raumbedarf der Chip ist überlicherweise quadratisch ausgebildet; der erfindungsgemäße flache Verdampfer kann eine rechteckige, mehrkantige oder andere geometrische Form haben und weist eine plane Kontaktfläche auf. Daher kann der flache Verdampfer dicht auf dem Chip aufliegen;
2. Reduzierung des Wärmewiderstands das poröse Material des Verdampfers kann eine Kapillarwirkung erzeugen und direkt auf der Bodenplatte des porösen Materials gesintert werden, wodurch der Wärmewiderstand erheblich reduziert wird, so dass die Kühlwirkung erhöht wird; nach Test des Erfinders beträgt der Wärmewiderstand des Systems
und der Wärmewiderstand des Wärmerohrs unter
Die Kühlwirkung ist höher als 600 W;
3. einfache Herstellung und niedrige Kosten der Oberdeckel, die Bodenplatte und die Füllöffnung des Verdampfers sowie das Flüssigkeitsrohr und das Dampfrohr können durch Löten miteinander verbunden werden, so dass die Bearbeitungszeit und -kosten reduziert werden.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1A eine Darstellung des herkömmlichen zylinderförmigen Verdampfers,
1B eine Schnittdarstellung entlang der Linie A-A in 1A,
1C eine Darstellung des herkömmlichen flachen Verdampfers,
1D eine Schnittdarstellung entlang der Linie A-A in 1C,
1E eine Schnittdarstellung entlang der Linie B-B in 1C,
1F eine Darstellung des herkömmlichen flachen Verdampfers, die durch die mikroelektronische Bearbeitungstechnik hergestellt ist,
1G eine Schnittdarstellung entlang der Linie A-A in 1F,
2 eine perspektivische Darstellung der Erfindung,
3A eine Schnittdarstellung des flachen Verdampfers in 2,
3B eine Schnittdarstellung entlang der Linie A-A in 3A,
4 eine perspektivische Darstellung der Bodenplatte in 3A,
5A eine perspektivische Darstellung der Dampfkanäle des porösen Materials, die einen bogenförmigen Querschnitt besitzen,
5B eine perspektivische Darstellung der Dampfkanäle des porösen Materials, die einen rechteckigen Querschnitt besitzen,
5C eine perspektivische Darstellung der Dampfkanäle des porösen Materials, die einen ovalen Querschnitt besitzen,
5D eine perspektivische Darstellung der Dampfkanäle des porösen Materials, die einen runden Querschnitt besitzen,
5E eine Darstellung der Bearbeitung des porösen Materials,
6A eine perspektivische Darstellung des Oberdeckels des flachen Verdampfers von oben,
6B eine perspektivische Darstellung des Oberdeckels des flachen Verdampfers von unten,
7 eine Explosionsdarstellung des flachen Verdampfers,
8 eine Explosionsdarstellung der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung.
Wege zur Ausführung der Erfindung
Wie aus 2 ersichtlich ist, besteht die erfindungsgemäße Kühlvorrichtung aus einem flachen Verdampfer 1, einem Dampfrohr 2, einem Flüssigkeitsrohr 3, einem Kondensator 4 und/oder einem Ventilator 5. Der Ventilator 5 ist an einer Seite des Kondensators 4 angeordnet und kann einen Luftstrom für den Kondensator erzeugen. Der flache Verdampfer 1 hat eine rechteckige, mehrkantige oder andere geometrische Form.
Wie aus den 3A, 3B und 7 ersichtlich ist, umfaßt der flache Verdampfer 1 einen Hauptkörper, der eine Bodenplatte 11, ein poröses Material 12 und einen Oberdeckel 13 aufweist. Wie aus 4 ersichtlich ist, weist die Bodenplatte 11 auf der Unterseite eine Planfläche (nicht dargestellt) auf, die auf einem Chip aufliegen kann. Die Boden platte 11 bildet auf der Oberseite einen Vorsprung 111, der einen haken-, nadel- oder ankerförmigen Querschnitt besitzt, um das poröse Material auf der Bodenplatte 11 zu fixieren. Wie aus den 3A und 3B ersichtlich ist, ist auf der Bodenplatte 11 ein poröses Material 12 vorgesehen, das durch ein Metallpulver oder Metallnetz mit hoher Wärmeleitfähigkeit gebildet ist. Das poröse Material kann auch durch ein anorganisches Material, wie Keramikpulver, hergestellt werden. Das poröse Material bildet Dampfkanäle 121, die wie in 5A einen bogenförmigen Querschnitt, wie in 5B einen rechteckigen Querschnitt, wie in 5C einen ovalen Querschnitt, wie in 5D einen runden Querschnitt, einen wabenförmigen Querschnitt, einen mehrkantigen Querschnitt oder einen anderen geometrischen Querschnitt besitzen (nicht dargestellt).
Wie aus den 6A und 6B ersichtlich ist, weist der Oberdeckel 13 im Inneren eine Trennplatte 134 und auf der Oberseite eine Öffnung 133 zum evakuieren oder Einfüllen des Arbeitsmediums auf. Die Öffnung kann mit einem Rohr verbunden werden, das am anderen Ende mit einer Vakuumpumpe und dem Arbeitsmediumbehälter verbunden ist. Nach Füllen des Arbeitsmediums und Evakuieren wird das Rohr durchgeschnitten und durch Löten verschlossen (2). Daher ist das Rohr in 6 nicht dargestellt. Das Füllen des Arbeitsmediums ist bekannt und wird somit hier nicht detailliert beschrieben. Der Oberdeckel 13 weist an den beiden Seiten eine Flüssigkeitsöffnung 132 und eine Dampföffnung 131 auf. Wie aus 3A ersichtlich ist, ist zwischen der Trennplatte 134 und der Flüssigkeitsöffnung 132 eine Nachfüllkammer 135 und zwischen der Trennplatte 134 und der Dampföffnung 131 eine Dampfsammelkammer 136 gebildet, wodurch das Arbeitsmedium im Verdampfer nur in einer Richtung fließen kann. Das Dampfrohr 2 ist an den beiden Enden mit der Dampföffnung 131 des Oberdeckels des flachen Verdampfers und einer Seite des Kondensators 4 verbunden. Das Flüssigkeitsrohr 3 ist an den beiden Enden mit der Flüssigkeitsöffnung 132 und der anderen Seite des Kondensators 4 verbunden.
Nachfolgend werden die Schritte des Verfahrens zur Herstellung der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung beschrieben:

(1) Bereitstellung des porösen Materials: das poröse Material 12 kann durch ein Metallpulver oder Metallnetz mit hoher Wärmeleitfähigkeit oder ein anorganisches Material, wie Keramikpulver, hergestellt werden. Wie aus 5 ersichtlich ist, bildet das poröse Material Dampfkanäle 121. Wenn das poröse Material 12 aus Metallpulver hergestellt ist, kann es durch ein separates Sintern erhalten werden oder direkt auf der Bodenplatte gesintert werden. Beim Sintern werden ein Formwerkzeug und ein Dorn 8 verwendet, um die Dampfkanäle 121 zu bilden. Das Formwerkzeug und der Dorn können aus Hochtemperaturgraphit, Hochtemperaturkeramik oder Kohlenstoffstahl hergestellt werden. Wie aus 5E ersichtlich ist, werden die Dorne 8 und das Formwerkzeug miteinander kombiniert. Das Formwerkzeug umfaßt eine Unterplatte 71, eine Oberplatte 72 und einen Rahmen 73. Die Unterplatte 71 und die Dorne 8 sind einteilig ausgebildet, wodurch eine Positionierung der Dorne nicht erforderlich ist. Anschließend wird das Pulvermaterial 9 in das Formwerkzeug gefüllt. Danch wird die Oberplatte 72 auf den Rahmen 73 gebracht, so dass das Pulvermaterial den Innenraum des Formwerkzeugs ausfüllt. Schließlich (wie bekanntes Sintern von Wärmerohr) wird das Formwerkzeug in einen Sinterofen gebracht, um das Pulvermaterial zu sintern. Nach der Entfernung des Formwerkzeugs und der Dorne wird das poröse Material erhalten. Das poröse Material kann auch durch mikroelektronische Bearbeitungstechnik, wie standardisiertes Ätzen von porösem Silzium oder mit Nanostab, wie standardisierte Pfeilung-Depositionstechnik, hergestellt werden.
(2) Bereitstellung des Oberdeckels: der Oberdeckel ist aus Kupfer oder Aluminium oder Halbleitermaterial hergestellt. Wenn der Oberdeckel aus Metall hergestellt ist, kann er durch mechanische Bearbeitung oder Gießen geformt werden. Wenn der Oberdeckel aus Halbleitermaterial hergestellt ist, kann er durch mikroelektronische Bearbeitung geformt werden.
(3) Bereitstellung der Bodenplatte: die Bodenplatte ist aus Kupfer, Aluminium oder Silizium hergestellt und durch mechanische Bearbeitung, Stanzen, Gießen oder mikroelektronische Bearbeitung geformt.
(4) Nach der Herstellung des porösen Materials werden der Oberdeckel und die Bodenplatte des Verdampfers miteinander verbunden. Wenn der Oberdeckel und die Bodenplatte aus Metell (wie Kupfer) hergestellt sind, kann das Löten (Weichlöten, Hartlöten oder Diffusionslöten) verwendet werden. Wenn sie aus Halbleitermaterial (wie Silizium) hergestellt sind, kann das Bonden verwendet werden.
(5) der dadurch erhaltene Verdampfer werden über Rohre durch Löten mit dem Kondensator verbunden. Danach wird das Wärmerohr hergestellt. Dies enthält die Schritte wie Reinigen, Evakuieren, Füllen des Arbeitsmediums und Verschließen.

Der Kondensator und die Rohre sind handelsüblich.
Beim Einsatz kann die Bodenplatte des Verdampfers 1 die Wärme der Wärmequelle absorbieren, wodurch das Arbeitsmedium im Verdampfer verdampft wird. Der Dampf fließt aus dem Verdampfer und tritt über das Dampfrohr 2 in den Kondensator 4 ein. Der Dampf wird in Kondensator kondensiert, wodurch die wärme in das Umgebungsmedium (wie Luft) des Kondensators abgegeben wird. Der Dampf wird unter Unterstützung des Ventilators 5 kondensiert. Das Kondensat fließt durch die Kapillarwirkung (des porösen Materials in dem Verdampfer) über das Flüssigkeitsrohr in den Verdampfer 1 zurück. Dadurch ist ein Kreislauf des Arbeitsmediums gebildet, so dass die Wärme der Wärmequelle kontinuierlich in die Umgebungsluft abgeführt werden kann.
Die Erfindung ist geeignet für Computerchip, wie CPU und GPU. Die Erfindung ist auch geeignet für Leuchtdiodenlampe, Hochleistungschip von drahtloser oder verdrahteter Kommunikation. Die Erfindung ist sogar geeignet für die wärmeerzeugenden elektronischen Bauelemente von Radar, Laser, medizinischen Geräten oder Luftfahrt und Raumfahrt.
Die vorstehende Beschreibung stellt nur ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung dar und soll nicht als Definition der Grenzen und des Bereiches der Erfindung dienen. Alle gleichwertige Änderungen und Modifikationen gehören zum Schutzbereich dieser Erfindung.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- CN 01259718 [0005]
- CN 200810028106 [0005]

Claims

Kühlvorrichtung, die aus einem Verdampfer (1), einem Dampfrohr (2), einem Flüssigkeitsrohr (3) und einem Kondensator (4) besteht, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdampfer (1) ein flacher Verdampfer ist und einen Hauptkörper und mindestens ein poröses Material (12) umfaßt, wobei der Hauptkörper einen Aufnahmeraum für das poröse Material (12) und an den beiden Seiten jeweils eine Öffnung aufweist, die mit dem Dampfrohr (2) und dem Flüssigkeitsrohr (3) verbunden sind, und wobei das poröse Material (12) Dampfkanäle (121) bildet.
Kühlvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Hauptkörper eine Bodenplatte (11) und einen Oberdeckel (13) aufweist.
Kühlvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Bodenplatte auf der Unterseite eine Planfläche aufweist, die auf einem Chip aufliegen kann.
Kühlvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Bodenplatte (11) auf der Oberseite einen Vorsprung (111) bildet, um das poröse Material (12) auf der Bodenplatte (11) zu fixieren.
Kühlvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Hauptkörper an den beiden Seiten eine Dampföffnung (131) und eine Flüssigkeitsöffnung (132) aufweist.
Kühlvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass an einer Seite des Kondensators (4) ein Ventilator (5) angeordnet ist.
Kühlvorrichtung nach Anspruch 2 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Oberdeckel (13) im Inneren eine Trennplatte (134) aufweist, wobei zwischen der Trennplatte (134) und der Flüssigkeitsöffnung (132) eine Nachfüllkammer (135) und zwischen der Trennplatte (134) und der Dampföffnung (131) eine Dampfsammelkammer (136) gebildet ist.
Kühlvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Oberdeckel (13) des Verdampfers (1) auf der Oberseite eine Öffnung (133) zum evakuieren oder Einfüllen des Arbeitsmediums aufweist.
Kühlvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Oberdeckel (13) des Verdampfers (1) auf der Oberseite eine Öffnung (133) zum evakuieren oder Einfüllen des Arbeitsmediums aufweist.
Kühlvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der flache Verdampfer (1) eine rechteckige, mehrkantige oder andere geometrische Form hat.
Kühlvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Dampfkanäle (121) einen bogenförmigen, rechteckigen, ovalen, runden, wabenförmigen, mehrkantigen Querschnitt oder einen anderen geometrischen Querschnitt besitzen.