DE3123602C2 - Kühlkörper für wärmeerzeugende Elemente - Google Patents

Abstract

Ein Kühlkörper für wärmeerzeugende Elemente (4), wie beispielsweise Halbleiter od.dgl., ist mit Kühlrippen (5, 21) ausgestattet. Für hohe Kühlleistung bei geringer Größe und Gewicht ist der Kühlkörper mit einem Abschnitt (1) zur Aufnahme der wärmeerzeugenden Elemente (4) und mit zumindest einer Wärmetransportleitung (Heatpipe) (7, 22, 31) oder -kammer (41) versehen.

Description

Die Erfindung betrifft, einen Kühlkörper für wärmeerzeugende Elemente, wie beispielsweise Halbleiter nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Ein solcher Kühlkörper ist aus der GB-PS 14 55 002 bekannt. Bei diesem Kühlkörper sind auf einem Leitersteg mit gedruckter Schaltung Reihen von IC-Bausteinen angeordnet. Jeder IC-Baustein weist eine Klammer auf, die Wärmerohre umfassen, weiche mit einer Flüssigkeit gefüllt sind. Die Wärmerohre münden in einen Kühlkörper mit im Querschnitt strahlenförmig verlaufenden Kühlrippen.

Eine solche Anordnung hat nur begrenzte Kühlwirkung, da die Wärme über eine vergleichsweise große Entfernung allein mittels der Wärmerohre transportiert und an den Kühlkörper abgegeben wird. Außerdem ist die Herstellung relativ aufwendig, und zwar aufgrund der mehrteiligen Ausbildung und weil sorgfältig darauf geachtet werden muß, daß die Klammern die Wärmerohre auch großflächig umfassen. Auch ist die räumliche Ausdehnung relativ groß, was gerade in Phonogeräten zu Platzschwierigkeiten führen kann.

Eine bessere Kühlwirkung wird durch Kühleinrichtungen erreicht, wie sie in der DE-AS 22 31 597 und der DE-OS 23 19 274 beschrieben sind. Bei diesen Kühleinrichtungen sind die Halbleiter, Widerstände oder dergleichen Elemente im Bod^n oder in Wänden von geschlossenen Flüssigkeitsbehältern oder in diesen selbst angeordnet, so daß die Flüssigkeit mit den wärmeerzeugenden Elementen in Berührung kommt. Als Flüssigkeiten kommen dielektrische Siedeflüssigkeiten zur Anwendung, die bei Erwärmung verdampfen und anschließend an in die Behälter hineinragenden Kühlrippen wieder kondensieren.

Nachteilig bei diesen Kühleinrichtungen ist der hohe Bauaufwand für den Behälteraufbau. Zudem haben sie ein hohes Gewicht und ein erhebliches Bauvolumen und sind deshalb nur in Ausnahmefällen für Phonogeräte geeignet. Schließlich ist auch die Gefahr von Undichtigkeiten wegen der Vielzahl der Abdichtstellen nicht zu vernachlässigen.

Davon abgesehen ist aus der US-PS 32 02 212 ein Kühlkörper bekannt, der aus stranggepreßtem Aluminium geformt ist. Der Kühlkörper weist auf der Ober- und Unterseite Rippen auf, die im Abstand zueinander aus dem Material herausgeschält und rechtwinklig umgebogen sind. Dieser Kühlkörper hat jedoch allein die Aufgabe, eine durchlaufende Flüssigkeit abzukühlen.

Aus der jap. Patentanmeldung 55 92 885 ist ein Wärmerohr in Form einer geschlossenen Rohrschleife bekannt, auf dessen unterem geraden Bereich ein Wärmeübertragungsabschnitt angeordnet ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Kühlkörper der eingangs genannten Art so zu gestalten, daß er bei guter Kühlleistung möglichst einfach und kostengünstig herzustellen ist und dabei ein geringes Bauvolumen und Gewicht aufweist.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Kennzeichens des Patentanspruchs 1 gelöst.

Durch diese Ausführung des Kühlkörpers ergibt sich ein einfaches stranggepreßtes Profil, dessen Wandstär-

jif!

ken sich den jeweiligen Wärme- und Festigkeitsanforderungen anpassen lassen. Durch die rechtwinklige Zuordnung von Horizontalsteg und Vertikalsteg zeichnet sich dieses Profil durch außerordentliche Steifheit aus, so daß es in vorteilhafter Weise auch als ^r> mittragendes Rahmenteil beispielsweise innerhalb von Phonogeräten montiert werden kann, wodurch sich erhebliche Kosten einsparen lassen. Dabei wird durch die Kombination eines die Wärmeleitung unterstützenden, horizontalen Aluminiumsteges mit einer direkten in Ausformun^ der Kühlrippen aus dem Vertikalsteg und mit der zusätzlichen Anordnung zumindest eines Wärmerohrs eine gute Kühlleistung erzielt. Insgesamt ist der erfindungsgemäße Kühlkörper trotz seiner einfachen, produktionstechnisch besonders vorteilhaften Ausbildung hervorragend für den Einbau in Phonogeräten geeignet, denn er isi leicht, hat trotz guter Kühlleistung nur geringen Raumbedarf und eröffnet , fwegen seiner Steifheit zudem die Möglichkeit, als i'mittragendes Bauteil verwendet zu werden.

"-', Die Unteransprüche betreffen Weiterbildungen des ~~ Patentanspruches 1.

In der Zeichnung ist die Erfindung an Hand eines ■-. Ausführungsbeirpieles veranschaulicht. Es zeigt

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines Kühlkör-Wpers,

Fig.2 einen Querschnitt durch den Kühlkörper gemäß F ig. 1 längs der Linie M-Il,

Fig.3 eine perspektivische Ansicht eines anderen Kühlkörpers, _w

Fig.4 eine perspektivische Ansicht eines weiteren Kühlkörpers,

Fig.5 einen Querschnitt durch den Kühlkörper gemäß F j g. 4 längs der Linie V-V,

Fig.6 eine perspektivische Ansicht einer weiteren Ausführungsform eines Kühlkörpers, teilweise Durchbrechen,

Fig.7 einen Längsschnitt durch den Kühlkörper gemäß F i g. 6 längs der Linie VII-VlI und

Fig.8 einen Längsschnitt einer abgeänderten Ausführungsform des Kühlkörpers gemäß F i g. 6.

In allen Figuren der Zeichnung sind gleiche oder gleichartige Teile mit den gleichen Bezugsziffern versehen.

Der in den Fig.! und 2 dargestellte Kühlkörper weist einen stranggepreßten Hauptkörper 3 auf, der im Querschnitt L-förmig ausgebildet ist und einen Horizontalsteg 1 und einen Vertikalsteg 2 hat. Auf dein Horizontalsteg 1 sind vier wärmeerzeugende Elemente 4, nämlich Halbleiter, in bestimmten Abständen befestigt. Der Vertikalsteg 2 hat eine Vielzahl von Kühlrippen 5 als Bestandteil des Hauptkörpers 3, die in bestimmten Abständen aus dem Vertikalsteg 2 herausgeformt bzw. gemeißelt sind. Jede Kühlrippe 5 erstreckt sich rechtwinklig zum Vertikalsteg 2 und v/eist einige horizontale Schlitze 6 auf.

Auf der anderen Seite des Vertikaisteges 2 ist ein Wärmerohr 7 angeordnet, das als Rohrschleife 9 ausgebildet ist. Sein Inneres steht unter Vakuum und enthält eine Arbeitsflüssigkeit 8. Die Rohrschleife 9 hat die Form einer langgestreckten Ellipse oder eines Ovals und weist einen oberen geraden Rohrtei! 9a und einen unteren geraden Rohrteil 9b auf, die horizontal und parallel zueinander verlaufen. Die zwei geraden Rohrteile 9a, 9b sind in Halteklammern 10, 11 mit C-förmigem Querschnitt gehalten, die aus dem Vertikalsteg 2 herausgeformt sind. Die Halteklammern 10, 11 sind annähernd so lang wie die geraden Rohrteile 9a, 9b.

Da der Hauptkörper 3 stranggjpreßt ist. haben die Halteklammern 10,11 U-förmigen Querschnitt und eine Öffnung, die ein wenig größer ist als der Außendurchmesser der Rohrschleife 9 (F i g. 2). Wenn die geraden Leitungsteile 9a, 9b in die Halteklammern 10, 11 eingesetzt sind, werden ihre jeweils oberen und unteren Stege um den äußeren Umfang der Rohrteile 9a, 9b gebogen, so daß die Halteklammern 10, 11 ihren C-förmigen Querschnitt erhalten.

Die Rohrschleife 9 bildet eine langgestreckte Ellipse, durch Verbinden eines Haarnadelrohres mit einem U-Rohr mittels Stumpfschweißung. Die Arbeitsflüssigkeit 8 wird in die Rohrschleife 9 durch einen Einlaß 12 eingefüllt, der an der Oberseite eines gebogenen Teiles der Rohrschleife 9 angeordnet und durch unterbrochene Linien (F i g. I)dargestellt ist. Danach wird der Einlaß 12 umgebördelt, wie dies durch die durchgezogene Linie in Fig. 1 dargestellt ist. Beispiele für brauchbare Arbeitsflüssigkeiten sind Wasser, Freon 12 usw.

Die Arbeitsflüssigkeit 8 wird in dem unteren Rohrteil 9b erwärmt und verdampft aufgrund der Wärme, die von den wärmeerzeugenden Elementen 4 über den Horizontalsteg 1 und den unteren Teil des Vertikaisteges 2 kommt. Die verdampfte Arbeitsflüssigkeit 8 fließt dann durch die Biegungen der Rohrschleife 9 hoch in den oberen Rohrteil 9a, wo der Dampf unter Wärmeabgabe kondensiert. Die kondensierte Flüssigkeit fließt dann wieder in den unteren Rohrteil 9b zurück. Die vom Dampf infolge Kondensation abgege bene Wärme wird über den oberen Rohrteil 9a und den oberen Teil des Vertikalsteges 2 zu den Kühlrippen 5 transportiert und dort abgestrahlt. Da die Rohrschleife 9 einen oberen geraden Rohrteil 9a und einen unteren geraden Rohrteil 9b hat, die untereinander verbunu^n sind, fließt die Arbeitsflüssigkeit 8 nach Verflüssigung im Kondensationsabschnitt wieder zurück in den Verdampfungsabschnitt, obwohl die Rohrteib 9a. 9b horizontal verlaufen.

Wenn als Wärmerohr 7 lediglich ein einfaches, horizontal verlaufendes Rohr verwendet wird, so muß zur Rückführung der Arbeitsflüssigkeit 8 ein Dochtmaterial in seinem Inneren vorgesehen werden, was jedoch den Nachteil hat, daß hierdurch der Wärmeleitwiderstand vergrößert wird und höhere Kosten entstehen. Es ist deshalb erwünscht, das Wärmerohr so auszubilden, daß ein Docht nicht notwendig ist, wie dies bei dem in F i g. 1 und 2 gezeigten Beispiel ist. Nichtsdestoweniger kann Dochtmaterial im oberen geraden Rohrteil 9a der Rohrschleife 9 vorgesehen werden.

F i g. 3 zeigt eine weitere Ausführungsform eines Kühlkörpers. Der Kühlkörper hat einen Vertikalstcg 2 mit angeformten Kühlrippen 5,21 an beiden Seiten. Die Kühlrippen 21 auf der einen Seite, die wie die Kühlrippen 5 auf der anderen Seite durch Herausmeißeln geformt sind, weisen untere Enden auf,die nicht so tief reichen wie die Kühlrippen 5 auf der anderen Seite, so daß im unteren Teil des Vertikalsteges 2 ein Bereich ohne Kühlrippen 21 entsteht.

Der Vertikalsteg 2 ist mit einem Wärmerohr 22 im Bereich seines unberippten unteren Teiles versehen. Das Wärmerohr 22' besteht aus einem horizontalen, geraden Rohr 24, das an seiner Innenseite mit einem Docht 23 versehen ist und eine Arbeitsflüssigkeit enthält. Das Rohr 24 ist an den beiden Enden verschlossen und steht unter Vakuum.

Das Rohr 24 ist in einer Halteklammer 25 befestigt, die C-förmigen Querschnitt hat und aus dem Vertikalsteg 2 herausgeformt ist. Die Länge der Halteklammer

25 entspricht etwa der des Rohres 24. Die Befestigung des Rohres 24 an der Halteklammer 25 geschieht dabei nach demselben Verfahren wie bei dem Aüsführungsbeispiel gemäß Fig. 1. Obwohl die Halteklammern 10, 11,25 in den F i g. 1,2 und 3 Bestandteile des jeweiligen Vertikalsteges 2 sind, besteht auch die Möglichkeit, Halteklammern aus gesonderten Segmenten zu fertigen.

Das eine Ende des Rohres 24 ist mit einem .^kreisförmigen Aluminium-Verschluß 26 durch Verschweißen verschlossen. Ein ähnlicher, kreisförmiger - »Verschluß 28 ist auf das andere Ende des Rohres 24 geschweißt und hat einen Einlaß 27. Über diesen Einlaß 27 kann die Arbeitsflüssigkeit in das Rohr 24 gefüllt ,werden, wobei der Einlaß 27 anschließend durch ' Umbördeln geschlossen wird. Der Docht 23 kann aus einem Metallgeflecht bestehen. Aber auch andere Materialien sind möglich.

Im mittleren Bereich des Horizontalsteges 1 sind vier 'wärmeerzeugende Elemente 4, beispielsweise Halblei-• ter, gruppiert. Von diesen Elementen 4 wird die Wärme durch den Horizontalsteg 1 und den unteren Teil des Vertikalsteges 2 zum mittleren Bereich des Rohres 24 transportiert, wo sich die Arbeitsflüssigkeit erhitzt u.id verdampft. Der Dampf fließt dann zu den beiden Enden des Rohres 24, wo er unter Wärmeabgabe kondensiert •und das Kondensat in den mittleren Bereich wieder zurückfließt. Die aufgrund der Kondensation des Dampfes abgegebene Wärme wird dann von den Rohrenden über den Vertikalsteg 2 zu df¹ Kühlrippen 5,21 geleitet, wo die Wärme abgestrahlt wird.

Die Fig.4 und 5 zeigen eine weitere Ausführungsform eines Kühlkörpers. Der Kühlkörper hat wiederum einen Vertikalsteg 2 mit Kühlrippen 21, die auf beiden Seiten angeformt und ähnlich denen der Kühlrippen 21 auf der rechten Seite des Vertikalsteges 2 in F i g. 3 ausgebildet sind, nämlich insbesondere den unteren Teil des Vertikalsleges 2 unberippt lassen.

Der Vertikalsteg 2 äf.1 mit einem Wärmerohr 31 im unteren Teil über seine gesamte Länge versehen. Das Wärmerohr 31 wird durch eine horizontale Bohrung 33 innerhalb des Vertikalsteges 2 gebildet und weist an seiner Innenwandung einen Docht 32 auf. Die Bohrung 33 enihält eine Arbeitsflüjsigkeit. ist an beiden Enden geschlossen und steht unter Vakuum. Der Vertikalsteg 2 ist im unteren Bereich, der die Bohrung 33 enthält, dicker als im oberen Teil. Der Docht 32 besteht hier aus einer Vielzahl von Längsnuten mit V-förmigem Querschnitt, die aus der Innenseite der Bohrung 33 ausgenommen sind. Die Bohrung 33 wird mit dem Docht 32 gleichzeitig geformt, wenn der Hauptkörper 3 stränggepreßt wird. Der Docht 32 kann auch eine andere Ausbildung haben.

Die Wärmeleitwirkung des in den Fig.4 und 5 gezeigten Kühlkörpers entspricht im wesentlichen der des in F i g. 3 gezeigten.

Die F i g. 6 und 7 zeigen eine andere Ausführungsform des Kühlkörpers, Der Kühlkörper hat einen Vertikalsteg 2 mit Kühlrippen 5 auf beiden Seiten, die denen auf der linken Seite des Kühlkörpers in F i g. 1 entsprechen, also insbesondere bis zum Horizontalsteg 1 hinuntergehen.

Der Vertikalsteg 2 hat als Wärmerohr eine Wärmetransportkammer 41, die sich im wesentlichen.über den

ίο gesamten Vertikalsteg 2 erstreckt. Die Wärrhetransportkammer 41 wird durch einen Hohlraum 43 in Form

* eines im Querschnitt länglichen Rechteckes gebildet und enthält eine Arbeitsflüssigkeit 42. Der Hohlraum 43 ist an seinen Enden geschlossen und steht unter Vakuum.

Er wird gleichzeitig geformt, wenn der Hauptkörper 3 stranggepreßt wird.

Ein Ende des Hohlraumes 43 ist mit einem rechteckigen Aluminium-Verschluß 44 durch Verschweißen verschlossen. Das andere Ende des Hohlraurnes 43 ist durch einen ähnlichen, rechteckigen Verschluß 46 verschlossen, der einen Einlaß 45 hat. Wie bei den vorangegangenen Ausführungsformen wird die Arbeitsflüssigkeit über diesen Einlaß 45 in die Wärmetransportkammer 41 eingefüllt und der Einlaß 45 anschließend durch Umbördeln geschlossen.

Auf dem Horizontalsteg 1 sind vier wärmeerzeugende Elemente 4 in derselben Weise wie bei der Ausführungsform nach F i g. 1 befestigt. Aufgrund der Wärme, die von den wärmeerzeugenden Elementen 4 über den Horizontalsteg 1 in den unteren Bereich des Vertikalsteges 2 gelangt, wird die Arbeitsflüssigkeit 42 am Boden des Hohlraumes 43 erhitzt und verdampft. Der Dampf steigt dann in den oberen Teil des Hohlraumes 43 hoch, wo e·· unter Wärmeabgabe kondensiert. Das Kondensat fließt dann wieder nach unten zurück. Die bei der Kondensation des Dampfes abgegebene Wärme wird dann durch den oberen Teil des Vertikalsteges 2 zu den Kühlrippen 5 geleitet, wo sie abgestrahlt wird.

F i g. 8 zeigt eine Abwandlung der Ausführungsform nach den F i g. 6 und 7. Der abgewandelte Hohlraum 51 hat einen horizontalen Trennsteg 52, der nicht bis zu den stirnseitigen Verschlüssen 44, 46 reicht und so Verbindungen zwischen dem oberen und unteren Teil des Hohlraumes 51 offenläßt, so daß eine Leitungsschleife mit einer oberen Teilkammer 51a und einer unteren Teilkammer 516 entsteht. In dem Hohlraum 51 fließt die Arbeitsflüssigkeit 42 in derselben Weise wie die Arbeitsflüssigkeit 8 in der Rohrschleife 9 bei dem

so Ausführungsbeispiel nach den F i g. 1 und 2.

Obwohl die F i g. 3 bis 6 Kühlrippen auf beiden Seiten der yertikalstege 2 zeigen, können Kühlrippen auch nur auf einer Seite des Vertikalsteges 2 vorgesehen werden. In gleicher Weise brauchbar sind gewellte Kühlrippen.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims (13)

* Jj ^m Jf .J W-I irt Ji Patentansprüche:

1. Kühlkörper für wärmeerzeugende Elemente, wie beispielsweise Halbleiter, bei dem die wärmeerzeugenden Elemente auf einem horizontalen Steg befestigt sind sowie Kühlrippen und zumindest ein im Wärmefluß von den Halbleitern zu den Kühlrippen liegendes Wärmerohr vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß an den Horizontalsteg (1) ein Vertikalsteg (2) angeformt ist und beide (1,2) als ein stranggepreßtes Aluminiumformteil ausgebildet sind, daß der Vertikalsteg (2) zumindest auf einer Seite aus seinem Material im Abstand voneinander herausgeschälte Kühlrippen (5,21) aufweist und daß das bzw. die Wärmerohr(e) (7,22,31,41) am oder im Vertikalsteg (2) angeordnet sind.

2. Kühlkörper nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß das Wärmerohr (7) auf einer Längsseite des Vertikalsteges (2) angeordnet und als geschlossene Rohrschleife (9) ausgebildet ist

■ 3. Kühlkörper nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohrschleife (9) zwei parallel 'übereinander verlaufende, gerade Rohrteile (9a, 9b) aufweist, die mit Verbindungsrohren verbunden sind.

4. Kühlkörper nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die geraden Rohrteile (9a, 9b) in

,- C-förmigen Halteklammern (10, 11) gehalten sind, die aus dem Vertikalsteg (2) herausgeformt sind.

5. Kühlkörper nach Anspruch 4, dadurch gekenn-,, zeichnet, daß die Halteklammern (10, 11) über die gesamte Länge der geraden Rohrteile (9a,9b)gehen.

6. Kühlkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Wärmerohr (22,31) als zumindest ein im unteren Bereich des Vertikalsteges (2) angeordnetes, gerades und zumindest annähernd über die gesamte Länge des Kühlkörpers gehendes, an den Enden geschlossenes Rohr (24,33) ausgebildet ist, in dem ein Docht (23,32) angeordnet ist.

7. Kühlkörper nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr bzw. die Rohre (24) außen auf zumindest einer Seite des Vertikalsteges (2) angeordnet sind.

8. Kühlkörper nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr (24) jeweils von C-förmigen Halteklammern (25) gehalten ist, die aus dem Vertikalsteg (2) herausgeformt sind.

9. Kühlkörper nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Haheklammer(n) (25) zumindest annähernd über die gesamte Länge des Rohres (24) gehen.

10. Kühlkörper nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr bzw. die Rohre im Innern des Vertikalsteges (2) in Form einer Bohrung (33) angeordnet sind, die mit Docht (32) versehen ist.

11. Kühlkörper nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß das Wärmerohr als im Inneren des Vertikalsteges (2) angeordnete Wärmetransportkammer (41) in Form eines Hohlraums (51) ausgebildet ist.

12. Kühlkörper nach Anspruch II, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Wärmetransportkammer (41) über den gesamten Vertikalsteg (2)' erstreckt.

13. Kühlkörper nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmetransportkammer (4i) durch einen horizontalen Trennsteg

(52) in eine obere und eine untere Teilkammer (51a, 51 b) aufgeteilt ist, wobei an den stirnseitigen Enden des Trennsteges (52) senkrechte Durchtritte offengelassen sind.