DE3117758A1 - Kuehlvorrichtung fuer diskrete elektronische bauteile und/oder schaltungsplatten, auf denen die bauteile montiert sind - Google Patents
Kuehlvorrichtung fuer diskrete elektronische bauteile und/oder schaltungsplatten, auf denen die bauteile montiert sindInfo
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Description
Telefonaktiebolaget LM Ericsson,
Stockholm / SCHWEDEN
Stockholm / SCHWEDEN
Kühlvorrichtung für diskrete elektronische Bauteile und/oder Schaltungsplatten, auf denen die Bauteile montiert sind
Die Erfindung betrifft eine Kühlvorrichtung gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1, die für diskrete elektronische Bauteile
mit hoher Wärme-Entwicklung oder für verschiedene Arten von Schaltungsplatten, auf denen die Bauteile montiert sind,
vorgesehen ist. Ein geeignetes Anwendungsfeld liegt in der Luftfahrt-Technik, wo hohe Anforderungen bezüglich Gewicht
und Bauraum-Verringerung gestellt werden.
Elektronische Bauteile sowohl in der Fernmeldetechnik als auch in der Stromversorgungstechnik benötigen ganz allgemein
irgendeine Kühlung. Dies gilt auoh ganz besonders für integrierte
Schaltkreise, die in gekapselten Mikroschaltungen unterschiedlichster
Art enthalten sind, um die in den Halbleiterplatten entstehende Wärme abzuleiten, so daß die Eigenschaften
des Halbleitermaterials durch ansteigende Temperatur nicht ungünstig beeinflußt werden. Sogenannte CCC-Kapseln
wurden in neuerer Zeit entwickelt, d.h. Kapseln, die aus keramischem Material hergestellt sind {"Ceramic-Circuit-Carriers"),
die die Halbleiterplatten umschließen. Die CCC-Technik ermöglicht ein dichteres Zusammenbauen als die DIP-Kapseln ("Dual-In-Package"),
jedoch ist die Wärme-Entwicklung im wesentlichen dieselbe, so daß die Probleme bezüglich wirksamer Kühlung
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der aus derartigen Kapseln aufgebauten Systeme besonders dringlich eine Lösung erfordern.
Es ist bekannt, ein elektronisches System dadurch zu kühlen,
daß durch Kanäle in dem System ein starker Luftstrom geleitet wird. Dies erfordert eine gute Reinhaltung der Luft, da
andernfalls die Luft die Kontaktgabe und auch sonstige empfindliche Elemente beeinflussen kann, wie dies z. B. in der US-PS
4 006 388 dargestellt ist. Es ist auch bekannt, großdimensionierte Metall-Leiter für die Wärmeleitung an einem oder mehreren
Kühlflanschen anzubringen (US-PS 3 991 346).Dies kann
aber bedeuten, daß das Gewicht des Systems untragbar hoch wird, wenn es beispielsweise in Luftfahrzeuge eingebaut werden soll.
Die Verwendung von sogenannten Wärmeröhren ist ebenfalls bekannt, die die entstehende Wärme Kühlvorrichtungen zuleiten,
die sich außerhalb des Systems selbst befinden, so daß auf diese Weise das Problem der Verschmutzung durch den Luftstrom
ausgeschlossen ist (US-PS 3 631 325) .' Derartige Kühlvorrichtungen haben jedoch einen ziemlich komplizierten Aufbau und erfordern
erheblich Platz.
Die Erfindung betrifft eine Kühlvorrichtung, die vorzugsweise für in Luftfahrzeugen eingesetzte Einrichtungen verwendet
wird, welche auf dem Verdampfungs- und Kondensationsprinzip
in einer geschlossenen Platte beruht. Von den Bauelementen oder den Schaltungsplatten, die die Bauelemente tragen, erzeugte
Wärme wird an einen Ort in der Schaltungsanordnung transportiert, wo sie wirksam an die Luft abgegeben werden
kann. Gase wie Freon werden als Transportmedium in dem Zyklus verwendet; ein solches Gas verdampft an der heißen Stelle und
wird dann dampfförmig zu einem Kühlflansch geleitet, wo es abgekühlt wird und kondensiert. Nach dem Kondensationsvorgang
strömt das nunmehr flüssige Gas durch Kanäle zwischen zwei Metallwänden, die die Bauteile oder Schaltungsplatten
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tragen, und kehrt so zu den die Wärme erzeugenden Bauteilen und Schaltungsplatten zurück, wo es erneut verdampft. Hierdurch
ergeben sich ein sehr guter Wärmetransport und eine wirksame Kühlung innerhalb eines sehr begrenzten Raumes.
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine Kühlvorrichtung
für diskrete Bauelemente und/oder Schaltungsplatten zu schaffen, in der das Prinzip von Verdampfung und Kondensation
in einer geschlossenen Kühlplatte eingesetzt wird, die so gestaltet ist, daß sie wenig wiegt und geringes Volumen
hat.
Die Lösung dieser Aufgabe geschieht mit den kennzeichenden Merkmalen des Hauptanspruchs.
Anhand der Figuren der Zeichnung wird nachfolgend die Erfindung in Verbindung mit Ausführungsbeispielen im einzelnen näher
beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 eine Vorrichtung nach der Erfindung teils im Schnitt;
Fig. 2 eine Schnittansicht der in der Vorrichtung nach Fig. 1 verwendeten Kühlplatte;
Fig. 3 ein Baumodul für Keramikplatten, teils im Schnitt, bei welchem die erfindungsgemäße
Kühlvorrichtung eingesetzt ist;
Fig. 4 einen Schnitt durch das Modul in Fig. 3; und
Fig. 5 ein geschlossenes Kühlsystem mit separat angeordneten Kühlkanälen gemäß Fig. 1.
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Fig. 1 zeigt eine Kühlvorrichtung nach der Erfindung, die teils im Schnitt wiedergegeben ist. Diese Vorrichtung enthält
zahlreiche Kühlkanäle 3, die durch zwei im wesentlichen parallele Wände 1 und 2 aus metallischem Werkstoff, z. B. extrudiertem
Aluminium oder Kupfer, gebildet werden. Die Ausbildung der Kanäle geht am deutlichsten aus der Fig. 2 hervor, die
einen Schnitt nach der Linie A - A in Fig. 1 darstellt. Hierin ist zu erkennen, daß die Kühlkanäle Hohlräume 31 bis 3 7
aufweisen, von denen die Hohlräume 31 bis 33 eine Gruppe darstellen, in der sie untereinander über enge Spalte verbunden
sind. Zwischen den Gruppen 31 bis 33 und 34 bis 37 liegt ein massiver Abschnitt 4, der ein Querelement bildet, das die beiden
Wandabschnitte 1 und 2 zusammenhält. An einigen Stellen entlang des massiven Teils 4 befinden sich Löcher 8 (Fig. 1),
an denen Bauteile , Schaltungsplatten oder sonstige Baukomponenten
tragende Elemente befestigt werden können. In die mittleren Kammern 32 und 3 5 ist über die gesamte Höhe der Kühlplatte
ein Kapillar-Material, z. B. Glasfasern, eingelegt.
Ein Kühlflansch 5 ist entlang der oberen Kante der zwei Wände
1 und 2 befestigt, und die Verbindungsränder 5a, 5b sind durch Salzbad-Lötung angelötet, was eine gute Kontrolle für die
Dichtheit der Verbindung bietet. Das Kühlflanschelement 5 besteht aus extrudiertem Aluminium und weist Kühlrippen 51 bis
54 usw. auf. In seinem Innern befindet sich ein spitzwinkliger Hohlraum 6, der im unteren Teil eine Breite hat, die der Breite
des Kanals mit dem weitesten Querschnitt entspricht. Die beiden einander gegenüberliegenden Flansche, z. B. 51 und 52,
sind derart gegeneinander versetzt, daß sich ein zick-zack-ar— tiges Profil ergibt. Hiermit wird erzielt, daß die Flansche
einer benachbarten (nicht gezeigten) Kühlvorrichtung in die Zwischenräume zweier nebeneinanderliegender Flansche, z. B.
52 und 54, eingreifen können. Es .ergibt sich dann zwischen den Flanschen zweier benachbarter Kühlflanschelemente ein
Luftspalt , womit sich eine hohe Luftgeschwindigkeit aufgrund
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der geringen Luftspalt-Dicke erzielen läßt.
Die abwärts weisenden öffnungen der Kühlkanäle sind mit einem
Verschlußdecke 7 von U-förmigem Querschnitt abgeschlossen. Es ergibt sich dadurch ein hermetisch abgeschlossener Hohlraum,
der aus den Kühlkanälen 31 bis 33, 34 bis 37 und dem oberen, spitzwinkligen Hohlraum 6 innerhalb des Kühlflanschelementes
gebildet wird.
Wie bereits oben erwähnt, dienen die Löcher 8 dazu, diskrete elektronische Baukomponenten oder Schaltungsplatten, z. B.
keramische Schaltungsplatten, zu befestigen. Im Betrieb erzeugen diese Baukomponenten oder Schaltungsplatten heiße Abschnitte
auf den Kühlplatten, und diese erzeugte Wärme muß abgeleitet werden. Die Kanäle und Hohlräume sind hermetisch
geschlossen und für diesen Zweck mit Freon gefüllt. An den heißen Stellen wird das Freon verdampft und kondensiert dann
an den Kühlflanschelementen wieder, genauer gesagt, an den Wänden der inneren Kammer 6. Das flüssige Freon rinnt durch
die Kühlkanäle 31, 33, 34, 36, 37 und alle die anderen "leeren" Kanäle abwärts. Durch das Kapillar-Material in den Kanälen
32, 35 wird die Flüssigkeit dann wieder nach oben gesaugt und ist so über die gesamte Fläche der beiden Wandteile
1 und 2 ausgebreitet. Das Verhältnis zwischen Flüssigkeit und Gas sowie Druck und Temperatur werden durch die zugeführte
und die abgeleitete Wärmemenge bestimmt. Bei Raumtemperatur und ohne Zufuhr von Wärme beträgt der Innendruck etwas
mehr als 1 bar. Wenn Wärme zugeführt wird, steigen Temperatur und Druck an. Bei einer Wärmezufuhr von 100 W und einer
Kühlluft-Temperatur von 25 0C ist der Innendruck auf etwa
4 bar berechnet, wobei die Temperatur der Kühlplatte dann über die gesamte Außenfläche den Wert von etwa 68 ° hat, ohne
daß irgendwo heiße Stellen entstehen.
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Für bestimmte Profile kann ein Kanal durch einen homogenen Abschnitt ersetzt werden, und es können Einheiten wie Leistungstransistoren
aufgeschraubt werden, die dadurch sehr wirkungsvoll gekühlt werden.
Fig. 3 zeigt mehr im einzelnen, wie Keramik-Platten, die Keramik ("CCC")-Kapseln tragen, auf der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung
angeordnet und befestigt werden.
Eine Grundplatte 10 aus einem Material wie Epoxid ist entlang ihrer Mitte faltbar und groß genug, die Oberseite von zwei
Wänden 1 und 2 der Kühlvorrichtung zu überdecken. In der Grundplatte 10 sind zahlreiche Löcher oder öffnungen vorhanden für die Keramikplatten 9, von denen die oberen, wie
in Fig. 3 gezeigt, die Keramik-Kapseln 12 und 13 tragen. Flexible
Laschen 111, 112, 113 aus einem Material wie Polyimid
sind an der Grundplatte 10 angebracht und besitzen Lötpunkte 14, 15, um gedruckte Schaltungsbahnen in der Folie 113 mit
den Kerainik-Kapseln 13 verbinden zu können.
Fig. 4 zeigt einen Querschnitt gemäß den Teilen B-B in Fig. Die Keramikplatten 9 liegen außen auf den Wänden 1, 2 und werden
durch Schraubenbefestigungen 16, 17 und zwischengelegte
Befestigungselemente 18 aus einem Material wie Teflon festgelegt. Die Kontakte der Grundschaltungsplatte 10 sind mit der
Folie 113 verbunden, die eine gewisse Bewegungsfreiheit besitzt. Die Keramikplatten 9 sind in üblicher Weise gestaltet
und haben angepaßte Größe mit 4 bis 5 Schichten einer leitenden Bedruckung.
Die Kühlvorrichtung muß nicht unbedingt als Platte, die aus Kühlkanal-Modulen besteht, welche gemäß der Darstellung in
Fig. 1 zusammengefügt sind, ausgebildet sein.
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In Pig. 5 ist eine Kühlvorrichtung gezeigt, die aus einzelnen Modulen oder Kanalabschnitten 20 bis 22 besteht, von denen
jedes eine Einzelgruppe von Kanälen, z. B. 31 bis 33 gemäß Fig. 2, besitzt. Die Abschnitte sind an das Kühlflanschelement
5 in der oben beschriebenen Weise angelötet. Die Kammer 6 innerhalb des Kühlelementes 5 ist durch Blöcke 23 verschlossen,
jeder mit einem U-förmigen Querschnitt und mit einem oberen Abschnitt 25, der der öffnungsweite der Kammer
angepaßt ist, damit eine gute Abdichtung erzielt wird. Die unteren Teile der Abschnitte 20 bis 22 sind mit Hilfe eines
langgestreckten Blockes 26 von U-förmigem Querschnitt verbunden, wobei ein oberer Abschnitt 27 mit den Endkanten der Kanalabschnitte
verlötet ist. Eine Verschlußleiste 28 bildet zusammen mit der Innenfläche des Blockes 26 einen Hohlraum,
der mit sämtlichen Kammern in den Abschnitten 20 bis 22 in Verbindung steht. Es wird so ein geschlossenes Kühlsystem
gebildet, das gleichmäßige Kühlung für Schaltungsplatten oder Bauteile ergibt, die in geeigneter Weise mit den Kanalabschnitten
20 bis 22 verbunden sind.
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Claims (4)
- 34 878Telefonaktiebolaget LM Ericsson,
Stockholm /SCHWEDENKühlvorrichtung für diskrete elektronische Bauteile und/oder Schaltungsplatten, auf denen die Bauteile montiert sindPatentansprüche(1J Kühlvorrichtung für elektronische Bauteile und/oder Schaltungsplatten, auf denen die Bauteile montiert sind, mit einem hermetisch geschlossenen Raum für ein Medium, "das einen Verdampfungs-Kondensations-Zyklus durchführt, und Wärme von den Bauteilen zu einer Wärmeabgabestelle transportiert, bestehend aus einer Kühlplatte mit einem Kühlflanschelement, welches im oberen Bereich an der Platte befestigt ist und sich verjüngende Kühlrippen aufweist, während sein Inneres als sich nach oben verjüngender Hohlraum ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlplatte aus zwei flachen, zueinander parallel angeordneten Wänden (1, 2) besteht, die wenigstens einen Hohlraum in Form von Kanälen (31 - 33, 34 - 37) vom oberen Ende der Platte bis zum unteren Ende aufweisen, daß eine Dichtvorrichtung (7) für die Kanäle am unteren Teil der Platte vorgesehen ist, daß sich der untere Teil des Hohlraums (6) im Kühlflansch (5) in die Kanäle hinein öffnet und daß die Kühlrippen (51 - 54) zu beiden Seiten des Hohlraums (6) derart abstehen, daß einander gegenüberliegende Kühlrippen zu-130063/0790einander versetzt sind, wodurch Kühlrippen der einen Kühlvorrichtung in die Zwischenräume einer benachbarten Kühlvorrichtung zum Teil eindringen können. - 2. Kühlvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß von den Kanälen (31 - 33, 34 - 37) eine gewisse Anzahl zu einer Gruppe zusammengefaßt sind und diese über Spalte von geringerer Weite als den Querschnittsabmessungen der einzelnen Kanäle miteinander in Verbindung stehen.
- 3. Kühlvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens einer (3 2, 35) der Kanäle einer Gruppe ein Kapillar-Material, z. B. Glasfasermaterial, zum Hochsaugen des kondensierten Mediums enthält.
- 4. Kühlvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zwischen den Kanalgruppen (31 - 33, 34 - 37) liegenden Abschnitte der Platten zu den Kanälen parallel verlaufende, massive Teile (4) sind.130063/0790
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