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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Leiterplatte mit einem
Wärmerohr
mit einer eigenen Kühlfunktion
zum Verbessern der Ableitung von Wärme, die von elektronischen
Komponenten erzeugt wird.
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Verwandte
Technik
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Gegenwärtig werden,
wie an hochentwickelten Personalcomputern zu sehen ist, CPU, elektronische
Geräte,
sonstige Komponenten (im Folgenden werden sie allesamt als „elektronische
Komponenten" bezeichnet)
verkleinert und gleichzeitig in ihrer Leistung deutlich verbessert.
Während
elektronische Komponenten immer höher entwickelt werden, steigt die
von den elektronischen Komponenten erzeugte Wärmemenge immer weiter. Deshalb
besteht nun eines der ernstesten technischen Probleme darin, wie die
von elektronischen Komponenten erzeugte Wärme effizient abgeleitet werden
kann, um einen Anstieg der Temperatur der elektronischen Komponenten
zu verhindern und die hohe Leistung der elektronischen Komponenten
aufrechtzuerhalten.
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Eine
elektronische Komponente wird gewöhnlich auf einer Leiterkarte
montiert, um mit anderen elektronischen Komponenten einen vorher
festgelegten elektronischen Schaltkreis zu bilden. Die Leiterkarte
ist eine dünne,
aus einem isolierenden Werkstoff bestehende Platte. Auf der Oberfläche der Leiterkarte
ist ein hochleitfähiger
Metallwerkstoff gedruckt, zum Beispiel Kupfer oder Ähnliches, sodass ein
vorher festgelegter Schaltkreis entsteht. Die Leiterkarte hat ein
Loch dort, wo eine elektronische Komponente montiert ist, und die
elektronische Komponente ist durch Löten oder ein sonstiges Verbindungsverfahren
mit der Leiterkarte verbunden und bildet einen vorher bestimmten
elektronischen Schaltkreis. Allerdings besitzt die Leiterkarte selbst eine
geringe Wärmeleitfähigkeit
und hat keine besondere Kühlfunktion.
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Solange
die von elektronischen Komponenten erzeugte Wärmemenge nicht groß ist, kann
die Wärme
durch natürliche
Konvektion abgeleitet werden, ohne dass eine besondere Kühlvorrichtung
vorgesehen ist. Wenn die Wärmemenge
einen gewissen Grad übersteigt,
wird es nötig,
eigens zusätzliche Wärmeableitvorrichtungen
aufzunehmen. Konventionell kann die Wärmeableitung typischerweise
durch das Verbinden mit einem Kühlkörper aus
Metall mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit
herbeigeführt
werden. Dieses Verfahren wird außerdem häufig in Kombination mit der
Kühlung
durch ein Kühlgebläse angewandt.
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Seit
neuestem jedoch wächst
mit der fortschreitenden Verkleinerung und Höherentwicklung elektronischer
Komponenten der Bedarf nach einem raumsparenden Verfahren zur Wärmeableitung
mit hohem Wärmeableitwirkungsgrad.
Ein typisches Kühlverfahren
oder Wärmeableitverfahren
besteht in der Verwendung eines Wärmerohrs.
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Wenn
eine elektronische Komponente eine gewisse Größe hat, wird ein Wärmerohr
in direkten Kontakt mit der elektronischen Komponente gebracht.
Ist die elektronische Komponente klein, so wird oft ein Wärmerohr
in direkten Kontakt mit einer Leiterkarte gebracht, auf der die
elektronische Komponente montiert ist.
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Ein
typisches Beispiel für
die bisherige Bauweise wird in der folgenden Beschreibung gezeigt; sie
behandelt ein Verfahren zum Kühlen
einer Leiterplatte in Form einer Leiterkarte mit darauf montierten elektronischen
Komponenten dadurch, dass ein Wärmerohr
mit der Leiterplatte in Berührung
gebracht wird.
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Das
Wärmerohr
ist im Allgemeinen aus Metall mit relativ hoher Wärmeleitfähigkeit
wie etwa Kupfer oder Aluminium hergestellt. Zwischen der Leiterkarte
und dem Wärmerohr
befindet sich ein Isoliermaterial mit besonders hoher Wärmeleitfähigkeit,
um eine ausgezeichnete Wärmeleitfähigkeit
zu erreichen und gleichzeitig eine elektrische Isolierung zu bewahren.
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Außerdem sind
die Leiterkarte und das Wärmerohr
durch eine mechanische Verbindung, durch Klebung oder etwas Ähnlichem
zusammengefügt.
Im Fall der Klebung übernimmt
der Kleber auch die Funktion des oben genannten Isoliermaterials
mit hoher Wärmeleitfähigkeit.
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US-5
666 269 legt eine Leiterplatte mit Wärmerohr offen, die ein Wärmerohr,
eine Isolierschicht, Metallmuster auf der Oberfläche der Isolierschicht und
durch die Isolierschicht auf dem Wärmerohr montierte elektronische
Komponenten aufweist.
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Die
von den elektronischen Komponenten erzeugte Wärme wandert durch die Leiterkarte
und das sich zwischen der Leiterkarte und dem Wärmerohr befindende Isoliermaterial
und wird dann zu einer Außenwand
eines Wärme
aufnehmenden Teils des verbundenen Wärmerohrs übertragen. Die Wärme wird
von der Außenwand
des Wärme
aufnehmenden Teils des Wärmerohrs
weiter zu einer Innenwand davon übertragen
und dann zu einem Arbeitsmedium geleitet, das im Wärme aufnehmenden
Teil in einem Durchflusskanal des Wärmerohrs gespeichert ist. Das
Arbeitsmedium wird von der geleiteten Wärme verdampft, wonach das verdampfte
Arbeitsmedium bewegt wird, bis es zu einem Wärme ableitenden Teil des Wärmerohrs
gelangt. Eine Außenwand
des Wärme
ableitenden Teils ist mit Wärme
ableitenden Rippen oder Ähnlichem
versehen, die die Wärme
nach außen
ableiten.
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Dem
verdampften Arbeitsmedium wird Wärme
entzogen, indem es mit einer Innenwand des Wärme ableitenden Teils des Wärmerohrs
in Kontakt gebracht wird, und die dem Arbeitsmedium entzogene Wärme wird
von der Innenwand des Wärmerohrs zur
Außenwand übertragen,
wo sie über äußere Kühlrippen
oder Ähnliches
an die Luft abgegeben wird. Um den Wirkungsgrad der Wärmeableitung
zu erhöhen,
wird manchmal ein Kühlgebläse vorgesehen.
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Das
Arbeitsmedium, dem am Wärme
ableitenden Teil Wärme
entzogen wurde, kehrt vom gasförmigen
in den flüssigen
Zustand zurück.
Das verflüssigte
Arbeitsmedium fließt
im Durchflusskanal durch Schwerkraft oder Kapillarkraft zurück zum Wärme aufnehmenden
Teil. Dann wiederholt sich der oben beschriebene Zyklus.
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Da
ein Wärmerohr
die Verdampfungswärme eines
Arbeitsmediums nutzt, erlaubt das Verfahren einen effizienten Wärmeübertragung.
Allerdings wird von elektronischen Komponenten erzeugte Wärme über eine
Leiterkarte zu einem Wärmerohr übertragen.
Da die Wärmeleitfähigkeit
der Leiterkarte für sich
genommen nicht so hoch wie diejenige von Metall oder dergleichen
ist, herrscht ein hoher Wärmewiderstand
zwischen den elektronischen Komponenten und dem Wärmerohr.
Selbst wenn also ein hochleistungsfähiges Wärmerohr eingebaut ist, kann
dieser Wärmewiderstand
die effiziente Ableitung der von der elektronischen Komponente erzeugten
Wärme verhindern.
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Ein
typisches Verfahren zur Fertigung eines Wärmerohrs in Flachplattenausführung besteht
darin, zwei flache Metallplatten vorzubereiten, von denen eines
mindestens einen Vertiefungsteil, d.h. einen Durchflusskanal für ein Arbeitsmedium,
gebildet durch maschinelle Bearbeitung, Biegen oder dergleichen,
aufweist, die zwei flachen Metallplatten zusammenzufügen und
in den Vertiefungsteil ein Arbeitsmedium einzuspritzen.
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Zu
den Verfahren zum Zusammenfügen
von Metallplatten gehören
das Schweißen,
Hartlöten, Druckkleben
und dergleichen. Da beim Schweißen Rohmaterialen
durch Verschmelzen verbunden werden, erfahren die Metallplatten
eine hohe Wärmezufuhr
mit der Folge, dass sich die Metallplatten wärmebedingt verziehen. Außerdem treten
in einem geschweißten
Teil der Metallplatten Unebenheiten auf, sodass sie nicht glatt
sein können.
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Demzufolge
ist es schwer, eine glatte Kontaktfläche zwischen der Leiterkarte
und dem Wärmerohr
herzustellen, was zur Folge hat, dass der Wärmeübergang von der Leiterkarte
zum Wärmerohr verhindert
wird. Da die Metallplatten beim Schweißen großer Wärme ausgesetzt werden, ist
es zudem nicht möglich,
vorab ein Isoliermaterial auf der Metallplatte zu montieren oder
die Metallplatten zusammenzufügen,
nachdem die Metallplatten auf der Leiterkarte montiert worden sind.
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Außerdem kommt
es beim Schweißen
zum Spratzen von Gas oder Schweißgas, und viel Energie muss
aufgewendet wird, sodass zusätzliche
Kosten, Zeit und Arbeit nötig
sein können,
um ein geeignetes, sauberes Umfeld zu schaffen, in dem mit elektronischen
Komponenten umgegangen wird. Außerdem erfordert
das Schweißen
zusätzliche
Materialien wie Schweißstab,
Schutzgas und dergleichen.
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Beim
Hartlöten
müssen
keine Rohmaterialien verschmolzen werden. Allerdings handelt es
sich beim Hartlöten
um einen Vorgang bei einer hohen Temperatur von 600 Grad oder darüber, die
zwar nicht höher
ist als beim Schweißen,
aber hoch genug, um ein Verziehen der Metallplatten herbeizuführen. Daneben
kommt es in einem hartgelöteten
Teil der Metallplatten zu Unebenheiten, sodass sie nicht glatt sein
können.
Es treten also im Wesentlichen dieselben Probleme wie beim Schweißen auf.
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Beim
Druckkleben kommt es nicht zum Verziehen durch den Einfluss großer Wärme oder
zu Unebenheiten durch Schweißen
oder dergleichen, wie oben erwähnt.
Allerdings ist die Festigkeit der Verbindung beim Druckkleben geringer
als bei den anderen Verfahren, und die Leckage eines Arbeitsmediums
in den Metallplatten kann ein Problem darstellen. Deshalb ist dieses
Verfahren dort, wo dumpfe Schläge, Stöße und Schwingungen
auftreten können,
ungeeignet.
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US
2001/017763 beschreibt ein Verfahren für die Fertigung einer Leiterplatte
mit einem Wärmerohr,
bei dem zwei Plattenelemente vorbereitet werden, von denen mindestens
eines mit einem Vertiefungsteil versehen wird, der einen Durchflusskanal für ein Kühlmittel
(Wasser) darstellt, wobei elektronische Komponenten auf mindestens
einem der Plattenelemente montiert werden und die Plattenelemente
dann durch Reibschweißen
zusammengefügt
werden.
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Wie
oben beschrieben, treten beim konventionellen Kühlen einer Leiterplatte dadurch,
dass ein Wärmerohr
mit der Leiterplatte in Kontakt gebracht wird, folgende Probleme
auf.
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Ein
hoher Wärmewiderstand
einer aus einem Isoliermaterial hergestellten Leiterkarte verhindert,
dass Wärme,
die von elektronischen Komponenten erzeugt wird, zu einem Wärmerohr,
das mit der Leiterkarte verbunden ist, übertragen wird. Deshalb kann
es passieren, dass von elektronischen Komponenten erzeugte, ständig zunehmende
Wärme nicht
mehr ausreichend gekühlt
werden kann.
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Da
außerdem
in einem durch Schweißen oder
Hartlöten
hergestellten Wärmerohr
Verzug, Unebenheiten oder dergleichen auftreten können, ist
es nicht möglich,
die Haftfestigkeit zwischen einer Leiterplatte und dem Wärmerohr
zu erhöhen,
was in der Folge verhindert, dass von elektronischen Komponenten
erzeugte Wärme
effizient zum Wärmerohr übertragen
wird.
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Da
außerdem
entsprechend den oben genannten Schweiß- und Hartlötverfahren
Plattenelemente, die ein Wärmerohr
aufweisen, hoher Temperatur ausgesetzt werden, können die Plattenelemente nicht
zusammengefügt
werden, nachdem sie auf einer Leiterplatte und dergleichen montiert
worden sind.
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Weiterhin
kommt es entsprechend den oben genannten Schweiß- und Hartlötverfahren zum Spratzen von
Gas oder Schweißgas,
und viel Energie wird aufgewendet, was für das reine Umfeld, in dem mit
elektronischen Komponenten umgegangen wird, geeignet ist. Deshalb
müssen
eventuell zusätzlich Zeit,
Arbeit und Kosten aufgewendet werden, um eine geeignete Umgebung
zu schaffen.
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Mehr
noch, an einem durch Druckkleben gefertigten Wärmerohr treten keine Probleme
wie Verzug, Unebenheiten, starke Wärme beim Schweißen und
ein Umweltproblem auf, die sich beim Schweißen und Hartlöten zeigen.
Allerdings ist die Verbindungsfestigkeit beim Druckkleben geringer
als diejenige bei anderen Verfahren, weshalb das Druckklebeverfahren
in Situationen, in denen dumpfe Schläge, Stöße und Schwingungen auftreten,
nicht geeignet ist.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Deshalb
ist es ein Ziel der vorliegenden Erfindung, die oben genannten Probleme
durch Bereitstellen einer Leiterplatte mit einer Kühlvorrichtung
zu lösen,
die Wärme,
die von elektronischen Komponenten erzeugt wird, effizient kühlen und
dumpfen Schlägen,
Stößen und
Schwingungen widerstehen kann.
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Um
die oben genannten Probleme zu lösen, haben
die Urheber der vorliegenden Erfindung intensive Untersuchungen
angestellt. Dabei haben sie festgestellt, dass eine Leiterplatte
mit einem Wärmerohr,
wie nachstehend beschrieben, in der Lage ist, von elektronischen
Komponenten erzeugte Wärme effizienter
zu einer Kühlvorrichtung
zu übertragen,
als es in der bisherigen Bauweise möglich ist, um die Kühlleistung
zu erhöhen.
Zusätzlich
haben sie durch die Anwendung des Reibrührschweißverfahrens, das beim Zusammenfügen keine
große
Wärme erzeugt, einen
Weg zum Fertigen einer Leiterplatte mit einem Wärmerohr gefunden, bei dem die
Wärmerohrplatten zusammengefügt werden,
nachdem darauf elektronische Komponenten montiert worden sind.
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Ein
erstes Ausführungsbeispiel
der Leiterplatte mit einem Wärmerohr
gemäß der vorliegenden Erfindung
besteht in einer Leiterplatte mit einem Wärmerohr, die ein Wärmerohr,
das durch Zusammenfügen
von zwei Plattenelementen gebildet wird, wobei mindestens eines
der zwei Plattenelemente mit einem Vertiefungsteil, der einen Durchflusskanal
für ein
Arbeitsmedium darstellt, versehen ist, mindestens eine Isolierschicht,
ein Schaltkreismuster, das sich auf einer Oberfläche der Isolierschicht befindet, und
elektronische Komponenten, die durch die Isolierschicht auf dem
Wärmerohr
montiert sind, aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmerohr ein
Kühlfläche besitzt,
wobei die Kühlfläche die
Funktion einer Konsole zum Montieren des Wärmerohrs an einem anderen Element übernimmt.
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Ein
zweites Ausführungsbeispiel
der Leiterplatte mit einem Wärmerohr
gemäß der vorliegenden Erfindung
besteht in einer Leiterplatte mit einem Wärmerohr, bei der das Wärmerohr
durch das Zusammenfügen
von zwei Plattenelementen durch Reibrührschweißen gebildet wird.
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Ein
drittes Ausführungsbeispiel
der Leiterplatte mit einem Wärmerohr
gemäß der vorliegenden Erfindung
besteht in einer Leiterplatte mit einem Wärmerohr, bei der mindestens
eine Isolierschicht die Form einer dünnen oder dicken Platte hat.
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Ein
viertes Ausführungsbeispiel
der Leiterplatte mit einem Wärmerohr
gemäß der vorliegenden Erfindung
besteht in einer Leiterplatte mit einem Wärmerohr, bei der mindestens
eine Isolierschicht durch eine Beschichtung gebildet wird.
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Ein
fünftes
Ausführungsbeispiel
der Leiterplatte mit einem Wärmerohr
gemäß der vorliegenden Erfindung
besteht in einer Leiterplatte mit einem Wärmerohr, bei der die mindestens
eine Isolierschicht so stabil ist, dass sie die elektronischen Komponenten selbst
tragen kann.
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Ein
erstes Ausführungsbeispiel
des Verfahrens zur Fertigung einer Leiterplatte mit einem Wärmerohr
gemäß der vorliegenden
Erfindung ist ein Verfahren, in dem zur Fertigung einer Leiterplatte
mit einem Wärmerohr
zwei Plattenelemente mit einer Kühlfläche vorbereitet
werden, wobei die Kühlfläche die
Funktion einer Konsole zum Montieren des Wärmerohrs an einem anderen Element übernimmt,
mindestens eines der Plattenelemente mit einem Vertiefungsteil versehen
wird, der einen Durchflusskanal für ein Arbeitsmedium darstellt,
wobei elektronische Komponenten an mindestens einem der Plattenelemente über eine
Isolierschicht montiert werden und die Plattenelemente dann durch
Reibrührschweißen zusammengefügt werden.
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Ein
weiteres Ausführungsbeispiel
der Leiterplatte mit einem Wärmerohr
gemäß der vorliegenden Erfindung
ist eine Leiterplatte mit einem Wärmerohr, bei der die elektronischen
Komponenten über
das mindestens eine Isolierelement an den zwei Plattenelementen
montiert sind.
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Noch
ein weiteres Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung der Leiterplatte mit einem Wärmerohr
gemäß der vorliegenden
Erfindung ist eine Leiterplatte mit einem Wärmerohr, bei der die elektronischen
Komponenten über
das mindestens eine Isolierelement an einem der beiden Plattenelemente
montiert sind.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
eine Skizze eines Beispiels für
ein Wärmerohr,
auf dem relativ stark miniaturisierte elektronische Komponenten über eine
mit einem Schaltkreismuster versehene Isolierschicht montiert sind;
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2 ist
eine Skizze eines Beispiels für
ein Wärmerohr,
auf dem relativ große
elektronische Komponenten und relativ stark miniaturisierte elektronische
Komponenten über
eine mit einem Schaltkreismuster versehene Isolierschicht montiert
sind;
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3 ist
eine Querschnittansicht einer Konfiguration einer Leiterplatte mit
einem Wärmerohr;
-
4 ist
eine Querschnittansicht einer Konfiguration einer Leiterplatte mit
einem Wärmerohr,
die sich von derjenigen in 3 unterscheidet;
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5 zeigt
ein Beispiel für
ein Verbindungsverfahren durch Reibrührschweißen;
-
6 zeigt
ein Beispiel für
ein Verbindungsverfahren durch Reibrührschweißen, das sich von demjenigen
in 5 unterscheidet;
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7 zeigt
Ergebnisse der Simulation der Temperaturverteilung an einer Leiterplatte
mit einem Wärmerohr
gemäß der vorliegenden
Erfindung; und
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8 zeigt
Ergebnisse der Simulation der Temperaturverteilung an einer Leiterplatte,
die durch Kontakt mit einem Wärmerohr
nach der bisherigen Bauweise gekühlt
wird.
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AUSFÜHRLICHE
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
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Ausführungsbeispiele
gemäß der vorliegenden
Erfindung werden nachstehend unter Bezug auf die Zeichnungen beschrieben.
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Beispiele
für Wärmerohre,
die nicht der vorliegenden Erfindung entsprechen, aber für das Verständnis nützlich sind,
werden in den 1 bis 3 gezeigt.
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1 zeigt
ein Wärmerohr 1,
auf dem relativ stark miniaturisierte elektronische Komponenten 3 über eine
mit einem Schaltkreismuster versehene Isolierschicht 2 montiert
sind.
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2 zeigt
ein Wärmerohr 4,
auf dem relativ große
elektronische Komponenten 6 und relativ stark miniaturisierte
elektronische Komponenten 7 über eine mit einem Schaltkreismuster
versehene Isolierschicht 5 montiert sind.
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Die 3 und 4 zeigen
Konfigurationen von Leiterplatten mit einem Wärmerohr im Querschnitt. Beide
zeigen ein Wärmerohr,
das durch Zusammenfügen
von zwei Metallplatten durch Reibrührschweißen gebildet ist, wobei mindestens
eine der Metallplatten mit einem Durchflusskanal versehen ist; 4 zeigt
ein Ausführungsbeispiel
der Erfindung.
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In 3 sind
elektronische Komponenten an einem der zwei Plattenelemente des
Wärmerohrs montiert.
Die elektronischen Komponenten 11 sind über die Isolierschichten 12 und 13 am
Wärmerohr 17 montiert.
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Das
Wärmerohr 17 wird
durch ein Plattenelement 14 und ein daran gefügtes Plattenelement 15 gebildet,
sodass ein Stück
entsteht. Die Plattenelemente 14 und 15 sind üblicherweise
aus einem Metall mit hoher Wärmeleitfähigkeit
wie etwa Kupfer, Aluminium oder Ähnlichem
hergestellt, jedoch können
die Plattenelemente aus Harz wie etwa Kunststoff oder Ähnlichem
hergestellt sein. Das Plattenelement 14 besitzt einen Vertiefungsteil,
der als Durchflusskanal für
ein Arbeitsmedium ausgebildet ist. Der Vertiefungsteil wird durch
maschinelles Bearbeiten, Biegen, Schmieden oder dergleichen gebildet.
In 3 wird der Vertiefungsteil nur im Plattenelement 14 gebildet,
jedoch kann der Vertiefungsteil in jedem der Plattenelemente 14 und 15 gebildet
werden.
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Die
Plattenelemente 14 und 15 werden durch Reibrührschweißen zusammengefügt. Das
Verfahren des Reibrührschweißens zum
Zusammenfügen der
Plattenelemente wird weiter unten ausführlich beschrieben. Mindestens
eines der Plattenelemente 14 und 15 wird mit einer
Einfüllöffnung zum
Einspritzen eines Arbeitsmediums in den Durchflusskanal für das Arbeitsmedium
versehen. Eine bestimmte Menge des Arbeitsmediums wird durch die
Einfüllöffnung eingespritzt,
und die Einfüllöffnung wird
durch das oben genannte Reibrührschweißen verschlossen, sodass
der Durchflusskanal im Vakuumzustand hermetisch verschlossen ist.
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Auf
einer Oberfläche
oder im Inneren der Isolierschicht 12 befindet sich ein
Schaltkreismuster auf der Basis des jeweiligen Schaltungsentwurfs,
um bestimmte elektronische Komponenten elektrisch zu verbinden,
sodass ein elektronischer Schaltkreis entsteht. Dieses Schaltkreismuster
ist aus einem leitfähigen
Material mit hoher elektrischer Leitfähigkeit wie etwa Kupfer hergestellt.
Die Isolierschicht 12 kann in Form einer dünnen oder
dicken Platte ausgeführt oder
durch Beschichten mit einem Isoliermaterial gebildet werden.
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Besonders
wenn diese Leiterplatte in einem Kraftfahrzeug montiert werden soll,
muss die Isolierschicht 12 für sich genommen so stabil sein,
dass sie elektronische Komponenten unter widrigen, hohen Wärmebelastungen,
bei starken Stößen und
bei häufigen
Vibrationen im Kraftfahrzeug tragen kann. Elektronische Komponenten 11 werden
durch Weichlöten,
mechanisches Verbinden oder dergleichen an dem oben genannten Schaltkreismuster
montiert, um eine elektrische Verbindung herzustellen.
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Die
Isolierschicht 13 hat die Aufgabe, leitfähige Teile
des Schaltkreismusters oder die elektronischen Komponenten gegenüber dem
Plattenelement 14 zu isolieren, wenn die leitfähigen Teile
auf der Oberfläche
der Seite der Isolierschicht 12 des Plattenelements 14 frei
liegen. Wenn die leitfähigen
Teile nicht frei liegen, dient die Isolierschicht 13 als
Kleber zum Befestigen der Isolierschicht 12 am Plattenelement 14 und
hat die Aufgabe, die Wärmeleitfähigkeit durch
Erhöhung
des Haftungsgrades zu verbessern.
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Von
den elektronischen Komponenten 11 erzeugte Wärme wird über die
Isolierschichten 12 und 13 zum Plattenelement 14 übertragen.
Im Vergleich zum konventionellen Verfahren, bei dem ein Wärmerohr
mit einer Leiterkarte in Kontakt gebracht wird, ist der Wärmewiderstand
in der vorliegenden Erfindung geringer, und es ist möglich, erzeugte
Wärme effizient
zu kühlen.
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Wärme wird
dann durch Wärmeleitung
im Inneren des Plattenelements 14 zu einem Arbeitsmedium 16,
das im Durchflusskanal gespeichert ist, übertragen. Das Arbeitsmedium 16 wird
durch die Wärme verdampft
und so bewegt, dass es mit einer Innenfläche des Plattenelements 15 in
Kontakt kommt. Eine Außenfläche des
Plattenelements 15 ist eine Kühlplatte 18. Falls
nötig,
kann die Kühlplatte 18 mit
Wärme ableitenden
Rippen versehen, mit einem Kühlkörper verbunden
oder mit einem anderen, Wärme
ableitenden Element in Kontakt gebracht werden. Dementsprechend
ist die Temperatur der Innenfläche
des Plattenelements 15 niedriger als die Temperatur des verdampften
Arbeitsmediums 16, wonach dem verdampften Arbeitsmedium 16 wärme entzogen
wird, wenn das Arbeitsmedium 16 mit der Innenfläche des Plattenelements 15 in
Kontakt ist. Die dem Arbeitsmedium 16 entzogene Wärme wird
bedingt durch die Wärmeleitfähigkeit über das
Plattenelement 15 zu dessen Außenfläche übertragen und von der Oberfläche des
Kühlblechs 18 abgeleitet.
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Dem
verdampften Arbeitsmedium 16 wird durch das Plattenelement 15 Wärme entzogen,
sodass es wieder verflüssigt
wird. Das verflüssigte
Arbeitsmedium wird durch Schwerkraft oder Kapillarkraft durch den
Durchflusskanal des Arbeitsmediums zu der Stelle gebracht, an der
das Arbeitsmedium ursprünglich
gespeichert war. Dann wird das Arbeitsmedium durch die von der Innenfläche des
Plattenelements 14 geleitete Wärme erwärmt, sodass es wieder verdampft,
wodurch sich dieser Erwärmungszyklus
wiederholt.
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4.
zeigt ein Ausführungsbeispiel
der Erfindung, bei dem elektronische Komponenten an beiden Plattenelementen,
die eine mit einer Kühlvorrichtung
versehene Karte aufweisen, montiert sind. Diese Plattenelemente
besitzen nicht nur Teile zum Montieren von elektronischen Komponenten
darauf, sondern auch Teile, die neben den Teilen mit darauf montierten
elektronischen Komponenten als Kühlflächen dienen.
Im Ausführungsbeispiel
dienen die Kühlflächenteile
auch als Konsolen zum Montieren der eigentlichen Karte mit der darauf
montierten Kühlvorrichtung
an einem anderen Element.
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Wie
im Fall des in 3 gezeigten Wärmerohrs
sind elektronische Komponenten 21 in 4 über die
Isolierschichten 22 und 23 am Wärmerohr 26 montiert.
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Das
Wärmerohr 26 wird
durch die Plattenelemente 24 und 25 gebildet,
die zu einem Stück
zusammengefügt
sind. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel
ist jedes der Plattenelemente 24 und 25 L-förmig und
besteht aus einem Teil mit darauf montierten elektronischen Komponenten
und einem Kühlflächenteil.
Der Kühlflächenteil
ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel
auf jedem der Plattenelemente 24 und 25 vorgesehen,
er kann jedoch auf einem der beiden Plattenelemente vorgesehen werden.
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Das
Plattenelement 24 und das Plattenelement 25 sind
aus einem Metall mit hoher Wärmeleitfähigkeit
wie etwa Kupfer, Aluminium oder dergleichen hergestellt, jedoch
können
die Plattenelemente aus Harz wie etwa Kunststoff oder dergleichen
hergestellt sein. Das Plattenelement 24 besitzt einen Vertiefungsteil,
der als Durchflusskanal für
ein Arbeitsmedium ausgebildet ist. Der Durchflusskanal für ein Arbeitsmedium
wird nicht nur an dem Teil mit den darauf montierten elektronischen
Elementen gebildet, sondern auch am Kühlflächenteil. Der Vertiefungsteil
wird durch maschinelles Bearbeiten, Biegen, Schmieden oder dergleichen
gebildet. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel
wird der Vertiefungsteil nur im Plattenelement 24 gebildet,
jedoch kann ein Vertiefungsteil in jedem der Plattenelemente 24 und 25 gebildet
werden.
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Die
Plattenelemente 24 und 25 werden durch Reibrührschweißen zusammengefügt. Das
Verfahren zum Zusammenfügen
der Plattenelemente durch Reibrührschweißen wird
weiter unten ausführlich
beschrieben. Mindestens eines der Plattenelemente 24 und 25 wird
mit einer Einfüllöffnung zum
Einspritzen eines Arbeitsmedium in den Durchflusskanal für das Arbeitsmedium
versehen. Nachdem eine bestimmte Menge des Arbeitsmediums durch
die Einfüllöffnung eingespritzt
worden ist, wird die Einfüllöffnung durch das
oben genannte Reibrührschweißen verschlossen,
sodass der Durchflusskanal im Vakuumzustand hermetisch verschlossen
ist.
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Auf
einer Oberfläche
oder im Inneren der Isolierschicht 22 befindet sich ein
Schaltkreismuster auf der Basis des jeweiligen Schaltungsentwurfs,
um bestimmte elektronische Komponenten elektrisch zu verbinden,
sodass ein elektronischer Schaltkreis entsteht. Dieses Schaltkreismuster
ist aus einem leitfähigen
Material mit hoher elektrischen Leitfähigkeit wie etwa Kupfer hergestellt.
Die Isolierschicht 22 kann in Form einer dünnen oder
dicken Platte ausgeführt
oder durch Beschichten mit einem Isoliermaterial gebildet werden.
Besonders wenn diese Leiterplatte in einem Kraftfahrzeug montiert
werden soll, muss die Isolierschicht 22 für sich genommen
so stabil sein, dass sie elektronische Komponenten unter widrigen,
hohen Wärmebelastungen,
bei starken Stößen und
bei häufigen
Vibrationen im Kraftfahrzeug tragen kann. Elektronische Komponenten 21 werden
durch Weichlöten,
mechanisches Verbinden oder dergleichen an dem oben genannten Schaltkreismuster montiert,
um eine elektrische Verbindung herzustellen.
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Die
Isolierschicht 23 hat die Aufgabe, leitfähige Teile
des Schaltkreismusters oder die elektronischen Komponenten gegenüber dem
Plattenelement 24 zu isolieren, wenn die leitfähigen Teile
auf der Oberfläche
der Seite der Isolierschicht 22 des Plattenelements 24 frei
liegen. Wenn die leitfähigen
Teile nicht frei liegen, dient die Isolierschicht 23 als
Kleber zum Befestigen der Isolierschicht 22 am Plattenelement 24 und
hat die Aufgabe, die Wärmeleitfähigkeit durch
Erhöhung
des Haftungsgrades zu verbessern.
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Im
vorliegenden Ausführungsbeispiel
weist das Plattenelement 25 ebenso wie das Plattenelement 24 elektronische
Komponenten 27 auf, die über die Isolierschichten 28 und 29 auf
ihm montiert sind. Zum Montieren wird dasselbe Verfahren wie beim Plattenelement 24 angewandt.
Die Isolierschicht 28 ist wie die Isolierschicht 22 mit
einem Schaltkreismuster versehen. Die Isolierschicht 29 hat
dieselbe Funktion wie die Isolierschicht 23.
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Von
den elektronischen Komponenten 21 und 27 erzeugte
Wärme wird über die
Isolierschichten 22, 23 bzw. 28. 29 zu
den Plattenelementen 24 und 25 übertragen.
Wie bei dem in 3 gezeigten Ausführungsbeispiel
ist der Wärmewiderstand
im Vergleich zum konventionellen Verfahren, bei dem ein Wärmerohr
mit einer Leiterkarte in Kontakt gebracht wird, in der vorliegenden
Erfindung geringer, und es ist möglich,
die erzeugte Wärme
effizient zu kühlen.
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Wärme wird
dann durch Wärmeleitung
im Inneren der Plattenelemente 24 und 25 zu einem
im Durchflusskanal gespeicherten Arbeitsmedium 30 übertragen.
Das Arbeitsmedium 30 wird durch die Wärme verdampft, im Durchflusskanal
aufwärts
zum Kühlflächenteil 31 bewegt
und dann mit einer Innenfläche
des Kühlflächenteils 31 in
Kontakt gebracht. Eine Außenfläche des
Kühlflächenteils 31 ist
so konstruiert, dass sie durch die Ableitung der Wärme in die
Luft und durch die Ableitung der Wärme in einen seitlichen Körper 32,
der mit dem Kühlflächenteil 31 verbunden
ist, gekühlt
wird. Wenn nötig,
kann der Kühlflächenteil 31 mit
dünneren,
Wärme ableitenden Rippen
versehen werden. Dementsprechend ist die Temperatur der Innenfläche des
Kühlflächenteils 31 niedriger
als die Temperatur des verdampften Arbeitsmediums 30, wonach
dem verdampften Arbeitsmedium 30 Wärme entzogen wird, wenn das
Arbeitsmedium 30 mit der Innenfläche des Kühlflächenteils 31 in Kontakt
ist. Die dem Arbeitsmedium entzogene Wärme wird über den Kühlflächenteil 31 zu dessen Außenfläche übertragen
und sodann abgeleitet.
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Dem
verdampften Arbeitsmedium 30, dem durch die Innenfläche des
Kühlflächenteils 31 Wärme entzogen
wird, wird wieder verflüssigt.
Das verflüssigte
Arbeitsmedium wird durch Schwerkraft oder Kapillarkraft durch den
Durchflusskanal für das
Arbeitsmedium zu der Stelle gebracht, an der das Arbeitsmedium ursprünglich gespeichert
war. Dann wird das Arbeitsmedium durch die von der Innenfläche der Plattenelemente 24 und 25 übertragene
Wärme erwärmt, sodass
es wieder verdampft, wodurch sich dieser Erwärmungszyklus wiederholt.
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Der
Kühlflächenteil 31 dient
auch als Konsole zum Montieren des Wärmerohrs 26 am Hauptkörper und
ist durch eine isolierte Schraubenmutter 33 mit dem Seitenkörper 32 verbunden.
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Unter
Bezug auf die 5 und 6 wird nun
das Verfahren des Reibrührschweißens zum
Zusammenfügen
der Plattenelemente beschrieben. Zusammengefügte Materialien brauchen nicht
nur Metall sein, sondern es kann sich dabei auch um Kunststoff und
dergleichen handeln. Das Beispiel in der folgenden Beschreibung
ist Metall. 5 zeigt ein Ausführungsbeispiel,
bei dem zwei Metallplatten übereinandergelegt
und zusammengefügt
worden sind, nachdem eine von ihnen mit einem Vertiefungsteil versehen
worden ist, der als Durchflusskanal für ein Arbeitsmedium dient und
durch maschinelles Bearbeiten gebildet worden ist. 6 zeigt
ein Ausführungsbeispiel
einer Stoßverbindung
von zwei Metallplatten, nachdem eine von ihnen mit einem Vertiefungsteil
versehen worden ist, der als Durchflusskanal für ein Arbeitsmedium dient und
durch maschinelles Bearbeiten, Biegen oder dergleichen gebildet worden
ist.
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Zunächst wird
anhand von 5 ein grundlegendes Verbindungsverfahren
durch Reibrührschweißen beschrieben.
Ein Verbindungsgerät
zum Ausführen
des Reibrührschweißens weist
auf: Eine Betätigungsvorrichtung
zum Bewegen eines Werkzeugs 41 mit einer Sonde 42 und
einer Schulter 43 in die Richtung einer Schweißlinie (Richtung
des Pfeils B in 5) und zum gleichzeitigem Drehen
des Werkzeugs 41 (Richtung des Pfeils A in 5),
sowie eine Klemmvorrichtung (nicht gezeigt) zum Zusammenklemmen
der zwei Metallplatten 44 und 45 in der Weise,
dass die Metallplatten nicht bewegt oder voneinander abgetrennt
werden, wenn die Sonde 42 in eine Position eingeführt wird,
in der die Metallplatten 44 und 45 aufeinander
liegen.
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Während das
Werkzeug 41 mit der Sonde 42 und der Schulter 43 gedreht
wird, wird ein Ende der Sonde 42 in die aufeinander liegenden
Platten 44 und 45 von der oberen Fläche der
Metallplatte 44 aus eingeführt wird. Während die Sonde 42 in
die Metallplatten 44 und 45 eingeführt wird,
entsteht Reibungswärme
aufgrund des gleitenden Kontaktes jeweils zwischen der Sonde 42,
der Schulter 43 und den Metallplatten 44 und 45 untereinander.
Bedingt durch diese Reibungswärme
weist ein Teil der Metallplatten 44 und 45 nahe
der eingeführten
Sonde 42 eine Temperatur auf, die einen Schmelzpunkt von
ungefähr
80 Grad erreicht, wodurch der Teil erweicht wird.
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Außerdem wird
durch die Drehung der Sonde 42 das erweichte Metall umgerührt. Während die Sonde 42 sich
dreht, wird sie zusammen mit dem Werkzeug 41 entlang der
Schweißlinie
(Richtung des Pfeils B in 5) bewegt.
Diese Bewegung führt
zu einem Flüssigkeitsdruckeffekt,
und das umgerührte Metall
wird veranlasst, rückwärts in Bezug
auf die Bewegungsrichtung der Sonde 42 zu fließen, sodass
es eine durch den Durchgang der Sonde 42 gebildete Vertiefung
auffüllt.
Das fließende
Metall verliert dann die Reibungswärme und wird wieder fest. Die
Schulter 43, die bei gleichzeitigem Kontakt mit der Oberfläche der
Metallplatte sich dreht und sich bewegt, hat die Aufgabe zu verhindern,
dass das erweichte Metallmaterial sich ablöst, und Reibungswärme zu erzeugen
und zu erhalten.
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Im
Ausführungsbeispiel
gemäß 5 hat die
Metallplatte 45 einen Vertiefungsteil, der als Durchflusskanal
für ein
Arbeitsmedium dient, der zuvor durch maschinelles Bearbeiten gebildet
wurde. Die zwei Metallplatten 44 und 45 werden
aufeinandergelegt und zusammengefügt.
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Im
Ausführungsbeispiel
gemäß 6 hat die
Metallplatte 55 einen Vertiefungsteil, der als Durchflusskanal
für ein
Arbeitsmedium dient, der zuvor durch maschinelles Bearbeiten, Biegen
oder dergleichen gebildet wurde. Die zwei Metallplatten 44 und 45 werden
nicht aufeinandergelegt, sondern durch eine Stoßverbindung zusammengefügt.
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In 6 weist
ein Verbindungsgerät
zum Ausführen
des Reibrührschweißens auf:
Eine Betätigungsvorrichtung
zum Bewegen eines Werkzeugs 51 mit einer Sonde 52 und
einer Schulter 53 in die Richtung einer Schweißlinie (Richtung
des Pfeils D in 6) und zum gleichzeitigem Drehen
des Werkzeugs 51 (Richtung des Pfeils C in 6),
sowie eine Klemmvorrichtung (nicht gezeigt) zum Zusammenklemmen
der zwei Metallplatten 54 und 55 in der Weise,
dass die Metallplatten nicht bewegt oder voneinander abgetrennt
werden, wenn die Sonde 52 in eine Position eingeführt wird,
in der die Metallplatten 54 und 55 aneinander
stoßen.
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Während das
Werkzeug 51 mit der Sonde 52 und der Schulter 53 gedreht
wird, wird ein Ende der Sonde 52 in die Nahtfläche der
aneinanderstoßenden
Metallplatten 54 und 55 eingeführt. Während die Sonde 52 in
die Metallplatten 54 und 55 eingeführt wird,
entsteht Reibungswärme
aufgrund des gleitenden Kontaktes jeweils zwischen der Sonde 52,
der Schulter 53 und den Metallplatten 54 und 55.
Bedingt durch diese Reibungswärme
weist ein Teil der Metallplatten 54 und 55 nahe
der eingeführten
Sonde 52 eine Temperatur auf, die einen Schmelzpunkt von
ungefähr
80 Grad erreicht, wodurch der Teil erweicht wird.
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Außerdem wird
durch das Drehen der Sonde 52 das erweichte Metall umgerührt. Während die Sonde 52 sich
dreht, wird sie zusammen mit dem Werkzeug 51 entlang der
Schweißlinie
(Richtung des Pfeils D in 6) bewegt.
Diese Bewegung führt
zu einem Flüssigkeitsdruckeffekt,
und das umgerührte Metall
wird veranlasst, rückwärts in Bezug
auf die Bewegungsrichtung der Sonde 52 zu fließen, sodass
es eine durch den Durchgang der Sonde 52 gebildete Vertiefung
auffüllt.
Das fließende
Metall verliert dann die Reibungswärme und wird wieder fest. Die
Schulter 53, die bei gleichzeitigem Kontakt mit der Oberfläche der
Metallplatte sich dreht und sich bewegt, hat die Aufgabe zu verhindern,
dass das erweichte Metallmaterial sich ablöst, und Reibungswärme zu erzeugen
und zu erhalten.
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Wie
oben beschrieben, hat beim Verbindungsverfahren durch Reibrührschweißen Metall
in der Nähe
einer eingeführten
Sonde eine Temperatur, die einen Schmelzpunkt von ungefähr 80 Grad
erreicht. Allerdings ist der Bereich, in dem die Temperatur erhöht ist, äußerst beschränkt, während die Temperatur
im anderen Bereich kaum erhöht
ist. Da die Temperatur der ganzen Metallplatten, die zusammengefügt werden
sollen, viel weniger stark erhöht wird
als die Temperatur bei anderen Verbindungsverfahren wie etwa Schweißen oder
Hartlöten,
ist es möglich,
elektronische Komponenten und Isolierschichten auf Metallplatten
zu montieren, bevor die Metallplatten durch Reibrührschweißen zusammengefügt werden,
was ein flexibles Verfahren zur Leiterplattenfertigung erlaubt,
das bei den konventionellen Verfahren schwer zu verwirklichen war.
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Als
nächstes
wurden eine Temperaturverteilung in einer Leiterplatte mit einem
Wärmerohr
gemäß der vorliegenden
Erfindung und eine Temperaturverteilung in einer Leiterkarte mit
montierten elektronischen Komponenten, die mit einem Wärmerohr nach
der konventionellen Ausführung
verbunden war, simuliert; die Ergebnisse werden in den 7 und 8 gezeigt.
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7 zeigt
Simulationsergebnisse einer Temperaturverteilung in einer Leiterplatte
mit einem Wärmerohr
gemäß der vorliegenden
Erfindung. 8 zeigt Simulationsergebnisse
einer Temperaturverteilung in einer konventionellen Leiterplatte,
die mit einem Wärmerohr
in Kontakt gebracht wird.
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Wie
die Simulationsergebnisse zeigen, ist die Temperaturverteilung in
der Leiterplatte mit einem Wärmerohr
gemäß der vorliegenden
Erfindung gleichmäßiger als
diejenige bei der konventionellen Ausführung, und kein besonderer
Teil mit einer höheren
Temperatur ist in der Temperaturverteilung gemäß der vorliegenden Erfindung
zu erkennen. Deshalb ist trotz der wachsenden Notwendigkeit, die Leistung
der Kühlung
von elektronischen Komponenten zu erhöhen, während die elektronischen Komponenten
in der Zukunft immer weiter miniaturisiert und immer höher entwickelt
werden, die vorliegende Erfindung geeignet, einer solchen wachsenden
Notwendigkeit gerecht zu werden.
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Wie
oben beschrieben, können
mit der vorliegenden Erfindung folgende Effekte erzielt werden:
Gegenüber dem
konventionellen Kühlverfahren,
bei dem ein Wärmerohr
mit einer Leiterplatte in Kontakt gebracht wird, ist eine Leiterplatte
mit einem Wärmerohr
gemäß der vorliegenden
Erfindung in der Lage, die Kühlleistung
zum Reduzieren der durch elektronische Komponenten erzeugten Wärme kräftig zu
erhöhen.
Deshalb bietet die vorliegende Erfindung die Möglichkeit, sich für eine zu
erwartende, ständig
zunehmende Erhöhung
der Wärme
durch elektronische Komponenten aufgrund der Miniaturisierung oder Höherentwicklung
der elektronischen Komponenten in der Zukunft zu wappnen.
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Außerdem wurde
eine konventionelles Wärmerohr
zum Kühlen
einer Leiterplatte dadurch, dass es mit der Leiterplatte in Kontakt
gebracht wurde, gewöhnlich
durch Schweißen
oder Hartlöten gefertigt. Dementsprechend
traten Verzug oder Unebenheiten auf, die eine Erhöhung der
Haftfestigkeit zwischen der Leiterplatte und dem Wärmerohr
erschwerten, was verhinderte, dass von einer elektronischen Komponente
erzeugte Wärme
effizient zum Wärmerohr übertragen
wurde. Da andererseits ein Wärmerohr, das
eine Leiterplatte aufweist, durch Reibrührschweißen gefertigt wird, lässt sich
gemäß der vorliegenden Erfindung
ein Wärmerohr
mit einer weniger verzogenen und unebenen Oberfläche als nach der konventionellen
Bauweise verwirklichen. Deshalb weist das Wärmerohr gemäß der vorliegenden Erfindung
eine hohe Haftfestigkeit mit montierten elektronischen Komponenten
und Isolierschicht auf, wodurch das Wärmerohr eine hohe Kühlleistung
erreichen kann.
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Außerdem ist
beim Verfahren zum Fertigen des Wärmerohrs durch Reibrührschweißen gemäß der vorliegenden
Erfindung und anders als beim konventionellen Verfahren durch Schweißen oder
Hartlöten
das Wärmerohr
beim Zusammenfügen
keiner großen
Wärme ausgesetzt.
Dementsprechend ist das Zusammenfügen möglich, nachdem elektronische
Komponenten und Isolierschichten am Wärmerohr montiert worden sind,
was dem Wärmerohrfertigungsverfahren
eine Flexibilität
verleiht, die sich in der konventionellen Bauweise nicht bot.
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Hinzu
kommt, dass beim Wärmerohrfertigungsverfahren
durch Reibrührschweißen gemäß der vorliegenden
Erfindung es nicht zum Spratzen von Gas oder Schweißgas kommt,
wie es beim Schweißen
und Hartlöten
beobachtet wurde, und der Energieaufwand gemäß der vorliegenden Erfindung geringer
als beim Schweißen
und Hartlöten
ist. Dementsprechend ist das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung
für ein
Umfeld geeignet, in dem mit elektronischen Komponenten umgegangen
wird, wodurch sich ein unnötiger
Aufwand an Zeit, Arbeit und Kosten für das Einrichten des Umfeldes
erübrigt.
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Mehr
noch, das Wärmerohrfertigungsverfahren
durch Reibrührschweißen gemäß der vorliegenden
Erfindung ergibt eine Verbindungsstabilität, die höher ist als bei einem Fertigungsverfahren
durch Druckkleben, und ist für
die Anwendung in einem Umfeld geeignet, wo dumpfe Schläge, Stöße und Schwingungen
auftreten.
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Deshalb
löst die
vorliegende Erfindung die konventionellen Probleme und kann zum
Herstellen einer Leiterplatte mit einem Wärmerohr zum effizienten Kühlen von
Wärme,
die von elektronischen Komponenten erzeugt wird, genutzt werden.