DE7307618U - Heat pipe cooler - Google Patents

Description

Die Neuerung betrifft einen Kühler in Form eines Wärmerohres (heatpipe) mit Kühlflächen am Umfang des Rohrkorpers, insbesondere zur Kühlung von Halbleiterelementen.The innovation relates to a cooler in the form of a heat pipe with cooling surfaces on the circumference of the tubular body, in particular for cooling semiconductor elements.

Die Strombelastung eines lialbleiterelementes ist abhängig von seiner abführbaren Verlustleistung. Diese ist direkt proportional der Differenz seiner Kristallgrenztemperatür zur Temperatur des Kühlmittels und umgekehrt proportional dem thermischen Widerstand. Die Temperaturdifferenz ergibt sich aus der Elementart und deren Einsatzbedingungen und ist bei den weiteren Überlegungen als fester Wert zu betrachten. Der thermische Widerstand stellt sich als Summe der Widerstände von Zelle, Übergang zwischen ihr und dem Kühlkörper und letzteren selbst dar.The current load of a conductor element depends on its dissipatable power loss. This is directly proportional to the difference between its crystal limit temperature and Temperature of the coolant and inversely proportional to the thermal resistance. The temperature difference results from the element type and its conditions of use and is to be regarded as a fixed value in further considerations. Of the Thermal resistance is the sum of the resistances of the cell, the transition between it and the heat sink and the latter itself.

Die thermischen Widerstände von Zelle und Übergang sind bei richtiger Ausführung als ein Minimum zu betrachten. Eine Leistungssteigerung ist damit nur über die Ausführung des Kühlkörpers möglich.The thermal resistances of the cell and the junction are to be regarded as a minimum when properly executed. One This means that an increase in performance is only possible through the design of the heat sink.

Es bieten sich nun bei Luftkühlkörpern zur Verringerung des Wärmewiderstandes folgende Maßnahmen an:There are now air heat sinks to reduce the Thermal resistance take the following measures:

1. Es wird die Wärmeleitfähigkeit erhöht; dadurch werden aber die Grenzen durch die anwendbaren Materialien schnell erreicht.1. The thermal conductivity is increased; however, this sets the limits of the materials that can be used reached quickly.

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Pal 4 (868. 2000/EA)Pal 4 (868.2000 / EA)

2. Es wird der Leitungsquerschnitt vergrößert; dies hat ein starkes Anwachsen des Gewichtes, sowie des Volumens zur Folge.2. The line cross-section is increased; this has a strong increase in weight and volume result.

3. Es wird die Leitungslänge reduziert; diese Maßnahme steht allerdings wieder im Widerspruch zu dem Wunsch, die wärmeabgebende Fläche zu vergrößern.3. The line length is reduced; however, this measure again contradicts the wish to enlarge the heat-emitting surface.

Es zeigt sich also, daß eine Verkleinerung des Wärmewiderstandes ein überproportionales Wachsen von Gewicht und Volumen zur Folge hat und wobei kostenmäßig ab einer' gewissen Leistung ein nicht mehr vertretbarer Wert erreicht wird.So it turns out that a decrease in the thermal resistance leads to a disproportionate increase in weight and Volume has a consequence and where, in terms of costs, from a 'certain performance onwards, it reaches a value that is no longer justifiable will.

Es bleibt also noch die Vergrößerung des Wärmeübergangswertes zwischen dem Kühler und der Luft. Dies kann mit den sogenannten Wärmerohrkühlern erreicht werden. Diese haben den Vorteil, daß der Widerstandsanteil der Wärmeleitung stark reduziert werden kann. Bei diesen bereits bekannten Wärmerohrkühlern tritt der Widerstandsanteil praktisch nur noch in der Zone des Wärmeeintritts auf, da anschließend Wasserdampf die Energie fast verlustlos zu einer Vielzahl parallel geschalteter Kühlrippen transportiert. Durch diese Eigenschaft kommt man relativ leicht zu großen, wärmeabgebenden Flächen; jedoch liegt auch hier ein Optimum in Bezug auf Volumen und Gewicht vor. Eine weitere Verringerung des Wärmewiderstandes ist dann nur noch über den Wärmeübergangswert möglich. Die Energiebilanz sieht aber dann ungünstig aus, wenn dies mit Hilfe der Strömungsgeschwindigkeit verwirklicht wird. Die Lüfterleistung steigt mit ihr etwa in der dritten Potenz.So there is still the increase in the heat transfer value between the cooler and the air. This can be achieved with the so-called heat pipe coolers. These have the advantage that the resistance component of the heat conduction can be greatly reduced. With these already known heat pipe coolers, the resistance component occurs practically only in the zone of heat entry, as water vapor then transports the energy to a large number of cooling fins connected in parallel with almost no loss. This property makes it relatively easy to get large, heat-emitting surfaces; however also lies here an optimum in terms of volume and weight. A further reduction in thermal resistance is then only possible via the heat transfer value. The energy balance looks unfavorable if this is done with the help the flow velocity is realized. The fan performance increases with it roughly in the third power.

Aufgabe der Neuerung ist es demnach, in Verbindung mit der eingangs erwähnten Erkenntnis den WiderstandswertThe task of the innovation is therefore to determine the resistance value in connection with the knowledge mentioned at the beginning

bei unveränderten oder sogar geringeren Abmessungen zu reduzieren, wobei ein günstigerer Wärmeübergangswert erreicht werden soll.to reduce with unchanged or even smaller dimensions, with a more favorable heat transfer value should be achieved.

Dies wird neuerungsgemäß dadurch erreicht, daß die Kühlflächen mit Abrißkanten zur Verwirbelung der Strömung versehen sind. Er hat sich nämlich gezeigt, daß der Wärmeübergangswert unter anderem abhängig ist vom Zustand der Grenzschicht. Bei laminarer Strömung muß eine luft-Grenzschicht gewisser Dicke durch Wärmeleitung überbrückt werden, bevor die Wärme durch das strömende Medium abgeführt werden kann. Mit zunehmender Strömungsgeschwindigkeit treten in steigendem Maße partielle Ablösungen von Grenzschichten auf, so daß der Wärmeübergangswert steigt. Da nun höhere Strömungsgeschwindigkeiten durch den Anstieg der Lüfter-Ijitung nicht praktikabel sind, war die Suche nach neuen Möglichkeiten erforderlich. Dies wurde durch die Anordnung von Abrißkanten erreicht. Durch diese Gestaltung der Oberfläche wird der Einsatz der Turbulenz weit nach unten zu kleineren Strömungsgeschwindigkeiten verschoben. Diese Maßnahme hat zwar einen größeren Druckabfall zur Folge, aber mit diesem steigt die Lüfterleistung nur etwa proportional.According to the invention, this is achieved in that the cooling surfaces are provided with tear-off edges for swirling the flow. It has been shown that the heat transfer value depends, among other things, on the state of the boundary layer. In the case of laminar flow, an air boundary layer of a certain thickness must be bridged by conduction before the heat can be dissipated by the flowing medium. With increasing flow velocity, partial detachment of boundary layers occurs to an increasing extent, so that the heat transfer value increases. Since higher flow rates are now impractical due to the increase in fan ventilation, the search for new possibilities was necessary. This was achieved by arranging tear-off edges. This design of the surface shifts the use of turbulence far down to lower flow velocities. This measure results in a greater pressure drop, but with this the fan output only increases roughly proportionally.

In weiterer Ausgestaltung der Neuerung sind die Abrißkanten scharfkantig ausgeführt. Die Abrißkanten können durch Durchzüge gebildet werden. Um eine noch größere Turbulenz zu erreichen, sind die Abrißkanten hinterzogen. Um entsprechende Abrißkanten technisch realisieren zu können, bieten sich besonders die verschiedenartigen Bleche mit hoher Wärmeleitfähigkeit an. Diese Bleche können durch Stanz- und Druckvorgänge verformt bzw. bearbeitet werden, wodurch die Herstellungskosten relativ gering bleiben.In a further embodiment of the innovation, the tear-off edges are sharp-edged. The tear-off edges can be formed by passages. In order to achieve even greater turbulence, the tear-off edges are reared. In order to be able to technically realize corresponding tear-off edges, the various types are particularly useful Sheets with high thermal conductivity. These sheets can be deformed or processed by punching and printing processes , whereby the manufacturing costs remain relatively low.

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Ein Ausführungsbeispiel der Neuerung wird im folgenden anhand der Zeichnungen näher erläutert.An embodiment of the innovation is shown below explained in more detail with reference to the drawings.

Es zeigt:It shows:

Fig. 1 eine Ansicirt des Wärmerohrkühlers mit angedeutetem Halbleiterelement,1 shows a view of the heat pipe cooler with an indicated semiconductor element,

Fig. 2, eine Ansicht gemäß der Richtung II in Fig. 1 undFig. 2, a view according to the direction II in Fig. 1 and

Fig. 3 reinen Schnitt gemäß der Linie III-III in Fig. 2, wobei nur ein Durchzug im Schnitt dargestellt ist.Fig. 3 is a pure section along the line III-III in Fig. 2, only one passage is shown in section.

Auf ein Wärmerohr 1, auf dessen Boden ein Halbleiterelement aufgebracht und mit diesem verbunden ist, sind Kühlflächen stoffschlüssig aufgebracht. Diese Kühlflächen 3 sind mit Durchzügen 4, die gleichmäßig über den ganzen Umfang verteilt sind,versehen. Mit den Durchzügen 4 werden die Abrißkanten 5 gebildet. Die Form der einzelnen Teile, also Wärmerohr, sowie Kühlflächen kann ganz beliebig je nach Art der Anwendung sein. Dies trifft z.B. besonders für Halbleiter sehe ibetizellen zu, wo der Kühler aus zwei Hälften zusammengesetzt ist.On a heat pipe 1, on the bottom of which a semiconductor element is applied and connected to this, cooling surfaces are applied cohesively. These cooling surfaces 3 are with Drawings 4, which are evenly distributed over the entire circumference, provided. With the passages 4, the tear-off edges 5 formed. The shape of the individual parts, i.e. heat pipe, as well as cooling surfaces can be completely arbitrary depending on Type of application. This is especially true for semiconductors, for example, see ibetizellen, where the cooler consists of two halves is composed.

Die Luft strömt nun in Pfeilrichtung 6 durch den Kühler, wird hinter den «.brißkanten 5 turbulent und erhöht so partiell den Wärmeübergangswert. Wenn nun mehrere Abrißkanten hintereinander angeordnet werden, kann die ganze Kühlfläche im turbulenten Strömungsbereich liegen.The air now flows in the direction of arrow 6 through the cooler, becomes turbulent behind the breaking edges 5 and thus increases partially the heat transfer value. If several tear-off edges are arranged one behind the other, the whole Cooling surface lie in the turbulent flow area.

Wie nun aus der Fig. 2 ersichtlich ist, liegen nicht alle Abrißkanten auf den Kühlflächen optimal. Dies ist dadurch bedingt, daß sie so angeordnet werden müssen, daß der wärmeleitende Querschnitt nicht geschmälert wird. TrotzAs can now be seen from FIG. 2, not all tear-off edges are optimally positioned on the cooling surfaces. This is because of it requires that they must be arranged in such a way that the thermally conductive cross section is not narrowed. Despite

PM 4 F 1 (172.115OO/KE)PM 4 F 1 (172.115OO / KE)

dieses Kompromisses erzielt man mit vorliegender Ausführung, bezogen auf eine bestimmte Luftgeschwindigkeit, noch immer einen Wärmeübergangswert, der mehr als doppelt so hoch liegt, als bei glatten Kühlflächen. Yersuche haben gezeigt, daß bei glatten Kühlflächen mit einem Wert von etwa 40 Watt pro Quadratmeter und Grad Celsius gerechnet werden kann, während bei der Verwendung der erfindungsgemäßen Kühlflächen Werte von bis zu 120 Watt pro Quadratmeter und Grad Celsius erreicht werden.this compromise is still achieved with the present design, based on a certain air speed a heat transfer value that is more than twice as high as with smooth cooling surfaces. Searches have shown that smooth cooling surfaces with a value of about 40 watts per square meter and degree Celsius can be expected while values when using the cooling surfaces according to the invention of up to 120 watts per square meter and degree Celsius can be achieved.

P«I4F I (172 11500/KE)P «I4F I (172 11500 / KE)

Claims (4)

AnsprücheExpectations 1. Kühler in Form eines Wärmerohres ( heatpipe ) mit Kühlflächen am Umfang des Rohrkörpers, insbesondere zur Kühlung von Halbleiterelementen, dadurch gekennzeichnet« daß die Kühlflächen. (3) mit Abrißkanten (5) zur Verwirbelung der Strömung versehen sind.1. Cooler in the form of a heat pipe with cooling surfaces on the circumference of the tubular body, in particular for cooling semiconductor elements, characterized in that «the cooling surfaces. (3) are provided with tear-off edges (5) to swirl the flow. 2. Kühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß , -"die Abrißkanten (5) scharfkantig ausgeführt sind.2. Cooler according to claim 1, characterized in that - "the tear-off edges (5) are designed with sharp edges. 3. Kühler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Abrißkanten (5) durch Durchzüge (4) gebildet sind.3. Cooler according to claim 2, characterized in that the tear-off edges (5) are formed by passages (4). 4. Kühler nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Abrißkanten (5) hinterzogen sind.4. Cooler according to claim 2 or 3, characterized in that the tear-off edges (5) are behind. PaMF 1 (670.10O00/KE>PaMF 1 (670.10O00 / KE>