DE2231597C3 - Kühleinrichtung für wärmeerzeugende Schaltelemente - Google Patents

Description

Die Erfindung geht aus von einer bekannten Kühleinrichtung für wärmeerzeugende elektronische Bauelemente (FR-PS 14 06 481), bei welcher ein wärmeerzeugender Halbleiter-Bauelement in einem Behälter angeordnet ist, der eine dielektrische Siedeflüssigkeit enthält. Das Bauelement ist befestigt an einer Vorderwand des Behälters, der eine Rückwand aufweist, die bezüglich der Vorderwand in einem schiefen Winkel angeordnet ist, wodurch sich der Querschnitt des Behälters nach oben zunehmend erweitert. Abhängig von der am Bauelement erzeugten und abzuführenden Wärme ergeben sich in der Siedeflüssigkeit Dampfbläschen, die an den über der Siedeflüssigkeit befindlichen Teilen der Behälterwand kondensieren. Für eine bessere Wärmeübertragung zwischen dem Halbleiter-Bauelement und der Siedeflüssigkeit ist die Innenfläche der Vorderwand des Behähers mit Kühlrippen verbunden. Für die Abstrahlung der Wärme vom Behälter in dessen Umgebungsbereich ist die Außenfläche einer Behälterwand ebenfalls mit Kühlrippen verbunden.

Die bekannte Konstruktionsart des Kühlbehälters ermöglicht einen beschleunigten Wärmeaustausch durch die in der Siedeflüssigkeit aufsteigenden Dampfflächen dadurch, daß sich der Behälter-Innenraum nach oben erweitert. Die erforderliche Kondensationsfläche wird dadurch vergrößert. Es besteht jedoch der Nachteil, daß die für den Kühlzweck bestimmten Konstruktionselemente eine maximale Raumausnützung der Gesaintanordnung nicht zulassen.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Kühleinrichtung für wärmeerzeugende Schaltelemente so auszubilden, daß zwischen den wärmeerzeugenden Schaltelementen und dem Umgebungsbereieh der Kühleinrichtung bei bestmöglicher Raumausnützung maximale Werte der Wärmeübertragung erzielt werden.

Die genannte Aufgabe wird bei einer Kühleinrichtung für wärmeerzeugende Schaltelemente gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 durch die in dessen Kennzeichen angeführten Merkmale gelöst

Die angeführten Merkmale ermöglichen im Innenraum des Behälters eine erhebliche Vergrößerung der Kondensationsflächen, von welchen die Wärme durch die bestmögliche Ausnutzung konstruktiver Ausgestaltung der Kühlrippen in den Umgebungsbereich der Kühleinrichtung übertragbar ist.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand von Abbildungen näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 eine Teilschnitt-Ansicht einer in isometrischer Darstellung abgebildeten Kühleinrichtung,

F i g. 2 eine schematische Ansicht, die zeigt, wie die Behälter mit den Schalttafeln und den von der Siedeflüssigkeit umgebenen Moduls senkrecht übereinander in einem Kanal angeordnet sind, der von Kühlluft durchströmt wird, und

F i g. 3 eine Teilschnitt-Ansicht einer in isometrischer Darstellung abgebildeten Kühleinrichtung, bei der die Schalttafel mit den Moduls in horizontaler Richtung angeordnet ist.

Nach Fig. 1 ist eine Anzahl von Moduls 12, welche die wärmeerzeugenden und zu kühlenden elektrischen Bauelemente, z. B. Transistoren enthalten, mit Abstand übereinanderliegend auf einer Seite einer Schalttafel 10 befestigt. Die Module 12 sind auf ihrer einen Seite mit Anschlußstiften 16 versehen, die die Schalttafel 10 durchdringen und aus ihr an der zugänglichen Seite herausragen. Auf dieser Schaltseite sind die herausragenden Anschlußstifte 16 durch Steckverbindungen oder andere Verdrahtungsarten, z. B. lösbare Würgeverbindungen miteinander, oder mit den Anschlußlei-

tungen oder den Signalleitungen verbindbar. Die Module 12 sind spaltenweise, übereinanderliegend, vorzugsweise in Form eines Rasters auf der Schalttafel 10 befestigt. Die Schalttafel 10 ist (Fig. 1) an ihren Randbereichen flüssigkeitsdicht mit einem Behälter 18 verbunden; dabei dient sie als Teil der Vorderwand des Behälters 18, so daß sich ein geschlossener Hohlkörper ergibt, in dessen Hohlraum die Module 12 einragen. Die Schalttafel 10 bzw. die Anordnung der vertikalen mit Abstand übereinanderliegenden Module 12 hat eine geringere Höhe als die innere Gesamthöhe des Hohlraums im Behälter 18. Die Fläche der offenen Vorderwand zwischen dem oberen Endbereich der Schalttafel 10 und der Oberseite des Behälters 18 wird durch eine Abdeckplatte 20 luftdicht verschlossen.

Der Hohlraum des Behälters 18 ist nur teilweise und nur bis zu einer bestimmten Höhe mit einer dielektrischen Siedeflüssigkeit 24, die eine niedrige Siedetemperatur aufweist, gefüllt. Zum Beispiel sind Kohlenstoff-Fluoride verwendbar. Der Oberflächenspiegel der Siedeflüssigkeit liegt über den oberen Moduln 12 und diese Moduln 12 sind mit Sicherheit von dieser Siedeflüssigkeit 24 umgeben. Der Rest des oberen Hohlraumes des Behälters 18, welcher über dem

Oberflächenspiegel der Siedeflüssigkeit 24 liegt, bildet den Dampfraum 22. Die dielektrische Siedeflüssigkeit 24 steht in direktem Kontakt mit der Oberfläche der Moduln 12. Ist die Oberfläche der Moduln 12 zu Wein, um den erforderlichen Wärmeabfluß zur Siedeflüssigkeit 24 zu erhalten und um die gewünschte Kühlung zu erreichen, so muß man die Oberflächen dieser kritischen Moduln 12 durch zusätzlich angeordnete Kühlfahnen vergrößern.

Beim Behälter 18 hat dessen Rückwand 26, welche der Schalttafel 10 gegenüber liegt, einen schrägen Verlauf. Dadurch ergibt sich im Behälter 18 ein Hohlraum, der sich zur Oberseite hin keilförmig erweitert und der an der Unterseite eine relativ kleine Grundfläche aufweist Von der schrägen Rückwand 26 aus ragt eine Anzahl von Kühlrippen 28 in den Hohlraum des Behälters 18. Diese inneren Kühlrippen 28 sind keilförmig und sie stehen von der schrägen Rückwand 26 bis zur Schalttafel 10 vor; sie sind im Abstand zueinander parallel angeordnet und verlaufen im rechten Winkel zur Oberfläche der Schalttafel 10. Desgleichen verlaufen sie auch senkrecht im Hohlraum des Behälters 18. Aus dieser Anordnung und der keilförmigen Gestalt des Hohlraumes und der inneren Kühlrippen 28 ergibt sich, daß die Oberfläche der inneren Kühlrippen 28 im Dampfraum 22 größer ist als die von der Siedeflüssigkeit 24 benetzte Gesamtfläche der inneren Kühlrippen 28. Zu der Kühlfläche der Kühlrippen 28 ist auch die Fläche der schrägen Rückwand 26 des Behälters 18 zu rechnen, welche zwischen den parallelen inneren Kühlrippen 28 Hegt. Die Größe der Oberflächen der inneren Kühlrippen 28 nimmt nach unten stark ab, infolge der schräg geneigten Rückwand 26 des Behälters 18.

Von der Außenseite der schrägen Rückwand 26 erstrecken sich ebenfalls äußere Kühlrippen 30 nach außen in den Umgebungsluftraum.

Die äußeren Kühlrippen 30 haben zueinander den gleichen Abstand wie die inneren Kühlrippen 28 und sie sind ebenfalls in vertikaler Richtung angeordnet. Zwischen den inneren Kühlrippen 28 und den äußeren Kühlrippen 30 besteht insofern ein Unterschied, daß im oberen Bereich des Behälters 18 die inneren Kühlrippen 28 breit sind und eine große Fläche aufweisen, die äußeren Kühlrippen 30 hingegen relativ schmal sind und demzufolge nur eine relativ kleine Kühlfläche haben. Infolge der schrägen Behälterrückwand 26 sind die äußeren Rippen 30 im Bereich der Oberseite des Behälters 18 schmal im Vergleich zu ihrer Rippenfläche an der Grundseite des Behälters 18. Die Änderung der Kühlrippen 28 und 30 in ihrer Breite bzw. ihrer Kühlfläche in Abhängigkeit von ihrer Höhe erfolgt in einen linearen Verhältnis, da die schräge Behälterrückwand 26 in einer geraden Linie verläuft. Die beiden Seitenwände 32, 34 des Behälters 18 sind auch mit äußeren Kühlrippen 36, 38 versehen, die ebenfalls parallel und senkrecht angeordnet sind, so daß sich kaminähnliche Kanäle auf der Außenseite des Behälters 18 ergeben, durch die Luft nach oben strömen kann. Die ebenfalls geschlossene Oberseite 40 des Behälters 18 ist mit einer verschließbaren ^¹''' ; 42 zum Einfüllen für die Siedeflüssigkeit 24 versehen.

Im Betrieb erzeugen die Moduln 12 Wärme, die an der Grenzfläche ohne großen Widerstand an die Siedeflüssigkeit 24 übertragen wird, da diese die Moduln 12 großflächig umgibt, wobei an der Grenzfläche zwischen Modulobertläche und Siedeflüssigkeit 24 kleine Dampfblasen entstehen, die zur Oberfläche der Siedeflüssigkeit 24 aufsteigen und in den darüberliegenden Dampfraum 22 gelangen. Der aus der Siedeflüssigkeit 24 austretende Dampf kondensiert im Dampfraum 22 an den kühleren, großflächigen inneren Kühlrippen 28. Die bei der Kondensation frei gewordene Wärme wird von den inneren Kühlrippen 28 durch die Rückwand 26 und die Seitenwände 32, 34 infolge Wärmeleitung an die luftgekühlten äußeren Kühlrippen 30, 36, 38 abgeleitet Die zur !Condensation dienende Oberfläche des Dampfraumes 22 ist durch die inneren Kühlrippen 28 und die Begrenzungswände des Behälters 18 relativ sehr groß, so daß für die Dampfkondensation eine große Kühlfläche zur Verfugung steht Einige der Dampfbläschen werden nicht in den Dampfraum 22 eintreten, da diese bereits unterhalb des Oberflächen-Spiegels der Siedeflüssigkeit 24 an den Flächen der in der Siedeflüssigkeit 24 befindlichen inneren Kühlrippen kondensieren. Dieser Teil der inneren Kühlrippen 28, der sich unterhalb des Oberflächenspiegels in der Siedeflüssigkeit 24 befindet, wirkt mit dieser zusammen als eine Kombination eines Unterkühler-Kondensators, dessen wirksame Kühlfläche sich infolge der keilförmigen Rippenfläche nach unten hin stetig verkleinert Somit ergibt sich, daß in dem unteren Teil des Behälters 18, wo noch wenig gekühlt werden muß, also bei den unteren Moduln 12, wo die abzuführende Wärmemenge noch nicht groß ist, die Kühlfläche noch relativ klein sein kann, und daß die Kühlfläche nach oben stetig ansteigt, weil sich durch die übereinander angeordneten Moduln 12 auch die abzuführende Wärmemenge erhöht. In dem oberen Bereich des kombinierten Unterkühler-Kondensators erhöht sich die Wärmeabfuhr noch zusätzlich durch die direkt in den Dampfraum 22 eintretenden Dampfbläschen. Die etwa keilförmige Querschnittsform des Hohlraumes im Flüssigkeitsbehälter 18 und der inneren Kühlrippen 28 wird durch die einfache schräg geneigte Gestalt der Behälterrückwand 2ö erzielt Diese von unten nach oben schräg nach außen geneigte Rückwand 26 erbringt den weiteren Vorteil, daß die zwischen den äußeren Kühlrippen 30 nach oben strömende Luft in gute Berührung mit der Rückwand 26 kommt, wobei sich die Wärmeabfuhr verbessert.

Die F i g. 2 zeigt in einer schematischen Seitenansicht mehrere die Moduln 12 tragende Schalttafeln 10, welche Wandseiten der Behälter 18 sind, die in einem Abstand übereinander angeordnet sind und einen Stapel bilden. Schematisch ist unter diesem Behälterstapel ein Gebläse 44 dargestellt, dessen nach oben gerichteter Luftstrom durch Pfeile angedeutet wird, die dessen Richtung angeben. Die Behälterrückwand 26 der einzelnen Behältern 18 ist gestrichelt als schräge Linie gezeichnet. Gemäß den Pfeilen der F i g. 2 wird die nach oben strömende Kühlluft durch die schräge Rückwand 26 des jeweiligen Behälters 18 nach außen abgelenkt, so daß sich eine Turbulenz in der Luftströmung ergibt. Somit wirkt die schräge Rückwand 26 auch als Luftturbulator: Da sich wie aus den F i g. 1 und 2 zu ersehen ist, die Rückwand 26 von unten nach oben gleichmäßig schräg nach außen neigt, bildet sich in dem Behälterstapel zwischen zwei benachbarten Behältern 18 eine Zone A, die einen hohen statischen Druck aufweist und eine Zone B mit niederem statischen Druck. Die aufwärts strömende Kühlluft fließt von der Zoite A mit hohem Druck zur Zone B mit niedrigem Druck und es ergibt sich somit eine Querströmung, die sich der Aufwärtsströmung überlagert und somit zu einer Turbulenz führt, welche die Kühlwirkung der äußeren Kühlrippen 30 verbessert Nach F i g. 2 sind die

Behälter 18 übereinander in einem kaminförmigen Kanal 46 untergebracht, welcher den wesentlichen Zweck hat, die Luftströmung vertikal nach oben zu lenken.

In der F i g. 3 ist ein anderes Ausführungsbeispiel der Kühleinrichtung dargestellt, bei dem die Schalttafel 10 horizontal angeordnet ist, und auf ihrer Oberseite die zu kühlenden Moduln 12 trägt. Die Schalttafel 10 ist in eine als Grundplatte dienende Verteilertafel 48 gesteckt und somit liegen die Schalttafel 10 und die darauf befestigten Moduln 12 in einer horizontalen Ebene. Über der Oberseite der Schalttafel 10 findet sich eine niedrige Schicht der Siedeflüssigkeit 24, deren Höhe so gewählt ist, daß sie die Moduln 12 vollständig überdeckt, d. h., daß die Moduln noch in die Siedeflüssigkeit 24 getaucht sind, um den bereits beschriebenen Siedeeffekt zu erzeugen. Über dem Oberflächenspiegel der Siedeflüssigkeit 24 befindet sich wieder ein Dampfraum 52, in dem sich ebenfalls in vertikaler Richtung innere Kühlrippen 50 erstrecken, die wenigstens bis zum Oberflächenspiegel der Siedeflüssigkeit 24 reichen und die zueinander im Abstand parallel verlaufen. Bei diesem Ausführungsbeispiel ergibt sich eine relativ größere Kühlfläche im Dampfraum 52 als bei dem erstgenannten Ausführungsbeispiel, so daß hier die Wärmeableitung aus der Siedeflüssigkeit 24 bzw. die Kühlung durch die Dampfblasenkondensation dominiert. Auch bei diesem zweiten Ausführungsbeispiel ist der Behälter 18 an seinen Oberflächenseiten mit äußeren Kühlrippen 54,55,56 versehen, die sich von den Wandseiten in den Umgebungsraum nach außen erstrecken. Die äußeren Kühlrippen 54, 55, 56 stehen senkrecht auf den Wandseiten, so daß sich zwischen diesen Rippen 54,55, 56 horizontale Kanäle bilden, die von der Kühlluft durchströmt werden.

Die Kühleinrichtung, welche sich selbst erhaltend ist und sich jeweils in ihrer Kühlleistung durch die Verwendung der Siedeflüssigkeit 24 an die erzeugte Wärmemenge anpaßt ist ein Hybrid-System, welches alle die gewünschten Merkmale enthält, die man an ein Flüssigkeiiskühlsystem stellt; und letztlich ist diese Kühleinrichtung dennoch ein Kühlluftsystem. Die Kühleinrichtung bzw. der Behälter 18 ist so gestaltet, daß er auch als Umgebungsschutz für die in ihm befindlichen Moduln 12 dient. Da der Hohlraum im Behälter 18 allseitig geschlossen und vollständig dicht ist, ergibt sich kein Verlust der im Hohlraum eingefüllten Siedeflüssigkeit 24 durch Verdampfung, es kann deshalb eine binäre Siedeflüssigkeit 24 Verwendung finden. Unter einer binären Flüssigkeit ist eine Mischung von zwei dielektrischen Flüssigkeiten zu

ίο verstehen, welche verschiedene Eigenschaften und auch unterschiedliche Siedepunkte aufweisen. Es kann somit in der Kühleinrichtung eine binäre Siedeflüssigkeit 24 verwendet werden, welche die besten Eigenschaften zur Wärmeableitung aufweist und deren Wärmeübertragungseigenschaften an die in den Moduln 12 erzeugte Wärmemenge so angepaßt ist, daß sich die beste und wirtschaftlichste Kühlung ergibt. Einer binären Siedeflüssigkeit 24 kann man auch die Eigenschaft geben, daß sie im Hohlraum des Behälters 18 einen möglichst geringen Dampfdruck erzeugt. Binäre Siedeflüssigkeiten 24 sind vorteilhaft nur in geschlossenen Hohlräumen verwendbar, wie beispielsweise bei dieser Kühleinrichtung. In nicht geschlossenen Systemen ergibt sich, daß flüssige Bestandteile dieser Flüssigkeit verdampfen und daß sie Luftpartikel aufnimmt, so daß durch diesen entstehenden Verlust und durch die Verunreinigungen sich die ursprüngliche Eigenschaft der Siedeflüssigkeit im Laufe der Zeit nachteilig ändert

Der geschlossene, den Hohlraum enthaltende Behälter 18 dieser Kühleinrichtung mit den inneren und äußeren Kühlrippen braucht keine großen Abmessungen aufzuweisen und er ist bereits durch die Anordnung der Rippen sehr stabil und ist außerdem noch handlich, so daß er bequem auf den vorgesehenen Platz in einer Schaltungsanordnung gesteckt werden kann. Der Behälter 18 in einer Ausführung nach F i g. 1, welche die geneigte Rückwand 26 enthält, ermöglicht eine Kühleinrichtung, die einen Behälter 18 minimaler Größe aufweist und die außerdem nur eine minimale Menge Siedeflüssigkeit 24 erfordert und die dennoch sehr wirksam ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Kühleinrichtung für wärmeerzeugende Schaltelemente, wie z.B. für an einer Trägerplatte befestigte Halbleiter-Moduls, die eine Vorderwand eines Behälters bildet, der eine bezüglich der Trägerplatte in einem schiefen Winkel angeordnete, den Querschnitt des Behälters nach oben zunehmend erweiternde Rückwand aufweist, und der eine dielektrische Siedeflüssigkeit enthält, die abhängig von der erzeugten und abgeführten Wärme aufsteigende Dampfbläschen bildet, die an den die Wärme abführenden Teilen der Behälterwand kondensieren, welche an den Innen- und Außenflächen mit Kühlrippen verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß

a) mit der Rückwand (26) des Behälters (18) senkrecht zu deren Innen- und Außenflächen angeordnete Kühlrippen (28, 30) verbunden sind, die sich im Behälter annähernd bis an die Trägerplatte (14) und außerhalb des Behälters bis zu einer Ebene erstrecken, die zur Trägerplatte parallel verläuft,

b) mit den Außenflächen der Seitenwände (32,34) senkrecht zu diesen angeordnete Kühlrippen (36, 38) verbunden sind, die sich bis zu Ebenen erstrecken, die zu den Seitenflächen parallel verlaufen,

c) die im Behälter (18) angeordnete Siedeflüssigkeit (24) die wärmeerzeugenden Schaltelemente (12) vollständig und die in den Behälter sich erstreckenden Kühlrippen (28) nur teilweise bedeckt.

2. Kühleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Anzahl von Behältern (18) übereinander in einem von Kühlluft durchströmten Kanal angeordnet sind.