SE522799C2 - Anordning för borttransport av värme från uppvärmda element samt ett förfarande för tillverkning av anordningen - Google Patents

Description

30 522 799 2 Hitintills har komponenter som skall avkylas oftast monterats i mekanisk termisk kontakt med en metallplatta som har invändiga vattenkanaler. Vatten i ett kontinu- erligt flöde har pumpats genom kylplattoma. Det absorberar värme från komponen- tema. Vattnet ledes sedan till en avkylningsstruktur, mestadels placerad utomhus.

Denna avkylningskonstruktion kan vara en konventionell fläktkylare. Det är också möjligt att ha kollektorrör monterade ned i och upp genom borrhål i berggrunden genom vilken vattnet pumpas.

En vanlig typ av känd kylplatta på marknaden är gjord av aluminium. För att skapa en hög avkylningskapacitet för halvledarelement som är skruvade på kylplattoma är vattenkanalerna försedda med frästa tappar som ger en vidgad yta i riktning mot det strömmande vattnet. Utrymmet mellan tapparna är litet, cirka 1 mm.

Ur värmesynpunkt är aluminium ett lämpligt material med en god värrnelednings- förmåga och termisk spridning. Aluminium har också en låg täthet som är en fördel emedan kylplattoma ofta är monterade på utbyggbara enheter, som bör frånskiljas från sändaren och bäras bort till en arbetsbänk av en enda person.

I EP O 903 971 Al är en kylplatta av metall på dess invändiga yta försedd med en serie selektivt anordnade kylflänsar. Plattan är tätad med ett lock som med hjälp av flera längsgående skärmar skapar ett antal invändiga ledningar, i vilka en kylvätska cirkulerar. Flänsarna är anordnade i "klungor" på plattans invändiga yta enbart vid ställen, där elektroniska komponenter, som skall avkylas, är monterade på den ut- vändiga ytan. Ingenting anges om vilken typ av metall som kylplattan är gjord av.

I EP 0 715 352 Al anvisas ett substrat som har en hög avkylningseffektivitet. Sub- stratet, som har en hög värmeavledande egenskap, har ett skikt med hög värmeled- ningsförmåga i vilket en flödesbana för ett avkylningsmedium är anordnat. Materi- alet i substratet är exempelvis poly-kristall Si. Skiktet med hög värmeledningsför- måga är exempelvis diamant. 10 15 20 25 522 799 PROBLEM MED KÄND TEKNIK Avkylningsegenskaperna hos de kända kylplattorna är inte tillräckligt god och be- höver förbättras.

Ett passivt oxidskikt formas normal på aluminiumytor. Detta skikt skyddar ytan mot korrosion men detta har icke fungerat for kanaler i kylplattor av aluminium under drift. Efter några månaders funktion har korrosion erhållits som täpper till kanaler- na, och komponenterna har därför inte på ett adekvat sätt kunnat avkylas och har därför blivit alltför varma. Användning av avjoniserat vatten, som har ett tillsatsme- del av en korrosionsskyddande substans, har inte varit tillräckligt for att undgå detta problem. Det skall noteras att det finns krav på en lång livslängd utan avbrott for kylplattan.

UPPFINNINGENS SYFTEN Ett syfte med uppfinningen är att tillhandahålla en anordning for att uppnå en effek- tiv avkylning av uppvärmda komponenter medelst vätska.

Ett annat syfte med uppfinningen är att tillhandahålla en anordning for avkylning av uppvärmda komponenter medelst en vätska, företrädesvis vatten, som strömmar i kanaler utan synlig korrosion på kanalemas insida, dvs. att anvisa en kylplatta med en lång livslängd.

Ytterligare ett annat syfte med uppfinningen är att anvisa en anordning for avkyl- ning av uppvärmda komponenter vid vilken aluminiumets utmärkta värmelednings- förmåga och låga täthetsegenskaper användas utan att ha nackdelen med korrosion i vattenkanalema. 10 15 20 25 30 522 799 4 Ett syfte med uppfinningen är att anvisa ett förfarande för tillverkning av en effektiv anordning for avkylning av uppvärmda komponenter medelst en vätska.

Ytterligare ett annat syfte med uppfinningen är att anvisa en anordning för att till- handahålla olika avkylning för olika komponenter.

UPPFINNINGEN Uppfinningen avser en anordning för borttransport av värme från uppvärmda ele- ment, innefattande ett block av ett material som har god värmeledningsförrnåga, på vilket elementen är anordnade i termisk kontakt, samt kanaler i blocket, genom vilka en vätska strömmar, gjorda av rör i nära kontakt med materialet, som har god vär- meledningsförmåga. Uppfinningen kännetecknas av att de rörformiga kanalema är gjorda i ett annat material än materialet i blocket, varvid materialet i de rörfonniga kanalerna är icke-korrosivt mot vätskan och att de rörformiga kanalema har tunna väggar och är gjorda av ett material som tillåts ha lägre värmeledningsförmåga än materialet i blocket. Rören är företrädesvis gjorda av stål, lämpligen syrafast rostfritt stål och även att materialet som har god värmeledningsförrnåga är aluminium. Rören av icke korrosivt material kan vara gjutna eller sintrade, pläterade, såsom elektro- pläterade, eller pulversammanpressade i materialet med god värmeledningsförrnåga.

Rören kan ha en utvidgad avkylningsyta för värmetransport genom vätskan. Den ut- vidgade avkylningsytan kan tillhandahållas genom att göra rören vågformiga. Rören kan innefatta kärnstavorgan i deras centrum samt medel för att transportera vätskan i spiral runt kärnstavorganet. Medlen för att transportera vätskan kan vara en tråd som är lindad i spiral runt kärnstavorganet, trådar på kärnstavorganet eller tillhandahållas genom att förse kämstaven med en månghömig sektion och vriden i spiral runt dess axel.

Kanalernas yta kan vara vågformad för att tillhandahålla ett virvelorgan för vätskan som strömmar utmed röret. Stigningen hos medlen för att transportera vätskan i spi- J; 10 15 20 25 522 799 5 ral och/eller stigningen hos kanalväggama kan variera i förhållande till det värme som skall avföras från komponentema som skall avkylas.

Uppfinningen avser också ett förfarande för att tillverka en anordning för borttrans- port av värme från uppvärmda element, innefattande ett block av ett material som har god värmeledningsförmåga på vilket elementen är anordnade i termisk kontakt, samt kanaler i blocket genom vilka en vätska strömmar. F örfarandet kännetecknas av att a) tillhandahålla ett vågforrnigt rör av ett korrosionsfritt material mot vätskan och som har tunna väggar; b) att placera ett kärnstavorgan, som har medel för att transportera vätskan i spiral, i rörets centrum; c) anordna rören i blocket i nära kontakt med materialet som har god värmeled- ningsförmåga.

Gjutning eller sintring eller pulverkompaktering av rören av korrosionsfritt material i materialet som har god värmeledningsfönnåga kan göras för att bringa dem i nära kontakt med detta. Som ett alternativ kan stegen a) och c) tillhandahållas genom att forma en halv kanal i en yta hos vart och ett av två aluminiumblock och anbringa ett överdrag i varje halv kanal, att därefter placera kämstavorganet i en av de halva ka- nalema; och sedan fast förbinda blocken varvid de halva kanalerna vänds mot var- andra. Överdraget kan genomföras genom att elektrokemiskt anbringa det med ett inert material, såsom guld eller silver.

KORT BESKRIVNING AV RITNINGARNA För en fullständigare förståelse av föreliggande uppfinning och för ytterligare syften och fördelar med densamma hänvisas nu till den följande beskrivningen av exempli- fierade utföranden av denna, såsom återges i de bifogade ritningama, där: 10 15 20 25 522 799 6 Fig. 1 visar ett första utförande av en vätskekanal, i två uppsättningar, i en anord- ning enligt uppfinningen, dvs. i en sidovy och delvis i snitt vid kanalens inlopp eller utlopp; Fig. 2 visar ett andra utförande av en kanal för vätska i ett block; Fig. 3 visar ett tredje utförande av en kanal för vätska i ett block; Fig. 4 visar ett förfarande för att anbringa kanalerna i ett block; Fig. 5 visar ett fjärde utförande av en kanal för vätska i ett block; Fig. 6 visar ett femte utförande av en kanal för vätska i ett block.

DETALJERAD BESKRIVNING AV FÖREDRAGNA UTFÖRANDEN I flg. 1 matar ett vattenförsörjningsrör l en vätska, t.ex. vatten, till flera parallella inloppskanaler, av vilka bara två, 3 och 4 visas. Den övre 3 i fig. l är en sidovy och den undre 4 visar dess yttre vägg i snitt och dess anslutning till röret 1 visas ävenle- des i snitt.

Varje yttre rördel 5 och 6 för inloppen 3 resp. 4, för anslutning till försörjningsröret 1, har en jämn konfiguration och är införd i en öppning i och tätad tätt mot denna.

En vågforrnad kanal 7 och 8 är ansluten till resp. rördel 5 och 6. En vågforrn ger en utvidgad yta hos kanalväggama i riktning mot vätskan.

Kanalerna 7 och 8 kan tillhandahållas i ett material 9 som har mycket goda värrnele- dande egenskaper. Detta material kan vara ett värmeavledande substrat och kanaler- na 7 och 8 kan vara gjutna eller fasta på något annat sätt, såsom sintrade eller pul- verkompakterade direkt i ett sådant material. Men för att få den vågfonnade ytan på kanalen kan kanalen lämpligen först tillhandahållas som ett rör som har en tunn våg- formig vägg som sedan gjuts in i substratet eller fästs på något annat sätt. Ett vä- sentligt särdrag är att vätskemolekylerna virvlar i en vågformig kanal inuti kylplat- tan. Rörets material bör vara icke korrosivt mot det strömmande vattnet som tvingas 10 15 20 25 30 522 799 7 genom detta. Men även andra sätt att tillhandahålla virvling än en vågforrnig kanal kan anordnas, såsom klackar på kanalväggarna och/eller kämstaven och/eller tråden.

Om emellertid aluminium väljs som materialet 9 kan, i enlighet med en aspekt på uppfinningen, de vågformade kanalerna vara rör av ett korrosionsfritt material, så- som stål, företrädesvis Syrafast rostfritt stål, exempelvis den rostfria legeringen 3 l6L. Stålrören 7, 8 måste då ha mycket tunna väggar emedan detta material är en dålig värmeledare i förhållande till aluminium. Stålrören är anordnade i en fast ter- misk kontakt med aluminiumet, företrädesvis gjutna men även sintrade eller pulver- kompakterade eller fasta på något annat sätt i ett aluminiumblock 9 emedan alumi- nium är en mycket god värrneledare.

Et annat sätt, visat i fig. 4, för att skapa en fast termisk kontakt med en vågformig kanal av icke korrosivt material kan vara att pressa, eller skära eller fräsa en halv kanal 32, 33 i två aluminiumblock 30 resp. 31 och skapa ett överdrag 34 resp. 35 med det icke korrosivt materialet i varje halv kanal. De halva kanalemas yta kan ex- empelvis vara elektrokemiskt fodrade med exempelvis guld, silver eller något annat inert material. De två aluminiumblocken med de halva kanalerna förbinds sedan fast vända mot varandra efter det att kärnstaven med dess lindade tråd har placerats i en av de halva kanalerna.

En kämstav 10 som har en mindre diameter än kanalen 7, 8 införes i centrumet för varje kanal 7, 8. En tråd 11 av rostfritt stål, exempelvis med samma legering som staven 10, lindas runt staven 10. Vid inloppet är staven 10 anordnad genom röret 1 och tätat fasthållen av rörväggen. Istället skulle dess ände kunna fasthållas av en skruvförbindning eller liknande anordnad genom rörets 1 vägg.

Den lindade tråden ll fyller ut utrymmet mellan kärnstaven 10 och kanalemas 7, 8 vågfonniga vägg. När kanalen är gjord av ett rostfritt rör att gjutas in i materialet 9 blir röret formstabilt i alla riktningar så snart det har försetts med kärnstaven 10 och 10 15 20 25 522 799 8 tråden 11. Detta formstabila rör gjuts sedan i aluminium for att forma kylplattan.

Kärnstaven och tråden kan göras av varje material som är formstabilt och icke kor- rosivt mot det strömmande vattnet. Emellertid är den bästa lösningen att röret och elementen består av samma material. Därför är det bästa materialvalet for kämsta- ven och tråden syrafast rostfritt stål.

Vattnet som pumpas genom var och en av kanalerna kommer att strömma i utrym- met mellan kanalväggen och kärnan i en roterande rörelse som skapar ett turbulent- flöde tvärs kanalväggarnas vågformer. En stor del av vattenmolekylema i vattnet kommer upprepat att komma i kontakt med kanalväggens insida för att absorbera värme från denna.

Utförandet i fig. 2 visar att tråden 15, lindad runt kärnstaven 16, kan ha en varieran- de stigning. Detta utförande representerar uppfinningens bästa utförandesätt.

Snittet i fig. 2 är vridet 90° i förhållande till snittet i fig. 1. Röret 17 är gjort av mycket tunt rostfritt stål och gjutet i ett block 18 av aluminium. En komponent 19 som skall avkylas är anordnad i god termisk kontakt med blocket 18. Inuti blocket, i närheten av komponenten 19, är trädens 15 stigning lägre än trädens stigning där det inte finns någon värmegenererande komponent i närheten.

Effekten av att minska den lindade trädens 15 stigning i dessa sektioner av kylplat- tan, som kan ha en intensiv värmeleverans från komponenter, är att det roterande vattnet mera effektivt kan tvingas att absorbera värme från det vågformiga rörets hela yta beroende på en ökad centrifugalkraft som tvingar vattnet i rörets vågformer att röra sig framåt i strömningsriktningen i röret.

Vid sektioner som har en lägre värniematning kan trädens stigning ha en sådan stig- ning att tråden bara fungerar som ett fixeringsorgan för kärnstaven inuti röret 17. 10 15 20 25 30 522 799 9 Detta särdrag ger lägsta möjliga tryckfall per längdenhet hos röret och man kan därigenom erhålla en optimal funktion av hela kylplattan.

Avsikten med att ha en kämstav 10 eller 16, tillsammans med tråden som är lindad omkring denna, har två syften. Ett syfte är således att hålla fast det vågforrniga röret 17 eller 7 i en formstabil position under den tid som det gjuts eller fästs på annat sätt i aluminiumet. Gjutning föredras för att säkerställa en god termisk kontakt mellan det tunna stålröret och det omgivande aluminiumblocket emedan en mycket god termisk kontakt erhålles genom det faktum att aluminium har en högre termisk ex- pansivitet än syrafast stål. När aluminiumbeskickningen kyls ned skapas ett starkt tryck i riktning mot rörets yta.

Ett annat syfte är att tillhandahålla ett turbulent flöde av det vatten som pumpas ge- nom det. Turbulensen förorsakar att vattenmolekylerna kommer i kontakt med rör- väggen. Emedan rörväggen är mycket tunn kommer det värme som överförs från en värmeproducerande komponent 19 (i fig. 2) genom aluminiumblocket att lätt över- föras tvärs den tunna stålväggen och omedelbart absorberas av molekylerna i det turbulent sig rörande vattnet. Om endast röret skulle vågformas och ha kämstaven skulle en del av vattnet strömma i centrumutrymmet mellan röret och kämstaven.

Delar av vattnet skulle då kunna bli stående i rörets vågformer. Detta ger en sämre effektivitet än att ha en tråd lindad runt kärnstaven vilket då ger en spiralformad bana för vattnet. Vågformerna tillhandahåller då det strömmande vattnets turbulens som gör denna kylplatta så ytterst effektiv.

Fig. 3 visar ett utförande där röret har olika vågformer utmed dess längd. I stället för, eller som ett komplement till en varierande stigning kan rörets 25 vågformer va- rieras. Vågfonnen kan bli närmare vid positioner nära den värmeproducerande komponenten 26 placerad på kylplattans 27 yta och jämnare vid positioner där det finns litet eller inget behov av värmetransport från exempelvis en tryckt krets. Om rönnaterialet är förlängbart kan rören anordnas i de anbringade slingoma före gjut- 10 15 20 522 799 10 ning. Rören kan sedan sträckas och sammanpressas på ett adekvat sätt. Därefter gjuts de i materialet som har goda värmetransporteringsegenskaper, såsom alumini- Um.

Det skall noteras att varierande stigningar eller varierande vågformer utmed vatten- banoma i en kylplatta används företrädesvis i fall där kylplattan och den tryckta kretsen eller liknande skall göras tillsammans i talrika serier. Då är det ekonomiskt att göra ansträngningen att anpassa värmetransporten till de kretsar som skall avky- las.

Fig. 5 visar att själva kärnstaven 41, anordnad i blocket 42, kan tillhandahålla rotation av vätskan genom att förses med en spiraltråd 43 eller liknande utmed dess längd. Trådama har en stigning som är anpassad till kanalens vågforrn 44.

Det är också möjligt, såsom återges i fig. 6, att ge en kärnstav 45 en månghömig sektion och skruvas utmed dess längd. Detta kommer att ge flera parallella kanaler inuti den vågformade kanalen med virvlande vätska.

Ehuru uppfinningen har beskrivits med avseende på exemplifierade utföranden så inses att modifieringar kan göras utan att frångå uppfinningens ram. Således skall uppfinningen inte betraktas såsom begränsad till de beskrivna utfórandena utan de- finieras enbart genom åtföljande patentkrav som är avsedda att innefatta alla ekvi- valenter.

Claims (17)

10 15 20 25 30 522 799 .u .nu ll PATENTKRAV

1. Anordning för borttransport av värme från uppvärmda element, innefattande ett block (9; 18; 27) av ett material som har god värmeledningstörrnåga på vilket elementen är anordnade i termisk kontakt, samt kanaler (7, 8; 17; 25) i blocket, genom vilka en vätska strömmar, gjorda av rör i nära kontakt med materialet, som har god värmeledningsfönnåga, kännetecknad av att materialet i de rörformiga kanalerna är gjorda i ett annat material än materialet i blocket, varvid materialet i de rörformiga kanalerna är icke-korrosiva mot vätskan; och de rörformiga kanalerna har tunna väggar och är gjorda av ett material, som tillåts ha lägre värmeledningsfönnåga än materialet i blocket.

2. Anordning enligt krav 1, kännetecknad av att de rörformiga kanalema är försedda med virvelorgan (7,8; 17; 25) för vätskan som strömmar utmed röret.

3. Anordning enligt krav 2, kännetecknad av att virvelorganen (7,8; 17; 25) i de rörformiga kanalema tillhandahåller en utvidgad avkylningsyta för värrnetransporten av vätskan.

4. Anordning enligt krav 3, kännetecknad av att den utvidgade avkylningsytan åstadkommes genom att göra röret vågfonnigt.

5. Anordning enligt något av föregående krav, kännetecknad av att rören är gjorda av stål, företrädesvis Syrafast rostfritt stål.

6. Anordning enligt något av föregående krav, kännetecknad av att materialet som har god termisk ledningsförrnåga är aluminium.

7. Anordning enligt något av föregående krav, kännetecknad av att rören (8; 17; 25) av icke röstande material är gjutna eller sintrade, pläterade, såsom 10 15 20 25 30 - | | : n nu i i i 12 elektropläterade, eller pulverkompakterade i materialet som har god tennisk ledningsförmåga.

8. Anordning enligt något av föregående krav, kännetecknad av att de rörfonniga kanalerna innefattar kärnstavorgan (10; 16; 28) i dess centrum samt medel (11; 15; 29) för att transportera vätskan i spiral runt kärnstavorganet.

9. Anordning enligt krav 8, kännetecknad av att medlet (11; 15) för att transportera vätskan är en tråd lindad i spiral runt kämstavorganet (10; 16).

10. Anordning enligt krav 7, kännetecknad av att medlet (11; 15) för att transportera vätskan är trådar på kärnstavorganet.

11. Anordning enligt krav 7, kännetecknad av att medlet (11; 15) för att transportera vätskan tillhandahålles genom att förse kärnstaven med en månghörnig sektion och vriden i spiral runt dess axel.

12. Anordning enligt något av kraven 7-10, kännetecknad av att stigningsgradienten hos medlets för transport av vätskan i spiral varieras i förhållande till det värme, som skall transporteras från komponenter, som skall avkylas.

13. Anordning enligt något av kraven 7-11, kännetecknad av att kanalväggarnas stigning varierar i förhållande till det värme, som skall transporteras från komponenter, som skall avkylas.

14. Förfarande för att tillverka en anordning för borttransport av värme från uppvärmda element, innefattande ett block (9; 18; 27) av ett material som har god termisk ledningsförmåga på vilket elementen är anordnade i termisk kontakt, samt kanaler (7, 8; 17; 5) i blocket genom vilka en vätska strömmar, kännetecknat av att 10 15 20 522 799 13 a) tillhandahålla ett vågforrnigt rör av ett icke korrosivt material mot vätskan och som har tunna väggar; b) placera ett kämstavorgan (10; 16; 28), som har medel (11; 15; 29) för att transportera vätskan i spiral, i rörets centrum; c) anordna rören i blocket i nära kontakt med material som har god vänneledningsfórrnåga.

15. Förfarande enligt krav 14, kännetecknat av att gjuta eller sintra eller pulverkompaktera rören (8; 17; 25) av icke korrosivt material i det material, som har god värmeledningsförrnåga, för att bringa dem i nära kontakt med detta.

16. Förfarande enligt krav 14, kännetecknat av att stegen a) och c) åstadkommes genom att forma en halv kanal (32, 33) i en yta hos vardera av två aluminiumblock (30, 31) och att anbringa ett överdrag (34, 35) i vaij e halv kanal, att därefter placera kämstavorganet i en av de halva kanalerna, och att sedan fast förena blocken med de halva kanalema vända mot varandra.

17. Förfarande enligt krav 16, kännetecknad av att elektrokemiskt anbringa överdraget genom ett inert material, såsom guld eller silver.