DE202004004016U1

DE202004004016U1 - Wärmerohr zur Kühlung von elektronischen Bauelementen in Personalcomputern

Info

Publication number: DE202004004016U1
Application number: DE202004004016U
Authority: DE
Original assignee: LG Thermo Technologies GmbH
Current assignee: Asetek AS
Priority date: 2004-03-08
Filing date: 2004-03-08
Publication date: 2004-05-13
Anticipated expiration: 2014-03-09

Abstract

Wärmerohr zur Kühlung von elektronischen Bauelementen in Personalcomputern mit einem Verdampfer und einem Kondensator sowie einer diese verbindenden Kältemitteldampfleitung, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdampfer aus einem an das zu kühlende Bauelement angepassten Verdampferunterteil (2) und einem halbkugelförmigen Verdampferoberteil (3) besteht und dass für den Kältemitteldampf eine Kältemitteldampfleitung (4) vorgesehen ist, der das Verdampferoberteil (3) mit dem Kondensator (5) verbindet und dass zusätzlich für das Kondensat eine Kondensatrückführung (7) vorgesehen ist.

Description

Unter einem Wärmerohr bzw. einer Heatpipe ist eine Vorrichtung zum Wärmetransport zu verstehen, welche im Wesentlichen aus einem Bereich, der als Verdampfer arbeitet, und einem Bereich, der als Kondensator arbeitet, besteht. Der Verdampfer und der Kondensator sind über eine Kältemitteldampfleitung miteinander verbunden.
Das Wärmerohr stellt ein in sich geschlossenes System dar und beinhaltet ein Kältemittel, welches je nach Anwendungsfall und damit zusammenhängendem Verdampfungs- bzw. Kondensationstemperaturniveau gewählt wird. Diese beiden Bereiche sind durch einen Strömungskanal bzw. ein Rohr, die Kältemitteldampfleitung, miteinander verbunden. In der Regel sind der Verdampfer und der Kondensator übereinander angeordnet. Der Kältemitteldampf steigt vom Verdampfer in den Kondensator auf, wird dort kondensiert und das Kondensat fließt unter dem Einfluss der Schwerkraft zurück in den Verdampfer, wo der Kreislauf von neuem beginnt.
Derartige Bauelemente dienen dem Wärmetransport zum Zwecke der Kühlung und werden in Personalcomputern und Notebooks nach dem Stand der Technik bereits eingesetzt, um die entstehende Abwärme der elektronischen Bauelemente in Computern abzutransportieren und diese vor Überhitzung zu schützen und damit die Funktionsfähigkeit der Gesamtsysteme zu gewährleisten.
Im Stand der Technik sind Heatpipes bzw. Wärmerohre für Notebooks bekannt. Im engeren Sinne wird zwischen Heatpipes, die eine Kondensatrückführung aus dem Kondensationsbereich in den Verdampfungsbereich mittels Kapillarkräften realisieren, und Wärmerohren, die eine Kondensatrückführung aus dem Kondensationsbereich in den Verdampfungsbereich mittels Schwerkraft realisieren, unterschieden.
In der US 6,549,408 B2 wird eine CPU-Kühlvorrichtung offenbart, welche das Thermosyphonprinzip nutzt. Hierbei wird ein Wärmerohr benutzt, wobei der Verdampfer bzw. der Kühler unmittelbar auf der CPU angeordnet ist und oberhalb der Kondensator für den Kältemitteldampf angeordnet ist.
Die Konstruktion dieses Kühlsystems ist bestimmungsgemäß nur funktionsfähig, wenn der Computer unter den üblichen Einsatzbedingungen senkrecht betrieben wird. Bei Personalcomputern in Tower- oder Desktopbauweise besteht häufiger das Problem, dass derartige Computer sowohl senkrecht als auch waagerecht stehend – je nach Platzverhältnissen am jeweiligen Arbeitsplatz – betrieben werden. Daraus ergibt sich das Problem, dass ein Heatpipe nach dem Stand der Technik nicht in einem Computer in Desktop- oder Towerbauweise ohne Einschränkungen eingesetzt werden kann.
Bei diesem System ist ein Betrieb in verschiedenen Lagen des Computers bzw. Computergehäuses nicht realisierbar, da das Wärmerohrprinzip auf einem Schwerkraftrücklauf des Kältemittelkondensats in den Verdampfer beruht.
Den bekannten Systemen nach dem Stand der Technik haftet weiterhin der Nachteil an, dass die Druckfestigkeit für den Einsatz von Kältemitteln mit höheren Arbeitsdrücken nicht ausreichend gewährleistet ist. Sowohl aus der US 6,288,895 als auch aus der US 6,549,408 gehen Verdampferkonstruktionen hervor, welche mit parallel zueinander beabstandetem Unter- und Oberteil ausgebildet sind.
Werden einsatzzweckbedingt Kältemittel für höhere Betriebsdrücke benötigt, so kommt es bei derartigen Bauelementen zu Wölbungen der parallel beabstandeten Platten und zum Verziehen des Systems mit daraus resultierenden Undichtigkeiten des Systems und Schwierigkeiten bei der Passgenauigkeit der Komponenten bei der Montage der Computersysteme.
Ein weiteres Problem nach dem Stand der Technik stellt die strömungstechnische Realisierung des Kältemitteltransports und Kondensatrücklaufs innerhalb des Systems Wärmerohr dar.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es nunmehr, die Druckfestigkeit des Systems durch konstruktiv einfache und der Massenproduktion zugängliche Lösungen zu erhöhen. Ebenso wird die strömungstechnische Optimierung des Wärmerohres in Hinblick auf einen reibungsfreien Kreislaufbetrieb des Kältemittels angestrebt.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Wärmerohr mit einem Verdampfer und Kondensator gelöst, wobei der Verdampfer aus einem an das zu kühlende Bauelemente angepassten Verdampferunterteil und einem halbkugelförmigen Verdampferoberteil besteht. Für den Kältemitteldampf ist eine Kältemitteldampfleitung vorgesehen, welche das Verdampferoberteil mit dem Kondensator verbindet. Zusätzlich zur Kältemitteldampfleitung ist eine Kondensatrückführung vorgesehen, welche das Kondensat aus dem Kondensator in den Verdampfer auf einem separaten vom Kältemitteldampf getrennten Weg zurückführt.
Nach einer Ausgestaltung der Erfindung sind die Strömungsquerschnitte von Kältemitteldampfleitung und Kondensatrückführung in einem Verhältnis von 3:1 bis 10:1 und besonders vorteilhaft mit einem Verhältnis von 6:1 – bezogen auf die Querschnittsfläche – ausgebildet.
Besonders vorteilhaft wird die Erfindung ausgeführt, indem die Kältemitteldampfleitung für den Kältemitteldampfaustritt aus dem Verdampferoberteil am höchstgelegenen Punkt des halbkugelförmigen Verdampferoberteils angeordnet ist, wohingegen die Kondensatrückführung am tiefstgelegenen Punkt des halbkugelförmigen Verdampfers in diesen mündet.
Die Kondensatrückführung ist dabei vorzugsweise eine Kapillare.
Besonders bevorzugt bildet das Verdampferunterteil eine Verdampferebene, welche plan auf der CPU oder dem zu kühlenden elektronischen Bauelement aufliegt. Die Kältemitteldampfleitung ist mit Bezug auf die Verdampferebene zu dieser mit einem Neigungswinkel α von 20 bis 80° ausgerichtet.
Die halbkugelförmige Ausbildung des Verdampferoberteils gewährleistet die maximale Druckfestigkeit des Verdampfers und physikalisch bedingt auch die höchste Formstabilität. Damit werden Kältemittel in dem Wärmerohr einsetzbar, welche durch ihr höheres Druckniveau in einer anderen Bauweise nicht einsetzbar wären. Beispielsweise ist mit einem erfindungsgemäß ausgebildeten Wärmerohr der Einsatz von R 134a und HFC 245fa als Kältemittel möglich.
Auch mit Unterdruck, wie beispielsweise beim Einsatz von Wasser (R 718) als Kältemittel, ist die erfindungsgemäße Konstruktion vorteilhaft und betriebssicher einsetzbar.
Besonders vorteilhaft wird die Erfindung ausgebildet, wenn der Neigungswinkel α mit einem Betrag von 73° zur Verdampferebene ausgerichtet ist.
Die nicht orthogonale Ausrichtung der Kältemitteldampfleitung zur Verdampferebene ermöglicht den Betrieb der Computersysteme in mindestens zwei Lagen. Wird zusätzlich in einer dritten Ebene abgewinkelt, ist der Kühlbetrieb in einer dritten Lage möglich.
Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung mündet die Kältemitteldampfleitung mit ihrem oberen Ende in einen Kältemittelverteiler, welcher den Kältemitteldampf auf mehrere Strömungspfade durch den Kondensator verteilt und auf diese Weise eine höchst effiziente Kühlung und Kondensierung des Kältemitteldampfes erreicht wird.
Weiterhin vorteilhaft ist es, im Verdampferinnenraum Oberflächenvergrößerungen anzuordnen, wobei die Erfindung in besonderer Art und Weise realisiert wird, wenn die Oberflächenvergrößerungen auf dem Verdampferunterteil ausgebildet sind und beispielsweise die Oberfächenvergrößerungen als Mikrostrukturen in Form von sich kreuzenden V- oder trapezförmigen Mikrokanälen ausgeführt werden.
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen mit Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen. Es zeigen:
1: Wärmerohr in der Seitenansicht,
2: Wärmerohr in der Vorderansicht,
3: Personalcomputer mit schematisch angedeutetem Wärmerohr als Towersystem stehend,
4: Wärmerohr mit Towersystem in liegender Anordnung,
5a: Querschnitt Oberflächenstruktur Verdampfer und
5b: Draufsicht Oberflächenstruktur Verdampfer.
In 1 ist ein erfindungsgemäßes Wärmerohr dargestellt, welches aus einem Verdampferunterteil 2 und einem Verdampferoberteil 3 sowie einem Kondensator 5 und einer den Kondensator 5 und das Verdampferoberteil 3 verbindenden Kältemitteldampfleitung 4 aufgebaut ist. Der Kondensator 5 weist zur Oberflächenvergrößerung Lamellen 6 auf.
Weiterhin ist eine Kondensatrückführung 7 in 2 dargestellt, wobei gleichfalls aus 2 das Kältemitteldampfverteilsystem hervorgeht, bei welchem die Kältemitteldampfleitung 4 zum Kältemitteldampfverteiler 8 führt, der den im Verdampfer entstehenden Kältemitteldampf in verschiedene Strömungspfade aufteilt. Auf diesen wird der Kältemitteldampf dann durch den Kondensator geführt, wo das Kältemittel kondensiert, sich schließlich am unteren Ende der Strömungspfade sammelt und von dort über die Kondensatrückführung 7 zum Verdampfer 3 zurückgeführt wird.
Aus 1 geht weiterhin hervor, dass die Kältemitteldampfleitung 4 in der Seitenansicht mit einem Neigungswinkel α zur Verdampferebene 9 geneigt ist. Der Neigungswinkel α beträgt dabei bevorzugt zwischen 20° und 80°, wobei ein Neigungswinkel α von 73° sich als besonders vorteilhaft bei der Realisierung der Erfindung erwiesen hat.
In 3 ist ein erfindungsgemäßes Wärmerohr schematisch im Einsatz in einem Personalcomputer in Towerbauweise dargestellt. Der Tower steht dabei senkrecht und die Verdampferebene 9 ist parallel zur Prozessorebene gleichfalls senkrecht angeordnet. Durch den Neigungswinkel α der Kältemitteldampfleitung 4 läuft das kondensierende Kältemittel durch das Schwerkraftprinzip in den Verdampfer 3 zurück.
Lediglich die Verdampferoberfläche des Verdampferunterteils 2 zur Kältemittelverdampfung, welche sich optimiert in der Verdampferebene 9 befindet, wäre eingeschränkt und mit geringerem Wirkungsgrad aktiv.
Bei entsprechender Dimensionierung des Wärmerohres stellt dies aber keine Einschränkung der Funktionsfähigkeit des Systems dar.
Wird nun ein Personalcomputer in Towerbauart auf die Seite in die Desktopstellung gelegt, so ergibt sich durch die Kippachse des Gerätes, welche parallel zur Kippachse des Kondensators verläuft, dass wiederum der Kondensator oberhalb des Verdampfers angeordnet ist und das Kondensat sich wiederum mithilfe der Schwerkraft vom Kondensator in den in optimaler Stellung befindlichen Verdampfer 3 bewegen wird.
Analog zu den Darstellungen aus 3 und 4 lassen sich Computer in Desktopbauweise sowohl in waagerechter als auch in senkrechter Stellung betreiben, wenn das Wärmerohr in analoger Ausgestaltung eingesetzt wird.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist, wie in 1 angedeutet, eine Oberflächenvergrößerung 10 am Verdampferunterteil 2 vorgesehen.
In 5a ist ein Verdampferunterteil 2 mit Mikrokanälen 11 im Querschnitt dargestellt. Die Mikrokanäle 11 weisen einen V-förmigen oder trapezförmigen Querschnitt auf und sind ca. 0,5 mm tief. Am Grund weisen die Mikrokanäle 11 eine Breite von 0,2 bis 0,3 mm und am oberen Rand von ca. 0,7 mm auf.
Eine Draufsicht auf die entstehende pyramidenstumpfförmige Oberflächenstruktur wird in 5b gezeigt.
Nach einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung gestattet die Oberflächenstruktur den Flüssigkeitstransport entgegen der Schwerkraft über eine geringe Höhe.
Als allgemeine Vorteile des erfindungsgemäßen Kühlsystems sind der effiziente Wärmeeintrag in den Verdampfer, die hervorragende Durchhitzung der Lamellen 6 des Kondensators 5 und der Rücktransport des Kondensates mittels der Schwerkraft in den Verdampfer zu nennen.
Erfindungsgemäß liegt der Verdampfer in den beschriebenen Lagen des Systems unterhalb des Kondensators, und ein schwerkraftgetriebener Rückfluss des Kondensats in den Verdampfer wird dadurch gesichert.
Erfindungsgemäß von Vorteil ist, dass durch die konstruktive Ausbildung des Verdampferoberteils als halbkugelförmige Konstruktion ein druckstabiler Dampfraum erreicht wird. Der Dampfaustritt wird aus strömungstechnischen Optimierungen heraus am höchstgelegenen Punkt des Verdampfers über nur eine Dampfleitung erreicht, wohingegen der Kondensatrückfluss über eine oder mehrere Kapillaren an der tiefsten Stelle des Verdampfers erfolgt.
Besonders bevorzugt werden Kondensatoren mit mehreren Rohren verwendet, wobei ein Kältemitteldampfverteiler 8 gemäß 4 im oberen Bereich des Kondensators 5 zur Verteilung des Kältemitteldampfes auf die verschiedenen Rohre bzw. Strömungspfade vorgesehen ist. Das Kondensat aus den Kondensatorrohren wird über eine Kapillare in besonders vorteilhafter Weise zum Dampfraum in den Verdampfer zurückgeführt, wodurch eine gegenläufige Strömung von Kondensat in der Kältemitteldampfleitung weitgehend oder vollständig unterbunden wird.

1: CPU
2: Verdampferunterteil
3: Verdampferoberteil
4: Kältemitteldampfleitung
5: Kondensator
6: Lamellen
7: Kondensatrückführung
8: Kältemitteldampfverteiler
9: Verdampferebene
10: Oberflächenvergrößerungen
11: Mikrokanäle
α: Neigungswinkel

Claims

Wärmerohr zur Kühlung von elektronischen Bauelementen in Personalcomputern mit einem Verdampfer und einem Kondensator sowie einer diese verbindenden Kältemitteldampfleitung, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdampfer aus einem an das zu kühlende Bauelement angepassten Verdampferunterteil (2) und einem halbkugelförmigen Verdampferoberteil (3) besteht und dass für den Kältemitteldampf eine Kältemitteldampfleitung (4) vorgesehen ist, der das Verdampferoberteil (3) mit dem Kondensator (5) verbindet und dass zusätzlich für das Kondensat eine Kondensatrückführung (7) vorgesehen ist.
Wärmerohr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsquerschnitte von Kältemitteldampfleitung (4) und Kondensatrückführung (7) in einem Verhältnis von 3:1 bis 10:1 stehen.
Wärmerohr nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kältemitteldampfleitung (4) für den Kältemitteldampfaustritt aus dem Verdampferoberteil (3) am höchstgelegenen Punkt des halbkugelförmigen Verdampfers angeordnet ist.
Wärmerohr nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kondensatrückführung (7) am tiefstgelegenen Punkt des halbkugelförmigen Verdampfers angeordnet ist.
Wärmerohr nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Kondensatrückführung (7) aus einer Kapillare ausgebildet ist.
Wärmerohr nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Verdampferunterteil (2) eine Verdampferebene (9) bildet und dass die Kältemitteldampfleitung (4) mit einem Neigungswinkel α von 20° bis 80° zur Verdampferebene (9) ausgerichtet ist.
Wärmerohr nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Kältemitteldampfleitung (4) mit einem Neigungswinkel α von 73° zur Verdampferebene (9) ausgerichtet ist.
Wärmerohr nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Kältemitteldampfleitung (4) mit ihrem oberen Ende in einen Kältemitteldampfverteiler (8) mündet und dieser den Kältemitteldampf auf mehrere Strömungspfade durch den Kondensator (5) verteilt.
Wärmerohr nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass am Verdampferunterteil (2) im Verdampferinnenraum Oberflächenvergrößerungen (10) angeordnet sind.
Wärmerohr nach Anpspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenvergrößerungen (10) als Mikrokanäle (11) mit V-förmigem oder trapezförmigem Querschnitt ausgeführt sind.