DE102011086786B3

DE102011086786B3 - Kühlgehäuse und Herstellungsverfahren

Info

Publication number: DE102011086786B3
Application number: DE102011086786A
Authority: DE
Inventors: Sven Hiller; Peter Geiger; Erwin Bayer; Thomas Hess
Original assignee: MTU Aero Engines GmbH
Current assignee: MTU Aero Engines AG
Priority date: 2011-11-22
Filing date: 2011-11-22
Publication date: 2013-03-28
Anticipated expiration: 2031-11-23

Abstract

Offenbart sind ein Kühlgehäuse zur Aufnahme einer Elektronik mit integral ausgebildeten Wärmerohren zur Kühlung von Elektronikbauteilen, die ein flüssiges Fluid enthalten, das unter Wärmeaufnahme verdampft und unter Wärmeabgabe kondensiert, sowie ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Kühlgehäuses.

Description

Die Erfindung betrifft ein Kühlgehäuse und ein Herstellungsverfahren für ein derartiges Kühlgehäuse.
Leistungsstarke Regel-, Steuereinheiten und/oder Rechnereinheiten haben zum Schutz vor einer Überhitzung eine gekühlte Elektronik. So wird beispielsweise regelmäßig die digitale elektronische Regel- und Steuerungseinheit (Digital Electronic Control Unit, DECU) zur Triebwerksregelung und Steuerung mittels Kraftstoff gekühlt. Die Kraftstoffkühlung erfordert jedoch Gehäuse anschlüsse, Kraftstoffleitungen und dergleichen. Ferner birgt die Kraftstoffkühlung stets eine Explosionsgefahr in sich. Zudem setzt die Kraftstoffkühlung stets genügend Kraftstoff voraus.
Aus der Druckschrift DE 10 2005 062 590 A1 ist ein Kühlgehäuse für eine elektronische Schaltungsanordnung bekannt, das zur Kühlung Wärmerohre, sogenannte Heatpipes, aufweist, die ein flüssiges Fluid enthalten, das unter Wärmeaufnahme verdampft und unter Wärmeabgabe kondensiert.
Die Druckschrift DE 31 23 602 A1 offenbart einen Kühlkörper für wärmeerzeugende, z. B. elektronische Bauteile mit zumindest einem Wärmerohr (Heatpipe). Letzteres kann integral mit dem Kühlkörper ausgeführt sein.
Aus der Druckschrift DE 103 17 705 A1 ist ein Kühlgehäuse für elektronische Steuergeräte bekannt, bei dem konventionelle Kühlkanäle z. B. durch Spritzgießen in einen Bodenabschnitt des Gehäuses integriert sind.
Die Druckschrift EP 1 768 478 A2 beschreibt elektronische Baueinheiten, welche mit Heatpipes gekühlt werden. Die Heatpipes geben ihre Wärme an luftgekühlte Kühlstrukturen mit Kühlrippen ab.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Kühlgehäuse zur Aufnahme einer Elektronik zu schaffen, das bei vertretbarem, konstruktivem Aufwand eine sichere, verlässliche Kühlung von Elektronikbauteilen ermöglicht. Des Weiteren ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur einfachen Herstellung eines derartigen Kühlgehäuses zu schaffen.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Kühlgehäuse mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und durch ein Herstellungsverfahren mit den Merkmalen des Patentspruchs 11.
Ein erfindungsgemäßes Kühlgehäuse zur Aufnahme von elektronischen Bauteilen weist integral mit diesem gebildete Wärmerohre auf, die ein flüssiges Fluid enthalten, das unter Wärmeaufnahme verdampft und unter Wärmeabgabe kondensiert. Dabei sind die Wärmerohre bei der Herstellung des Kühlgehäuses mittels eines generativen Herstellungsverfahrens mit gebildet und haben jeweils eine fluidundurchlässige Außenwandung und eine fluiddurchlässige Innenwandung, die einen Dampfkanal begrenzt.
Jedes Wärmerohr bildet ein für sich geschlossenes System und benötigt nach einer Erstbefüllung keine Fluidverbindung zur Außenumgebung. Die Wärmerohre kühlen die Elektronikbauteile bei Wärmentwicklung selbstständig und verhindern so eine Überhitzung derselben. Insbesondere ermöglicht die Erfindung die Kühlung von Elektronikbauteilen ohne die Verwendung von Kraftstoff, so dass Gehäuseanschlüsse und Kraftstoffleitungen zur Kraftstoffversorgung entfallen. Zudem besteht aufgrund des Kraftstoffwegfalls keine Explosionsgefahr mehr. Die integrale generative Ausbildung der Wärmerohre mit dem Kühlgehäuse ermöglicht eine optimale Gestaltung bzw. Anpassung der Wärmerohre an die zu kühlenden Elektronikbauteile wird somit einen optimalen Wärmeübergang von den Elektronikbauteilen auf die Wärmerohre. Zudem ist das erfindungsgemäße Kühlgehäuse durch die integrale Ausbildung und den Wegfall der Gehäuseanschlüsse und Kraftstoffleitungen gewichtsoptimiert.
Erfindungsgemäß haben die Wärmerohre jeweils eine fluidundurchlässige Außenwandung und eine fluiddurchlässige Innenwandung, die einen Dampfkanal begrenzt. Die fluidundurchlässige Außenwandung verhindert den Austritt des in den Wärmerohren angeordneten Fluids. Die fluiddurchlässige Innenwandung erhöht zum einen den Wärmeübergang radial von außen nach innen. Zum anderen wirkt sie als Kondensatkanal und gewährleistet somit den Rückfluss des kondensierten Fluids.
Zur Vergrößerung einer Wärmeabgabefläche außerhalb des Kühlgehäuses kann jeweils ein Abschnitt der Außenwandung von einem in eine Außenumgebung weisenden Rücksprung einer Gehäusewandung gebildet sein.
Die Wärmeabgabefläche lässt sich weiter vergrößern, wenn die Wärmerohre mit einer außenliegenden Kühlstruktur in thermischer Verbindung stehen.
Bevorzugterweise ist die Kühlstruktur an den Rücksprüngen und somit stirnseitig und umfangsseitig an Abschnitten der Wärmerohre angeordnet.
Zur Ermöglichung einer Kühlung unabhängig von einer Einbaulage des Kühlgehäuses ist es vorteilhaft, wenn stets zumindest ein Abschnitt der Kühlstruktur oberhalb der Wärmerohre angeordnet ist.
Ergänzend beziehungsweise alternativ können die Wärmerohre mit jeweils einer Kapillarstruktur zur Zurückführung des Kondensats ausgebildet sein. Die Kapillarstruktur ermöglicht die Rückführung des Kondensats ohne Wirkung der Schwerkraft.
Bei einem Ausfürungsbeispiel sind benachbarte Wärmerohre voneinander beabstandet. Hierdurch wird ein Wärmerohrfeld gebildet, wodurch nicht nur den Elektronikbauteilen, sondern auch der sich zwischen den Wärmerohren befindenden Luft Wärme entzogen wird. Beispielhafte Wärmerohre für ein derartiges Wärmerohrfeld sind lanzenförmig, zylinderförmig und dergleichen.
Bei einem anderen Ausführungsbeispiel sind zumindest einige Wärmerohre in einem Wärmerohrverbund zusammengefasst. Hierdurch wird zum einen Material eingespart, da benachbarte Wärmerohre mit einer gemeinsamen Außenwandung ausgebildet werden können. Die zwischen den benachbarten Wärmerohren angeordneten Außenwände dienen als Zwischenwände. Zum anderen kann der Wärmeübergang von den Elektronikplatten auf den Wärmerohrverbund gegenüber den voneinander beabstandeten und ein Wärmerohrfeld bildenden Wärmerohren verbessert werden, da der Wärmerohrverbund großflächig in thermischen Kontakt mit den Elektronikbauteilen bringbar ist und sich über die gesamten Außenfläche der Elektronikbauteil erstrecken kann.
Zur optimalen geometrischen Anpassung der Wärmerohre an die zu kühlenden Elektronikbauteile können zumindest einige Wärmerohre variierende Querschnittsflächen aufweisen.
Aus Montagesicht ist es vorteilhaft, wenn die Wärmerohre unabhängig von ihrer Gestalt eine einheitliche Einfüllöffnung aufweisen. Die einheitliche Einfüllöffnung erlaubt die Verwendung eines standardisierten Verschlusselementes und somit neben einer vereinfachten Montage eine reduzierte Teilevielfalt.
Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung eines Kühlgehäuses zur Aufnahme von elektronischen Bauteilen mittels eines generativen Herstellungsverfahrens werden die Wärmerohre integral mit dem Kühlgehäuse während dessen Herstellung gebildet. Das Verfahren ermöglicht eine beliebige geometrische Gestalt und somit eine optimale Anpassung der Wärmerohre an die zu kühlenden Elektronikbauteile, so dass eine hohe Kühlwirkung erzielbar ist. Zudem können die Wärmerohre durch die integrale Herstellung derart ausgebildet werden, dass sie zur Stabilität des Kühlgehäuses beitragen, so dass dieses strukturell optimiert werden kann.
Erfindungsgemäß wird das Kühlgehäuse mit den Wärmerohren generativ, beispielsweise mittels einem selektiven Laserschmelzverfahren oder Lasersinterverfahren hergestellt.
Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand schematischer Darstellungen näher erläutert. Es zeigen
1 eine perspektivische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels eines geöffneten erfindungsgemäßen Kühlgehäuses,
2 einen Querschnitt durch das Kühlgehäuse aus 1,
3 eine perspektivische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Kühlgehäuses im geöffneten Zustand, und
4 einen Längsschnitt durch das Kühlgehäuse aus 3.
In den Figuren tragen gleiche konstruktive Elemente gleiche Bezugsziffern, wobei bei mehreren gleichen konstruktiven Elementen in einer Figur aus Gründen der Übersichtlichkeit lediglich ein Element mit dem Bezugszeichen versehen ist.
1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kühlgehäuses 1 im geöffneten Zustand. Das Kühlgehäuse 1 bildet bspw. ein Elektronikgehäuse einer digitalen elektronischen Regel- und Steuerungseinheit (DECU) oder einer digitalen Steuer- und Überwachungseinheit (DECMU) eines Flugzeugtriebwerks. Das Kühlgehäuse 1 hat einen Hohlkörper 2 und ein den Hohlkörper 2 verschließenden Deckel 4. Der Deckel 4 ist in diesem Ausführungsbeispiel als eine Stirnwandung des Kühlgehäuses 1 ausgebildet. Der Hohlkörper 2 begrenzt einen Innenraum 6 zur Aufnahme einer Elektronik der Regel- und Steuerungseinheit. Im verschlossenen Zustand bildet das Kühlgehäuse 1 eine elektromagnetische Abschirmung (EMV) und schützt somit die Elektronik vor entsprechender elektromagnetischer Strahlung. Die Elektronik besteht aus einer Vielzahl von Elektronikbauteilen, von denen der Übersichtlichkeit halber lediglich zwei Leiterplatten 8a, 8b gezeigt sind. Zur Daten- und Energieversorgung der Elektronik ist bspw. im Bereich einer Seitenwandung 10 des Hohlkörpers 2 eine Vielzahl von elektrischen bzw. signaltechnischen Anschlüssen 12 vorgesehen.
Zur Kühlung der Elektronik und insbesondere zur gezielten Kühlung einzelner Elektronikbauteile wie den Leiterplatten 8a, 8b ist in dem Innenraum 6 ein Wärmerohrfeld 14 angeordnet. Das Wärmerohrfeld 14 besteht aus einer Vielzahl von Wärmerohren 16a, 16b, die in parallelen Reihen nebeneinander angeordnet und jeweils seitlich voneinander beabstandet sind Zur Abgabe der von den Wärmerohren 16a, 16b aufgenommenen Wärme der Leiterplatten 8a, 8b an eine Außenumgebung ist im Bereich einer Deckenwandung 18 des Hohlkörpers 2 eine Kühlstruktur 20 ausgebildet.
Wie in 2 gezeigt, sind jeweils zwei Leiterplatten 8a, 8b zu einem Leiterplattenpaar zusammengefasst. Sie erstrecken sich zwischen einer Bodenwandung 22 des Hohlkörpers 2 und der Deckenwandung 18. Dabei sind sie jeweils an ihren Längsseiten in einer bodenseitigen Halterung 24 und in einer deckenseitigen Halterung 26 eingespannt.
Die Wärmerohre 16a, 16b sind vorzugsweise ein Zweiphasensiphon. Sie sind integral mit dem Hohlkörper 2 ausgebildet und erstrecken sich zwischen der Bodenwandung 22 und der Deckenwandung 18. Insbesondere werden sie zusammen mit dem Hohlkörper 2 generativ, bspw. mittels eines Laserschmelzverfahrens, hergestellt. In dem gezeigten ersten Ausführungsbeispiel haben die Wärmerohre 16a, 16b eine zylindrische Gestalt mit einem konstanten Kreisquerschnitt, der jedoch zur optimalen Anpassung an die zu kühlenden Elektronikbauteile variieren kann.
Die Wärmerohre 16a, 16b haben jeweils eine Außenwandung 28 und eine Innenwandung 30. Sie sind in jeweils einer Reihe zwischen den Leiterplatten 8, 8b einer Leiterplattenreihe angeordnet und stehen zumindest abschnittsweise mit ihrer Außenwandung 28 in thermischer Verbindung mit den jeweils zueinander gegenüberliegenden Leiterplatten 8a, 8b.
Zur verbesserten Wärmeabgabe an die Außenumgebung sind die Wärmerohre 16a, 16b jeweils mit einem kopfseitigen Endabschnitt aus dem Innenraum 6 hinaus geführt. Hierzu weist die Deckenwandung 18 eine Vielzahl von vom Innenraum 6 aus betrachtet zylinderförmigen Rücksprüngen 32 auf.
Die Rücksprünge 32 bilden jeweils einen Abschnitt der Außenwandung 28 der Wärmerohre 16a 16b, so dass die Wärmerohre 16a, 16b mit ihren kopfseitigen Endabschnitten unmittelbar der Außenumgebung ausgesetzt sind und die Wärme optimal an diese abgegeben werden kann.
Ein jeweils den kopfseitigen Endabschnitten entgegengesetzter fußseitiger Endabschnitt 34 ist stirnseitig geöffnet und an der Bodenwandung 22 angebunden. Im Anbindungsbereich weist die Bodenwandung 22 zur Bildung jeweils einer Einfüllöffnung 36 einen Durchbruch auf, der bzw. die jeweils mit einem Verschlusselement 38 verschließbar ist.
Die Einfüllöffnungen 36 dienen zum Befüllen der Wärmerohre 16a, 16b mit einem geeigneten Fluid 40. Vorzugsweise haben sie einen einheitlichen, insbesondere einen kreisförmigen, Querschnitt.
Die Innenwandung 30 begrenzt jeweils einen in den Wärmerohren 16a, 16b gebildeten Dampfkanal 42 zur Aufnahme des Fluids 40. Sie besteht aus einem porösen Material und bildet einen Kondensatkanal zur Rückführung des wieder verflüssigten Fluids 40 aus.
Die Kühlstruktur 20 hat eine Vielzahl von Rippen 44, die zur Verbesserung der Wärmeabgabe von den Wärmerohren 16a, 16b an die Außenumgebung vorzugsweise an den Rücksprüngen 32 angeordnet sind.
Im Folgenden wir die Funktionsweise des Kühlgehäuses 1 erläutert: Beim Betrieb der Regel- und Steuerungseinheit erwärmen sich bspw. die Leiterplatten 8a, 8b. Die Leiterplatten 8a, 8b gegeben ihre Wärme an die Wärmerohre 16a, 16b ab, woraufhin eine Teilmenge des bodenseitigen flüssigen Fluids 40 aufgrund der Wärmezufuhr beginnt zu verdampfen. Die verdampfte Fluidteilmenge 46 steigt in dem Dampfkanal 42 der Wärmerohre 16a, 16b bis in die von den Rücksprungen 32 gebildeten Endabschnitten auf. Dort gibt sie die Wärme an die Kühlstruktur 20 ab und kühlt entsprechend ab. Die verdampfte Fluidteilmenge 46 kondensiert und fließt in flüssiger Form durch den Kondensatkanal und somit durch die Innenwandung 30 zurück. Das verflüssigte Fluid 40 nimmt nur wieder die Abwärme der Leiterplatten auf und beginnt erneut zu verdampfen. Dieser Kreislauf wird solange wiederholt, bis die Leiterplatten 8a, 8b nicht mehr gekühlt werden müssen, bspw. im Ruhezustand der Regel- und Steuerungseinheit.
In den 3 und 4 ist ein zweites Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Kühlgehäuses 1 gezeigt. Dieses hat anstelle eines Wärmerohrfeldes 16 einen plattenartigen Wärmerohrverbund 48. Der Wärmerohrverbund 48 ist zwischen gegenüberliegenden Leiterplatten 8a, 8b einer Leiterplattenreihe angeordnet und befindet sich beidseits im flächigen thermischen Kontakt mit diesen.
Der Wärmerohrverbund 48 weist gemäß 2 eine Vielzahl von Wärmerohren 16a, 16b mit jeweils einem rechteckigen Querschnitt auf. Der Wärmeverbund 48 hat eine Außenwandung 28 und eine Vielzahl von die Wärmerohre 16a, 16b bildenden Kammern. Die Kammern bzw. Wärmerohre 16a, 16b haben jeweils einen rechteckigen Querschnitt und sind über jeweils eine Zwischenwandung 50 voneinander getrennt. Die Zwischenwandungen 50 sind einstückig mit der Außenwand 28 ausgebildet und weisen die gleiche fluidundurchlässige Struktur auf. Jedes Wärmerohr 16a, 16b weist jeweils eine fluiddurchlässige Innenstruktur 28 zur Begrenzung eines Dampfkanals 42 zur Aufnahme eines Fluids 40, 46 und zur Bildung eines Kondensatkanals auf. Zudem können die Wärmerohre 16a, 16b jeweils eine integrale Kapillarstruktur aufweisen. Befüllt werden die Wärmerohre 16a, 16b jeweils einzeln über eine nicht gezeigte Einfüllöffnung, die gleich der Einfüllöffnung 36 des vorhergehenden Ausführungsbeispiels nach den 1 und 2 ist und durch ein kreisförmiges Verschlusselement verschlossen wird.
Die Funktionsweise dieses zweiten Ausführungsbeispiels mit dem plattenartigen Wärmerohrverbund 48 ist gleich dem ersten Ausführungsbeispiel nach den 1 und 2, so dass diesbezüglich auf die Erläuterungen zum ersten Ausführungsbeispiel verwiesen wird.
Offenbart sind ein Kühlgehäuse zur Aufnahme einer Elektronik mit integral ausgebildeten Wärmerohren zur Kühlung von Elektronikbauteilen, die ein flüssiges Fluid enthalten, das unter Wärmeaufnahme verdampft und unter Wärmeabgabe kondensiert, sowie ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Kühlgehäuses.

Claims

Kühlgehäuse (1) zur Aufnahme von elektronischen Bauteilen (8a, 8b), das zu deren Kühlung integral mit der Kühlgehäuse (1) gebildete Wärmerohre (16a, 16b) aufweist, die ein flüssiges Fluid (40) enthalten, das unter Wärmeaufnahme verdampft und unter Wärmeabgabe kondensiert, wobei die Wärmerohre (16a, 16b) bei der Herstellung des Kühlgehäuses (1) mittels eines generativen Herstellungsverfahrens mit gebildet sind und wobei die Wärmerohre (16a, 16b) jeweils eine fluidundurchlässige Außenwandung (28) und eine fluiddurchlässige Innenwandung (30) haben, die einen Dampfkanal (42) begrenzt.
Kühlgehäuse nach Anspruch 1, wobei ein Abschnitt seiner Außenwandung von einem in eine Außenumgebung weisenden Rücksprung (32) einer Gehäusewandung (18) gebildet ist.
Kühlgehäuse nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Wärmerohre (16a, 16b) mit einer außenliegenden Kühlstruktur (20) in thermischer Verbindung stehen.
Kühlgehäuse nach einem Anspruch 3, wobei die Kühlstruktur (20) an den Rücksprüngen (32) angeordnet ist.
Kühlgehäuse nach Anspruch 3 oder 4, wobei sich die Kühlstruktur (20) unabhängig von einer Ausrichtung des Kühlgehäuses (1) stets mit zumindest einem Abschnitt oberhalb der Wärmerohre (16a, 16b) befindet.
Kühlgehäuse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Wärmerohre (16a, 16b) jeweils eine Kapillarstruktur aufweisen.
Kühlgehäuse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei benachbarte Wärmerohre (16, 16b) voneinander beabstandet sind.
Kühlgehäuse nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei zumindest einige Wärmerohre (16a, 16b) in einem Wärmerohrverbund (48) zusammengefasst sind.
Kühlgehäuse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zumindest einige Wärmerohre (16a, 16b) variierende Querschnittsflächen haben.
Kühlgehäuse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Wärmerohre (16a, 16b) unabhängig von ihrer Gestalt eine einheitliche Einfüllöffnung (36) aufweisen.
Herstellungsverfahren für ein Kühlgehäuse (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, bei dem das Kühlgehäuse (1) mittels eines generativen Herstellungsverfahrens gebildet wird, wobei während der Herstellung des Kühlgehäuses (1) die Wärmerohre (16a, 16b) integral mit dem Kühlgehäuse (1) gebildet werden.