Heatpipes. CoolingDay 2011

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1 Heatpipes Zhidong Xu- MB Electronic AG CoolingDay 2011

2 Agenda Was ist eine Heatpipe? Vorteile Funktionsprinzip Aufbau Auslegungsparameter Typische Anwendungen Typische Bauform Spezielle Heatpipes Faustformel / Diskusion Heatpipes 2

3 Was ist eine Heatpipe? Passives Bauteil, zum Wärmetransport von A nach B Evakuiertes Kupferrohr mit einer integrierten Kapillare, gefüllt mit einer Flüssigkeit, in der Regel Wasser. Heatpipes 3

4 Vorteile 100 bis 1000facher Wärmetransport als Kupfer Kapillarstruktur Wärmetransport gegen die Schwehrkraft Wärmetransport ohne Schwehrkraft (z.b. Raumfahrt) Sehr geringe Abmessungen und Gewicht. Sehr flexibel formbar (biegen, pressen) Geräuschlos, Wartungsfrei. Heatpipes 4

5 Funktionsprinzip physikalischen Effekt: Beim Verdampfen einer Flüssigkeit wird eine enorm hohe Energiemengen aufgenommen. Beim Kondensieren einer Flüssigkeit wird eine enorm hohe Energiemenge freigesetzt. Heatpipes 5

6 Funktionsprinzip Medium: Bei normalen Luftdruck verdampft das Wasser bei 100 C. Im Vakuum (ca.10-5 Bar) verdampft das Wasser bereits bei etwa 5 C. Dies macht man sich in der Heatpipe zu Nutze. Der Siedepunkt wir durch Art der Flüssigkeit und Innendruck gesteuert In der Regel wird Reinstwasser als Medium eingesetzt. Alternativen bei erweitertem Temperaturbereich: Methanol, Ethanol, Öle, Gas, Aceton, usw. Heatpipes 6

7 Funktionsprinzip Eine Heatpipe läßt sich in 3 Zonen aufteilen: Verdampfungszone Transportzone Kondensationszone Heatpipes 7

8 Funktionsprinzip Das Medium verdampft an der heißen Seite und kondensiert an der kalten Seite. Dort wird unter Abgabe der Verdampfungswärme Energie abgeführt. Das Kondensat wird von der Kapillarstruktur aufgesaugt und fließt zurück um erneut zu verdampfen. Heatpipes 8

9 Aufbau Eine Heatpipe besteht aus: Kupferrohr Medium Kapillarschicht Heatpipes 9

10 Aufbau Kapillare Schicht Gesinterter Kupferkern Arbeitet auch gegen die Schwerkraft Kann auf Vollautomaten gefertigt werden Maschengewebe Höchstmögliche Wärme- Transportfähigkeit, solange die Kaltseite höher oder gleich hoch liegt wie die Heißseite. Reduzierte Leitungsfähigkeit schwer zu biegen. Nur manuelle Fertigung möglich. Arbeitet nicht gegen die Schwerkraft Längsrillen Preiswerteste Lösung. Automaten Fertigung. leicht zu biegen. Geringste Wärme- Transportkapazität. wirkt nicht gegen die Schwerkraft. vergleichsweise dicker Kupfermantel Heatpipes 10

11 Aufbau Temperatur-Varianten: Low Temperature: -20 C to +150 C Standard Temperature: + 5 C to +170 C High Temperature: + 5 C to +270 C Extra High Temperature: C (auf Anfragen) Heatpipes 11

12 Aufbau Unterschiedliche Enden: Heatpipes 12

13 Auslegungsparameter Zu übertragende Leistung Verdampfungstemperatur (Temperatur - warmen Seite) Kondensationstemperatur (Temperatur - kalten Seite) Einbaulage (Gravitationen) Entfernung des Wärmetransports Größe - Verdampfer und Kondensator mechanische Belastungen (Beschleunigung, Vibration) Heatpipes 13

14 Auslegungsparameter Übersicht: Heatpipes 14

15 Auslegungsparameter Auswirkung der Gravitation auf die Kapillarwirkung: Dreht man die Heatpipe von der horizontalen Lage in die vertikale Lage (Faktor1) Und die Kaltseite liegt direkt über der Heißseite (Faktor 2) = Verdopplung des Wärmetransports Umgekehrter Anordnung = Halbierung des Wärmetransports Heatpipes 15

16 Auslegungsparameter Auswirkungen der Bauform auf die Leistung: Gebogene HPs haben einen geringeren Wärmetransport, Einflußfaktoren: Biegewinkel Anzahl der Biegungen Einbaulage. Heatpipes können oval gepresst werden. Heatpipes 16

17 Auslegungsparameter Auswirkungen der Verbindung auf die Leistung: Lötverbindung: Bester Wärmeübergang Quetschen: Heatpipe wird dabei leicht verformt Einbau in vorgebohrte Komponenten: Wärmeleitpaste verhindert den Lufteinschluss und gibt recht guten Halt Ziel jeder Entwicklung: Übergangswiderstände minimieren Heatpipes 17

18 Typische Anwendungen Kühlung von Mikroprozessoren in Computern Kühlung von Halbleitern Kühlung von Laserdioden Kühlung von IGBTs in spritzwasserdichten Antriebssteuerungen Wärmetauscher für Schaltschränke speziell bei hohen IP Anforderungen Kühlung von explosionsgeschützten Antriebssteuerungen Heatpipes 18

19 Typische Bauformen Kontaktblock > Heatpipe > Finnen 19 Heatpipes

20 Typische Bauformen Kontaktblock>Heatpipe> Gehäuse 20 Heatpipes

21 Typische Bauformen Finnen > Heatpipe > Finnen als Wärmetauscher 21 Heatpipes

22 Typische Bauformen Kontaktblock > Heatpipe > Kontakblock 22 Heatpipes

23 Typische Bauformen Heatpipe als Temperaturausgleich 23 Heatpipes

24 Typische Bauformen Ringförmige Heat-pipes Heat-pipes mit baffle plates Flexible Tubular Heat-pipes Dioden Heat-pipes Variable Conductance Heat-pipes 24 Heatpipes

25 Faußtregeln / Diskussion Biegeradius: Je groß desto besser, Minimum: 3x Durchmesser 1 cm² kann ca. 20W Verlustleistung aufnehmen Für 1 W Verlustleitung benötigt ca. 1 cm² Kühlfläche Die Heatpipe soll nicht länger als 500mm sein. 25 Heatpipes

26 We make things work MB Electronic AG Rupert-Mayer-Str München Tel.: +49 (0) Fax.: +49 (0) Heatpipes

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