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Dokumentenidentifikation DE102004004440B4 29.06.2006
Titel Kühlvorrichtung für ein elektronisches Bauelement, insbesondere für einen Mikroprozessor
Anmelder KERMI GMBH, 94447 Plattling, DE
Erfinder Eberl, Markus, 94563 Otzing, DE;
Fonfara, Harald, Dipl.-Ing., 94551 Lalling, DE;
Göstl, Herbert, 94227 Zwiesel, DE;
Miltkau, Thorsten, Dipl.-Ing., 94469 Deggendorf, DE
Vertreter Patentanwälte Eder & Schieschke, 80796 München
DE-Anmeldedatum 28.01.2004
DE-Aktenzeichen 102004004440
Offenlegungstag 18.08.2005
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 29.06.2006
Veröffentlichungstag im Patentblatt 29.06.2006
IPC-Hauptklasse F28D 21/00(2006.01)A, F, I, 20060117, B, H, DE
IPC-Nebenklasse F28F 13/12(2006.01)A, L, I, 20060117, B, H, DE   G06F 1/20(2006.01)A, L, I, 20060117, B, H, DE   H05K 7/20(2006.01)A, L, I, 20060117, B, H, DE   

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft eine Kühlvorrichtung für ein elektronisches Bauelement, insbesondere für einen Mikroprozessor, mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1.

In größeren elektronischen Datenverarbeitungsanlagen werden die einzelnen Elektronikkomponenten, wie beispielsweise eine Mehrzahl von Servern, in Schränken oder Racks aufgenommen, um eine geordnete Aufstellung und Verkabelung der einzelnen Komponenten zu gewährleisten. Zudem erfolgt in Racks oder Schränken für derartige Elektronikkomponenten eine Klimatisierung, d.h. die von den Komponenten erzeugte Verlustleistung in Form von Wärmeenergie wird mit geeigneten Mitteln abgeführt. Im Folgenden wird der Begriff Rack sowohl für geschlossene Schränke als auch für offene Gestelle verwendet, in die die einzelnen Komponenten aufgenommen sind. Die Verlustleistung wird hauptsächlich von elektronischen Bauelementen der einzelnen Komponenten erzeugt. Bei modernen Datenverarbeitungsanlagen wird dabei der überwiegende Teil der Verlustleistung von Mikroprozessoren erzeugt. Die Verlustleistung eines Prozessors liegt bisher in der Größenordnung von ca. 100 W. Eine Verlustleistung in diesem Bereich wurde mit Prozessorlüftern, d.h. einer Kombination aus einem metallischen Kühlkörper und einem Lüfterbaustein, vom Prozessor in das Innere des Gehäuses des Servers bzw. der Elektronikkomponente, von dort in das Innere des (vorzugsweise geschlossenen) Racks und anschließend an die das Rack umgebende Raumluft abgeführt. Hinzu kommt die Verlustleistung in Form von Wärme, die von weiteren Baugruppen und Bauteilen der einzelnen Elektronikkomponenten, wie Netzteilen, Laufwerken etc., abgegeben wird, d.h. von einer Vielzahl von einzelnen elektronischen Bauelementen, die für sich genommen zwar eine relativ geringe Verlustleistung abgeben, so dass sich eine separate Kühlung dieser elektronischen Bauelemente nicht lohnt, wobei sich diese geringen Verlustleistungen jedoch auch auf Werte von 100 bis 150 W und mehr pro Elektronikkomponente aufsummieren können. Zusätzlich zu den Prozessorlüftern sind daher in der Regel zusätzliche Lüfter erforderlich, um die gesamte im Gehäuse der Elektronikkomponente erzeugte Verlustwärme aus diesem abzuführen. Bei Serverracks, die bis zu 50 einzelne Server aufnehmen können, ergibt sich somit pro Rack bereits jetzt eine Gesamtverlustleistung von 10 kW bis 12,5 kW.

Für kommende Generationen von Elektronikkomponenten wird eine Steigerung der von einzelnen elektronischen Bauelementen, wie Mikroprozessoren, abgegebenen Wärmeverlustleistung in Bereiche von 150 bis 200 W und mehr erwartet. Dies führt bei einem Rack mit beispielsweise bis zu 50 Servern einschließlich der zusätzlichen Verlustleistung von 100 bis 150 W pro Elektronikkomponente zu einer Gesamtverlustleistung von bis zu 17,5 kW und mehr pro Rack. Derart hohe Verlustleistungen in Form von Abwärme lassen sich allein durch das Wärmeträgermedium Luft nicht mehr mit vernünftigem Aufwand beherrschen.

Bei einzelnen Elektronikkomponenten, wie Servern, ist es bekannt, elektronische Bauelemente, insbesondere Mikroprozessoren, die für sich genommen eine hohe Verlustleistung erzeugen, anstatt mit Kombinationen von Kühlkörpern und Lüftern durch mit einem flüssigen Kühlmedium, beispielsweise Wasser, durchströmte Kühlkörper zu kühlen. Somit muss lediglich noch die von den übrigen, nicht einzeln gekühlten Baugruppen und Bauelemente erzeugte Wärmeverlustleistung über das Medium Luft abgeführt werden.

Sowohl bei Kühlvorrichtungen, die aus einem Kühlkörper und einem Lüfter bestehen, als auch bei Kühlvorrichtungen mit von einem flüssigen Wärmeträgermedium durchströmten Kühlkörper besteht das Problem, dass diese möglichst gut wärmeleitend auf dem zu kühlenden elektronischen Bauelement, meist einem Bauelement mit einem Halbleiterchip, befestigt werden müssen. Zur Gewährleistung eines guten Wärmeübergangs wird meist eine Wärmeleitpaste zwischen der thermischen Schnittstelle des Bauelements und dem Kühlkörper verwendet. Zudem ist ein ausreichender Anpressdruck erforderlich. Muss der Kühlkörper abgenommen werden, beispielsweise weil der damit integriert ausgebildete Lüfter defekt ist oder weil im engen Gehäuse der Elektronikkomponente Manipulationen an eng benachbarten Baugruppen oder Bauteilen erforderlich sind, so besteht bei jeder Demontage bzw. Montage des Kühlkörpers unmittelbar auf dem empfindlichen elektronischen Bauteil das Risiko, dieses zu beschädigen bzw. zu zerstören.

Soll eine Elektronikkomponente aus einem Rack herausgezogen und ausgetauscht werden, und wird bei dieser Elektronikkomponente eine an sich bekannte Kühlvorrichtung unter Verwendung eines flüssigen Wärmeträger- bzw. Kühlmediums verwendet, so müssen entweder die Zuführleitungen für das Kühlmedium, vorzugsweise an Kupplungen, getrennt werden, oder es muss die gesamte Kühlvorrichtung von dem zu kühlenden elektronischen Bauelement abgenommen und das Risiko in Kauf genommen werden, dieses zu beschädigen. Bei einem Trennen der Zuführleitungen besteht jedoch ebenfalls ein erhebliches Risiko, diese Elektronikkomponente oder benachbarte Elektronikkomponenten zu beschädigen, wenn auch nur eine geringe Menge des Kühlmediums austritt. Dies gilt insbesondere dann, wenn die Elektronikkomponente während des Betriebs der übrigen Elektronikkomponenten ausgetauscht werden soll (hot plugging).

Zur Lösung dieses Problems ist in der nicht vorveröffentlichten deutschen Patentanmeldung 103 35 197 eine Kühlvorrichtung für ein elektronisches Bauelement, insbesondere für einen Mikroprozessor, offenbart, bei welcher der eigentliche Kühlkörper einfach, schnell und ohne das Risiko einer Beschädigung oder Zerstörung des zu kühlenden elektronischen Bauelements montierbar und demontierbar ist. Diese Kühlvorrichtung weist einen Kühlkörper auf, der ein erstes Kühlkörperteil umfasst, welches zur Verbindung mit dem elektronischen Bauelement ausgebildet ist, und ein zweites Kühlkörperteil, welches lösbar mit dem ersten Kühlkörperteil derart verbunden ist, dass ein geringer Wärmeübergangswiderstand gegeben ist. Zumindest der überwiegende Teil der Verlustwärme wird über das zweite Kühlkörperteil an ein Kühlmedium abgegeben, welches in einem oder mehreren Kanälen innerhalb des zweiten Kühlkörperteils geführt ist. Mit dieser Kühlvorrichtung wird der Vorteil erreicht, dass zur erstmaligen Montage der Kühlvorrichtung lediglich das erste Kühlkörperteil einmalig mit dem zu kühlenden elektronischen Bauelement thermisch gekoppelt und fixiert werden muss. Dies kann bereits vom Hersteller der Elektronikkomponente werksseitig erfolgen. Darüber hinaus kann das erste Kühlkörperteil auch vom Hersteller des zu kühlenden elektronischen Bauelements auf diesem montiert werden. Das erste Kühlkörperteil kann auch integriert mit dem Gehäuse des elektronischen Bauelements ausgebildet, insbesondere unlösbar mit diesem verbunden sein.

Der zweite Kühlkörperteil kann dann ohne die Gefahr einer Beschädigung des elektronischen Bauelements mit dem ersten Kühlkörperteil gut thermisch leitend verbunden werden. Das zweite Kühlkörperteil kann dann bedarfsweise wieder problemlos vom ersten Kühlkörperteil getrennt werden. Soll die Elektronikkomponente, welche das zu kühlende elektronische Bauelement umfasst, ausgetauscht werden, so muss nicht mehr zwingend entweder der gesamte Kühlkörper (bestehend aus dem ersten und zweiten Kühlkörperteil) demontiert oder, bei einem Belassen des Kühlkörpers auf dem elektronischen Bauelement, die Zuführleitungen für das Kühlmedium vom Kühlkörper getrennt werden. Vielmehr kann einfach und schnell lediglich das zweite Kühlkörperteil vom ersten Kühlkörperteil getrennt und beispielsweise auf ein weiteres erstes Kühlkörperteil, welches bereits auf dem betreffenden zu kühlenden elektronischen Bauelement einer Austausch-Elektronikkomponente befestigt ist, montiert werden.

Auch bei diesen Ausführungsformen einer mit einem flüssigen Medium arbeitenden Kühlvorrichtung für ein elektronisches Bauelement kann bei den künftig zu erwartenden, extrem hohen abzuführenden Wärmemengen das Problem auftreten, dass bei einer vorgegebenen Struktur des oder der Kanäle für das Wärmeträgermedium innerhalb des Kühlkörpers und bei einer vorgegebenen Flussrate für das Wärmeträgermedium mit einer bestimmten Vorlauftemperatur die Verlustleistung nicht mehr zuverlässig abgeführt werden kann.

Aus der DE 101 53 512 A1 ist ein Kühlkörper mit einer Grundplatte und mehreren Kühlrippen bekannt, die auf einer Flachseite der Grundplatte beabstandet angeordnet sind. Die Kühlrippen bilden zwischen sich Kanäle aus, wobei die Kanalöffnungen zusammen mit den Stirnflächen der Kühlrippen eine Ein- und Ausströmseite für die die Vorrichtung als Kühlmedium durchströmende Kühlluft bilden. Die Stirnseiten der Kühlrippen sind so ausgebildet, dass die Ein- und Ausströmseite der Rippenanordnung insgesamt strömungsgünstig gestaltet ist. Ziel dieser Maßnahme ist, den Strömungswiderstand der Anordnung bei einem Anströmen mit Kühlluft zu reduzieren, um hierdurch auf einen zusätzlichen Lüfter verzichten zu können. Dies Maßnahme ist jedoch auf flüssigkeitsgekühlte Anordnungen nicht ohne Weiteres übertragbar.

Eine ähnliche Lösung zeigt die US 2003/0196779 A1, welche eine Wärmesenke bzw. eine Kühlvorrichtung beschreibt, bei der der Anströmwiderstand und Ausströmwiderstand eines die Vorrichtung durchströmenden Luftstroms durch eine Verjüngung von Wandungen reduziert wird, welche luftführende Kanäle bilden.

Die WO 02/47453 A1 befasst sich mit einer Elektronikanordnung, welche eine Platine mit einem darauf vorgesehenen Luftkühlkörper aufweist, welcher durch beabstandete Wandungen gebildete Kanäle für die Kühlluft aufweist, die mittels eines Lüfters durch die Kanäle gefördert wird. Die Kanäle sind dabei sind dabei so vorgesehen, dass der Luftstrom die gewünschte Charakteristik aufweist.

Die US 2003/0024687 A1 beschreibt eine Kühlvorrichtung, welche aus mehreren, beabstandeten Platten besteht, die zwischen sich Kühlkanäle ausbilden. Die Platten weisen Schlitze auf, die durch teilweises Ausstanzen und Ausbiegen der teilweise ausgestanzten Bereiche entstehen. Die nach außen gebogenen Bereiche oder Flansche und die Schlitze dienen zur Verwirbelung der Luft, die durch die Kanäle strömt.

Schließlich offenbart die WO 96/19707 A1 einen Wärmetauscher, bei dem zwischen mehreren Platten oder einem mäanderförmig verlaufenden, plattenförmigen Element Abstandsplatten mit von der Platte nach außen gebogenen Lippen eingesetzt sind. Die Lippen sind aus den Abstandsplatten teilweise ausgestanzt und aus der Ebene der Platte heraus nach außen gebogen. Die Strömung des Kühlmediums verläuft bei diesem Wärmetauscher so, dass die Lippen von ihrer seitlichen Stirnfläche her angeströmt werden. Obwohl man bei einer derartigen Anströmung vermuten würde, dass kaum Verwirbelungseffekte erzielt werden, haben die Erfinder dieses Wärmetauschers festgestellt, dass überraschenderweise dennoch ein stark turbulenter Strom entsteht, wodurch ein geringer thermischer Übergangswiderstand für den Wärmetauscher erreicht wird.

Diese Ausbildung der Platten mit nach außen gebogenen Lippen eignet sich jedoch nur für Kanäle, die senkrecht zur Strömungsrichtung des Mediums eine relativ große Breite und eine geringe Höhe aufweisen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Kühlvorrichtung für ein elektronisches Bauelement, insbesondere für einen Mikroprozessor, zu schaffen, bei der bei vorgegebener Flussrate des flüssigen Kühlmediums und vorgegebener Struktur des Kühlkörpers, insbesondere der Kanäle für das Kühlmedium, eine höhere Wärmemenge abgeführt werden kann.

Die Erfindung löst diese Aufgabe mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.

Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, dass bei üblichen Strukturen von Kühlkörpern und den darin angeordneten Kanälen für das flüssige Kühlmedium die Wärmekapazität des Kühlmediums nicht optimal ausgenutzt wird. Insbesondere entstehen, über den Querschnitt eines Kanals gesehen, Bereiche in denen die Temperatur des Kühlmediums gegenüber denjenigen Bereichen, die den Wandungen benachbart sind, an denen der Wärmeübergang erfolgt, deutlich geringer ist. Bei einer im Wesentlichen laminaren Strömung innerhalb des und den verhältnismäßig geringen Durchlaufzeiten des Mediums durch den Kühlkörper erfolgt zwischen diesen Bereichen allenfalls ein geringer Wärmeaustausch bzw. Wärmeübergang. Durch das Vorsehen wenigstens eines Strömungsleit- und -mischelements in dem wenigstens einen Kanal oder, in Strömungsrichtung gesehen, vor dem wenigstens einen Kanal wird erfindungsgemäß erreicht, dass eine Durchmischung des Kühlmediums bei dessen Durchfluss durch den Kanal erfolgt. Hierdurch wird gegenüber den Verhältnissen, die bei einem Durchfluss des Mediums durch einen Kanal ohne Strömungsleit- und -mischelement herrschen, (zumindest im örtlichen Mittel) die Temperatur des Mediums in den den Wandungen des Kanals benachbarten Bereichen, an denen der Wärmeübergang auf das Kühlmedium erfolgt, verringert. Demzufolge wird die Wärmekapazität des Kühlmediums besser ausgenutzt. Die mittlere Temperatur des am Rücklaufanschluss der Kühlvorrichtung austretenden Kühlmediums ist höher als bei einer entsprechenden Vorrichtung ohne das wenigstens eine Strömungsleit- und -mischelement. Bei gleicher Durchflussrate kann daher eine größere Wärmemenge abgeführt werden.

Erfindungsgemäß erstreckt sich das Strömungsleit- und -mischelement über eine vorgegebene axiale Länge des Kanals oder über die gesamte Länge des Kanals, wobei an mehreren axialen Positionen, vorzugsweise in äquidistanden axialen Abständen, Strömungsleitstrukturen vorgesehen sind.

Das Strömungsleit- und -mischelement kann aus einem im Wesentlichen ebenen oder gekrümmten, einer geraden oder gekrümmten Achse des Kanals folgenden Basiselement bestehen, wobei die Strömungsleitstrukturen an einer Seitenfläche oder beiden Seitenflächen des Basiselements angeordnet sind. Ein derartiges Element kann sehr einfach und kostengünstig hergestellt werden.

Die Strömungsleitstrukturen sind erfindungsgemäß zapfenartig oder taschenartig ausgebildet.

Nach der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das wenigstens eine Strömungsleit- und -mischelement als separates Bauteil in den Kanal eingesetzt oder vor der Einströmöffnung des Kanals montiert. Hierdurch ergibt sich eine einfache und kostengünstige Möglichkeit zur Realisierung der Erfindung. Selbstverständlich kann das wenigstens eine Strömungsleit- und -mischelement jedoch auch integriert mit dem Kühlkörper, insbesondere den Wandungen des wenigstens einen Kanals, ausgebildet sein.

Erfindungsgemäß kann das wenigstens eine Strömungsleit- und -mischelement wenigstens eine Strömungsleitstruktur umfassen, die eine Strömungsleitfläche aufweist, welche bei einem Anströmen durch das Kühlmedium das Kühlmedium aus einem Querschnittsbereich des Kanals, in dem das Kühlmedium eine niedrigere Temperatur aufweist oder zumindest ohne das wenigstens eine Strömungsleit- und -mischelement aufweisen würde, in einen Querschnittsbereichs geleitet wird, in dem das Kühlmedium eine höhere Temperatur aufweist oder zumindest ohne das wenigstens eine Strömungsleit- und -mischelement aufweisen würde, oder umgekehrt.

Insbesondere können die Strömungsleitstrukturen Strömungsleitflächen aufweisen, welche die Strömung des Kühlmediums aus inneren Querschnittsbereichen in Richtung auf die Wandung des Kanals leiten, vorzugsweise in Richtung von solchen Wandungsbereichen, in denen die Energiedichte der abzuführenden Wärmeenergie am größten ist.

Nach einer Ausführungsform der Erfindung können die Strömungsleitstrukturen so ausgebildet sein, dass sich bei einem Anströmen der Strömungsleitstrukturen durch das Kühlmedium aus beiden axialen Richtungen des betreffenden Kanals ein im Wesentlichen gleiches Verhalten hinsichtlich der Strömungsleit- und Mischwirkung des Strömungsleit- und Mischelements ergibt, wobei die Strömungsleitstrukturen vorzugsweise zu einer senkrecht zur Achse des Kanals verlaufenden Ebene spiegelsymmetrische Strömungsleitflächen oder zu einer zur Achse des Kanals senkrecht verlaufenden Achse rotationssymmetrische Strömungsleitflächen aufweisen.

Hierdurch muss bei der Montage des Kühlkörpers bzw. der Kühlvorrichtung nicht auf die Orientierung des Strömungsleit- und Mischelements in Bezug auf den Vorlauf- bzw. Rücklaufanschluss geachtet werden. Zudem können bei einer fertig montierten Kühlvorrichtung der Vorlauf- und der Rücklaufanschluss beliebig vertauscht werden, ohne dass hierdurch die Gefahr einer reduzierten oder gar ungenügenden Wärmeabfuhr bestünde.

Das Basiselement kann eine Höhe aufweisen, die im Wesentlichen der Höhe des Kanals entspricht, vorzugsweise der maximalen Höhe des Kanals. Hierdurch ist eine ausreichende Fixierung der Position des Strömungsleit- und -mischelements innerhalb des Kanals, auch während des Hindurchströmens des Kühlmediums erreichbar.

Die Fixierung der Position kann auch dadurch erreicht oder verbessert werden, dass die Strömungsleitstrukturen so ausgebildet sind, dass sie zumindest punktweise an der Innenwandung des Kanals anliegen.

Das Basiselement kann nach einer weiteren Ausführungsform Durchbrüche aufweisen und die Strömungsleitstrukturen können dabei so angeordnet und ausgebildet sein, dass ein Teil der Strömung oder im Wesentlichen die gesamte Strömung durch die Durchbrüche geleitet wird. Hierdurch kann eine sehr gute Durchmischung des Mediums erreicht werden.

Die Strömungsleitstrukturen können auf einfache und kostengünstige Weise durch Ausformen aus einem im Wesentlichen plattenförmigen Ausgangselement gebildet werden, insbesondere durch einen Stanz-Biegeprozess, einen Prägeprozess oder einen Tiefziehprozess, wobei das Ausgangselement vorzugsweise aus einem Metall oder Kunststoff besteht.

Weitere Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand einer in der Zeichnung dargestellten Ausführungsform näher erläutert, wobei die Ausführungsformen nach den 4, 7 und 8 nicht als Gegenstand der geschützten Erfindung anzusehen sind. In der Zeichnung zeigen:

1 eine perspektivische Darstellung einer Ausführungsform einer Kühlvorrichtung nach der Erfindung unter Verwendung eines flüssigen Kühlmediums;

2 eine perspektivische Schnittdarstellung des vom Kühlmedium durchflossenen Teils des Kühlkörpers der Ausführungsform in 1 mit zwei Varianten von möglichen Strömungsleit- und -mischelementen;

3 eine vergrößerte perspektivische Darstellung der ersten Variante eines Strömungsleit- und -mischelements der Ausführungsform in 1;

4 eine vergrößerte perspektivische Darstellung der zweiten Variante eines Strömungsleit- und -mischelements der Ausführungsform in 1 und

5 bis 8 jeweils eine perspektivische Darstellung einer weiteren Variante eines Strömungsleit- und -mischelements.

1 zeigt in perspektivischer Ansicht schematisch eine Kühlvorrichtung 1, die auf einem elektronischen Bauelement 3, beispielsweise einem Mikroprozessor, montiert ist. Der Mikroprozessor 3 ist seinerseits auf einer nur angedeuteten Platine 5 angeordnet, auf der selbstverständlich weitere Bauelemente oder Baugruppen vorgesehen sein können. Bei der Platine 5 kann es sich beispielsweise um ein Mainboard eines Servers handeln. Die Kühlvorrichtung 1 umfasst ein erstes Kühlkörperteil 7 aus einem gut wärmeleitenden Material, beispielsweise Aluminium oder Kupfer, welches unmittelbar mit dem Gehäuse bzw. einer thermischen Schnittstelle des zu kühlenden elektronischen Bauelements thermisch leitend verbunden ist. Dabei kann es sich beispielsweise um eine Wärmeableitplatte (heat spreader) eines Mikroprozessors bzw. des elektronischen Bauelements 3 handeln. Das erste Kühlkörperteil 7 weist an seiner dem Bauelement 3 abgewandten Seite eine Struktur in Form von Rippen 11 auf, die, einen trapezförmigen Querschnitt aufweisen können.

Auf dem ersten Kühlkörperteil 7 ist ein zweites Kühlkörperteil 9 aus einem gut wärmeleitenden Material, beispielsweise Aluminium oder Kupfer, angeordnet und thermisch gut leitend mit diesem verbunden. Hierzu ist das zweite Kühlkörperteil 9 an seiner Unterseite mit einer komplementär ausgebildeten Struktur in Form von Rippen 13 versehen. In den Rippen 13 verlaufen, wie in 2 dargestellt, Kanäle 15 für ein flüssiges, die Kanäle 15 durchströmendes Kühlmedium (nicht dargestellt), welches die vom elektronischen Bauelement 3 in Form von Wärme erzeugte Verlustleistung abtransportiert. Die Anordnung der Kanäle 15 in den Rippen bietet den Vorteil, dass bei entsprechend dünnen Wandungen der Rippen 15 das Kühlmedium nahe der Oberfläche des Bauelements 3 geführt werden kann, insbesondere auch zwischen den Rippen 11 des ersten Kühlkörperteils 7.

Die trapezförmige Ausbildung der Rippen 11 und 13 bieten zudem den Vorteil, dass mit einer geringen Anpresskraft F, die auf das zweite Kühlkörperteil 9 in Richtung auf das erste Kühlkörperteil 7 wirkt, ein hoher Anpressdruck der Seitenflächen der trapezförmigen Rippen 11 und 13 erzeugt und demzufolge eine gute thermische Kopplung gewährleistet werden kann.

Der die Rippen 13 aufweisende mittlere Bereich 17 des zweiten Kühlkörperteils 9 ist in seiner Ausdehnung (parallel zur Oberfläche des Bauelements 3) wenigstens so groß wie die Ausdehnung der die Rippen 11 aufweisenden Oberfläche des ersten Kühlkörperteils 7. Auf diese Weise kann bei einer entsprechenden Anordnung und Ausbildung der Kanäle 15 ein im Wesentlichen konstanter Wärmeübergangswiderstand in der Kontaktfläche der beiden Kühlkörperteile 7 und 9 – zumindest entlang von Linien parallel zur Längsrichtung der Rippen – erreicht werden. Ein derart ausgebildeter mittlerer Bereich 17 hat zudem den Vorteil, dass er aus einem hochgenau und kostengünstigen Strangprofil hergestellt werden kann. Dies gilt auch für das erste Kühlkörperteil 7.

Der in den 1 erkennbare, sich an den beiden Enden des mittleren Bereichs des zweiten Kühlkörperteils 9 jeweils anschließende Endbereich 19 bzw. 21, kann hinsichtlich der Außenkontur identisch wie der mittlere Bereich 17 ausgebildet sein. Im Inneren der Endbereiche 19, 21 ist jedoch jeweils eine Sammelkammer (nicht dargestellt) vorgesehen, welche jeweils mit den Kanälen 15 verbunden ist. Die Bereiche 17, 19, 21 können selbstverständlich einstückig ausgebildet sein. Beispielsweise kann ein Endbereich 19, 21 dadurch hergestellt werden, dass in den Endbereichen eines entsprechenden Strangprofils von beiden Seiten jeweils die inneren Wandungen zwischen den Kanälen 15 teilweise oder ganz entfernt, beispielsweise ausgefräst werden. Die beiderseitigen Öffnungen des Strangprofils können dann mit entsprechenden Deckeln verschlossen werden, beispielsweise durch Verlöten oder dergleichen.

An den Stirnseiten der Endbereiche 19, 21 sind ein Zulaufanschluss 23 für eine Zulaufleitung und ein Rücklaufanschluss 25 für eine Rücklaufleitung vorgesehen. Das Kühlmedium wird bei der gegebenen (ausreichend niedrigen) Temperatur mit einem für die Kühlung ausreichenden Massenstrom über die Zulaufleitung der Kühlvorrichtung 1 zugeführt und über die Rücklaufleitung abgeführt.

Die Montage des ersten Kühlkörperteils 7 auf dem elektronischen Bauelement 3 kann in üblicher Weise mittels einer geeigneten Verschraubung oder mittels Klammern oder anderen geeigneten Verbindungsmitteln erfolgen. Selbstverständlich kann das erste Kühlkörperteil hierzu beispielsweise seitlich angeordnete Befestigungsmittel aufweisen, die auch seitlich über die Oberfläche des Bauelements 3 hinausragen können. Das Fixieren des ersten Kühlkörperteils 7 auf dem Bauelement 3 kann gegenüber der Platine 5 oder einem nicht dargestellten Gehäuse einer Elektronikkomponente erfolgen, in welcher die Platine 3 angeordnet ist. Das erste Kühlkörperteil 7 kann jedoch auch unlösbar mit dem Bauelement 3 verbunden sein, beispielsweise durch Verkleben mit einem wärmeleitenden Klebstoff, oder sogar einstückig mit dem Gehäuse des Bauelements 7 ausgebildet sein.

Auch die Verbindung des zweiten Kühlkörperteils 9 mit dem ersten Kühlkörperteil 7 kann mittels geeigneter, jedoch in jedem Fall lösbarer Verbindungsmittel erfolgen, beispielsweise durch Verschrauben, mittels Fixierklammern oder dergleichen. Das Anpressen des Kühlkörperteils 9 auf das Kühlkörperteil 7 mit ausreichendem Druck kann auch durch das Aufsetzen und Anpressen eines Gehäuseteils eines Gehäuses einer Elektronikkomponente erfolgen, in welchem die Platine 5 mit dem zu kühlenden Bauelement 3 und der darauf angeordneten Kühlvorrichtung 1 enthalten ist.

Durch diese spezielle Ausbildung der Kühlvorrichtung ergibt sich der Vorteil, dass das als eigentlicher Kühlköper wirkende zweite Kühlkörperteil 9 vom ersten Kühlkörperteil 7 gelöst werden kann, ohne dass die mechanisch empfindliche thermische Schnittstelle zwischen dem zu kühlenden Bauelement 3 und dem ersten Kühlkörperteil gelöst werden muss.

2 zeigt den mittleren Bereich 17 des zweiten Kühlkörperteils 9 ohne die Endbereiche 19. In den Kanälen 15, vorzugsweise in allen Kanälen, sind Strömungsleit- und Mischelemente 27 vorgesehen. In 2 sind dabei als Beispiel zwei unterschiedliche Varianten eines Strömungsleit- und Mischelements 27 dargestellt. Zur besseren Erkennbarkeit der Struktur der Strömungsleit- und Mischelemente 27 sind diese teilweise aus den Kanälen 15 nach vorne herausgezogen dargestellt. Die Strömungsleit- und Mischelemente 27 können dieselbe Länge aufweisen wie die Kanäle 15 oder sich nur über einen Teilbereich der axialen Ausdehnung eines Kanals 15 erstrecken. Selbstverständlich wäre es auch möglich mehrere kurze Strömungsleit- und Mischelemente in ein und denselben Kanal 15 einzubringen.

Allen Varianten von Strömungsleit- und Mischelementen 27, wie sie in den 2 bis 8 dargestellt sind, ist gemeinsam, dass sie jeweils Strömungsleitstrukturen 29 umfassen, die Strömungsleitflächen 31 aufweisen, welche schräg zur Achse des betreffenden Kanals 15 verlaufen, bzw. schräg zur Strömungsrichtung einer laminaren Strömung in dem betreffenden Kanal ohne das Vorhandensein eines Strömungsleit- und Mischelements 27.

Bei der in 3 dargestellten Variante eines Strömungsleit- und Mischelements 27, welches identisch ist mit dem in 2 im zweiten Kanal von links enthaltenen Strömungsleit- und Mischelement 27, handelt es sich um eine sich in Längsrichtung des Kanals vertikal angeordnete Platte 33, an deren (im konkreten Beispiel vertikalen) Seitenflächen die Strömungsleitstrukturen 29 angeordnet sind. Die Strömungsleitstrukturen sind als sich flügelartig von den Seitenwandungen nach außen erstreckende Wandungen ausgebildet, die, in Flussrichtung I des Mediums gesehen, vorzugsweise schräg zur Platte 33 verlaufen, wobei die Wandungen der Strömungsleitstrukturen 29 vorzugsweise vertikal stehen und der Winkel zwischen der Platte 33 und der Wandung auf der angeströmten Seite vorzugsweise ein Winkel größer als 90 Grad ist. Alternativ oder zusätzlich kann die Wandung der Strömungsleitstruktur 29 konvex gekrümmt in Richtung des die Wandung anströmenden Mediums ausgebildet sein.

Hierdurch wird das anströmende Medium aus Bereichen in der vertikalen Mittenebene in Richtung auf die Wandung des Kanals 15 geführt, wodurch eine Durchmischung des Mediums über den gesamten Querschnitt des Kanals 15 erfolgt. Hierzu kann das Medium auch durch Durchbrüche 35 in der Platte 33 von einer Seite der Platte 33 auf die andere Seite gelangen. Die Durchbrüche 35 sind bei dem in 3 dargestellten Ausführungsbeispiel in Strömungsrichtung nach den Strömungsleitstrukturen 29 vorgesehen. Dies ist bedingt durch eine mögliche vorteilhafte Herstellungsweise des Strömungsleit- und Mischelements 27 nach 3, bei der die Wandungen der Strömungsleitstrukturen 29 durch teilweises Ausstanzen und Ausbiegen aus der Platte 33 erzeugt werden. Hierzu kann die Platte beispielsweise aus Metall bestehen. Selbstverständlich kann dieses Strömungsleit- und Mischelement 27 jedoch auch aus anderen Materialen, beispielsweise aus Kunststoff bestehen und durch ein Spritzgießverfahren oder dergl. hergestellt werden.

Die vertikale Höhe der Platte 33 des Strömungsleit- und Mischelements 27 nach 3 kann im Wesentlichen der vertikalen Höhe des betreffenden Kanals 15 entsprechen. Hierdurch erfolgt eine gewisse Fixierung des Strömungsleit- und Mischelements 27 nach dessen Einschieben in den Kanal 15. Zusätzlich verhindern die flügelartigen Strömungsleitstrukturen 29 eine übermäßige Bewegung der Platte in horizontaler Richtung. Durch die Strömung des Mediums und die hierbei ausgeübten Kräfte auf die Strömungsleitflächen wird sich das Strömungsleit- und Mischelement 27 mit der in 3 dargestellten symmetrischen Struktur selbsttätig so im Kanal 15 ausrichten, dass die Platte 33 in etwa in der vertikalen Symmetrieebene des Kanals 15 liegt.

Bei dem in 4 dargestellten Ausführungsbeispiel eines Strömungsleit- und Mischelements 27 handelt es sich um die in 2 im dritten Kanal 15 von links dargestellte Variante. Auch dieses Strömungsleit- und Mischelement 27 besteht aus einer Platte 33, die jedoch im Wesentlichen horizontal im Bereich der größten horizontalen Ausdehnung des im Querschnitt im Wesentlichen dreieckförmigen Kanals 15 verläuft. An ihrer Unterseite sind wiederum Strömungsleitstrukturen 29 angeordnet, welche Strömungsleitflächen 31 für das die Strömungsleitstrukturen 29 anströmende Medium aufweisen. Die Strömungsleitstrukturen sind als schräg zur Platte 33 und zur Achse des Kanals 15 verlaufende Wandungen ausgebildet und, vorzugsweise konvex in Richtung auf das anströmende Medium ausgebildet. Sie leiten das Medium aus dem oberen Querschnittsbereich des Kanals 15 in den sich verjüngenden unteren Querschnittsbereich. Hierdurch wird eine Durchmischung des Mediums bewirkt und vornehmlich das kühlere Medium aus den querschnittsinneren Bereichen in Richtung auf den unteren Querschnittsbereich geführt. Durch Durchbrüche 35 kann auch ein Austausch des Mediums aus Querschnittsbereichen des Kanals 15 oberhalb der Platte 33 in Querschnittsbereiche unterhalb der Platte 33 erfolgen. Die Fixierung des Strömungsleit- und Mischelements 27 bzw. dessen Position innerhalb des Kanals 15 ergibt sich selbsttätig durch die Breite der Platte 33 in Bezug auf den Verlauf des Querschnitts des Kanals sowie durch das Anströmen der Strömungsleitflächen 31 durch das Medium.

Das in 4 dargestellte Strömungsleit- und Mischelement 27 kann in analoger Weise hergestellt werden wie das in 3 dargestellte Strömungsleit- und Mischelement 27. Hierzu und auch hinsichtlich der möglichen Materialien sei daher auf die vorstehenden Ausführungen verwiesen.

Das in 5 gezeigte Ausführungsbeispiel eines Strömungsleit- und Mischelements 27 weist hinsichtlich der grundlegenden Struktur große Ähnlichkeiten mit der Variante nach 3 auf. Anstelle der flügelartigen Strömungsleitstrukturen sind hier jedoch taschenartige Strömungsleitstrukturen 29 vorgesehen, die alternierend beiderseits einer Platte 33 ausgebildet sind. Die taschenartigen Strömungsleitstrukturen werden dabei jedoch vorzugsweise aus der Richtung I angeströmt, in die sich die Taschen öffnen. Die Strömungsleitflächen 31 befinden sich daher an den Innenwandungen der taschenartigen Strömungsleitstrukturen 29. Durch diese wird das Medium jeweils durch Durchbrüche 35 auf die andere Seite der Platte 33 geführt und gelangt hier in die Öffnung der nächsten taschenartigen Strömungsleitstruktur 29 usw.

Die Herstellung eines derartigen Strömungsleit- und Mischelements 27 kann wiederum ausgehend von einer im wesentlichen ebenen Platte erfolgen, wobei die taschenartigen Strömungsleitstrukturen 29 durch Stanzen und einen Präge- oder Tiefziehprozess oder dergleichen erzeugt werden können.

Hinsichtlich des Fixierens eines derartigen Strömungsleit- und Mischelements 27 sei auf die vorstehenden Ausführungsformen, insbesondere in Verbindung mit der Variante nach 3 verwiesen.

Die Ausführungsform eines Strömungsleit- und Mischelements 27 nach 6 ähnelt in ihrer Struktur der Ausführungsform nach 4. Es ist wiederum eine im Wesentlichen ebene und bei im Kanal eingesetzten Strömungsleit- und Mischelementen horizontal verlaufende Platte 33 vorgesehen, an deren Unterseite sich zapfenartig verlaufende Strömungsleitstrukturen 29 nach unten in den sich verjüngenden Querschnittsbereich des Kanals erstrecken. Wie in 6 dargestellt, können die an sich beliebig unsymmetrischen, zapfenartigen Strömungsleitstrukturen spiegelsymmetrisch zu einer vertikalen Mittelebene (senkrecht zur Strömungsrichtung) oder sogar rotationssymmetrisch zu jeweils einer vertikalen zentralen Achse ausgebildet sein. In diesem Fall kann ein derartiges Strömungsleit- und Mischelement 27 infolge der Spiegelsymmetrie bzw. Rotationssymmetrie der Strömungsleitstrukturen 29 aus beiden Richtungen angeströmt werden, ohne dass sich das Verhalten der Strömung des Mediums ändert. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass bei der Montage des Kühlkörpers nicht auf die Orientierung der Strömungsleit- und Mischelemente 27 geachtet werden muss. Zudem können bedenkenlos der Vorlauf und der Rücklauf der Kühlvorrichtung vertauscht werden.

Selbstverständlich können die zapfenartigen Strömungsleitstrukturen 29 in 6 auch, wie dargestellt, hohl oder massiv ausgebildet sein. Bei einer hohlen Ausbildung wirkt auch die Oberseite eines derartigen Strömungsleit- und Mischelements 27 infolge der Ausnehmungen im Sinne einer das Medium vermischenden Struktur.

Des weiteren können die zapfenartigen Strömungsleitstrukturen 29 in 6 auch schaufelartig ausgebildet sein, beispielsweise als hohle, nach einer Seite geöffnete Struktur, oder zapfenartig hohl mit vorbestimmten Durchbrüchen.

Ein im Wesentlichen identisches Verhalten des Strömungsleit- und Mischelements 27 bzw. ein von der Anströmrichtung unabhängiges Verhalten kann auch mittels eines Strömungsleit- und Mischelements 27 nach 7 erzeugt werden, welches ein zentrales, stangenartiges Trägerelement 37 umfasst, welches eine um das Trägerelement 37 schraubenartig verlaufende Strömungsleitstruktur 29 trägt. Die schraubenartig verlaufende Wandung der Strömungsleitstruktur 29 entspricht mit ihrer Außenkontur im Wesentlichen dem Querschnitt des Kanals 15. Hierdurch ergibt sich eine Fixierung der Position des Strömungsleit- und Mischelements 27 im Kanal 15. Zudem wird vermieden, dass sich entlang der Innenwandung des Kanals eine ungestörte laminare Strömungsschicht ausbildet. Vielmehr ist sichergestellt, dass die Strömung des Mediums dem durch das Strömungsleit- und Mischelement 27 und die Kanalinnenwandung definierten schraubenförmigen Kanal folgt, wobei hierdurch gleichzeitig eine Durchmischung des Mediums aus den einzelnen Querschnittsbereichen erfolgt.

Ein derartiges Strömungsleit- und Mischelement 27 kann beispielsweise durch ein Kunststoff-Spritzgießverfahren auf einfache Weise hergestellt werden.

Die in 8 dargestellte Variante eines Strömungsleit- und Mischelements 27 kann sowohl innerhalb eines Kanals als auch vor einer Kanalöffnung angeordnet werden. Bei dieser Ausführungsform eines Strömungsleit- und -mischelements 27 sind Strömungsleitstrukturen 29 vorgesehen, die sich ausgehend von einem Zentralbereich 39 flügelförmig nach außen erstrecken und jeweils eine Strömungsleitfläche 31 umfassen, welche schräg zur Querschnittsebene des Kanals und schräg zur Längsachse des Kanals verläuft. Hierdurch wird dem Strom des Kühlmediums ein Drall aufgeprägt, welcher zu einer Durchmischung des Mediums führt.

Auch ein derartiges Strömungsleit- und -mischelement 27 kann beispielsweise aus Metall oder Kunststoff bestehen und mittels eines geeigneten Stanz- und Biegeverfahrens oder eines Spritzgießverfahrens hergestellt werden.


Anspruch[de]
  1. Kühlvorrichtung für ein elektronisches Bauelement, insbesondere für einen Mikroprozessor,

    a) mit einem Kühlkörper (7, 9), welcher derart mit dem zu kühlenden elektronischen Bauelement (3) verbindbar ist, dass die von dem elektronischen Bauelement (3) erzeugte Verlustwärme über eine thermische Schnittstelle des elektronischen Bauelements (3) auf den Kühlkörper (7, 9) übergeht,

    b) wobei der Kühlkörper (7, 9) wenigstens einen, von einem Kühlmedium durchströmbaren Kanal (15) aufweist, welches für den Abtransport von Wärmeenergie dient,

    c) wobei in dem wenigstens einen Kanal (15) oder in Strömungsrichtung (I) vor dem wenigstens einen Kanal (15) wenigstens ein Strömungsleit- und -mischelement (27) vorgesehen oder ausgebildet ist,

    d) welches sich über eine vorgegebene axiale Länge des Kanals (15) oder über die gesamte Länge des Kanals (15) erstreckt und welches an mehreren axialen Positionen Strömungsleitstrukturen (29) aufweist, und

    e) wobei das Strömungsleit- und -mischelement (27) aus einem im Wesentlichen ebenen oder gekrümmten, einer geraden oder gekrümmten Achse des Kanals (15) folgenden Basiselement (33) besteht und die Strömungsleitstrukturen (29) an einer Seitenfläche oder beiden Seitenflächen des Basiselements (33) angeordnet sind,

    dadurch gekennzeichnet,

    f) dass die Strömungsleitstrukturen (29) zapfenartig oder taschenartig ausgebildet sind
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Strömungsleit- und -mischelement (27) als separates Bauteil in den Kanal (15) eingesetzt ist oder vor der Einströmöffnung des Kanals (15) montiert ist.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Strömungsleit- und -mischelement (27) wenigstens eine Strömungsleitstruktur (29) umfasst, die eine Strömungsleitfläche (31) aufweist, welche bei einem Anströmen durch das Kühlmedium das Kühlmedium aus einem Querschnittsbereich des Kanals (15), in dem das Kühlmedium eine niedrigere Temperatur aufweist oder zumindest ohne das wenigstens eine Strömungsleit- und -mischelement (27) aufweisen würde, in einen Querschnittsbereichs geleitet wird, in dem das Kühlmedium eine höhere Temperatur aufweist oder zumindest ohne das wenigstens eine Strömungsleit- und -mischelement (27) aufweisen würde, oder umgekehrt.
  4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsleitstrukturen (29) Strömungsleitflächen (31) aufweisen, welche die Strömung des Kühlmediums aus inneren Querschnittsbereichen in Richtung auf die Wandung des Kanals (15) leiten, vorzugsweise in Richtung von solchen Wandungsbereichen, in denen die Energiedichte der abzuführenden Wärmeenergie am größten ist.
  5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsleitstrukturen (29) in äquidistanten axialen Abständen vorgesehen sind.
  6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsleitstrukturen (29) so ausgebildet sind, dass sich bei einem Anströmen der Strömungsleitstrukturen (29) durch das Kühlmedium aus beiden axialen Richtungen (I) des betreffenden Kanals (15) ein im Wesentlichen gleiches Verhalten hinsichtlich der Strömungsleit- und Mischwirkung des Strömungsleit- und Mischelements ergibt (27), wobei die Strömungsleitstrukturen (29) vorzugsweise zu einer senkrecht zur Achse des Kanals (15) verlaufenden Ebene spiegelsymmetrische Strömungsleitflächen (31) oder zu einer zur Achse des Kanals (15) senkrecht verlaufenden Achse rotationssymmetrische Strömungsleitflächen (31) aufweisen.
  7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Basiselement (33) eine Höhe aufweist, die im Wesentlichen der geometrischen Abmessung des Querschnitts des Kanals (15) in einer vorbestimmten Richtung entspricht, vorzugsweise der maximalen Höhe des Kanals (15).
  8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsleitstrukturen (29) so ausgebildet sind, dass sie zumindest punktweise an der Innenwandung des Kanals (15) anliegen.
  9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Basiselement (33) Durchbrüche (35) aufweist und dass die Strömungsleitstrukturen (29) so angeordnet und ausgebildet sind, dass ein Teil der Strömung oder im Wesentlichen die gesamte Strömung durch die Durchbrüche (35) geleitet wird.
  10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsleitstrukturen (29) durch Ausformen aus einem im Wesentlichen plattenförmigen Ausgangselement (33) gebildet sind, insbesondere durch einen Stanz-Biegeprozess, einen Prägeprozess oder einen Tiefziehprozess, wobei das Ausgangselement vorzugsweise aus einem Metall oder Kunststoff besteht.
Es folgen 8 Blatt Zeichnungen






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