AT8408U1

AT8408U1 - Vorrichtung zur kühlung von zentraleinheiten

Info

Publication number: AT8408U1
Application number: AT0809205U
Authority: AT
Inventors: Christian Dipl Ing Dr Kolbeck
Original assignee: Christian Dipl Ing Dr Kolbeck
Priority date: 2003-11-25
Filing date: 2005-11-14
Publication date: 2006-07-15

Abstract

Es wird eine Vorrichtung zur Kühlung von Zentraleinheiten (Central Processing Units) durch Ableitung der Abwärme mit Hilfe eines kühlmediumdurchströmten Wärmetauschers angegeben. Dabei ist in einem Gehäuse (1) versehen mit zumindest einer Kühlmediumzufuhr (3) und zumindest einer Kühlmediumabfuhr (4) ein offenporiger, kühlmediumdurchströmter Metallschaum (2) mit großer geometrischer Oberfläche beinhaltet.

Description

2 AT 008 408 U1

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Kühlung von Zentraleinheiten (Central Processing Units) durch Ableitung der Abwärme mit Hilfe eines kühlmediumdurchströmten Wärmetauschers, bestehend aus einem Gehäuse mit zumindest einer Kühlmediumzufuhr und zumindest einer Kühlmediumabfuhr und einem offenporigen, kühlmediumdurchströmten Metallschaum mit 5 großer geometrischer Oberfläche.

Um die Leistungsfähigkeit von Zentraleinheiten über die Einsatzdauer zu gewährleisten beziehungsweise weiter zu erhöhen, bedarf es äußerst effizienter Wege diese zu kühlen. io Technologisch kann hierbei zwischen zwei großen Gruppen an Wärmetauschern unterschieden werden.

In die erste Gruppe fallen Systeme bei denen die Abwärme über eine Kupferplatte, die direkt auf die Zentraleinheit aufgesetzt ist, eine auf die Kupferplatte aufgesetzte so genannte Kühlrip-15 pe aus zum Beispiel Aluminium und einen wiederum auf die Kühlrippe aufgesetzten so genannten Lüfter an die Umgebungsluft abgeben wird.

Zur zweiten Kategorie zählen kühlmediumdurchströmte Wärmetauscher, welche ebenfalls direkt auf die Zentraleinheit aufgesetzt sind und die von der Zentraleinheit abgegebene Wärme an ein 20 flüssiges Kühlmedium, wie etwa Wasser, überführen.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist darin zu sehen, eine Vorrichtung zur Kühlung von Zentraleinheiten (CPUs) zu schaffen, die durch die Verwendung eines offenporigen, kühlmediumdurchströmten Metallschaumes mit großer geometrischer Oberfläche als wichtigsten Be-25 standteile des erfindungsgemäß vorgestellten Wärmetauschers eine effektivere Kühlung von Zentraleinheiten als bestehende Systeme erzielt.

Durch die hohe Porosität des Metallschaumes gelingt es zudem das Gewicht der Kühlvorrichtung zu reduzieren. 30

Nach der Erfindung wird die Aufgabe bei einer gattungsgemäßen Vorrichtung durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben. 35 Dabei wird der Metallschaum vorzugsweise aus einem Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit wie zum Beispiel Kupfer, Aluminium oder einem speziellen Edelstahl hergestellt. Gleichzeitig zeichnet sich der Metallschaum durch hohe Korrosionsbeständigkeit und hohe mechanische Festigkeit aus. 40 Der erfindungsgemäß zum Einsatz kommende Metallschaum kann mit zwei unterschiedlichen Verfahren hergestellt werden. Ein Verfahren beruht auf der Imprägnierung eines PU-Schaum-Precursors mit einem so genannten Slurry, der sphärische Metallpartikel mit exakt definierter Partikelgrößenverteilung enthält, und einem anschließenden Sinterprozess. 45 Bei dem anderen Verfahren handelt es sich um ein herkömmliches Feingussverfahren.

Ein besonderer Vorteil des verwendeten Metallschaumes besteht in der unregelmäßigen Zellanordnung, die innerhalb kürzester Wegstrecken eine 3D-Durchmischung, das heißt eine turbulente Durchmischung des Kühlmediums ermöglicht. 50

Dadurch kann die über den Metallschaum abgeleitete Abwärme der Zentraleinheit schnell an das Kühlmedium beziehungsweise in weiterer Folge an die Umgebung abgegeben werden.

Vorzugsweise ist der Metallschaum mit einer gewissen Porenanzahl ausgestattet, die sich in 55 einem Bereich von 3 bis 80 Poren pro inch (pores per (linear) inch oder in der Abkürzung ppi) 3 AT 008 408 U1 befindet.

Weiterhin ist der Metallschaum mit einer relativen Dichte im Bereich von 2 bis 20 % ausgebildet. 5 Die Geometrie des erfindungsgemäß zum Einsatz kommenden Metallschaumes ist dabei nahezu frei wählbar.

Zum schnellen Abtransport der über den Metallschaum abgeleiteten Wärme wird dieser nach der Erfindung von einem Kühlmedium durchströmt. 10

Bei dem Kühlmedium handelt es sich vorzugsweise um Wasser, das mit Hilfe einer Pumpe durch den Metallschaum umgepumpt werden kann.

Das Gehäuse in das der Metallschaum eingebracht ist kann sowohl aus demselben Metall wie 15 der Metallschaum, aber auch aus einem anderen Material bestehen.

Jedenfalls muss der Boden des Gehäuses aus einem Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit ausgebildet sein. 20 Um einen so genannten Bypass-Effekt zu vermeiden und einen idealen Wärmeübergang vom Gehäuse zum Metallschaum zu gewährleisten ist der Metallschaum passend in das Gehäuse eingebracht.

Zur möglichst schnellen Übertragung der Abwärme vom Boden des Gehäuses an den kühlme-25 diumdurchströmten Metallschaum muss der Metallschaum zumindest mit dem Boden des Gehäuses wärmeleitfähig, stoffschlüssig verbunden sein.

Dabei kann diese Verbindung durch einen Lötprozess unter Verwendung eines Lotes mit hoher Wärmeleitfähigkeit, wie zum Beispiel eines silberhaltigen Lotes oder durch einen Schweißpro-30 zess herbeigeführt werden.

Darüber hinaus kann der Metallschaum auch mit dem gesamten Gehäuse durch einen der oben erwähnten Prozesse wärmeleitfähig, stoffschlüssig verbunden sein. 35 Um einen Kühlmediumdurchfluss zu ermöglichen muss das Gehäuse zumindest eine Kühlmediumzufuhr und zumindest eine Kühlmediumabfuhr enthalten.

Vorzugsweise sind diese, um eine möglichst vollständige Durchströmung des Schaumes zu garantieren, nicht direkt gegenüberliegend zueinander angeordnet. 40

Des Weiteren muss der Boden des Gehäuses der Vorrichtung einen direkten, innigen Kontakt zur Zentraleinheit aufweisen um die abzuleitende Abwärme möglichst schnell aufnehmen, an den Metallschaum und in weitere Folge an das Kühlmedium abgeben zu können. 45 Die Erfindung ist nachstehend anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung der Aufsicht in verkleinertem Maßstab eines Ausführungsbeispieles einer Vorrichtung zur Kühlung von Zentraleinheiten nach der Erfindung; so Fig. 2 eine Vorderansicht in verkleinertem Maßstab entsprechend der Fig. 1;

Fig. 3 eine Seitenansicht in verkleinertem Maßstab entsprechend der Fig. 1.

In den Fig. 1-3 ist ein vom Kühlmedium durchströmtes Gehäuse 1 mit einem Metallschaum 2 dargestellt, bei dem die Kühlmediumanschlüsse 3, 4 nicht direkt gegenüberliegend zueinander 55 angeordnet sind.

Claims

4 AT 008 408 U1 Dabei ist der Metallschaum 2 durch einen Lötprozess, unter Verwendung eines silberhaltigen Lotes mit hoher Wärmeleitfähigkeit, mit dem Boden 5 des Gehäuses 1 wärmeleitfähig, Stoffschlüssig verbunden. 5 Um die Kühlleistung weiter zu erhöhen, kann zusätzlich zwischen der Vorrichtung und der Zentraleinheit an der Unterseite des Gehäuses eine separate Kupferplatte angeordnet sein. Des Weiteren können zusätzlich auf der Oberseite des Gehäuses eine so genannte Kühlrippe und/oder ein so genannter Lüfter montiert sein, wobei auch die Kühlrippe als Metallschaum io ausgebildet sein kann. Sowohl zwischen der Vorrichtung, einer separaten Kupferplatte und der Zentraleinheit, als auch zwischen der Vorrichtung und einer Kühlrippe kann zur verbesserten Wärmeübertragung eine Wärmeleitpaste aufgebracht sein. 15 Ansprüche: 1. Vorrichtung zur Kühlung von Zentraleinheiten durch Ableitung der Abwärme mit Hilfe eines 20 kühlmediumdurchströmten Wärmetauschers, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Ge häuse (1) versehen mit zumindest einer Kühlmediumzufuhr (3) und zumindest einer Kühlmediumabfuhr (4) ein offenporiger, kühlmediumdurchströmter Metallschaum (2) großer geometrischer Oberfläche mit einer Porenanzahl von zumindest 3 ppi (Poren pro inch) beinhaltet ist. 25
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Metallschaum (2) aus Kupfer (Cu), Aluminium (AI) oder einem Edelstahl mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit, hohen Korrosionsbeständigkeit und hohen mechanische Festigkeit besteht.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Metallschaum (2) mit einem Pulversinterverfahren oder einem Feingussverfahren hergestellt ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Metallschaum (2) mit einer, eine 3D-Durchströmung hervorrufenden, unregelmäßigen Zellanordnung mit einer 35 Mischerfunktion ausgebildet ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Metallschaum (2) mit einer Porenanzahl in einem Bereich von 3 bis 80 ppi ausgebildet ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Metallschaum (2) mit einer relativen Dichte im Bereich von 2 bis 20 % aufgebaut ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Metallschaum (2) von einem Kühlmedium durchströmt wird. 45
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlmedium Wasser ist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlmedium durch den Metallschaum (2) gepumpt wird. 50
10. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (1) aus demselben Metall wie der Metallschaum (2) besteht.
11. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (1) aus einem 55 anderen Material als der Metallschaum (2) aufgebaut ist. 5 AT 008 408 U1
12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Boden (5) des Gehäuses (1) aus einem Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit aufgebaut ist.
13. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Metallschaum (2) pas- 5 send in das Gehäuse (1) eingebracht ist.
14. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Metallschaum (2) mit dem Boden (5) des Gehäuses (1) wärmeleitfähig, stoffschlüssig verbunden ist. io 15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die wärmeleitfähige, stoffschlüssige Verbindung zwischen dem Boden (5) des Gehäuses (1) und dem Metallschaum (2) durch einen Lötprozess herbeigeführt wird.
16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass als Lot ein Material mit 15 hoher Wärmeleitfähigkeit Verwendung findet.
17. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Lot mit hoher Wärmeleitfähigkeit ein silberhaltiges Lot ist.
18. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die wärmeleitfähige, stoff schlüssige Verbindung zwischen dem Boden (5) des Gehäuses (1) und dem Metallschaum (2) durch einen Schweißprozess herbeigeführt wird.
19. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Metallschaum (2) mit 25 dem gesamten Gehäuse (1) nach Anspruch 15 oder 18 wärmeleitfähig, stoffschlüssig ver bunden ist.
20. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass diese zumindest eine Kühlmediumzufuhr (3) und zumindest eine Kühlmediumabfuhr (4) besitzt, die nicht direkt gege- 30 nüberliegend zueinander angeordnet sind.
21. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Boden (5) das Gehäuses (1) einen direkten, innigen Kontakt zur Zentraleinheit aufweist. 35 Hiezu 2 Blatt Zeichnungen 40 45 50