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PATENTANSPRÜCHE
1. Vorrichtung zum Wärmeaustausch zwischen zwei starren Wärmeträgern (17, 20), die durch geradliniges Verschieben miteinander in mechanischen Kontakt bringbar oder aus diesem lösbar sind, dadurch gekennzeichnet, - dass die Kontaktflächen beider Wärmeträger (17, 20) je eine Vielzahl von Borsten (18, 25) mit folgenden Eigenschaften tragen: Sie sind wärmeleitend und stehen in Wärmekontakt mit der jeweiligen Kontaktfläche (17, 20); sie weisen von der jeweiligen Kontaktfläche (17, 20) weg und sind in Richtung der Verschiebung (12) ausgerichtet; sie sind in Richtung der Verschiebung (12) starr und quer dazu elastisch auslenkbar;
und dass die Borsten (18, 25) im Mittel gleichmässig über die Kontaktflächen verteilt sind, derart, dass die jeweils einen Borsten (25, 18) zwischen sich wenigstens so viel Platz freilassen wie die jeweils anderen Borsten (18, 25) Platz einnehmen.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Borsten (18, 25) aus Buntmetall bestehen.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Borsten (18, 25) gewellt sind.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Borsten (18, 25) nach aussen spitz auslaufen.
5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Borsten (18, 25) aus Draht bestehen.
6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Borsten (18, 25) aus kammartig gestanztem Blech (29) mit Stegen (30) bestehen.
7. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Stege (30) der Bleche (29) Bestandteil der Wärmeträger (17, 20) sind.
8. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, - dass die Kontaktfläche des einen Wärmeträgers (20) durch die Rohrwandung von Kühlrohren (20) gebildet wird, die zu mehreren parallel in einem Elektronikgestell angeordnet sind, und - dass die Kontaktfläche des anderen Wärmeträgers durch die Rückwand (17) einer kastenförmigen Baueinheit (10) gebildet wird, an der sich die Verlustwärme von in der Baueinheit (10) enthaltenen elektronischen Baugruppen (13) sammelt.
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Wärmeaustausch zwischen zwei starren Wärmeträgern, die durch geradliniges Verschieben miteinander in mechanischen Kontakt bringbar oder aus diesem lösbar sind.
Es ist ein etagenweise aufgeteiltes Elektronikgestell bekannt, das zur Aufnahme und Kühlung von in sich abgeschlossenen, auswechselbaren, elektronischen Baueinheiten bzw. Einschüben dient. Die durch die Elektronik der Baueinheiten erzeugte Verlustwärme wird zentral an der Rückwand der Baueinheiten gesammelt und durch ein zentrales Siedekühlsystem des Elektronikgestells übernommen und abgeführt. Zu disem Zweck stehen die Rückwände der Baueinheiten in direktem Wärmekontakt mit den Siederohren des Siedekühlsystems.
Das Halbleitermaterial der aktiven Elemente der Elektronik sollte sich aus Gründen der Alterungsbeständigkeit nicht wesentlich über 700C erwärmen. Ein vollständiges Kühlsystem entsprechend dem des genannten Patentgesuchs muss daher so ausgebildet sein, dass langzeitig ein ausreichender Wärmefluss gewährleistet ist und sich nirgends durch Veränderung von Systemparametern ein Wärmestau ergeben kann. Schwachpunkte in dieser Hinsicht bilden jedoch die Wärmeübergangsstellen zwischen den Rückwänden der auswechselbaren Baueinheiten und den gestellinternen Siederohren.
Der Wärmeübertragungswiderstand zwischen zwei festen Körpern ist umso geringer, je dünner der lufterfüllte Zwischenraum bzw. Spalt zwischen deren Kontaktflächen ist. Es ist daher bekannt, zur Verringerung des Wärmeübergangswiderstandes, die Kontaktflächen der Körper planzuschleifen oder zu polieren. Auch durch Druckaufwendung und Ausnützung der elastischen Eigenschaften der Körper lassen sich luftgefüllte Spalte minimieren. Schliesslich ist es auch bekannt, Spalte zwischen Kontaktflächen durch eine geeignete Wärmekontaktpaste auszufüllen. Diese vermindert aufgrund ihrer gegenüber Luft beträchtlich höheren Wärmeleitfähigkeit den Wärmeübergangswiderstand der Spalte.
Im Falle eines Elektronikgestells ist es zu teuer und aus Toleranzgründen kaum möglich, die zu kontaktierenden Flächen sauber aufeinander abzustimmen. Auch die Verwendung von Wärmekontaktpasten kommt nur bedingt infrage, da deren Handhabung umständlich und ein Erfolg nicht auf Dauer gewährleistet ist, da eine Paste aus senkrechten Spalten mit der Zeit herauslaufen kann, was den jeweiligen Übergangswiderstand unkontrollierbar beeinflussen würde.
Es ist die Aufgabe der Erfindung, ganz allgemein eine Vorrichtung anzugeben, die einen verringerten und vor allem dauerhaft gleichbleibenden Wärmeübergangswert zwischen relativ grossen zu kontaktierenden Flächen gewährleistet, wobei die Flächen jederzeit auf einfachste Art trennbar sein sollen. Im speziellen besteht die Aufgabe der Erfindung darin, in einem Elektronikgestell einen einwandfreien Wärmekontakt zwischen auswechselbaren Baueinheiten und einer zentralen, gestellinternen Flüssigkeitskühlung auf einfache Art sicherzustellen.
Die Lösung dieser Aufgabe ist gekennzeichnet durch die Kennzeichen von Anspruch 1. Die nachfolgenden Ansprüche geben Ausgestaltungen der Erfindung wieder.
Im folgenden wird die Erfindung anhand von 3 Figuren beispielsweise näher beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 Seitlicher Teilausschnitt durch ein Elektronikgestell mit auswechselbarer Baueinheit und fest montiertem Siederohr.
Fig. 2 Kammartig gestanztes Blech.
Fig. 3 Ausschnitt einer Baueinheit, die aus Blechen entsprechend Fig. 2 zusammengesetzt ist.
Fig. 1 zeigt einen Ausschnitt aus einem Elektronikgestell in Seitenansicht. Eine kastenförmige, in sich abgeschlossene Baueinheit 10 lässt sich auf einer Führungsschiene 11 durch Verschiebung in Richtung des Doppelpfeiles 12 in das Gestell einschieben bzw. aus diesem entnehmen. Die Baueinheit 10 umfasst mehrere, waagrecht liegende elektronische Baugruppen oder Leiterplatten 13, an denen durch die nicht gezeigten elektronischen Bauelemente Verlustwärme entsteht. Die Baugruppen 13 stehen in direktem Wärmekontakt mit ihnen zugeordneten, plattenförmigen Wärmeleitern 15, die die Wärme übernehmen und ableiten zur Rückwand 17 der Baueinheit 10. Diese Rückwand 17 kann beispielsweise eine Aluminiumplatte von 8 bis 10 mm Dicke sein, an der die Wärmeleiter 15 wärmeschlüssig befestigt sind.
Nach aussen weisend trägt die Rückwand 17 eine Vielzahl gleich langer Borsten 18. Diese sind gut wärmeleitend, stehen in Wärmekontakt mit der Rückwand 17, sind in Längsrichtung weitgehend starr und quer dazu elastisch nachgebend und stehen orthogonal zur Aussenfläche der Rückwand 17. Die Borsten 18 sind weiter im Mittel gleichmässig über die Rückwand 17 verteilt und bedecken etwa 30 bis 50% der beim gegebenen Borstenquerschnitt durch Borsten maximal bedeckbaren Fläche.
Fest mit dem Elektronikgestell verbunden sind mehrere parallel angeordnete Kühlrohre 20, von denen eines ausschnittweise und geschnitten gezeigt ist. Im Inneren der Rohre befindet sich eine beliebige Kühl- oder Siedeflüssigkeit 21. Die Rohre 20 tragen ebenfalls Borsten 25, die in Richtung des Doppelpfeils 12 ausgerichtet sind und deren Eigenschaften denen der Borsten 18 entsprechen.
Durch den angegebenen Borsten-Bedeckungsgrad von 30 bis
50No und die sonstigen Eigenschaften der Borsten 18 und 25 ist es möglich, die Baueinheiten 10 so weit in das Elektronikgestell einzuschieben, dass die Vielzahl der Borsten 18 und 25 sich gegenseitig verzahnend bündig ineinandergreift. Hierdurch entsteht ein inniger, dauerhafter Wärmekontakt zwischen den jeweiligen Rückwänden 17 der auswechselbaren Baueinheiten 10 und den gestellinternen Siederohren 20.
Als Material für die Borsten 18 und 25 kommt beispielsweise runder Metalldraht, vor allem Messing oder Bronze infrage.
Die Borsten können einzeln, reihenweise oder - wie bei Bürsten üblich - büschelweise an der Rückwand 17 bzw. den Kühlrohren 20 befestigt sein. Der angegebene Bedeckungsgrad ist erforderlich, damit die Borsten 18 und 25 genügend Platz beim Ineinanderschieben finden und sich im ineinandergeschobenen Zustand seitlich innig kontaktieren. Durch leichte, wellenartige Verformung der Borsten kann der seitliche, elastische Kontakt weiter verbessert werden.
Verfahren zum Anbringen der Borsten 18 bzw. 25 sind aus der Bürstenherstellung bekannt. So können die Borsten 18 zum Beispiel in durchgehende Löcher der Rückwand 17 eingepresst sein.
Ein höherer Bedeckungsgrad als mit runden Borsten lässt sich mit eckigen Borsten, zum Beispiel solchen mit dreieckigem Querschnitt, erreichen. Sind die Borsten an ihren äusseren Enden angespitzt oder insgesamt konisch, so erleichtert dies das Ineinanderschieben.
Haben die Kühlrohre 20 rechteckigen Querschnitt, so sind die Borsten 25 alle gleich lang und stehen orthogonal zu der nach aussen gerichteten Fläche. Sind die Kühlrohre 20 dagegen rund, ist zwischen den Kühlrohren und den Borsten 25 entweder ein geeignet geformtes Zwischenstück anzuordnen oder die Borsten haben verschiedene Länge, derart, dass die Enden der parallel angeordneten Borsten eine Ebene bilden. Weiter ist es auch möglich, gebogene, aufeinander abgestimmte Flächen mit zueinander parallel ausgerichteten Borsten einheitlicher Länge zu versehen. Auch in diesem Fall ist durch geradliniges Verschieben der einen Fläche gegenüber der anderen eine Verzahnung der Borsten möglich.
In einer speziellen Ausgestaltung der Erfindung bestehen die Borsten 18 aus gestanztem Blech 29 und sind entsprechend Fig.
2 kammartig durch einen Steg 30 miteinander verbunden. Aus darartigen Blechen 29, die entsprechend Fig. 3 abwechselnd mit borstenlosen Blechen 31 gestapelt und in diesem Zustand miteinander verbunden werden, lässt sich auf einfache Weise eine Rückwand 17 mit daran befestigten Borsten 18 aufbauen.
Durch geeignete Dimensionierung der Stege 30 sind bei diesem Aufbau weiter auch die Wärmeleiter 15 auf einfachste Weise mitherstellbar.
Weisen die Stege 30 von Blechen 29 geeignete Öffnungen auf, so lassen sich durch diese Öffnungen die Kühlrohre 20 führen und in Wärmekontakt mit den Stegen 30 bringen, zum Beispiel durch Verlöten. Die Vielzahl der Stege bilden in diesem Fall das weiter oben erwähnte Zwischenstück zwischen den Rohren 20 und den Borsten 25.
Die Vorrichtung zum Wärmeaustausch ist nicht auf die Anwendung in Elektronikgestellen mit Flüssigkeitskühlung beschränkt. Sie kann grundsätzlich überall dort eingesetzt werden, wo starre Wärmeträger zum Zwecke des Wärmeaustausches in einer dauerhaften, jedoch jederzeit lösbaren Verbindung miteinander stehen.
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PATENT CLAIMS
1. Device for heat exchange between two rigid heat carriers (17, 20), which can be brought into mechanical contact with or detachable from one another by linear displacement, characterized in that - the contact surfaces of both heat carriers (17, 20) each have a plurality of bristles ( 18, 25) with the following properties: They are thermally conductive and are in thermal contact with the respective contact surface (17, 20); they point away from the respective contact surface (17, 20) and are oriented in the direction of the displacement (12); they are rigid in the direction of displacement (12) and can be deflected elastically transversely thereto;
and that the bristles (18, 25) are evenly distributed on average over the contact surfaces, such that the one bristle (25, 18) leaves between them at least as much space as the other bristles (18, 25) take up space.
2. Device according to claim 1, characterized in that the bristles (18, 25) consist of non-ferrous metal.
3. Device according to claim 1, characterized in that the bristles (18, 25) are corrugated.
4. The device according to claim 1, characterized in that the bristles (18, 25) taper to the outside.
5. The device according to claim 1, characterized in that the bristles (18, 25) consist of wire.
6. The device according to claim 1, characterized in that the bristles (18, 25) made of comb-like stamped sheet metal (29) with webs (30).
7. The device according to claim 1 and 6, characterized in that the webs (30) of the sheets (29) are part of the heat transfer medium (17, 20).
8. The device according to claim 1, characterized in that - the contact surface of the one heat transfer medium (20) is formed by the tube wall of cooling tubes (20) which are arranged in parallel in an electronics frame, and - that the contact surface of the other heat transfer medium the rear wall (17) of a box-shaped assembly (10) is formed, on which the heat loss from electronic assemblies (13) contained in the assembly (10) collects.
The invention relates to a device for heat exchange between two rigid heat carriers, which can be brought into mechanical contact with one another by linear displacement or can be detached therefrom.
An electronic rack divided into floors is known, which is used to hold and cool self-contained, interchangeable, electronic units or plug-in units. The heat loss generated by the electronics of the components is collected centrally on the rear wall of the components and taken over and dissipated by a central evaporative cooling system in the electronics frame. For this purpose, the rear walls of the units are in direct thermal contact with the boiler tubes of the evaporative cooling system.
The semiconductor material of the active elements of electronics should not heat up significantly above 700C for reasons of aging resistance. A complete cooling system in accordance with that of the patent application mentioned must therefore be designed in such a way that sufficient heat flow is guaranteed for a long time and that no heat build-up can occur anywhere due to changes in system parameters. Weak points in this regard, however, are the heat transfer points between the rear walls of the interchangeable units and the internal boiler tubes.
The heat transfer resistance between two solid bodies is lower, the thinner the air-filled space or gap between their contact surfaces. It is therefore known, to reduce the heat transfer resistance, surface grinding or polishing the contact surfaces of the body. Air-filled gaps can also be minimized by applying pressure and utilizing the elastic properties of the body. Finally, it is also known to fill gaps between contact areas with a suitable thermal contact paste. Due to its considerably higher thermal conductivity than air, this reduces the heat transfer resistance of the gaps.
In the case of an electronic frame, it is too expensive and, for reasons of tolerance, it is hardly possible to properly coordinate the surfaces to be contacted. The use of thermal contact pastes is also only of limited use, since their handling is cumbersome and success cannot be guaranteed in the long term, since a paste can run out of vertical columns over time, which would have an uncontrollable influence on the respective contact resistance.
It is the object of the invention to provide, in general, a device which ensures a reduced and, above all, permanently constant heat transfer value between relatively large surfaces to be contacted, the surfaces being to be separable in the simplest manner at all times. In particular, the object of the invention is to ensure, in an electronic frame, a perfect thermal contact between exchangeable units and a central, liquid cooling inside the frame in a simple manner.
The solution to this problem is characterized by the features of claim 1. The following claims reflect embodiments of the invention.
The invention is described in more detail below with reference to 3 figures, for example. Show it:
Fig. 1 Partial side section through an electronics frame with interchangeable unit and fixed boiler tube.
Fig. 2 comb-like stamped sheet.
Fig. 3 section of a structural unit, which is composed of sheets according to FIG. 2.
Fig. 1 shows a section of an electronics frame in side view. A box-shaped, self-contained unit 10 can be inserted into or removed from the frame on a guide rail 11 by displacement in the direction of the double arrow 12. The assembly 10 comprises a plurality of horizontally lying electronic assemblies or printed circuit boards 13, on which heat is generated by the electronic components, not shown. The assemblies 13 are in direct thermal contact with the plate-shaped heat conductors 15 assigned to them, which absorb and dissipate the heat to the rear wall 17 of the structural unit 10. This rear wall 17 can be, for example, an aluminum plate 8 to 10 mm thick, to which the heat conductors 15 are attached in a heat-tight manner are.
Pointing outwards, the rear wall 17 carries a plurality of bristles 18 of equal length. These are good heat conductors, are in thermal contact with the rear wall 17, are largely rigid in the longitudinal direction and yield elastically transversely thereto, and are orthogonal to the outer surface of the rear wall 17. The bristles are 18 further distributed on average evenly over the rear wall 17 and cover approximately 30 to 50% of the maximum area that can be covered by bristles in the given bristle cross section.
Firmly connected to the electronics frame are a plurality of cooling tubes 20 arranged in parallel, one of which is shown in detail and cut. Any cooling or boiling liquid 21 is located in the interior of the tubes. The tubes 20 also carry bristles 25 which are oriented in the direction of the double arrow 12 and whose properties correspond to those of the bristles 18.
Due to the specified bristle coverage of 30 to
50No and the other properties of the bristles 18 and 25, it is possible to insert the structural units 10 into the electronics frame to such an extent that the plurality of bristles 18 and 25 mesh with one another in a mutually interlocking manner. This creates an intimate, permanent thermal contact between the respective rear walls 17 of the exchangeable structural units 10 and the boilers 20 inside the frame.
Round metal wire, in particular brass or bronze, can be used as the material for the bristles 18 and 25.
The bristles can be fastened individually, in rows or, as is usual with brushes, in tufts to the rear wall 17 or the cooling tubes 20. The specified degree of coverage is necessary so that the bristles 18 and 25 find enough space when pushed into one another and make intimate contact laterally when pushed into one another. Lateral, elastic contact can be further improved by slight, wave-like deformation of the bristles.
Methods for attaching the bristles 18 and 25 are known from brush production. For example, the bristles 18 can be pressed into through holes in the rear wall 17.
A higher degree of coverage than with round bristles can be achieved with angular bristles, for example those with a triangular cross section. If the bristles are sharpened at their outer ends or are conical overall, this facilitates pushing one into the other.
If the cooling tubes 20 have a rectangular cross section, the bristles 25 are all of the same length and are orthogonal to the outward-facing surface. If, on the other hand, the cooling tubes 20 are round, either a suitably shaped intermediate piece is to be arranged between the cooling tubes and the bristles 25 or the bristles have different lengths such that the ends of the bristles arranged in parallel form a plane. Furthermore, it is also possible to provide curved, coordinated surfaces with bristles of uniform length aligned parallel to one another. In this case too, a toothing of the bristles is possible by moving one surface in a straight line relative to the other.
In a special embodiment of the invention, the bristles 18 consist of stamped sheet metal 29 and are shown in FIG.
2 comb-like connected by a web 30. A rear wall 17 with bristles 18 attached to it can be easily constructed from such sheets 29, which are alternately stacked with bristle-free sheets 31 according to FIG. 3 and connected to one another in this state.
By suitably dimensioning the webs 30, the heat conductors 15 can also be produced in the simplest way in this construction.
If the webs 30 of sheet metal 29 have suitable openings, the cooling tubes 20 can be guided through these openings and brought into thermal contact with the webs 30, for example by soldering. In this case, the multiplicity of webs form the intermediate piece mentioned above between the tubes 20 and the bristles 25.
The heat exchange device is not limited to use in liquid cooling electronics racks. In principle, it can be used wherever rigid heat transfer media are in a permanent connection that can be released at any time for the purpose of heat exchange.