DE10056172A1 - Elektrisches Bauteil - Google Patents
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Abstract
Es wird ein elektrisches Bauteil (10) beschrieben, das wenigstens eine Halteplatte (12) aufweist, auf der elektrische Komponenten (11) angeordnet und/oder in dieser integriert sind. Weiterhin ist eine Kühleinrichtung (20) zum Kühlen des elektrischen Bauteils (10) vorgesehen. Um eine effektive Kühlung des elektrischen Bauteils (10) bei gleichzeitig geringem Platzbedarf der Kühleinrichtung (20) zu schaffen, ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß die Kühleinrichtung (20) als Wärmetauscher ausgebildet ist, der innerhalb der Halteplatte (12) vorgesehen ist. Der Wärmetauscher kann beispielsweise ein Kanalsystem mit einem oder mehreren Kühlkanälen (21) aufweisen, wobei diese vorzugsweise als Mikrokanäle ausgebildet sind. Die Kühlkanäle (21) werden von einem Kühlmedium durchströmt.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein elektrisches Bauteil gemäß dem Oberbegriff
von Patentanspruch 1.
Elektrische Bauteile sind in vielfältiger Weise bekannt. Bei einer Art elektrischer
Bauteile handelt es sich um elektrische Hochleistungsbauteile, etwa um
Hochleistungsprozessoren. Ein Prozessor, auch CPU (Central Processing Unit)
genannt, ist die zentrale Verarbeitungseinheit eines Rechners, etwa dessen Rechen-
und Steuereinheit.
Derartige elektrische Bauteile bestehen in der Regel aus einer Reihe elektrischer
Komponenten, die entweder auf wenigstens einer Halteplatte angeordnet und/oder in
der Halteplatte integriert sind, etwa in Form integrierter Schaltkreise.
Elektrische Hochleistungsbauteile produzieren während ihres Betriebs Wärme, die
abgeführt werden muß, um eine Beschädigung der Bauteile und/oder von deren
Umgebung zu vermeiden. Zur Abfuhr der Wärme sind entsprechende
Kühleinrichtungen zum Kühlen des elektrischen Bauteils vorgesehen.
Bei einer bekannten Kühleinrichtung handelt es sich um eine Luftkühlung, die über
ein Luftgebläse verfügt. Das Luftgebläse richtet einen kühlenden Luftstrom auf das
elektrische Bauteil, über den dieses bei Erwärmung gekühlt wird. Diese bekannte
Lösung weist jedoch eine Reihe von Nachteilen auf. So wird für die Kühleinrichtung,
und hier insbesondere das Luftgebläse, ein relativ großer Bauraum benötigt.
Weiterhin erzeugt das Luftgebläse nicht selten störende Nebengeräusche. Wenn das
Luftgebläse und das zu kühlende elektrische Bauteil in einem Gehäuse eingebaut
sind, kann die Situation auftreten, daß die Luft innerhalb des Gehäuses aufgrund
mangelnder Luftzufuhr von außen oder aufgrund anderer elektrischer Bauteile
innerhalb der Gehäuses, die ebenfalls Wärme produzieren, nicht ausreichend kalt ist,
um für die erforderliche Kühlung des der Kühleinrichtung zugeordneten elektrischen
Bauteiles zu sorgen.
Eine andere bekannte Kühleinrichtung ist in Form einer Wasserkühlung ausgebildet.
Eine Wasserkühlung hat verschiedene Vorteile gegenüber einer Luftkühlung. So ist
die Temperatur des Kühlmediums Wasser wesentlich geringer als etwa die
Lufttemperatur innerhalb eines Gehäuses. Weiterhin ist der Wärmeleitwiderstand
einer Wasser-Kühleinrichtung geringer als derjenige einer Luftkühlung.
Eine bekannte Wasser-Kühleinrichtung für einen elektrischen
Hochleistungsprozessor weist beispielsweise einen lamellenartigen Kühlkörper auf,
der innerhalb eines Kühlgehäuses angeordnet ist. Das Kühlgehäuse weist einen
Wasser-Zulauf sowie einen Wasser-Ablauf auf. Ansonsten ist das Kühlgehäuse
hermetisch abgeschlossen, so daß Wasser nur über den Zulauf in das Kühlgehäuse
eintreten, beziehungsweise über den Ablauf aus dem Kühlgehäuse austreten kann.
Der lamellenartige Kühlkörper bildet durch seine Struktur eine Anzahl von
Kühlrippen, die eine große Oberfläche bilden, über die anschließend ein
Wärmeaustausch stattfinden kann. Die Kühleinrichtung ist Bestandteil eines
Kühlsystems, das in der Regel weiterhin noch aus einem Reservoir für ein
Kühlmedium, insbesondere Wasser, sowie eine Pumpe und ein Leitungssystem
verfügt. Über die Pumpe wird das Kühlmedium aus dem Reservoir herausgepumpt
und über das Leitungssystem und den Zulauf in den Kühlkörper hineingepumpt. Der
Kühlkörper ist mit dem zu kühlenden elektrischen Bauteil verbunden, so daß die vom
elektrischen Bauteil erzeugte Wärme auf das Kühlmedium übertragen wird. Das so
erwärmte Kühlmedium tritt über den Ablauf aus dem Kühlkörper aus und kann je
nach Bedarf nach dem Austritt erneut abgekühlt werden, bevor es im Kühlkreislauf
erneut in das Reservoir eingeleitet wird.
Auch wenn diese bekannte Kühleinrichtung eine bessere Kühlwirkung als eine
Luftkühlung hat, weist sie dennoch eine Reihe von Nachteilen auf. Zum einen
handelt es sich bei der Kühleinrichtung um ein zum elektrischen Bauteil separates
Aggregat, das mit dem zu kühlenden elektrischen Bauteil zunächst befestigt werden
muß. Je nach Ausgestaltung des elektrischen Bauteils kann dies konstruktiv
aufwendig sein. Weiterhin muß durch die Befestigung der Kühleinrichtung
gewährleistet werden, daß zwischen der Kühleinrichtung und dem zu kühlenden
elektrischen Bauteil immer ein thermischer Kontakt besteht, damit die Wärme des
elektrischen Bauteils auf die Kühleinrichtung übertragen werden kann. Sofern sich
die Verbindung zwischen den beiden Komponenten löst, was bei Bauteilen, die
häufig bewegt (beispielsweise getragen) werden durchaus vorkommen kann, kann
die erforderliche Kühlung des elektrischen Bauteils nicht mehr oder zumindest nur
eingeschränkt aufrechterhalten werden.
Auch ist die Herstellung einer solchen Kühleinrichtung konstruktiv aufwendig und
damit kostenintensiv. Schließlich ist für eine solche Kühleinrichtung ein erhöhter
Bauraumbedarf erforderlich. Insbesondere dann, wenn ein Hochleistungsprozessor
in einem Rechner gekühlt werden soll, ist der zur Verfügung stehende Bauraum
oftmals ein großes Problem.
Ausgehend vom genannten Stand der Technik soll ein elektrisches Bauteil der
eingangs genannten Art derart weitergebildet werden, daß die beschriebenen
Nachteile vermieden werden können. Insbesondere soll ein elektrisches Bauteil mit
einer einfachen und dennoch zuverlässigen Kühlung versehen werden.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein elektrisches Bauteil, mit wenigstens einer
Halteplatte, auf der elektrische Komponenten angeordnet und/oder in dieser
integriert sind und mit einer Kühleinrichtung zum Kühlen des elektrischen Bauteils.
Das elektrische Bauteil ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß die
Kühleinrichtung als Wärmetauscher ausgebildet ist, der innerhalb der Halteplatte
vorgesehen ist.
Weitere Vorteile, Merkmale, Aspekte, Effekte und Details der Erfindung ergeben sich
aus den Unteransprüchen, der Beschreibung sowie der Zeichnung.
Der Grundgedanke der vorliegenden Erfindung besteht darin, die Kühleinrichtung
nicht mehr als separates Bauteil auszubilden, sondern diese in wenigstens einer
Halteplatte des elektrischen Bauteils zu integrieren. Dadurch kann zunächst
wertvoller Bauraum eingespart werden, so daß die elektrischen Bauteile noch kleiner
ausgebildet werden können. Weiterhin ist eine gute und zuverlässige Kühlung des
elektrischen Bauteils möglich. Dadurch, daß die Kühleinrichtung nunmehr in der
Halteplatte des Bauteils ausgebildet und somit zum Bestandteil des elektrischen
Bauteils geworden ist, wird sichergestellt, daß die im elektrischen Bauteil erzeugte
Wärme zu jeder Zeit optimal abtransportiert werden kann, da die Kühleinrichtung in
direktem Kontakt mit den zu kühlenden Bestandteilen des elektrischen Bauteils steht.
Die Kühleinrichtung ist erfindungsgemäß als Wärmetauscher ausgebildet, wobei die
Erfindung nicht auf bestimmte Ausgestaltungsformen von Wärmetauschern
beschränkt ist. Ein nicht ausschließliches Beispiel für einen vorteilhaften
Wärmetauscher wird im weiteren Verlauf der Beschreibung näher erläutert.
Die Kühleinrichtung kann Bestandteil eines Kühlsystems sein, das im
Zusammenhang mit der Beschreibung des Standes der Technik schon vorgestellt
wurde, so daß diesbezüglich auf die obigen Ausführungen Bezug genommen wird.
Erfindungsgemäß ist die Kühleinrichtung innerhalb wenigstens einer Halteplatte des
elektrischen Bauteils vorgesehen. Als Halteplatte wird dabei jede Form von
Befestigungsplatte oder -mittel verstanden, auf dem elektrische Komponenten
befestigt werden und/oder in dem elektrische Komponenten integriert sind,
beispielsweise in Form von integrierten Schaltkreisen. Wichtig ist lediglich, daß die
Halteplatte in direktem Kontakt, und damit auch in direktem thermischen Kontakt zu
den zu kühlenden elektrischen Komponenten steht. Die Erfindung ist nicht auf
bestimmte Ausgestaltungsformen der Halteplatte oder eine bestimmte Anzahl von
Halteplatten pro elektrischem Bauteil beschränkt. Einige nicht ausschließliche
Beispiele werden nachfolgend näher erläutert.
Vorteilhaft kann das elektrische Bauteil ein aus zwei oder mehr Halteplatten
gebildetes Gehäuse aufweisen, wobei die Halteplatten die Gehäusewandungen
bilden. Die elektrischen Komponenten sind vorzugsweise innerhalb des Gehäuses
auf wenigstens einer Gehäusewandung angeordnet und/oder in dieser
integriert. Wenigstens eine Gehäusewandung ist als Wärmetauscher
ausgebildet, der innerhalb der Gehäusewandung vorgesehen ist. In diesem
Fall erfolgt die Kühlung der elektrischen Komponenten über die
Gehäusewandung(en).
Vorzugsweise kann das elektrische Bauteil als Prozessor ausgebildet sein. Ein
solcher Prozessor weist üblicherweise eine Grundplatte (Grundplatine) auf, auf
der elektrische Komponenten angeordnet und/oder in dieser integriert sind.
Bei einer solchen Ausgestaltung ist die als Wärmetauscher ausgebildete
Kühleinrichtung innerhalb der Grundplatte vorgesehen. Auf diese Weise wird
auf besonders einfache und dennoch zuverlässige Weise eine Kühlung des
Prozessors erreicht, wodurch dessen Performance und Lebensdauer erheblich
verbessert werden kann. Da sich die Kühleinrichtung innerhalb der
Grundplatte befindet, ist kein zusätzlicher Platzbedarf für die Realisierung der
Kühleinrichtung erforderlich. Die Erfindung ist besonders geeignet,
Hochleistungsprozessoren zu kühlen.
Vorteilhaft kann der Wärmetauscher ein Kanalsystem mit einem oder mehreren
Kühlkanälen aufweisen. Bei einem solchen Wärmetauscher werden die Kanäle von
einem Kühlmedium durchströmt. Das die Kanäle durchströmende Kühlmedium
nimmt die erzeugte Wärme des elektrischen Bauteils auf und führt diese ab. Die
Ausgestaltung, Anzahl und Führung der Kühlkanäle wird vorzugsweise derart
gewählt, daß die zu kühlenden elektrischen Komponenten möglichst direkt über die
Kanalwände mit dem Kühlmedium in thermischen Kontakt treten können. Die
Erfindung ist nicht auf bestimmte Ausgestaltungsvarianten beschränkt.
Die Erfindung ist ebenfalls nicht auf bestimmte Kühlmedien beschränkt.
Beispielsweise, jedoch nicht ausschließlich, kann es sich bei dem Kühlmedium um
Wasser handeln.
Vorteilhaft kann die Halteplatte aus mehreren Schichten gebildet sein, wobei
zumindest eine oder mehrere Schichten einen oder mehrere Kühlkanäle
aufweist/aufweisen.
Die Kühlkanäle können in Gegenstrom- und/oder Parallelstrom- und/oder
Kreuzstrom-Bauweise ausgerichtet sein. Die Ausrichtung der Kanäle in der
genannten Weise kann dabei im Hinblick auf die Kanäle zueinander (beispielsweise,
wenn mehrere Schichten mit Kühlkanälen verwendet werden) gewählt werden.
Vorzugsweise können die Kühlkanäle als Mikrokanäle ausgebildet sein. In einem
solchen Fall kann der Wärmetauscher als Mikro-Wärmetauscher ausgebildet sein.
Durch die Ausgestaltung der Kanäle in Mikrostrukturtechnik wird zunächst erreicht,
daß die Kühleinrichtung und damit auch das elektrische Bauteil besonders
platzsparend ausgebildet werden kann. Die Ausgestaltung der Kanäle in
Mikrostrukturtechnik sieht im allgemeinen vor, daß auf einem kleinen Bauraum im
Kubikzentimeterbereich eine große Anzahl von mehreren tausend Mikrokanälen
vorgesehen ist. Durch diese Mikrokanäle, die jeweils eine Höhe und Breite von nur
wenigen µm aufweisen, werden große spezifische Oberflächen, das heißt hohe
Verhältnisse von Kanaloberfläche zu Kanalvolumen, geschaffen, über die der
Wärmeaustausch besonders vorteilhaft erfolgt. Dadurch sind solche Wärmetauscher
sehr leistungsfähig.
In weiterer Ausgestaltung kann die wenigstens eine Halteplatte aus Metall,
Kunststoff, Keramik oder einem Substrat auf Halbleiterbasis gebildet sein.
Selbstverständlich sind auch andere Materialien denkbar.
Die Erfindung wird nun auf exemplarische Weise an Hand eines
Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung näher
erläutert. Es zeigt die einzige Fig. 1 in schematischer und perspektivischer Ansicht
ein erfindungsgemäßes elektrisches Bauteil.
In der Fig. 1 ist ein als Hochleistungsprozessor ausgebildetes elektrisches Bauteil
10 dargestellt. Der Hochleistungsprozessor 10 weist eine als Grundplatte
(Grundplatine) ausgebildete Halteplatte 12 auf, auf der eine Anzahl elektrischer
Komponenten 11 angeordnet und/oder in dieser integriert sind.
Die Halteplatte 12 besteht aus einer Anzahl von Einzelschichten, im vorliegenden
Fall einer Deckschicht 13 sowie drei Schichten 14, 15, 16. In den Schichten 14, 15,
16 sind jeweils eine Anzahl von als Mikrokanäle ausgebildeten Kühlkanälen 21
vorgesehen, die Bestandteile einer Kühleinrichtung 20 sind. Die Kühleinrichtung 20
stellt einen Wärmetauscher dar, der innerhalb der Halteplatte 12 vorgesehen ist und
somit zu einer guten Kühlung des elektrischen Bauteils 10 führt. Die Kühlkanäle 21,
die im vorliegenden Fall parallel zueinander ausgerichtet sind, werden von einem
Kühlmedium durchströmt. Dabei wird die in den elektrischen Komponenten 11
erzeugte Wärme auf das die Kühlkanäle 21 durchströmende Kühlmedium übertragen
und aus dem elektrischen Bauteil 10 abgeführt. Die Durchleitung des Kühlmediums
durch die Kühlkanäle kann über ein nicht dargestelltes Kühlsystem, das in der
Beschreibungseinleitung kurz dargestellt wurde, unterstützt werden.
Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung des elektrischen Bauteils 10, bei dem
die Kühleinrichtung 20 innerhalb der Halteplatte 12 integriert ist, wird auf konstruktiv
einfache, zuverlässige und platzsparende Weise eine besonders gute Kühlung des
elektrischen Bauteils 10 erreicht, wodurch dessen Performance und Lebensdauer
verbessert werden kann.
10
Elektrisches Bauteil (Hochleistungsprozessor)
11
elektrische Komponente
12
Halteplatte (Grundplatte)
13
Deckschicht
14
Schicht
15
Schicht
16
Schicht
20
Kühleinrichtung
21
Kühlkanal
Claims (8)
1. Elektrisches Bauteil, mit wenigstens einer Halteplatte (12), auf der elektrische
Komponenten (11) angeordnet und/oder in dieser integriert sind und mit einer
Kühleinrichtung (20) zum Kühlen des elektrischen Bauteils (10), dadurch
gekennzeichnet, daß die Kühleinrichtung (20) als Wärmetauscher ausgebildet ist,
der innerhalb der Halteplatte (12) vorgesehen ist.
2. Elektrisches Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das
elektrische Bauteil (10) ein aus zwei oder mehr Halteplatten (12) gebildetes
Gehäuse aufweist, wobei die Halteplatten (12) die Gehäusewandungen bilden,
daß die elektrischen Komponenten (11) innerhalb des Gehäuses auf
wenigstens einer Gehäusewandung angeordnet und/oder in dieser
integriert sind und daß wenigstens eine Gehäusewandung als
Wärmetauscher ausgebildet ist, der innerhalb der Gehäusewandung
vorgesehen ist.
3. Elektrisches Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das
elektrische Bauteil (10) als Prozessor ausgebildet ist, daß der Prozessor
eine Grundplatte (12) aufweist, auf der elektrische Komponenten (11)
angeordnet und/oder in dieser integriert sind und daß die als
Wärmetauscher ausgebildete Kühleinrichtung (20) innerhalb der
Grundplatte (12) vorgesehen ist.
4. Elektrisches Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,
daß der Wärmetauscher ein Kanalsystem mit einem oder mehreren Kühlkanälen
(21) aufweist.
5. Elektrisches Bauteil nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die
Halteplatte (12) aus mehreren Schichten (13, 14, 15, 16) gebildet ist und daß
zumindest eine oder mehrere Schichten (14, 15, 16) einen oder mehrere
Kühlkanäle (21) aufweist/aufweisen.
5. Elektrisches Bauteil nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die
Kühlkanäle (21) in Gegenstrom- und/oder Parallelstrom- und/oder Kreuzstrom-
Bauweise ausgerichtet sind.
7. Elektrisches Bauteil nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet,
daß die Kühlkanäle (21) als Mikrokanäle ausgebildet sind.
8. Elektrisches Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet,
daß die wenigstens eine Halteplatte (12) aus Metall, Kunststoff, Keramik oder
einem Substrat auf Halbleiterbasis gebildet ist.
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8127 | New person/name/address of the applicant |
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8130 | Withdrawal |