DE10102434A1 - Kühlkörper mit innenliegendem Lüfter - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Kühlkörper (1) mit innenliegendem Lüfter (2) zum Kühlen mindestens eines Wärme produzierenden Elements, der eine hohe Entwärmungsleistung bei geringen Abmessungen und einen einfachen, kompakten Aufbau garantiert, zudem die Gefahr eines Strömungskurzschlusses verkleinert, eine definierte Ansaug- und Ausblasrichtung aufweist und zum Anschluss mehrerer Wärme produzierender Elemente geeignet ist. Zwischen einem auf einer Saugseite des Lüfters (2) liegenden ersten Innenraum (11) des Kühlkörpers (1) und einem auf einer Druckseite des Lüfters (2) liegenden zweiten Innenraum (12) des Kühlkörpers (1) ist mindestens eine Trennfläche (13) angeordnet, die zum zwangsweisen Umlenken eines durch die Lufteinlassöffnung (5) zugeführten Luftstroms (14) durch den Kühlkörper (1) und zur Verhinderung von internen Strömungskurzschlüssen vorgesehen ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Kühlkörper mit innenliegendem Lüfter zum Kühlen eines oder mehrerer Wärme produzierender Elemente.

Kühlkörper dienen zum Kühlen von Wärme produzierenden Elemen­ ten, insbesondere elektronischen Bauelementen, z. B. Einzel­ halbleitern, Modulen, vollständigen Baugruppen (Leiterplat­ ten) oder allgemein Bauteilen, die an einer Fläche Wärme ab­ geben. Die von diesen Elementen erzeugte Verlustleistung führt zu deren Erwärmung. Bei höheren Verlustleistungen kön­ nen diese Elemente die entstehende Wärme nicht mehr selbst über ihre Oberfläche durch normale oder forcierte Konvektion abführen und werden durch die Erwärmung unzulässig stark be­ lastet. Zur besseren Abfuhr der Wärme werden die thermisch leitenden Teile (Flächen) solcher Elemente üblicherweise mit Kühlkörpern verbunden, welche die wärmeabführende Oberfläche vergrößern. Der Einsatz eines Lüfters und damit das Anströmen der Kühlkörper durch bewegte Luft führt zur Verbesserung der Entwärmungseigenschaften der Kühlkörper.

Aus der EP 0 572 362 A2 ist ein Kühlkörper bekannt, der aus einer mit einer zu kühlenden Komponente verbundenen Boden­ platte, einem darauf aufgesetzten Element mit Rippen und ei­ nem in einem Freiraum im Inneren des Kühlkörpers installier­ ten Lüfter besteht. Dieser Lüfter erzeugt einen Luftstrom, welcher Rippen und Grundplatte kühlt. Der Kühlkörper ist ins­ besondere für tragbare elektronische Geräte vorgesehen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Kühlkörper mit innenliegendem Lüfter zu konstruieren, der eine hohe Ent­ wärmungsleistung hat, eine definierte Ansaug- und Ausblas­ richtung aufweist und zum Anschluss mehrerer Wärme produzie­ render Elemente geeignet ist.

Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Kühlkörper mit innen­ liegendem Lüfter zum Kühlen mindestens eines Wärme produzie­ renden Elements, wobei sich mindestens eine Lufteinlassöff­ nung an einer ersten Seitenfläche und mindestens eine Luft­ auslassöffnung an einer zweiten Seitenfläche befindet, wobei vier weitere miteinander verbundene geschlossene Seitenflä­ chen zum Anschluss des Wärme produzierenden Elements vorgese­ hen sind und wobei zwischen einem auf einer Saugseite des Lüfters liegenden ersten Innenraum des Kühlkörpers und einem auf einer Druckseite des Lüfters liegenden zweiten Innenraum des Kühlkörpers mindestens eine Trennfläche angeordnet ist, die zum zwangsweisen Umlenken eines durch die Lufteinlassöff­ nung zugeführten Luftstroms durch den Kühlkörper vorgesehen ist.

Der erfindungsgemäße Kühlkörper besitzt vier Seitenflächen, an welche Wärme produzierende Elemente angeschlossen werden können. Es stehen somit alle Seitenflächen außer der Luftein- und Luftauslassseite zur Einleitung der abzuführenden Wärme zur Verfügung. Dadurch wird der Vorteil erzielt, dass eine sowohl horizontale als auch vertikale Aneinanderreihung von Kühlkörpern und Wärme produzierenden Elementen möglich wird. Auf diese Art kann der Kühlkörper mehrfach ausgenutzt werden. Die direkte Anreihung eines anderen Geräts oder einer Befes­ tigungseinheit führt zu keiner Beeinflussung des Lüfterbe­ triebs und zu keiner Verringerung der Kühlleistung.

Beim Kühlkörper gemäß der Erfindung wird ein Lüfter ins Inne­ re des Kühlkörpers eingebaut. Durch gezielte Trennung der Druck- und Saugseite wird erreicht, dass der Luftstrom im In­ neren des Kühlkörpers zwangsweise über alle innenliegenden Teile geleitet wird und diese somit gleichmäßig gekühlt wer­ den. Die mehrfache zwangsweise Umlenkung des Luftstroms führt zu einer turbulenten Verwirbelung des Luftstroms. Dies trägt zur Steigerung der Wärmeabfuhr bei, da sich ohne diese Umlen­ kung eine laminare Strömung ausbildete und dann wegen der na­ turgemäß geringen Wärmeleitfähigkeit von Luft nur die unmittelbar an Teilen des Kühlkörpers entlangströmende Luft Wärme aufnähme. Dahingegen bewirkt eine durch die Umlenkung verur­ sachte turbulente Luftströmung eine Luftbewegung auch quer zur eigentlichen Strömungsrichtung und sorgt somit für eine gleichmäßige Beteiligung aller Luftteile an der Entwärmung der Kühlkörperflächen. Ein weiterer positiver Effekt der Trennung von Druck- und Saugseite besteht darin, dass dadurch ein Strömungskurzschluss innerhalb des Kühlkörpers ausge­ schlossen wird. Alle beschriebenen Vorteile tragen dazu bei, dass der erfindungsgemäße Kühlkörper im Vergleich zu bekann­ ten Lösungen mit gleichem Bauvolumen eine gesteigerte Entwär­ mungsleistung aufweist.

In bisher bekannten Kühlkörper-Ausführungen wird der Lüfter seitlich, oben oder unten an den Kühlkörper angesetzt oder in den Kühlkörper integriert. Nachteile der seitlich angesetzten Lüfter sind der erforderliche zusätzliche Platzbedarf, die Nichterfassung von Teilen des Kühlkörpers durch den Luftstrom und die Gefahr eines Strömungskurzschlusses. Nachteilig bei einem oben oder unten angebauten Lüfter erweist sich, dass die praktisch sinnvoll nutzbaren Teile des Kühlkörpers auf den Lüfterquerschnitt beschränkt werden. Bei einem Rippen­ kühlkörper werden Rippen, die außerhalb des Lüfterquer­ schnitts und damit außerhalb des Luftstroms liegen, nicht an­ geströmt. Sollen alle Rippen genutzt werden, muss der Lüfter vom Kühlkörper abgesetzt und über einen aufgeweiteten Schacht mit dem Kühlkörper verbunden werden. Seitlich angebaute Lüf­ ter setzen voraus, dass auf der Saugseite des Lüfters aus­ reichend Platz zum Nachströmen der Luft vorhanden ist, be­ nachbarte Geräte oder Montageelemente behindern die Ansaugung oder müssen in einem Mindestabstand vom Lüfter angeordnet werden. Als größter Nachteil der seitlich, oben oder unten an- oder eingebauten Lüfter ist die Gefahr eines Strömungs­ kurzschlusses anzusehen, welcher eine erhebliche Verringerung der Kühlleistung zur Folge hat. Ein Strömungskurzschluss tritt dann auf, wenn bereits erwärmte Kühlluft von der Druckseite des Lüfters wieder auf die Saugseite des Lüfters gerät und somit zum wiederholten Male den Kühlköper durchströmt.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung des Kühlkörpers ist dadurch gekennzeichnet, dass der ersten Seitenfläche mit der Luftein­ lassöffnung parallel gegenüberliegend die zweite Seitenfläche mit der Luftauslassöffnung angeordnet ist und dass die vier weiteren miteinander verbundenen geschlossenen Seitenflächen senkrecht zur ersten Seitenfläche und zur zweiten Seitenflä­ che angeordnet sind. Bei dieser Ausgestaltung sind die An­ saug- und Ausblasrichtung definiert und haben dieselbe Rich­ tung, was dazu beiträgt, dass ein Strömungskurzschluss ver­ hindert wird.

Eine besonders kompakte Ausführung des Erfindungsgegenstands kann dadurch erreicht werden, dass der innenliegende Lüfter als Axiallüfter ausgeführt ist, welcher so eingebaut ist, dass seine Achse senkrecht zur Lufteinlassrichtung und zur Luftauslassrichtung und senkrecht zu zwei der geschlossenen Seitenflächen liegt, wobei diejenige dieser beiden geschlos­ senen Seitenflächen, die auf der Druckseite des Lüfters liegt, besonders geeignet zum Anschluss des Wärme produzie­ renden Elements ist. Der Vorteil dieser Ausgestaltung besteht darin, dass die Kühlkörperausdehnung in Richtung der Achse des Axiallüfters durch den quer zur Einlass- und Auslassrich­ tung arbeitenden Lüfter nur geringfügig größer als die Aus­ dehnung des Lüfters in diese Richtung ist. Dadurch wird eine sehr geringe Einbaugröße des Kühlkörpers erreicht.

Um eine gezielte Luftführung über alle Komponenten im Inneren des Kühlkörpers zu erreichen, wird vorgeschlagen, dass der Kühlkörper Kanäle zum Leiten des Luftstroms aufweist, welche durch mit den geschlossenen Seitenflächen und der Trennfläche verbundene Wände voneinander getrennt sind. Die Kanäle werden somit ohne Verwendung aufbauvergrößernder Zusatzelemente (z. B. externer Luftschächte) von forcierter Luft durchströmt und tragen damit zur Wärmeabfuhr bei.

Vorteilhaft kann der Kühlkörper als Lüftergehäuse zur Aufnah­ me des Lüfters ausgebildet werden. Die Kühlkörperhälften er­ setzen somit das üblicherweise eigenständige Lüftergehäuse. Damit wird eine Verschmelzung von Lüfter und Kühlkörper zu einer Einheit erreicht, was den Vorteil bietet, dass die Lüf­ tereinheit geräuschgedämpft gekapselt ist. Zudem bietet sich die Möglichkeit den Lüfterrotor mittels zweier Lager optimal zu lagern, was zu einer höheren Standzeit des Lüfters führt.

Ein äußerst einfacher und kostengünstiger Aufbau des Kühlkör­ pers ergibt sich, wenn dieser aus zwei baugleichen Teilen zu­ sammengesetzt wird, und somit gleiche Kühlkörperteile mehr­ fach genutzt werden.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher beschrieben und er­ läutert.

Es zeigen:

Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel eines Kühlkörpers mit Lüf­ ter, transparent dargestellt,

Fig. 2 eine Explosionszeichnung des Ausführungsbeispiels und

Fig. 3 einen Schnitt durch den Kühlkörper mit schemati­ scher Darstellung des Luftstroms.

Fig. 1 zeigt eine transparente Darstellung eines Ausfüh­ rungsbeispiels eines Kühlkörpers 1 mit einem innenliegendem Lüfter 2. Der quaderförmige Kühlkörper 1 hat sechs Seiten, wobei sich an einer Seite 4 Lufteinlassöffnungen 3 und an der gegenüberliegenden Seite 6 Luftauslassöffnungen 5 befinden. Die übrigen vier Seitenflächen 7, 8, 9 und 10 sind im Ausfüh­ rungsbeispiel senkrecht dazu angeordnet. Im Inneren des Kühl­ körpers 1 ist ein Axiallüfter 2 mit einer Achse 17 eingebaut.

Mit dem Bezugszeichen 15 ist die Lufteinlassrichtung, mit 16 die Luftauslassrichtung bezeichnet. Das Innere des Kühlkör­ pers ist zugunsten der besseren Darstellungsmöglichkeit der Seitenflächen in Fig. 1 nicht genau wiedergegeben.

Die Kühlluft wird vom Lüfter 2 durch die Lufteinlassöffnungen 4 entsprechend der Lufteinlassrichtung 15 angesaugt und durch die Luftauslassöffnungen 5 entsprechend der Luftauslassrich­ tung 16 ausgeblasen. Da die Achse 17 des Axiallüfters 2 so­ wohl zur Lufteinlassrichtung 15 als auch zur Luftauslassrich­ tung 16 senkrecht angeordnet ist, wird die Kühlluft auf ihrem Weg durch den Kühlkörper 1 mindestens zweimal um etwa neunzig Grad umgelenkt.

Für Fig. 2 wurde eine Explosionsdarstellung des Kühlkörpers 1 gewählt. Zu sehen sind die beiden in diesem Ausführungsbei­ spiel baugleichen Kühlkörperteile 20 und 21, die Trennflächen 13 und der Axiallüfter 2. Zudem sind Wände 19 dargestellt, die beim zusammengebauten Kühlkörper 1 zusammen mit den ge­ schlossenen Seitenflächen 7, 8, 9 und 10 und den Trennflächen 13 rundum geschlossene Kanäle 18 bilden. Die Öffnungen dieser Kanäle 18 bilden die Lufteinlassöffnungen 3 bzw. die Luftaus­ lassöffnungen 5. Beim zusammengebauten Kühlkörper bildet sich ein in dieser Darstellung nicht direkt sichtbarer erster In­ nenraum 11 auf der Saugseite des Lüfters 2 aus, der durch die Trennflächen 13 und den Lüfter 2 von einem zweiten Innenraum 12 auf der Druckseite des Lüfters 2 getrennt ist.

Die durch die Lufteinlassöffnungen 3 angesaugte Kühlluft wird im Inneren des Kühlkörpers durch die Kanäle 18 geleitet. Vom ersten Innenraum 11 gelangt sie wegen der Trennflächen 13 nur durch den Lüfter 2 in die Kanäle 18 des zweiten Innenraums 12. Schließlich wird die Luft durch die Luftauslassöffnungen 5 aus dem Kühlkörper 1 ausgeblasen. Die durch den Kühlkörper zu kühlenden Wärme erzeugenden Bauelemente werden beispiels­ weise mit der geschlossenen Seitenfläche 7 in der Art verbun­ den, dass die erzeugte Wärme mit einem geringen Übergangswiderstand zunächst von der Seitenfläche 7 vom Kühlkörper 1 aufgenommen werden kann. Da der Kühlkörper aus gut wärmeleit­ fähigem Material besteht, wird sich die von der Seitenfläche 7 aufgenommene Wärme im gesamten Kühlkörper 1 verteilen. Der Kühlluftstrom 14 strömt entlang der gesamten Oberfläche des Inneren des Kühlkörpers 1, insbesondere entlang der Oberflä­ che der Wände 18, der Trennflächen 13 und der Innenfläche der geschlossenen Seitenflächen 7, 8, 9 und 10. Dabei findet ein Wärmeübergang von diesen erhitzten Oberflächen auf den kühle­ ren Luftstrom statt. Die vom Luftstrom aufgenommene Wärme wird mit diesem aus dem Kühlkörper 1 in dessen Umgebung transportiert.

Fig. 3 verdeutlicht das Wirkprinzip des Kühlkörpers 1. Sie zeigt einen parallel zur Achse 17 des Axiallüfters 2 durchge­ führten Schnitt durch den Kühlkörper 1. In dieser Darstellung sind der erste Innenraum 11 und der von diesem durch die Trennflächen 13 getrennte zweite Innenraum 12 gut zu erken­ nen. Die den Kühlkörper zwangsweise durchströmende Luft 14 ist schematisch dargestellt. Ebenso sichtbar sind die ge­ schnittenen geschlossenen Seitenflächen 7 und 8 sowie die Lufteinlassöffnungen 3 und die Luftauslassöffnungen 5.

Der Lüfter 2 saugt die Luft durch die Lufteinlassöffnung 3 in den ersten Innenraum 11 auf der Saugseite des Lüfters 2. Da der erste Innenraum 11 mittels der Trennflächen 13 vom zwei­ ten Innenraum 12 auf der Druckseite des Lüfters 2 getrennt ist, wird der Luftstrom 14 gezwungenermaßen durch den Lüfter 2 geführt. Der Lüfter 2 ist im Beispiel als Axiallüfter aus­ geführt und so in den Kühlkörper 1 eingebaut, dass die Lüf­ terachse 17 senkrecht zur Lufteinlassrichtung 15 und zur Luftauslassrichtung 16 angeordnet ist. Die Luft ist somit ge­ zwungen vor dem Lüfter 2 und nach dem Lüfter 2 die Strömungs­ richtung zu ändern. Durch diese forcierte Umlenkung kommt es zu Verwirbelungen der Luft. Besonders starke Verwirbelungen bilden sich direkt hinter dem Lüfter 2 im zweiten Innenraum 12 auf der Druckseite des Lüfters. Durch diese Verwirbelungen wird der Anteil der Luftteilchen, die direkt an den Innenflä­ chen des Kühlkörpers 1 vorbeiströmen, stark erhöht gegenüber dem Fall einer rein laminaren Strömung. Bei einer laminaren Strömung würden nur die äußeren, an den Innenflächen entlang­ strömenden Luftteilchen Wärme von diesen Flächen aufnehmen. Da die Wärmeleitfähigkeit von Luft naturgemäß sehr klein ist, würden diese äußeren Teilchen die Wärme jedoch kaum an die im Inneren des Luftstroms 14 befindlichen Luftteilchen weiterge­ ben und somit effektiv nur ein geringer Teil des Luftstroms 14 aktiv an der Entwärmung beteiligt sein. Durch die Verwir­ belungen wird dem entgegengewirkt und somit die Entwärmungs­ leistung des Kühlkörpers 1 entscheidend verbessert.

Zusammenfassend betrifft die Erfindung somit einen Kühlkörper 1 mit innenliegendem Lüfter 2 zum Kühlen mindestens eines Wärme produzierenden Elements, der eine hohe Entwärmungsleis­ tung bei geringen Abmessungen und einem einfachen, kompakten Aufbau garantiert, zudem die Gefahr eines Strömungskurz­ schlusses verkleinert, eine definierte Ansaug- und Ausblas­ richtung aufweist und zum Anschluss mehrerer Wärme produzie­ render Elemente geeignet ist. Zwischen einem auf einer Saug­ seite des Lüfters 2 liegenden ersten Innenraum 11 des Kühl­ körpers 1 und einem auf einer Druckseite des Lüfters 2 lie­ genden zweiten Innenraum 12 des Kühlkörpers 1 ist mindestens eine Trennfläche 13 angeordnet, die zum zwangsweisen Umlenken eines durch die Lufteinlassöffnung 5 zugeführten Luftstroms 14 durch den Kühlkörper 1 und zur Verhinderung von internen Strömungskurzschlüssen vorgesehen ist.

Claims (6)

1. Kühlkörper (1) mit innenliegendem Lüfter (2) zum Kühlen mindestens eines Wärme produzierenden Elements, wobei sich mindestens eine Lufteinlassöffnung (3) an einer ersten Seitenfläche (4) und mindestens eine Luftaus­ lassöffnung (5) an einer zweiten Seitenfläche (6) be­ findet, wobei vier weitere miteinander verbundene ge­ schlossene Seitenflächen (7, 8, 9, 10) zum Anschluss des Wärme produzierenden Elements vorgesehen sind und wobei zwischen einem auf einer Saugseite des Lüfters (2) liegenden ersten Innenraum (11) des Kühlkörpers (1) und einem auf einer Druckseite des Lüfters (2) liegen­ den zweiten Innenraum (12) des Kühlkörpers (1) mindes­ tens eine Trennfläche (13) angeordnet ist, die zum zwangsweisen Umlenken eines durch die Lufteinlassöff­ nung (5) zugeführten Luftstroms (14) durch den Kühlkör­ per (1) vorgesehen ist.

2. Kühlkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der ersten Seitenfläche (4) mit der Lufteinlass­ öffnung (3) parallel gegenüberliegend die zweite Sei­ tenfläche (6) mit der Luftauslassöffnung (5) angeordnet ist und dass die vier weiteren miteinander verbundenen geschlossenen Seitenflächen (7, 8, 9, 10) senkrecht zur ersten Seitenfläche (4) und zur zweiten Seitenfläche (6) angeordnet sind.

3. Kühlkörper nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der innenliegende Lüfter (2) ein Axiallüfter ist, der so eingebaut ist, dass seine Achse (17) senkrecht zur Lufteinlassrichtung (15) und zur Luftauslassrich­ tung (16) und senkrecht zu zwei der geschlossenen Sei­ tenflächen liegt (7, 8), wobei diejenige dieser beiden geschlossenen Seitenflächen (7), die auf der Druckseite des Lüfters (2) liegt, besonders geeignet zum Anschluss des Wärme produzierenden Elements ist.

4. Kühlkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkörper (1) Kanäle (18) zum Leiten des Luftstroms (14) aufweist, welche durch mit den ge­ schlossenen Seitenflächen (7, 8) und der Trennfläche (13) verbundene Wände (19) voneinander getrennt sind.

5. Kühlkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkörper (1) als Lüftergehäuse zur Aufnahme des Lüfters (2) ausgebildet ist.

6. Kühlkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkörper (1) aus mindestens zwei baugleichen Teilen (20, 21) zusammengesetzt ist.