DE10102869A1

DE10102869A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Kühlung von temperaturkritischen Bauteilen

Info

Publication number: DE10102869A1
Application number: DE2001102869
Authority: DE
Inventors: Thomas Vogl
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2001-01-23
Filing date: 2001-01-23
Publication date: 2002-08-14

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Kühlung von temperaturkritischen Bauteilen, insbesondere elektronischen Bauteilen auf Leiterplatinen, wobei ein Mittel zur Zufuhr eines komprimierten Kühlmittels an das zu kühlende Bauteil und ein Mittel zur Dekompression des Kühlmittels vorgesehen sind, so daß durch die Ausdehnungsarbeit des Kühlmittels die Kühlung unterstützt wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Kühlung von temperaturkritischen Bauteilen, insbesondere elektronischen Bauteilen auf Leiterplatinen.

Es ist allgemein bekannt, dass elektronische Bauteile im Be trieb aufgrund ihrer Verlustleistung Wärme erzeugen, welche abgeführt werden muss, da anderenfalls ein Schädigung der Bauteile eintreten kann. Diese hier notwendige Kühlung wird derzeit durch Abstrahlung und Konvektion, meist aktiv durch Luftströmung unterstützt, welche durch Ventilatoren in Netz teilen oder im Gestellrahmen erzeugt wird. Zur Unterstützung des Wärmeübergangs werden auch häufig besondere Kühlkörper mit großen verrippten Oberflächen, gegebenenfalls mit integ rierten eigenen Ventilatoren, verwendet. Neuerdings finden auch für besonders belastete Prozessoren Wasserumlaufkühlun gen Anwendung, bei denen ein auf dem Prozessor angebrachter Kühlkörper von Wasser durchflossen wird. Im Bereich von Hoch leistungscomputern werden aufgrund der hohen Packungsdichte auch teilweise Ölkühlungssysteme verwendet, wobei die Prozes soren und Baugruppen direkt in einem Ölfluss gekühlt werden können. Diese bekannten Arten der Kühlung sind entweder nicht besonders effektiv oder sehr aufwendig.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Kühlung von temperaturkritischen Bauteilen dar zustellen, welche einerseits kostengünstig realisierbar sind und andererseits eine verbesserte Effektivität aufweisen.

Der Erfinder hat erkannt, dass sich eine verbesserte Kühlung dadurch erreichen lässt, dass der Wärmeverlust bei einer De komprimierung eines Gases von einem hohen Druck zu einem niedrigen Druck eingesetzt wird, um das Kühlmittel am Ort der Kühlung nochmals herunter zu kühlen um einen größeren Tempe raturgradienten zwischen dem zu kühlenden Bauteil und dem Kühlmittel zu erreichen, wodurch sich der Wirkungsgrad der Kühlung wesentlich verbessert.

Demgemäss schlägt der Erfinder vor, die bekannte Vorrichtung zur Kühlung von temperaturkritischen Bauteilen, insbesondere elektronischen Bauteilen auf Leiterplatinen, mit einem Mittel zur Zuführung eines Kühlmittels an die zu kühlenden Bauteile, dahingehend zu verbessern, dass das Mittel zur Zufuhr des Kühlmittels derart ausgestaltet ist, dass das Kühlmittel komprimiert an das zu kühlende Bauteil herangeführt wird und ein Mittel zur Dekompression des Kühlmittels vorgesehen ist. Im Moment der Dekompression entsteht entsprechend den Geset zen der Thermodynamik eine Temperaturerniedrigung des Kühl mittels, welche eine verbesserte Kühlung erzeugt.

Als Mittel zur Zufuhr des Kühlmittels an das zu kühlende Bau teil kann beispielsweise eine druckfeste Leitung oder eine hohle Platine oder Baugruppe verwendet werden.

Des weiteren kann zumindest ein Mittel zur Dekompression des Kühlmittels eine Düse sein, durch die das Kühlmittel hin durchtritt und sich ausdehnt. Vorzugsweise kann die Aus trittsrichtung der Düse auch direkt auf das zu kühlende Bau teil gerichtet werden.

Eine andere oder auch zusätzlich Möglichkeit der Ausgestal tung kann darin bestehen, dass zumindest ein Mittel zur De kompression des Kühlmittels als weitgehend umschlossener De kompressionsraum zum Beispiel in Form eines Expansionskörpers ausgestaltet ist. Dabei können die Wände des Dekompressions raumes zumindest teilweise mit dem zu kühlenden Bauteil in wärmeleitenden Kontakt stehen, wobei auch zur Unterstützung der Wirkung die Oberflüche durch an sich bekannten Kühlrippen vergrößert werden kann. Vorteilhaft kann ein solcher Dekompressionsraum sowohl auf als auch unter dem zu kühlenden Bau teil angeordnet sein.

Vorteilhaft kann auch ein Kompressor zur Verdichtung und ge gebenenfalls Förderung des Kühlmittels vorgesehen sein, so dass angesaugte Umgebungsluft komprimiert und die zu kühlen den Bauteile geleitet wird. Alternativ kann auch ein sonsti ges geeignetes Kühlfluid im Kreislauf gefahren werden. Hier bei ist es besonders vorteilhaft, wenn ein Wärmetauscher zur Kühlung des komprimierten Kühlmittels vorgesehen ist.

Besonders vorteilhaft kann es auch sein, wenn das Kühlmittel ein Fluid ist, welches im komprimierten Zustand flüssig und im dekomprimierten Zustand gasförmig ist. Durch diese Ausges taltung wird zusätzlich auch noch der kühlende Einfluss beim Übergang zwischen der flüssigen und gasförmigen Phase des Kühlmittels genutzt.

Entsprechend dem zugrundeliegenden Erfindungsgedanken schlägt der Erfinder auch vor, das bekannte Verfahren zur Kühlung von temperaturkritischen Bauteilen, insbesondere elektronischen Bauteilen auf Leiterplatinen, dahingehend zu verbessern, dass dem zu kühlenden Bauteil ein Kühlmittels in komprimiertem Zu stand zugeführt wird und in unmittelbarer Nähe eine Dekom pression des Kühlmittels stattfindet, wobei zumindest ein Teil der dadurch entstanden Kälte zur Verbesserung der Küh lung verwendet wird.

Ein vorteilhafter Differenzdruck zwischen komprimiertem Kühl mittel und Umgebungsdruck beginnt bei mindestens 2.10⁵ Pa, vorzugsweise mindestens 5.10⁵ Pa.

Des weiteren ist es vorteilhaft, das Kühlmittel durch Absau gung und anschließende Komprimierung in einem Kreislauf zu fahren, da hierdurch eine Umweltbelastung durch schädliche Stoffe vermieden wird. Im übrigen ist ein Kreislaufverfahren kostengünstiger.

Als weitere vorteilhafte Ausgestaltung des Verfahren schlägt der Erfinder vor, das komprimierte Kühlmittels in einem Wär metauscher, vorzugsweise mit Umgebungsluft oder Wasser, zu kühlen, bevor es dem eigentlichen System der Baugruppen und elektronischen Bauteile zugeführt wird.

Als Kühlmittel kann auch ein Fluid verwendet werden, welches im komprimierten Zustand flüssig und bei Umgebungsdruck gas förmig ist. Vorteilhaft kann beispielsweise Frigen verwendet werden.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind aus den Unteran sprüchen und der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Aus führungsbeispiele ersichtlich.

Die Figuren zeigen im Einzelnen:

Fig. 1 Kühlung mit Zufuhr des Kühlmittels über hohle Bau gruppe;

Fig. 2 Kühlung mit aufgesetztem Expansionskörper.

Die Fig. 1 zeigt eine Variante der Kühlungsvorrichtung mit einer hohl ausgebildeten Baugruppe 3, deren Hohlraum als Zu fuhrsystem für ein Kühlmittel 5, hier Luft mit 5.10⁵ Pa Über druck gegenüber der Umgebung, dient. Auf dieser Baugruppe ist beispielhaft ein temperaturkritisches Bauteil 1 über Pins 4 aufgelötet. Seitlich des Bauteils 5 sind zwei Düsenöffnungen 2.1 und 2.2 in der hohlen Baugruppe 3 angebracht, durch die die komprimierte Luft 5 austreten und expandieren kann. Hier durch entsteht eine starke und gezielte Temperatursenkung im Bereich des Bauteils 1, wodurch dieses Bauteil mit großer Ef fektivität gekühlt wird.

Eine weitere Variante der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung ist in der Fig. 2 dargestellt. Diese Figur zeigt eine massi ve Baugruppe 3 auf der sich ein temperaturkritisches Bauteil 1 befindet, mit dem ein optionaler Kühlkörper 9 temperatur leitend verbunden ist. Über dem Kühlkörper 9 ist ein Expansi onskörper 7 angeordnet, in welchen mit einer Zufuhrleitung 6 ein komprimiertes Fluid 5 über eine Düsenöffnung 2.1 zuge führt wird. Hinter der Düsenöffnung 2.1 expandiert und/oder verflüchtigt sich bis dahin komprimierte Fluid 5 und Kühlt damit den Expansionskörper stark ab, wodurch eine sehr gute Kühlung des Bauteils 1 erreicht wird.

Anschließend kann das expandierte Kühlmittel 5 den Expansi onskörper 7 über eine, vorzugsweise wesentlich größere, Aus lassöffnung 8 verlassen. Optional schließt sich hieran eine gestrichelt gezeichnete Abfuhrleitung an, welche das Kühlmit tel wieder einem - hier nicht gezeigten - Kompressor zur wei teren Nutzung zuführen kann.

Zusätzlich können noch die nicht dem Kühlkörper 9 zugewandten Seiten des Expansionskörpers 7 isoliert werden, so dass vor teilhaft die gesamte Kühlleistung ausschließlich für das zu kühlende Bauteil verwendet wird.

Vorteilhaft ist bei dieser Ausführung gemäß Fig. 2 auch noch, dass eine besonders hohe Geräuschdämpfung erreicht wird, da auf die störenden Lüftergeräusche verzichtet werden kann und auch eine eventuelle Geräuschentwicklung der Düsen durch den weitgehend geschlossenen und gegebenenfalls iso lierten Expansionskörper weitestgehend gedämpft wird.

Insgesamt wird also durch diese Erfindung eine Vorrichtung und Verfahren zur Kühlung von temperaturkritischen Bauteilen, insbesondere elektronischen Bauteilen auf Leiterplatinen, vorgestellt, wobei ein Mittel zur Zufuhr eines komprimierten Kühlmittels an das zu kühlende Bauteil und ein Mittel zur De kompression des Kühlmittels vorgesehen ist, so dass durch die Ausdehnungsarbeit des Kühlmittels die Kühlung unterstützt wird. Hierdurch wird einerseits eine sehr einfach zu reali sierende Methode und Vorrichtung zur Verfügung gestellt, die andererseits gegenüber der herkömmlichen Art der Kühlung durch auch eine verbesserte Effektivität aufweist.

Bezugszeichenliste

1

Bauteil

2.1

,

2.2

Düsenöffnung

3

Baugruppe

4

Pins

5

Kühlmittel

6

Zufuhrleitung

7

Dekompressionsraum/Expansionskörper

8

Auslaßöffnung

9

Kühlkörper

Claims

1. Vorrichtung zur Kühlung von temperaturkritischen Bautei len, insbesondere elektronischen Bauteilen auf Leiterplati nen, mit einem Mittel zur Zuführung eines Kühlmittels an die zu kühlenden Bauteile, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel (6) zur Zufuhr des Kühlmittels (5) derart ausgestaltet ist, dass das Kühlmittel komprimiert an das zu kühlende Bauteil herangeführt wird und ein Mittel (2.1, 2.2) zur Dekompression des Kühlmittels (5) vorgesehen ist.

2. Vorrichtung gemäß dem voranstehenden Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Mittel zur Zufuhr des Kühlmittels eine druckfeste Leitung (6) ist.

3. Vorrichtung gemäß einem der voranstehenden Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Mittel (6) zur Zufuhr des Kühlmittels ei ne hohle Platine oder Baugruppe (3) ist.

4. Vorrichtung gemäß einem der voranstehenden Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass als zumindest ein Mittel zur Dekompression des Kühlmit tels eine Düse (2.1, 2.2) vorgesehen ist, durch die das Kühl mittel (5) hindurchtritt und sich ausdehnt.

5. Vorrichtung gemäß einem der voranstehenden Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Mittel zur Dekompression des Kühlmittels ein weitgehend umschlossener Dekompressionsraum (7) vorgese hen ist.

6. Vorrichtung gemäß dem voranstehenden Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Wände des Dekompressionsraumes (7) zumindest teil weise mit dem zu kühlenden Bauteil (1) in wärmeleitenden Kon takt stehen.

7. Vorrichtung gemäß dem voranstehenden Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Dekompressionsraum (7) auf und/oder unter dem zu kühlenden Bauteil (1) angeordnet ist.

8. Vorrichtung gemäß einem der voranstehenden Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kompressor zur Verdichtung und gegebenenfalls För derung des Kühlmittels (5) vorgesehen ist.

9. Vorrichtung gemäß dem voranstehenden Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein Wärmetauscher zur Kühlung des komprimierten Kühlmit tels (5) vorgesehen ist.

10. Vorrichtung gemäß einem der voranstehenden Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlmittel (5) ein Gas, vorzugsweise Luft, ist.

11. Vorrichtung gemäß einem der voranstehenden Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlmittel (5) ein Fluid ist, welches im komprimier ten Zustand flüssig und im dekomprimierten Zustand gasförmig ist.

12. Verfahren zur Kühlung von temperaturkritischen Bautei len, insbesondere elektronischen Bauteilen auf Leiterplati nen, dadurch gekennzeichnet, dass dem zu kühlenden Bauteil (1) ein Kühlmittel (5) in komp rimiertem Zustand zugeführt wird und in unmittelbarer Nähe eine Dekompression des Kühlmittels (5) stattfindet, wobei zu mindest ein Teil der dadurch entstanden Kälte zur Verbesse rung der Kühlung verwendet wird.

13. Verfahren gemäß dem voranstehenden Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass ein Differenzdruck zwischen komprimiertem Kühlmittel (5) und Umgebungsdruck von mindestens 2.10⁵ Pa, vorzugsweise min destens 5.10⁵ Pa, verwendet wird.

14. Verfahren gemäß einem der voranstehenden Ansprüche 12 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlmittel (5) durch Absaugung und anschließende Komprimierung in einem Kreislauf eingesetzt wird.

15. Verfahren gemäß dem voranstehenden Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das komprimierte Kühlmittel (5) in einem Wärmetauscher gekühlt wird.

16. Verfahren gemäß einem der voranstehenden Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet dass als Kühlmittel (5) ein Gas, vorzugsweise Luft, verwendet wird.

17. Verfahren gemäß einem der voranstehenden Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass als Kühlmittel (5) ein Fluid verwendet wird, welches im komprimierten Zustand flüssig und bei Umgebungsdruck gasför mig ist.

18. Verfahren gemäß einem der voranstehenden Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass als Kühlmittel (5) Frigen verwendet wird.