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Die
Erfindung betrifft eine Kühlvorrichtung
für ein
elektronisches Bauelement, insbesondere für einen Mikroprozessor, mit
den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1.
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In
größeren elektronischen
Datenverarbeitungsanlagen werden die einzelnen Elektronikkomponenten,
wie beispielsweise eine Mehrzahl von Servern, in Schränken oder
Racks aufgenommen, um eine geordnete Aufstellung und Verkabelung
der einzelnen Komponenten zu gewährleisten.
Zudem erfolgt in Racks oder Schränken
für derartige
Elektronikkomponenten eine Klimatisierung, d.h. die von den Komponenten
erzeugte Verlustleistung in Form von Wärmeenergie wird mit geeigneten
Mitteln abgeführt.
Im Folgenden wird der Begriff Rack sowohl für geschlossene Schränke als
auch für
offene Gestelle verwendet, in die die einzelnen Komponenten aufgenommen
sind. Die Verlustleistung wird hauptsächlich von elektronischen Bauelementen
der einzelnen Komponenten erzeugt. Bei modernen Datenverarbeitungsanlagen
wird dabei der überwiegende
Teil der Verlustleistung von Mikroprozessoren erzeugt. Die Verlustleistung
eines Prozessors liegt bisher in der Größenordnung von ca. 100 W. Eine
Verlustleistung in diesem Bereich wurde mit Prozessorlüftern, d.h.
einer Kombination aus einem metallischen Kühlkörper und einem Lüfterbaustein,
vom Prozessor in das Innere des Gehäuses des Servers bzw. der Elektronikkomponente,
von dort in das Innere des (vorzugsweise geschlossenen) Racks und
anschließend
an die das Rack umgebende Raumluft abgeführt. Hinzu kommt die Verlustleistung
in Form von Wärme,
die von weiteren Baugruppen und Bauteilen der einzelnen Elektronikkomponenten,
wie Netzteilen, Laufwerken etc., abgegeben wird, d.h. von einer
Vielzahl von einzelnen elektronischen Bauelementen, die für sich genommen
zwar eine relativ geringe Verlustleistung abgeben, so dass sich
eine separate Kühlung dieser
elektronischen Bauelemente nicht lohnt, wobei sich diese geringen
Verlustleistungen jedoch auch auf Werte von 100 bis 150 W und mehr
pro Elektronikkomponente aufsummieren können. Zusätzlich zu den Prozessor lüftern sind
daher in der Regel zusätzliche
Lüfter
erforderlich, um die gesamte im Gehäuse der Elektronikkomponente
erzeugte Verlustwärme
aus diesem abzuführen.
Bei Serverracks, die bis zu 50 einzelne Server aufnehmen können, ergibt
sich somit pro Rack bereits jetzt eine Gesamtverlustleistung von
10 kW bis 12,5 kW.
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Für kommende
Generationen von Elektronikkomponenten wird eine Steigerung der
von einzelnen elektronischen Bauelementen, wie Mikroprozessoren,
abgegebenen Wärmeverlustleistung
in Bereiche von 150 bis 200 W und mehr erwartet. Dies führt bei
einem Rack mit beispielsweise bis zu 50 Servern einschließlich der
zusätzlichen
Verlustleistung von 100 bis 150 W pro Elektronikkomponente zu einer Gesamtverlustleistung
von bis zu 17,5 kW und mehr pro Rack. Derart hohe Verlustleistungen
in Form von Abwärme
lassen sich allein durch das Wärmeträgermedium
Luft nicht mehr mit vernünftigem
Aufwand beherrschen.
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Bei
einzelnen Elektronikkomponenten, wie Servern, ist es bekannt, elektronische
Bauelemente, insbesondere Mikroprozessoren, die für sich genommen
eine hohe Verlustleistung erzeugen, anstatt mit Kombinationen von
Kühlkörpern und
Lüftern
durch mit einem flüssigen
Kühlmedium,
beispielsweise Wasser, durchströmte
Kühlkörper zu
kühlen.
Somit muss lediglich noch die von den übrigen, nicht einzeln gekühlten Baugruppen
und Bauelemente erzeugte Wärmeverlustleistung über das
Medium Luft abgeführt
werden.
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Sowohl
bei Kühlvorrichtungen,
die aus einem Kühlkörper und
einem Lüfter
bestehen, als auch bei Kühlvorrichtungen
mit von einem flüssigen
Wärmeträgermedium
durchströmten
Kühlkörper besteht das
Problem, dass diese möglichst
gut wärmeleitend auf
dem zu kühlenden
elektronischen Bauelement, meist einem Bauelement mit einem Halbleiterchip, befestigt
werden müssen.
Zur Gewährleistung
eines guten Wärmeübergangs
wird meist eine Wärmeleitpaste
zwischen der thermischen Schnittstelle des Bauelements und dem Kühlkörper verwendet.
Zudem ist ein ausreichender Anpressdruck erforderlich. Muss der
Kühlkörper abgenommen
werden, beispielsweise weil der damit integriert ausgebildete Lüfter defekt
ist oder weil im engen Gehäuse
der Elektronikkomponente Manipulationen an eng benachbarten Baugruppen
oder Bauteilen erforderlich sind, so besteht bei jeder Demontage
bzw. Montage des Kühlkörpers unmittelbar
auf dem empfindlichen elektronischen Bauteil das Risiko, dieses
zu beschädigen
bzw. zu zerstören.
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Soll
eine Elektronikkomponente aus einem Rack herausgezogen und ausgetauscht
werden, und wird bei dieser Elektronikkomponente eine an sich bekannte
Kühlvorrichtung
unter Verwendung eines flüssigen
Wärmeträger- bzw.
Kühlmediums
verwendet, so müssen
entweder die Zuführleitungen
für das Kühlmedium,
vorzugsweise an Kupplungen, getrennt werden, oder es muss die gesamte
Kühlvorrichtung von
dem zu kühlenden
elektronischen Bauelement abgenommen und das Risiko in Kauf genommen werden,
dieses zu beschädigen.
Bei einem Trennen der Zuführleitungen
besteht jedoch ebenfalls ein erhebliches Risiko, diese Elektronikkomponente
oder benachbarte Elektronikkomponenten zu beschädigen, wenn auch nur eine geringe
Menge des Kühlmediums
austritt. Dies gilt insbesondere dann, wenn die Elektronikkomponente
während
des Betriebs der übrigen
Elektronikkomponenten ausgetauscht werden soll (hot plugging).
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Zur
Lösung
dieses Problems ist in der nicht vorveröffentlichten deutschen Patentanmeldung
103 35 197 eine Kühlvorrichtung
für ein
elektronisches Bauelement, insbesondere für einen Mikroprozessor, offenbart,
bei welcher der eigentliche Kühlkörper einfach,
schnell und ohne das Risiko einer Beschädigung oder Zerstörung des
zu kühlenden
elektronischen Bauelements montierbar und demontierbar ist. Diese
Kühlvorrichtung
weist einen Kühlkörper auf, der
ein erstes Kühlkörperteil
umfasst, welches zur Verbindung mit dem elektronischen Bauelement
ausgebildet ist, und ein zweites Kühlkörperteil, welches lösbar mit
dem ersten Kühlkörperteil
derart verbunden ist, dass ein geringer Wärmeübergangswiderstand gegeben
ist. Zumindest der überwiegende
Teil der Verlustwärme
wird über
das zweite Kühlkörperteil an
ein Kühlmedium
abgegeben, welches in einem oder mehreren Kanälen innerhalb des zweiten Kühlkörperteils
geführt
ist. Mit dieser Kühlvorrichtung
wird der Vorteil erreicht, dass zur erstmaligen Montage der Kühlvorrichtung
lediglich das erste Kühlkörperteil einmalig
mit dem zu kühlenden
elektronischen Bauelement thermisch gekoppelt und fixiert werden
muss. Dies kann bereits vom Hersteller der Elektronikkomponente
werksseitig erfolgen. Darüber
hinaus kann das erste Kühlkörperteil
auch vom Hersteller des zu kühlenden
elektronischen Bauelements auf diesem montiert werden. Das erste
Kühlkörperteil
kann auch integriert mit dem Gehäuse
des elektronischen Bauelements ausgebildet, insbesondere unlösbar mit diesem
verbunden sein.
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Der
zweite Kühlkörperteil
kann dann ohne die Gefahr einer Beschädigung des elektronischen Bauelements
mit dem ersten Kühlkörperteil
gut thermisch leitend verbunden werden. Das zweite Kühlkörperteil
kann dann bedarfsweise wieder problemlos vom ersten Kühlkörperteil
getrennt werden. Soll die Elektronikkomponente, welche das zu kühlende elektronische
Bauelement umfasst, ausgetauscht werden, so muss nicht mehr zwingend
entweder der gesamte Kühlkörper (bestehend
aus dem ersten und zweiten Kühlkörperteil)
demontiert oder, bei einem Belassen des Kühlkörpers auf dem elektronischen Bauelement,
die Zuführleitungen
für das
Kühlmedium
vom Kühlkörper getrennt
werden. Vielmehr kann einfach und schnell lediglich das zweite Kühlkörperteil
vom ersten Kühlkörperteil
getrennt und beispielsweise auf ein weiteres erstes Kühlkörperteil,
welches bereits auf dem betreffenden zu kühlenden elektronischen Bauelement
einer Austausch-Elektronikkomponente befestigt ist, montiert werden.
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Auch
bei diesen Ausführungsformen
einer mit einem flüssigen
Medium arbeitenden Kühlvorrichtung
für ein
elektronisches Bauelement kann bei den künftig zu erwartenden, extrem
hohen abzuführenden
Wärmemengen
das Problem auftreten, dass bei einer vorgegebenen Struktur des
oder der Kanäle
für das
Wärmeträgermedium
innerhalb des Kühlkörpers und
bei einer vorgegebenen Flussrate für das Wärmeträgermedium mit einer bestimmten
Vorlauftemperatur die Verlustleistung nicht mehr zuverlässig abgeführt werden
kann.
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Aus
der
DE 101 53 512
A1 ist ein Kühlkörper mit
einer Grundplatte und mehreren Kühlrippen
bekannt, die auf einer Flachseite der Grundplatte beabstandet angeordnet
sind. Die Kühlrippen
bilden zwischen sich Kanäle
aus, wobei die Kanalöffnungen
zusammen mit den Stirnflächen
der Kühlrippen
eine Ein- und Ausströmseite
für die
die Vorrichtung als Kühlmedium
durchströmende
Kühlluft
bilden. Die Stirnseiten der Kühlrippen
sind so ausgebildet, dass die Ein- und Ausströmseite der Rippenanordnung insgesamt
strömungsgünstig gestaltet
ist. Ziel dieser Maßnahme
ist, den Strömungswiderstand
der Anordnung bei einem Anströmen
mit Kühlluft
zu reduzieren, um hierdurch auf einen zusätzlichen Lüfter verzichten zu können. Dies
Maßnahme
ist jedoch auf flüssigkeitsgekühlte Anordnungen
nicht ohne Weiteres übertragbar.
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Eine ähnliche
Lösung
zeigt die US 2003/0196779 A1, welche eine Wärmesenke bzw. eine Kühlvorrichtung
beschreibt, bei der der Anströmwiderstand
und Ausströmwiderstand
eines die Vorrichtung durchströmenden
Luftstroms durch eine Verjüngung
von Wandungen reduziert wird, welche luftführende Kanäle bilden.
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Die
WO 02/47453 A1 befasst sich mit einer Elektronikanordnung, welche
eine Platine mit einem darauf vorgesehenen Luftkühlkörper aufweist, welcher durch
beabstandete Wandungen gebildete Kanäle für die Kühlluft aufweist, die mittels
eines Lüfters durch
die Kanäle
gefördert
wird. Die Kanäle
sind dabei sind dabei so vorgesehen, dass der Luftstrom die gewünschte Charakteristik
aufweist.
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Die
US 2003/0024687 A1 beschreibt eine Kühlvorrichtung, welche aus mehreren,
beabstandeten Platten besteht, die zwischen sich Kühlkanäle ausbilden.
Die Platten weisen Schlitze auf, die durch teilweises Ausstanzen
und Ausbiegen der teilweise ausgestanzten Bereiche entstehen. Die
nach außen gebogenen
Bereiche oder Flansche und die Schlitze dienen zur Verwirbelung
der Luft, die durch die Kanäle
strömt.
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Schließlich offenbart
die WO 96/19707 A1 einen Wärmetauscher,
bei dem zwischen mehreren Platten oder einem mäanderförmig verlaufenden, plattenförmigen Element Abstandsplatten
mit von der Platte nach außen
gebogenen Lippen eingesetzt sind. Die Lippen sind aus den Abstandsplatten
teilweise ausgestanzt und aus der Ebene der Platte heraus nach außen gebogen.
Die Strömung
des Kühlmediums
verläuft
bei diesem Wärmetauscher
so, dass die Lippen von ihrer seitlichen Stirnfläche her angeströmt werden.
Obwohl man bei einer derartigen Anströmung vermuten würde, dass
kaum Verwirbelungseffekte erzielt werden, haben die Erfinder dieses
Wärmetauschers
festgestellt, dass überraschenderweise
dennoch ein stark turbulenter Strom entsteht, wodurch ein geringer
thermischer Übergangswiderstand
für den
Wärmetauscher
erreicht wird.
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Diese
Ausbildung der Platten mit nach außen gebogenen Lippen eignet
sich jedoch nur für
Kanäle, die
senkrecht zur Strömungsrichtung
des Mediums eine relativ große
Breite und eine geringe Höhe
aufweisen.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Kühlvorrichtung
für ein
elektronisches Bauelement, insbesondere für einen Mikroprozessor, zu
schaffen, bei der bei vorgegebener Flussrate des flüssigen Kühlmediums
und vorgegebener Struktur des Kühlkörpers, insbesondere
der Kanäle
für das Kühlmedium,
eine höhere
Wärmemenge
abgeführt werden
kann.
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Die
Erfindung löst
diese Aufgabe mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
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Die
Erfindung geht von der Erkenntnis aus, dass bei üblichen Strukturen von Kühlkörpern und den
darin angeordneten Kanälen
für das
flüssige Kühlmedium
die Wärmekapazität des Kühlmediums nicht
optimal ausgenutzt wird. Insbesondere entstehen, über den
Querschnitt eines Kanals gesehen, Bereiche in denen die Temperatur
des Kühlmediums gegenüber denjenigen
Bereichen, die den Wandungen benachbart sind, an denen der Wärmeübergang erfolgt,
deutlich geringer ist. Bei einer im Wesentlichen laminaren Strömung innerhalb
des und den verhältnismäßig geringen
Durchlaufzeiten des Mediums durch den Kühlkörper erfolgt zwischen diesen
Bereichen allenfalls ein geringer Wärmeaustausch bzw. Wärmeübergang.
Durch das Vorsehen wenigstens eines Strö mungsleit- und -mischelements
in dem wenigstens einen Kanal oder, in Strömungsrichtung gesehen, vor
dem wenigstens einen Kanal wird erfindungsgemäß erreicht, dass eine Durchmischung
des Kühlmediums
bei dessen Durchfluss durch den Kanal erfolgt. Hierdurch wird gegenüber den
Verhältnissen,
die bei einem Durchfluss des Mediums durch einen Kanal ohne Strömungsleit-
und -mischelement herrschen, (zumindest im örtlichen Mittel) die Temperatur
des Mediums in den den Wandungen des Kanals benachbarten Bereichen,
an denen der Wärmeübergang
auf das Kühlmedium
erfolgt, verringert. Demzufolge wird die Wärmekapazität des Kühlmediums besser ausgenutzt.
Die mittlere Temperatur des am Rücklaufanschluss
der Kühlvorrichtung
austretenden Kühlmediums
ist höher
als bei einer entsprechenden Vorrichtung ohne das wenigstens eine
Strömungsleit-
und -mischelement. Bei gleicher Durchflussrate kann daher eine größere Wärmemenge
abgeführt
werden.
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Erfindungsgemäß erstreckt
sich das Strömungsleit-
und -mischelement über
eine vorgegebene axiale Länge
des Kanals oder über
die gesamte Länge
des Kanals, wobei an mehreren axialen Positionen, vorzugsweise in äquidistanden
axialen Abständen,
Strömungsleitstrukturen
vorgesehen sind.
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Das
Strömungsleit-
und -mischelement kann aus einem im Wesentlichen ebenen oder gekrümmten, einer
geraden oder gekrümmten
Achse des Kanals folgenden Basiselement bestehen, wobei die Strömungsleitstrukturen
an einer Seitenfläche
oder beiden Seitenflächen
des Basiselements angeordnet sind. Ein derartiges Element kann sehr
einfach und kostengünstig
hergestellt werden.
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Die
Strömungsleitstrukturen
sind erfindungsgemäß zapfenartig
oder taschenartig ausgebildet.
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Nach
der bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung ist das wenigstens eine Strömungsleit- und -mischelement
als separates Bauteil in den Kanal eingesetzt oder vor der Einströmöffnung des
Kanals montiert. Hierdurch ergibt sich eine einfache und kosten günstige Möglichkeit
zur Realisierung der Erfindung. Selbstverständlich kann das wenigstens
eine Strömungsleit-
und -mischelement jedoch auch integriert mit dem Kühlkörper, insbesondere
den Wandungen des wenigstens einen Kanals, ausgebildet sein.
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Erfindungsgemäß kann das
wenigstens eine Strömungsleit-
und -mischelement wenigstens eine Strömungsleitstruktur umfassen,
die eine Strömungsleitfläche aufweist,
welche bei einem Anströmen
durch das Kühlmedium
das Kühlmedium
aus einem Querschnittsbereich des Kanals, in dem das Kühlmedium
eine niedrigere Temperatur aufweist oder zumindest ohne das wenigstens
eine Strömungsleit-
und -mischelement aufweisen würde,
in einen Querschnittsbereichs geleitet wird, in dem das Kühlmedium
eine höhere
Temperatur aufweist oder zumindest ohne das wenigstens eine Strömungsleit- und
-mischelement aufweisen würde,
oder umgekehrt.
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Insbesondere
können
die Strömungsleitstrukturen
Strömungsleitflächen aufweisen,
welche die Strömung
des Kühlmediums
aus inneren Querschnittsbereichen in Richtung auf die Wandung des
Kanals leiten, vorzugsweise in Richtung von solchen Wandungsbereichen,
in denen die Energiedichte der abzuführenden Wärmeenergie am größten ist.
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Nach
einer Ausführungsform
der Erfindung können
die Strömungsleitstrukturen
so ausgebildet sein, dass sich bei einem Anströmen der Strömungsleitstrukturen durch das
Kühlmedium
aus beiden axialen Richtungen des betreffenden Kanals ein im Wesentlichen
gleiches Verhalten hinsichtlich der Strömungsleit- und Mischwirkung
des Strömungsleit-
und Mischelements ergibt, wobei die Strömungsleitstrukturen vorzugsweise
zu einer senkrecht zur Achse des Kanals verlaufenden Ebene spiegelsymmetrische Strömungsleitflächen oder
zu einer zur Achse des Kanals senkrecht verlaufenden Achse rotationssymmetrische
Strömungsleitflächen aufweisen.
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Hierdurch
muss bei der Montage des Kühlkörpers bzw.
der Kühlvorrichtung
nicht auf die Orientierung des Strömungsleit- und Mischelements
in Bezug auf den Vorlauf- bzw. Rücklaufanschluss
geachtet werden. Zudem können
bei einer fertig montierten Kühlvor richtung
der Vorlauf- und der Rücklaufanschluss
beliebig vertauscht werden, ohne dass hierdurch die Gefahr einer
reduzierten oder gar ungenügenden
Wärmeabfuhr
bestünde.
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Das
Basiselement kann eine Höhe
aufweisen, die im Wesentlichen der Höhe des Kanals entspricht, vorzugsweise
der maximalen Höhe
des Kanals. Hierdurch ist eine ausreichende Fixierung der Position
des Strömungsleit-
und -mischelements innerhalb des Kanals, auch während des Hindurchströmens des
Kühlmediums
erreichbar.
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Die
Fixierung der Position kann auch dadurch erreicht oder verbessert
werden, dass die Strömungsleitstrukturen
so ausgebildet sind, dass sie zumindest punktweise an der Innenwandung
des Kanals anliegen.
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Das
Basiselement kann nach einer weiteren Ausführungsform Durchbrüche aufweisen
und die Strömungsleitstrukturen
können
dabei so angeordnet und ausgebildet sein, dass ein Teil der Strömung oder
im Wesentlichen die gesamte Strömung
durch die Durchbrüche
geleitet wird. Hierdurch kann eine sehr gute Durchmischung des Mediums
erreicht werden.
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Die
Strömungsleitstrukturen
können
auf einfache und kostengünstige
Weise durch Ausformen aus einem im Wesentlichen plattenförmigen Ausgangselement
gebildet werden, insbesondere durch einen Stanz-Biegeprozess, einen
Prägeprozess
oder einen Tiefziehprozess, wobei das Ausgangselement vorzugsweise
aus einem Metall oder Kunststoff besteht.
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Weitere
Ausführungsformen
der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand einer in der Zeichnung dargestellten
Ausführungsform näher erläutert, wobei
die Ausführungsformen
nach den 4, 7 und 8 nicht
als Gegenstand der geschützten
Erfindung anzusehen sind. In der Zeichnung zeigen:
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1 eine
perspektivische Darstellung einer Ausführungsform einer Kühlvorrichtung
nach der Erfindung unter Verwendung eines flüssigen Kühlmediums;
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2 eine
perspektivische Schnittdarstellung des vom Kühlmedium durchflossenen Teils
des Kühlkörpers der
Ausführungsform
in 1 mit zwei Varianten von möglichen Strömungsleit- und -mischelementen;
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3 eine
vergrößerte perspektivische
Darstellung der ersten Variante eines Strömungsleit- und -mischelements
der Ausführungsform
in 1;
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4 eine
vergrößerte perspektivische
Darstellung der zweiten Variante eines Strömungsleit- und -mischelements
der Ausführungsform
in 1 und
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5 bis 8 jeweils
eine perspektivische Darstellung einer weiteren Variante eines Strömungsleit-
und -mischelements.
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1 zeigt
in perspektivischer Ansicht schematisch eine Kühlvorrichtung 1, die
auf einem elektronischen Bauelement 3, beispielsweise einem
Mikroprozessor, montiert ist. Der Mikroprozessor 3 ist seinerseits
auf einer nur angedeuteten Platine 5 angeordnet, auf der
selbstverständlich
weitere Bauelemente oder Baugruppen vorgesehen sein können. Bei
der Platine 5 kann es sich beispielsweise um ein Mainboard
eines Servers handeln. Die Kühlvorrichtung 1 umfasst
ein erstes Kühlkörperteil 7 aus
einem gut wärmeleitenden
Material, beispielsweise Aluminium oder Kupfer, welches unmittelbar
mit dem Gehäuse
bzw. einer thermischen Schnittstelle des zu kühlenden elektronischen Bauelements
thermisch leitend verbunden ist. Dabei kann es sich beispielsweise
um eine Wärmeableitplatte
(heat spreader) eines Mikroprozessors bzw. des elektronischen Bauelements 3 handeln.
Das erste Kühlkörperteil 7 weist
an seiner dem Bauelement 3 abgewandten Seite eine Struktur
in Form von Rippen 11 auf, die, einen trapezförmigen Querschnitt
aufweisen können.
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Auf
dem ersten Kühlkörperteil 7 ist
ein zweites Kühlkörperteil 9 aus
einem gut wärmeleitenden Material,
beispielsweise Aluminium oder Kupfer, angeordnet und thermisch gut
leitend mit diesem verbunden. Hierzu ist das zweite Kühlkörperteil 9 an
seiner Un terseite mit einer komplementär ausgebildeten Struktur in
Form von Rippen 13 versehen. In den Rippen 13 verlaufen,
wie in 2 dargestellt, Kanäle 15 für ein flüssiges,
die Kanäle 15 durchströmendes Kühlmedium
(nicht dargestellt), welches die vom elektronischen Bauelement 3 in
Form von Wärme
erzeugte Verlustleistung abtransportiert. Die Anordnung der Kanäle 15 in
den Rippen bietet den Vorteil, dass bei entsprechend dünnen Wandungen
der Rippen 15 das Kühlmedium
nahe der Oberfläche
des Bauelements 3 geführt
werden kann, insbesondere auch zwischen den Rippen 11 des
ersten Kühlkörperteils 7.
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Die
trapezförmige
Ausbildung der Rippen 11 und 13 bieten zudem den
Vorteil, dass mit einer geringen Anpresskraft F, die auf das zweite
Kühlkörperteil 9 in
Richtung auf das erste Kühlkörperteil 7 wirkt, ein
hoher Anpressdruck der Seitenflächen
der trapezförmigen
Rippen 11 und 13 erzeugt und demzufolge eine gute
thermische Kopplung gewährleistet werden
kann.
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Der
die Rippen 13 aufweisende mittlere Bereich 17 des
zweiten Kühlkörperteils 9 ist
in seiner Ausdehnung (parallel zur Oberfläche des Bauelements 3)
wenigstens so groß wie
die Ausdehnung der die Rippen 11 aufweisenden Oberfläche des
ersten Kühlkörperteils 7.
Auf diese Weise kann bei einer entsprechenden Anordnung und Ausbildung
der Kanäle 15 ein
im Wesentlichen konstanter Wärmeübergangswiderstand
in der Kontaktfläche
der beiden Kühlkörperteile 7 und 9 – zumindest
entlang von Linien parallel zur Längsrichtung der Rippen – erreicht werden.
Ein derart ausgebildeter mittlerer Bereich 17 hat zudem
den Vorteil, dass er aus einem hochgenau und kostengünstigen
Strangprofil hergestellt werden kann. Dies gilt auch für das erste
Kühlkörperteil 7.
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Der
in den 1 erkennbare, sich an den beiden Enden des mittleren
Bereichs des zweiten Kühlkörperteils 9 jeweils
anschließende
Endbereich 19 bzw. 21, kann hinsichtlich der Außenkontur
identisch wie der mittlere Bereich 17 ausgebildet sein.
Im Inneren der Endbereiche 19, 21 ist jedoch jeweils eine
Sammelkammer (nicht dargestellt) vorgesehen, welche jeweils mit
den Kanälen 15 verbunden
ist. Die Bereiche 17, 19, 21 kön nen selbstverständlich einstückig ausgebildet
sein. Beispielsweise kann ein Endbereich 19, 21 dadurch
hergestellt werden, dass in den Endbereichen eines entsprechenden
Strangprofils von beiden Seiten jeweils die inneren Wandungen zwischen
den Kanälen 15 teilweise
oder ganz entfernt, beispielsweise ausgefräst werden. Die beiderseitigen Öffnungen
des Strangprofils können dann
mit entsprechenden Deckeln verschlossen werden, beispielsweise durch
Verlöten
oder dergleichen.
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An
den Stirnseiten der Endbereiche 19, 21 sind ein
Zulaufanschluss 23 für
eine Zulaufleitung und ein Rücklaufanschluss 25 für eine Rücklaufleitung
vorgesehen. Das Kühlmedium
wird bei der gegebenen (ausreichend niedrigen) Temperatur mit einem
für die
Kühlung
ausreichenden Massenstrom über
die Zulaufleitung der Kühlvorrichtung 1 zugeführt und über die
Rücklaufleitung
abgeführt.
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Die
Montage des ersten Kühlkörperteils 7 auf dem
elektronischen Bauelement 3 kann in üblicher Weise mittels einer
geeigneten Verschraubung oder mittels Klammern oder anderen geeigneten
Verbindungsmitteln erfolgen. Selbstverständlich kann das erste Kühlkörperteil
hierzu beispielsweise seitlich angeordnete Befestigungsmittel aufweisen,
die auch seitlich über
die Oberfläche
des Bauelements 3 hinausragen können. Das Fixieren des ersten
Kühlkörperteils 7 auf
dem Bauelement 3 kann gegenüber der Platine 5 oder
einem nicht dargestellten Gehäuse
einer Elektronikkomponente erfolgen, in welcher die Platine 3 angeordnet
ist. Das erste Kühlkörperteil 7 kann
jedoch auch unlösbar
mit dem Bauelement 3 verbunden sein, beispielsweise durch
Verkleben mit einem wärmeleitenden
Klebstoff, oder sogar einstückig
mit dem Gehäuse
des Bauelements 7 ausgebildet sein.
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Auch
die Verbindung des zweiten Kühlkörperteils 9 mit
dem ersten Kühlkörperteil 7 kann
mittels geeigneter, jedoch in jedem Fall lösbarer Verbindungsmittel erfolgen,
beispielsweise durch Verschrauben, mittels Fixierklammern oder dergleichen. Das
Anpressen des Kühlkörperteils 9 auf
das Kühlkörperteil 7 mit
ausreichendem Druck kann auch durch das Aufsetzen und Anpressen
eines Gehäuseteils
eines Gehäuses
einer Elektronikkomponente erfolgen, in welchem die Platine 5 mit
dem zu kühlenden
Bauelement 3 und der darauf angeordneten Kühlvorrichtung 1 enthalten
ist.
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Durch
diese spezielle Ausbildung der Kühlvorrichtung
ergibt sich der Vorteil, dass das als eigentlicher Kühlköper wirkende
zweite Kühlkörperteil 9 vom
ersten Kühlkörperteil 7 gelöst werden
kann, ohne dass die mechanisch empfindliche thermische Schnittstelle
zwischen dem zu kühlenden
Bauelement 3 und dem ersten Kühlkörperteil gelöst werden muss.
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2 zeigt
den mittleren Bereich 17 des zweiten Kühlkörperteils 9 ohne die
Endbereiche 19. In den Kanälen 15, vorzugsweise
in allen Kanälen, sind
Strömungsleit-
und Mischelemente 27 vorgesehen. In 2 sind dabei
als Beispiel zwei unterschiedliche Varianten eines Strömungsleit-
und Mischelements 27 dargestellt. Zur besseren Erkennbarkeit
der Struktur der Strömungsleit-
und Mischelemente 27 sind diese teilweise aus den Kanälen 15 nach
vorne herausgezogen dargestellt. Die Strömungsleit- und Mischelemente 27 können dieselbe Länge aufweisen
wie die Kanäle 15 oder
sich nur über
einen Teilbereich der axialen Ausdehnung eines Kanals 15 erstrecken.
Selbstverständlich
wäre es auch
möglich
mehrere kurze Strömungsleit-
und Mischelemente in ein und denselben Kanal 15 einzubringen.
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Allen
Varianten von Strömungsleit-
und Mischelementen 27, wie sie in den 2 bis 8 dargestellt
sind, ist gemeinsam, dass sie jeweils Strömungsleitstrukturen 29 umfassen,
die Strömungsleitflächen 31 aufweisen,
welche schräg
zur Achse des betreffenden Kanals 15 verlaufen, bzw. schräg zur Strömungsrichtung
einer laminaren Strömung
in dem betreffenden Kanal ohne das Vorhandensein eines Strömungsleit-
und Mischelements 27.
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Bei
der in 3 dargestellten Variante eines Strömungsleit-
und Mischelements 27, welches identisch ist mit dem in 2 im
zweiten Kanal von links enthaltenen Strömungsleit- und Mischelement 27, handelt
es sich um eine sich in Längsrichtung
des Kanals vertikal angeordnete Platte 33, an deren (im konkreten
Beispiel vertikalen) Seitenflächen
die Strömungsleitstrukturen 29 angeordnet
sind. Die Strömungsleitstrukturen
sind als sich flügelartig
von den Seitenwandungen nach außen
erstreckende Wandungen ausgebildet, die, in Flussrichtung I des
Mediums gesehen, vorzugsweise schräg zur Platte 33 verlaufen,
wobei die Wandungen der Strömungsleitstrukturen 29 vorzugsweise
vertikal stehen und der Winkel zwischen der Platte 33 und
der Wandung auf der angeströmten
Seite vorzugsweise ein Winkel größer als
90 Grad ist. Alternativ oder zusätzlich
kann die Wandung der Strömungsleitstruktur 29 konvex gekrümmt in Richtung
des die Wandung anströmenden
Mediums ausgebildet sein.
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Hierdurch
wird das anströmende
Medium aus Bereichen in der vertikalen Mittenebene in Richtung auf
die Wandung des Kanals 15 geführt, wodurch eine Durchmischung
des Mediums über
den gesamten Querschnitt des Kanals 15 erfolgt. Hierzu kann
das Medium auch durch Durchbrüche 35 in
der Platte 33 von einer Seite der Platte 33 auf
die andere Seite gelangen. Die Durchbrüche 35 sind bei dem
in 3 dargestellten Ausführungsbeispiel in Strömungsrichtung
nach den Strömungsleitstrukturen 29 vorgesehen.
Dies ist bedingt durch eine mögliche vorteilhafte
Herstellungsweise des Strömungsleit- und Mischelements 27 nach 3,
bei der die Wandungen der Strömungsleitstrukturen 29 durch
teilweises Ausstanzen und Ausbiegen aus der Platte 33 erzeugt
werden. Hierzu kann die Platte beispielsweise aus Metall bestehen.
Selbstverständlich
kann dieses Strömungsleit-
und Mischelement 27 jedoch auch aus anderen Materialen,
beispielsweise aus Kunststoff bestehen und durch ein Spritzgießverfahren oder
dergl. hergestellt werden.
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Die
vertikale Höhe
der Platte 33 des Strömungsleit-
und Mischelements 27 nach 3 kann im
Wesentlichen der vertikalen Höhe
des betreffenden Kanals 15 entsprechen. Hierdurch erfolgt
eine gewisse Fixierung des Strömungsleit-
und Mischelements 27 nach dessen Einschieben in den Kanal 15. Zusätzlich verhindern
die flügelartigen
Strömungsleitstrukturen 29 eine übermäßige Bewegung
der Platte in horizontaler Richtung. Durch die Strömung des
Mediums und die hierbei ausgeübten
Kräfte
auf die Strö mungsleitflächen wird
sich das Strömungsleit-
und Mischelement 27 mit der in 3 dargestellten
symmetrischen Struktur selbsttätig
so im Kanal 15 ausrichten, dass die Platte 33 in
etwa in der vertikalen Symmetrieebene des Kanals 15 liegt.
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Bei
dem in 4 dargestellten Ausführungsbeispiel eines Strömungsleit-
und Mischelements 27 handelt es sich um die in 2 im
dritten Kanal 15 von links dargestellte Variante. Auch
dieses Strömungsleit-
und Mischelement 27 besteht aus einer Platte 33,
die jedoch im Wesentlichen horizontal im Bereich der größten horizontalen
Ausdehnung des im Querschnitt im Wesentlichen dreieckförmigen Kanals 15 verläuft. An
ihrer Unterseite sind wiederum Strömungsleitstrukturen 29 angeordnet,
welche Strömungsleitflächen 31 für das die
Strömungsleitstrukturen 29 anströmende Medium
aufweisen. Die Strömungsleitstrukturen
sind als schräg
zur Platte 33 und zur Achse des Kanals 15 verlaufende
Wandungen ausgebildet und, vorzugsweise konvex in Richtung auf das
anströmende
Medium ausgebildet. Sie leiten das Medium aus dem oberen Querschnittsbereich des
Kanals 15 in den sich verjüngenden unteren Querschnittsbereich.
Hierdurch wird eine Durchmischung des Mediums bewirkt und vornehmlich
das kühlere
Medium aus den querschnittsinneren Bereichen in Richtung auf den
unteren Querschnittsbereich geführt.
Durch Durchbrüche 35 kann
auch ein Austausch des Mediums aus Querschnittsbereichen des Kanals 15 oberhalb
der Platte 33 in Querschnittsbereiche unterhalb der Platte 33 erfolgen.
Die Fixierung des Strömungsleit-
und Mischelements 27 bzw. dessen Position innerhalb des
Kanals 15 ergibt sich selbsttätig durch die Breite der Platte 33 in
Bezug auf den Verlauf des Querschnitts des Kanals sowie durch das
Anströmen
der Strömungsleitflächen 31 durch das
Medium.
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Das
in 4 dargestellte Strömungsleit- und Mischelement 27 kann
in analoger Weise hergestellt werden wie das in 3 dargestellte
Strömungsleit- und
Mischelement 27. Hierzu und auch hinsichtlich der möglichen
Materialien sei daher auf die vorstehenden Ausführungen verwiesen.
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Das
in 5 gezeigte Ausführungsbeispiel eines Strömungsleit-
und Mischelements 27 weist hinsichtlich der grundlegenden
Struktur große Ähnlichkeiten
mit der Variante nach 3 auf. Anstelle der flügelartigen
Strömungsleitstrukturen
sind hier jedoch taschenartige Strömungsleitstrukturen 29 vorgesehen,
die alternierend beiderseits einer Platte 33 ausgebildet
sind. Die taschenartigen Strömungsleitstrukturen
werden dabei jedoch vorzugsweise aus der Richtung I angeströmt, in die
sich die Taschen öffnen.
Die Strömungsleitflächen 31 befinden
sich daher an den Innenwandungen der taschenartigen Strömungsleitstrukturen 29.
Durch diese wird das Medium jeweils durch Durchbrüche 35 auf
die andere Seite der Platte 33 geführt und gelangt hier in die Öffnung der
nächsten
taschenartigen Strömungsleitstruktur 29 usw.
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Die
Herstellung eines derartigen Strömungsleit-
und Mischelements 27 kann wiederum ausgehend von einer
im wesentlichen ebenen Platte erfolgen, wobei die taschenartigen
Strömungsleitstrukturen 29 durch
Stanzen und einen Präge-
oder Tiefziehprozess oder dergleichen erzeugt werden können.
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Hinsichtlich
des Fixierens eines derartigen Strömungsleit- und Mischelements 27 sei
auf die vorstehenden Ausführungsformen,
insbesondere in Verbindung mit der Variante nach 3 verwiesen.
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Die
Ausführungsform
eines Strömungsleit- und
Mischelements 27 nach 6 ähnelt in
ihrer Struktur der Ausführungsform
nach 4. Es ist wiederum eine im Wesentlichen ebene
und bei im Kanal eingesetzten Strömungsleit- und Mischelementen horizontal
verlaufende Platte 33 vorgesehen, an deren Unterseite sich
zapfenartig verlaufende Strömungsleitstrukturen 29 nach
unten in den sich verjüngenden
Querschnittsbereich des Kanals erstrecken. Wie in 6 dargestellt,
können
die an sich beliebig unsymmetrischen, zapfenartigen Strömungsleitstrukturen
spiegelsymmetrisch zu einer vertikalen Mittelebene (senkrecht zur
Strömungsrichtung)
oder sogar rotationssymmetrisch zu jeweils einer vertikalen zentralen
Achse ausgebildet sein. In diesem Fall kann ein derartiges Strömungsleit-
und Mischelement 27 infolge der Spiegelsymmetrie bzw. Rotati onssymmetrie
der Strömungsleitstrukturen 29 aus
beiden Richtungen angeströmt
werden, ohne dass sich das Verhalten der Strömung des Mediums ändert. Hierdurch ergibt
sich der Vorteil, dass bei der Montage des Kühlkörpers nicht auf die Orientierung
der Strömungsleit-
und Mischelemente 27 geachtet werden muss. Zudem können bedenkenlos
der Vorlauf und der Rücklauf
der Kühlvorrichtung
vertauscht werden.
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Selbstverständlich können die
zapfenartigen Strömungsleitstrukturen 29 in 6 auch,
wie dargestellt, hohl oder massiv ausgebildet sein. Bei einer hohlen
Ausbildung wirkt auch die Oberseite eines derartigen Strömungsleit-
und Mischelements 27 infolge der Ausnehmungen im Sinne
einer das Medium vermischenden Struktur.
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Des
weiteren können
die zapfenartigen Strömungsleitstrukturen 29 in 6 auch
schaufelartig ausgebildet sein, beispielsweise als hohle, nach einer
Seite geöffnete
Struktur, oder zapfenartig hohl mit vorbestimmten Durchbrüchen.
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Ein
im Wesentlichen identisches Verhalten des Strömungsleit- und Mischelements 27 bzw.
ein von der Anströmrichtung
unabhängiges
Verhalten kann auch mittels eines Strömungsleit- und Mischelements 27 nach 7 erzeugt
werden, welches ein zentrales, stangenartiges Trägerelement 37 umfasst, welches
eine um das Trägerelement 37 schraubenartig
verlaufende Strömungsleitstruktur 29 trägt. Die schraubenartig
verlaufende Wandung der Strömungsleitstruktur 29 entspricht
mit ihrer Außenkontur im
Wesentlichen dem Querschnitt des Kanals 15. Hierdurch ergibt
sich eine Fixierung der Position des Strömungsleit- und Mischelements 27 im
Kanal 15. Zudem wird vermieden, dass sich entlang der Innenwandung
des Kanals eine ungestörte
laminare Strömungsschicht
ausbildet. Vielmehr ist sichergestellt, dass die Strömung des
Mediums dem durch das Strömungsleit-
und Mischelement 27 und die Kanalinnenwandung definierten
schraubenförmigen
Kanal folgt, wobei hierdurch gleichzeitig eine Durchmischung des
Mediums aus den einzelnen Querschnittsbereichen erfolgt.
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Ein
derartiges Strömungsleit-
und Mischelement 27 kann beispielsweise durch ein Kunststoff-Spritzgießverfahren
auf einfache Weise hergestellt werden.
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Die
in 8 dargestellte Variante eines Strömungsleit-
und Mischelements 27 kann sowohl innerhalb eines Kanals
als auch vor einer Kanalöffnung angeordnet
werden. Bei dieser Ausführungsform
eines Strömungsleit-
und -mischelements 27 sind Strömungsleitstrukturen 29 vorgesehen,
die sich ausgehend von einem Zentralbereich 39 flügelförmig nach außen erstrecken
und jeweils eine Strömungsleitfläche 31 umfassen,
welche schräg
zur Querschnittsebene des Kanals und schräg zur Längsachse des Kanals verläuft. Hierdurch
wird dem Strom des Kühlmediums
ein Drall aufgeprägt,
welcher zu einer Durchmischung des Mediums führt.
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Auch
ein derartiges Strömungsleit-
und -mischelement 27 kann beispielsweise aus Metall oder
Kunststoff bestehen und mittels eines geeigneten Stanz- und Biegeverfahrens
oder eines Spritzgießverfahrens
hergestellt werden.