DE102004030675A1

DE102004030675A1 - Kühleinrichtung für elektronische Bauelemente

Info

Publication number: DE102004030675A1
Application number: DE200410030675
Authority: DE
Inventors: Wilfried Dr. Hofmann
Original assignee: NFT Nanofiltertechnik GmbH
Current assignee: NFT Nanofiltertechnik GmbH
Priority date: 2004-06-24
Filing date: 2004-06-24
Publication date: 2005-11-10

Abstract

Die Kühleinrichtung für elektronische Bauelemente (5) hat eine Montageplatte (4), an der die elektronischen Bauelemente in wärmeleitendem Kontakt befestigt sind. An der Montageplatte (4) sind mehrere Kühlelemente (7, 8) befestigt, und zwar mindestens auf der den elektronischen Bauelementen abgewandten Seite (9) der Montageplatte (4). Die Montageplatte (4) bildet die Rückwand eines Schaltschrankes und ist durch eine Abdeckung (11) abgedeckt, so daß sich ein außerhalb des Innenraumes (2) des Schaltschrankes liegender Strömungskanal (12) bildet, dem Außenluft über einen Lüfter (14) zugeführt wird. Der Kanal (12) ist im wesentlichen vertikal ausgerichtet. Im Innenraum (2) kann eine zusätzliche Strömung durch Konvektion oder einen weiteren Lüfter (18) erzeugt werden, wobei dann auch an der Innenwand (10) der Montageplatte (4) entsprechende Kühlelemente (8) angebracht sind.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Kühleinrichtung für elektronische Bauelemente.
Eine solche Kühleinrichtung ist aus der DE 203 16 334 U1 bekannt. Diese Kühleinrichtung hat eine Grundplatte, die in wärmeleitendem Kontakt mit einem zu kühlenden elektronischen Bauelement bringbar ist. Von der Grundplatte stehen mehrere Trägerplatten ab, an denen jeweils mindestens ein Kühlelement gemäß der DE 102 33 736 B3 angebracht ist.
Die Kühlelemente gemäß der DE 102 33 736 B3 haben ein Substrat mit einer Unterseite und einer Oberseite, wobei von der Oberseite des Substrates abstehende, hintereinanderliegende Stege vorgesehen sind, deren Höhe kleiner ist als der Abstand benachbarter Stege und das Substrat eine Vielzahl von regelmäßig angeordneten, sich durch das Substrat hin durcherstreckenden Kanälen aufweist sowie eine Einrichtung zur Erzeugung eines gerichteten Fluidstromes mit einer Anströmrichtung, die tangential zur Unterseite und zur Oberseite des Substrates liegt und quer zu den Stegen verläuft.
Die Kühleinrichtung der DE 203 16 334 U1 ist für die Kühlung eines einzelnen elektronischen Bauelementes, wie z.B. eines Mikroprozessors; konzipiert und wird in der Praxis als "Kühlkörper" mit integriertem Gebläse unmittelbar auf der Oberfläche des zu kühlenden Bauelementes befestigt, beispielsweise mittels eines wärmeleitenden Klebstoffes.
Eine ähnliche Kühleinrichtung ist auch aus der DE 203 17 298 U1 bekannt. Dort sind an einem Wärmeleitungskörper, der ebenfalls in unmittelbaren Kontakt mit einem zu kühlenden elektronischen Bauelement gebracht wird, mehrere Trägerplatten angeordnet, zwischen denen je ein abgebogener Strömungsraum gebildet ist. An den Wänden der Strömungsräume sind ebenfalls Kühlelemente gemäß der DE 102 33 736 B3 angebracht.
Moderne Werkzeugmaschinen, wie z.B. Drehbänke, Fräßmaschinen, Schleifmaschinen, Erodiermaschinen usw., sind heute mit zahlreichen elektronischen Bauelementen ausgestattet und weisen eine umfangreiche numerische Steuerung auf, die in einem eigenen Gehäuse untergebracht ist. Auch Schaltschränke und sonstige Baugruppenträger weisen immer mehr elektronische Komponenten auf, was aufgrund des zunehmenden Anteils an Schaltelektronik und Steuerungscomputern zu ständig wachsenden Problemen im Bereich der Kühlung solcher Maschinen oder Einrichtungen führt. Im Falle einer Überhitzung treten Ausfälle in der Steuerelektronik oder gar ein kompletter Ausfall der gesamten Einheit auf.
Es genügt daher nicht mehr, einzelne Bauelemente zu kühlen. Vielmehr müssen komplette Schaltschränke, Steuerungscomputer etc. gekühlt werden. So treten beispielsweise in Schalt schränken Verlustleistungen von über 1000 W auf, die abgeführt werden müssen. Es werden daher auch Klimageräte eingesetzt, die nach dem Kühlschrank-Prinzip mit Kompressor, Verdampfer und Wärmetauscher arbeiten (vgl. US 5,706,668 ) oder einen Wärmetauscher verwenden, der mit kaltem Wasser betrieben wird (vgl. EP 0 741 269 A2 oder die DE 252 225 A1 oder DE 100 48 877 A1 ). Solche Kühleinrichtungen weisen aber größere Abmessungen auf und sind aus zahlreichen Komponenten aufgebaut, die störanfällig und teuer sind. Bei Ausfall einer Komponente fällt die gesamte Kühleinheit aus, die oftmals dann nur komplett ausgetauscht werden kann. Auch sind Wartung und Reparatur mit hohen Kosten und längeren Ausfallzeiten verbunden.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Kühleinrichtung für elektronische Bauelemente zu schaffen, die bei einfachem Aufbau eine gute Kühlleistung erbringt, störunanfällig ist und geringen Wartungsaufwand erfordert.
Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
Das Grundprinzip der Erfindung besteht darin, eine Montageplatte vorzusehen, an der die elektronischen Bauelemente in wärmeleitendem Kontakt befestigt sind, wobei die Montageplatte mehrere Kühlelemente aufweist, die auf der den elektronischen Bauelementen abgewandten Seite der Montageplatte angebracht sind. Es ist aber auch möglich, die Kühlelemente beidseitig der Montageplatte anzubringen. Die Kühlelemente sind generell entsprechend der DE 102 33 736 B3 aufgebaut, wobei sich zwischen den Kühlelementen und der Seite der Montageplatte, an der die Kühlelemente befestigt sind, mehrere Kanäle erstrecken, die parallel zur Anströmrichtung verlaufen. Diese Kanäle können durch Stege des Kühlelementes oder Nuten und Stege der Montageplatte gebildet sein. Die Montageplatte ist als eine Wand, vorzugsweise die Rückwand eines Gehäuses ausgebildet, deren Innenraum gekühlt werden soll. Zusätzlich ist die den elektronischen Bauelementen abgewandte Seite der Montageplatte mit einer Abdeckung versehen, die zusammen mit der Montageplatte einen Strömungskanal bildet, an dessen einer Seite die Einrichtung zur Erzeugung eines gerichteten Fluidstromes vorgesehen ist, die im einfachsten Fall aus einem Gebläse besteht, das kühlere Umgebungsluft durch den Strömungskanal leitet. Damit kann der Innenraum des Gehäuses gegenüber Außenluft hermetisch abgedichtet sein, so daß die Kühleinrichtung auch in rauher Umgebung, wie z.B. Werkstätten, eingesetzt werden kann, wo die Kühlluft mit Partikeln verunreinigt ist, die die Funktion der elektronischen Bauelemente beeinträchtigen könnte, wie z.B. Wassertröpfchen, chemisch aggressive oder elektrisch leitfähige Substanzen etc.
Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist auch die Seite der Montageplatte, an der die elektronischen Bauelemente befestigt sind, mit entsprechenden Kühlelementen ausgestattet. Durch Konvektion oder ein auf dieser Seite der Montageplatte, d.h. im "Innenraum" der Kühleinrichtung angeordnetes Gebläse kann ein Umluftstrom erzeugt werden, der für eine verbesserte Übertragung und damit verbesserte Wärmeabfuhr über die Montageplatte führt. In nicht aggressiver Umgebung kann auch der Innenraum mit Außenluft gespeist werden und eine Entlüftungsöffnung haben. Vorzugsweise folgt die Speisung des Innenraums über dasselbe Gebläse, das auch den genannten Kanal speist.
Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann im Innenraum ein zusätzlicher Lüfter vorhanden sein.
Nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann eine direkte Wärmekopplung der Montageplatte mit Quellen von Abwärme, wie z.B. elektronischen Bauelementen, vorgesehen sein, um den Wärmetransport in die Montageplatte weiter zu verbessern. Hierfür können einfache wärmeleitende Verbindungen, wie breite Bänder, aber auch sog. Heatpipes verwendet werden.
Die Befestigung der Kühlelemente an der Montageplatte kann auf vielfältige Weise erfolgen, beispielsweise durch Anlöten, Ankleben oder Annieten, wobei an den Kontaktflächen entweder ein wärmeleitender Klebstoff oder eine einfache Wärmeleitpaste ohne Klebwirkung aufgebracht wird.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung können mehrere Wände des Gehäuses als Wärmetauscherwand, d.h. als Montageplatte ausgebildet sein. Die elektronischen Bauelemente eines Schaltschrankes können dann an frei wählbaren Stellen an Querleisten angebracht werden, die an vertikalen Befestigungsstegen auf der Innenseite der Montageplatte befestigt sind. Durch eine ausreichende Höhe der Befestigungsstege wird dafür gesorgt, daß die Querleisten von eventuell auf der Innenseite angebrachten Kühlelementen für deren Überströmung genügend beabstandet sind.
Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispieles im Zusammenhang mit der Zeichnung ausführlicher erläutert. Es zeigt:
1 einen schematischen Querschnitt einer Kühleinrichtung nach der Erfindung; und
2 eine perspektivische Teilansicht der Montageplatte mit Kühlelementen, die bei der in 1 dargestellten Erfindung verwendet wird.
Die 1 zeigt einen Schaltschrank 1 mit einem Innenraum 2, der durch eine Tür 3 zugänglich ist und durch eine Montageplatte 4 begrenzt ist, die hier die der Tür 3 gegenüberliegende Rückwand des Innenraums 2 begrenzt. An der Montageplatte 4 sind mehrere elektronische Bauelemente 5 befestigt, sei es unmittelbar oder durch wärmeleitende Verbindungselemente 6. An der Montageplatte 4 sind mehrere Kühlelemente 7 und 8 angebracht, wobei die Kühlelemente 7 auf der dem Innenraum 2 abgewandten Außenseite 9 und die Kühlelemente 8 auf der dem Innenraum 2 zugewandten Innenseite 10 der Montagewand 4 angebracht sind. Gegenüberliegend zur Außensei te 9 ist eine Abdeckung 11 im Abstand angeordnet, so daß sich ein im wesentlichen vertikal verlaufender Kanal 12 ergibt, der über einen optionalen Luftfilter 13 und einen Lüfter 14, die im Bereich des vertikal unteren Endes des Kanales 12 angebracht sind, mit Außenluft versorgt wird. Am oberen Ende des Kanales 12 ist ein Luftauslaß 15 vorgesehen.
Der Innenraum 2 kann gegenüber dem Kanal 12 hermetisch abgedichtet sein, so daß Außenluft nur durch den Kanal 12 strömt und dort über die Kühlelemente 7 Wärme abtransportiert.
Bei der in 1 dargestellten Variante sind auch an der Innenwand 10 der Montageplatte 4 diverse Kühlelemente 8 angebracht, wobei der Innenraum 2 über eine Öffnung 16, die auch als Schieber ausgebildet sein kann, mit dem Kanal 12 verbunden ist, so daß dem Innenraum ebenfalls Außenluft zugeführt wird. Die Öffnung 16 befindet sich im Bereich des vertikal unteren Endes des Innenraumes 2. Somit strömt Außenluft an den Kühlelementen 8 entlang und transportiert von dort ebenfalls Wärme ab. In diesem Falle kann die Außenluft durch eine Entlüftungsöffnung 17 aus dem Innenraum 2 entweichen. Die Strömung im Innenraum wird in diesem Falle durch den Lüfter 14 unterstützt sowie auch durch Konvektion. Zusätzlich kann im Innenraum ein weiterer Lüfter 18 vorgesehen sein, der für eine zusätzliche Strömung sorgt. Ist der Schieber 16 geschlossen, so bildet sich im Innenraum eine durch die Pfeile 19 angedeutete Kreisströmung aus, die durch Konvektion und ggf. unterstützt durch die Lüfter 18 im wesentlichen vertikal an der Innenwand 10 nach oben verläuft und im Bereich der Tür 3 nach unten.
2 zeigt eine perspektivische Ansicht der Montageplatte 4 mit den auf der Innenseite 10 angebrachten Kühlelementen B. Die auf der Außenseite 9 angebrachten Kühlelemente (7 in 1) sind in dieser Darstellung nicht sichtbar. An der Innen- und Außenseite 10 bzw. 9 sind jeweils vertikal verlaufende Nuten 20 vorgesehen, so daß sich abwechselnd Nuten 20 und Stege 21 ergeben. Auf die Stege 21 werden die Kühlelemente aufgebracht, wobei diese an ihrer jeweils von der Montageplatte 4 fortweisenden Seite horizontal verlaufenden Stege 22 aufweisen, die somit quer zur Strömungsrichtung liegen. Zwischen diesen Stegen 22 haben die Kühlelemente eine Vielzahl von Durchbrüchen 23, die eine Strömungsverbindung zu den Nuten 20 herstellen, wobei die Nuten 20 so tief sind, daß sich zwischen benachbarten Stegen 21 und der der Montageplatte 4 zugewandten Rückseite der Kühlelemente 8 ein Strömungskanal ausbildet.
Die Rückseite der Kühlelemente 7 kann eben ausgebildet sein, so daß die Kühlelemente nur auf den Stegen 21 aufliegen. Die Rückseite der Kühlelemente kann aber auch Nuten aufweisen, die den Stegen 21 der Montageplatte 4 zugeordnet sind, so daß eine noch bessere, großflächigere und formschlüssige Verbindung zwischen den Kühlelementen 7, 8 und der Montageplatte 4 erreicht wird. Selbstverständlich ist darauf zu achten, daß die durch die Nuten 20 gebildeten Strömungskanäle ausreichenden Querschnitt haben.
Aus 2 ist weiter zu erkennen, daß an der Innenseite 10 der Montageplatte 4 seitlich benachbart zu den Kühlelementen 8 Vorsprünge 24 vorhanden sind, von denen in 2 einer dargestellt ist. Die elektronischen Bauelemente werden an diesen Vorsprüngen 24 in gutem wärmeleitenden Kontakt befestigt. Die Vorsprünge 24 haben eine Tiefe, die größer ist als die Dicke der Kühlelemente 7, so daß auch größere Bauelemente an der Montageplatte befestigt werden können, die die Vorsprünge 24 seitlich überragen. Auch können Bauelemente oder Platinen den Raum zwischen zwei benachbarten Vorsprüngen 24 überdecken, wobei trotzdem eine gute Strömung zwischen einem solchen Bauelement und den Kühlelementen 8 gewährleistet ist.
Die Kühleinrichtung der Erfindung bringt bei einfacher und platzsparender Bauweise eine sehr gute Wärmeableitung mit sehr hohen Wärmeübergangszahlen. Sie hat mit Ausnahme des Lüfters keine beweglichen Komponenten und damit eine sehr geringe Ausfallwahrscheinlichkeit und damit wieder eine lange Lebensdauer. Sie ist – mit Ausnahme des Lüfters – wartungsfrei, wobei einfache, herkömmliche Standardlüfter verwendet werden können. Sie ist auch ohne großen Aufwand in herkömmliche Schränke nachrüstbar. Da die Montageplatte und die Kühlelemente, die vorzugsweise aus Aluminium oder Kupfer bestehen, leicht herstellbar sind, beispielsweise im Strangziehverfahren, ist die Kühleinrichtung bei geringen Kosten in großen Stückzahlen günstig herzustellen. Man hat beim Einbau von elektronischen Elementen keine nennenswerten Beschränkungen, was eine hohe Flexibilität für den Einsatz bringt. Generell ist es auch möglich, die Montageplatte beidseitig nicht nur mit Kühlelementen sondern auch mit elektronischen Bauelementen zu bestücken, wobei dann lediglich auf beiden Seiten für eine gute Strömung zu sorgen ist.
Für den Fachmann ist klar, daß die Montageplatte (4) modular aus mehreren Einzelplatten zusammengesetzt werden kann, um großflächigere Kühleinrichtungen zu schaffen. Durch den modularen Aufbau erhält man eine Standardisierung in einem Rastermaß, was bei günstigen Herstellkosten eine hohe Flexibilität bringt.

Claims

Kühleinrichtung für elektronische Bauelemente mit einer Montageplatte, an der die elektronischen Bauelemente befestigbar sind, mit mindestens einem an der Montageplatte befestigten Kühlelement, das ein Substrat mit einer Unterseite oder einer Oberseite aufweist, wobei von der Oberseite des Substrates abstehende, hintereinanderliegende Stege vorgesehen sind, deren Höhe kleiner ist als der Abstand benachbarter Stege, wobei das Substrat eine Vielzahl von regelmäßig angeordneten, sich durch das Substrat hindurcherstreckenden Durchbrüchen aufweist, und mit einer Einrichtung zur Erzeugung eines gerichteten Fluidstromes mit einer Anströmrichtung, die tangential zur Unterseite und zur Oberseite des Substrates liegt und quer zu den Stegen verläuft, dadurch gekennzeichnet, daß die elektronischen Bauelemente (5) auf einer Seite (10) der Montageplatte (4) und die Kühlelemente (7) unmittelbar auf der anderen Seite (9) der Montageplatte (4) befestigt sind.
Kühleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Montageplatte (4) eine Rückwand eines Schaltschrankes ist, in dessen Innenraum (2) die elektronischen Bauelemente (5) angeordnet sind, und daß die dem Innenraum (2) abgewandte Seite (9) der Montageplatte (4) eine Abdeckung (11) aufweist, so daß zwischen der Abdeckung (11) und der Montageplatte (4) ein Kanal (12) gebildet ist, durch den der Fluidstrom im wesentlich vertikal nach oben strömt.
Kühleinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Innenraum (2) gegenüber Außenluft hermetisch abgedichtet ist.
Kühleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß auch an der den elektronischen Bauelementen (5) zugewandten Innenseite (10) der Montageplatte (4) Kühlelemente (7, 8) angebracht sind.
Kühleinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß im Innenraum (2) ein Lüfter (18) angeordnet ist, der so ausgerichtet und angeordnet ist, daß an der Innenwand (10) eine vertikal nach oben gerichtete Strömung erfolgt.
Kühleinrichtung nach einem der Ansprüche 1, 2, 4, 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Innenraum (2) über eine Öffnung (16) mit der Einrichtung zur Erzeugung eines gerichteten Fluidstromes (14) in Verbindung steht und an seiner Oberseite eine Entlüftungsöfnung (17) aufweist.
Kühleinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnung (16) ein einstellbarer Schieber ist.
Kühleinrichtung nach einem der Ansprüch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß diejenige Seite (9, 10) der Montageplatte (4), an der die Kühlelemente (7 bzw. 8) angebracht sind, Nuten (20) und Stege (21) aufweist, wobei die Tiefe der Nuten (20) so gewählt ist, daß die Nuten (20) zusammen mit dem Kühlelement (7, 8) einen Strömungskanal bilden, wobei die Durchbrüche (23) der Kühlelemente in Strömungsverbindung mit den Nuten (20) stehen.
Kühleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die elektronischen Bauelemente (5) durch eine wärmeleitende Verbindung (6), insbesondere wärmeleitende Bänder oder Heatpipes mit der Montageplatte (4) verbunden sind.