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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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Derartige
Kühlvorrichtungen
finden beispielsweise in größeren elektronischen
Datenverarbeitungsanlagen Anwendung, in denen die einzelnen Elektronikkomponenten,
wie beispielsweise eine Mehrzahl von Servern, in Schränken oder
Racks aufgenommen werden, 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.
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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 je
1000 mm2 Oberfläche. 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 oder extrem aufwändig gestaltet
(wegen der diversen Geometrien der Bauelemente bzw. der Kühlkörper), wobei
sich diese geringen Verlustleistungen jedoch auch auf Werte von
100 bis 150 W und mehr pro Elektronikkomponente aufsummieren können. Zusätzlich zu den
Prozessorlüftern
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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Da
die Entwicklung in Richtung immer höherer Prozessortaktung immer
schneller voranschreitet gelten die vorstehenden Ausführungen
grundsätzlich auch
für Computer
für den
Heimgebrauch, den sogenannten Arbeitsplatzrechnern bzw. Desktopcomputern.
Beispielsweise sind bereits von führenden Grafikkartenherstellern
eine neue Generation von Grafikkarten angekündigt, deren Grafikmikrokontroller
bzw. Grafikmikroprozessor mit üblichen
Luftkühlkörpern zu
heiß werden
und deshalb nicht ihre volle Leistungsfähigkeit entfalten oder gar
zerstört
werden können.
Für diese
neue Generation wird daher ein spezieller Wasserkühlkörper entwickelt.
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Neben
der Fähigkeit
diese hohen Abwärmen bzw.
Verlustwärmen
an das Kühlmedium übertragen zu
können,
unter Konstanthaltung der Prozessoroberflächentemperatur, werden an die
Kühlkörper zunehmend
weitere Forderungen gestellt wie hohe Betriebssicherheit und Zuverlässigkeit
(geringe Ausfallrate) sowie aufgrund immer kleinerer Bauweisen eine möglichst
geringe Bauhöhe.
Beispielsweise fordern einige Rechnerhersteller bereits Kühlvorrichtungen, welche
inklusive aller Anschlüsse
eine Bauhöhe deutlich
unter einer sogenannten Höheneinheit
(eine HE entspricht 44,45 nun Höhe)
besitzen, damit sie 1HE-Server- und sogar Blade-Server (noch flacher) -tauglich
sind.
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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 im Vergleich zum bekannten Stand der Technik höhere Wärmemenge
abgeführt werden
kann, welche zudem auf einfache und kostengünstige Art und Weise herstellbar
ist und eine geringe Bauhöhe,
insbesondere von weniger als einer Höheneinheit aufweist.
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Die
Erfindung löst
diese Aufgabe mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
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Durch
die Ausbildung eines Kühlkörpers als napfartiger
Grundkörper
mit einem dichtend aufsetzbaren Deckel ist es nunmehr möglich den
Kühlkörper, bzw.
zumindest den Grundkörper
kostengünstig
und einfach als Warmpressteil, vorzugsweise aus besonders wärmeleitfähigem Kunststoff
oder Metall, insbesondere aus Messing herzustellen.
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Nach
der Erfindung weist der Kühlkörper in seinem
Innenraum einen einzelnen, von dem Kühlmedium durchströmbaren Kanal
auf, welcher für
den Abtransport von Wärmeenergie
dient. Hierdurch ist es vorteilhafterweise möglich, einen Kühlkörper zu schaffen,
welcher – unter
Vermeidung von Mehrfachschichten, Sammel- und Verteileinrichtungen
etc. – auf
einfache Art und Weise eine geringe Bauhöhe aufweist.
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Der
Kühlkörper weist
hierbei Vorsprünge
auf, welche in einer Deckel- und/oder Bodeninnenfläche des
Kühlkörpers ausgebildet
sind und sich verjüngend
in Richtung der gegenüberliegenden
Innenfläche
des Kühlkörpers erstrecken.
Hierdurch ist es vorteilhafterweise möglich, die für eine Kühlung wirksame
Innenfläche
des Kanals zu erhöhen.
Durch die sich verjüngende
Ausbildung der Vorsprünge
bzw. Strömungsleit-
und -mischelemente ist es zudem möglich, diese Vorsprünge bzw.
Flächenüberhöhungen einteilig
im Boden des Grundkörpers
und/oder Deckel, beispielsweise ebenfalls mittels Pressen, insbesondere
Warmpressen, auszubilden.
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Nach
der Erfindung erstrecken sich die Vorsprünge, durch welche der Kanal
gebildet wird, wenigsten bis nahezu zur gegenüberliegenden Innenfläche des
Kühlkörpers, wodurch
vorteilhafterweise Leckströme
vermieden werden können.
Hierbei können
die Vorsprünge
als Stege und/oder kegelstumpfförmige
Zapfen ausgebildet sein, wodurch sich vorteilhafterweise ein erhöhter Rippenwirkungsgrad
ergibt.
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In
weiterer Ausgestaltung der Erfindung weist der Kühlkörper in seinem Innenraum eine
Kanalstruktur auf, welche im mm-Bereich liegt. Hierdurch kann vorteilhafterweise
ein Verstopfen des Kanals und damit eine Verminderung der Kühlwirkung vermieden
werden. Im Unterschied zu derzeit erhältlichen Kühlkörpern mit Mikrostruktur mit
fein strukturierten dreidimensionalen Mikrokanälen im Zehntel-mm-Bereich,
liegen nach der Erfindung die engsten Stellen des Kanals im mm-Bereich,
insbesondere im 2 bis 3 mm- Bereich,
so dass Verunreinigungen (üblicherweise
im Zehntel-mm-Bereich) den erfindungsgemäßen Kühlkörper bzw. dessen Kanal nicht verstopfen
können.
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Der
Kanal selbst verläuft
vorteilhafterweise in Formen, die die Kanallänge und damit wiederum Kühlwirkung
erhöhen.
So verläuft
in einer Ausführungsform
der Erfindung der Kanal mäander-
oder zickzackförmig.
Hierbei kann der Kanal symmetrisch (rotations- oder achssymmetrisch)
ausgebildet sein, so dass die Einlass- und Auslassöffnung ohne
Funktions- oder Wirkungsunterschied vertauscht werden können und
damit vorteilhafterweise nicht auf die genaue Anschlussart (Zulauf/Ablauf)
geachtet werden muss. Selbstverständlich sind aber auch andere nicht
symmetrische Kanalformen, wie beispielsweise spiralförmige nach
innen oder außen,
mit beispielsweise einem Anschluss nahezu zentral in Boden oder Decke
denkbar, wodurch ebenfalls eine möglichst große Kanallänge erreicht wird. Durch die
Kanalführung
ist es vorteilhafterweise möglich
die Kühlwirkung
auf sogenannten „Hot
Spots" von elektronischen
Bauelementen abzustimmen, wobei dieses Hot Spots sowohl mittig als
auch außermittig
liegen können.
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In
weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist der Kanalquerschnitt (symmetrisch
oder asymmetrisch) variabel. Beispielsweise kann ein spiralförmiger Kanal
einen zum Zentrum hin enger (oder weiter) werdenden Kanalquerschnitt
besitzen.
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In
bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist der napfartige Grundkörper und/oder
der Deckel als Warmpressteil, vorzugsweise aus Messing, ausgebildet.
Hierdurch kann die erfindungsgemäße Kühlvorrichtung
auf kostengünstige
und einfache Art und Weise hergestellt werden. Selbstverständlich sind
hierfür
alle pressbaren Materialien, welche zudem eine hohe Wärmeleitfähigkeit
aufweisen, denkbar.
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Bei
allen Merkmalen hinsichtlich Durchströmung, Vermischung, ein- oder
zweiteiliger Ausbildung des Kühlkörpers, Einsetzbarkeit
oder Ausbildung in den Innenflächen
von Strömungsleit-
und -mischelement, etc. wird ausdrücklich auch auf die nicht vorveröf fentlichte
deutsche Anmeldung 10 2004 004 440.6 desselben Anmelders verwiesen,
so dass auf den gesamten Offenbarungsgehalt dieser Anmeldung Bezug
genommen wird.
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Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den
Unteransprüchen.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand einiger in der Zeichnung dargestellter
Ausführungsbeispiele
näher erläutert. In
der Zeichnung zeigen:
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1 eine
perspektivische Darstellung einer ersten Ausführungsform einer Kühlvorrichtung
nach der Erfindung;
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2 eine
perspektivische Darstellung einer zweiten Ausführungsform einer Kühlvorrichtung
nach der Erfindung;
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3 eine
perspektivische Schnittdarstellung des vom Kühlmedium durchflossenen Teils
des Kühlkörpers der
Ausführungsform
in 2;
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4 eine
perspektivische Darstellung einer dritten Ausführungsform einer Kühlvorrichtung
nach der Erfindung;
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5 eine
Draufsicht auf die Ausführungsform
einer Kühlvorrichtung
nach 4 mit eingezeichnetem Strömungslinienverlauf;
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6 eine
perspektivische Darstellung der Ausführungsform einer Kühlvorrichtung
nach 4 und 5 mit eingezeichnetem Strömungslinienverlauf;
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7 eine
perspektivische Darstellung einer vierten Ausführungsform einer Kühlvorrichtung
nach der Erfindung;
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8 eine
Draufsicht auf die Ausführungsform
einer Kühlvorrichtung
nach 7 mit eingezeichnetem Strömungslinienverlauf und
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9 eine
perspektivische Darstellung der Ausführungsform einer Kühlvorrichtung
nach 7 und 8 mit eingezeichnetem Strömungslinienverlauf.
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Die
in 1 dargestellte erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung
zeigt in perspektivischer Ansicht schematisch eine nach oben geöffnete Kühlvorrichtung
ohne einen Deckel, die auf einem nicht in der Zeichnung dargestellten elektronischen
Bauelement, beispielsweise einem Mikroprozessor, montierbar ist.
Der Mikroprozessor ist seinerseits üblicherweise auf einer ebenfalls
in der Zeichnung nicht dargestellten Platine angeordnet, auf der
selbstverständlich
weitere Bauelemente oder Baugruppen vorgesehen sein können. Bei
einer solchen Platine kann es sich beispielsweise um ein Mainboard
eines Servers handeln.
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Die
Kühlvorrichtung
umfasst einen nach oben offenen napfartigen Grundkörper 1 aus
einem gut wärmeleitenden
Material, beispielsweise Messing, welcher mit seiner Bodenseite 9 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
handeln. In der Zeichnung weist der Grundkörper 1 rechteckige
oder gar quadratische Abmessungen auf, die jedoch selbstverständlich an die
jeweilige Abmessung und Form einer Wärmeableitplatte angepasst sein
können.
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Der
Grundkörper 1 umfasst
einen als Wände ausgebildeten
Rahmen 3, welcher beispielsweise umlaufend von gleich konstanter
Dicke oder zumindest an seiner Innenseite nach oben verjüngt ausgebildet
sein kann. Auf seiner Vorderseite ist der Rahmen 3 linksseitig
von einer Einlassöffnung 5 und
auf seiner Rückseite
diagonal gegenüber
liegend von einer Auslassöffnung 7 durchbrochen.
Im Inneren des Grundkörpers 1 erstrecken
sich von Boden 9 senkrecht nach oben verjüngende Flächenüberhöhungen bzw.
Vorsprünge,
welche – wie
in 1 dargestellt – als kegelstumpfförmige Zapfen 13 und – beispielsweise
im Querschnitt trapezförmige – Stege 11a, 11b ausgebildet
sind.
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Der
Steg 11a erstreckt sich hierbei, ausgehend von der Vorderseite,
im Wesentlichen parallel zu einer Seitenwandung in Richtung der
Rückseite, wobei
der Steg 11a stirnseitig in einer Entfernung im Millimeterbereich
vor der Rückseite
bzw. der Innenfläche
der Rückseite
des Rahmens 3 endet, um auch hier einen ausreichend breiten
Kanaldurchgang zu gewährleisten.
Umgekehrt erstreckt sich anstatt im linksseitigen Drittel des Grundkörpers 1 der
Steg 11a im rechtsseitigen Drittel, der Steg 11b,
ausgehend von der Rückwand,
im Wesentlichen parallel zur Seitenwand in Richtung der Vorderseite
des Rahmens 3, wobei der Steg 11b mit seiner Stirnseite
ebenfalls in einer Entfernung im Millimeterbereich vor der Vorderseite
bzw. deren Innenfläche
des Rahmens 3 endet, um auch hier einen ausreichend breiten
Kanaldurchgang zu gewährleisten.
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Wie
in 1 dargestellt, ist der Innenraum durch die Stege 11a, 11b in
drei im Wesentlichen äquidistante
Drittel (links, mittig, rechts) unterteilt, so dass sich von der
Einlassöffnung 5 in
Richtung der Auslassöffnung 7 oder
umgekehrt ein S-förmiger
Kanal bildet. Auf diesen Grundkörper 1 wird,
wie in allen folgenden Ausführungsformen,
ein in den Zeichnungen nicht näher
dargestellter Deckel aufgesetzt bzw. mit diesem dichtend verbunden,
beispielsweise verlötet.
Hierbei weisen die Stege 11a, 11b vorzugsweise
eine konstante Höhe
auf und erstrecken sich bis zur Deckelinnenfläche, so dass im Bereich der
Stege und der Deckelinnenfläche
Fehlströmungen
weitgehend vermieden werden können.
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Mit
dem Rahmen 3 kann der Deckel inwändig, also mit seiner Umfangsfläche an Innenwänden anliegen
oder zumindest teilweise auf den Rahmen 3 eventuell auch
innerhalb einer rundum ausgebildeten Stufe aufliegen, so dass auch
die Verbindung zwischen Deckel und Rahmen im zusammengesetzten Zustand
abgedichtet ist.
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Innerhalb
dieses S-förmigen
Kanals sind kegelstumpfförmige
Zapfen 13 angeordnet, welche sich ebenfalls, wie die Stege 11a, 11b,
vom Boden 7 aus in Richtung des Deckels verjüngend erstrecken.
Die Zapfen 13 weisen hierbei vorzugsweise ebenfalls für die Stege 11a und 11b eine
Höhe auf,
so dass sie sich bis oder wenigstens nahezu bis zu der Unterseite
eines aufgesetzten Deckels erstrecken, so dass auch hierbei eventuell
unerwünschte
Fehlströmungen
weitgehend vermieden werden können.
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Wird
nun der Kanal von der Einlassöffnung 5 bis
zur Auslassöffnung 7 von
einem Kühlmedium, insbesondere
einer Kühlflüssigkeit
durchströmt,
so wirken sowohl die Stege 11a, 11b, als auch
die Zapfen 13 als Strömungsleit-
und Strömungsmischelemente,
wobei sich ein Wärmeaustausch
innerhalb des Kühlmediums
erhöht
und zudem das Kühlmedium
an vorbestimmten Bereichen mit höherer
Wärme vorbeigeführt oder
gar konzentriert wird. Hierdurch kann beispielsweise sogenannten „Hot Spots" von Mikroprozessoren
bzw. deren Oberfläche,
welche wärmeschlüssig vor
allem mit Unterseite bzw. den Boden 9 des Kühlkörpers verbunden
sind, durch eine erhöhte
Wärmeabfuhr
besonders Rechnung getragen werden. Weiterhin wird vorteilhafterweise
durch die Stege 11a und 11b und insbesondere auch
die Zapfen 13 die für
eine Wärmeabgabe
wirksame Oberfläche
erhöht, über welche
Verlustwärme
bzw. Abwärme
des zu kühlenden
Elements, welches zumindest mit der Unterseite des Bodens 9 (formschlüssig und
wärmeschlüssig) verbunden
ist, an das Kühlmedium
abgegeben werden kann.
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2 zeigt
eine zweite Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung,
welche sich von der vorstehend beschriebenen ersten Ausführungsform
im Wesentlichen durch die Anordnung und Ausbildung eines Steges 11' unterscheidet.
Diese Kühlvorrichtung
weist einen Grundkörper 1' mit einem Rahmen 3', einem Boden 9' und einer Auslassöffnung 7' auf, welche
sich nicht von dem Grundkörper 1,
dem Rahmen 3, dem Boden 9 und der Auslassöffnung 7 der
ersten Ausführungsform
unterscheiden. Der sich wie in der ersten Ausführungsform nach oben ebenfalls
beidseitig verjüngende
Steg 11' erstreckt
sich allerdings ausgehend von der Vorderwand des Rahmens 3', rechtsseitig
im Anschluss an die Auslassöffnung 7' spiralförmig (im
dargestellten Ausführungs beispiel
fünfeckig)
nach innen und endet in einem zentralen Innenbereich vor einem dort
befindlichen zentralen kegelstumpfförmigen Zapfen 13'. Im zusammengesetzten
Zustand mit Deckel befindet sich zentral über diesem Zapfen 13' die Einlassöffnung,
welche in Umkehrung auch als Auslassöffnung dienen könnte (in
diesem Fall nach dem Gegenstromprinzip statt nach dem Gleichstromprinzip).
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Wie
aus dem in 3 dargestellten Querschnitt
ersichtlich, weist der durch den Steg 11' spiralförmig gebildete Kanal an seiner
Grundseite bzw. am Boden 9' eine
von außen
nach innen bzw. zum Zentrum hin kleiner werdende Breiten B1, B2,
B3 (B1 > B2 > B3) auf. Hierdurch
kann beispielsweise die Strömungsgeschwindigkeit
des Kühlmediums
auf gewünschte
Weise beeinflusst werden, um über
eine mehr Wärmeenergie
abgebende Stelle (z.B. Hot Spot) , beispielsweise zum Zentrum hin,
die Wärmeabgabe
in das Kühlmedium
und damit den Wirkungsgrad an dieser Stelle zu erhöhen.
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Die
in 4 dargestellte dritte Ausführungsform einer Kühlvorrichtung
nach der Erfindung weist im Unterschied zu den vorstehenden Ausführungen einen
Grundkörper 1'' mit einem im Wesentlichen kreisförmigen bzw.
ringförmigen
Mantel 3' auf,
unter welchem sich ein Boden 9'' befindet,
welcher hiervon unterschiedliche Abmessungen, beispielsweise rechteckig
oder nahezu quadratisch, besitzen kann.
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Definiert
man die Stelle der Einlassöffnung 5'' als Vorderseite, befindet sich
die Auslassöffnung 7'' ebenfalls, wie in den vorstehenden
Ausführungsformen,
diagonal gegenüber
liegend auf der so definierten Rückseite
des Grundkörpers 1''. Die Stege 11a'' und 11b'' sind
daher bezüglich
dieser definierten Vorder- und Rückseite
entsprechend wie in den vorstehenden Ausführungsformen ausgebildet.
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Die
Zapfen 13'', welche sich
ebenfalls vom Boden 9'' bzw. dessen
Oberseite senkrecht nach oben verjüngend erstrecken (entsprechend
den vorstehenden Ausführungsformen)
unterscheiden sich von den Zapfen 13 und 13', indem sie
nicht kegelstumpfförmig
mit annähernd
gleichbleibendem Winkel von mehreren Grad, beispielsweise 1 bis
7 Grad, insbesondere 3 bis 4 Grad Neigung zur Senkrechten ausgebildet
sind, sondern unterschiedlich verjüngte Teilbereiche aufweisen.
Im Fußbereich
der Zapfen 13'' ist der Zapfen
flanschartig (mit geradem oder fließendem konkavem Übergang)
mit einem wesentlich stärkeren
Neigungswinkel am Boden 9'' angeformt, wohingegen
der mittlere Bereich 14b des Zapfens 13'' eine wesentlich geringere vorzugsweise
konstante Neigung, nämlich
beispielsweise wie vorstehend für
den Zapfen 13 bzw. 13' angegeben, besitzt. Der Oberbereich 14c kurz
vor dem stirnseitigen Abschluss kann wiederum eine stärkere (konstante oder
konvexe) Neigung aufweisen.
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Auch
hierdurch ergibt sich, ebenso wie bei den Stegen 11a, 11b, 11a', 11b', 11a'', 11b'' und
den Zapfen 13, 13' der
anderen Ausführungsformen,
ein guter Rippenwirkungsgrad, so dass die Abwärme eines über dem Boden 9, 9', 9'' geleiteten elektronischen Bauelements,
insbesondere Prozessors, hervorragend an ein den Kanal durchströmendes Kühlmedium
abgegeben werden kann. Zur Optimierung kann die auf diese Weise
erzeugte Kanalgeometrie den fluidseitigen Wärmeübergang nicht nur über die Oberfläche (Bodenseiten,
Außenfläche, Stege
und Außenflächezapfen),
sondern auch über
die Beeinflussung der Durchströmung,
insbesondere der Strömungsgeschwindigkeit
gesteigert werden. Hierzu kann nicht nur die Kanalgeometrie über die
Stege 11a, 11b, 11a', 11b', 11a'', 11b'', sondern auch über die Anordnung der Zapfen 13, 13', 13'' entsprechend beeinflusst werden.
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Statt
einer dreieckförmigen
Anordnung von jeweils drei Zapfen 13 der ersten Ausführungsform und
der in geringerer Anzahl linienförmigen
Anordnung von jeweils drei Zapfen 13'' im
dritten Ausführungsbeispiel
sind selbstverständlich
eine beliebige Anordnung und Anzahl sowie gewünschte Form von Zapfen möglich, um
ein optimales Ergebnis bei bestimmten Vorgaben zu erreichen. So
können
beispielsweise bei einem angenommenen „Hot Spot" im Zentrum der Kühlvorrichtung eine Kanalgeometrie gemäß der zweiten
Ausführungsform
gewählt
werden, um durch Steigerung der Strömungsgeschwindigkeit neben
einer Erhöhung
der wirksamen Oberfläche
den Wärmeübergang
zum Zentrum hin auf das Kühlmedium
und dessen Abtransport zu erhöhen.
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In
der dritten Ausführungsform
gemäß 4 wird
zudem ein weiteres Beispiel dargestellt, wie die Strömung des
Kühlmediums
im Kanal entsprechend gemachter Vorgaben beeinflusst werden kann.
Hierzu befinden sich an der Rückwandung
sowie an der linken und rechten Innenseite (wie vorstehend definiert)
des Rahmens 3'' im Grundriss
kreissegmentförmige
Halbrippen, welche sich ebenfalls wie die Stege und Zapfen vom Boden 9'' nach oben verjüngt erstrecken. Diese Halbrippen 17a, 17b und 17c (links,
hinten und rechts) erstrecken sich jedoch im Wesentlichen nur bis
zu einer halben oder sonst vorgegebenen Höhe.
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Selbstverständlich ist
es auch denkbar, je nach gewünschter
Durchströmung
dies auch zu Vollrippen, also bis oder nahezu bis zum Deckel auszubilden.
Durch diese Halbrippen 17a, 17b und 17c wird
wie in 5 anhand der Strömungslinien 15 ersichtlich,
wie das Kühlmedium
in diesen Bereichen beeinflusst wird. Eine Vorgabe für dieses
Ausführungsbeispiel
ist, dass die Wärmeabgabe
in den Randbereichen des Rahmens 3'' geringer
ist und demzufolge eine starke Durchströmung durch das Kühlmedium
an diesen Stellen 17a, 17b und 17c wenig
wirkungsvoll und damit nicht erwünscht
ist.
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Durch
die Halbrippe 17a wird die Strömung des Kühlmediums im linken bzw. im
in 5 dargestellten oberen Drittel des Kanals mit
hoher Durchströmung
an den ersten drei Zapfen 13'' sowie der Oberseite
des Steges 11a geführt
und weitgehend vom Außenbereich
des Rahmens 3 fern gehalten.
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Durch
die Rippe 17b wird der Fluss des Kühlmediums ebenfalls in diesem
Bereich vom Außenbereich
des Rahmens 3'' nahezu fern
gehalten und mit hoher Geschwindigkeit in den mittleren Bereich
des Kanals gelenkt, wo das Kühlmedium
vorwiegend die Oberseite des Steges 11b, als auch die Unterseiten der
hier angeordneten Zapfen 13'' und im geringeren Maße deren
Oberseite sowie die Unterseite des Steges 11a durchströmt.
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An
der der Halbrippe 17b diagonal gegenüber liegenden bzw. rotationssymmetrisch
zum Grundkörpermittelpunkt
angeordneten Halbrippe 17d wird das Kühlmedium wie derum vom Außenbereich des
Rahmens 3'' fern gehalten
und mit hoher Geschwindigkeit in das untere (bzw. rechte) Drittel
des Kanals gelenkt, wo es mit hoher Geschwindigkeit die Unterseite
der dort befindlichen Zapfen 13' und im geringeren Maße den äußeren Bereich
des Rahmens 3'' durchströmt. In geringem
Maße wird
hierbei auch der untere Bereich des Steges 11b'' sowie die beiden hinteren Zapfen 13'' an ihrer Außenseite durchströmt.
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Die
Unterschiede der Strömung
sind in der perspektivischen Ansicht nach 6 nochmals
dargestellt, wobei anzumerken ist, dass die Zapfen 13" sich in diesem
Beispiel nicht unmittelbar bis zur Innenseite des Deckels erstrecken,
welcher bei der Strömungsliniendarstellung
nach 5 und 6 des Kühlmediums selbstverständlich als
dichtend auf- bzw. eingesetzt hinzugedacht werden muss.
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Die
in 7 dargestellte vierte Ausführungsform einer Kühlvorrichtung
nach der Erfindung unterscheidet sich von der dritten Ausführungsform
nur durch sogenannte Halbstege 19a, 19b, 19c und 19d, welche
sich zwischen Halbrippen 17a' und 17c' und Stegseiten
der Stege 11a''' und 11b''' zu den entsprechenden
Zapfen 13''' erstrecken und ebenfalls wie die
Stege und Zapfen nach oben verjüngt
ausgebildet sind. Wie in 7 dargestellt, bildet die Halbrippe 17a in
konstanter Höhe
zum mittleren Zapfen des linksseitigen (bzw. oberen) Drittels des
Kanals einen Halbsteg 19a, welcher ebenso wie die Halbrippe 17a' eine halbe
Höhe aufweist.
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Komplementär hierzu
bzw. symmetrisch bildet die Halbrippe 17c' einen Halbsteg 19d zu
dem mittleren Zapfen 13''' des rechtsseitigen Drittels (bzw. unteren
Drittels) des Kanals. Weiterhin ist im mittleren Drittel der vordere
Zapfen 13''' mit einem Halbsteg 19c nur
bis zu seiner halben Höhe
mit der rechten (bzw. unteren) Seite des Steges 11a''' verbunden. Rotationssymmetrisch
zum Mittelpunkt ist hierzu der hintere Zapfen 13''' mit
einem Halbsteg 19b vom Boden 9''' bis zu seiner
halben Höhe
mit der linken (bzw. oberen) Seite des Steges 11b''' verbunden.
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Der
in 8 und 9 mittels Strömungslinien 15 dargestellte
Fluss des Kühlmediums
von Einlassöffnung 5''' zur
Auslassöffnung 7''' wird
durch diese Halbstege 19a, 19b, 19c und 19d im
Unterschied zur dritten Ausführungsform – wie ersichtlich – weiter
beeinflusst.
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Im
oberen Drittel wird durch den Halbsteg 19a der Fluss des
Kühlmediums
vor dem zweiten Zapfen bzw. mittleren Zapfen 13''' verstärkt nach
unten in Richtung der Oberseite des Steges 11a''' geführt. Der
Halbsteg 19b trägt – wie ersichtlich – dazu bei,
dass das Kühlmedium
im mittleren Bereich des Kanals verstärkt nach oben, also an der
Oberseite der dortigen Zapfen, und der Unterseite des Steges 11a geführt wird,
wohingegen der Halbsteg 19c eine vermehrte Strömung vor
diesem Zapfen nach unten bewirkt und auf diese Weise eine unerwünschte sonst
auftretende starke Durchströmung
des äußeren Bereiches
des Rahmens 3''' in diesem Bereich (links oben)
von dem Zapfen mit Halbsteg 19c und rechts oben der Halbrippe 17b' vermieden werden kann.
Durch den Halbsteg 19d wird wiederum, entsprechend dem
Halbsteg 19a, eine Durchströmung des gegenüber liegenden
Bereiches, nämlich
oberhalb des hiermit verbundenen Zapfens und damit auch der Unterseite
des Steges 11b''', erreicht.
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Auf
diese Weise ist für
einen Fachmann leicht ersichtlich, wie durch entsprechende Anordnung
der Zapfen und der Stege sowie weitere Elemente wie Halbrippen oder
Halbstege die Durchströmung
des Kanals mit einem Kühlmedium
in gewünschter
Weise beeinflusst werden kann, wobei selbstverständlich auch denkbar ist, dass
statt Halbrippen Vollrippen, also in voller Höhe bis zur Unterseite des Deckels
und statt Halbstegen Vollstege ebenfalls bis zur Unterseite des
Deckels oder in beliebiger Höhe
dazwischen auszubilden, um entsprechende Ergebnisse bei bestimmten
Vorgaben zu erreichen.
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Selbstverständlich ist
es auch denkbar, verschiedene Ausführungsformen miteinander zu
kombinieren, so dass die Elemente Halb- oder Vollstege sowie Halb-
oder Vollrippen auch in den ersten beiden Ausführungsformen angewandt werden
könnten. Ebenso ist
es denkbar, das Prinzip veränderlicher Kanalbreiten
für alle
Ausführungsformen
ebenso wie das Prinzip von Zapfen 13, 13'', 13''' auch innerhalb, nicht
nur am Ende eines spiralförmigen
Kanals gemäß der zweiten
Ausführungsform
zu verwenden.
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Besonderer
Vorteil der ersten, dritten und vierten Ausführungsform einer Kühlvorrichtung
nach der Erfindung ist, dass diese Ausführungsformen bezüglich der
Ein- und Auslassöffnung
symmetrisch ausgebildet sind (also beispielsweise rotationssymmetrisch
zum Mittelpunkt des Grundkörpers 1),
so dass ohne Beeinträchtigung
der Funktion und Wirkung Ein- und Auslassöffnung vertauscht werden können und
daher vorteilhafterweise auf eine strömungsrichtige Anschlussrichtung
der Anschlüsse hierfür nicht
geachtet werden muss.
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Da
in allen Ausführungsformen
die aus den Vorsprüngen
(beispielsweise Stege, Zapfen und Rahmen) gebildete Kanalstruktur
im Innenraum des Grundkörpers
im mm-Bereich liegt, also beliebige Abstände zwischen Boden, Deckel,
Rahmen, Zapfen, Stegen nicht kleiner als einige mm, insbesondere 2 – 5 mm,
liegen, wird vorteilhafterweise einer Verstopfung durch Verunreinigungen,
welche eine Größe bis zu
Zehntel mm aufweisen, vorgebeugt.