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Diese
Erfindung bezieht sich auf das Gebiet von Vorrichtungen zum Kühlen eines
elektrischen und elektronischen Schaltungsaufbaus und insbesondere
auf Vorrichtungen, Systeme und Verfahren zum Kühlen derartiger Schaltungen
unter Verwendung von Wasserblöcken
und einer zugeordneten Rohranordnung.
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Um
eine ordnungsgemäße Funktionalität und Zuverlässigkeit
sicherzustellen, testen Hersteller üblicherweise Flash-Speicherchips vor
einem Versenden derselben an Kunden. Ein System, das häufig zum
Testen von Flash-Speicherchips eingesetzt wird, ist der V5400 Apache
Tester von Agilent.
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Wie
in 1 dargestellt ist,
weist eine Version des V5400 Apache Testers 100 einen Testkopf 110,
ein Trägergestell 120 zum
Versorgen des Testkopfs 110 mit elektrischer Leistung,
Kühlwasser
und komprimierter Luft (in den Figuren nicht gezeigt) und eine Computerarbeitsstation 130 auf,
die als die Benutzerschnittstelle zu dem Tester 100 dient.
Ein Manipulierer 140 unterstützt und positioniert den Testkopf 110.
Das Trägergestell 120 ist
an dem Manipulierer 140 angebracht und dient als die Schnittstelle zwischen
dem Testkopf 110 und Wechselsignal-Leistung, Kühlwasser
und komprimierter Luft. Der Tester 100 könnte außerdem zusätzliche
Trägergestelle aufweisen.
Der V5400-Tester 100 von Agilent, der in 1 gezeigt ist, besitzt die Fähigkeit,
Flash-, DRAM-, SRAM- und Stapelspeichervorrichtungen zu testen.
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Der
Testkopf 110 ist eine wichtige Komponente in dem System
und weist Testerelektronik auf. Bei einer Konfiguration bietet der
in 1 gezeigte Tester 100 bis
zu 4.608 Kanäle
und 144 unabhängige Testorte
und ist in der Lage, asynchron bis zu 144 unabhängige Vorrichtungen
zu testen. Testkopfelektronikkomponenten liefern Leistung zu verschiedenen zu
testenden Vorrichtungen (DUTs) und führen Messungen an denselben
durch.
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Da
Testelektronik zu immer größeren Geschwindigkeiten
und Dichten getrieben wird, wird eine Ableitung der inneren Wärme, die
durch den Testkopf 110 und den Schaltungsaufbau, der getestet wird,
an demselben erzeugt wird, zu einem Hauptproblem. In früheren Herstellungen
eines Testers 100 war Luftkühlung ausreichend. Mit zunehmenden Taktgeschwindigkeiten
jedoch ist eine Signalpfadlänge
zu einem kritischen Problem geworden. Ein Minimieren der Pfadlänge hat
zu einer Miniaturisierung um einen Faktor von über tausend in den letzten
fünf Jahren
geführt,
zu einem derartigen Ausmaß,
dass es nicht mehr praktisch ist, automatisierte Stromerzeugungstestausrüstung mit
Luft zu kühlen.
Eine größere Geschwindigkeit
verkompliziert das Problem, da eine Wärmeerzeugung mit der Taktgeschwindigkeit
zunimmt. Tester mit höherem
Anschlussstiftzählwert
werden ebenso die Norm, was die in einem Tester erforderliche Gesamtwärmeleistungsdissipierung weiter
erhöht.
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Die
vorstehenden Faktoren führen
dazu, dass ein Flüssigkühlen eines
der wenigen, wenn nicht das einzige praktische Verfahren zum Ableiten von
Wärme,
die durch moderne Testelektronik erzeugt wird, ist. Die Größe des Problems
wird vollständig
sichtbar, indem angemerkt wird, dass Tester mit hohem Anschlussstiftzählwert mit
Volumina von weniger als 566 Litern (20 Quadratfuß) nun in
der Lage sind, zwischen etwa 40 kW und etwa 80 kW Wärme zu erzeugen.
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Allgemein
möchten
die zuverlässigsten
Verfahren zum Flüssigkühlen das
Kühlfluid
von der Elektronik des Testers 100 und dem Testkopf 110 trennen, was
im Gegensatz zu einem Eintauchkühlen
steht. Dies wird unter Verwendung von Wasserblöcken (manchmal als „Kaltplatten" bezeichnet) erzielt.
Der aktive Schaltungsaufbau ist an einer PC-Platine befes tigt, die
wiederum an einem Wasserblock befestigt ist. In einigen Fällen könnten bestimmte
Komponenten direkt für
ein verbessertes Kühlen
an dem Wasserblock befestigt sein. Verschiedene Verfahren zur Befestigung
könnten
verwendet werden, so könnte die
Oberseite oder die Unterseite einer PC-Platine den Wasserblock berühren. In
vielen Maschinen sind Schaltungen auf beiden Seiten eines Wasserblocks befestigt,
um entweder einen Raum zu minimieren oder eine teuere Komponente
(d. h. einen Wasserblock) vollständiger
zu nutzen. Das Arbeitsfluid könnte
Wasser oder eine bestimmte andere Flüssigkeit sein. Wasser besitzt
die höchste
Kühlleistung
der üblichen
gewählten
Arbeitsfluide, eine Vielzahl von Betrachtungen jedoch könnte dessen
Verwendung bei einigen Anwendungen ausschließen.
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Wasserblöcke sind
allgemein aus einem ohne Weiteres maschinell zu bearbeitenden Metall aufgebaut,
das eine hohe Wärmeleitfähigkeit
besitzt, wie z. B. Aluminium oder Kupfer. Wasser oder ein weiteres
Fluid wird durch Durchgänge,
die in dem Metall gebildet sind, geführt und leitet dadurch Wärme ab.
Während
dies scheinbar ein relativ einfacher Vorgang ist, kommen viele Betrachtungen
ins Spiel. Zum Beispiel besitzen einige Wasserblöcke große innere Durchgänge, während andere
Durchgänge
mit kleinem Querschnitt aufweisen. Wärmeübertragungsbetrachtungen begünstigen
allgemein kleine Durchgänge
mit sehr hohen Flüssigkeitsgeschwindigkeiten,
um am wirksamsten Wärme
abzuleiten. Dies unterstützt
eine Wärmeableitung
auf Kosten einer größeren Leistung,
die erforderlich ist, um die Flüssigkeit
zu pumpen. Es soll angemerkt werden, dass die Fähigkeit, den Ort des Wasserdurchgangs zuzuschneiden,
auch verwendet werden kann, um die Kühlung bestimmter Regionen oder
Vorrichtungen zu unterstützen,
die höhere
Leistungsdissipierungsanforderungen oder strengere Temperaturanforderungen
aufweisen könnten.
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Die
meisten Wasserblöcke
sind von einem Typ, bei dem das Arbeitsfluid den Metallblock direkt berührt. Bei
einem derartigen Wasserblock weist eine Aluminiumplatte lange Löcher auf,
die durch deren Mittelebene gebohrt sind. Ein Einlass- und ein Auslassrohr
sind in zwei derartige Löcher
geklebt, wobei das Einlass- und das Auslassrohr ein U-förmiges Rückflussrohr bilden. Weitere
Typen dieser Art von Wasserblock könnten auch durch ein Fräsen entsprechender
Serpentinendurchgänge
in zwei Platten, ein Aneinanderkleben der beiden Hälften und
ein Hinzufügen
von Einlass- und Auslassrohr in einer Weise, die einer Muschelschale ähnelt, hergestellt werden.
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Es
wurde entdeckt, dass Wasserblöcke,
in denen Einlass- und Auslassrohr gebildet sind, Lecks an einem
beliebigen der geklebten Verbindungen bekommen können. Eine alternative könnte sein,
die Einlass- und Auslassverbindung hart zu löten, dies würde jedoch aufgrund des Vorliegens
der Hartlötlegierung
die Möglichkeit
für Korrosion
einführen.
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Ein
weiteres Mittel zur Bereitstellung eines Flüssigkühlens für einen Wasserblock besteht
darin, einen Typ von Wasserblocke einzusetzen, der als „Rohr-in-Tafel" bezeichnet wird.
Um die Möglichkeit auszuschließen, dass
Lecks an Verbindungen auftreten, ist der Fluiddurchgang ein durchgehendes
Stück Rohranordnung.
Bei einem derartigen Typ von Wasserblock wird ein Serpentinendurchgang
in den Wasserblock geführt.
Ein Rohr wird gebildet, um der in der Platte geführten Kontur zu folgen. Die
gesamte Länge
des Rohrs wird dann in die Platte getrieben, was zu einem Wasserblock
ohne Verbindungen in dem Fluidweg führt. Der Querschnitt des Durchgangs und
derjenige des Rohrs ist derart, dass eine Feinpassung vorliegt,
wenn das Rohr in die Rille getrieben wird. Bei einigen Typen wird
das Rohr nach einer Einführung
verformt, um einen Kontakt zwischen dem Rohr und dem Block weiter
zu verbessern. Zusätzlich
zu dem physischen Kontakt wird ein Material zur Unterstützung einer
Wärmeübertragung
oft zwischen dem Rohr und dem Block platziert. Ein Thermofüllepoxid
wird oft in einer derartigen Anwendung eingesetzt, obwohl das Rohr
auch an seinen Ort hartgelötet
werden könnte
oder sogar durch ein Thermoschmiermittel umgeben sein könnte. Der
Zweck des Epoxid-, Kleb-, Hartlötmaterials
oder -schmiermittels besteht darin, eine Wärmeleitung zwischen dem Block
und der äußeren Oberfläche des
Rohrs zu verbessern, da ohne deren Vorliegen ein mikroskopischer
Luftzwischenraum vorliegen würde.
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Obwohl
der Rohr-in-einer-Tafel-Entwurf viele Vorteile besitzt, gibt es
Grenzen für
ein Implementieren eines derartigen Aufbaus aufgrund hoher Herstellungskosten.
Die Blöcke
müssen
zur Dimensionierung und Formgebung maschinell bearbeitet werden
und weisen dann eine geeignete Rille auf, die in denselben geführt ist.
Eine Rohranordnung muss auf genau die gleiche Form wie die Rille
gebogen werden. Füllmaterial
muss in die Rille abgegeben werden, die Rohranordnung mühsam eingezwängt werden
und schließlich
die Oberfläche
nachgeschnitten werden, um das Füllmaterial
zu entfernen, das herausgedrückt
wurde. Damit Tester der nächsten
Generation wirtschaftlich gebaut werden können, müssen die Kühlkosten auf einer Basis pro
Flächeneinheit
wesentlich gesenkt werden.
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Einige
typische Wasserblöcke
des Stands der Technik sind im Querschnitt in den 2 und 3 dargestellt. 2 stellt einen Querschnitt
eines Typs von Rohr-in-Tafel-Wasserblock 200 dar, bei dem
eine Querschnittsrille 300 in der relativ dicken Platte,
aus der der Wasserblock 200 gebildet ist, geführt ist.
Die Rille 300 ist dimensioniert, um ein Kühlrohr 230 ohne Weiteres
in derselben aufzunehmen, wobei das Kühlrohr 230 ein inneres
Lumen 240, eine innere Oberfläche 260 und eine äußere Oberfläche 250 aufweist. Wärmeleitfähiges Epoxid
oder ein weiteres geeignetes Material 290 wird in die Rille 300 abgegeben,
das Kühlrohr 230 in
die Rille 300 eingeführt
und das Kühlrohr 230 nach
unten (und so nach außen)
in die Rille 300 gesenkt, was dazu dient, die äußere Oberfläche 250 des
Kühlrohrs 230 eng
gegen die innere Oberfläche 230 der
Rille 300 zu drücken.
Eine derartige Feinpassung stellt eine dünne Klebstofflinie sicher und erleichtert
eine Wärmeübertragung.
Die obere Oberfläche 210 des
Wasserblocks 200 wird dann für eine Planarität schlaggefräst.
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3 zeigt einen weiteren Typ
von Wasserblock 200 ohne Verbindungsmaterial 290 zum
Kühlen
des Rohrs 230, das in die Rille 300 (die eine
unterschiedliche Form als die in 2 gezeigte
Rille 300 aufweist) eingezogen wird. In 3 nehmen scharfe Ecken in der Rille 300 und
der inneren Oberfläche 310 derselben
die äußere Oberfläche 250 des Kühlrohrs 230 fest
in Eingriff. Ein derartiger Entwurf erlaubt eine ausreichende Verformung
des Rohrs des Kühlrohrs 230 gegen
die innere Oberfläche 310, um
eine hervorragende Wärmeübertragung
bereitzustellen. Es wird angemerkt, dass bei dem Entwurf des Wasserblocks 200,
der in 3 gezeigt ist,
der obere Abschnitt der äußeren Oberfläche 250 des
Kühlrohrs 230 unterhalb
der im Wesentlichen planaren ersten Oberfläche 210 des Wasserblocks 200 positioniert ist.
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Es
wird angemerkt, dass die zwei Aufbauten des Wasserblocks 200,
die in den 2 und 3 gezeigt sind, den Nachteil,
relativ dick zu sein, teilen, was nötig ist, um den Ausbreitungskräften, die
auf dieselben ausgeübt
werden, wenn das Kühlrohr 230 in
denselben platziert oder in dieselben getrieben wird, zu widerstehen.
Der Wasserblock 200 muss natürlich dicker sein als die zu
fräsende
Rille 300. Eine Dicke zusätzlich zu der Rille 310 muss
deshalb zu dem Wasserblock 200 hinzugefügt werden, um eine Planarität des Wasserblocks 200 während und
nach dem Einziehvorgang beizubehalten.
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Wie
unter Bezugnahme auf die 2 und 3 zu sehen ist, weisen der
Wasserblock 200, die Rille 300 und das Kühlrohr 230 ziemlich
sorgfältig
gearbeitete und komplizierte Formen und Gestalten auf, was, wie
Fachleute auf dem Gebiet erkennen werden, die Kosten der Herstellung
und des Zusammenbauens des Wasserblocks 200 wesentlich
erhöht.
Die sorgfältig gearbeiteten
Formen und Gestalten derartiger Wasserblöcke, Rillen und Kühlrohre
sind aufgrund der wesentlichen thermischen und mechanischen Belastungen,
denen der Wasserblock 200 und das Kühlrohr 230 während der
Verwendung ausgesetzt werden, notwenig. Ferner könnte ein Großteil der Kosten
eines Rohr-in-Tafel-Wasserblocks Maschinenbearbeitungsoperationen
zum Platzieren des Kühlrohrs
in dem Wasserblock und dem nachfolgenden Reinigen von Haftmittel
zugeschrieben werden.
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Es
ist nun zu sehen, dass unter Bildung der komplizierten Formen und
Gestalten von, und Verwendung der teueren Verfahren und Materialen,
die zur Herstellung verwendet werden, die Wasserblöcke 200,
Rillen 300 und Kühlrohre 230,
die in den 2 und 3 gezeigt sind, die Herstellungskosten
erhöhen. Benötigt wird
ein einfacheres Mittel zum Anbringen von Kühlrohren an einem Wasserblock,
das den Bedarf einer maschinellen Bearbeitung teurer Rillen in dem
Wasserblock beseitigt.
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Es
ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zum
Kühlen,
eine Einrichtung zum Kühlen
oder ein Verfahren mit verbesserten Charakteristika zu schaffen.
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Diese
Aufgabe wird durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1, eine Einrichtung
gemäß Anspruch
23 oder ein Verfahren gemäß Anspruch
27 gelöst.
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Gemäß einem
Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Vorrichtung zum Kühlen zumindest einer
wärmeerzeugenden
elektrischen oder elektronischen Schaltung in einer Schaltungsplatine
bereitgestellt. Bei einem derartigen Ausführungsbeispiel weist die Vorrichtung
zumindest einen ersten Wasserblock, der eine erste Oberfläche aufweist,
die zur Ineingriffnahme mit oder Positionierung benachbart zu der
Schaltungsplatine konfiguriert ist, wobei der Wasserblock zumindest
eine zweite Oberflächen
aufweist, und zumindest ein erstes Kühlrohr, das zumindest ein erstes
Lumen und eine äußere Oberfläche aufweist,
wobei das zumindest erste Lumen konfiguriert ist, um eine Flüssigkeit
derart durch dasselbe zu tragen, dass die Flüssigkeit nicht aus dem oder
durch das Rohr zu der äußeren Oberfläche desselben
leckt, auf. Das zuminderst erste Kühlrohr nimmt wirksam die zweite
Oberfläche
des Wasserblocks in Einriff und ist an derselben angebracht, wobei
die zweite Oberfläche
des Wasserblocks keine Leerräume, Ausnehmungen
oder Rillen zum Aufnehmen des zumindest ersten Kühlrohrs in demselben beinhaltet, wobei
das erste Kühlrohr
konfiguriert ist, um zumindest einen Teil der Wärme, die durch die elektrische oder
elektronische Schaltung erzeugt wird, wenn die Flüssigkeit
durch dasselbe fließt,
wegzutragen.
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Bei
einem weiteren Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung einer
Vorrichtung zum Kühlen
zumindest einer wärmeerzeugenden
elektrischen oder elektronischen Schaltung in einer Schaltungsplatine,
wobei die Vorrichtung zumindest einen ersten Wasserblock, der eine
erste Oberfläche
aufweist, die zur Ineingriffnahme mit oder Positionierung benachbart
zu der Schaltungsplatine konfiguriert ist, wobei der Wasserblock
ferner zumindest eine zweite Oberfläche aufweist, zumindest ein
erstes Kühlrohr,
das zumindest ein erstes Lumen und eine äußere Oberfläche aufweist, wobei das zumindest
erste Lumen konfiguriert ist, um eine Flüssigkeit durch dasselbe zu
tragen, derart, dass die Flüssigkeit
nicht aus dem oder durch das Rohr zu der äußeren Oberfläche desselben
leckt, wobei das zumindest erste Kühlrohr wirksam die zweite Oberfläche des
Wasserblocks in Eingriff nimmt und an derselben angebracht ist,
wobei die zweite Oberfläche
des Wasserblocks keine Leerräume,
Ausnehmungen oder Rillen zum Aufnehmen des zumindest ersten Kühlrohrs
in demselben beinhaltet, wobei das erste Kühlrohr konfiguriert ist, um
zumindest einen Teil der Wärme
wegzutragen, die durch die elektrische oder elektronische Schaltung
erzeugt wird, wenn die Flüssigkeit
durch dasselbe fließt,
aufweist, bereitgestellt, wobei das Verfahren ein Bereitstellen
des Wasser blocks; ein Bereitstellen des Kühlrohrs; und ein Anbringen
des Kühlrohrs
an dem Wasserblock aufweist.
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Die
vorliegende Erfindung umfasst ferner in ihrem Schutzbereich verschiedene
Verfahren, die die vorstehenden Komponenten, Vorrichtungen und Systeme
herstellen und verwenden.
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Die
verschiedenen Ausführungsbeispiel
des Kühlrohrs
und Wasserblocks der vorliegenden Erfindung reduzieren Herstellungs-
und Materialkosten und reduzieren deshalb Kosten, die früheren Einrichtungen
und Verfahren zum Kühlen
eines elektrischen oder elektronischen Schaltungsaufbaus unter Verwendung
von Flüssigkühltechniken
zugeordnet sind. Viele der verschiedenen Ausführungsbeispiele der vorliegenden
Erfindung z. B. beseitigen eine maschinelle Bearbeitung von Wasserblöcken und
begleitende Kosten, beseitigen eine Zeit, die andernfalls mit einem
Einführen
und Einziehen von Rohren in Rillen verbraucht wird, beseitigen ein
Säubern
nach dem Einziehen und Verwenden billige „merkmalslose" Kühlrohre,
die an einer oder mehreren Seiten eines oder mehrerer Wasserblöcke angebracht
sind.
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Bevorzugte
Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf
die beigefügten
Zeichnungen näher
erläutert,
in denen sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche Teile beziehen.
Es zeigen:
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1 einen
V5400 Apache-Speicherchiptester von Agilent des Stands der Technik;
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2 eine
schematische Querschnittsdarstellung eines ersten Ausführungsbeispiels
eines Wasserblocks und einer begleitenden Rille und eines Kühlrohrs
des Stands der Technik;
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3 eine
schematische Querschnittsdarstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels
eines Wasserblocks und einer begleitenden Rille und eines Kühlrohrs
des Stands der Technik;
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4 ein
erstes Ausführungsbeispiel
eines Wasserblocks und eines begleitenden Kühlrohrs der vorliegenden Erfindung;
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5 ein
zweites Ausführungsbeispiel
eines Wasserblocks und eines begleitenden Kühlrohrs der vorliegenden Erfindung;
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6 ein
drittes Ausführungsbeispiel
eines Wasserblocks und eines begleitenden Kühlrohrs der vorliegenden Erfindung;
und
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7 ein
viertes Ausführungsbeispiel
eines Wasserblocks und eines begleitenden Kühlrohrs der vorliegenden Erfindung.
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Wie
der Ausdruck „Wasserblock" in der Beschreibung
und den Ansprüchen
hierin verwendet wird, bedeutet er ein plattenförmiges Bauteil, das aus einem
Material gebildet ist, das Wärmecharakteristika
aufweist, die die Übertragung
von Wärmeenergie durch
dasselbe begünstigen;
der Ausdruck „Kühlrohr" bedeutet ein Bauteil,
das in der Lage ist, ein Fluid in zumindest einem Lumen desselben
zu tragen, wobei das Fluid Wärmeenergie
von einer externen Quelle an Wärmeenergie
durch das Rohr weg transportiert; der Ausdruck „im Wesentlichen planare erste Oberfläche" bedeutet eine Oberfläche eines
Wasserblocks, an der ein Kühlrohr
angebracht ist, wobei die erste Oberfläche eine im Wesentlichen flache
Oberfläche
bildet, die durch Stege oder Kühlrippen,
die an derselben angeordnet oder in dieselbe maschinell bearbeitet
oder gestanzt sind, unterbrochen sein könnte.
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Viele
der verschiedenen Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung beziehen sich auf Komponenten, Vorrichtungen,
Systeme und Verfahren zur Bereitstellung von Wasserblöcken, die
Herstellungskosten reduzieren, indem Maschinenbearbeitungsoperationen
beseitigt werden. Bei derartigen Ausführungsbeispielen ersetzt eine
relativ merkmalslose Platte oder ein derartiger Wasserblock 200, die/der
aus einem Schichtmetall oder einem anderen geeigneten wärmeleitfähigen Material
gebildet ist, stark maschinell bearbeitete Platten oder Rohr-in-Tafel-Wasserblöcke des
Stands der Technik, die oben beschrieben wurden. Obwohl viele Ausführungsbeispiele
des Wasserblocks 200 der vorliegenden Erfindung Merkmale
aufweisen, wie z. B. Gewindelöcher oder
mit Gewinde versehene Einschübe
zur Befestigung einer PCB an dem Wasserblock 200, sind
derartige Merkmale sehr billige Merkmale im Vergleich zu der Praxis
eines Präzisionsfräsens von
Rillen im Stand der Technik.
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Viele
der verschiedenen Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung könnten
ferner maschinelle Bearbeitungskosten reduzieren, indem erlaubt
wird, dass der Wasserblock 200 ein Schichtmetall aufweist,
das mit relativ geringen Kosten auf eine Größe geschert werden kann. Wie
in 4 gezeigt ist, könnte bei einem Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung anstelle eines Platzierens des Kühlrohrs 230 in
der geführten
Rille 300 das Kühlrohr 230 an
einem Abschnitt der äußeren Oberfläche 250 leicht
abgeflacht und an dem Schichtmetallwasserblock 200 angebracht
sein. Bei einigen Ausführungsbeispielen
der vorliegenden Erfindung wird das Kühlrohr 230 zu einem
D- oder O-förmigen
Querschnitt abgeflacht, nachdem Serpentinenbiegungen in dem Kühlrohr 230 gebildet
wurden, obwohl weitere Querschnittsformen ebenso in Betracht kommen,
wie z. B. ein kreisförmiger,
elliptischer, rechteckiger und quadratischer Querschnitt.
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Bezug
nehmend auf die 4 und 5 erhöht ein Abflachen
zumindest einer Seite des Kühlrohrs 230 die
Oberflächenfläche, über der
die äußere Oberfläche 250 des
Kühlrohrs 230 die
im Wesentlichen planare erste Oberfläche 210 des Wasserblocks 200 in
Eingriff nimmt, wodurch Haftung und Wärmeübertragung gefördert werden.
Wenn das Verbindungsmaterial, das zur Befestigung des Kühlrohrs 230 an
der ersten Oberfläche 210 verwendet
wird, eine relativ geringe Wärmeleitfähigkeit
aufweist (wie in dem Fall mit einigen wärmleitfähigen Epoxiden), reduziert
die relativ große
Oberflächenfläche der äußeren Oberfläche 250, über der
sich eine Verbindung zwischen dem Kühlrohr 230 und der
ersten Oberfläche 210 entwickeln
könnte,
einen Wärmewiderstand, der
daraus entsteht, dass Wasser durch das Lumen 240 des Kühlrohrs 230 fließt. Ein
Wärmefluss
wird ebenso dadurch gefördert,
dass das Kühlrohr 230 eine
weite Kontaktfläche
mit der ersten Oberfläche 210 aufweist,
was den Rippeneffekt reduziert (den Widerstand von Wärme, die
um die Rohrperipherie herum fließt).
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Bei
einigen Ausführungsbeispielen
der vorliegenden Erfindung ist der Wasserblock 200 aus
einem Schichtmetall gebildet, das eine Aluminiumlegierung aufweist,
die ein geringes Gewicht und eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist. Es ist nicht
notwendig, dass Kühlrohre 230 aus
der gleichen Legierung oder dem gleichen Material gebildet sind
wie der Wasserblock 200. Bei den meisten Anwendungen, bei
denen eine Verwendung der vorliegenden Erfindung praktisch und wirtschaftlich
ist, entstehen unter typischen Betriebsbedingungen keine wesentlichen wärmeinduzierten
Belastungen aus einer unterschiedlichen Ausdehnung des Kühlrohrs 230 und
des Wasserblocks 200. In einigen Fällen ist es erwünscht, dass
das Schichtmetall, das zur Bildung des Wasserblocks 200 verwendet
wird, aufgrund seiner hohen Wärmeleitfähigkeit
Kupfer ist. Es wird jedoch angemerkt, dass andere Materialien als
Aluminium und Kupfer verwendet werden könnten, um den Wasserblock 200 zu
bilden, die keramikhaltige Materialien, rostfreien Stahl, Zink,
Nickel, wärmeleitfähigen Kunststoff,
Aluminium-Silizium-Carbid-Verbundstoffe
und Legierungen, Kombinationen oder Mischungen alles Vorstehenden,
sowie thermisch leitfähige
Kunststoffe und Verbundstoffe umfassen, jedoch nicht darauf beschränkt sind.
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Weiter
Bezug nehmend auf die 5 und 6 liefert
bei vielen Ausführungsbeispielen
der vorliegenden Erfindung ein wärmeleitfähiges Epoxid die
beste Wahl für
ein Verbindungsmaterial 290, obwohl eine breite Vielzahl
anderer Materialien und Verfahren zur Anbringung des Kühlrohrs 230 an
dem Wasserblock 200 verwendet werden könnte. Unter derartigen Materialien
und Verfahren sind haftmittelhaltige Materialien, geeignete wärmeleitfähige Materialien,
Schaum, Dichtmaterial, Band, Klebstoff, Epoxid, Löten und
Hartlöten.
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Das
Kühlrohr 230 könnte ferner
mittels Klammern oder Klemmen (in den Figuren nicht gezeigt) zum
Halten des Kühlrohrs 230 gegen
die obere Oberfläche 210 an
dem Wasserblock 200 befestigt sein, entweder als ein Mittel
einer Primäranbringung
oder zur Bereitstellung einer Belastungslinderung. Die Klemmen oder
Klammern könnten
Schenkel oder Abschnitte aufweisen, die mittels Bolzen, Schrauben oder
Haftmittel an dem Wasserblock 200 befestigt sind. In derartigen
Fällen
könnten
Thermofüllschmiermittel
oder Thermoschnittstellenanschlussflächen zwischen der äußeren Oberfläche 250 und der
ersten Oberfläche 210 angeordnet
sein, um eine Wärmeleitung
zu erleichtern. Ein elektrisch nichtleitfähiges oder elektrisch isolierendes,
jedoch wärmeleitfähiges Material
könnte
ebenso zwischen der äußeren Oberfläche 250 und
der ersten Oberfläche 210 angeordnet
sein, um das Kühlrohr 230 elektrisch
von dem Wasserblock 200 zu trennen.
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Die
Flüssigkeit,
die in dem Kühlrohr 230 eingesetzt
wird, ist vorzugsweise Wasser, könnte
jedoch auch eines oder mehrere Stoffe von COOLANOL (einem speziellen
Kühlfluid,
das von EXXON hergestellt wird), Polyalpha-Olefin (PAO), dielektrischem
Kühlmittelfluid,
synthetischem Kohlenwasserstofföl,
Ethylen-Glycol, einer Ethylen-Glycol/Wasser-Mischung oder einem bestimmten anderen
geeigneten Kühlfluid
sein.
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Bei
bevorzugten Ausführungsbeispielen
der vorliegenden Erfindung sind wenige oder keine Nach-Anbringungs-Schritte erforderlich,
um den Wasserblock 200 zu reinigen, nachdem das Kühlrohr 230 an
demselben befestigt wurde. Bei bevorzugten Ausführungsbeispielen der vorliegenden
Erfindung z. B. resultiert kein Materialherausdrücken in kritische Bereiche
aus einer Anbringung des Kühlrohrs 230 an dem
Wasserblock 200 und so ist allgemein kein Säubern erforderlich.
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Ebenso
erlaubt bei bevorzugten Ausführungsbeispielen
der vorliegenden Erfindung im Gegensatz zum Stand der Technik, wo
ein hochpräzises Biegen
des Kühlrohrs 230 für das Rohr 230 erforderlich
war, um die maschinell bearbeitete Rille 300 in den Rohr-in-Tafel-Wasserblock 200 zu
passen, die relativ merkmalslose und im Wesentlichen planare erste
Oberfläche 210 des
Wasserblocks 200 kleinere Unvollkommenheiten an der Biegung
oder dem Querschnitt des Kühlrohrs 230 oder
der Planarität
der Oberfläche 210,
diese weisen üblicherweise
keine Auswirkung auf eine ordnungsgemäße Funktionsweise des Kühlrohrs 230 oder
des Wasserblocks 200 auf. Der Rohr-auf-Platte-Aufbau der
vorliegenden Erfindung könnte
auch in Anwendungen eingesetzt werden, in denen ein einzelnes nahtloses
Stück eines
Kühlrohrs 230 die
Möglichkeit
von Lecks beseitigt oder reduziert.
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Bei
einem Ausführungsbeispiel
des Rohr-auf-Platte-Verfahrens und der Vorrichtung der vorliegenden
Erfindung wird eine geeignete Schichtmetallplatte aus einer größeren Platte
geschert, um den Wasserblock 200 zu bilden. Das Kühlrohr 230 wird
in eine geeignete Serpentinenform gebogen, wobei die Form konfiguriert
ist, um vorbestimmte Wärmeübertragungsziele
zu erfüllen.
Entsprechend könnten
abhängig
von antizipierten Wärmefluss-
und Temperaturbedingungen einheitliche Schleifen in dem Kühlrohr 230 gebildet
sein, oder auch nicht. Das Kühlrohr 230 könnte ferner
konfiguriert sein, um benachbart zu kritischen Wärmeemissionskomponenten geführt zu werden.
Bei einigen Anwendungen könnte
das Kühlrohr 230 auch
derart konfiguriert sein, dass das Rohr 230 sich selbst
außerhalb
der Ebene kreuzt. Derar tige „Sprünge" außerhalb
der Ebene werden vorzugsweise nicht hängen gelassen, sondern stattdessen
durch ein bestimmtes geeignetes Mittel, wie z. B. Klammern, Klemmen
oder Halterungen, an dem Wasserblock 200 befestigt.
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Bei
einigen Verfahren und Vorrichtungen der vorliegenden Erfindung wird
das Kühlrohr 230 zuerst in
eine bevorzugte Serpentinenkonfiguration gebogen, gefolgt durch
ein Abflachen eines Abschnitts der äußeren Oberfläche 250,
um eine ovale oder D-förmige
Querschnittsform zu ergeben, durch ein beliebiges einer Vielzahl
geeigneter Mittel. Es wird bevorzugt, dass ein Abflachen des Kühlrohrs 230 auftritt, nachdem
das Rohr 230 in eine geeignete Kontur gebogen wurde, um
so die Möglichkeit
eines unerwünschten
Abflachens des Kühlrohrs 230 außerhalb der
Ebene zu minimieren. Ein Thermoepoxid wird dann entlang abgeflachter
Abschnitte des Kühlrohrs 230 abgegeben,
vorzugsweise durch einen Abgaberoboter, der Epoxid auf derartigen
abgeflachten Abschnitten mischt und genau abgibt. Schließlich wird das
Kühlrohr 230 mit
einer moderaten und einheitlichen Kraft, bis das Epoxid ausgeheilt
und gehärtet ist,
gegen die erste Oberfläche 210 des
Wasserblocks 200 gepresst und gehalten. Der Wasserblock 200 wird
dann untersucht und geeignete Löcher
werden gebohrt, um eine oder mehrere PCBs an demselben zu befestigen.
Alle vorstehenden Schritte werden mit wenig oder keiner maschinellen
Bearbeitung oder Handarbeit ausgeführt, wodurch Kosten reduziert
werden.
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In
dem Fall, dass das Kühlrohr 230 an
der ersten Oberfläche 210 des
Wasserblocks 200 mittels Hartlöten befestigt wird, wird eine
Hartlötlegierung als
eine Paste aufgebracht oder auf abgeflachte Abschnitte des Rohrs 230 plattiert.
Wenn das Kühlrohr 230 mittels
Klemmen, Klammern oder Halterungen an dem Wasserblock 200 befestigt
ist, könnte
ein Abgabe- oder
Siebdruckvorgang eingesetzt werden, um Thermoschmiermittel genau
auf geeignete Abschnitte des Rohrs 230 oder die erste Oberfläche 210 abzugeben
und zu verteilen. Es wird angemerkt, dass, obwohl eine Schichtmetallplatte eingesetzt
werden könnte,
um den Wasserblock 200 zu bilden, dickere Platten verwendet
werden könnten,
um den Wasserblock 200 zu bilden, und könnten tatsächlich bei einigen Anwendungen
bevorzugt werden.
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Zusätzlich zu
niedrigeren Herstellungskosten besitzt die vorliegende Erfindung
mechanische Vorteile. Bei gegenwärtig
praktizierten Verfahren eines Rohr-in-Tafel-Aufbaus resultiert eine
bestimmte Verzerrung des Wasserblocks 200, die zwischen
gering und schwerwiegend variieren könnte, und die mit den verwendeten
Techniken und Materialien variiert. Eine derartige Verzerrung stellt
Schwierigkeiten bei Flachheit und Merkmalsplatzierung dar, da die
gesamte maschinelle Hauptbearbeitung abgeschlossen wurde, bevor
das Kühlrohr 230 in
die geleitete Rille 300 gepresst wird. Die vorliegende
Erfindung schafft keine derartigen Schwierigkeiten, da das Kühlrohr 230 nicht
in eine Rille gepresst oder eingezogen wird.
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Verschiedene
Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung sind dadurch gekennzeichnet, dass sie
relativ schmale oder niedrige Profile aufweisen. Bei derartigen
Ausführungsbeispielen
weist der Wasserblock 200 eine relativ kleine Dicke 270, 270a oder 270b auf,
was wiederum erlaubt, dass die Gesamtdicke 280 der Wasserblock/PCB-Anordnung 295 relativ
klein ist. Siehe 5, 6 und 7.
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Wie
in den 6 und 7 dargestellt ist, könnte die
Schaltungsplatine 320 eine Kühlung erfordern, bietet jedoch
nicht ausreichend Raum und Volumen, um die Benutzung eines großen Wasserblocks
zu ermöglichen.
Entsprechend ist bei alternativen Ausführungsbeispielen der vorliegenden
Erfindung typischerweise, wenn auch nicht notwendigerweise, wo die
Schaltungsplatine 320 dadurch gekennzeichnet ist, dass
sie eine relativ geringe Wärmedissipierung
aufweist, das Kühlrohr 230 um
die Peripherie der Platine 320 herumgeführt. Siehe 6 und 7.
Bei einem weiteren alternativen Ausführungsbeispiel der vorliegenden
Erfindung wird eine Schichtmetallplatte oder ein weiteres geeignetes
Material, das eine Ausnehmung aufweist, die in einem Abschnitt derselben
angeordnet ist, zum Aufnehmen der Schaltungsplatine 320 in
derselben und Bilden einer Peripherie um dieselbe herum. verwendet,
um den Wasserblock 200 zu bilden, was unten näher erläutert wird.
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Das
Material, aus dem der Wasserblock 200 aus 6 vorzugsweise
gebildet ist, ist aufgrund seines geringen Wärmewiderstands Kupfer, andere
geeignete Metalle, Legierungen und Materialien jedoch könnten verwendet
werden. Das Kühlrohr 230 ist
entlang der Peripherie der Schaltungsplatine 320 befestigt
und vorzugsweise auf der gleichen Seite der PCB wie ein elektrischer/elektronischer
Schaltungsaufbau, der an derselben befestigt ist, um eine Doppelverwendung
von Raum oberhalb der Ebene der Platinenunterseite zu erlauben (siehe 6).
Es wird angemerkt, dass einige Bereiche des Schichtmetalls in dem
Wasserblock 200 aus 6 relativ
leicht herausgestanzt werden könnten,
um die Befestigung von Rückseitenkomponenten
an demselben zu erlauben.
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Wiederum
ein weiteres Mittel zur Bereitstellung eines raum- und volumensparenden
Aufbaus bei der vorliegenden Erfindung ist in 6 dargestellt,
bei der die Schaltungsplatine 320 einen elektrischen/elektronischen
Schaltungsaufbau und Komponenten 330 aufweist, die auf
beiden Seiten derselben angebracht sind. Bei einem derartigen Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung könnten
Oberflächen 220a und 220b konfiguriert
sein, um die Oberflächen
von Komponenten 330, die auf der Schaltungsplatine 320 befestigt
sind, in Eingriff zu nehmen, wobei derartige Komponenten für eine Oberseitenkühlung optimiert
sind (wie üblicherweise
für Komponenten,
die zur Luftkühlung
entworfen sind, der Fall ist). Das Kühlrohr 230 ist vorzugsweise,
wenn auch nicht notwendigerweise an der Peripherie der Schaltungsplatine 320 platziert
und ist mittels Haftmitteln 290a und 290b mit
Wasserblöcken 200a und 200b verbunden.
Die Wasserblöcke 200a und 200b dissipieren
Wärme,
die durch die Komponenten 330 erzeugt wird, auf beiden
Seiten der Schaltungsplatine 320.
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Kleine
Zwischenräume
zwischen den Komponenten 330 und Wasserblöcken 200a und 200b, die
aus einer Nichtplanarität
von Komponenten oder Wasserblöcken
resultieren, könnten
durch ein Wärmeschnittstellenmaterial
gefüllt
sein, das in derartigen Zwischenräumen angeordnet ist, um eine
Wärmeleitfähigkeit
zu verbessern. Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden
Erfindung bewirkt ein mechanischer Druck, der durch geeignet positionierte
Bolzen, Schrauben, Klebstoff oder andere Befestigungsmittel erzeugt
wird, dass die Oberflächen 220a und 220b die
untere bzw. obere Oberfläche
der Komponenten 330 in Eingriff nehmen, um eine Wärmeleitfähigkeit
zu verbessern. Das Kühlrohr 230 könnte die
Schaltungsplatine 320 umgeben oder könnte abhängig von den Wärmefluss-
und Größenanforderungen
auf einer, zwei oder drei Seiten derselben positioniert sein.
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Die
vorliegende Erfindung umfasst innerhalb ihres Schutzbereichs verschiedene
Verfahren zur Herstellung und Verwendung des Wasserblocks 200 und
Kühlrohrs 230 der
vorliegenden Erfindung.
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Wie
nun ersichtlich werden wird, könnten, während spezifische
Ausführungsbeispiele
des Wasserblocks 200 und des Kühlrohrs 230 hierin
beschrieben und offenbart sind, viele Variationen und alternative
Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung aufgebaut oder implementiert werden,
ohne von der Wesensart und dem Schutzbereich der vorliegenden Erfindung
abzuweichen. Es wird deshalb darauf verwiesen, dass der Schutzbereich
der vorliegenden Erfindung nicht auf die hierin offenbarten spezifischen
Ausführungsbeispiel
eingeschränkt
sein soll, sondern durch ein Ansehen der beigefügten Ansprüche und deren Äquivalente
bestimmt sein soll. Folglich könnten
Veränderungen
und Modifizierungen an den bestimmten Ausführungsbeispielen der vorliegen den
Erfindung, die hierin offenbart sind, durchgeführt werden, ohne von der Wesensart
und dem Schutzbereich der vorliegenden Erfindung, wie in dem beigefügten Ansprüchen definiert,
abzuweichen.