DE102008025544A1

DE102008025544A1 - Verfahren und Vorrichtung zur optimierten Kühlung elektronischer Bauelement in der Computertechnik

Info

Publication number: DE102008025544A1
Application number: DE200810025544
Authority: DE
Inventors: Thomas Endrullat
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2008-05-27
Filing date: 2008-05-27
Publication date: 2009-12-03

Abstract

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein System zur optimierten Kühlung elektronischer Bauelemente in der Computertechnik, insbesondere zur auch nachträglichen Herstellung einer platzsparenden Kühlung einer Mehrzahl elektronischer Bauelemente in Computern und Netzwerk-Serversystemen mit nur einem Kühlmodul bereitzustellen, wobei eine in etwa konstante Bauelementtemperatur auch bei wechselnden Verlustleistungen und bei hohen Verlustleistungsdichten sowie ohne die ausfallgefährdete Anwendung aktiver Komponenten wie Reglern oder Steuerungen und beweglicher Teile wie Lüftern und Kühlpumpen ermöglicht wird. Die vorliegende Erfindung löst diese Aufgabe durch Anwendung eines adaptiven Flüssigkeits-Kühlsystems im Natur-Umlaufverfahren. Anwendungsgebiete sind elektronische Bauelemente wie Mikroprozessoren, Speicherbausteine, Chipsätze, Datenspeicher-Festplatten und Mikroprozessor-Spannungswandler in Computern und Netzwerk-Serversystemen, insbesondere in Netzwerk-Bladeserver-Systemen.

Description

Die Erfindung betrifft entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ein Verfahren und entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 2 eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zur optimierten Kühlung elektronischer Bauelemente in der Computertechnik, insbesondere zur auch nachträglichen Herstellung einer platzsparenden Kühlung einer Mehrzahl elektronischer Bauelemente in Computern und Netzwerk-Serversystemen mit nur einem Kühlmodul, wobei eine in etwa konstante Bauelementtemperatur auch bei wechselnden Verlustleistungen und bei hohen Verlustleistungsdichten sowie ohne die ausfallgefährdete Anwendung aktiver Komponenten wie Reglern oder Steuerungen und beweglicher Teile wie Lüftern und Kühlpumpen ermöglicht wird. Erreicht wird dies durch Anwendung eines adaptiven Flüssigkeits-Kühlsystems im Natur-Umlaufverfahren. Anwendungsgebiete sind elektronische Bauelemente wie Mikroprozessoren, Speicherbausteine, Chipsätze, Datenspeicher-Festplatten und Mikroprozessor-Spannungswandler in Computern und Netzwerk-Serversystemen, insbesondere in Netzwerk-Bladeserver-Systemen.
Elektronische Bauelemente, die in Computern und Netzwerk-Serversystemen eingesetzt werden, wie Mikroprozessoren, Speicherbausteine, Datenspeicher-Festplatten, Chipsätze und Mikroprozessor-Spannungswandler, entwickeln im Betrieb aufgrund der auftretenden elektrischen und mechanischen Verlustleistung Wärme, die zur Verhinderung von Bauelementüberhitzungen mit geeigneten Mitteln abgeführt werden muss.
Eine unzureichende Kühlung führt insbesondere bei Speicher- und Prozessorbausteinen auf Halbleiterbasis zum Ausfall oder zumindest zur Verkürzung der Lebensdauer sowie zu Berechnungsfehlern im Computer, die zwar durch moderne Befehlssätze und Betriebssysteme meist korrigiert werden können, aber dadurch zu Verlusten bei der Rechnerleistung führen. Ein wesentliches Mittel zur Leistungsverbesserung von Computern ist die Erhöhung der Taktfrequenz der Prozessoren, die allerdings mit einer Erhöhung der elektrischen Verlustleistung und damit einem größeren Bedarf der Prozessorkühlung einhergeht.
Heute übliche Computer und Netzwerk-Serversysteme verfügen meist über passive auf dem Prozessor aufgespannte Kühlkörper mit Kühlrippen zur Oberflächenerhöhung oder über zusätzliche aktive Lüfter, wodurch die Prozessorabwärme in den Innenraum des Computer- oder Servergehäuses abführt wird. Der Wärmeübergang zwischen Prozessor und Kühlkörper wird dabei durch Wärmeleitpasten verbessert. Der weitere Wärmetransport aus dem Gehäuse heraus erfolgt dabei entweder passiv durch konvektive Wärmeaustausch-Maßnahmen und Wärmeabstrahlung oder aktiv mittels Gehäuselüfter.
Eine platzsparende Kühlung sowie eine gezielte Kühlereichbarkeit von Bauelementen mit hoher Verlustleistung lässt sich bei bisherigen Kühlsystemen dabei konstruktiv bedingt sowie wegen der Notwendigkeit des konvektiven Abtransports der erwärmten Luft insbesondere bei hohen Verlustleistungsdichten auch mit hohem Aufwand kaum realisieren. In der Vergangenheit wurde daher versucht, durch Wasserkühlsysteme der Prozessoren diese Nachteile zu vermeiden, hier besteht jedoch das Problem, dass auch bei geringen Wasserleckagen im Kühlsystem der Totalverlust des Rechners durch elektrische Kurzschlüsse die Folge ist. Konstruktiver Aufbau und Betrieb eines solchen wassergekühlten Rechnersystems ist zudem sehr aufwändig. Eine in etwa konstante Bauelementtemperatur auch bei wechselnden Verlustleistungen sowie bei hohen Verlustleistungsdichten ohne die Anwendung aktiver Komponenten wie Reglern oder Steuerungen und beweglicher Teile wie Lüfter und Kühlpumpen ist auch mit diesen wassergekühlten Systemen nicht möglich.
Ein weiteres Problem all der aktiven Kühlsysteme beim Stand der Technik ist, dass sie durch bewegliche Teile konstruktiv bedingt ausfallgefährdet sind und in diesem Fall durch Verlust der Kühlung das elektronischen Bauelement zerstört oder bei Verwendung von Temperatursensoren zumindest der Rechner bis zur Reparatur nicht mehr Weiterbetrieben werden kann. Insbesondere bei Netzwerk-Serversystemen mit ihrer Mehrzahl von Einzelrechnern ist die Wahrscheinlichkeit von Ausfällen aktiver Prozessor-Kühlsysteme besonders groß und führt gerade dort zu hohen wirtschaftlichen Schäden. Vor Allem bei Verwendung moderner Bladeserver-Systeme ist aber gerade hier das Platzangebot für eine ausreichende Prozessorkühlung sehr gering.
Beim Stand der Technik werden die elektronischen Bauelemente eins Computers wie Prozessoren im Bedarfsfall einzeln gekühlt, ein System zur Kühlung einer Mehrzahl von Bauelementen in einem Computer mit hoher Verlustleistung mit nur einem Kühlmodul existiert nicht, insbesondere können beim Stand der Technik Computer in schon vorhandenen Rechnersystemen wie Netzwerk-Bladeserver-Systeme mit durch ihre schmale Bauart sehr geringem Platzangebot nicht nachträglich mit einem System zur Kühlung einer Mehrzahl von Bauelementen des Computers mit hoher Verlustleistung mit nur einem Kühlmodul nachgerüstet werden.
Für die Systemstabilität und die Rechnerleistung ideal wäre ein Kühlungssystem von Computern und Netzwerkserveren, das ohne weitere Regelung oder Steuerung systemimmanent auch bei wechselnden Verlustleistungen und hohen Verlustleistungsdichten eine in etwa konstante Bauelementtemperatur ermöglicht, bei den meisten heute verwendeten Kühlsystemen auf der Basis von Lüftern oder Wasserkühlungen ist das aber nicht möglich.
Bei Netzwerk-Serversystem besteht zudem das Problem, dass durch die Vielzahl von Einzelrechnern die Wärmeabluft die Serverräume stark aufgeheizt wird, so dass hier die Verwendung ernergie- und kostenintensiver Klimaanlagen notwendig ist.
Zur Kühlung elektronischer Bauelemente mit hohen Verlustleistungsdichten, insbesondere von Hochleistungs-Mikroprozessoren, ist in der Deutschen Patentanmeldung DE 103 10 568 eine Vorrichtung offenbart, die ohne zusätzliche Lüfter auskommt, einfach und kostengünstig aufgebaut ist und eine gleich gute Konvektion in alle Richtungen zulässt. Hierzu ist das elektronische Bauelement mittels eines Kontaktelements mit einem Wärmerohr verbunden, das in der Art mit einer Kühlflüssigkeit teilweise befüllt ist, dass es im unteren Bereich des Wärmerohrs durch die Verlustwärme des elektronischen Bauelements als Flüssigkeit teilweise verdampft und dabei die so verbrauchte Verdampfungswärme dort dem Bauelement entzieht, und im oberen Bereich wieder kondensiert und die dabei entstehende Kondensationswärme mittels Kühlrippen an die Umgebungsluft des Wärmerohr konvektiv abgibt.
Die Nachteile der dort vorgestellten Vorrichtung sind, dass der Platzbedarf des Kühlsystems innerhalb des Computergehäuses zum Beispiel bei der Anwendung in Netzwerk-Bladeserver-Systemen zu groß ist und die Ableitung der Verlustwärme nur aus dem elektronischen Bauelement wie einem Mikroprozessor heraus erfolgt, nicht aber aus dem Gehäuse des Computers, so dass hier ein weiteres Kühlsystem wie ein Gehäuselüfter notwendig ist. Eine adaptive Nachrüstung schon vorhandener Systeme zur Kühlung einer Mehrzahl von Bauelementen mit hoher Verlustleistung als Gesamtsystem ist nicht möglich.
In der Deutschen Patentschrift DE 101 59 860 ist eine Wärmeübertragungsfläche mit einer aus ihrer Grundfläche herausragenden porösen Mikrostruktur für Kühlsysteme auf der Basis von Verdampfern beschrieben. Hierbei wird durch ein Galvanisierverfahren die Oberfläche eines Verdampfers so verändert, dass die Benetzbarkeit der Wärmeübertragungsfläche durch das Kühlfluid, der Wärmeübergang in das Fluid und die Dampfblasenentstehung verbessert wird. Ein System zur Kühlung einer Mehrzahl von Bauelementen elektronischer Bauelemente mit hoher Verlustleistung in der Computertechnik mit nur einem Kühlmodul sowie zur adaptiven Nachrüstung schon vorhandener Systeme zur Kühlung einer Mehrzahl von Bauelementen ist hier nicht beschrieben.
Der vorliegenden Erfindung liegt demzufolge die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens bereitzustellen, mit deren Hilfe die optimierte Kühlung elektronischer Bauelemente in der Computertechnik, insbesondere zur auch nachträglichen Herstellung einer optimierten Kühlung elektronischer Bauelemente wie Mikroprozessoren, Speicherbausteinen, Chipsätzen und Mikroprozessor-Spannungswandler in Computern und Serversystemen ohne die ausfallgefährdete Anwendung aktiver Komponenten wie Reglern und beweglicher Teile wie Lüftern und Kühlpumpen ermöglicht wird.
Der vorliegenden Erfindung liegt weiterhin die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens bereitzustellen, mit deren Hilfe die Kühlung sowie die nachträgliche Kühlsystem-Ausrüstung elektronischer Bauelemente auch in Computern und Serversystemen mit geringem Platzangebot wie Netzwerk-Bladeserver-Systemen mit ihrer schmalen Bauart ermöglicht wird.
Der vorliegenden Erfindung liegt weiterhin die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens bereitzustellen, mit deren Hilfe die Kühlung sowie die nachträgliche Kühlsystem-Ausrüstung einer Mehrzahl elektronischer Bauelemente von Computern und Serversystemen mit hoher Verlustleistung mit nur einem Kühlmodul ermöglicht wird.
Der vorliegenden Erfindung liegt weiterhin die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens bereitzustellen, mit deren Hilfe systemimmanent ohne Verwendung von Reglern und Steuerungen eine in etwa konstante Temperatur elektronischer Bauelemente von Computern und Serversystemen auch bei wechselnden Verlustleistungen etwa unter Leerlauf- und Volllastbetrieb und bei hohen Verlustleistungsdichten ermöglicht wird, so dass die Lebensdauer der elektronischen Bauelemente erhöht wird, die Rechen-Fehlerrate elektronischer Bauelemente wie zentrale Recheneinheiten von Computern und Serversystemen verringert wird und die Rechenleistung elektronischer Bauelemente wie zentrale Recheneinheiten von Computern und Serversystemen durch Erhöhung ihrer Taktfrequenz ohne Lebensdauerverringerung und Fehlerratenerhöhung verbessert werden kann.
Der vorliegenden Erfindung liegt weiterhin die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens bereitzustellen, mit deren Hilfe die Kühlung sowie die nachträgliche Kühlsystem-Ausrüstung einer Mehrzahl von elektronischen Bauelementen in Computern und Serversystemen ermöglicht wird, wobei keine Gefahr von elektrischen Kurzschlüssen bei Leckageverlusten von Kühlflüssigkeit besteht.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch das Verfahren entsprechend der kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 und durch die Vorrichtung entsprechend der kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 2 gelöst.
Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind in den kennzeichnenden Merkmalen der Unteransprüche beschrieben.
Hauptkennzeichen des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist, dass ein mit einer elektrisch nicht leitenden Kühlflüssigkeit gefülltes Kühlungs-Gehäuse dergestalt auf der Hauptplatine eines Computers oder Servers montiert ist, dass eine Mehrzahl von Einschraubtöpfen, die mittels eines Feingewindes in entsprechende Bohrungen des Kühlungs-Gehäuses mit einem definierten Drehmoment angezogen mit der Außenseite der Einschraubtöpfe auf die zu kühlenden elektronischen Bauelemente aufgedrückt werden, die durch die Verlustleistung der elektronischen Bauelemente entstehende Abwärme ableiten und durch Verdampfen der Kohlflüssigkeit an der Innenseite der Einschraubtöpfe in Verdampfungswärme umwandeln. Das verdampfte Kühlfluid gelangt in einem passiven Kühlkreislauf mittels eines konvektiven Natur-Umlaufverfahrens über einen Fluiddampfausgang des Gehäuses in einen Kondensator, in dem der Kühlfluiddampf kondensiert und über einen Fluidkondensateingang wieder in das Kühlungs-Gehäuse gelangt. Der Wärmeübergang und die Benetzbarkeit der Verdampfungs- und Kondensationsoberflächen mit dem Kühlfluid in den Einschraubtöpfen und dem Kondensator wird dadurch stark verbessert, dass diese Oberflächen mit einer von einer dünnen Metallschicht überzogenen porösen Mikrostruktur versehen sind. Durch diese Oberflächengestaltung wird außerdem in den Einschraubtöpfen die Dampfblasenentstehung und im Kondensator analog zu Kondensationskeimen die Initiierung des Kondensation gefördert.
Ergebnis ist somit, dass mit der vorliegenden Erfindung mit nur einem Kühlmodul in platzsparender Weise eine Mehrzahl von elektronischen Bauelementen in Computern und Servern gekühlt werden können und durch die adaptive Ausgestaltung des Systems mit höhenvariablen Einschraubtöpfen auch eine nachträgliche Ausrüstung schon vorhandener Computer und Server mit dem Kühlsystem möglich ist. Weitere Vorteile der Erfindung sind, dass eine in etwa konstante Bauelementtemperatur auch bei wechselnden Verlustleistungen und bei hohen Verlustleistungsdichten sowie ohne die ausfallgefährdete Anwendung aktiver Komponenten wie Reglern oder Steuerungen und beweglicher Teile wie Lüftern und Kühlpumpen ermöglicht wird, dass eine gezielte Kühlerreichbarkeit von Bauelementen mit hoher Verlustleistung ermöglicht wird, dass durch Variation des Betriebsdrucks im Kühlsystem die Siedetemperatur des Kühlfluids und damit die Bauelementtemperatur einstellbar ist, dass auch bei eventuellen Fluidleckagen durch die elektrischen Isolationseigenschaften des Fluids keine elektrischen Kurzschlüsse im Computer- oder Serversystem möglich sind, dass durch das Kühlsystem auch bei sehr hohen Verlustleistungen und Verlustleistungsdichten bei Verwendung eines Gemisches aus Perflourpolyether und Pentaflourbutan als Kühlfluid eine in etwa konstante Bauelementtemperatur von etwa 40°C erreichbar ist, wodurch die Lebensdauer und die Fehlerquote der elektronischen Bauelemente verbessert und ohne Schädigung der Bauelemente beispielsweise eine Erhöhung der Prozessor-Taktfrequenz und damit der Rechnerleistung ermöglicht wird, und dass durch die Möglichkeit einer extrem flachen Bauart von etwa 7 mm der Einsatz auch beispielsweise bei Netzwerk-Bladeserver-Systemen mit hoher Packungsdichte möglich ist. Da das Kühlgehäuse durch Zu- und Ableitungen vom Kondensator räumlich getrennt ist, kann der Kondensator auch außerhalb des Serverraumes installiert sein, so dass somit eine Aufheizung des Serverraumes nicht mehr stattfindet.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung bestehen die Einschraubtöpfe aus einer Kupferlegierung mit hoher Wärmeleitfähigkeit.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Kühlungs-Gehäuse auf der Hauptplatine des Computers oder Servers kraftschlüssig mittels Schraubverbindung montiert.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Kühlungs-Gehäuse auf der Hauptplatine des Computers oder Servers kraftschlüssig mittels Klipverbindung montiert.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Kühlungs-Gehäuse auf der Hauptplatine des Computers oder Servers kraftschlüssig mittels Federklammern montiert.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird der Flüssigkeitsstand des Kühlfluids mittels mindestens eines Schwimmerventils am Fluiddampfausgang und/oder am Fluidkondensateingang des Kühlungs-Gehäuses geregelt.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird das Gewinde der Schraubverbindung zwischen Kühlungs-Einschraubtopf und Kühlungs-Gehäuse nach Einstellung der kraftschlüssigen Auflage des Kühlungs-Einschraubtopfes auf das zu kühlenden Bauelement mittels geeigneter Dichtungsmaßnahmen fluiddicht abgedichtet.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird der Wärmeübergang zwischen elektronischem Bauelement des Computers oder Servers und dem Einschraubtopf durch Einsatz einer Wärmeleitpaste verbessert.
Somit werden die der Erfindung zugrunde liegenden Aufgaben durch das bereitgestellte Verfahren sowie durch die bereitgestellte Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens vollkommen gelöst.
Nachfolgend wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung weiter unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung erläutert. Es zeigt:
1 eine erfindungsgemäße Kühlvorrichtung in einem Netzwerk-Bladeserver in der schematischen Schnittdarstellung.
In 1 ist eine erfindungsgemäße Kühlvorrichtung mit einem von einem Kühlfluid 13 befüllten Kühlungs-Gehäuse 9 dargestellt, das aus einem Kühlungs-Gehäusegrundkörper 6 besteht, sowie aus einem Kühlungs-Gehäusedeckel 7, einer Rundschnurdichtung 15 als Gehäuseabdichtung und mindestens einem in das Kühlungs-Gehäuse 9 eingeschraubten Kühlungs-Einschraubtopf 5. Das Kühlungs-Gehäuse 9 ist hier mittels Schraubverbindung 18 mit der Hauptplatine eines Netzwerk-Bladeservers kraftschlüssig verbunden, auf der sich als zu kühlende Bauelemente zwei zentrale Recheneinheiten, eine erste CPU 2 und eine zweite CPU 3, und ein Spannungswandler 4 für die zentrale Recheneinheiten befinden. Das Kühlungs-Gehäuse 9 ist mittels eines Fluidkondensateinganges 10 und eines Fluiddampfausganges 11 mit einem Fluiddampf-Kondensator 16 im Sinne eines Kühlkreislaufes fluiddicht verbunden, wobei die durch die Verlustleistung der elektronischen Bauelemente entstehende Abwärme durch die Kühlungs-Einschraubtöpfe 5 abgeleitet und durch Verdampfen der Kühlflüssigkeit 13 an der Innenseite der Einschraubtöpfe 5 in Verdampfungswärme umwandelt wird. Das verdampfte Kühlfluid 12 gelangt in einem passiven Kühlkreislauf mittels eines konvektiven Natur-Umlaufverfahrens über den Fluiddampfausgang 11 des Gehäuses 9 in den Fluiddampf-Kondensator 16, in dem der Kühlfluiddampf 12 kondensiert und über einen Fluidkondensateingang 10 wieder in das Kühlungs-Gehäuse 9 gelangt. Der Wärmeübergang und die Benetzbarkeit der Verdampfungs- und Kondensationsoberflächen mit dem Kühlfluid 12, 13 in den Einschraubtöpfen 5 und dem Fluiddampf-Kondensator 16 wird dadurch stark verbessert, dass diese Oberflächen mit einer von einer dünnen Metallschicht überzogenen porösen Mikrostruktur versehen sind. Durch diese Oberflächengestaltung wird außerdem in den Einschraubtöpfen die Dampfblasenentstehung und im Kondensator analog zu Kondensationskeimen die Initiierung des Kondensation gefördert. Der Fluiddampf-Kondensator 16, der aktiv, passiv, durch Konvektion, Lüfter oder Wasserkühlung gekühlt sein kann und hier mit Kühlungsrippen dargestellt ist, kann räumlich vom Computer- bzw. Servergehäuse getrennt und sich beispielsweise auch außerhalb eines Serverraumes befinden, so dass eine Aufheizung dieses Raumes nicht mehr stattfindet. Die Kühlungs-Einschraubtöpfe 5 sind je nach Bauhöhe der zu kühlenden Bauelemente dergestalt unterschiedlich tief in das Kühlungs-Gehäuse 9 eingeschraubt, so dass die Außenfläche des Kühlungs-Einschraubtopfes 5 kraftschlüssig auf einem der zu kühlenden Bauelemente aufliegt, wobei an der Außenfläche des Kühlungs-Einschraubtopfes 5 zur Verbesserung des Wärmeüberganges eine Wärmeleitpaste 14 aufgetragen wird. Die Einschraubung der Kühlungs-Einschraubtöpfe 5 erfolgt im Inneren des Kühlungs-Gehäuses 9 durch ein Feingewinde an der Außenseite der Kühlungs-Einschraubtöpfe 5 und in den entsprechende Bohrungen des Kühlungs-Gehäuses mittels Drehmomentlochschlüsseln an den Lochschlüssel-Bohrungen 17 mit einem definierten Anzugsmoment, bei dem der Wärmeübergang optimal ist.
Anschließend kann das Kühlungs-Gehäuse 9 im Bereich des Feingewindes der Kühlungs-Einschraubtöpfe 5 mit einer geeigneten Abdichtung 8 wie einem Lack oder einer aushärtenden Abdichtmasse fluiddicht abgedichtet werden. Das Kühlungs-Gehäuse 9 ist dergestalt mit dem Kühlfluid 13 befüllt, dass alle dem Kühlungs-Gehäuse 9 zugeordneten Kühlungs-Einschraubtöpfe 5 an ihrer Innenfläche sowohl beim Befüllen als auch im Kühlbetrieb vollständig mit dem Kühlfluid 13 benetzt sind, wobei der Flüssigkeitsstand des Kühlfluids 13 mittels eines hier nicht dargestellten Schwimmerventils am Fluiddampfausgang 11 und/oder am Fluidkondensateingang 10 des Kühlungs-Gehäuses 9 automatisch geregelt werden kann.

1: Hauptplatine eines Bladeserver-Rechners
2: Erste zentrale Recheneinheit (CPU 1)
3: Zweite zentrale Recheneinheit (CPU 2)
4: Spannungswandler für die zentrale Recheneinheit (CPU)
5: Kühlungs-Einschraubtopf
6: Kühlungs-Gehäusegrundkörper
7: Kühlungs-Gehäusedeckel
8: Kühlungs-Einschraubtopf-Abdichtung
9: Kühlungs-Gehäuse
10: Fluidkondensateingang des Kühlkörper-Gehäuses
11: Fluiddampfausgang des Kühlkörper-Gehäuses
12: Kühlfluiddampf
13: Kühlfluid
14: Wärmeleitpaste
15: Rundschnurdichtung
16: Fluiddampf-Kondensator
17: Lochschlüssel-Bohrung für Kühlungs-Einschraubtopf
18: Schraubverbindung Hauptplatine mit dem Kühlungs-Gehäuse

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- DE 10310568 [0010]
- DE 10159860 [0012]

Claims

Verfahren zur optimierten Kühlung elektronischer Bauelemente in der Computertechnik, insbesondere zur auch nachträglichen Herstellung einer platzsparenden Kühlung einer Mehrzahl elektronischer Bauelemente in Computern und Netzwerk-Serversystemen mit nur einem Kühlmodul, wobei eine in etwa konstante Bauelementtemperatur auch bei wechselnden Verlustleistungen und bei hohen Verlustleistungsdichten sowie ohne die ausfallgefährdete Anwendung aktiver Komponenten wie Reglern oder Steuerungen und beweglicher Teile wie Lüftern und Kühlpumpen ermöglicht wird, dadurch gekennzeichnet, dass a) auf eine Hauptplatine (1) in der Computertechnik mindestens ein Kühlungs-Gehäuse (9) montiert wird, b) mindestens ein Kühlungs-Einschraubtopf (5) in das Kühlungs-Gehäuse (9) dergestalt eingeschraubt wird, dass die Außenfläche des Kühlungs-Einschraubtopfes (5) kraftschlüssig auf einem zu kühlenden Bauelement in der Computertechnik aufliegt und an der Außenfläche des Kühlungs-Einschraubtopfes (5) mindestens ein Mittel zur Verbesserung des Wärmeüberganges vom zu kühlenden Bauelement in den Kühlungs-Einschraubtopf (5) angewandt wird, c) das Kühlungs-Gehäuse (9) mittels eines Fluidkondensateinganges (10) und eines Fluiddampfausganges (11) mit einem Fluiddampf-Kondensator (16) im Sinne eines Kühlkreislaufes fluiddicht hydraulisch verbunden wird, d) das Kühlungs-Gehäuse (9) mit einem Kühlungs-Gehäusedeckel (7) und geeigneten Dichtungsmitteln fluiddicht geschlossen wird, e) das Kühlungs-System mit einem Kühlfluid (13) befüllt wird, wobei das Kühlungs-Gehäuse (9) dergestalt mit dem Kühlfluid (13) befüllt ist, dass alle dem Kühlungs-Gehäuse (9) zugeordneten Kühlungs-Einschraubtöpfe (5) an ihrer Innenfläche sowohl beim Befüllen als auch im Kühlbetrieb vollständig mit dem Kühlfluid (13) benetzt sind, f) an der Innenfläche des Kühlungs-Einschraubtopfes (5) mindestens ein Mittel zur Verbesserung • der Benetzbarkeit der Innenfläche des Kühlungs-Einschraubtopfes (5) durch das Kühlfluid (13), • des Wärmeüberganges vom Kühlungs-Einschraubtopf (5) in das Fluid, und • der Dampfblasenentstehung angewandt wird, g) das Kühlfluid (13) beim Kühlbetrieb durch Verlustwärme des zu kühlenden Bauelements an der Innenfläche der Kühlungs-Einschraubtöpfe (5) verdampft und dabei die Verlustwärme im zu kühlenden Bauelement im Wesentlichen in Verdampfungswärme des Kühlfluids (13) umgewandelt wird, h) der Kühlfluiddampf (12) über den Fluiddampfausgang (11) einem Fluiddampf-Kondensator (16) zugeführt, dort kondensiert und über den Fluidkondensateingang (10) als flüssiges Kühlfluid (13) wieder dem Kühlungs-Gehäuse (9) zugeführt wird, wobei der Kühlfluid-Kreislauf ohne weitere aktive Mittel konvektiv in Natur-Umlaufverfahren erfolgt, i) die Temperatur des zu kühlenden Bauelements unabhängig von wechselnden Verlustleistungen, also sowohl im System-Leerlauf als auch unter System-Volllastbedingungen und auch bei hohen Verlustleistungsdichten, durch die direkte Kühlung des Bauelements mittels Verdampfung des Kühlfluids (13) in etwa konstant bei einer Temperatur etwas über der Siedetemperatur der Kühlflüssigkeit gehalten werden kann, und j) an der Innenfläche des Fluiddampf-Kondensators (16) mindestens ein Mittel zur Verbesserung • der Benetzbarkeit der Innenfläche des Fluiddampf-Kondensators (16) durch das Kühlfluid (13), • des Wärmeüberganges vom Fluiddampf (12) in den Fluiddampf-Kondensator (16) und • der Kondensation durch schnellere Initiierung der Kondensation durch die Oberflächenstruktur des verwendeten Mittels angewandt wird.
Vorrichtung zur optimierten Kühlung elektronischer Bauelemente in der Computertechnik, insbesondere zur auch nachträglichen Herstellung einer platzsparenden Kühlung einer Mehrzahl elektronischer Bauelemente in Computern und Netzwerk-Serversystemen mit nur einem Kühlmodul, wobei eine in etwa konstante Bauelementtemperatur auch bei wechselnden Verlustleistungen und bei hohen Verlustleistungsdichten sowie ohne die ausfallgefährdete Anwendung aktiver Komponenten wie Reglern oder Steuerungen und beweglicher Teile wie Lüftern und Kühlpumpen ermöglicht wird, und insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, umfassend a) mindestens ein einer Hauptplatine (1) in der Computertechnik zugeordnetes Kühlungs-Gehäuse (9), b) mindestens ein in das Kühlungs-Gehäuse (9) eingeschraubter Kühlungs-Einschraubtopf (5), wobei die Außenfläche des Kühlungs-Einschraubtopfes (5) kraftschlüssig auf einem zu kühlenden Bauelement in der Computertechnik aufliegt und der Außenfläche des Kühlungs-Einschraubtopfes (5) mindestens ein Mittel zur Verbesserung des Wärmeüberganges vom Bauelement in den Kühlungs-Einschraubtopfes (5) zugeordnet ist, c) ein dem Kühlungs-Gehäuse (9) zugeordnetes Kühlfluid (13), wobei das Kühlungs-Gehäuse (9) dergestalt mit dem Kühlfluid (13) befüllt ist, dass alle dem Kühlungs-Gehäuse (9) zugeordneten Kühlungs-Einschraubtöpfe (5) an ihrer Innenfläche vollständig mit dem Kühlfluid (13) benetzt sind und die in dem zu kühlenden Bauelement entstehende Verlustwärme an der Innenfläche der Kühlungs-Einschraubtöpfe (5) durch Verdampfen des Kühlfluids (13) im Wesentlichen in Verdampfungswärme umgewandelt wird, d) mindestens ein der Innenfläche des Kühlungs-Einschraubtopfes (5) zugeordnetes Mittel zur Verbesserung • der Benetzbarkeit der Innenfläche des Kühlungs-Einschraubtopfes (5) durch das Kühlfluid (13), • des Wärmeüberganges vom Kühlungs-Einschraubtopf (5) in das Fluid, und • der Dampfblasenentstehung, e) mindestens ein dem Kühlungs-Gehäuse (9) zugeordneter Fluidkondensateingang (10), f) mindestens ein dem Kühlungs-Gehäuse (9) zugeordneter Fluiddampfausgang (11), g) mindestens ein dem Fluidkondensateingang (10) und dem Fluiddampfausgang (11) zugeordneter Fluiddampf-Kondensator (16), in dem das durch Verlustwärme des zu kühlenden Bauelements an der Innenfläche der Kühlungs-Einschraubtöpfe (5) verdampfte Kühlfluid (12) aus dem Kühlungs-Gehäuse (9) über den Fluiddampfausgang (11) zugeführt, dort kondensiert und über den Fluidkondensateingang (10) als flüssiges Kühlfluid (13) wieder dem Kühlungs-Gehäuse (9) zugeführt wird, wobei der Kühlfluid-Kreislauf ohne weitere aktive Mittel konvektiv im Natur-Umlaufverfahren erfolgt, und h) mindestens ein der Innenfläche des Fluiddampf-Kondensators (16) zugeordnetes Mittel zur Verbesserung • der Benetzbarkeit der Innenfläche des Fluiddampf-Kondensators (16) durch das Kühlfluid (13), • des Wärmeüberganges vom Fluiddampf (12) in den Fluiddampf-Kondensator (16) und • der Kondensation durch schnellere Initiierung der Kondensation durch die Oberflächenstruktur des verwendeten Mittels.
Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlungs-Einschraubtopf (5) aus einem die Wärme gut leitenden Material besteht.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlungs-Einschraubtopf (5) aus einer Kupferlegierung besteht.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlungs-Einschraubtopf (5) aus einer Aluminiumlegierung besteht.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuordnung des Kühlungs-Einschraubtopfes (5) zum dem zu kühlenden Bauelement kraftschlüssig mittels Schraubverbindung des Kühlungs-Einschraubtopfes (5) in der entsprechenden Bohrung des Kühlungs-Gehäuses (9) erfolgt
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuordnung der Hauptplatine (1) zum Kühlungs-Gehäuse (9) kraftschlüssig mittels Schraubverbindung (18) erfolgt.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Schraubverbindung durch ein Feingewinde am Außenumfang eines Kühlungs-Einschraubtopfes (5) und an der entsprechenden Bohrung des Kühlungs-Gehäuses (9) erfolgt.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Verschraubung des Kühlungs-Gehäuses (9) auf der Hauptplatine (1) mittels dem Kühlungs-Gehäuse (9) zugeordneten Schraubstegen erfolgt.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuordnung der Hauptplatine (1) zum Kühlungs-Gehäuse (9) kraftschlüssig mittels Klipverbindung erfolgt.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuordnung der Hauptplatine (1) zum Kühlungs-Gehäuse (9) kraftschlüssig mittels Federklammern erfolgt.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlfluid (13) aus einem elektrisch nicht leitenden Material besteht.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlfluid (13) aus einem rückstandsfrei verdampfenden Material besteht.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Kühlfluid (13) ein Gemisch aus fluorierten Polymeren und fluorierten Alkanen eingesetzt wird.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Kühlfluid (13) ein Gemisch aus Perflourpolyether und Pentaflourbutan eingesetzt wird.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei Standard-Atmosphärendruck die Siedetemperatur des Kühlfluids (13) etwa 36°C beträgt.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Flüssigkeitsstand des Kühlfluids (13) mittels mindestens eines Schwimmerventils am Fluiddampfausgang (11) und/oder am Fluidkondensateingang (10) des Kühlungs-Gehäuses (9) geregelt wird.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche an der Innenfläche des Kühlungs-Einschraubtopfes (5), d. h. an der dem Kühlfluid zugewandten Seite, zur Verbesserung • der Benetzbarkeit der Innenfläche des Kühlungs-Einschraubtopfes (5) durch das Kühlfluid (13), • des Wärmeüberganges vom Kühlungs-Einschraubtopf (5) in das Fluid, und • der Dampfblasenentstehung mit einer porösen Mikrostruktur versehen ist, die die Oberfläche stark vergrößert und zur Verbesserung des Wärmeübergangs mit einer Metallschicht versehen ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche an der Innenfläche des Fluiddampf-Kondensators (16), d. h. an der dem Kühlfluid zugewandten Seite, zur Verbesserung • der Benetzbarkeit der Innenfläche des Fluiddampf-Kondensators (16) durch den Kühlfluiddampf (12) und • des Wärmeüberganges vom Fluiddampf (12) in den Fluiddampf-Kondensator (16) mit einer porösen Mikrostruktur versehen ist, die die Oberfläche stark vergrößert und zur Verbesserung des Wärmeübergangs mit einer Metallschicht versehen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 18 und 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallschicht auf der mikroporösen Struktur galvanisch erzeugt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass die poröse Mikrostruktur an der Innenfläche des Kühlungs-Einschraubtopfes (5) mit einer aufgalvanisierten Kupferschicht versehen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass die poröse Mikrostruktur an der Innenfläche des Fluiddampf-Kondensators (16) mit einer aufgalvanisierten Kupferschicht versehen ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeübergang zwischen dem zu kühlenden elektronischem Bauelement des und dem Einschraubtopf (5) durch Einsatz einer Wärmeleitpaste verbessert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur der zu kühlenden Bauelemente durch Variation des Betriebsdrucks im Kühlkreislauf eingestellt werden kann.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gewinde der Schraubverbindung zwischen Kühlungs-Einschraubtopf (5) und Kühlungs-Gehäuse (9) nach Einstellung der kraftschlüssigen Auflage des Kühlungs-Einschraubtopfes (5) auf das zu kühlenden Bauelement mittels geeigneter Dichtungsmaßnahmen fluiddicht abgedichtet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei stark unterschiedlichen Höhen der zu kühlenden Bauelemente Kühlungs-Einschraubtöpfe (5) mit unterschiedlicher Bauhöhe in das Kühlungs-Gehäuse (9) eingeschraubt werden können.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlungs-Gehäuse (9) am Fluidkondensateingang (10) und am Fluiddampfausgang (11) als Einzelkühlgehäuse eines Netzwerk-Serverblades mittels beim Herausziehen automatisch schließender Schnelltrennelemente an einem Netzwerk-Serverschrank mit einem Fluiddampf-Kondensator (16) hydraulisch verbunden ist.