DE102009036898A1 - Kühlsystem zum Abführen von Wärme an elektrischen Einrichtungen - Google Patents

Kühlsystem zum Abführen von Wärme an elektrischen Einrichtungen

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Abstract

Mit der vorliegenden Erfindung wird ein Kühlsystem (1) vorgestellt, das sich durch seine geräuscharme und sichere Betriebsweise besonders auszeichnet. Das Kühlsystem ist insbesondere für Gehäuse geeignet, in denen elektrische bzw. elektronische Bauteile, die eine verhältnismäßig hohe Wärmeentwicklung aufweisen, zum Einsatz kommen. Der größte Teil des Wärmetausches des Wärmeinhalts des einzusetzenden Kühlmediums wird in einem Wärmetauscher (3), der in mindestens einer Seite einer Gehäusewand (2) eingearbeitet ist, durchgeführt. Infolge der Kombination aus Wärmetauscher (3), einem Ausgleichsbehälter (9) und einem Peltier-Element (7, 8) ist das Kühlsystem (1) mit einer verbesserten Effizienz zur Kühlung elektrischer/elektronischer Bauteile gut geeignet.

Description

  • Die vorliegende Erfindung befasst sich mit einem Kühlsystem und einem Verfahren zum Abführen von Wärme an elektrischen Einrichtungen, insbesondere mit elektrischen und elektronischen Einrichtungen in einem Computergehäuse.
  • Derartige Kühlsysteme sind im Stand der Technik aus der EP 1 297 730 B1 und aus der DE 298 21 758 U1 sowie aus der DB 235 106 A1 bekannt. Der EP 1 297 730 B1 ist ein Wärmeaustauschsystem mit einer ersten Wärmeübertragungsplatte zu entnehmen, die mit einer ersten elektronischen Komponente gekoppelt ist, die sich in einem ersten Abschnitt einer portablen Rechenvorrichtung befindet. Dieses Wärmeaustauschsystem weist unter anderem eine zweite Wärmeübertragungsplatte auf, die durch Luftströmung der Konvektionskühlung im portablen Computer an geeigneter Stelle angeordnet ist und dort gekühlt wird. Als nachteilig wird daran empfunden, dass die Luftströmung infolge der Kühlungskonvektion nicht direkt an die Außenluft des Computergehäuses geleitet wird, sondern weitere Strömungskanäle benötigt werden, um die Wärme an die Umgebungsluft abgeben zu können. Ferner wird es als nachteilig angesehen, dass dieses bekannte Wärmeaustauschsystem einen Ventilator zur Erzeugung eines weiteren kühlenden Luftstroms benötigt, der naturgemäß mit einer relativ starken Geräuscherzeugung verbunden ist. Die DE 298 21 758 U1 zeigt eine Kühlvorrichtung für Computerfunktionseinheiten, die zur Kühlung elektronischer Bauteile ausschließlich eine Flüssigkeit für den Wärmetransport benötigt. Die Kühlung der Flüssigkeit wird dadurch erzielt, dass die Kühlflüssigkeit durch ein Kühlelement, das an der Außenseite des Gehäuses angeordnet wird, geleitet wird. Das Kühlelement weist Kühlrippen zur Vergrößerung der kühlenden Oberfläche auf, sodass das Kühlelement verhältnismäßig dick in seinen geometrischen Ausmaßen in Erscheinung tritt, was als nachteilig empfunden wird. Nachteilig an den bekannten Kühlsystemen wird im Allgemeinen empfunden, dass die Kühlelemente spezielle Bauteile für ein bestimmtes Computersystem darstellen und zur Kühlung in der Regel einen Luftstrom benötigen. Auch weisen fast alle bekannten Kühlsysteme in der Regel ein Peltier-Element zur Kühlung von elektronischen Bauteilen an bestimmten Orten auf, was allgemein nicht ganz unproblematisch ist, denn der für den Betrieb des Peltier-Elements notwendige Strom erzeugt auf der anderen Seite einen gewissen Anteil an Wärme, die gerade aus der unmittelbaren Umgebung des zu kühlenden elektronischen Elements abtransportiert werden soll. Somit ist der Einsatz von Peltier-Elementen allein in einem Kühlsystem nicht ohne Probleme. Im Allgemeinen sind die bekannten technischen Ausführungen eines Kühlsystems für elektrische/elektronische Einrichtungen technisch zu aufwendig und daher kostenintensiv.
  • Daher ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine technisch unkomplizierte Kühlung bereitzustellen, die kostengünstig in der Herstellung und betriebssicher und geräuscharm im Betrieb ist.
  • Diese Aufgabe wird mit den kennzeichnenden Merkmalen der Hauptansprüche erfindungsgemäß gelöst.
  • Das erfindungsgemäße Kühlsystem zum Abführen von Wärme von elektrischen Einrichtungen mit mindestens einer Gehäusewand ist dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Gehäusewand mindestens einen Wärmetauscher aufweist. Dieses erfindungsgemäße Verfahren besagt, dass das gesamte Kühlsystem mit mindestens einer als Wärmetauscher ausgebildeten Außenwand eines Elektrogeräte-Gehäuses verwendet werden muss.
  • Dabei ist es vorteilhaft, den Wärmetauscher von einem Medium, zum Beispiel Gas oder einer Flüssigkeiten durchfließen zu lassen, die die Wärme transportiert.
  • Vorteilhaft ist es ferner, dass das Medium durch kanalähnliche Strukturen geführt wird, die in eine Platte eingearbeitet sind. Die Strukturen können vorteilhaft gleichmäßig oder willkürlich gewählte Linienführungen aufweisen.
  • Vorteilhaft ist es ferner, dass das Medium über ein Peltier-Element geführt wird, das mit seiner Kühlseite an einem Ausgleichsbehälter angeordnet ist, der unter anderem dazu dient, das Kühlmedium auf einer vorbestimmten Betriebstemperatur zu halten.
  • Dabei ist es vorteilhaft, dass der Ausgleichsbehälter mit mindestens einem Zu- und einem Ablauf ausgestattet ist, der als handelsüblicher Anschlussstutzen mit einem Zollgewinde ausgestattet ist.
  • Ebenso ist es vorteilhaft, dass der Wärmetauscher in der mindestens einen Gehausewand mit derartigen Anschlussstutzen ausgestattet ist und der Ablauf des Wärmetauschers mit mindestens einer Pumpe verbunden ist.
  • Vorteilhaft ist es dabei, dass die Pumpe mechanisch-elektrisch betrieben wird.
  • Ferner ist es vorteilhaft, die Pumpe durch thermische Konvektion zu betreiben.
  • Ferner ist es für das Kühlsystem von Vorteil, wenn das Kühlmedium mindestens einen handelsüblichen Kühlkörper durchströmt, der in thermischer Verbindung mit dem zu kühlenden elektrischen/elektronischen Bauelement steht.
  • Vorteilhaft ist es auch, wenn der Wärmetauscher mindestens eine Platte aufweist, in die ein Flüssigkeits-Leitsystem eingearbeitet ist, wobei das Flüssigkeits-Leitsystem aus einer Mehrzahl von Kanälen besteht, die auf mindestens einer Seite der Oberfläche einer Platte eingelassen sind.
  • Ganz besonders vorteilhaft ist es, dass mindestens eine Gehäusewand als Wärmetauscher ausgebildet ist, sodass die Dicke der mindestens einen Gehäusewand die Form eines Bleches von einigen Millimetern aufweist und äußerlich flach ausgebildet ist.
  • Vorteilhaft ist es weiterhin, dass das Kühlsystem eine Temperaturregelung aufweist, welche die Kühlleistung des gesamten Systems auf die normale Umgebungstemperatur des Raumes abstimmt und einregelt.
  • Vorteilhaft ist es auch, dass die Verbindungsleitungen zwischen den einzelnen Kühlelementen wie Wärmetauscher, Peltier-Element, Kühlkörper aus flexiblen Schläuchen oder festen Rohrleitungen oder einer Kombination aus beiden hergestellt sind.
  • Vorteilhaft ist es ferner, dass das Kühlsystem mindestens einen Temperatursensor aufweist, der mit der Medien-Treibpumpe gekoppelt ist, sodass die Medien-Treibpumpe immer dann eingeschaltet wird, wenn die Temperatur als zu hoch erkannt wird.
  • Weitere erfindungswesentliche Merkmale sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
  • Im nun Folgenden wird die Erfindung anhand von Zeichnungen im Detail näher erläutert. Es zeigt
  • 1: eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Kühlsystems (1) mit den verschiedenen Bauteilen (3, 9, 13, 15);
  • 2: eine schematische Darstellung einer Gehäusewand (2) mit drei plattenartigen Schichten, wobei in der mittleren Schicht ein Medium-Leitsystem (17) eingearbeitet ist;
  • Die 1 zeigt eine schematische Darstellung des Kühlsystem 1 für elektrische/elektronische Einrichtungen mit einem Gehäuse, das mindestens eine Gehäusewand 2 aufweist. In die Gehäusewand 2 ist ein Wärmetauscher 3, der weiter unten näher beschrieben wird, eingearbeitet. Der Wärmetauscher 3 besteht im Wesentlichen aus drei plattenartigen Schichten, die flach aufeinandergelegt und zusammengefügt sind. Das Kühlsystem 1 weist ferner einen Ausgleichsbehälter 9 auf, der einen Teil des Kühlmediums, zum Beispiel Wasser aufnimmt und nicht vollständig gefüllt ist. Die Kühlflüssigkeit wird mittels einer Pumpe 13 über die Leitung 12 einem handelsüblichen Kühlelement 15 zugeführt, das mit dem zu kühlenden elektronischen Bauteil, zum Beispiel dem Prozessor (CPU) in engem thermischen Kontakt steht und somit das elektronische Bauteil auf seiner Betriebstemperatur hält. Hinter das erste zu kühlende Bauelement, dem Prozessor, ist ein weiteres Kühlelement 16 mechanisch in Reihe geschaltet, das im vorliegenden Ausführungsbeispiel eine Grafikkarte zu kühlen hat. Die Kühlelemente 14, 14' sind handelsüblich mit den entsprechenden handelsüblichen Anschlussstutzen ausgestattet und sind in den geometrischen Abmessungen jeweils dem zu kühlenden elektronischen Bauteil anzupassen. Das durch die Mehrzahl von zu kühlenden Bauelementen 15, 16 erwärmte Medium wird dann dem wärmetragenden Teil ei nes Peltier-Elements 8 zugeführt, das naturgemäß mit dem kältetragenden Teil 7 des Peltier-Elements fest verbunden ist. Das kältetragende Teil 7 des Peltier-Elements steht in engem thermischen Kontakt mit dem Ausgleichsbehälter 9, in dem sich das Kühlmedium befindet. Damit wird dem Kühlmedium ein Teil des Wärmeinhalts entzogen und das Kühlmedium auf eine vorbestimmte Temperatur gebracht. Das Peltier-Element 7, 8 weist an den Zu- und Ablaufstellen Verbindungsstutzen 19, 19' auf, mit denen die Verbindung zwischen dem Peltier-Element 8 und dem Wärmetauscher 3 hergestellt wird. In dem Wärmetauscher 3 wird dem Kühlmedium ein weiterer Teil des Wärmeinhalts entzogen, womit das Kühlmedium, zum Beispiel Wasser auf eine vorbestimmte Temperatur gebracht wird und somit der Kreislauf des Kühlmediums neu beginnt. Als Kühlmedium sind auch geeignete Gase zu verwenden, die bei Expansion Kälte erzeugen. Das PC-Gehäuse ist ein handelsübliches Aluminiumgehäuse, das in der Regel aus einem Frontteil, einem Rückteil und vier Seitenteilen bzw. Seitenplatten besteht. Der Wärmetauscher 3 ist in mindestens einer Seitenplatte eingearbeitet, die nur wenige Millimeter Wandstärke aufweist. Der Ausgleichsbehälter 9 besteht aus ebenfalls einem gut wärmeleitfähigen Material, zum Beispiel Aluminium. Seine Größe ist von der jeweiligen Konfiguration des elektrischen/elektronischen System, dessen einzelne Bauteile zu kühlen sind, abhängig. Die Pumpe 13 ist ein handelsübliches Bauteil, das an dieser Stelle keiner weiteren Beschreibung bedarf. Als Pumpe ist in der Regel eine Niedervoltpumpe von ca. 13 Volt für den Transport von Flüssigkeiten heranzuziehen. Eine andere alternative Art einer Pumpe ist in einer sogenannten thermischen Konvektionspumpe zu sehen. Das zu verwendende Peltier-Element 7, 8 ist ebenfalls handelsüblich und bedarf an dieser Stelle keiner weiteren Beschreibung. Die Größe und die Leistung ist wiederum von der Konfiguration des Systems abhängig. Das Peltier-Element wird mit seiner Kühlseite 7 an geeigneter Stelle des zu kühlenden Ausgleichsbehälter 9 angeordnet. Die Verbindungsleitungen zwischen den einzelnen Komponenten bestehen aus handelsüblichen flexiblen Schläuchen sowie dafür geeigneten Anschlüsse in entsprechender Zoll-Ausführung.
  • Die 2 zeigt eine schematische Darstellung einer Gehäusewand 2, die aus drei plattenartigen Schichten 2', 6, 2'' zusammengesetzt ist. Die nach außen weisende Schicht 2' besteht aus einem gut wärmeleitenden Material, das die der Kühlflüssigkeit bzw. dem Kühlmedium entzogenen Wärme leicht an die Umgebungstemperatur abgibt. Die nach innen weisende Schicht 2'' sollte dagegen aus einem nicht gut wärmeleitenden Material gefertigt sein, damit die Wärme der Kühlflüssigkeit nicht an den Innenraum des Gehäuses abgestrahlt wird. In die mittlere Schicht 6 ist ein Kanal-Leitsystem 17 eingearbeitet, das eine meanderförmige Linienführung aufweist. Hier sind andere Linienführungen des Flüssigkeits-Leitsystems ebenfalls denkbar. Die Kanäle 18 durchdringen die Schicht 6 vollständig, sodass es notwendig ist, die Deckflächen dieser Schicht 6 mit jeweils einer Platte 2', 2'' zu verschließen. In einer anderen Ausführungsform ist das Medium-Leitsystem in die plattenartige Schicht 2'' eingearbeitet, sodass lediglich für die Abdeckung der Kanäle 18 eine weitere Platte 2' benötigt wird. Die einzelnen Schichten können prinzipiell mit einem geeigneten Kleber aufeinandergeklebt werden oder mit einer anderen geeigneten Verbindungstechnik zusammengefügt werden. Zur Vereinfachung der Herstellung einer erfindungsgemäßen Gehäusewand dient in speziellen Ausführungsformen eine Wärmedämmschicht auf der nach innen weisenden Seite der Gehäusewand 2, damit die Wärmeableitung in den Innenraum des Gehäuses gehindert wird.
  • Mit dem erfindungsgemäßen Kühlsystem 1 ist kein elektrisch betriebener Ventilator am oder im Gerätegehäuse notwendig, wodurch der Einsatz des erfindungsgemäßen Kühlsystem 1 in elektrischen/elektronischen Geräten innerhalb von Reinsträumen besonders geeignet ist.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • - EP 1297730 B1 [0002, 0002]
    • - DE 29821758 U1 [0002, 0002]
    • - DE 235106 A1 [0002]

Claims (21)

  1. Kühlsystem zum Abführen von Wärme von elektrischen Einrichtungen mit mindestens einer Gehäusewand (2), dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Gehäusewand (2) mindestens einen eingearbeiteten Wärmetauscher (3) aufweist.
  2. Kühlsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher (3) von einem Medium durchflossen wird, das die Wärme transportiert.
  3. Kühlsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Medium innerhalb des Wärmetauschers (3) durch kanalähnliche Strukturen (4) geführt wird, die in einer Platte (6) eingearbeitet sind.
  4. Kühlsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlmedium über ein Peltier-Element (7) geführt wird.
  5. Kühlsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Peltier-Element mit seiner Kühlseite (7) mit einem Ausgleichsbehälter (9) in wärmeaustauschfähigem Kontakt steht.
  6. Kühlsystem nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausgleichsbehälter (9) einen mindestens einen Zulauf (10) und mindestens einen Ablauf (11) aufweist.
  7. Kühlsystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Zulauf (10) mit dem Wärmetauscher (3) strömungstechnisch verbunden ist und der Ablauf (11) mit mindestens einer Pumpe (13) strömungstechnisch verbunden ist.
  8. Kühlsystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpe (13) mechanisch/elektrisch betrieben wird.
  9. Kühlsystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpe (13) durch thermische Konvektion betrieben wird.
  10. Kühlsystem nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlmedium mindestens einen handelsüblichen Kühlkörper (14, 14') durchströmt.
  11. Kühlsystem nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der handelsübliche Kühlkörper (14, 14') in engem thermischen Kontakt mit mindestens einem elektrischen/elektronischen Bauteil (15, 16) steht.
  12. Kühlsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher (3) mindestens eine Platte (6) aufweist, in die ein Medi um-Leitsystem (17) eingearbeitet ist.
  13. Kühlsystem nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Medium-Leitsystem (17) aus einer Mehrzahl von Kanälen (18) besteht, die in mindestens einer Seite der Oberfläche einer Platte (5) eingelassen sind.
  14. Kühlsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Wärmetauscher (3) als Gehäusewand (2) ausgebildet ist.
  15. Kühlsystem nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlleistung der gesamten Kühlvorrichtung (1) auf die normale Umgebungstemperatur des Raumes abgestimmt ist.
  16. Kühlsystem nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Komponenten (3, 9, 13, 15, 16) des Kühlsystems schraubbare Anschlussstutzen (19, 19') aufweisen.
  17. Kühlsystem nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungsleitungen (12) zwischen den einzelnen Komponenten (3, 9, 13, 15, 16) flexible Schläuche oder feste Rohrleitungen sind.
  18. Verfahren zum Abführen von Wärme von elektrischen/elektronischen Einrichtungen (15, 16), dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Außenwand (2) eines Elektrogeräte-Gehäuses als Wärmetauscher (3) ausgebildet wird.
  19. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dasszur Kühlung des Kühlmediums im Kühlsystem (1) mindestens ein Peltier- Element (7, 8) verwendet wird.
  20. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ausdehnung des Kühlmediums mindestens ein nicht vollständig gefülltes Ausgleichsbehältnis (9) verwendet wird.
  21. Kühlsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlsystem mindestens einen Temperatursensor aufweist, der mit der Pumpe (13) gekoppelt ist.
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