DE102010009761A1

DE102010009761A1 - Kühlwand-Racksystem

Info

Publication number: DE102010009761A1
Application number: DE201010009761
Authority: DE
Inventors: Thomas Lewin; Thomas Endrullat; Jürgen Müller
Original assignee: LEWIN IND GmbH; LEWIN INDUSTRIES GmbH
Current assignee: LEWIN IND GmbH; LEWIN INDUSTRIES GmbH
Priority date: 2010-03-01
Filing date: 2010-03-01
Publication date: 2011-09-01
Also published as: WO2011107072A3; WO2011107072A2

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Bauteilgruppenträger 1 für eine Recheneinrichtung 100, an dem wenigstens eine Abwärme erzeugende elektronische Bauteilgruppe 104 der Recheneinrichtung 100 unter Aufnahme des Gewichts der wenigstens einen elektronischen Bauteilgruppe 104 befestigbar ist. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Tragstruktur 102 für eine wenigstens eine Abwärme erzeugende Bauteilgruppe 104 aufweisende Recheneinrichtung 100 und eine Recheneinrichtung 100 mit einer Vielzahl von Einzelrechnern 104. Um die Kühlung und Montagefreundlichkeit bekannter Bauteilgruppenträger und Tragstrukturen zu verbessern, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass der Bauteilgruppenträger 1 als ein Kühlkörper 1a mit einem Wärmeabfuhrorgan 2 und mit wenigstens einer Wärmeaufnahmefläche 6 ausgestaltet ist, die mit der Bauteilgruppe 104 wenigstens abschnittsweise wärmeleitend koppelbar ausgestattet ist. Die eingangs genannte Tragstruktur 102 löst diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch, dass die Tragstruktur 102 eine Stützeinrichtung 101 umfasst, die wenigstens einen erfindungsgemäßen Bauteilgruppenträger trägt.

Description

Die Erfindung betrifft einen Bauteilgruppenträger für eine Recheneinrichtung, an dem wenigstens eine Abwärme erzeugende elektronische Bauteilgruppe der Recheneinrichtung unter Aufnahme des Gewichts der wenigstens einen elektronischen Bauteilgruppe befestigbar ist.
Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Tragstruktur für eine wenigstens eine Abwärme erzeugende Bauteilgruppe aufweisende Recheneinrichtung und eine Recheneinrichtung mit einer Vielzahl von Einzelrechnern.
Bauteilgruppenträger und Tragstrukturen der vorgenannten Art sind bekannt. Im Stand der Technik werden als Bauteilgruppenträger beispielsweise schubladenartige Einschübe für Rack-Systeme verwendet, die meist das Standard-19''-Rack-Format haben. Sogenannte Racks, Schaltschränke im Rack-Format oder Computergehäuse (ATX-/BTX-Format) bilden die Tragstrukturen für die Einschübe. Diese Einschübe sind gerade bei Großrechnersystemen, die eine Vielzahl von Einzelrechnern bzw. Recheneinheiten, -kernen oder -knoten aufweisen, meist schlecht zugänglich und von Kühlern oder Wärmetauschern umgeben.
In diesen Großrechnern muss die Abwärme aller Einzelrechner abgeführt werden. Die Einzelrechner sind zur Platzersparnis meistens eng benachbart über- und/oder nebeneinander angeordnet. Diese Anordnung bewirkt eine große Leistungsdichte und macht sehr große und laute Lüftungssysteme erforderlich. Bei dem derzeit anhaltenden Trend zu immer rechenstärkeren Einzelrechnern und einer möglichst hohen Packungsdichte der Einzelrechner ist abzusehen, dass die bisherigen Kühlkonzepte mit Luftkühlung an ihre Grenzen kommen. Die Wärmekapazität der Luft reicht nicht aus, um die Wärme unter vertretbarem Aufwand und erträglicher Lärmbelästigung abzuführen.
Ein Konzept zur Verbesserung der Luftkühlung verfolgt beispielsweise die Druckschrift WO 06/055387 A1 . Sie beschreibt ein Rack-System zur Kühlung von Rechnereinheiten, die in Form von Einplatinenrechnern (Computerboards) etagenartig mit ihren flachen Ober- bzw. Unterseiten nebeneinander angeordnet sind. Unterhalb des Racks befindet sich ein Ventilator, der Kühlluft durch die Etagen bläst. Zwischen den Etagen sind Gitterrohrwärmetauscher zur Zwischenkühlung der Luft angeordnet.
Die US 2009/025501 A1 befasst sich mit einem schrankartigen Rack-System mit standardisierten Einschüben, die von in einem Rasterabstand übereinander angeordneten Stützprofilpaaren gebildet sind. In den Einschüben befinden sich schubladenartige Gehäuse für elektronische Bauteilgruppen. An einer Rückseite der Gehäuse sind eine Reihe von Lüftern angeordnet, die Kühlluft aus dem Schrank ansaugen und durch einen flüssigkeitsgekühlten Wärmetauscher hinter der Rückwand aus dem Schrank herausbefördern.
Zusätzlich zur Luftkühlung von Bauteilgruppen in belüfteten Rack-Schubladen sieht die US 2005/0068728 A1 ein Flüssigkühlsystem vor, dessen von einer Kühlflüssigkeit durchströmter Kühlkörper direkt wärmeleitend mit einem elektronischen Bauteil verbunden ist. Die Kühlflüssigkeit wird von einer Pumpe durch ein Rohrleitungssystem zu einem an einer Außenwand der Schublade angebrachten Flansch zum Übertragen der Abwärme an eine zentrale Kühleinrichtung befördert.
Die oben beschriebenen Konzepte für eine Zwischenkühlung oder zusätzliche Flüssigkühlung haben den Nachteil, dass die Kühlflüssigkeit bei Leckage des Kühlsystems mit den elektronischen Bauteilen in Berührung kommt und diese zerstören oder zumindest funktionsunfähig machen kann. Des Weiteren ist die direkte Flüssigkühlung aufwendig.
In einer Abkehr von der direkten Flüssigkühlung beschreibt die US 2009/0262495 A1 ein Rack-System für an einer gestellartigen Stützstruktur montierte Bauteilgruppenträger mit Rechnereinheiten im 19''-Standard-Rack-Format. Elektronische Bauteile der Rechnereinheiten werden von stabförmigen Kühlkörpern aus Vollmetall kontaktiert, die aus den Gehäusen austreten und an ein Rohr einer zentralen Kühleinrichtung außen angeflanscht sind. Nachteilig hierbei ist, dass die Kühlkörper hohe Streuverluste aufweisen und einen großen Teil der Abwärme innerhalb des Gehäuses abgeben. Sie sind zudem materialaufwendig zu fertigen und in ihrer absoluten Wärmeleitfähigkeit stark begrenzt.
In Anbetracht der oben geschilderten Nachteile des Standes der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, die Kühlung und Montagefreundlichkeit bekannter Bauteilgruppenträger und Tragstrukturen zu verbessern.
Für den eingangs genannten Bauteilgruppenträger wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Bauteilgruppenträger als ein Kühlkörper mit einem Wärmeabfuhrorgan und mit wenigstens einer Wärmeaufnahmefläche ausgestaltet ist, die mit der Bauteilgruppe wenigstens abschnittsweise wärmeleitend koppelbar ausgestattet ist.
Die eingangs genannte Tragstruktur ist zur Lösung der Aufgabe so ausgestaltet, dass die Tragstruktur wenigstens einen Bauteilgruppenträger der vorgenannten Art umfasst.
Erfindungsgemäß erfüllt also der als Kühlkörper ausgestaltete Bauteilgruppenträger eine Doppelfunktion, indem er die Bauteilgruppe zugleich trägt und kühlt. Somit erübrigen sich eine aufwendige Montage der Tragstruktur und ein separater Kühlkörper an der Bauteilgruppe wie beim Stand der Technik. Diese separaten Montageschritte fallen beim erfindungsgemäß kühlenden Bauteilgruppenträger weg. Dank der Erfindung ist mit dem Bereitstellen der Tragstruktur das Kühlproblem bereits gelöst. Das Rechensystem wird sozusagen vom Kühler her aufgebaut.
Des Weiteren ist bei der erfindungsgemäßen Lösung von Vorteil, dass das Gewicht des Kühlkörpers die Bauteilgruppe nicht mechanisch belastet. Bei den Bauteilgruppen handelt es sich meist um Platinen, die, wie der bekannte, von der Bauteilgruppe getragene Kühlkörper, durch den separaten Kühlkörper gemäß dem Stand der Technik unter mechanische Spannungen gesetzt und verbogen werden, was bei Transporten zu Leiterbahnenbrüchen oder zu einem Abfallen des mit dem Kühlkörper verbundenen Bauteils führen kann. Diesem Problem wird durch die Erfindung abgeholfen, weil der kühlende Bauteilgruppenträger die Bauteilgruppe trägt und Letztere somit im Wesentlichen nur durch ihr geringes Eigengewicht belastet ist.
Die erfindungsgemäße Lösung kann mit den folgenden voneinander unabhängigen und jeweils für sich vorteilhaften Ausgestaltungen beliebig kombiniert und so weiter verbessert werden.
So ist es gemäß einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Bauteilgruppenträgers möglich, dass die wenigstens eine Wärmeaufnahmefläche unmittelbar und flächig an wenigstens ein elektronisches und/oder elektrisches Bauelement der Bauteilgruppe vorzugsweise unmittelbar anlegbar ausgestaltet ist. Durch einen unmittelbaren und flächigen Kontakt zwischen der Wärmeaufnahmefläche und der Bauteilgruppe kann der als Kühlkörper ausgestaltete Bauteilgruppenträger die Abwärme besonders verlustfrei aufnehmen und ableiten.
Der Kühlkörper kann als ein tragender Adapter ausgestaltet sein, indem er sich zwischen Befestigungsmitteln zur Befestigung des Kühlkörpers an einer Tragstruktur der Recheneinrichtung und Befestigungsmitteln zur Befestigung der wenigstens einen Bauteilgruppe am Kühlkörper erstreckt. Die Befestigungsmittel können den jeweiligen Anforderungen entsprechend ausgestaltet sein.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Bauteilgruppenträgers kann vorgesehen sein, dass Abstandshalter vorgesehen sind, die sich von einer einen Wärmeaufnahmebereich bildenden Flachseite des Bauteilgruppenträgers weg zu einer von der Flachseite beabstandeten Befestigungsebene erstrecken. In der Befestigungsebene kann beispielsweise eine Platine der Bauteilgruppe angeordnet sein, so dass von der Platine in Richtung des Kühlkörpers vorspringende elektronische Bauelemente der Bauteilgruppe mit der wenigstens einen Wärmeaufnahmefläche wärmeleitend in Kontakt gebracht werden können.
Wenn die elektronischen Bauelemente verschiedene Höhen aufweisen, kann es die Montage vereinfachen, wenn wenigstens eine Wärmeaufnahmefläche zum wärmeleitenden Kontaktieren eines elektronischen Bauelements der Bauteilgruppe vom Bauteilgruppenträger vorspringt.
Die Bauteilgruppe kann besonders einfach an einem erfindungsgemäßen Bauteilgruppenträger montiert werden, wenn gemäß einer weiteren möglichen Verbesserung des Bauteilgruppenträgers vorgesehen ist, dass eine Topographie eines die wenigstens eine Wärmeaufnahmefläche umfassenden Wärmeaufnahmebereiches zumindest abschnittsweise komplementär zu einer Topographie der Bauteilgruppe ausgestaltet ist. Bei dieser Ausgestaltung richten sich beispielsweise die Positionen und Höhen der Wärmeaufnahmeflächen nach der Position und Höhe des Abwärme erzeugenden Bauteils. Hierzu können mehrere Wärmeaufnahmeflächen vorgesehen sein, die unterschiedlich weit vorspringen.
Gemäß einer weiteren möglichen Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Bauteilgruppenträgers lässt sich seine Montage an einer Stützeinrichtung und/oder zentralen Wärmeabfuhreinrichtung einer Recheneinrichtung vereinfachen, wenn vorgesehen ist, dass das Wärmeabfuhrorgan als Flansch ausgestaltet ist. Der Bauteilgruppenträger kann dann einfach an die Stützeinrichtung der Recheneinrichtung angeflanscht sein. Alternativ oder zusätzlich kann das Wärmeabfuhrorgan als Rippenkühlkörper ausgestaltet sein und somit die Wärmeübertragung vom Wärmeabfuhrorgan an ein Kühlmedium verbessern. Das Kühlmedium kann beispielsweise die Umgebungsluft, ein Luftstrom in einer zentralen Wärmeabfuhreinrichtung oder ein sonstiges Fluid sein.
Die Kühlung des Bauteilgruppenträgers lässt sich gemäß einer weiteren Ausführungsform dadurch verbessern, dass das Wärmeabfuhrorgan von einem Kühlmedium durchströmbar ausgestaltet ist.
Die Packungsdichte kann erhöht werden, wenn sich das Wärmeabfuhrorgan an einer Schmalseite des Kühlkörpers und der Wärmeaufnahmebereich an einer Flachseite des Kühlkörpers befinden. Bei dieser Ausgestaltung entsteht ein flachbauender Kühlkörper. Der großflächigere Wärmeaufnahmebereich kann so die Bauteilgruppe zum Teil abdecken und zusätzlich Strahlungswärme absorbieren. Die Wärmeabfuhr aus der Schmalseite ermöglicht niedrige Bauhöhen.
Ferner kann eine Hauptwärmeaufnahmerichtung, in der die Abwärme der Bauteilgruppe in den Bauteilgruppenträger eingeleitet ist, im Wesentlichen senkrecht zu einer Hauptwärmeabfuhrrichtung verlaufen, in der die Abwärme vom Wärmeabfuhrorgan abgeleitet ist. Diese Ausgestaltung erfordert eine Umlenkung des Wärmestroms, so dass in der Hauptwärmeaufnahmerichtung, die oft der Ausrichtung der Bauteilgruppe entspricht, eine dichtere Packung aufeinanderfolgender Bauteilgruppen möglich ist.
Die Abwärme lässt sich besonders einfach von der Wärmeaufnahmefläche zum Wärmeabfuhrorgan transportieren, wenn gemäß einer weiteren möglichen Ausführungsform des Bauteilgruppenträgers vorgesehen ist, dass ein Wärmeaufnahmebereich, der vorzugsweise die Wärmeaufnahmefläche aufweist, über wenigstens ein Wärmerohr bzw. Heatpipe wärmeübertragend mit dem Wärmeabfuhrorgan verbunden ist.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der eingangs genannten Tragstruktur kann die erfindungsgemäße Lösung dadurch verbessert werden, dass die wenigstens eine Bauteilgruppe wiederholt lösbar an der Tragstruktur befestigt ist, was die Montagefreundlichkeit der Tragstruktur erheblich verbessert.
Eine erfindungsgemäß kühlende Tragstruktur kann gemäß einer weiteren möglichen Ausführungsform besonders einfach montiert werden, indem der Kühlkörper zwischen einer Befestigungsposition an der Stützeinrichtung zur Anbringung des Kühlkörpers und Befestigungsmitteln der Bauteilgruppe tragend angeordnet ist. Dabei kann die Wärmeabfuhr weiter verbessert werden, wenn eine das Wärmeabfuhrorgan des Kühlkörpers wärmeleitend kontaktierende Wärmeabfuhrleitung einer zentralen Kühleinrichtung für die Recheneinrichtung in die Stützeinrichtung integriert ist.
Der Aufbau der erfindungsgemäßen Tragstruktur bzw. der Recheneinrichtung lassen sich gemäß einer weiteren möglichen Ausführungsform weiter vereinfachen, indem in die Stützeinrichtung ein Kühlsystem integriert ist und der Bauteilgruppenträger mit der Stützeinrichtung wärmeleitend verbunden ist und/oder dass das Wärmeabfuhrorgan in einen von Kühlmedium durchströmbar ausgestalteten Bereich des Kühlsystems ragt. In einer Ausführungsform kann die Wärmeabfuhrleitung in die als Kühlwand ausgestaltete Stützeinrichtung integriert und mit einer Vielzahl neben- und/oder übereinander angeordneter Bauteilgruppenaufnahmen für jeweils einen der Kühlkörper versehen sein.
Eine Erwärmung der Luft um die Recheneinrichtung kann dadurch gemindert werden, dass wenigstens ein Bauteilgruppenträger, vorzugsweise eine Vielzahl von Kühlkörpern, in einem Warmbereich angeordnet und die Kühleinrichtung in einem Kaltbereich angeordnet ist, wobei der Warmbereich und der Kaltbereich im Wesentlichen ausschließlich durch die jeweiligen Wärmeabfuhrorgane der Bauteilgruppenträger bzw. der Kühlkörper wärmeübertragend miteinander gekoppelt sind. Somit wird die Abwärme größtenteils über die Wärmeabfuhrorgane geführt, ohne die Luft im bzw. um die Recheneinrichtung zu erwärmen. Vorzugsweise ist der Kaltbereich im Wesentlichen hermetisch vom Warmbereich getrennt, um die Wärmeabfuhr zu verbessern. In ener Ausführungsform erstreckt sich der Bauteilgruppenträger vom Warmbereich in den Kaltbereich.
Gemäß einer weiteren möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Tragstruktur kann eine räumliche Leistungsdichte der Recheneinrichtung erhöht werden, wenn der Rasterabstand übereinander liegender Befestigungspositionen zweier Kühlkörper maximal einer Höheneinheit (HE) eines Standard-Rack-Formats entspricht und/oder ein Rasterabstand nebeneinander liegender Befestigungspositionen zweier Kühlkörper weniger als eine Standard-Rack-Breite beträgt. Die Tragstruktur oder Stützreinrichtung kann beispielsweise mit einer Vielzahl von in einem Rastermaß eingeordneten Befestigungspositionen für jeweils wenigstens einen Bauteilgruppenträger versehen sein.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist der Bauteilgruppenträger als Kühlkörper, vorzugsweise als Verdampfungskühlkörper, mit einem zwischen der Wärmeaufnahmefläche und dem Wärmeabführorgan angeordneten Fluidraum ausgestaltet. Der Bauteilgruppenträger kann beispielsweise als Verdampfungskühlkörper ausgestaltet sein und weist als Wärmeaufnahmebereich eine Verdampfungswand und eine Kondensationswand an bezüglich des Fluidraums gegenüberliegenden Flachseiten auf. Da die Kondensation des Fluiddampfes vornehmlich im Deckenbereich des Fluidraums stattfindet, ist diese Ausgestaltung insbesondere bei einem horizontal ausgerichteten Verdampfungskühlkörper vorteilhaft. Erfindungsgemäß gibt bei dieser Ausrichtung der Kühlkörper die Wärme über das Wärmeabfuhrorgan in horizontaler Richtung ab.
Der Bauteilgruppenträger kann mit einem Hauptwärmeabfuhrweg ausgestaltet siein, der von einer mit dem Bauteil wärmeübertragend koppelbaren Verdampfungswand an einer Flachseite des Verdampfungskühlkörpers durch einen an die Verdampfungswand angrenzenden Fluidraum und vom Fluidraum über eine eine Decke des Fluidraums bildende Kondensationswand zu wenigstens einem wärmeleitend mit der Kondensationswand verbundenen Wärmeabfuhrorgan verläuft. Das Wärmeabfuhrorgan kann an einer Schmalseite des Beuteilgruppenträgers angeordnet sein.
Diese Ausgestaltung hat den Vorteil, dass eine Verschmutzung des Rechnersystems durch mit der Kühlluft mitgeführte Partikel vermieden wird. Sie ermöglicht zudem eine effektivere Abwärmeaufnahme im Kühlkörper als eine Luft- oder Flüssigkeitskühlung, weil die Abwärme in Verdampfungsenthalpie des Fluids umgewandelt wird. Bei konstantem Druck im Fluidraum ist es möglich, das Bauteil auf die konstante Siedetemperatur des Fluids zu kühlen, solange die Verdampfungswand mit flüssigem Fluid bedeckt ist.
Der Vorteil der gerichteten Wärmeabgabe entlang des Hauptwärmeabfuhrweges besteht darin, dass die Abwärme nicht an die Luft innerhalb des Rechnersystems abgeben wird, sondern gezielt und mit nur wenig Verlusten vom Bauteil weg gefördert werden kann. Die Wärmeaufnahme über die Verdampfungswand an der Flachseite und die gerichtete Wärmeabgabe über die Schmalseite des Kühlkörpers ermöglichen eine hohe Packungsdichte der Bauteile. Die Kühlkörper können mit ihren Flachseiten aneinander gepackt werden. Die Flachseite schirmt darüber hinaus vom Bauteil und seiner Umgebung ausgehende Wärmestrahlung ab.
Der erfindungsgemäße Verdampfungskühlkörper kann insbesondere als Passivkühlkörper eingesetzt werden und erfordert so keine zusätzliche Energie zur aktiven Kühlung des Rechnersystems, beispielsweise durch Lüfter oder pumpenbewegte Kühlmedien.
Um den Wärmetransport in Richtung des Wärmeabfuhrorgans zu erleichtern, kann eine Materialquerschnittsfläche der Kondensationswand zum Wärmeabfuhrorgan hin zunehmen. Die Wärmequerschnittsfläche liegt dabei im Wesentlichen senkrecht zum Hauptwärmeabfuhrweg. Entlang des größer werdenden Materialquerschnitts kann die von der Kondensationswand eingesammelte Kondensationswärme, die sich in einem zum Wärmeabfuhrorgan hin zunehmenden Wärmestrom niederschlägt, mit geringem Wärmewiderstand zum Wärmeabfuhrorgan geführt werden.
Um die Kondensation des an der Verdampfungsfläche verdampfenden Fluides zu erleichtern, kann vorgesehen sein, dass die Kondensationswand mit in den Fluidraum ragenden Kondensationskörpern versehen ist. Diese Kondensationskörper können wärmeleitend mit der Kondensationswand verbunden sein bzw. einen Teil der Kondensationswand bilden. Die Kondensationskörper bewirken eine Vergrößerung der Kondensationswand und erleichtern das Abtropfen.
Im Betrieb des Kühlkörpers bildet sich aufgrund des gegen die Schwerkraftrichtung aufsteigenden Dampfes und der abfallenden Tropfen eine Strömung im Fluidraum auf. Um die Strömung zu beeinflussen und beispielsweise die Dampfphase zu bestimmten Stellen der Kondensationswand hin zu lenken, an denen bevorzugt eine Kondensation stattfinden soll, können Strömungsleitorgane im Fluidraum vorgesehen sein.
Die Funktion der Strömungsleitorgane kann von den Kondensationskühlkörpern wahrgenommen werden, indem diese beispielsweise Strömungskanäle ausbilden.
Die Kondensationskörper können im Wesentlichen rippenförmig ausgestaltet sein.
Sie können im Wesentlichen durchgängig zum Wärmeabfuhrorgan hin verlaufen und Wärmeleitbrücken bilden, zwischen denen die Kondensation und Strömung der Dampfphase stattfindet. Die Wärmeleitbrücken können vorzugsweise wärmeleitend mit dem Wärmeabfuhrorgan verbunden sein, um die Kondensationswärme gezielt dem Wärmeabfuhrorgan zuzuführen.
Die Höhe bzw. Querschnittsfläche der Kondensationskörper kann in Richtung der Hauptwärmeabfuhrrichtung zunehmen, um zunehmend mehr Materialquerschnittsfläche für den Wärmetransport bereitzustellen. Die Kondensationskörper können wenigstens bereichsweise in Richtung zum Wärmeabfuhrorgan zunehmend mehr in den Fluidraum ragen.
Um das verdampfte Fluid entlang des Hauptwärmeabfuhrweges in Richtung des Wärmeabfuhrorgans zu lenken, kann gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung die Höhe des Fluidraums in der Hauptwärmeabfuhrrichtung, zum Wärmeabfuhrorgan hin, zunehmen. Bei dieser Ausgestaltung strömt die heiße Dampfphase selbständig in den höchst gelegenen Teil des Fluidraums, wo sie nahe beim Wärmeabfuhrorgan kondensiert.
Um sicherzustellen, dass diejenigen Bereiche der Verdampfungswand stets mit flüssigem Fluid bedeckt sind, die sich direkt oberhalb des Bauteils befinden, kann vorgesehen sein, dass die Verdampfungswand wenigstens eine Fluidsammelsenke ausbildet. Die Fluidsammelsenke bildet eine Vertiefung, in der sich flüssiges Fluid sammelt und die Wärmeabfuhr sicherstellt.
Die Wärmekopplung der Verdampfungswand an das elektronische Bauteil kann auf einfache Weise dadurch sichergestellt sein, dass die Verdampfungswand an der dem Bauteil zugewandten bzw. vom Fluidraum abgewandten Flachseite des Verdampfungskühlkörpers an wenigstens einer Stelle vorspringt. Durch den wenigstens einen Vorsprung können Bauhöhen unterschiedlicher Bauteile ausgeglichen werden. Der Vorsprung weist eine vorzugsweise plane Wärmeaufnahmefläche auf, die flächig und luftspaltlos mit dem Bauteil in Kontakt gebracht werden kann.
Die Wärmeaufnahmefläche kann von der Fluidsammelsenke ausgebildet sein, so dass die Fluidsammelsenke direkt vom zu kühlenden Bauteil beheizt ist. Die Wandstärke der Verdampfungswand kann im Bereich der und um die Fluidsammelsenke im Wesentlichen konstant bleiben. Im Bereich des Vorsprungs ist kein höherer Materialeinsatz notwendig. Alternativ kann die Wandstärke im Bereich der Fluidsammelsenke verringert sein, um einen rascheren und effizienteren Wärmetransport in den Fluidraum zu ermöglichen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verdampfungskühlkörpers kann dieser zur (multi-point) Kühlung mehrerer, vorteilhaft aller zu kühlender Bauteile einer elektronischen Bauteilgruppe verwendet werden. Hierzu kann die Verdampfungswand mehrere voneinander beabstandete, vorspringende Wärmeaufnahmeflächen ausbilden. Die Wärmeaufnahmeflächen können unterschiedlich weit vorspringen, so dass deren Positionen und vorzugsweise auch Höhen jeweils den Positionen und Höhen der Bauteile auf der Bauteilgruppe bzw. Platine entsprechen. Die Luft innerhalb des Rechnersystems heizt sich weniger auf. Falls einzelne Bauteile nicht direkt wärmeleitend kontaktiert werden können, kann die Wärmeaufnahmefläche gegenüber dem zugeordneten Bauteil mit Rippen versehen sein, um die Abwärme dieses Bauteils konvektiv und durch Wärmestrahlungsübertragung aufzunehmen und weiterzuleiten.
Die gerichtete Wärmeabfuhr entlang des Hauptwärmeabfuhrweges lässt sich gemäß einer weiteren Ausgestaltung dadurch verbessern, wenn eine Seitenwand des Fluidraums an der Schmalseite, an der sich das Wärmeabfuhrorgan befindet, zusätzlich zum Kondensieren des Fluids verwendet wird. Dies ist insbesondere dann sinnvoll, wenn das Wärmeabfuhrorgan stark gekühlt wird. Die Kondensation wird dann verstärkt in den nahe am Wärmeabfuhrorgan liegenden Bereichen des Fluidraums stattfinden. Um die Kondensation positiv zu beeinflussen, kann die Seitenwand mit den Merkmalen der Kondensationswand in einer der oben beschriebenen Ausgestaltungen versehen sein.
Um einen Siedeverzug zu verringern, können im Fluidraum lose Siedekörper, beispielsweise Siedesteine, Glasperlen und/oder bevorzugt Aluminiumgrieß, eingebracht sein.
Die Funktion des Verdampfungskühlkörpers lässt sich in einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung dadurch verbessern, dass der Fluidraum druckdicht ausgestaltet und mit einer Flüssigkeitsphase, die vorzugsweise wenigstens eine Verdampfungsfläche bedeckt, sowie einer Dampfphase eines Fluids gefüllt ist. Die Menge an Fluid kann im Falle eines versiegelten Fluidraums seitens des Herstellers des Verdampfungskühlkörpers bereits optimal bemessen sein, was die Wartungsfreundlichkeit erhöht. Hierzu kann ein abgequetschter Rohrstutzen, bevorzugt aus Kupfer eingepresst, verlötet oder anderweitig abdichtend eingebracht sein.
Alternativ kann der Rohrstutzen auch durch ein Ventil oder einen Hahn wiederbefüllbar verschlossen sein.
Als Fluid kann ein nicht brennbares, nicht korrosives und nicht elektrisch leitendes Kühlmittel eingesetzt sein, bei dem es sich um CO₂, ein niedrig siedendes Lösungsmittel weil Alkohol oder Ether, CFK, CKW, FKW oder FCKW handeln kann. Ein Siedepunkt des Fluids kann bei einem Innendruck im Fluidraum von etwa 0,5 bis etwa 2,5 bar bei vorzugsweise etwa 40° bis etwa 50°C liegen. Höchst vorzugsweise kann der Siedepunkt des Fluids zwischen etwa 30° bis etwa 40°C oder sogar unterhalb etwa 30°C liegen. Das Fluidraumvolumen kann weniger als etwa 500 ml, weniger als etwa 250 ml oder weniger als etwa 150 ml oder zum Teil auch weniger als etwa 50 ml betragen. Im Fluidraum kann ein Volumen flüssigen Fluids von beispielsweise etwa 5 bis etwa 200 ml, vorzugsweise unter etwa 100 ml oder unter etwa 50 ml aufgenommen sein.
Im Fluidraum kann ein Füll- oder Verdrängungskörper angeordnet sein, so dass sich zwischen der Verdampfungswand und dem Füllkörper und/oder der Kondensationswand und dem Füllkörper der Fluidraum spaltförmig erstreckt. Durch den Füllkörper reduziert sich das Fluidraumvolumen und damit die Fluidmenge, die zum Bedecken der Verdampfungswand notwendig ist. Der Füllkörper ist vorzugsweise mit der beim Wärmeabfuhrorgan gelegenen Seitenwand verbunden und leitet zusätzlich Wärme ab. Sein Materialquerschnitt kann zum Wärmeabfuhrorgan hin zunehmen.
Die Abgabe von Abwärme innerhalb des Rechnersystems kann dadurch weiter unterbunden werden, dass die Flachseite gegenüber der Wärmeaufnahmefläche und/oder eine nicht an das Wärmeabfuhrorgan grenzende Seitenwand des Kühlkörpers zumindest abschnittsweise außen mit einer Wärmedämmung versehen sind bzw. ist. Die Wärmedämmung kann beispielsweise einen aufgespritzten oder angeklebten Schaum- und/oder Kunststoff nutzen. Auch kann die Wärmedämmung als vorgefertigtes Formteil ausgestaltet sein, das beispielsweise im eingebauten Zustand des Kühlkörpers um den Kühlkörper gelegt wird.
Der erfindungsgemäße Verdampfungskühlkörper kann vorteilhaft in Recheneinrichtungen mit kleinen Abmaßen oder Großrechnern mit einer Vielzahl dicht gepackter Recheneinheiten eingesetzt werden, wenn die Gesamthöhe des Bauteilgruppenträgers kleiner ist als eine Höheneinheit (HE) eines Standard-Rack-Formats. So kann eine Höheneinheit (HE) beispielweise 1¾ Zoll bzw. 44,45 mm betragen. Höchst vorzugsweise beträgt die Höhe des Verdampfungskühlkörpers samt einer wärmeleitend mit dem Kühlkörper verbundenen elektronischen Bauteilgruppe weniger als 44,45 mm. Eine in einer Höhenrichtung in Richtung quer zu der Bauteilgruppe oder Platine gemessene Höhe des Kühlkörpers beträgt zumindest im Wärmeaufnahmebereich vorzugsweise zumindest abschnittsweise unter 35 mm. Bei dieser Ausgestaltung lässt sich die Packungsdichte gegenüber herkömmlichen Rechnersystemen um einen Faktor von etwa 7,5 erhöhen, ohne dass Probleme bei der Wärmeabfuhr auftreten.
Um zusätzliche elektrische oder elektronische Bauteile, wie Peripheriegeräte oder Zubehörteile der Recheneinrichtung, Massenspeicher in Form von Festplatten, Festkörperspeichern oder eine weitere Bauteilgruppe mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verdampfungskühlkörpers zu kühlen, kann an der der Verdampfungswand gegenüberliegenden Flachseite außen eine Aufnahme zur Befestigung und wärmeleitenden Kontaktierung zusätzlicher Bauteile vorgesehen sein. Bei dieser Ausgestaltung kann an den beiden gegenüberliegenden Flachseiten jeweils eine Verdampfungswand in einer der obigen Ausgestaltungen vorgesehen sein. Diese Ausgestaltung kann insbesondere bei einer vertikalen Ausrichtung des Verdampfungskühlkörpers von Vorteil sein.
Ferner können Befestigungsmöglichkeiten für Rechenknotenkabel und weiteres Zubehör am Kühlkörper vorgesehen sein. Der Kühlkörper kann insbesondere mit wenigstens einem Steckverbinder und/oder wenigstens einer Daten- bzw. Stromversorgungsleitung baulich vereint sein, so dass die Bauteilgruppe ohne zusätzliche Kabel an Kühlkörper angeschlossen werden kann. Insbesondere kann der Kühlkörper mit wenigstens einem Erdungskontakt versehen sein.
Der Kühlkörper kann eine metallische oder metallisierte Hülle umfassen, in der das wenigstens eine elektrische oder elektronische Bauteil aufnehmbar ist. Die Hülle kann zur Verbesserung der EMV-Verträglichkeit mit dem Erdungskontakt verbunden sein.
Des Weiteren kann der Kühlkörper mit Befestigungselementen zur Befestigung des Bauteils und/oder zur Montage des Kühlkörpers an einer Tragstruktur der Recheneinrichtung versehen sein. Auch kann der Kühlkörper selber eine Tragstruktur der Recheneinrichtung bilden, indem er mit Befestigungsmitteln versehen ist, an denen sich eine Bauteilgruppe befestigen lässt, so dass sie vom Kühlkörper als Teil der Tragstruktur getragen ist.
Mittels wenigstens einer zusätzlich eingebrachten Heatpipe kann die Wärmetransportleistung lokal und bezüglich des Betriebsbereiches modifiziert werden. Der Betriebspunkt der wenigstens einen Heatpipe kann oberhalb oder unterhalb der Siedetemperatur bzw. des Betriebspunkts des Verdampfungskühlers liegen, so dass die Heatpipe in einem Bereich optimal arbeitet und den Verdampfungskühler unterstützt, in dem dieser noch nicht oder nicht mehr effizient arbeitet. Durch eine derartige betriebspunktkaskadierte Anordnung lässt sich der Einsatzbereich des Kühlkörpers erweitern. Die wenigstens eine Heatpipe kann im Boden, im Fluidraum zusätzlich oder anstelle des Füllkörpers oder in außen am Kühlkörper angebrachten Rippen integriert sein.
Zur Erweiterung des Betriebsbereiches können beispielsweise zwei verschiedene Heatpipes vorgesehen sein, die im unteren oder oberen Temperaturbereich ihren jeweiligen optimalen Arbeitspunkt haben. Eine Heatpipe kann beispielsweise so ausgestaltet sein, dass sie bereits bei einer Betriebstemperatur von 20°C Wärme zum Wärmeabfuhrorgan abführt, bei einer Betriebstemperatur von 45°C aber kollabiert, während das Fluid im Fluidraum beispielsweise bei 45°C siedet und, bei höheren Temperaturen von der weiteren Heatpipe mit einem optimalen Arbeitspunkt bei 70°C unterstützt wird. Gerade bei den hohen Temperaturen kann die Kühlleistung aufgrund verringerter Kondensation des Fluids im Fluidraum verringert sein.
Die betriebspunktkaskadierte Anordnung von mehreren im Kühlkörper integrierten Kühlsystemen ermöglicht hohe Kühlleistungen über einen breiten Temperaturbereich bei einer gleichzeitig erhöhten Ausfallsicherheit.
Vorzugsweise kann der Verdampfungskühlkörper insbesondere im Bereich der zu kühlenden Bauteile eine dünne Wandstärke aufweisen und aus einem metallischen, gut wärmeleitenden Material, wie beispielsweise Aluminium und/oder Kupfer gefertigt sein. Der Kühlkörper ist insbesondere kostengünstig herstellbar, wenn er zumindest abschnittsweise als in einem Strang- und/oder Druckgussverfahren herstellbares Formteil ausgestaltet ist. Er kann aus mehreren Schalen oder Einzelteilen zusammengesetzt und beispielsweise laserverschweißt sein.
Zur Verbesserung der Wärmeabfuhr können die Seitenwand, der Boden, die Decke, die Verdampfungswand und/oder die Kondensationswand stoffschlüssig miteinander verbunden oder einstückig ausgeformt sein.
Im Folgenden ist die Erfindung anhand mehrerer Ausführungsformen mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Die Ausführungsformen stellen lediglich mögliche Ausgestaltungen dar, bei denen einzelne Merkmale, wie oben beschrieben ist, unabhängig voneinander realisiert und weggelassen werden können. In der Beschreibung der Ausführungsformen sind der Einfachheit halber gleiche Merkmale und Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Es zeigen:
1 eine schematische Perspektivansicht einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Rechnersystems mit einer Vielzahl erfindungsgemäßer Kühlkörper;
2 eine schematische Perspektivansicht einer Ausführungsform einer als Wärmeabfuhrleitung ausgestalteten erfindungsgemäßen Stützeinrichtung eines Rechnersystems;
3 eine schematische Perspektivansicht eines erfindungsgemäßen Kühlkörpers;
4 eine schematische Explosionsdarstellung eines erfindungsgemäßen Kühlkörpers samt einer elektronischen Bauteilgruppe und eines elektronischen Zusatzgerätes;
5 eine schematische Perspektivansicht des in 4 gezeigten Kühlkörpers, der Bauteilgruppe und des Zusatzgerätes in einem zusammengebauten Zustand;
6 eine schematische Perspektivansicht eines Unterteils eines erfindungsgemäßen Kühlkörpers;
7 eine schematische perspektivische Schnittansicht durch ein Oberteil und das in 6 gezeigte Unterteil eines erfindungsgemäßen Verdampfungskühlkörpers entlang der Hauptwärmeabfuhrrichtung des Kühlkörpers;
8 eine schematische perspektivische Schnittansicht durch Seitenwände eines erfindungsgemäßen Kühlkörpers in Richtung einer Hauptwärmeabfuhrrichtung des Kühlkörpers;
9 eine schematische Perspektivansicht eines erfindungsgemäßen Rechnersystems mit einer Vielzahl erfindungsgemäßer Kühlkörper;
10 eine schematische Seitenansicht einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kühlkörpers, wie er im Rechnersystem der 9 verbaut werden kann;
11 eine schematische Perspektivansicht der Ausführungsform der 10;
12 eine schematische Schnittdarstellung entlang der Linie XII der 11;
13 eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Rechnersystems in einer schematischen Perspektivansicht;
14a–i schematische Darstellungen von Konzepten zur Führung eines Kühlmediums bei erfindungsgemäßen Verdampfungskühlkörpern.
Zunächst ist anhand der 1 eine erfindungsgemäße Recheneinrichtung 100 beschrieben. Die Recheneinrichtung 100 ist modulartig aufgebaut, beispielsweise aus zwei Teilmodulen 100a und 100b, die Rücken an Rücken und/oder nebeneinander angeordnet sein können. Eine gemeinsame vorzugsweise wandförmige Stützeinrichtung 101, oder jeweils eine vorzugsweise wandförmige Stützeinrichtung 101 bzw. 101a eines Teilmoduls, ist Teil einer das tragende Gerüst der Recheneinrichtung 100 bildenden Tragstruktur 102.
In die Stützeinrichtung 101 ist eine zentrale Kühleinrichtung der Recheneinrichtung 100 integriert, so dass sie eine kalte Wand 103 bildet, die von einem Kühlmedium wie beispielsweise einer Kühlflüssigkeit oder Kühlluft durchströmt sein kann. Die kalte Wand 103 trennt vorzugsweise hermetisch einen zentralen, gekühlten bzw. kühlbar ausgestalteten Kaltbereich K der Recheneinrichtung 100 von einem Warmbereich W, in dem Abwärme durch elektronische und/oder elektrische Bauteilgruppen 104 oder Bauteile erzeugt wird. Der Kaltbereich K wird von einem zentralen Kühlsystem gekühlt.
In 1 sind als Bauteilgruppen 104 Einzelrechner gezeigt, aus denen die Recheneinrichtung 100 bzw. die Teilmodule 100a, 100b aufgebaut sind. Vom Warmbereich W erfolgt der Zugriff auf die Bauteilgruppen 104 durch Wartungspersonal.
Der Transport der Abwärme aus dem Warmbereich W zum Kaltbereich K erfolgt durch Bauteilgruppenträger 1, die gleichzeitig als Kühlkörper 1a dienen. Die Kühlkörper 1a sind bevorzugt als Verdampfungskühlkörper 1a ausgestaltet, können jedoch auch Heatpipes umfassen. Die Bauteilgruppenträger 1 sind Teil der Tragstruktur 102 der Recheneinrichtung 100 und tragen die Bauteilgruppen 104 bzw. einzelne Bauteile. Die Wärme wird von der jeweiligen Bauteilgruppe 104 über einen der Bauteilgruppe 104 zugewandten Wärmeaufnahmebereich 104' in den Kühlkörper 1a bzw. Bauteilgruppenträger 1 geleitet.
Somit ist vorzugsweise die Kühlfunktion der Recheineinrichtung 100 in die gesamte Tragstruktur 102 integriert. Die elektrischen Bauelemente und Bauteilgruppen 104 gruppieren sich um diese tragende und kühlende Struktur 102 herum. Die Kopplung der Kühlkörper 1a mit dem Kaltbereich K erfolgt über ein Wärmeabfuhrorgan 2, das wärmeleitend mit der Stützeinrichtung 101 verbunden ist.
Die Kühlkörper 1a sind über Befestigungsmittel 3 an der Stützeinrichtung 101 befestigt, die mit komplementären Befestigungsmitteln 105 der Stützeinrichtung 101 verbunden sind. Als Befestigungsmittel 3, 105 kommen Schraub- oder Rastverbindungen sowie formschlüssige, stoffschlüssige oder kraftschlüssige, beispielsweise magnetische Halterungen in Betracht. Die Kühlkörper 1a verfügen über weitere Befestigungsmittel 4, an denen die Bauteilgruppen 104 befestigt sind.
Die elektronischen Bauteilgruppen 104 sind vorzugsweise in einem Raster, beispielsweise in einer Seitenrichtung X der Recheneinrichtung 100 in einem Seitenrasterabstand x nebeneinander, in einer Querrichtung Y der Recheneinrichtung 100 in einem Querrasterabstand y hintereinander und in einer Höhenrichtung Z der Recheneinrichtung 100 in einem Höhenrasterabstand z übereinander voneinander beabstandet angeordnet. In der in 1 dargestellten Ausführungsform ist der Höhenrasterabstand z vorzugsweise kleiner oder gleich einer Höheneinheit HE eines 19''-Standard-Rack-Formates. Wenn als Bauteilgruppen 104 beispielsweise Recheneinheiten im Mini-ITX-Format eingesetzt werden, können in einem zu einem Volumen eines Standardserverschranks gemäß dem Stand der Technik äquivalenten Volumen, das ca. 42 HE × 60 cm × 100 cm beträgt und theoretisch 112 Rechnereinheiten, derzeit realisierbar 96 Rechenknoten aufnehmen kann, in der 1 gezeigten Anordnung bis zu 720 Recheneinheiten untergebracht werden. Bei einer erfindungsgemäßen Recheneinrichtung 100, in der die Kühlfunktion von den tragenden Teilen wahrgenommen wird, ist folglich eine Erhöhung der Packungsdichte von Rechenknoten gegenüber dem Stand der Technik von bis zu einem Faktor von derzeit mindestens 7,5 möglich. Diese dichte Packung wird durch den flachen Aufbau der Kühlkörper 1a erreicht, bei dem die Wärmeabfuhr über die Wärmeabfuhrorgane 2 an den Schmalseiten B erfolgt, während die Wärmeaufnahme über die den Bauteilgruppen 104 zugewandten Flachseiten C erfolgt.
In 2 ist die Stützeinrichtung 101 der Recheneinrichtung 100 ohne Kühlkörper 1a und Bauteile oder Bauteilgruppen 104 gezeigt. Die komplementären Befestigungsmittel 105 bilden jeweils im Raster angeordnete Befestigungspositionen 106 für die tragenden Kühlkörper 1a. Wie gezeigt können die Befestigungspositionen im Seitenrasterabstand x und Höhenrasterabstand y zu einer jeweils benachbarten Befestigungsposition 106 beabstandet angeordnet sein.
Die Stützeinrichtung 101 mit dem integrierten Kühlsystem kann Eintrittsöffnungen I und/oder Austrittsöffnungen O für ein Kühlmedium beispielsweise in einem Seitenbereich 107, einem Oberbereich 108 und/oder einem Sockel- bzw. Unterbereich 109 aufweisen. Das Kühlmedium kann bei einem Ein- und Ausleiten durch den Sockel 109 beispielsweise in mäandrierenden Kühlkanälen (nicht gezeigt) durch die Stützeinrichtung 101 geleitet sein. Alternativ kann das Kühlmedium entlang der Höhenrichtung Z vom Unterbereich 109 zum Oberbereich 108 geleitet werden. Des Weiteren kann das Kühlmedium in den Seitenbereich 107 ein- und aus dem gegenüberliegenden Seitenbereich ausgeleitet werden. Eine derartige Anordnung einer das Kühlmittel führenden zentralen Wärmeabfuhrleitung in der wandförmigen Stützeinrichtung 101 kann eine gleichmäßige Kühlung der Stützeinrichtung 101 ermöglichen.
In die Stützeinrichtung 101 können Fördermittel (nicht dargestellt) für das Kühlmittel wie Pumpen oder Ventilatoren integriert sein. Da der Warmbereich W und der Kaltbereich K durch die Stützeinrichtung 101 hermetisch voneinander getrennt sind, können im Kaltbereich K, in dem es auf eine hohe Wärmeabfuhr ankommt, leistungsstarke Fördermittel eingesetzt werden, ohne dass dies zu einer übermäßigen Lärmbelastung im Warmbereich W führt. Der dezentrale Wärmetransport im Warmbereich W, bei dem jedem Kühlkörper 1a eine bestimmte Anzahl von Bauteilgruppen zugeordnet ist, kommt dagegen ohne Umwälzung eines Kühlmittels aus.
Die Befestigungspositionen 106 sind vom Warmbereich W her leicht zugänglich angeordnet. Sie ermöglichen einen einfachen Zusammenbau der Recheneinrichtung 100, indem die erforderliche Anzahl von Bauteilgruppen 104 mittels der Kühlkörper 1a an der Stützeinrichtung 101 befestigt wird. Vorzugsweise ist hierzu die jeweilige Bauteilgruppe 104 mit dem zugehörigen kühlenden Bauteilgruppenträger 1 vormontiert. Es sind keinerlei Schubladen, Kästen oder Einhausungen erforderlich, da keine zusätzliche Luftkühlung mehr notwendig ist. Die Abwärme der elektronischen Bauteilgruppen 104 wird zum überwiegenden Teil über die Tragstruktur 102 abgeleitet. Eine zusätzliche Klimatisierung des Warmbereichs W ist nicht erforderlich.
Die Stützeinrichtung 101 kann beispielsweise aus Metall gefertigt sein, um eine gute Wärmeleitung zwischen den Wärmeabfuhrorganen 2 und den Befestigungspositionen 106 zu gewährleisten. Es ist jedoch auch denkbar, dass lediglich die Befestigungspositionen 106 aus Metall oder einem anderen gut wärmeleitenden Material gefertigt sind und übrige Abschnitte der Stützeinrichtung 101 aus anderen Materialien bestehen. Alternativ können die Befestigungspositionen 106 als Öffnungen zu einem Fluidkanal für beispielsweise Kühlluft ausgestaltet sein. Das Wärmeabfuhrorgan 2 kann durch die Öffnungen in den Fluidkanal ragen und/oder eine Wandung des Fluidkanals bilden und somit jenseits der kalten Wand 103 direkt gekühlt werden.
In einer anderen Ausgestaltung können an den Befestigungspositionen 106 zum Wärmeabfuhrorgan komplementäre Ableitflächen 110 angeordnet sein, die das jeweilige Wärmeabfuhrorgan 2 des Kühlkörpers 1a wärmeleitend kontaktieren. Die Wärmeabfuhrorgane 2 und Ableitflächen 110 kontaktieren einander wärmeleitend, möglichst flächig und luftspaltlos, gegebenenfalls unter Zwischenlage von wärmeleitenden Pads oder Pasten zum Ausgleich von Fertigungstoleranzen.
Mit Bezug auf die 3 ist nun der Aufbau eines Kühlkörpers 1a bzw. Bauteilgruppenträgers 1 beschrieben.
Der Kühlkörper 1a ist flachbauend mit zwei von Schmalseiten B begrenzten Flachseiten C ausgestaltet. Eine der Bauteilgruppe 104 zugewandte Verdampfungswand 5 des Kühlkörpers 1a ist an einer Flachseite C angeordnet und weist an ihrer Außenseite vorzugsweise eine oder mehrere Wärmeaufnahmeflächen 6 auf. Die Wärmeaufnahmeflächen 6 springen von der Verdampfungswand 5 in Richtung der jeweils zugeordneten Bauteilgruppe 104 vor und bilden Vorsprünge 7.
Ferner sind Abstandhalter 8 vorgesehen, die ebenfalls von der Verdampfungswand 5 vorspringen. Die Abstandhalter 8 definieren mit ihren von der Verdampfungswand 5 abgewandten Enden eine Befestigungsebene E, in der beispielsweise eine Platine der Bauteilgruppe 104 nach ihrer Befestigung am Kühlkörper 1a zu liegen kommt. Die Abstandhalter 8 springen üblicherweise weiter vor als die Vorsprünge 7. Im Falle des Verdampfungskühlers bildet die Verdampfungswand 5 den Wärmeaufnahmebereich 104' (1).
In der Befestigungsebene E ist die Platine so gehalten, dass die an den Vorsprüngen 7 ausgeformten Wärmeaufnahmeflächen 6 unterschiedlich hohe Bauteile auf der Platine kontaktieren.
In die Abstandhalter 8 können die Befestigungselemente 4 beispielsweise in Form von Gewindebohrungen, Rastöffnungen, Clips, Rasthaken oder ähnlichem integriert sein.
Des Weiteren ist in 3 ersichtlich, dass das Wärmeabfuhrorgan 2 als eine Art Flansch ausgestaltet ist, der über die Verdampfungswand 5 und insbesondere die Befestigungsebene E übersteht. Das Wärmeabfuhrorgan 2 bildet so einen Schutz und eine Positionierhilfe für die Bauteilgruppe 104.
Das Wärmeabfuhrorgan 2 weist in der in 3 dargestellten Ausführungsform an seiner Schmalseite B eine vorzugsweise plane Wärmeleitfläche 2' auf, deren Normalenvektor im Wesentlichen parallel zu einer Hauptwärmeabfuhrrichtung F des Kühlkörpers 1a verläuft. Entlang der Hauptwärmeabfuhrrichtung F wird der überwiegende Teil der Abwärme der Bauteilgruppe 104 transportiert und, an dessen Ende über das Wärmeabfuhrorgan 2 abgegeben. Eine Hauptwärmeaufnahmerichtung A, in der die Abwärme der Bauteilgruppe 104 in den Kühlkörper 1a eingeleitet wird, verläuft im Wesentlichen senkrecht zur Flachseite C des Kühlkörpers 1a. Die Hauptwärmeaufnahmerichtung A und die Hauptwärmeabfuhrrichtung F stehen im Wesentlichen senkrecht zueinander.
Der Kühlkörper 1a der 4 unterscheidet sich in seiner Ausgestaltung etwas vom Kühlkörper 1a der vorangegangenen Ausführungsbeispiele. Auf diese Unterschiede ist nachfolgend eingegangen. In 4 ist beispielhaft eine Funktionseinheit 111 einer erfindungsgemäßen Recheneinrichtung 100 gezeigt. Die Funktionseinheit 111 stellt beispielsweise einen Einzelrechner dar, um den die Recheneinrichtung 100 modulweise erweiterbar ist. Die Funktionseinheit 111 umfasst wenigstens die Bauteilgruppe 104 und, als zentralen Befestigungspunkt, den als Kühlkörper 1a ausgestalteten Bauteilgruppenträger 1. Zusätzlich kann die Funktionseinheit 111 ein weiteres zu kühlendes elektronisches Zusatzgerät 112 aufweisen, beispielsweise ein Speicher- oder Kommunikationsgerät. 4 zeigt beispielhaft eine Festplatte.
In 4 ist zu erkennen, dass die Positionen der Befestigungsmittel 4 des Kühlkörpers 1a auf die Positionen der komplementären Befestigungsmittel 105 der Bauteilgruppe 104 abgestimmt sind. Des Weiteren sind Anzahl, Positionen und vorzugsweise auch Höhen H der Vorsprünge 7 auf die Anzahl, Positionen und vorzugsweise auch Höhen J wärmeerzeugender elektronischer Bauelemente 113 der Bauteilgruppe 104 abgestimmt. Mit Hilfe der Vorsprünge 7 können die zu kühlenden Bauelemente 113 auch dann noch kontaktiert werden, wenn nicht zu kühlende Bauteile 114 die zu kühlenden Bauteile 113 überragen. Vorsprünge 7 sind so angeordnet, dass die Bauteile 113 nicht im Bereich der Vorsprünge 7 liegen. Die Länge der Abstandhalter ist so bemessen, dass auch noch die höchsten nicht zu kühlenden Bauelemente 114 einer Bauteilgruppe 104 zwischen der Befestigungsebene E und der Verdampfungswand 5 aufgenommen werden können. Liegt die Bauteilgruppe 114 in der Befestigungsebene E, so liegen die Oberflächen 115 der Abwärme erzeugenden Bauteile 113 an den Wärmeaufnahmeflächen 6 der Verdampfungswand 5 an.
In der in 4 gezeigten Ausführungsform ist das Wärmeabfuhrorgan 2 als Rippenkühler 9 mit Außenkühlrippen ausgestattet. Der Kühlkörper 1a ist als Verdampfungskühlkörper mit einem Fluidraum 10 versehen, der oben von einer Kondensationswand 11 begrenzt ist. Die Kondensationswand 11 kann mit Kondensationskörpern 12 versehen sein, die beispielsweise als in den Fluidraum ragende Innenkühlrippen eine Vergrößerung der Kondensationswand 11 bewirken und das kondensierende Fluid besser abtropfen lassen.
Die Kondensationswand 11 befindet sich an einer der Wärmeaufnahmefläche 6 gegenüberliegenden, hier oberen Flachseite 13 des Kühlkörpers 1a. Die Kondensationswand 11 ist, unabhängig von der konkreten Ausgestaltung des Kühlkörpers 1a, an einer Decke 14 des Kühlkörpers 1a angeordnet, da die heiße Dampfphase des Fluids entgegen der Schwerkraftrichtung G stets nach oben strömt. Zumindest in einem Teilbereich, beim Ausführungsbeispiel der 4 in dem vom Wärmeabfuhrorgan 2 abgewandten Teilbereich, nimmt die Höhe des Fluidraumes ab.
Der Materialquerschnitt der Kondensationswand 11 nimmt in Querrichtung Y in Richtung des Wärmeabfuhrorgans 2 zu, so dass der Wärmetransport in Richtung des zunehmenden Querschnitts zum Wärmeabfuhrorgan 2 hin gegenüber den anderen Richtungen erleichtert ist. Das Wärmeabfuhrorgan 2 und die Kondensationswand 11 sind einstückig ausgestaltet und bilden ein Oberteil 15 des Kühlkörpers 1a, das auf ein Unterteil 16 des Kühlkörpers 1a aufsetzbar ausgestaltet ist. Das Unterteil 16 ist der elektronischen Baugruppe 104 zugewandt. Ober- und Unterteil sind aus Aluminiumdruckguss gefertigt und miteinander laserverschweißt.
Gegenüber der der Bauteilgruppe 104 zugewandten Flachseite C kann, wie 4 zeigt, eine Aufnahme 17 ausgeformt sein, um das Zusatzgerät 112 am Kühlkörper 1a zu halten. Die vom Zusatzgerät 112 während des Betriebs erzeugte Wärme wird durch eine Wärmeaufnahmefläche 18 in den Kühlkörper 1a geleitet. Das Wärmeabfuhrorgan 2 kann auch die Wärmeaufnahmefläche 18 überragen und somit einen Schutz für das Zusatzgerät 112 bilden.
Der Kühlkörper 1a hält und trägt als Teil der Tragstruktur 102 sowohl die elektronische Bauteilgruppe 104 als auch das Zusatzgerät 112.
In 5 ist die Funktionseinheit 111 der 4 in einem zusammengesetzten Zustand gezeigt. Der Kühlkörper 1a trägt die elektronische Bauteilgruppe 104 an den Befestigungsmittel 4, 105. Die an den Vorsprüngen 7 ausgeformten Wärmeaufnahmeflächen 6 sind wärmeleitend an die elektronischen Bauteile 113 angekoppelt. Die Wärmeaufnahmeflächen 6 und/oder 18 können bei Bedarf mit Wärmeleitpasten, -klebern und/oder -pads versehen sein, um die Wärmeübertragung von den Bauteile 113 zum Kühlkörper 1a zu verbessern und Toleranzen auszugleichen.
Aus 5 ist insbesondere ersichtlich, dass mit einem erfindungsgemäßen Kühlkörper 1a eine sehr flachbauende Funktionseinheit 111 geschaffen ist. Die Funktionseinheit 111 kann vormontiert über den Kühlkörper 1a einfach an der Stützeinrichtung 101 befestigt werden.
6 zeigt das Unterteil 16 in einer schematischen Perspektivansicht. An dem Unterteil 16 ausgeformte Seitenwände 18 begrenzen mit seitlichen Innenflächen 19 den Fluidraum 10. Auf seiner Unterseite ist der Fluidraum 10 durch eine von der Verdampfungswand 5 gebildete Verdampfungsfläche 20 begrenzt. Die Verdampfungsfläche 20 ist an der Innenseite, der Wärmeaufnahmebereich 5' auf der Außenfläche der Verdampfungswand 5 des Kühlkörpers 1a angeordnet.
Die Verdampfungswand 5 kann eine oder mehrere sich entgegen der Höhenrichtung Z erstreckende Fluidsammelsenken 21 in Form von Vertiefungen aufweisen. Die Positionen der Fluidsammelsenken 21 sind auf die Positionen der Vorsprünge 7 abgestimmt: Ein Vorsprung 7 auf der Außenseite des Kühlkörpers 1a bildet auf der Innenseite, im Fluidraum 10, eine Fluidsammelsenke 21. Des Weiteren kann die Verdampfungswand 5 wenigstens eine Bauelementaufnahme 22 zur Aufnahme besonders hoher Bauelemente 113 oder 114 aufweisen. Die Bauelementaufnahme 22 bildet einen in den Fluidraum 10 ragenden Vorsprung.
7 zeigt eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kühlkörpers 1a in einer schematischen Schnittansicht. Die der elektronischen Baugruppe 104 zugewandte Flachseite C, die in 7 einen Boden 23 bildet, weist auf ihrer dem Fluidraum 10 zugewandten Seite die Verdampfungsfläche 20 und auf ihrer der elektronischen Bauteilgruppe zugewandten Seite den Wärmeaufnahmebereich 5' aus. An der Kondensationswand 11 sind Kondensationskörper 12 ausgeformt, die sich in der Ausführungsform der 7 als rippenförmige Wärmeleitbrücken 12' entlang der Decke 14 bis zum Wärmeabfuhrorgan 2 erstrecken und über eine vom Wärmeabfuhrorgan 2 gebildete hintere Seitenwand des Fluidraums 10 sowie über die bzw. als Teil der Decke 14 mit dem Wärmeabfuhrorgan 2 wärmeleitend verbunden sind. Zwischen den Wärmeleitbrücken 12' sind Strömungskanäle ausgebildet, die die Dampfphase bis nahe an das Wärmeabfuhrorgan 2 leiten.
Die Querschnittsfläche der Kondensationskörper 12 nimmt in Richtung zum Wärmeabfuhrorgan 2 hin zu. In 7 wird dies dadurch erreicht, dass die Höhe K der Rippen zunimmt.
In der in 7 dargestellten Ausführungsform wird beispielhaft deutlich, dass ein Hauptwärmeabfuhrweg Q von der mit dem Bauteil wärmeübertragend gekoppelten Verdampfungswand 5 durch den an die Verdampfungsfläche 20 angrenzenden Fluidraum 10 über die Kondensationswand 11 und/oder die Kondensationskörper 12 zum Wärmeabfuhrorgan 2 verläuft. Vom Wärmeabfuhrorgan 2 wird die Abwärme weiter abgegeben, beispielsweise an die kalte Wand 103 (1) oder nach außerhalb eines hier nicht dargestellten Rechnergehäuses.
Die Kondensationswand 11 verläuft vorzugsweise quer zu einer in Schwerkraftrichtung G weisenden Dampfaufstiegsrichtung des Fluids 25. Die Kondensationswand 11 und die Verdampfungswand 5 sind bei den horizontal ausgerichteten Kühlkörpern 1a der 3 bis 7 parallel zueinander und im Fluidraum einander gegenüberliegend angeordnet. Die Höhe L des Fluidraums ist vorzugsweise im Mittel kleiner oder höchstens gleich einer sich jeweils quer zur Höhenrichtung Z erstreckenden Breite und/oder Länge des Fluidraums 10. Das Wärmeabfuhrorgan 2 kann sich quer zur Höhenrichtung Z von der Kondensationswand 11 weg erstrecken.
8 zeigt den Bauteilgruppenträger 1 der 7 in einer perspektivischen Schnittansicht durch die Seitenwände 18 entlang der Querrichtung Y. In der in 8 gezeigten Ansicht ist zu erkennen, dass die Kondensationskörper 12 an der dem Wärmeabfuhrorgan 2 zugewandten seitlichen Innenfläche 19 einstückig in das Wärmeabfuhrorgan 2 übergehen. Die Kondensationskörper 12 können zur Decke 14 und zum Wärmeabfuhrorgan 2 vorzugsweise sich konisch verbreiternd ausgestaltet sein, um die Wärmeleitung in Richtung des Wärmeabfuhrorgans 2 zu verbessern.
9 zeigt eine weitere Ausführungsform einer Recheneinrichtung bzw. eines Rechnersystems 100, bei dem die Kühlkörper 1a im Unterschied zu der Ausführungsform der 1 vertikal ausgerichtet sind.
Die Recheneinrichtung 100 der 9 weist ebenfalls eine Tragstruktur 102 auf, die gleichzeitig die elektronischen Bauteilgruppen 104 trägt und kühlt. Auch das Rechnersystem der 9 kann aus zwei Teilmodulen 100a und 100b zusammen gebildet sein, wie durch die strichpunktierte Linie angedeutet ist. Die elektronischen Bauteilgruppen 104 sind außen an der Recheneinrichtung 100 in einem Warmbereich W der Recheneinrichtung 100 in mehreren übereinanderliegenden Etagen und innerhalb der Etagen nebeneinander angeordnet. In jeder Etage sind die Bauteilgruppenträger über die Kühlkörper 1a an gekühlten, sich horizontal erstreckenden Etagenträgern 117 der Stützeinrichtung 101 befestigt, beispielsweise aufgehängt. Diese Anordnung ermöglicht es beispielsweise, jeweils zwei Bauteilgruppenträger 1 einem gemeinsamen Kühlkörper 1a zuzuordnen und an diesem zu befestigen. Die Etagenträger 117 sind gekühlt und beispielsweise von einem Kühlmedium durchströmt. Sie sind damit Teil der Kühl-/Tragstruktur 102.
Der Warmbereich W ist für das Wartungs- und Bedienungspersonal leicht zugänglich, so dass Wartungsarbeiten, beispielsweise der Austausch einzelner elektronischer Bauteilgruppen 104, leicht und mit wenig Aufwand durchgeführt werden kann. Der Kaltbereich K ist, vorzugsweise hermetisch vom Warmbereich W getrennt, in der gemeinsamen Stützeinrichtung 101 angeordnet. Wie bei der Recheneinrichtung 100 der 1 wird durch tragende Kühlkörper 1a an denen die elektronischen Bauteilgruppen 104 befestigt sind, die Abwärme aus dem Warmbereich W in den Kaltbereich K geleitet, ohne dass ein Kühlmedium zwischen den beiden Bereichen ausgetauscht wird.
10 zeigt beispielhaft den Aufbau eines Kühlkörpers, wie er in der 10 verwendet werden kann. Der Kühlkörper 1a ist als Verdampfungskühlkörper ausgestaltet, kann aber auch alternativ oder zusätzlich eine oder mehrere Heatpipes umfassen, wie oben erläutert ist.
Der Kühlkörper 1a ist, wie bei den vorangehenden Ausführungsbeispielen, flachbauend und an zwei gegenüberliegenden Flachseiten C mit Verdampfungswänden 5 versehen. Die Verdampfungswände 5 verlaufen etwas geneigt zueinander, so dass sich ein in Schwerkraftrichtung G verjüngender Querschnitt des Kühlkörpers 1a ergibt. Die obere, dem Wärmeabfuhrorgan 2 zugewandete Schmalseite B des Kühlkörpers weist einen größeren Flächeninhalt auf als die untere, vom Wärmeabfuhrorgan 2 abgewandte Schmalseite. Entsprechend bilden die an den Verdampfungswänden 5 bzw. Wärmeaufnahmeflächen 6 anliegenden Bauteilgruppen 104 eine sich nach oben hin öffnende V-förmige Anordnung.
10 zeigt ein mit Außenkühlrippen 9 versehenes Wärmeabfuhrorgan 9. Anstelle der Außenkühlrippen 9 kann jedoch, wie bei den vorangegangenen Ausführungsformen, das Wärmeabfuhrorgan 2 als plane Fläche ausgestaltet an der kalten Wand 103 anliegen, wie dies beispielsweise bei der Recheneinrichtung 100 der 9 der Fall ist. Dort liegen die Wärmeabfuhrorgane 2 flächig an den gekühlten, brettförmigen Etagenträgern 117 der Tragstruktur 101 an.
Wie in der 11 zu erkennen ist, muss sich der Kühlkörper 1a nicht über die gesamte Breite der Bauteilgruppe 104 erstrecken, sondern kann nur die Abwärme erzeugenden Bauelemente 113 mittelbar oder unmittelbar kontaktieren.
Der Kühlkörper 1a kann mit einem oder mehreren Steckverbindern 118 baulich integriert sein. An den Steckverbindern 118 können die Bauteilgruppen 104 und/oder die Bauteilgruppen 104 untereinander verbindende Kommunikations- und/oder Stromversorgungsleitungen angeschlossen werden. Vorzugsweise ist wenigstens ein Steckverbinder 118 so ausgestaltet, dass er beim Anbringen des Kühlkörpers 1a in der Recheneinrichtung 100 automatisch mit einem Gegenstecker (nicht gezeigt) verbunden wird.
Da bei der hängenden Ausgestaltung des Kühlkörpers die der zu kühlenden Bauteilgruppe 104 zugewandte Verdampfungswand 5 nicht mehr am Boden des Fluidraumes 10, sondern an einer seitlichen Flachseite C angeordnet ist, hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn im Fluidraum 10 ein Füllkörper 28 angeordnet ist, der sowohl der Wärmeleitung als auch der Verdrängung von Fluid dient, so dass der Fluidraum 10 einen hohen Füllstand bei nur geringem Fluidvolumen aufweist. Durch den hohen Füllstand soll sichergestellt sein, dass sämtliche, auch oben liegende Wärmeaufnahmeflächen 6 mit Flüssigkeit bedeckt sind. Das Fluid 25 befindet sich in einem Spalt 29 zwischen dem Füllkörper 28 und den die Flachseiten C bildenden Wänden des Kühlkörpers 1a.
Der Füllkörper 28 verjüngt sich, wie die Außenkontur des Kühlkörpers 1a, in Richtung weg vom Wärmeabfuhrorgan 2. Dies bewirkt, dass sich die Querschnittsfläche des Füllkörpers 28 hin zum Wärmeabfuhrorgan 2 vergrößert und somit die in dieser Richtung hin zunehmende Wärme leichter abtransportiert werden kann.
Die Kondensationswand 11 befindet sich in einem flanschförmigen Sockelabschnitt 31 des Kühlkörpers 1a direkt am Wärmeabfuhrorgan 2. Der Sockel 31 springt in Breitenrichtung gegenüber den Wärmeaufnahmebereichen 5' seitlich vor. Im Sockel 31 erweitert sich der Fluidraum 10 zu beiden Seiten des Füllkörpers 28 und bildet eine Kondensationskammer 32. Der Sockel 31 dient zur Befestigung und Positionierung des Kühlkörpers 1a in der Recheneinrichtung 100. Er springt in Breitenrichtung vorzugsweise bis wenigstens zu der Außenfläche 33 der Bauteilgruppen 104 vor, um diese gleichzeitig vor Beschädigung zu schützen.
Bei einer vertikalen Ausrichtung des Kühlkörpers 1a und der Bauteilgruppe 104 sind weitere Abwandlungen im Aufbau der Recheneinrichtung 100 möglich. Eine dieser Abwandlungen ist in 13 gezeigt. Die Recheneinrichtung 100 weist hier eine insgesamt wandförmige Struktur auf, deren Außenseite von den Außenflächen 33 der Bauteilgruppen 104 gebildet ist. Das Innere der wandförmigen Recheneinrichtung 100 bildet einen nahezu abgeschlossenen Warmbereich, der wiederum den hermetisch getrennten Kaltbereich umgibt. Jeder Bauteilgruppe 104 kann ein Kühlkörper 1a zugeordnet sein, der die Abwärme der jeweiligen Bauelemente 113 dem zentral gekühlten Kühlbereich zuführt.
Die 14a bis 14i zeigen Möglichkeiten, das Wärmeabfuhrorgan 2 mittels einer Fluidströmung zu kühlen. Die Fluidströmung verläuft entlang eines Strömungswegs S am Wärmeabfuhrorgan 2 vorbei bzw. durch das Wärmeabfuhrorgan 2 hindurch. Ein Fördermittel 119 führt ein ein- bzw. zuströmendes Fluid zum Wärmeabfuhrorgan 2. Als Fördermittel 119 ist beispielsweise für gasförmige Fluide, wie Kühlluft, ein Gebläse bzw. Ventilator einsetzbar. Für flüssige Fluide kann als Fördermittel 119 eine Pumpe eingesetzt werden.
Gemäß der in 14a gezeigten Anordnung fördert das Fördermittel 119 das Fluid zum Wärmeabfuhrorgan 2. Das Fluid wird dann durch Kühlleitbleche 34 umgelenkt und strömt entlang des Wärmeabfuhrorgans 2, beispielsweise durch Kühlrippen 9, als erwärmtes, aus- bzw. abströmendes Fluid S_a seitlich. Alternativ kann das Fluid vor dem Abströmen nochmals umgelenkt werden, wie der gestrichelte Pfeil andeutet.
Gemäß 14b führen zwei Fördermittel 119 zu zwei Seiten des Wärmeabfuhrorganes das Fluid jeweils in der Querrichtung Y. Die beiden zugeführten Fluidströme S_E werden mittig am Wärmeabfuhrorgan 2 zusammengeführt, nachdem sie in der Seitrichtung X entlang zweier Abschnitte des Wärmeabfuhrorgans 2 geströmt sind, um dann zusammengeführt in der Querrichtung Y vom Wärmeabfuhrorgan 2 wegzuströmen. Auch diese Strömung kann durch entsprechende Leitbleche 34 geleitet werden.
14c zeigt eine Anordnung, bei der die beiden Fördermittel 119 das Fluid in bzw. entgegen der Seitrichtung X in zwei aufeinander zu führenden einströmenden Fluidströmen S_E in das Wärmeabfuhrorgan 2 befördern, wo die einströmenden Fluidströme S_E zusammengeführt in Form der abgeführten Fluidströme S_A weggeführt werden.
14d zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Anordnung, in dem das zugeführte Fluid S_E vom Fördermittel 119 entgegen der Seitrichtung X durch das Wärmeabfuhrorgan 2 bzw. dessen Kühlrippen 9 hindurch oder an der Wärmeableitfläche 2' entlang geführt wird, um anschließend entgegen der Seitrichtung X oder alternativ in oder entgegen der Querrichtung Y als abströmender Fluidstrom S_A vom Wärmeabfuhrorgan 2 fortzuströmen.
14e zeigt eine Anordnung mit einem Kühlkörper 1a, der mit einer Vielzahl von Wärmeaufnahmebereichen 5' zur Aufnahme einer entsprechenden Vielzahl elektronischer Bauteilgruppen 104 ausgestaltet ist. Einzelne Bauteilgruppenabschnitte 27, die jeweils eine komplette Kühleinheit mit einem Oberteil 15 und einem Unterteil 16 bzw. den davon umfassten Elemente beinhalten können, sind durch ein gemeinsames Wärmeabfuhrorgan 2 miteinander verbunden. Entlang bzw. durch dieses gemeinsame Wärmeabfuhrorgan 2 strömt das Fluid entgegen der Seitrichtung X.
14f zeigt eine Ausführungsform des Kühlkörpers 1a, mit einem angeschrägten Seitenbereich des Wärmeabfuhrorgans 2, an dem das Fördermittel 119 so angebracht ist, dass es das Fluid in einem zugeführten Fluidstrom S_E in der Querrichtung Y ansaugt und parallel zur Seitrichtung X umlenkt. Analog zur in 14a dargestellten Ausführungsform kann das Fluid dann entgegen der Seitrichtung X oder quer dazu abströmen.
14g zeigt eine mögliche Strömungsanordnung, bei der zwei Fördermittel 119 jeweils an angeschrägten Seiten des Wärmeabfuhrorgans 2 angeordnet sind und das Fluid wie in 14f gezeigt umlenken und anschließend die beiden zugeführten Fluidströme S_E _, ähnlich wie in 14b dargestellt, zusammengeführt umgelenkt als Fluidströme S_A abgeführt werden.
14h zeigt eine Anordnung, bei der das Fördermittel 119 in einer Fördermittelaufnahme am Kühlkörper 1a, aufgenommen und in der Querrichtung Y ausgerichtet ist, so dass es das Fluid durch schräge Endbereiche des Wärmeaufnahmeorgans 2 als zwei entlang der jeweiligen Seitenwände 18 verlaufende zugeführte Fluidströme S_E ansaugt und mittig abführt.
14i zeigt eine Anordnung, bei der zwei zugeführte Fluidströme S_E jeweils entgegen der Querrichtung Y von einem Fördermittel 119 von außen in das Wärmeabfuhrorgan 2 bzw. zur Wärmeableitfläche 2' geführt werden, wo sie in bzw. entgegen der Seitrichtung X abgelenkt werden, um dann nach einer weiteren Ablenkung an jeweils einem angeschrägten Ende des Wärmeabfuhrorgans 2 entgegen der Querrichtung Y umgelenkt als jeweils ein abgeführter Fluidstrom S_A fort- bzw. außen entlang der Seitenwände 18 zuströmen. Anstelle der Durchströmung mit Luft kann ein Wärmebereich mit Flüssigkühlung angeschlossen sein.
Im Rahmen des Erfindungsgedankens sind Abweichungen vom den oben beschriebenen Ausführungsformen möglich. So kann das Wärmeabfuhrorgan 2 bzw. die Wärmeableitfläche 2' den jeweiligen Anforderungen gemäß zumindest abschnittsweise einen Teil eines Fluidkanals bilden und mit Außenkühlrippen 9 versehen sein, die von einem Fluid in der Seitrichtung X, Querrichtung Y und/oder Höhenrichtung Z durchströmbar sein können. Fördermittel 119 müssen dazu nicht zwangsläufig am Kühlkörper 1a angeordnet sein, sondern können vom Kühlkörper 1a bzw. der Stützeinrichtung 101 beabstandet in einer zentralen Fördereinrichtung eines zentralen Kühlsystems angeordnet sein.
Die Kühlkörper 1a können als Baugruppenträger für eine beliebige Anzahl elektronischer Bauteilgruppen 104 mit elektronischen Bauelementen 113 ausgestaltet und mit entsprechenden Befestigungsmitteln 3, 4 versehen sein.
Der Wärmeaufnahmebereich 5' kann den jeweiligen Anforderungen gemäß mit beliebig vielen Wärmeaufnahmeflächen 6, unteren Flachseiten 8, Verdampfungsflächen 20, Fluidsammelsenken 21, Bauelementaufnahmen 22, mit Aufnahmen 17, unteren Seitenwänden 24 ausgestaltet sein, um die Abwärme aufnehmen zu können. Entsprechend kann eine Wärmeaufnahmefläche 6 auch an einer Seitenwand 18 ausgeformt sein.
Eine Trennung in Oberteil 15 und Unterteil 16 ist nicht erforderlich. Stattdessen kann der Kühlkörper 1a auch in ein Vorder- und ein Rückteil unterteilt sein, beispielsweise durch Ansetzen des Wärmeabfuhrorgans 2 als rückwärtiger Verschluss des Fluidraums 10. Der Fluidraum kann beispielsweise aus einem nichtmetallischen Werkstoff wie einer Keramik oder einem Kunststoff gefertigt sein. Die Verdampfungsfläche 20, Kondensationswand 11 und das wärmeleitend mit der Kondensationswand 11 verbundene Wärmeabfuhrorgan 2 können aus einem anderen Material als den Fluidraum 10 bildende Boden-, Wand- und Deckenelemente gefertigt sein. Hierzu kommen beispielsweise Metallplatten, die eingesetzt und wärmeleitend miteinander verbunden sein können, in Frage.
Der Kühlkörper 1a muss nicht zwangsläufig in direktem Kontakt mit einem zu kühlenden Bauelement 113 stehen. Alternativ zu den hier beschriebenen Ausführungsformen können beispielsweise Wärmeleitfolien, -pads und/oder -pasten auf Basis von Kupfer, Silber oder Carbon Nanotubes (CNT) zwischen dem Bauelement 113 und der Wärmeaufnahmefläche 6 oder auch Adapterplatten vorgesehen sein, deren zwei Adapterseiten jeweils komplementär zu einem wenigstens eines der Bauelemente 113 umfassenden Wärmeabgabebereich der elektronischen Bauteilgruppe 104 bzw. zum Wärmeaufnahmebereich 5', 104' ausgestaltet sein können, um die Verwendung des Kühlkörpers 1a, an unterschiedlichen Bauteilgruppen 104 zu ermöglichen.
Der Kühlkörper 1a kann so ausgestaltet sein, dass er sämtliche elektronischen Bauelemente 113 mit Abwärmeentwicklung in einer Projektion in der Höhenrichtung Z abdeckt und möglichst verhindert, dass die Abwärme die Luft innerhalb der Recheneinrichtung 100 erwärmt, indem sie direkt über den Boden 23, die Seitenwände 18 und/oder die Decke 14 bzw. durch den Fluidraum 10 und/oder andere Wärmeleitmittel wie beispielsweise Wärmerohre zum Wärmeabfuhrorgan 2 von dort fortgeführt wird.
Zur Befüllung des als Verdampfungskühlkörper 1a ausgestalteten Kühlkörpers 1a, kann dieser beispielsweise mit einem Befüllstutzen, Hahn und/oder Ventil versehen sein. Im Fluidraum 10 können Siedekörper eingebracht sein.
Der Kühlkörper 1a kann zusätzlich zur Tragefunktion für Baugruppen mit einer Backplane bzw. Busplatine oder Rückplatte versehen sein, die als Anschlussfeld bzw. Adapter für die Baugruppe und/oder Peripheriegeräte ausgestaltet sein kann. Es kann insbesondere von Vorteil sein, den Kühlkörper 1a mit einem Erdpotentialanschluss zu versehen, mit dessen Hilfe der Kühlkörper 1a und/oder die Bauteilgruppe 104 beispielsweise an der Stützeinrichtung 101 geerdet sein kann. Durch die Erdung kann der Kühlkörper 1a zum EMV-Schutz der Bauteilgruppe 104 beitragen. Die Bauteilgruppe 104 kann von einer metallischen oder metallisierten Hülle umgeben sein, die über den Kühlkörper geerdet ist.
Gemäß einem Versuchsbeispiel hat der erfindungsgemäße Kühlkörper 1a eine sehr hohe Leistungsfähigkeit bewiesen, indem er die CPU einer Versuchsbauteilgruppe mit einer Leistungsaufnahme von ca. 120 W auf 65°C gekühlt hat, wohingegen ein Kühler gemäß dem Stand der Technik unter gleichen Bedingungen die Versuchsbauteilgruppe lediglich auf 80°C kühlen konnte. Als Multi-Spot-Kühler ausgestaltet hat der im Versuchsbeispiel verwendete Kühlkörper 1a zusätzlich zur CPU den Chipsatz (Northbridge/Southbridge) der Versuchsbauteilgruppe auf 38°C bzw. 63°C gekühlt, wohingegen ein Kühlkörper gemäß dem Stand der Technik den Chipsatz unter gleichen Versuchsbedingungen lediglich auf 45°C bzw. 92°C kühlen konnte. Dieser Temperaturvergleich basiert auf dem Vergleich von Kerntemperaturen von Mikrochips unter Volllast mit Primzahlenberechnung (Prime 95). Als Versuchsbauteilgruppe wurde ein Mainboard „DQ45EK” im Mini-ITX-Format, bestückt mit einer CPU „Intel Core 2 Duo E7200” verwendet.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 06/055387 A1 [0005]
US 2009/025501 A1 [0006]
US 2005/0068728 A1 [0007]
US 2009/0262495 A1 [0009]

Claims

Bauteilgruppenträger (1) für eine Recheneinrichtung (100), an dem wenigstens eine Abwärme erzeugende elektronische Bauteilgruppe (104) der Recheneinrichtung (100) unter Aufnahme eines Gewichts der wenigstens einen elektronischen Bauteilgruppe (104) befestigbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Bauteilgruppenträger (1) als ein Kühlkörper (1a) mit einem Wärmeabfuhrorgan (2) und mit wenigstens einer Wärmeaufnahmefläche (6) ausgestaltet ist, die mit der Bauteilgruppe (104) wenigstens abschnittsweise wärmeleitend koppelbar ausgestaltet ist.
Bauteilgruppenträger (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkörper (1a) sich zwischen Befestigungsmitteln (3) zur Befestigung des Kühlkörpers (1a) an einer Tragstruktur (102) der Recheineinrichtung (100) und Befestigungsmitteln (4) zur Befestigung der wenigstens einen Bauteilgruppe (104) am Kühlkörper (1a) erstreckt.
Bauteilgruppenträger (1) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass Abstandshalter (8) vorgesehen sind, die sich von einer einen Wärmeaufnahmebereich (5', 104') bildenden Flachseite (C) des Bauteilgruppenträgers (1) weg zu einer von der Flachseite (C) beabstandeten Befestigungsebene (E) der Bauteilgruppe (104) erstrecken.
Bauteilgruppenträger (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Wärmeaufnahmefläche (6) vom Bauteilgruppenträger (1) vorspringt.
Bauteilgruppenträger (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere unterschiedlich weit vorspringende Wärmeaufnahmeflächen (6) vorgesehen sind.
Bauteilgruppenträger (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmeabfuhrorgan (2) von einem Kühlmedium durchströmbar ausgestaltet ist.
Bauteilgruppenträger (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Hauptwärmeaufnahmerichtung (A), in der die Abwärme der Bauteilgruppe (104) in den Bauteilgruppenträger (1) eingeleitet ist, im Wesentlichen senkrecht zu einer Hauptwärmeabfuhrrichtung (F), in der die Abwärme vom Wärmeabfuhrorgan (2) abgeleitet ist, verläuft.
Bauteilgruppenträger (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein die Wärmeaufnahmefläche (6) aufweisender Wärmeaufnahmebereich (5', 104') über wenigstens eine Heatpipe wärmeübertragend mit dem Wärmeabfuhrorgan (2) verbunden ist.
Bauteilgruppenträger (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Bauteilgruppenträger (1) als Kühlkörper (1a), vorzugsweise als Verdampfungskühlkörper (1a), mit einem zwischen der Wärmeaufnahmefläche (6) und dem Wärmeabfuhrorgan (2) angeordneten Fluidraum (10) ausgestaltet ist.
Bauteilgruppenträger (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Bauteilgruppenträger (1) flachbauend ausgestaltet ist, indem die Wärmeaufnahmefläche (6) an einer Flachseite (C) und das Wärmeabfuhrorgan (2) an einer Schmalseite (B) des Kühlkörpers (1a) angeordnet ist.
Bauteilgruppenträger (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass eine Gesamthöhe des Bauteilgruppenträgers (1) kleiner ist als eine Höheneinheit (HE) eines Standard-Rack-Formats.
Tragstruktur (102) für eine wenigstens eine Abwärme erzeugende Bauteilgruppe (104) aufweisende Recheneinrichtung (100), dadurch gekennzeichnet, dass die Tragstruktur (102) eine Stützeinrichtung (101) umfasst, die wenigstens einen Bauteilgruppenträger (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 11 trägt.
Tragstruktur (102) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Bauteilgruppenträger (1) wiederholt lösbar an der Tragstruktur (102) befestigt ist.
Tragstruktur (102) nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass in die Stützeinrichtung (101) ein Kühlsystem integriert ist und der Bauteilgruppenträger (104) mit der Stützeinrichtung (101) wärmeleitend verbunden ist.
Tragstruktur (102) nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Stützeinrichtung (101) mit einer Vielzahl von in einem Rastermaß angeordneten Befestigungspositionen (106) für jeweils wenigstens einen Bauteilgruppenträger (1) versehen ist.
Tragstruktur (102) nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Bauteilgruppenträger (1) in einem Warmbereich (W) und das Kühlsystem in einem Kaltbereich (K) angeordnet ist, wobei der Warmbereich (W) im Wesentlichen ausschließlich durch den wenigstens einen Bauteilgruppenträger (1) wärmeableitend mit dem Kaltbereich (K) gekoppelt ist.
Tragstruktur (102) nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Kaltbereich (K) vom Warmbereich (W) im Wesentlichen hermetisch getrennt ist.
Tragstruktur (102) nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Bauteilgruppenträger (1) sich vom Warmbereich (W) in den Kaltbereich (K) erstreckt.
Tragstruktur (102) nach einem der Ansprüche 12 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmeabfuhrorgan (2) in einen von Kühlmedium durchströmbar ausgestalteten Bereich des Kühlsystems ragt.
Recheneinrichtung (100) mit einer Tragstruktur (102) und einer Vielzahl von Einzelrechnern (104), dadurch gekennzeichnet, dass die Tragstruktur (102) nach einem der Ansprüche 12 bis 18 ausgestaltet ist und zwischen Flachseiten (C) zweier Bauteilgruppenträger (1) jeweils ein Einzelrechner (104) angeordnet ist.