DE10332096B4 - Kühlanordnung zur Kühlung eines wärmeerzeugenden Bauteils - Google Patents

Kühlanordnung zur Kühlung eines wärmeerzeugenden Bauteils Download PDF

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Abstract

Kühlanordnung (1), insbesondere zur Kühlung eines wärmeerzeugenden Bauteils, mit
– einem Kühlflüssigkeit (4) aufweisenden Kühlkörper (2), der auf dem wärmeerzeugenden Bauteil angeordnet ist,
– einem Wärmetauscher (5), dem die Kühlflüssigkeit (4) über Kühlleitungen (3) zugeführt wird,
– einem am Wärmetauscher (5) angeordneten Lüfter (7) mit Lüfterflügeln (10) und
– einer Pumpe (8) mit einem Pumpenrad zur Sicherstellung der Zirkulation der Kühlflüssigkeit (4), wobei die Pumpe (8) durch den Antrieb des Lüfters (7) betrieben wird,
dadurch gekennzeichnet, dass
eine Mitnehmerkralle (14) vorgesehen ist, die direkt in einen Fußbereich (15) der Lüfterflügel (10) greift, um die Drehbewegung der Lüfterflügel (10) auf das Pumpenrad zu übertragen.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kühlanordnung zur Kühlung eines wärmeerzeugenden Bauteils, mit einem mit Kühlflüssigkeit gefüllten Kühlkörper, die auf der elektronischen Komponente angeordnet ist, einem Wärmetauscher, dem die Kühlflüssigkeit über Kühlleitungen zugeführt wird, einem am Wärmetauscher angeordneten Lüfter und einer Pumpe zur Sicherstellung der Zirkulation der Kühlflüssigkeit, wobei die Pumpe durch den Antrieb des Lüfters betrieben wird.
  • Eine Steigerung der Integrationsdichte und Taktraten elektronischer Schaltungen bedingt auch eine Zunahme der Entstehung von Verlustwärme. Wird die Verlustwärme nicht zuverlässig von den wärmeentwickelnden Bauteilen abgeführt, indem für eine ausreichende Kühlung des Bauteils gesorgt wird, droht dem Bauteil eine thermische Überbelastung mit der Folge von Fehlfunktionen oder völligem Ausfall.
  • Hierzu wurden noch bis vor einigen Jahren die Bauteile, beispielsweise Mikroprozessoren von Computersystemen, mit Kühlkörpern versehen, deren Kühlrippen über die natürliche Konvektion mit Luft für einen ausreichenden Wärmeaustausch sorgten. Zur Unterstützung einer zu erzielenden Kühlung werden weiterhin üblicherweise elektrisch betriebene Lüfter zur Ableitung der entstehenden Verlustwärme eingesetzt.
  • Um eine Temperaturerhöhung der Bauteile und somit eine mögliche Zerstörung dergleichen zu verhindern, ist die Abführung der in den Bauteilen entstehenden Verlustwärme unbedingt erforderlich.
  • Leistungsfähige Bauteile bzw. Prozessoren, die eine erhöhte Wärmeabgabe verursachen, werden aufgrund der wesentlich besseren Wärmeleitfähigkeit von Wasser mittels einer Wasserkühlung gekühlt. Hierzu ist auf den Prozessoren ein mit Kühlflüssigkeit versehener Kühlkörper angeordnet, welcher zum Wärmeaustausch über Kühlleitungen mit einem weiteren Kühlkörper, dem Wärmetauscher, verbunden ist. Die Kühlung des weiteren Kühlkörpers erfolgt entweder durch freie Konvektion oder, falls hierdurch eine ungenügende Kühlung erzielt wird, zusätzlich über einen an dem weiteren Kühlkörper angeordneten temperaturgesteuerten Lüfter. Zur Zirkulation der Kühlflüssigkeit ist eine Pumpe vorgesehen. Sowohl Wärmetauscher als auch Pumpe können bei Platzmangel außerhalb eines Computersystems angeordnet sein.
  • Problematisch ist die Anordnung von Wärmetauscher und Pumpe innerhalb des Gehäuses, da typischerweise zum Betrieb eigene Motoren für den Lüfter am Wärmetauscher und die Pumpe vorgesehen sind, die ihrerseits einen Anteil zur Gesamtverlustwärme des Systems beitragen bzw. diese erhöhen. Weiterhin müssen diese beiden eigenständig arbeitenden Komponenten überwacht und gesteuert werden können.
  • Aus der Druckschrift JP 2001 320 187 AA ist eine Kühlanordnung mit einem Kühlflüssigkeit aufweisenden Kühlkörper, einem Wärmetauscher, einem Lüfter und einer Pumpe bekannt, die mit nur einem Motor betrieben wird. Dieses wird ermöglicht, indem der Lüfter und die Pumpe auf jeweils einer Seite eines gemeinsamen Antriebs angeordnet sind und Lüfterflügel und Pumpe starr mit der Motorachse verbunden sind.
  • Eine ähnliche Anordnung wird in dem Dokument US 62 08 512 B1 beschrieben, wobei die Kopplung von Pumpe und Lüfter in diesem Fall magnetisch erfolgt.
  • Die Druckschrift US 63 27 145 B1 offenbart ebenfalls eine Kühlanordnung, bei der Pumpe und Lüfter von einen Antrieb betrieben werden. Bei dieser Anordnung verläuft der gesamte Kühlkreislauf innerhalb des Kühlkörpers und dient vornehmlich der Wärmeverteilung im Kühlkörper.
  • Die in den drei genannten Druckschriften offenbarten Kühlanordnung setzen allerdings den Einsatz speziell dafür ausgelegter Komponenten, insbesondere Motor und Lüfter, voraus.
  • Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine zum allgemeinen Stand der Technik zählende Kühlanordnung mit einem gemeinsamen Antrieb von Lüfter und Pumpe dergestalt weiterzuentwickeln, daß diese kostengünstiger herstellbar ist und auf Standardbauteilen basiert.
  • Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Kühlanordnung mit einem mit Kühlflüssigkeit gefüllten Kühlkörper, die auf einer elektronischen Komponente angeordnet ist, einem Wärmetauscher, dem die Kühlflüssigkeit über Kühlleitungen zugeführt wird, einem am Wärmetauscher angeordneten Lüfter und einer Pumpe zur Sicherstellung der Zirkulation der Kühlflüssigkeit, wobei die Pumpe durch den Antrieb des Lüfters betrieben wird. Es ist eine Mitnehmerkralle vorgesehen, die direkt in einen Fußbereich der Lüfterflügel greift, um die Drehbewegung der Lüfterflügel auf das Pumpenrad zu übertragen.
  • Hierdurch kann zum einen die Kühlanordnung kostengünstiger hergestellt werden. Zum anderen führt die Kopplung des Lüf ters an das Pumpenrad dazu, daß Lüfter und Pumpe als eine Komponente arbeiten, so daß eine Überwachung des Lüfters die Überwachung der Pumpe mit einschließt. Im Computersystem kann eine Komponente eingespart werden, was den durchschnittlichen Ausfallszeitpunkt (MTBF) des Computersystems erhöht.
  • Auf einfache Weise erfolgt die Kopplung der Lüfternabe mechanisch über eine Mitnehmerkralle. Diese Art der Kopplung erlaubt, auch nicht speziell zu diesem Zweck ausgebildete Lüfter zum Antrieb der Pumpe bzw. des Pumpenrads einzusetzen.
  • In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist der am Wärmetauscher angeordnete Lüfter temperaturgesteuert.
  • Bevorzugt ist das wärmeerzeugende Bauteil ein Prozessor.
  • Im folgenden ist die Erfindung anhand einiger Ausführungsbeispiele und Figuren näher erläutert.
  • Es zeigen:
  • 1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Kühlanordnung,
  • 2 eine schematische Schnittdarstellung einer ersten und zweiten Ausführungsform der Verbindung eines Lüfters mit einer Pumpe und
  • 3 eine schematische Schnittdarstellung einer weiteren Ausführungsform der Verbindung von dem Lüfter mit der Pumpe.
  • In der 1 ist eine erfindungsgemäße Kühlanordnung schematisch dargestellt. Die Kühlanordnung 1 weist einen Kühlkör per 2 auf, der in der Regel auf einen hier nicht gezeigten Prozessor mit einem wärmeleitenden Kleber auf kleb- oder mechanisch auf klemmbar ist. Innerhalb des Kühlkörpers 2 verlaufen Kühlleitungen 3, durch die eine Kühlflüssigkeit 4, in der Regel Wasser, zirkuliert. Durch den Betrieb des Prozessors entsteht Verlustwärme, die die durch die Kühlleitungen 3 zir kulierende Kühlflüssigkeit 4 innerhalb des Kühlkörpers 2 erwärmt. Die Kühlflüssigkeit 4 wird, wie über Pfeile angedeutet, über die auch außerhalb des Kühlkörpers 2 verlaufenden Kühlleitungen 3 zu einem Wärmetauscher 5 transportiert. Der Wärmetauscher 5 dient in diesem Wasserkreislauf zum Wärmeaustausch, was bedeutet, daß die erwärmte Kühlflüssigkeit 4 über die Kühlleitungen 3 durch Lamellen 6 des Wärmetauschers 5 geführt wird und durch freie Konvektion an der Umgebungsluft abkühlen kann.
  • Eine wesentlich verbesserte Wärmeableitung kann durch einen am Wärmetauscher 5 angeordneten Lüfter 7 erzielt werden. Eine Pumpe 8 sorgt für den kontinuielichen Wasserkreislauf innerhalb des Systems. Die Pumpe 8 ist dergestalt mit dem Lüfter 7 verbunden, daß sie durch den Antrieb des Lüfters 7 betrieben wird.
  • Die 2 zeigt eine schematische Schnittdarstellung einer ersten und zweiten Ausführungsform der Verbindung eines Lüfters mit einer Pumpe. Der Lüfter 7 ist in einem Gehäuse 9 angeordnet und weist Lüfterflügel 10 und eine Lüfternabe 11 auf. Über dünne Stege 12, die den Luftdurchdatz der Lüfterflügel 10 nicht beeinträchtigen, ist die Pumpe 8 an dem Gehäuse 9 des Lüfters 7 befestigt. Ein hier nicht sichtbares Pumpenrad der Pumpe 8 ist in einer ersten Ausführungsform mit der Lüfternabe 11 über einen Klebstoff 13 verbunden. In einer zweiten Ausführungsform ist das Pumpenrad über eine Mitnehmerkralle 14, die direkt in den Fußbereich 15 der Lüfterflügel 10 eingreift, an dem Lüfter 7 befestigt.
  • In der 3 ist eine schematische Schnittdarstellung einer weiteren Ausführungsform der Verbindung von dem Lüfter 7 mit der Pumpe 8 dargestellt. Der Lüfter 7 und die Pumpe 8 sind über ein sowohl an der Lüfternabe 11 und am Pumpenrad angeordnetes Magnet 16 elektromagnetisch miteinander gekoppelt.
  • Die vorgeschlagenen Verbindungen von Lüfternabe 11 und Pumpenrad bewirken, daß eine Drehbewegung des Lüfters 7 direkt auf das Pumpenrad übertragen wird, so daß die Pumpe 8 die Zirkulation der Kühlflüssigkeit 4 durch den Kreislauf sicherstellt. Von besondere Bedeutung ist dabei, daß die Pumpe zum Pumpen der Kühlflüssigkeit keinen eigenen Antrieb bzw. Motor aufweist.
  • Die vorgeschlagene Kühlanordnung ist aufgrund der Verbindung von Pumpenrad mit dem Lüfter günstiger herstellbar. Ebenso ist die Verwaltung vereinfacht, da ein Monitoren des Lüfters automatisch die Funktionalität des Pumpenrades mit überprüft. Der Wärmetauscher mit Lüfter und Pumpe kann sowohl innerhalb als auch für einen besseren Wärmeaustausch außerhalb eines Computergehäuses installiert werden.
  • 1
    Kühlanordnung
    2
    Kühlkörper
    3
    Kühlleitung
    4
    Kühlflüssigkeit
    5
    Wärmetauscher
    6
    Lamellen
    7
    Lüfter
    8
    Pumpe
    9
    Gehäuse
    10
    Lüfterflügel
    11
    Lüfternabe
    12
    Stege
    13
    Klebstoff
    14
    Mitnehmerkralle
    15
    Fußbereich
    16
    Magnet

Claims (3)

  1. Kühlanordnung (1), insbesondere zur Kühlung eines wärmeerzeugenden Bauteils, mit – einem Kühlflüssigkeit (4) aufweisenden Kühlkörper (2), der auf dem wärmeerzeugenden Bauteil angeordnet ist, – einem Wärmetauscher (5), dem die Kühlflüssigkeit (4) über Kühlleitungen (3) zugeführt wird, – einem am Wärmetauscher (5) angeordneten Lüfter (7) mit Lüfterflügeln (10) und – einer Pumpe (8) mit einem Pumpenrad zur Sicherstellung der Zirkulation der Kühlflüssigkeit (4), wobei die Pumpe (8) durch den Antrieb des Lüfters (7) betrieben wird, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mitnehmerkralle (14) vorgesehen ist, die direkt in einen Fußbereich (15) der Lüfterflügel (10) greift, um die Drehbewegung der Lüfterflügel (10) auf das Pumpenrad zu übertragen.
  2. Kühlanordnung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der am Wärmetauscher (5) angeordnete Lüfter (7) temperaturgesteuert ist.
  3. Kühlanordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das wärmeerzeugende Bauteil ein Prozessor ist.
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