DE2638702B2 - Kühlvorrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Kühlvorrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Kühlvorrichtungen zur Kühlung von elektronischen Bauelementen mit einem flüssigen Kühlmittel sind bekannt. Dabei wird auch von der sogenannten Siedeoder Verdampfungskühlung Gebrauch gemacht. (Vergleiche DT-GM 17 47 113, DT-OS 20 13 684, DT-GM 70 03 221 und IBM Technical Disclosure Bulletin Band 13, No. 9, Febr. 1971, Seite 2591). Die bekannten Kühlmittelvorrichtungen dienen zur Kühlung einzelner elektronischer Bauelemente oder von Bauelementen, die in für die Zwecke der Kühlung besonders ausgebildeten Baugruppen angeordnet sind.

Umfangreiche Schaltungskomplexe, wie Datenverarbeitungs-, Steuerungs- und ähnliche Einrichtungen werden seit längerer Zeit vorzugsweise unter Verwendung steckbarer Flachbaugruppen aufgebaut. Die Flachbaugruppen (Steckkarten) bestehen im wesentlichen aus einer Isolierstoffplatte mit geätzten Leiterbahnen, die gleichzeitig als Träger von elektronischen Bauelementen dient und die notwendigen elektrischen Verbindungen herstellt. Die Flachbaugruppen werden gewöhnlich reihenweise hochkant in Magazine eingesteckt. Die Einsteckrichtung ist horizontal.

Die zur Seite hin geschlossenen, aber nach oben und unten offenen Magazine werden in Gestellen so angeordnet, daß ein durchgehender Strömungskanal entsteht, durch den Kühlluft geblasen wird. Die hochkant stehenden Flachbaugruppen teilen den Strömungskanal in viele Einzelkanäle auf. Die eingeblasene Kühlluft muß staubfrei sein, um Staubablagerungen auf den Bauelementen zu verhindern. Die dazu notwendigen Luftfilter sind regelmäßig auszutauschen und zu reinigen. Der Luftstrom verursacht Geräusche. Ein

wesentlicher Nachteil der Luftkühlung besteht jedoch darin, daß durch das unkontrollierbare Auftreten von Luftwirbeln einzelne Stellen schlecht gekühlt werden. Das führt zur Überhitzung einzelner Bauelemente, was ihre Zuverlässigkeit beeinträchtigt oder gar zum ■; vorzeitigen Ausfall führt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Kühlvorrichtung zur Flüssigkeitskühlung von elektronischen Bauelementen, insbesondere von integrierten Bausteinen anzugeben, die auf Flachbaugruppen angeordnet sind. Diese Aufgabe wird durch eine Kühlvorrichtung mit den im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 aufgeführten Merkmalen gelöst.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher r> erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine schematische Darstellung der Kühlvorrichtung und

Fig.2 ein gemeinsames Kühlsystem für mehrere Flachbaugruppenreihen.

Flachbaugruppen werden gewöhnlich in Magazine so eingesteckt, daß die mit Bauelementen bestückten Seiten der Flachbaugruppen in eine Richtung zeigen. Im Gegensatz dazu geht das in Fig. 1 dargestellte Ausführungsbeispiel einer Kühlvorrichtung davon aus, daß jede zweite Flachbaugruppe seitenverkehrt eingesteckt wird. Dadurch werden Paare von Flachbaugruppen gebildet, deren mit Bauelementen bestückten Seiten jeweils einander gegenüberstehen. In den Zwischenräumen zwischen den paarbildenden Flachbaugruppen sind jo dünnwandige Kunststoffbeutel angeordnet, deren Seitenwände mindestens den mit Bauelementen bestückten Bereich der Flachbaugruppen überdecken. An der unteren und oberen Schmalseite der Kunststoffbeutel 3 sind Mundstücke 4 und 5 angesetzt, die über Abzweigungen 6 und 7 mit einer ersten Rohrleitung 8 einerseits und einer zweiten Rohrleitung 9 andererseits in Verbindung stehen. Die Rohrleitung 8 dient für den Vorlauf des Kühlmittels zu den Kunststoffbeuteln 3 aus einem außerhalb der Baueinheit zur Aufnahme der Flachbaugruppen befindlichen Vorratsbehälter 10. Durch die Wand 11 ist die Außenwand der Baueinheit in der Zeichnung schematisch dargestellt.

Die Kühlvorrichtung kann mit reiner Flüssigkeitskühlung betrieben werden. In diesem Fall strömt die durch die Verlustwärme der Bauelenente erwärmte Kühlflüssigkeit über die Rohrleitung 9 zu einer Umwälzpumpe 12 und von dort aus über einen Kühler 13 zur Rückkühlung der Kühlflüssigkeit in den Vorratsbehälter 10 zurück. Der Kühler 13 und der Vorratsbehälter 10 können eine bauliche Einheit bilden.

Bei der Anwendung der Verdampfungs- und Siedekühlung wird eine Kühlflüssigkeit mit niedriger Verdampfungstemperatur und hoher Verdampfungswärme verwendet. Hierbei ist darauf zu achten, daß der Flüssigkeitsspiegel 14 in den Kunststoffbeuteln wenigstens so hoch steht, daß er die auf den Flachbaugruppen am weitesten oben angeordneten Bauelemente noch übersteigt. Da die Strömungsverluste in der Rohrleitung 8 gering sind, wird der Flüssigkeitsspiegel 14a im Vorratsbehälter 10 nur wenig höher stehen. Durch die Pumpe 12 wird der in den Kunststoffbeuteln entstehende Dampf des Kühlmittels über die Rohrleitung 9 abgesaugt. Er kondensiert im Kühler 13.

Obgleich der Flüssigkeitsdruck in den elastischen Kunststoffbeuteln nur gering ist, muß seine Auswirkung auf die Flachbaugruppen verhindert werden, da diese gegen senkrecht zur Plattenebene gerichtete Kräfte sehr empfindlich sind. Das läßt sich durch zwei oder drei Isoliersloffplatten 15 erreichen, die in horizontaler Richtung als Stützstege zwischen jeweils zwei Flachbaugruppen eingeschoben werden, zwischen denen keine Kunststoffbeutel angeordnet sind. Das ist insbesondere bei mit integrierten Bausteinen bestückten Flauhbaugruppen ohne weiteres möglich, weil durch die rasterförmige Anordnung der integrierten Bausteine auch auf der Verdrahtungsseite freie Gassen entstehen, zwischen denen allenfalls geätzte Leiterbahnen verlaufen, die wenig auftragen.

Bei einer Bestückung der Einschubmagazine durch Flachbaugruppen, bei denen die mit Bauelementen besetzten Seiten einseitig ausgerichtet sind, müssen Kunststoffbeutel zur Aufnahme der Kühlflüssigkeit in allen Zwischenräumen zwischen den Flachbaugruppen und zwischen der Flachbaugruppe am Ende einer Reihe, deren Bauelementenseite nach außen gerichtet ist, und der Seitenwand des Magazins vorgesehen werden.

Zum Ausgleich der auf die Flachbaugruppen in horizontaler Richtung wirkenden Kräfte ist es zweckmäßig, darüber hinaus auch noch einen Kunststoffbeutel zwischen der Flachbaugruppe am anderen Ende der Reihe und der gegenüberliegenden Seitenwand des Magazins einzufügen. Da die Kunststoffbeutel nunmehr mit einer Seitenwand an der Verdrahtungsseite der Flachbaugruppen anliegen, ist es notwendig, die Kunststoffoeutel vor einer Beschädigung durch die oft sehr scharfen überstehenden Enden der Anschlußbeinchen der Bauelemente zu schützen. Die betreffenden Seitenwände der Kunststoffbeutel werden entsprechend verstärkt, wobei eine Verschlechterung des Wärmeüberganges an dieser Stelle unschädiglich ist.

Obgleich sich für die Höhe der (hochkant stehenden) Flachbaugruppen ein bestimmter Normwert herausgebildet hat, werden nicht selten Flachbaugruppen eingesetzt, deren Höhe dem doppelten bis dreifachen Wert der Normhöhe einschließlich der sonst vorhandenen senkrechten Flachbaugruppenabstände entspricht. Es ist klar, daß in diesem Falle die Kunststoffbeutel 3 entsprechend groß ausgeführt werden müssen. Große, sich über mehrere Etagen erstreckende Kunststoffbeutel können auch dann verwendet werden, wenn die Flachbaugruppen, welche die zu kühlenden Bauelemente tragen, die Normhöhe besitzen. Aus konstruktiven Gründen kann es jedoch zweckmäßig sein, die Größe der einzelnen Kunststoffbeutel wieder den Flachbaugruppen mit Normmaß anzupassen und zwei oder drei senkrecht übereinanderstehende Kunststoffbeutel bezüglich des Kühlmitteldurchflusses in Serie zu schalten. Die Rohrleitungen für den Kühlmittelvorlauf und -Rücklauf sind dann jeweils für den Kühlmittelvorlauf und -Rücklauf sind dann jeweils für zwei oder drei Flachgruppenreihen gemeinsam vorgesehen. Bei Anwendung der Siedekühlung wird der Flüssigkeitspegel so eingestellt, daß das Rohr 9 für den Kühlmittelrücklauf gerade noch flüssigkeitsfrei ist.

Den bisher beschriebenen Ausführungsformen der Kühlvorrichtung liegen Magazine mit einer horizontalen Einsteckrichtung zugrunde, in denen die Flachbaugruppen hochkant nebeneinander stehen. Zur Kühlung von Bauelementen auf Flachbaugruppen in Magazinen mit einer vertikalen Einsteckrichtung bedarf es demgegenüber nur geringer Änderungen. Insbesondere ist bei dei Anordnung der Rohrleitungen für den Vorlauf und Rücklauf des Kühlmittels darauf zu achten, daß das Einstecken bzw. Herausziehen der Flachbaugruppen in das bzw. aus dem Magazin nicht behindert wird.

In manchen Fällen kann es zweckmäßig sein, Flachbaugruppen horizontal liegend übereinander einzubauen. Dementsprechend sind auch die Kunststoffbeutel liegend angeordnet. Die Mundstücke befinden sich ebenfalls an gegenüberliegenden Schmalseiten der Kunststoffbeutel. Dabei sind die Anschlüsse für den Vorlauf möglichst tief, die Anschlüsse für den Rücklauf möglichst hoch anzubringen. Die Bauelementenseite der Flachbaugruppen muß nach oben zeigen.

In F i g. 2 ist schematisch ein Gestell 16 zur Aufnahme einer größeren Anzahl von Flachbaugruppenreihen dargestellt. Demtentsprechend müssen auch mehrere Reihen von Kunststoffbeuteln 3 vorgesehen sein, die jeweils an eigene Rohrleitungen 8 und 9 für den Kühimittelvorlauf und -Rücklauf angeschlossen sind. Verbindet man, wie in F i g. 2 dargestellt, die einzelnen Rohrleitungen 8 und 9 über gemeinsame Hauptleitungen 18 und 19 mit einem Pumpen- und Kühlaggregat für die Rückkühlung, dann hat das zur Folge, daß der Flüssigkeitsdruck in den unteren Teilen der Kühlvorrichtung wesentlich ansteigt. Das würde die Handhabung von Flachbaugruppen in den tiefer gelegenen Flachbaugruppenreihen sehr erschweren oder unmöglich machen. Zur Abhilfe ist es zweckmäßig, in die einzelnen Rohrleitungen 8 in der Nähe ihrer Ansatzteile zur Hauptleitung 18 Strömungsdrosseln 20 einzufügen.

Der Strömungswiderstand der Strömungsdrosseln 2C soll veränderbar sein, um wenigstens annähernd gleiche Drücke einstellen zu können. Bei Anwendung vor Siedekiihlung ist es in diesem Falle vorteilhaft, vor dci (in der F i g. 2 nicht dargestellten) gemeinsamen Pumpe einen Dampfabscheider einzufügen, der eine unmittcl bare Verbindung zum Kühlmittelvorratsgefäß 10 für den Rücklauf von Flüssigkeitsresten aufweist.

Eine weit bessere Möglichkeit für die Dosierung de; Drucks bei Sicdckühlung ergibt sich, wenn anstelle dei Strönumgsdrosseln 20 elektromagnetisch steuerbare Ventile vorgesehen werden, denen Fühler in der Rücklaufleitungcn 9 der einzelnen Kühlzweige zugeordnet sind. Diese Fühler stellen fest, ob in cinci Rücklaufleitung 9 überwiegend Dampf oder Flüssigkeil vorhanden ist. Überwiegt der Dampf, wird da; betreffende Ventil geöffnet, bis der Flüssigkcitspege genügend angestiegen ist. Ist die Rohrleitung <■ vorwiegend mit Flüssigkeit gefüllt, schließt das Ventil.

Die Fühler in den Rücklaufleitungen 9 können al; kapazitive Fühler ausgebildet sein, die zwischen dci flüssigen und der dampfförmigen Phase des Kühlmittel.' aufgrund der zumeist erheblichen Unterschiede dei Dielektrizitätskonstanten unterscheiden. Die Steuerein richtungen für den Kühimittelvorlauf sollte Hystereseei genschaften aufweisen.

Hierzu 1 Blatt Zcicliniinccn

Claims (9)

Patentansprüche:

1. Kühlvorrichtung zur Kühlung von elektrischen Bauelementen, insbesondere von integrierten Bausteinen, die auf mit ihren Flachseiten nebeneinander ■> angeordneten, vorzugsweise steckbaren Flachbaugruppen aufgebaut sind, mit einem flüssigen Kühlmittel, dessen Kreislauf außerhalb der Baueinheit zur Aufnahme der Flachbaugruppe über gemeinsame Sammel-Rohrleitungen, eine Pumpe, einen Kühler für die Rückkühlung des Kühlmittels und einem Vorratsbehälter geschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Flachbaugruppen (1) dünnwandige, schmale, annähernd quaderförmige Kunststoffbeute! (3) zur Aufnahme des Kühlmittels vorgesehen sind, von denen sich mindestens eine der großen Seitenwände nach Füllung mit dem Kühlmittel an tlie zu kühlenden Bauelemente (2) anlegt, daß die Kunststoffbeutel (3) an einander gegenüberliegenden Schmalseiten Mündungen (4, 5) aufweisen, die über Abzweigungen (6, 7) mit etwa in Zeilenrichtung verlaufenden Rohrleitungen (8, 9) für den Vorlauf und Rücklauf des Kühlmittels in Verbindung stehen, wobei die Mündungen (4) für den Vorlauf an der 2·> tiefsten zugänglichen Stelle und die Mündungen (5) für den Rücklauf an der höchsten zugänglichen Stelle angebracht sind.

2. Kühlvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Kunststoffbeutel (3) für alle Zwischenräume zwischen den Flachbaugruppen (1) und für die Zwischenräume zwischen den äußeren Flachbaugruppen (1) einer Flachbaugruppenreihe und den angrenzenden Seitenwänden eines Magazins für die Aufnahme der Flachbaugruppen (1) vorgesehen sind.

3. Kühlvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Kunststoffbeutel (3) zwischen Paaren von Flachbaugruppen (1) vorgesehen sind, die auf den einander gegenüberstehenden Seiten mit Bauelementen (2) bestückt sind, und daß zwischen einer Flachbaugruppe eines Paares und der benachbarten Flachbaugruppe des folgenden Paares senkrecht zur Hauptebene der Flachbaugruppe gerichtete Stützstege (15) eingeschoben sind.

4. Kühlvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Höhe der Kunststoffbeutel (3) der Einheitshöhe der Flachbaugruppen (1) entspricht und daß für jeweils eine Flachbaugruppenreihe ein getrennter, in sich abgeschlossener Kühlmittelkreislauf vorgesehen ist.

5. Kühlvorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Höhe der Kunststoffbeutel (3) der zwei- bis dreifachen Einheitshöhe der Flachbaugruppen (1) einschließlich ihrer senkrechten Abstände entspricht und daß eine Reihe solcher Kunststoffbeutel (3) jeweils in einen getrennten, in sich abgeschlossenen Kühlmittelkreislauf einbezogen ist.

6. Kühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Vorlauf und Rücklauf des Kühlmittels bzw. von den Kunststoffbeuteln (3) in der flüssigen Phase erfolgt.

7. Kühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlmittel in der flüssigen Phase zugeführt und in der dampfförmigen Phase abgeführt wird, und daß der Flüssigkeitspegel über den zu kühlenden Bauelementen (2) steht.

8. Kühlvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere erste und zweite Rohrleitungen (8, 9), an die die Kunststoffbeutel (3) eines Kühlzweiges angeschlossen sind, jeweils mit der gemeinsamen Rohrleitung (18, 19) für den Vorlauf bzw. Rücklauf des Kühlmittels verbunden sind und daß in die ersten Rohrleitungen (8) in der Nähe ihrer Verbindungssteilen mit der entsprechenden gemeinsamen Sammel-Rohrleitung (18) individuell einstellbare Strömungsdrosseln (20) eingefügt sind.

9. Kühlvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere erste und zweite Rohrleitungen (8, 9), an die die Kunststoffbeutel (3) eines Kühlzweiges angeschlossen sind, jeweils mit einer gemeinsamen Sammel-Rohrleitung (18, 19) für den Vorlauf bzw. Rücklauf des Kühlmittels verbunden sind, daß in die ersten Rohrleitungen (8) in der Nähe ihrer Verbindungsstellen mit der entsprechenden gemeinsamen Sammel-Rohrlei!ung(i8) elektromagnetisch steuerbare Ventile eingefügt sind, daß jedem Ventil ein Vorzugsweise kapazitiver Fühler in der zugehörigen Rohrleitung (9) für den Kühlmittelrücklauf zur Feststellung des überwiegenden Phasenzustandes des Kühlmittels und eine entsprechend dem Abfühlergebnis das Ventil steuernde Schaltungsanordnung zugeordnet sind und daß das Ventil beim Überwiegen der Dampfphase öffnet und umgekehrt.