DE3202271A1

DE3202271A1 - Vorrichtung zum abfuehren der verlustwaerme von steckplatinen

Info

Publication number: DE3202271A1
Application number: DE19823202271
Authority: DE
Inventors: Walter Dipl.-Phys. 3000 Hannover Baum; Friedrich Dr.-Ing. 4020 Mettmann Nordmeyer; Klausdieter Dipl.-Ing. Schippl; Karl-Heinz Stobäus
Original assignee: Kabelmetal Electro GmbH
Current assignee: Kabelmetal Electro GmbH
Priority date: 1982-01-25
Filing date: 1982-01-25
Publication date: 1983-07-28
Also published as: DE3202271C2

Description

Vorrichtung zum Abführen der Verlustwärme von Steckplatinen
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Abführen der Verlustwärme von auf einer Steckplatine angebrachten elektronischen Bauteilen, wie Transistoren, Dioden, Laser etc., wobei die Steckplatine aus Metallblech gefertigt und in einem Halterahmen auswechselbar angeordnet ist.
Es ist bekannt, mit elektronischen Bauteilen bestückte Platinen in Gehäusen oder Schaltschränken auswechselbar, d.h. steckbar unterzubringen. Die Kühlung der auf diesen steckbaren Platinen befindlichen elektronischen Bauelemente ist bisher noch nicht optimal gelöst. Bei einem älteren Vorschlag der Anmelderin ist auf der Steckplatine ein Wärmerohr angeordnet, dessen eines Ende in gut wärmeleitendem Kontakt zu einem Wärmeerzeuger und dessen anderes Ende steckbar mit einem weiteren Wärmerohr verbunden ist.
Der Wärmetransport bei dieser Vorgehensweise ist jedoch noch verbesserbar.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Möglichkeit anzugeben, die auf Steckplatinen befindlichen elektronischen Bauelemente zu kühlen, ohne die Auswechselbarkeit der Steckplatinen wesentlich einzuschränken.
Diese Aufgabe wird nach der Lehre der Erfindung dadurch gelöst, daß zumindest eine Kante der Steckplatine bzw.
die das oder die wärmeerzeugenden Bauteile tragende Kühlplatine vorzugsweise jedoch beide Kanten, mit dcnen die Platine gehalten ist, in gut wärmeleitendem Kontakt an mindestens einem als Wärmerohr ausgebildeten metallischen Hohlprofil anliegt. Wesentlich ist dabei, daß das Hohlprofil länger ist als die an ihm anliegende Kante der Platine, damit es an seinem freien Ende gekühlt werden kann und die Steckverbindung für die Platine untergebracht werden kann. Der Bereich der Anlagefläche der Kante ist als sogenannte Heizzone des Wärmerohrs anzusehen. Der wirmetransport geschieht nun wie folgt: Das wärmeerzeugende elektronische Bauteil erwärmt die aus Metallblech gefertigte Steckplatine. Da als Metallblech vorzugsweise Kupferblech verwendet wird, verteilt sich die Wärme ziemlich gleichmäßig über die Steckplatine also auch bis zu den Längskanten. Dort strömt die Wärme von den Kanten durch die Wandung des Hohlprofils, welches zweckmäßigerweise ebenfalls aus Kupfer hergestellt ist, und bringt dort das in dem Wärmerohr befindliche Arbeitsmittel zum Verdampfen. Wird nun das der Anlagefläche abgekehrte Ende des Wärmerohres gekühlt, strömt aufgrund der Druckdifferenz das verdampfte Arbeitsmittel zum gekühlten Ende und kondensiert dort an der-Wandung des Wärmerohres. Aufgrund von Schwerkraft oder durch Kapillarkräfte strömt das Kondensat zur sogenannten Heizzone zurück. Dadurch, daß die Wärme von den elektronischen Bauteilen abgeführt wird, wird deren Lebensdauer wesentlich heraufgesetzt. Wird die Wärme nun, wie weiter unten beschrieben, auch noch aus den Gehäusen bzw. Schaltschränken entfernt, beispielsweise dadurch, daß die Enden der Wärmerohre mittels eines Kühlmittelskreislaufs gekühlt werden, kann die Wärme sogar aus den Räumlichkeiten, in denen die Schaltschränke. untergebracht sind, entfernt werden, so daß auf eine aufwendige Klimatisierung dieser Räume verzichtet werden kann.
Nach einer besonders günstigen Ausgestaltung der Erfindung weist das Hohlprofil an seiner äußeren Oberfläche eine in Längsrichtung des Profils verlaufende Ausnehmung auf, in welcher die Kante der Platine gelegen ist. Obwohl die Längskante der Platine über ihre gesamte Länge an dem Hohlprofil anliegt, reicht diese Berührungsfläche in vielen Fällen nicht aus, die entstehende Verlustwärme abzuführen. Aus diesem Grunde ist die Berührungsfläche zwischen den Platinenkanten und dem Hohlprofil durch die Nut vergrößert. Nach einem anderen Vorschlag weist das Hohlprofil im Querschnitt gesehen zwei aus dem Hauptquerschnitt herauszeigende Zungen auf, zwischen denen die jeweilige Kante der Platine in gut wärmeleitendem Kontakt zu den Zungen gelegen ist.
Die Kanten der Platine sollten zumindest 3 mm in die Ausnehmung bzw. in den durch die Zungen gebildeten Zwischenraum eindringen. Einen optimalen Wärmeübergang erreicht man, wenn die miteinander in Berührung stehenden Flächen der Ausnehmung bzw. der Zungen und der Platine poliert sind.
Man muß hier einen optimalen Kompromiß ~ zwischen der Steckbarkeit der Platine und dem Wärmeübergang finden.
Zweckmäßig ist es auch, wenn ein Teil der Wandung des Hohlprofils nach innen geformt ist und die Kanten der Platine an der nach innen geformten Wandung anliegen. Bei dieser Ausgestaltung ist der Weg, den die Wärme von der Platine zum im Wärmerohr befindlichen Arbeitsmittel zurücklegt, sehr kurz. Vorteilhaft kann es auch sein, die Kanten zwischen zwei als Wärmerohr ausgebildeten Reckteckprofilen einzuspannen bzw. einzuschieben. Die nicht mit der Platine in Berührung stehenden Enden der als Wärmerohr ausgebildeten Hohlprofile münden zweckmäßigerweise in einem ein Kühlmedium führenden Hohlprofil. Durch die Kondensation des Arbeitsmittels gibt dieses seine Umwandlungsenergie an die Wandung ab, von der sie durch das Kühlmedium abtransportiert wird. Zu einer besonders günstigen Lösung gelangt man, wenn man eine Vielzahl von im wesentlichen horizontal verlaufenden Hohlprofilen übereinander anordnet, wobei die Platinen mit ihren Kanten in den entsprechenden Ausnehmungen bzw. zwischen zwei Hohlprofilen angeordnet sind und die Hohlprofile in je ein gemeinsames ein Kühlmittel führendes vertikal verlaufendes an einen Kühlmittelkreislauf angeschlossenes Hohlprofil münden läßt. Es versteht sich von selbst, daß die Enden der Wärmerohre flüssigkeitsdicht in die Wandung des Kühlprofils eingelötet oder eingeschweißt sein müssen. Da ein Wärmerohr nur dann Wärme transportieren kann, wenn zwischen der Heizzone und der Kühlzone eine Temperaturdifferenz vorhanden ist, kann man die Kühlung der Steckplatinen durch die Temperatur des Kühlmediums steuern. Beträgt zum Beispiel die Temperatur des Kühlmediums 15 C, so tritt so lange keine Kühlung ein, wie die Temperatur im Bereich der Heizzone des Wärmerohres 15 OC nicht überschreitet. Ist die Temperatur im Bereich der Heizzone niedriger als 15 C, so kann es zu einer Aufheizung der Steckplatine bis 15°C kommen.
Die Erfindung wurde an einer Ausführung diskutiert, bei der eine Reihe von Platinen in engster Packung übereinander angeordnet ist. Wie der Fachmann weiß, ist bei einer großen Konzentration von Bauelementen eine Gestellreihe sei es waagerecht oder senkrecht, nicht ausreichend. Man verwendet daher zwei- oder mehrzeilige Platinensysteme, die möglichst nahe beieinander liegen. Die erfindungsgemäße Lösung läßt sich auch für diese mehrzeilige Art der Platinenanordnung anwenden, indem man die Hohlprofile in Richtung der Weiterführung des Systems spiegelsymmetrisch gestaltet.
Die Erfindung ist anhand der in den Figuren 1 bis 4 schematisch dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert.
In der Figur 1 ist mit 1 eine Steckplatine bezeichnet, die beispielsweise zwei wärmeerzeugende eRektronische Bauteile 2 und 3 trägt. Die Steckplatine ist aus Kupferblech gefertigt und die Bauteile 2 und 3 sind in gut wärmeleitendem Kontakt auf ihr befestigt. Zur Halterung der Steckplatinen 1 dienen Hohlprofile 4, die als Wärmerohre ausgebildet sind. Unter einem Wärmerohr versteht man ein in sich abgeschlossenes Gebilde, welches evakuiert und in genau bemessener Weise mit einem Arbeitsmedium gefüllt ist. Erwärmt man ein solches Wärmerohr an einem Ende, so verdampft das Arbeitmittel am erwärmten Ende und der Arbeitsmitteldampf strömt zum kühleren Ende, wo er kondensiert. Dabei wird die Umwandungsenergie von einem Ende zum anderen transportiert. Bei dem Ausführungsbeispiel nach der Figur 1 sind die Steckplatinen 1 zwischen Zungen 5 geführt. Das in der Figur 1 dargestellte Hohlprofil 4, welches zweckmäßigerweise aus einem Metall mit guten Wärmeleiteigenschaften, wie beispielsweise Aluminium oder Kupfer hergestellt ist, ist ein Preß- oder Ziehprofil, bei dem die Zungen 5 aus der Wandung des Hohlprofils 4 herausragen. Zusätzlich können auch Zungen zur Aufnahme weiterer Steckplatinen an den den Zungen 5 gegenüberliegenden Fläche des Hohlprofils 4 spiegelbildlich angeordnet sein.
Bei dem Ausführungsbeispiel nach Figur 2 sind die Steck- platinen 1 in einer Ausnehmung 6 des Hohlprofils 4 geführt, welche beispielsweise durch Einstülpen eines gezogenen oder geschweißten Profils hergestellt ist. Auch hier kann eine weitere spiegelbildlich angeordnete Einstülpung vorgesehen werden.
Nach Figur 3 sind die Steckplatinen 1 zwischen rechtwinkligen Hohlprofilen 4 eingespannt.
Wesentlich für alle Ausführungsformen ist, daß die miteinander in Berührung stehenden Oberflächen der Steckplatine 1 und der Hohlprofile 4 eine glatte Oberfläche aufweisen, vorzugsweise poliert sind und mit enger Fassung gefertigt sind, d.h. Steckplatinen 1 und Hohlprofil 4 befinden sich in gut wärmeleitenden Kontakt miteinander. Wesentlich ist ferner, daß die Berührungsfläche zwischen den Steckplatinen 1 und den Hohlprofilen 4 einen Mindestwert aufweist. Dieser Wert sollte um so größer sein, je größer die abzuführende Wärmemenge ist. Für den Normalfall hat es sich als ausreichend erwiesen, wenn Steckplatine 1 und Hohlprofil 4 über die gesamte Länge der Steckplatine 1 mit einer Breite zwischen 3 und 5 mm in Berührung stehen.
Die Figur 4 zeigt einen seitlichen Schnitt durch einen Teil des Gehäuses. Hier ist erkennbar, daß die Hohlprofile 4 an ihren der Berührung mit der Steckplatine 1 abgekehrten Enden in ein Hohlprofil 7 münden, durch welches während des Betriebes ein Kühlmedium, beispielsweise Kühlwasser strömt.
Die Steckplatinen 1 sind in nicht dargestellter Weise über Stecker mit dem Schaltschrank verbunden. Die Enden der Hohlprofile 4 sind flüssigkeitsdicht in die Wandung des Hohlprofils 7 eingelötet oder eingeschweißt, wie bei 8 dargestellt.
Für jeden übereinander angeordneten Hohlprofilstapel (s.
Figuren 1 bis 3) ist ein vertikal verlaufendes Kühlprofil 7 vorhanden. Die Kühlprofile 7 und die Hohlprofile 4 sind mechanisch fest mit inander verbunden und werden in zusammengebautem Zustand an den Verwender geliefert.
Leerseite

Claims

Patentansprüche Vorrichtung zum Abführen der Verlustwärme von auf einer Steckplatine angebrachten elektronischen Bauteilen, wie Steckplatine angebrachten elektronischen Baut-eilen, wie Transistoren, Dioden, Laser etc., wobei die Steckplatine aus Metallblech gefertigt und in einem Halterahmen auswechselbar angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest eine Kante der Steckplatine (1) bzw. die das oder die wärmeerzeugenden Bauteile tragende Kühiplatine vorzugsweise jedoch beide Kanten, mit denen die Platine (1) gehalten ist, in gut wärmeleitendem Kontakt an mindestens einem als Wärmerohr ausgebildeten metallischen Hohlprofil (4) anliegt.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Hohlprofil (4) an seiner äußeren Oberfläche eine in Längsrichtung des Profils (4) verlaufende Ausnehmung (6) aufweist; in welcher die Kante der Platine (1) gelegen ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch1, dadurch gekennzeichnet, daß das Hohlprofil (4) im Querschnitt gesehen, zwei aus dem Hauptquerschnitt herauszeigende Zungen (5) aufweist, zwischen denen die jeweilige Kante der Platine (1) in gut wärmeleitendem Kontakt zu den Zungen (5) gelegen ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanten der Platine (1) zumindest 3 mm in die Ausnehmung (6) bzw. in den durch die Zungen (5) gebildeten Zwischenraum eindringen.
5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Wanddicke der Zungen (5) zwischen 2 und 4 mm ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die miteinander in Berührung stehenden Flächen der Ausnehmung (6) bzw. der Zungen (5) und der Platine (1) poliert sind.
7. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet. daß ein Teil der Wandung des Hohlprofils (4) nach innen geformt ist und die Kanten der Platine (1) an der nach innen geformten Wandung anliegen. (Figur 2)
8. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanten zwischen zwei als Wärmerohre ausgebildeten Rechteckprofilen (4) eingespannt bzw. eingeschoben sind. (Figur 3)
9. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Enden der als Wärmerohre ausgebildeten Hohlprofile (4) in einem ein Kühlmedium führenden Hohlprofil (7) münden.
10. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vielzahl von im wesentlichen horizontal verlaufenden Hohlprofilen (4) übereinander angeordnet ist, wobei die Platinen (1) an ihren Kanten in den entsprechenden Ausnehmungen (6) bzw.

zwischen den Hohlprofilen (4) angeordnet sind und daß die Hohlprofile (4) in je ein gemeinsames ein Kühlmedium führendes vertikal verlaufendes an einen Kühlmittelkreislauf angeschlossenes Hohlprofil (7) münden.