DE4237414C2 - Vorrichtung zum Kühlen wärmeerzeugender Elemente - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Kühlen wärme­ erzeugender Elemente nach dem Oberbegriff des Patentan­ spruchs 1.

Für sehr schnell arbeitende Computer werden neuerdings integrierte Schaltungen großer Abmessungen, sogenannte LSIs, dicht gepackt montiert. Die LSIs sowie die Halblei­ tervorrichtungen, auf denen die LSIs dicht gepackt positio­ niert sind, erzeugen sehr viel Wärme. Kritisch ist deshalb eine wirksame Kühlung der LSIs.

Zur Kühlung solcher wärmeerzeugender Elemente wird nach der JP-OS 2-298 054 in einem Gehäuse, auf dessen einer Seite die zu kühlenden wärmeerzeugenden Elemente angeordnet sind, durch an ein erstes Verteilerrohr angeschlossene erste Düsen auf jeweils ein wärmeerzeugendes Element zentral flüssiges Kältemittel aufgestrahlt, das radial über die Oberfläche des wärmeerzeugenden Elements abströmt, dabei Wärme aufnimmt, teilweise siedet, und Dampfblasen bildet. An zwei gegenüberliegenden Längsseiten eines jeden wärmeer­ zeugenden Elements sind sich in Längsrichtung dieser Seiten erstreckende zweite Düsen angeordnet, durch die über einen zweiten Verteiler zugeführtes flüssiges Kältemittel vor­ hangartig in die Räume zwischen benachbarten wärmeerzeugen­ den Elementen eingestrahlt wird. Die zweiten Düsen befinden sich dabei näher an der Ebene, die die Oberflächen der wärmeerzeugenden Elemente bilden, als die zentralen ersten Düsen, wodurch an der Oberfläche ein Mischstrom von seit­ lich zuströmendem flüssigen Kältemittel und zentral radial abströmendem flüssigen Kältemittel gebildet wird. Das erwärmte Kältemittel wird aus dem Gehäuse durch einen Auslaß abgeführt.

Bei der bekannten Anordnung der ersten und zweiten Düsen kann zwar eine teilweise, jedoch keine vollständige Kon­ densation der durch den Wärmeübergang beim Sieden auf den wärmeerzeugenden Elementen gebildeten Dampfblasen erreicht werden.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht nun darin, die gattungsgemäße Vorrichtung so auszugestalten, daß im wesentlichen alle durch den Wärmeübergang von den wärmeerzeugenden Elementen an das aufgestrahlte flüssige Kältemittel durch Sieden erzeugten Dampfblasen so schnell wie möglich nach ihrer Entstehung zum Kondensieren gebracht werden.

Diese Aufgabe wird ausgehend von der Vorrichtung der gat­ tungsgemäßen Art mit den im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmalen gelöst, die in den Unteransprüchen vorteilhaft weitergebildet sind.

Aufgrund der Strömungsführung des aus den zweiten Düsen ausgestrahlten flüssigen Kältemittels und durch die Um­ lenkung des Stroms des flüssigen Kältemittels mit Hilfe der Strömungsführungen nach dem Aufstrahlen auf die Oberflächen der wärmeerzeugenden Elemente unter Einbeziehung der das Mischen unterstützenden Auslaßöffnungen läßt sich eine sehr schnelle Kondensation der gebildeten Dampfblasen erreichen, wodurch die gesamte, von den wärmeerzeugenden Elementen abzuführende Wärme gesteigert werden kann.

Es werden chemisch stabile, nicht korrodierende und elek­ trisch isolierende Kältemittel verwendet, deren Siedepunkt zwischen Raumtemperatur und 85°C liegt. Bevorzugt sind Fluorkohlenstoffkältemittel und halogenierte Kohlenwasser­ stoffkältemittel.

Anhand von Zeichnungen werden Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 in einer Schnittansicht eine erste Ausführungsform der Vorrichtung,

Fig. 2 perspektivisch im Schnitt eine Einzelheit der Vor­ richtung von Fig. 1,

Fig. 3 in einer Darstellung wie Fig. 2 eine zweite Aus­ führungsform der Vorrichtung,

Fig. 4 schematisch die Auslaßöffnung der Strömungsführun­ gen von Fig. 3,

Fig. 5 perspektivisch in einer Einzelheit wie Fig. 3 eine dritte Ausführungsform der Vorrichtung und

Fig. 6 in einer Schnittansicht von Fig. 1 einen modifi­ zierten Auslaß.

Die in den Figuren gezeigten wärmeerzeugenden Elemente 2 sind Halbleitervorrichtungen, von denen jede einen LSI-Chip aufweist. Dabei ist eine Vielzahl der wärmeerzeugenden Elemente 2 auf einer mehrschichtigen gedruckten Schaltungs­ platte 3 aus Keramik angeordnet, wodurch ein Multichip- Modul 1 gebildet wird, das mittels eines Gehäuses 4 dicht abgeschlossen ist.

Das Gehäuse 4 hat erste Düsen 5a und zweite Düsen 6a, durch die jeweils flüssiges Kältemittel 11 strahlförmig auf die wärmeerzeugenden Elemente 2 aufgebracht wird, sowie ein Abführrohr 7, durch welches erwärmtes Kältemittel 12 abge­ führt wird. Über dem Gehäuse 4 ist für dessen Abdeckung ein Verteiler 8 für flüssiges Kältemittel 11 angeordnet, der einen Einlaß 9 und einen Auslaß 10 aufweist, welcher mit dem Abführrohr 7 verbunden ist. Der Auslaß 10 ist mit dem Einlaß 9 unter Zwischenschaltung einer externen Kühlvor­ richtung und einer Druckpumpe durch Rohre verbunden, was nicht gezeigt ist.

Wie in Fig. 1 und 2 gezeigt ist, ist eine Vielzahl der zweiten Düsen 6a jeweils konzentrisch um eine erste Düse 5a angeordnet. Ferner ist um jede der ersten Düsen 5a stromab von der Mündung der zweiten Düsen 6a ein scheibenförmiger Vorsprung 15 ausgebildet, durch den die Strömungsrichtung des aus den zweiten Düsen 6a ausströmenden flüssigen Kälte­ mittels 11 geändert wird. Über den wärmeabgebenden Elemen­ ten 2 sind am Gehäuse 4 Strömungsführungen 16 gehalten, die die wärmeerzeugenden Elemente 2 umgeben. Zwischen jeder Strömungsführung 16 und dem Gehäuse 4 ist eine Auslaß­ öffnung 17 zum Abführen von erwärmtem Kältemittel 12 an­ geordnet.

Das von den ersten Düsen 5a strahlförmig abgegebene flüssi­ ge Kältemittel 11 trifft auf die wärmeerzeugenden Elemente 2 und erwärmt sich dabei auf eine Temperatur oberhalb seines Siedepunkts, wodurch Dampfblasen gebildet werden, wodurch eine hohe Wärmeaufnahme möglich wird. Das erwärmte Kältemittel 12, das die Dampfblasen mit sich führt, wird durch die Strömungsführung 16 in eine Richtung geführt, die zu der Richtung entgegengesetzt ist, in welcher das flüssi­ ge Kältemittel 11 aus den ersten Düsen 5a ausgestrahlt wird. Das flüssige Kältemittel aus den zweiten Düsen 6a wird durch die scheibenförmigen Vorsprünge 15 abgelenkt und bewirkt im Bereich der Auslaßöffnungen 17 einen Injektions­ effekt, der zum zwangsweisen Ansaugen des erwärmten Kälte­ mittels 12 führt. Es ergibt sich eine heftige Vermischung zwischen dem flüssigen Kältemittel 11 aus den zweiten Düsen 6a und dem von den Strömungsführungen 16 umgelenkten er­ wärmten Kältemittel 12 im Bereich der Auslaßöffnungen 17, wodurch die Temperatur des erwärmten Kältemittels 12 schnell absinkt und die darin enthaltenen Dampfblasen wirksam kondensieren, so daß ein im Wesentlichen dampf­ blasenfreier Strom des erwärmten Kältemittels 12 zum Auslaß 10 gelangt und dennoch eine verstärkte Kühlung der wärmeer­ zeugenden Elemente 2 durch die Verdampfung von flüssigem Kältemittel 11 erreicht werden kann.

Wenn die wärmeerzeugenden Elemente 2 lokal unterschiedlich Wärme erzeugen, kann die Größe der ersten Düsen 5a oder die der zweiten Düsen 6a entsprechend der lokalen Wärmeerzeu­ gung bemessen werden, um ausreichend flüssiges Kältemittel 11 auf die entsprechenden Stellen des wärmeerzeugenden Elements 2 aufzustrahlen.

Bei der in Fig. 3 und 4 gezeigten Ausführungsform hat jede Strömungsführung 16 nur zwei Abführöffnungen 17, die ein­ ander gegenüberliegend angeordnet sind. Dabei sind die Ab­ führöffnungen 17 benachbarter Strömungsführungen 16 jeweils um 90° zueinander versetzt. Da dadurch die Strömungsrich­ tungen (siehe Pfeile in Fig. 4) der Ströme des erwärmten flüssigen Kältemittels 12 aus den Abführöffnungen 17 je­ weils verschieden sind, stören sie einander nicht.

Bei der in Fig. 5 gezeigten Ausführungsform ist die zweite Düse 6c als radiale Öffnung in der Wand der ersten Düse 5b stromauf von dem scheibenförmigen Vorsprung 15 ausgebildet. Durch die ersten Düsen 5b wird vom Verteiler flüssiges Kältemittel 11 zugeführt und gegen die wärmeerzeugenden Elemente 2 gerichtet. Ein Teil des flüssigen Kältemittels 11 strömt aus den ersten Düsen 5b durch die in ihrer Wand ausgebildeten zweiten Düsen 6c oberhalb des ringförmigen Vorsprungs 15, wodurch an der in Fig. 5 nicht gezeigten Auslaßöffnung der Strömungsführung durch die vorstehend beschriebene Vermischung die gewünschte Abkühlung und Dampfblasenkondensation erfolgt. Da die zweite Düse 6c lediglich als Radialbohrung durch die Wand der ersten Düse 5b ausgeführt zu werden braucht, läßt sich die Herstellung der Kühlvorrichtung vereinfachen.

Die in Fig. 6 gezeigte Ausführungsform der Kühlvorrichtung entspricht der von Fig. 2, mit der Ausnahme, daß das Ab­ führrohr 7 nicht mit dem Auslaß 10 verbunden ist, sondern zwischen ihnen ein koaxialer Spalt 18 vorhanden ist, durch den flüssiges Kältemittel 11 aus dem Verteiler 8 direkt in den Auslaß 10 strömen kann, so daß eventuell noch vorhande­ ne Dampfblasen kondensieren.

Wenn das Abführrohr 7 und der Auslaß 10 miteinander ver­ bunden sind, kann im Abführrohr 7 eine in den Verteiler 8 mündende Öffnung vorgesehen sein, durch die dann ebenfalls flüssiges Kältemittel 11 in den Auslaß 10 gelangen kann.

Claims (5)

1. Vorrichtung zum Kühlen wärmeerzeugender Elemente (2)

• - mit einem Gehäuse (4), dessen eine Seite von den Wärmeerzeugenden Elementen (2) gebildet wird und das einen Auslaß (7, 10) aufweist,
• - mit einem Verteiler (8), der auf der anderen Seite des Gehäuses (4) angeordnet ist und einen Einlaß (9) aufweist,
• - mit ersten Düsen (5a, 5b), deren eine Enden in den Verteiler (8) münden und deren andere Enden den wärmeerzeugenden Elementen (2) gegenüberliegen, und
• - mit zweiten Düsen (6a, 6b, 6c), die angrenzend an die ersten Düsen (5a, 5b) angeordnet sind,
• - wobei über den Einlaß (9) den ersten Düsen (5a, 5b) und zweiten Düsen (6a, 6b, 6c) flüssiges Kältemittel (11) zugeführt wird, das durch die ersten Düsen (5a, 5b) auf die wärmeerzeugenden Elemente (2) strahlför­ mig aufgebracht wird, sich dabei erwärmt und teil­ weise unter Bildung Blasen verdampft, das durch die zweiten Düsen (6a, 6b, 6c) dem so erwärmten Kälte­ mittel (12) zur Kondensation der Blasen zugemischt wird und das als erwärmtes flüssiges Kältemittel durch den Auslaß (7, 10) für eine Rückkühlung abge­ führt wird, dadurch gekennzeichnet,
• - daß die zweiten Düsen (6a, 6b, 6c) konzentrisch um jede der ersten Düsen (5a, 5b) herum angeordnet sind,
• - daß stromab von den Mündungen der zweiten Düsen (6a, 6b, 6c) um die ersten Düsen (5a, 5b) herum ein scheibenförmiger Vorsprung (15) angeordnet ist und
• - daß die wärmeerzeugenden Elemente (2) umgebende, sich koaxial zu den ersten Düsen (5a, 5b) hin er­ streckende Strömungsführungen (16) vorgesehen sind, die zwischen sich und dem Gehäuse (4) Auslaßöffnun­ gen (17) aufweisen,
• - wobei das von den wärmeerzeugenden Elementen (2) er­ wärmte, Blasen mitführende Kältemittel (12) von den Strömungsführungen (16) entgegengesetzt zur Aus­ strömrichtung aus den ersten Düsen (5a, 5b) umge­ lenkt und in das aus den zweiten Düsen (6a, 6b, 6c) als Strahl abgegebene flüssige Kältemittel (11) gesaugt und diesem in den Auslaßöffnungen (17) zu­ gemischt wird.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer vierseitig rechtwinkligen Ausgestaltung der Strömungsführungen (16), die einer ersten Düse (5a) zugeordneten Abführöffnungen (17) auf zwei ein­ ander gegenüberliegenden Seiten der entsprechenden Strömungsführung (16) angeordnet sind und zu den Abführöffnungen (17) von benachbarten ersten Düsen (5b) jeweils um 90° versetzt sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die zweiten Düsen (6a, 6b) koaxial zu den ersten Düsen (5a) angeordnet sind.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die zweiten Düsen (6c) sich durch die Wand der ersten Düsen (5b) erstreckende radiale Öff­ nungen sind.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen zwischen dem Verteiler (8) und dem Auslaß (7, 10) ausgebildeten, zum Auslaß (7, 10) koaxialen Spalt (18) für den Eintritt von flüssi­ gem Kältemittel (11) in das erwärmte Kältemittel (12) im Auslaß (7, 10).