DE4333373B4

DE4333373B4 - Elektronisches Gerät

Info

Publication number: DE4333373B4
Application number: DE4333373A
Authority: DE
Inventors: Takayuki Atarashi; Toshio Hatada; Takahiro Daikoku; Nobuo Kawasaki; Toshiki Iino; Tamotsu Tsukaguchi; Kenichi Kasai; Fumiyuki Kobayashi; Yoshito Hayashi
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1992-09-30
Filing date: 1993-09-30
Publication date: 2006-04-20
Anticipated expiration: 2013-10-01
Also published as: US5592363A; DE4333373A1

Abstract

Elektronisches Gerät, mit
mehreren wärmeerzeugenden Halbleiterbauelementen (21), die an einer Platte (20) angebracht sind;
mehreren Kühlelementen (22), die an entsprechenden wärmeerzeugenden Halbleiterbauelementen (21) über eine wärmeleitende Verbindung befestigt sind, wobei die Kühlelemente (22) so angeordnet sind, daß sie die Richtung (27) der Strömung und der Abführung eines Kühlungsmediums wie etwa Luft durch diese Anordnung bestimmen; und
einer Abführungskammer (36) für den Durchgang einer konfluenten Strömung (28) des Kühlungsmediums, die aus den Anteilen des erwärmten Kühlungsmediums zusammengesetzt ist, die von den Kühlelementen (22) ausgegeben werden,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Kühlelemente (22) so angeordnet sind, daß die Richtungen (27) der Strömung und der Abführung des Kühlungsmediums durch die Kühlelemente (22) im wesentlichen identisch sind, wobei jedes Kühlelemente (22) mit dem Anteil des Kühlungsmediums beschickt wird, der durch eine Düse (23) strömt, die an dem dem wärmeerzeugenden Halbleiterbauelement (21) entgegengesetzten Ende des Kühlelementes (22) vorgesehen...

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein elektronisches Gerät nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs. Ein solches elektronisches Gerät ist aus der JP-2-34993 A bekannt.
Elektronische Geräte, die mehrere wärmeerzeugende Halbleiterbauelemente enthalten, die auf einer Leiterplatte wie etwa einer gedruckten Leiterplatte oder einer Keramikplatte angebracht sind, sind bekannt. Ein typisches herkömmliches System zum Kühlen der Halbleiterbauelemente verwendet an jedem solchen Halbleiterbauelement vorgesehene Kühlrippen in Kombination mit Kühlungsluft, die von einer zur anderen Seite des elektronischen Gerätes geschickt wird, um diese wärmeerzeugenden Halbleiterbauelemente nacheinander zu kühlen. Mit diesem herkömmlichen Kühlungssystem kann jedoch die momentane Entwicklung zu erhöhten Wärmeerzeugungsraten durch Halbleiterbauelemente in elektronischen Geräten der oben beschriebenen Art nicht beherrscht werden. Die Kühlungsluft wird nämlich nach der Kühlung der stromaufseitigen Halbleiterbauelemente auf eine Temperatur erwärmt, die zu hoch ist, um die stromabseitig angeordneten Halbleiterbauelemente wirksam zu kühlen. Daher ist ein Kühlungssystem vorgeschlagen worden, in dem die Kühlrippen, die große Wärmeabstrahlungsflächen und somit eine ausgezeichnete Kühlungsleistung besitzen, auf jedem der wärmeerzeugenden Halbleiterbauelemente vorgesehen sind und die Kühlungsluft gleichmäßig und getrennt mittels einer Kammer und mittels Düsen, die oberhalb dieser Rippen angeordnet sind, ohne wesentlichen Luftverlust an diese Kühlrippen der wärmeerzeugenden Halbleiterbauelemente geführt wird. Ein Beispiel eines solchen Kühlungssystems ist aus der JP-2-34993 A bekannt.
Dieses bekannte Luftkühlungssystem wird nun mit Bezug auf die 31 und 32 beschrieben. Wie in 31 gezeigt, umfasst ein elektronisches Gerät eine Leiterplatte 1 und eine Anzahl von wärmeerzeugenden LSI-Schaltungen 2, die an der Leiterplatte 1 angebracht sind. An jeder LSI-Schaltung 2 ist ein Kühlelement 3 mit Kühlrippen vorgesehen, wobei an einer Kammer 4 oberhalb der LSI-Schaltungen 2 über entsprechende Düsen 5 Kühlungsluft zugeführt wird, um so die LSI-Schaltungen 2 zu kühlen. Nach der Kühlung des Kühlelementes wird die Luft durch eine Öffnung 6 in zwischen benachbarten Kühlelementen 3 gebildete Luftabführungsrume 8 entlassen und über einen solchen Abführungsraum 8 abgeführt, wie durch die Pfeile 7 angegeben ist.
Wie aus der Draufsicht der 32 hervorgeht, sind die LSI-Schaltungen 2 mit mehreren Kühlelementen 3 in Form einer regelmäßigen Matrix mit mehreren Reihen und mehreren Spalten angeordnet, so das sich die Luftanteile 9 von den Kühlelementen 3 benachbarter Spalten miteinander mischen und in derselben Richtung abgeführt werden, wie durch den Pfeil 10 angezeigt ist.
Daher bildet in diesem bekannten Kühlungssystem jeder Raum zwischen benachbarten Spalten der LSI-Schaltungen 2 oder der Kühlrippen 3 einen Luftabführungskanal, durch den die Luftanteile nach der Kühlung der Halbleiterbauelemente von benachbarten Spalten gemeinsam in die Umgebung abgeführt werden.
Die derzeitige Entwicklung zu höheren Betriebsgeschwindigkeiten und höheren Packungsdichten der Halbleiterbauelemente von elektronischen Geräten macht es erforderlich, dass die wärmeerzeugenden Halbleiterbauelemente mit einem hohen Dichtegrad angeordnet werden, so dass es schwierig wird, große Räume für die Abführung der Luft zwischen den wärmeerzeugenden Halbleiterbauelementen beizubehalten. Dies zieht die folgenden Probleme nach sich.
Es ist schwierig, einen Luftabführungsraum auszubilden, der groß genug ist, um die Luft zwischen benachbarten Halbleiterbauelementen oder Kühlelementen aufzunehmen und abzuführen. Wenn daher die Kühlungsluft an jedes Kühlelement in der erforderlichen Menge geliefert wird, dringen die Kühlungsluftanteile von diesen Kühlelementen nacheinander in den gemeinsamen Abführungskanal mit begrenztem Volumen, so dass sie sich vermischen und eine Luftströmung von hoher Geschwindigkeit bilden. Dies hat eine ernsthafte Zunahme des Strömungswiderstandes für die Strömung der abzuführenden Luft zur Folge. Die erhöhte Strömungsgeschwindigkeit kann außerdem zu einem höheren Fluid-Geräuschpegel führen. Wenn darüber hinaus die für die zwangsläufige Zuführung der Kühlungsluft zur Verfügung stehende Leistung begrenzt ist, wird die Zufuhrrate für die Kühlungsluft abgesenkt, wodurch die Kühlungsleistung verschlechtert wird.
Die Zunahme des Strömungswiderstandes im Luftabführungskanal führt außerdem zu dem Problem, dass die Kühlungsluft nicht gleichmäßig an sämtliche wärmeerzeugenden Halbleiterbauelemente geführt werden kann, weil die Kühlelemente, die sich näher am Auslass des Abführungskanals befinden, Luft mit ausreichend hohen Raten empfangen können, während die Kühlelemente, die sich vom Auslass weiter entfernt befinden, mit der Kühlungsluft nicht mit ausreichend hohen Raten beschickt werden können. Eine solche ungleichmäßige Verteilung der Luftbeschickungsraten bewirkt eine ungleichmäßige Temperaturverteilung über den wärmeerzeugenden Halbleiterbauelementen der elektronischen Einrichtung.
Die oben beschriebenen Probleme werden nicht nur dann festgestellt, wenn aufgrund der zu hohen Anbringungsdichte von wärmeerzeugenden Halbleiterbauelementen keine großen Räume für die Bildung eines Luftabführungskanals zwischen benachbarten wärmeerzeugenden Halbleiterbauelementen gebildet werden können, sondern auch dann, wenn die wärmeerzeugenden Halbleiterbauelemente Wärme mit äußerst hohen Raten erzeu gen.
In den bekannten elektronischen Geräten ändert sich die Querschnittsflache des Luftabführungskanals entsprechend dem Zwischenraum zwischen den wärmeerzeugenden Halbleiterbauelementen oder Kühlelementen. Daher wird die Querschnittsfläche in gewissem Maß von der Anordnung der wärmeerzeugenden Halbleiterbauelemente beherrscht. Das heißt, dass die Richtung der Hauptströmung der Luft nach der Kühlung physikalisch durch die Position der im Gehäuse des elektronischen Gerätes gebildeten Abführöffnung und von der Anordnung der wärmeerzeugenden Halbleiter bestimmt ist. Mit anderen Worten, es ist schwierig geworden, die Richtung der Hauptströmung der Luft nach der Kühlung durch die Struktur der Kühlelemente oder durch die Konstruktionen von Kanalsystemen und Düsen zu bestimmen.
Ferner besitzt das dargestellte bekannte Kühlungssystem, in dem die zwischen benachbarten wärmeerzeugenden Halbleiterbauelementen oder Kühlelementen gebildeten Zwischenräume als Luftkanal für die nach der Kühlung miteinander vermischten Luftanteile dienen, den Nachteil, dass die von den stromaufseitigen wärmeerzeugenden Halbleitern erwärmte Luft auf die stromabseitigen wärmeerzeugenden Halbleiter auftrifft, so dass die Kühlungswirkung an den stromabseitigen Halbleitern verschlechtert ist. Ferner dringt die durch die Kühlung der Kühlelemente erwärmte Luft in andere Bereiche des elektronischen Gerätes ein, so dass sie durch das Kühlungsluftgebläse erneut angesaugt wird oder andere elektronische Komponenten erwärmt.
Mittlerweile ist eine höhere Dichte der LSI-Packung auch im Gebiet der Computer gefordert, um der derzeitigen Forderung nach höheren Betriebsgeschwindigkeiten der Computer nachzukommen. Folglich wird die Dichte der Wärmeerzeugung teilweise deswegen erhöht, weil jede LSI-Schaltung mehr Wärme erzeugt, und teilweise deswegen, weil die Packungsdichte der LSI-Schaltungen gross ist. Das bedeutet, dass eine effiziente Kühlung der LSI-Schaltungen zunehmend wichtiger wird. Wie weiter oben bereits angegeben worden ist, verwendet ein herkömmliches System für die Kühlung von an einer Leiterplatte wie etwa einer gedruckten Leiterplatte oder einer Keramikplatte angebrachten Halbleiterelementen bisher Kühlrippen, die an jedem Halbleiterbauelement vorgesehen sind, wobei die Kühlungsluft von einer Seite zur anderen des elektronischen Geräts geschickt wird, um diese wärmeerzeugenden Halbleiterbauelemente nacheinander zu kühlen. Mit diesem herkömmlichen Kühlungssystem kann jedoch die momentane Entwicklung zu erhöhten Wärmeerzeugungsraten durch die Halbleiterbauelemente in elektronischen Geräten der oben beschriebenen Art nicht beherrscht werden. Die Kühlungsluft ist nämlich nach der Kühlung der stromaufseitigen Halbleiterbauelemente auf eine Temperatur erwärmt, die zu hoch ist, um auch noch die stromabseitigen Halbleiterbauelemente wirksam zu kühlen. Um diese Probleme zu beseitigen, sind beispielsweise in der JP-2-34993 A und in der Gebrauchsmusteranmeldung JP-1-113335 U verbesserte Kühlungssysteme vorgeschlagen worden, in denen Kühlrippen mit großen Wärmeabstrahlungsflächen und folglich mit ausgezeichneter Kühlungsleistung an jedem der wärmeerzeugenden Halbleiterbauelemente vorgesehen sind und die Kühlungsluft gleichmäßig und getrennt mittels einer Kammer und mittels Düsen, die oberhalb dieser Rippen angeordnet sind, von einem Gebläse ohne wesentlichen Luftverlust an die Kühlrippen dieser wärmeerzeugenden Halbleiterbauelemente geleitet wird.
Die 33A und 33B zeigen ein Beispiel derartiger verbesserter Kühlungssysteme, insbesondere ein System des Typs, der in der JP-2-34993 A offenbart ist. Wie in diesen Figuren gezeigt, sind auf einer (nicht gezeigten) Platte mehrere LSI-Schaltungen 101 angebracht, die Wärmequellen darstellen. Auf jeder der LSI-Schaltungen 101 ist ein Kühlelement 103 vorgesehen, das aus Kühlrippen 102 aufgebaut ist. Die Kühlungsluft wird an jede LSI-Schaltung 101 über eine Düse zugeführt, die die gesamte Fläche des Kühlelementes 103 auf jeder LSI-Schaltung 101 ab deckt, um die LSI-Schaltung 101 zu kühlen. Die Luft wird nach der Kühlung vom Kühlelement 103 über Öffnungen 104 abgeführt. Obwohl die Kühlungsluft durch die die gesamte Fläche des Kühlelementes 103 abdeckende Düse an sämtliche Kühlrippen des Kühlelements 103 geleitet und gleichmäßig verteilt wird, wird in dem Kühlelement 103 ein Strömungsgeschwindigkeit-Verteilungsmuster von einer Art gebildet, bei dem die Strömungsgeschwindigkeit im Bereich um die Fußenden der mittleren Kühlrippen aufgrund des Strömungswiderstandes am niedrigsten ist, da die Luft wegen des Strömungswiderstandes durch die Spalten 102 zwischen den Kühlrippen zu den Öffnungen 104 strömt. Folglich ist im Chip der LSI-Schaltung eine Temperaturverteilung von der Art vorhanden, bei der die Temperatur im mittigen Bereich des Chips am höchsten ist. Es ist daher schwierig, jeden LSI-Chip gleichmäßig zu kühlen.
Angesichts dieses Problems schlägt die Gebrauchsmusteranmeldung JP-1-113355 U ein anderes Luftkühlungssystem vor, in dem der Kühlungslufteinlass 105 an der Oberseite des Kühlelementes 103 begrenzt ist, so dass nur der mittlere Bereich des Kühlelementes 103 hiervon bedeckt ist, um die Kühlungsluft auf die mittigen Kühlrippen des Kühlelementes 103 zu konzentrieren. Obwohl in diesem Kühlungssystem die Strömung der Kühlungsluft auf den mittigen Bereich des Kühlelementes konzentriert wird, wird im Kühlelement aufgrund des Strömungswiderstandes ein Geschwindigkeitsgradient der Kühlungsluft aufgebaut, wenn die Luft durch die Spalten zwischen den Kühlrippen zu den Öffnungen 106 strömt, die in beiden Seitenwänden des Kühlelementes 103 gebildet sind. Es ist daher schwierig, die Geschwindigkeit der Kühlungsluft im Bereich in der Nähe der Fußenden der Kühlrippen, die sich im mittleren Bereich des Kühlelementes befinden, merklich zu erhöhen. Allgemein wird der Punkt, an dem ein Fluid mit einer Wand kollidiert, als "Staupunkt" bezeichnet. In der Umgebung eines jeden solchen Staupunkts tritt ein Stau des Fluids auf. Die Geschwindigkeit des Fluids kann niemals gesteigert werden, jedoch kann die Geschwindigkeit des Fluids, das mit der Wand kollidiert, erhöht werden.
Ein Staupunkt ist im mittleren Bereich des Halbleiterbauelementes 101 vorhanden, so dass ein Temperaturgradient gebildet wird, derart, dass die Temperatur im mittleren Bereich des Halbleiterbauelementes am höchsten ist und somit eine gleichmäßige Kühlung des Halbleiterbauelementes nicht erreicht wird.
Die US 4 674 004 beschreibt ein Luftkühlungssystem zur Kühlung von Systemen mit einer hohen Dichte von Halbleiterbauelementen. Hierfür wird die Kühlluft über ein Saugrüsselsystem angesaugt, in eine Kammer geführt und von dort in fingerartigen Kanälen über die elektrischen Bauelemente geführt. Ein System mit direkter Zufuhr von Kühlluft auf jedes einzelne Halbleiterbauelement ist nicht beschrieben.
Angesichts der oben beschriebenen technischen Probleme ist die vorliegende Erfindung gemacht worden.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein gattungsgemäßes elektronisches Gerät so zu verbessern, dass die Kühlluft tief in die Kühlelemente eindringen kann und die aufgewärmte Kühlluft effektiv abgeführt wird, selbst wenn das elektronische Gerät eine dichte Packung von Halbleiterbauelementen aufweist.
Diese Aufgabe wird bei einem elektronischen Gerät erfindungsgemäß gelöst durch die im Anspruch angegebenen Merkmale.
In dem erfindungsgemäßen elektronischen Gerat sind die Kühlelemente an entsprechenden wärmeerzeugenden Halbleiterbauelementen befestigt, wobei die Düsen in Kontakt mit diesen Kühlelementen vorgesehen sind. Um die Düsen sind eine Abführungskammer oder Abführungsräume gebildet, um Durchlässe für das erwärmte Kühlungsmedium zu schaffen. Selbst wenn daher die wärmeerzeugenden Halbleiterbauelemente in einer Ebene mit einer so hohen Dichte angeordnet sind, dass es unmöglich ist, zwi schen benachbarten wärmeerzeugenden Halbleiterbauelementen oder zwischen benachbarten Kühlelementen große Abführungsräume zu finden, ist es erfindungsgemäß möglich, einen ausreichend großen Luftabführungskanal zu bilden, indem der Raum genutzt wird, der den Oberseiten der Kühlelemente zugewandt ist, die den wärmeerzeugenden Halbleiterbauelementen entgegengesetzt sind und sich entlang den Düsenwandflachen in einer zur Strömungs- und Abführungsrichtung des Kühlungsmediums durch die Kühlelemente im Wesentlichen senkrechten Richtung erstrecken. Folglich strömt der Hauptteil der konfluenten Strömung des erwärmten Kühlungsmediums längs dieses großen Abführungskanals. Im Ergebnis wird die Strömungsgeschwindigkeit des abzuführenden Kühlungsmediums abgesenkt, was wiederum den Strömungswiderstand, auf den die Strömung des abzuführenden Kühlungsmediums trifft, reduziert, so dass eine verbesserte Kühlungsleistung der Kühlelemente und ein verringerter Geräuschpegel erhalten werden. Die Reduzierung des Strömungswiderstandes ermöglicht es außerdem, das Kühlungsmedium mit einer ausreichend hohen Rate selbst an diejenigen Kühlelemente zu leiten, die das Kühlungsmedium aufgrund der vom demselben zurückzulegenden großen Strecke zum Abführungsauslass wahrscheinlich mit kleineren Raten empfangen. Folglich ist es möglich, eine gleichmäßige Strömungsratenverteilung und somit eine gleichmäßige Temperaturverteilung über sämtlichen im elektronischen Gerät enthaltenen wärmeerzeugenden Halbleiterbauelementen zu verwirklichen. Da ferner die Strömung des Kühlungsmediums während der Zufuhr, der Kühlung und der Abführung wiederholt um ungefähr 90° oder um ungefähr 180° abgelenkt wird, können die im Gebläse, in den Kühlelementen und in anderen Bereichen des Strömungsweges erzeugten Geräusche wirksam absorbiert werden, wenn die Luft längs des Weges strömt, so dass das elektronische Gerät mit verringertem Geräuschpegel arbeiten kann.
Es ist ferner hervorzuheben, dass, da der Hauptteil der konfluenten Strömung des erwärmten Kühlungsmediums längs des Raums strömt, der den oberen Endflächen der Kühlelemente zugewandt ist und sich längs den Düsenwandflächen erstreckt, nur ein kleiner Anteil des so erwärmten Kühlungsmediums mit den Kühlelementen und den wärmeerzeugenden Halbleiterbauelementen, die sich im stromabseitigen Bereich bei Betrachtung in Richtung der Strömung des abzuführenden Kühlungsmediums befinden, in Kontakt gelangen kann. Folglich kann die Verringerung der Kühlungsleistung solcher stromabseitiger Kühlelemente, die andernfalls aufgrund des Kontakts mit dem erwärmten Kühlungsmediums auftreten würde, vorteilhaft vermieden werden.
Wenn ferner die Düsen so angeordnet sind, dass der Abstand zwischen benachbarten Düsen in Richtung der Strömung und der Abführung des Kühlungsmediums durch die Kühlelemente größer als in der hierzu senkrechten Richtung ist, wird der Hauptteil der konfluenten Strömung in dem Raum zwischen benachbarten Düsen gebildet, die in Richtung der Strömung und der Abführung des Kühlungsmediums durch die Kühlelemente einander zugewandt sind, während in dem Raum zwischen benachbarten Düsen, die in der zur Richtung der Strömung und der Abführung des Kühlungsmediums in den Kühlelementen senkrechten Richtung einander zugewandt sind, ein kleinerer Teil der konfluenten Strömung gebildet wird.
Die Trennwand, die die wärmeerzeugenden Halbleiterbauelemente umgibt, leitet das erwärmte Kühlungsmedium effizient von den Kühlelementen an einen Abführungsauslass, der im Gehäuse des elektronischen Gerätes ausgebildet ist. Die Trennwand dient außerdem dazu, ein Eindringen des erwärmten Kühlungsmediums nach dem Wärmeaustausch in andere keine Kühlung erfordernde Bereiche des Gerätes zu verhindern, so dass der unerwünschte Effekt beseitigt wird, der andernfalls bei in diesen Bereichen enthaltenen elektronischen Komponenten hervorgerufen würde.
In einer Ausführungsform der Erfindung ist der Abstand zwischen benachbarten Kühlelementen gemessen in Richtung der Strömung und der Abfüh rung des Kühlungsmediums durch die Kühlelemente so festgelegt, dass er größer als der Abstand zwischen benachbarten wärmeerzeugenden Halbleiterbauelementen gemessen in derselben Richtung ist. Folglich ist der Abstand zwischen gegenüberliegenden Endflächen benachbarter Kühlelemente erhöht, so dass der Strömungswiderstand gegenüber dem Kühlungsmedium reduziert ist, das um 180° abgelenkt wird und in den den oberen Endflächen der Kühlelemente und den Düsenwandflachen zugewandten Abführungsraum eintritt, nachdem das Kühlungsmedium von den Kühlelementen abgeführt worden ist. Der Strömungswiderstand gegenüber dem um 180° abgelenkten Kühlungsmedium wird weiter abgesenkt, wenn sich die Höhe der Kühlrippen des Kühlelementes so ändert, dass sie im mittleren Bereich am höchsten ist und zu den beiden seitlichen Enden abfallt, weil eine solche Höhenänderung der Kühlrippen den Abstand zwischen den Endflachen benachbarter Kühlelemente nach oben zu dem oben erwähnten Abführungskanal erhöht.
In einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die Position der Düse in Bezug auf das zugehörige wärmeerzeugende Halbleiterbauelement so festgelegt, dass die Düse vom Mittelpunkt des wärmeerzeugenden Halbleiterbauelementes zum Mittelpunkt des elektronischen Gerätes versetzt ist, wobei sich der Betrag des Versatzes entsprechend der Position des Halbleiterbauelementes ändert, derart, dass der Betrag des Versatzes bei denjenigen Halbleiterbauelementen am größten ist, die sich in den am weitesten außen liegenden Bereichen des elektronischen Gerätes befinden, und zum Mittelpunkt des elektronischen Gerätes abnimmt. Folglich wird die Beschickungsrate des Kühlungsmediums für die Kühlelemente in den am weitesten außen liegenden Bereichen absichtlich reduziert, weil diese Kühlelemente andernfalls aufgrund des geringeren Strömungswiderstandes als bei anderen Kühlelementen das Kühlungsmedium mit einer höheren Rate empfangen würden, so dass eine gleichmäßige Strömungsratenverteilung des Kühlungsmediums erhalten wird.
Die konvergierende Form der Düse reduziert den Strömungswiderstand gegenüber dem von der Kammer in die Düse eintretenden Kühlungsmedium, wodurch eine gleichmäßige Strömung des Kühlungsmediums in die Düse sichergestellt ist.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand bevorzugter Ausführungsformen mit Bezug auf die Zeichnungen näher erläutert; es zeigen:
1 eine horizontale Schnittansicht einer Ausführungsform eines elektronischen Gerätes gemäß dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung;
2 einen Frontaufriß der Ausführungsform von 1;
3 einen Seitenaufriß eines Teils der Ausführungsform von 1;
4 eine vergrößerte Ansicht der in 1 gezeigten Ausführungsform, wobei insbesondere ein Kühlelement in größerem Maßstab gezeigt ist;
5 eine Schnittansicht entlang der Ebene, die zu der Ebene von 4 senkrecht ist;
6 eine perspektivische Ansicht eines in der Ausführungsform von 1 eingebauten Kühlelementes;
7 eine diagrammartige Darstellung der optimalen Breite einer in der Ausführungsform von 1 eingebauten Düse;
8 einen Frontaufriß einer weiteren Ausführungsform des elektronischen Gerätes gemäß dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung;
9 einen Seitenaufriß der Ausführungform von 8;
10 einen Frontaufriß einer weiteren Ausführungsform des elektronischen Gerätes gemäß dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung;
11 eine horizontale Schnittansicht der Ausführungsform von 10;
12 einen Seitenaufriß der Ausführungsform von 10;
13 eine Darstellung einer abgewandelten Ausführungsform, in der ein Kühlelement mit anderer Form in größerem Maßstab gezeigt ist;
14 eine horizontale Schnittansicht einer anderen Ausführungsform des elektronischen Gerätes gemäß dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung;
15 eine Darstellung einer anderen Ausführungsform des elektronischen Gerätes gemäß dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung, die eine unterschiedliche Kammer-Düsen-Struktur besitzt;
16 eine horizontale Schnittansicht einer anderen Ausführungsform des elektronischen Gerätes gemäß dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung;
17 einen Frontaufriß der Ausführungsform von 16;
18 einen Frontaufriß einer anderen Ausführungsform des elektronischen Gerätes gemäß dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung;
19 eine perspektivische Ansicht einer anderen Ausführungsform des elektronischen Gerätes gemäß dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung, in der insbesondere eine andere Form des Kühlelementes dargestellt ist;
20 eine perspektivische Ansicht einer anderen Ausführungsform des elektronischen Gerätes gemäß dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung, in der insbesondere das Konstruktionsverfahren eines Düsenkanalsystems und einer Kammer gezeigt sind;
21 eine Darstellung eines Düsenkanalsystems bei Betrachtung aus drei zueinander senkrechten Richtungen;
22 eine teilweise im Schnitt dargestellte perspektivische Ansicht einer Kühleinrichtung
23 eine Schnittansicht der in 22 gezeigten Ausführungsform, die einen kritischen Teil der Ausführungsform veranschaulicht;
24 eine Schnittansicht einer abgewandelten Ausführungsform, die einen kritischen Teil derselben zeigt;
25 eine Schnittansicht einer weiteren abgewandelten Ausführungsform, die einen kritischen Teil derselben zeigt;
26 eine Schnittansicht einer weiteren abgewandelten Ausführungsform, die einen kritischen Teil derselben zeigt;
27 eine Schnittansicht einer weiteren Ausführungsform der Kühleinrichtung in der insbesondere ein kritischer Teil derselben gezeigt ist;
28 eine Schnittansicht einer Abwandlung der Ausführungsform von 27;
29 eine Draufsicht einer anderen Ausführungsform der Kühleinrichtung
30 einen Seitenausriß der Ausführungsform von 29;
31 die bereits erwähnte horizontale Schnittansicht eines herkömmlichen elektronischen Gerätes;
32 den bereits erwähnten Frontaufriß eines kritischen Teils des herkömmlichen elektronischen Geräts von 31;
33A, B die bereits erwähnte perspektivische Ansicht und die bereits erwähnte Schnittansicht eines kritischen Teils einer bekannten Kühleinrich tung; und
34A, B die bereits erwähnte perspektivische Ansicht bzw. die bereits erwähnte Schnittansicht eines kritischen Teils einer weiteren bekannten Kühleinrichtung.
Zunächst wird mit Bezug auf die 1 bis 7 eine erste Ausführungsform des elektronischen Gerätes gemäß dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung beschrieben.
1 ist eine horizontale Schnittansicht der ersten Ausführungsform des elektronischen Gerätes. Eine Platte 20 wie etwa eine gedruckte Leiterplatte oder eine Keramikplatte trägt mehrere wärmeerzeugende Halbleiterbauelemente 21, typischerweise elektronische Schaltungsmodule mit einer oder mehreren LSI-Schaltungen, die dicht, d.h. in großer Nähe nebeneinander angeordnet sind. Jedes Halbleiterbauelement 21 ist an seiner Oberseite mit Kühlelementen 22 versehen, die Wärme vom Halbleiterbauelement 21 effektiv an die Kühlungsluft übertragen. Das Kühlelement 22 enthält beispielsweise mehrere flächige Kühlrippen, die nebeneinander angeordnet sind, wobei die zwischen benachbarten Kühlrippen definierten Räume die Richtungen der Strömung und der Abführung der Kühlungsluft bestimmen. Vorzugweise ist das Kühlelement aus einem Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit wie etwa Kupfer, Aluminium oder wärmeleitenden Keramiken hergestellt.
Das Kühlelement ist mit dem zugehörigen Halbleiterbauelement über eine wärmeleitende Verbindung, beispielsweise mittels eines wärmeleitenden Fettes, einer wärmeleitenden Folie oder eines wärmeleitenden Klebstoffs, verbunden. Eine Düse 23 ist mit derjenigen Seite eines jeden Kühlelementes 22 dicht verbunden, die der Leiterplatte entgegengesetzt ist, d.h. mit der oberen Fläche des Kühlelementes 22 bei Betrachtung in 1, so daß Kühlungsluft in das Kühlelement 22 ohne jeglichen Verlust zugeführt werden kann. Somit besitzt das elektronische Gerät mehrere solche Düsen 23, die mit einer gemeinsamen Kammer 24 in Verbindung stehen, die die Luft von einer Luftbeschickungseinrichtung wie etwa einem (nicht gezeigten) Gebläse an diese Düsen 23 verteilt. Die Kühlungsluft 25 wird vom Gebläse in die Kammer 24 in der Richtung zugeführt, die durch die Markierung ⊗ bezeichnet ist, d.h., daß die Luft in der zur Zeichenebene in 1 senkrechten Richtung in diese Ebene hineinströmt. Die Luftströmung 25 wird anschließend in Anteile 26 unterteilt, die den jeweiligen Düsen 23 und dann den Kühlelementen 22 zugeführt werden, so daß sie durch diese hindurch strömen, wie durch die Pfeile 27 angedeutet ist. Die auf diese Weise in das Kühlelement 22 eingeleitete Kühlungsluft trifft auf die wärmeerzeugenden Halbleiterbauelemente auf und wird seitwärts in die Abführungsräume 36 beiderseits des Halbleiterbauelementes 21 abgelenkt. Die Luft nach der Kühlung, die von den Kühlelementen abgeführt wird, wird nacheinander vermischt und bildet eine Abführungsluftströmung 28, die zum Auslaß gerichtet ist.
2 ist ein Frontaufriß der Ausführungsform von 1. Die wärmeerzeugenden Halbleiterbauelemente 21 und folglich die Kühlelemente 22 sind in Form einer Matrix aus Zeilen und Spalten dicht, d.h. in großer gegenseitiger Nähe angeordnet. Die Strömung 27 der durch die Düse 23 zugeführten Kühlungsluft wird auf den mittigen Bereich des Kühlelementes 22 gerichtet und nach dem Auftreffen auf der Bodenplatte des Kühlelementes 22 in den 1 und 2 nach links und rechts abgelenkt, um aus dem Kühlelement 22 abgeführt zu werden. Die Kühlelemente 22 sind so angeordnet, daß die Richtungen der Luftströmung 27 in diesen Kühlelementen 22 zueinander parallel sind.
In der gezeigten Ausführungsform wird die Strömung der Kühlungsluft in jedem Kühlelement durch die flächigen Kühlrippen bestimmt. Daher sind die Kühlelemente in den wärmeerzeugenden Halbleiterbauelementen so angeordnet, daß ihre Kühlrippen zueinander parallel verlaufen. Wie aus 2 ersichtlich ist, ist die Breite der Düse in y-Richtung, die senkrecht zur Luftströmung 27 im Kühlele ment 22 ist, größer als die Breite des Kühlelementes 22, während die Düsenbreite in x-Richtung, die parallel zu der Luftströmung 27 im Kühlelement 22 ist, kleiner als die Breite des Kühelementes 22 ist. Die Anteile der aus den Kühlelementen austretenden Luft vereinigen sich nacheinander zu einer konfluenten Strömung 28 einer Abführungsluft, die anschließend durch den Abführungsraum 36 in die äußere Umgebung des Gehäuses abgeführt wird, wie durch das Bezugszeichen 30 angedeutet ist. Die Richtung der konfluenten Strömung 28 der Abführungsluft ist zur x-Richtung im wesentlichen senkrecht, in der die Kühlungsluft 27 während ihrer Abführung aus dem Kühlelement 22 strömt.
In der gezeigten Ausführungsform enthält eine Gruppe von wärmeerzeugenden Halbleiterbauelementen 21 zwanzig Halbleiterbauelemente, die in fünf Spalten mit jeweils vier solchen Bauelementen angeordnet sind. Diese Gruppe von wärmeerzeugenden Halbleiterbauelementen 21 ist von Trennwänden 29 umgeben, die die Luft von den Kühlelementen 22 zu dem Abführungsauslaß führen, der mit dem Gehäuse des elektronischen Gerätes verbunden ist. Die Trennwände 29 dienen außerdem dazu, andere Komponenten des elektronischen Gerätes gegenüber der warmen oder erwärmten Luft, die von den Kühlelementen 22 abgeführt wird, zu isolieren. Wenn die Wärmungserzeugungsrate eines jeden wärmeerzeugenden Halbleiterbauelementes groß ist, besitzt die vom Kühlelement abgeführte Luft naturgemäß eine höhere Temperatur. Außerdem ist auch die Strömungsgeschwindigkeit größer, weil die Luft an das wärmeerzeugende Halbleiterbauelement mit einer höheren Rate geliefert wird, um die Wärme entsprechend der größeren Wärmeerzeugungsrate abzuführen. Daher erhöht jeder Verlust der erwärmten Kühlungsluft in andere Bereiche des elektronischen Gerätes unerwünscht die Temperaturen der anderen elektronischen Komponenten, wodurch die Zuverlässigkeit des gesam ten Gerätes negativ beeinflußt wird. Somit bilden die Trennwände 29 eine wirksame Maßnahme für die Verbesserung der Zuverlässigkeit. Die Trennwände dienen außerdem dazu, daß verhindert wird, daß zu den anderen Komponenten des elektronischen Geräts Staub geblasen wird.
3 ist ein Seitenaufriß der Ausführungsform von 1 bei Betrachtung von rechts.
Die gemeinsame Kammer 24 überdeckt die Düsen 23, durch die die Kühlungsluft an die jeweiligen Kühlelemente 22 zugeführt wird. Ein Gebläsekasten 31, der ein Gebläse 32 enthält, ist mit der Kammer 24 verbunden. Wie durch den Pfeil 33 angedeutet, wird Luft durch das Gebläse 32 durch einen Luftfilter 34 angesaugt, durch das Gebläse mit Druck beaufschlagt und durch eine Strömungsausrichtplatte 35, die dazu dient, eine gleichmäßige Strömungsgeschwindigkeitsverteilung im Querschnitt des zur Kammer 24 führenden Luftkanalsystems zu schaffen, in die Kammer 24 geleitet. Die in die Kammer 24 eingeleitete Luft wird dann in Anteile 37 abgelenkt, die in die jeweiligen Düsen 23 eingeleitet werden und dadurch die Kühlelemente 22 kühlen. Die in die Kühlelemente 22 eingeleitete Luft wird abgelenkt und strömt dann in die Abführungsräume, die zwischen benachbarten Düsen definiert sind, um sich mit den Anteilen der Luft von den stromaufseitigen und stromabseitigen Kühlelementen 22 zu vereinigen und eine konfluente Strömung 28 zu bilden, die anschließend aus dem elektronischen Gerät abgeführt wird, wie durch den Pfeil 30 angedeutet ist.
Somit vereinigen sich in der gezeigten Ausführungsform die von einer Mehrzahl von Kühlelementen abgeführten Anteile der Kühlungsluft und bilden eine konfluente Strömung 28, deren Hauptteil längs einer Endfläche des Kühlelementes 22 strömt, die sich senkrecht (in y-Richtung) zur Düse 23, d.h. zu den oberen Endflächen der Kühlrippen und längs den die Düsen definierenden Wänden erstreckt. Das bedeutet, daß die den Hauptteil der konfluenten Strömung 28 bildende Luft längs der zwischen benachbarten Düsen 23 definierten Abführungsräume 36 strömt und durch diese abgeführt wird. Folglich können die wärmeerzeugenden Halbleiterbauelemente in einer Ebene auf der Platte mit sehr hoher Dichte angeordnet werden. Eine solche dichte Anordnung der wärmeerzeugenden Halbleiterbauelemente erschwert die Beibehaltung von großen Räumen zwischen benachbarten wärmeerzeugenden Halbleiterbauelementen oder Kühlelementen, die der Abführung der Kühlungsluft nach der Kühlung dienen. In der gezeigten Ausführungsform ist es jedoch möglich, die Abführungsräume 36 von ausreichender Größe beizubehalten, so daß die Kühlungsluft gleichmäßig zwischen den benachbarten Düsen 23 geleitet und abgeführt werden kann.
Somit wird in der gezeigten Ausführungsform der Hauptteil der die konfluente Strömung 28 bildenden Strömung durch den Abführungsraum 36 mit großem Querschnitt abgeführt, so daß die Strömungsgeschwindigkeit der konfluenten Strömung 28 entsprechend abnimmt. Folglich wird der Strömungswiderstand der abzuführenden Luft reduziert, was eine Verbesserung hinsichtlich der Kühlungsleistung des Kühlelementes und eine Reduzierung des Geräuschpegels ermöglicht. In der herkömmlichen Kühlungsanordnung ist die Zufuhr der Kühlungsluft an die vom Abführungsauslaß entfernten Kühlelemente wegen des großen Abstandes zwischen den Kühlelementen und dem Auslaß oftmals unzureichend. In der erläuterten Ausführungsform ist dieses Problem jedoch ebenfalls beseitigt, weil die Kühlungsluft kraft des reduzierten Strömungswiderstandes, auf den die abzuführende Luftströmung auftrifft, an die vom Abführungsauslaß entfernten Kühlelemente gut verteilt werden kann. Folglich werden über sämtlichen wärmeerzeugenden Halbleiterbauelementen des elektronischen Geräts eine gleichmäßigere Verteilung der Kühlungsluft-Strömungsrate und im Ergebnis eine gleichmäßigere Temperaturverteilung erzielt.
Die Erzeugung von Wärme findet auch dann statt, wenn jedes wärmeerzeugende Halbleiterbauelement 21 viel Wärme erzeugt, selbst wenn die Montagedichte der wärmeerzeugenden Halbleiterbauelemente nicht so groß ist. In der gezeigten Ausführungsform wird diese Entwicklung jedoch in hohem Maß unterdrückt, weil sowohl die zwischen benachbarten Kühlelementen gebildeten Räume als auch die durch die oberen Endflächen der Kühlelemente und der Düsenwände gebildeten Abführungsräume 36 als Durchlaß für die Abführung der erwärmten Kühlungsluft zur Verfügung stehen. Folglich ist der Widerstand, auf den die Strömung der abzuführenden Luft auftrifft, reduziert, so daß die Strömungsrate der Kühlungsluft erhöht werden kann und eine verbesserte Kühlungsleistung der Kühlelemente sowie eine Reduzierung des Geräuschpegels erzielt werden.
Da ferner die den Hauptteil der konfluenten Strömung 28 bildende Luft längs der Abführungsräume 36 strömt, die zwischen benachbarten Düsen gebildet sind, kann nur ein kleiner Teil der erwärmten Luft von den stromaufseitigen Halbleiterbauelementen auf die stromabseitigen Halbleiterbauelemente bei Betrachtung in Strömungsrichtung der abzuführenden Luft auftreffen, so daß jegliche Verringerung der Kühlungswirkung bei den stromabseitigen Halbleiterbauelementen, die bisher durch den Kontakt der erwärmten Luft mit den stromabseitigen Halbleiterbauelementen verursacht worden ist, ausreichend unterdrückt werden kann.
In 3 ist das elektronische Gerät so angeordnet, daß sich die Leiterplatte 20 im wesentlichen vertikal erstreckt und die Kühlungsluft dazu veranlaßt wird, von der Unterseite zur Oberseite zu strömen. Offensichtlich kann das elektronische Gerät jedoch auch so angeordnet sein, daß sich die Leiterplatte 20 horizontal erstreckt, wie dies in 1 gezeigt ist.
In der gezeigten Ausführungsform ist, wie in 2 gezeigt ist, der Zwischenraum zwischen benachbarten Düsen 23 in x-Richtung, die mit der Richtung der Strömung und der Abführung der Kühlungsluft in den Kühlelementen 22 übereinstimmt, größer als in y-Richtung, die zur x-Richtung senkrecht ist. Folglich strömt der Hauptteil der konfluenten Strömung 28 der Luft nach der Kühlung naturgemäß durch den zwischen den benachbarten Düsen 23 gebildeten Raum in x-Richtung und weniger durch den zwischen benachbarten Düsen 23 gebildeten Raum in y-Richtung. Daher ist die Richtung der konfluenten Strömung 28 der Kühlungsluft durch die Struktur der Kühlelemente oder durch die Konstrukion der Kanalsysteme und Düsen bestimmt, was den Entwurf der Kühlungsluft-Kanäle vorteilhaft erleichtert.
In der gezeigten Ausführungsform wird die vom Gebläse 32 zugeführte Kühlungsluft in der Kammer 24 um 90° abgelenkt, bevor sie in die Anteile 37 aufgeteilt wird, die in die jeweiligen Düsen 23 strömen. Ferner wird die Strömung der Kühlungsluft in jedem der Kühlelemente um im wesentlichen 180° in den Abführungsraum 36 umgelenkt. Die Luftströmung wird anschließend im Abführungsraum 36 erneut um 90° abgelenkt, woraufhin sich die Anteile dieser Luftströmungen aus den jeweiligen Kühlelementen nacheinander vereinigen und die konfluente Luftströmung 28 bilden. Somit wird die Strömung der Kühlungsluft wiederholt abgelenkt, so daß das Geräusch, das durch das Gebläse erzeugt wird, und das Geräusch, das durch die Strömung der Luft durch die Kühlelemente und durch die Räume erzeugt wird, im Abführungsraum absorbiert werden, ohne in die Umgebung des Gehäuses ausgegeben zu werden. Es ist somit möglich, ein elektronisches Gerät zu erhalten, das mit geringerem Geräuschpegel arbeitet.
4 ist eine vergrößerte Ansicht des elektronischen Gerätes, die insbesondere einen Bereich um das Kühlelement 22 bei Betrachtung in y-Richtung zeigt, welche zur Richtung der Strömung und der Abführung der Luft im Kühlelement senkrecht ist. 5 ist eine vergrößerte Ansicht des elektronischen Gerätes, die insbesondere einen Bereich um das Kühlelement bei Betrachtung in x-Richtung zeigt, die zur Richtung der Strömung und Abführung der Luft durch das Kühlelement parallel ist.
6 ist eine perspektivische Ansicht, die zwei benachbarte Kühlelemente 22 zeigt.
Die vorliegende Ausführungsform wird nun mit Bezug auf diese Figuren weiter beschrieben. Das Kühlelement 22 enthält eine Grundplatte 40 und Kühlrippen 41, die mit der Grundplatte 40 in regelmäßigen Intervallen beispielsweise durch Löten, Hartlöten oder Verstemmen verbunden sind. Alternativ können die Kühlrippen 41 durch maschinelles Bearbeiten oder Extrudieren mit der Grundplatte 40 einteilig ausgebildet sein.
Die Kühlungsluft 26 von der Düse tritt in die Räume zwischen benachbarten Kühlrippen mit sehr hoher Geschwindigkeit ein, um so die Strömung 27 zu bilden, die den Bereich in der Nähe der Grundplatte 40 erreicht. Dann tritt die Kühlungsluft in die zwischen benachbarten Kühlelementen definierten Räume ein. Die Anteile der Luft, die somit von den jeweiligen Kühlelementen einer Reihenanordnung ausgegeben werden, vereinigen sich nacheinander und bilden eine konfluente Luftströmung 43 durch die Abführungsräume 36, die zwischen benachbarten Düsen definiert sind. Anschließend vereinigt sich die konfluente Strömung 43 mit der konfluenten Strömung 44 von den stromaufseitig angeordneten Kühlelementen und außerdem mit der konfluenten Strömung 44 von den stromabseitig angeordneten Kühlelementen der obenerwähnten Kühlelement-Reihenanordnung, um so in die äußere Umgebung des elektronischen Gerätes abgeführt zu werden.
Wie in 2 gezeigt, ist die Breite der Düse 23 gemessen in y-Richtung senkrecht zur Richtung der Strömung 27 der Luft im Kühlelement 22 so festgelegt, daß sie gleich oder größer als die Breite des Kühlelementes 22 gemessen in y-Richtung ist, weil andernfalls die Kühlrippen, die nicht von der Düse 23 bedeckt wären, keine Kühlungsluft empfangen könnten. Die Breite der Düse 23 gemessen in der zur Richtung der Luftströmung 27 im Kühlelement parallelen x-Richtung ist so festgelegt, daß sie kleiner als die Breite des Kühlelementes 22 gemessen in x-Richtung ist. Dieses Merkmal bietet die folgenden Vorteile: Erstens wird die Strömungsgeschwindigkeit der Luft in der Düse aufgrund der Verringerung der Querschnittsfläche der Düse erhöht, so daß die Luft den Bereich um die Kühlrippen-Grundplatten erreichen kann, wo der Temperaturunterschied zwischen der Kühlungsluft und den Kühlrippen groß ist, wodurch die Wärmeaustauschwirkung gesteigert wird. Außerdem bildet die Luft von der verengten Düse einen Strahl, der dynamisch in die Räume zwischen den Kühlrippen strömt, um so die Wärmeübertragungsrate an die Luft zu verbessern. Auf diese Weise wird die Kühlungsleistung des Kühlelementes 22 gesteigert. Zweitens wird der Abstand zwischen benachbarten Düsen 23 in x-Richtung kraft der reduzierten Breite der Düse 23 in x-Richtung erhöht, wodurch eine größere Breite des zwischen benachbarten Düsen 23 gebildeten Abführungsraums 36 geschaffen wird, was zur Reduzierung des Strömungswiderstandes beiträgt, auf den die Strömung der abzuführenden Kühlungsluft auftrifft.
Wie aus 4 hervorgeht, ist die Breite der Kühlrippen gemessen in x-Richtung kleiner als die Breite der Grundplatte 40, so daß der Abstand zwischen den Abführungs-Endflächen 51 von benachbarten Kühlelementen 22 gemessen in der zur Richtung 27 der Strömung und der Abführung der Luft durch das Kühlelement 22 parallelen x-Richtung größer ist als der Abstand zwischen den wärmeerzeugenden Halbleiterbauelementen 21 in derselben Richtung. Diese Anordnung reduziert wirksam den Widerstand, auf den die Luft von der Abführungsendfläche 21 eines jeden Kühlelementes 22 auftrifft, wenn sich die Luft mit der Luft vereinigt, die von der gegenüberliegenden Abführungsendfläche 51 des benachbarten Kühlelementes 22 abgeführt wird. Dadurch ist eine gleichmäßige Einleitung der Luft nach der Kühlung in den Abführungsraum 36 sichergestellt.
Wie bereits beschrieben worden ist, wird die Kühlungsleistung des Kühlelementes verbessert, wenn die Breite der Düse 23 gemessen in x-Richtung, die zur Richtung 27 der Strömung und der Abführung der Luft durch das Kühlelement 22 parallel ist, kleiner als die Breite des Kühlelementes festgelegt ist. Nun wird mit besonderer Bezugnahme auf 7 die Optimierung der Breite W der Düse in x-Richtung im Verhältnis zur Breite L des Kühlelementes in x-Richtung beschrieben.
In 7 ist auf der Abszissenachse das Verhältnis W/L zwischen der Düsenbreite W (mm) und der Kühlelementbreite L (mm) gemessen in der zur Richtung der Strömung der Luft im Kühlelement parallelen x-Richtung angetragen, während auf der Ordinatenachse ein dimensionsloser Wert angetragen ist, der durch Division des Wärmewiderstandes Rh (° C/W) des Kühlelementes durch den Rh-Wert erhalten wird, der sich seinerseits ergibt, wenn das obenerwähnte Verhältnis W/L den Wert 1,0 besitzt (W/L = 1,0). Die in 7 gezeigten Daten wurden durch eine Messung bei konstanter Luftbeschickungsleistung erhalten. Wie aus dieser Figur hervorgeht, ist der Wärmewiderstand minimal, wenn das Verhältnis W/L ungefähr 0,5 beträgt. Daraus wird verständlich, daß die Leistung des Kühlelementes maximal ist, wenn die Düsenbreite auf einen Wert gesetzt ist, der im wesentlichen gleich dem halben Wert der Breite des Kühlelementes gemessen in x-Richtung ist.
Nun wird mit Bezug auf die 8 und 9 eine zweite Ausführungsform des elektronischen Gerätes gemäß dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung beschrieben. Die 8 ist ein Frontaufriß der zweiten Ausführungsform, während die 9 ein Seitenaufriß derselben ist.
Ein Rahmen trägt eine Grundplatte 20, eine Kammer 24, einen Gebläsekasten 31 und elektronische Teile 61, die von dem zu kühlenden elektronischen Gerät verschieden sind. Obwohl nicht gezeigt, sind am Rahmen 60 Außenplatten angebracht, die ein Gehäuse bilden, so daß der Innenraum des Gehäuses gegenüber seiner äußeren Umgebung isoliert ist. Die Kühlungsluft wird von einem Bereich in der Nähe des Bodens eines Raums, wo die Lufttemperatur vergleichsweise niedrig ist, eingeleitet. Wenn ein Unterboden-Luftklimatisierungssystem verwendet wird, wird die klimatisierte Kühlungsluft vorzugsweise direkt aus dem Unterbodenraum eingeleitet. Somit wird die Luft vom Gebläse 32 in den Gebläsekasten 31 gesaugt und durch einen Filter 34 geschickt, um aus der Luft Staub zu entfernen, der verschiedene Schwierigkeiten hervorrufen könnte, wenn er in das Gehäuse eingeleitet würde.
Die durch das Gebläse 32 mit Druck beaufschlagte Luft wird nach dem Durchgang durch eine Strömungsausrichtplatte 35, die eine gleichmäßige Strömungsgeschwindigkeitsverteilung über dem gesamten Querschnitt der Luftkanalsysteme erzeugt, in die Kammer 24 geleitet. Die gesamte Innenfläche der Kammer 24 ist mit einem schallabsorbierenden Material 62 ausgekleidet. Dann wird die Kühlungsluft von der Düse 23 in jedes Kühlelement 22 eingeleitet, so daß im Kühlelement 22 ein Wärmeaustausch zwischen der Kühlungsluft und den Kühlrippen stattfinden kann. Die Luft nach dem Wärmeaustausch bildet wie in der ersten Ausführungsform die konfluente Strömung 28, die zur Decke abgeführt wird. Somit sind in der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung der Lufteinlaß, das Gebläse, das Kühlelement und der Abführungsauslaß in einer Linie angeordnet, die eine Strömung der Luft vom unteren Ende zum oberen Ende bewirken, so daß die Luftströmung im Gehäuse des elektronischen Gerätes geglättet wird. Dadurch wird die Kühlleistung verbessert, weil der Strömungswiderstand im elektronischen Gerät verringert ist und weil Kühlungsluft von geringer Temperatur verwendet wird. Die geglättete Strömung der Kühlungsluft senkt auch den Pegel des im Gehäuse erzeugten Geräusches ab.
In den obenbeschriebenen ersten und zweiten Ausführungsformen sind die wärmeerzeugenden Halbleiterbauelemente in Matrixform mit fünf Reihen in horizontaler Richtung und vier Reihen in vertikaler Richtung angeordnet. Offensichtlich kann diese Anordnung so abgewandelt werden, daß die Matrix vier Reihen in horizontaler Richtung und fünf Reihen in vertikaler Richtung besitzt. Außerdem ist klar, daß jede Reihe der Matrixanordnung ein oder zwei wärmeerzeugende Halbleiterbauelemente weniger besitzen kann. Obwohl ferner die in den ersten und zweiten Ausführungsformen verwendeten Kühlelemente flächige Kühlrippen verwenden, dient dies lediglich der Erläuterung, wobei die Erfindung unter Verwendung anderer geeigneter Typen von Kühlelementen verwirklicht werden kann, vorausgesetzt, daß das Kühlelement die Richtung der Strömung und der Abführung der Kühlungsluft bestimmen kann; so eignen sich beispielsweise Kühlelemente mit stiftähnlichen Wärmeabstrahlungselementen.
Nun wird mit Bezug auf die 10 bis 12 eine dritte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben. Die Konstruktion der dritten Ausführungsform ist ähnlich derjenigen der ersten Ausführungsform, die Positionen oder Richtungen der Düsen und Kühlelemente sind jedoch gegenüber der ersten Ausführungsform um 90° gedreht. 10 ist ein Frontaufriß, 11 ist eine horizontale Schnittansicht und 12 ist ein Seitenaufriß bei Betrachtung von rechts.
Mehrere wärmeerzeugende Halbleiterbauelemente 21 und folglich mehrere daran befestigte Kühlelemente 22 sind in einer matrixähnlichen Form in großer gegenseitiger Nähe wie in der ersten Ausführungsform so angeordnet, daß die Anteile der Luft von den jeweiligen Kühlelementen parallel zueinander durch den Spalt zwischen benachbarten Kühlelementen 22 strömen. In diesem Fall sind jedoch die Düsen 23 so angeordnet, daß die konfluente Strömung 28 der von den Kühlelementen ausgegebenen Luft in horizontaler Richtung orientiert ist, wie in 10 gezeigt ist. Der Abführungsauslaß der Luft ist im oberen Bereich desjenigen Abschnittes vorgesehen, der durch die Trennwände 29 definiert ist. Jede konfluente Strömung 28 der Luft wird aus dem mittleren Bereich des Abführungsraums zwischen den Düsen in horizontaler Richtung nach links und nach rechts in linke bzw. rechte Räume aufgeteilt, die zwischen den Trennwänden 29 und den an die Trennwände 29 angrenzenden Kühlelementen 22 definiert sind; anschließend wird die konfluente Strömung 28 um 90° abgelenkt. Viele solcher konfluenter Strömungen 28 vereinigen sich nacheinander und bilden eine kombinierte Strömung 70, die zum Abführungsauslaß gerichtet wird.
Somit besitzt die dritte Ausführungsform das Merkmal, das die konfluente Strömung 28 vom mittleren Bereich des Substrates horizontal nach links und nach rechts aufgeteilt wird, was im Gegensatz zu den ersten und zweiten Ausführungsformen steht, in denen die konfluente Strömung 28 vertikal von der Unterseite zur Oberseite gerichtet ist. Trotz einer solchen Änderung der Konstruktion biete die dritte Ausführungsform denselben Vorteil wie die erste Ausführungsform.
In 13 ist eine Abwandlung gezeigt, in der die Breit der Kühlrippen von den Basisseiten, die an das wärmeerzeugende Halbleiterbauelement 21 angrenzen, zum anderen Ende, an denen die Düsen 23 befestigt sind, abnimmt. Somit ist in dieser Ausführungsform die Breite der Kühlrippen an ihren Enden, die an die Düse angrenzen, gleich der Breite der Düse, während sie zur Grundplatte 40 geradlinig zunimmt. Folglich nimmt der Abstand zwischen den Abführungsendflächen 51 von benachbarten Kühlelementen von dem an die Grundplatte 40 angrenzenden Ende zu dem an die Düse angrenzenden Ende 23 zu, wodurch die Umlenkung der Luftströmung 27 um 180° vom Innenraum des Kühlelementes 22 in den Abführungsraum 36 sowie die Vereinigung mit der Luftströmung 27 vom angrenzenden Kühlelement 22 gefördet werden, wodurch der Widerstand gegenüber der Luftströmung von den beiden Kühlelementen in den gemeinsamen Abführungsraum 36 reduziert wird.
Außerdem ist die Querschnittsfläche des Raums, der zwischen gegenüberliegenden Abführungsendflächen von benachbarten Kühlelementen definiert ist, erhöht, so daß die konfluente Strömung 73, die in dem Raum zwischen gegenüberliegenden Abführungsendflächen von benachbarten Kühl elementen strömt, einen Teil der obenerwähnten konfluenten Strömung 28 bildet. Somit ist es möglich, den Strömungswiderstand zu reduzieren, auf den die abzuführende Luft auftrifft. Die Trapezform der Kühlrippen kann aus einer Rechteckform durch Entfernen der linken und rechten oberen Bereiche erhalten werden. Die Wärmeabstrahlungsfläche wird als Ergebnis der Beseitigung dieser Bereiche reduziert. Dies beeinflußt jedoch die Kühlungsleistung des Kühlelementes 22 nicht wesentlich, weil die beseitigten Bereiche aufgrund ihrer geringen Temperatur an sich keinen wesentlichen Beitrag zum Wärmeaustausch liefern.
In 14 ist eine andere Ausführungsform gezeigt, die eine einzigartige Konfiguration der Düse verwendet, durch die die Kühlungsluft dem Kühlelement 22 zugeführt wird. Genauer ist in dieser Ausführungsform die Düsenbreite vom stromaufseitigen Ende zum stromabseitigen Ende der Düse, d.h. zu dem mit dem Kühlelement verbundenen Ende der Düse leicht und progressiv auf gekrümmte Weise verringert. Somit besitzt die mit 74 bezeichnete Düse ein verengtes stromabseitiges Ende. Daher kann die beispielsweise von einem Gebläse in die Kammer 24 zugeführte Kühlungsluft glatt in jede der Düsen 74 strömen, wie durch Pfeile 75 angedeutet ist. Das stromaufseitige Ende der Düse 74 geht glatt in die Wandfläche der Kammer 74 über. Daher treten am Verbindungspunkt zwischen de Düse und der Kammerwand keine Luftwirbel auf, wenn die Luft in die Düse eintritt. Dadurch wird der Widerstand, auf den die von der Kammer in die Düsen 74 strömende Luft trifft, merklich reduziert. In dieser Ausführungsform nimmt die Breite der Düse 74 gemessen in der zu den Kühlrippen parallelen x-Richtung ab und ergibt ein verengtes stromabseitiges Ende der Düse. Diese Formgebung hat jedoch nur erläuternden Zweck, wobei die Düse 74 auch so geformt sein kann, daß die Breite gemessen in y-Richtung, die zur Richtung der Kühlrippen senkrecht ist, progressiv abnimmt, so daß ein verengtes stromabseitiges Ende auch auf diese Weise gebildet sein kann. Es ist auch möglich, die Düse 74 so zu entwerfen, daß sowohl die Breite in x-Richtung als auch die Breite in y-Richtung zum stromabseitigen Ende progressiv abnehmen, so daß eine weitere Verringerung des Strömungswiderstandes erhalten werden kann. Auch in dieser Ausführungsform hat das stromabseitige Ende der Düse 74, das mit dem Kühlelement 22 in Kontakt ist, in y-Richtung eine Breite, die kleiner als diejenige des Kühlelementes ist.
15 ist eine perspektivische Ansicht einer anderen Ausführungsform, bei der spezielle Konstruktionen der Kammer und der Düsen zum Einsatz kommen. Genauer sind benachbarte Düsen zu einer einteiligen Düse 76 kombiniert, die eine längliche kastenähnliche Form besitzt, wovon eine Seite mit der Kammer 24 verbunden ist, so daß sie in die Kammer 24 mündet, während die von der Kammer 24 abgewandte Seite mehrere Düsenöffnungen 77 besitzt, die auf die Kühlelemente 22 ausgerichtet sind. Die in die Kammer 24 eingeleitete Luft strömt in die einteilige Düse 76, wie durch die Pfeile 78 angedeutet ist, und wird durch die Düsenöffnungen 79 in die Kühlelemente 22 ausgestoßen, wie durch Pfeile 79 angedeutet ist. Diese Anordnung bietet den Vorteil, daß in den den Abführungsraum definierenden Enden keine Diskontinuität gebildet wird, weil jede Wand der anteiligen Düse übergangslos gebildet ist. Folglich kann die Luft durch den Abführungsraum längs dieser ununterbrochenen Wände glatt strömen, so daß sie auf einen geringeren Strömungswiderstand trifft. Diese Anordnung besitzt außerdem den Vorteil, daß sie die Anzahl der zur Ausbildung der Düse erforderlichen Teile reduziert, was zu einer Verringerung der Produktionskosten beiträgt.
Nun wird mit Bezug auf die 16 und 17 eine andere Ausführungsform beschrieben, in der die Positionen und die Geometrie der Düsen geeignet abgewandelt sind, um eine gleichmäßige Strömungsratenverteilung über sämtlichen Kühlelementen im elektronischen Gerät zu erhalten. Die 16 ist eine horizontale Schnittansicht, während die 17 ein Frontaufriß dieser Ausführungsform ist. Wie in 16 gezeigt ist, ist die Konstruktion dieser Ausführungsform ähnlich derjenigen der in 1 gezeigten ersten Ausführungform, mit der Ausnahme, daß die Positionen einiger Düsen aus den Positionen der in 1 gezeigten Düsen horizontal versetzt sind. In der ersten Ausführungsform von 1 besitzt die Querschnittsfläche eines jeden der am weitesten außen befindlichen Abführungsräume, d.h. der Räume zwischen dem am weitesten außen befindlichen Kühlelement und der benachbarten Trennwand einen Wert, der größer als derjenige der Querschnittsflächen der Abführungsräume ist, die zwischen benachbarten Kühlelementen definiert sind, so daß die von der Kammer 24 zugeführte Luft dazu neigt, in die in horizontaler Richtung am weitesten außen befindlichen Kühlelemente mit einer größeren Platte als in die in der Mitte befindlichen Kühlelemente zu strömen, was eine ungleichmäßige Strömungsratenverteilung in horizontaler Richtung ergibt. Dies ist insbesondere dann ein ernsthaftes Problem, wenn keine Trennwand 29 vorhanden ist. Um dieses Problem zu beseitigen, besitzt die in den 16 und 17 gezeigte Ausführungsform das Merkmal, daß die Positionen der Düsen 23 in bezug auf die zugehörigen Kühlelemente 22 so verändert sind, daß die Düsen an den äußeren Kühlelementen, die sich näher an der Trennwand befinden, in einer von den Trennwänden wegweisenden Richtung, d.h. zur Mitte des elektronischen Geräts aus den Mitten der zugehörigen Kühlelemente versetzt sind. Der Betrag des Versatzes nimmt zur Mitte des elektronischen Gerätes progressiv ab. Mit anderen Worten, der Betrag des Versatzes ist an den näher an den Trennwänden sich befindenden Kühlelementen größer als bei den von diesen Trennwänden weiter entfernten Kühlelementen. Folglich wird die Luft 81 in jedem am weitesten außen befindlichen Kühlelement, das sich am nähesten an der Trennwand befindet, dazu gezwungen, vor der Abführung in den an die Trennwand angrenzenden Abführungsraum 80 einen Strömungweg zurückzulegen, der länger als der Strömungweg ist, der von der Luft in den mittleren Kühlelementen zurückgelegt werden muß, bevor diese Luft den angrenzenden Abführungsraum erreicht. Dies gilt auch für die Kühlelemente, die an die am weitesten außen befindlichen Kühlelemente angrenzen. Mit dieser Anordnung ist es möglich, eine gleichmäßige Strömungsratenverteilung in horizontaler Richtung über sämtlichen Kühlungselementen zu erreichen.
Nun wird mit Bezug auf 18 eine andere Ausführungsform beschrieben. Diese Ausführungsform ist dahingehend verbessert, daß eine gleichmäßige Strömungsratenverteilung der Kühlungsluft nicht nur in horizontaler Richtung, sondern auch in vertikaler Richtung geschaffen wird. Bei der in Verbindung mit 17 beschriebenen vorangehenden Ausführungsform besteht noch immer das folgende Problem, obwohl sie eine gleichmäßige Strömungsratenverteilung in horizontaler Richtung schafft: In der Ausführungform von 17 besteht die Neigung, daß die Kühlungsluft an den Kühlelementen der stromabseitigen Reihen, d.h. der oberen Reihen stärker als an den Kühlelementen der stromaufseitigen Reihen, d.h. der unteren Reihen konzentriert wird, weil die von den Kühlelementen der stromabseitigen Reihen abgeführte Luft auf einen kleineren Strömungswiderstand als die von den Kühlelementen der stromaufseitigen Reihen abgeführte Luft trifft, weil der Abstand der ersteren zum Abführungsauslaß kürzer ist. Somit neigt die Zuführungsrate an die Kühlelemente der oberen oder stromabseitigen Reihen zu einer Zunahme, während die Zuführungsrate der Kühlelemente der unteren oder stromaufseitigen Reihen zu einer Abnahme neigt, was eine ungleichmäßige Strömungsratenverteilung in vertikaler Richtung ergibt. Daher besitzt die in 18 gezeigte Ausführungsform zusätzlich zu dem Merkmal der Ausführungsform von 17 das Merkmal, daß die horizontale Breite der Düsen zum oberen oder stromabseitigen Ende progressiv abnimmt, derart, daß die den Kühlelementen der untersten Reihe zugehörigen Düsen die größte horizontale Breite besitzen. Daher besitzen die den Kühlelementen der oberen Reihen zugehörigen Düsen kleinere Querschnittsflächen als die den Kühlelementen der unteren Reihen zugehörigen Düsen, so daß die Luft in den den Kühlelementen der oberen Reihen zugehörigen Düsen auf einen größeren Strömungwiderstand stößt als in den den Kühlelementen der unteren Reihen zugeordneten Düsen. Durch eine geeignete Bestimmung der Differenz der horizontalen Düsenbreite ist es möglich, eine gleichmäßige Strömungsratenverteilung der Kühlungsluft auch in vertikaler Richtung über sämtliche Kühlelemente des elektronischen Gerätes zu erhalten.
Die Verfahren zur Erzielung einer gleichmäßigen Strömungsratenverteilung, wie sie in Verbindung mit den 17 und 18 erläutert worden sind, finden nicht nur auf die erste Ausführungsform, sondern auch auf eine Mehrzahl weiterer verschiedener Anbringungsformen von Düsen und Kühlelementen Anwendung. Offensichtlich können die Verfahren zur Erzielung gleichmäßiger Strömungsratenverteilungen in horizontaler und vertikaler Richtung unabhängig oder in Kombination angewendet werden.
Obwohl die obenbeschriebenen Ausführungsformen Kühlelemente mit flächigen Kühlrippen verwenden, hat dies lediglich erläuternden Charakter, wobei andere Typen von Kühlelementen wie etwa stiftähnliche Wärmeabstrahlungselemente gleichermaßen verwendet werden können, vorausge setzt, daß die Kühlelemente so konstruiert und angeordnet sind, daß sie die Richtung der Strömung und der Abführung der durch sie strömenden Luft bestimmen.
Nun wird mit Bezug auf 19 eine andere Ausführungsform des elektronischen Gerätes gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung beschrieben. Diese Ausführungform verwendet mehrere wärmeerzeugende Halbleiterbauelemente 21 wie etwa LSI-Module, wobei auf jedem dieser Bauelemente ein Kühlelement vorgesehen ist, das aus einer Grundplatte 40 und mehreren Wärmeabstrahlungsstiften 41a aufgebaut ist. Die Stifte 41a und die Grundplatte 40 sind vorzugsweise aus einem Metall mit hoher Wärmeleitfähigkeit wie etwa Kupfer oder Aluminium oder aber aus wärmeleitenden Keramiken_ hergestellt. Die Stifte 41a können an der Grundplatte 40 durch Verstemmen befestigt oder mit der Grundplatte 40 durch Löten oder Hartlöten oder durch Verkleben mittels eines wärmeleitenden Klebstoffs verbunden werden. Alternativ kann ein einteiliges Kühlelement mit der Grundplatte 40 und den Stiften 41a durch maschinelle Bearbeitung wie etwa Schleifen gebildet werden. Eine Düse 23 ist an der Oberseite der Gruppe von Stiften 41a angeordnet. Stirnplatten 82, die eine Fortsetzung der Wände der Düse 23 bilden, sind an den beiden Enden der Gruppe von Stiften 41a vorgesehen. Diese Stirnplatten 82 bestimmen die Richtung der Strömung und der Abführung der Luft durch das Kühlelement. Die Höhe der Stifte 41a ist unterschiedlich, derart, daß die Stifte im mittleren Bereich des Kühlelementes die größte Höhe besitzen und daß die Höhe in Richtung zu den beiden stromabseitigen Enden bei Betrachtung in Richtung der Strömung und der Abführung der Luft durch das Kühlelement, d.h. zu den beiden seitlichen Enden des Kühlelementes progressiv abnimmt. Diese veränderliche Stifthöhe ermöglicht es, daß die Kühlungsluft einfach um 180° in den angrenzenden Abführungsraum umgelenkt werden kann, so daß die Luft von benachbarten Kühlelementen bei verringertem Strömungswiderstand einfach in den gemeinsamen Abführungsraum zwischen diesen Kühlelementen abgeführt werden kann. Außerdem schafft die Gruppe von Wärmeabstrahlungsstiften eine Wärmeabstrahlungsfläche, die größer ist als diejenige von flächigen Kühlrippen. Ferner erzeugen die Stifte eine Turbulenz der Kühlungsluft, die die Wärmeübertragung an die Kühlungsluft steigert, was zu einer Verbesserung der Kühlungsleistung beiträgt.
20 ist eine perspektivische Ansicht einer Anordung, die ein Düsenkanalsystem und eine Kammer umfaßt, während 21 diese Anordung in drei zueinander senkrechten Richtungen zeigt.
Eine Platte 20 trägt mehrere wärmeerzeugende Halbleiterbauelemente 21 wie etwa LSI-Module, wobei auf jedem wärmeerzeugenden Halbleiterbauelement 21 ein Kühlelement 22 vorgesehen ist. Wie aus 21 hervorgeht, besitzt die Düse 83 Trennwände 29 und Düsen 23 für die Zuführung von Kühlungsluft in die Kühlelemente 22. Die Trennwände 29 dienen dazu, erwärmte Kühlungsluft aus den Kühlelementen 22 in einen Abführungsauslaß zu leiten und die Komponenten des elektronischen Gerätes, die von den Halbleiterbauelementen 21 verschieden sind, von der erwärmten Kühlungsluft zu isolieren. Das Düsenkanalsystem 83 besitzt in seinen zu den Düsen 22 senkrechten Seitenwänden Öffnungen. Eine Öffnung 84 ist in der Seite des Düsenkanalsystems 83 in der Nähe der Kühlelemente 22 gebildet, so daß die Kühlelemente 22 und die zugehörigen LSI-Module von dem Düsenkanalsystem 83 aufgenommen werden können. Die von dem Düsenkanalsystem 83 aufgenommenen Kühlelemente 22 sind mit den entsprechenden Düsen 23 in Kontakt. Die Wand des Düsenkanalsystems 83, die der Kammer 24 zugewandt ist, besitzt mehrere Fenster, durch die Kühlungsluft in die jeweiligen Düsen eingeleitet wird. Das Düsenkanalsystem ist an dieser Wand mit der Kammer 24 verbunden.
Die beschriebene Anordung des Düsenkanalsystems 83 und der Kammer 24 macht es möglich, die Düsen und die Kammer unabhängig voneinander herzustellen, ferner erlaubt sie eine einfache relative Positionierung der Düsen und der Kühlelemente, wodurch die für die Montage erforderliche Zeit verkürzt werden kann. Außerdem werden eine Kontrolle und Wartung des elektronischen Gerätes erleichtert, weil die Düsen von der Kammer abnehmbar sind.
Nun wird eine erste Ausführungsform einer Kühlungseinrichtung für eine wärmeerzeugende Einheit mit Bezug auf die 22 und 23 beschrieben. 22 zeigt in einer teilweise aufgeschnitten perspektivischen Ansicht eine Ausführungsform einer Kühlungseinrichtung für eine wärmeerzeugende Einheit. 23 zeigt eine horizontale Schnittansicht, die der 1 entspricht und die die Strömung eines Kühlungsfluids in der in 22 gezeigten Einrichtung veranschaulicht. In diesen Zeichnungen ist die wärmeerzeugende Einheit, die während ihres Betriebs Wärme erzeugt und von der Einrichtung gekühlt werden muß, beispielhaft durch einen Multichip-Modul dargestellt, der mehrere Halbleiterbauelemente ent hält, die im Modul luftdicht eingekapselt angeordnet sind und während ihres Betriebs eine große Wärmemenge erzeugen können.
Wie in den 22 und 23 gezeigt, umfaßt ein Multichip-Modul 101 eine aus einem keramischen Material hergestellte Mehrschichtverdrahtungsplatte 102, mehrer Halbleiterbaulelemente 103, die an der Verdrahtungsplatte 102 montiert sind und LSI-Chips enthalten, die als wärmeerzeugende Elemente dienen, sowie ein Gehäuse 104, in dem die Halbleiterbauelemente 103 eingekapselt sind. Die von den Halbleiterbauelementen 103 erzeugte Wärme wird an das Gehäuse 104 über Wärmeübertragungskontakte 105 übertragen, die mit den Halbleiterbauelementen 103 in Kontakt sind. Am Gehäuse 104 ist ein Kühlelement 106 angebracht, so daß die an das Gehäuse 104 übertragene Wärme wirksam an ein Kühlungsfluid wie etwa Kühlungluft übertragen werden kann. Das Kühlelement 106 ist aus einem Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit wie etwa Aluminium, Kupfer oder aus einem keramischen Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit hergestellt und enthält mehrere flache, plattenförmige Kühlrippen 107, die in einem bestimmten Abstand auf einer Kühlrippengrundplatte 108 angeordnet sind. Das Kühlelement 106 besitzt einen Schlitz 109, der in einem mittleren Bereich des Kühlelementes 106 gebildet ist, in dem die flachen, plattenförmigen Kühlrippen 107 mit einer bestimmten Tiefe, d.h. von einer Fläche des Kühlelementes 106, die der Kühlungsfluid-Ausstoßdüse 111 zugewandt ist (einer oberen Fläche des Kühlelementes 106 bei Betrachtung in den 22 und 23), zu einer unteren Fußposition der Kühlrippen 107 geschlitzt sind, wobei sich der Schlitz 109 durch die gesamte Anordnung der flachen, plattenförmigen Kühlrippen 107 erstreckt. Der Schlitz 109 besitzt eine Breite, die größer als der Abstand ist, in dem die flachen, plattenförmigen Kühlrippen 107 angeordnet sind. Die Düse 111 ist an der oberen Fläche des Kühl elementes 106 angeordnet und dient dazu, die Luftströmung von einem Gebläse oder dergleichen (nicht gezeigt) in das Kühlelement 106 einzuleiten. Die Düse 111 besitzt einen offenen vorderen Bereich, der in einen Kühlungslufteinlaß 112 eingeschoben ist, der in einer Kühlelement-Haltplatte 110 des Kühlelementes 106 ausgebildet ist.
Ein Dämpfer mit Dämpferelementen 103, der aus einem weichen Material hergestellt ist, ist entweder am vorderen Endbereich der Düse 111 oder am Kühlungslufteinlaß 112 des Kühlelementes 106 angeordnet. Der Multichip-Modul 101 und das Kühlelement 106 sind über eine wärmeleitende Struktur wie etwa ein wärmeleitendes Fett, eine wärmeleitende Folie, einen wärmeleitenden Klebstoff oder Befestigungsbolzen in gegenseitigem thermischen Kontakt. Die Kühlelement Halteplatte 110 ist an den oberen Kantenbereichen der mehreren flachen, plattenformigen Kühlrippen 107 angeklebt oder anderweitig verbunden.
In dieser Ausführungsform strömt die Luft durch die Düse 111, wie in 23 durch Pfeile 120 angedeutet ist, und wird von der Düse 111 so ausgestoßen, daß sie sowohl in die Räume zwischen den Kühlrippen 107 als auch in den Schlitz 109 eingeleitet wird. Da der Schlitz 109 eine Breite besitzt, die größer als der Abstand der Anordung der Kühlrippen 107 ist, erfährt die Luft, die in Tiefenrichtung in den Schlitz 109 strömt, wie in 23 durch Pfeile 121 angedeutet ist, einen verhältnismäßig kleinen Strömungsverlust und besitzt außerdem eine größere Strömungsgeschwindigkeit als die Luft, die in die Räume zwischen den Kühlrippen 107 strömt, wie durch Pfeile 122 angedeutet ist. Im Ergebnis kann ein Teil der Kühlungsluft 121, die in den Schlitz 109 strömt, den Fuß der Kühlrippen 107 und die Kühlrippen-Grundplatte 108 an einem Ort des Kühlelementes 106, der sich oberhalb des mittleres Bereichs des als wärmeerzeugende Einheit wir kenden Multichip-Moduls 101 befindet, direkt und ohne wesentliche Abnahme der Strömungsgeschwindigkeit erreichen. Da der Kühlungsluftteil 121, der in den Schlitz 109 strömt, sich nicht durch die Räume zwischen den Kühlrippen 107 bewegt, kann der Kühlungsluftteil 121 außerdem direkt den Ort des Kühlrippenfußes des Kühlelementes 106 erreichen, der sich über dem mittleren Bereich des Multichip-Moduls 101 befindet, ohne daß die Temperatur des Kühlungsfluids wesentlich zunimmt. Mit der Kühlungseinrichtung ist es daher möglich, eine verbesserte Kühlungsleistung für einen mittleren Bereich des Multichip-Moduls 101 zu schaffen, wo im allgemeinen ein großer Temperaturanstieg auftritt. Daher ist eine wirksame Kühlung einer wärmeerzeugenden Einheit bei gleichmäßiger Temperaturverteilung in der Einheit möglich. Selbst wenn ein Multichip-Modul gekühlt wird, der mehrere Halbleiterbauelemente enthält, kann dieses Modul wirksam gekühlt werden, indem eine gleichmäßige Temperaturverteilung zwischen den Halbleiterbauelementen erzielt wird, die eine große Wärmemenge erzeugen.
Die Breite des Schlitzes 109, die größer als der Abstand der Anordnung der Kühlrippen 107 ist, kann im Hinblick auf eine Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit der in Tiefenrichtung des Schlitzes 109 strömenden Kühlungsluft erhöht werden. Eine übermäßig hohe Breite des Schlitzes 109 reduziert jedoch die Fläche der flachen, plattenförmigen Kühlrippen 107, was zu einer verringerten Kühlungsleistung des Kühlelementes 106 im mittleren Bereich des Multichip-Moduls 101 führt. Somit gibt es für die Breite des Schlitzes 109 einen optimalen Wert.
Nun wird mit Bezug auf 24 eine Abwandlung der in den 22 und 23 gezeigten ersten Ausführungsform beschrieben. Die Komponenten dieser Abwandlung, die denjenigen der in den 22 und 23 gezeigten Ausführungsform ent sprechen, sind mit denselben Bezugszeichen bezeichnet, ferner wird ihre nochmalige Beschreibung weggelassen.
Wie in 24 gezeigt ist, enthält die Abwandlung einen Schlitz 109a, der in einem mittleren Bereich eines Kühlelementes 106 gebildet ist. Die Breite des Schlitzes 109a ist am Kühlungslufteinlaß des Kühlelementes 106a verhältnismäßig groß und nimmt zum Fuß von mehreren flachen, plattenförmigen Kühlrippen 107a allmählich ab. Diese Anordnung ermöglicht es, den Druckverlust der Kühlungsluft, die in Schlitz 109a geströmt ist, abzusenken und die Strömungsrate der durch den Schlitz 109a strömenden Luft zu erhöhen. Im Ergebnis kann die Kühlungsleistung für einen mittleren Bereich des betrachteten (nicht gezeigten) Multichip-Moduls, wo mit großer Wahrscheinlichkeit große Temperaturzunahmen auftreten, weiter verbessert werden, außerdem können die Halbleiterbauelemente im Multchip-Modul noch effizienter gekühlt werden.
Nun wird mit Bezug auf 25 eine weitere Abwandlung der in den 22 und 23 gezeigten ersten Ausführungsform beschrieben. Die Komponenten dieser Abwandlung, die denjenigen der in den 22 und 23 gezeigten Ausführungsform entsprechen, sind mit denselben Bezugszeichen bezeichnet, ferner wird ihre nochmalige Beschreibung weggelassen.
Wie in 25 gezeigt, enthält die Abwandlung einen Schlitz 109b, der in eienem mittleren Bereich eines Kühlelementes 106b durch Schlitzen von mehreren flachen, plattenförmigen Kühlrippen 107b gebildet ist. Die Kühlrippen 107b sind ab einer oberen Fläche des Kühlelementes 106b, jedoch nicht bis zum Fuß derselben gschlitzt, so daß unterhalb des Bodens des Schlitzes 109b Bereiche der Kühlrippen 107b überbleiben. Diese Anordnung macht es möglich, daß die durch eine Zunahme der Breite des Schlitzes 109b bewirkte Reduzierung der Kühlungsleistung in einem mittleren Bereich des betrachteten Multichip-Moduls verhindert wird.
In jeder der vorangehenden Ausführungsformen besitzt die Kühlungsfluid-Ausstoßdüse 111 eine Breite, die kleiner als die Breite des Kühlelementes 106, 106a oder 106b ist. Dies hat jedoch lediglich beispielhaften Charakter, wobei die Breite der Düse 111 mit der Breite des zugehörigen Kühlelementes übereinstimmen kann.
Nun wird mit Bezug auf 26 eine weitere Abwandlung der in den 22 und 23 gezeigten ersten Ausführungsform beschrieben. Die Komponenten dieser Abwandlung, die denjenigen der in den 22 und 23 beschriebenen Ausführungsform entsprechen, sind mit denselben Bezugszeichen bezeichnet, ferner wird ihre nochmalige Beschreibung weggelassen.
Wie in 26 gezeigt, unterscheidet sich diese Abwandlung von der ersten Ausführungsform dadurch, daß diese Abwandlung eine Kühlelement-Halteplatte 110a enthält, die an der oberen Fläche eines Kühlelementes 106c angeordnet ist und eine L-förmige Querschnittkonfiguration besitzt. Genauer enthält die Kühlelement-Halteplatte 110a mittlere Bereiche, die in eine L-förmige Querschnittkonfiguration gekrümmt sind und jeweils in einem Raum zwischen den flachen, plattenförmigen Kühlrippen 107b angeordnet sind, so daß diese Kantenbereiche als Elemente einer Strömungsführung 201 dienen, die bewirken, daß das Kühlungsfluid, das durch eine obere Fläche des Kühlelementes 106c ausgestoßen wird, mit hoher Geschwindigkeit an einen mittleren Bereich im Kühlelement 106c strömt. Somit dient die Strömungsführung 201 dazu, eine verhältnismäßig starke Kühlungsfluid-Strömung (die durch Pfeile 123 angedeutet ist) in einen in einen mittleren Bereich des Kühlelementes 106c gebildeten Schlitz 109 zu erzeugen, die direkt eine Kühlrippenfußposition des Kühlelementes 106c oberhalb eines mittleren Bereichs des betrachteten Multichip-Moduls erreicht. Auf diese Weise kann ein mittlerer Bereich eines Multichip-Moduls, wo mit hoher Wahrscheinlichkeit große Temperaturzunahmen auftreten, mit erhöhter Kühlungsleistung gekühlt werden, ferner können die Halbleiterbauelemente im Modul wirksam gekühlt werden.
Nun wird mit Bezug auf 27 eine zweite Ausführungsform beschrieben. In 27 sind die Komponenten der zweiten Ausführungsform, die denjenigen in 23 entsprechen, mit denselben Bezugszeichen bezeichnet, ferner wird ihre nochmalige Beschreibung weggelassen.
Die zweite Ausführungsform umfaßt ein Kühlelement 106d, mehrere flache, plattenförmige Kühlrippen 107c sowie eine Strömungsführung 202. Die Strömungsführung 202 enthält einen Satz von Führungselementen, die in einem Raum zwischen den flachen, plattenförmigen Kühlrippen 107c vorgesehen sind und die Strömung eines Kühlungsfluids steuern, wobei sich die Elemente der Strömungsführung 202 von einer oberen Fläche des Kühlelementes 106d zum Fuß der Kühlrippen 107c erstrecken. Die Länge der Elemente der Strömungsführung 202 ist geringer als die Höhe der flachen, plattenförmigen Kühlrippen 107c und verändert sich so, daß sie von einer mittleren Position des Kühlelements 106c zu seitlichen Positionen desselben allmählich abnimmt.
In dieser Ausführungsform strömt das durch die obere Fläche des Kühlelementes 106d ausgestoßene Kühlungsfluid längs der Elemente der Strömungsführung 202 in die Räume zwischen den flachen, plattenförmigen Kühlrippen 107c. Da die Strömungsführung 202 die größte Länge an einer mitt leren Position des Kühlelementes 106d besitzt, ist es möglich, daß die Strömung des Kühlungsfluids den Fuß der betrachteten Kühlrippen 107c selbst in der Mitte des Kühlelementes 106d erreicht. Da die Länge der Strömungsführung 202 von einer mittleren Position zu den seitlichen Positionen allmählich abnimmt, wird ein Teil der Kühlungsfluidströmung, der diese Strömungsführungselemente an mittleren Positionen verläßt, durch weitere Anteile der Kühlungsfluidströmung von angrenzenden Strömungsführungselementen dazu gezwungen, an eine Kühlrippenfußposition zu strömen, wodurch an einer solchen Position eine erhöhte Strömungsgeschwindigkeit hervorgerufen wird. Im Ergebnis ist es möglich, die Kühlungsleistung an Kühlrippenfußpositionen zu verbessern, wo mit hoher Wahrscheinlichkeit die Temperatur am höchsten ist. Außerdem kann die Kühlungsleistung in einem mittleren Bereich der betrachteten wärmeerzeugenden Einheit, wo die Temperatur mit hoher Wahrscheinlichkeit am größten ist, verbessert werden.
In 28 ist eine Abwandlung der zweiten Ausführungsform gezeigt. In 28 sind die Komponenten, die denjenigen von 27 entsprechen, mit denselben Bezugszeichen bezeichnet, ferner wird ihre nochmalige Beschreibung weggelassen.
Wie in 28 gezeigt, unterscheidet sich diese Abwandlung von der in 27 gezeigten Asuführungsform dadurch, daß eine Strömungsführung 202a Führungselemente besitzt, die in einem gegenseitigen Abstand angeordnet sind, der von einer mittleren Position eines Kühlelementes 106e zu seitlichen Positionen desselben abnimmt. Genauer besitzen die Strömungsführungselemente an mittleren Positionen des Kühlelementes 106e den größten gegenseitigen Abstand, so daß es möglich ist, die Strömung eines Kühlungsfluids in eine Strömung mit höherer Geschwindigkeit umzuwandeln.
Nun wird mit Bezug auf die 29 und eine dritte Ausführungsform beschrieben. In den 29 und 30 sind die Komponenten der dritten Ausführungsform, die denjenigen der in den 22 und 23 gezeigten ersten Ausführungsform entsprechen, mit denselben Bezugszeichen bezeichnet, ferner wird ihre nochmalige Beschreibung weggelassen.
Die dritte Ausführungsform unterscheidet sich von der ersten Ausführungsform dadurch, daß die erstere eine Blattfeder 131 und eine Klemme 132 enthält. Die Blattfeder 131 ist in einem Schlitz 109 angeordnet, der in einem mittleren Bereich eines Kühlelementes 106 gebildet ist und sich durch eine Anordnung von mehreren flachen, plattenförmigen Kühlrippen 107 erstreckt; die Blattfeder 131 besitzt eine Klemmkraft, die durch einen Schraubbolzen 130 eingestellt werden kann. Die Klemme 132 besitzt eine L-förmige Querschnittkonfiguration, wie in 30 gezeigt ist, und umfaßt ein Paar von Klemmelementen 132, die durch eine Bodenplatte der betrachteten wärmeerzeugenden Einheit, z.B. eines Multichip-Moduls 101 gehalten werden und an zwei gegenüberliegenden Seitenflächen des Kühlelementes 106 angeordnet sind, die sich an jedem Ende der Anordnung der flachen, plattenförmigen Kühlrippen 107 befinden. Die Blattfeder 131 wird am Kühlelement 106 montiert, anschließend wird die sich ergebende Baugruppe am Multichip-Modul 101 angebracht. Die L-förmige Klemme 132 verschließt die Öffnungen des Schlitzes 109, die sich an gegenüberliegenden Seitenflächen befinden, wodurch der Verlust von Kühlungsfluid durch den Schlitz 109 reduziert wird.
Im Hinblick auf die Montage des Multichip-Moduls 101 werden das Kühlelement 106 und das Multichip-Modul 101 vorzugsweise als getrennte Einheiten vorbereitet. Daher sind der Multichip-Modul 101 und das Kühlelement 106 durch Mittel wie etwa ein wärmeleitendes Fett, eine wärmeleitende Folie, einen wärmeleitenden Klebstoff oder Befestigungsbolzen in gegenseitigem thermischen Kontakt. Da jedoch der Multichip-Modul 101 und das Kühlelement 106 unterschiedliche Temperaturverteilungen besitzen und folglich unterschiedliche Wärmeverformungsgrade zeigen, muß das Kühlelement 106 der Wärmeverformung des Multichip-Moduls 101 folgen, um Schwankungen des Wärmewiderstandes zwischen dem Multichip-Modul 101 und dem Kühlelement 106 zu verhindern. Die Klemmeinrichtung gemäß dieser Ausführungsform umfaßt eine Kombination der Blattfeder 131 und der L-förmigen Klemme 132, wobei letztere von der Bodenfläche des Multichip-Moduls 101 unterstützt ist. Die Kombination ist so beschaffen, daß im wesentlichen auf die Mitte des Kühlelementes 106 eine Last ausgeübt wird und daß eine Lasteinstellung mittels des Schraubbolzens 130 möglich ist, wodurch das Kühlelement 106 der Wärmeverformung des Multichip-Moduls 101 konstant folgt. Somit ist es möglich, den Wärmewiderstand des Multichip-Moduls und des Kühlelementes 106 zu stabilisieren und außerdem die Raumausnutzung zu verbessern und einen Kühlungsfluidverlust zu verhindern.
Gemäß dem zweiten Aspekt ist in einem mittleren Bereich eines Kühlelementes für die Kühlung einer wärmeerzeugenden Einheit ein Schlitz gebildet, in dem jede der mehreren Kühlrippen von einer oberen Fläche des Kühlelementes bis zu einer unteren Position am Kühlrippenfuß oder bis in dessen Nähe geschlitzt ist, so daß ein Kühlungsfluid in Tiefenrichtung in den Schlitz strömen kann, um eine Kühlrippenfußposition oberhalb eines mittleren Bereichs der wärmeerzeugenden Einheit direkt zu erreichen, ohne daß die Geschwindigkeit des Kühlungsfluids abnimmt. Darüber hinaus kann das in den Schlitz strömende Kühlungsfluid die Kühlrippenfußposition ohne wesentlichen Temperaturanstieg des Kühlungsfluids direkt erreichen. Dadurch kann die Kühlungsleistung für einen mittleren Bereich der Wärmeerzeugungseinheit erhöht werden. Somit ist es möglich, eine wärmeerzeugende Einheit wie etwa ein Halbleiterbauelement mit integrierten Schaltungen mit LSI-Struktur mit hohem Wirkungsgrad und mit gleichmäßiger Temperaturverteilung in der wärmeerzeugenden Einheit zu kühlen. Insbesondere im Fall eines Multichip-Moduls, in dem LSI-Chips oder dergleichen mit hoher Dichte angeordnet sind und wie er kürzlich in Gebrauch gekommen ist, um eine Hochgeschwindigkeitsverarbeitung mittels eines Computers zu ermöglichen, kann die große Anzahl von LSI-Chips und dergleichen im Multichip-Modul mittels eines üblichen Kühlungsfluids wie etwa Luft gleichmäßig gekühlt werden, so daß kein spezielles Kühlungsfluid wie etwa Wasser erforderlich ist.
Der zweite Aspekt kann eine Strömungsführung enthalten, die wenigstens einen Satz von Führungselementen umfaßt, die im Kühlelement angeordnet sind, um ein von der oberen Fläche des Kühlelementes einströmendes Kühlungsfluid so zu führen, daß es mit hoher Geschwindigkeit zu einem mittleren Bereich des Kühlelementes fließt. Mit dieser Anordnung kann die Umgebung des Kühlrippenfußes an einer Position oberhalb eines mittleren Bereichs der wärmeerzeugenden Einheit intensiv gekühlt werden. Wenn die Strömungsführung auf eine bestimmte Weise vorgesehen ist, die der Verteilung der erzeugten Wärmemengen entspricht, ist es möglich, eine gleichmäßigere Temperaturverteilung in der eine große Wärmemenge erzeugenden Einheit zu schaffen, wodurch eine effizientere Kühlung geschaffen wird.
Der zweite Aspekt kann eine Klemmeinrichtung enthalten, die die Kombination aus einer in einem Schlitz des Kühlelementes angeordneten Blattfeder und aus einer L-förmigen Klemme umfaßt, die von der Bodenfläche einer wärmeerzeugenden Einheit wie etwa eines Multichip-Moduls unterstützt ist. Wenn das Kühlelement mit der darauf angebrachten Klemmeinrichtung an der wärmeerzeugenden Einheit montiert ist, ist es möglich, das Kühlelement an der wärmeerzeugenden Einheit mit hoher Zuverlässigkeit und bei guter Raumausnutzung zu montieren, wobei ein hoher Grad von Kühlungsleistung des Kühlelementes, in dem der Schlitz ausgebildet ist, aufrechterhalten wird. Die Gefahr eines Kühlungsfluidverlusts durch den Schlitz wird durch die L-förmige Klemme reduziert.
Ferner ist gemäß dem zweiten Aspekt das Düsenende in eine Düsenverbindungsöffnung unter Einfügung eines weichen Dämpfungselementes in das obere Ende des Kühlelementes eingeschoben. Daher ist es möglich, die Düse mit dem hochleistungsfähigen Kühlelement zu verbinden, ohne die elektrische Verbindung der externen Schaltungen mit der wärmeerzeugenden Einheit zu belasten, wobei der Kühlungsfluidverlust zum Verschwinden gebracht wird.

Claims

Elektronisches Gerät, mit mehreren wärmeerzeugenden Halbleiterbauelementen (21), die an einer Platte (20) angebracht sind; mehreren Kühlelementen (22), die an entsprechenden wärmeerzeugenden Halbleiterbauelementen (21) über eine wärmeleitende Verbindung befestigt sind, wobei die Kühlelemente (22) so angeordnet sind, daß sie die Richtung (27) der Strömung und der Abführung eines Kühlungsmediums wie etwa Luft durch diese Anordnung bestimmen; und einer Abführungskammer (36) für den Durchgang einer konfluenten Strömung (28) des Kühlungsmediums, die aus den Anteilen des erwärmten Kühlungsmediums zusammengesetzt ist, die von den Kühlelementen (22) ausgegeben werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlelemente (22) so angeordnet sind, daß die Richtungen (27) der Strömung und der Abführung des Kühlungsmediums durch die Kühlelemente (22) im wesentlichen identisch sind, wobei jedes Kühlelemente (22) mit dem Anteil des Kühlungsmediums beschickt wird, der durch eine Düse (23) strömt, die an dem dem wärmeerzeugenden Halbleiterbauelement (21) entgegengesetzten Ende des Kühlelementes (22) vorgesehen ist; ein Strömungsraum für das abzuführende erwärmte Kühlungsmedium zwischen benachbarten Düsen (23) oberhalb der Halbleiterbauelemente (21) vorgesehen ist, der sich längs der der Platte (20) entgegengesetzten Enden der Kühlelemente (22) in ei ner Richtung erstreckt, die zur Richtung (27) der Strömung und der Abführung des Kühlungsmediums im Kühlelement (22) im Wesentlichen senkrecht ist; die Breite (W) einer jeden Düse (23) gemessen in der Richtung (27) der Strömung und der Abführung des Kühlungsmediums durch das Kühlelement (22) kleiner als die Breite (L) des zugehörigen Kühlelements (22) ist; und jede Düse (22) in einer zur Platte (20) parallelen Ebene einen im Wesentlichen rechteckigen Querschnitt besitzt, wobei die kürzeren Seiten des Rechtecks sich in der Richtung (27) der Strömung und der Abführung des Kühlungsmediums durch das Kühlelement (22) erstrecken.