DE602006000243T2

DE602006000243T2 - Flussigskeitsgekühlter Thermosiphon für elektronische Bauelemente

Info

Publication number: DE602006000243T2
Application number: DE602006000243T
Authority: DE
Inventors: Mohinder S. Amherst Bhatti; Debashis Williamsville Ghosh; Ilya Williamsville Reyzin
Original assignee: Delphi Technologies Inc
Current assignee: Delphi Technologies Inc
Priority date: 2005-01-21
Filing date: 2006-01-04
Publication date: 2008-10-02
Anticipated expiration: 2026-01-05
Also published as: EP1684564A1; DE602006000243D1; US20060162904A1; US7506682B2; EP1684564B1

Description

TECHNISCHES GEBIET
Eine Fluidwärmetauscher-Baueinheit zum Kühlen einer elektronischen Vorrichtung.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die Forschungsaktivitäten haben sich auf die Entwicklung von Baueinheiten konzentriert, um Wärme von elektronischen Vorrichtungen effizient abzuleiten, die im hohen Grade konzentrierte Wärmequellen sind, wie z. B. Mikroprozessoren und Computer-Chips. Diese elektronischen Vorrichtungen besitzen typischerweise Leistungsdichten im Bereich von etwa 5 bis 35 W/cm² und einen relativ kleinen verfügbaren Raum für die Anordnung von Lüftern, Wärmetauschern, Kühlkörper-Baueinheiten und dergleichen. Diese elektronischen Vorrichtungen werden jedoch zunehmend miniaturisiert und konstruiert, um erhöhte Rechengeschwindigkeiten zu erreichen, die bis zu 200 W/cm² Wärme erzeugen.
Es sind Wärmetauscher- und Kühlkörper-Baueinheiten verwendet worden, die Kühlverfahren einer natürlichen oder erzwungenen Konvektion anwenden, um die elektronischen Vorrichtungen zu kühlen. Diese Wärmetauscher verwenden typischerweise Luft, um die Wärme direkt von den elektronischen Vorrichtungen abzuführen. Die Luft besitzt jedoch eine relativ niedrige Wärmekapazität. Derartige Kühlkörper-Baueinheiten sind geeignet, um Wärme von Wärmequellen mit relativ niedriger Leistung mit einer Leistungsdichte im Bereich von 5 bis 15 W/cm² abzuführen. Die erhöhten Rechengeschwindigkeiten führen zu entsprechenden Erhöhungen der Leistungsdichte der elektronischen Vorrichtungen in der Größenordnung von 20 bis 35 W/cm² und erfordern folglich effektivere Kühlkörper-Baueinheiten.
In Reaktion auf die vergrößerte Wärme, die abzuleiten ist, sind flüssigkeitsgekühlte Einheiten, die als LCUs bezeichnet werden und eine Kühlplatte im Zusammenhang mit Fluiden mit hoher Wärmekapazität, wie Wasser und Wasser-Glykol-Lösungen, verwenden, verwendet worden, um die Wärme von diesen Typen von Wärmequellen mit hoher Leistungsdichte abzuführen. Ein Typ von LCU lässt die Kühlflüssigkeit zirkulieren, so dass die Flüssigkeit die Wärme von einer Wärmequelle wie einem Computer-Chip, der an der Kühlplatte befestigt ist, abführt und dann zu einem entfernten Ort übertragen wird, an dem die Wärme unter Verwendung eines Flüssigkeit-zu-Luft-Wärmetauschers und einer Luftbewegungsvorrichtung, wie z. B. einem Lüfter oder einem Gebläse, leicht in einen Strom strömender Luft abgeleitet wird. Diese Typen der LCUs sind als indirekte Kühleinheiten charakterisiert, weil sie die Wärme von der Wärmequelle indirekt durch ein sekundäres Arbeitsfluid, im Allgemeinen eine einphasige Flüssigkeit, abführen, die zuerst die Wärme von der Wärmequelle abführt und sie dann in den Luftstrom ableitet, der durch den entfernt angeordneten Flüssigkeit-zu-Luft-Wärmetauscher strömt. Derartige LCUs sind für einen mäßigen Wärmefluss zufriedenstellend, der an der Kühlplatte kleiner als 35 bis 45 W/cm² ist.
In den Kühlkörpern des Standes der Technik, wie z. B. jenen, die in den US-Patenten 6 422 307 und 5 304 846 offenbart sind, strömt das einphasige Arbeitsfluid der flüssigkeitsgekühlten Einheit (LCU) direkt über die Kühlplatte, was Probleme der Korrosion und Undichtigkeit der Kühlplatte verursacht.
Da die Rechengeschwindigkeiten weiterhin noch drastischer zunehmen, steigen die entsprechenden Leistungsdichten der Vorrichtungen auf bis zu 200 W/cm² an. Die Beschränkungen der Miniaturisierung, gekoppelt mit dem durch derartige Vorrichtungen erzeugten hohen Wärmefluss, erfordern äußerst effiziente, kompakte und zuverlässige Thermosiphon-Kühleinheiten, die als TCUs bezeichnet werden. Derartige TCUs arbeiten über einem Wärmefluss von 45 W/cm² an der Kühlplatte besser als die LCUs. Eine typische TCU absorbiert die durch die elektronische Vorrichtung erzeugte Wärme durch das Verdampfen des gefangenen Arbeitsfluids auf einer Dampferzeugerplatte der Einheit. Das Sieden des Arbeitsfluids bildet einen Phasenübergang vom flüssigen Zustand zum Dampfzustand, wobei als solches das Arbeitsfluid der TCU als ein zweiphasiges Fluid betrachtet wird. Der durch das Sieden des Arbeitsfluids erzeugte Dampf wird dann zu einem luftgekühlten Verflüssiger in nächster Nähe der Dampferzeugerplatte übertragen, an der er durch den Prozess der Filmkondensation über der Kondensationsoberfläche der TCU verflüssigt wird. Die Wärme wird in einen über eine äußere Oberfläche mit Kühlrippen des Verflüssigers strömenden Luftstrom ausgeschieden. Die kondensierte Flüssigkeit wird durch die Gravitation zur Dampferzeugerplatte zurückgeführt, um den Siede-Kondensations-Zyklus fortzusetzen. Diese TCUs erfordern, dass die Siede- und Kondensationsprozesse in nächster Nähe zueinander auftreten, wobei sie dadurch gegensätzliche thermische Bedingungen in einem relativ kleinen Volumen auferlegen.
Beispiele von Kühlsystemen für elektronische Vorrichtungen sind in den US-Patenten 4 704 658 von Yokouchi et al.; 5 529 115 von Paterson und 5 704 416 von Larson et al. offenbart.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Gemäß der Erfindung wird die durch eine elektronische Vorrichtung erzeugte Wärme zum unteren Abschnitt eines Gehäuses übertragen, in dem sich ein Kältemittel für die Flüssigkeit-nach-Dampf-Transformation befindet, wobei ein flüssiges Kühlmittel oberhalb einer Trennwand strömt, die einen Kühlmitteldurchlass im oberen Abschnitt des Gehäuses definiert. Im Kühlmitteldurchlass sind Strömungsunterbrecher angeordnet, um in Reaktion auf Wärme, die von einer elektronischen Vorrichtung an den unteren Abschnitt des Gehäuses übertragen wird, die thermische Grenzschicht zu unterbrechen, um die thermische Wärmeübertragung zum flüssigen Kühlmittel zu erhöhen, das durch den Kühlmitteldurchlass im oberen Abschnitt strömt.
Die Erfindung verwendet eine Trennwand, um das sekundäre zweiphasige Fluid vom einphasigen Arbeitsfluid der TCU zu trennen, mit Strömungsunterbrechern im Kühlmitteldurchlass, um den Wärmeübertragungskoeffizienten zu vergrößern.
Die vorliegende Erfindung verwendet ein gefangenes sekundäres Fluid, das einer Flüssigkeit-nach-Dampf-Transformation innerhalb der Siedekammer unterzogen werden kann, um die Wärme von der Kühlplatte durch Sieden abzuführen. Der resultierende Dampf füllt den unteren Abschnitt oder die Siedekammer unter der Trennwand, die das Arbeitsfluid des oberen Abschnitts vom Dampf des sekundären Fluids im unteren Abschnitt oder der Siedekammer trennt. Der Dampf des sekundären Fluids wird durch das über die Trennwandoberfläche strömende Arbeitsfluid kondensiert. Folglich arbeitet der untere Abschnitt oder die Siedekammer mit dem sekundären zweiphasigen Fluid als ein Thermosiphon mit darüber liegender Kühlkammer, die durch die Trennwand definiert ist, die als die Verflüssigertrennwand dient. Ungleich zu den luftgekühlten Verflüssigern des Standes der Technik ist der flüssigkeitsgekühlte Verflüssiger der Erfindung aufgrund der höheren Wärmekapazität des flüssigen Kühlmittels beim Kondensieren des Kältemitteldampfes effektiver.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Andere Vorteile der vorliegenden Erfindung werden leicht offensichtlich, da dieselben unter Bezugnahme auf die folgende ausführliche Beschreibung besser verstanden werden, wenn sie im Zusammenhang mit der beigefügten Zeichnung betrachtet wird, worin:
1 eine auseinandergezogene perspektivische Ansicht des Wärmetauschers der Erfindung ist;
2 eine Querschnittsansicht des in 1 gezeigten Wärmetauschers ist;
3 eine zweite Ausführungsform der Erfindung ist;
4 eine dritte Ausführungsform ist;
5 eine vierte Ausführungsform ist;
6 eine fünfte Ausführungsform ist;
7 eine sechste Ausführungsform ist;
8 eine bruchstückartige vergrößerte Ansicht der 5 ist, um die Position des Strömungsunterbrechers am Scheitelpunkt einer Welle deutlich zu zeigen; und
9 ein Schema eines Flüssigkeitskühlsystems ist, in dem der Wärmetauscher der Erfindung verwendet werden kann.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
Eine Fluidwärmetauscher-Baueinheit umfasst ein Gehäuse 20, das einen Einlass 22 und einen Auslass 24 sowie einen oberen Abschnitt 26, der eine Oberseite oder obere Wand 27 definiert, und einen unteren Abschnitt 28, die sich zwischen dem Einlass 22 und dem Auslass 24 erstrecken, um eine Strömungsrichtung vom Einlass 22 zum Auslass 24 zu schaffen, besitzt. Die Baueinheit wird verwendet, um eine elektronische Vorrichtung 30 zu kühlen, die sich mit dem unteren Abschnitt 28 des Gehäuses 20 in Eingriff befindet oder am unteren Abschnitt 28 des Gehäuses 20 befestigt ist. Wie in 3 gezeigt ist, ist die elektronische Vorrichtung 30 oder das elektronische Bauelement vorzugsweise in einer Aussparung 29 in der Unterseite des Gehäuses 20 klebend befestigt.
Eine Trennwand 32 unterteilt das Gehäuse 20 in den oberen Abschnitt 26 und den unteren Abschnitt 28, um eine Strömungsrichtung des flüssigen Kühlmittels in einem Kühlmitteldurchlass 33, der zwischen der oberen Wand 27 und der Trennwand 32 definiert ist, vom Einlass 22 zum Auslass 24 im oberen Abschnitt 26 zu schaffen. Das Gehäuse 20 ist hermetisch um die Trennwand 32 abgedichtet, damit es im unteren Abschnitt 28 ein Kältemittel für die Flüssigkeit-nach-Dampf-Transformation enthält. Mit anderen Worten trennt die Trennwand 32 das Kältemittel im unteren Abschnitt 28 vom flüssigen Kühlmittel im Kühlmitteldurchlass 33 des oberen Abschnitts 26.
Die Trennwand 32 und die obere Wand 27 sind quer zur Strömungsrichtung vom Einlass 22 zum Auslass 24 wellenförmig oder gewellt, um den Strömungsdurchlass 33 zu definieren. Die Trennwand 32 definiert eine Unterseite des Kühlmitteldurchlasses 33 im oberen Abschnitt 26, während die obere Wand 27 des oberen Abschnitts 26 eine Oberseite des Kühlmitteldurchlasses 33 definiert, wobei die Oberseite oder die obere Wand 27 auch quer zur Strömungsrichtung vom Einlass 22 zum Auslass 24 wellenförmig ist, um den Kühlmitteldurchlass 33 zu definieren. Im Inneren des Kühlmitteldurchlasses 33 sind die Strömungsunterbrecher 34 angeordnet, die sich vertikal nach oben in den Kühlmittelstrom erstrecken. Der Zweck der Strömungsunterbrecher 34 besteht darin, die thermische Grenzschicht zu unterbrechen, die von der oberen wellenförmigen Wand 27 und der unteren wellenförmigen Wand 32 des Kühlmitteldurchlasses 33 wächst. Die Unterbrechung der thermischen Grenzschicht verursacht, dass der Wärmeübertragungskoeffizient h am Unterbrechungspunkt einen höheren Wert erreicht, wie in 2 angegeben ist, die die Strömungsunterbrecher zeigt, die jeder mit einem Abstand L voneinander angeordnet sind. Mit wachsender thermischer Grenzschicht nimmt der Wärmeübertragungskoeffizient h ab. Falls die Strömungsunterbrecher 34 nicht vorgesehen sind, erreicht der Wärmeübertragungskoeffizient einen äußerst niedrigen Wert, der die thermische Leistung des Thermosiphons 20 unterminiert.
In den Ausführungsformen nach den 1–5 sind die V-förmigen Kämme, die die Oberseite (die obere Wand 27) und die Unterseite (die Trennwand 32) des Kühlmitteldurchlasses 33 definieren, vertikal ausgerichtet, um zueinander parallel zu laufen, so dass der Kühlmitteldurchlass 33 auf seiner Länge eine konstante Spaltbreite oder Querschnittsfläche besitzt, d. h. die vertikale Abmessung zwischen der Oberseite und der Unterseite des oberen Abschnitts 26 bleibt zwischen dem Einlass 22 und dem Auslass 24 konstant. Andererseits sind in der Ausführungsform nach 6 die V-förmigen Kämme, die die Oberseite und die Unterseite des Kühlmitteldurchlasses 33 definieren, vertikal versetzt, so dass der Kühlmitteldurchlass 33 auf seiner Länge eine veränderliche Spaltbreite oder Querschnittsfläche besitzt. In der Ausführungsform nach 7 können die V-förmigen Kämme der Oberseite und Unterseite beides sein, sie sind aber in der Nähe des Einlasses 22 und des Auslasses 24 vertikal weiter voneinander beabstandet als zwischen dem Einlass 22 und dem Auslass 24, um das Volumen des Kühlmitteldurchlasses 33 zwischen dem Einlass 22 und dem Auslass 22 zu verringern. Der Vorteil eines Kühlmitteldurchlasses 33, der eine veränderliche Spaltbreite zwischen den Wellen besitzt, besteht darin, dass er eine zusätzliche Erhöhung der Wärmeübertragung infolge der periodischen Ausdehnung und Verengung der Strömung des flüssigen Kühlmittels schafft. In der Ausführungsform nach 3 hängen die Oberseite und die Unterseite in den unteren Abschnitt 28 zwischen dem Einlass 22 und dem Auslass 24 durch, so dass sich der Kühlmitteldurchlass 33 zwischen seinen Enden näher bei der elektronischen Vorrichtung 30 befindet. Mit anderen Worten, die Trennwand 32 hängt in den unteren Abschnitt 28 durch, so dass sich der Kühlmitteldurchlass 33 zwischen dem Einlass 22 und dem Auslass 24 näher bei der elektronischen Vorrichtung 30 befindet. Die wellenförmige Trennwand 32 und die wellenförmige obere Wand 27 definieren V-förmige Kämme, wobei sich die Strömungsunterbrecher (34) vom Scheitelpunkt der V-förmigen Kämme erstrecken, die mit einem Abstand L voneinander beabstandet sind.
Mehrere Kühlrippen 36 erstrecken sich von der Unterseite des Gehäuses 20, um die Wärmeübertragung von der elektronischen Vorrichtung 30 in das Innere des unteren Abschnitts 28 des Gehäuses 20 zu vergrößern. Die Kühlrippen 36 erstrecken sich linear quer über die Strömungsrichtung unter der Trennwand 32 und zwischen dem Einlass 22 und dem Auslass 24 im oberen Abschnitt 26. Die Wärmeübertragungsrippen 36 sind im unteren Abschnitt 28 des Gehäuses 20 angeordnet, um Wärme von der elektronischen Vorrichtung 30, die an der Außenseite des unteren Abschnitts 28 des Gehäuses 20 angeordnet ist, zu übertragen. Die Kühlrippen 36 haben eine unterschiedliche Höhe, wobei spezifischer die Kühlrippen 36 in der Mitte zwischen dem Einlass 22 und dem Auslass 24 die größte Höhe haben und vom Mittelpunkt in Richtung zum Einlass 22 bzw. zum Auslass 24 eine allmählich geringere Höhe haben. Die mittlere Kühlrippe 36 kann sich auf dem gesamten Weg zu der unteren gewellten Wand 32 erstrecken und an sie hartgelötet sein, um eine Verstärkung der Dampfkammer unter der unteren gewellten Wand 32 zu schaffen. Die Ausführungsform nach 3 veranschaulicht, dass die Trennwand 32 in den unteren Abschnitt 28 zu den Kühlrippen 36 durchhängen kann. Die Kühlrippen 36 können die Form von jenen annehmen, die im US-Patent 6.588.498 offenbart sind.
Außerdem können sich die Wärmeübertragungsflächen 38 vom oberen Abschnitt 26 nach oben erstrecken, um die Wärmeübertragung zwischen dem flüssigen Kühlmittel und der den oberen Abschnitt 26 umgebenden Umgebung zu erhöhen.
Der obere Abschnitt 26 des Gehäuses 20 ist im Wesentlichen rechteckig, während der untere Abschnitt 28 des Gehäuses 20 im Wesentlichen rechteckig ist und sich im Wesentlichen mit dem oberen Abschnitt 26 deckt. Eine Aussparung 29 erstreckt sich in den unteren Abschnitt 28 des Gehäuses 20, um die elektronische Vorrichtung 30 aufzunehmen. Das gesamte Gehäuse 20 einschließlich des Strömungsdurchlasses 33 mit der oberen gewellten Wand 27 und der unteren gewellten Wand 32 zusammen mit den Endabschnitten, die die Tanks 42 definieren, und der wannenförmige untere Abschnitt 28, mit dem die Kühlrippen 36 und die Aussparung 29 für die elektronische Vorrichtung 30 einteilig ausgebildet sind, können als ein einziges oder einteiliges Stück extrudiert sein, wobei dadurch der Bedarf an verschiedenen Hartlöt-Operationen beseitigt wird. Die Abschnitte des Strangpresslings werden geschnitten, während die Endplatten 44 mit Hartlot-Beschichtung aus dünnem Plattenmaterial gestanzt werden. Während des Stanzens der Endplatten 44 werden verschiedene Rillen in den Endplatten 44 ausgebildet, um die Kanten der extrudierten Abschnitte aufzunehmen und das Kleben an die Kanten der extrudierten Abschnitte zu unterstützen und dadurch den oberen Abschnitt 26 und die unteren Abschnitte 28 des Gehäuses 20 hermetisch abzudichten. Es wird eine einfache Bearbeitungsoperation verwendet, um Löcher in eine Endplatte 44 und in die Tanks 42 des Kühlmitteldurchgangs 33 zu bohren. Nach dem Schweißen eines Kältemittel-Beschickungsrohrs 46 an das in die Endplatte 44 gebohrte Loch und dem Schweißen des Einlasses 22 und des Auslasses 24 an die Tanks 42 wird die ganze Baueinheit für eine Hartlöt-Operation in einem Ofen zusammen verdrahtet. Nach der Hartlöt-Operation ist die Baueinheit bereit für die Prüfung, das Testen, das Beschicken und die Verbindung mit einem Kühlsystem, wie in 8 veranschaulicht ist.
Das in 8 veranschaulichte Flüssigkeitskühlsystem enthält das Wärmetauschergehäuse 20 zum Kühlen einer elektrischen Vorrichtung 30. Die elektronische Vorrichtung 30 erzeugte eine Wärmemenge, die abzuleiten ist, wobei die Wärme von der elektronischen Vorrichtung 30 zur Unterseite des Wärmetauschergehäuses 20 übertragen wird. Die Wärme wird dann von der Unterseite zu den Kühlrippen 36 und von da zum Kältemittel geleitet. Eine Arbeitsfluid-Bewegungsvorrichtung, wie z. B. eine Pumpe P, bewegt ein Kühlfluid, normalerweise eine Flüssigkeit, durch ein Kühlfluid-Sammelgefäß T, das das überschüssige Kühlfluid speichert. Die Pumpe P bewegt das Kühlfluid durch eine Wärmeextraktionseinrichtungs- oder Radiatorbaueinheit, um die Wärme vom Kühlfluid abzuleiten, wobei die Wärmeextraktionseinrichtungs- oder Radiatorbaueinheit einen Lüfter F und einen Radiator R enthält. Der Radiator R kann ein wohlbekannter Typ sein, der Röhren mit Kühlplatten zwischen den Röhren enthält, um Wärme zwischen dem Kühlfluid, das durch die Röhren hindurchgeht, und der durch den Lüfter F durch den Radiator gezwungenen Luft auszutauschen. Die elektronische Vorrichtung 30 erzeugt Wärme, die durch die Kühlrippen 36 zu dem im unteren Abschnitt 28 des Gehäuses 20 abgedichteten gefangenen Kältemittel übertragen wird, um das Kältemittel zum Sieden zu bringen und zu verdampfen. Das verdampfte Kältemittel steigt in den unteren Abschnitt 28 des Gehäuses 20 und in die V-förmigen Hohlräume zwischen den Kämmen des Kühlmittelströmungsdurchlasses 33. Das flüssige Kühlmittel, das durch den wellenförmigen Kühlmitteldurchlass 33 strömt, absorbiert Wärme vom Kältemitteldampf, wobei dadurch der Dampf zurück in das flüssige Kältemittel kondensiert, das im unteren Abschnitt 28 zusammengefasst wird, wo es abermals Wärme von der elektronischen Vorrichtung 30 absorbiert, um den Zyklus zu wiederholen.
Wie in 2 veranschaulicht ist, sind die Parameter des Kühlmitteldurchlasses 33 sehr wichtig. Gemäß der Erfindung wird festgestellt, dass der optimale Wert der Spaltbreite s des Durchlasses durch die folgende Beziehung hinsichtlich der Transporteigenschaften des Kühlmittels gegeben ist, wie sie in der dimensionslosen Prandtl-Zahl Pr, dem Massendurchfluss m ., und der dynamischen Viskosität μ des Kühlmittels verkörpert sind:
wobei die dimensionslose Prandtl-Zahl folgendermaßen definiert ist:
wobei μ die dynamische Viskosität des Kühlmittels ist, c_p die isobare spezifische Wärme des Kühlmittels ist und k die Wärmeleitfähigkeit des Kühlmittels ist.
Bei Kenntnis der Spaltbreite s des Strömungsdurchlasses aus Gleichung (1) werden die Rillenschrittweite p und die Höhe a eines Strömungsunterbrechers, wie in 2 gezeigt ist, unter Verwendung der folgenden Beziehungen bestimmt: p = 2s sin ϕ, (3) a ≤ s cos ϕ, (4)wobei ϕ der in 2 gezeigte Rillenwinkel ist.
Gemäß der Erfindung ist die Länge eines Strömungsunterbrechers L, der in 2 gezeigt ist, durch die Beziehung
gegeben, wobei w die Tiefe des Thermosiphons senkrecht zur Papierebene ist und die verbleibenden Symbole vorher definiert worden sind.
Beispielhaft werden die Abmessungen des Thermosiphons 20 mit einem Rillenwinkel ϕ = 30° und einer Tiefe w = 50 mm unter Verwendung der vorhergehenden Beziehungen berechnet. Es wird angenommen, dass das Kühlmittel Wasser ist, das bei 40°C mit einer Rate von m . = 30 g/s durch den Strömungsdurchlass 33 strömt. Bei dieser Temperatur sind die Transporteigenschaften von flüssigem Wasser μ = 6,7918 × 10^–3 g/cm·s, c_p = 0,999 kal/g·°C, k = 1,4963 × 10^–3 kal/cm·s·°C und Pr = 4,53. Werden die obenerwähnten Werte von m . = 30 g/s, μ = 6,7918 × 10^–3 g/cm·s und Pr = 4,53 in die Gleichung (1) eingesetzt, wird die Spaltbreite des Durchlasses zu s = 0,31 mm erhalten. Als Nächstes wird der berechnete Wert von s = 0,31 mm zusammen mit dem gegebenen Wert des Rillenwinkels ϕ = 30° in die Gleichungen (2) und (3) eingesetzt, wobei die Rillenschrittweite p = 0,31 mm und die Höhe eines Strömungsunterbrechers 34 a ≤ 0,27 mm erhalten werden. Schließlich wird durch das Einsetzen des berechneten Wertes s = 0,31 mm zusammen mit den oben erwähnten Werten ϕ = 30°, w = 50 mm, Pr = 4,53, m . = 30 g/s und μ = 6,7918 × 10^–3 g/cm·s in die Gleichung (5) die Länge eines Strömungsunterbrechers L ≤ 43 mm erhalten.
Basierend auf einer umfassenden Untersuchung der Kühlung von Elektronik wird festgestellt, dass die nützlichsten Bereiche von s, ϕ und L durch die folgenden Beziehungen gegeben sind:
0,1 mm ≤ s ≤ 2,5 mm,
5° ≤ ϕ ≤ 60°,
L ≤ 50 mm.
Konsistent mit diesen Bereichen von s und ϕ können die nützlichen Bereiche von p und a unter Verwendungen der Gleichungen (3) und (4) berechnet werden.
Die Strömungsunterbrecher 34 unterbrechen das Wachstum der thermischen Grenzschicht auf den wellenförmigen oberen und unteren Wänden des oberen Abschnitts 26. Falls der thermischen Grenzschicht erlaubt wird, ununterbrochen zu wachsen, nimmt der Widerstand für die Wärmeübertragung allmählich zu und führt zu allmählich kleineren Werten des Wärmekoeffizienten h, wie in 2 angegeben ist. Durch das Unterbrechen des Wachstums der thermischen Grenzschicht wird die thermische Grenzschicht gezwungen, am Punkt der Unterbrechung mit einem niedrigeren thermischen Widerstand und folglich einem höheren Wärmeübertragungskoeffizienten neu zu beginnen. Demzufolge verursachen die Strömungsunterbrecher 34 anstatt eines monoton abnehmenden Wärmeübertragungskoeffizienten eine sägezahnförmige Änderung des Wärmeübertragungskoeffizienten längs des Strömungsdurchlasses, wie in 2 angegeben ist.
Die Erfindung schafft deshalb ein Verfahren zum Kühlen einer elektronischen Vorrichtung 30 durch das Anordnen eines Kältemittels im unteren Abschnitt 28 des Gehäuses 20 für die Flüssigkeit-nach-Dampf-Transformation und das Übertragen der durch die elektronische Vorrichtung 30 erzeugten Wärme zum unteren Abschnitt 28 eines Gehäuses 20. Das Verfahren ist durch das Strömenlassen des flüssigen Kühlmittels über die Strömungsunterbrecher 34 abgegrenzt, die im Kühlmittelströmungsdurchlass 33 angeordnet sind, um in Reaktion auf die durch eine elektronische Vorrichtung 30 an den unteren Abschnitt 28 des Gehäuses 20 übertragene Wärme die thermische Grenzschicht zu unterbrechen, um die Wärmeübertragung zur Strömung des flüssigen Kühlmittels durch den oberen Abschnitt 26 zu erhöhen.
Offensichtlich sind angesichts der obigen Lehren viele Modifikationen und Variationen der vorliegenden Erfindung möglich. Die Erfindung kann im Umfang der beigefügten Ansprüche anders ausgeführt werden, als spezifisch beschrieben worden ist, wobei die Angaben so interpretiert werden sollten, dass sie jede Kombination abdecken, in der die anspornende Neuheit ihren Nutzen ausübt.

Claims

Fluidwärmetauscher-Baueinheit zum Kühlen einer elektronischen Vorrichtung (30) mit einem flüssigen Kühlmittel, das von einer Wärmeentnahmevorrichtung (R, F) zugeführt wird, umfassend: ein Gehäuse (20) mit einem Einlass (22) und einem Auslass (24) sowie einem oberen Abschnitt (26) und einem unteren Abschnitt (28), wobei sich der Einlass (22) und der Auslass (24) in dem oberen Abschnitt (26) befinden, eine Trennwand (32), die das Gehäuse (20) in den oberen Abschnitt (26), der eine obere Wand (27) besitzt, und in den unteren Abschnitt (28) unterteilt, um zwischen der Trennwand (32) und der oberen Wand (27) eine Strömungsrichtung in einem Kühlmitteldurchlass (33) von dem Einlass (22) zu dem Auslass (24) in dem oberen Abschnitt (26) zu schaffen, ein Kältemittel, das in dem unteren Abschnitt (28) des Gehäuses (20) für eine Flüssigkeit-nach-Dampf-Transformation angeordnet ist, wobei das Gehäuse (20) um die Trennwand (32) hermetisch abgedichtet ist, um das Kältemittel in dem unteren Abschnitt (28) von dem flüssigen Kühlmittel in dem oberen Abschnitt (26) zu trennen, und Strömungsunterbrecher (34), die in dem Kühlmitteldurchlass (33) angeordnet sind, um in Reaktion auf Wärme, die von einer elektronischen Vorrichtung (30) an den unteren Abschnitt (28) des Gehäuses (20) übertragen wird, eine thermische Grenzschicht zu unterbrechen, um die thermische Wärmeübertragung an die Strömung des flüssigen Kühlmittels durch den Kühlmitteldurchlass (33) des oberen Abschnitts (26) zu erhöhen.
Baueinheit nach Anspruch 1, die einen Vorsprung in dem Kühlmitteldurchlass (33) aufweist, der die Strömungsunterbrecher (34) definiert.
Baueinheit nach Anspruch 2, bei der die Trennwand (32) und die obere Wand (27) ein Metall mit dünner Stärke enthalten.
Baueinheit nach Anspruch 2, bei der die Trennwand (32) quer zu der Strömungsrichtung vom Einlass (22) zum Auslass (24) wellenförmig ist.
Baueinheit nach Anspruch 4, bei der die wellenförmige Trennwand (32) V-förmige Kämme aufweist und die Strömungsunterbrecher (34) sich von den V-förmigen Kämmen erstrecken.
Baueinheit nach Anspruch 4, bei der die Trennwand (32) eine Unterseite des Kühlmitteldurchlasses (33) in dem oberen Abschnitt (26) definiert und die obere Wand (27) die Oberseite des Kühlmitteldurchlasses (33) definiert, wobei die obere Wand (27) auch quer zu der Strömungsrichtung vom Einlass (22) zum Auslass (24) wellenförmig ist.
Baueinheit nach Anspruch 6, bei der die wellenförmige Trennwand (32) und die wellenförmige obere Wand (27) V-förmige Kämme definieren und die Strömungsunterbrecher (34) sich von den V-förmigen Kämmen erstrecken.
Baueinheit nach Anspruch 7, bei der die V-förmigen Kämme, die die Oberseite und die Unterseite des Kühlmitteldurchlasses (33) definieren, vertikal ausgerichtet sind, um zueinander parallel zu laufen, so dass der Kühlmitteldurchlass (33) auf seiner Länge eine konstante Spaltbreite besitzt.
Baueinheit nach Anspruch 8, bei der die Oberseite und die Unterseite zwischen dem Einlass (22) und dem Auslass (24) in den unteren Abschnitt (28) durchhängen.
Baueinheit nach Anspruch 7, bei der die V-förmigen Kämme, die die Oberseite und die Unterseite des Kühlmitteldurchlasses (33) definieren, vertikal versetzt sind, so dass der Kühlmitteldurchlass (33) auf seiner Länge eine veränderliche Querschnittsfläche besitzt.
Baueinheit nach Anspruch 7, bei der die V-förmigen Kämme, die die Oberseite und die Unterseite des Kühlmitteldurchlasses (33) definieren, in der Nähe des Einlasses (22) und des Auslasses (24) vertikal weiter voneinander beabstandet sind als zwischen dem Einlass (22) und dem Auslass (24), um das Volumen des Kühlmitteldurchlasses (33) zwischen dem Einlass (22) und dem Auslass (24) zu verringern.
Baueinheit nach Anspruch 1, bei der die Trennwand (32) in den unteren Abschnitt (28) durchhängt, so dass sich der Kühlmitteldurchlass (33) zwischen dem Einlass (22) und dem Auslass (24) näher bei der elektronischen Vorrichtung (30) befindet.
Baueinheit nach Anspruch 6, die Wärmeübertragungsrippen (36) aufweist, die in dem unteren Abschnitt (28) des Gehäuses (20) angeordnet sind, um Wärme von einer elektronischen Vorrichtung (30) zu übertragen, die an der Außenseite des unteren Abschnitts (28) des Gehäuses (20) angeordnet ist.
Baueinheit nach Anspruch 13, bei der die Rippen (36) eine unterschiedliche Höhe haben.
Baueinheit nach Anspruch 14, bei der sich die mittlere Kühlrippe (36) auf dem gesamten Weg zu der Trennwand (32) vertikal erstreckt, um den unteren Abschnitt (28) zu verstärken.
Baueinheit nach Anspruch 14, bei der die Kühlrippen (36) in der Mitte zwischen dem Einlass (22) und dem Auslass (24) die größte Höhe haben und in Richtung zu dem Einlass (22) bzw. zu dem Auslass (24) eine allmählich geringere Höhe haben.
Baueinheit nach Anspruch 15, bei der die Trennwand (32) in den unteren Abschnitt (28) zu den Kühlrippen (36) durchhängt.
Baueinheit nach Anspruch 6, die Wärmeübertragungsoberflächen (38) aufweist, die sich von der oberen Wand (27) des oberen Abschnitts (26) nach oben erstrecken, um die Wärmeübertragung zwischen dem flüssigen Kühlmittel und der den oberen Abschnitt (26) umgebenden Umgebung zu erhöhen.
Baueinheit nach Anspruch 17, die eine Aussparung (29) in dem unteren Abschnitt (28) besitzt, um die elektronische Vorrichtung (30) aufzunehmen.
Baueinheit nach Anspruch 1, bei der der obere Abschnitt (26) des Gehäuses (20) im Wesentlichen rechteckig ist und der untere Ab schnitt (28) des Gehäuses (20) sich im Wesentlichen mit dem oberen Abschnitt (26) deckt.
Baueinheit nach Anspruch 8, bei der die optimalen Abmessungen berechnet werden können, wenn die folgenden Beziehungen verwendet werden:
wobei s die Strömungsdurchlass-Spaltbreite ist, m . der Massendurchfluss des Kühlmitteldurchlasses (33) ist, μ die dynamische Viskosität des Kühlmittels ist und die dimensionslose Prandtl-Zahl Pr folgendermaßen definiert ist:
wobei μ die dynamische Viskosität des Kühlmittels ist, c_p die isobare spezifische Wärme des Kühlmittels ist und k die Wärmeleitfähigkeit des Kühlmittels ist; p = 2s sin ϕ (3)wobei p die Rillenschrittweite ist, s die Spaltbreite des Strömungsdurchlasses (33) ist, die unter Verwendung von Gleichung (1) berechenbar ist, und ϕ der Rillenwinkel ist; a < s cos ϕ (4)wobei a die Höhe eines Strömungsunterbrechers (34) ist, s die Spaltbreite des Strömungsdurchlasses (33) ist, die unter Verwendung von Gleichung (1) berechenbar ist, und ϕ der Rillenwinkel ist;
wobei L die Länge eines Strömungsunterbrechers ist, m . der Massendurchfluss des Kühlmitteldurchlasses (33) ist, c_p die isobare spezifische Wärme des Kühlmittels ist, k die Wärmeleitfähigkeit des Kühlmittels ist, s die Spaltbreite des Strömungsdurchlasses (33) ist, die unter Verwendung von Gleichung (1) berechenbar ist, ϕ der Rillenwinkel ist und w die Tiefe des Thermosiphons senkrecht zur Papierebene ist.
Baueinheit nach Anspruch 8, bei der 0,1 mm ≤ s ≤ 2,5 mm 5° ≤ ϕ ≤ 60° L ≤ 50 mm p = 2s sin ϕ a ≤ s cos ϕ wobei p die Rillenschrittweite in der oberen Strömungsdurchlasswand (27) und in der unteren Rillenwand (32) des Kühlmittelströmungsdurchlasses (33) ist, s die Strömungsdurchlass-Spaltbreite zwischen der Oberseite und der Unterseite des Kühlmitteldurchlasses (33) ist, ϕ der Rillenwinkel der V-förmigen Durchlasswand (33) ist und L die Strömungsunterbrechungslänge in dem Strömungsdurchlass (33) ist, die durch die Strömungsunterbrecher (34) markiert ist.
Verfahren zum Kühlen einer elektronischen Vorrichtung (30), das die folgenden Schritte umfasst: Erzeugen von Wärme durch eine elektronische Vorrichtung (30), Übertragen der durch die elektronische Vorrichtung (30) erzeugten Wärme an den unteren Abschnitt (28) eines Gehäuses (20), Anordnen eines Kältemittels im unteren Abschnitt (28) des Gehäuses (20) für eine Flüssigkeit-nach-Dampf-Transformation und Strömenlassen von flüssigem Kühlmittel über in einem oberen Abschnitt (26) des Gehäuses (20) angeordnete Strömungsunterbrecher (34), um in Reaktion auf Wärme, die durch eine elektronische Vorrichtung (30) an den unteren Abschnitt (28) des Gehäuses (20) übertragen wird, die thermische Grenzschicht zu unterbrechen, um die thermische Wärmeübertragung an die Strömung des flüssigen Kühlmittels über den oberen Abschnitt (26) zu erhöhen.