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Hintergrund
der Erfindung
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Die
Wärme,
die von elektronischen Bauteilen/Anordnungen während des Betriebs erzeugt
wird, muss abgeführt
werden, um Überhitzung
und Ausfall zu verhindern. Dafür
gibt es viele Methoden, beispielsweise Abfuhr, natürliche Konvektion,
herbeigeführte
Konvektion und Strahlung. Vorrichtungen zur Wärmeabfuhr, die insbesondere
zur elektronischen Kühlung
verwendet werden, umfassen Ventilatoren, Kühlkörper, thermoelektrische Kühlvorrichtungen, Phasenübergangsmaterial,
Flüssigkeiten
usw.. Zwei entgegen gesetzte Entwicklungen machen das Kühlproblem
schwieriger. Erstens hat der Leistungsanstieg elektronischer Bauteile/Anordnungen
zu einem Anstieg der erzeugten Wärme
geführt.
Zweitens hat die Nachfrage nach zusätzlicher elektronischer Funktionalität von entweder
derselben physikalischen Größe oder
einer kleineren Größe zu weniger
verfügbarem
Raum für
Vorrichtungen zur Wärmeabfuhr
geführt.
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Ein
herkömmliches
Kühlungssystem
besteht aus einem Kühlkörper, der
in einem Elektronikgehäuse
angeordnet und von jeder beliebigen Leiterplatte entfernt befestigt
ist, die Wärme
von einer Reihe von Bauteilen oder Elektronikmodulen abführt, was
für gewöhnlich mit
Hilfe eines oder mehrerer Ventilatoren geschieht.
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Bei
einem anderen herkömmlichen
System wird ein Kühlkörper direkt
auf einem elektronischen Bauteil angeordnet. Diese herkömmlichen
Kühlsysteme
erfordern eine größere Elektronikanordnung,
um weitere Wärmetauschvorrichtungen
aufzunehmen. In Fällen,
in denen die Wärmeabfuhr
nicht für
ein bestimmtes Bauteil gedacht ist, muss die Kühlkapazität für das gesamte System erhöht werden,
wodurch die Kosten steigen und die Effizienz des Kühlsystems sinkt.
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Dementsprechend
besteht ein wesentlicher Bedarf nach einer Vorrichtung und einem
Verfahren zur Bereitstellung einer Kühlung von elektronische Bauteilen,
die den Mangel des vorher angeführten Systems
gemäß dem Stand
der Technik überwinden. In
dem US-Patent 5,981,887
ist eine Vorrichtung zur Wärmeabfuhr
von übereinander
liegenden Leiterplatten beschrieben, die eine Vorrichtung zur Wärmeabfuhr,
die auf einer Mezzaninkarte befestigt ist, und einen Wärmeleiter
aufweisen, der einen Abschnitt, der mit Bauteilen gekoppelt ist
und einen weiteren Abschnitt, der mit der Vorrichtung zur Wärmeabfuhr
gekoppelt ist, aufweist.
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Kurzbeschreibung
der Zeichnungen
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Mit
Bezug zu den Zeichnungen:
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1 ist
eine perspektivische Darstellung eines Elektronikmoduls;
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2 ist
eine einer Ausführungsform
der Erfindung entsprechende perspektivische Darstellung eines Elektronikmoduls;
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3 ist
eine einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung entsprechende perspektivische Darstellung eines Elektronikmoduls;
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4 ist
eine einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung entsprechende perspektivische Darstellung eines Elektronikmoduls;
und
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5 ist
ein Ablaufdiagramm der Erfindung.
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Man
kann klar erkennen, dass zur Einfachheit und Klarheit der Darstellung,
die in den Zeichnungen dargestellten Bauteile nicht unbedingt maßstabsgetreu
gezeichnet wurden. Beispielsweise ist die Größe mancher Bauteile im Bezug
zueinander übertrieben
dargestellt. Des Weiteren wurden Bezugszeichen wenn es angemessen
erschien bei den Figuren wiederholt, um übereinstimmende Bauteile anzugeben.
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Beschreibung
der bevorzugten Ausführungsformen
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Bei
der folgenden ausführlichen
Beschreibung einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung wird
auf die anliegenden Zeichnungen Bezug genommen (bei denen die entsprechenden
Nummern die entsprechenden Bauteile angeben), die einen Teil hiervon
darstellen und in denen durch Abbildungen spezifische beispielhafte
Ausführungsformen dargestellt
sind, in denen die Erfindung ausgeführt werden kann. Diese Ausführungsformen
werden ausreichend detailliert beschrieben, damit Fachleute in der
Technik die Erfindung verwenden können, aber es können auch
andere Ausführungsformen
verwendet werden, und logische, mechanische, elektrische und andere Änderungen
können
vorgenommen werden, ohne sich aus dem Umfang der vorliegenden Erfindung
zu entfernen. Somit soll die folgende detaillierte Beschreibung
nicht als die einzig richtige angesehen werden und der Umfang der
vorliegenden Erfindung wird nur durch die anliegenden Ansprüche definiert.
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In
der folgenden Beschreibung werden zahlreiche spezifische Details
dargelegt, um ein eingehendes Verständnis der Erfindung bereitzustellen.
Es wird jedoch verstanden, dass die Erfindung auch ohne diese Details
verwendet werden könnte.
In anderen Fällen
wurden gut bekannte Schaltkreise, Anordnungen und Techniken nicht
im Detail gezeigt, um Unklarheiten bei der Erfindung zu vermeiden.
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In
der folgenden Beschreibung und den Ansprüchen können die Begriffe "gekoppelt" und "verbunden" und deren Ableitungen
vor kommen. Es sollte verstanden werden, dass diese Begriffe nicht
als Synonyme für
einander gedacht sind. "Verbunden" wird bei bestimmten
Ausführungsformen
eher verwendet, um anzuzeigen, dass zwei oder mehrere Bauteile in
direktem physikalischen oder elektrischen Kontakt stehen. "Gekoppelt" hingegen kann auch
bedeuten, dass zwei oder mehrere Bauteile nicht in direktem Kontakt
zu einander stehen, aber dennoch zusammenarbeiten oder sich gegenseitig
beeinflussen.
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Ein
herkömmliches
Merkmal bei Elektronikmodulen sind konfigurationsfähige Input/Output-(IO)-Module,
zu denen der Benutzer Funktionalität hinzufügen oder von ihnen entfernen
kann, je nachdem, welches IO Modul er auswählt. Beispielsweise gibt es
Zusatzkarten für
Computer usw.. In bestimmten Situationen, in denen die Menge an
Wärme,
die durch die Elektronik entsteht, die Wärmeabfuhrfähigkeiten des Elektronikmoduls überschreitet, kann
eine Entlastung bei der Wärmeabfuhr
erreicht werden, indem ein IO-Modul verwendet wird, das speziell
gefertigt wurde, um einen Teil der Wärme abzuführen, ohne die Gesamtgröße des Elektronikmoduls
zu erweitern.
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1 ist
eine perspektivische Darstellung eines Elektronikmoduls 100.
Wie in 1 dargestellt ist, kann das Elektronikmodul 100 eine
Platine, beispielsweise eine Hauptplatine, eine entfernbare Leiterplatte
und dergleichen aufweisen, die mit dem Computer gekoppelt ist und
mit ihm oder anderen elektronischen Vorrichtungen arbeitet (zur
Klarheit nicht ersichtlich). Eine oder mehrere Komponenten 102 sind
auf dem Elektronikmodul vorhanden. In einer Ausführungsform der Erfindung kann
die Komponente 102 ein Prozessor, eine anwendungsspezifische,
integrierte Schaltung (ASIC) mit RAM und dergleichen sein. Genau
wie andere elektrische Vorrichtungen verbraucht die Komponente 102 elektrische Leistung
und gibt einen Großteil
davon als Wärme ab.
Die hohe Anzahl an Leitplatten und höherer Arbeitsgeschwindigkeit
führen
dazu, dass die Komponente 102 mehr Strom verwendet und
mehr Wärme abgibt.
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Bei
der in 1 dargestellten Ausführungsform umfasst das Elektronikmodul 100 eine
Host-Platine 103 mit einer Frontplatte 130 und
einer Oberfläche 104.
Eine oder mehrere Komponenten 102 befinden sich auf der
Oberfläche 104 des
Elektronikmoduls 100. Obwohl die Erfindung für eine oder
mehrere Komponenten angewendet werden kann, wird nur eine Komponente 102 als
eine beispielhafte Ausführungsform
der Erfindung verwendet. Das Elektronikmodul 100 kann ebenfalls
aus einer oder mehreren Mezzaninkarten 106 und Mezzaninekartenstellen 107 bestehen.
Im Allgemeinen werden Mezzaninkarten bei einer Vielzahl von Elektronikmodulen 100 verwendet,
um einen Input/Output (I/O) der Frontplatte, zusätzliche Funktionen, usw. zu
gewährleisten.
Obwohl jede Art von Mezzaninkarte 106 und Mezzaninekartenstelle 107 den
Zweck der Erfindung noch erfüllt,
kann eine beispielhafte Ausführungsform
eine herkömmliche
Mezzaninkarte (CMC) und CMC-Stelle sein, wie in dem IEEE-Standard
P1386 (IEEE = Institute of Electrical and Electronics Engineers)
bestimmt und dargelegt wurde.
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Ein
besonderes Beispiel für
eine Ausführungsform
ist ein PCI-Mezzaninkarte
(PCI – Peripheral
Component Interconnect), auch bekannt als PMC. Die Mezzaninkarte,
die in die PMC-Stelle passt, wird als ein PMC-Modul bezeichnet.
Die Parameter und Spezifikationen eines PMC-Moduls und einer PMC-Modulstelle,
die physikalische Größe, die
Anzahl der Verbindungen und deren Anordnung, elektrische Spezifikationen
und dergleichen werden auch in dem IEEE-Standard P1386 festgelegt. 2 ist
eine perspektivische Darstellung eines Elektronikmoduls 100 gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung. Wie in 2 dargestellt, ist die Vorrichtung
zur Wärmeabfuhr 108 am
Elektronikmodul 100 befestigt. Die Vorrichtung zur Wärmeabfuhr 108 ist
am Elektronikmodul 100 in radialer Entfernung 110 zur
Komponente angeordnet und im Wesentlichen auf derselben Ebene wie
die Komponente 102. In einer beispielhaften Ausführungsform
der Erfindung ist die Vorrichtung zur Wärmeabfuhr 108 (1)
zur Befestigung an der Mezzaninkarte 106 des Elektronikmoduls 100 oder (2)
zur Befestigung an der Mezzaninkartenstelle 107 konfiguriert
oder (3) so konfiguriert, dass sie den Raum für die Mezzaninkarte einnimmt,
der durch die Host-Platine 103 und die Frontplatte 130 begrenzt wird.
In einer bevorzugten Ausführungsform
ist die Mezzaninkartenstelle 107 eine CMC-Stelle, bei der das
CMC-Modul zum Einnehmen ausgelegt ist wie es in dem IEEE-Standard
P1386 bestimmt ist.
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Bei
der in 2 dargestellten Ausführungsform erhält die Vorrichtung
zur Wärmeabfuhr 108 die Wärme (Q) 118 von
einer Komponente 102 über
den Wärmeleiter 112.
Ein erster Abschnitt 115 des Wärmeleiters 112 ist
mit der Komponente 102 gekoppelt, während der zweite Abschnitt 117 des
Wärmeleiters 112 mit
der Vorrichtung zur Wärmeabfuhr 108 gekoppelt
ist. Der erste Abschnitt 115 des Wärmeleiters 112 besteht
aus jeder beliebigen Oberfläche
des Wärmeleiters 112 benachbart
zu dem tatsächlichen
ersten Ende 114 des Wärmeleiters 112.
Der obere Teil 117 des Wärmeleiters 112 umfasst
jede beliebige Oberfläche
des Wärmeleiters 112 benachbart
zu dem tatsächlichen
zweiten Ende 116 des Wärmeleiters 112. Die
tatsächliche
Menge des ersten Abschnitts 115 und des zweiten Abschnitts 117,
der mit der Komponente 102 oder der Vorrichtung zur Wärmeabfuhr 108 jeweils
gekoppelt oder verbunden sein muss, hängt von der Menge an Wärme (Q) 118 ab,
die abgeführt werden
muss und die von jeder Person mit durchschnittlichen Kenntnissen
in der Technik festgelegt werden kann. Bei der in 2 dargestellten
beispielhaften Ausführungsform
hat der Wärmeleiter
einen ungefähr
quadratischen Querschnitt und ist mit der Komponente nur auf einer
Seite des Wärmeleiters 112 verbunden.
Jeder beliebige Querschnitt, jede beliebige Form, Größe und jeder
beliebige Umfang des Wärmeleiters 112 erfüllt den
Zweck der Erfindung. Der Wärmeleiter 112 in 2 dient
nur als Beispiel und soll die Erfindung nicht einschränken. Ein
Wärmeleiter 112 kann
jedes beliebige Mittel, jeden beliebigen Werkstoff, jedes beliebige
Gerät oder
jede beliebige Vorrichtung oder dergleichen aufweisen, die Wärme (Q) 118 leitet.
Ein beispielhafter Wärmeleiter 112 kann
aus Aluminium, Kupfer oder anderen herkömmlichen wärmeleitenden Werkstoffen bestehen. In
einer weiteren Ausführungsform
kann der Wärmeleiter 112 ein
Wärmeleitungsrohr
sein, das z.B. hohl und mit einer Flüssigkeit wie Wasser gefüllt ist,
die durch das Rohr fließt
und dabei Wärme 118 überträgt.
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Der
Vorrichtung zur Wärmeabfuhr 108 ist
in 2 als Kühlkörper dargestellt,
der die Erfindung nicht einschränken
soll. Die Vorrichtung zur Wärmeabfuhr 108 kann
jedes beliebige Mittel, jeder beliebige Werkstoff, jedes beliebige
Gerät oder
jede beliebige Vorrichtung oder dergleichen sein, die in der Lage ist,
Wärme von
der Komponente 102 zu empfangen. In einer beispielhaften
Ausführungsform
der Erfindung kann die Vorrichtung zur Wärmeabfuhr 108 ein Standard-Kühlkörper aus
einem wärmeleitenden
Material, z.B. Kupfer, Aluminium und dergleichen sein. In einer
anderen Ausführungsform
kann die Vorrichtung zur Wärmeabfuhr 108 ein
oder mehrere Ventilatoren, ein Wärmeabzug
und dergleichen sein. In wieder einer anderen Ausführungsform
ist der Kühler 108 ein Thermoelektrischer
Kühler
(TEC), der eine oder mehrere Halbleiter-Wärmepumpen aufweisen kann, die den
Peltier-Effekt verwenden. Im Betrieb fließt Gleichstrom durch den TEC
und überträgt somit
Wärme von
einer Seite des TEC auf die andere, wodurch eine kühle und
eine warme Seite erzeugt werden.
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3 ist
eine perspektivische Darstellung eines Elektronikmoduls 100 gemäß einer
anderen Ausführungsform
der Erfindung. Wie in 3 dargestellt, ist eine zweite
Vorrichtung zur Wärmeabfuhr 120 mit der
Komponente 102 gekoppelt (nicht dargestellt). In der vorliegenden
Ausführungsform
kann die zweite Vorrichtung zur Wärmeabfuhr 120 von
derselben oder einer anderen Art wie die der oben beschriebenen
Vorrichtung sein. Ein Teil der Wärme 118 kann durch
die zweite Vorrichtung zur Wärmeabfuhr 120 abgeführt werden,
wobei die Restwärme 118 von
der Vorrichtung zur Wärmeabfuhr 108 über den
Wärmeleiter 112 empfangen
wird. In einer weiteren Ausführungsform
kann die zweite Vorrichtung zur Wärmeabfuhr 120 als
Wärmeleiter 112 fungieren,
wobei Wärme 118 über die
zweite Vorrichtung zur Wärmeabfuhr 120 an
die Vorrichtung zur Wärmeabfuhr 108 geleitet wird.
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4 ist
eine perspektivische Darstellung eines Elektronikmoduls 100 gemäß einer
weiteren Ausführungsform
der Erfindung. Wie in 4 dargestellt, kann eine Wärmeabgabevorrichtung 122 optional
mit der Vorrichtung zur Wärmeabfuhr 108 gekoppelt
werden. In dieser Ausführungsform
wird Wärme von
der Komponente 102 von der Vorrichtung zur Wärmeabfuhr 108 zusammen
mit einem Teil der Wärme
(Q) 126 empfangen, die von der Wärmeabgabevorrichtung 122 abgegeben
wurde. In einer anderen Ausführungsform
wird die Gesamtwärme 118 oder ein
Teil der Wärme
von der Wärmeabgabevorrichtung 122 abgegeben,
nachdem sie die Vorrichtung zur Wärmeabfuhr 108 durchlaufen
hat. In der vorliegenden Ausführungsform
kann die Wärmeabgabevorrichtung 122 ein
oder mehrere Ventilatoren, ein Kühlkörper, ein
Wärmeleitungsrohr,
ein Wärmeabzug,
ein piezoelektrischen Kühlapparat
und dergleichen sein. Die Wärmeabgabevorrichtung 122 wird mit
der Vorrichtung zur Wärmeabfuhr 108 gekoppelt dargestellt
und eine solche Anordnung ist an der Mezzaninkarte 106 angeordnet,
in einer Mezzaninkartenstelle 107 befestigt oder dazu konfiguriert,
den Raum für
die Mezzaninkarte 106 einzunehmen, der von der Host-Platine 103 und
der Vorderseite 130 begrenzt wird.
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5 ist
ein Flussdiagramm 500 eines Gehäuses der Erfindung. In Schritt 502 ist
die Vorrichtung zur Wärmeabfuhr 108 zur
Befestigung an der Mezzaninkarte 106 am Elektronikmodul 100 oder
zur Befestigung auf der Mezzaninkartenseite 107 konfiguriert,
oder so konfiguriert, dass sie den Raum für die Mezzaninkarte 106 einnimmt,
der von der Host-Platine 103 und der Vorderseite 130 begrenzt wird.
In einer bevorzugten Ausführungsform
ist die Vorrichtung zur Wärmeabfuhr 108 dazu
konfiguriert, die CMC-Seite zu befestigen oder den CMC-Raum einzunehmen
und in einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist die Vorrichtung
zur Wärmeabfuhr
dazu konfiguriert, die PMC-Modulseite am Elektronikmodul 100 zu
befestigen.
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In
Schritt 504 erzeugt die Komponente 102 Wärme. In
Schritt 506 wird Wärme 118 von
der Komponente 102 an die Vorrichtung zur Wärmeabfuhr 108 geleitet.
In einer Ausführungsform
wird Wärme 118 über den
Wärmeleiter 112 weitergeleitet.
In Schritt 508 wird der Vorrichtung zur Wärmeabfuhr 108,
die auf dem Elektronikmodul 100 befestigt ist, Wärme 118 zugeführt. In
einer Ausführungsform wird Wärme 118 von
der Vorrichtung zur Wärmeabfuhr 108 empfangen.
In Schritt 510 enfernt eine optionale Wärmeabgabevorrichtung 122 Wärme von
der Vorrichtung zur Wärmeabfuhr 108.
In einer Ausführungsform
entfernt die Wärmeabgabevorrichtung 122 einen
Teil der Wärme 126.
In einer weiteren Ausführungsform
entfernt die Wärmeabgabevorrichtung 122 die
gesamte Wärme 118.
Das Verfahren der Erfindung wird durch den Rückpfeil in 5 wiederholt.
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Die
Vorrichtung und das Verfahren der Erfindung haben den Vorteil, dass
sie zusätzliche
Vorrichtungen der Wärmeabfuhr
innerhalb der Begrenzungen des Elektronikgehäuses, das speziell für eine oder
mehrere Komponenten gedacht ist, zulassen. Die Erfindung hat aßerdem den
Vorteil, dass sie dazu konfiguriert ist, auf einer vorhandenen Mezzaninkarte auf
eine Fläche
in der Größe eines
Umschlags zu passen. Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist, dass sie
in der Lage ist, das Hauptkühlungssytem
in einem Elekronikgehäuse
zu verkleinern, wobei die Effizienz erhöht und die Gesamtkühlkosten
reduziert werden.
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Während wir
spezifische Ausführungsformen der
vorliegenden Erfindung dargestellt und beschrieben haben, werden
Fachleuten in der Technik weitere Änderungen und Verbesserungen
einfallen.