DE69005342T2

DE69005342T2 - Zwischenstruktur zur Wärmeableitung vom elektrischen Modul.

Info

Publication number: DE69005342T2
Application number: DE90105765T
Authority: DE
Inventors: Gerhard Wenke
Original assignee: Hughes Aircraft Co
Current assignee: Raytheon Co
Priority date: 1989-03-29
Filing date: 1990-03-27
Publication date: 1994-04-21
Anticipated expiration: 2010-03-28
Also published as: EP0390053A1; JPH06105839B2; IL93652A0; ES2047738T3; EP0390053B1; DE69005342D1; CA2011487A1; JPH02281799A; CA2011487C; US4958257A

Description

Hintergrund der Erfindung

Gebiet der Erfindung: Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Verbesserungen in Vorrichtungen zur thermischen Handhabung von elektronischen Modulen und betrifft genauer gesagt ein selbsteinstellendes Wärmeübertragungssystem zur Temperaturkontrolle und zum automatischen Einspannen von elektronischen Modulen.
Stand der Technik: Temperaturkontrolle von elektronischen Modulen, insbesondere in fortschrittlichen flugelektronischen Systemen, kann zu einem Problem führen, wenn hoher Leistungsverbrauch und eine hohe Hitzeerzeugung von Schaltkarten vorliegt, auf denen elektronische Komponenten in einer Anordnung mit hoher Dichte montiert sind. Ein hocheffizientes Wärmeabfuhrsystem ist häufig erforderlich, um für eine geeignete Temperaturumgebung im Bereich von ungefähr 200 bis 100ºC zu sorgen.
In der Vergangenheit sind Luftkühlsysteme verwendet worden, welche Luft über die Module blasen oder Luft um die Module herum absaugen. Die Zirkulation eines flüssigen Kühlmittels zum Kühlen der Module ist jedoch häufig eine effizientere Methode der Wärmeabfuhr. Solche Systeme leiten typischerweise ein flüssiges Kühlmittel durch Hohlräume in dem Inneren von Kühlplatten, welche Schaltkartengestelle tragen, die die Module halten, wobei Mittel vorgesehen sind, um Wärme von den elektronischen Komponenten auf die Gestelle abzuführen. Mechanisch an das Schaltkartengestell angeklemmte Wärmeübertragungsrohre sowie flexible Wände oder balgartige unter inneren åberdruck gesetzte Kühlplatten, die sich gegen eine Kante eines Schaltkartengestelles abstützen, sind verwendet worden, um Wärme von den elektronischen Komponenten abzuführen. Innere Wärmeübertragungsröhren in dem Körper der Schaltkarte, die in enger thermischer Verbindung mit den elektronischen Komponenten auf der Karte sowie in thermischer Verbindung mit den Enden des Schaltkartenkörpers sind, sind ebenfalls bekannt. Obwohl diese Vorrichtungen ihrem Zweck dienen, verbleibt ein bestehender Wunsch nach weiteren Verbesserungen in Form einer Vorrichtung, welche einfacher konstruiert ist, in der thermischen Handhabung effizienter ist, und dazu ausgelegt ist, einen kürzeren thermischen Pfad zwischen den Modulen und dem Kühlmittel bereitzustellen.
Aus der DE-A-2 047 928 ist weiter eine Apparatur bekannt, um einen Körper einzuspannen und zu kühlen, welcher ein oder mehrere elektronische Komponenten trägt, die in thermischem Austausch mit dem Körper sind. Gemäß der Offenbarung dieses Dokumentes befinden sich Kühlrippen im Wärmeaustausch mit einer gedruckten Schaltkarte und den darauf befindlichen Schaltkreisen. Die Rippen ragen in Lücken hinein, welche von den elastischen Seitenwänden von Kühl kammern gebildet sind. Eine Kühlflüssigkeit fließt durch die Kühlkammern, wobei dessen Druck die elastischen Seitenwände gegen die Rippen drückt.
Es ist ebenfalls bekannt, daß der thermische Widerstand an der Grenzfläche zwischen zwei Körpern unterschiedlicher Temperaturen von dem Kontaktdruck an der Grenzfläche abhängt. Die thermische Leitfähigkeit nimmt zu und der thermische Widerstand nimmt ab, wenn der Kontaktdruck an der Grenzfläche zunimmt. Es wäre daher wünschenswert, eine Grenzfläche für elektronische Module bereitzustellen, welche den thermischen Widerstand der Grenzfläche verringert.
Bruch von Modulen ist ebenfalls ein Problem. Oft sind die elektrischen und mechanischen Verbindungen in dem Schaltkartengestell auf eine Weise ausgelegt, welche es schwer macht, die Karten in dem Gestell zu installieren oder sie von dem Gestell zu entfernen, ohne eine merkliche Kraft auf zuwenden. Es ist ebenfalls bekannt, daß Karten brechen oder beschädigt werden, wenn sie dieser Kraft ausgesetzt sind, was zu erhöhten Ausgaben und einer verlängerten Systemausfallzeit führt. Es ist daher wünschenswert, einen automatischen Einspannmechanismus bereitzustellen, um Schaltkartenmodule während des Betriebes in dem Gestell einzuspannen und sie außerhalb des Betriebes autoinatisch auszuspannen, um so ein leichtes Entfernen und Wiedereinbringen der Module für Routinewartung und Zusammenbauverfahren zu ermöglichen. Die vorliegende Erfindungen erfüllt alle diese Anforderungen.
Die vorliegende Erfindung liefert eine Vorrichtung, wie sie in Anspruch 1 definiert ist, um einen Körper einzuspannen und zu kühlen. Das U-förmige Wärmeaustauschteil ist vorzugsweise innerhalb eines Gehäuses angeordnet, was auf den Außenwänden des Wärmeaustauschteiles Kammern für flüssiges Kühlmittel definiert. Flüssiges Kühlmittel wird unter Druck von Anschlüssen in den Kühlplatten durch Einlässe in das Gehäuse eingeleitet. Der Druck in der Kühlmittelkammer zwingt das flexible Wärmeaustauschteil in Richtung zunehmenden Kontaktdruckes mit dem Kondensorteil des elektronischen Modules und reduziert dadurch den thermischen Widerstand über der Kontaktgrenzfläche und erhöht die Rate des Wärmetransfers von dein Modul zu der Kühlplatte.
Die Kondensorenden der Module sind dazu ausgelegt, anfänglich mit einem niedrigen Kontaktdruck in das flexible Wärmeaustauschteil zu passen, und zwar im Hinblick auf besonders leichtes Entfernen und Einfügen der Module während Wartungs- und Installationshandhabungen. Wenn der Druck des Kühlmittels in den Kühlkammern erhöht wird, werden die flexiblen Wände des Wärmeaustauschteiles in Eingriff mit den Kondensorenden des Modules gezwungen, um das Modul automatisch in dem Gestell einzuspannen.
Das Wärmeaustauschteil, das einen U-förmigen Querschnitt aufweist, hat vorzugsweise zwei gegenüberliegende ebene Seitenwände, welche über Federteile mit einer querverlaufenden Basiswand verbunden sind. Das Gehäuse liefert vorzugsweise eine Zirkulationskammer für flüssiges Kühlmittel an den äußeren Seiten einer jeden Seitenwand. Federartige Ecken an den Enden der Wände verleihen der Wärmeaustauschstruktur eine Flexibilität. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel umfassen die Außenflächen der ebenen Wände eine Rippenanordnung, welche die Abstrahlung von Wärme in die Zirkulationskammer für flüssiges Kühlmittel erhöht.
Diese und andere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden detaillierteren Beschreibung, wenn sie in Zusammenhang mit der beigefügten Zeichnung genommen wird, welche beispielhafte Ausführungsbeispiele der Erfindung darstellt.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

Figur 1 ist eine perspektivische Darstellung von wärmeleitenden Interfaceeinheiten, welche neue Merkmale der vorliegenden Erfindung verwenden, und zeigt die Einheiten, wie sie in einem Schaltkartengestell verwendet werden, das aus Gründen der Darstellung abschnittsweise weggeschnitten ist;
Figur 2 ist eine perspektivische Darstellung des teilweise weggebrochenen, in Fig. 1 gezeigten elektronischen Modules;
Figur 3 ist eine vergrößerte Seitenansicht, im Querschnitt, einer der in Fig. 1 gezeigten Interfaceeinheiten; und
Figur 4 ist ein vergrößerter Querschnitt längs der Linie 4-4 aus Fig. 3.

Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispieles

Wie in der Zeichnung zu Darstellungszwecken gezeigt, ist die Erfindung in einer wärmeleitenden Interfaceeinheit für elektronische Module ausgeführt, die in einem Schaltkartengestell montiert sind. Ein elektronisches Modul weist typischerweise ein Wärmeübertragungsrohr zwischen zwei Schaltplatten auf, welche elektronische Komponenten tragen, die während des normalen Betriebes Hitze erzeugen können. Das Wärmeübertragungsrohr leitet Wärme zu den Kondensorkanten des Modules.
In Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung arbeitet die wärmeleitende Interfaceeinheit im Zusammenwirken mit einem Verteiler für Kühlflüssigkeitsversorgung in Kühlplatten auf jeder Seite des Schaltkartengestelles und umf aßt eine Zirkulationskainmer für flüssiges Kühlmittel, welche an die Versorgung für flüssiges Kühlmittel angeschlossen ist. Ein flexibles, metallisches, hochwärmeleitendes Wärmeaustauschteil ist in der Interfaceeinheit innerhalb der Zirkulationskammer für flüssiges Kühlmittel positioniert, so daß flüssiges Kühlmittel längs der Außenfläche des Wärmeaustauschteiles fließt. Das Wärmeaustauschteil ist dazu eingerichtet, Wärme von den Kondensorenden der elektronischen Module aufzunehmen und weiterzuleiten. Die Interfaceeinheit kann ein elektronisches Standardmodul durch Verwendung von flüssigem Kühlmittel gleichzeitig einspannen und kühlen, was in bestimmten Ausführungen einen Wärmetransfer von bis zu 100 Watt auf jeder Seite des Modules und damit insgesamt von 200 Watt pro Modul erlaubt.
Um die Wärmeübertragungscharakteristiken des flüssigen Kühl mittels effizient zu nutzen, biegt sich das Wärmeaustauschteil unter dem Druck des flüssigen Kühlmittels, um dichten Kontakt mit der Oberfläche der Kondensorenden des Modules sicherzustellen. Der Druck des flüssigen Kühlmittels auf das flexible Wärmeaustauschteil spannt das Modul ebenfalls in dem Gestell ein. Der wirksame Flächenbereich des Wärmeaustauschteiles wird vorzugsweise durch die Verwendung einer Rippenanordnung erhöht, welche sich in die Kammer des flüssigen Kühlmittels hinein erstreckt und es dabei dem flüssigen Kühlmittel ermöglicht, durch die Rippenanordnung zu fließen und maximalen Wärmetransfer zwischen dem Wärmeaustauschteil und dem Kühlmittel sicherzustellen.
In Übereinstimmung mit einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung wird ein wärineleitendes Interface für ein elektronisches Modul bereitgestellt, das in einer Montagestruktur verwendet wird, welche eine zugeordnete Wärmesenke aufweist, wobei das elektronische Modul einen Körper umfaßt, welcher ein oder mehrere elektronische Komponenten trägt sowie dem in thermischem Austausch mit den Komponenten befindlichen Körper zugeordnete Wärmerohrmittel umfaßt, wobei die Wärmerohrmittel ein Wärmetransferfluid und wenigstens einem Ende des in thermischem Austausch mit den Wärmerohrmitteln befindlichen Körpers zugeordnete Wärmekondensormittel umfaßt, wobei das wärmeleitende Interface ein Gehäuse umfaßt, welches einen Einlaß und einen Auslaß aufweist, die in fluidischem Austausch mit einer Versorgung für flüssiges Kühlmittel sind, ein flexibles, hochwärmeleitendes Wärmeaustauschteil aufweist, das dazu eingerichtet ist, die Wärmekondensormittel aufzunehmen, und wenigstens ein hochwärmeleitendes Feld umfaßt, wobei das Wärmeaustauschteil und das Gehäuse in Kombination wenigstens eine Zirkulationskammer für flüssiges Kühlmittel bilden, die in thermischem Austausch mit dem flexiblen, hochwärmeleitenden Teil ist, wobei eine flexible Bewegung des flexiblen, hochwärmeleitenden Wärmeaustauschteiles als Antwort auf erhöhten Fluiddruck innerhalb der Zirkulationskammer für flüssiges Kühlmittel erfolgt.
Wie in Fig. 1 gezeigt, kann ein elektronisches Modul 10 in ein typisches Schaltkartengestell 12 eines fortschrittlichen flugtechnischen Systemes eingefügt sein. Das Modul hat einen ebenen Körper 14 mit Kondensorenden 16, die dazu ausgelegt sind, in vertikalen Nuten 18 aufgenommen zu werden, welche in individuellen Interfaceeinheiten l9 ausgebildet sind, die so angeordnet sind, daß sie wenigstens eine der gegenüberliegenden inneren Wände 20 und 22 des Gestelles definieren. Haltegriffe an den Ecken der oberen Längskante des Modules erleichtern die Installation und das Entfernen des Modules aus dem Gestell. Schaltkarten 26 mit einer Vielzahl von elektronischen Komponenten 28 sind auf eine oder auf beide Seiten des Modulkörpers montiert.
Das Schaltkartengestell 12 ist typischerweise in der Art eines Einschubes in einem Halterahinen montiert, welcher als Seitenteile 40 und 44 Kühlplatten umfaßt. Wie durch die Pfeile 46 und 48 angedeutet, fließt flüssiges Kühlmittel durch innere Verteiler- Durchgänge 50 in den Kühlplatten.
Wie in Fig. 2 dargestellt, erstrecken sich eine Vielzahl von Wärmeübertragungsrohren 52 längs durch den Körper eines jeden Modules 10. Die Struktur des Wärmeübertragungsrohres umfaßt typischerweise einen Kanal 54, der vorzugsweise aus rostfreiem Stahl gefertigt und mit einem Dochtmaterial 56 ausgekleidet ist. Ein Arbeitsfluid in dem Kanal weist einen Verdampfungs/Kondensations-Zyklus auf, welcher Wärme von den elektronischen Komponenten 28 zu den Kondensorenden des Modules transportiert. Ein typisches Arbeitsfluid kann Freon 12 oder Freon 25 sein. Es ist zu erkennen, daß Wärme von den elektronischen Komponenten dazu führt, daß das Arbeitsfluid verdampft und sich dann durch den Kanal zu dem Kondensorende des Modules bewegt. Der Dampf kondensiert an den Kühlflächen des Kondensators und kehrt dann durch die Kapillarwirkung des Dochtmateriales an die Stelle zurück, wo die Wärme aufgenommen wird.
Wie in den Fig. 3 und 4 dargestellt, umfaßt eine individuelle Interfaceeinheit vorzugsweise ein Gehäuse 60, welches in einem zur Zeit bevorzugten Ausführungsbeispiel aus rostfreiem Stahl gefertigt ist. Das Gehäuse enthält Kammern 61 und 62 für flüssiges Kühlmittel. Das Kühlmittel gelangt an einem Ende durch Kühlmitteleinlässe 63 in das Gehäuse und verläßt es an dem anderen Ende des Gehäuses durch Auslässe 64. Das flüssige Kühlmittel kann ein konventionelles, dielektrisches, flüssiges Kühlmittel sein, so wie ein Kohlenwasserstofföl, Askarel oder Silikonöle. Ein zur Zeit bevorzugtes Kühlmittel ist Coolanol, das von Monsanto Chemical Company verfügbar ist. Das flüssige Kühlmittel wird mit einem erhöhten Druck, typischerweise ungefähr 344,73 kPa (50 psi), von dem Kühlplatten-Versorgungsverteiler durch einen Kühlplattenauslaß 66 geliefert. Nachdem es durch die in der Interfaceeinheit vorgesehene Kammer für flüssiges Kühlmittel geflossen ist, kehrt das flüssige Kühlmittel durch einen Kühlplatteneinlaß 68 in den Kühlplattenverteiler zurück.
Das Wärmeaustauschteil 70 ist vorzugsweise aus einem länglichen, dünnen Metallblech gefertigt, das einen im wesentlichen U- förmigen Querschnitt aufweist, welcher einen Kanal bildet, der dazu angepaßt ist, eine Kondensorkante des elektronischen Modules aufzunehmen. Das Wärmeaustauschteil ist vorzugsweise aus 0,25 mm (0,010 inch) dicken Beryllium-Kupferblech gefertigt, das so geformt ist, daß es sich unter Druck von dem flüssigen Kühlmittel biegen kann und dadurch einen besonders engen Kontakt mit der Kondensorfläche herstellen und für einen kurzen thermischen Pfad zwischen dem Kondensor und dem Kühlmittel sorgen kann. Das Wärmeaustauschteil weist einen Flansch 71 an dem offenen Ende des Kanales auf, welcher vorzugsweise an die Innenseite des Gehäuses aus rostfreiem Stahl auf gegenüberliegenden Seiten einer länglichen, vertikalen Öffnung 73 hartgelötet ist, welche in der einwärts weisenden Wand 75 des Gehäuses ausgebildet ist. Das Wärmeaustauschteil ist ebenfalls vorzugsweise an dem geschlossenen Ende oder der Basis des Kanales durch ein in dem Gehäuse ausgebildetes Stoppteil 72 ausgesteift, welches sich einwärts in einer Richtung parallel zu dem Kanal erstreckt und an der Basis des Kanales anstößt. Das Wärmeaustauschteil erstreckt sich in die Kammer für flüssiges Kühlmittel und unterteilt das Gehäuse zusammen mit dem Stoppteil in zwei benachbarte Kühlkammern 61 und 62. Eine vorzugsweise aus Kupfer gefertigte Rippenanordnung ist ebenfalls vorzugsweise auf die dem flüssigen Kühlmittel ausgesetzte Oberfläche des aus Beryllium-Kupfer bestehenden Wärmeaustauschteiles hartgelötet. Die Seitenwände 76 des Wärmeaustauschteiles verlaufen über die gesamte Länge und Breite der Kondensorfläche, um den Wärmetransfer zu maximieren. Die Seitenwände sind ebenfalls vorzugsweise mit einer Endwand 78 an der Basis des Kanales durch dreiviertel gerundete, vorstehende äußere Eckensegmente 80 verbunden, welche als Federn wirken, welche das Einwärts- und Auswärtsbiegen der Seitenwände bezogen auf die Kondensorfläche erleichtern. Der Flansch 71 ist ebenfalls mit den Seitenwänden 76 des Wärmeaustauschteiles über viertelrunde, innere Eckensegmente 82 verbunden, welche ebenfalls als Federn wirken. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind das Wärmeaustauschteil 70 einschließlich der Seitenwände 76, der Endwand 78, der Flansche 71 sowie der Eckensegemente 80 und 82 in einer einstückigen Konstruktion ausgebildet.
Aus dem Vorstehenden ist zu erkennen, daß die Interfaceanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung eine effiziente Wärmetransferstruktur liefert und die Verwendung der Wärmetransfercharakteristiken des flüssigen Kühlmittels maximiert. Das flexible Wärmeaustauschteil sichert einen dichten und vollständigen Kontakt mit den Kondensorkanten des elektronischen Modules und liefert einen kurzen thermischen Pfad zu den Kühlmitteln. Der Druck des flüssigen Kühlmittels auf das flexible Wärmeaustauschteil sorgt automatisch für ein festes Einspannen des Modules in dem Schaltkartengestell sowie für eine gleichzeitige Wärmeabfuhr von dem Modul.

Claims

1. Vorrichtung zum Einspannen und Kühlen eines Körpers (14), welcher ein oder mehrere elektronische Komponenten (28) trägt, die in thermischer Verbindung mit dem Körper (14) sind, mit:

- wenigstens einem Seitenteil (40), das mit Kühldurchgängen (50) versehen ist;

- Mitteln, um ein Kühlmittel unter einem vorbestimmten Kühlmitteldruck in die Durchgänge (50) einzuspeisen;

- einem flexiblen Wärmeaustauschteil (70), das an einer seiner Oberflächen dem Kühlmittel ausgesetzt ist und mit einer seiner anderen Oberflächen elastisch auf einem Kontaktabschnitt (16) des Körpers (14) ruht, wobei die andere Oberfläche einen Kontaktdruck auf den Kontaktabschnitt (16) ausübt, welcher von dem Kühlmitteldruck abhängt,

gekennzeichnet durch

- eine Interfaceeinheit (19), um den Körper (14) an

dem in thermischem Kontakt damit befindlichen Seitenteil (40) einzuspannen, wobei

- das flexible Wärmeaustauschteil (70) innerhalb der Interfaceeinheit (19) eingebaut ist, und weiter

dadurch gekennzeichnet, daß

- das flexible Wärmeaustauschteil (70) ein längliches, dünnes Metallblech mit U-förmigem Querschnitt (76, 78) umfaßt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das dünne Metallblech gegenüberliegende Seitenwände (76) aufweist, welche durch Federteile (80) mit einer querverlaufenden Basiswand (78) verbunden sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Wärmeaustauschteil (70) eine Beryllium-Kupfer- Legierung umfaßt.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Beryllium-Kupfer-Legierung aus einem dünnen Blech mit einer Dicke von ungefähr 0,25 mm (0,010 inch) gefertigt ist.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Wärmeaustauschteil (70) eine hoch wärmeleitende Rippenanordnung (74) umfaßt, die in thermischer Verbindung mit einer für flüssiges Kühlmittel vorgesehenen Zirkulationskammer (61, 62) der Interfaceeinheit (19) steht.

6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Wärmeaustauschteil (70) zwei hochleitende Panele (76) umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden hochleitenden Panele (76) in einem Gehäuse (60) der Interfaceeinheit (19) zwei Zirkulationskammern (61, 62) für flüssiges Kühlmittel abtrennen.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Zirkulationskaumern (61, 62) für flüssiges Kühlmittel in direktem Kontakt mit dem Wärmeaustaschteil (70) sind.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, wobei das Wärmeaustauschteil (70) ein Querpanel (78) zwischen ersten und zweiten Panelteilen (76) umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (60) ein Stoppteil (72) aufweist, das sich bis zum Kontakt mit dem Querpanel (78) erstreckt, um die beiden Zirkulationskamrnern (61, 62) für flüssiges Kühlmittel weiter abzutrennen.

9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei Kondensormittel (16) wenigstens einem Ende des Körpers (14) zugeordnet sind, und wobei die Interfaceeinheit (19) wenigstens eine Kammer (61, 62) für flüssiges Kühlmittel umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß das Wärmeaustauschteil (70) so konstruiert und angeordnet ist, daß es eine thermische Kontaktgrenzfläche zu der gesamten Oberfläche der Kondensormittel (16) liefert und einen thermischen Widerstand aufweist, welcher in Funktion des Fluiddruckes innerhalb der Zirkulationskammer (61, 62) für flüssiges Kühlmittel variiert.