DE69106909T2

DE69106909T2 - Elektronische Baugruppe auf mehreren Ebenen mit Kühlungsmitteln.

Info

Publication number: DE69106909T2
Application number: DE69106909T
Authority: DE
Inventors: Albert Lawrence Balan
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1990-03-19
Filing date: 1991-02-20
Publication date: 1995-08-10
Anticipated expiration: 2011-02-21
Also published as: EP0447819A2; JPH04221898A; DE69106909D1; JPH088424B2; EP0447819B1; US5063475A; EP0447819A3

Description

Diese Erfindung betrifft eine elektronische Baugruppe auf mehreren Ebenen mit einer Vielzahl von beabstandet angeordneten Substraten, die auf verschiedenen Ebenen innerhalb der Baugruppe angeordnet sind, wobei jede eine Vielzahl wärmeerzeugender elektronischer Bauelemente aufweist, die durch Kühlmittel gekühlt werden, die aus einer Vielzahl einzelner, in der Baugruppe ausgerichteter Kanalelemente bestehen, wobei jedes dieser Kanalelemente ein Kühlfluid auf die elektronischen Bauelemente auf jeweils einem der Substrate leitet. Die Erfindung läßt sich in Supercomputern und in Informationsverarbeitungssystemen anwenden.
Eine solche Baugruppe ist in FR-A-1 571 823 dargestellt, wobei die oben erwähnten Kanalelemente mit Meßfühlern ausgestattet sind.
Die wirksame Ableitung von Wärme, die von verschiedenen elektronischen Bauelementen erzeugt wird, die zu einer elektronischen Baugruppe gehören, wie z.B. zu einem Computer, ist entscheidend dafür, daß die Baugruppe zufriedenstellend funktionieren kann. In vielen der heutigen Computer haben sich die Bemühungen zur Miniaturisierung von Schaltungen und Bauelementen mit Erfolg in der Verringerung der Menge der von solchen Schaltungselementen und Teilschaltungsbaugruppen erzeugten Wärnie niedergeschlagen. Parallel zu einer solchen Verringerung der Wärmeerzeugung pro Bauelement ist jedoch zunehmend der Wunsch entstanden, die Integrationsdichten merklich zu erhöhen, wobei als Gesamtergebnis zu verzeichnen ist, daß die Gesamtmenge der pro Flächeneinheit erzeugten Wärme nicht wesentlich abgenommen hat, und daß bei Supercomputern, bei denen maximale Dichten ganz wesentlich sind, eine außerordentlich hohe Wärmeerzeugung auftritt. Mit dem Begriff "Supercomputer", wie er in dieser Beschreibung verwendet wird, soll ein sehr schnell arbeitendes Informationsverarbeitungssystem mit hoher Kapazität bezeichnet werden, bei dem Leistungsstärken im Bereich von etwa 50 000 bis etwa 100 000 Watt zum Einsatz kommen, wobei solche Systeme bei normalem Betrieb mehr als annähernd 7 000 BTU- Einheiten Wärme pro Minute erzeugen. Die Verarbeitungsleistungen solcher Systeme können im Bereich von etwa 150 bis etwa 18 000 Megaflops (Millionen von Grund-Gleitpunktoperationen pro Sekunde) liegen. Es versteht sich, daß sich die Erläuterungen in dieser Erfindung nicht auf Supercomputer der oben beschriebenen Art beschränken, sondern daß das Kühlsystem gemäß dieser Definition in zufriedenstellender Weise in vielen verschiedenen Arten elektronischer Baugruppen einschließlich von Computern mit erheblich geringerer Verarbeitungsleistung (z. B. von etwa 5 000 bis 50 000 Watt) als oben angeführt eingesetzt werden kann. Gleichermaßen ist es wichtig, daß die Erfindung auch Verwendung in Informationsverarbeitungssystemen finden kann, deren Leistungen größer sind als die bei den oben erwähnten Supercomputern, insbesondere wenn solche Computer mehrere Ebenen aufweisen, bei denen Substrate und Bauelemente auf getrennten Ebenen innerhalb der Gehäusekonstruktion des Computers angeordnet sind.
Bisher gelangten ganz unterschiedliche Verfahren zur Kühlung von elektrischen Bauelementen in einem Computer zur Anwendung. So zum Beispiel das Hindurchleiten von Druckluft durch die Computerkonsole so wie der Einsatz von mit Flüssigkeit oder Kühlmittel gefüllten Kühlstaben oder Grundplattenelemente mit Kühlplatten, in denen solche Fluids wie Fluorkohlenstoffprodukte zirkuliert werden. Solche Flüssigkeiten lassen sich je nach den Betriebsbedingungen des zu kühlenden Systems mit verschiedenen Siedepunkten herstellen. Die Tauchkühlung wurde in einigen bekannten Computersystemen ebenfalls angewandt. Sie weist auf Grund der höheren Wärmeübertragungsgeschwindigkeiten und der höheren Wärmeaufnahmefähigkeit der Flüssigkeit im Vergleich zu der eines Gases einige Vorteile gegenüber der geregelten Kühlung mit Luft auf.
Bei Kühlungssystemen mit Druckluft entstehen dennoch heiße Stellen, die wiederum ziemlich komplizierte Anordnungen in der Konsole und/oder eine komplizierte Geometrie der Bauelemente des Systems erfordern. In vielen Fällen bildete die Gehäusestruktur bei solchen Konstruktionen einen Teil des Luftleitsystems was bedeutete, daß sich die Wirksamkeit der Kühlmittel wesentlich verringerte, sobald die Tür des Gehäuses geöffnet wurde (um z. B. Bauelemente oder Leiterkarten zu reparieren und/oder auszuwechseln). Bei Kühlsystemen, die mit Grundplattenelementen mit Kühlstäben arbeiten (z. B. bei denen die Wärme, die von auf einer Leiterplatte oder einer Schaltkarte angebrachten Bauelementen erzeugt wird, durch Konvektion und Fortleitung auf Kühlplatten und dann auf Kühlstäben übertragen wird, wobei diese mit Kühlmittel gekühlten Stäbe möglicherweise einige Einrichtungen zur Aufnahme der Ränder der Platten aufweisen, an denen die Leiterkarten angebracht werden können), haben sich solche Systeme als nicht ausreichend erwiesen, um die Wärme in hochdichten elektronischen Baugruppen mit Wärmeerzeugungsgraden und Betriebsleistungen der oben erwähnten Größe in Watt wirksam abzuleiten. Bei Tauchkühlsystemen schließlich erfordern solche Systeme, daß relativ komplizierte elektrische und mechanische Strukturen geschaffen werden, damit ein wirksamer Zugang zum System geschaffen werden kann (z. B. zur Wartung und/oder zu Aktualisierungen).
Folglich besteht eine Aufgabe dieser Erfindung darin, eine verbesserte elektronische Baugruppe zur Verfügung zu stellen, bei der eine wirksame Kühlung der wärmeerzeugenden Bauelemente, die einen Teil derselben bilden, auf eine solide, effektive Art und Weise ermöglicht wird.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Baugruppe zur Verfügung zu stellen, bei der ein solches Kühlmittel eine relativ einfache Konstruktion aufweist und somit relativ leicht zu bedienen ist.
Noch eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Baugruppe zur Verfügung zu stellen, bei der die Baugruppe nicht die oben erwähnten Nachteile aufweist, die bei vielen vorhandenen Baugruppen auftreten.
Noch eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Baugruppe zur Verfügung zu stellen, die einen Teil eines Supercomputers bilden kann.
Die Erfindung erfüllt die obigen und weitere Aufgaben in der Weise, daß jedes der Kanalelemente D einen längsgerichteten Kammerabschnitt (45) und einen aufgeweiteten Endabschnitt (47) aufweist, wobei jeder der aufgeweiteten Endabschnitte angrenzend an jedes der jeweiligen Substrate mit den darauf befindlichen elektronischen Bauelementen in der Baugruppe untergebracht ist.
Das Kühlmittel gemaß der Definition in dieser Beschreibung können eine wirksame Kühlung von elektronischen Bauelementen, die in einer elektronischen Baugruppe einschließlich einer der Supercomputer-Arten vorhanden sind, bewirken, ohne daß es mehrere der bei solchen Systemen auftretenden und oben definierten Nachteile aufweist. Die erfindungsgemäßen Kühlmittel sind in der Lage, dies auf eine solide, effektive Art und Weise zu erreichen. Obwohl sich die hier beschriebene Erfindung zum besonderen Gebrauch mit Luft oder anderen gasförmigen Kühlmittelformen geeignet ist, kann die Erfindung auch mit flüssigen Kühlmittelarten, wie z. B. mit Fluorkohlenstoffen, zur Anwendung gelangen. Die Erfindung wird somit definiert als ein fluidförmiges Kühlmittel, wobei der Begriff "Fluid" sowohl Gase als auch Flüssigkeiten bezeichnen kann.
Eine elektronische Baugruppe, zu der solche Kühungsmittel gehören, gilt als bedeutender Fortschritt in der Technik.
Zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung zusammen mit anderen und weiteren Aufgaben, Vorteilen und Fähigkeiten derselben wird Bezug genommen auf die folgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele in Zusammenhang mit den Zeichnungen, in denen:
FIG. 1 eine perspektivische Vorderansicht einer vieleckig geformten elektronischen Baugruppe gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist, wobei zu sehen ist, daß die Baugruppe zentral in derselben angeordnete Kühlmittel enthält, mit denen die Kühlung der verschiedenen einzelnen Ebenen von Substraten erfolgt, die einen Teil der Baugruppe bilden, und wobei auf jedem wärmeerzeugende elektronische Bauelemente angeordnet sind;
FIG. 2 eine perspektivische Ansicht der Baugruppe aus FIG. 1 von unten ist, die die Baugruppe aus der Luftkammer und den in der Luftkammer untergebrachten Lüfter deutlicher veranschaulicht;
FIG. 3 eine Ansicht einer vieleckig geformten Baugruppe aus Fig. 1 von oben ist, die die verschiedenen Substrate (z. B. Schaltungskarten) auf deren oberen Ebene sowie die Bauelemente auf jedem weiter veranschaulicht;
FIG. 4 eine Seitenansicht der Baugruppe aus FIG. 1 ist;
FIG. 5 eine Teilansicht der bevorzugten erfindungsgemäßen Kühlmittel der Baugruppe aus FIG. 1 ist, wobei diese Kühlmittel als eine vieleckige Struktur dargestellt sind, die jedoch zum Zwecke der Veranschaulichung eine halbgeschnittene Darstellung ist;
FIG. 6 eine perspektivische Ansicht der Bodenkonstruktion der Kühlittel von FIG. 1 ist;
FIG. 7 ein alternatives Ausführungsbeispiel der Bodenkonstruktion für die erfindungsgemäßen Kühlmittel ist, wobei diese Konstruktion als einen Teil derselben Verteilermittel zur Gewährleistung einer gleichmäßigen, turbulenten Strömung des Fluids in einem der Kanalelemente der Kühlmittel umfaßt; und
FIG. 8 und
Fig. 9 alternative Ausführungsbeispiele der Erfindung darstellen, wobei die Ansicht in FIG. 8 eine ringförmige (zylindrische) Variante ist, während die Ansicht in
FIG. 9 eine rechtwinklige Variante darstellt.
In FIG. 1 bis FIG. 4 ist eine elektronische Baugruppe 11 auf mehreren Ebenen gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung dargestellt. Wie oben angegeben, ist die Baugruppe 11 vorzugsweise eine Baugruppe zum Einsatz in Informationsverarbeitungssystemen (Computern) und insbesondere zum Einsatz in solchen Systemen, die gegenwärtig in der Technik als "Supercomputer" bezeichnet werden. Diese Baugruppen als solche erzeugen außerordentlich große Wärmemengen, die wirksam abgeleitet werden müssen, damit die Baugruppe einwandfrei funktionieren kann. Das heißt, die in Baugruppen, wie z. B. Supercomputern, verwendeten verschiedenen wärmeerzeugenden elektronischen Bauelemente erzeugen bekanntlich während ihres Betriebs große Wärmeemengen, die in erster Linie auf den Durchlauf hoher elektrischer Ströme zurückzuführen sind. Obwohl neuere Technologien zur Entwicklung von wärmeerzeugenden Bauelementen (z. B. von Kondensatoren, Stromversorgungseinheiten, Widerständen, höchstintegrierten Schaltkreismodulen (VLSIModulen)) geführt hat, die im Vergleich zu ihren Vorgangern mit geringerer Wärmeentwicklung zufriedenstellend funktionieren, machen es die Konstruktionsanforderungen an viele der heutigen Supercomputer und ähnliche Informationsverarbeitungssysteme erforderlich, daß diese Bauelemente in enger Nachbarschaft innerhalb des Systems angeordnet werden, (um z. B. die Länge von Leitungsanschlüssen zu verringern, eine geschlossene Konstruktion zu gewährleisten usw.). Das Gesamtergebnis solcher Anforderungen besteht darin, daß der Wärmegehalt in solchen Systemen weiterhin relativ ist.
Nach der Definition in dieser Beschreibung kann die erfindungsgemäße Baugruppe 11 eine effektive Kühlung der auf verschiedenen Substrat-Ebenen angeordneten elektronischen Bauelemente innerhalb der Erfindung auf eine einfache, aber einzigartige Weise zur Verfügung stellen, so daß es zu einer wirksamen Kühlung dieser Bauelemente kommt. Nach der Definition ist das erfindungsgemße Kühlsystem besonders dafür geeignet, Luft oder ein anderes gasförmiges Medium über die zu kühlenden Bauelemente zu leiten. Dies bedeutet jedoch nicht, daß die Erfindung in dem Sinne beschränkt würde, daß der erfindungsgemaßen Kühlmittel bei Bedarf nicht auch Flüssigkeiten oder ähnliche Kühlmittel (einschließlich von Fluorkohlenstoffen) leiten könnten.
In FIG. 1 bis FIG. 4 ist zu sehen, daß die elektronische Baugruppe 11 eine Vielzahl von beabstandet angeordneten Substraten 13 aufweist. Der Begriff "Substrat", wie er in dieser Beschreibung verwendet wird, bezeichnet ein elektrisch isolierendes Element, in und/oder auf dem sich elektrische Schaltungen oder ähnliche Schaltungssysteme befinden und auf dem verschiedene elektronische Bauelemente (z. B. Kondensatoren, Module, Widerstände) angeordnet sein können. Beispiele für solche Substrate sind keramische Strukturen sowie bekannte Leiterplattenkonstruktionen (z. B. die mit einer Vielzahl einzelner Ebenen von Schaltungs- und Stromversorgungsebenen als Teil derselben ausgestatteten). Solche mehrschichtigen Leiterplatten und keramischen Substrate sind in der Technik wohlbekannt, und ihre weitere Beschreibung ist nicht notwendig. Diese Substrate können auf Trays oder ähnlichen Halteelementen angeordnet sein, z. B. auf dem Tray 92 in FIG. 9, oder statt dessen als die Haltekonstruktion selbst dienen, und bedürfen somit keiner darunter befindlichen zusätzlichen Haltevorrichtung oder eine ähnliche Konstruktion.
Wie in FIG. 1, FIG. 2 und FIG. 4 zu sehen ist, sind diese Substrate 13 auf verschiedenen Ebenen in der Baugruppe 11 angeordnet. Insbesondere die Seitenansicht aus FIG. 4 zeigt deutlich vier "L"-Ebenen in gleichem Maße. Wie in FIG. 4 noch klarer zu erkennen ist, brauchen diese Ebenen in der Baugruppe 11 nicht voneinander beabstandet zu sein, so daß die jeweiligen das Kühlmittel aufnehmenden "Kammern" über jedem Substrat nicht alle von gleicher Baugröße zu sein brauchen. So sind zum Beispiel die auf der zweiten Ebene dargestellten (in der Baugruppe 11 von oben) in ihrer Gesamtgröße deutlich kleiner als die auf den anderen drei Ebenen.
Wie zu sehen ist, umfaßt jede "L"-Ebene eine Vielzahl einzelner Substrate 13, wobei auf jedem eine Vielzahl wärmeerzeugender Bauelemente angeordnet ist. Wie in FIG. 3 deutlich zu sehen ist, weist eine "L"-Ebene (nur die obere Ebene, wie in FIG. 3 dargestellt) insgesamt sieben einzelne Substrate auf, wobei Seitenleitwände 15 an jedem vorhanden sind. Bei der erfindungsgemäßen vieleckigen Konstruktion, die in FIG. 1 bis FIG. 4 dargestellt ist, sind acht Seiten vorhanden (wodurch die Baugruppe 11 achteckig wird). Damit ist jedoch die Anzahl der Substrate nicht beschränkt, wie oben angegeben, wo nur sieben solche Substrate für diese Konstruktion verwendet werden können. So können ein oder mehrere Substrate (z. B. in 19) ihrerseits mehr als eine der Seiten der Baugruppe 11 belegen (wobei das Substrat 19 in FIG. 3 zwei belegt). Dies ist ein wichtiges Merkmal der Baugruppe 11, da es zu einer Verringerung der Gesamtzahl der für die Baugruppe notwendigen Bauelemente führt. Die auf der oberen Ebene der Baugruppe 11 in FIG. 3 dargestellten übrigen Substrate können als einzelne Elemente bezeichnet werden, da jedes nur eine der übrigen Seiten der Baugruppe belegt.
Auf jedem Substrat ist eine Vielzahl wärmeerzeugender elektronischer Bauelemente angeordnet, die die notwendigen Informationsverarbeitungsfunktionen für die Baugruppe 11 zur Verfügung zu stellen. Solche Bauelemente können Kondensatoren 21 (FIG. 9), elektronische Module 23 (typischerweise mit einem wärmeableitenden Element als ein Teil davon), Widerstände 25 (FIG. 9) und Stromversorgungseinheiten 29 (FIG. 9) enthalten. Weitere elektronische Bauelemente einschließlich steckbarer Leiterkarten 31 oder ähnlicher Elemente (FIG. 9) können in der Baugruppe 11 ebenfalls zum Einsatz kommen. Anzahl, Art und Platz dieser Bauelemente, wie in den Zeichnungen dargestellt, sind nicht so zu verstehen, daß sie die Erfindung einschränken. Verschiedene andere Kombinationen, Abstände usw. sind ebenfalls ohne weiteres möglich.
Wie in den Zeichnungen zu sehen ist, bildet jedes Substrat eine Plattform oder ähnliches und weist die gewünschten wärmeerzeugenden elektronischen Bauelemente auf, die darauf in der vom Systementwickler vorgeschriebenen Art angeordnet sind. Die relative große Nähe solcher Bauelemente zueinander ist am besten in FIG. 1 zu sehen. Es versteht sich, daß diese enge Nachbarschaft bei erfindungsgemäßem Betrieb zur Erzeugung bedeutender Wärmemengen durch diese Bauelemente führt, und daß daher ein großer Bedarf zur Kühlung solcher Bauelemente besteht, damit die Baugruppe 11 zufriedenstellend funktionieren kann. Erfolgt dies nicht, dann können diese Bauelemente verständlicherweise schließlich zerstört oder teilweise außer Funktion gesetzt werden.
Zur Durchführung der Kühlung weist die Baugruppe 11 zentral angeordnete (und von den einzelnen Substraten 13 umgebene) Kühlmittel 33 auf. Die Kühlmittel 33 umfassen eine Vielzahl einzelner Kühlkanäle D1, D2, D3 und D4, wobei jeder dieser Kanäle eine jeweilige der oben definierten Substrat-Ebenen mit einem Mittel zur Erzeugung der Fluidströmung in der Baugruppe 11 verbindet. Ein solches Mittel, wie es in FIG. 2 dargestellt ist, besteht vorzugsweise aus einem elektrischen Ventilator 41, der in einer Luftkammer 43 angeordnet ist, die als gemeinsames Gehäuse für jedes der einzelnen Kanalelemente D1 bis D4 dient. Wie am besten in FIG. 5 zu sehen ist, weist jedes der einzelnen Kanalelemente des Kühlmittels 33 einen längsgerichteten Kammerabschnitt 45 auf, der mit einem aufgeweiteten Endabschnitt 47 mit gebogener Form in Verbindung steht, so da das nach oben gedrückte Fluid (z. B. Luft) auf die angrenzenden elektronischen Bauelemente auf den Substraten 13 geleitet wird. Jeder längsgerichtete Kammerabschnitt weist eine achteckige Form auf und besitzt damit die gleiche Anzahl von Seiten, wie diese oben für die Baugruppe 11 erwähnt ist. Somit weist in dem Ausführungsbeispiel von FIG. 5 jede längsgerichtete Kammer jedes Kanalelements eine achteckige Form auf, so daß das Fluid nach seinem Durchlauf durch die turmartige Konstruktion nach insgesamt acht Richtungen geleitet wird. Somit verlaufen die Innenwände jedes Kanals im wesentlichen parallel zu den (äußeren) Seiten des jeweiligen Abschnitts der Baugruppe, in die dieser das Kühlfluid leitet.
Wie ebenfalls in FIG. 5 zu sehen ist, sind die einzelnen Kanalelemente koaxial um eine gemeinsame Achse A - A (FIG. 5) herum ausgerichtet, die zentral in einer vertikalen Richtung in der Baugruppe 11 vorhanden ist. Diese konzentrisch ausgerichteten Kanalelemente D1 bis D4 sind damit um die gemeinsame Achse A - A herum beabstandet angeordnet, und jedes Element kann Fluid in den unteren Endabschnitten derselben angrenzend an die Quelle (den Lüfter 41) aufnehmen. Jedes Kanalelement weist somit seine eigene Durchflußmenge M (kg/m³) auf, wobei die Durchflußmengen in FIG. 5 jeweils mit den Buchstaben M1 bis M4 bezeichnet sind.
Die Wärmeanalyse oder die Konstruktion dieses Kühlsystems erfordert wie die vieler Kühlsysteme die Festlegung der Bedingungen der Kühlungsströmung, der Impedanz des Systems und der Temperaturen der Bauelemente. Die erforderliche Durchflußrate des Fluids läßt sich aus der Gleichung ermitteln, wonach die Rate gleich der abzuleitenden Gesamtwärme, dividiert durch das Produkt aus der Dichte des Fluids, der spezifischen Wärme des Fluids und dem Temperaturanstieg des Fluids ist.
Die notwendige Durchflußrate zur Beseitigung des Leistungsverlustes ergibt eine gewünschte Temperatur. Diese Gleichung kann verwendet werden, um die für die Maschine oder einzelne Bauelemente erforderliche Gesamtmenge des Fluids zu errechnen. In der jeweiligen Situation kann eine Berechnung für die für jede Kanalebene erforderliche Durchflußmenge erfolgen. Der Gesamtwert von M1, M2, M3 und M4 ist gleich dem Gesamtwert für die ganze Maschine. Heiße Stellen an verschiedenen Bauelementen auf unterschiedlichen Ebenen können durch Ablenkplatten oder ähnliche Elemente neutralisiert werden, die an strategischen Punkten auf jeder Ebene relativ zu den heiße Stellen aufweisenden Bauelemente angeordnet werden.
Das durch eine Maschine strömende Fluid stößt auf einen Fluid-Widerstand, der proportional dem Quadrat der Geschwindigkeit ist. Dieser Widerstand (oder Impedanz) und der Lüfter, der seinen eigenen Impedanzwert besitzt, müssen in befriedigender Weise aufeinander abgestimmt werden, um einen ordungsgemäßen Betriebspunkt für das Gesamtsystem zu schaffen.
Die Erfindung ist nicht nur auf die hier beschriebenen vier einzelne "L"-Ebenen beschränkt. Das heißt, die hier definierten Kühlungmittel können ohne weiteres in elektronische Baugruppen eingesetzt werden, bei denen eine andere Anzahl von Ebenen vorhanden ist. Bevorzugt ist ein Kanalelement pro Ebene vorhanden, jedoch soll dadurch die Erfindung nicht in dem Sinne eingeschränkt werden, daß nicht mehr als ein Kanalelement pro einzelner Ebene verwendet werden könnte.
Dies ist in FIG. 5 dargestellt, bei der zwei Kanalelemente (D3 und D4) dazu dienen, das Fluid nur auf eine einzige (gestrichelt dargestellte) Ebene zu leiten. Diese Darstellung in FIG. 5 dient nur zum Zwecke der Veranschaulichung der beschriebenen Möglichkeit. Es versteht sich, daß die Kanalanordnung auf vier Ebenen in FIG. 5 das Kühlungsfluid auf vier "L"-Ebenen in dem Ausführungsbeispiel von FIG. 1 bis 4 liefert.
Bei einem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel wird eine kombinierte Massenströmung (m³/s) im Bereich von etwa 0,024 m³/s (50 ft³/min) bis etwa 450 ft³/min bevorzugt, wenn Kühlungsfluid auf eine Konstruktion auf vier Ebenen geliefert wird, die annähernd 1000 bis 5000 Watt abgibt, wie sie z.B in FIG. 1 bis 4 dargestellt ist. Andere Durchflußmengen sind vollkommen akzeptabel. Wie oben erläutert, kann in der Erfindung auch eine andere Anzahl von Ebenen zum Einsatz kommen. Verwendet man die hier beschriebene turmartige Struktur, so liegt die bevorzugte Anzahl der Kanalelemente im Bereich von etwa zwei bis etwa zehn, wenn jedes Kanalelement dazu dient, Kühlungsfluid auf eine entsprechende einzelne Ebene zu leiten. Wie angegeben, sind jedoch andere Kombinationen gemäß der einzigartigen Lehre dieser Erfindung ohne weiteres möglich, insbesondere dann, wenn mehr als ein Kanalelement pro einzelner Ebene verwendet wird. Der erfindungsgemaß bevorzugt eingesetzte Lüfter 41 kann von der Torin Corporation, Torrington, Kalifornien bezogen werden, wobei der Lüfter annähernd 37 W bis 551 W (1/20 bis 3/4 PS) erzeugt und mit normalen Leitungsanschlüssen betrieben werden kann. Andere Mittel zur Erzeugung einer Fluidströmung einschlielich von Pumpen sind bei der vorliegenden Erfindung ebenfalls möglich. Eine Strömung (von Flüssigkeiten) durch Schwerkraft ist ebenfalls möglich. Die Luftkammer 43, in der der Lüfter 41 untergebracht ist, kann an eine geeignete Luftquelle, auch an eine äußere, angeschlossen werden. Außerdem können verschiedene Filtermittel zum geeigneten Filtern der Luft eingesetzt werden, vorausgesetzt, daß diese eine minimale Luftgeschwindigkeit von 61 m (200 feet) pro Minute zulassen, wobei solche Filtermittel dazu dienen, zu verhindern, daß Verunreinigungen oder ähnliche unerwünschte Elemente auf die entsprechenden zu kühlenden elektronischen Bauelemente geleitet werden. Da solche Filter bekannt sind, kann auf ihre Beschreibung hier verzichtet werden.
Wie in Fig. 2 zu sehen ist, befindet sich der Lüfter 41 unmittelbar angrenzend an das untere Ende der Kühlmittel 33 auf mehreren Ebenen, so daß er die Luft direkt in die mit offenen Enden versehenen Kanäle D1 bis D4 lenkt. Diese mit offenen Enden versehenen Abschnitte des Kühlmittels 33 sind in FIG. 6 besser dargestellt. Die achteckige Form an jedem der Endabschnitte der jeweiligen längsgerichteten Kammerabschnitte für jedes Kanalelement ist ebenfalls in FIG. 6 deutlicher dargestellt. Bei einem Vergleich von FIG. 5 und 6 ist auch zu erkennen, daß die Kanalelemente gemeinsame doppelseitige Wände aufweisen, die zur Umgrenzung der langsgerichteten Kammerabschnitte dienen und annähernd an den Enden der aufgeweiteten Endabschnitte der Kühlmittel abschließen. Diese doppelwandigen Abschnitte gemaß der Erfindung sind an ihren äußersten Enden geschlossen, wie in FIG. 5 (und teilweise in FIG. 6) zu sehen ist. Wie zu sehen ist, sind der innere Kanal D4 und der äußerste Kanal D1 so dargestellt, daß sie nur eine einzige Seitenwand als eine der Wände derselben aufweisen. Es versteht sich jedoch, daß diese Kanalelemente auch doppelte Seitenwände aufweisen können, um dadurch eine zusätzliche Verstärkung und Starrheit der Endkonstruktion zu sichern.
Bei einem bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel ist jedes der turmartigen, konzentrisch ausgerichteten Kanalelemente aus Kunststoff gefertigt (z. B. aus einem Thermoplast). Andere Materialien einschließlich Metalle (z. B. Aluminium oder Stahl) sind ebenfalls möglich.
FIG. 7 zeigt ein Mittel zur Verteilung eines Fluid beim Durchfließen eines der Kanalelemente (z. B. D4) der Kühlmittel 33. Wie in FIG. 7 zu sehen ist, umfaßt dieses Luftverteilungsmittel ein mit Öffnungen versehenes Plattenelement 61, das über dem Ende des Kanals D4 (und somit unmittelbar angrenzend an den nicht dargestellten Lüfter 41) so versiegelt ist, daß ein zu Kanal D4 geleitetes Fluid dadurch verteilt wird, daß es durch die vielen voneinander beabstandeten, sich in der Platte befindlichen Öffnungen strömt. Dadurch wird eine Luftkammer geschaffen, die dazu führt, daß eine turbulente Strömung des Fluids durch das Kanalelement D4 strömt und dabei im wesentlichen eine laminare Strömung mit Spitzen beseitigt, die in diesem Kanal auftreten kann, wenn eine Quelle, wie z.B. ein Lüfter 41, benutzt wird. Ein solcher Ausgang mit Spitzen ist für durch Lüfter erzeugte Strömungen typisch und wird somit durch die Erfindung eliminiert, so daß sich in jedem der einzelnen aufgeweiteten Endabschnitte der jeweiligen Kanalelemente eine gleichmäßige, einheitliche Strömung einstellt. Obwohl in FIG. 7 nur ein Fluid-Verteiler dargestellt ist, versteht es sich, daß weitere Verteiler einschließlich von Ablenkblechen und solche, die der mit Löchern versehenen Variante einer Platte in FIG. 7 ähnlich sind, für die übrigen Kanalelemente D1 bis D3 verwendet werden können. Somit können alle Kanalelemente an ihren Enden den Verteiler aufweisen und damit die oben genannten Vorteile schaffen.
Eine Verteilerplatte kann auch zwischen dem Lüfter und den unteren Kanalöffnungen angeordnet werden, um eine gleichmäßige Strömung zu den Kanälen zu erzeugen. Der Abstand zwischen dem Lüfter und der Platte sollte mindestens so groß sein wie der Durchmesser des Lüfterflügelrades, damit der umlaufende Luftstrom in statischen Druck übergeht. Solche Verteiler können selbstverständlich auch in anderen Formen verwendet werden, zum Beispiel verschiedene Flügelradformen oder ähnliche Ablenkbleche, die relativ zur Kanalöffnung (zwischen dem Lüfter und dieser Öffnung) strategisch günstig angeordnet werden. Solche Elemente können auch dazu dienen, die Menge der Fluid-Strömung auf jeden Kanal "abzustimmen" (z. B. eine feste Platte 93, die über einem Abschnitt der jeweiligen Kanalöffnung angeordnet ist, wie in FIG. 7 dargestellt)
Obwohl in FIG. 1 bis FIG. 7 eine vieleckige (achteckige) Form für die Baugruppe 11 (und damit für die im Innern derselben untergebrachten Kühlmittel) dargestellt ist, versteht es sich, daß weitere Formen ohne weiteres möglich sind. In FIG. 8 ist zum Beispiel eine ringförmige erfindungsgemäße Variante dargestellt, bei der zu sehen ist, daß jede der einzelnen Ebenen, auf denen Substrate angeordnet sind, eine im wesentlichen ringförmige Form aufweist. Jede Ebene liegt wie im Falle der "L"-Ebenen in dem obigen Ausführungsbeispiel in FIG. 1 parallel zu den anderen Ebenen in der Baugruppe. Wie ebenfalls in FIG. 8 zu sehen ist, sind die fertigen aufgeweiteten Endabschnitte jeder der turmartigen Kühlungskonstruktionen ebenfalls ringförmig, ebenso wie die entsprechenden längsgerichteten Kammerabschnitte für jedes Kanalelement.
Bei dem Ausführungsbeispiel von FIG. 9 hadelt es sich um eine rechtwinklige Baugruppe, bei der eine ähnlich geformte, turmartige Kühlungskonstruktion zur Anwendung gelangt. Demnach wird das Fluid in vier Richtungen auf vier entsprechende Substrate geleitet, die an jedes der verwendeten aufgeweiteten Enden angrenzen.
Bei beiden der Ausführungsbeispiele von FIG. 8 und FIG. 9 wird vorzugsweise eine Luftkammer 43 verwendet, in der sich der gewünschte Lufterzeuger (Lüfter) befindet, obwohl festgestellt wurde, daß auch andere Mittel ohne weiteres möglich sind.
Wie in FIG. 9 zu sehen ist, werden für mindestens eine (die obere) der Substrat-Ebenen der turmartigen Kühlmittel zwei aufgeweitete Endabschnitte verwendet (wie auch beispielhaft in FIG. 5 dargestellt ist). Somit kommen in dem Ausführungsbeispiel von FIG. 9 zwei Kanäle zum Einsatz, wodurch eine Fluid-Differentialströmung zu den wärmeerzeugenden elektronischen Bauelementen auf dieser oberen Ebene erzeugt wird. Mit dem Begriff "Fluid-Differentialströmung" ist gemeint, daß zum Beispiel höhere Durchflußmengen durch eines der Paare von Kanalelementen pro Ebene (z. B. oben) strömen können, um eine größere Kühlung auf verschiedenen Ebenen innerhalb jeder Substrat-Ebene herbeizuführen. Mit dieser Anordnung wird im wesentlichen die Entstehung "heißer Stellen" vermieden, die bei Substrat formen auf Grund einer räumlich engen Anordnung der wärmeerzeugenden Bauelemente auftreten können. Es handelt sich hierbei um ein weiteres bedeutendes Merkmal der hierin beschriebenen Erfindung.
In FIG. 1 und FIG. 3 sind (gestrichelt) Wandelemente 81 (FIG. 1) und 83 (FIG. 3) dargestellt, die zur Umkleidung der Baugruppe 11 und, was gleichermaßen von Bedeutung ist, zur Schaffung zusätzlicher Mittel zum Leiten des Fluids dienen können. In FIG. 1 ist zum Beispiel zu sehen, daß eine Wand 81 eine Vielzahl von Öffnungen 85 aufweist, mit deren Hilfe das Fluid bei Bedarf direkt durch die Wand 81 strömen kann. Ebenso schließen die Wände ähnlich der Wand 81 die Baugruppe 11 vollkommen ein und umkleiden diese damit und bilden so auch einen Teil davon. In FIG. 1 ist jedoch zum Zwecke der Veranschaulichung nur eine solche Wand dargestellt. In FIG. 3 sind zum besseren Verhältnis drei solche Wände 83 zu sehen. In FIG. 3 können die Wände 83 eine feste Form aufweisen und dadurch ein darauf auftreffendes Fluid in eine andere Richtung (z. B. nach unten) leiten. Eine solche Strömung nach unten wird dadurch erleichtert, daß Schlitze oder ähnliches 91 (FIG. 9) an dem äußersten Umfang der jeweiligen Substrate und somit unmittelbar angrenzend an eine solche Wand vorhanden sind, so daß längs des äußeren Umfangs der Baugruppe 11 eine Rinne entsteht, durch die Fluid geleitet werden kann. Eine solche Rinne ist auch gestrichelt und damit als möglich in mindestens einem der in FIG. 3 dargestellten Substrate zu sehen. Es versteht sich, daß dieses Fluid, wenn es von solchen Wänden weitergeleitet wird, schon über die jeweiligen wärmeerzeugenden Bauelemente hinweggeleitet wurde.
Damit wurde eine elektronische Baugruppe auf mehreren Ebenen dargestellt und beschrieben, bei der hochwirksame Kühlmittel benutzt werden, um eine Kühlung der in dieser verwendeten wärmeerzeugenden elektronischen Bauelemente zu bewirken. Die Baugruppe nach der Definition kann in angemessener Weise gekühlt werden, wobei Kühlmittel von relativ einfacher, aber wirksamer Konstruktion und somit solche zum Einsatz kommen, die relativ preiswert hergestellt werden können. Solche Mittel in der definierten Form eignen sich insbesondere dafür, Luft oder ein ähnliches gasförmiges Medium zu den verschiedenen zu kühlenden Bauelementen zu leiten, können aber auch dazu benutzt werden, um Flüssigkeiten (z. B. Fluorkohlenstoffe) hindurchzuleiten.

Claims

1. Elektronische Baugruppe auf mehreren Ebenen (11) mit einer Vielzahl von beabstandeten, auf verschiedenen Ebenen (L) innerhalb der Baugruppe angeordneten Substraten (13, 19), wobei jedes eine Vielzahl wärmeerzeugender elektronischer Bauelemente (21, 23, 25, 29) aufweist, die durch aus einer Vielzahl einzelner, in der Baugruppe ausgerichteter Kanalelemente (D) bestehenden Kühlmittel (33) gekühlt werden, wobei jedes dieser Kanalelemente eine Kühlflüssigkeit auf die elektronischen Bauelemente auf jeweils einem der Substrate leitet, dadurch gekennzeichnet, daß jedes der Kanalelemente (D) einen längsgerichteten Kammerabschnitt (45) sowie einen aufgeweiteten Endabschnitt (47) aufweist, wobei jeder der aufgeweiteten Endabschnitte in der Baugruppe angrenzend an jedes der jeweiligen Substrate angeordnet ist, auf dem die elektronischen Bauelemente angeordnet sind.

2. Baugruppe nach Anspruch 1, bei der die Vielzahl von Kanalelementen der Kühlmittel koaxial ausgerichtet ist.

3. Baugruppe nach Anspruch 2, bei der die Kühlmittel zentral in der elektronischen Baugruppe angeordnet sind, wobei die Ebenen der Substrate die Kühlmittel im wesentlichen umgeben.

4. Baugruppe nach Anspruch 1, bei der jeder der aufgeweiteten Endabschnitte der Kühlmittel im wesentlichen eine ringförmige Form aufweist.

5. Baugruppe nach Anspruch 1, bei der jeder der aufgeweiteten Endabschnitte (47) der Kühlmittel eine vieleckige Form aufweist, um dadurch ein durch die Kanalmittel strömendes Kühlfluid in eine Vielzahl von Richtungen zu leiten.

6. Baugruppe nach Anspruch 5, bei jeder der aufgeweiteten Endabschnitte (47) der Kühlmittel eine rechteckige Formaufweist, wobei sich die Anzahl der Richtungen, in die das Fluid geleitet wird, auf vier beläuft.

7. Baugruppe nach Anspruch 5, bei der jeder der aufgeweiteten Endabschnitte (47) der Kühlmittel eine achteckige Form aufweist, wobei sich die Anzahl der Richtungen, in die das Fluid geleitet wird, auf acht beläuft.

8. Baugruppe nach Anspruch 1, bei der sich die Anzahl der Kanalelemente (D), die das Fluid auf mindestens eine der Ebenen der Substrate leiten, mindestens zwei beträgt, wobei die zwei Kanalelemente das Fluid auf eine Ebene leiten und dadurch eine Fluid-Differentialströmung über die auf den Substraten auf der einen Ebene angeordneten elektronischen Bauelemente schaffen.

9. Baugruppe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der jedes der Kanalelemente (D) mit einer gemeinsamen Luftkammer (43) verbunden ist, wobei in der Luftkammer ein Lüfter (41) zur Erzeugung einer Strömung des Fluids darin untergebracht ist.

10. Baugruppe nach Anspruch 9, die weiterhin Mittel aufweist, mit denen das von dem Lüfter (41) erzeugte Fluid verteilt wird, bevor das Fluid in mindestens eines der Kanalelemente eintritt, um dadurch eine turbulente, gleichmäßige Strömung des Fluids zu dem Kanalelement zu schaffen, das das Fluid aufnimmt.

11. Baugruppe nach Anspruch 10, bei der die Mittel zur Verteilung des Fluids ein mit Öffnungen versehenes Plattenelement (66) aufweisen, das im wesentlichen quer über dem Kanalelement angeordnet ist, wobei das Plattenelement in sich eine Vielzahl von beabstandet ausgerichteten Öffnungen aufweist.

12. Baugruppe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die weiterhin Wandelemente (81) aufweist, die angrenzend an jede der Substrat-Ebenen längs des äußeren Umfangs derselben angeordnet sind und dazu beitragen, daß das über die elektronischen Bauelemente geleitete Fluid weitergeleitet wird, nachdem das Fluid über die Bauelemente geleitet wurde.

13. Baugruppe nach Anspruch 12, bei der jede der Wände eine Vielzahl von Öffnungen aufweist, damit das Fluid, das über die Bauelemente geleitet wurde, durch diese hindurchströmen kann.