DE69112127T2 - Kühlung für Baugruppe, die eine Turbulenzeinrichtung verwendet. - Google Patents

Description

Gebiet der Erfindung
• Die Erfindung betrifft die Zwangs-Fluidkühlung von elektronischen Schaltungsanordnungen.
Hintergrund der Erfindung
• Die Dichte van wärmeerzeugenden Komponenten in elektronischen Schaltungsanordnungen, die auch als Schaltungspakete bezeichnet werden, steigt weiter, wie es seit Jahrzehnten der Fall war. Das Erfordernis einer Zwangs- Fluidkühlung ist daher in vielen heutigen elektronischen Systemen bereits vorhanden. Vorgeschlagene Systeme zum effektiveren Kühlen sind im allgemeinen kompliziert und kostenintensiv. Derartige Vorschläge umfassen beispielsweise die Verwendung von komprimierten fluorierten Wasserstoff- Kohlenstoffverbindungen, anderen Gasen und Flüssigkeiten, wie z. B. Wasser, welches schwierig zu realisieren sein kann.
• Es ist allgemein anerkannt, daß an einem oder mehreren der Grundwände eines Strömungskanals angebrachte Stäbe die Wärmeübertragung durch diesen Kanal erhöhen (siehe Sparrow et al "Symmetric vs. Asymmetric Periodic Disturbances at the Walls of a Heated Flow Passage", International Journal Heat Mass Transfer, Band 27, Seiten 2133-2144 (1984) und Sparrow et al "Enhanced Heat Transfer in a Flat Rectangular Duct...", Journal of Heat Transfer, Band 105, Seiten 851-861 (November 1983). Es wurde ebenfalls vorgeschlagen, Ablenkbleche und Luft-Strömungsführungen zur Steuerung der Strömung von Kühlluft über einer Matrix von integrierten Schaltungskomponenten mit Wärmesenken (siehe US Patent-Nr. 4,233,644) bereitzustellen.
• Das IBM Technical Disclosure Bulletin, Band 32, Nr. 8a, Januar 1990, Seiten 344-347, beschreibt eine fluidgekühlte Schaltungspackung mit einer Leiterplatte mit einer Frontfläche mit einem daran befestigten Feld von wärmeerzeugenden Komponenten, und eine weitere Oberfläche, die mit einem Satz von Wirbelerzeugern versehen ist, der Frontfläche gegenüber und von dieser beabstandet angeordnet, um einen Kanal für fluides Spülmittel auszubilden. Eines der mit der Zwangs-Fluidkühlung von Schaltungspaketen zusammenhängenden Probleme besteht darin, daß das Fluid, typischerweise Luft, dazu neigt, in den Bereichen zwischen den Komponenten zu stagnieren, und der Kühlungswirkungsgrad leidet hierbei. Die herkömmlichen Vorschläge scheinen dieses Problem nicht anzugehen.
• Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, eine kostengünstige Einrichtung zur Zwangs-Fluidkühlung von Schaltungspaketen bereit zustellen.
• Gemäß vorliegender Erfindung wird eine Schaltungsanordnung gemäß der Definition in Anspruch 1 bereitgestellt
• Diese und weitere Aufgaben werden gemäß der Erfindung wie in Anspruch 1 definiert erreicht, welche eine fluidgekühlte Schaltungsanordnung umfaßt mit einer Leiterplatte mit einer Frontfläche mit wenigstens einer daran befestigten wärmeerzeugenden Komponente. Eine weitere Oberfläche ist gegenüberliegend der Frontoberfläche und in beanstandetem Verhältnis zu dieser so angeordnet, daß ein Kanal für die Strömung eines Kühlfluids über die Komponenten gebildet wird. Ein Feld von U-förmigen Stäben ist an der gegenüberliegenden Oberfläche in einer im wesentlichen senkrechten Richtung zur angestrebten Richtung des Kühlfluids befestigt und erstreckt sich ausreichend in den Kanal, um Störungen in der Strömung des Kühlfluids zu erzeugen.
Figurenbeschreibung
• Diese und weitere Eigenschaften der Erfindung werden im Detail in der nachfolgenden Beschreibung dargelegt. In den Zeichnungen zeigen:
• Fig. 1 eine Querschnittsansicht einer typischen Schaltungsanordnung und deren Kühlungskanal gemäß dem Stand der Technik,
• Fig. 2 eine Querschnittsansicht einer typischen Schaltungsanordnung mit nicht-erfindungsgemäß in dem Kühlkanal angeordneten Wirbelerzeugern,
• Fig. 3 eine dreidimensionale Ansicht des inneren eines Gerätes mit verschiedenen nicht-erfindungsgemäßen Schaltungspaketen,
• Fig. 4 eine dreidimensionale Ansicht einer Leiterplatte, die zur Durchführung der Erfindung nützlich ist,
• Fig. 5 eine dreidimensionale Ansicht zur Darstellung einer alternativen Konstruktion einer Schaltungsanordnung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, und
• Fig. 6 eine Querschnittsdarstellung eines Kanals gemäß dem Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei welchem Bauteile an beiden Wänden des Kanals angeordnet sind.
Detaillierte Beschreibung
• Bei einem typischen Zwangs-Fluidkühlsystems einer Schaltungsanordnung des Standes der Technik, wie es in Fig. 1 dargestellt ist, sind Bauteile 11 der Schaltungsanordnung in einem regulären oder irregulären Feld an einer Platine 13 befestigt. Zwangs-Kühlfluid, welches in meisten Fällen durch einen Ventilator oder Lüfter bewegte Luft ist, wird beschränkt, um über die Bauteile in einem Kanal 15, der zwischen der Leiterplatte 13 und einer gegenüberliegenden Wand 17 ausgebildet wird zu treten. Die Wand 17 kann die Rückseite einer benachbarten schaltungsanordnung, das Gerätegehäuse des Gerätes oder sogar eine Ablenkplatte sein, die eingefügt ist, um die Fluidströmung zu richten. Eine Untersuchung der Fluidströmung durch diesen Kanaltyp zeigt, wie allgemein durch die Pfeile dargestellt, daß das die Bauteile umgebende Fluid dazu neigt, zu stagnieren, oder bestenfalls mit minimalem Austausch mit dem Hauptstromfluid, welches tendenziell bei einer niedrigeren Temperatur ist, zu rezukolieren. Dieses beobachtete Strömungsphänomen ist nicht optimiert.
• Eine starke Erhöhung der Kühlung kann wie in Fig. 2 dargestellt erreicht werden. Der Kühlkanal von Fig. 2 unterscheidet sich von demjenigen von Fig. 1 dadurch, daß Stäbe, die nachfolgend als Wirbelerzeuger bezeichnet werden 21, von gegenüberliegenden Wänden 17 in den Kanal ragen. Die Wirkung der Wirbelerzeuger besteht darin, große Störungen innerhalb des Kanals zu erzeugen. Diese Störungen zwingen die Luft zwischen die Bauteile 11, um Stagnationsbereiche auf zubrechen und um die kühlere Luft näher an die Platine 17 hinunter zu den Bauteilen zu zwingen, um die Wärmeübertragungseigenschaften zu verbessern. Das Ergebnis ist eine starke Senkung der Bauteiltemperaturen bei minimalen Kosten und Konstruktionsaufwand.
• Es wurde festgestellt daß Wirbelerzeuger von gleicher Höhe und Breite, die wenigstens ein Viertel und weniger als Dreiviertel der Kanalhöhe aufweisen, dazu neigen, sehr effektive Ergebnisse zu erzeugen. Ferner erzeugen Wirbelerzeuger, die sich im wesentlichen über die gesamte Länge der Platine 17 erstrecken und bei gleichen Intervallen beabstandet sind unabhängig von der Beabstandung der Komponenten optimale Ergebnisse. In den meisten Fällen wir die Beabstandung zwischen den Wirbelerzeugern 5-10 cm betragen. Obwohl es nicht nötig ist, daß die Wirbelerzeuger scharfe Kanten haben, wie es in Fig. 2 dargestellt ist, sind diese Kanten am wirksamsten.
• Ein System mit verschiedenen Schaltungspackungen, die an einer Geräteanordnung befestigt sind, ist in Fig. 3 dargestellt. In dieser Anordnung wird ein Kühlkanal 15 zwischen jedem Satz von benachbarten Schaltungsplatinen beispielsweise 13 und 17 ausgebildet. Wirbelerzeuger 21, benachbart zur Rückseite jeder Leiterplatte, beispielsweise 17, erhöhen die Kühlung der Bauteile 17 an der benachbarten Anordnung.
• Wenn die Leiterplatter 13 glatte Rückflächen haben, wie dies beispielsweise bei der Verwendung von oberflächenbefestigten Komponenten auftritt, können die Wirbelerzeuger 21 direkt an die Rückseite, wie in Fig. 3 dargestellt durch bekannte Verfahren, wie beispielsweise Wärmebonden, mechanisches Befestigen und chemisches Bonden, wie beispielsweise mit Epoxi-Klebern, befestigt werden. Alternativ kann die Platine so hergestellt sein, daß die Wirbelerzeuger integraler Bestandteil der Platine selbst sind.
• Wenn die Rückseite der Platine nicht glatt ist, wie beispielsweise bei Durchgangsloch-Montagetechniken, oder die Rückseite für Verdrahtungspfade verwendet wird, können wie in Fig. 4 dargestellt geformte Wirbelerzeuger verwendet werden. Gemäß dieser Ausführungsform kontaktieren die U- förmigen Wirbelerzeuger 21 die Platine für Befestigungszwecke lediglich an den Kanten, wo glatte Bereiche zu finden sind.
• Eine alternative Technik zum Befestigen von Wirbelerzeugern zum Bereitstellen der Vorteile der Erfindung ist in Fig. 5 dargestellt. In dieser Ausführungsform hat ein Wirbelerzeuger 21 in der Form eines rechteckförmigen Körpers Quer-Öffnungen mit Stellschrauben 30 und 31 in diesen. Gemäß dieser Ausführungsform ist ein Paar von Tragstäben 32 und 33 an der Rückseite einer Leiterplatte 13 parallel zur Richtung der Fluidströmung befestigt. Jeder Wirbelerzeuger hat Querlöcher 34 und 35, welche die Tragstäbe 32 und 33 jeweils aufnehmen. Die Stellschrauben 30 und 31, welche jeweils die Öffnungen 34 und 35 schneiden, sind verwendbar, um den Wirbelerzeuger an einer beliebigen Stellung entlang der Stäbe 32 und 33 zu verriegeln. Diese Konstruktion gestattet die Einstellung der Beabstandung zwischen Wirbelerzeugern, um die Kühlwirkung zu maximieren und kann somit sehr nützlich sein bei einem Kanal mit unüblichem Komponentenlayout. Wenn die Rückseite der Leiterplatte nicht glatt ist, kann ein Wirbelerzeuger 36, der wie vorstehend beschrieben U-förmig ist auf ähnliche Weise befestigt werden, um Abstand zu Unregelmäßigkeiten der Platine bereitzustellen.

Claims (8)

1. Fluidgekühlte Schaltungsanordnung, umfassend:

eine Schaltungsplatine (13) mit einer vorderen Oberfläche mit einem Feld von wärmeerzeugenden Komponenten (11), die an der vorderen Oberfläche befestigt sind,

eine weitere Oberfläche (17), die der vorderen Oberfläche gegenüberliegend und zu dieser beabstandet angeordnet ist, um so einen Kanal (15) für die Strömung des Kühlfluids über die Komponente auszubilden, und ein Feld von Stäben (21), die an der gegenüberliegenden Oberfläche (17) in einer Richtung befestigt sind, welche sich im wesentlichen senkrecht zur angestrebten Richtung des Kühlfluids und ausreichend in den Kanal erstreckt, um Störungen in der Strömung des Kühlfluids zu erzeugen, dadurch gekennzeichnet,

daß die Stäbe U-förmig sind, um einen Abstand zwischen einem Teil jedes Stabs und der gegenüberliegenden Oberfläche zu bilden.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, bei welcher die Stäbe scharfe Kanten haben.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, bei welcher die Höhe der Stäbe wenigstens ein Viertel der Höhe des Kanals beträgt.

4. Schaltungsanordhung nach Anspruch 1, bei welcher die gegenüberliegenden Oberfläche die Rückseite einer zweiten Schaltungsplatine umfaßt.

5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, bei welcher die Stäbe ein integraler Bestandteil der zweiten Schaltungsplatine sind.

6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, bei welcher die Stäbe beweglich an Tragstäben (32, 33) befestigt sind, die sich im wesentlichen senkrecht zu diesen erstrecken, um die Beabstandung der Stäbe einzustellen.

7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, bei welcher die Stäbe in dem Feld gleich beabstandet sind.

8. Schaltungsanordnung nach Anspruch 7, bei welcher die Beabstandung im Bereich von 5 bis 10 cm liegt.