DE69204018T2

DE69204018T2 - Anordnung zur Kühlung von elektronischer Ausrüstung durch Strahlungstransfer.

Info

Publication number: DE69204018T2
Application number: DE69204018T
Authority: DE
Inventors: Karl-Erik Leeb
Original assignee: Telefonaktiebolaget LM Ericsson AB
Current assignee: Telefonaktiebolaget LM Ericsson AB
Priority date: 1991-10-24
Filing date: 1992-10-09
Publication date: 1996-01-04
Anticipated expiration: 2012-10-10
Also published as: SE469298B; EP0539341A1; JP3300431B2; SE9103109D0; DE69204018D1; SE9103109L; US5457603A; EP0539341B1; JPH05203308A

Description

TECHNISCHES GEBIET

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung zum Kühlen von elektronischen Einrichtungen in einem Raum mittels Strahlungstransfers, wobei die Einrichtungen wärmeübertragende elektronische Komponenten umfassen, die auf einer Schaltungsplatine oder einer ähnlichen Einrichtung angebracht sind.

BESCHREIBUNG DES STANDES DER TECHNIK

Im normalen Betrieb arbeiten elektronische Komponenten mit einer Energieumwandlung, um so Wärme zu erzeugen. Diese Wärme neigt dazu, die Temperatur der Komponenten zu erhöhen, wodurch die nutzbare Lebensdauer davon verkürzt wird. Infolge dessen ist es für den Fall einer Einrichtung, die diese Komponenten umfaßt und bei der es wünschenswert ist, eine lange nutzbare Lebensdauer zu erzielen, wünschenswert, die Wärme von den betreffenden Komponenten abzuleiten oder wegzuführen. Dies wird oft dadurch bewirkt, daß man Luft mit niedrigerer Temperatur um die Komponenten oder die entsprechende Schaltungsplatine, auf der die Komponenten angebracht sind, herumfließen läßt, um so einen Wärmetransfer zu bewirken. Die so erwärmte Luft wird entfernt und durch frische Luft mit niedrigerer Temperatur ersetzt.
Bei gewissen Einrichtungen erzeugen die elektronischen Einrichtungen so viel Wärme, daß spezielle Maßnahmen vorgenommen werden müssen, um eine Wärme davon zu entfernen. Diese Maßnahmen können das Ableiten der Wärme von Komponenten oder Schaltungsplatinen an eine Wärmetransfereinrichtung umfassen, wobei die Kühlmittel-Kontaktfläche davon mit Hilfe von Rippen oder Stiften vergrößert wird und das Kühlmittel normalerweise Luft ist. Andere Maßnahmen, die zu einem Anstieg des Wärmetransfereffekts beitragen umfassen höhere Luftgeschwindigkeiten und die Verwendung einer Luftmischung, die bereits erwärmte Luft und kalte Luft umfaßt, auf Mikroniveaus entlang der Oberflächen der Wärmetransfereinrichtung. In solchen Fällen, bei denen ein besonders guter Kühleffekt gewünscht wird, kann das Kühlmittel aus einer kalten Flüssigkeit bestehen, der ermöglicht wird, im Kontakt mit den Wärmetransfereinrichtungen zu strömen. Die so erwärmte Flüssigkeit kann dann in einer anderen Stufe zum Transfer von Wärme an die Luft in einer getrennten Wärmetransfereinrichtung verwendet werden, die eine sehr große Kontaktoberfläche aufweist, wobei diese Luft dann ein sekundäres Kühlmedium bildet. Der Wärmetransfer in der sekundären Einrichtung kann verbessert werden, indem die Temperatur in dem sekundären Kühlmittel mit Hilfe einer Wärmepumpe auf einen Wert unter der Raumtemperatur abgesenkt wird. Dies ist oft im tropischen Klima wünschenswert, ferner zur Erzielung einer ausreichend hohen Temperaturdifferenz durch die festen Teile und Verbindungen der Konstruktion, mit dem Ziel einer Erreichung eines ausreichend hohen Wärmeflusses, ausgerichtet durch die gewünschte Temperatursteuerung der kritischen Teile der Konstruktion.
Wenn die Temperatur unter die Raumtemperatur abgesenkt wird, besteht ein Risiko darin, daß eine durch die Luft getragene Feuchtigkeit auf empfindlichen und aufnahmefähigen Teilen der Konstruktion kondensiert, was Korrosions- und Leckprobleme zur Folge hat. Ein anderes Problem, welches oft angetroffen wird, liegt in der Tatsache, daß der Wärmefluß von den Komponenten an die Wärmetransfereinrichtung oft mehr oder weniger durch Material blockiert wird, welches eine relativ schlechte thermische Leitfähigkeit aufweist und welches in ungeeigneter Weise konfiguriert ist. Hinsichtlich der thermischen Leitfähigkeit sind die Verbindungen zwischen unterschiedlichen Teilen der wärmeleitenden Teile oft ungeeignet und stellen ein Problem dar.
Allgemein bestehen Bestrebungen dahingehend, Einrichtungen bereitzustellen, die wenige sich bewegende Teile aufweisen und die einen einfachen und robusten Aufbau besitzen, hinsichtlich der Herstellungskosten, der physikalischen Abmessung und der Zuverlässigkeit. Komplikationen in dieser Hinsicht stellen ein Problem dar.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG

Die einzige Figur der beiliegenden Zeichnung zeigt prinzipiell eine beispielhafte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung.

BEVORZUGTE VORGEHENSWEISE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG

Eine beispielhafte Ausführung der Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben. Die beschriebene Ausführungsform kann in verschiedenen Weisen modifiziert werden und die Erfindung ist nur durch die folgenden Ansprüche begrenzt. Dargestellt in der Zeichnung ist eine Schaltungsplatine 1, auf der wärmeerzeugende elektronische Komponenten 2 angebracht sind. Die Temperatur der Komponenten 2 und der Schaltungsplatine 1, die in einem Raum angeordnet ist, beispielsweise in einem Geräteschrank steigt deshalb beispielsweise auf eine Temperatur von 70ºC an. Diese Wärme wird mittels einer U-förmigen Platte 3 abgeleitet, die die Schaltungsplatine 1 umgibt und die integral mit einem kühlenden Flüssigkeitskanal oder Schleife 4 versehen ist. Die Kühlflüssigkeit kühlt die Platte 3 auf eine niedrige Temperatur, z.B. eine Temperatur von +4ºC.
Die Oberflächen der Schaltungsplatine 1 und der Platte 3 werden in einer Weise behandelt, so daß sie einen hohen Strahlungskoeffizient &epsi; für IR-Strahlung, beispielsweise einen Koeffizienten von 0,9 aufweisen. Die Schaltungsplatine 1 wird deshalb mehr IR-Strahlung aussenden, als sie von der Platte 3 empfängt, nämlich gemäß der folgenden bekannten Formel aus der Strahlungsphysik: P = &epsi; δ (T&sub1;&sup4; - T&sub2;&sup4;)
Wenn eine vernünftige Vereinfachung durchgeführt wird, so daß die Strahlung allein durch die relativ eng positionierten und zueinander parallelen Schaltungsplatine 1 und der Platte 3 ausgetauscht wird, ist der Netto-Wärmefluß von der Schaltungsplatine 1 an die Platte 3 mit den voranstehenden beispielhaften Temperaturen und den Strahlungskoeffizienten folgendermaßen:
P = 0,9 x 5,67 x 10&supmin;&sup8; [(273+70)&sup4; - (273+4&sup4;] = 404W/m²
Wenn die Energiedichte an die Schaltungsplatine 1 angelegt werden soll, soll beobachtet werden, daß die Platine sowohl von ihrer Vorderseite als auch von ihrer Rückseite abstrahlt. Somit kann die durch die Schaltungsplatine 1 entwickelte Wärme theoretisch in der Größenordnung von 2 x 404 = 808 W/m² sein. Diese Kühlung ist oft ausreichend.
Da die Wärme auf die Platte 3 angewendet wird, ist es erforderlich, die Platte durch Pumpen einer kühlen Flüssigkeit durch die Schleife 4 zu kühlen. Diese Flüssigkeit wird mit Hilfe eines Kühlkompressors 5 gekühlt und gepumpt. Die Flüssigkeit wird ferner durch ein Rohr 6 an einen Kühler 7 gepumpt, der eine große Luft-Kontaktoberfläche aufweist, wobei die Luft mittels eines Gebläses 8 einer hohen Geschwindigkeit durch den Kühler 7 geblasen wird, wobei die Wärme an die Luft abgegeben wird. Der Kühler kann in herkömmlicher Weise außerhalb der externen Wand 9 angebracht sein, wenn die Einrichtungen mit der Schaltungsplatine 1 innerhalb angeordnet sind.
Wenn die relative Feuchtigkeit der Luft hoch ist, kondensiert die Feuchtigkeit in der Luft auf der Platte 3. Dieses Kondensat wird in einem Kanal 10 gesammelt und von dem Raum oder Schrank 11 durch ein Abflußrohr 12 abgeführt und an einer Stelle ausgegeben, an der es keinen Schaden anrichten kann. Die Luft innerhalb des Raums 11 wird deshalb von der Feuchtigkeit befreit. Die Luft innerhalb des Raums 11 wird auch durch die kalte Platte 3 gekühlt, wobei der Kühlprozeß durch natürliche Konvektion unterstützt wird.
Die Aufgabe der Bereitstellung eines einfachen Kühlsystems, welches nur wenige bewegbare Teile aufweist, und eine minimale Leitung in statischen Materialien und nur wenige Verbindungen mit problematischen thermischen Anschluß bereitstellt, wird gelöst. Ferner ist die Luft in dem Schrank 11 trocken und da der Schrank 11 luftdicht ist, kann ferner keine mit Staub verunreinigte Luft, die dazu neigt, die elektronische Funktion zu stören, in den Schrank eintreten. Es ist möglich, in dem Schrank eine Wiederaufbereitungskühlmöglichkeit für Gebläseluft vorzusehen, wenn Komponenten mit zusätzlicher großer thermischer Dichte eine zusätzliche Kühlung benötigen.
Die voranstehende Ausführungsform wurde unter Bezugnahme auf nur eine Schaltungsplatine beschrieben und dargestellt. Es versteht sich von selbst, daß elektronische Einrichtungen normalerweise auf einer Vielzahl von Schaltungsplatinen angebrachte Komponenten umfassen. Jede Schaltungsplatine 1 ist durch eine jeweilige individuelle Platte 3 mit einer integrierten Kühlschleife 4 umgeben. Andererseits sind die verschiedenen Kühlschleifen 4 mit einem gemeinsamen Kompressor 5 gekoppelt. Ferner weist jede Kühlplatte 3 ihren eigenen individuellen Kühlkanal 10 auf, mit dem die Abflußrohre 12 zusammen das Kondensationswasser ableiten.
Die Platte 3 kann auch auf eine niedrige Temperatur mit der Hilfe von Peltier-Elementen gebracht werden, die auf der Oberfläche der Platte angeordnet sind. Natürlich werden in diesem Fall die Kanäle 4, der Kompressor 5 und die übrigen Teile des Wärmeaustauschsystems nicht benötigt.
Es versteht sich von selbst, daß die Erfindung nicht auf die voranstehend beschriebene und dargestellte Ausführungsform beschränkt ist und daß Modifikationen innerhalb des Umfangs der folgenden Ansprüche durchgeführt werden können.

Claims

1. Anordnung zum Kühlen von elektronischem Gerät in einem Raum mittels Strahlungstransfers, wobei das Gerät wärmeerzeugende elektronische Komponenten umfaßt, die auf einer jeweiligen Schaltungsplatine oder dergleichen angebracht sind;

dadurch gekennzeichnet, daß

jede Schaltungsplatine (1) oder dergleichen durch eine kalte Platte (3) umgeben ist, die von der Platine oder dergleichen in einem Abstand angeordnet ist und daß die Oberflächen der Schaltungsplatine (1) und der Platte (3) so behandelt werden, daß sie einen hohen Strahlungskoeffiezienten für IR-Strahlung aufweisen, wobei Wärme von der heißen Schaltungsplatine an die relativ kältere Platte durch Strahlung übertragen wird.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich ein Kühlmittelkanal 4 über die gesamte Oberfläche der Platte erstreckt und integral mit der Platte gebildet ist, wobei das Kühlmittel zum Wegführen der empfangenen Wärme dient.

3. Anordnung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch einen Kompressor (5), der das Kühlmittel durch den Kanal (4) und einen Wärmetauscher (7), der extern zu dem Raum (11) angeordnet ist, pumpt.

4. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Platte U-förmig ist und daß die Schaltungsplatine (1) zwischen den Schenkeln des U angeordnet ist.

5. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur der Oberfläche der Platte (3) mit Hilfe von Peltier-Elementen verkleinert wird.

6. Anordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet, durch einen Kondensationssammelkanal (10), der sich unterhalb der Platte (3) befindet.

7. Anordnung nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch ein Abflußrohr (12), dessen Funktion darin besteht, ein Kondensat von dem Sammelkanal (10) an eine sich extern zu dem Raum (11) befindlichen Stelle zu führen.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung zum Kühlen von elektronischen Komponenten mittels eines Strahlungstransfers und die Aufgabe der Erfindung besteht darin, die voranstehend erwähnten Probleme zu lösen. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Anordnung zum Wegführen der Wärme von einer Schaltungsplatine, indem allgemein die durch die heißen Komponenten ausgesendete IR- Strahlung verwendet wird. Das Prinzip einer Optimierung der IR-Strahlung ist bisher bei der Konstruktion von Kühlanordnungen für Schaltungsplatinen mit mäßiger Energieerzeugung ignoriert worden. Die Erfindung stellt deshalb eine Anordnung bereit, die die charakteristischen Merkmale umfaßt, die im Anspruch 1 aufgeführt sind.

Die Erfindung löst allgemein Probleme im Zusammenhang mit einer Luft-und Flüssigkeitskühlung, beispielsweise wenige bewegbare Teile, einen einfachen Aufbau, eine Zuverlässigkeit und auch das Problem, welches die Kondensation darstellt, wenn mit Hilfe einer Flüssigkeit gekühlt wird.

Andere Aufgaben der vorliegenden Erfindung und dadurch erzielte Vorteile ergeben sich aus der folgenden Beschreibung, die unter Bezugnahme auf eine bevorzugte beispielhafte Ausführungsform der Erfindung und auch unter Bezugnahme auf die Zeichnung durchgeführt wird.