Querverweis zu einer verwandten Patentanmeldung
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Diese Patentanmeldung ist mit der US-Patentanmeldung
der Nummer 807 687 (entspricht dem Dokument EP-A-552 538)
von Azar mit dem Titel "Narrow Channel Finned Heat Sinking
for Cooling High Power Electronic Components" verwandt,
welche am selben Tag wie diese Patentanmeldung beim US-
Patent- und Markenamt eingereicht wurde.
Gebiet der Erfindung
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Diese Erfindung bezieht sich auf das Kühlen von
wärmeerzeugenden elektronischen Bauteilen. Im speziellen
betrifft diese Erfindung Wärmesenken,
Kühlmittel zuführungssysteme, Schaltungsentwürfe und
Verfahren zur Optimierung der Abmessungen von Wärmesenken.
Hintergrund der Erfindung
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Ein effektives Ableiten der durch den Betrieb
elektronischer Bauteile erzeugten Wärme ist ein wichtiges
Anliegen beim Optimieren der Leistungseigenschaft der
Schaltung, in dem diese Bauteile verwendet werden.
Zusätzlich zur Leistungsoptimierung hilft eine effektive
Wärmeableitung auch, die Nutzlebensdauer dieser Bauteile zu
verlängern. Eine Wärmeableitung ist besonders im Falle von
elektronischen Hochleistungsbauteilen wichtig, die 3 W/cm²
oder mehr erbringen können. Einige exotische Verfahren zum
Kühlen elektronischer Hochleistungsbauteile, wie
beispielsweise eine Fremdflüssigkeitskühlung der an diesen
Bauteilen befestigten Wärmesenken, wurden vorgeschlagen,
jedoch sind diese Verfahren nicht angenehm, weil sie
kostspielig zu realisieren und instandzuhalten sind.
Einfache Luftkühlungstechniken wurden wegen der
unangemessenen Leistungseigenschaft der bis heute
entwickelten Wärmesenken und Kühlmittelzuführungssysteme
vermieden und wegen einer allgemeinen Auffassung, daß eine
Luftkühlung der Aufgabe eines angemessenen Ableitens der von
den heutigen elektronischen Hochleistungsbauteilen erzeugten
Wärme nicht gewachsen ist.
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Es hat einige Arbeiten hinsichtlich des Einsatzes von
luftgekühlten Schmalkanal - und Mikrokanal-Wärme senken
gegeben, um elektronische Bauteile zu kühlen. Z.B. bezieht
sich Goldberg in "Narrow Channel Forced Air Heat Sink", IEEE
Transactions on Components, Hybrids and Manufacturing
Technology, Band CHMT-7, Nr. 1, März 1984, Seiten 154-159,
auf beengte Kanalwärmesenken, bei denen der Kanalabstand und
die Breite entweder 0,0127 cm, 0,0254 cm oder 0,0635 cm
betrugen. Luft wurde als Kühlfluid verwendet, und wurde
direkt zur Wärmesenke geführt. Es heißt, die Wärmesenke von
Goldberg habe thermische Impedanzen von 3,4 bis 5,9ºC pro
Watt erreicht.
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Hilbert et al. verweisen in "High Performance Micro
Channel Air Cooling", Proceedings of the Sixth Annual IEEE
SEMI-THERM Symposium, Seiten 108-113, 1990, auf eine
Anordnung von gerippten Mikrokanal-Wärmesenken, bei denen
Luft speziell an die Oberseite jeder Wärmesenke geführt
wurde. Es heißt, die Wärmesenken haben thermische Impedanzen
im Bereich von 1,6 bis 2,1ºC pro Watt erreicht.
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Sowohl Goldberg als auch Hilbert arbeiten nicht mit
Wärmesenken, die eine optimale Konfiguration besitzen, die
deren Wärmeableitungsfähigkeit auf ein Höchstmaß bringen.
Zusätzlich beziehen sich Goldberg und Hilbert auf
ungewöhnlich geformte Wärmesenken, die schwierig und teuer
herzustellen sind. Auch erzielen Goldberg und Hilbert die
Wirksamkeit mit Kühlmittelzuführungssystemen, die in den
meisten elektronischen Anlagen nicht üblich sind. Die
meisten elektronischen Anlagen drücken oder ziehen einen
Luftstrom über die elektronischen Bauteile, die aufflachen
Schaltungsplatten angeordnet sind, welche in einer
parallelen Anordnung in Fächern oder Gestellen eines
Schaltschranks angeordnet sind. An der Ober- oder Unterseite
der Anlage ist ein Gebläsegestell angeordnet, um Luft in den
Schaltungsschrank und durch die Zwischenräume zwischen den
parallel angeordneten Schaltungskarten zu drücken. Die
Strömungsaufblasetechniken von Goldberg und Hilbert können
bei diesen Arten der Kühlungsanordnungen nicht verwendet
oder einfach an diese angepaßt werden.
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Daher haben Anstrengungen wie diese von Goldberg und
Hilbert ein lang empfundenes Bedürfnis wirklich nicht
befriedigt, und zwar ein Kühlungssystem für elektronische
Bauteile bereitzustellen, welches zu einer höchst wirksamen
Ableitung der von den heutigen elektronischen
Hochleistungsbauteilen erzeugten Wärme unter Einsatz
einfacher Luftkühlungstechnologie imstande ist, ohne eine
drastische Veränderung der mechanischen Anordnung der
Bauteile.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine
Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 bereitgestellt.
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Das Bedürfnis nach den eben erwähnten adäquaten
Wärmeableitungsfähigkeiten wird durch eine Vielheit von
neuen fluidgekühlten Schaltungsgruppenanordnungen
befriedigt. Die Schaltungsanordnungen umfassen eine Vielzahl
von elektronischen Bauteilen, die an optimierten Wärmesenken
befestigt sind, welche in einem vorbestimmten Muster an
einer flachen Grundplatte angeordnet sind. Beispiele
geeigneter Anordnungen der elektronischen Bauteile und den
dazu gehörenden Wärmesenken beinhalten eine In-Line-
Anordnung und eine versetzte Anordnung der Bauteile und
Wärmesenken. Ein Kühlfluid kann durch einen Ventilator über
die Wärmesenken gezogen werden, der das Kühlmittel entweder
durch eine Seitenplatte eines die Schaltungsanordnung
umschließendes Gehäuse oder durch eine Vielzahl von
Schlitzen in einer oberen Platte des über den Bauteilen und
den Wärmesenken gelegenen Schaltungsanordnungsgehäuses
zieht.
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Neue Offenkanal-Wärmesenken, die bei den
Schaltungsanordnungen dieser Erfindung verwendet werden
können, sind auf eine Weise dimensioniert, die die
Wärmeableitungsfähigkeit der Wärmesenke optimiert. Die
Wärmesenke umfaßt eine Vielzahl von Rippen, wobei jede eine
vorbestimmte Dicke und eine vorbestimmte Höhe besitzt. Eine
Vielzahl von Kanälen mit jeweils einer vorbestimmten Breite
ist zwischen den Rippen der Wärmesenke angeordnet. Die der
Wärmeableitungsfähigkeit der Wärmesenke kann optimiert
werden, wenn die Parameter der Rippendicke und der
Kanalbreite miteinander verbunden und einander angemessen
sind. Gemäß der Erfindung ist die Wärmeableitungsfähigkeit
der Wärmesenke nach Anspruch 1 optimiert, wenn das
Verhältnis der Rippendicke zur Rippenhöhe etwa 0,005 zu etwa
0,055 beträgt und das Verhältnis der Kanalbreite zur
Rippenhöhe etwa 0,030 zu etwa 0,130 beträgt.
Figurenbeschreibung
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Es zeigen:
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Fig. 1 ein Beispiel einer Schmalkanalwärmesenke gemäß der
Erfindung;
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Fig. 2 ein Beispiel einer Schaltungsanordnung gemäß der
Erfindung mit einer versetzten Anordnung der
wärmegesenkten elektronischen Bauteile;
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Fig. 3 ein Beispiel einer Schaltungsanordnung gemäß der
Erfindung mit einer In-Line-Anordnung der
wärmegesenkten elektronischen Bauteile;
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Fig. 4 ein Beispiel einer Schaltungsanordnung gemäß der
Erfindung mit einer Vielzahl von Reihen versetzt
angeordneter wärmegesenkter Bauteile;
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Fig. 5 eine Kühlmittelzuführungsvorrichtung zum Kühlen der
in den Fig. 2 bis 4 gezeigten Schaltungsanordnungen;
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Fig. 6 eine Aufsicht eines Teils der in Fig. 5 gezeigten
Vorrichtung, die Lufteintrittsschlitze und
Druckanschlußstellen in der oberen Platte eines
Gehäuses für die Schaltungsanordnung darstellt;
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Fig. 7 Druckabfallmessungen in bezug auf die Umgebung und in
bezug auf den Kanaleingang für eine
Schaltungsanordnung mit einer versetzten
wärmege senkten Bauteileanordnung;
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Fig. 8 und 9 Temperaturanstiege über die Umgebungstemperatur
für jedes Bauteil in einer Schaltungsanordnung mit
einer geschlitzten Abdeckplatte bei zwei
verschiedenen Ventilatorspannungen;
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Fig. 10 einen Vergleich zwischen den Leistungseigenschaften
von Schaltungsanordnungen mit einer geschlitzten
Abdeckplatte und einer durchgängigen Abdeckplatte;
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Fig. 11 einen Vergleich der Auswirkung des Entwurfs der
Schaltungsanordnung und des Verfahrens des
Luftstromeintrittes auf die thermische Impedanz,
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Fig. 12, 13, 14 und 15 Schichtlinienausdrucke, die die
Optimierung der Wärmesenkenabmessungen bei vier
verschiedenen Druckabfällen über der Wärmesenke
veranschaulichen;
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Fig. 16 ein Beispiel einer Wärmesenke gemäß der Erfindung,
in der ein elektronisches wärmeerzeugendes Bauteil
integriert ist;
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Fig. 17 eine Wärmesenke gemäß der Erfindung, die in die
Struktur eines gegossenen oder umschlossenen
elektronischen wärmeerzeugenden Bauteils
aufgenommen wurde.
Detaillierte Beschreibung
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Fig. 1 zeigt ein Beispiel einer optimierten
Wärmesenke 10 gemäß der Erfindung. Die Wärmesenke 10 umfaßt
eine Reihe von Rippen 12, von denen eine in Fig. 1 explizit
die Bezugsziffer 12 trägt. Jede Rippe besitzt eine
vorbestimmte Höhe H und eine vorbestimmte Dicke τ. Die Höhe
H kann von etwa 0,25 cm bis etwa 3,2 cm reichen. Die Rippen
erstrecken sich von einer rechtwinklig geformten Basis 14
der Wärmesenke 10. Die Basis 14 besitzt eine vorbestimmte
Breite W und eine vorbestimmte Tiefe D. Die Breite der Basis
14 kann z.B. etwa 2,5 cm und die Tiefe der Basis 14 kann
ebenfalls etwa 2,5 cm betragen. Die Gesamthöhe der
Wärmesenke vom Boden der Basis 14 bis zu den Enden der
Rippen 12 kann etwa 3,8 cm bis etwa 7,6 cm betragen. Obwohl
die Basis 14 der Wärmesenke 10 bei dem Beispiel aus Fig. 1
rechtwinklig ist, kann die Basis irgendeine geeignete Form,
wie z.B. eine kreisförmige, rechtwinklige oder dreieckige,
besitzen.
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Die Rippen 12 umfassen rechtwinklig geformte
Vorsprünge, die im wesentlichen aufrecht auf der Basis 14
stehen. Die Rippen 12 erstrecken sich im wesentlichen von
der Vorderseite bis zur Rückseite der Wärmesenke und
definieren eine Vielzahl von parallelen, rechtwinkligen
Kanälen oder Furchen mit einer vorbestimmten, im
wesentlichen konstanten Breite 5 zwischen benachbarten
Rippen 12. Wie bei Fig. 1 dargestellt, sind die Kanäle zur
Oberseite der Wärmesenke 10 hin offen. Die Rippen 12
besitzen im wesentlichen rechtwinklige Querschnitte parallel
und senkrecht zu den Längsachsen der Kanäle. Gemäß der
Erfindung und wie nachfolgend detaillierter beschrieben,
sind die Rippendicke τ und die Kanalbreite S so ausgewählt,
daß die Wärmeableitungsfähigkeiten der Wärmesenke optimiert
werden.
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Die Wärmesenke wird auf eine beliebige
wärmeleitfähige Art und Weise an dem elektronische
wärmeerzeugende Bauteil befestigt. Die Wärmesenke kann z.B.
an so ein Bauteil mit Hilfe eines wärmeleitfähigen
Klebstoffs, wie z.B. ein wärmeleitfähiges Epoxidharz,
befestigt werden.
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Die Wärmesenke 10 bei Fig. 1 kann aus irgendeinem
geeigneten wärmeleitfähigen Material, wie z.B. Aluminium,
Kupfer oder ein anderes metallisches Material, hergestellt
sein. Sie kann auch aus einem Halbleiter, aus Keramik, aus
einer Zusammensetzung oder einer Legierung bestehen. Die
Kanäle und Rippen können in einem rechtwinkligen Block eines
solchen wärmeleitfähigen Materials durch eine Vielzahl von
Verfahren hergestellt werden. Die Kanäle und die Rippen
können z.B. durch Techniken, wie z.B.
Kristallausrichtungsabhängiges Ätzen, Präzisionssägen, elektrische
Entladungsformgebung oder numerisch gesteuerte Formgebung,
geschaffen werden.
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Eine andere Konfiguration, die eine Wärmesenke gemäß
der Erfindung einnehmen kann, besteht in einer
rippengefalteten Wärmesenke ähnlich zu denen, die bei
Klimaanlagen und Autokühlern verwendet werden. Die
angewandten Herstellungstechniken, um gefaltete
Rippenwärmesenken herzustellen, können Rippendicken und
Abstände in dem interessierenden Bereich bei relativ
geringen Kosten hervorbringen. Bei einer typischen Anwendung
wird ein Aluminiumblech der gewünschten Dicke in einer
Schlangenlinienform umgefaltet, so daß ein gewünschter
Kanalabstand geschaffen wird. Diese gefaltete Rippe kann
anschließend an eine Aluminiumbasis, z.B. durch Tauchlüten,
gebunden werden. Die Wärmesenke kann anschließend auf
irgendeine Art, die eine Leitfähigkeit der Wärme von der
Einrichtung zur Wärmesenke fördert, an eine elektronische
Einrichtung angebracht werden. Die Einrichtung kann z.B.
über ein wärmeleitfähiges Epoxidharz befestigt werden. Die
Wärmesenke kann auch durch irgendwelche anderen mechanischen
Hilfsmittel, die die Einrichtung in einen intensiven
wärmeleitfähigen Kontakt mit der Wärmesenke bringt, an dern
elektronischen Bauteil befestigt werden. Die gefaltete
Rippenkonstruktion besitzt den Vorteil des Verbindens
benachbarter Rippenenden, welches die Wärmesenke
widerstands fähiger gegenüber Handhabungsschäden macht. Ein
Vorteil des Einsatzes einer derart gefalteten
Rippenwärmesenke besteht darin, daß sie eingeschnitten,
gegeneinander versetzt oder wellig sein kann, um die
thermischen Grenzschichten aufzubrechen, die sich in dem
Kühlfluidfluß bilden können.
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Es wurde herausgefunden, daß die Leistungseigenschaft
der Wärmeableitung einer Wärmesenke, wie z.B. der Wärmesenke
10 aus Fig. 1 oder der vorher beschriebenen gefalteten
Rippenwärmesenke, durch ein entsprechendes Auswählen einer
Kombination der Parameter der Rippendicke und der
Kanalbreite optimiert werden kann. Im einzelnen wurde
herausgefunden, daß es für einen vorgegebenen Druckabfall
über der Wärmesenke einen optimalen Bereich der Rippendicken
und einen optimalen Bereich der Abstände zwischen den Rippen
gibt. Die Leistungseigenschaft einer derart optimierten
Wärmesenke wird hinsichtlich des thermischen Widerstands und
der Wärmeableitungsfähigkeit im Vergleich mit früheren
Wärmesenken wesentlich verbessert. Es wurde herausgefunden,
daß diese Verbesserung der Leistungseigenschaft erreicht
werden kann, wenn das Verhältnis der vorbestimmten
Rippendicke zur vorbestimmten Rippenhöhe (τ/H) von etwa
0,005 bis etwa 0,055 reicht und das Verhältnis der
vorbestimmten Kanalbreite zu der vorbestimmten Rippenhöhe
(S/H) von etwa 0,030 bis etwa 0,130 reicht, bei
Druckabfällen über der Wärmesenke von etwa 0,05 cm H&sub2;O bis
etwa 1,5 cm H&sub2;O. Die tatsächlichen Bereiche, in die diese
Verhältnisse fallen, können ausgewählt werden, um die
Wärmeableitungsfähigkeiten der Wärmesenke für Druckabfälle
einiger bestimmter Fluide, die über der Wärmesenke erwartet
werden, zu optimieren. Bei einem bestimmten Beispiel dieser
Erfindung kann das Verhältnis der Rippendicke zur Rippenhöhe
von etwa 0,005 bis 0,055 reichen, und das Verhältnis der
Kanalbreite zur Rippenhöhe kann von etwa 0,08 bis 0,13
reichen, bei einem Druckabfall von etwa 0,05 cm H&sub2;O. Bei
einem zweiten Beispiel dieser Erfindung kann das Verhältnis
der Rippendicke zur Rippenhöhe von etwa 0,005 bis etwa 0,055
reichen, und das Verhältnis der Kanalbreite zur Kanalhöhe
kann von etwa 0,060 bis etwa 0,110 reichen, bei einem
Druckabfall von 0,15 cm H&sub2;O. Bei einem dritten Beispiel
dieser Erfindung kann das Verhältnis der Rippendicke zur
Rippenhöhe von etwa 0,005 bis 0,055 reichen, und das
Verhältnis der Kanalbreite zur Rippenhöhe kann von etwa
0,040 bis etwa 0,090 reichen, bei einem Druckabfall von 0,05
cm H&sub2;O. Bei einem vierten Beispiel dieser Erfindung kann das
Verhältnis der Rippendicke zur Rippenhöhe von etwa 0,005 bis
0,055 reichen, und das Verhältnis der Kanalbreite zur
Rippenhöhe kann von etwa 0,03 bis 0,08 reichen, bei einem
Druckabfall von 1,5 cm H&sub2;O.
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Wie in den Fig. 12 bis 15 dargestellt, existieren
spezielle optimale Werte für den Kanalabstandsparameter und
den Rippendickenparameter bei repräsentativen Werten eines
Druckabfalles über der Wärmesenke Diese optimalen Werte
sind diejenigen, bei denen die thermische Impedanz ein
Minimum und die Wärmeableitung daher ein Maximum ist. Diese
Werte betragen:
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a) etwa 0,103 für den Kanalabstandsparameter S/H und
etwa 0,014 für den Rippendickenparameter τ/H bei einer
Druckdifferenz ΔP über der Wärmesenke von etwa 0,05 cm
H&sub2;O;
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b) etwa 0,077 für den Kanalabstandsparameter S/H und
etwa 0,014 für den Rippendickenparameter τ/H bei einer
Druckdifferenz ΔP über der Wärmesenke von etwa 0,15 cm
H&sub2;O;
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c) etwa 0,057 für den Kanalabstandsparameter S/H und
etwa 0,014 für den Rippendickenparameter τ/H bei einer
Druckdifferenz ΔP über der Wärmesenke von etwa 0,5 cm
H&sub2;O; und
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d) etwa 0,045 für den Kanalabstandsparameter S/H und
etwa 0,015 für den Rippendickenparameter τ/H bei einer
Druckdifferenz ΔP über der Wärmesenke von etwa 1,5 cm
H&sub2;O.
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Die thermischen Impedanzen für die Wärmesenken der
obigen Punkte a) bis d) betrugen jeweils etwa 2,4ºC pro
Watt, 1,54ºC pro Watt, 0,94ºC pro Watt und 0,61ºC pro Watt.
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Bei einem besonderen Beispiel einer Wärmesenke gemäß
der Erfindung, Versuche an dieser werden im einzelnen später
beschrieben, umfassen die Abmessungen der Basis 14 der
Wärmesenke eine Breitenabmessung von 2,5 cm und eine
Längenabmessung von 2,5 cm. Die Gesamthöhe der Wärmesenke
vom Boden der Basis 14 bis zu den Enden der Rippen 12
beträgt etwa 2,0 cm. Die Höhe H von jeder Rippe 12 beträgt
etwa 1,25 cm, die Dicke T von jeder Rippe 12 beträgt etwa
0,4 mm, und die Breite 5 von jedem Kanal beträgt etwa
1,1 mm. Als ein Ergebnis der tatsächlichen Versuche wurde
herausgefunden, daß die von einem an der Basis einer
derartigen Wärmesenke befestigten elektronischen Bauteil
erzeugten Wärme wirkungsvoller abgeleitet wird, als es mit
früheren Wärmesenken der Fall ist. Ein bedeutsam
verringerter Temperaturanstieg ergibt sich aus dem Betreiben
elektronischer Bauteile in einer Schaltungsanordnung, die
diese Wärmesenke enthält. Die thermischen Widerstände einer
derartigen Wärmesenke werden wesentlich verringert im
Vergleich zu den thermischen Widerständen der unter
ähnlichen Umständen verwendeten früheren Wärmesenken.
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Fig. 2 zeigt ein Beispiel eines Entwurfs von
Elementen in einer Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung.
Fig. 2 zeigt schematisch eine Schaltungsanordnung mit sechs
Schaltungselementen 18, 20, 22, 24, 26 und 28, die auf einer
Grundplatte 30 angeordnet sind, welche z.B. aus einem Glas-
Epoxidharz-Material hergestellt sein kann. Die
Schaltungsanordnung, wie aus den Fig. 5 und 6 besser
ersichtlich, ist in einem Gehäuse eingeschlossen, durch das
ein Kühlfluid gezogen wird, um die wärmeerzeugenden
elektronischen Bauteile auf der Grundplatte 30 der
Schaltungsanordnung zu kühlen. Das Gehäuse und die
Grundplatte 30 bilden eine Art Windkanal, der die von den
elektronischen Bauteilen erzeugte Hitze abführt. Bei einem
Versuchsbeispiel der Erfindung kann jedes der
Schaltungselemente 18, 20, 22, 24, 26 und 28 ein
elektronisches Bauteil umfassen, das an einer
Aluminiumwärmesenke mit einer 2,5 x 2,5 x 2,0 cm großen
Basis 14 befestigt ist, mit 0,4 mm dicken Rippen 12, die
parallele Kanäle mit einer Breite von 1,1 mm definieren. Die
Kanäle der Wärmesenken sind im allgemeinen parallel zu der
Richtung des Fluidflusses, durch Pfeile 32 angezeigt, durch
das Gehäuse ausgerichtet. Ein Transistor stellt ein Beispiel
eines elektronischen Bauteils dar, der auf irgendeine
wärmeleitfähige Art und Weise an der Basis der Wärmesenke
befestigt werden kann. Wie in Fig. 2 dargestellt, sind die
wärmegesenkten Bauteile in einer Reihe angeordnet, die sich
senkrecht in bezug auf die Richtung des Luftstroms, der
durch die Pfeile 32 in Fig. 2 angezeigt wird, erstreckt.
Abwechselnd sind die wärmegesenkten Bauteile auch in einer
Richtung parallel zu der Richtung des Fluidflusses versetzt
angeordnet. Der minimale Abstand zwischen benachbarten
Wärmesenken kann etwa 0,254 cm betragen.
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Fig. 3 zeigt einen anderen Bauteileentwurf für eine
Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung. Die
Schaltungselemente 18, 20, 22, 24, 26 und 28 sind auf der
Grundplatte 30 in einer In-Line-Konfiguration angeordnet,
die eine Anzahl von wärmegesenkten Bauteilen umfaßt, die in
einer Reihe angeordnet sind, die sich senkrecht in bezug auf
die Richtung des durch die Pfeile 32 dargestellten
Luftstroms erstreckt. Die Kanäle der Wärmesenken sind im
allgemeinen parallel zu der Richtung des durch die Pfeile 32
angezeigten Kühlmittelflusses angeordnet. Die wärmegesenkten
Bauteile sind nicht wie die bei Fig. 2 versetzt angeordnet.
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Fig. 4 zeigt einen weiteren Bauteileentwurf für eine
Schaltungsanordnung. Fig. 4 zeigt eine Anordnung von
wärmegesenkten Bauteilen, wobei einem von diesen eine
Bezugsziffer 34 in Fig. 4 gegeben wurde. Die Anordnung von
Fig. 4 kann als eine Kombination aus einer In-Line- und
einer versetzt angeordneten Konfiguration der wärmegesenkten
Bauteile betrachtet werden, welche im allgemeinen
gleichmäßig auf der Grundplatte 30 der Fig. 4 verteilt sind.
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Bei Fig. 4 sind fünf Reihen von wärmegesenkten
Bauteilen. Jede Reihe umfaßt zwei wärmegesenkte Bauteile,
die auf einer Linie senkrecht zu der Richtung des durch die
Pfeile 32 angezeigten Kühlmittelflusses angeordnet sind. Die
Bauteile in jeder Reihe sind in bezug auf die Bauteile der
benachbarten Reihen in einer Richtung senkrecht zu der
Richtung des Kühlmittelflusses versetzt angeordnet. Dies
ist, um sicherzustellen, daß jedes Bauteil nicht in dem
direkten Sog benachbarter Bauteile angeordnet ist, der durch
den Fluß des Kühlfluids durch das
Schaltungsanordnungsgehäuse hervorgerufen wird. Diese
Anordnung wurde gefunden, um die Wärmeableitungsfähigkeiten
der Schaltungsanordnung zu verbessern.
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Fig. 5 und 6 veranschaulichen eine Vorrichtung um
Kühlmittelluft zu den wärmegesenkten Bauteilen zu führen.
Fig. 5 zeigt einen Aufbau 36, der ein rechtwinkliges Gehäuse
umfaßt, um eine Anzahl von wärmegesenkten Bauteilen zu
umschließen, die auf einer Grundplatte 30 montiert sind, wie
bei irgendeiner der Figuren 2 bis 4 dargestellt. Die
Einfassung umfaßt die vorher erwähnte, in jeder der Fig. 2
bis 4 dargestellten Grundplatte 30, vertikal angeordnete
Endplatten 38 und 39 und eine horizontal angeordnete
Abdeckplatte 40. Zwei vertikal angeordnete Seitenplatten
sind an der Vorderseite und der Rückseite der Vorrichtung
aus der Fig. 5 zwischen der Grundplatte 30 und der
Abdeckplatte 40 angeordnet. Die Endplatten 38 und 39, die
Abdeckplatte 40 und die Seitenplatten können aus einem
plastischen Material, wie z.B. das unter der Marke LEXAN
vertriebene, hergestellt sein. Die Grundplatte 30, die
Endplatten 38 und 39, die Abdeckplatte 40 und die beiden
Seitenplatten definieren ein rechtwinkliges Gehäuse, in
welches die wärmegesenkten Bauteile, so wie in irgendeiner
der Figuren 2 bis 4 dargestellt, angeordnet sind. Der
vertikale Abstand zwischen der Abdeckplatte 40 und der
Grundplatte 30 ist derart, daß eine kontrollierte
Abstandmenge zwischen der Abdeckplatte 40 und den
Rippenenden der Wärmesenken, die mit den elektronischen
Bauteilen verbunden sind, definiert wird. Der Abstand
zwischen der Abdeckplatte und den Enden der Wärmesenken kann
z.B. von etwa 0 bis etwa 0,25 cm reichen. Vorzugsweise wird
der Abstand zwischen den Rippenenden der Wärmesenken und der
Abdeckplatte 40 so schmal wie möglich hergestellt. Bei
einigen bevorzugten Beispielen der Erfindung kann die
Abdeckplatte 40 so positioniert werden, daß es keinen
Zwischenraum zwischen den Rippenenden der Wärmesenke und der
Abdeckplatte 40 gibt.
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Ein Ende der schaltungsanordnung und des in Fig. 5
dargestellten Gehäuses steht mit einem Ventilator 42 in
Verbindung, der in einer ausgebauchten Struktur, die an dem
Ende der Vorrichtung befestigt ist, angeordnet ist.
Irgendein Mechanismus, der einen Kühlstrom durch die
Schaltungsanordnung und das Gehäuse hervorruft, kann
anstelle des Ventilators 42 und der in Fig. 5 dargestellten
ausgebauchten Struktur verwendet werden. Der Ventilator 42
zieht die Kühlluft durch eine oder mehrere
Eintrittsöffnungen in dem Schaltungsanordnungsgehäuse über
die Wärmesenken und stößt sie durch eine oder mehrere
Öffnungen in der Endplatte 39 des
Schaltungsanordnungsgehäuses aus. Die Austrittsöffnungen
können aus einer oder mehreren, angemessen zugeschnittenen,
kreisrunden Öffnungen in einer dem Ventilator benachbarten
und der Endplatte 38 gegenüberliegenden Endwand 39 des
Gehäuses bestehen. Der Strom des Kühlfluids durch die
Vorrichtung der Fig. 5 zwischen der Abdeckplatte 40 und der
Grundplatte 30 leitet die durch den Betrieb der
elektronischen, an den Wärmesenken befestigten Bauteile
erzeugten Wärme ab. Der Ventilator 42 zieht die durch den
Kontakt mit den Wärmesenken erwärmte Luft, wie durch die in
Fig. 5 gezeigten Pfeile 44 angezeigt, ab.
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Es gibt zwei Wege, auf denen Kühlungsluft durch eine
oder mehrere Eintrittsöffnungen in das
Schaltungsanordnungsgehäuse der Fig. 5 eingeführt werden
kann. Ein bevorzugter Weg, auf dem Luft in die Vorrichtung
der Fig. 5 eingelassen wird, geschieht durch die
Bereitstellung einer Anzahl von Lufteintrittsschlitzen 46 in
der Abdeckplatte 40, wie bei Fig. 6 angezeigt. Vorzugsweise
ist ein derartiger Lufteintrittsschlitz 46 über jeder der
Wärmesenken der Schaltungsanordnungen angeordnet. Die
Darstellung der Abdeckplatte 40 in Fig. 6 zeigt eine
Anordnung von Lufteintrittsschlitzen 46 für den in Fig. 4
gezeigten Schaltungsanordnungsentwurf, der einen über jeden
der wärmegesenkten Bauteile 34, wie in Fig. 4 dargestellt,
angeordneten Lufteintrittsschlitz 46 beinhaltet. Fig. 6
zeigt auch eine Anzahl von Druckanschlußstellen in der
Abdeckplatte 40, die verwendet werden knnen, um
Luftdruckmessungen in der Schaltungsanordnung vornehmen zu
können, wie es in den nachfolgend beschriebenen
Versuchsergebnissen aufgezeigt wird.
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Bei diesem Beispiel einer Schaltungsanordnung gemäß
dieser Erfindung zieht der Ventilator 42 Kühlungsluft durch
jeden der Lufteintrittsschlitze 46. Die Kühlungsluft fällt
direkt unter jedem Schlitz 46 in einer Richtung senkrecht zu
der Ebene der Grundplatte 30 auf die Wärmesenken ein und
wird anschließend in einer horizontalen Richtung parallel zu
der Grundplatte 30 durch die Kanäle zwischen den Rippen der
Wärmesenken gezogen. Die Kühlungsluft wird danach, wie durch
die Pfeile 44 in Fig. 5 gezeigt, abgezogen.
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Bei einem Ausführungsbeispiel eines derartigen
Luftzuführungssystems mit Lufteintrittsschlitzen 46 in der
Abdeckplatte 40 können die Größen der Lufteintrittsschlitze
46 unterschiedlich hergestellt sein, so daß ein
gleichmäßiger ausbalancierter Kühlungsstrom durch das
Schaltungsanordnungsgehäuse hindurch aufrecht gehalten wird.
Im einzelnen können die Größen der Schlitze fortschreitend
kleiner hergestellt sein, je weiter stromabwärts diese
angeordnet sind. Z.B. besitzen, wie in Fig. 6 dargestellt,
die zwei am weitesten stromaufwärts angeordneten Schlitze
Längen- und Breitenabmessungen, die ungefähr genauso sind
wie die Breiten- und Tiefenabmessungen der Wärmesenken, die
unter diesen stromaufwärts angeordneten Schlitzen 46
zentriert sind, nämlich in dem vorher beschriebenen Beispiel
etwa 2,5 x 2,5 cm. Die Längenabmessungen der Schlitze 46
verringern sich graduell, je weiter stromabwärts sie
angeordnet sind. Die Längenabmessung der zwei am weitesten
stromabwärts angeordneten Schlitze kann nur etwa 60 % der
Längenabmessung der bei diesem Beispiel der Erfindung am
weitesten stromaufwärts angeordneten Schlitze betragen,
nämlich bei dem oben beschriebenen Beispiel 1,5 cm.
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Ein anderes Verfahren, um Kühlungsluft zu einer
Schaltungsanordnung, wie z.B. zu der in den Fig. 5 und 6
dargestellten zu führen, beinhaltet die Bereitstellung einer
durchgängigen oder ungeschlitzten oberen Platte 40 und das
Entfernen der Endplatte 38. In diesem Fall wird die
Kühlungsluft durch die Öffnung in dem Ende des
Schaltungsanordnungsgehäuses, durch die Kanäle der
Wärmesenken in der schaltungsanordnung in einer Richtung
parallel zur Grundplatte 30 geführt, und die Abluft wird,
wie durch die Pfeile 44 in Fig. 5 angezeigt, abgeführt.
Detaillierte Versuchsbeispiele
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Aus einem Block Aluminium, der eine Breite von 2,5 cm
mal einer Länge von 2,5 cm mal einer Höhe von 2,0 cm besaß,
wurde eine tatsächliche Wärmesenke konstruiert. 0,4 mm dicke
Rippen wurden maschinell in einem Abstand von 1,1 mm in der
Oberseite des Aluminiumblocks, wie in Fig. 1 gezeigt,
herausgearbeitet. Ein Transistor wurde als Wärmequelle
verwendet und wurde an die Wärmesenke in einer Furche von
1,5 cm² in der Grundplatte der Wärmesenke befestigt. Als
Wärmequelle wurde ein Transistor verwendet, weil dieser eine
hohe Wattleistung erzeugen kann und mit etwa 1 cm²
einigermaßen raumsparend ist. Eine aus Glasepoxidharz (27,5
cm x 20 cm) hergestellte Schaltungsanordnung trug eine
Anzahl dieser wärmegesenkten Bauteile. Die Bauteile wurden
in einer versetzten und in einer In-Line-Anordnung der Fig.
2 bis 4 plaziert, um die Wirkung des
Schaltungsanordnungsentwurfs zu untersuchen. Der Abstand
zwischen den Kanten der benachbarten Wärmesenken betrug etwa
0,127 cm bei den Fig. 2 und 3. Die vertikale Trennung
zwischen wechselnden Reihen der Bauteile in Fig. 4, z. B.
der vertikale Abstand zwischen den mit 5 und 7 in Fig. 4
bezifferten Bauteilen, betrug etwa 6,35 cm. Der vertikale
Abstand zwischen benachbarten Reihen der Bauteile in Fig. 4,
z.B. der vertikale Abstand zwischen den Kanten der mit 5 und
6 in Fig. 4 bezifferten Bauteile betrug etwa 2 cm. Die
horizontale Trennung zwischen den vertikalen Reihen der
Bauteile in Fig. 4, z. B. die horizontale Trennung zwischen
den Kanten der mit 5 und 6 in Fig. 4 bezifferten Bauteile,
betrug etwa 1 cm.
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Durch Schlitze in der oberen Platte oder durch die
Endwand des Schaltungsanordnungsgehäuses wurde Luft zu den
Wärmesenken eingeführt. Eine Einfallkonfiguration wurde
durch Ausbilden von Schlitzen erreicht, die exakt über den
Bauteilen in der oberen Platte des
Schaltungsanordnungsgehäuses angeordnet waren. Ein zweites
Verfahren zur Luftstromeinführung wurde durch Entfernen der
Endplatte und durch Ersetzen der oberen Abdeckung mit einer
durchgängigen Platte eingerichtet. Die wiedergegebenen Daten
gelten für die geschlitzte, sowie für die durchgängige
Abdeckung.
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Fig. 6 zeigt eine Schaltungsanordnung, ein Gehäuse
und einen Ventilator, die als eine Art Windkanal bei diesem
Versuch arbeiten. Der bei dem Versuch verwendete Ventilator
war ein EG&G Rotron-(Patriot-DC)-Ventilator. Eine Aufsicht
der Abdeckplatte wird in Fig. 6 dargestellt, welche die
Stellen (A, B, C, D und E) zeigt, bei denen der Luftdruck
gemessen wurde. In einem Fall existierte kein Zwischenraum
zwischen der Abdeckplatte und der Oberseite der Wärmesenke
Die Schaltungsanordnung wurde anschließend innerhalb dem,
was mehr einem konventionellen Windkanal ähnelt, plaziert,
welches eine typische Anordnung elektronischen Zubehörs in
einem Rahmen oder einem Fach simuliert. In diesem Fall
existierte zwischen den Wärmesenkenenden und der
Abdeckplatte ein Zwischenraum. Diese konventionelle
Windkanalanordnung wurde verwendet, um die Wirkung einer
Strömungsumführung auf die thermische Leistungseigenschaft
der Wärmesenke zu unterstützen.
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Um die thermische Leistungseigenschaft einer
Wärmesenke gemäß dieser Erfindung zu bestimmen, wurden
verschiedene Parameter verfolgt und variiert. Diese
enthielten den Luftströmungsgrad, den Bauteileentwurf, den
Bauteileleistungsabfall und die Rippenendenfreilegung. Drei
verschiedenen Luftströmunggrade, die niedrige bis hohe
Mengen erzeugter Luftkühlungskonvektion darstellten, wurden
verwendet. Wegen der Geometrie und dem Bauteileentwurf
wurden die Ventilatorspannung und der Windkanaldruckabfall
als eine Messung bei unterschiedlichen Luftströmungsgraden
aufgezeichnet. Fig. 7 zeigt die Druckabfälle bei drei
verschiedenen Ventilatorspannungen 16, 32 und 48 V. Diese
Druckunterschiede sind in bezug auf die Umgebung (positive
Werte) und in bezug auf den Eingang des
Schaltungsanordnungsgehäuses (negative Werte) wiedergegeben.
Die mit den Druckabfällen verbundene Luftgeschwindigkeit,
gemessen in der Mitte des Kanals, betrug 2,3, 4,8 und
6,6 m/s.
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Die thermische Leistungseigenschaft der Wärmesenke
wird anhand des Temperaturanstieges über der Umgebung δT und
der thermischen Impedanz θja wiedergegeben. Der für die
Berechnung der thermischen Impedanz verwendete
Temperaturanstieg basiert auf dem Temperaturanstieg zwischen
der Grundplatte der Wärmesenke und der Raumumgebung. Fig. 8
und 9 zeigen δT und θja bei verschiedenen
Bauteilleistungsabfällen (13, 16 und 20 W) jeweils bei
Ventilatorspannungen von 16 und 48 V. Die Abszisse gibt die
Bauteilnummer der Schaltungsanordnung wieder. (Diese Nummern
werden zusätzlich zu den bereits in der vorhergehenden
Beschreibung erwähnten Bezugsziffern in den Fig. 2 bis 4
wiedergegeben.) Bei dieser Anordnung strömt Luft durch die
vorher beschriebene geschlitzte Abdeckplatte auf das Bauteil
ein. Die Figuren zeigen, daß der Temperaturanstieg selbst
bei einer geringen Menge erzwungener Konvektionsluftkühlung
38ºC nicht übersteigt und daß θja bei beiden betrachteten
Luftgeschwindigkeiten nur von 0,78 bis nur 1,91ºC pro Watt
variiert. Die Sperrschichttemperatur der Einrichtung liegt
gut unterhalb eines Industriestandards von 125ºC für einen
Betrieb der Einrichtung bei einer Umgebungstemperatur des
schlechtesten Falls von 50ºC.
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Fig. 10 zeigt die Einwirkung von verschiedenen
Kühlmittelzuführungssystemen auf die Ableitung der durch die
Bauteile erzeugten Wärme und die Leistungseigenschaft der
Wärmesenken in der Schaltungsanordnung. Zwei
Bauteilleistungsabfälle (13 und 16 W) sind bei einer
Ventilatorleistung von 32 W bei einer geschlitzten und einer
durchgängigen Abdeckplatte wiedergegeben. Bei der letzteren
verläuft der Luftstrom parallel zur Schaltungsanordnung, und
es existiert kein Rippenendenabstand zwischen der Wärmesenke
und der Abdeckplatte. Die Figur zeigt, daß die
Luftstromrichtung auf den Temperaturanstieg einwirkt.
Speziell wird eine verbesserte Leistungseigenschaft erzielt,
wenn ein direkter Einfall durch die Schlitze in der
Abdeckplatte verwendet wird. Die durch das Einführen des
Stroms parallel zur Schaltungsanordnung durch eine Endwand
erlangte Kühlung ist noch immer bedeutsam und
selbstverständlich innerhalb akzeptabler Gestaltungsgrenzen.
Ferner zeigt Fig. 10, daß das Kühlen eine Funktion der
Bauteillage auf der Schaltungsanordnung ist und daß ähnliche
Kühlungspegel mit beiden Typen der Luftstromeinführung
erreicht werden können. Dies wird durch die Bauteile 5 und 6
verdeutlicht. Man kann zusammenfassen, daß die beispielhafte
thermische Leistungseigenschaft einer angemessen gestalteten
Schmalkanalwärmesenke gemäß dieser Erfindung mit jedem
Kühlmittelzuführungssystem erreicht werden kann.
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Fig. 11 bestätigt ferner die oben wiedergegebene
Schlußfolgerung. Fig. 11 zeigt θja bei mehreren
Luftstromeinführungsverfahren und Bauteilanordnungen. Fig.
11 enthält auch Daten bezüglich einer Situation, bei der es
einen Abstand (wiedergegeben durch eine mit "herkömmlicher
Windkanal" bezeichnete Kurve in Fig. 11) zwischen den
Rippenenden der Wärmesenke und der Abdeckplatte des
Schaltungsanordnungsgehäuses gibt. Der Abstand betrug 1,25
cm (im schlechtesten Fall), und der Leistungsabfall je
Bauteil betrug 16 W. Die Daten wurden bei einer
Ventilatorspannung von 32 V aufgenommen. Um dieselbe
Luftgeschwindigkeit in dem Schaltungsanordnungsgehäuse zu
haben, wurden die Druckabfälle für die Fälle, bei denen ein
Rippenendenabstand vorlag und bei denen kein
Rippenendenabstand vorlag, aufeinander abgestimmt.
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Zwei Punkte in Fig. 11 sind bemerkenswert. Der
herausgefundene thermische Widerstand θja für diese
Situation, bei der ein Abstand zwischen den Rippenenden der
Wärmesenken und der Abdeckplatte vorlag, überstieg etwa
1,6ºC pro Watt nicht. Dies zeigt an, daß eine Wärmesenke,
die mit einer großen Menge von umführten Kühistrom gekühlt
wurde, immer noch bemerkenswert gut arbeitet. Obwohl eine
bedeutsame Verbesserung erreicht werden kann, indem der
Luftstrom durch die Schlitze in der Abdeckplatte geleitet
wird, liegt die Leistungseigenschaft gut innerhalb der
meisten Entwurfsgrenzen.
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Der zweite zu erwähnende Punkt ist die
Bauteilanordnung. Bei einer versetzten und einer In-Line-
Schaltungsanordnungskonfiguration war die Abdeckplatte
durchgängig, und es gab keinen Rippenendenabstand. Die
Ergebnisse zeigen, daß die Bauteilanordnung die
Leistungseigenschaften nicht beeinträchtigt, so lange, wie
die Bauteile nicht in dem direkten Sog irgendeines der
anderen Bauteile unmittelbar stromabwärts eines anderen
plaziert werden, so daß der Strom durch die Wärmesenke
blockiert oder anderweitig beeinträchtigt wird. Ein
Vergleich von eja in Fig. 11 bei einer durchgängigen
Abdeckung, versetzt und In-Line angeordnet, bestätigt
überdies diesen Punkt. Daraus kann man schließen, daß
angemessen gestaltete Schmalkanal-Wärmesenken ohne Rücksicht
auf den Bauteileentwurf einer Schaltungsanordnung gut
arbeiten, vorausgesetzt, eine direkte Blockierung wird
vermieden.
Verfahren zur Optimierung der Wärmesenkenabmessungen
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Ein Verfahren zur Optimierung der Rippendicke (τ) und
des Abstandes zwischen den Rippen (S) einer Schmalkanal-
Wärmesenke wird vorgestellt. Die thermische Gesamtimpedanz
von der Basis der Wärmesenke zur Eintrittsluft setzt sich
zusammen aus der Impedanz von der Basis der Wärmesenke zum
örtlichen Luftstrom plus der thermischen Impedanz des
örtlichen Luftstroms zur Eintrittsluft:
-
RTotal = RWärmensenke + RLuft,
-
wobei
-
RWärmensenke = 1/ηhAs,
-
wobei η der Rippenwirkungsgrad, h der
Wärmeübertragungskoeffizient und As der Oberflächenbereich der Wärmesenke ist.
-
RLuft = 1/2 AfVCp
-
wobei die Dichte des Kühlfluids, in diesem Fall Luft, Af
die Strömungsfläche der Wärmesenke, V die
Strömungsgeschwindigkeit und Cp die spezifische Wärme des
Kühlmittels ist. Bei den obigen Gleichungen sind der
Rippenwirkungsgrad ( ), der Wärmeübertragungskoeffizient (h)
und der Wärmesenkenoberflächenbereich (As) wie folgt gegeben:
-
η = tanh(N)/N
-
wobei N = H(2h/Ksτ)0,5 und Ks die Rippenleitfähigkeit ist,
-
h = NuKf/D
-
wobei 2S, Nu die Nußelt'sche Zahl und Kf die
Kühlmittelleitfähigkeit
sind.
-
As 2LWH/(S+τ)
-
wobei L die Länge der Wärmesenke in der Richtung des
Kühlfluidstromes, W die Breite der Wärmesenke und H die Höhe
der Wärmesenkenrippe ist. Die Nußelt'sche Zahl (Nu) für
einen voll ausgebildeten Strom durch einen rechtwinkligen
Kanal mit einem hohen Längenverhältnis wird mit 8
vorgegeben. Weil die örtliche Luftströmungstemperatur durch
den Kanal entlang der Strömungslinie variiert, wurde für RLuft
der Durchschnittswert der thermischen Impedanz gewählt. Der
eingeführte Fehler bei Verwendung des Durchschnittes anstatt
der logarithmischen mittleren Temperaturdifferenz ist klein.
Die Strömungsfläche (Af) der Wärmesenke und die
Strömungsgeschwindigkeit (V) sind wie folgt gegeben:
-
Af SHW/(S+τ)
-
V = ΔPS²/12µL (Poiseuillesche Gleichung),
-
wobei ΔP der Druckabfall durch die Wärmesenke und µ die
Viskosität des Kühlfluids ist. Durch Einsetzen dieser Terme
in die thermische Impedanzgleichung und durch Einführen
dreier dimensionsloser Gruppen X=S/H, Y=τ/H und K=Kfnu/Ks
ergibt sich die folgende Gleichung:
-
Diese Gleichung kann für die beiden unabhängigen Variablen
(X) und (Y) auf viele Arten optimiert werden. Es kann ein
graphisches Verfahren verwendet werden, welches das
Auswerten der thermischen Gesamtimpedanz als eine Funktion
des Rippendickenparameters τ/H und des
Kanalabstandsparameters S/H in einer Schichtlinienskizze
beinhaltet, und zwar mit einem Software-Paket mit dem Namen
SURFER, erhältlich von Golden Software, 807 14th Street,
P.O. Box 281, Golden, Colorado 80402. Fig. 12 zeigt eine
derartige Skizze für eine luftgekühlte Aluminiumwärmesenke,
wobei L = W = 25 mm, H = 12,5 mm und ΔP = 0,15 cm von
Wasser. Die Schichtlinienskizze zeigt eine minimale
thermische Impedanz von 1,54ºC/W bei S/H = 0,077 und τ/H =
0,014, welches einem optimalen Kanalabstand von 0,96 mm und
einer optimalen Rippendicke von 0,18 mm entspricht. Fig. 13
zeigt die Wirkung eines höheren Kühlmitteldrucks und
Geschwindigkeit mit L = W 25 mm, H = 12,5 mm und
ΔP = 0,5 cm von Wasser. Die Schichtlinienskizze zeigt eine
minimale thermische Impedanz von 0,94ºC/W bei S/H = 0,057
und r/H = 0,014, welches einem optimalen Kanalabstand von
0,72 mm und einer optimalen Rippendicke von 0,18 mm
entspricht.
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Fig. 14 ist eine Schichtlinienskizze für eine
Wärmesenke ähnlich der aus den Fig. 12 und 13, jedoch für
einen Kühlmittelströmungsgrad, der eine Druckdifferenz ΔP
über der Wärmesenke von 0,05 cm H&sub2;O erzeugte. Die Skizze der
Fig. 14 zeigt eine minimale thermische Impedanz von 2,4ºC/W
bei S/H = 0,103 und τ/H = 0,014, welches einem optimalen
Kanalabstand von 1,287 mm und einer optimalen Rippendicke
von 0,175 mm entspricht. Fig. 15 ist eine
Schichtlinienskizze fur eine Wärmesenke analog zu der aus
den Fig. 12 bis 14, jedoch für einen
Kühlmittelströmungsgrad, welcher eine Druckdifferenz von 1,5
cm H&sub2;O erzeugte. Die Skizze der Fig. 15 zeigt eine minimale
thermische Impedanz von 2,4ºC/W bei S/H = 0,045 und τ/H =
0,015, welches einem optimalen Kanalabstand von 0,563 mm und
einer optimalen Rippendicke von 0,188 mm entspricht.
Angesichts dieser Ergebnisse kann gesagt werden, daß ein am
meisten bevorzugter Bereich einer Kanalbreite bei etwa 0,5
mm (S/H von etwa 0,04) bis etwa 1,3 mm (S/H von etwa 0,104)
liegt und ein am meisten bevorzugter Bereich einer
Rippendicke bei etwa 0,17 mm (τ/H von etwa 0,0136) bis etwa
0,19 mm (τ/H von etwa 0,0152) liegt, für die in diesem
detaillierten Beispiel betrachteten Wärmesenken und
Druckabfälle.
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Es sei erwähnt, daß die thermische Impedanz bei
Rippendicken und Kanalabständen, die unterhalb des Optimums
liegen, rapide ansteigt und bei Rippendicken und
Kanalabständen, die größer als das Optimum sind, langsamer
ansteigt. Infolge von Fertigungsschwankunken kann es daher
vorteilhaft sein, eine Wärmesenke mit einer Rippendicke und
einem Kanalabstand, die leicht über dem Optimum liegen, zu
entwerfen.
Einige alternative Ausführungsformen
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Fig. 16 zeigt eine Wärmesenke gemäß dieser Erfindung,
mit einem darin integrierten elektronischen wärmeerzeugenden
Bauteil. Die Wärmesenke der Fig. 16 wird hergestellt, indem
eine Anzahl von rechtwinkligen parallelen Kanälen in einem
rechtwinkligen Block eines Halbleitermaterials, welches zur
Herstellung von integrierten Schaltungen geeignet ist,
ausgebildet wird. Das Ausbilden der Kanäle in dem Block des
Halbleitermaterials erzeugt eine Reihe von Rippen 12, die
sich von einer Basis 14 erstrecken und eine vorbestimmte
Höhe und eine vorbestimmte Breite in Abhängigkeit von der
Tiefe der Kanäle und der Abstände, die die Kanäle trennen,
besitzen. Diese Kanäle werden so ausgebildet, daß die
Abmessungen der Kanalbreite und der Rippendicke wie
vorhergehend beschrieben optimiert sind. Eine integrierte
Schaltung 48 wird in der Basis 14 der Wärmesenke durch
irgendeine Technik zum Erzeugen integrierter Schaltungen, z.
B. eine photolithographische Technik, ausgebildet.
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Fig. 17 zeigt eine Wärmesenke, welche in einem
eingeschlossenen oder gegossenen elektronischen
wärmeerzeugenden Bauteil 50, z. B. einem integrierten
Hybridschaltkreis, verwirklicht ist. Das Bauteil 50 umfaßt
ein Substrat, welches ein oder mehrere elektronische
wärmeerzeugende Bauteile trägt, die eine integrierte
Schaltung oder diskrete Bauteile sein können. Das Substrat
trägt auch eine Wärmesenke 52, die gemäß den
Entwurf sverfahren dieser Erfindung dimensioniert ist. Die
Wärmesenke wird mit einem oder mehreren elektronischen
wärmeerzeugenden Bauteilen wärmeleitfähig verbunden. Das
Bauteil 50 beinhaltet auch ein Formpreßteil oder ein
Einschlußmaterial 54, welches die an dem Substrat
angeordneten Bauteile abdeckt. Ein Hohlraum 56 ist in dem
Einschluß- oder Formpreßteilmaterial 54 ausgebildet, welcher
einen durch die Kanäle der Wärmesenke 52 in dem Bauteil 50
gerichteten Kühlfluidstrom erlaubt. Bei einer alternativen
Anordnung können sich die Rippen der Wärmesenke außerhalb
des Einschlußmaterials 54 erstrecken und durch einen über
das Äußere des Bauteils 50 gerichteten Kühlmittelstroms
gekühlt werden.
Schlußfolgerung
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Eine Wärmesenke mit schmalem Kanal wurde beschrieben,
und ihre thermischen Leistungseigenschaften wurden
verifiziert. Die Leistungseigenschaft der Wärmesenke ist
beispielhaft für eine Vielheit von Strömungsrichtungen. Die
Rippenendenfreilegung (Stromumführung) kann die thermische
Leistungseigenschaft der Wärmestenke verringern, jedoch ist
diese Wirkung nicht bedeutend genug, um den vorteilhaften
Einsatz von Wärmesenken gemäß dieser Erfindung bei
herkömmlichen elektronischen Kühlanwendungen zu verhindern.
Der Bauteilentwurf auf der Schaltungsplatte beeinflußt die
thermische Leistungseigenschaft der Wärmesenke nicht
besonders, so lange der Strom des Kühlfluids durch die
Wärmesenken nicht blockiert wird. Die Schmalkanal-
Wäremsenken benötigen nur gemäßigte Druckabfälle, um die
hier berichtete verbesserte Leistungseigenschaft zu
erreichen. Dies wird leicht mit üblichen Kühlventilatoren
erreicht. Die Schmalkanal-Wärmesenken können einfach
verwendet werden, um elektronische Hochleistungsbauteile zu
kühlen. Bauteile, die 20 W/m² (basierend auf der
Wärmequellenf läche) oder mehr verstreuen, zeigten maximale
Temperaturanstiege von nur etwa 38ºC bei einer mäßigen
erzwungenen Konvektionsluftkühlung.