DE69626662T2

DE69626662T2 - Mit flüssigkeit gekühlter kühlkorper zur kühlung von elektronischen bauteilen

Info

Publication number: DE69626662T2
Application number: DE69626662T
Authority: DE
Inventors: B. Ronald LAVOCHKIN
Original assignee: Aavid Thermal Products Inc
Current assignee: Aavid Thermal Products Inc
Priority date: 1995-10-24
Filing date: 1996-10-23
Publication date: 2004-04-22
Anticipated expiration: 2016-10-24
Also published as: KR19990067040A; JP3199384B2; ES2129382T1; JPH11510962A; EP0858578B1; EP0858578A1; CA2235620A1; ATE234452T1; DE858578T1; WO1997015801A1; AU700624B2; NO981876D0; AU7469696A; EP0858578A4; US5829516A; NO981876L; DE69626662D1

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine flüssigkeitsgekühlte Kühleinrichtung zum Kühlen eines wärmeerzeugenden Bauteils mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1.
Diskussion des Standes der Technik
Elektronische Halbleiterbauteile und andere wärmeerzeugende Quellen weisen Leistungshandhabungsgrenzen auf, die durch mehrere Faktoren bestimmt sind. Alle elektronischen Bauteile weisen, obgleich sie höchst leistungsfähig sind, einige innere Verluste bei der Leistung von Nutzarbeit auf. Die inneren Energieverluste werden durch Schaltungswiderstände oder durch Änderungen in den Leitungszuständen verursacht. Diese Energie drückt sich in Form von Wärme aus, die, wenn sie nicht gesteuert oder abgeführt wird, dazu führt, daß die Innentemperatur (oder der Energiezustand) einen Punkt erreicht, wo die elektronische Vorrichtung nicht richtig arbeitet. Da es das Ziel des Endbenutzers des elektronischen Bauteils ist, so viel Nutzarbeit wie möglich aus dem Bauteil herauszuziehen, schafft der Bauteilhersteller einen inneren Aufbau, der entweder die Verluste minimiert, oder, wenn dieses nicht angebracht ist, einen wirksamen Wärmeweg für die Ableitung (oder Übertragung) der Wärmeenergie aus dem Bauteil heraus schafft. Im Falle der letztgenannten Lösung wird ein äußeres Bauteil, normalerweise als "Wärmesenke" bezeichnet, dazu verwendet, die Wärmeenergie zu absorbieren und sie schließlich zu irgendeinem auffrischbaren Kühlfluid zu übertragen, das dem Endbenutzer zur Verfügung steht.
Wärmeenergie (die durch das in Betrieb befindliche Bauteil kontinuierlich erzeugt wird) kann, sobald sie einmal erzeugt ist, nur von einem heißen Bereich in einen relativ kühlen Bereich "fließen". Die Geschwindigkeit (oder Einfachheit), mit der diese Energie übertragen werden kann, wird primär durch drei Arten der Wärmeübertragung bestimmt. Die erste ist die Wärmeleitung. Dieser Mechanismus gründet sich auf die Fähigkeit jeden festen Materials, Wärme durch sich selbst zu leiten. Die Schlüsselparameter sind: verfügbare Temperaturdifferenz (ΔT), die Leitfähigkeit des Materials (k), die Länge des Wärmeweges (1) und die Querschnittsfläche (A), durch die die Wärme fließen muß. Dieses kann durch eine Gleichung ausgedrückt werden, wie: Q = kAΔT/1
Der zweite Mechanismus ist die Wärmekonvektion. Diese gründet sich auf die Fähigkeit eines auffrischbaren Fluides (typischerweise Luft oder Wasser), Wärmeenergie durch innigen Kontakt mit einer heißeren festen Oberfläche zu absorbieren. Ihre Schlüsselparameter sind: verfügbare Temperaturdifferenz (ΔT), die Absorptionseigenschaften des Fluides (h) und die Größe der Oberflächenkontaktfläche (H). Dieses wird ausgedrückt durch: Q = hAΔT
Der letzte Mechanismus ist die Wärmeabstrahlung. Diese gründet sich auf die Emission von Energiewellen niedrigen Pegels von einer festen Oberfläche zu entfernten kühleren Oberflächen oder Fluidmolekülen; ähnlich der von einer Feuerstelle abgestrahlten Wärme. Sie hängt ab von: verfügbarer Temperaturdifferenz (ΔT), Emissionsfähigkeit einer Oberfläche (E) und Größe der für die Abstrahlung freiliegenden Oberfläche (A). Dieses kann ausgedrückt werden durch: Q = EAΔT
Es ist die Wechselwirkung dieser drei Arten, die bestimmt, wie einfach Wärmeenergie von den kritischen Betriebsoberflächen eines Bauteils (wie einer Halbleitervorrichtung) weg übertragen wird. In der typischen Verwendung eines wärmeerzeugenden Bauteils fließt die Wärmeenergie zunächst durch Wärmeleitung zur kühleren äußeren Oberfläche. Als nächstes, wenn eine Kühleinrichtung mit dieser Oberfläche in Berührung ist, fließt die Wärmeenergie durch Leitung über die zusammenwirkenden Grenzflächen zur kühleren, benachbarten Kühleinrichtung. Die Wärmeenergie fließt dann durch die Kühleinrichtung infolge Leitung zu ihren kühleren, äußeren oder inneren Oberflächen, die einem auffrischbaren Fluid ausgesetzt sind. An diesem Punkt wird die Wärmeenergie durch Konvektion und Strahlung auf das kühlere Umgebungsfluid übertragen. Es gibt jedoch einige echte und praktische Beschränkungen, die den Fluß von Wärmeenergie begrenzen. Zunächst und wahrscheinlich ist am wichtigsten, daß eine diskrete und relativ feste verfügbare Temperaturdifferenz vorhanden ist. Die meisten elektronischen Halbleitervorrichtungen arbeiten nicht zuverlässig, wenn ihre innere aktive (Verbindungs-)Oberfläche 150°C überschreitet, und die im allgemeinen verfügbaren Kühlfluide haben typischerweise eine anfängliche Umgebungstemperatur beim Eintreten von 25° bis 50°C. Es ist zuzugeben, daß ein Endbenutzer eine gewisse Form eines Kühlzyklus verwenden könnte, um das Fluid zu unterkühlen, jedoch beschränken die herrschenden wirtschaftlichen Zwänge gewöhnlich diese Lösung auf einen letzten Ausweg.
Der nächste begrenzende Faktor wird durch die praktischen Eigenschaften von Kühlfluiden vorgegeben, die dem Endbenutzer zur Verfügung stehen. Gewöhnlich werden Luft (als ein Gas), Wasser oder andere flüssige Verbindungen verwendet. Jedes Fluid hat feste physikalische Parameter, die in Betracht gezogen werden müssen und denen bezüglich des Wärmeflusses Rechnung getragen werden muß. Beispielsweise können dichte Fluide (wie Wasser) große Mengen Wärmeenergie in einem kleinen Volumen absorbieren. Umgekehrt kann ein Gas (wie Luft) nur kleinere Wärmemengen in einem großen Volumen absorbieren. Schließlich haben feste Materialien, die den erforderlichen Leitungsweg von der Wärmequelle zum Kühlfluid bilden, ihre eigenen, festen physikalischen Parameter, wie beispielsweise die Wärmeleitfähigkeit.
Innerhalb dieser oben erwähnten, einschränkenden Vorgaben arbeitet eine Kühleinrichtung. Die relative Leistungsfähgikeit einer Kühleinrichtung ist durch den Ausdruck "Wärmewiderstand" 8 gekennzeichnet, der im wesentlichen diese Beschränkungen wiedergibt. Die Formel ist wie folgt: Θ = ΔT/Qwobei ΔT der verfügbare Temperaturgradient ist und Q die abzuführende Wärmeenergie ist. Wenn die Wärmemenge relativ gering ist und ein vernünftiger Temperaturgradient herrscht, dann ist Luft gewöhnlich das bevorzugte Kühlmedium. Es sind zahlreiche Typen von Kühleinrichtungen für den Betrieb mit diesem Fluid entworfen worden. Sie reichen von einfachen gestanzten Metallformen zu progressiv größeren und größeren Strangpreßkörpern und hergestellten Baugruppen. An manchem Punkt überschreitet jedoch die zu übertragende Wärmeenergie die Möglichkeiten einer luftgekühlten Kühleinrichtung. Große Energiemengen erfordern große freiliegende Oberflächen. Eine große Oberfläche erfordert große leitfähige Tragstrukturen, um die Wärmeenergie zu verteilen. Große leitfähige Strukturen haben lange Wärmewege. Ggf. überschreiten die Verluste auf dem Wärmeweg den Gewinn, den eine besser leitende (und abstrahlende) Oberfläche mit sich bringt.
An diesem Punkt wird eine flüssigkeitsgekühlte Kühleinrichtung verwendet. Wie früher erläutert, kann eine Flüssigkeit große Wärmemengen bei relativ niedrigen Temperaturgradienten absorbie ren. Als Folge ist der leitende Wärmeweg gewöhnlich der begrenzende Faktor, wenn die Wärmemenge hoch ist oder der Temperaturgradient niedrig ist. Ursprünglich wurden flüssigkeitsgekühlte Kühleinrichtungen aus diesem Grunde aus Kupfer hergestellt. Kupfer hat eine relativ hohe Wärmeleitfähigkeit und wurde in großem Umfang wegen der Einfachheit der Herstellung in Flüssigkeitssystemen verwendet. Die 1 und 2 zeigen eine gewöhnliche flüssigkeitsgekühlte Kühleinrichtung 10 mit einem Kupferblock 12, der auf einer Montageplatte oder -basis 14 befestigt ist. Die Basis 14 enthält typischerweise Montagelöcher 16 sowie ein Zentrierloch 18 zum Aufnehmen der wärmeerzeugenden Vorrichtung. Die flüssigkeitsgekühlte Kühleinrichtung enthält auch Einlaß- und Auslaßrohre 20, 22.
Ein weiterer Typ einer konventionellen flüssigkeitsgekühlten Kühleinrichtung ist in den 3 bis 5 gezeigt. Diese kupferne Kühleinrichtung 40 enthält einen Satz maschinell gebohrter Leitungen 44, 46, 48, die zusammenwirken, um den Durchgang für das flüssige Kühlmittel zu bilden. Die Leitung 46 bildet den Anschlußkanal am einen Ende der Kühleinrichtung und verläuft senkrecht oder quer zu den Leitungen, 44, 48. Die Leitung 46 enthält einen Stopfen 50, um zu verhindern, daß Flüssigkeit ausläuft. Am Ende der gebohrten Leitungen sind kupferne Adapterstücke 52 eingesetzt und am Platz weich oder hart angelötet. U-förmige Anschlußrohre 54 können ebenfalls dazu verwendet werden, benachbarte Leitungen anzuschließen. Die flüssigkeitsgekühlte Kühleinrichtung 40 enthält Montagelöcher 58, die in Flanschabschnitten 56 angeordnet sind.
Diese Figuren zeigen die praktischen Nachteile der gegenwärtigen Konstruktionen. Beide Konstruktionen erfordern extensive spanabhebende Bearbeitung und haben ein bemerkenswertes Potential für Leckagen wegen großer planarer Verbindungslinien oder mehrerer Anschlüsse und Stopfen, die dazu verwendet werden, die inneren Durchgänge zu verbinden. Außerdem herrschen wegen des Abstandes (typischerweise zwischen 0,33 cm und 0,27 cm (0,13 Zoll bis 0,50 Zoll)), den die Wärmeenergie bis zum Kühlfluid durchqueren muß, meßbare thermische Verluste (Gradient). Ein weiterer Nachteil ist, daß Kupfer ein relativ teures Material ist und somit die Konstruktionen hohe Kosten pro Einheit verursachen. Daher gibt es andere flüssigkeitsgekühlte Konstruktionen, die versuchen, die Kosten pro Einheit zu vermindern, indem weniger teure Materialien bei einfacheren, weniger komplexen Herstellungstechniken verwendet werden.
Die 6 und 7 zeigen eine weitere konventionelle, flüssigkeitsgekühlte Kühleinrichtung 50. Bei dieser Art einer flüssigkeitsgekühlten Kühleinrichtung ist ein Aluminiumblock 62 extrudiert worden, und die Kupferrohrleitung 64 ist auf der Rückseite der Kühleinrichtung angeordnet.
Die 6 und 9 zeigen eine noch andere Version einer flüssigkeitsgekühlten Kühleinrichtung 70. Bei dieser Version ist das Kupferrohr 74 sandwichartig zwischen zwei Aluminiumblöcken 72 eingeschlossen. Die Fluiddurchgänge bestehen aus einem einzigen Kupferrohrstück, das in mehrere parallele Kühlkanäle gebogen worden ist. Der Aluminiumkörper (zur Montage der wärmeerzeugenden Vorrichtungen) ist zur Minimierung der Herstellungskosten extrudiert.
Die 6 und 7 zeigen eine kalte Platte 60, die aus einem Aluminiumstück 62 besteht, die Rillen zur Aufnahme des Rohrs 64 aufweist. Die 8 und 9 zeigen eine kalte Platte 70, die aus zwei Aluminiumstücken 72 besteht, wobei das Rohr 74 zwischen ihnen sandwichartig eingeschlossen ist. In jedem Falle muß eine wärmeleitende Masse, wie beispielsweise ein Wärmeleitfett oder ein Klebstoff, dazu verwendet werden, die Luftspalte zwischen dem extrudierten Körper und dem Rohr zu beseitigen. Während diese Konstruktionen weniger teuer herzustellen sind, sind sie doch auch weniger wirksam bei der Abführung von Wärmeenergie. Sie bestehen aus Aluminium, einem weniger leitfähigen Material als Kupfer, und sie bringen eine zusätzliche Grenzfläche für den Wärmefluß mit sich. Die Wärmeleitmasse ist notwendig, um den Spalt zwischen dem Rohr und dem Körper zu füllen. Obgleich diese Masse für die Übertragung von Wärme deutlich besser als Luft ist, fügt sie doch einen weiteren Temperaturgradienten hinzu, der für die Leistung der Kühleinrichtungen schädlich ist. Wie man klar aus 10 erkennen kann, muß die von elektronischen Bauteilen 90 erzeugte Wärme durch den Block 82 und dann durch die Grenzfläche 88 durch Wärmeleitung übertragen und dann durch die durch die Röhren 84 strömende Kühlflüssigkeit abgeführt werden.
Bei allen bekannten flüssigkeitsgekühlten Kühleinrichtungen findet die Wärmeübertragung nicht durch direkte Leitung vom wärmeerzeugenden Bauteil zu dem die Flüssigkeit führenden Kanal statt. Diese Kühleinrichtungen enthalten eine meßbar große Dicke von festem Material und bei manchen Konstruktionen Grenzflächenmassen, die einen vergleichbar großen Temperaturgradienten für den Fluß von Wärmeenergie hinzufügen. Diese Eigenschaften begrenzen die Wärmemenge wesentlich, die bei diesen Konstruktionen wirksam abgeführt oder übertragen werden kann.
WO-A-95/17765, auf die sich der Oberbegriff von Anspruch 1 gründet, bezieht sich auf eine flüssigkeitsgekühlte Kühleinrichtung, die zur Kühlung elektronischer Bauteile, wie beispielsweise Halbleitervorrichtungen und Schaltungsmodulen, verwendet wird. Die Kühleinrichtung weist Kanäle auf, die Fluidleitungen enthalten, die in die Kanäle eingepreßt worden sind. Die Fluidleitungen haben eine planare Oberfläche, die im wesentlichen koplanar mit der Oberfläche der Kühleinrichtung ist, die das elektronische Bauteil berührt.
EP-A-0 157 370 bezieht sich auf eine Wärmetauschertafel für Verdampfer oder Kondensator in einem Kühlschrank. Die Tafel umfaßt eine Platte mit mehreren parallel verlaufenden Rillen, mit zusammenlaufenden Wänden zum Verschließen von Wärmetransportrohren.
CH-A-677 293 bezieht sich auf einen Kühlkörper zum Kühlen elektronischer Bauteile mit Flüssigkeit: um Leistungshalbleiter, wie beispielsweise Thyristoren, die in Stromrichtern für Straßenbahnen und U-Bahnen verwendet werden, mit Hilfe von Wasser zu kühlen, ist ein Metallkühlkörper in Form eines Körpers vorgesehen, und in seiner Oberfläche, die mit dem Bauteil in Kontakt zu bringen ist, ist ein Kühlkanal beispielsweise in Form von Mäandern oder einer Spirale von U-förmigem Querschnitt ausgebildet. In diesem Kühlkanal befindet sich ein isolierendes Rohr, das mit einer Kühlflüssigkeit gefüllt ist, dieses Rohr ist unter Druck gegen die Wände des Kühlkanals und gegen die Berührungsfläche der Leistungshalbleiter unter den Druck der Flüssigkeit gebracht.
GB-A-2 079 655 bezieht sich auf ein Wärmetauschelement zur Verwendung beispielsweise in Solarpanels, es enthält ein Metallrohr, das in einen Metallkanal von rechteckigem Querschnitt mit ausreichender Kraft eingepreßt ist, um separate Druckverbindungen mit dem Kanalboden und jeder Kanalseitenwand zu bilden, wobei die Bodenverbindung von jeder Seitenwandverbindung durch die Eckbereiche des Kanals beabstandet ist.
ÜBERSICHT ÜBER DIE ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine flüssigkeitsgekühlte Kühleinrichtung, die die Wärmeenergie von wärmeerzeugenden Bauteilen wirksam überträgt. Die Kühleinrichtung enthält Kanäle oder Rillen, die in wenigstens einer Oberfläche des Basiselements ausgebildet sind. Die Kanäle enthalten die Fluidleitungen, die durch die Kanäle begrenzt worden sind. Die fluidgefüllten Leitungen haben eine planare Oberfläche, die im wesentlichen koplanar mit der Oberfläche der Kühleinrichtung ist, die mit dem wärmeerzeugenden Bauteil in Berührung ist. Es ist dieser Aufbau, der die Wirksamkeit der Kühleinrichtung bei der Abführung von Wärmeenergie wesentlich verbessert. Es ist nur eine minimale Dicke (0,076 cm anstelle von 0,97 cm) (0,03 Zoll anstelle von 0,38 Zoll) festen Leitungsmaterials zwischen der Wärmequelle und dem kühlenden fluiden Medium vorhanden. Die sehr viel größere Dicke wie auch die spaltfüllende Wärmeleitmasse des Standes der Technik sind in allen Abschnitten beseitigt worden, wo die Leitung das wärmeerzeugende Bauteil berührt. Die Beseitigung dieser "Verluste" im thermischen Weg führt somit zu einer Verbesserung in der Leistung der flüssigkeitsgekühlten Kühleinrichtung. Außerdem wird ein Leistungsgewinn erzielt, ohne daß damit zusätzliche Kosten bei der Herstellung der bevorzugten Ausführungsform verbunden sind.
Weiterhin wird eine verbesserte örtliche Wärmeübertragung innerhalb der Fluidleitungen erzielt, indem die Kanäle mit örtlichen Verformungen versehen sind, die in die Oberfläche der Fluidleitungen eingebaut werden, wenn sie an ihren Platz gedrückt wird.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine flüssigkeitsgekühlte Kühleinrichtung anzugeben, die eine bessere Wärmeübertragungsleistung aufweist, als konventionelle Kühleinrichtungen.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Herstellen der Kühleinrichtung anzugeben, das ökonomisch ist und das die Fluidleitung benachbart eines darauf anzuordnenden elektronischen Bauteils anbringt.
Es ist eine noch weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Struktur für örtliche, verbesserte Wärmeübertragung in ausgewählten Bereichen der Kühleinrichtung anzugeben.
Die oben erwähnten Aufgaben werden durch eine flüssigkeitsgekühlte Kühleinrichtung zum Kühlen elektronischer Bauteile gelöst, die die Merkmale nach Anspruch 1 enthält.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die obigen Aufgaben und Merkmale der vorliegenden Erfindung gehen für den Fachmann aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung hervor, wenn sie im Zusammenhang mit den begleitenden Zeichnungen betrachtet wird.
1 ist eine Draufsicht, die eine konventionelle, flüssigkeitsgekühlte Kühleinrichtung und Montagestruktur zeigt.
2 ist eine Seitenansicht der konventionellen, flüssigkeitsgekühlte Kühleinrichtung von 1.
3 ist eine Draufsicht auf eine weitere konventionelle, flüssigkeitsgekühlte Kühleinrichtung und Montagestruktur.
4 ist eine Seitenansicht der flüssigkeitsgekühlten Kühleinrichtung von 3.
5 ist eine Stirnansicht der flüssigkeitsgekühlten Kühleinrichtung nach 3.
6 ist eine Draufsicht auf eine noch weitere konventionelle, flüssigkeitsgekühlte Kühleinrichtung.
7 ist eine Stirnansicht der konventionellen, flüssigkeitsgekühlten Kühleinrichtung von 6.
8 ist eine Draufsicht auf eine noch weitere konventionelle, flüssigkeitsgekühlte Kühleinrichtung.
9 ist eine Stirnansicht der flüssigkeitsgekühlten Kühleinrichtung von 8.
10 ist eine Querschnittsansicht einer konventionellen, flüssigkeitsgekühlten Kühleinrichtung, auf der ein elektronisches Bauteil montiert ist.
11 ist eine Querschnittsansicht einer flüssigkeitsgekühlten Kühleinrichtung, auf der ein elektronisches Bauteil montiert ist, nach einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
11A ist eine Querschnitts-Explosionsansicht eines der Kanäle, der in der Kühleinrichtung von 11 ausgebildet ist und einer Leitung, die zum Einsetzen in den Kanal bestimmt ist.
12 ist eine Draufsicht auf eine flüssigkeitsgekühlte Kühleinrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
13 ist eine Draufsicht auf eine flüssigkeitsgekühlte Kühleinrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
14 ist eine Querschnittsansicht der flüssigkeitsgekühlten Kühleinrichtung, längs der Linie XIV-XIV in 13.
15 ist eine Seitenansicht der flüssigkeitsgekühlten Kühleinrichtung nach der dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
16 ist eine Seitenansicht einer Serie elektronischer Bauteile, die auf einer Seite der flüssigkeitsgekühlten Kühleinrichtung von 15 angeordnet sind, um eine gestapelte Gruppe gemäß der vorliegenden Erfindung zu bilden.
17 ist eine Draufsicht auf eine Flüssigkeitsleitung, die in einem Kanal angeordnet ist, der örtlich durch eine Düsenstruktur verformt ist.
18 ist eine Schnittansicht längs der Linie XVIII-XVIII von 17, die die Verformung der Fluidleitung zeigt.
19 ist eine weitere Ausführungsform einer Fluidleitung nach der vorliegenden Erfindung, die örtlich verformt ist.
20 ist eine Schnittansicht längs der Linie XX-XX von 19.
21 ist eine Schnittansicht längs der Linie XXI-XXI von 19.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
11 zeigt eine flüssigkeitsgekühlte Kühleinrichtung 100 gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung. Die flüssigkeitsgekühlte Kühleinrichtung enthält ein Aluminiumbasiselement 102, das im wesentlichen U-förmige Kanäle 104, 106 aufweist, die in einer Seite des Aluminiumbasiselement 102 ausgebildet sind. Vorzugsweise haben die Kanäle 104, 106 einen im wesentlichen halbkreisförmigen Bodenabschnitt 103. Hier bestehen die Bodenab schnitte 103 aus zwei in Querrichtung beabstandete 90°-Bögen, jeweils vom Radius R, wie in 11A für Kanal 104 gezeigt ist. Die Kanäle 104, 106 haben obere Seitenwände 105, die in Richtung auf das offene Ende 107 der Kanäle 104, 106 sich einander annähern. Die Höhe H der Kanäle 104, 106 ist bevorzugt etwa 80% des Außendurchmessers D der Kupferrohre 114, 116. Die Mitten der Bögen sind seitlich um eine Distanz L versetzt, so daß zwei 2R + L = S_UNTER = 1,05 D, wobei R = D/2 und L = 0,05 D. Weiterhin ist die Spanne S_ober am offenen Ende 107 der Kanäle 104, 106 gleich dem Durchmesser der Rohre 114, 116, d. h. S_OBER = D. Somit ist die Spanne S_OBER über das offene Ende 107 oder Mündung des Kanals kleiner als die Spanne S_UNTER über dem Boden oder dem unteren, im wesentlichen halbkreisförmigen Bodenabschnitt 103 des Kanals 104. Es ist anzumerken, daß der Bodenabschnitt 103 des Kanals 104 vollständig halbkreisförmig sein kann, und in diesem Falle sollte der Radius R' dieses Bodenabschnitts etwa 2,5% größer als der Durchmesser D sein, d. h. 2R' sollte etwa 5% größer als D sein. Kupferrohre 114, 116 sind in den Kanälen 104, 106 angeordnet. Genauer gesagt, die Kupferrohre 114, 116 sind in die Kanäle 104, 106 hineinwalzt und eingedrückt, so daß sie Oberseiten haben, die flach und im wesentlichen koplanar mit der Oberfläche des Aluminiumbasiselements 102 sind, wie in 11 gezeigt. Es ist anzumerken, daß die schmaleren Seiten am oberen Ende 107 oder an der Mündung des Kanals 104, 106 die Seiten der Rohre 114, 116 klemmen, um die Rohre 114, 116 innerhalb der Kanäle 104, 106 eng zu greifen und festzuhalten. Weiterhin sind die Kupferrohre 114, 116 an dem Aluminiumbasiselement 102 durch einen Klebstoff 108 befestigt, der die gebogene Oberfläche der Rohre bedeckt und eine gute Wärmeleitfähigkeit zwischen dem Basiselement 102 und den Rohren 114, 116 schafft. Der Klebstoff 108 kann ein Epoxyharz, ein wärmeleitfähiges Silikongummi oder ein anderer Typ Klebstoff sein, der gute Wärmeleitfähigkeit zwischen den Rohren 114, 116 und dem Aluminiumbasiselement 102 schafft. Es ist wichtig, daß der Klebstoff in ausreichend großer Menge zugeführt wird, um die gebogene Oberfläche des Rohres vollständig zu bedecken und jegliche Luftspalte zwischen den Rohren 114, 116 und dem Basiselement 102 zu beseitigen. Es ist anzumerken, daß die Klemmwirkung, die aus der schmaleren Spanne über die Mündung des Kanals resultiert, zusammen mit dem Klebstoff die notwendigen Kräfte entwickelt, die notwendig sind, um die Rohre innerhalb der Kanäle bei Anwesenheit der Wärme zu halten, die durch die Rohre und das Basiselement 102 übertragen wird.
Die Rohre 114, 116 haben eine flache Oberfläche 110, die im wesentlichen koplanar mit der Oberfläche 118 des Aluminiumbasiselement 102 ist.
In direktem Kontakt mit den Rohren 114, 116 und der Oberfläche 118 des Basiselement 102 ist ein elektronisches Bauteil 112 angeordnet. Die flache Oberfläche der Kühleinrichtung 100 schafft eine gute Wärmeleitfähigkeit zwischen dem elektronischen Bauteil 112 und der flüssigkeitsgekühlten Kühleinrichtung 100. Bei diesem Aufbau kann die Wärmeübertragung direkt in die Fluidleitungen stattfinden, ohne daß andere Bauteile durchquert werden müssen.
12 zeigt eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. In dieser Ausführungsform ist eine flüssigkeitsgekühlte Kühleinrichtung 120 gezeigt. Die Kühleinrichtung 120 enthält ein Aluminiumblockelement 122, bei dem ein Kupferrohr 124 in Kanälen angeordnet sind, die in einer Oberfläche des Aluminiumblocks 122 ausgebildet sind. Das Kupferrohr weist einen Einlaß und einen Auslaß 126, 128 auf. Zur Montage elektronischer Bauteile über den vier Strängen des Kupferrohrs 124, das im Aluminiumblock 122 angeordnet ist, sind außerdem Montagelöcher 130 vorgesehen.
Die 13 bis 15 zeigen eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Bei dieser Ausführungsform ist eine flüssigkeitsgekühlte Kühleinrichtung 150 vorgesehen. Die Kühleinrichtung 150 umfaßt einen Aluminiumblock 152, in dem ein Kupferrohr angeordnet ist. Das Kupferrohr hat mehrere gerade Abschnitte 154, 156, 158, 160, die Kanälen angeordnet sind, die in einer Oberfläche des Kupferblocks 152 ausgebildet sind. Diese Abschnitte sind durch Verbindungsabschnitte 162, 164 und 166 miteinander verbunden.
Wie man klar aus 14 entnehmen kann, enthält der Aluminiumblock oder das Basiselement 152 Kanäle, die auf entgegengesetzten Seiten der Kühleinrichtung ausgebildet sind. Dieses ermöglicht es, elektronische Bauteile auf beiden Seiten der Kühleinrichtung 150 anzuordnen. Die Anordnung des Kupferrohrs ist derart, daß der Abschnitt 154 unter dem Aluminiumblock 152 angeordnet ist, wie man in 13 erkennt. Der U-förmige gebogene Abschnitt 152 ist dann unter einem Winkel so angeordnet, daß der nächste Abschnitt des Rohrs 156 in der Oberseite der Kühleinrichtung 152 angeordnet werden kann. In gleicher Weise ist auch der U-förmige Abschnitt 164 unter einem Winkel so angeordnet, daß er den Abschnitt 156 mit dem Rohrabschnitt 158 verbindet, der unter der Kühleinrichtung angeordnet ist, wie in 13 zu sehen. Schließlich ist auch der U-förmige Abschnitt 166 unter einem Winkel so angeordnet, daß er den Rohrabschnitt 158 mit dem Rohrabschnitt 160 verbindet. Der Rohrabschnitt 160 ist unter dem Kühleinrichtungsblock 152 angeordnet. Es ist somit zusehen, daß beide Oberflächen der Kühleinrichtung für die Abführung von Wärme von elektronischen Bauteilen verwendet werden können, die auf beiden Seiten der Kühleinrichtung 150 angeordnet sind.
16 zeigt eine gestapelte Anordnung von elektronischen Bauelementen, die durch flüssigkeitsgekühlte Kühleinrichtungen auf Abstand gehalten sind, wie in den 13 bis 15 gezeigt. Die gestapelte Anordnung 200 enthält Kühleinrichtungen 202, die benachbart zum elektronischen Bauelement 204 angeordnet sind. Einige Kühleinrichtungen, wie beispielsweise die Kühleinrichtung 206, enthalten Verlängerungen 208 für zahlreiche elektrische Anschlüsse (nicht gezeigt).
Die Wärmekonvektionsrate des Fluides wird durch seine Absorptionseigenschaften und die Fluiddurchgang-Geometrie bestimmt. Eine relativ glatte, sich nicht ändernde, gleichförmige innere Oberfläche, wie beispielsweise eine spanabhebend erstellte Rille oder ein Rohr, führen zu minimaler Störung der Fluidströmung. Umgekehrt rufen eine sehr rauhe Oberfläche Änderungen in der Strömungsrichtung oder im Kanalquerschnitt Störungen in der Fluidströmung hervor. Immer wenn eine Störung auftritt, wird örtlich die Wärmeübertragungsrate des Fluides verbessert, während gleichzeitig die Druckverluste leicht zunehmen. Wenn es keine wesentlichen Änderungen in der Kanalgeometrie gibt, fallen die Störungen ab, und die Wärmeübertragungsrate des Fluides kehrt zu ihrem früheren Wert zurück.
Die 17 und 18 zeigen einen solchen örtliche verbesserten Wärmeübertragungsmechanismus gemäß der vorliegenden Erfindung. Wenn flüssigkeitsgekühlte Kühleinrichtungen in zahlreichen Anwendungen eingesetzt werden, ist der Wärmefluß im allgemeinen auf wenige Stellen längs der Wärmeübertragungsebene konzentriert. Bei in bekannter Art hergestellten Konstruktionen ist zusätzliche Leistung erzielt worden, indem zusätzliche Kühlkanäle in das Teil spanabhebend eingebracht wurden. Bei konventionellen zusammengesetzten Konstruktionen wurde zusätzliche Leistung durch Verwendung innerer mit Rippen versehener Rohre oder durch Hinzufügung von Strömungsturbulenzeinsätzen in die Fluidleitung in der Kühleinrichtung erzielt worden. Alle diese Verfahren zur Schaffung örtlich verbesserter Wärmeübertragung hatten zusätzliche Kosten für die Kühleinrichtung zur Folge und ha ben auch den Fluiddruckabfall durch die Fluidleitungen ernsthaft beeinträchtigt.
Die 17 und 18 zeigen eine Ausführungsform zur Schaffung einer örtlichen Querschnittsflächenänderung in dem Fluidleitungskanal durch selektive Konturveränderung des Kanals im Aluminiumbasiselement. Somit ist in 17 ein Aluminiumnblockabschnitt 240 mit einem Rohr 246 versehen. Die normale Breite des Rohres ist an dem Abschnitt gezeigt, der mit dem Bezugszeichen 242 dargestellt ist. Der Abschnitt vergrößerter Breite, gezeigt mit 244 ist dasjenige, was folgt, nachdem die Fluidleitung in den Kanal eingefügt und gepreßt worden ist. Es ist anzumerken, daß die Breitenänderung bei 244 zum Zwecke der Darstellung maßstäblich verzerrt ist. Die vergrößerte Breite wird hervorgerufen, wenn das runde Kupferrohr 246 in den Kanal eingesetzt wird und eine Rippe 248 berührt, die sich quer zur Richtung der Fluidleitung 246 erstreckt. Diese Rippe 248 ruft eine örtliche Verformung des Rohrs 246 hervor, wie in dem Bereich 250 gezeigt. Dieses schafft eine Querschnittsflächenänderung in der Fluidleitung, die den örtlichen Wärmeübertragungskoeffizienten wegen der Unterbrechung der Grenzschicht und wegen der Veränderungen in der Fluidgeschwindigkeit verbessert. Das Hauptmerkmal dieser Konstruktion besteht darin, daß die verbesserte Leistung örtlich konzentriert ist und daher der Gesamtdruckabfall der flüssigkeitsgekühlten Kühleinrichtung minimiert ist.
Die 19 und 20 zeigen eine weitere Ausführungsform einer örtlichen Verbesserung der Wärmeübertragung. 19 zeigt einen Aluminiumblock 260, in dem ein Kupferrohr 262 angeordnet ist. Das Blockelement 260 enthält einen Buckel oder Vorsprung 264 in der Oberfläche des Kanals. Dies ruft einen passenden örtlichen Buckel 266 in der Oberfläche des Rohrs 262 hervor.
21 zeigt einen Querschnitt von 19 und zeigt die örtliche Verformung 266, die durch den Vorsprung 264 hervorgerufen wird.
Es ist auch möglich, quadratische oder im Querschnitt D-förmige Rohre zu verwenden, so lang die in dem Basiselement ausgebildeten Kanäle mit einer Kontur versehen sind, die diese Art von Rohrleitung aufnehmen kann. Rohrleitungen runden Querschnitts sind bevorzugt, weil anders gestaltete Rohrleitungen in die Verbindungen für Konstruktionen mit mehreren Abschnitten schwierig zu biegen sind.
Andere Materialarten außer Aluminium und Kupfer sind ebenfalls möglich, je nach der speziellen Anwendung, in denen sie eingesetzt werden.
Das Verfahren zum Ausbilden der Kühleinrichtung mit hohem Kontakt ist wie folgt. Zunächst wird ein Aluminiumblock gegossen oder in der gewünschten Gestalt extrudiert, so daß er Rillen zur Aufnahme der Kupferrohre darin enthält. Eine Alternative zum Gießen oder Extrudieren des Aluminiumblocks wäre die Verwendung eines massiven Aluminiumblocks und die spanabhebende Ausbildung der Kanäle, die die Kupferrohre aufnehmen, sowie möglicherweise sogar die spanabhebende Erstellung der endgültigen Blockgestalt.
Im Anschluß an die Erstellung eines Aluminiumblocks mit Kanälen zum Aufnehmen des Kupferrohrs darin wird ein Klebstoffmaterial in die Kanäle gebracht. Das Klebstoffmaterial kann ein Epoxydharz, ein wärmeleitfähiger Silikongummi oder jede andere Art Klebstoff sein, der einen guten Wärmeübergang gewährleistet.
Ein Kupferrohr runden Querschnitts wird dann in die Kanäle eingeführt. Ein Flachstempel oder eine Flachpresse wird dann dazu verwendet, eine Seite des Rohres abzuflachen, während gleichzei tig der verbleibende Teil des Kupferrohrs in Berührung mit dem Klebstoff und den Kanalwänden gedrückt wird. Das Ziel während dieses Vorgangs ist es, alle Luftspalte zwischen dem Kupferrohr und dem Aluminiumblock zu beseitigen, um dadurch einen guten Leitungsweg für die Wärmeübertragung zu schaffen.
Sobald der Flachstempel oder die Flachpresse im Anschluß an den Rohrpreßschritt entfernt ist, kann ein gewisses Zurückspringen der abgeflachten Rohrwand oder andere Unregelmäßigkeiten, die in der Rohrwandfläche ausgebildet worden sind, auftreten, wie beispielsweise Runzeln auf der Rohroberfläche. Folglich kann ein weiterer Bearbeitungsschritt erforderlich sein. In diesem Schritt wird die Oberfläche des Aluminiumblocks und die Oberfläche des abgeflachten Rohrs spanabhebend flach gemacht, um eine glatte, koplanare Oberfläche zu schaffen. Diese Oberfläche verbessert die Wärmeleitfähigkeit und verbessert somit die Wärmeübertragung von dem wärmeerzeugenden Bauteil auf die Kühleinrichtung.
Nach der spanabhebenden Bearbeitung kann die Kühleinrichtung in bekannter Weise montiert werden. Eine Montageart enthält das Anbringen des elektronischen Bauelements an der Kühleinrichtung mittels Schrauben.
Andere Herstellungsverfahren der Kühleinrichtung sind ebenfalls möglich und werden als Teil dieser Erfindung angesehen. Eine solche alternative Ausführungsform enthält das Starten mit einem vorgeformten Rohr, beispielsweise (im Querschnitt) D-förmigen Rohr und dann das Gießen des Aluminiumblocks um das D-förmige Rohr, das in die gewünschte Kanalgestalt vorgeformt oder gebogen worden ist. Der gegossene Block wird dann spanabhebend abgetragen, um die flache Oberfläche des Rohrs freizulegen, so daß sie koplanar mit der Oberfläche des Aluminiumblocks ist.

Claims

Flüssigkeitsgekühlte Kühleinrichtung (100) zur Kühlung eines mit dieser in Kontakt befindlichen, wärmeerzeugenden Bauteils (112) enthaltend: ein Kühleinrichtungs-Basiselement (102) mit einem in einer Oberfläche (118) desselben ausgebildeten, offenendigen Kanal (104), welcher Kanal (104, 106) eine gebogene untere Wand (103) und ein Paar Seitenwände (105) aufweist, wobei jede Seitenwand (105) ein erstes Ende hat, das sich in die gebogene untere Wand (103) fortsetzt, sowie ein zweites Ende hat, das an der genannten Oberfläche (118) endet; und eine Fluidleitung (114, 116), die aus einem wärmeleitenden Material besteht und in dem Kanal (104, 106) angeordnet ist, wobei die Fluidleitung (114, 116) in dem Kanal (104, 106) angeordnet ist und eine abgeflachte Oberfläche (110) hat, die im wesentlichen koplanar mit der genannten einen Oberfläche (118) des Kühleinrichtungs-Basiselements (102) ist, wobei das wärmeerzeugende Bauteil (112) im Gebrauch in direktem Kontakt mit einer Oberfläche (118) des Kühleinrichtungs-Basiselements (102) ist und aufliegend anstoßend bezüglich der abgeflachten Oberfläche 110 angeordnet ist, um einen direkten Wärmekontakt zwischen dem wärmeerzeugenden Bauteil (112) und der abgeflachten Oberfläche (110) einzurichten; dadurch gekennzeichnet, daß die Seitenwände (105) von den ersten Enden zu den zweiten Enden schmaler werden, das offene Ende (107) des Kanals (104, 106) eine Spannweite (SU) hat, die kleiner als eine Spannweite (SL) eines unteren Abschnitts des Kanals ist; und daß die Fluidleitung eine äußere Spannweite (D) hat, die größer als die Spannweite (SU) über das offene Ende (107) des Kanals (104, 106) ist, um die Fluidleitung (114, 116) in dem Kanal (104, 106) zu halten, die Fluidleitung in den Kanal eingepreßt ist, um die Fluidleitung in die Gestalt zu verformen, in der eine Oberfläche an der Fluidleitung im wesentlichen koplanar mit der Oberfläche des Kühleinrichtungs-Basiselements ist.
Kühleinrichtung (100) nach Anspruch 1, weiterhin enthaltend einen Klebstoff (108), der in dem Kanal (104, 106) angeordnet ist, um die Fluidleitung (114, 116) in dem Kühleinrichtungs-Basiselement (102) zu halten und eine gute Wärmeleitung zwischen einem wärmeerzeugenden Bauteil (112) und der Fluidleitung (114, 116) zu schaffen.
Kühleinrichtung (150) nach Anspruch 1 oder 2, bei dem das Kühleinrichtungs-Basiselement (152) einen Kanal auf zwei Seiten des Kühleinrichtungs-Basiselements (152) aufweist.
Kühleinrichtung (150) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der die Kanäle auf gegenüberliegenden Seiten des Kühleinrichtungs-Basiselements (152) angeordnet sind.
Kühleinrichtung (150) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der die Fluidleitung (154, 156, 158, 160, 162, 164, 166) auf abwechselnden Seiten des Kühleinrichtungs-Basiselements (152) auf alternativen Seiten des Kühleinrichtungs-Basiselements (152) liegt, wenn die Fluidleitung in dem Kanal angeordnet ist.
Kühleinrichtung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei der das Kühleinrichtungs-Basiselement (102) aus Aluminium und/oder einer Aluminiumlegierung besteht und die Fluidleitung (114, 116) aus Kupfer und/oder einer Kupferlegierung besteht.
Kühleinrichtung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei der wenigstens einer der Kanäle eine örtliche Verformung (244) aufweist, die von einer Oberfläche des einen Kanals ansteigt, und die Fluidleitung (246) eine örtliche Verformung (244) aufweist, die zur Innenseite der Fluidleitung (246) hin gerichtet ist, wobei die örtliche Verformung (244) in dem einen Kanal und die örtliche Verformung (244) in der Fluidleitung (246) einander benachbart angeordnet sind.
Flüssigkeitsgekühlte Kühleinrichtung (100) nach Anspruch 1, bei der wenigstens einer der Kanäle (104, 106) eine örtliche Verformung aufweist, die von einer Oberfläche des wenigstens einen Kanals ansteigt, und die Fluidleitung (114, 116) eine Verformung aufweist, die zur Innenseite der Fluidleitung (114, 116) hin gerichtet ist, wobei die örtliche Verformung in dem Kanal und die örtliche Verformung in der Fluidleitung einander benachbart angeordnet sind.