Beschreibung
Elektrisches Bauteil
Die vorliegende Erfindung betrifft ein elektrisches Bauteil gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
Elektrische Bauteile sind in vielfältiger Weise bekannt. Bei einer Art elektrischer Bauteile handelt es sich um elektrische Hochleistungsbauteile, etwa um Hochleistungsprozessoren. Ein Prozessor, auch CPU (Central Processing Unit) genannt, ist die zentrale Verarbeitungseinheit eines Rechners, etwa dessen Rechen- und Steuereinheit.
Derartige elektrische Bauteile bestehen in der Regel aus einer Reihe elektrischer Komponenten, die entweder auf wenigstens einer Halteplatte angeordnet und/oder in der Halteplatte integriert sind, etwa in Form integrierter Schaltkreise.
Elektrische Hochleistungsbauteile produzieren während ihres Betriebs Wärme, die abgeführt werden muß, um eine Beschädigung der Bauteile und/oder von deren Umgebung zu vermeiden. Zur Abfuhr der Wärme sind entsprechende Kühleinrichtungen zum Kühlen des elektrischen Bauteils vorgesehen.
Bei einer bekannten Kühleinrichtung handelt es sich um eine Luftkühlung, die über ein Luftgebläse verfügt. Das Luftgebläse richtet einen kühlenden Luftstrom auf das elektrische Bauteil, über den dieses bei Erwärmung gekühlt wird. Diese bekannte Lösung weist jedoch eine Reihe von Nachteilen auf. So wird für die Kühleinrichtung, und hier insbesondere das Luftgebläse, ein relativ großer Bauraum benötigt. Weiterhin erzeugt das Luftgebläse nicht selten störende Nebengeräusche. Wenn das
Luftgebläse und das zu kühlende elektrische Bauteil in einem Gehäuse eingebaut sind, kann die Situation auftreten, daß die Luft innerhalb des Gehäuses aufgrund mangelnder Luftzufuhr von außen oder aufgrund anderer elektrischer Bauteile innerhalb der Gehäuses, die ebenfalls Wärme produzieren, nicht ausreichend kalt ist, um für die erforderliche Kühlung des der Kühleinrichtung zugeordneten elektrischen Bauteiles zu sorgen.
Eine andere bekannte Kühleinrichtung ist in Form einer Wasserkühlung ausgebildet. Eine Wasserkühlung hat verschiedene Vorteile gegenüber einer Luftkühlung. So ist die Temperatur des Kühlmediums Wasser wesentlich geringer als etwa die Lufttemperatur innerhalb eines Gehäuses. Weiterhin ist der Wärmeleitwiderstand einer Wasser-Kühleinrichtung geringer als derjenige einer Luftkühlung.
Eine bekannte Wasser-Kühleinrichtung für einen elektrischen Hochleistungsprozessor weist beispielsweise einen lamellenartigen Kühlkörper auf, der innerhalb eines Kühlgehäuses angeordnet ist. Das Kühlgehäuse weist einen Wasser-Zulauf sowie einen Wasser-Ablauf auf. Ansonsten ist das Kühlgehäuse hermetisch abgeschlossen, so daß Wasser nur über den Zulauf in das Kühlgehäuse eintreten, beziehungsweise über den Ablauf aus dem Kühlgehäuse austreten kann. Der lamellenartige Kühlkörper bildet durch seine Struktur eine Anzahl von Kühlrippen, die eine große Oberfläche bilden, über die anschließend ein Wärmeaustausch stattfinden kann. Die Kühleinrichtung ist Bestandteil eines Kühlsystems, das in der Regel weiterhin noch aus einem Reservoir für ein Kühlmedium, insbesondere Wasser, sowie eine Pumpe und ein Leitungssystem verfügt. Über die Pumpe wird das Kühlmedium aus dem Reservoir herausgepumpt und über das Leitungssystem und den Zulauf in den Kühlkörper hineingepumpt. Der Kühlkörper ist mit dem zu kühlenden elektrischen Bauteil verbunden, so daß die vom elektrischen Bauteil erzeugte Wärme auf das Kühlmedium übertragen wird. Das so erwärmte Kühlmedium tritt über den Ablauf aus dem Kühlkörper aus und kann je
nach Bedarf nach dem Austritt erneut abgekühlt werden, bevor es im Kühlkreislauf erneut in das Reservoir eingeleitet wird.
Auch wenn diese bekannte Kühleinrichtung eine bessere Kühlwirkung als eine Luftkühlung hat, weist sie dennoch eine Reihe von Nachteilen auf. Zum einen handelt es sich bei der Kühleinrichtung um ein zum elektrischen Bauteil separates Aggregat, das mit dem zu kühlenden elektrischen Bauteil zunächst befestigt werden muß. Je nach Ausgestaltung des elektrischen Bauteils kann dies konstruktiv aufwendig sein. Weiterhin muß durch die Befestigung der Kühleinrichtung gewährleistet werden, daß zwischen der Kühleinrichtung und dem zu kühlenden elektrischen Bauteil immer ein thermischer Kontakt besteht, damit die Wärme des elektrischen Bauteils auf die Kühleinrichtung übertragen werden kann. Sofern sich die Verbindung zwischen den beiden Komponenten löst, was bei Bauteilen, die häufig bewegt (beispielsweise getragen) werden durchaus vorkommen kann, kann die erforderliche Kühlung des elektrischen Bauteils nicht mehr oder zumindest nur eingeschränkt aufrechterhalten werden.
Auch ist die Herstellung einer solchen Kühleinrichtung konstruktiv aufwendig und damit kostenintensiv. Schließlich ist für eine solche Kühleinrichtung ein erhöhter Bauraumbedarf erforderlich. Insbesondere dann, wenn ein Hochleistungsprozessor in einem Rechner gekühlt werden soll, ist der zur Verfügung stehende Bauraum oftmals ein großes Problem.
Ausgehend vom genannten Stand der Technik soll ein elektrisches Bauteil der eingangs genannten Art derart weitergebildet werden, daß die beschriebenen Nachteile vermieden werden können. Insbesondere soll ein elektrisches Bauteil mit einer einfachen und dennoch zuverlässigen Kühlung versehen werden.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein elektrisches Bauteil, mit wenigstens einer Halteplatte, auf der elektrische Komponenten angeordnet und/oder in dieser
integriert sind und mit einer Kühleinrichtung zum Kühlen des elektrischen Bauteils. Das elektrische Bauteil ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß die Kühleinrichtung als Wärmetauscher ausgebildet ist, der innerhalb der Halteplatte vorgesehen ist.
Weitere Vorteile, Merkmale, Aspekte, Effekte und Details der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung sowie der Zeichnung.
Der Grundgedanke der vorliegenden Erfindung besteht darin, die Kühleinrichtung nicht mehr als separates Bauteil auszubilden, sondern diese in wenigstens einer Halteplatte des elektrischen Bauteils zu integrieren. Dadurch kann zunächst wertvoller Bauraum eingespart werden, so daß die elektrischen Bauteile noch kleiner ausgebildet werden können. Weiterhin ist eine gute und zuverlässige Kühlung des elektrischen Bauteils möglich. Dadurch, daß die Kühleinrichtung nunmehr in der Halteplatte des Bauteils ausgebildet und somit zum Bestandteil des elektrischen Bauteils geworden ist, wird sichergestellt, daß die im elektrischen Bauteil erzeugte Wärme zu jeder Zeit optimal abtransportiert werden kann, da die Kühleinrichtung in direktem Kontakt mit den zu kühlenden Bestandteilen des elektrischen Bauteils steht.
Die Kühleinrichtung ist erfindungsgemäß als Wärmetauscher ausgebildet, wobei die Erfindung nicht auf bestimmte Ausgestaltungsformen von Wärmetauschern beschränkt ist. Ein nicht ausschließliches Beispiel für einen vorteilhaften Wärmetauscher wird im weiteren Verlauf der Beschreibung näher erläutert.
Die Kühleinrichtung kann Bestandteil eines Kühlsystems sein, das im Zusammenhang mit der Beschreibung des Standes der Technik schon vorgestellt wurde, so daß diesbezüglich auf die obigen Ausführungen Bezug genommen wird.
Erfindungsgemäß ist die Kühleinrichtung innerhalb wenigstens einer Halteplatte des elektrischen Bauteils vorgesehen. Als Halteplatte wird dabei jede Form von
Befestigungsplatte oder -mittel verstanden, auf dem elektrische Komponenten befestigt werden und/oder in dem elektrische Komponenten integriert sind, beispielsweise in Form von integrierten Schaltkreisen. Wichtig ist lediglich, daß die Halteplatte in direktem Kontakt, und damit auch in direktem thermischen Kontakt zu den zu kühlenden elektrischen Komponenten steht. Die Erfindung ist nicht auf bestimmte Ausgestaltungsformen der Halteplatte oder eine bestimmte Anzahl von Halteplatten pro elektrischem Bauteil beschränkt. Einige nicht ausschließliche Beispiele werden nachfolgend näher erläutert.
Vorteilhaft kann das elektrische Bauteil ein aus zwei oder mehr Halteplatten gebildetes Gehäuse aufweisen, wobei die Halteplatten die Gehäusewandungen bilden. Die elektrischen Komponenten sind vorzugsweise innerhalb des Gehäuses auf wenigstens einer Gehäusewandung angeordnet und/oder in dieser integriert. Wenigstens eine Gehäusewandung ist als Wärmetauscher ausgebildet, der innerhalb der Gehäusewandung vorgesehen ist. In diesem Fall erfolgt die Kühlung der elektrischen Komponenten über die Gehäusewandung(en).
Vorzugsweise kann das elektrische Bauteil als Prozessor ausgebildet sein. Ein solcher Prozessor weist üblicherweise eine Grundplatte (Grundplatine) auf, auf der elektrische Komponenten angeordnet und/oder in dieser integriert sind. Bei einer solchen Ausgestaltung ist die als Wärmetauscher ausgebildete Kühleinrichtung innerhalb der Grundplatte vorgesehen. Auf diese Weise wird auf besonders einfache und dennoch zuverlässige Weise eine Kühlung des Prozessors erreicht, wodurch dessen Performance und Lebensdauer erheblich verbessert werden kann. Da sich die Kühleinrichtung innerhalb der Grundplatte befindet, ist kein zusätzlicher Platzbedarf für die Realisierung der Kühleinrichtung erforderlich. Die Erfindung ist besonders geeignet, Hochleistungsprozessoren zu kühlen.
Vorteilhaft kann der Wärmetauscher ein Kanalsystem mit einem oder mehreren Kühlkanälen aufweisen. Bei einem solchen Wärmetauscher werden die Kanäle von einem Kühlmedium durchströmt. Das die Kanäle durchströmende Kühlmedium nimmt die erzeugte Wärme des elektrischen Bauteils auf und führt diese ab. Die Ausgestaltung, Anzahl und Führung der Kühlkanäle wird vorzugsweise derart gewählt, daß die zu kühlenden elektrischen Komponenten möglichst direkt über die Kanalwände mit dem Kühlmedium in thermischen Kontakt treten können. Die Erfindung ist nicht auf bestimmte Ausgestaltungsvarianten beschränkt.
Die Erfindung ist ebenfalls nicht auf bestimmte Kühlmedien beschränkt. Beispielsweise, jedoch nicht ausschließlich, kann es sich bei dem Kühlmedium um Wasser handeln.
Vorteilhaft kann die Halteplatte aus mehreren Schichten gebildet sein, wobei zumindest eine oder mehrere Schichten einen oder mehrere Kühlkanäle aufweist/aufweisen.
Die Kühlkanäle können in Gegenstrom- und/oder Parallelstrom- und/oder Kreuzstrom-Bauweise ausgerichtet sein. Die Ausrichtung der Kanäle in der genannten Weise kann dabei im Hinblick auf die Kanäle zueinander (beispielsweise, wenn mehrere Schichten mit Kühlkanälen verwendet werden) gewählt werden.
Vorzugsweise können die Kühlkanäle als Mikrokanäle ausgebildet sein. In einem solchen Fall kann der Wärmetauscher als Mikro-Wärmetauscher ausgebildet sein. Durch die Ausgestaltung der Kanäle in Mikrostrukturtechnik wird zunächst erreicht, daß die Kühleinrichtung und damit auch das elektrische Bauteil besonders platzsparend ausgebildet werden kann. Die Ausgestaltung der Kanäle in Mikrostrukturtechnik sieht im allgemeinen vor, daß auf einem kleinen Bauraum im Kubikzentimeterbereich eine große Anzahl von mehreren tausend Mikrokanälen
vorgesehen ist. Durch diese Mikrokanäle, die jeweils eine Höhe und Breite von nur wenigen μm aufweisen, werden große spezifische Oberflächen, das heißt hohe Verhältnisse von Kanaloberfläche zu Kanalvolumen, geschaffen, über die der Wärmeaustausch besonders vorteilhaft erfolgt. Dadurch sind solche Wärmetauscher sehr leistungsfähig.
In weiterer Ausgestaltung kann die wenigstens eine Halteplatte aus Metall, Kunststoff, Keramik oder einem Substrat auf Halbleiterbasis gebildet sein. Selbstverständlich sind auch andere Materialien denkbar.
Die Erfindung wird nun auf exemplarische Weise an Hand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung näher erläutert. Es zeigt die einzige Figur 1 in schematischer und perspektivischer Ansicht ein erfindungsgemäßes elektrisches Bauteil.
In der Figur 1 ist ein als Hochleistungsprozessor ausgebildetes elektrisches Bauteil 10 dargestellt. Der Hochleistungsprozessor 10 weist eine als Grundplatte (Grundplatine) ausgebildete Halteplatte 12 auf, auf der eine Anzahl elektrischer Komponenten 11 angeordnet und/oder in dieser integriert sind.
Die Halteplatte 12 besteht aus einer Anzahl von Einzelschichten, im vorliegenden Fall einer Deckschicht 13 sowie drei Schichten 14, 15, 16. In den Schichten 14, 15, 16 sind jeweils eine Anzahl von als Mikrokanäle ausgebildeten Kühlkanälen 21 vorgesehen, die Bestandteile einer Kühleinrichtung 20 sind. Die Kühleinrichtung 20 stellt einen Wärmetauscher dar, der innerhalb der Halteplatte 12 vorgesehen ist und somit zu einer guten Kühlung des elektrischen Bauteils 10 führt. Die Kühlkanäle 21, die im vorliegenden Fall parallel zueinander ausgerichtet sind, werden von einem Kühlmedium durchströmt. Dabei wird die in den elektrischen Komponenten 11 erzeugte Wärme auf das die Kühlkanäle 21 durchströmende Kühlmedium übertragen und aus dem elektrischen Bauteil 10 abgeführt. Die Durchleitung des Kühlmediums
durch die Kühlkanäle kann über ein nicht dargestelltes Kühlsystem, das in der Beschreibungseinleitung kurz dargestellt wurde, unterstützt werden.
Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung des elektrischen Bauteils 10, bei dem die Kühleinrichtung 20 innerhalb der Halteplatte 12 integriert ist, wird auf konstruktiv einfache, zuverlässige und platzsparende Weise eine besonders gute Kühlung des elektrischen Bauteils 10 erreicht, wodurch dessen Performance und Lebensdauer verbessert werden kann.
Patentansprüche
1. Elektrisches Bauteil, mit wenigstens einer Halteplatte (12), auf der elektrische Komponenten (11) angeordnet und/oder in dieser integriert sind und mit einer Kühleinrichtung (20) zum Kühlen des elektrischen Bauteils (10), dadurch gekennzeichnet, daß die Kühleinrichtung (20) als Wärmetauscher ausgebildet ist, der innerhalb der Halteplatte (12) vorgesehen ist.
2 . Elektrisches Bauteil nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß das elektrische Bauteil (10) ein aus zwei oder mehr Halteplatten (12) gebildetes
Gehäuse aufweist, wobei die Halteplatten (12) die Gehäusewandungen bilden, daß die elektrischen Komponenten (11) innerhalb des Gehäuses auf wenigstens einer Gehäusewandung angeordnet und/oder in dieser integriert sind und daß wenigstens eine Gehäusewandung als Wärmetauscher ausgebildet ist, der innerhalb der Gehäusewandung vorgesehen ist.
3 . Elektrisches Bauteil nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß das elektrische Bauteil (10) als Prozessor ausgebildet ist, daß der Prozessor eine Grundplatte (12) aufweist, auf der elektrische Komponenten (11) angeordnet und/oder in dieser integriert sind und daß die als Wärmetauscher ausgebildete Kühleinrichtung (20) innerhalb der Grundplatte (12) vorgesehen ist.
4. Elektrisches Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher ein Kanalsystem mit einem oder mehreren Kühlkanälen (21) aufweist.
5. Elektrisches Bauteil nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Halteplatte (12) aus mehreren Schichten (13, 14, 15, 16) gebildet ist und daß zumindest eine oder mehrere Schichten (14, 15, 16) einen oder mehrere Kühlkanäle (21) aufweist/aufweisen.
6. Elektrisches Bauteil nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlkanäle (21) in Gegenstrom- und/oder Parallelstrom- und/oder Kreuzstrom- Bauweise ausgerichtet sind.
7. Elektrisches Bauteil nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlkanäle (21 ) als Mikrokanäle ausgebildet sind.
8. Elektrisches Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die wenigstens eine Halteplatte (12) aus Metall, Kunststoff, Keramik oder einem Substrat auf Halbleiterbasis gebildet ist.