DE3940521A1 - Kaltflaechensystem zur kuehlung elektronischer bauelemente - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft allgemein ein Kühlsystem für elek­ tronische Schaltungsbauelemente und speziell ein solches Kühlsystem mit einer Kaltplatte oder -fläche, wobei ein Kühlmittel im Rücklaufverfahren zwischen dem Flüssig- und dem Dampfzustand umläuft.

Es besteht ständiger Bedarf für immer kleinere elektroni­ sche Bauelemente und/oder Bausteine, insbesondere in der Luft- und Raumfahrtindustrie, wobei Größe und Gewicht von ausschlaggebender Bedeutung sind. Die Mikroelektronik ermöglicht eine sehr weitgehende Größen- und Gewichtsver­ ringerung elektronischer Bauelemente, wenn diese auf Plat­ ten mit integrierten Schaltkreisen befestigt sind.

Einer der ersten Schritte bei der Größen- und Kostenver­ ringerung war das Bausteinkonzept, wobei elektronische Steckbausteine entwickelt wurden, um verschiedene System­ anforderungen zu erfüllen. Es wurden Standard-Hardwarekon­ struktionen mit einer Mehrzahl von Bausteinen versehen, die in ein Chassis steckbar sind, um eine Einrichtung zu bil­ den. Normalerweise gleiten diese Steckbausteine in Nuten im Chassis und sind mit einem zugehörigen weiblichen elektro­ optischen Verbinder zusammengesteckt, der den Baustein mit einer als Trägerleiterplatte dienenden elektrooptischen Rückwandplatine verbindet. Diese Bausteine sind eng mon­ tiert und geben erhebliche Wärme ab, die die Zuverlässig­ keit der Bauelemente erheblich beeinträchtigt, wenn sie nicht wirkungsvoll abgeleitet wird.

Dieses Problem der Wärmeableitung wurde auf verschiedene Weise mittels Kühlung der elektronischen Bauelemente zu lösen versucht, z. B. mit irgendeiner Art von Kühlgebläse­ einrichtung oder mit Kühlschlangen.

Eine Möglichkeit der Verbesserung der Kühlvorrichtung für eine elektronische Steckbausteineinrichtung ist in der US-PS 43 15 300 angegeben. Dort ist eine Anordnung gezeigt, bei der mehrere Bausteine in Nuten gelagert sind, die durch zwei parallele Seiten eines Chassis begrenzt sind. Jede parallele Seite weist Fluidleitungen zum Transport einer Kühlflüssigkeit auf, die von einer Wärmesenke an jedem Bau­ stein zu den Seiten der Nuten übertragene Wärme abführt. Mehrere Öffnungen sind in jeder Seite zwischen benachbarten Nuten vorgesehen und tragen Rippen, durch die kühle Luft geblasen wird, um jede Seite jedes Steckbausteins zu küh­ len. Solche Vorrichtungen sind zwar für manche hochent­ wickelten elektronischen Bauelemente ausreichend, sie genü­ gen aber einfach nicht für hochentwickelte Bauelemente wie "Supercomputer", hochentwickelte Radar- oder andere Sy­ steme, bei denen eine Wärmeerzeugung von 200-500 W in jedem Baustein zu erwarten ist.

Eine weitere Möglichkeit zur Lösung des Problems der Wärme­ ableitung von elektronischen Schaltungsbauelementen zeigt die US-PS 47 12 158. Diese Schrift zeigt ein Kühlsystem für elektronische Bauelemente, die auf einer Leiterplatte be­ festigt sind, und umfaßt eine Kühlplatte mit Kühlleitungen, wobei auf der Kühlplatte in Kontakt mit den Oberflächen der elektronischen Bauelemente Wärmekontakte angeordnet sind. Die Bauelemente werden durch die Wärmekontakte von durch die Kühlmittelleitungen strömender Kühlflüssigkeit gekühlt. Das Kühlmittel tritt in die Kühlplatte durch einen Einlaß ein, durchströmt die Platte kontinuierlich und wird durch einen Auslaß abgeleitet. Ein solches System ist extrem anfällig für Leckagen, insbesondere unter Berücksichtigung der Anzahl Bausteine, die in ein Chassis steckbar sind, und des zur Bildung eines Kreislaufs für das strömende Kühl­ mittel erforderlichen Installationsnetzwerks.

Die Erfindung richtet sich auf die Lösung des Problems der Kühlung von elektronischen Bauelementen durch Schaffung einer Kaltfläche bzw. -platte mit in sich geschlossenem Kühlnetzwerk einer Kühlflüssigkeit im Rücklaufbetrieb unter Sieden und Kondensieren der Flüssigkeit.

Aufgabe der Erfindung ist daher die Bereitstellung eines neuen und verbesserten Kaltflächensystems zur Kühlung elek­ tronischer Bauelemente.

Allgemein umfaßt bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung das System Mittel zur Bildung eines im we­ sentlichen flächenhaften Gehäuses mit geschlossenem Innen­ raum und einer im wesentlichen ebenen Außenfläche, auf der die elektronischen Bauelemente befestigbar sind. Ein Kühl­ flüssigkeitsbad füllt nur einen Teil des geschlossenen Innenraums in Wärmeverbindung mit der Außenfläche. Ein von dem Kühlflüssigkeitsbad ferner Rand des Gehäuses ist mit einem Kaltchassis, z. B. einem Chassis mit gekühlten Nuten, verbindbar unter Bildung einer Kondensatoreinheit. In die­ sem speziellen in sich geschlossenen System wird die Flüs­ sigkeit durch die von den elektronischen Bauelementen erzeugte Wärme zum Sieden gebracht. Der resultierende Dampf wird von der Kondensatoreinheit kondensiert, und das Kon­ densat strömt im Rücklaufverfahren zu dem Kühlflüssigkeits­ bad zurück.

Insbesondere ist dabei das im wesentlichen flächenhafte Gehäuse durch eine Sandwichkonstruktion aus mehreren anein­ andergestapelten Platten gebildet. Die Außenränder der Platten sind kontinuierlich, und zumindest die Endplatten des Stapels sind massiv, um das Gehäuseinnere abzuschlie­ ßen, und wenigstens einige der Innenplatten haben Öffnungen zur Bildung einer porösen Kernstruktur, die den Innenraum für das Kühlflüssigkeitsbad bildet. Beispielsweise können die Innenplatten mit im wesentlichen parallelen, diagonal verlaufenden Schlitzen ausgebildet sein, wobei die Platten abwechselnd so orientiert sind, daß die Schlitze benach­ barter Platten einander schneidend verlaufen. Dadurch wird die poröse Kernstruktur des Gehäuses gebildet, die das Kühlflüssigkeitsbad enthält.

Bevorzugt ist das Gehäuse im wesentlichen viereckig, so daß vier Ränder zum thermischen Verbinden des Kaltflächensy­ stems mit geeigneten Randaufnahmenuten eines Kaltchassis gebildet sind, wodurch eine Allrichtungsbefestigung des Kaltflächensystems gegeben ist. Der Innenraum des Gehäuses ist zu mehr als 50% mit der Kühlflüssigkeit gefüllt, so daß ein elektronisches Hochleistungs-Bauelement, das rela­ tiv zum Innenraum richtig in der Gehäusemitte positioniert ist, immer unterhalb des Flüssigkeitsspiegels liegt, und zwar ungeachtet der Schwerpunktorientierung des Gehäuses.

Anhand der Zeichnung wird die Erfindung beispielsweise näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Perspektivansicht einer Kaltfläche nach der Erfindung, wobei schematisch die Lage der elektronischen Bauelemente, des Kühlflüssig­ keitsspiegels, die Lage der Chassis-Konden­ satoren sowie die allgemeine Richtung des Zweiphasen-Strömungsverlaufs gezeigt sind;

Fig. 2 eine Draufsicht auf eine der Innenplatten des Gehäuses, die die poröse Kernstruktur bilden;

Fig. 3 eine der Fig. 2 ähnliche Draufsicht, wobei jedoch eine der Innenplatten gezeigt ist, die angrenzend an die Platte von Fig. 2 vorgesehen ist;

Fig. 4 eine schematische Darstellung eines Rands der Kaltfläche, die mit einem Kaltchassis gekop­ pelt ist;

Fig. 5 eine der Fig. 1 ähnliche Ansicht einer Ab­ wandlung;

Fig. 6 eine Ansicht einer der Innenplatten für die Struktur von Fig. 5; und

Fig. 7 eine Ansicht einer angrenzenden Innenplatte relativ zu Fig. 6.

Nach Fig. 1 ist ein Kaltflächensystem vorgesehen, das eine Kaltplatte 10 zur Kühlung elektronischer Bauelemente 12 aufweist, die auf einer ebenen Fläche der Kaltplatte ange­ ordnet sind. Wie noch im einzelnen erläutert wird, defi­ niert die Kaltplatte ein im wesentlichen ebenes Gehäuse mit einem geschlossenen Innenraum. Ein Kühlmittelbad füllt einen Teil des Innenraums aus und wird durch von den Bau­ elementen 12 erzeugte Wärme zum Sieden gebracht, der resul­ tierende Dampf wird kondensiert, und das Kondensat strömt im Rücklaufverfahren zu dem Kühlflüssigkeitsbad zurück.

Gemäß Fig. 1 ist das im wesentlichen flächenhafte Gehäuse, das durch die Kaltplatte 10 definiert ist, von einer Sand­ wichkonstruktion aus mehreren aufeinandergestapelten Plat­ ten gebildet, so daß sich eine endliche Dicke ergibt, wie bei 14 gezeigt ist. Die Dicke der durch die Stapelplatten gebildeten Kaltplatte ist zwar variabel und hängt von der Anzahl der Platten ab, sie kann jedoch in der Größenordnung von 4,75-3,2 mm (3/16-1/8 inch) liegen und 7-10 tafelartige Platten aus leitendem Werkstoff, z. B. Metall, umfassen. Die Endplatten 16 a und 16 b des Stapels sind massiv, und wenigstens eine Endplatte, z. B. die Platte 16 a, definiert eine ebene Außenfläche, auf der elektronische Bauelemente 12 befestigbar sind. Es ist zu beachten, daß die Befesti­ gungsmittel für die elektronischen Bauelemente einschließ­ lich etwaiger integrierter Schaltungen nicht gezeigt und in üblicher Weise variabel sind.

Gemäß den Fig. 2 und 3 in Verbindung mit Fig. 1 sind Innen­ platten 18 a (Fig. 2) und 18 b (Fig. 3) zwischen den Endplat­ ten 16 a und 16 b abwechselnd geschichtet, wie am Oberende von Fig. 1 gezeigt ist. Diese Platten 18 a, 18 b bilden eine poröse Kernstruktur für das die Kaltplatte 10 bildende, im wesentlichen flache Gehäuse. Dabei hat die Platte 18 a (Fig. 2) mehrere im wesentlichen parallele Stege 20, die zwischen einem umlaufenden Außenrandabschnitt 22 der Platte verlau­ fen. Ebenso hat die Platte 18 b (Fig. 3) mehrere parallele Stege 24, die zwischen einem umlaufenden Außenrandabschnitt 26 der Platte verlaufen. Durch abwechselndes Anordnen von Platten 18 a und 18 b derart, daß ihre Stege 20 bzw. 24 ent­ sprechend den Zeichnungen orientiert sind, verlaufen die Schlitze und Stege benachbarter Platten ineinander schnei­ denden Richtungen. Dies ergibt die poröse Kernstruktur für die Kaltplatte. Mit anderen Worten definieren die einander schneidenden Schlitze Queröffnungen und Seitenkanäle, durch die Flüssigkeit oder Dampf transportiertbar ist und die eine ausgezeichnete thermische Verbindung zwischen der Flüssigkeit und den durch die Stege der vertieften Kanäle in der Struktur der Kaltplatte gebildeten vergrößerten Oberflächenbereichen herstellen.

Bei der Montage der Kaltplatte 10 werden abwechselnd Innen­ platten 18 a und 18 b zwischen den Endplatten 16 a und 16 b sandwichartig angeordnet, und ein geschlossenes Gehäuse wird durch Hartverlöten der Platten miteinander erhalten. Da die Endplatten 16 a und 16 b massiv und die Außenrandab­ schnitte 22 und 26 der Innenplatten 18 a und 18 b fortlaufend sind, ist ersichtlich, daß durch die poröse Kernstruktur, die durch die Schlitzkonfigurationen der Platten 18 a und 18 b gegeben ist, ein Innenraum gebildet ist.

Aus der obigen Beschreibung des die Kaltplatte 10 definie­ renden Gehäuses ist ferner ersichtlich, daß der vollständig geschlossene Innenraum des Gehäuses mit einem Kühlflüssig­ keitsbad gefüllt werden kann. Dazu kann in einen Rand des Plattenstapels eine Einfüllöffnung 28 (Fig. 1) gebohrt werden, um Kühlflüssigkeit in den geschlossenen Innenraum der Kaltplatte einzubringen. Wenn die Flüssigkeit bis zum gewünschten Pegel eingefüllt ist, wird die Einfüllöffnung 28 hermetisch verschlossen.

Fig. 1 zeigt eine Anzahl von elektronischen Bauelementen 12, die allgemein mittig als Gruppe bzw. Cluster auf der Endfläche der Platte 16 a angeordnet sind. Diese spezielle Konfiguration als Cluster ist beispielhaft, zeigt aber, daß es erwünscht ist, "wärmereiche" Bauelemente in einer zen­ tralen Lage der Kaltplatte anzuordnen. Der Strichlinien­ kreis 30 bezeichnet ungefähr eine wärmereiche Zone, die durch die Wärme der elektronischen Bauelemente erzeugt wird. Eine Strichlinie 32 bezeichnet den Kühlflüssigkeits­ spiegel in dem Kühlflüssigkeitsbad, das den Innenraum der Kaltplatte 10 füllt. Es ist ersichtlich, daß der Kühlflüs­ sigkeitsspiegel zeigt, daß das Kühlflüssigkeitsbad mehr als 50% des Innenraums ausfüllt. Dies ist bevorzugt, damit der Flüssigkeitsspiegel einen wesentlichen Teil der wärmerei­ chen Zone 30 abdeckt, aber oberhalb des Flüssigkeitsspie­ gels eine Dampfzone verbleibt. Außerdem ist durch die Strichlinie 32 a ersichtlich, daß die Kaltfläche eine All­ richtungs-Kaltfläche ist. Wenn also die Kaltplatte gekippt wird, so daß der Flüssigkeitsspiegel 32 a horizontal ist, deckt die Flüssigkeit immer noch die gleiche Fläche der wärmereichen Zone 30 ab ungeachtet der Schwerpunktorien­ tierung des Gehäuses in einer Vertikalebene. Durch geeig­ nete Wahl des Rücklauf-Kühlmittels funktioniert die Kalt­ fläche auch dann richtig, wenn sie sich in einer Horizon­ talebene befindet. In dieser Orientierung füllt die Flüs­ sigkeit die unteren Abschnitte der porösen Struktur aus, die über die Schnittstellen der Stege 20 und 24 thermisch gut mit den wärmefreisetzenden Bauelementen verbunden ist. Ebenso wirken die nicht von Flüssigkeit bedeckten Teile der Kaltplatte in den Kondensatorzonen 40 und 42 als Kondensa­ tionsflächen.

Fig. 4 zeigt schematisch, wie die Kaltplatte 10 in einer Nut 34 eines Kaltchassis 36 befestigt ist. Das Chassis hat seitliche Kaltrippen 38, die die Nut 34 begrenzen, in die ein Rand der Kaltplatte 10 "eingesteckt" bzw. eingekoppelt ist. Ein Abstandshalter 39 a, ein Staubschutz 39 b und ein Befestigungskeil 39 c könnten ebenfalls verwendet werden. Diese durch Kaltrippen 38 des Kaltchassis 36 definierte Nutkonfiguration ist in Fig. 1 durch Strichlinien 40 am oberen Teil der Kaltplatte 10 gezeigt. Hauptsächlich werden durch die Randbefestigung der Kaltplatte 10 in einem Kalt­ chassis 36 die obere und die untere Kondensationszone 42 und 44 definiert. Bei der in Fig. 1 gezeigten Orientierung der Kaltplatte 10 bewirkt dabei natürlich der obere Konden­ sator 42 eine Kondensation, wie nachstehend erläutert wird, während der untere Kondensator 44 das Kühlflüssigkeitsbad im Inneren der Kaltplatte am Boden des Bads kühlt. Außerdem ist zu beachten, daß, da die Kaltplatte 10 als Allrich­ tungssystem ausgelegt ist, jeder Seitenrand 46 der Kalt­ platte ebenfalls zur thermischen Kopplung in den Nuten eines geeigneten Kaltchassis ausgelegt ist.

Einzelheiten des Kaltchassis 36 sind hier nicht erläutert, sind jedoch aus der eigenen US-Patentanmeldung Serial-Nr. 2 93 129 ersichtlich.

Es ist ersichtlich, daß im Betrieb die elektronischen Bau­ elemente 12 der Kaltplatte 10, die in einem Kaltchassis entsprechend Fig. 4 thermisch gekoppelt ist, erhebliche Wärme erzeugen. Im Fall moderner "Supercomputer", Energie­ versorgungen, Radarsysteme u. dgl. ist zu erwarten, daß 200-500 W je Baustein erzeugt werden. Diese Wärme wird in der Mitte der Kaltplatte etwa in einer durch den Kreis 30 bezeichneten Zone konzentriert. Durch diese Wärme wird die Kühlflüssigkeit in dem durch den Flüssigkeitsspiegel 32 definierten Bad im Inneren zum Sieden gebracht. Wenn die Verdampfung erfolgt, steigt der Dampf nach oben und gelangt mit der oberen Kondensatorzone 42 in Kontakt, wo die Kalt­ platte thermisch mit dem Kaltchassis 36 gekoppelt ist (Fig. 4). Der Dampf kondensiert in der kälteren Kondensatorzone, und das flüssige Kondensat fällt in das Kühlflüssigkeitsbad im Inneren der Kaltplatte zurück. Die poröse Kernstruktur, die durch die geschlitzten Innenplatten 18 a und 18 b gebildet ist, ermöglicht es der Flüssigkeit, kaskadenartig zwischen den Öffnungen und Kanälen der Struktur zu strömen, wodurch eine sehr gute thermische Verbindung zwischen dem Kondensat und dem vergrößerten Oberflächenbereichen der vertieften Kanäle innerhalb der Struktur der Kaltfläche, also in dem Innenhohlraum, der durcheinander kreuzende Stege 20 und 24 abwechselnder Innenplatten 18 a und 18 b definiert ist, erhalten wird. Dieser Zweiphasen-Strömungsverlauf ist all­ gemein durch ausgezogene, Pfeile aufweisende Linien 50 in Fig. 1 dargestellt, wobei das Rücklaufsystem der Kaltplatte 10 veranschaulicht ist. Mit anderen Worten wird also ein vollständig in sich geschlossenes Kaltflächensystem zur Kühlung der elektronischen Bauelemente geschaffen, wobei keinerlei Installationsmaßnahmen für einen Kühlmittelkreis­ lauf oder andere Installationen außerhalb der Begrenzungen der Kaltplatte selbst benötigt werden.

Es ist auch möglich, von der Endplatte 16 a zur Endplatte 16 b Durchgangsbohrungen vorzusehen, um Bauelemente mit Bolzen zu sichern oder um elektrische Durchführungen zu schaffen, wobei Bauelemente sowohl auf der Vorder- als auch der Rückseite der Kaltfläche befestigt sind. Die Bohrungen durchsetzen in diesem Fall die Schnittpunkte der Stege 20 und 24, so daß ein Flüssigkeitsaustritt verhindert wird.

Unter Bezugnahme auf die Fig. 5-7 können relativ große Bereiche der Kaltfläche durchgehend vollständig offen sein, so daß sperrige Niedrigleistungsbauelemente wie Transfor­ matoren angeordnet und gekapselt werden können. Dabei sind die Kaltfläche 10 in Fig. 5 sowie Innenplatten 18 a und 18 b in den Fig. 6-7 mit den gleichen Bezugszeichen wie in den Fig. 1-4 versehen. Ein derartiger großer offener Be­ reich zum Anordnen eines sperrigen Niedrigleistungs-Bau­ elements ist mit 60 bezeichnet. Natürlich haben die Innen­ platten 18 a und 18 b geschlossene Begrenzungen 62 um den offenen Bereich, so daß dieser hermetisch dicht ist.

Claims (7)

1. Kaltflächensystem zur Kühlung elektronischer Bauele­ mente, gekennzeichnet durch
Mittel (10) zur Bildung eines im wesentlichen flächen­ haften Gehäuses mit einem geschlossenen Innenraum und einer im wesentlichen ebenen Außenfläche, auf der die elektroni­ schen Bauelemente (12) anbringbar sind, wobei der Innenraum des Gehäuses durch eine poröse Kernstruktur definiert ist, die eine Bahn für aufsteigenden Dampf sowie eine Kaskade für fallendes flüssiges Kondensat bildet;
ein Kühflüssigkeitsbad, das mehr als 50% des geschlos­ senen Innenraums füllt und in thermischer Verbindung mit der Außenfläche steht, so daß wenigstens ein Teil eines elektronischen Bauelements, das relativ zum Innenraum in der Mitte der Außenfläche richtig positioniert ist, unge­ achtet der Schwerpunktorientierung des Gehäuses ständig in engem Wärmekontakt mit dem Flüssigkeitsspiegel liegt;
wobei wenigstens ein vom Kühlflüssigkeitsbad ferner obe­ rer Rand des Gehäuses zur thermischen Kopplung mit einem Kaltchassis (36) unter Bildung eines Kondensators (40, 42) ausgelegt ist, so daß die Flüssigkeit im Rücklaufverfahren durch von den elektronischen Bauelementen erzeugte Wärme zum Sieden gebracht wird, der entstehende Dampf in der durch die poröse Kernstruktur definierten Bahn aufsteigt und vom Kondensator kondensiert wird und die Kondensatflüs­ sigkeit kaskadenartig über die poröse Kernstruktur zurück in das Kühlflüssigkeitsbad strömt.

2. Kaltflächensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die poröse Kernstruktur von einer Sandwichanordnung aus Platten (18 a, 18 b) gebildet ist, die überlappende Öffnungen zur Bildung der Bahn haben.

3. Kaltflächensystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß jede Platte (18 a, 18 b) mit im wesentlichen parallelen, diagonal verlaufenden Stegen (20, 24) ausgebildet ist und die Platten abwechselnd so orientiert sind, daß die Stege benachbarter Platten ineinander schneidenden Richtungen verlaufen.

4. Kaltflächensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse im wesentlichen Viereckform hat unter Bil­ dung von vier Rändern zur thermischen Kopplung in geeigne­ ten Randaufnahmenuten (34) eines Kaltchassis (36).

5. Kaltflächensystem nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Kombination mit einem Kaltchassis (36), das eine Nut (34) zur Aufnahme des Rands (42, 44, 46) des Gehäuses aufweist.

6. Kaltflächensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Bildung eines im wesentlichen flächen­ haften Gehäuses eine Sandwichanordnung (10) aus einer Mehr­ zahl aufeinandergestapelter Platten (16 a, 16 b, 18 a, 18 b) umfassen, wobei die Außenränder (22, 26) der Platten fort­ laufend sind und wenigstens die Endplatten (16 a, 16 b) des Stapels im wesentlichen massiv sind, um das Gehäuseinnere abzuschließen, und wobei wenigstens einige der Innenplatten (18 a, 18 b) Öffnungen zur Bildung einer den Innenraum defi­ nierenden porösen Kernstruktur aufweisen.

7. Kaltflächensystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß jede Innenplatte (18 a, 18 b) mit im wesentlichen paral­ lelen, diagonal verlaufenden Stegen (20, 24) ausgebildet ist und die Platten abwechselnd so orientiert sind, daß die Stege benachbarter Platten ineinander schneidenden Rich­ tungen verlaufen.