DE60114859T2

DE60114859T2 - Verfahren und gerät zur temperaturgradientregelung in einem elektronischen system

Info

Publication number: DE60114859T2
Application number: DE60114859T
Authority: DE
Inventors: S. James WILSON; C. Timothy FLETCHER; A. Lucian BRASIER; S. James MASON
Original assignee: Raytheon Co
Current assignee: Raytheon Co
Priority date: 2000-09-13
Filing date: 2001-09-12
Publication date: 2006-06-01
Anticipated expiration: 2021-09-13
Also published as: WO2002023966A3; US7017651B1; DE60114859D1; AU2001290974A1; EP1317774A2; EP1317774B1; WO2002023966A2

Description

Technisches Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen die Temperaturregelung einer Vorrichtung und insbesondere ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Regelung der Temperaturgradienten über die Bauelemente eines elektronischen Systems.
Hintergrund der Erfindung
Das Design von Elektronikeinheiten und -Systemen muss die Abfuhr der innerhalb der betriebenen Vorrichtungen elektrisch erzeugten Wärme berücksichtigen, um einen ordnungsgemäßen Betrieb zu gewährleisten. Zum Beispiel müssen die meisten elektronischen Geräte unter der vorgegebenen Maximaltemperatur gehalten werden, um eine akzeptable Leistung und Zuverlässigkeit zu gewährleisten. Im Hinblick auf Mikrowellen-Elektroniksysteme (zum Beispiel Leistungsverstärker, Phasenschieber, rauscharme Verstärker) können die elektronischen Bauelemente auch empfindlich gegenüber Temperaturgradienten zwischen den zugehörigen elektronischen Vorrichtungen, zum Beispiel monolithische, integrierte Mikrowellenschaltkreise (MMICs) sein. Solche Bauelemente müssen innerhalb vorgegebener, maximaler Temperaturgradienten von Vorrichtung zu Vorrichtung gehalten werden.
Folglich werden Kühlsysteme typischerweise in solchen elektronischen Systemen integriert. Kühlsysteme werden im Allgemeinen so ausgelegt, dass sie Wärme absorbieren und die Temperatur des elektronischen Systems mindern und dass sie gegenüber übermäßigen Temperaturgradienten zwischen den einzelnen Vorrichtungen der Elektronikeinheit beständig sind. Ein typisches Kühlsystem umfasst oft eine Metallkühlplatte, die mit einer elektronischen Vorrichtung verbunden ist. Öfters weist die Kühlplatte aufgelötetes Finstock auf, um die Wärmeübertragungsfläche zu vergrößern. Diese Lösung ist sehr teuer und erfordert ein kompliziertes Design- und Herstellungsverfahren für die Kühlplatte.
In einer weiteren Herangehensweise wird ein flüssiges Kühlmittel verwendet, das durch in die Kühlplatte eingebettete Kanäle geführt wird, damit sich ein Wärmeübergang von den elektronischen Vorrichtungen zum flüssigen Kühlmittel einstellt. Dies eliminiert die Notwendigkeit des teuren Lötens von Finstock. Die Leistung, Dichte und Empfindlichkeit der heutigen Elektronikeinheiten hat jedoch die Effizienz und Praktikabilität dieser Herangehensweise beschränkt.
Ein Beispiel der vorgenannten Art von System ist ein phasengesteuertes Gruppenantennensystem. Phasengesteuerte Gruppenantennensystem werden in einer großen Vielfalt von Anwendungsgebieten verwendet und beinhalten oft Elektroniksysteme mit integrierten Kühlsystemen. Bei einem phasengesteuerten Gruppenantennensystem ist es erwünscht, dass das Antennensystem ein vergleichsweise kleines Volumen und vergleichsweise geringes Gewicht aufweist. Antennensysteme dieser Art beinhalten oft MMICs, die eine beträchtliche Menge Wärme im Betrieb erzeugen. Mit zunehmender Frequenz beim Antennenbetrieb nimmt die von den Schaltkreisen abgegebene Wärme zu, die dann wieder auf die Temperaturgradienten über die Gruppe einwirken kann.
Insbesondere kann in einem phasengesteuerten Gruppenantennensystem die Existenz von Temperaturgradienten über die Gruppe Phasenfehler verursachen, die die Genauigkeit des Antennensystems beeinträchtigen. Je höher die Frequenz beim Antennenbetrieb ist, desto kleiner sind die zulässigen Temperaturgradienten über die Gruppe. Wo zum Beispiel die phasenbetriebene Gruppe bei einer Frequenz von etwa 5 GHz betrieben wird, beträgt der maximal zulässige Temperaturgradient über die Gruppe etwa 20°C. Wird im Gegensatz dazu die Gruppe bei einer Frequenz von etwa 80 GHz betrieben, beträgt der maximal zulässige Temperaturgradient über die Gruppe lediglich etwa 1,3°C. Folglich ist es wichtig, dass ein effizientes Kühlsystem vorhanden ist, so dass eine im Wesentlichen gleichförmige Temperatur über die Gruppe beibehalten wird. Als weitere Schwierigkeit weisen viele elektronische Systeme eine begrenzte, für das Kühlsystem zur Verfügung stehende Versorgung mit Kühlmittel auf. Beispielsweise teilen sich oft unterschiedlichste Kühlsysteme in einem Flugzeug ein gemeinsames Kühlsystem, und ein besonderer Zugriff des Systems auf das Kühlmittel ist eingeschränkt. Die Leistung solcher Systeme leidet oft unter geringen Flussraten des Kühlmittels, was zu einer eingeschränkten Eignung zur Wärmeübertragung führt.
Des Weiteren führen geringe, volumetrische Flussraten zu einer signifikanten Temperaturerhöhung im Kühlmittel, das von einem Einlass zu einem Auslass der Kühlplatte strömt. Ein Anstieg der Kühlmitteltemperaturen führt zu unerwünscht großen Temperaturgradienten zwischen verschiedenen Abschnitten des elektronischen Systems.
Um dieser Sache Herr zu werden, wurden komplexe Flüssigkeitsverteiler entwickelt, um zu ermöglichen, dass jedes Bauelement in einer vollständig parallelen Verteilung lediglich mit seiner zugehörigen Menge an Kühlmittel gekühlt wird. Diese Herangehensweise ist sperrig und im Grunde wegen der geringen Geschwindigkeit des Flüssigkühlmittels aus Sicht der Wärmeübertragung weniger effizient.
WO 01/63667 beschreibt eine Vorrichtung zur Wärmeabfuhr von beheizten Elementen. Die Vorrichtung umfasst einen Block aus einem Material mit guter Wärmeleitfähigkeit, auf den die Elemente in thermischem Kontakt aufgebracht sind. Kanäle sind im Block vorgesehen. Eine Flüssigkeit, zum Beispiel Wasser, strömt zwangsweise durch die Kanäle. Die Kanäle sind aus dünnwandigen Röhren gemacht, die aus einem gegenüber der strömenden Flüssigkeit nicht korrodierendem Material, wie Stahl, bevorzugt säurefestem Edelstahl oder Gold oder Silber, hergestellt sind. Die Röhren können aus einem Material mit guter Wärmeleitfähigkeit, beispielsweise Aluminium, gegossen oder auf andere Weise befestigt werden, beispielsweise in Halbkanälen in zwei Blöcken, die fest miteinander zu befestigen zu sind, galvanisiert werden. Das Material der Röhren könnte eine geringere Wärmeleitfähigkeit als das Material des Blockes haben.
DE 37 39 585 C1 beschreibt eine Vorrichtung mit einem wärmeleitfähigen Teil mit einem darin, durch ein gleichförmiges Schlangenrohr gebildeten Flüssigkeitsdurchgang.
Zusammenfassung der Erfindung
Aus dem zuvor Beschriebenen wird deutlich, dass ein Bedürfnis nach einem Verfahren und einer Vorrichtung zur Kühlung einer Vorrichtung auf eine Weise aufgekommen ist, bei der die Temperaturgradienten genau geregelt werden. Gemäß der vorliegenden Erfindung werden ein Verfahren und eine Vorrichtung bereitgestellt, die dieses Bedürfnis befriedigen.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird eine Vorrichtung bereitgestellt, umfassend ein wärmeleitfähiges Teil mit einem darin ausgebildeten, schleifenförmigen Flüssigkeitsdurchgang; und eine Struktur, die entlang des genannten schleifenförmigen Flüssigkeitsdurchgangs angeordnet ist und die darin Turbulenz bewirkende Hindernisse aufweist, um ein vorgegebenes Temperaturprofil entlang des genannten schleifenförmigen Flüssigkeitsdurchgangs im genannten wärmeleitfähigen Teil benachbart zu dem genannten schleifenförmigen Flüssigkeitsdurchgang als Reaktion auf den Flüssigkeitsfluss durch den genannten schleifenförmigen Flüssigkeitsdurchgang bereitzustellen, wobei die genannte Struktur mehrere Stücke aufweist, die jeweils Turbulenz bewirken, wobei die genannten Stücke entlang des genannten schleifenförmigen Flüssigkeitsdurchgangs in Längsrichtung mit Abstand angeordnet sind und Längsabstände zwischen jedem Stück aufweisen, die sich entlang des genannten schleifenförmigen Flüssigkeitsdurchgangs ändern; wobei das genannte wärmeleitfähige Teil eine Kühlplatte umfasst, wobei die genannte Kühlplatte aus einem Material hergestellt ist, das Aluminium-Siliziumkarbid (AISiC) beinhaltet.
Gemäß einem ergänzenden Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Beibehaltung eines vorgegebenen Temperaturprofils entlang von Material eines wärmeleitfähigen Teils, das benachbart zu einem Flüssigkeitsdurchgang ist, der in dem genannten Teil ausgebildet ist, bereitgestellt, das Folgendes umfasst:
Bereitstellen einer Struktur im genannten Flüssigkeitsdurchgang, die darin ein Turbulenz bewirkendes Hindernisse aufweist, wobei der genannte Flüssigkeitsdurchgang im genannten wärmeleitfähigen Teil in einer Schleife geführt ist, wobei das genannte wärmeleitfähige Teil eine Kühlplatte umfasst, wobei die genannte Kühlplatte aus einem Material hergestellt ist, das Aluminium-Siliziumkarbid (AISiC) beinhaltet; und Auswahl einer Ausgestaltung des Hindernisses der genannten Struktur, um ein vorgegebenes Temperaturprofil entlang des genannten Flüssigkeitsdurchgangs im genannten wärmeleitfähigen Teil benachbart zu dem genannten Flüssigkeitsdurchgang als Reaktion auf den Flüssigkeitsfluss durch den genannten Flüssigkeitsdurchgang bereitzustellen; Ausgestalten der genannten Struktur derart, dass diese mehrere, jeweils Turbulenz bewirkende Stücke umfasst; Beabstandung der genannten Stücke in Längsrichtung entlang des genannten Flüssigkeitsdurchgangs; und Auswahl der Stellen der genannten Stücke derart, dass die Längsabstände zwischen jedem Stück sich entlang des genannten Flüssigkeitsdurchgangs ändern.
Gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung weist eine wärmeleitfähige, flache Platte einen darin ausgebildeten Flüssigkeitsdurchgang auf. Turbulenzen bewirkende Strukturen sind entlang des Flüssigkeitsdurchgangs angeordnet.
Kurzbeschreibung der Figuren
Für ein umfassenderes Verständnis der vorliegenden Erfindung und deren Vorteile, wird auf die nachfolgende Beschreibung anhand der begleitenden Figuren verwiesen, die Folgendes darstellen.
1 ist eine schematische, perspektivische Ansicht eines phasengesteuerten Gruppenantennensystems, das die vorliegende Erfindung verkörpert;
2 ist eine schematische, perspektivische Ansicht einer Vorrichtung, die Teil des Systems aus 1 ist, die ein elektronisches System und eine Streifenanordnung beinhaltet und die die vorliegende Erfindung verkörpert;
3 ist eine schematische, perspektivische Ansicht, mit in der Streifenanordnung der 2 durchbrochenen Bereichen und mit darin angeordneten Kühlschleifen;
4 ist eine schematische Schnittansicht der Streifenanordnung aus 3 entlang der Schnittlinie 4-4 in 3;
5 ist eine schematische Schnittansicht der Streifenanordnung aus 3 entlang der Schnittlinie 5-5 in 3;
6 ist eine schematische Aufsicht auf eine der Kühlschleifen aus 3;
7 ist eine schematische Aufsicht einer alternativen Ausführungsform der Kühlschleife aus 5, die für die Verwendung mit der Streifenanordnung der 4 geeignet ist;
8 ist eine schematische Aufsicht auf eine Kühlschleife gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
9 ist eine schematische, perspektivische Teilansicht noch einer anderen, alternativen Ausführungsform einer Kühlschleife;
10 ist eine schematische, perspektivische Teilansicht einer Kühlschleife gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
11 ist eine schematische, perspektivische Teilansicht einer Kühlschleife gemäß noch einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
12 ist eine schematische Querschnittsansicht durch eine Vorrichtung, die eine alternative Ausführungsform der Vorrichtung der 2 ist und die Aspekte der vorliegenden Erfindung verkörpert.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
1 ist eine schematische, perspektivische Ansicht eines phasengesteuerten Gruppenantennensystems 10, das eine Antenneneinheit 12, Server oder Geräte 30 und eine zentrale Steuereinheit 16 beinhaltet. Die Antenneneinheit 12 ist mit den Geräten 30 verbunden, die ihrerseits jeweils mit der zentralen Steuereinheit 16 verbunden sind. Die Antenneneinheit 12 beinhaltet eine Anordnung von Dipolen 18, die Patch-Elemente sind, die die Fähigkeit zum Senden und Empfangen von elektromagnetischen Signalen aufweisen. Jedes Gerät 30 umfasst Schaltelemente 20. Jedes Schaltelement 20 ist elektrisch mit einem zugehörigen Dipol 18 verbunden.
Während des Betriebs des Antennensystems 10 sammelt die zentrale Steuereinheit 16 die von den Dipolen 18 durch die Schaltelemente 20 empfangenen Signale und verändert die Übertragungssignale, die von den Schaltelementen 20 den Dipolen 18 zugeführt werden, so dass die von den Dipolen 18 abstammenden Strahlen im Raum ausgebildet und sehr leicht in Höhe und Richtungswinkel gerichtet werden können. Die exemplarische, in 1 offenbarte Ausführungsform ist ein Antennensystem der Art, die üblicherweise als ein aktives phasengesteuertes Gruppenantennensystem bekannt ist.
In der Ausgestaltung der 1 sind die Schaltelemente 20 Sende-/Empfangs-(T/R)-Module und enthalten monolithische, integrierte Mikrowellenschaltkreise (MMICs) 38. T/R-Module 20 verarbeiten die Signale, die zu und von jeder Antenneneinheit 12 und zentralen Steuereinheit 16 verlaufen. MMICs 38 erzeugen eine beachtliche Menge an Wärme beim Betrieb des Antennensystems 10. Folglich umfasst jedes Gerät 30 ein zugehöriges Kühlsystem, das so betrieben werden kann, dass die von den T/R-Modulen 20 und den MMICs 38 erzeugte Wärme abgeführt wird, wie später beschrieben wird.
Das Antennensystem 10 beruht auf diskreten, spezifizierten Änderungen des Phasenwinkels der Signale, die von den T/R-Modulen 20 an die Dipole 18 gesandt werden, um die Richtung der abgehenden Strahlen genau zu steuern und eine genaue Analyse der eingehenden Strahlen sicher zu stellen. Jedes T/R-Module 20 fügt in die da hindurch geführten Signale eine Phasenverschiebung ein, die mit der Temperatur schwankt. Für einen ordentlichen Betrieb des Systems müssen sämtliche T/R-Module 20 etwa dieselbe Temperatur aufweisen, so dass sie alle die gleiche Phasenverschiebung jedem der betreffenden, durch sie hindurch geführten Signale zugeben, was im Gegenzug dazu führen wird, dass die unerwünschten zusätzlichen Phasenverschiebungen alle annähernd gleich ausfallen. Die zulässige Temperaturdifferenz oder der -Gradient zwischen beliebigen zwei T/R-Modulen 20 nimmt allmählich bei allmählicher Zunahme der Betriebsfrequenz ab. Übermäßige Temperaturgradienten zwischen beliebigen zwei oder mehr T/R-Modulen 20 werden zu beachtlichen Phasenverschiebungen in den zugehörigen Signalen führen und sich nachteilig auf die Strahlen auswirken. Daher wurde das Kühlsystem entwickelt, um Wärme aus dem Gerät 30 derart abzuführen, dass ein nahezu isothermes Temperaturprofil über die T/R-Module 20 eingehalten wird.
2 ist eine schematische, perspektivische Ansicht eines der Geräte 30, das ein elektronisches System beinhaltet und welches Aspekte der vorliegenden Erfindung verkörpert. Sende-/Empfangs-(T/R)-Module 20 des Geräts 30 sind auf einer Streifenanordnung 34 mit mehreren sich davon erstreckenden Streifen 36 angebracht. Das Material der Streifenanordnung 34 ist ein Aluminium-Siliziumkarbid(AISiC)-Metall-Matrix-Verbund. Die Module 20 und Schaltkreise 38 sind unter Verwendung eines Silber-Epoxid-Klebstoffs mit guter Wärmeleitfähigkeit auf der Streifenanordnung 34 aufgebracht. Diese Art von Klebstoff ist fester als einige andere erhältliche Klebstoffe, aber wie nachfolgend beschrieben wird, schafft die vorliegende Erfindung eine effektive Temperaturregulierung, die wesentlich die thermische Ausdehnung und Kontraktion verhindert, die aufgrund unterschiedlicher Wärmeausdehnungskoeffizienten der Streifenanordnung und der Schaltkreiskomponenten zu einer Beanspruchung des Klebstoffs führen würde.
Jedes T/R-Modul 20 enthält ein zugehöriges MMIC 38. Das Gerät 30 hat wenigstens eine nicht dargestellte Stromversorgungsschnittstelle durch die Energie dem Gerät 30 und somit den T/R-Modulen 20 zugeführt wird. Montagewinkel 40 sind vorgesehen, um das Gerät 30 mechanisch an Ort und Stelle im Antennensystem 10 zu platzieren. Eine integrierte Schnittstellenlogik 42 empfängt Befehle von der Steuereinheit, die mit 16 in der 1 bezeichnet ist und die den Betrieb jedes T/R-moduls 20 festlegt.
Funkfrequenz-(RF)-Schnittstellen 44 werden verwendet, um das Gerät 30 elektrisch mit der phasengesteuerten Gruppenantenneneinheit, die mit 12 in 1 bezeichnet ist, zu verbinden.
Die Kühlmittelschnittstellen 46 umfassen jeweils einen zugehörigen Einlass 48 und Auslass 50, die einen Teil des Kühlsystems bilden, das in die Streifenanordnung 34 integriert ist. Die Einlässe 48 und Auslässe 50 können mit einem externen Kühlsystem oder einer Flüssigkeitszuführvorrichtung verbunden sein, die einen kontinuierlichen Fluss einer wärmeleitfähigen Flüssigkeit bereitstellt. Das innerhalb der Streifenanordnung 34 angeordnete Kühlsystem wird nachfolgend detaillierter anhand von 3 beschrieben.
3 ist eine schematische, perspektivische Ansicht mit zur Verdeutlichung durchbrochenen Teilen des Geräts 30 aus 2. In der illustrierten Ausführungsform fungiert die Streifenanordnung 34 als eine Kühlplatte, um eine Kühlung der verschiedenen elektronischen Bauelemente 20 und 38 des Geräts 30 zu gewährleisten. Die Streifenanordnung 34 umfasst zwei integrierte Kühlschleifen 52. Die Kühlschleifen 52 sind in der Streifenanordnung 34 ausgebildet, indem eine 1/8'' Edelstahl-Verrohrung in der Streifenanordnung 34 während der Herstellung der Streifenanordnung 34 eingebettet wird. Die Position und Ausgestaltung der Kühlschleifen 52 sind in 3 in durchbrochenen Linien veranschaulicht.
Die zentralen Durchbrüche durch die Kühlschleifen 52 geben durchgehende Flüssigkeitsdurchgänge 54 in der Streifenanordnung 34 vor.
Die Flüssigkeitsdurchgänge 54 bilden die flüssigkeitsleitenden Verbindungswege zwischen den Einlässen 48 und Auslässen 50. Demgemäß können die Kühlschleifen 52 unter Verwendung der Schnittstellen 46 mit externen Kühlsystemen 51 verbunden werden, um jeden Einlass 48 mit einem flüssigen Kühlmittel zu versorgen. Das Kühlmittel strömt von jedem Einlass 48 durch Durchgang 54 zum zugehörigen Auslass 50. Dadurch wird eine komplette Kühlmittelschleife gebildet, die die Bildung eines kontinuierlichen Stroms aus dem flüssigen Kühlmittels durch jede Kühlschleife 52 ermöglicht. Das flüssige Kühlmittel, das durch die Kühlschleife 52 strömt, nimmt die thermische Energie, die von den elektronischen Bauelementen 20 und 38 des Gerätes 30 erzeugt wird, auf. Die zur Kühlung bereitgestellte Flüssigkeitsmenge wird durch Kriterien des Druckabfalls und Systeminhalts vorgegeben. Die Erfordernisse nach hoher Packungsdichte einer aktiven, phasengesteuerten Antennengruppe führen zu kleinen Volumen für die Kühlröhren, was zu verringerten Flussraten führt. Die reduzierten Flussraten resultieren dann in erhöhtem Temperaturanstieg in der Flüssigkeit vom Einlass 48 zum Auslass 50.
T/R-Module 20 und MMICs 38 (2) sind elektronische Hochleistungsbauelemente, die im Betrieb eine beachtliche Menge an Wärme ableiten. Die Streifenanordnung 34 umfasst wärmeleitfähige Materialien, die die von den T/R-Modulen 20 und MMICs 38 erzeugte Wärme aufnehmen. Somit nimmt das flüssige Kühlmittel, das durch die Flüssigkeitsdurchgänge 54 strömt, die Wärme von der Streifenanordnung 34 auf, um die elektronischen Bauelemente 20 und 38 innerhalb des vorgegebenen Temperaturbereiches zu halten.
Die Betriebstemperatur des Gerätes 30 ist für den Betrieb aus einer Vielzahl von Gründen kritisch. Zum Beispiel ist jedes T/R-Modul 20 sehr temperaturempfindlich und arbeitet am effizientesten innerhalb eines vorgegebenen Temperaturbereiches. Daher wird jede Kühlschleife 52 dazu verwendet, die Module 20 in einem Bereich zu halten, der den effizienten Betrieb jedes T/R-Moduls 20 ermöglicht. Ferner, wie zuvor beschrieben, fügen die T/R-Module auf der Streifenanordnung unerwünschte Phasenverschiebungen den Signalen, die sie passieren, zu, und das Maß der Phasenverschiebung ändert sich temperaturabhängig. Folglich muss der Temperaturgradient zwischen irgendeinem T/R-Modul 20 und einem der anderen T/R-Module 20 in einem vorgegebenen Wertebereich bleiben. Der zulässige Temperaturgradient zwischen beliebigen zwei T/R-Modulen ist teilweise von der Betriebsfrequenz abhängig. Werden beispielsweise T/R-Module 20 mit einer Frequenz von etwa 5 GHz betrieben, beträgt der maximal zulässige Temperaturgradient über die Gruppe etwa 20°C. Im Gegensatz dazu beträgt der maximal zulässige Temperaturgradient, wenn der Betrieb bei einer Frequenz von etwa 80 GHz erfolgt, über die Gruppe etwa 1,3°C. Der ideale Temperaturgradient zwischen beliebigen zwei T/R-Modulen 20 beträgt null.
Folglich sind die Kühlschleifen 52 so ausgestaltet, dass sie flüssiges Kühlmittel zu Abschnitten der Streifenanordnung 34 führen, die die meiste Wärme der T/R-Module 20 aufnehmen. Dadurch, dass die Temperatur der Streifenanordnung 34 im Wesentlich durchgängig konstant gehalten wird, werden übermäßige Temperaturgradienten zwischen beliebigen zwei T/R-Modulen 20 vermieden. Mit anderen Worten: Um Paare der T/R-Module 20 in vorgegebenen Temperaturgradienten zu halten, muss auch das Temperaturprofil über die Streifenanordnung 34 innerhalb eines vorgegebenen Temperaturbereichs gehalten werden.
Folglich sind die Kühlschleifen 52 so entworfen und ausgelegt, dass wenigstens zwei Zielstellungen erfüllt werden: Halten des elektronischen Systems 30 in einem vorgegebenen Temperaturbereich und Erreichen eines Wärmeübergangs zwischen den T/R-Modulen 20 und dem flüssigen Kühlmittel in einer Weise, dass verhindert wird, dass beliebige zwei T/R-Module 20 einen vorgegebenen, maximalen Temperaturgradienten überschreiten.
Wie in 3 gezeigt, entsprechen sich die Kühlschleifen 52 in etwa in Größe und Ausgestaltung. Jede Kühlschleife 52 entspricht einer ovalen Ausgestaltung. In der Praxis können alternativ die Kühlschleifen 52 in beliebiger geometrischer Ausgestaltung(en) vorliegen, die ein oder mehr durchgehende Flüssigkeitsdurchgänge 54 zwischen den betreffenden Einlässen 48 und Auslässen 50 umfassen. Zusätzliche Gestaltungskriterien, betreffend die Größe und Ausgestaltung der Kühlschleifen 52, werden nachfolgend detaillierter beschrieben.
Des Weiteren kann die Anzahl der Kühlschleifen 52, die in der vorgegebenen Streifenanordnung 34 vorgesehen sind, beachtlich im Rahmen der Lehre der vorliegenden Erfindung variieren. In der Ausführungsform der 3 sind zwei Kühlschleifen 52 vorgesehen. In einer anderen Ausführungsform kann eine einzelne Kühlschleife, die sich über die ungefähre, von den Kühlschleifen 52 der 3 bedeckte Fläche erstreckt, anstelle der zwei Kühlschleifen 52 verwendet werden. In noch einer weiteren Ausführungsform können drei oder mehr Kühlschleifen, die jeweils einen unabhängigen Einlass und Auslass aufweisen, innerhalb der Streifenanordnung 34 vorgesehen sein.
4 ist eine schematische Schnittansicht entlang der Schnittlinie 4-4 aus 3. Die Querschnittsform jeder in 4 gezeigten Kühlschleife entspricht einer ovalen Ausgestaltung. In der dargestellten Ausführungsform wird die Ausgestaltung durch Biegen der Edelstahlverrohrung erreicht, die zur Ausbildung der Kühlschleifen 52 verwendet wird. Die Kühlschleifen 52, die anfänglich rund sind, werden in einem oberen Bereich 58 und einem unterem Bereich 60 so zusammengedrückt, dass sie leicht abgeflacht werden, um dessen Dimensionierung leicht zwischen 58 und 60 zu verringern. Dies ermöglicht jeder Kühlschleife 52, leichter in die Dicke 64 der Streifenanordnung 34 einzupassen. Anders formuliert: es wird dadurch ermöglicht, dass die Streifenanordnung 34 dünner ist. Die Größe der Antennenelemente 18 (1) und der Abstand zwischen ihnen nehmen allmählich mit allmählicher Zunahme der Betriebsfrequenz ab. Da die Streifenanordnungen an den zugehörigen Reihen der Antennenelemente ausgerichtet sind, müssen die Streifenanordnungen für höhere Frequenzen dünner sein. Ein weiterer Vorteil der ovalen Form ist, dass eine besondere Größe der Verrohrung, die ein höheres Volumen des flüssigen Kühlmittels durch die Kühlschleifen 52 bezogen auf das Durchflussvolumen, das durch eine runde Verrohrung mit gleicher Dicke erhältlich ist, aufnimmt, ausgewählt werden kann. In anderen Ausführungsformen kann der Querschnitt der Kühlschleifen 52 jeder denkbaren geometrischen Ausgestaltung, die den Strom des flüssigen Kühlmittels aufnimmt, entsprechen.
5 ist eine schematische Querschnittsansicht entlang der Schnittlinie 5-5 der 3, die einen Teil der Kühlschleife 52 darstellt. Die Kühlschleifen 52 beinhalten mehrere Hindernisse 62. Die Hindernisse 62 umfassen im Durchmesser verringerte Abschnitte der Flüssigkeitsdurchgänge 54, die teilweise den Flüssigkeitsstrom durch die Flüssigkeitsdurchgänge 54 behindern.
Die Hindernisse 62 bewirken Turbulenzen im Strom aus dem flüssigen Kühlmittel durch den Durchgang 54, um laminare Strömungseigenschaften des Kühlmittels durch die Durchgänge 54 zu vermeiden.
Laminarströmung durch eine kreisförmige Röhre wird theoretisch zur Prognostizierung von Druckabfall und Wärmeübertragung gut verstande. Laminarströmung beruht auf inneren Strömungen mit kleiner Reynolds-Zahl. Ströme mit kleiner Reynolds-Zahl durch einen Flüssigkeitsdurchgang 54 können das Ergebnis von geringen Strömungsraten des flüssigen Kühlmittels und/oder der Verwendung eines flüssigen Kühlmittels mit hoher Viskosität sein. Bei Laminarströmung ist die Geschwindigkeitsverteilung der Flüssigkeit quer über einen kreisförmigen Durchgang im Wesentlichen parabolisch. Die Geschwindigkeit des flüssigen Kühlmittels im Zentrum des Flüssigkeitsdurchgangs entspricht etwa der doppelten Durchschnittsgeschwindigkeit des flüssigen Kühlmittels. Die Geschwindigkeit des flüssigen Kühlmittels, nahe zur Wand des Flüssigkeitsdurchgangs nähert sich Null an. Daher verbleibt das nahezu stagnierende flüssige Kühlmittel, am nächsten zur Oberfläche des Flüssigkeitsdurchgangs, auf einer höheren Temperatur als das flüssige Kühlmittel in der Nähe einer zentralen Längslinie 66 des Flüssigkeitsdurchgangs. Die höhere Temperatur ist ein Ergebnis des Wärmeübergangs von der Wand auf die Flüssigkeit. In der dargestellten Ausführungsform ist die Oberfläche 55 des Flüssigkeitsdurchgangs 54 die Innenwand der Verrohrung, die den Flüssigkeitsdurchgang 54 bildet.
Durch die Bewirkung turbulenter Strömungseigenschaften in der Strömung aus dem flüssigen Kühlmittel durch den Flüssigkeitsdurchgang 54 wird eine gleichförmigere Temperaturverteilung zwischen dem flüssigen Kühlmittel an der zentralen Längslinie 66 and dem flüssigen Kühlmittel in der Nähe der Oberfläche des Flüssigkeitsdurchgangs erreicht. Mit anderen Worten: der Temperaturgradient über die Querschnittsfläche des Flüssigkeitsdurchgangs geht gegen Null. Folglich wird das flüssige Kühlmittel in der Nähe der Oberfläche 55 des Flüssigkeitsdurchgangs 54 tiefere Temperaturen bei turbulenter Strömung als bei laminarer Strömung annehmen. Dies liegt daran, dass die Turbulenz die Flüssigkeit mischt und somit durch die Flüssigkeit eine nahezu durchschnittliche Temperatur erzeugt wird, die niedriger in der Nähe der Oberfläche 55 ist, als es der Fall bei laminarer Strömung ist. Folglich wird ein effizienteres Kühlsystem erreicht, da kühleres, flüssiges Kühlmittel, an angrenzenden Oberflächen 55 mehr Wärme von zur Oberfläche 55 benachbarten Abschnitten der Streifenanordnung 34 aufnimmt. Die bewirkte Turbulenz verringert den Temperaturgradienten in der Flüssigkeit in der Nähe der Rohroberfläche 55, was zu einer gesteigerten Wärmeübertragung bei einem vorgegebenen Temperaturunterschied zwischen der Flüssigkeit und der Rohroberfläche 55 führt.
Bei der dargestellten Ausführungsform betritt Kühlmittel den Einlass 48 mit einer vorgegebenen Temperatur und nimmt kontinuierlich Wärme von Abschnitten der Streifenanordnung 34 benachbart zum Flüssigkeitsdurchgang 54 auf. Daher steigt die Temperatur des flüssigen Kühlmittels beim Strömen durch den Durchgang allmählich. Da die Temperatur des flüssigen Kühlmittels allmählich beim Strömen durch den Flüssigkeitsdurchgang 54 steigt, nimmt die Fähigkeit des flüssigen Kühlmittels, Wärme von der Streifenanordnung 34 aufzunehmen, mit dem Strömen des flüssigen Kühlmittels durch den Flüssigkeitsdurchgang 54, beim Fehlen von Turbulenzen ab. Die verringerte Fähigkeit, Wärme abzuführen, führt zu lokal zunehmenden Temperaturen in der Anordnung 34.
Hindernisse 62 bewirken in der Strömung des flüssigen Kühlmittels durch den Flüssigkeitsdurchgang 54 Turbulenzen, indem die Grenzschicht, die mit Strömungen des laminaren Typs verbunden ist, unterbrochen wird. Beim Strömen des flüssigen Kühlmittels durch den Flüssigkeitsdurchgang 54 wird das flüssige Kühlmittel am nächsten zur Oberfläche des Flüssigkeitsdurchgangs 54 gestört, wenn es auf die Hindernisse 62 trifft. Folglich wird das flüssige Kühlmittel, am nächsten zur Oberfläche des Flüssigkeitsdurchgangs 54, in Richtung der zentralen Linie 66 des Flüssigkeitsdurchgangs 54 abgelenkt. Die Ablenkung der Flüssigkeit verursacht eine Mischung der Flüssigkeit innerhalb des Flüssigkeitsdurchgangs 54 oder bewirkt Turbulenzen.
Da Turbulenzen eine gleichförmigere Verteilung der Temperatur des flüssigen Kühlmittels im Flüssigkeitsdurchgang 54 bewirken, wird die Temperatur des flüssigen Kühlmittel nahe zur Oberfläche des Flüssigkeitsdurchgangs 54 niedriger bleiben als die des flüssigen Kühlmittels nahe der Oberfläche eines vergleichbaren Flüssigkeitsdurchgangs, der laminare Strömungseigenschaften aufweist. Folglich nimmt die Kühleffizienz, die durch das flüssige Kühlmittel durch den Durchgang 54 bereitgestellt wird, zu, da das kühlere, flüssige Kühlmittel nahe zur Oberfläche des Flüssigkeitsdurchgangs 54 mehr Wärme von benachbarten Abschnitten der Streifenanordnung 34 aufnimmt, als bei laminarer Strömung aufgenommen würde.
In 5 ist jedes Hindernis 62 in Längsrichtung entlang des Flüssigkeitsdurchgang 54 beabstandet zu benachbarten Hindernissen 62 angeordnet. Die Längsabstände 68 und 84–86 zwischen benachbarten Hindernissen 62 variieren entlang der Länge des Flüssigkeitsdurchgangs 54 zwischen dem Einlass 48 und dem Auslass 50. Die spezifische Gestaltung der Hindernisse 62 im Flüssigkeitsdurchgang 54 and deren Vorzüge sind in 6 dargestellt und anhand dieser detaillierter beschrieben.
6 ist eine schematische Aufsicht der Kühlschleife 52. Die Kühlschleife 52 umfasst den Einlass 48, den Auslass 50 und den zwischen dem Einlass 48 und dem Auslass 50 ausgebildeten Flüssigkeitsdurchgang 54. In 6 nehmen die Abstände 68–86 zwischen benachbarten Hindernissen 62 im Wesentlichen mit zunehmendem Abstand vom Einlass 48 ab, wobei der kürzeste Abstand zwischen benachbarten Hindernissen am nächsten zum Auslass 50 auftritt. Die Abstände 69 und 81 sind im Allgemeinen größer als benachbarte Abstände 70–72 beziehungsweise 78–80. Dies liegt teilweise an den vorhandenen Krümmern 90 und 92. Krümmer 90 und 92 neigen dazu Turbulenzen in der hindurchgehenden Strömung aufgrund ihrer Gestaltung hervorzurufen. Folglich ist es nicht notwendig, Hindernisse 62 innerhalb der Abschnitte des Durchgangs 54, die in und unmittelbar benachbart zu den Krümmern 90 und 92 liegen, anzuordnen.
Die Abstände 68–73 treten zwischen benachbarten Hindernissen 62 nahe zum Einlass 48 entlang des Durchgangs 54 auf. Die Abstände 74–86 treten zwischen den Hindernissen 62 nahe zum Auslass 50 entlang des Durchgangs 54 auf. Da die Abstände 68–86 im Wesentlichen entlang des Durchgangs 54 vom Einlass 48 zum Auslass 50 abnehmen, ist der Durchschnitt der Abstände 68–73 größer als der Durchschnitt der Abstände 74–86. Folglich nimmt die Stärke der Turbulenz, die im Strom des Kühlmittels durch den Flüssigkeitsdurchgang 54 hervorgerufen wird, allmählich mit allmählich zunehmender Temperatur des Kühlmittels, das durch den Durchgang 54 strömt, zu. Dies führt dazu, dass die Flüssigkeit in etwa gleicher Rate entlang des gesamten Durchgangs Wärme aufnimmt, wie nachfolgend beschrieben wird.
Aufgrund der Ausgestaltung und des Wärme-Outputs der T/R-Module (2) ist die Wärmemenge, die vom flüssigen Kühlmittel von den zum Flüssigkeitsdurchgang 54 benachbarten Abschnitten der Streifenanordnung 34 aufgenommen wird, in etwa konstant entlang der Länge des Flüssigkeitsdurchgangs 54. Der variabel abnehmende Abstand zwischen benachbarten Hindernissen hält einen minimalen Temperaturgradienten über die Abschnitte der Streifenanordnung 34, die benachbart zum Flüssigkeitsdurchgang 54 liegen, bei. Ein geeignete Wahl der Abstände zwischen betreffenden Hindernissen 62 ermöglicht, dass die Wärmeübertragungseigenschaften des Kühlsystems maßgeschneidert werden, um eine nahezu isotherme Oberflächentemperatur auf den zur Kühlschleife 52 benachbarten Abschnitten der Streifenanordnung 34 zu erreichen.
Um ein nahezu isothermes Temperaturprofil über sämtliche T/R-Module 20 (2) beizubehalten, muss die Streifenanordnung 34 auf nahezu gleichförmiger Temperatur verbleiben. Um dies zu erreichen, ist es erwünscht, dass das flüssige Kühlmittel Wärme von benachbarten Abschnitten der Streifenanordnung 34 mit konstanter Rate entlang des Durchgangs 54 aufnimmt. Da die Temperatur des flüssigen Kühlmittels beim Strömen durch den Durchgang 54 zunimmt, nimmt der Temperaturunterschied zwischen der Streifenanordnung und dem flüssigen Kühlmittel ab, was dazu führt, das die Rate, mit der das flüssige Kühlmittel Wärme aufnehmen kann, abnimmt. Durch allmähliches Hervorrufen größerer Turbulenzstärken ist es möglich, dass das flüssige Kühlmittel die Aufnahme der Wärme mit der erwünschten Rate fortsetzt, obwohl sich sogar das flüssige Kühlmittel aufheizt.
In einer anderen Ausführungsform können die Hindernisse basierend auf ihrer Nähe zu verschiedenen Wärmequellen angeordnet sein. Beispielsweise können Hindernisse in Gebieten konzentriert sein, die benachbart zu Abschnitten der Streifenanordnung 34 liegen, die die meiste Wärme von benachbarten T/R-Modulen aufnehmen. Mit anderen Worten: es können multiple, eng beabstandete Hindernisse unmittelbar benachbart zu größeren und/oder dicht beabstandeten T/R-Modulen 20 angeordnet sein.
Um die T/R-Module 20 der 2 in vorgegebenen Temperaturgradienten zueinander zu halten, sind Hindernisse 62 derart vorgesehen, dass die Beabstandung zwischen benachbarten Hindernissen am kleinsten in der Nähe des Auslasses, wo die Temperaturen des flüssigen Kühlmittels am höchsten sind, ist. Folglich nimmt die Häufigkeit der turbulenten Mischung des flüssigen Kühlmittels mit zunehmender Temperatur des flüssigen Kühlmittels zu. Auf diese Weise bleibt die Temperatur des flüssigen Kühlmittels in der Nähe der Oberfläche des Flüssigkeitsdurchgangs 54 gleichförmiger entlang der Oberfläche des Flüssigkeitsdurchgangs 54. Mit anderen Worten: selbst wenn die Temperatur des flüssigen Kühlmittels kontinuierlich ansteigt, bleibt die Temperatur des flüssigen Kühlmittels am nächsten zur Oberfläche des Flüssigkeitsdurchgangs 54 in einem vorgegebenen Temperaturbereich.
Folglich wird die Lehre der vorliegenden Erfindung dazu verwendet, simultan die Betriebstemperatur, die Wärmeübertragungsrate und den Temperaturgradient zwischen diversen Bauelementen zu regeln. In der dargestellten Ausführungsform kann die Temperatur der Edelstahl-Verrohrung, die den Flüssigkeitsdurchgang 54 bildet, innerhalb einer 2°C Schwankung vom Einlass 48 zum Auslass 50 während des Betriebs der Vorrichtung 30 liegen.
7 ist eine schematisch Aufsicht auf eine Kühlschleife 152, die eine alternative Ausgestaltung der Kühlschleife 52 ist. Die Kühlschleife 152 umfasst einen Einlass 148, einen Auslass 150 und eine Verrohrung, die sich vom Einlass 148 zum Auslass 150 erstreckt. Mehrere Hindernisse 162 sind in der Kühlschleife 152 vorgesehen, um Turbulenzen in dem flüssigen Kühlmittel hervorzurufen, das durch den Flüssigkeitsdurchgang 154 strömt. In der Ausführungsform der 7 sind die Hindernisse 162 entlang der Länge der Verrohrung in etwa gleichmäßig von benachbarten Hindernissen beabstandet. Mit anderen Worten: der Abstand zwischen benachbarten Hindernissen bleibt in etwa vom Einlass 148 zum Auslass 150 konstant. Der Abstand zwischen Hindernissen 162, die benachbart zu den Krümmern 190 und 192 liegen, ist größer, dies jedoch aus Gründen, die zuvor mit Bezug auf 5 beschrieben wurden.
Es gibt zahlreiche Gründe eine Kühlschleife 152 mit Hindernissen 162 entlang der Verrohrung zu versehen, die in etwa gleichmäßig beabstandet sind. In einer Ausführungsform wird die Kühlschleife 152 eine effizientere Kühlung eines zugehörigen Bauelements bereitstellen als eine Kühlschleife ohne Hindernisse. Da die Erzeugung von Turbulenzen im Flüssigkeitsdurchgang 154 eine Mischung des flüssigen Kühlmittels im Flüssigkeitsdurchgang 154 bewirkt, werden Hindernisse 162 für geringere Temperaturen des flüssigen Kühlmittels in der nächsten Oberfläche des Flüssigkeitsdurchgangs 154 sorgen. Dies befähigt die Kühlschleife 152 dazu, mehr Wärme von benachbarten Bauelementen aufzunehmen als es mit einer Kühlschleife ohne Hindernisse möglich ist.
Entsprechend werden in etwa gleiche Abstände zwischen benachbarten Hindernissen 162 dort vorgesehen, wo mehr Wärme erzeugende Bauelemente benachbart zu den Abschnitten des Flüssigkeitsdurchgangs 154 angeordnet sind, die nahe zum Einlass 148 liegen als zu den Abschnitten des Flüssigkeitsdurchgangs 154, die nahe zum Auslass 150 liegen. Maximale Wärmeübertragung ist in Abschnitten des Flüssigkeitsdurchgangs 154 erforderlich, die am dichtesten zum Einlass 148 liegen. Folglich stellt der Zuwachs der Temperatur des flüssigen Kühlmittels mit Annäherung des flüssigen Kühlmittels an den Auslass 150 kein Problem dar, da weniger Wärmeübertragung in dem Abschnitt des Flüssigkeitsdurchgangs 154, der am dichtesten zum Auslass 150 liegt, benötigt wird.
8 ist eine schematische Aufsicht einer Kühlschleife 252, die eine weitere alternative Ausgestaltung der Kühlschleife 52 darstellt, in die Aspekte der vorliegenden Erfindung eingearbeitet sind.
Die Kühlschleife 252 umfasst einen Einlass 248, einen Auslass 250 und eine schlangenförmige Verrohrung, die sich vom Einlass 248 zum Auslass 250 erstreckt.
Die Verrohrung stellt einen flüssigkeitsleitenden Verbindungsweg für ein flüssiges Kühlmittel zwischen dem Einlass 248 und dem Auslass 250 bereit. Mehrere Vertiefungen 262 sind auf der Verrohrung ausgebildet, die Vorsprünge im Flüssigkeitsdurchgang innerhalb der Verrohrung bilden. Die Vertiefungen 262 erzeugen ähnlich wie die Hindernisse 62, die mit Bezug auf die 5-6 beschrieben wurden, Turbulenzen im flüssigen Kühlmittel, das durch den Durchgang strömt.
Die Vertiefungen 262 sind auf der Kühlschleife 252 ausgebildet, um gesteigerte Turbulenzen im Strom aus dem flüssigen Kühlmittel durch den Durchgang an Stellen zu erzeugen, wo der stärkste Wärmeübergang zwischen der Kühlschleife 252 und benachbarten, wärmeerzeugenden Bauelementen benötigt wird. Mit anderen Worten: falls sich die Verrohrung benachbart zu einem Gerät erstreckt, das vergleichsweise große Mengen an Wärmeenergie erzeugt, können einige Vertiefungen 262 sehr nah an dieser Stelle auf der Kühlschleife 252 vorgesehen werden. Entsprechend kann die Verrohrung so ausgestaltet werden, dass Abschnitte der Verrohrung unmittelbar unterhalb und/oder unmittelbar benachbart zu den Gebieten, wo der größte Wärmeübergang erforderlich ist, verlaufen. Beispielsweise umfasst die Verrohrung Bereiche 256 and 258 mit einer großen Anzahl von dicht beabstandeten Vertiefungen 262. Die Kühlschleife 252 ist so ausgestaltet, dass die Bereiche 256 und 258 unmittelbar benachbart zu elektronischen Bauelementen, die beachtliche Wärmeenergie emittieren, auftreten.
Die Ausgestaltung der Kühlschleife 252 kann ebenso der Dichte der wärmeerzeugenden Geräte in benachbarter Ausstattung entsprechen. Zum Beispiel umfasst in der in 8 gezeigten Ausgestaltung die Kühlschleife 252 eine großvolumige Verrohrung, die in einem unteren Abschnitt 264 der Kühlschleife 252 konzentriert ist. In dieser Ausgestaltung können Elektronik oder andere wärmeerzeugenden Geräte bei der Ausstattung am nächsten zum unteren Abschnitt 264 konzentriert werden. Umgekehrt weist ein oberer Abschnitt 266 der Kühlschleife 252 ein kleineres Volumen der Verrohrung als der untere Abschnitt 264 auf. In dieser Ausgestaltung kann eine kleinere Wärmemenge von der zum oberen Abschnitt 266 benachbarten Ausstattung als von der zum unteren Abschnitt 264 benachbarten Ausstattung erzeugt werden.
Die spezifische Stelle der Vertiefungen 262 kann anhand von empirischen Daten ausgewählt werden, die während des Betriebs eines Systems, in den die Kühlschleife 252 eingearbeitet ist, gesammelt werden. In einer anderen Ausgestaltung können computerberechnete flüssigkeitsdynamische Untersuchungen verwendet werden, um die meist effiziente Größe und Ausgestaltung der Vertiefungen vorherzusagen.
Diverse Turbulenz erzeugende Strukturen sind verwendungsfähig im Umfang der Lehre der vorliegenden Erfindung. Zum Beispiel erzeugt jedes der Hindernisse 62 und der Vertiefungen 262 Turbulenzen in deren betreffende Durchgängen 54 und 254.
In der Praxis kann jegliche Struktur, die mit dem Flüssigkeitsdurchgang 254 derart zusammenwirkt, dass Turbulenzen in der Strömung des flüssigen Kühlmittels durch den Flüssigkeitsdurchgang bewirkt werden, in den Umfang der Lehre der vorliegenden Erfindung fallen. Einige Beispiele werden anhand der 9–11 nachfolgend beschrieben.
9 ist eine schematische, perspektivische Ansicht eines Abschnitts der Verrohrung 100 mit einem darin angeordneten Flüssigkeitsdurchgang 102. Mehrere Vertiefungen 104 erstrecken sich von einer Oberfläche 106 des Flüssigkeitsdurchgangs 102 in Richtung einer zentralen Längsachse 108 des Flüssigkeitsdurchgangs 102. Die Vertiefungen 104 bewirken Turbulenzen in einer Strömung aus dem flüssigen Kühlmittel durch den Durchgang 102.
Die Vertiefungen 104 der 9 entsprechen einer im Wesentlichen gekerbten Ausgestaltung und kann durch Anlegen von Druck an die Oberfläche 106 mit einem angespitztem Instrument gebildet werden, indem die Verrohrung 100 verbogen wird. In einer Ausgestaltung kann die Verrohrung 100 eine 1/8'' Edelstahl-Verrohrung sein. Die Edelstahl-Verrohrung ist ausreichend verfombar, um unter Verwendung einer Zange oder einem anderen geeigneten Werkzeug deformiert zu werden, andererseits beständig genug, die übermäßige Temperatur und den Druck auszuhalten, die mit dem für die Bildung der Streifenanordnung 34 (2) verwendeten Herstellungsprozess einhergehen.
10 ist eine schematische, perspektivische Ansicht eines Abschnitts der Verrohrung 200, die eine alternative Ausgestaltung der Verrohrung 100 ist und die die Lehre der vorliegenden Erfindung verkörpern. Die Verrohrung 200 umfasst einen darin ausgebildeten Flüssigkeitsdurchgang 202. Mehrere Quetschungen 204 sind auf der Verrohrung 200 ausgebildet, die teilweise den Flüssigkeitsdurchgang 202 behindern, um Turbulenzen im Flüssigkeitsstrom durch den Flüssigkeitsdurchgang 202 zu bewirken. In dieser Ausgestaltung erstreckt sich jede Quetschung 204 nach innen von einer Oberfläche 206 der Verrohrung 200 in Richtung einer zentralen Längsachse 208. Jede Quetschung 204 weist eine korrespondierende, diametral gegenüberliegende Quetschung 204 mit einer ähnlichen Ausgestaltung auf. Die Quetschungen 204 der 10 können durch "Quetschung" der Verrohrung 200 an diversen Stellen entlang deren Länge gebildet werden.
11 ist eine schematische, perspektivische Ansicht eines Abschnitts der Verrohrung 300, die eine weitere alternative Ausgestaltung der Verrohrung 100 ist und die Aspekte der vorliegenden Erfindung verkörpert. Die Verrohrung 300 hat eine im Wesentlichen ovale Querschnittsform. In der Praxis kann die Verrohrung 300 durch Zusammendrücken einer runden Verrohrung ausgebildet werden. Alternativ kann eine Verrohrung mit ovaler Querschnittsform für die Verwendung im Bereich der Lehre der vorliegenden Erfindung hergestellt werden. Eine ovale Ausgestaltung der Verrohrung kann dort wünschenswert sein, wo der dadurch verlaufende Flüssigkeitsdurchgang 302 mit einer eingeschränkten Dicke versehen werden muss. Diese Situation kann auftreten, wenn der Flüssigkeitsdurchgang 302 innerhalb einer sehr dünnen Streifenanordnung auszubilden ist. Der ovale Querschnitt des Flüssigkeitsdurchgangs 302 ermöglicht den Transport eines größeren Volumens des flüssigen Kühlmittels durch ein dünnes Profil der Streifenanordnung.
Während alle anderen Dinge vergleichsweise gleich bleiben, ist die Verrohrung mit einem runden Querschnitt im Allgemeinen stabiler als eine Verrohrung mit ovalem Querschnitt. Die ovale Verrohrung wird ein größeres Volumen der Flüssigkeit durch einen Raum mit eingeschränkter Dicke aufnehmen. Folglich ist beim Entwurf des Flüssigkeitsdurchgangs 302 dieser Kompromiss zu berücksichtigen.
Mehrere Hindernisse 304 erstrecken sich von einer Oberfläche 306 der Verrohrung 300 in Richtung einer zentralen Achse 308 der Verrohrung 300.
Hindernisse 304 bilden durchgehende Ringe, die sich jeweils entlang eines Umfangs des Durchgangs 302 in einer Ebene erstrecken, die in etwa rechtwinklig zur Längsachse 308 des Durchgangs 302 verläuft. Wie zuvor anhand von 5 beschrieben, sind Hindernisse 304 vorgesehen, um Turbulenzen in der Strömung aus einer Flüssigkeit durch den Flüssigkeitsdurchgang 302 zu bewirken.
12 ist eine schematische Querschnittsansicht eines Systems 430 gemäß einer alternativen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung. Das System 430 umfasst mehrere wärmeerzeugende Geräte 431 und 432, die mit einer wärmeleitenden Platte 434 verbunden sind. Ein Flüssigkeitsdurchgang 454 erstreckt sich durch Abschnitte der Platte 434. Der Flüssigkeitsdurchgang 454 bildet einen flüssigkeitsleitenden Verbindungsweg zwischen einem Einlass und einem Auslass des Flüssigkeitsdurchgangs 454.
Mehrere Turbulenzen erzeugende Strukturen 462 sind innerhalb des Flüssigkeitsdurchgangs 454 angeordnet und erstrecken sich von einer Oberfläche 455 des Flüssigkeitsdurchgangs 454 in Richtung einer zentralen Achse 453 des Flüssigkeitsdurchgangs 454. Wie zuvor veranschaulicht und beschrieben, erzeugen Turbulenz bewirkende Strukturen 462 turbulente Strömung in Reaktion auf eine Flüssigkeitsströmung durch den Flüssigkeitsdurchgang 454.
Der Flüssigkeitsdurchgang 454 ist so ausgelegt, dass ein vergleichsweise hohe Wärmeübertragung an besondere Abschnitte der Platte 434 bereitgestellt wird. Zum Beispiel sind eine größere Anzahl an wärmeerzeugenden Geräte 432 als wärmeerzeugende Geräte 431 vorhanden und erstere sind dichter gruppiert. Folglich wird eine vergleichsweise größere Wärmemenge von der Platte 434 in solchen Bereichen aufgenommen, die benachbart zu den wärmeerzeugenden Geräten 432 liegen.
Der Flüssigkeitsdurchgang 454 umfasst einen zentralen Abschnitt 458, der einen Winkel θ bezogen auf eine imaginäre horizontale Achse 459 einnimmt. Folglich liegt der Flüssigkeitsdurchgang 454 vergleichsweise dichter an den wärmeerzeugenden Geräten 432 als an den wärmeerzeugenden Geräten 431. Daher wird die Wärmeübertragung zwischen dem flüssigen Kühlmittel und den wärmeerzeugenden Geräten 432 effizienter ablaufen als mit den wärmeerzeugenden Geräten 431. Auch die Ausgestaltung des zentralen Abschnitts 458 wird turbulente Strömungseigenschaften in der Flüssigkeitsströmung durch den Flüssigkeitsdurchgang 454 hervorrufen, da der Flüssigkeitsdurchgang 454 nicht als glatte, kreisförmige Röhre ausgebildet ist.
In der Ausgestaltung der 1-6 wird die Streifenanordnung 34 aus Aluminium-Siliziumkarbid mit darin eingebetteter Edelstahl-Verrohrung ausgebildet. Verschiedene andere Materialien können für die die Streifenanordnung 34 und/oder die Kühlschleife 52 im Rahmen der Lehre der vorliegenden Erfindung verwendet werden. Zum Beispiel sind diverse wärmeleitfähigen Materialien erhältlich, um eine Streifenanordnung 34 zu bilden.
Die Streifenanordnung 34 sorgt für die Kühlung des Geräts 30 und dient ebenso als strukturelle Halterung für T/R-Module 20.
Daher sollte bei der Auswahl des Materials zur Bildung der Streifenanordnung 34 dieses berücksichtigt werden. In anderen Ausgestaltungen kann das zu Bildung der Streifenanordnung 34 verwendete Materiale diverse Keramik, metallkeramische Werkstoffe, mit Kupfer infiltriertes Graphit, pulvermetallurgische oder andere wärmeleitbar gemachte Verbundmaterialien beinhalten.
Entsprechend sind diverse wärmeleitfähige Materialien zur Einbettung in der Streifenanordnung 34 erhältlich, um den Flüssigkeitsdurchgang 54 zu bilden. Edelstahl bietet aufgrund dessen Widerstandsfähigkeit, hohen Schmelzpunkt, Kosten und Verfügbarkeit viele Vorteile. In der dargestellten Ausführung erfordert die Bildung der Streifenanordnung 34 sehr hohe Temperaturen und Drücke. Diese Kriterien können bei der Auswahl eines geeigneten Materials zur Einbettung in der Streifenanordnung 34, um den Flüssigkeitsdurchgang 54 zu bilden, Berücksichtigung finden. Jedoch Kupfer, andere Metalle und/oder Verbundmaterialien können in der Streifenanordnung 34 eingebettet werden, um den Flüssigkeitsdurchgang 54 zu bilden.
In einer alternativen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung kann der Flüssigkeitsdurchgang ohne die Verwendung einer eingebetteten Verrohrung geschaffen werden. Beispielsweise kann der Flüssigkeitsdurchgang als ein Hohlraum innerhalb einer Streifenanordnung während des Herstellungsverfahrens, welches ein Guss- oder anderes Hohlraum bildendes Verfahren verwendet, gebildet werden. Alternativ kann der Flüssigkeitsdurchgang in einer gegebenen Struktur durch Bohren, Schleifen oder irgendein anderes Ausbohrverfahren gebildet werden.
Diverse flüssige Kühlmittel sind für die Verwendung im Umfang der Lehre der vorliegenden Erfindung verfügbar. In den dargestellten Ausgestaltungen wird Polyalphaolefin (PAO) verwendet. Jedoch andere dielektrische Öle oder Ethylenglycol/Wasser-Mischungen können im Umfang der Lehre der vorliegenden Erfindung verwendet werden.
Die vorliegende Erfindung stellt eine Anzahl von technischen Vorteilen bereit. Einer der solchen Vorteile beruht auf der Verwendung von Turbulenzen erzeugenden Strukturen innerhalb des Flüssigkeitsdurchgangs die Turbulenzen in Reaktion auf die Flüssigkeitsströmung durch den Durchgang hervorrufen. Turbulente Strömungseigenschaften haben viele Vorteile gegenüber laminaren Strömungseigenschaften. Wenn beispielsweise ein flüssiges Kühlmittel durch einen Flüssigkeitsdurchgang strömt und Turbulenzen hervorgerufen werden, kommt es zu einer Mischung zwischen der am nächsten zur zentralen Achse des Flüssigkeitsdurchgangs befindlichen Flüssigkeit und der am nächsten zur Oberfläche des Flüssigkeitsdurchgangs befindlichen Flüssigkeit. Folglich wird die Flüssigkeitstemperatur am nächsten zur Oberfläche des Flüssigkeitsdurchgangs verringert, wodurch ermöglicht wird, dass das Kühlmittel Wärme von benachbarten Bauelementen effizienter aufnimmt.
Ein anderer technischer Vorteil beruht auf der Verwendung verschiedener Abstände zwischen benachbarten, Turbulenzen erzeugenden Strukturen entlang des Flüssigkeitsdurchgangs. Durch Veränderung des Abstands zwischen benachbarten Strukturen kann eine turbulente Strömung auf präzise und genaue Weise an Stellen eines Kühlsystems hervorgerufen werden, wo ein vergleichsweise starker Wärmeübergang erwünscht ist. Folglich können die spezifische Anzahl, Größe, Ausgestaltung und Stelle der Strukturen ausgewählt werden, um ein vorgegebenes Temperaturprofil über Abschnitte eines wärmeleitfähigen Teils, das benachbart zum Flüssigkeitsdurchgang liegt, zu erreichen.
Noch ein weiterer technischer Vorteil beruht auf der Verwendung eines allmählich mit zunehmender Entfernung von einem Einlass des Flüssigkeitsdurchgangs abnehmenden Abstands zwischen benachbarten, Turbulenzen hervorrufenden Strukturen. Da die Temperatur des flüssigen Kühlmittels, das durch einen Durchgang strömt, schon an sich zunimmt, sind mehr Turbulenzen typischerweise in Abschnitten des Flüssigkeitsdurchgangs erforderlich, die am weitesten entfernt vom Einlass liegen. Auf diese Weise nehmen die turbulenten Strömungseigenschaften allmählich entlang des Durchgangs zu, um einen stärkeren Wärmeübergang vom Kühlmittel mit Zunahme der Flüssigkeitstemperatur zu ermöglichen.
Immer noch ein weiterer technischer Vorteil der vorliegenden Erfindung umfasst die Bestimmung einer spezifischen Ausgestaltung des Flüssigkeitsdurchgangs und der zugehörigen Turbulenzen bewirkenden Strukturen, um so ein Wärmeübertragungsprofil zu schaffen, das den Wärmeerzeugungs- und -Aufnahmeeigenschaften der benachbarten, wärmeleitfähigen Teilen entspricht. Folglich kann der Temperaturgradient zwischen diversen Bauelementen eines Wärme erzeugenden Systems in einem vorgegebenen Wertebereich gehalten werden.
Obwohl einige Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung dargestellt wurden und im Detail beschrieben wurden, sollte deutlich werden, dass diverse Austauschungen und Abwandlungen daran vorgenommen werden können, ohne dass dadurch vom Umfang der Erfindung abgewichen wird. Beispielsweise betreffen die offenbarten Ausführungsformen einen Flüssigkeitsdurchgang, der innerhalb einer Kühlplatte ausgebildet ist, die in Beziehung mit einem elektronischen System steht. Die Lehre der vorliegenden Erfindung kann zur Kühlung und/oder zum Beibehalt eines Maximalwertes des Temperaturgradienten in diskreten elektronischen Bauelementen, die dicht gepackt sind und die eine Kühlung erforderlich machen, verwendet werden. In der Tat kann die Lehre der vorliegenden Erfindung in jeglichen Flüssigkeitsdurchgang, in dem die lokale Zunahme von turbulenten Strömungseigenschaften erwünscht ist, eingearbeitet werden. Mehr noch: obwohl die offenbarten Ausgestaltungen dazu bestimmt sind, die Temperaturgradienten innerhalb einer Vorrichtung zu minimieren, eignet sich die vorliegende Erfindung gleichermaßen für die Aufrechterhaltung eines ausgewählten Temperaturunterschieds zwischen zwei Punkten in einer Vorrichtung.

Claims

Vorrichtung, umfassend: ein wärmeleitfähiges Teil (34) mit einem darin ausgebildeten, schleifenförmigen Flüssigkeitsdurchgang (54); und eine Struktur (52), die entlang des genannten schleifenförmigen Flüssigkeitsdurchgangs (54) angeordnet ist und die darin Turbulenz bewirkende Hindernisse aufweist, um ein vorgegebenes Temperaturprofil entlang des genannten schleifenförmigen Flüssigkeitsdurchgangs (54) im genannten wärmeleitfähigen Teil (34) benachbart zu dem genannten schleifenförmigen Flüssigkeitsdurchgang (54) als Reaktion auf den Flüssigkeitsfluss durch den genannten schleifenförmigen Flüssigkeitsdurchgang (54) bereitzustellen; wobei die genannte Struktur (52) mehrere Stücke (70–80) aufweist, die jeweils Turbulenz bewirken, wobei die genannten Stücke (70–80) entlang des genannten schleifenförmigen Flüssigkeitsdurchgangs (54) in Längsrichtung mit Abstand angeordnet sind und Längsabstände zwischen jedem Stück aufweisen, die sich entlang des genannten schleifenförmigen Flüssigkeitsdurchgangs (54) ändern; wobei das genannte wärmeleitfähige Teil (34) eine Kühlplatte umfasst, wobei die genannte Kühlplatte aus einem Material hergestellt ist, das Aluminium-Siliziumkarbid (AISiC) beinhaltet.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei die genannte Struktur (52) Vorsprünge (62) umfasst, die sich von einer Oberfläche (55) des genannten schleifenförmigen Flüssigkeitsdurchgangs (54) in Richtung einer zentralen Längsachse des genannten schleifenförmigen Flüssigkeitsdurchgangs (54) erstrecken.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei die genannte Struktur (52) erste und zweite Vorsprünge (62) umfasst, die sich nach Innen von einer Oberfläche (55) des genannten schleifenförmigen Flüssigkeitsdurchgangs (54) erstrecken, wobei der genannte erste Vorsprung (62) dem genannten zweiten Vorsprung entlang eines Randes des genannten schleifenförmigen Flüssigkeitsdurchgangs (54) in einer zu einer Längsachse des genannten schleifenförmigen Flüssigkeitsdurchgangs (54) etwa senkrechten Ebene im Wesentlichen gegenüberliegt.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei die genannte Struktur (300) einen nach innen vorstehenden, ringförmigen Vorsprung (304) umfasst, der entlang eines Randes des genannten schleifenförmigen Flüssigkeitsdurchgangs (302) in einer zu einer Längsachse des genannten schleifenförmigen Flüssigkeitsdurchgangs (302) etwa senkrechten Ebene ausgebildet ist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei der genannte schleifenförmige Flüssigkeitsdurchgang (54) einen ersten Abschnitt (70–72) und einen zweiten Abschnitt (75–80) umfasst, wobei erste Abstände zwischen jedem Stück entlang des genannten ersten Abschnitts (70–72) größer als zweite Abstände zwischen jedem Stück entlang des genannten zweiten Abschnitts (75–80) sind.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei der genannte wärmeleitfähige Teil eine Verrohrung (200) umfasst, die wenigstens teilweise in der genannten Kühlplatte eingebettet ist, wobei die genannte Verrohrung (200) einen im Wesentlichen ovalen Querschnitt aufweist, und wobei sich der genannte schleifenförmige Flüssigkeitsdurchgang (202) durch die genannte Verrohrung (200) erstreckt.
Vorrichtung gemäß Anspruch 6, wobei die genannte Verrohrung (200) aus einem Material hergestellt ist, das Edelstahl umfasst.
Vorrichtung gemäß Anspruch 6, wobei die genannte Verrohrung (200) Quetschungen (204) umfasst, die auf der genannten Verrohrung (200) ausgebildet sind, wobei die genannten Quetschungen (204) sich in einer Richtung einer zentralen Längsachse des genannten schleifenförmigen Flüssigkeitsdurchgangs (202) erstrecken.
Vorrichtung gemäß Anspruch 6, wobei die genannte Verrohrung (100) Vertiefungen (104) umfasst, die auf der genannten Verrohrung (100) ausgebildet sind, wobei die genannten Vertiefungen (104) sich in einer Richtung einer Längsachse des genannten schleifenförmigen Flüssigkeitsdurchgangs (102) erstrecken.
Vorrichtung gemäß Anspruch 6, die ferner ein Flüssigkeitszuführgerät umfasst, das in flüssigkeitsleitender Verbindung mit dem genannten schleifenförmigen Flüssigkeitsdurchgang (202) steht, um zu bewirken, dass eine wärmeleitfähige Flüssigkeit durch den genannten schleifenförmigen Flüssigkeitsdurchgang (202) fließt.
Vorrichtung gemäß Anspruch 10, die ferner mehrere elektronische Bauelemente (38) umfasst, die thermisch mit dem genannten wärmeleitfähigen Teil (34) verbunden sind, wobei die genannten elektronischen Bauelemente (38) Wärme erzeugen, die durch den genannten wärmeleitfähigen Teil (34) an die genannte Flüssigkeit übertragen wird.
Vorrichtung gemäß Anspruch 11, die ferner ein phasengesteuertes Gruppenantennensystem (10) aufweist, welches den genannten wärmeleitfähigen Teil (34), die genannte Struktur (52) und die genannten elektronischen Bauelemente (38) umfasst.
Vorrichtung gemäß Anspruch 12, wobei das genannte Temperaturprofil isotherm ist.
Verfahren zur Beibehaltung eines vorgegebenen Temperaturprofils entlang von Material eines wärmeleitfähigen Teils, das benachbart zu einem Flüssigkeitsdurchgang ist, der in dem genannten Teil ausgebildet ist, das Folgendes umfasst: Bereitstellen einer Struktur im genannten Flüssigkeitsdurchgang, die darin ein Turbulenz bewirkendes Hindernisse aufweist, wobei der genannte Flüssigkeitsdurchgang im genannten wärmeleitfähigen Teil in einer Schleife geführt ist, wobei das genannte wärmeleitfähige Teil eine Kühlplatte umfasst, wobei die genannte Kühlplatte aus einem Material hergestellt ist, das Aluminium-Siliziumkarbid (AISiC) beinhaltet; und Auswahl einer Ausgestaltung des Hindernisses der genannten Struktur, um ein vorgegebenes Temperaturprofil entlang des genannten Flüssigkeitsdurchgangs im genannten wärmeleitfähigen Teil benachbart zu dem genannten Flüssigkeitsdurchgang als Reaktion auf den Flüssigkeitsfluss durch den genannten Flüssigkeitsdurchgang bereitzustellen: Ausgestalten der genannten Struktur derart, dass diese mehrere, jeweils Turbulenz bewirkende Stücke umfasst; Beabstandung der genannten Stücke in Längsrichtung entlang des genannten Flüssigkeitsdurchgangs; und Auswahl der Stellen der genannten Stücke derart, dass die Längsabstände zwischen jedem Stück sich entlang des genannten Flüssigkeitsdurchgangs ändern.
Verfahren gemäß Anspruch 14, das ferner Folgendes umfasst: Ausgestaltung der genannten Struktur derart, dass diese mehrere Stücke umfasst, die jeweils Turbulenz bewirken und Auswahl der Stellen der genannten Stücke derart, dass die ersten Längsabstände zwischen Stücken entlang eines ersten Abschnitts des genannten Flüssigkeitsdurchgangs größer als zweite Längsabstände zwischen Stücken entlang eines zweiten Abschnitts des genannten Flüssigkeitsdurchgangs sind.