-
Die Erfindung betrifft eine Kühlvorrichtung
für elektronische
Bauelemente mit hohen Verlustleistungsdichten, insbesondere für Hochleistungs-Mikroprozessoren,
entsprechend dem Anspruch 1.
-
Einige Bauteile von Computern, vor
allem die Prozessoren wie beispielsweise die CPU (central processing
unit) auf der Hauptplatine und die GPU (graphical processing unit)
auf der Grafikkarte, sowie Festplatten entwickeln im Betrieb infolge
der elektrischen Verlustleistung Wärme. Viele elektronische Komponenten,
vor allem die Halbleiterbauelemente, sind hitzeempfindlich. Übersteigt
deren Betriebstemperatur oder die Umgebungstemperatur ein vertretbares
Maß, etwa
70 bis 80 °C,
können
Störungen oder
dauerhafte Schäden
auftreten. Deshalb werden Kühler
eingesetzt, die die Wärme
abführen.
Diese die nen dazu, bestimmte Komponenten direkt zu kühlen, vor
allem die Prozessoren oder Festplatten.
-
Der stetig steigende Leistungsbedarf
moderner Computersoftware hat zu einem Wettlauf der Prozessorhersteller
bei den Taktfrequenzen der Mikroprozessoren im Desktop als auch
Serverbereich geführt,
die neben dem erwünschten
Mehr an Rechnerleistung gerade das oben genannte Verlustleistungsproblem
mit sich bringen. So steigt in integrierten Schaltungen die Verlustleistung
linear mit der Taktfrequenz und dem Quadrat der Core-Spannung an,
d. h., im Mittel müsste
die Versorgungsspannung geviertelt werden, um hinsichtlich der Verlustleitung eine
Verdoppelung der Taktfrequenz des Prozessors zu kompensieren. Als
weiterer Aspekt ist bei den hochintegrierten Schaltkreisen zu beobachten,
dass ein immer größerer Anteil
der Gesamtleistungsaufnahme für
Leckströme
in den Halbleiterbauelementen der Schaltkreise anfällt. Infolge
dieses zunehmenden Leistungsverbrauches in den integrierten Hochleistungsschaltkreisen
steigt die Menge der abzuführenden
Verlustwärme.
Dabei kommen moderne Prozessoren auf Verlustleitungsdichten von
100 Watt pro Quadratzentimeter und mehr; dies ist ein Vielfaches
der Leistungsdichte handelsüblicher
Elektroherdplatten, d. h., diese Halbleiterbauelemente sind ohne
zusätzliche
Kühlungsmaßnahmen
zum Hitzetod verurteilt. Es werden daher Vorrichtungen benötigt, die
die Betriebstemperatur hitzeempfindlicher Komponenten senken und
die Einhaltung der spezifizierten Betriebstemperaturen sicherstellen.
-
In heutigen Computern kommen sowohl
aktive als auch passive Kühler
zum Einsatz. Aktive Kühler
sind Lüfter,
die durch einen Ventilator die Umgebungsluft bewegen und so für einen
wirksameren Wärmeaustausch
durch Konvektion sorgen; Lüfter führen beispielsweise
die erwärmte
Luft aus einem Computergehäuse
ab bzw. kühlere
Raumluft zu. Solche aktiven Kühler
finden sich z. B. in Standardcomputernetzteilen. Passive Kühler sind
vor allem Kühlkörper. Diese
verfügen über eine
besonders große Oberfläche aus
Rippen, Lamellen oder ähnlichen Formen.
Die vergrößerte Oberfläche soll
einen umfangreicheren und rascheren Wärmeaustausch ermöglichen,
als dies bei einer glatten Oberfläche der Fall ist. Damit sich
die Wirkung voll entfalten kann, werden passive Kühler durch
Wärmeleitpaste
in möglichst
guten Kontakt mit dem zu kühlenden
elektronischen Bauelement gebracht; dies sichert maximalen Wärmetransport.
Da passive Kühlkörper jedoch
selten eine ausreichende Wärmeabfuhr
sicherstellen können,
werden sie meist durch kleine Lüfter ergänzt, die
direkt auf dem Kühlelement
montiert sind. Ein zusätzlicher
Lüfter
verursacht jedoch zusätzliche
Kosten und auch einen zusätzlichen
Energiebedarf im Betrieb. Darüber
hinaus trägt
er zu einer weiteren Erhöhung
der Geräuschkulisse
bei. Der wesentliche Nachteil der Kombination eines Kühlkörpers mit
einem Lüfter
liegt jedoch in dem zusätzlichen Risiko
des Ausfalls des Lüfters:
Da die Dimensionierung dieser Kühlkombinationen
aus Kühlkörper und Lüfter unter
Berücksichtigung
der Wirkung des Lüfters
erfolgt, bedeutet der Lüfterausfall
zwangsläufig den
Ausfall der benötigten
Kühlleistung
und damit die Gefährdung
des zu kühlenden
elektronischen Bauelements. Gerade bei nicht ständig beaufsichtigten aber ständig benötigten Netzwerkservern
bringt der Ausfall eines Prozessors neben Kosten für den Austausch
auch die Folgekosten des Systemausfalls mit sich.
-
Eine besondere Form des passiven
Kühlers ist
die Heatpipe, die z. B. in manchen Notebooks verwendet wird. Es
handelt sich dabei um Röhren,
die mit Wärme
leitender Flüssigkeit
gefüllt
sind. Die
EP 0 577 099 schlägt eine
Kühlvorrichtung
für eine
Einheit elektronischer Elemente vor, bei der mehrere elektronische
Elemente über
eine thermisch leitende, elektronisch isolierende Schicht mit einem
Basisbauteil thermisch verbunden sind, wobei die Kühlvorrichtung einen
Kühlblock
mit einer Oberfläche
vorweist, die an dem Basisbauteil angebracht wird. Weiter besitzt
die Kühlvorrichtung
wenigstens eine Wärmeröhre bzw. Heatpipe
mit einem darin eingeschlossenen Kühlmittel, wobei an einem ersten
Endbereich der Wärmeröhre Strahlungsflächen vorgesehen
sind, die im Wesentlichen rechtwinklig zu deren Achse sind. Der zweite
Endbereich der Wärmeröhre ist
im Inneren des Kühlblocks
so angeordnet, dass er sich längs
der Oberfläche
des Kühlblocks
in vertikaler Richtung erstreckt. Der erste Endbereich der Wärmeröhre ragt aus
dem Kühlblock
schräg
unter einem Winkel, der nicht größer als
90° bezüglich der
vertikalen Richtung ist, heraus. Des Weiteren werden noch Kombinationen
der Kühlvorrichtung
mit zusätzlichen
Lüftern
offenbart. Die in der
EP 0 577
099 vorgeschlagene Kühlvorrich tung
ist fertigungstechnisch äußerst aufwendig
und in der Herstellung daher sehr teuer. Darüber hinaus wird das wenigstens
eine Wärmerohr, wie
im Stand der Technik üblich,
dazu eingesetzt, um die aus der in den elektronischen Elementen
erzeugten Verlustleitung resultierende Wärme, die in den Kühlblock
eingeleitet wird, von dem Kühlblock
weg zu den Strahlungsflächen
zu leiten. Die in der
EP 0 577 099 vorgeschlagenen
Strahlungsflächen
sind im Wesentlichen rechtwinklig zu der Achse des Wärmerohres
angeordnete Flächen.
Die Ausgestaltung des Wärmeabgabebereiches
mit den Strahlungsflächen bedingt
jedoch eine Vorzugsrichtung für
die Konvektion, der die Wärme
abtransportierenden Umgebungsluft, was aber gerade hinsichtlich
der weiter vorgeschlagenen Kombination mit zusätzlichen Lüftern zuträglich ist.
-
Aufgabe der vorliegenden Erfindung
ist, eine effiziente Kühlvorrichtung
für elektronische
Bauelemente mit hohen Verlustleistungsdichten, insbesondere für Hochleistungs-Mikroprozessoren,
vorzuschlagen, die ohne zusätzliche
elektrische Lüfter auskommt.
Als eine weitere Aufgabe soll die erfindungsgemäße Kühlvorrichtung möglichst
einfach aufgebaut sein, um ein kostengünstiges Herstellen zu gewährleisten.
Als zusätzliche
Aufgabe soll die Kühlvorrichtung
hinsichtlich ihrer Wärmeabgabeeigenschaften
so ausgebildet sein, dass sie nach allen Richtungen eine gleich
gute Konvektion zulässt.
-
Die Aufgabe und die weiteren Aufgaben
der Erfindung werden gelöst
durch eine Kühlvorrichtung gemäß dem Anspruch
1. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
-
Die erfindungsgemäße Kühlvorrichtung für elektronische
Bauelemente mit hohen Verlustleistungsdichten, insbesondere für Hochleistungs-Mikroprozessoren,
weist ein Kontaktelement mit einer Kontaktfläche zur Wärmeaufnahme, welche mit einer Oberfläche des
zu kühlenden
elektronischen Bauelements in wärmeleitenden
Kontakt bringbar ist, vor. Weiter besitzt die Kühlvorrichtung als zentrales
Element ein nach Außen
hermetisch abgedichtetes, im Wesentlichen gerades und mit einem
Kühlmedium bzw.
einer Kühlflüssigkeit
befülltes
Wärmerohr.
Das Wärmerohr
besitzt an einem Ende einen Verdampfungsbereich und von diesem Ende
abgewandt in Richtung des an deren Endes einen Kondensationsbereich.
Das Wärmerohr
ist an seinem Ende mit dem Verdampfungsbereich hinsichtlich des
Kühlmediums mediumsdicht,
vorzugsweise stoffschlüssig
mit dem Kontaktelement verbunden. Eine Längsachse des Wärmerohrs
bildet mit der Kontaktfläche
des Kontaktelements einen vorbestimmten spitzen Winkel.
-
Normalerweise ist ein Wärmerohr
bzw. eine Heatpipe ein beidseitig geschlossenes Rohr mit einer kapillaren
Innenwandstruktur, welche aufgrund von Adhäsionskräften einen Rückfluss
der eingesetzten Kühlflüssigkeit
für den
Wärmetransport
zum Bereich der Wärmeaufnahme
und Verdampfung sicherstellen soll. Dies erfordert aufwendige Oberflächenbehandlungen
der Innenflächen
des Wärmerohres
bzw. den Einsatz geeigneter Strukturen, die einen Dochteffekt zum
Rücktransport
der Kühlflüssigkeit
bereitstellen. Durch den Aufbau mit dem vorbestimmten spitzen Winkel
kann bei der Erfindung vorteilhaft auf solche teuren und aufwendigen
Maßnahmen
verzichtet werden. In jeder denkbaren Einbaulage kann das Wärmerohr
der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung
so ausgerichtet werden, dass die Kühlflüssigkeit stets unter Einwirkung
der Schwerkraft im Wärmerohr
zum Verdampfungsbereich zurückfließt. Der
vorbestimmte spitze Winkel zwischen der Längsachse des Wärmerohrs
und der Kontaktfläche
liegt dazu vorzugsweise in einem Bereich von 20° bis 70°.
-
In einer bevorzugten Ausführungsform
der Kühlvorrichtung
schließt
sich der Kondensationsbereich des Wärmerohrs im Wesentlichen unmittelbar an
den Verdampfungsbereich an und erstreckt sich bis zu dem zweiten
Ende des Wärmerohres.
-
Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung einer
Kühlvorrichtung
können
mehrere Vorteile sowohl für
das Herstellen der Kühlvorrichtung
als auch für
die Kühlvorrichtung
selber realisiert werden. So ist die erfindungsgemäße Kühlvorrichtung
im Vergleich zu solchen mit bzw. ohne zusätzlichen Lüfter bei gleicher Kühlleistung
deutlich leichter, da der „Torso" der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung
als zentrale Baueinheit im Wesentlichen nur aus einem dünnwandigen
Wärmerohr
besteht. Der Einsatz eines Kühlmittels
im Inneren der der Kühlvorrichtung
ermöglicht
einen optimalen Wärmetransport
vom Ort der Verlustleitung über
den Verdampfungsbereich hin zur Oberfläche der Kühlvorrichtung im Kondensationsbereich. Durch
simple Nutzung der Schwerkraft für
eine ebenso einfache Rückführung der
Kühlflüssigkeit
zum Verdampfungsbereich wurde das Prinzip des Wärmerohrs auch hinsichtlich
des Herstellens der Kühlvorrichtung
optimiert; für
das Wärmerohr
wird lediglich ein Rohr aus einem geeigneten gut wärmeleitenden
Material benötigt.
Es sind keine aufwendigen Oberflächenbearbeitungsmaßnahmen
notwendig, um eine Kapillarwirkung zum Rücktransport der Kühlflüssigkeit
zur Ausbildung eines Wärmekreislaufes notwendig
zu erreichen. Damit ist ein kostenoptimales Herstellen möglich.
-
In der bevorzugten Ausführungsform
der Kühlvorrichtung
ist die Außenfläche des
Wärmerohrs in
dem Kondensationsbereich zusätzlich
mit Oberflächenvergrößerungselementen
zur Vergrößerung der effektiven
Kontaktoberfläche
des Wärmerohres
mit Umgebungsluft versehen. Die Oberflächenvergrößerungselemente sind dabei
besonders vorteilhaft derart angeordnet, dass eine Konvektion der
Umgebungsluft sowohl in Richtung der Längsachse des Wärmerohrs
als auch quer zu der Längsachse
des Wärmerohrs
möglich
ist. Bei der bevorzugten Ausführungsform
werden die Oberflächenvergrößerungselemente
dazu aus einer Vielzahl von Kühlstäbchen, welche
jeweils eine Kühlstäbchenlängsachse besitzen,
gebildet. Die Kühlstäbchenlängsachsen sind
jeweils im Wesentlichen senkrecht zu der Oberfläche des Wärmerohres ausgerichtet. Das
Wärmerohr
gleicht im Kondensationsbereich bildlich dem Aussehen einer Flaschenbürste, wobei
in diesem Vergleich die Borsten der Bürste den Kühlstäbchen entsprechen.
-
Dabei sind die Kühlstäbchen im Wesentlichen über der
Oberfläche
des Wärmerohrs
im Kondensationsbereich gleich verteilt.
-
In einer ersten Ausführungsform
der Kühlvorrichtung
sind die Kühlstäbchen aus
einem Stachelband, das wenigstens eine Kühlstäbchenreihe besitzt, gebildet.
Das Stachelband ist spiralförmig bzw.
helixförmig
im Kondensationsbe reich um das Wärmerohr
gewickelt und mit dem Wärmerohr
stoffschlüssig,
z. B. durch Verlöten
mit einem Lot, verbunden.
-
Das erfindungsgemäße Stachelband besteht aus
einer im Wesentlichen in Laufrichtung des Stachelbandes kontinuierlich
verlaufenden, einen ersten Rand und einen zweiten Rand vorweisende
Stachelbandkontaktfläche.
Die Kühlstäbchen sind
jeweils an dem ersten und dem zweiten Rand der Stachelbandkontaktfläche im Wesentlichen
gleichmäßig beabstandet
und mit der Kühlstäbchenlängsachse
jeweils im Wesentlichen senkrecht zur Stachelbandkontaktfläche angeordnet.
Der Querschnitt des Stachelbandes quer zur Laufrichtung weist im
Wesentlichen die Form eines Buchstaben „U" auf, wobei die Seiten des Buchstaben „U" von den Kühlstäbchen gebildet
sind und die Bodenfläche
des Buchstaben „U" der Stachelbandkontaktfläche entspricht.
-
Es sei angemerkt, dass die erfindungsgemäße Ausführung der
Oberflächenvergrößerungselemente
in der Form des Stachelbandes besonders vorteilhaft zum einfachen
Herstellen von Kühlkörperoberflächen verwendet
werden kann. Es ist auch möglich,
das erfindungsgemäße Stachelband
für den umgekehrten
Fall, nämlich
zur Vergrößerung der Wärmeabgabefläche von
Heizelementen, zu verwenden. D. h., solche Stachelbänder können auch
unabhängig
von der vorliegenden Erfindung verwendet werden.
-
In einer zweiten Ausführungsform
der Kühlvorrichtung
ist die Vielzahl von Kühlstäbchen aus mehreren
Stachelscheiben, die wenigstens eine Kühlstäbchenreihe besitzen, gebildet.
Die Kühlstäbchen einer
Stachelscheibe liegen jeweils im Wesentlichen mit der Kühlstäbchenlängsachse
in der Ebene der Stachelscheiben. Die Stachelscheiben sind dann mit
einem vorbestimmten Abstand zu einander beabstandet auf das Wärmerohr
aufgesteckt und mit dem Wärmerohr
stoffschlüssig,
z. B. durch Verlöten
mit einem Lot, verbunden.
-
Die Kühlvorrichtung besteht daher
im Wesentlichen aus drei Grundelementen, dem Kontaktelement, dem
Wärmerohr
und den Oberflächenvergrößerungselementen
des Wärmerohres
gebildet ist, die stoffschlüssig
miteinander ver bunden sind. Dies ermöglicht ein besonders einfaches,
kostengünstiges und
schnelles Herstellen der Kühlvorrichtung.
-
Hinsichtlich des Wärmerohrs
der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung
ist diese besonders vorteilhaft für das Herstellen an dem Ende
mit dem Verdampfungsbereich durch das Kontaktelement verschlossen.
Dadurch entfällt
beim Herstellen des Wärmerohres
besonders vorteilhaft ein Fertigungsschritt, in dem das Wärmerohr
auf der Verdampfungsseite extra verschlossen werden muss. Darüber hinaus stellt,
wie im Stand der Technik üblich,
die Wandung eines Wärmerohres
gegenüber
dem Kontaktelement, dass mit der Quelle der abzuführenden
Verlustleistung in Kontakt steht, einen weitern Wärmewiderstand
dar, der bei der Erfindung vorteilhaft vermieden ist.
-
Zusätzlich kann in der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung
die im Inneren des Wärmerohrs
angeordnete Oberfläche
des Kontaktelementes Mittel zur Vergrößerung der mit dem Kühlmedium
in Kontakt stehenden Oberfläche,
vorzugsweise Rillen bzw. Vertiefungen, aufweisen. Dadurch ist der
Wärmetransport
durch Verdunstungsarbeit im Verdampfungsbereich des Wärmerohrs
bei der Erfindung noch besser.
-
Die erfindungsgemäße Kühlvorrichtung besteht aus einem
gut wärmeleitenden
Material, vorzugsweise aus Aluminium bzw. einer Aluminiumlegierung,
mit einem geringen spezifischen Gewicht. Die Ausführung der
Kühlvorrichtung
aus einem Leichtmetall mit guten Wärmeleiteigenschaften, in der
Kombination damit, dass der Körper
der Kühlvorrichtung
im Wesentlichen aus einem filigranen Wärmerohr besteht, ermöglicht das äußerst geringe
Gesamtgewicht. Dadurch können
die Spezifikationen der Prozessorhersteller bzw. der Computerhauptplatinenhersteller
hinsichtlich der maximal zulässigen Gewichtsbelastung
bzw. (Dreh-)Momentbelastung des Sockels bzw. der Verbindung des
Prozessors mit der Hauptplatine leichter bzw. ohne Probleme eingehalten
werden. Das Wärmerohr
der Erfindung weist vorzugsweise eine Wandstärke in einem Bereich von 0.2
mm bis 2 mm auf. Es sei angemerkt, dass zur Gewichtsoptimierung
der Kühlvorrichtung
ein möglichst dünnwandiges
Wärmerohr
bevorzugt wird, d. h. die Wandstärke
hinsichtlich der maximalen Dicke nicht zwingend auf 2 mm eingeschränkt ist.
Für den
Fachmann ist es selbstverständlich,
dass ab einer gewissen Wandstärke
die Vorteile der schnellen Wärmeleitung
durch das Wärmerohr
durch die Wärmeleiteigenschaften
der Wandung kompensiert werden können.
-
Als Kühlmedium bzw. Kühlflüssigkeit
für das Wärmerohr
wird zur schnellen Wärmeaufnahme, Wärmetransport
und Wärmeabgabe
ein fließfähiges und
in einem vorbestimmten Temperaturbereich, vorzugsweise von 60°C bis 80°C, verdampfbares
Medium verwendet. Prinzipiell ist jede Arbeitsflüssigkeit, im einfachsten Fall
Wasser, geeignet, die ab einer Temperatur, die an dem zu kühlenden
elektronischen Bauelement einzuhalten ist unter den Druckverhältnissen
in dem evakuierten Wärmerohr
verdampft bzw. verdunstet. Vorzugsweise werden Freon oder Freonersatzstoffe,
oder Alkohole, vorzugsweise Methanol oder Ethanol, oder ein geeignetes
Gemisch von diesen Stoffen verwendet. Da in dem hohlen Wärmerohr
ein hoher Unterdruck bzw. Vakuum herrscht, ist der Wärmetransport
mittels der Verdampfung und dem Kondensieren der Kühlflüssigkeit besonders
effektiv. Dadurch besitzt die Kühlvorrichtung
einen extrem hohen Wärmeübergangskoeffizienten,
der von herkömmlichen
massiven Metallkühlkörpern nicht
erreicht werden kann.
-
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen
sowie Ausführungsbeispiele
der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung
werden nachstehend anhand der Zeichnungsfiguren erläutert. In
diesem Zusammenhang ist darauf hinzuweisen, dass sich die bei der
Beschreibung des Ausführungsbeispiels
verwendeten Begriffe „oben", „unten", „links" und „rechts" auf die Zeichnungsfiguren
mit normal lesbaren Bezugszeichen und Figurenbezeichnungen beziehen.
Weiterhin ist darauf hinzuweisen, dass in den Zeichnungsfiguren funktionsgleiche
und/oder geometrisch gleiche Bauteile mit gleichen Bezugszeichen
versehen sind. Im Einzelnen ist:
-
1a eine
perspektivische Seitenansicht auf ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel
einer erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung;
-
1b eine
Längsschnittansicht
entlang der Linie A-A' der
in 1 gezeigten Kühlvorrichtung;
-
2a eine
Draufsicht auf ein Grundelement, aus dem ein erfindungsgemäßes Stachelband für die Oberflächenvergrößerungselemente
der bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung gebildet wird;
-
2b eine
Seitenansicht auf ein, aus dem Grundelement der 2a gebildeten Stachelbands quer zur Bandrichtung;
und
-
2c eine
perspektivische Darstellung des Stachelbands aus 2b.
-
1a zeigt
das bevorzugte Ausführungsbeispiel
der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung 100.
Die Kühlvorrichtung 100 hat
ein Kontaktelement 110 mit einer Kontaktfläche 112,
mit der die Kühlvorrichtung 100 auf
ein elektronisches Bauelement (nicht gezeigt) montierbar ist. Für einen
optimalen Kontakt zur Oberfläche
des zu kühlenden
elektronischen Bauelements ist die Kontaktfläche plan gerichtet. Zwischen
der Kontaktfläche 112 und
der Oberfläche
des elektronischen Bauelementes kann gegebenenfalls eine Wärmeleitpaste,
ein Wärmeleitpad
oder dergleichen zur Verbesserung der Wärmeabgabe eingesetzt werden.
Zum lösbaren
Befestigen der Kühlvorrichtung
am elektronischen Bauelement wird ein entsprechend angepasstes Befestigungselement verwendet
(nicht gezeigt).
-
An dem Kontaktelement 110 der
Kühlvorrichtung 100 ist
stoffschlüssig
ein Wärmerohr 120 aus gut
wärmeleitendem
Material befestigt, welches sich unter einem vorbestimmten spitzen
Winkel (90° – α), in der 1a und 1b mit 67°, gegenüber der Ebene der Kontaktfläche 112 nach
oben erstreckt und welches mit im Wesentlichen seiner Stirnseite 120a und gegebenenfalls
dem sich unmittelbar daran anschließenden kurzen Rohrabschnitt
in wärmeleitender
Verbindung mit dem Kontaktelement 110 steht. An der Verbindungsstelle
des Wärmerohres 120 mit
dem Kontaktelement 110 befindet sich ein Verdampfungsbereich 122 des
Wärmerohres 120,
in dem eine Kühlflüssigkeit
innerhalb des Wärmerohrs 120 durch
Verdunsten bzw. Verdampfen in Folge der Wärmeaufnahme über das
Kontaktelement 110 Wärmeenergie aufnimmt
und mit einer Geschwindigkeit höher
als in gut wärmeleitenden
Metallen im Wärmerohr 120 nach
oben transportiert.
-
An dem Verdampfungsbereich 122 des
Wärmerohrs 120 schließt sich
im Wesentlichen unmittelbar der Kondensationsbereich 126 des
Wärmerohres 120 an,
der sich bis zum anderen Ende 129 des Wärmerohrs 120 erstreckt.
Im Kondensationsbereich 126 sublimiert das gasförmige Kühlmedium
im Inneren des Wärmerohres 120 durch
Kondensation an der kühleren
Innenfläche
des Wärmerohres 120 und
gibt dabei die gespeicherte Wärmeenergie
an die Wandung des Wärmerohrs 120 ab.
Im Kondensationsbereich 126 des Wärmerohres 120 sind
an der Außenfläche des
Wärmerohrs 120 Oberflächenvergrößerungselemente 130,
welche die Oberfläche
des Wärmerohres 120 gegenüber der
Umgebungsluft vergrößern, vorgesehen.
Die Oberflächenvergrößerungselemente 130 sind
spiralförmig
im Kondensationsbereich 126 um das Wärmerohr 120 gewickelt.
In der 1a sind die Oberflächenvergrößerungselemente 130 vereinfacht
als Flächen
dargestellt, die sich in der Form einer Doppelhelix am Wärmerohr 120 beginnend
nach dem Verdampfungsbereich 122 nach oben erstrecken.
Auf die genaue Ausgestaltung der Oberflächenvergrößerungselemente 130 wird
im Zusammenhang mit den 2a bis 2c im Detail eingegangen.
Durch die Oberflächenvergrößerungselemente 130 wird über Konvektion
und Wärmestrahlung
die Wärmeenergie,
welche von der Kühlflüssigkeit
durch die Sublimation an die Wandung des Wärmerohres abgegeben wird, an
die Umgebungsluft übertragen
und abgeführt.
Somit leistet die erfindungsgemäße Kühlvorrichtung
ohne Einsatz eines zusätzlichen
elektrischen Lüfters
einen schellen und effektiven Abtransport der Verlustleistung des
elektronischen Bauelements.
-
Die 1b zeigt
eine Seitenansicht auf einen Längsschnitt
durch die Kühlvorrichtung 100 aus der 1a entlang der dort markierten
Linie A-A'. Im Vergleich
zur 1a erkennt man in 1b noch deutlicher den einfachen,
aber dennoch wirksamen Aufbau der Kühlvorrichtung 100.
Funktional tritt besonders klar hervor, dass im Wesentlichen lediglich drei
Bauelemente bei der Herstellung anfallen: das Kontaktelement 110,
das Wärmerohr 120 und
die Oberflächenvergrößerungselemente 130.
In der 1b sind im Verdampfungsbereich 122 des
Wärmerohrs 120 auf
der im Inneren des Wärmerohres 120 liegenden
Oberfläche 114 des
Kontaktelements 110 vorgesehenen Mittel zur Vergrößerung der
mit dem Kühlmedium
in Kontakt stehenden Oberfläche, nämlich Vertiefungen 118,
zu erkennen. Im Verdampfungsbereich 122 des Wärmerohres 120 befindet sich
im Inneren des Wärmerohrs 120 ein
Kühlmedium 140,
das so ausgewählt
ist, dass es in etwa geringfügig über der
gewünschten
normalen Betriebstemperatur des zu kühlenden elektronischen Bauelements
zu verdampfen beginnt. Bei der Sublimation vom flüssigen in
den gasförmigen
Zustand nimmt das Kühlmedium 140 Wärmeenergie
auf und steigt im Wärmerohr 120 nach
oben. Da die Innenwandoberfläche 128 des
Wärmerohrs 120 nach
oben hin graduell in der Temperatur abnimmt, wird die gasförmige Kühlflüssigkeit
beim Aufstieg im Wärmerohr 120 auf dem
Weg nach oben durch den Kontakt mit der kühlen Wand abgekühlt. Dabei
kondensiert das Kühlmittel
schließlich
wieder vollständig
an der Innenwandoberfläche 128 aus
und gibt die gespeicherte Wärmeenergie
an das gut wärmeleitende
Material des Wärmerohrs 120 ab. Über die
Oberflächenvergrößerungselemente 130 auf
der Außenseite
des Wärmerohrs 120 wird
die Wärmeenergie
an die Umgebungsluft abgegeben. Die kondensierte Kühlflüssigkeit 140 läuft unter
der Einwirkung der Schwerkraft an der Innenwandoberfläche 128 des
Wärmerohrs 120 nach
unten zurück
in den Verdampfungsbereich 122. Damit ist der simple Kühlkreislauf
geschlossen.
-
Es ist noch zu bemerken, dass das
Kontaktelement 110 an seiner zu dem Wärmerohr 120 weisenden
Seite einen konzentrisch zum Mittelpunkt des kreisförmigen Kontaktelements 110 angeordneten Ringkragen 110a besitzt,
dessen Innendurchmesser zumindest annähernd dem Außendurchmesser
des Wärmerohrs 120 entspricht.
An einer Seite ist der Ringkragen 110a mit einer Ausklinkung 110b versehen,
die in Form und Größe dem Winkel
des Wärmerohrs 120 gegenüber der
Kontaktfläche 112 angepasst
ist. Das Wärmerohr 120 ist
in den Ringkragen 110a hinsichtlich des Kühlmediums
mediumsdicht, vorzugsweise stoffschlüssig, insbesondere durch ein Lot
gut wärmeleitend
befestigt.
-
Hinsichtlich der Ausgestaltung der
Oberflächenvergrößerungsmittel 130 kann
der 1b entnommen werden,
dass die vorstehend beschriebene Doppelhelix aus einem spiralförmig um
das Wärmerohr 120 nach
oben laufendes Band gebildet ist, dass einen Querschnitt in der
Form eines Buchstaben „U" aufweist, wobei
das Band mit der Bodenfläche
des „U" mit dem Wärmerohr
stoffschlüssig
und wärmeleitend
verbunden ist.
-
Die 2a bis 2c zeigen im Detail wie die
erfindungsgemäßen Kühlstäbchen der
Oberflächenvergrößerungselemente 130 äußerst einfach
und wirksam ausgestaltet und gleichermaßen einfach und effizient hergestellt
sind. Als Grundelement beim Herstellen der erfindungsgemäßen Oberflächenvergrößerungselemente
wird ein Blech 200 aus einem Material, das eine gute Wärmeleitfähigkeit
besitz und eine Elastizität
aufweist, die ein Formgeben durch Kaltverformen zulässt, verwendet;
bevorzugt wird das gleiche Material ausgewählt wie für das Kontaktelement 110 und
das Wärmerohr 120,
in den 1a, 1b, in der bevorzugten Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung
wird daher ein Alublech bzw. einem Blech aus einer Aluminiumlegierung
benutzt. Selbstverständlich
ist es auch möglich andere
Metalle oder Metalllegierungen wie beispielsweise Kupfer oder eine
Kupferlegierungen einzusetzen.
-
Aus dem Blech 200 wird eine
Grundstruktur 210 ausgestanzt, aus der ein erfindungsgemäßes Stachelband 250 geformt
wird, mit dem äußerst einfach
die Oberflächenvergrößerungselemente 130 im Kondensationsbereich 126 des
Wärmerohrs 120 gebildet
werden können.
Die Grundstruktur 210 sieht wie ein Doppelkamm mit zwei
Zinkenreihen 212, 214 aus, bei dem jeweils eine
der Zinkenreihe 212, 214 von einem oberen Rand 222 und
einem unteren Rand 224 eines Mittelsteg 220 ausgehen.
Alle Zinken 230 der beiden Zinkenreihen 212, 214 liegen
in der durch das Blech 200 festgelegten Ebene. Dabei ist
es möglich,
dass die Zinken 230 der beiden Zinkenreihen 212, 214 symmetrisch
zueinander angeordnet sind, d. h. einem Zinken 230 am oberen Rand 222 liegt
ein Zinken 230 des unteren Randes 224 gegenüber. Es
ist aber genauso möglich,
dass einem Zwischenraum 231 zwischen zwei Zinken 230a, 230 in der
oberen Zinkenreihe 214 genau ein Zinken 230c in der
unteren Zinkenreihe 212 gegenüberliegt. Schließlich ist
auch ein beliebiger Versatz der Zinken 230 in den Zinkenreihen 212, 214 zueinander
denkbar. Vorzugsweise besitzen die Zinken 230 eine Stärke 232,
die dem Abstand 231 zweier Zinken 230 in einer
der Zinkenreihen 212, 214 zueinander entspricht. Selbstverständlich können auch
unterschiedliche Abmaße
verwendet werden.
-
Hinsichtlich des erfindungsgemäßen Stachelbandes 250 ist
an der Grundstruktur 210 schon erkennbar, dass ein Zinken 230 einem
Kühlstäbchen 252 der
Oberflächenvergrößerungselemente 130 und
der Mittelsteg 220 der Stachelbandkontaktfläche 254,
mit der das Stachelband 250 an der Kühlvorrichtung 100 mit
dem Wärmerohr 120 verbunden
wird, entspricht. Um aus der Grundstruktur 210 das Stachelband 250 zu
bilden, werden lediglich, wie aus der 2b ersichtlich,
die beiden Zinkenreihen 212, 214 in Bezug auf
den Mittelsteg 220 durch Umbiegen um einen Winkel von annähernd 90° senkrecht
nach oben ausgerichtet. Damit hat das in der 2c in einer dreidimensionalen Draufsicht
dargestellte Stachelband 250 eine Querschnittsform ähnlich einem Buchstaben „U", wobei jeweils eine
der Zinkenreihen 212, 214 eine linke und rechte
Seiten des „U" ausbilden und die
Unterseite des „U" vom Mittelsteg 220 gebildet
wird und der Stachelbandkontaktfläche 254 entspricht.
Besonders vorteilhaft können
mit dem erfindungsgemäßen Stachelband 250 die
Oberflächenvergrößerungselemente 130 in
Form von Kühlstäbchen 252 im
Kondensationsbereich 126 des Wärmerohrs 120 erzeugt
werden. Dieser „Aufwickelschritt" ist fertigungstechnisch
relativ einfach zu realisieren. Auch an dieser Stelle sei nochmals
darauf hingewiesen, dass das erfindungsgemäße Stachelband zur Erzeugung
größerer effektiver
Oberflächen
zur Verbesserung von Wärmeübergängen beispielsweise auch
an Heizelementen und anderen Vorrichtungen, die eine Wärmeübertragung
von einer Wärmequelle zu
einem Wärmemedium
erfordern, verwendet werden kann.
-
Mit der vorstehend beschriebenen
Erfindung wurde eine innovative Kühlvorrichtung für elektronische
Bauelemente mit hohen Verlustleistungsdichten, insbesondere für Hochleistungs-Mikroprozessoren,
vorgeschlagen, die ein Kontaktelement mit einer Kontaktfläche zur
Wärmeaufnahme,
welche mit einer Oberfläche
des zu kühlenden
elektronischen Bauelements in wärmeleitenden
Kontakt bringbar ist, und ein nach Außen hermetisch abgedichtetes,
im Wesentlichen gerades und mit einem Kühlmedium befülltes Wärmerohr
mit einem Verdampfungsbereich und einen Kondensationsbereich besitzt.
Das Wärmerohr
ist mit dem Verdampfungsbereich stoffschlüssig mit dem Kontaktelement
verbunden, wobei eine Längsachse
des Wärmerohrs
mit der Kontaktfläche des
Kontaktelements einen vorbestimmten spitzen Winkel bildet. In Vorteilhafterweise
ermöglicht
die erfindungsgemäße Kühlvorrichtung
einen Einbau in beispielsweise Hochleistungsrechnersysteme zur Prozessorkühlung derart,
dass das Wärmerohr
in Funktionslage so ausgerichtet ist, dass das Kühlmedium unter Einwirkung der
Schwerkraft stets in Richtung des Kontaktelements der Kühlvorrichtung
fließt. Damit
kann ein Wärmerohr
ohne aufwendige Kapillarstrukturen oder Dochtsysteme verwendet werden bzw.
eine mittels des Wärmerohres
gebildete Kreislaufstruktur wird nicht benötigt. Die Kühlvorrichtung der Erfindung
ist besonders einfach aufgebaut und kostengünstig in der Herstellung und
ermöglicht
eine effektive passive Kühlung
von Hochleitungsprozessoren ohne Einsatz von zusätzlichen elektrischen Lüftern. Insbesondere
die vorgeschlagene konstruktive Lösung hinsichtlich der Oberflächenvergrößerungselemente
der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung
ist besonders einfach und effektiv. Es sei angemerkt, dass diese
Oberflächenvergrößerungselemente
zur Abgabe von Wärme
an die Umgebungsluft auch für
andere Anwendungen verwendet werden können.