DE19806978A1 - Kühlvorrichtung, insbesondere zur Kühlung elektronischer Bauelemente durch Konvektion - Google Patents

Kühlvorrichtung, insbesondere zur Kühlung elektronischer Bauelemente durch Konvektion

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Description

Die Erfindung betrifft eine Kühlvorrichtung, insbesondere zur Kühlung elektronischer Bauelemente durch Konvektion der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Gattung.
Zur Kühlung von elektronischen Bauelementen mit hoher Wär­ meentwicklung sind verschiedene Strangpreßprofile bekannt, die eine ebene Fläche aufweisen, an der die Bauelemente in wärmeleitender Verbindung angebracht sind. Derartige Pro­ file weisen eine Vielzahl von angeformten Rippen auf, die zur Vergrößerung der die Wärme übertragenden Oberfläche dienen. Derartige Kühlkörper aus Strangpreßprofilen können fertigungsbedingt lediglich eine begrenzte Wärmetauschflä­ che je Volumeneinheit bereitstellen, so daß die Wärmeüber­ tragungsleistung begrenzt ist.
Aus US 3,833,837 ist eine Kühleinrichtung für elektronische Bauelemente bekannt, bei der durch Konvektion die Wärme ab­ geführt wird. Hierzu sind die elektronischen Bauelemente an metallischen Platten befestigt und zur Vergrößerung der die Wärme übertragenden Oberfläche sind an den Platten Wellrip­ pen angebracht, die von einem Kühlluftstrom beaufschlagt werden. Auf der der Metallplatte abgewandten Seite sind die Wellrippen mittels eines Blechbügels abgedeckt, der wie­ derum an einem Zwischenboden eines Gehäuses zur Anlage kommt. Bei einer derartigen Anordnung ist die Wärmeüber­ tragungsleistung begrenzt, so daß ein enormer Bauraum be­ nötigt wird, um die elektronischen Bauelemente vor Über­ hitzung zu schützen.
Es sind darüber hinaus Lüfteraggregate bekannt, die aus ei­ nem Paket gestapelter Rippen bestehen, die miteinander ver­ lötet sind und wobei die zu kühlenden Bauteile auf den das Paket oben und unten abschließenden Metallplatten montiert werden. Zur Abführung der Wärme sind solche Kühler mit ei­ nem oder mehreren Lüftern versehen. Bei solchen Lamellen­ kühlern muß die von den Bauteilen abzuführende Wärme einen verhältnismäßig langen Weg mittels Wärmeleitung durch die Lamellen mit geringem Querschnitt zurücklegen. Wegen des daraus resultierenden geringen Wirkungsgrades tragen die in der Mitte liegenden Bereiche des Kühlers nur wenig zur Küh­ lung bei.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Kühlvorrichtung der gattungsgemäßen Art zu schaffen, bei der die Wärmeübertragungsleistung, bezogen auf das Bauvolu­ men, deutlich gesteigert wird.
Diese Aufgabe wird durch eine Kühlvorrichtung mit den Merk­ malen des Anspruchs 1 gelöst.
Die wesentlichen Vorteile der Erfindung sind darin zu se­ hen, daß die Wärme mittels der Stege von der Metallplatte gleichmäßig über das Gesamtprofil der Kühlvorrichtung ver­ teilt wird und auf diese Weise der Wirkungsgrad der Wärme- Übertragung deutlich besser ist. Die Kühlvorrichtung be­ steht aus leicht zusammenfügbaren Bauteilen, die lediglich auf das gewünschte Maß abgelängt werden müssen. Wegen des geringen Fertigungsaufwandes ist die Kühlvorrichtung ko­ stengünstig herstellbar.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung des Erfindungsgegen­ standes umfaßt der Kühlkörper zwei parallele Platten mit dazwischen angeordneten Stegen und jeweils eingesetzten Wellrippen. Die Anordnung von zwei Platten bietet eine ent­ sprechend größere Fläche zur Aufnahme der elektronischen Bauelemente, so daß die Wärme von beiden Seiten zur Mitte des Kühlkörpers geführt werden kann. Zur Reduzierung der Anzahl der zusammenzufügenden Bauteile, die den Kühlkörper bilden, ist es zweckmäßig, die Metallplatte mit den Stegen einstückig auszubilden. Auf diese Weise ergibt sich ein die Metallplatte und die Stege umfassendes kammartiges Profil, das vorzugsweise durch Extrusion oder Strangpressen herge­ stellt ist.
Kühlkörper aus kammartigen Profilen sind vorzugsweise der­ art zusammengefügt, daß die Stege zweier Profile gegenein­ ander gerichtet sind, wobei die Stege des einen Profils in die Zwischenräume zwischen den Stegen des anderen Profils greifen. Damit die Wellrippen auf einfache Weise präzise und lagesicher in eines der kammartigen Profile eingesetzt werden können, bevor das zweite kammartige Profil als Ge­ genstück eingesteckt wird, ist es vorteilhaft, die Stege derart zu gestalten, daß sie unterschiedliche Steghöhen aufweisen, wobei abwechselnd jeweils ein Steg geringer Höhe und ein Steg großer Höhe angeordnet sind. Auf diese Weise ist eine gute Zugänglichkeit beim Einsetzen der Wellrippen gegeben, und außerdem wird durch den Abstand der benach­ barten Stege die Lage der Wellrippen genau definiert. Da die beiden zusammenzufügenden kammartigen Profile komple­ mentäre Bauteile bilden, liegt jeweils ein hoher Steg eines Profils einem niedrigen Steg des anderen Profils gegenüber, wobei ein geringer Abstand zwischen den sich gegenüberlie­ genden Stegen vorgesehen sein soll, damit eine sichere An­ lage der Wellenkuppen der Wellrippen an den Oberflächen der Stege erreicht wird.
Zweckmäßigerweise wird der Kühlkörper aus zwei identischen Profilen gebildet. Dies ist auf einfache Weise dadurch mög­ lich, daß das Profil, bezogen auf die Stirnfläche, asymme­ trisch gestaltet ist, so daß die beiden Profile mit gegen­ einander gerichteten Stegen sich gegenseitig ergänzen. Die Stege sind zweckmäßigerweise keilförmig ausgebildet, was nicht nur dem einfachen Zusammenfügen und sicheren Anliegen der Wellenkuppen an den Stegen dient, sondern auch den Wärmefluß berücksichtigt, der von der Wurzel des Steges hin zu seinem vorderen Ende abnimmt. Die Oberfläche des Steges weist zur Orthogonalen der Plattenebene vorzugsweise einen Winkel <5° auf. Als besonders geeignet werden Winkel zwi­ schen 3° und 4° angesehen.
Zur Verbesserung des Wärmeübergangs von den Stegen auf die Wellrippen ist es zweckmäßig, die Wellrippen trapezförmig zu gestalten. Damit wird die Anlagefläche der Wellrippen an den Stegen erhöht. Um eine laminare Luftströmung in den Wellrippen zu verhindern, ist es vorteilhaft, die Wellrip­ pen mit einer Vielzahl von in Luftströmungsrichtung hinter­ einander liegenden Kiemen zu versehen. Eine alternative Ausgestaltung der Wellrippen besteht in sogenannten Steg­ rippen, bei denen versetzt zueinander angeordnete Ab­ schnitte der Wellung ausgebildet sind.
Der Kühlkörper besteht vorzugsweise aus Aluminium bzw. Alu­ miniumwerkstoffen, wobei die Stege mit den Wellrippen zweckmäßigerweise verlötet sind. Die hierfür erforderliche Lotmenge kann vorzugsweise durch Einlegen einer Lotfolie zwischen der Oberfläche der Stege und den Wellrippen erfol­ gen, es ist jedoch ebenso möglich, Wellrippen aus lotplat­ tiertem Material einzusetzen.
Eine weitere Möglichkeit des sicheren Zusammenhalts der den Kühlkörper bildenden Bauteile besteht in einem mechanischen Verspannen der Bauteile. Um die mechanische Spannkraft auf­ recht zu erhalten, können die Metallplatten und/oder Stege unter Zwischenfügung der Wellrippen miteinander ver­ schraubt, geklammert, geklipst, verklebt, genietet oder punktuell verschweißt sein.
Die Abmessungen des Kühlkörpers können je nach geforderter Kühlleistung bestimmt werden. Als besonders zweckmäßig wird eine Tiefe des Kühlkörpers zwischen 30 mm und 150 mm ange­ sehen. Sofern die erforderliche Kühlleistung nicht mit ei­ nem Kühlkörper bereitgestellt werden kann, können mehrere Kühlkörper zu einer Baueinheit zusammengefaßt werden, die vorzugsweise in einem gemeinsamen Gehäuse aufgenommen sind. Dabei ist es möglich, eine Vielzahl von Kühlkörpern, bezo­ gen auf die Luftströmungsrichtung, parallel anzuordnen, ebenso können bis zu zwei Kühlkörper hintereinanderliegend vorgesehen werden. Zur Erzeugung eines entsprechenden Kühl­ luftstromes kann das die Kühlkörper aufnehmende Gehäuse mit einem Axiallüfter zusammengefaßt werden.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigt:
Fig. 1 einen Schnitt durch die Kühlvorrichtung quer zur Luftströmungsrichtung gesehen,
Fig. 2 ein kammartiges Profil als Einzelteil,
Fig. 3 eine als Stegrippe gestaltete Wellrippe als Einzel­ teil,
Fig. 4 eine Ausführungsvariante zu Fig. 2,
Fig. 5 ein Gehäuse mit zwei darin angeordneten Kühlvor­ richtungen mit daran befestigten elektronischen Bauelementen,
Fig. 6 einen Schnitt durch die Anordnung gemäß Fig. 5 in Luftströmungsrichtung,
Fig. 7 eine Ausführungsvariante zu Fig. 1.
In Fig. 1 ist ein Kühlkörper 1 dargestellt, der zwei kamm­ artige Profile 3, 13 und dazwischen angeordnete Wellrippen 8 umfaßt. Die Profile 3, 13 bestehen aus einer Metallplatte 4, 14, die eine sich entlang der Platte 4, 14 erstreckende ebene Fläche 2, 12 aufweisen. An der der ebenen Fläche 2, 12 abgewandten Seite sind an der Metallplatte 4, 14 Stege 5, 6, 15, 16 angeformt, die sich orthogonal zur Ebene der Flächen 2, 12 erstrecken. Die Stege 5, 15 besitzen eine Hö­ he, die nahezu annähernd über den gesamten Abstand zwischen den Metallplatten 4, 14 reicht, wohingegen die Stege 6 le­ diglich Vorsprünge mit geringer Höhe bilden. Jedes der Pro­ file 3, 13 weist einen randseitigen Steg 5', 15' auf. Die beiden Profile 3, 13 sind derart angeordnet, daß die je­ weiligen Stege 5, 15 gegeneinander gerichtet sind, wodurch die ebenen Flächen 2, 12 außen liegen. Zwischen den Stegen 5, 15 werden Kammern 7 gebildet, in denen Wellrippen 8 an­ geordnet sind, die mit ihren Wellenkuppen jeweils an den Oberflächen der Stege 5, 15 anliegen. Die Profile 3, 13 und die Wellrippen 8 bestehen vorzugsweise aus einem Aluminium­ werkstoff und sind miteinander verlötet. Zwischen den bei­ den Profilen 3, 13 verbleibt ein Spalt 9, so daß stets eine sichere Anlage der Wellrippen 8 an den Stegen 5, 15 gegeben ist.
In Fig. 2 ist das kammartige Profil 3 als Einzelteil darge­ stellt. Die Stege 5 mit großer Höhe H sind keilförmig aus­ gebildet, so daß deren Oberflächen 10, 10' einen Winkel α zur Orthogonalen von ca. 3° einschließen. Durch diese Keil­ form wird erreicht, daß beim Zusammenstecken zweier Profile 3, 13, wie dies in Fig. 1 dargestellt ist, der Abstand zwi­ schen den Stegen 5, 15 allmählich geringer wird, so daß ei­ ne sichere Anlage der Wellrippen 8 an den Oberflächen 10, 10' der Stege erfolgt. Der Abstand a zwischen einem niede­ ren Steg 6 und dem benachbarten höheren Steg 5 beträgt bei­ spielsweise etwa 7 mm bis 12 mm, dieses Maß ist der Well­ rippenhöhe angepaßt. Die Stege 5 mit größerer Höhe H weisen an ihrem freien Ende eine Breite b von ca. 3,5 mm auf und an ihrer Wurzel sind die Stege 5 etwa doppelt so breit. Das Profil weist im Ausführungsbeispiel ein regelmäßiges Tei­ lungsmaß c von ca. 26 mm auf. Die Höhe H beträgt vorzugs­ weise ca. 33 mm, sie kann jedoch auch andere Abmessungen aufweisen, wobei ein Bereich zwischen 25 mm und 50 mm als besonders günstig angesehen wird. Die Metallplatte 4 des Profils 3 ist ca. 5 mm dick. Die Plattenebene der Fläche 2, an der die elektronischen Bauelemente zu befestigen sind, ist in Fig. 2 mit E bezeichnet.
Die Fig. 3 zeigt eine als Stegrippe 18 ausgebildete Well­ rippe, deren Wellenhöhe Hw dem Abstandsmaß a entspricht, das heißt ebenfalls ca. 7 mm bis 12 mm beträgt.
Die Fig. 4 zeigt eine Ausführungsvariante zu Fig. 2, bei der ein kammartiges Profil 13 bezüglich der Materialstärke etwas dünner ausgebildet ist. Dies wirkt sich auf den Ma­ terialeinsatz und das Gewicht des Profils günstig aus. Es wird aus Fig. 4 ebenfalls deutlich, daß die Stege 15 bezüg­ lich ihrer Höhe H etwas reduziert werden können, wenn gleichzeitig die Stege 16 etwas höher ausgeführt werden, das heißt auf diesem Wege eine Kompensation erreicht ist. Wie aus Fig. 4 weiter deutlich wird, ist das Profil 13, be­ zogen auf die Mittellinie M, asymmetrisch gestaltet, so daß zwei gleiche Profile auf komplementäre Weise zusammenfügbar sind.
Die Fig. 5 zeigt zwei Kühlkörper 1, 1*, die in einem ge­ meinsamen Gehäuse 20 angeordnet sind. Jeder Kühlkörper 1, 1* ist an den ebenen Flächen 2, 12, 2',12' mit elektroni­ schen Bauelementen 19 bestückt, deren Wärme abzuführen ist. Wie aus Fig. 5 deutlich wird, befinden sich die elektroni­ schen Bauelemente 19 jeweils im Bereich der Wurzel eines Steges 5, 15, 5', 15', so daß ein Wärmefluß direkt in die Stege 5, 15, 5', 15' erfolgt und damit die Wärme möglichst gut den Wellrippen 8, 8' zugeführt wird. Bei dem in Fig. 5 dargestellten Beispiel beträgt das regelmäßige Teilungsmaß c ca. 24 mm, die Gesamthöhe Hg des Kühlkörpers 1 beträgt beispielsweise 40 mm.
Die Fig. 6 zeigt einen Längsschnitt durch ein Gehäuse 20 mit darin angeordneten Kühlkörpern 1, 1*, 21, 21*, es sind somit 4 Kühlkörper in dem Gehäuse vorgesehen. Diese Dar­ stellung macht deutlich, daß nicht nur eine parallele An­ ordnung von Kühlelementen 1, 1* in einem Luftstrom L mög­ lich ist, sondern daß auch in Richtung der durchströmenden Luft L zwei Kühlkörper 1, 21 bzw. 1*, 21* hintereinander­ liegend angeordnet werden können. An der Lufteintrittsseite des Gehäuses 20 ist ein Axiallüfter 17 angebaut, der den für eine ausreichende Wärmeabfuhr erforderlichen Luftstrom L erzeugt. Beim Durchströmen der Kühlkörper 1, 21 bzw. 1', 21' nimmt die Kühlluft Wärme auf und verläßt das Gehäuse 20 durch Austrittsöffnungen 22, 22*. Die Tiefe S jedes der Kühlkörper 1, 21 bzw. 1', 21' kann beispielsweise 30 mm bis 150 mm betragen.
Die Fig. 7 zeigt einen Kühlkörper 25, der aus einem oberen Profil 23 und einem unteren Profil 24 gebildet ist. Die Profile 23 und 24 sind L-förmig und umfassen somit eine Me­ tallplatte 26, 27 und eine Seitenwand 28, 29. Die Metall­ platten 26 und 27 bilden auf ihrer jeweils außenliegenden Seite eine ebene Fläche 30, 31 zur Aufnahme der elektroni­ schen Bauelemente. Zwischen den Metallplatten 26, 27 er­ strecken sich mehrere Stege 32, die parallel zu den Seiten­ wänden 28, 29 ausgerichtet sind und somit orthogonal zu den Metallplatten 26, 27 verlaufen. Zwischen den Metallplatten 26, 27 und Stegen 32 werden Kammern 7 gebildet, in denen Wellrippen 8 angeordnet sind, die mit ihren jeweiligen Wellenkuppen an den Oberflächen der Stege 32 bzw. den Sei­ tenwänden 28, 29 anliegen.
Die vorstehend beschriebenen Kühlkörper zeichnen sich durch eine hohe Leistungsdichte aus, bezogen sowohl auf die Flä­ che zur Aufnahme der elektronischen Bauelemente wie auch auf das Volumen und Gewicht. Der Kühlkörper ist modular aufgebaut, so daß durch Kombination in paralleler oder se­ rieller Anordnung Varianten den jeweiligen Leistungsanfor­ derungen entsprechend aufgebaut werden können.

Claims (23)

1. Kühlvorrichtung, insbesondere zur Kühlung elektri­ scher Bauelemente durch Konvektion, mit einem von einem Kühlluftstrom (L) beaufschlagten Kühlkörper (1, 1*, 21, 21*, 25), der mindestens eine Metallplatte (4, 14, 26, 27) mit einer ebenen Fläche (2, 12, 30, 31) zur Anlage der Bauelemente (19) sowie mindestens eine mit dieser in wärmeleitender Verbindung stehende Wellrippe (8, 18) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallplatte (4, 14, 26, 27) an ihrer der ebenen Fläche (2, 12, 30, 31) abgewandten Seite mehrere im wesentlichen orthogonal zur Plattenebene (E) verlaufende Stege (5, 6, 15, 16, 32) aufweist, zwischen denen Kammern (7) gebildet sind und mit darin angeordneten Wellrippen (8, 18), wobei die Wellenkuppen einer Wellrippe (8, 18) an der Oberfläche (10, 10') zweier benachbarter Stege (5, 15, 32) anliegen.
2. Kühlvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlkörper zwei parallele Platten (4, 14, 26, 27) mit dazwischen an­ geordneten Stegen (5, 6, 15, 16, 32) und jeweils ein­ gesetzten Wellrippen (8, 18) umfaßt.
3. Kühlvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die mindestens eine Me­ tallplatte (4, 14) mit den Stegen (5, 6, 15, 16) ein­ stückig ausgebildet ist.
4. Kühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallplatte (4, 14) mit den Stegen (5, 6, 15, 16) in Luftströmungs­ richtung (L) gesehen ein kammartiges Profil (3, 13) bildet.
5. Kühlvorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallplatte (4, 14) mit den Stegen (5, 6, 15, 16) aus einem Extrusions­ profil oder Strangpreßteil gebildet ist.
6. Kühlvorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlkörper (1, 1*) zwei kammartige Profile (3, 13) mit gegeneinander ge­ richteten Stegen (5, 15) umfaßt, wobei die Stege (5) des einen Profils (3) in die Zwischenräume zwischen den Stegen (15) des anderen Profils (13) greifen.
7. Kühlvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Profil (3, 13) Stege (5, 6, 15, 16) mit unterschiedlicher Steghöhe (H, h) aufweisen, wobei abwechselnd jeweils ein Steg (6, 16) geringer Höhe (h) und ein Steg (5, 15) großer Höhe (H) angeordnet sind.
8. Kühlvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Profil (3, 13), bezo­ gen auf die Stirnfläche asymmetrisch gestaltet ist und zwei identische Profile zu einem Kühlkörper (1, 1*) zusammengefügt sind.
9. Kühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Stege (5, 15) keil­ förmig ausgebildet sind.
10. Kühlvorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche (10, 10') des Steges (5, 15) zur orthogonalen der Plattenebene (E) einen Winkel <5° aufweist.
11. Kühlkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellrippen (8, 18) trapezförmig gestaltet sind.
12. Kühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellrippen (8) Mit einer Vielzahl in Luftströmungsrichtung (L) hinter­ einanderliegenden Kiemen versehen sind.
13. Kühlvorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellrippen (18) als Stegrippen mit versetzt zueinander angeordneten Ab­ schnitten der Wellung ausgebildet sind.
14. Kühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß der aus Platten (4, 14, 26, 27), Stegen (5, 15, 6, 16, 32) und Wellrippen (8) gebildete Kühlkörper aus Aluminiumwerkstoffen be­ steht.
15. Kühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Stege (5, 15, 32) mit den Wellrippen (8) stoffschlüssig verbunden, insbe­ sondere gelötet sind, wobei vorzugsweise eine Lotfo­ lie zwischen der Oberfläche der Stege (5, 15, 32) und den Wellrippen (8) eingelegt ist oder die Wellrippen (8) aus lotplattiertem oder anderweitig mit Lot beschichtetem Material bestehen.
16. Kühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallplatten (4, 14, 26, 27) und/oder die Stege (5, 6, 15, 16, 32) unter Zwischenfügung der Wellrippen (8, 18) gegeneinander mechanisch verspannt sind.
17. Kühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 16) dadurch gekennzeichnet, daß die Tiefe (S) des Kühlkörpers (1, 1*) etwa 30 mm bis 150 mm beträgt.
18. Kühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß in Luftströmungsrichtung (L) zwei oder mehr Kühlkörper (1, 21, 1*, 21*) hintereinanderliegend angeordnet sind.
19. Kühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei Kühlkör­ per (1, 1*) parallel im Luftstrom (L) liegend in einem Gehäuse (20) aufgenommen sind.
20. Kühlvorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (20) mit einem Gebläse (17) zu einer Baueinheit zusammengefaßt ist.
21. Kühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Rippenhöhe (Hw) etwa 7 mm bis 12 mm beträgt.
22. Kühlvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Steghöhe (H) der hö­ heren Stege (5, 15) etwa 25 mm bis 50 mm beträgt und die Steghöhe (h) der kürzeren Stege (6, 16) <3 mm ist.
23. Kühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß die Stege (5, 15, 32) eine Dicke (b) von etwa 1 mm bis 3 mm aufweisen.
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