DE2345626A1

DE2345626A1 - Einrichtung zum kuehlen elektronischer geraete

Info

Publication number: DE2345626A1
Application number: DE19732345626
Authority: DE
Inventors: Erich Dipl Ing Pechtl; Hermann Dipl Ing Wessely
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1973-09-10
Filing date: 1973-09-10
Publication date: 1975-03-20
Also published as: DE2345626C3; DE2345626B2

Description

Einrichtung zum Kühlen elektronischer Geräte

Die Erfindung "bezieht sich auf eine Einrichtung zum Kühlen elektronischer Geräte, "bei denen zu einer größeren Baueinheit zusammengefaßte Baugruppen mit jeweils einer -elektronische Mikrobausteine tragenden Leiterplatte, die in einen Anschlußkörper eingebettet ist, rasterförmig in einer Ebene und parallel zu einer Verdrahtungsplatte angeordnet sind, über die rait Hilfe der Anschlußkörper als Seil einer Steckverbindung an die Baugruppen externe Signal- und Versorgungsleitungen sov^ie Leitungsverbindungen der Baugruppen untereinander geführt sind.

Die fortschreitende !Technologie im Aufbau elektronischer Geräte hat zu einer ungewöhnlich hohen Paekungsdichte der elektronischen Bauelemente geführt. Das ist vor allem darauf zurückzuführen, daß in immer größerem Umfang hoch integrierte Halbleiterbausteine verwendet v/erden, Hand in Hand damit geht aber auch eine ständige Miniaturisierung im mechanischen Aufbau«, Auf diese Weise lassen sich äußerst dicht gepackte elektronische Geräte - z. B. im Bereich der elektronischen Datenverarbeitung - mit kleinen Signal™ laufzeiten bei geringem Bauvolumen erstellen.

Unerwünschte Effekte dieser hohen Packungsdichte sind die gleichzeitige Zunahme der auf die Tolumeneinheit von Baugruppen bzw. Baueinheiten bezogenen elektrischen Verlustwärme sowie die Steigerung der Empfindlichkeit gegenüber erhöhten Betriebstemperaturen bei miniaturisierten elektronischen Bausteinen und mechanischen Zubehörteilen.

TJm die Funktion der elektronischen Geräte sicherzustellen, ist es notwendig, die durch die elektrische Verlustleistung bedingte

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Wärme abzuführen. Dafür hat zunächst "bei einer geschickten konstruktiven Gestaltung von Rahmen und Gehäusen selbsttätige Belüftung durch freie Konvektion unter Ausnutzung der Kaminwirkung ausgereicht.

Seit dies bei höherer Packungsdichte nicht mehr ausreicht, wird erzwungene Konvektion mit automatisch überwachten Lüfterbaugruppen angewendet. Doch auch damit lassen sich die wachsenden Anforderungen immer weniger erfüllen. Das ist auf die ständig wachsende Schwierigkeit zurückzuführen, mit immer größeren Luftströmen noch ein konstantes lemperaturniveau über alle zu kühlenden Bausteine sicherzustellen. Es ist ohne weiteres vorstellbar, daß es bei einer Verlus tlei stungs dichte bis zu einigen W/cm , d. h. bei einer sehr starken Belegungsdichte der elektronischen Bausteine sehr schwierig ist, den kühlenden Luftstrom derart zu verteilen, daß an keiner Stelle der zu kühlenden Oberfläche noch kritische Betriebstemperaturen auftreten.

Ausgehend von dem Gedanken, die durch die Verlustleistung hervorgerufene Wärme durch eine indirekte Kühlung mit einem strömenden Kühlmittel, z. B. einer Flüssigkeit abzuführen, liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine derartige Kühleinrichtung für elektronische Geräte zu schaffen, die eine hohe Zuverlässigkeit des Wärmekontaktes, einen niedrigen Gesamtwärmewiderstand besitzt und damit große Wärmemengen zu übertragen vermag. Um sich dem Gesamtkonzept für den Aufbau elektronischer Geräte anzupassen, soll sie darüber hinaus ein geringes Bauvolumen aufweisen und die Prüfung und Wartung von Baugruppen im Betriebszustand nicht behindern.

Mit einer Einrichtung zum Kühlen elektronischer Geräte der eingangs genannten Art wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die metallischen Anschlußkörper aller Baugruppen einer Baueinheit mit ihrer der Verdrahtungsplatte abgewandten Seite einem Kühlkörper unmittelbar benachbart angeordnet sind,

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der von einem unter Überdruck stehenden Kühlmittel durchströmt als aktive Kühlfläche eine metallische Kühlmembran "besitzt. Ein derartiger Kühlkörper "besitzt bei einer geringen Bautiefe eine große aktive Kühlfläche, die den anliegenden Baugruppen gleichmäßig Wärme entzieht. Da die dünnwandige Kühlmembran unter Überdruck steht und sich aufgrund ihrer mechanischen Eigenschaften an die Oberfläche der anliegenden Baugruppen anschließt, ergibt sich bei einer gleichmäßigen Kontaktkraft zwischen der Kühlmembran und den anliegenden Baugruppenflächen aufgrund der hohen Kontaktgüte und einer großen Kontaktfläche ein niedriger thermischer Übergangswiderstand. Daneben sind die Wärmewege kurz, so daß sich nur niedrige Temperatürdifferenzen zwischen den die Wärme erzeugenden Bausteinen und dem Kühlmittel einstellen. Insgesamt ermöglichen diese physikalischen Eigenschaften der erfindungsgemäßen Lösung ein nahezu konstantes Temperaturniveau über alle zu kühlenden Bausteine bei einem geringen Streubereich sicherzustellen.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung besteht darin, daß der Kühlkörper einen Grundkörper als Rahmen mit Anschlüssen zum Zu- bzw. Abführen des Kühlmittels auf weist, an dessen seitlichem Rand den Baugruppen benachbart die Kühlmembran unter elastischer Einspannung den Rand des Grundkörpers abdichtend festgelegt ist. Eine derartige elastische Einspannung der Kühlmembran verbessert noch den Kontakt zwischen der aktiven Kühlfläche und der anliegenden Oberfläche der Randbaugruppen. Heben der Membranelastizität sorgt diese Einspannung bei Kiveauunterschieden zwischen benachbarten Baugruppen, bei Staubeinschlüssen oder anderen Unebenheiten, die auf Fertigungsfehler ^bzw. -toleranzen zurückzuführen sind, für einen selbsttätigen Toleranzausgleich, der den Verlust an aktiver Kühlfläche in beherrschbaren Grenzen hält. Dies ist ein wirtschaftlich bedeutsamer Gesichtspunkt, da es erst unter solchen Voraussetzungen sinnvoll erscheint, eine derartige Kühleinrichtung in eine Serienfertigung zu Übernehmen.

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Andere, vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung, die in anderen Unteransprüchen gekennzeichnet sind, zeigen, daß es möglich ist, eine derartige Kühleinrichtung bei geringer Bauhöhe, also einer guten Volumenausnutzung, auch derart auszubilden, daß z. B. ein Trennen von Kühlkörper und Baugruppen einzeln oder in einer Gesamtheit unter Betriebsdruck möglich ist, ohne daß die Kühlmembran überdehnt "wird. Dies ist insbesondere vorteilhaft für eine gute, d. h. sichere und einfache Wartung bzw. Prüfung von Baugruppen im Betriebszustand.

Zur näheren Erläuterung der Erfindung wird ein Ausführungsbeispiel nachfolgend anhand der Zeichnung beschrieben. Es zeigt 3?ig. 1 in einer räumlichen Darstellung eine Einrichtung zum

Kühlen elektronischer Geräte mit zwei zueinander parallel liegenden Verdrahtungsplatten, auf denen jeweils eine Mehrzahl von rasterförmig angeordneten Baugruppen festgelegt ist und einem dazwischen eingelegten Kühlkörper, der auf jeder Baugruppenseite eine Kühlmembran trägt, S¹Ig. 2 und Fig. 3 je eine Prinzipskizze für mögliche Anordnungen der Baugruppen in bezug auf den Kühlkörper und Pig. 4 eine Prinzipskizze zur Erläuterung des Toleranzausgleichs der elastisch eingespannten Kühlmembran.

Da in der Darstellung der Pig. 1 nur das Prinzip einer Einrichtung zum Kühlen elektronischer Geräte gezeigt werden soll, ist sie aus Gründen der besseren Übersicht zum Teil aufgeschnitten, um den Aufbau besser zeigen zu können und zum Teil gegliedert gezeichnet. Sie zeigt im Prinzip zwei Baueinheiten 2, die zueinander parallel liegend zu beiden Seiten eines Kühlkörpers angeordnet sind. Jede Baueinheit 2 weist einen gitterförmigen Rahmen 21 auf, in dessen Fenster hier auch nur schematisch durch ihre Anschlußkörper 22 dargestellte Baugruppen eingesetzt sind. Auf der dem Kühlkörper 1 abgewandten Seite jeder Baueinheit ist auf dem gitterförmigen Rahmen 21 eine Verdrahtungsplatte festgelegt, die als großflächige mehrlagige Leiterplatte ausgebildet ist. Sie dient dazu, an die einzelnen Baugruppen einer Baueinheit mit Hilfe von Steckverbindungen - von denen der An-

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Schlußkörper 22 jeder Baugruppe einen Teil bildet - externe Signal- und Versorgungsleitungen, sowie Leitungsverbindungen der Baugruppen untereinander auszuschließen. Auf der Außenseite der Verdrahtungsplatte 23 sind als externe Anschlüsse an die Verdrahtungsplatte rein schematisch einzelne Seitenstecker 24 dargestellt. Da diese Aufbautechnik für elektronische Baueinheiten z. B. aus dem deutschen Patent 1 765 506 oder auch aus der deutschen Offenlegungsschrift 2 127 915 in konstruktiven Details bekannt ist, genügt es hier, in Zusammenhang mit einer Einrichtung zum Kühlen derartiger Baueinheiten nur das Prinzip zu erläutern.

Der zwischen den beiden Baueinheiten 2 angeordnete Kühlkörper weist einen Grundkörper 11 auf, der als rechteckiger Kastenrahmen ausgebildet ist, an einer Seite zwei Anschlüsse 12 zum Zu- bzw. Abführen einer Kühlflüssigkeit 15 besitzt, die in Pfeilrichtung mit Überdruck durch den Kühlkörper strömt. Die beiden den Baueinheiten 2 zugewandten Seitenflächen des Grundkörpers 11 sind durch je eine großflächige Kühlmembran 13 abgedeckt. Auf diese dünne metallische Kühlmembran 13 ist an den Rändern ein Gummirand 14 aufvulkanisiert. Auf der den Baueinheiten 2 zugewandten Seite ist auf die Kühlmembran 13 ein Stützgitter 15 aufgelegt. Die Seitenabstände der Stege dieses Stützgitters sind derart gewählt, daß sich rasterförmig angeordnete Fenster ergeben, in die jeweils ein Anschlußkörper 22 der Baugruppen eintaucht.

Das Stützgitter 15> die Kühlmembran 13 mit ihrem Gummirand und der Grundkörper 11 sind an den Außenrändern - wie in Pig. angedeutet - an einer Vielzahl, von Punkten miteinander verschraubt, dabei wirkt der auf vulkanisier te Gummirand 14 als Abdichtung und zugleich als elastische Einspannung für die KÜhlmembrani 3, deren Zweck noch in Zusammenhang mit Pig. 4 erläutert wird.

Der Grundkörper 11 trägt auf seiner Oberseite zwei senkrecht zu einer Längskante angeordnete Befestigungsbügel 16. Diese

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Befestigungs"bügel weisen an "beiden Enden jeweils paarweise zueinander fluchtende Einkerbungen auf, denen als Gegenstück in den Baueinheiten 2 jeweils ein in Richtung der Längsachse aus den Seitenholmen des gitterförmigen Rahmens 21 herausragender Befestigungszapfen 25 zugeordnet ist. Diese Befestigungszapfen werden beim Zusammenbau in eine Einkerbung eines der Befestigungsbügel 16 eingehängt, damit ist die Baueinheit 2 an dem Kühlkörper 1 um dessen Längsachse schwenkbar angeordnet. Neben diesen Befestigungsbügeln 16 sind an der Unterseite des Grundkörpers 11 zwei über die Seitenflächen des Kühlkörpers 1 herausragende Gewindebolzen 17 festgelegt. Diesen Gewindebolzen zugeordnet, ragt aus der Unterseite jeder Baueinheit ein Befestigungsauge 27» über das die Baueinheiten mit einem Paar von Flug el schraub en 26 mit der für einen guten thermischen Kontakt notwendigen Kraft an die vorgespannte Kühlmembran 13 andrückbar ist. Damit ergibt sich ein geschlossener Kraftfluß für die mechanischen Andruckkräfte, der die empfindlichen elastischen Verbindungen nicht belastet.

In Pig. 2 bzw. 3 ist jeweils in einer Prinzipskizze ein nur einseitig mit einer Kühlmembran 13 belegter Grundkörper 11 dargestellt. Der von beiden gebildete Hohlraum ist von der Kühlflüssigkeit 18 ausgefüllt. Auf die Kühliaembran 13 ist jeweils eine Baugruppe aufgesetzt, von der in diesen Skizzen nur der Anschlußkörper 22 und eine darin eingebettete, Mikrobausteine tragende Leiterplatte 28 angedeutet ist. Fig. 2 und Fig. 3 zeigen die beiden möglichen Einbaulagen, bei denen der Anschlußkörper mit seiner Grundfläche bzw. mit seiner Bauelementeseite der Kühlmembrari. 13 zugewandt ist. Die in Fig. 2 dargestellte Einbaulage hat den Vorteil einer größeren Kontaktfläche Fk zwischen dem Anschlußkörper 22 und der Kühlmembran 13. Diese für die Kühlung an sich günstige Eiribaulage wegen äußerst geringer Länge der durch Pfeile angedeuteten Värraewege und einer großen Kontaktfläche Fk ist aber mit Rücksicht auf die ITotwendigkeit, die Baugruppen über die Anschlußkörpex' 22 mit der Verdrahttings-

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platte 23 zu verbinden und der hier erforderlichen kurzen Signalweglä,nge oft nicht zu realisieren. Bei praktischen Versuchen hat sich nun gezeigt, daß die in Pig. 3 dargestellte Einbaulage mit einer entsprechend geringeren Kontalrfcfläche Pk¹ und an sich etwas längeren Wärmewegen, die auch hier durch Pfeile angedeutet sind, trotzdem noch ein günstiges Ergebnis liefert, da der gute thermische Kontakt in der Kontaktfläche Fk¹ zwischen der Kühlmembran 13 und den Anschlußkörper 22 sowie die große Masse des Anschlußkörpers 22 einen ausreichend niedrigen Gesamtwärraewiderstand ermöglichen.

Vorstehend wurde bereits deutlich, daß eine optimale Wärmeabfuhr nur gewährleistet ist, wenn ein guter thermischer Kontakt zwischen der Kühlmembran 13 und dem Anschlußkörper 22 besteht. Verschiedene Einflüsse, die diesen Kontakt beeinträchtigen können, seien nunmehr anhand von Fig.- 4 erläutert. Wieder ist in einer Prinzipskizze ein einseitig ausgebildeter Grundkörper 11 mit einer an seinen Rändern festgelegten Kühlmembran 13 dargestellt, zwischen beiden ist die eingeschlossene Kühlflüssigkeit 18 angedeutet. Als Beispiele sind noch zwei Anschlußkörper 22 bzw. 22' dargestellt, die an der Kühlmembran 13 anliegen. Beide Anschlußkörper 22 bzw. 22· haben zueinander einen Abstand a, der durch den hier nicht dargestellten gitterförmigen Rahmen 21 der Baueinheit 2 vorgegeben ist.

Im wesentlichen können.nun zwei Einflüsse zu einem Verlust an Kontaktfläche Fk bzw. Pk¹ führen: Wie angedeutet, kann auch noch im montierten Zustand zwischen dem G-rundkörper und der Baueinheit 2 ein geringer Abstand ΔΕ als Einbauluft verbleiben. Aufgrund der elastischen Eigenschaften der Kühlmembran 13 wirkt sich dieser schädliche Einfluß überhaupt nur auf die außen an den Rändern liegenden Anschlußkörper 22 der Baueinheit 2 aus. Dieser Bereich ist in der Schnittdarstellung in Pig. 4 als die mit d bezeichnete Länge, zu erkennen. Ein zweiter, ebenso auf Pertigungstoleranzen zurückzuführender Einfluß ergibt sich da-

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durch, daß die Kontaktflächen aller Anschlußkörper 22 einer Baueinheit 2 nicht exakt in einer Ebene liegen. In Pig. 4 ist das durch die relative Lage der beiden Anschlußkörper 22 bzw. 22' angedeutet, deren Kontaktflächen um den AbstandA h gegeneinander verschoben sind. Auch ein solcher, etwas zurückgesetzter Anschlußkörper 22' erleidet einen Verlust an Kontaktfläche Pk, der in Pig. 4 nur eindimensional als die Länge b zu erkennen ist.

Beide schädlichen Einflüsse sind fertigungsbedingt und lassen sich nicht gänzlich vermeiden. Wie die Praxis aber gezeigt hat, sind diese Einflüsse in ihrer Wirkung aber durchaus beherrschbar, denn eine dünne metallische und elastisch eingespannte Kühlmembran 13, die außerdem aufgrund der unter geringem Überdruck durch den Kühlkörper 1 strömenden Kühlflüssigkeit 18 nachgibt, ist auch wegen ihrer großen Pläche derart elastisch, daß sie sich gut an derartige Einflüsse anpaßt, d. h. die Toleranzen ausgleicht. Im Mittel ergibt sich daher bei einer Kühlvorrichtung der erläuterten Art trotz solcher schädlichen Einflüsse innerhalb einer Baugruppe und bei den einzelnen Baugruppen einer Baueinheit ein mit großer Näherung konstantes Temperaturniveau, das sich außerdem wegen der guten Regelbarkeit der Kühlung über die Durchflußmenge der Kühlflüssigkeit auch auf einen absoluten Wert gut einstellen läßt.

Eine wesentliche Eigenschaft der beschriebenen Einrichtung zum Kühlen elektronischer Geräte besteht auch darin, daß es ohne weiteres möglich ist, zum Prüfen tew. bei Wartungsaufgaben einzelne Baugruppen aus den Verband einer Baueinheit zu lösen, ohne daß die Betriebssicherheit der Kühleinrichtung verloren geht. Das auf der der Baueinheit 2 zugewandten Seite der Kühlmembran 13 angeordnete Stützgitter 15 schützt die Kühlmembran vor unzulässigen Dehnungen. Aber auch Schaden an dem Kühlkörper lassen sich verhältnismäßig einfach beheben, denn die erläuterte Konstruktion erlaubt es, die Kühlraerabran 13 auszuwechseln.

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Torstellende Erläuterungen haben wohl gezeigt, daß sich die beschriebene Einrichtung zum Kühlen elektronischer Geräte gut in das allgemeine Konzept für derartige Geräte einfügt, da sie durch eine flache Bauweise mit der Möglichkeit, den Kühlkörper doppelseitig zu verwenden, den beanspruchten Raum voll ausnutzt, bei guten funktionellen Eigenschaften den Anforderungen an eine moderne Kühleinrichtung genügt und betriebssicher ist und darüber hinaus auch prüfungs- und wartungsfreundlich ist.

4 Figuren

6 Patentansprüche

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Claims

Patent an Sprüche

1. Einrichtung zum Kühlen elektronischer Geräte, bei denen zu einer größeren Baueinheit zusammengefaßte Baugruppen mit jeweils einer elektronische Mikrobausteine tragenden Leiterplatte, die in einen Anschlußkörper eingebettet ist, rasterförmig in einer Ebene und parallel zu einer Verdrahtungsplatte angeordnet sind, über die mit Hilfe der Anschlußkörper als Teil einer Steckverbindung an die Baugruppen externe Signal- und Versorgungsleitungen, sowie Leitungsverbindungen der Baugruppen untereinander geführt sind, dadurch gekennzeichnet , daß die metallischen Anschlußkörper (22) aller Baugruppen einer Baueinheit (2) mit ihrer der Verdrahtungsplatte (23) abgewandten Seite einem Kühlkörper (1) unmittelbar benachbart angeordnet sind, der von einem unter Überdruck stehenden Kühlmittel (18) durchströmt als aktive Kühlfläche eine metallische Kühlraembran (13) besitzt.

2. Einrichtung zum Kühlen elektronischer Geräte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlkörper (1) einen Grundkörper (11) als Rahmen mit Anschlüssen (12) zum Zu- bzw. Abführen des Kühlmittels (18) aufweist, an dessen seitlichem Rand der Baueinheit (2) benachbart die Kühlmembran (13) unter elastischer Einspannung den Rand des Grundkörpers abdichtend festgelegt ist.

3. Einrichtung zum Kühlen elektronischer Geräte nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlmembran (13) im Bereich ihrer Rand einspannung einen auf vulkanisierten Gummirand (14) trägt.

4. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet , daß die Kühlmembran (13) auf ihrer der Baueinheit (2) zugewandten Seite durch ein weitmaschiges Stützgitter (15) abgedeckt ist, bei dem Breite und Abstand

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der Stege derart gewählt sind, daß die Anscblußkörper (22) der Baugruppen durch eines der so gebildeten Fenster hindurchgreifen. " .

5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 Ms 4» dadurch gekennzeichnet , daß die Anschlußkörper (22) der Baugruppen in einen gitterförmigen Rahmen (21) eingelegt sind, der zugleich als Stützgitter für die Verdrahtungsplatte (23) dient und daß der Rahmen an den Kühlkörper (1) um eine von dessen Eanten schwenkbar und zusätzlich an der dazu gegenüberliegenden Kante mit Schrauben (17» 26) festgelegt ist.

6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5» gekennzeichnet durch einen Grundkörper (11), der als

■ rechteckiger einfacher Kastenrahmen ausgebildet ist, in dem Strömungskanäle zum Führen des durchfließenden Kühlmittels angeordnet sind, und dessen offene einander gegenüberliegende Seitenflächen durch je eine Kühlmembran (13) abgedeckt sind, denen je eine zu kühlende Baueinheit (2) zugeordnet ist.

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