DE602005003058T2

DE602005003058T2 - Kühlkörper

Info

Publication number: DE602005003058T2
Application number: DE602005003058T
Authority: DE
Inventors: Risto Laurila; Jukka Sikanen; Erkki Ukkola
Original assignee: ABB Oy
Current assignee: ABB Oy
Priority date: 2004-06-11
Filing date: 2005-05-03
Publication date: 2008-02-28
Anticipated expiration: 2025-05-04
Also published as: FI117590B; US20050274505A1; EP1605741B1; ATE377349T1; DE602005003058D1; EP1605741A1; FI20045216A0; US7059390B2; FI20045216A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Kühlelement für eine elektronische Einrichtung, durch dessen Strömungskanal ein Kühlfluid geführt wird, um übermäßige Hitze abzuführen, welche durch die elektronische Einrichtung erzeugt wird.
BESCHREIBUNG DES STANDES DER TECHNIK
Um eine wirksame Kühlung einer elektronische Einrichtung zu erreichen, ist es oftmals erforderlich, mehrere Stellen der Einrichtung zu kühlen. Um dies zu erreichen, werden unterschiedliche Verzweigungen, Steuerventile und andere Zusatzeinrichtungen bei den bekannten Kühlelementen eingesetzt, um zu erreichen, dass ein Kühlfluid hinreichend weiträumig zu den Kühlelementen zirkuliert, die an unterschiedlichen Stellen der elektronischen Einrichtung angeordnet sind. Die Verwendung mehrerer getrennter Bauteile macht aber den Aufbau unnötig komplex und verursacht auch zusätzliche Kosten. Insbesondere ist es für die Serienproduktion wünschenswert, einen möglichst einfachen Aufbau zu erreichen, so dass die Kosten der Vorrichtung so gering wie möglich gehalten werden.
Der Stand der Technik aus der US 2004/066629 A1 kennt eine Kühlungseinrichtung für Halbleiter-Baugruppen. Bei dieser Lösung werden getrennte Kühlschienen eingesetzt zur Aufteilung und zur Zufuhr sowie zur Aufnahme von Kühlfluid in Richtung auf und in Richtung von aktiv gekühlten Leistungsstufen. Jüngst wurde auch aus der US – 4 268 850 eine Wärmesenke bekannt, deren Strömungskanal einen Abschnitt aufweist mit einem geringeren Querschnitt als der Strömungskanal in anderen Bereichen hat. Diese bekannt gewordenen Lösung zeigt aber keine wirksame Lösung des Problems, Kühlfluid Elementen zuzuführen, die an unterschiedlichen Stellen einer elektronischen Einrichtung positioniert sind.
KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, das oben beschriebene Problem zu lösen und ein Kühlelement für eine elektronische Vorrichtung bereitzustellen, welches eine wirksame Kühlung in möglichst einfacher Weise mit möglichst hohem Wirkungsgrad ermöglicht. Dieses Ziel wird durch ein Kühlelement gemäß dem unabhängigen Anspruch Nr. 1 erreicht.
Die Erfindung setzt ein Kühlelement ein, bei dem im Strömungskanal eine Druckdifferenz zwischen dem vorderen und dem hinteren Ende erzeugt wird. Auf diese Weise ist es möglich, aus dem Strömungskanal des Kühlelementes einen Sekundärkreis zwischen einer Einlassöffnung und einer Auslassöffnung abzuzweigen, wobei sich letztere in unterschiedlichen Druckbereichen befinden, so dass Kühlfluid durch den Sekundärkreis zu einem zweiten Kühlungspunkt geführt werden kann. Der Sekundärkreis kann deshalb direkt vom Kühlelement abgeleitet werden, ohne dass im Aufbau gesonderte Abzweigungen oder Ventile erforderlich wären. Auf diese Weise können die Herstellungskosten reduziert werden. Bevorzugte Ausführungsbeispiele des Kühlelements gemäß der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen 2 bis 5 beschrieben.
KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN
Nachfolgend wird die Erfindung mit weiteren Einzelheiten beispielhaft unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren beschrieben. Dabei zeigt:
1 eine Teilansicht eines erfindungsgemäßen Kühlelementes, und
2 Kühlungsrippen der Kanäle des Kühlelementes.
BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
Die 1 und 2 zeigen ein bevorzugtes erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel eines Kühlelementes 1 für eine elektronische Einrichtung. In 1 ist die Strömung des Kühlungsfluids, d.h. in Praxis einer Kühlungsflüssigkeit, zwischen einer Einlassöffnung 2 und einer Auslassöffnung 3 mit Pfeilen angezeigt. Das Kühlelement hat einen Strömungskanal, der so gestaltet ist, dass er hin und zurück mäandert, derart, dass, mit Bezug auf die Figuren, das Kühlelement drei im Wesentlichen parallele Kanalabschnitte 4, 5 und 6 hat. Die Kanalabschnitte sind so angeordnet, dass sie im Wesentlichen die gesamte Oberfläche des Kühlelementes abdecken, und zwar derart, dass die Temperatur der äußeren Fläche des Kühlelementes, die in Kontakt steht mit der elektronischen Einrichtung, konstant bleibt.
Der Strömungskanal des Kühlelementes 1 ist so gestaltet, dass eine Druckdifferenz zwischen dem vorderen Ende und dem hinteren Ende des Strömungskanals erzeugt wird. Beim Beispiel gemäß 1 wird die Druckdifferenz dadurch erzeugt, dass ein Kanal 7, der die Kanalabschnitte 4 und 5 des Strömungskanals verbindet, so bemessen wird, dass sein Querschnitt kleiner ist als der Querschnitt des Strömungskanals in anderen Abschnitten desselben. Die gewünschte Druckdifferenz kann beim Herstellen durch eine geeignete Dimensionierung des Querschnittes des Kanals 7 erzeugt werden. Im Falle der 1 ist der Querschnitt eines Kanals 8, der die Kanalabschnitt 5 und 6 verbindet, im Wesentlichen entsprechend dem Querschnitt der Kanalabschnitte 5 und 6. Wird hingegen eine Druckdifferenz ebenfalls zwischen diesen Kanälen gewünscht, kann dies dadurch erreicht werden, dass der Querschnitt des Kanals 8 kleiner gestaltet wird.
Das in den Figuren gezeigte Kühlelement wird durch Extrusion von Aluminium in einem Stück hergestellt. Auf diese Weise können die Kanalabschnitte 4, 5 und 6 bereits beim Extrusionsschritt erzeugt werden. Die anderen Kanäle 7, 8 und 14 werden durch Bohrung erzeugt, wonach die unerwünschten Öffnungen in der Außenfläche des Kühlelementes 1 durch Verschlüsse 9 verschlossen werden, wie zum Beispiel Schraubverschlüsse oder Pfropfen, die genau passen. Um dieses Verschließen weitestgehend zu vermeiden, sind die Kanäle 7 und 14 koaxial angeordnet, so dass sie mit einer einzigen Bohrung erzeugbar sind.
Eine Einlassöffnung 10 für eine Sekundärkreis 11 ist im Hochdruckbereich des Strömungskanals des Kühlelementes 1 angeordnet. Im Kanalabschnitt 4 befinden sich vier derartige Einlassöffnungen, wodurch das Kühlelement 1 gemäß 1 Kühlflüssigkeitsströmung für maximal vier unterschiedliche Sekundärkreise bereitstellen kann. In Praxis kann die Einlassöffnung 10 des Kanalabschnittes 4 mit einem Rohr oder Schlauch mit der Einlassöffnung eines zweiten Kühlelementes verbunden werden, wodurch dieses zweite Kühlelement eine Komponente kühlen kann, die vom Kühlelement 1 gemäß 1 entfernt ist.
Eine Auslassöffnung 3 des vorstehend erwähnten Sekundärkreises ist im hinteren Niederdruckbereich des Strömungskanals des Kühlelementes 1 angeordnet. In Praxis kann diese Auslassöffnung 12 mit einem Rohr oder Schlauch der Auslassöffnung des erwähnten zweiten Kühlelementes verbunden werden, wodurch Kühlfluid des zweiten Kühlelementes insgesamt durch das Kühlelement 1 strömt. Dies erspart das Erfordernis der Verwendung von separaten Verbindern und/oder Ventilen zur Erzeugung des Sekundärkreises 11.
Die Menge an Kühlfluid, die aus dem Sekundärkreis austritt, hängt insbesondere von der Druckdifferenz zwischen der Einlassöffnung 10 und der Auslassöffnung 12 ab. Somit kann durch unterschiedliche Dimensionierung der Drosselstelle, welche diese Druckdifferenz beeinflusst, d.h. des Kanals 10 mit geringerem Durchmesser, der Wirkungsgrad der Kühlung mit dem Sekundärkreis beeinflusst werden.
In den 1 und 2 hat der Kühlelement-Strömungskanal Rippen 13 auf der Innenfläche der Kanalabschnitte 4, 5 und 6. Diese Rippen erstrecken sich in Längsrichtung auf der Innenfläche des Strömungskanals und sind in 2 besonders dargestellt. 2 ist eine Stirnansicht des Kühlelements gemäß 1 vor Montage der Stopfen 9. Aufgrund der Rippen wird die wirksame Oberfläche der Innenfläche vergrößert, so dass Wärme mit höherer Wirkung von dem Kühlelement zum Kühlungsfluid übertragen wird.
In Abwandlung der 1 können die Rippen 13 in regelmäßigen Abständen derart über die Länge der Kanalabschnitte 4, 5 und 6 gestaltet werden, dass die Rippen nicht durchgehend vorhanden sind. Dies bringt den Vorteil, dass die Wärmeübertragung vom Kühlelement 1 auf das Kühlungsfluid weiter verbessert wird, da nach dem Unterbrechungspunkt die Grenzfläche der Strömung unterbrochen wird und sich danach wieder neu entwickelt.
Das Kühlelement 1 ist weiterhin mit einem Entladungskanal 14 versehen, der die Entfernung von Kühlungsfluid aus dem Strömungskanal des Kühlelementes ermöglicht. Wird das Kühlelement aufrecht montiert, derart, dass seine Einlassöffnung 2 sich nach oben öffnet und seine Auslassöffnung 3 sich nach unten öffnet, dann erfolgt die Entfernung von Kühlungsfluid durch Schwerkraft durch die Auslassöffnung 3. Kühlungsfluid tritt durch den Kanalabschnitt 4 und durch den Kanal 7 mit geringerem Durchmesser zum Kanalabschnitt 5 und strömt von dort durch den Entladungskanal 14 in den Kanalabschnitt 6 und durch die Auslassöffnung 3 heraus. Der Entladungskanal 14 wird vorzugsweise so bemessen, dass sein Querschnitt deutlich kleiner ist als der Querschnitt der Kanalabschnitte 5, 6 und 8. Deshalb ist beim Einsatz des Kühlelementes 1 kaum eine Druckdifferenz zwischen den Enden des Entladekanals 14 gegeben und somit strömt kaum Kühlungsfluid durch den Entladekanal 14.
Eine vollständige und einfache Entleerung des Kühlelementes ist sehr vorteilhaft, da dies, unter anderem, eine Kaltspeicherung des Elementes ermöglicht. Ohne die Möglichkeit der Entleerung, kann ein gefülltes Kühlelement Schaden nehmen, wenn das Kühlungsfluid gefriert. Beim Kühlelement gemäß 1 besteht diese Gefahr nicht und das Kühlelement kann mit Beispielsweise Wasser getestet werden, insbesondere bei der Herstellung, und es kann sodann vollständig vor der Lagerung und Auslieferung zum Kunden entleert werden.
Es versteht sich, dass die obige Beschreibung und die zugehörigen Figuren nur dazu dienen, die Erfindung zu erläutern. Abwandlungen und Änderungen sind dem Fachmann offensichtlich, ohne vom Inhalt der Erfindung abzuweichen.

Claims

Kühlelement (1) für eine elektronische Einrichtung, folgendes aufweisend: eine Einlassöffnung (2) zum Aufnehmen eines Kühlfluids, eine Auslassöffnung (3) zum Abgeben von Kühlfluid aus dem Kühlelement, und einen Strömungskanal (4, 5, 6, 7, 8) zum Führen von Kühlfluid von der Einlassöffnung des Kühlelementes zu der Auslassöffnung, wobei der Strömungskanal (7) zumindest einen Abschnitt (7) aufweist mit einem kleineren Querschnitt als der Strömungskanal in anderen Abschnitten hat, um eine Druckdifferenz zwischen einem vorderen Ende (4) und einem hinteren Ende (6) des Strömungskanals zu erzeugen, dadurch gekennzeichnet, dass an dem vorderen Ende (4) des Kühlelement-Strömungskanals, wo höherer Druck herrscht und vor dem genannten Abschnitt (7) mit geringerem Querschnitt, in Strömungsrichtung gesehen, eine Einlassöffnung (10) für einen Sekundärkreis (11) angeordnet ist, aus der Kühlfluid in einen Sekundärkreis geleitet wird, der außerhalb des Kühlelements (1) liegt, und dass am hinteren Ende (6) des Kühlelement (1)-Strömungskanals und nach dem genannten Abschnitt (7) mit kleinerem Querschnitt, in Richtung der Strömung gesehen, eine Auslassöffnung (12) für den genannten Sekundärkreis (11) angeordnet ist, aus der Kühlfluid, welches aus dem Sekundärkreis zurückkommt, in den Strömungskanal des Kühlelements geleitet wird.
Kühlelement gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die innere Fläche des Strömungskanals (4, 5, 6) langgestreckte Rippen (13) aufweist, die von den Wänden des Strömungskanals vorstehen, um die innere Oberfläche zu vergrößern.
Kühlelement gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Rippen (3) in Längsrichtung des Strömungskanals nach regelmäßigen Abständen unterbrochen sind.
Kühlelement gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungskanal hin und her verläuft, wobei er mehrere Kanalabschnitte (4, 5, 6) aufweist, die sich im Wesentlichen parallel zueinander strecken, und wobei zwischen zumindest zwei sich im Wesentlichen parallel erstreckenden Kanalabschnitten (5, 6) ein Ausflusskanal (14) ausgeformt ist, der einen deutlich kleineren Querschnitt aufweist als der Strömungskanal und der ein Ende hat, das sich nahe der Einlass- oder der Auslassöffnung (3) des Strömungskanals öffnet, um eine Entleerung des Strömungskanals zu ermöglichen.
Kühlelement gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlelement (1) aus einem homogenen Stück geformt ist, wobei der Strömungskanal durch Extrusion und/oder Bohrung erzeugt ist.