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Die
Erfindung betrifft einen flüssigkeitsbetriebenen
Kühler
für ein
elektrisches oder elektronisches Bauteil, wie er beispielsweise
aus der Patentschrift
US 6,105,373 bekannt
ist.
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In
modernen Rechnern sind die Grafikkarten und die Prozessoren, die
so genannten CPUs, hohen thermischen Belastungen ausgesetzt, welche
beispielsweise beim Betrieb von aufwendigen Grafikprogrammen oder
Computerspielen entstehen. Aufgrund der immer enger werdenden Leiterstrukturen und
der immer größeren Leistungsfähigkeit
der Prozessoren erwärmen
sich diese im Betrieb stark. Um eine gleichmäßige Rechnerleistung zu gewährleisten und
die Prozessoren vor thermischen Beschädigungen zu schützen, werden
diese durchweg aktiv gekühlt.
Eine herkömmliche
Kühlung
sieht einen Luftkühler
in Gestalt eines Ventilators vor, der einem solchen elektronischen
Bauteil geregelt oder ungeregelt Kühlluft zuführt. Die erwärmte Luft
wird in der Regel an die Umgebung abgeführt.
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Bei
hochleistungsfähigen
Rechnern stößt diese
Art der Kühlung
an ihre Grenzen; insbesondere in Großrechenanlagen ist die Erwärmung der
Rechnerräume
ein Problem, dem mit dem Einsatz von Klimaanlagen und hohem Energieaufwand
begegnet wird.
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Als
Alternative zur reinen Luftkühlung
werden verstärkt
Wasserkühler
für elektronische
Prozessoren angeboten, die eine Bodenplatte, meist aus Kupfer, aufweisen,
auf deren einen Seite der Prozessor angeordnet ist, während auf
die andere Seite ein Kühlwasserstrom
beaufschlagt wird. Dazu wird Kühlwasser über eine
Düsenplatte,
die mit Zuleitungs- und Ableitungsanschlüssen versehen ist, mit der
Bodenplatte in Kontakt gebracht.
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Beispielhaft
sei auf Kühler
verwiesen, die aus den Patenten
US
6,105,373 ,
US 5,239,443 und
US 6,167,952 B1 bekannt
sind. Der dichteste und damit gattungsbildende Stand der Technik
in Bezug auf die vorliegende Erfindung ist durch
US 6,105,373 gegeben. Der dort beschriebene
thermoelektrische Kühler
weist eine Bodenplatte und eine mehrteilige Düsenplatte auf, bei dem an der
ersten Seite der Bodenplatte ein zu kühlendes elektronisches Bauteil und
gegenüberliegend
die Düsenplatte
befestigbar ist. An der Düsenplatte
sind ein Zuleitungsanschluss und ein Ableitungsanschluss für ein flüssiges Kühlmedium
ausgebildet. Zur Verteilung des Kühlmediums ist in der Düsenplatte
eine Kammer ausgebildet, in die der Zuleitungsanschluss mündet und
die mit Ausspritzdüsen
oder Austrittsbohrungen in Strömungsverbindung
steht. Die Austrittsöffnungen
dieser Ausspritzdüsen
oder Austrittsbohrungen sind auf die von dem elektronischen Bauteil
abgewandte Seite der Bodenplatte gerichtet, so dass diese aktiv
mittels des Kühlmediums
kühlbar
ist. Die Ableitung des erwärmten
Kühlmediums
erfolgt aus dem zwischen der Außenseite
der Kammer und der von dem elektronischen Bauteil abgewandeten Seite
der Bodenplatte gebildeten Kühlraum.
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Wenngleich
diese flüssigkeitsgekühlte Kühlvorrichtung
gegenüber
luftgekühlten
Kühlvorrichtungen
für ein
elektronisches Bauteil deutliche Vorteile aufweist, so ist diese
hinsichtlich der Kühlwirkung weiter
verbesserungswürdig.
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Die
der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht daher darin, einen
gattungsbildenden Kühler
derart weiterzubilden, dass dessen Kühlleistung bei kompakter Bauform
weiter gesteigert wird.
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Die
Lösung
dieser Aufgabe ergibt sich aus den Merkmalen des Hauptanspruchs,
während
vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung den
Unteransprüchen
entnehmbar sind.
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Gemäß der Erfindung
weist dieser Kühler
für ein
elektrisches oder elektronisches . Bauteil folgende Merkmale auf:
Der
Kühler
verfügt über eine
Bodenplatte und eine Düsenplatte,
wobei an der ersten Seite der Bodenplatte das elektronische Bauteil
und gegenüberliegend
die Düsenplatte
befestigbar ist. Zudem sind an der Düsenplatte ein Zuleitungsanschluss
und ein Ableitungsanschluss für
ein flüssiges
Kühlmedium
vorhanden, sowie in der Bodenplatte zur Düsenplatte weisend Stege ausgebildet
und reihenförmig
oder gitterförmig
angeordnet. Diese Stege sind durch zwischen den Stegreihen ausgebildete
Kanäle
voneinander getrennt. Außerdem
weist die Düsenplatte
auf die Kanäle
und/oder Stege gerichtete Bohrungen beziehungsweise Schlitze zur
Zuführung
des Kühlmittels
zur Bodenplatte auf, die in Bohrungsreihen oder Schlitzdüsenreihen
angeordnet sind. Des Weiteren sind in der Düsenplatte zwischen den ausströmseitigen Öffnungen
der Bohrungen bzw. Schlitze Abflusskanäle vorhanden sowie der Ableitungsanschluss
als Durchgangsbohrung in der Düsenplatte
ausgebildet. Schließlich
ist vorgesehen, dass ein in der Bodenplatte und/oder in der Düsenplatte
ausgebildeter Sammelkanal alle Stege und Kanäle und/oder alle Bohrungen
bzw. Schlitze und Abflusskanäle
zumindest weitgehend umgreift und in Strömungsverbindung mit dem Ableitungsanschluss
ist.
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Durch
diesen konstruktiven Aufbau ist ein hocheffizienter und kompakter
flüssigkeitsbetriebener
Kühler
für elektrische
oder elektronische Bauteile geschaffen, der gegenüber bekannten
gattungsgemäßen Kühlern insbesondere
ein verbessertes Strömungssystem
für die
Kühlflüssigkeit
bereitstellt.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform des
genannten Kühlers
gemäß der Erfindung
ist vorgesehen, dass die Stege der Bodenplatte eine zur Düsenplatte
zeigende Stirnfläche
aufweisen, die flächenbündig zu
einer Kontaktfläche
der Düsenplatte den
Austrittsöffnungen
der Bohrungen bzw. Schlitze gegenübersteht.
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Eine
andere Variante sieht vor, dass die Stege bzw. die Kanäle in der
Bodenplatte und die Abflusskanäle
in der Düsenplatte
spanend in denselben erzeugt sind.
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Weiter
wird es als vorteilhaft beurteilt, wenn ein Kühler gemäß der Erfindung derart aufgebaut
ist, dass die Düsenplatte
zweiteilig ausgebildet ist und dabei einen Zwischenboden sowie einen
Deckel aufweist, mit einer Trennebene parallel zu der Kontaktfläche.
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Zudem
ist es von Vorteil, wenn in der Düsenplatte oder in dem Zwischenboden
ein separater Einsatz angeordnet ist, der Bohrungen bzw. Schlitze
und Abflusskanäle
aufweist.
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Gemäß einem
weiteren Merkmal kann vorgesehen sein, dass der Zwischenboden und
der Deckel miteinander verschraubt sind und zwischen diesen eine
Dichtung angeordnet ist.
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Schließlich ist
es vorteilhaft, wenn die Abflusskanäle zumindest teilweise in einer
Ebene verlaufen, die von der Bodenplatte beabstandet ist.
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Nachfolgend
wird ein Ausführungsbeispiel anhand
der beigefügten
Figuren näher
erläutert.
Es zeigen:
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1 – eine Bodenplatte;
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2 – eine Düsenplatte;
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3 – eine Detailansicht
einer zweiteiligen Düsenplatte;
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4 – eine Draufsicht
auf eine Bodenplatte;
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5 – eine Draufsicht
auf eine Bodenplatte;
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6a und 6b – verschiedene
Ausrichtungen von Bohrungen zu Kanälen;
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7 – eine Draufsicht
auf einen Kühler
in zusammengebautem Zustand;
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8a bis 8c – einen
Zwischenboden ohne und mit Deckelplatte; sowie
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9 bis 20 – Varianten
von Düsenplatten.
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In
der 1 ist in einer Explosionsdarstellung ein Kühler 1 mit
einer Bodenplatte 10 abgebildet, die vorzugsweise aus Kupfer
oder einem anderen, gut wärmeleitenden
Material hergestellt ist. Auf einer ersten Seite 11 der
Bodenplatte 10 ist ein nicht dargestelltes, elektrisches
oder elektronisches Bauteil, vorzugsweise ein Prozessor anzuordnen
oder aufzubringen. Die der ersten Seite 11 gegenüberliegende Seite 12 der
Bodenplatte 10 wird über
nicht dargestellte Stifte oder Schrauben und Bohrungen 13 einer Düsenplatte 20 zugeordnet,
die in der 2 dargestellt ist. Auf der zweiten
Seite 12 der Bodenplatte sind eine Vielzahl, par allel zueinander
verlaufender Kanäle 110 eingearbeitet,
beispielsweise eingesägt oder
eingefräst,
um die Wärmeübergangsfläche zu erhöhen. Im
dargestellten Ausführungsbeispiel
sind die Kanäle 110 sich
rechtwinklig schneidend angeordnet, so dass eine schachbrettartige
Anordnung aus Kanälen
und Stegen 120 (5) vorhanden ist.
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Der
Düsenkörper 20 in 2,
der korrespondierend zu den Bohrungen 13 ausgebildete Ausrichtbohrungen 230 aufweist,
zeigt einen Ableitungsanschluss 22 an der Unterseite oder
der Kontaktfläche 200,
die der Bodenplatte 10 zugeordnet ist. Nicht dargestellt
ist ein Zuleitungsanschluss für
das frische Kühlmedium,
insbesondere Wasser, das durch einen Zuleitungskanal zu Bohrungsreihen 240 geleitet
wird. Die Bohrungen 24 innerhalb der Bohrungsreihen 240 sind
hintereinander angeordnet, wobei die Bohrungen 24 in verschiedenen
Bohrungsreihen 240 zueinander versetzt angeordnet sind,
um eine gleichmäßige Zuleitung
frischen Kühlwassers
auf die Bodenplatte 10 zu gewährleisten. Während das
Kühlmedium durch
die Bohrungen 24 zuströmt,
die in der Kontaktfläche 200 der
Düsenplatte 20 mit
der Bodenplatte 10 enden, liegen die Abflusskanäle 220 in
Richtung auf die Düsenplatte 20 zurückversetzt,
also in einer anderen Ebene als die Bohrungen 24. Das durch
die Bohrungen 24 auf die Bodenplatte 10 geleitete
Kühlmedium
wird durch die Kanäle 110 sowie
die Abflusskanäle 240 in
der Düsenplatte 20 abgeleitet
und mischt sich aus diesem Grunde nicht oder nicht so stark mit
dem frischen Kühlwasser.
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Aufgrund
des verbesserten Abflusses aufgrund der Abflusskanäle 220 ist
es möglich,
sehr feine Kanäle 110 bzw.
Kanalquerschnitte vorzusehen, beispielsweise eine Kanalbreite von
0,25 mm, was die gesamte Wärmeübergangsfläche des
Kühlers deutlich
erhöht
und nur eine geringe Tiefe der Kanäle 110 notwendig macht.
Die Düsenplatte 20 erfüllt trotzdem
eine Stützfunktion
hinsichtlich der Bodenplatte 10, so dass auch geringe Materialstärken der Bodenplatte 10 unter
1 mm bei weiterhin relativ hohem Anpressdruck der Bodenplatte 10 auf
den Prozessor möglich
sind.
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Eine
Möglichkeit
der Einbringung der Kanäle 110 sowie
der Abflusskanäle 220 besteht
darin, dass sie mittels parallel angeordneter Diamantscheiben eingesägt bzw.
eingeschliffen werden.
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In
der 3 ist eine Detailansicht der Düsenplatte 20 mit einem
Zuleitungskanal 21 und einem Ableitungskanal 22 gezeigt.
In dieser Figur sind die versetzt angeordneten Bohrungen 24 in
den Bohrungsreihen 240 sowie die abwechselnd zwischen den
Bohrungsreihen 240 angeordneten Abflusskanäle 220 gut
zu erkennen. Die Abflusskanäle 220 stehen
mit einem Sammelkanal 23 in Verbindung und leiten das aus
den Abflusskanälen 220 abgeführte Kühlwasser
durch den Ableitungsanschluss 220 von der nicht dargestellten
Bodenplatte 10 ab.
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Die 4 und 5 zeigen
Draufsichten auf eine Bodenplatte 10 mit parallel oder
kreuzweise angeordneten Kanälen 110.
Die Bodenplatte 10 besteht aus Kupfer, die Kanäle 110 sind
aus 0,25 mm breiten und 1,5 mm tiefen Schlitzen hergestellt, die
dazwischen verbliebenen Stege 120 haben eine Abmessung
von 0,5 mm × 0,5
mm.
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Die
Bohrungen 24 können,
wie in den 6a und 6b gezeigt,
entweder über
dem Kreuzungspunkt zweier Kanäle 110 angeordnet
sein, was in der 6a gezeigt ist oder aber mit
einem Kanal 110 zwischen zwei quadratischen Stegen 120 angeordnet
sein. Die Stege 120 stehen zapfenartig aus der Bodenplatte 10 heraus.
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In
der 7 ist in einer Draufsicht ein Kühler 1 in
einem zusammengebauten Zustand gezeigt. Über den Zuleitungsanschluss 21 wird
frisches Kühlwasser
zu den Bohrungsreihen 240 geleitet, dort wird das Kühlwasser
auf die Bodenplatte 10 gespritzt und durch die Abflusskanäle 220 und
den Sammelkanal 23 dem Ableitungsanschluss 22 zugeleitet.
Die Komponenten, also die Bodenplatte 10 und die Düsenplatte 20,
sind miteinander verschraubt, zwischen der Bodenplatte 10 und
der Düsenplatte 20 ist
eine Dichtung 25 angeordnet.
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In
den 8a bis 8c ist
eine Variante der Düsenplatte
gezeigt, die zweiteilig ausgebildet ist und aus einer Zwischenplatte 20a und
einem Deckel 20b besteht. In der Zwischenplatte 20a ist
eine Ausnehmung 26 vorgesehen, in die ein nicht dargestellter
Einsatz 20c eingelegt werden kann, in dem die Bohrungen 24 und
die Abflußkanäle 220 angeordnet sind.
Der Einsatz 20c kann an die jeweiligen Einsatzbedingungen,
Kühlmedien
und Abmessungen der Kanäle 110 individuell
angepasst werden. Alternativ sind die Bohrungen 24 und
Kanäle 220 in
dem Deckel 20b ausgebildet, wie in der 8b gezeigt.
Im montierten Zustand gemäß 8c stehen
die Abflußkanäle 220 in
Verbindung mit den Sammelkanälen 23,
die zu einem angedeuteten Ableitungsanschluß 22 führen. die
montierte Düsenplatte 20 wird auf
die Bodenplatte 10 geschraubt, so dass ein Kühler 1 gemäß 7 erhalten
wird.
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9 zeigt
eine perspektivische Seitenansicht einer Düsenplatte 20 oder
eines Einsatzes 20c mit sich kreuzenden Abflußkanälen 220,
die auf einer Ebene mit den Bohrungen 24 des Zulaufes enden.
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In
der 10 ist eine Variante einer Düsenplatte 20 gezeigt,
bei der die Abflußkanäle 220 auf
einer Ebene beabstandet von der Kontaktfläche 200 liegen. Diese
Abflußkanäle 220 sind
mit der nicht dargestellten Bodenplatte über Abflußbohrungen 220a verbunden,
die in der 11 gezeigt sind. In der 11 ist
die perspektivische Seitenansicht einer Düsenplatte 20 gezeigt,
bei der durch die Bohrungen 24 Kühlflüssigkeit auf die nicht dargestellte
Bodenplatte 10 geleitet wird, die dann durch die Abflußbohrungen 220a und
die Abflußkanäle 220 seitlich
abgeleitet werden.
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In
der 12 ist eine Draufsicht auf die Unterseite einer
Düsenplatte
gemäß 11 gezeigt, aus
der zu erkennen ist, dass die Zuflußbohrungen 24 ei nen
geringeren Durchmesser als die Abflußbohrungen 220a aufweisen.
Die 13 zeigt eine Draufsicht auf eine Düsenplatte 20 gemäß 12.
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Eine
weitere Variante der Düsenplatte 20 ist in
der 14 dargestellt, bei der die Zuflußbohrungen 24 in
einer Ebene mit der Kontaktfläche 200 der Düsenplatte 20 enden.
Die Abflußkanäle 220 verlaufen
parallel und nicht kreuzend wie in der 9. Die 15 ist
eine perspektivische Darstellung der 14, in
der die Zuflußbohrungen 24 gezeigt
sind.
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16 zeigt
eine perspektivische Seitenansicht einer Düsenplatte 20, die
auf einer Bodenplatte 10 mit sich kreuzenden Kanälen 110 angeordnet sind.
Der Aufbau der Düsenplatte 20 entspricht
der gemäß 15.
In der 17 ist eine Ansicht auf die Unterseite 200 der
Düsenplatte 20 gemäß 16 dargestellt,
aus der zu erkennen ist, dass die Bohrungen 24 beabstandet
zu den Abflußkanälen 220 angeordnet
sind. Zwischen den Bohrungen 24 und den Abflußkanälen besteht
innerhalb der Düsenplatte 20 keine
strömungstechnische
Verbindung, diese wird ausschließlich über Kanäle 110 in dem Kühlerboden 10 hergestellt.
Der Zufluß und
der Abfluß sind
also bis zum Auftreffen der Kühlflüssigkeit
auf der Bodenplatte voneinander getrennt, vorzugsweise erfolgt keine
Vermischung zwischen den Strömungen,
vielmehr wird der Kühlmittelstrom
an der Bodenplatte entlang der Kanäle entlanggeführt und über die
Abflußkanäle abgeleitet.
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Eine
alternative Ausführungsform
einer Düsenplatte 20 ist
in der 18 dargestellt, bei der statt der
Bohrungen 24 Schlitze 24a ausgebildet sind, so dass
eine eher flächige
Beaufschlagung des Kühlerbodens 10 mit
Kühlflüssigkeit
bewirkt wird. Die Abflußkanäle 220 verlaufen
parallel zu den Düsenschlitzen 24a.
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Eine
mögliche
Anordnung einer in der 18 dargestellten Düsenplatte 20 ist
in der 19 dargestellt, bei der parallele
Kanäle 110 rechtwinkelig zu
den Ab flußkanälen 220 und
den Schlitzdüsen 24a angeordnet
werden. In der 20 ist eine Untenansicht der
Düsenplatte
gemäß 18 und 19 gezeigt.
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Die
Düsenplatten 20 der 9–20 können auch
als Einsätze 20c in
einen Zwischenboden 20a verwendet werden, in den 9–20 sind
die Zuleitungsanschlüsse
und Ableitungsanschlüsse
für das
Kühlmedium
aus Gründen
der Übersichtlichkeit nicht
dargestellt.