DE20319086U1

DE20319086U1 - Kühler

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Publication number: DE20319086U1
Application number: DE20319086U
Authority: DE
Original assignee: AUGUST MAYER oHG METALLVERARBE; AUGUST MAYER oHG METALLVERARBEITUNG
Current assignee: AUGUST MAYER oHG METALLVERARBE; AUGUST MAYER oHG METALLVERARBEITUNG
Priority date: 2003-12-08
Filing date: 2003-12-08
Publication date: 2005-04-28
Anticipated expiration: 2013-12-09

Abstract

Kühler für elektronische Bauteile, mit einem Kühlkörper (10), der am Boden eine Kontaktfläche (30) für ein zu kühlendes Bauteil aufweist,
– mit einem Hohlraum (20) im inneren des Kühlkörpers (10),
– mit einem Gehäuse (16), das eine obere Begrenzung für den Hohlraum (20) bildet,
– mit einem Zulauf (34) und einem Ablauf (36) für Kühlflüssigkeit, die mit dem Hohlraum (20) in Verbindung stehen,
– mit einem Wärmeleitungselement (18), das eine untere Begrenzung für den Hohlraum (20) bildet, wobei die Kontaktfläche (30) mindestens teilweise durch das Wärmeleitungselement (18) gebildet wird,
dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (16) auf seiner unteren Seite eine Aufnahme (22) hat, die durch das flüssigkeitsdicht von der Aufnahme (22) umfaßte Wärmeleitungselement (18) verschlossen ist, und daß das Gehäuse (16) einen geringeren Wärmeleitungskoeffizienten als das Wärmeleitungselement (18) hat.

Description

Die Erfindung betrifft einen Kühler für elektronische Bauteile, mit einem Kühlkörper, der am Boden eine Kontaktfläche für ein zu kühlendes Bauteil aufweist, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Elektronische Bauteile, insbesondere integrierte Halbleiterschaltungen, wie sie beispielsweise in Computern eingesetzt werden, können eine so hohe elektrische Leistungsaufnahme haben, daß die entstehende Abwärme durch technische Mittel abgeführt werden muß. Üblich sind etwa Kühlrippen mit oder ohne Ventilator. Es ist außerdem bekannt, Bauteile mit besonders hoher Leistung über einen Kühlkörper zu kühlen, durch den eine Kühlflüssigkeit geleitet wird. Ein solcher herkömmlicher Kühler mit einem Kühlkörper zur Kühlung einer CPU (Central Processing Unit) weist einen Kupferkörper oder Kupferkern als Wärmeleitungselement auf, durch den ein Kanal mit mehreren Windungen verläuft. Der Kupferkörper hat üblicherweise einen Boden, der beispielsweise eine Stärke von 4 mm aufweisen kann, und mehrere Wände, die die Kanäle begrenzen. Mittels eines in den Kupferkörper eingelassenen Dichtringes kann der Kupferkörper mit einem flachen Deckel dicht verschlossen werden. Der Deckel kann beispielsweise aus Plexiglas gefertigt sein.
Zur Verbesserung der Kühlleistung wurden verschiedene Maßnahmen vorgeschlagen. So soll ein dicker Boden des Kupferkörpers eine optimale Wärmeverteilung garantieren und in Verbindung mit einem mehrfach gewundenen Kanal eine gute Wärmeabgabe an das Kühlmedium bewirken. Der Kupferkörper, in den ein Kanal mit beispielsweise vier Windungen eingefräst ist, kann beispielsweise eine Gesamtstärke von 11 mm haben. Es wurde auch vorgeschlagen, einen mit einem komplexeren Kanalsystem ausgestatteten Kühler mit einer Rückflußsperre zu versehen, um die Strömungsrichtung vorzugeben.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Kühler mit einem Kühlkörper zu schaffen, der eine verbesserte Kühlleistung bewirkt.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Kühler der eingangs genannten Art gelöst, bei dem das Gehäuse des Kühlkörpers auf seiner unteren Seite eine Aufnahme hat, die durch das flüssigkeitsdicht von der Aufnahme umfaßte Wärmeleitungselement verschlossen ist, und bei dem das Gehäuse einen gerin geren Wärmeleitungskoeffizienten als das Wärmeleitungselement hat.
Da das Wärmeleitungselement von der Aufnahme des Gehäuses umfaßt wird, reicht das Wärmeleitungselement nicht bis an die Seiten des Kühlkörpers heran. Während bei einem herkömmlichen Kühlkörper das Wärmeleitungselement entweder selbst die Seitenwände des Kühlkörpers bildet oder doch zumindest die Seitenwände nach unten begrenzt und etwa mit einem Dichtring gegen diese abgedichtet ist, ist das Wärmeleitungselement bei dem erfindungsgemäßen Kühler an seinem Rand von dem Gehäuse umgeben. Das Gehäuse, das einen geringeren Wärmeleitungskoeffizienten als das Wärmeleitungselement hat, sorgt so dafür, daß die Wärme im wesentlichen von unten über die Kontaktfläche am Boden des Kühlkörpers in das Wärmeleitungselement eingetragen wird. Diese Konzentration der Wärmeabführung auf die Kontaktfläche oder sogar nur einen Teil derselben ermöglicht eine effizientere Kühlung des elektronischen Bauteils, da die Wärme so möglichst nahe am Ort ihrer Entstehung abgeführt wird. Bei einem herkömmlichen Kühler kann dagegen auch aus seitlichen oder anderen Richtungen Wärme dem Wärmeleitungselement zugeführt werden, was eine effiziente Kühlung des Bauteils behindert.
Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Kühlers ist es, daß der ansonsten an dieser Stelle benötigte Dichtring eingespart werden kann. Das Wärmeleitungselement kann beispielsweise in die Aufnahme des Gehäuses eingepreßt sein, beispielsweise durch eine Schrumpfungsverbindung. Da der Platzbedarf für den Dichtring entfällt, ist eine kompaktere Bauweise des Kühlkörpers möglich.
Bevorzugte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Hohlraum ein im wesentlichen U-förmiger Kanal, an dessen Enden der Zulauf und der Ablauf angeschlossen sind, und der in einer zur Kontaktfläche parallelen Ebene verläuft. Der Kanal ist somit sehr einfach aufgebaut, was ebenfalls eine kompakte Bauweise des Kühlkörpers ermöglicht. Abgesehen vom Zulauf und vom Ablauf hat der Kanal nur eine einzige Windung. Dies bewirkt einen besonders günstigen Strömungsverlauf der Kühlflüssigkeit und ermöglicht bei ansonsten unverändertem Aufbau und gleicher Pumpleistung eine größere Flüssigkeitstransportleistung und somit eine bessere Wärmeabführung. Der U-förmige Kanal erlaubt es außerdem, selbst bei geringerer Bauhöhe des Kühlkörpers den Kanal mit vergleichsweise großem Querschnitt auszustatten. Dies trägt ebenfalls zu einer Steigerung der Flüssigkeitstransportleistung und damit zu einer besseren Wärmeabfuhr bei.
Bevorzugt weist das Wärmeleitungselement einen Boden auf, der an der Kontaktfläche eine Wandstärke von weniger als 2 mm hat, insbesondere 1 mm stark ist. Die Wandstärke kann auch noch geringer sein. Eine möglichst geringe Wandstärke bewirkt, daß die vom elektronischen Bauteil abgenommene Wärme schnell zur Kühlflüssigkeit transportiert werden kann. Bei einer geringen Wandstärke an der Kontaktfläche kann sich nur eine geringe Temperaturdifferenz zwischen der Außenseite und der Innenseite des Bodens einstellen. Die Wärme kann dadurch besonders effektiv von der Kühlflüssigkeit aufgenommen werden.
Bevorzugt beträgt die Höhe des Kühlkörpers ohne Berücksichtigung etwaiger Elemente des Zulaufs und des Ablaufs höchstens 10 mm, insbesondere höchstens 5 mm. Ein flacher Aufbau mit einer Höhe von beispielsweise 5 mm wird insbesondere im Falle des im wesentlichen U-förmigen Kanals durch die einfache Bauform begünstigt. Die geringe Höhe des Kühlkörpers hat den Vorteil, daß der Kühlkörper beispielsweise an einer CPU mit einem Bügelverschluß angebracht werden kann. Eine Schraubverbindung ist nicht notwendig. Durch die kompakte Bauweise kann der Kühlkörper auch auf dem Chipsatz eines Computers oder auf einer Graphikkarte angebracht werden. Denkbar ist außerdem der Einsatz des Kühlers in einem Notebook oder Laptop. Wiederum ermöglicht der Verzicht auf einen Dichtring zur Abdichtung der Wärmeleitungselements an dem Gehäuse eine besonders kompakte Bauweise des Kühlkörpers.
Bevorzugt beträgt die Masse des leeren Kühlkörpers ohne Berücksichtigung etwaiger Elemente des Zulaufs und des Ablaufs weniger als 40g, insbesondere 30g oder weniger. Eine möglichst geringe Masse des Kühlkörpers hat mehrere Vorteile. Zum einen ermöglicht sie einen flexibleren Einsatz des Kühlers, da die mechanische Beanspruchung des zu kühlenden Bauteils und einer etwaigen Platine verringert ist. Zum anderen ist dadurch möglichst wenig überflüssige Wärmespeicherkapazität vorhanden, so daß die Wärme in erster Linie von der Kühlflüssigkeit aufgenommen und sofort abgeführt wird.
Vorzugsweise ist das Wärmeleitungselement aus Kupfer. Das Gehäuse ist vorzugsweise aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung. Aluminium hat einen Wärmeleitungskoeffizienten, der bezogen auf das Volumen deutlich geringer als der von Kupfer ist. Die Kombination eines Wärmeleitungselements aus Kupfer mit einem Gehäuse aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung ermöglicht es, das Wärmeleitungselement beispielsweise mit einem thermischen Schrumpfprozeß in das Gehäuse einzupressen. Auf diese Weise ergibt sich eine sehr gute Dichtheit des Kühlkörpers, ohne daß hierzu ein großer Dichtring eingesetzt werden muß.
Der Zulauf und der Ablauf können beispielsweise in Form eines Anschlußblocks an dem Kühlkörper angeordnet sein. Anschlüsse für den Zulauf und für den Ablauf können beispielsweise unter einem Winkel von 0°, 90° oder 180° zu einer Richtung parallel zur Kontaktfläche vorgesehen sein. Es sind aber auch andere Winkel denkbar, beispielsweise 45°. Die Anschlüsse können beispielsweise in herkömmlicher Weise als Schlauchanschlüsse ausgeführt sein, die mit Dichtringen am Anschlußblock abgedichtet sind.
Im folgenden wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert.
Es zeigen.
1 einen Querschnitt durch einen Kühler mit einem Wärmeleitungselement in einem Gehäuse;
2 einen Querschnitt durch den Kühler in einer anderen Blickrichtung;
3 eine Draufsicht auf das Wärmeleitungselement;
4 eine Draufsicht auf das Gehäuse; und
5 eine Seitenansicht eines Kühlers mit anderen Anschlüssen.
Die 1 und 2 zeigen Querschnitte durch einen Kühler mit einem Kühlkörper 10 und einem Anschlußblock 12 mit Schlauchanschlüssen 14. In 1 ist eine Schnittebene II–II eingezeichnet, die der Darstellung in 2 entspricht, und in 2 ist eine Schnittebene I–I eingezeichnet, die der Darstel lung in 1 entspricht.
Der Kühlkörper 10 ist aus einem Aluminiumgehäuse 16 (4) und einem Wärmeleitungselement 18 (3) aus Kupfer zusammengesetzt. Diese sollen im folgenden zunächst erläutert werden.
Das in 3 gezeigte Wärmeleitungselement 18 ist ein zylindrischer Kupferblock mit einer Höhe von beispielsweise 5 mm und einem Durchmesser von beispielsweise 29,5mm, in dessen Oberseite ein beispielsweise 4mm tiefer, U-förmiger Kanal 20 eingefräst ist.
Das in 4 gezeigte Gehäuse 16 weist auf seiner Unterseite eine zylindrische Aufnahme 22 für das Wärmeleitungselement 18 auf. Auf seiner Oberseite weist das Gehäuse 16 zwei Bohrungen 24 auf. Das Wärmeleitungselement 18 ist mittels Schrumpfungsverbinden so in die Aufnahme 22 des Gehäuses 16 eingesetzt, daß die Aufnahme 22 das Wärmeleitungselement mindestens an seinem Rand flüssigkeitsdicht umfaßt. Die Bohrungen 24 stehen dabei jeweils mit einem der Enden des U-förmigen Kanals 20 in Verbindung. Das Gehäuse 4 weist außerdem Gewindebohrungen 26 auf, an denen der Anschlußblock 12 mittels Schrauben 28 befestigt ist. Ist das Wärmeleitungselement 18 in das Gehäuse 16 eingesetzt, so bildet der Kanal 20 einen Hohlraum in dem Kühlkörper 10.
Wie in den 1 und 2 zu sehen ist, schließt das Wärmeleitungselement 18 an seiner Unterseite bündig mit dem Aluminiumgehäuse 16 ab, wobei eine Kontaktfläche 30 für ein zu kühlendes Bauteil gebildet wird. Unterhalb des Kanals 20 weist das Wärmeleitungselement 18 einen Boden 32 auf, der eine Wandstärke von beispielsweise 1mm hat. Auf der Oberseite hat das Gehäuse eine Wandstärke von beispielsweise ebenfalls 1mm. Obwohl der Kühlkörper 10 eine relativ geringe Höhe von beispielsweise lediglich 5mm aufweist. kann der Kanal 20 einen relativ großen Querschnitt von beispielsweise 30mm² aufweisen. Der aus dem Gehäuse 16 und dem Wärmeleitungselement 18 zusammengesetzte Kühlkörper 10 hat eine sehr geringe Masse von beispielsweise 30g. Damit verbunden ist eine entsprechend geringe Wärmekapazität insbesondere des Wärmeleitungselements 18. Durch den sehr dünnen Boden 32 kann dieses Wärme von der Kontaktfläche 30 sehr schnell zu in dem Kanal 20 zirkulierender Kühlflüssigkeit transportieren.
Der Anschlußblock 12 weist einen Zulauf 34 und einen Ablauf 36 für den Kühlkörper 10 auf. An den Zulauf und an den Ablauf ist jeweils einer der Schlauchanschlüsse 14 angeschlossen. Zulauf 34 und Ablauf 36 sind jeweils mit Dichtringen gegen das Gehäuse 16 und gegen die Schlauchanschlüsse 14 abgedichtet. Die Schlauchanschlüsse 14 sind beispielsweise für Schläuche mit einem Innendurchmesser von 6mm geeignet. An sie sind in herkömmlicher Weise eine Pumpe und ein Wärmetauscher sowie ggf. ein Ausgleichsbehälter angeschlossen. In dem Wärmetauscher wird die Kühlflüssigkeit, bei der es sich beispielsweise um Wasser mit einem korrosionsverhindernden Zusatz handeln kann, abgekühlt.
Der beschriebene Kühler eignet sich beispielsweise für AMD-XP, Duron, Intel Pentium III bis IV und Celeron-Prozessoren. Mit einem ähnlich aufgebauten Kühlkörper können jedoch auch ein Chipsatz auf einem Mainbord oder ein leistungsstarkes Bauteil einer Graphikkarte gekühlt werden. Der erfindungsgemäße Kühler zeichnet sich durch eine besonders effiziente Kühlung aus. Allein durch die Verwendung des beschriebenen Kühlkörpers kann sich bei ansonsten gleichem Aufbau eine um mehrere °C geringere Temperatur eines Prozessors ergeben. Neben der verbesserten Kühlleistung ist es außerdem vorteilhaft, daß der flache Kühlkörper 10 sich mit einem Bügelverschluß auf einem Prozessor befestigen läßt, ohne daß Schraubverbindungen notwendig sind.
5 zeigt eine andere Ausführungsform, bei der der Anschlußblock 12 einen jeweils T-förmigen Zulauf 34 und Ablauf 36 aufweist. Ein Schlauchanschluß kann hier je nach vorhandenem Platz wahlweise nach links oder nach oben gerichtet sein, während die jeweils andere Öffnung des Zulaufs oder des Ablaufs mit einem Blindstopfen 38 verschlossen ist. Denkbar ist auch ein Anschlußblock, bei dem ein Schlauchanschluß, wie in 5 nach rechts gestrichelt gezeigt, über dem Kühlkörper 10 angeordnet ist. Selbstverständlich können die Schlauchanschlüsse auch in beliebige andere Richtungen gerichtet sein, etwa quer zur Zeichenebene in 5 oder unter einem Winkel von 45° zur Kontaktfläche.

Claims

Kühler für elektronische Bauteile, mit einem Kühlkörper (10), der am Boden eine Kontaktfläche (30) für ein zu kühlendes Bauteil aufweist, – mit einem Hohlraum (20) im inneren des Kühlkörpers (10), – mit einem Gehäuse (16), das eine obere Begrenzung für den Hohlraum (20) bildet, – mit einem Zulauf (34) und einem Ablauf (36) für Kühlflüssigkeit, die mit dem Hohlraum (20) in Verbindung stehen, – mit einem Wärmeleitungselement (18), das eine untere Begrenzung für den Hohlraum (20) bildet, wobei die Kontaktfläche (30) mindestens teilweise durch das Wärmeleitungselement (18) gebildet wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (16) auf seiner unteren Seite eine Aufnahme (22) hat, die durch das flüssigkeitsdicht von der Aufnahme (22) umfaßte Wärmeleitungselement (18) verschlossen ist, und daß das Gehäuse (16) einen geringeren Wärmeleitungskoeffizienten als das Wärmeleitungselement (18) hat.
Kühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlraum (20) ein im wesentlichen U-förmiger Kanal ist, an dessen Enden der Zulauf (34) und der Ablauf (36) angeschlossen sind, und der in einer zur Kontaktfläche (30) parallelen Ebene verläuft.
Kühler nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Wärmeleitungselement (18) einen Boden (32) aufweist, der an der Kontaktfläche (30) eine Wandstärke von weniger als 2mm hat, insbesondere 1mm stark ist.
Kühler nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Höhe des Kühlkörpers (10) ohne Berücksichtigung etwaiger Elemente (12; 14) des Zulaufs (34) und des Ablaufs (36) höchstens 10mm, insbesondere höchstens 5 mm beträgt.
Kühler nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Masse des leeren Kühlkörpers (10) ohne Berücksichtigung etwaiger Elemente (12; 14) des Zulaufs (34) und des Ablaufs (36) geringer als 40g ist, insbe sondere 30g oder weniger beträgt.
Kühler nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Wärmeleitungselement (18) aus Kupfer ist.
Kühler nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (16) aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung ist.