DE69730601T2

DE69730601T2 - Kühlmittel-Verteiler mit für Elektronik-Komponenten selektiv verteilten Kühlspitzen

Info

Publication number: DE69730601T2
Application number: DE69730601T
Authority: DE
Inventors: Eugenio Fumi
Original assignee: ITELCO - SpA SFERRACAVALLO; Itelco SpA
Current assignee: ITELCO - SpA SFERRACAVALLO; Itelco SpA
Priority date: 1997-08-08
Filing date: 1997-12-23
Publication date: 2005-09-29
Anticipated expiration: 2017-12-24
Also published as: EP0903971B1; ITAN970048A1; CA2225664A1; US6457514B1; IT1297593B1; JPH1168368A; EP0903971A1; DE69730601D1

Description

Diese Erfindung betrifft einen flüssigkeitsgekühlten Wärmeableiter mit selektiv angeordneten Rippen für elektronische Leistungsbauelemente.
Es ist allgemein bekannt, dass alle elektronischen Bauelemente, speziell Leistungsbauelemente, im Betrieb erhebliche Wärmemengen erzeugen, die abgeleitet werden müssen, um eine Beeinträchtigung des vorschriftsmäßigen Betriebes des Bauelements zu vermeiden.
Eine gewisse Zeit waren Wärmeableiter auf dem Markt verfügbar, an denen die elektronischen Bauelemente angebracht waren, um deren Betriebstemperatur in beachtlichem Umfang herabzusetzen.
Die erste Klasse Wärmeableiter ist der so genannte Luftwärmeableiter, von dem die meiste Wärme durch die Erzeugung einer Luftströmung abgeleitet wird.
Es sei jedoch angemerkt, dass im Falle elektronischer Leistungsbauelemente mit besonders hohen Betriebstemperaturen Wärmeableiter geschaffen worden sind, die durch Strömungen unter hohem Druck stehender, gekühlter Flüssigkeiten gekühlt werden.
Insbesondere diese letzte Art Wärmeableiter besteht im Allgemeinen aus einer Metallplatte, die über die volle Ausdehnung ihrer Innenfläche mit einer eng passenden, regelmäßigen Serie von Wärmeableitrippen versehen ist; diese Platte ist an der Unterseite von einem hermetischen Deckel verschlossen, der einen inneren, abgeschlossenen Kanal bildet, in dem die Kühlflüssigkeit zirkuliert.
In diesem Abteil des Wärmeableiters – in dem die obigen Wärmeableitrippen an der Innenfläche der Platte angebracht sind – findet die erzwungene Umwälzung der Kühlflüssigkeit statt.
Diese erzwungene Umwälzung kühlt die Wärmeableitrippen und kühlt durch Wärmeleitung auch die gesamte Oberfläche der tragenden Platte; es wird daher in Betracht gezogen, dass die elektronischen Bauelemente, die zu kühlen sind, außen an der mit Rippen versehenen Platte montiert sind, und es ist daher evident, dass die Kühlung der Platte wirksam die erforderliche Wärmeableitung zum Vorteil der elektronischen Bauelemente sicherstellt.
Obgleich diese traditionellen flüssigkeitsgekühlten Wärmeableiter zweifellos praktisch sind, ist es doch möglich, sie sowohl hinsichtlich ihres Betriebs als auch ihres Aufbaus zu verbessern.
Insbesondere bei den genannten traditionellen Flüssigkeitswärmeableitern sind die Wärmeableitungsrippen an der Innenfläche zu zahlreich.
Es ist tatsächlich festgestellt worden, dass von den zahlreichen Rippen an der Innenseite eines Wärmeableiters dieser Art jene, die die Hauptwärmeableitung besorgen, genau an den Punkten angeordnet sind, die der Position der zu kühlenden elektrischen Bauelemente entsprechen, die außerhalb des Wärmeableiters selbst angebracht sind.
Die in den Bereichen um jene angeordneten Rippen, wo die elektronischen Bauelemente montiert sind, sind nicht nur hinsichtlich der Wärmeableitung vernachlässigbar, sondern behindern auch signifikant den Leistungsverlust hinsichtlich der erzwungenen Umwälzung der Kühlflüssigkeit.
Insbesondere der beachtliche Widerstand, der durch diese eng sitzende und gleichmäßige Serie von Rippen erzeugt wird, hat die Konstrukteure traditionelle Flüssigkeitswärmeableiter dazu gezwungen, die Eigenschaften der relevanten Wassersysteme sowohl hinsichtlich der Abmessungen als auch des Leistungsverbrauchs sorgfältig zu entwickeln.
Der Flüssigkeitswärmeableiter gemäß der Erfindung ist unter Beachtung dieses ernsten Problems entwickelt worden.
Er besteht aus einem traditionellen Aufbau aus der mit Rippen versehenen Platte, die an der Unterseite mittels des dichten Deckels verschlossen ist, jedoch auch durch die Verwendung von Wärmeableitrippen gekennzeichnet ist, die selektiv, nämlich nur an den Punkten, wo die zu kühlenden elektronischen Bauelemente an der Außenfläche montiert sind, angebracht sind.
Einerseits beseitigt diese Lösung die meisten Wärmeableitrippen an der inneren Oberfläche dieses Wärmeableiters, was augenscheinlich Kosten, Aufbau und Konstruktion spart, ohne jedoch in irgendeiner Weise die Wärmeableitfähigkeit des Wärmeableiters selbst zu beeinträchtigen.
Andererseits macht es der Flüssigkeitswärmeableiter gemäß der Erfindung möglich, in der Nähe der rippenlosen Bereiche mehrere vorteilhafte Kanäle für die Umwälzung der Kühlflüssigkeit zu realisieren, was den Widerstand beachtlich vermindert, auf den die Flüssigkeit im Wärmeableiter trifft, was augenscheinlich konstruktive und technische sowie Betriebsvorteile ergibt.
Eine weitere wichtige Eigenschaft des fraglichen neuen Wärmeableiters besteht darin, dass die neue, mit Rippen versehene Platte aus einem einzigen Metallblock hergestellt ist, der durch die Entfernung von Spänen mit NC-Maschinen bearbeitet oder gegossen wird; die Wärmeabstrahlrippen werden aus dem vollen Block durch Entfernung von Spänen hergestellt.
Obgleich dieser Vorgang eine große Bearbeitungszeit verlangt, hat er doch beachtliche Vorteile zur Folge: der erste davon ist die Flexibilität im Betrieb, die sich vor allem in der Möglichkeit äußert, jederzeit – einfach durch Veränderung des Arbeitsprogramms der NC-Maschine – die Anzahl und Position der Rippen und die Gestalt der Kühlflüssigkeitskanäle an der inneren Oberfläche des Wärmeableiters nach der Erfindung zu verändern.
Die Tatsache, dass der neue erfindungsgemäße Wärmeableiter aus einem einzigen Block aus einheitlichem Material hergestellt wird, erlaubt es darüber hinaus, einen minimalen Wärmewiderstand zu erreichen, da dieser ausschließlich von der Anordnung und der Gestalt der Rippen und der Flüssigkeitsströmung abhängt, während hohe Wärmewiderstände an Grenzflächen entstehen, wenn der Wärmeableiter nicht aus einem einzigen Block hergestellt worden ist.
Aufgrund der Tatsache, dass der fragliche Wärmeableiter aus einem einzigen Block besteht, ist die Oberfläche, auf der die zu kühlenden Bauelemente montiert werden, extrem flach mit hervorragendem Finish; dieses verschafft auch einen extrem wichtigen technischen Betriebsvorteil, als die zu kühlenden Bauelemente häufig auf einer Kupfer- oder Aluminiumplatte angebracht sind, die ihrerseits direkt auf den fraglichen Wärmeableiter aufgesetzt wird und den Wärmefluss auf letztere überträgt.
Es ist daher augenscheinlich, dass ein besseres Finish der Außenfläche des Wärmeableiters zu einer besseren Haftung zwischen der Kupfer- oder Aluminiumtragplatte der elektronischen Bauelemente und dem Wärmeableiter selbst führt.
Die Einheitlichkeit des Materials des neuen, fraglichen Wärmeableiters ist auch besonders wichtig für die Verhinderung von Korrosion und Elektrokorrosion.
Eine weitere wichtige Eigenschaft des erfindungsgemäßen Wärmeableiters ist die Verwendung einer speziellen Art Wärmeableitungsrippen; die Geometrie und die Mittenabstände, was die zwei wichtigsten Parameter sind, um die Leistung der Rippen unter thermischen und strömungsmechanischen Gesichtspunkten zu optimieren, sind sorgfältig entworfen worden.
Zur größeren Klarheit wird die Beschreibung der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigeschlossenen Zeichnungen fortgesetzt, die der Illustration dienen und nicht einschränkend verstanden werden sollen.
1 zeigt den fraglichen Wärmeableiter in Seitenansicht, auf dem zu kühlende Bauelemente montiert sind; ein Teil der Tragplatte ist aus der Zeichnung entfernt, um den inneren Aufbau des Wärmeableiters zu zeigen;
2 zeigt den fraglichen Wärmeableiter von der entgegengesetzten Seite; ein Teil des Deckels ist ebenfalls aus dieser Zeichnung entfernt worden;
3 ist eine Axialschnittansicht einer der Wärmeableitungsrippen;
4 ist eine Ansicht eines Teils der Tragplatte, auf der die zwei elektronischen Bauelemente montiert sind;
5 ist ein Querschnitt der 4 in der Ebene V-V;
6 ist eine Ansicht eines mit Rippen versehenen Abschnitts des fraglichen Wärmeableiters;
7 ist eine Schnittansicht von 6 in der Ebene VII-VII.
Unter Bezugnahme auf die obigen Zeichnungen besteht der fragliche Wärmeableiter aus einer Metallplatte (1), der an seiner Innenseite mit einer Serie selektiv angeordneter Wärmeableitungsrippen (2) versehen ist.
Die Unterseite dieser Platte (1) ist mittels eines abgedichteten Deckels (3) verschlossen, der – Dank des Vorhandenseins mehrerer Sperrelemente – mehrere innere Kanäle (1a) erzeugt, in der die Kühlflüssigkeit zirkuliert.
Insbesondere die Kühlflüssigkeit, die in diesen Kanälen (1a) zirkuliert, strömt durch einen Einlass (1b) in den fraglichen Wärmeableiter und aus dem Wärmeableiter durch einen Auslass (1c) aus.
Wie zuvor erwähnt, beruht die Eigenschaft des erfindungsgemäßen Wärmeableiters auf der Tatsache, dass die Wärmeableitungsrippen (2) in "Bündeln" an der Innenseite der Platte (1) nur an den Punkten angeordnet sind, wo die zu kühlenden elektronischen Bauelemente (C) an der Außenseite montiert sind.
Mit anderen Worten, für jeden Bereich, an dem zu kühlende elektronische Bauelemente montiert sind, ist an der Platte (1) ein entsprechend gerippter Bereich oder eine Rippung vorgesehen, in dem bzw. der die Rippen (2) in einer dem zu beseitigenden thermischen Fluss proportionalen Anzahl vorgesehen sind.
Ein weiteres wichtiges Merkmal der fraglichen Vorrichtung ist die spezielle Konfiguration eines jeden der mit Rippen versehenen Bereiche.
Wie die 1 und 6 zeigen, besteht jeder dieser gerippten Bereiche aus einer Serie von Rippen (2) – die Stifte für alle Wirkungen und Zwecke sind – die in mehreren parallelen Reihen versetzt angeordnet sind und senkrecht bezüglich des Kanalverlaufs (1a) angeordnet sind.
Unter Bezugnahme auf die 4, 5, 6 und 7 sei angemerkt, dass:

– Buchstabe A sich auf die Fläche des durchschnittlichen Abschnitts zieht, definiert als das Verhältnis zwischen dem Volumen des Stiftes (2) und der Höhe (H) des Stiftes;
– Buchstabe P sich auf den Umfang des Abschnitts A bezieht;
– Buchstabe D sich auf den entsprechenden Durchmesser des Abschnitts A bezieht, definiert als das Verhältnis 3 × A/P;
– Buchstabe A sich auf die Höhe des Stiftes (2) bezieht;
– der Kode HD sich auf die dimensionslose Höhe des Stiftes (2), definiert als H/D bezieht;
– der Kode ST sich auf die Querteilung zwischen den Rippen bezieht, gemessen senkrecht zu der der Kühlflüssigkeitsströmung (angegeben durch den Pfeil F);
– der Kode SL sich auf die Längsteilung zwischen den Rippen bezieht, gemessen in einer Richtung parallel zu der der Kühlflüssigkeitsströmung;
– der Kode STD sich auf die dimensionslose Querteilung bezieht, definiert als das Verhältnis ST/D;
– der Kode SLD sich auf die dimensionslose Längsteilung bezieht, definiert als der Verhältnis SL/D.

Die folgende Tabelle bezieht sich auf die drei oben definierten dimensionslosen Parameter und gibt ein Feld optimaler Werte für jeden hinsichtlich des Betriebs des erfindungsgemäßen Wärmeableiters an;

– 1.50 HD 3.00

– 1.10 STD 2.00

– 1.08 SLD 2.50
Schließlich sei hervorgehoben, dass die Verwendung dieser vorteilhaften Werte für die drei dimensionslosen Parameter ohne Rücksicht darauf, ob der Stift (2) kreisförmig oder anders ist, gilt und wirkungsvoll ist.

Claims

Flüssigkeitsgekühlter Wärmeableiter für elektronische Leistungsbauteile, bestehend aus einer Metallplatte (1), die inwendig mit Ableitungsrippen (2) und einer Kanalisierung (1a) versehen ist, in welcher eine Kühlflüssigkeit zirkuliert, welche über eine Eingangsmündung (1b) einläuft 5 und über eine Ausgangsmündung (1c) abläuft, dadurch gekennzeichnet, dass die besagten Ableitungsrippen (2) nur in jenen Bereichen der Innenseite der Platte (1) vorgesehen sind, in denen auf der Außenseite der Platte (1) die zu kühlenden elektronischen Bauteile aufgeschraubt sind.
Flüssigkeitsgekühlter Wärmeableiter für elektronische Leistungsbauteile gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Rippenbereich aus einer Reihe von Rippen oder Stiften (2) besteht, die versetzt angeordnet und auf mehrere parallele Reihen verteilt sind, welche rechtwinklig zur Kanalisierung (1a) angeordnet sind.
Flüssigkeitsgekühlter Wärmeableiter für elektronische Leistungsbauteile gemäß den vorstehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass drei dimensionslose Parameter (HD, STD, SLD), d. h. die dimensionslose Höhe (HD) des Stiftes (2), die als H/D definiert wird; der dimensionslose Querabstand (STD), der als ST/D-Verhältnis definiert 20 wird und der dimensionslose Längsabstand (SLD), der als SL/D-Verhältnis definiert wird, folgende Werte aufweisen: 1.50 < HD < 3.00 10 < STD < 2.00 1.08 < SLD < 2.50 wobei H die Höhe des Stiftes (2) angibt; D den entsprechenden Durchmesser des Abschnitts A angibt, der als Verhältnis 3 × A/P definiert wird, wobei A sich auf den Bereich des mittleren Abschnitts bezieht, der als Verhältnis zwischen dem Volumen des Stiftes (2) und der Höhe (H) des Stiftes definiert wird; P den Umfang des Abschnitts A angibt; ST den Querabstand zwischen den Rippen angibt, der rechtwinklig zur Fließrichtung der Kühlflüssigkeit gemessen wird und SL den Längsabstand zwischen den Rippen angibt, der parallel zur Fließrichtung der Kühlflüssigkeit gemessen wird.