DE69634586T2

DE69634586T2 - Vorrichtung zur Kühlung einer Wärmequelle

Info

Publication number: DE69634586T2
Application number: DE69634586T
Authority: DE
Inventors: David W. Perdue
Original assignee: NCR International Inc
Current assignee: Teradata US Inc
Priority date: 1995-08-31
Filing date: 1996-08-07
Publication date: 2006-03-02
Anticipated expiration: 2016-08-08
Also published as: EP0760527A3; EP0760527B1; US5563768A; DE69634586D1; EP0760527A2; JPH09128100A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen eine Vorrichtung zum Kühlen einer Wärmequelle und insbesondere eine Vorrichtung zum Kühlen einer integrierten Schaltung.
Die Temperatur einer integrierten Schaltungsvorrichtung muss in einem bestimmten Temperaturbereich gehalten werden, um eine gute Funktionsweise, Zuverlässigkeit und Lebensdauer zu garantieren. Daher wurde eine Reihe von Vorrichtungen zum Kühlen integrierter Schaltungsvorrichtungen entworfen.
Zum Beispiel ist eine Technik zum Kühlen integrierter Schaltungsvorrichtungen in US Patent Nr. 5,294,630 offenbart, das ein Wärmeleitmodul beschreibt, das eine chiptragende Oberfläche und mindestens einen integrierten Schaltungschip auf dem Substrat umfasst. Ein verformbarer, flüssigkeitsundurchlässiger, wärmeleitender Film oder eine derartige Folie erstreckt sich über eine obere Oberfläche des Chips. Ein Kolben hat eine untere Oberfläche, die den Film gegen die obere Oberfläche presst und an diese anpasst und mindestens einen offenen Kanal enthält, der einen Kühlmitteldurchgang und Kontakt mit dem Film ermöglicht, ohne direkten Kontakt zwischen dem Kühlmittel und dem Chip.
Ein weiteres Beispiel ist US Patent Nr. 5,264,984, das ein System zum Kühlen elektronischer Schaltungskomponenten beschreibt, die auf einem Substrat montiert sind. Das System enthält Behälter, die auf den entsprechenden Komponenten angeordnet sind, und Düsen, die jeweils ein mittleres Durchgangsloch und periphere Durchgangslöcher aufweisen. Die äußere Bodenfläche jedes Behälters steht mit einer entsprechenden elektronischen Schaltungskomponente in Wärmekontakt. In jeden Behälter wird über das mittlere Durchgangsloch flüssiges Kühlmittel geleitet und durch die peripheren Durchgangslöcher an eine Stelle abgegeben, die sich außerhalb des Behälters befindet.
Ein weiteres Beispiel ist US Patent Nr. 5,239,443, das ein Blindloch-Kaltplatten-Kühlsystem mit einem Fluideinlassverteiler beschreibt, mit mindestens einer Strahldüse und einer Wärmeübertragungsplatte mit einer ersten und einer zweiten Oberfläche. Die erste Oberfläche hat einen komplementären Hohlraum zur Aufnahme der Strahldüse. Die zweite Oberfläche ist für den Kontakt mit mindestens einer wärmeerzeugenden Vorrichtung planar. Das Kühlsystem weist auch einen ringförmigen Spalt auf, der zwischen dem mittleren Umfang der Strahldüse und der Oberfläche des komplementären Hohlraums definiert ist.
US Patent 5,239,200 offenbart eine Vorrichtung mit einer wärmeleitenden Kühlplatte, die eine Vielzahl von integralen Kanälen mit geschlossenen Enden aufweist. Eine Abdeckung, die zum Abdichten des Umfangs des Kühlelements ausgebildet ist, ist bereitgestellt und mit Abstand zu der die Kanäle enthaltenden Oberfläche angeordnet. Die Abdeckung weist eine Vielzahl von integralen Prallblechen auf, die sich zu dem Kühlelement in die und entlang der Länge der Kanäle erstrecken. Die Prallbleche und Kanäle sind voneinander beabstandet, so dass Kühlmittel in eine Strömungsrichtung normal zu den Kanälen hindurchgehen kann. Ein Einlass und ein Auslass für Kühlmittel sind an gegenüberliegenden Enden der Vorrichtung bereitgestellt.
US Patent Nr. 5,005,640 lehrt einen Kühler mit einer Vielzahl von ersten Durchlässen, die mit einer Vielzahl von zweiten Durchlässen in Fluidverbindung stehen. Ein Kühlmittel fließt durch die zweiten Durchlässe und dann durch die ersten Durchlässe, die sich sehr nahe einer Wärmequelle befinden. Die ersten und zweiten Durchlässe sind derart ausgerichtet und angeschlossen, dass die Richtung des Kühlmittelstroms in den ersten Durchlässen der Strömungsrichtung in den zweiten Durchlässen entgegengesetzt ist.
US Patent Nr. 4,897,762 offenbart ein Kühlsystem, in dem ein Fluid gegen die Kühloberfläche einer elektronischen Schaltungsvorrichtung gesprüht wird, um die Vorrichtung zu kühlen, und Luft in entgegengesetzter Richtung zu dem Fluidstrom zugeführt wird, um einen Luftvorhang zu bilden, wodurch verhindert wird, das sich Fluid auf der elektrischen Schaltung der Vorrichtungen ablagert.
US Patent Nr. 4,750,066 lehrt eine Vorrichtung mit einem Wärmeverteiler mit einer planaren Oberfläche, die mit Hilfe von flexiblen Mikrobälgen gegen eine planare Oberfläche eines Chips gepresst wird. Der Oberflächenbereich des Wärmeverteilers ist größer als der zugehörige Oberflächenbereich des Chips. Der Wärmeverteiler ist an der Bodenfläche der Mikrobälge befestigt. Der Oberflächenbereich des Wärmeverteilers, der zu der Oberfläche des Chips passt, ist hochpoliert und mit hochleitendem Weichmetall beschichtet. Ein Strahl Kühlmittel wird in die Innenfläche der Mikrobälge geleitet.
Einige der obengenannten Konstruktionen von Kühlvorrichtungen für integrierte Schaltungen sind mechanisch komplex und wären in der Ausführung relativ teuer. Andere Konstruktionen hätten einen relativen großen Raumbedarf, was ein kritischer Parameter in vielen Umgebungen elektronischer Komponenten ist.
DE-A-4106437 offenbart eine Kühlanordnung für integrierte Schaltungen, wobei die Kühlvorrichtung eine Vielzahl dünner Drahtrippen aufweist, die so angeordnet und gestaltet sind, dass sie eine Reynolds-Zahl von kleiner 40 haben. US-A-5361188 beschreibt eine Kühlvorrichtung zur Verwendung mit elektronischen Geräten, die einen kammförmigen Zufuhrkanal hat, der an einer Düsenstrahlkühlvorrichtung befestigt ist und einen Versorgungsbereich so einstellt, dass ein Kühlfluid entsprechend dem Heizwert jedes der Chips auf einem Substrat zugeführt werden kann. US-A-5077601 offenbart ein Kühlsystem, das Wärmestrahlungsrippen enthält, die an den wärmeerzeugenden Komponenten befestigt sind, und einen Kühlkanal, der einen Kühlfluidströmungsdurchlass definiert, dessen Querschnittsfläche zunehmend zu dem stromabwärts liegenden Ende hin abnimmt.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zum Kühlen einer Wärmequelle bereitzustellen, wie einer intergrierten Schaltungsvorrichtung, die relativ kostengünstig in der Ausführung ist und keinen großen Raumbedarf in einer Umgebung einer elektronischen Komponente hat.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Kühlvorrichtung für eine Wärmequelle nach Anspruch 1 bereitgestellt.
Von einem anderen Aspekt her liegt die vorliegende Erfindung in einem Verfahren zum Kühlen einer Wärmequelle nach Anspruch 4.
Es werden nun Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beispielhaft unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben, von welchen:
1 eine Teilquerschnittsansicht eines Beispiels einer Kühlvorrichtung ist, die einige der Merkmale der vorliegenden Erfindung aufweist;
2 eine vergrößerter Schnittansicht von vorne der Kühlvorrichtung entlang der Linie 2–2 von 1 ist.
3 eine Schnittansicht von oben einer Basis der Kühlvorrichtung von 1 ist.
4 eine seitliche Schnittansicht der Basis entlang der Linie 4–4 von 3 ist;
5 eine Schnittansicht von oben einer Platte der Kühlvorrichtung von 1 ist.
6 eine seitliche Schnittansicht der Platte entlang der Linie 6–6 von 5 ist;
7 eine Teilquerschnittsansicht einer Ausführungsform einer Kühlvorrichtung ist, die die Merkmale der vorliegenden Erfindung aufweist;
8 eine Basis mit Rippen zeigt, die zunehmend konisch geformt sind, was eine erste Alternative zu der in 4 dargestellten Basis ist; und
9 eine Basis mit Rippen zeigt, die abnehmend konisch geformt sind, was eine zweite Alternative zu der in 4 dargestellten Basis ist.
Unter Bezugnahme nun auf 1 bis 2 ist ein Beispiel einer Kühlvorrichtung 10 dargestellt. Die Kühlvorrichtung 10 ist dazu ausgebildet, eine Wärmequelle 12 zu kühlen, wie eine integrierte Schaltungsvorrichtung, die auf einer gedruckten Leiterplatte 11 montiert ist.
Die Kühlvorrichtung 10 enthält ein Gehäuse 13 und ein Gebläse 14. Das Gebläse 14 ist an einem Ende des Gehäuses 13 positioniert. Das Gebläse 14 ist in 2 der deutlichen Beschreibung wegen nicht dargestellt. Die Kühlvorrichtung 10 enthält ferner eine Basis 16, eine Platte 18 und ein feststehendes Prallblech 20. Die Basis 14 ist in 3 und 4 näher dargestellt, während die Platte 18 in 5 und 6 näher dargestellt ist. Die Basis 16 ist in Kontakt mit der Wärmequelle 12 positioniert. Die Platte 18 ist über der Basis 16 positioniert. Die Kühlvorrichtung 10 enthält ferner eine Vielzahl von plattenförmigen Prallblechen 22, die in Kontakt mit der Platte 18 befestigt sind, wie in 1 dargestellt.
Die Basis 16 ist aus einem Metall, wie Aluminium, hergestellt. Die Basis 16 enthält eine Vielzahl von rechteckig geformten Rippen 24, die parallel zueinander ausgerichtet sind, wie in 3 und 4 dargestellt. Als Alternative können die Rippen zunehmend konisch geformt sein, wie in 8 dargestellt, oder abnehmend konisch, wie in 9 dargestellt. Zwischen jedem Paar benachbarter Rippen 24 ist ein Kanal 26 definiert. An der Seite der Basis gegenüber den Rippen 24 befindet sich eine Kontaktfläche 28. Die Kontaktfläche 28 ist dazu ausgebildet, in Kontakt mit der Wärmequelle 12 positioniert zu werden, wie in 1 dargestellt.
Die Platte 18 ist aus einem steifen Kunststoffmaterial hergestellt und in ihr ist eine Vielzahl von Öffnungen 30 definiert, wie in 5 dargestellt. Die Öffnungen 30 sind kreisförmig und dazu ausgebildet, ein Fluid, wie Luft, hindurchzulassen.
Während des Betriebs der Kühlvorrichtung 10 erzeugt das Gebläse 14 einen anfänglichen Fluidstrom, wie Luftstrom, der durch Pfeile 31 angezeigt ist. Danach kommt der anfängliche Fluidstrom 31 mit dem feststehenden Prallblech 20 in Kontakt, wo er in einen primären Fluidstrom und einen sekundären Fluidstrom geteilt wird. Der primäre Fluidstrom ist durch Pfeile 32 angezeigt, während der sekundäre Fluidstrom durch die Pfeile 34 angezeigt ist.
Danach bewegt sich der primäre Fluidstrom 32 in dem Gehäuse 13 vorwärts und wird selbst durch eine Vielzahl von Prallblechen 22 geteilt. Die plattenförmigen Prallbleche lenken den primären Fluidstrom 32 so, dass er sich durch die Öffnungen 30 der Platte 18 bewegt. Nachdem der primäre Fluidstrom 32 durch die Öffnungen 30 gegangen ist, trifft er auf eine obere Oberfläche 38 der Rippen 24. Es sollte festgehalten werden, dass, wenn der primäre Fluidstrom 32 mit der oberen Oberfläche 38 der Rippen 24 in Kontakt gelangt, verbrauchtes oder erwärmtes Fluid gebildet wird, das sich weiter in die Kanäle 26 der Basis 14 bewegt.
Gleichzeitig mit der Vorwärtsbewegung des primären Fluidstroms 32 bewegt sich der sekundäre Fluidstrom 34 in dem Gehäuse 13 vorwärts und wird so geführt, dass er sich in die Kanäle 26 der Basis 14 bewegt. Während sich der sekundäre Fluidstrom 34 durch die Kanäle 26 vorwärts bewegt, wird das verbrauchte Fluid im sekundären Fluidstrom 34 mitgeführt. Das verbrauchte Fluid wird gemeinsam mit dem sekundären Fluidstrom aus den Kanälen als erschöpfter Fluidstrom 40 abgegeben, wie in 1 dargestellt ist. Wenn das verbrauchte Fluid aus den Kanälen 26 entfernt ist, wird es an einer Rezirkulation in dem physischen Raum gehindert, der neben der Basis 14 liegt.
Unter Bezugnahme auf 7 ist eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung 50 dargestellt. Die Kühlvorrichtung 50 ist dazu ausgebildet, eine Wärmequelle 52 zu kühlen, wie eine integrierte Schaltungsvorrichtung, die auf einer gedruckten Leiterplatte 51 montiert ist.
Die Kühlvorrichtung 50 enthält ein Gehäuse 53 und ein Gebläse 54. Das Gebläse 54 ist an einem Ende des Gehäuses 53 positioniert. Die Kühlvorrichtung 50 enthält des Weiteren eine Basis 56, eine Platte 58 und ein bewegbares Prallblech 60. Die Basis 56 ist in Kontakt mit der Wärmequelle 52 positioniert. Die Platte 58 ist über der Basis 56 positioniert. Die Kühlvorrichtung 50 enthält des Weiteren eine Vielzahl von plattenförmigen Prallblechen 62, die in Kontakt mit der Platte 58 befestigt sind, wie in 7 dargestellt.
Die Komponenten der Kühlvorrichtung 50 sind im Wesentlichen gleich den Komponenten der Kühlvorrichtung 10 und werden daher nicht näher beschrieben. Ferner ist der Betrieb der Kühlvorrichtung 50 mit dem bewegbaren Prallblech 60, dessen Position in Volllinien in 7 dargestellt ist, im Wesentlichen gleich dem Betrieb der Kühlvorrichtung 10 und wird daher nicht näher beschrieben.
Das bewegbare Prallblech 60 kann aus seiner Position, die in 7 in Volllinien dargestellt ist, in seine Position verstellt werden, die in 7 in Phantomlinien dargestellt ist. Das bewegbare Prallblech 60 kann auch vorübergehend nach Wunsch an jeder Position zwischen den zwei obengenannten Extremen befestigt werden. Es ist zu beachten, dass die Größe des Fluidstroms, der in dem Gehäuse 53 nach oben gelenkt wird, um letztendlich auf die obere Oberfläche der Rippen der Basis 56 zu treffen, durch selektives Positionieren des bewegbaren Prallblechs 60 geändert werden kann. Ferner ist zu beachten, dass der Fluidstrom, der nach oben gelenkt wird, um auf die Rippen zu treffen, im Wesentlichen durch Befestigen des bewegbaren Prallblechs an seiner obersten Position abgeschnitten werden kann, wie in 7 in Phantomlinien dargestellt ist.

Claims

Kühlvorrichtung für Wärmequelle, umfassend: eine wärmeleitende Basis (16) mit einer Vielzahl von Rippen (24) an einer Oberfläche von dieser, die parallel zueinander ausgerichtet sind und eine Vielzahl von Kanälen (26) zwischen benachbarten Rippen definieren, wobei die Kanäle (26) parallel zu einer Kontaktfläche (28) an der gegenüberliegenden Seite der Basis (16) liegen und die Kontaktfläche (28) in Kontakt mit einer Wärmequelle (12) positioniert ist; ein Gebläse zum Erzeugen eines anfänglichen Fluidstroms (31); ein Prallblech (60), das in dem anfänglichen Fluidstrom (31) positioniert ist, um einen primären Fluidstrom (32) und einen sekundären Fluidstrom (34) zu erzeugen; Mittel (18, 22, 30) zum Lenken des primären Fluidstroms (32) gegen die obere Oberfläche (38) der Rippen (24) gegenüber der Kontaktfläche (28), um ein erwärmtes Fluid zu erhalten; Mittel zum Lenken des sekundären Fluidstroms (34) in die Kanäle (26) in eine Richtung parallel zu der Kontaktfläche (28); dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel zum Lenken des primären Fluidstroms eine Platte (18) mit einer Vielzahl plattenförmiger Prallbleche (22) umfasst, die daran befestigt sind und in welchen eine Vielzahl von Öffnungen (30) definiert ist; wobei das erwärmte Fluid in die Kanäle (26) der Basis (14) bewegt wird und mit dem sekundären Fluidstrom (34) mitgeführt wird; und wobei das Prallblech (60) zwischen einer ersten Position und einer zweiten Position bewegbar ist, wobei die Bewegung des Prallblechs (60) zwischen der ersten Position und der zweiten Position die Größe des primären (32) und des sekundären Fluidstroms (34) ändert.
Vorrichtung nach dem vorangehenden Anspruch, wobei die Vielzahl von Rippen (24) eine rechteckige Form aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 2, wobei die Vielzahl von Rippen (24) ein konisch zulaufendes Profil hat.
Verfahren zum Kühlen einer Wärmequelle (12), umfassend die folgenden Schritte: Bereitstellen einer wärmeleitenden Basis (16) mit einer Vielzahl von Rippen (24) an ihrer ersten Seite und einer Kontaktfläche (28) an der gegenüberliegenden Seite, wobei die Vielzahl von Rippen (24) parallel zueinander ausgerichtet sind und eine Vielzahl von Kanälen (26) zwischen benachbarten Rippen (24) definieren, wobei die Kontaktfläche (28) in Kontakt mit einer Wärmequelle (12) positioniert ist; Erzeugen eines anfänglichen Fluidstroms (31); Positionieren eines Prallblechs (60) in dem Pfad des anfänglichen Fluidstroms (31), um einen primären Fluidstrom (32) und einen sekundären Fluidstrom (34) zu erzeugen; Lenken des primären Fluidstroms (32) gegen die obere Oberfläche (38) der Rippen (24), die der Kontaktfläche (28) gegenüberliegt, um erwärmtes Fluid zu erhalten, und Vorwärtsbewegen des erwärmten Fluids durch die Vielzahl von Kanälen (26); Lenken des sekundären Fluidstroms (34) durch die Vielzahl von Kanälen (26) in einer Richtung parallel zu der Kontaktfläche (28), so dass das erwärmte Fluid aus der Vielzahl von Kanälen abgegeben wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt des Lenkens des primären Fluidstroms (32) das Bereitstellen einer Platte (18) mit einer Vielzahl von Prallblechen (22) umfasst, die daran befestigt sind und in welchen eine Vielzahl von Öffnungen (30) definiert ist, und Bewegen des primären Fluidstroms durch die Öffnungen (30); wobei das Prallblech (60) zwischen einer ersten Position und einer zweiten Position bewegbar ist, und die Bewegung des Prallblechs (60) zwischen der ersten Position und der zweiten Position die Größe des primären (32) und des sekundären Fluidstroms (34) ändert.