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Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kühler für elektrische oder elektronische Bauteile, genauer gesagt einen Fluidkühler für PC Komponenten wie Prozessoren, Grafikchips, Ramspeicher, Spannungswandler, Festplatten und andere elektrische oder elektronische Bauteile, die Abwärme erzeugen, wie er beispielsweise aus den Schriften
DE 102008058032 A1 ,
US 6105373 A und
DE 102004018144 B4 bekannt ist. Zudem ist auch aus der
US 2009/0071625 A1 ein Fluidkühler mit einer Zwischenebene für PC Komponenten bekannt.
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Beschreibung des verwandten Standes der Technik
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Aus der
DE 102004018144 B4 ist beispielsweise bekannt, dass in modernen Rechnern die elektronischen Bausteine von Grafikkarten und die Prozessoren an sich, also etwa die so genannten CPUs, hohen thermischen Belastungen ausgesetzt sind, welche bei deren Betrieb entstehen. Aufgrund der immer enger werdenden Leiterstrukturen und der immer größeren Leistungsfähigkeit der Prozessoren erwärmen sich diese im Betrieb stark. Um eine hohe und gleichmäßige Rechnerleistung zu gewährleisten und um 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 Räume, in denen Computer aufgestellt sind, ein Problem, dem mit dem Einsatz von Klimaanlagen unter hohem Energieaufwand begegnet wird.
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Als Alternative zur reinen Luftkühlung werden verstärkt Flüssigkeitskühler für elektronische Prozessoren angeboten, die eine Bodenplatte, meist aus Kupfer, aufweisen, auf deren einen Seite der Prozessor angeordnet ist, während die andere Seite mit einem Kühlwasserstrom beaufschlagt wird. Dazu wird beispielsweise Kühlwasser über eine Düsenplatte, die mit Zuleitungs- und Ableitungsanschlüssen versehen ist, mit der Bodenplatte in Kontakt gebracht.
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Es sei hier beispielhaft auf Kühler verwiesen, die aus der
US 6105373 A , der
US 5239443 A und der
US 6167952 B1 bekannt sind. So weist der in der
US 6105373 A beschriebene thermoelektrische Kühler 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 abgewandten Seite der Bodenplatte gebildeten Kühlraum.
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Obwohl diese flüssigkeitsgekühlte Kühlvorrichtung gegenüber luftgekühlten Kühlvorrichtungen für ein elektronisches Bauteil deutliche Vorteile aufweist, ist diese hinsichtlich der Kühlwirkung und der Ersetzbarkeit weiter verbesserungswürdig. Es sei hier verwiesen auf den Mikrostrukturkühler aus der
DE 102008058032 A1 , der durch die Herstellung von sehr feinen Strukturen vorzugsweise durch die neuartige Ätztechniktechnologie eine weitere Leistungssteigerung ermöglicht. Die aus Ätztechnik hergestellten Bodenplatten sind jedoch prozessbedingt sehr dünn (beispielsweise 1 mm), so dass diese nur über aufwendige Gewindeinserts mit dem Deckel verschraubt werden können. Daher werden aktuelle Mikrostrukturkühler wieder durch Frästechnik hergestellt und mit einem Deckel und ggf. zusätzlich einer Zwischenebene versehen. Der Boden dieser so hergestellten Kühler ist dabei meist zwischen 3 und 5 mm dick und muss sehr aufwendig bearbeitet werden, um im Innenbereich eine Restbodenstärke von vorzugsweise < 0,5 mm und eine Finnenhöhe von 2 bis 3 mm zu erreichen.
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Mikrostrukturkühler des aktuellen Stands der Technik stehen vor der Herausforderung einen ausreichend großen Durchfluss und eine möglichst große Kühlleistung zu ermöglichen. Um einen großen Durchfluss zu ermöglichen müssen die Kühlkanäle im Boden eine gewisse Höhe haben, beispielsweise 4 mm, und eine entsprechende Breite, beispielsweise 1 mm, so dass der Mikrostrukturkühler für den Wasserkreislauf keine Durchflussbremse darstellt. Um eine möglichst große Kühlleistung zu erreichen müssen die Kühlkanäle möglichst fein sein, beispielsweise < 0,5 mm, und die Höhe möglichst gering, beispielsweise < 2 mm, so dass das Kühlmedium direkt über der Hitzeabgebenden Stelle die Wärme aufnehmen kann. So konstruierte Kühler haben jedoch einen sehr hohen Durchflusswiderstand, so dass derart konstruierte Kühler mit konventionellen in Computer-Wasserkühlungen eingesetzten Pumpen nicht sinnvoll betrieben werden können. Die zur Zeit in solchen Kühlern verwendeten Zwischenebenen dienen häufig ausschließlich der zentrischen Wasserzufuhr, und beinhalten keine Wasserrückführungstechnologie.
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Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde die Problematik des sich verschlechterndes Durchflusses bei optimierter Kühlkanalstruktur zu lösen.
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Die Lösung dieser Aufgabe ergibt sich aus den Merkmalen des Hauptanspruchs, während vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung dem Unteranspruch entnehmbar sind.
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Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass der Wasserdurchfluss im Boden eines Mikrostrukturkühlers nicht weiter verbessert werden kann, da jede Durchflussoptimierung in Form von Erhöhung oder Verbreiterung der Kühlkanäle zu Lasten der Kühlleistung geht. Daher wurde die aus der
DE 102008058032 A1 bekannte Mikrochanneltechnologie weiterentwickelt und auf die aktuellen Fertigungstechniken für Mikrostrukturkühler angewendet, derart dass eine durch konventionelle Frästechnik hergestellte Bodenplatte mit sehr feinen und parallel ausgerichteten und flachen Kühlkanälen über eine Zwischenebene mit Wasserrückführungskanälen sowohl im Durchfluss als auch in der Kühlleistung gesteigert wird.
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Die Leistungssteigerung basiert einerseits auf einer Erhöhung des Durchflusses im Allgemeinen. Es ist bekannt, dass die Leistung von Mikrostrukturkühlern schlichtweg durch die Erhöhung der Pumpenleistung im Kühlkreislauf gesteigert werden kann. Die Zwischenebene mit Wasserrückführungstechnologie ermöglicht jedoch bei gleichbleibender Pumpenleistung eine Erhöhung des Durchflusses und führt somit direkt zu einer Leistungssteigerung. Andererseits basiert die Leistungssteigerung darin, dass durch die nicht parallel zu der Kühlkanalstruktur verlaufenden Wasserrückführungskanäle in der Finnenstruktur der Bodenplatte zusätzliche Mikroverwirbelungen entstehen, die zu lokalen Erhöhungen der Fließgeschwindigkeit führen, welche die Wärmeaufnahme durch das Kühlmedium verbessern.
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Viele aktuelle Modelle sind bereits mit einer Einspritzebene ausgestattet. Diese Einspritzebene regelt jedoch nur den mittigen Wassereinlass und beinhaltet keine Wasserrückführungstechnologie. Es ist möglich diese Mikrostrukturkühler nachzurüsten indem die bestehende Einspritzebene durch eine Zwischenebene mit Wasserrückführungstechnologie ersetzt wird, so dass bei gleichbleibender Bodenstruktur alleine durch den erhöhten Wasserdurchfluss und die Mikroverwirbelungen die Kühlleistung bestehender Modelle gesteigert wird.
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Bei der Entwicklung neuer Modelle ist es möglich die normalerweise übliche Finnenhöhe von 2 bis 3 mm beispielsweise auf 1,0 bis 1,2 mm zu reduzieren, so dass in Kombination mit der Zwischenebene mit Wasserrückführungstechnologie eine gleichbleibende oder gesteigerte Kühlleistung und Durchfluss erreicht wird, bei jedoch deutlich reduziertem Fertigungsaufwand für die Bodenplatte. Die Herstellungskosten einer Bodenplatte werden um so geringer werden, je niedriger die Finnenhöhe ist, da die Kühlkanäle üblicherweise über Scheibenfräser ausgearbeitet werden, und mit steigender Finnenhöhe/Kanaltiefe die Scheibenfräser beispielweise aufgrund von verstärkter Spanbildung häufiger kaputt gehen, die Bearbeitungsdauer an sich länger ist und zusätzlich es häufiger zu optischen Mängeln (Wellen, Verbiegen, Abrisse) in der Finnenstruktur führt.
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Die Zwischenebene mit Wasserrückführungstechnologie wird wie auch die gewöhnlichen Einspritzebenen für gewöhnlich gegenüber dem Deckel mit einem O-Ring abgedichtet. Jedoch kann die Abdichtung auch über eine Klebung oder ein anderes geeignetes Dichtmittel erfolgen.
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Es ist abweichend von der Nutzung der Wasserrückführungstechnologie in einer Zwischenebene auch möglich diese Technologie direkt in den Deckel eines Mikrostrukturkühlers einzuarbeiten.
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Je nach Anwendungsfall und Systembedingungen wie beispielsweise die vorhandene Pumpenleistung, Parallelbetrieb mehrerer Kühler (z. B. bei Mehrprozessorsystemen) oder der Kühlung anderer Bauteile wie Grafikchips, Festplatten, Speicherchips und anderer hitzeemittierender Bauteile kann die Rückführungskanalstruktur individuell angepasst werden.
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Ausführungsbeispiel:
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Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel anhand der beigefügten Figuren näher erläutert. Es zeigen:
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1 – Stand der Technik. Der hier abgebildete CPU-Kühler zeigt den für aktuelle CPU-Kühler typischen Stand der Technik. Das Kühlmedium wird über einen Einlass (1) in eine Vorkammer (2) verteilt, und von dort aus durch die Einspritzebene (3) zentrisch durch ein oder zwei Schlitze (4) auf die Finnenstruktur/Kühlkanäle (5) der Bodenplatte (6) geleitet, um von dort aus durch die Kühlkanäle (5) nach außen zu entweichen und dabei die Hitze von der Wärmequelle (7) aufzunehmen. Das Kühlmedium wird anschließend gesammelt und über den Auslass (8) abgeführt.
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2 – Neuartige Zwischenebene mit Wasserrückführungstechnologie. Die hier abgebildete Zwischenebene (9) hat neben der schon bekannten zentrischen Einspritzfunktion (10) zusätzlich noch die neuartige Funktion der Wasserrückführung. Die Wasserrückführungskanäle (11) verlaufen dabei nicht parallel zu der Finnenstruktur (5) der Bodenplatte (6) sondern kreuz und quer und ermöglichen so zusätzliche Verwirbelungen die die Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmediums beschleunigt, so dass die Wärmeaufnahme aus der Bodenplatte (6) verbessert wird.
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3 – Verschiedene Ausführungen der neuartigen Zwischenebene mit Wasserrückführungstechnologie. Hierbei zeigen die oberen drei Zwischenebenen eine Netzwerk-Kanalstruktur (quadratisch oder Raute) die nächsten beiden Zwischenebenen eine Netzwerk-Kanalstruktur in Trichterform, die danach folgenden Zwischenebenen eine lineare Kanalstruktur und die untersten zwei Zwischenebenen eine schlangenförmige Kanalstruktur. Je nach Anwendungsfall kann eine unterschiedliche Struktur der Wasserrückführungskanäle Sinn machen. Dies ist insbesondere von der Größe des hitzeemittierenden Bauteils (7), dem Anwendungsfall (z. B. CPU, GPU, Ram oder Speicherkühler) der Finnenhöhe/Kanaltiefe, der verwendeten Restbodenstärke, der Möglichkeit des Wasserabtransports und möglicher unterschiedlicher Heatspots auf den hitzeemittierenden Bauteilen abhängig.
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4 – Schnittdarstellung eines CPU-Kühlers mit Zwischenebene mit Wasserrückführungstechnologie und reduzierter Finnenhöhe (15) (im Vergleich zum Stand der Technik (5)). Das Kühlmedium wird über einen Einlass (12) in eine Vorkammer (13) verteilt, und von dort aus durch den Einspritzbereich (14) der Zwischenebene (20) zentrisch auf die Finnenstruktur/Kühlkanäle (15) der Bodenplatte (16) geleitet, um von dort aus durch die Kühlkanäle (15) nach außen zu abgelenkt zu werden. Das Kühlmedium kann dann in die Rückführungskanäle (17) entweichen und oberhalb der Finnen (15) langfließen. Dabei streicht das Kühlmedium über die Finnen und erzeugt durch das Kreuzen der in den Kühlkanälen nach außen gerichteten Strömung Verwirbelungen, die die Strömungsgeschwindigkeit lokal erhöhen und somit die Wärmeübertragung von den Finnen zu dem Kühlmedium verbessern. Das Kühlmedium wird anschließend außen (18) gesammelt und über den Auslass (19) abgeführt.