DE3650719T2

DE3650719T2 - Kühlmodule für Vorrichtungen mit elektronischem Schaltkreis

Info

Publication number: DE3650719T2
Application number: DE19863650719
Authority: DE
Inventors: Koji Katsuyama; Mitsuhiko Nakata; Masahiro Suzuki; Yoshiaki Udagawa; Haruhiko Yamamoto
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 1985-11-19
Filing date: 1986-10-03
Publication date: 2000-04-13
Anticipated expiration: 2006-10-04
Also published as: EP0484320A2; EP0484320B1; DE3650719D1; EP0484320A3

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Kühlmodule für elektronische Schaltkreiseinrichtungen.
Eine gedruckte Leiterplatte mit elektronischen Schaltkreiskomponenten, beispielsweise Halbleitern, großintegrierten Schaltkreisen (LSI's) oder integrierten Schaltkreisen (IC's), kann mittels einer Reihe von Kühlmodulen gekühlt werden, die betätigbar sind, um die von den Komponenten abgegebene Wärme zu entfernen.
Die unter der Nr. EP-A-0 151 068 veröffentlichte ältere europäische Patentanmeldung der Fujitsu Ltd. offenbart in Kombination mit einer elektronischen Schaltkreiskomponente, die an einer gedruckten Leiterplatte angebracht ist, ein Kühlmodul, das einen Wärmeübertragungskörper zur Führung von Wärme von der elektronischen Schaltkreiskomponente zu einem Kühlmittel in dem Modul, ein nachgiebiges Vorspannmittel, das mit dem Wärmeübertragungskörper verbunden ist und dazu dient, diesen Körper in Richtung zu der Schaltkreiskomponente zu drücken, und ein Kanalmittel zur Aufnahme des Kühlmittels aufweist, das in Berührung mit einer Hauptfläche des Wärmeübertragungskörpers strömt.
Es ist erwünscht, die Wirksamkeit der Wärmeübertragung bei einem solchen Kühlmodul zu verbessern.
IBM Technical Disclosure Bulletin, Band 20, Nr. 10, Seiten 3898-3899 offenbart in Kombination mit einer elektronischen Schaltkreiskomponente, die an einer gedruckten Leiterplatte angebracht ist, ein Kühlmodul, mit: einer Wärmeübertragungsplatte zum Führen von Wärme von der elektro nischen Schaltkreiskomponente zu einem Kühlmittel in dem Modul hin, die eine im wesentlichen zylindrische, rohrförmige Konstruktion aufweist, die daran vorgesehen ist, und von der Hauptfläche von dieser aus axial vorsteht; einem elastischen Vorspannmittel, das mit der Wärmeübertragungsplatte verbunden ist und dazu dient, diese Platte in Richtung auf die Schaltkreiskomponente zu drücken, wobei sich die im wesentlichen zylindrische, rohrförmige Konstruktion innerhalb des nachgiebigen Vorspannmittels erstreckt; und einem Kanalmittel zur Aufnahme des Kühlmittels, das in Berührung mit einer Hauptfläche der Wärmeübertragungsplatte strömt.
Erfindungsgemäß ist ein Kühlmodul in Kombination mit einer elektronischen Schaltkreiskomponente, die an einer gedruckten Leiterplatte angebracht ist, geschaffen, das aufweist:
eine Wärmeübertragungsplatte zum Führen von Wärme von der elektronischen Schaltkreiskomponente zu einem Kühlmittel in dem Modul hin, die eine im wesentlichen zylindrische, rohrförmige Konstruktion aufweist, die daran vorgesehen ist und von der Hauptfläche von dieser aus axial vorsteht;
ein nachgiebiges Vorspannmittel, das mit der Wärmeübertragungsplatte verbunden ist und dazu dient, diese Platte in Richtung auf die Schaltkreiskomponente zu drücken, wobei sich die im wesentlichen, zylindrische, rohrförmige Gestaltung innerhalb des nachgiebigen Vorspannmittels erstreckt; und
ein Kanalmittel zur Aufnahme des Kühlmittels, das Berührung mit einer Hauptfläche der Wärmeübertragungsplatte strömt,
dadurch gekennzeichnet, daß das Kanalmittel eine Düse umfaßt, deren Auslaß sich innerhalb der im wesentlichen zylindrischen, rohrförmigen Konstruktion befindet und in Richtung zu der Hauptfläche der Wärmeübertragungsplatte ausgerichtet ist, dies derart, daß dann, wenn das Modul in Benutzung steht, das Kühlmittel infolge der rohrförmigen Konstruktion zu einem größeren Bereich der Hauptfläche strömt.
Die rohrförmige Konstruktion kann ein im wesentlichen zylindrisches Rohr sein, das aus einem gewellten Material hergestellt sein kann. Es kann auch mit innenseitig vorstehenden Wärmeübertragungsrippen ausgestattet sein.
Bei einer Ausführungsform ist die im wesentlichen zylindrische rohrförmige Konstruktion aus einer Vielzahl von Wärmeübertragungsrippen gebildet, die um die Achse dieser Konstruktion herum voneinander beabstandet angeordnet sind. Nachfolgend wird beispielhaft auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen, in denen zeigen:
Fig. 1 einen schematischen Axialschnitt durch eine Schaltkreiseinrichtung, die die vorliegende Erfindung nicht verkörpert.
Fig. 2 einen schematischen Axialschnitt durch eine Anordnung von Einrichtungen ähnlich zu Fig. 1;
Fig. 3 eine schematische perspektivische Ansicht der in Fig. 2 dargestellten Anordnung;
Fig. 4 einen Axialschnitt durch eine elektronische Schaltkreiseinrichtung, die die vorliegende Erfindung verkörpert;
Fig. 5 eine Draufsicht auf einen Teil der Einrichtung von Fig. 4, jedoch unter Darstellung einer Variante derselben;
Fig. 6 einen Axialschnitt durch den Teil der Einrichtung von Fig. 4, der in Fig. 5 dargestellt ist, jedoch unter Darstellung einer Modifikation derselben;
Fig. 7 einen Axialschnitt durch eine weitere elektronische Schaltkreiseinrichtung, die die vorliegende Erfindung verkörpert;
Fig. 8 einen Schnitt entlang der Linie VIII-VIII in Fig. 7;
Fig. 9 einen Schnitt mit der Darstellung einer Variante der Fig. 8.
Fig. 1 zeigt eine elektronische Schaltkreiseinrichtung, die die vorliegende Erfindung nicht verkörpert, mit einem Kühlmodul, das einen Kanal 1 für einen Kühlmittelstrom aufweist.
Das Kühlmittel kann Gas sein, ist jedoch nicht hierauf beschränkt, oder kann eine Flüssigkeit sein, beispielsweise Wasser, flüssiger Fluorkohlenstoff, oder sogar ein flüssiges Metall, beispielsweise Quecksilber oder Gallium. Der Kanal 1 kann ein Teil einer Umwälzleitung mit einer Pumpe und einem Wärmekühler oder Wärmetauscher sein.
Eine Wärmeübertragungsplatte 3, die aus beispielsweise einem wärmeleitenden Material, wie Kupfer oder Messing, hergestellt ist, ist mit dem Kanal 1 über einen Balg 5 verbunden, der an dem Kanal 1 befestigt ist. Die Wärmeübertragungsplatte 3 kann aus einem Metall mit einer starken Benetzungseigenschaft für ein Lot hergestellt sein. Der Balg 5 kann aus einem dünnen Blech aus Kupfer oder rostfreiem Stahl hergestellt sein. Der Kanal 1 besitzt einen Deflektor 21, der sich in Richtung zu der Wärmeübertragungsplatte 3 hin erstreckt. Eine Kühlmittel-Zirkulationszone 32 ist in dem Balg 5 ausgebildet, in welcher Zone 32 die Wärmeübertragungsplatte 3 dem Kühlmittel gegenüber an einer Hauptfläche der Platte 3 freigelegt ist.
Die Richtung des Kühlmittelstroms in dem Kanal 1 wird durch den Deflektor 21 verändert, und Wärme wird von der Wärmeübertragungsplatte 3 in der Zirkulationszone 32 entfernt.
Die Platte 3 ist nachgiebig in Richtung zu einer elektronischen Schaltkreiskomponente 7, beispielsweise zu einem Halbleiter-IC oder -LSI, hin, die an einer gedruckten Leiterplatte 9 vorgesehen ist, mittels des Balgs 5 und des hydraulischen Drucks des Kühlmittels gedrückt.
Die Komponente 7 ist an der gedruckten Leiterplatte 9 beispielsweise mittels eines Lotes 11 befestigt.
Bei der Einrichtung von Fig. 1 ist eine Lot-Zwischenschicht 31 zwischen der Wärmeübertragungsplatte 3 und der Schaltkreiskomponente 7 vorgesehen. Die Zwischenschicht 31 ist an der Unterseite der Wärmeübertragungsplatte 3 befestigt. Alternativ kann die Zwischenschicht 31 an der Schaltkreiskomponente 7 an der gedruckten Leiterplatte 9 befestigt sein.
Das Lot 31 behält seine ursprüngliche blattartige Gestalt bei einer normalen Temperatur, d. h. wenn die Schaltkreiseinrichtung nicht im Betrieb steht, aufrecht. Wenn die Schaltkreiseinrichtung in Betrieb steht und folglich Wärme erzeugt, wird das Lot 31 aufgeschmolzen, so daß die Wärmeübertragungsplatte 3 und die Schaltkreiskomponente 7 mittels des Lotes 31 verbunden werden. Auf diese Weise können die Platte 3 und die Komponente 7 in einer im wesentlichen vollständigen Weise Fläche an Fläche miteinander verbunden sein, ohne Rücksicht auf irgendeine Ungleichmäßigkeit der Berührungsflächen derselben.
Somit kann die Kühlwirkung des Kühlmoduls hoch sein, weil das zweite Lot 31 eine thermische Verbindung zwischen der Wärmeübertragungsplatte 3 und der Schaltkreiskomponente 7 gewährleistet.
Fig. 2 zeigt eine Anordnung von Kühlmodulen im Prinzip gleich bzw. ähnlich derjenigen von Fig. 1, bei der der Kanal 1 eine untere Hälfte 1A und eine obere Hälfte 1B umfaßt. Die untere Hälfte 1A weist beispielsweise einen im allgemeinen U- förmigen Querschnitt auf und weist Öffnungen 73 auf, die mit den Umwälzzonen 32 der Kühlmodule verbunden sind. Die obere Hälfte 1B kann an der unteren Hälfte 1A angebracht werden, um einen Auslaßkanal 81 zu bilden.
Die obere Hälfte 1B wirkt daher als eine Abdeckung des Kanals für das Kühlmittel 2. Die obere Hälfte 1B weist einen oberen Einlaßkanal 83 auf, der dem Kanal 1 in Fig. 1 entspricht. Der Kanal 83 ist mit dem Auslaßkanal 81 über Düsen 85 verbunden, so daß das über eine Umwälzleitung zugeführte Kühlmittel 2 in Richtung zu den jeweiligen gegenüberliegenden Hauptflächen der Wärmeleitplatten 3 der Kühlmodule mittels der Düsen 85 zugeführt oder ausgespritzt wird und zu der Umwälzleitung hin über den Auslaßkanal 81 und eine Auslaßleitung 88 zurückgeführt wird, die an der oberen Hälfte 1B des Kanals 1 vorgesehen ist. Das Kühlmittel 2 kann in den Einlaßkanal 83 von einer Einlaßleitung 89 aus eingeführt werden, die an der oberen Hälfte 1B vorgesehen ist.
Die obere Hälfte 1B kann mit der unteren Hälfte über beispielsweise Schrauben 71 lösbar verbunden sein.
Das Bezugszeichen 70 bezeichnet eine Dichtung, beispielsweise eine Ringpackung oder eine Manschette, die zwischen der oberen und der unteren Hälfte 1A und 1B angeordnet ist, um die Verbindung zwischen diesen abzudichten.
Fig. 3 zeigt ein Beispiel eines perspektivischen Erscheinungsbildes einer Kühleinheit mit einer Anordnung von Kühlmodulen, wie sie in Fig. 2 dargestellt sind. In Fig. 3 befinden sich die Einlaßleitung 89 und die Auslaßleitung 88 gegenüber den in Fig. 2 dargestellten Positionen an unterschiedlichen Positionen. Die Abdeckung 1B kann von der unteren Hälfte 1A durch Entfernen der Schrauben 71 gelöst werden.
Zur Vergrößerung der Kühlwirkung ist erfindungsgemäß ein Mittel zur Vergrößerung des Berührungsflächenbereichs zwischen dem Kühlmittel und der Wärmeübertragungsplatte 3 vorgesehen, wie in Fig. 4 bis 9 dargestellt ist.
In Fig. 4 ist die Platte 3 mit einem im wesentlichen zylindrischen Röhrchen 110, einstückig mit ihr ausgebildet, ausgestattet, in das das andere Ende, d. h. das Auslaßende, der Düse 85 eingesetzt ist.
Das Röhrchen 110 ist in dem Balg 5 angeordnet und vergrößert den wirksamen Berührungsflächenbereich zwischen der Platte 3 und dem Kühlmittel 2. Aus den Zeichnungen ist ersichtlich, daß ein größerer Bereich der oberen Hauptfläche der Wärmeübertragungsplatte 3 innerhalb des Röhrchens 110 angeordnet ist. Das von der Düse 85 aus ausgestoßene Kühlmittel trifft mit der Platte 3 zusammen und strömt entlang der rohrförmigen Wand des Röhrchens 110 nach oben, wobei die Wärme von der Platte 3 entfernt wird, wie mit Hilfe von Pfeilen in Fig. 4 dargestellt ist. Das Röhrchen 110 kann an seinem inneren Umfang mit Wärmeübertragungsrippen 111 ausgestattet sein, wie in Fig. 5 dargestellt ist. In wohlbekannter Weise können solche Rippen 111 die Wirksamkeit der Wärmeübertragung zwischen dem Röhrchen 110 und dem Kühlmittel 2 vergrößern. Die Rippen 111 erstrecken sich vorzugsweise in radialer Richtung, wie in Fig. 5 dargestellt ist, so daß solche Rippen 111 die glatte Strömung des Kühlmittels 2 im wesentlichen nicht unterbrechen.
Bei einer in Fig. 6 dargestellten Variante ist das Röhrchen 110 von Fig. 4 durch ein zylindrisches Röhrchen 120 mit einer gewellten zylindrischen Wand ersetzt. Mit der in Fig. 6 dargestellten Variante kann die Wirkung der Wärmeübertragung im Vergleich zu der einfachen zylindrischen Gestalt, die in Fig. 4 dargestellt ist, vergrößert werden.
Das Röhrchen 110 oder 120, das eine Höhe im wesentlichen gleich der Länge des Balgs 5 aufweist, dient auch dazu, den Balg, der üblicherweise aus einer dünnen Metallplatte hergestellt ist, gegen eine Berührung mit dem Hauptstrom des Kühlmittels 2 abzuschirmen bzw. zu schützen, wodurch ein Beitrag zu der Verhinderung einer möglichen Korrosion oder Beschädigung des Balgs geleistet wird.
Fig. 7 und 8 zeigen eine weitere Form einer rohrförmigen Konstruktion, die an der Platte 3 vorgesehen ist. In Fig. 7 und 8 ist eine Vielzahl von plattenartigen Rippen 130 an der Platte 3 vorgesehen. Die Rippen 130 sind diskontinuierlich entlang eines Kreises angeordnet und erstrecken sich in radialer Richtung bei Betrachtung im Schnitt, wie in Fig. 8 dargestellt ist. Da die Rippen 130 vorzugsweise äquidistant voneinander beabstandet sind, kann der Widerstand gegenüber der Strömung des Kühlmittels im Vergleich zu der durchgehenden zylindrischen Wand, die in Fig. 4 dargestellt ist, herabgesetzt werden.
In Fig. 9, die eine Variante 140 der Rippen 130, die in Fig. 8 dargestellt sind, zeigt, weisen die Rippen 140 im Querschnitt eine unter dem Gesichtspunkt der Aerodynamik stromlinienförmige Gestalt auf, um den Widerstand der Rippen 140 gegenüber der glatten Strömung des Kühlmittels 2 herabzusetzen.
Die Kühlvorrichtung kann kopfstehend verwendet werden, so daß das Kühlmittel von den Düsen 85 aus in Richtung zu den Wärmeübertragungsplatten 3 hin, die oberhalb der Düsen 85 angeordnet sind, nach oben ausgestoßen wird.

Claims

1. Kühlmodul in Kombination mit einer elektronischen Schaltkreiskomponente (7), die an einer gedruckten Leiterplatte (9) angebracht ist, mit:

einer Wärmeübertragungsplatte (3) zum Führen von Wärme von der elektronischen Schaltkreiskomponente (7) aus zu einem Kühlmittel (2) in dem Modul hin, die eine im wesentlichen zylindrische, rohrförmige Konstruktion (110; 120; 130; 140) aufweist, die daran vorgesehen ist und von der Hauptfläche von dieser aus axial vorsteht;

einem nachgiebigen Vorspannmittel (5), das mit der Wärmeübertragungsplatte (3) verbunden ist und dazu dient, diese Platte in Richtung zu der Schaltkreiskomponente (7) hin zu drücken, wobei sich die im wesentlichen zylindrische, rohrförmige Konstruktion (110; 120; 130; 140) innerhalb des elastischen Vorspannmittels (5) erstreckt; und

einem Kanalmittel (1) zur Aufnahme des Kühlmittels (2), das in Berührung mit einer Hauptfläche der Wärmeübertragungsplatte (3) strömt,

dadurch gekennzeichnet, daß das Kanalmittel (1) eine Düse (85) umfaßt, deren Auslaß sich innerhalb der im wesentlichen zylindrischen, rohrförmigen Konstruktion (110; 120; 130; 140) befindet und in Richtung zu der Hauptfläche der Wärmeübertragungsplatte (3) hin ausgerichtet ist, dies derart, daß dann, wenn das Modul in Benutzung steht, das Kühlmittel (2) zu einem größeren Bereich der Hauptfläche mittels der rohrförmigen Konstruktion (110; 120; 130, 140) strömt.

2. Kühlmodul nach Anspruch 1, wobei die rohrförmige Konstruktion ein im wesentlichen zylindrisches Röhrchen (110, 120) ist.

3. Kühlmodul nach Anspruch 2, wobei das im wesentlichen zylindrische Röhrchen aus einem gewellten Material (120) hergestellt ist.

4. Kühlmodul nach Anspruch 2 oder 3, wobei das im wesentlichen zylindrische Röhrchen (110) mit innenseitig vorstehenden Wärmeübertragungsrippen (111) ausgestattet ist.

5. Kühlmodul nach Anspruch 1, wobei die im wesentlichen zylindrische, rohrförmige Konstruktion aus einer Vielzahl von Wärmeübertragungsrippen (130, 140) gebildet ist, die um die Achse dieser Konstruktion herum voneinander beabstandet angeordnet sind.