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DE3851044T2 - Kühlungsvorrichtung für eine elektronische Anlage. - Google Patents

Kühlungsvorrichtung für eine elektronische Anlage.

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DE3851044T2
DE3851044T2 DE3851044T DE3851044T DE3851044T2 DE 3851044 T2 DE3851044 T2 DE 3851044T2 DE 3851044 T DE3851044 T DE 3851044T DE 3851044 T DE3851044 T DE 3851044T DE 3851044 T2 DE3851044 T2 DE 3851044T2
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    • H05K7/20Modifications to facilitate cooling, ventilating, or heating
    • H05K7/20218Modifications to facilitate cooling, ventilating, or heating using a liquid coolant without phase change in electronic enclosures
    • H05K7/20272Accessories for moving fluid, for expanding fluid, for connecting fluid conduits, for distributing fluid, for removing gas or for preventing leakage, e.g. pumps, tanks or manifolds
    • HELECTRICITY
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    • H05K7/20636Liquid coolant without phase change within sub-racks for removing heat from electronic boards

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  • Cooling Or The Like Of Semiconductors Or Solid State Devices (AREA)

Description

    Hintergrund der Erfindung Technisches Gebiet der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Kühlvorrichtung für elektronische Apparaturen zum Einsatz in Luftfahrzeugen oder Hochleistungsrechnern mit hoher Bauteildichte und der damit verbundenen Notwendigkeit für eine Verringerung der Baugröße.
  • Beschreibung des Standes der Technik
  • Bisher bestand eine zu überwindende Schwierigkeit in der Entfernung von Wärme, die bei elektronischen Apparaturen erzeugt wird, wenn die Abmessung der elektronischen Apparaturen reduziert und die Arbeitsgeschwindigkeit dieser Apparaturen erhöht werden mußte. Um dieses Problem zu beseitigen, wurde ein Verfahren angewendet, das darin besteht, daß eine Flüssigkeit in der Apparatur in Umlauf gesetzt wird, um die erzeugte Wärme aus der Apparatur nach außen zu transportieren, so daß die Wärme abgegeben werden kann.
  • Eine Flüssigkeitskühlvorrichtung der vorerwähnten Art muß jedoch mit einer Umlaufpumpe für die Flüssigkeit, einen Motor zum Antrieb der Pumpe und mit einer elektrischen Energieversorgung versehen werden. Daher können diese Vorrichtungen nicht mit geringen Abmessungen gebaut werden.
  • Ferner kann eine derartige Vorrichtung nicht im Hinblick auf ihre Zuverlässigkeit, des elektrischen Energieverbrauches und der Geräuschreduzierung vorteilhaft eingesetzt werden.
  • Aus IBM Technical Disclosure Bulletin, Bd. 30, Nr. 6, November 1987, S. 389-390 ist ein Kühlsystem für elektronische Bauteile bekannt, bei dem die Abwärme eines elektronischen Hochtemperaturbauteiles als Energiequelle für die Kühlung eines anderen elektronischen Bauteiles unter Ausnutzung des Dalton'schen Gesetzes der Partialdrücke in einer binären Mischung aus spezifischen Substanzen ausgenutzt wird, die bei unterschiedlichen Temperaturen verdampfen.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Durch die Erfindung wird eine Bauart einer Kühlvorrichtung für elektronische Apparaturen geschaffen, bei der die Abwärme einer elektronischen Apparatur zur Kühlung eines anderen elektronischen Bauteiles ausgenutzt wird, ohne daß hierfür spezifische Substanzen, wie bei dem bekannten System, verwendet werden müssen. Die erfindungsgemäße Kühlvorrichtung ist in dem beigefügten Patentanspruch beschrieben und umfaßt: eine erste Umlaufströmungspassage, die eine wärmegetriebene Pumpe, eine wärmeabgebende Einrichtung zur Zufuhr von Wärme zur Pumpe und einen ersten Radiator oder Wärmetauscher zur Kühlung der wärmegetriebenen Pumpe enthält, und eine zweite Umlaufströmungspassage, die die zu kühlende elektronische Apparatur, einen zweiten Radiator oder Wärmetauscher und zwei Sperrventile enthält, die eine Fluidströmung durch den zweiten Wärmetauscher und die elektronische Apparatur in nur einer einzigen Richtung ermöglichen, wobei die erste und zweite Umlaufströmungspassage durch eine eine Zirkulation des Fluides in der zweiten Umlaufströmungspassage bewirkende Druckübertragungseinrichtung voneinander getrennt sind. Die Kühlvorrichtung nach der Erfindung umfaßt zwei unabhängige Umlaufströmungspassagen, wobei eine der Passagen eine wärmegetriebene Pumpe aufweist, in der Dampfblasen ähnlich wie bei der Wärmetransportvorrichtung nach der EP-A-169 550 erzeugt werden, um den Druck zu erhöhen und dadurch eine Pumpwirkung in dieser Umlaufströmungspassage zu schaffen.
  • Kurzbeschreibung der Zeichnung
  • Fig. 1 ist eine Gesamtansicht einer erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung für eine elektronische Apparatur, bei der ein Teilbereich geschnitten dargestellt ist;
  • Fig. 2 ist eine geschnittene Ansicht einer anderen Einrichtung zur wirkungsmäßigen Verbindung von zwei Strömungspassagen;
  • Fig. 3 ist eine Ansicht ähnlich Fig. 2 mit Darstellung einer anderen Einrichtung;
  • Fig. 4 ist eine perspektivische Ansicht mit einem aufgeschnittenen Teil einer Kühlvorrichtung für eine elektronische Apparatur gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
  • Fig. 5 ist eine perspektivische Teilansicht einer Printplatte mit elektronischen Einrichtungen und einem Substrat; und
  • Fig. 6 ist eine geschnittene Teilansicht mit Darstellung der Art und Weise, wie bedruckte Substrate auf einem wärmespeichernden Teil einer elektronischen Apparatur montiert sind.
  • Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
  • Fig. 1 zeigt eine Kühlvorrichtung nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Fünf Leistungstransistoren, durch eine elektrische Isolierschicht gegeneinander isoliert, sind so ausgelegt, daß sie als elektrische Energiequelle dienen können und auf einer Wärmespeicherplatte 1 aus einem Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit, wie Kupfer, befestigt. Der obere Teil der Wärmespeicherplatte 1 bildet ferner einen ausgehöhlten Bereich 3 als Heizteil der wärmegetriebenen Pumpe P. Die Wärme von den Leistungstransistoren 2 wird durch die Wärmespeicherplatte 1 auf den aushöhlten Bereich 3 konzentriert, in dem ein Teil einer darin befindlichen Flüssigkeit zum Verdampfen gebracht wird. Infolge davon werden Dampfblasen erzeugt, die in einer Gasflüssigkeitsumwandlungskammer 4 anwachsen. Infolge der sich vergrößerenden Dampfblasen öffnet die Flüssigkeit in der Gasflüssigkeitsumwandlungskammer 4 ein primäres Auslassperrventil 5 um ein Maß entsprechend der Wachstumsgröße der Dampfblasen und wird die Flüssigkeit in ein primäres Auslaßrohr 6 eingegeben. Zu diesem Zeitpunkt ist ein primäres Einlassperrventil 7 geschlossen, so daß die Flüssigkeit entsprechend dem Wachstum der Dampfblasen die Membran einer Druckübertragungsvorrichtung 8 nach oben auswölben läßt. Wenn die gewachsenen Dampfblasen dann aufgrund der Abkühlung in der Gasflüssigkeitsumwandlungskammer 4 verschwinden, schließt sich das primäre Auslassperrventil 5, während das primäre Einlassperrventil geöffnet wird, so daß die Flüssigkeit, die durch einen ersten Radiator 9 abgekühlt worden ist, über ein primäres Einlaßrohr 10 in die Gasflüssigkeitsumwandlungskammer 4 der wärmegetriebenen Pumpe P eingeführt wird. Gleichzeitig nimmt die nach oben gewölbte Membran wieder ihre Ausgangsstellung ein. Wie erwähnt, läuft die Flüssigkeit in der primären Umlaufströmungspassage, die die wärmegetriebene Pumpe P enthält, in dieser Strömungspassage um, wobei die von den Leistungstransistoren 3 erzeugte Wärme auf den äußeren primären Radiator 9 übertragen wird und die Flüssigkeit die Membran der Druckübertragungsvorrichtung 8 in Bewegung versetzt. Da andererseits die Membran 8 sich nach oben wölbt, öffnet die innere Flüssigkeit ein sekundäres Auslassperrventil 11 und schließt sich das sekundäre Einlassperrventil 12 in der sekundären Umlaufströmungspassage, so daß Flüssigkeit in einer Menge entsprechend dem Ausmaß der Auswölbung der Membran von dem sekundären Auslaßrohr 13 zum sekundären Radiator 14 gelangt. Wenn die Membran der Druckübertragungsvorrichtung wieder in die Ausgangsstellung zurückkehrt, fließt Flüssigkeit von einem Wärmespeicherbereich 15 in der elektronischen Apparatur zurück, nachdem sie den Gummiverbindungsschlauch 18 und ein sekundäres Einlaßrohr 16 sowie das geschlossene sekundäre Einlassperrventil 12 durchlaufen hat. Wie erwähnt, wird die Wärme in der elektronischen Apparatur durch die Flüssigkeit in der sekundären Umlaufströmungspassage wegtransportiert und nach außen abgegeben. Ein Sperrventil 17 zur Vermeidung eines Wasserhammereffektes ist außenseitig der beiden Sperrventile in der sekundären Umlaufströmungspassage parallel zum Wärmespeicherbereich 15 der elektronischen Apparatur vorgesehen und dient dazu, den Wasserhammer zu absorbieren, der entstehen kann, wenn die Sperrventile geöffnet und geschlossen werden. Dieses eine Wasserhammer vernindernde Sperrventil kann wirksam einen derartigen Effekt bei einer langen Umlaufströmungspassage ausschalten. Das wasserhammerverhindernde Sperrventil kann auch seitens der primären Umlaufströmungspassage, die die wärmegetriebene Pumpe enthält, vorgesehen sein. Die Kühlvorrichtung kann jedoch auch betrieben werden, wenn ein derartiges wasserhammerverhinderndes Ventil nicht vorgesehen ist.
  • Sofern die zyklische Strömungspassage Rohre aus Metall oder dgl. umfaßt, muß ein Speicher in der sekundären Umlaufströmungspassage vorgesehen werden. Ein solcher Speicher kann durch ein Rohr aus Gummi oder einem weichen Kunststoff an einem Abschnitt der Strömungspassage ersetzt werden. Da ferner unterschiedliche Arten von Flüssigkeiten in der primären Strömungspassage und der sekundären Strömungspassage verwendet werden können, kann das Vorsehen einer leicht verdampfenden Flüssigkeit in Bezug auf die in der sekundären Strömungspassage verwendeten Flüssigkeit in der primären Strömungspassage bewirken, daß die Funktion der Membran ausgeprägter stattfindet.
  • Wenn sich der Energieverbrauch der elektronischen Apparatur beim Einsatz ändert, treten die folgenden Änderungen automatisch entsprechend dem geänderten Energieverbrauch aufgrund der Eigenschaften der wärmegetriebenen Pumpe auf: Erhöhung des Energieverbrauches, Zunahme der von den Leistungstransistoren abgegebenen Wärme, Zunahme der von der wärmegetriebenen Pumpe abgegebenen Wärmemenge und Zunahme der Menge an umlaufender Flüssigkeit in der sekundären Strömungspassage und in der elektronischen Apparatur. Infolge davon kann eine Erhöhung der Temperatur der elektronischen Apparatur vermieden werden. In Fig. 2 dient der durch eine gestrichelte Linie umgebene Bereich als antreibender Teil der Vorrichtung nach der vorliegenden Erfindung.
  • Die Strömungspassage, die die primäre Strömungspassage mit der Membran verbindet, kann an irgendeiner Stelle längs der primären Strömungspassage vorgesehen sein. Vorzugsweise ist jedoch diese Strömungspassage zwischen dem Auslaß des primärseitigen Radiators und des primärseitigen Einlassperrventiles angeordnet, um eine Wärmeübertragung von der wärmegetriebenen Pumpe auf die Membran zu erschweren.
  • xxxx
  • Der sekundäre Radiator der sekundären Strömungspassage kann auch im sekundären Auslaßströmungskreis angeordnet werden. Vorteilhafterweis wird jedoch der sekundäre Radiator zwischen dem sekundären Einlassperrventil, das am Auslaß der Membran vorgesehen ist, und dem Wärmespeicherbereich der elektronischen Apparatur aus dem Grund angeordnet, daß dadurch gekühlte Flüssigkeit vom Auslaß des Radiators zum inneren Bereich der elektronischen Apparatur geführt werden kann.
  • Obgleich die primäre Umlaufströmungspassage und die sekundäre Umlaufströmungspassage bei der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform über eine Membran miteinander verbunden sind, kann als Alternative zu einer Anordnung mit Membran auch eine andere Anordnung vorgesehen werden. Z.B. kann, wie dies in Fig. 2 gezeigt ist, ein U-förmiges Rohr vorgesehen werden, um eine Verbindung zwischen der primären Umlaufströmungspassage 19 und der sekundären Umlaufströmungspassage 20 zu schaffen. Eine Flüssigkeit 21 mit einer größeren Dichte als die Flüssigkeit an der Primär- und Sekundärseite und mit der Eigenschaft, daß sie sich nicht mit der Flüssigkeit der beiden Seiten vermischt, ist in diesem vorerwähnten U-förmigen Rohr eingeschlossen. Ferner kann eine Anordnung, wie sie in Fig. 3 gezeigt ist, vorgesehen werden, bei der eine magnetische Flüssigkeit 22 zwischen der Flüssigkeit an der Primärseite und der Sekundärseite eingeschlossen ist. Die eingeschlossene magnetische Flüssigkeit wird durch einen Permanentmagneten 23 an einer bestimmten Stelle gehalten.
  • Fig. 4 ist eine perspektivische Ansicht einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wobei die Vorrichtung nach der vorliegenden Erfindung in Verbindung mit einer im tatsächlichen Einsatz befindlichen Apparatur dargestellt ist. Eine Wärmequelle und ein primäres Abstrahlsystem sind durch einen treibenden Teil 24 gebildet, der die wärmegetriebene Pumpe, eine elektrische Energiequelleneinheit 25 und die Leistungstransistoren 26 umfaßt, die als Wärmequelle dienen. Der treibende Teil umfaßt ferner einen primären Radiator 27 und ein Rohr 28 einer primären Umlaufströmungspassage.
  • Ein sekundäres Abstrahlsystem ist durch ein Rohr 29 einer sekundären Umlaufströmungspassage gebildet, das sich vom sekundären Radiator 30 über einen Wärmespeicherbereich 31 in der elektronischen Apparatur zum treibenden Teil erstreckt.
  • Eine Vielzahl von gedruckten Substraten 33, wie sie in Fig. 5 gezeigt sind, ist in der elektronischen Apparatur vorgesehen, wobei die gedruckten Substrate 33 mit dem Wärmespeicherbereich 31 verknüpft sind.
  • Fig. 5 zeigt die gedruckten Substrate 33, die so gefertigt sind, daß sie in hochdichter Montageweise verwendet werden können. Jede elektronische Einrichtung 32 ist so angelötet, daß sie in Berührung mit einer Busschiene 34 aus einem Material mit besonders guter Wärmeleitfähigkeit, wie Kupfer, zu liegen kommt. Infolge davon wird die in jeder elektronischen Einrichtung erzeugte Wärme auf die Busschiene 34 übertragen.
  • Fig. 6 ist eine geschnittene Ansicht des Führungsteiles des in Fig. 4 gezeigten gedruckten Substrates. Das gedruckte Substrat 33 wird durch eine Feder 35 beaufschlagt, so daß die Busschiene 34 gegen die Wand des Führungsteiles gedrückt wird, der aus einem besonders gut wärmeleitenden Material besteht und im Wärmespeicherteil 31 der elektronischen Apparatur vorgesehen ist. Infolge davon kann die Wärme zum Wärmespeicherteil 31 überführt werden. Da eine Umlaufströmungspassage 36 in diesem Wärmespeicherteil 31 vorgesehen ist, wird die Wärme des Wärmespeicherteiles 31 durch die umlaufende, in der Umlaufströmungspassage 36 eingeschlossene Flüssigkeit abgeführt.
  • Die Kühlvorrichtung nach der vorliegenden Erfindung benötigt keine zusätzliche Energiequelle, beispielsweise Elektrizität, da sie durch die Wärme betrieben wird, die von sich erwärmenden Einrichtungen einer elektrischen Apparatur oder dgl. abgegegeben wird. Da die Vorrichtung nach der vorliegenden Erfindung keinen Motor benötigt, wird auch kein Lärm erzeugt. Da darüber hinaus die Abmessung der Vorrichtung reduziert und der Aufbau der Vorrichtung vereinfacht werden können, kann eine hervorragende Zuverlässigkeit erhalten werden und läßt sich die Vorrichtung ohne weiteres bei klein dimensionierten elektronischen Apparaturen anbringen.

Claims (1)

  1. Kühlvorrichtung für eine elektronische Apparatur umfassend: eine erste Umlaufströmungspassage (6, 10, 19, 28), die eine wärmegetriebene Pumpe (P), eine wärmeabgebende Einrichtung (1, 2), welche Wärme an die Pumpe liefert, und einen ersten Radiator oder Wärmetauscher (9, 27) zur Kühlung der wärmegetriebenen Pumpe enthält, und eine zweite Umlaufströmungspassage (13, 16, 18, 20, 29), die die zu kühlende elektronische Apparatur, einen zweiten Radiator oder Wärmetauscher (14, 30) und zwei Absperrventile (11, 12) enthält, die eine Fluidströmung durch den zweiten Wärmetauscher und die elektronische Apparatur in nur einer einzigen Richtung erlauben, wobei die erste und zweite Umlaufströmungspassage durch eine einen Umlauf des Fluides in der zweiten Umlaufströmungspassage (28) bewirkende Druckübertragungseinrichtung (8, 21, 22, 23) voneinander getrennt sind.
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