Hintergrund der Erfindung
Technisches Gebiet der Erfindung
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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
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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.
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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.
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Ferner kann eine derartige Vorrichtung nicht im Hinblick auf
ihre Zuverlässigkeit, des elektrischen Energieverbrauches und
der Geräuschreduzierung vorteilhaft eingesetzt werden.
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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
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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
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Fig. 1 ist eine Gesamtansicht einer erfindungsgemäßen
Kühlvorrichtung für eine elektronische Apparatur, bei der ein
Teilbereich geschnitten dargestellt ist;
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Fig. 2 ist eine geschnittene Ansicht einer anderen
Einrichtung zur wirkungsmäßigen Verbindung von zwei
Strömungspassagen;
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Fig. 3 ist eine Ansicht ähnlich Fig. 2 mit Darstellung einer
anderen Einrichtung;
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Fig. 4 ist eine perspektivische Ansicht mit einem
aufgeschnittenen Teil einer Kühlvorrichtung für eine
elektronische Apparatur gemäß einer anderen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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Fig. 5 ist eine perspektivische Teilansicht einer Printplatte
mit elektronischen Einrichtungen und einem Substrat; und
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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
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.