System zum Abtransport thermischer Verlustleistungen

Die Erfindung betrifft ein System zum Abtransport thermischer Verlustleistungen, wie es insbesondere in elektronischen Geräten oder Schaltschränken einsetzbar ist.

Die Komponenten von elektronischen Geräten oder Schaltschränken produzieren naturgemäß aus einem bestimmten Anteil der ihnen zugeführten Elektroenergie Verlustwärme. Diese Verlustwärme muss zur Verhinderung von Ausfällen der elektronischen Komponenten abgeführt werden. Insbesondere für Computer ist es notwendig, die Verlustwärme der Central-Processing-Unit (CPU) abzuführen.

Nach momentanem Stand der Technik erzeugt eine CPU in einem handelsüblichen Personalcomputer ca. 80 - 130 W Verlustleistung, welche als Wärme aus dem System abgeführt werden muss. Allerdings äst bei zukünftigen Prozessorgenerationen mit einer Verlustleistung größer als 130 W zu rechnen. Um ein Funktionieren der CPU zu gewährleisten, ist es in Abhängigkeit des Prozessortyps und des Herstellers des Prozessors erforderlich, die Temperatur an der CPU auf Temperaturen zwischen 60 ⁰ C und 90 ⁰ C durch Kühlung zu begrenzen.

Neben der CPU befinden sich in einem komplexen elektronischen Gerät, wie einem Personalcomputer, weitere Komponenten, deren maximale Arbeitstemperatur ebenfalls zum Zwecke des reibungslosen Funktionierens nach oben begrenzt ist. Eine weitere wichtige Komponente stellt in diesem Zusammenhang die Grafikkarte (GPU) dar. Ebenso gilt der Chipsatz als signifikante Verlustwärmequelle.

Nach der DE 200 10 977 U1 ist ein System zum Kühlen eines Computers bekannt, welches eine Kälteanlage mit Verdichter, Kondensator,

Expansionsventil und Verdampfer aufweist, die den Computer bzw. dessen

wärmeerzeugende Komponenten auf traditionelle Weise nach dem Kaltdampfprozess kühlt.

Nach der WO 2004/061908 A2 wird eine Kühlvorrichtung offenbart, die ein von einem Wärmeübertragungsfluid durchströmtes Mehrkanalflachrohr aufweist, welches mit den verlustwärmeerzeugenden Komponenten thermisch in Verbindung steht.

Weiterhin werden für die Kühlung von elektronischen Geräten Heatpipes bzw. Wärmerohre eingesetzt, welche eine sehr effiziente Art des Wärmetransportes von dem wärmedissipierenden elektronischen Bauelement zu einem Wärmeübertrager zur Wärmeabfuhr aus dem System ermöglichen. In dem Wärmeübertrager bzw. dem Kondensator des Wärmerohres wird die Wärmeenergie an ein Kühlmittel, beispielsweise an einen Luftstrom oder an eine Kühlflüssigkeit, abgegeben.

Ein solches System ist in der DE 195 27 674 offenbart. Die offenbarte Kühleinrichtung führt die Wärme an einen Kühlluftstrom ab, der mittels eines Ventilators erzeugt wird.

Nach der US 6,288,895 ist ein Apparat für die Kühlung elektronischer Komponenten in einem Computersystem offenbart, welches ein Wärmerohr zur Ableitung des Verlustwärmestromes von dem wärmeerzeugenden elektronischen Bauelement nutzt und dessen Kondensator mit einem kanalförmigen Wärmeübertrager in thermischer Verbindung steht, der Wärmeübertragungsrippen aufweist.

Nachteilig an dem aufgeführten Stand der Technik ist, dass Wärmeübertragungsaufgaben zumeist mit hohem apparativem Aufwand gelöst werden, der zu hohen Kosten und einer hohen Störanfälligkeit der Komponenten führt.

Die Aufgabe der Erfindung besteht somit darin, ein System zu schaffen, welches die Verlustwärmeaufnahme an der Quelle, den Wärmetransport und die Wärmeabgabe thermodynamisch und kosteneffizient realisiert.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass ein System zum Abtransport thermischer Verlustleistungen von insbesondere elektronischen Bauteilen geschaffen wird, welches dadurch gekennzeichnet ist, dass ein Mehrkanalflachrohr vorgesehen ist, welches eine Wärmeaufnahmezone, eine Wärmeleitungszone und eine Wärmeabgabezone vertikal übereinander ausgebildet aufweist und dass die Zonen durch das Mehrkanalflachrohr mit Kanälen und Zwischenwänden miteinander verbunden sind. Dabei ist das Mehrkanalflachrohr an seinen Enden verschlossen und in den Kanälen ist ein Phasen wechselndes Kältemittel vorgesehen. Die Orientierung der Kanäle erfolgt derart in vertikaler Richtung y, dass das flüssige Kältemittel in die Wärmeaufnahmezone gravitationsbedingt zurückfließt, wobei die einzelnen Kanäle des Mehrkanalflachrohres als kommunizierende Röhren ausgebildet sind.

Erfindungsgemäß ist weiterhin vorgesehen, dass das Mehrkanalflachrohr in der Wärmeaufnahmezone und der Wärmeleitungszone senkrecht und eben sowie in der Wärmeabgabezone mit einem Steigungswinkel alpha spiralförmig gedreht ausgebildet ist.

Besonders vorteilhaft ist die Ausbildung des Steigungswinkels alpha mit mindestens 2 °.

Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, dass die

Wärmeaufnahmezone des Mehrkanalflachrohres innerhalb eines Gehäuses mit den auf einem Trägersystem angeordneten elektronischen Bauteilen thermisch kontaktiert ist und die Wärmeabgabezone des Mehrkanalflachrohres außerhalb

des Gehäuses angeordnet ist, wobei die genannten Zonen mittels der Wärmeleitungszone des Mehrkanalflachrohres verbunden sind.

Die elektronischen Bauteile werden nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung mittels einer Klemmvorrichtung mit dem Mehrkanalflachrohr im Bereich der Wärmeaufnahmezone thermisch kontaktiert.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung besteht darin, dass das Mehrkanalflachrohr im Bereich der Wärmeabgabezone Oberflächenvergrößerungselemente aufweist. Von besonderem ökonomischen und fertigungstechnischem Vorteil ist die Ausbildung der Oberflächenvergrößerungselemente als Streckmetall bzw. Streckmetalllagen. Alternativ dazu können die Oberflächenvergrößerungselemente auch konventionell als Rippen, Rippenkörper oder als Lamellen ausgebildet sein.

Nach einer Ausgestaltung der Erfindung ist das Mehrkanalflachrohr im Bereich der Enden mit öffnungen in den Zwischenwänden der Kanäle versehen, was das Prinzip der kommunizierenden Röhren innerhalb des Mehrkanalflachrohres auf besonders effiziente Weise realisiert.

Die Fertigung der Mehrkanalflachrohre ist dann besonders wirtschaftlich, wenn die Enden jeweils durch Quetschzonen zur Abdichtung der Kanäle nach außen hin ausgeführt werden.

Die Konzeption der Erfindung besteht darin, dass drei Funktionsbereiche in einer Vorrichtung integriert sind.

Der erste Funktionsbereich besteht aus der Wärmeaufnahmezone, welche auch die Funktion der thermischen Kupplung erfüllt.

Die thermische Kupplung ist das Bindeglied zwischen der Fläche, an der die thermische Verlustleistung anfällt, und einem Thermosiphonsystem, das dem

Abtransport der Verlustwärme, der Wärmeleitungszone, dient. Die thermische

Kupplung ermöglicht eine optimale, aber jederzeit leicht zu lösende Verbindung zwischen Wärmequelle und Transportsystem zur Wärmesenke, der Wärmeabgabezone.

Konzeptionsgemäß kann die thermische Kupplung auch eingesetzt werden, um mehrere Thermosiphonschienen zum Transport von Verlustwärme über längere Strecken zu verbinden. Weiterhin kann die thermische Kupplung auch für die Ankopplung an Kälteanlagen, Flüssigkeitskühlsysteme und Kühlkörper verwendet werden.

Die Wärmeleitungszone ist erfindungsgemäß als Thermosiphonschiene ausgebildet. Darunter ist ein System zum verlustarmen Transport von thermischer Energie zu verstehen. Sie dient vor allem als flexible Verlängerung und als Zwischenstück zwischen thermischer Kupplung, der Wärmeaufnahmezone, und Wärmesenke, der Wärmeabgabezone. Durch geeignete Kopplungsmittel können mehrere Thermosiphonschienen in Reihe geschaltet werden, um Wärme an eine Wärmesenke zu übertragen. Eine Parallelschaltung zum übertragen höherer Leistungen ist eine alternative Ausgestaltung der Erfindung. Die Dimensionierung erfolgt je nach volumetrischen und leistungsspezifischen Anforderungen. Daraus ergibt sich auch die optimale Menge des Arbeitsfluids bzw. Kältemittels.

Die aufgenommene Wärme wird erfindungsgemäß vorzugsweise durch Spiralwärmeübertrager, z. B. an Luft, abgegeben. Es ist aber auch die Ankopplung an den Verdampfer einer Kältemaschine, an Strangpresskühlkörper oder an einen Kühlflüssigkeitskreislauf möglich.

Weitere Vorteile des Systems sind seine einfache und damit kostengünstige Fertigung sowie seine Flexibilität bzgl. Größe und Gestalt. Es lässt sich an verschiedenste Anforderungen hinsichtlich Bauraum und abzuführender Wärmeleistung anpassen.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen mit Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen. Es zeigen:

Fig. 1 : Mehrkanalflachrohr im Ortskoordinatensystem; Fig. 2: Mehrkanalflachrohrendstück mit öffnungen in den Zwischenwänden; Fig. 3: Mehrkanalflachrohrendstück mit Quetschzone; Fig. 4: Spiralwärmeübertrager mit innerem Eingang; Fig. 5: Spiralwärmeübertrager mit äußerem Eingang;

Fig. 6: Draufsicht des Schaltschrankes mit Spiralwärmeübertrager und Fig. 7: Seitenansicht des Schaltschrankes mit Spiralwärmeübertrager.

Unter Beachtung des Mindestgefälles zwischen Wärmesenke und Wärmequelle und gegebenenfalls der durch den Hersteller der Mehrkanalflachrohre vorgegebenen Biegeradien kann die Thermosiphonschiene um die X-Achse, um die Y-Achse und um die Z-Achse, gemäß Fig. 1 , gebogen oder verdrillt werden. Das Thermosiphonsystem ist als Mehrkanalflachrohr 1 gemäß Fig. 2 mit korrespondierenden Gefäßen bzw. Kanälen 2 ausgebildet. Die Gefäße sind im Bereich der Flüssigphase des Arbeitsfluids, also im Bereich des Endstücks, das als Verdampfer arbeitet, verbunden. Bevorzugt gibt es eine zusätzliche Verbindung der Kanäle 2 im Bereich der Kondensationszone, der Wärmeabgabezone 12. Der Wärmetransport erfolgt im Wesentlichen auf Grund der isothermen bzw. isobaren Zustandsänderungen in Verbindung mit dem Schwerkraftumlauf eines Arbeitsfluids bzw. Kältemittels.

Zum Betrieb des Systems ist zwischen Wärmequelle und Wärmesenke bevorzugt ein Steigungswinkel vom mindestens 2° vorgesehen.

Die Thermosiphonschiene besteht nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung aus einem Mehrkanalflachrohr 1. Die einzelnen Kanäle 2 des Mehrkanalflachrohrs 1 werden mittels Bohrungen bevorzugt an beiden Enden miteinander verbunden. Die Bohrungen bilden öffnungen 4 in den Zwischenwänden 3 benachbarter Kanäle 2 und können von außen quer durch das Mehrkanalflachrohr 1 , welches auch als Rohrprofil bezeichnet wird, eingebracht werden.

Um jedoch das nachträgliche Verschließen der dabei entstehenden Eintrittsöffnungen in den Außenwänden zu vermeiden, werden jeweils von links und rechts die Zwischenwände 3 durch schräg zur Kanalrichtung z verlaufende Bohrungen oder Aufdornungen miteinander verbunden, wobei die jeweils äußeren Wandungen der äußeren Kanäle 2 nicht perforiert werden. Die Bohrungen treffen in der Mitte des Profils aufeinander und bilden gemäß Fig. 2 ein „x". Dies ermöglicht das Verschließen der Profile durch lediglich zwei Ultraschallschweißvorgänge, ohne die korrespondierenden Kanäle 2 zu beeinträchtigen.

Vor dem Verschließen werden die Seitenkanten des Mehrkanalflachrohrs 1 auf ca. 150 % der Tiefe der Ultraschallschweißnaht keilförmig in Richtung der Z-Achse gemäß Fig. 3 eingedrückt, wodurch eine Quetschzone 5 gebildet wird. Dieses Verfahren bietet den Vorteil des Erreichens einer Schweißnaht ohne Verformungen, wie „Schwalbenschwänze", die über die ursprünglichen Abmessungen des Mehrkanalflachrohrs 1 hinausgehen, und der Anbindung an die thermische Kupplung unter optimaler Ausnutzung der zur Verfügung stehenden Fläche. Das Mehrkanalflachrohr 1 wird evakuiert und mit einem Arbeitsfluid gefüllt. Anschließend werden die Enden des Mehrkanalflach roh rs 1 durch Ultraschallschweißen gasdicht verschlossen. Alternativ sind die Enden auch durch Löten oder andere Verfahren gasdicht verschließbar. Als Arbeitsfluid sind alle Fluide geeignet, die im Bereich der jeweils geforderten Leistungsparameter eine geeignete Dampfdruckkurve mit günstigen isothermen und isobaren Zustandsänderungen aufweisen, bei der die vom

Hersteller der Mehrkanalflachrohre 1 vorgegebenen Arbeitsdrücke nicht überschritten werden.

Die Wärmeabgabezone 12 ist gemäß Fig. 4 und Fig. 5 als Spiralwärmeübertrager mit der Funktion eines Kondensators ausgebildet. Der Spiralwärmeübertrager ist konzeptionsgemäß auch als ein Thermosiphonsystem und aus einem Mehrkanalflachrohr 1 ausgebildet und realisiert den Flüssigkeitsrücktransport zur Wärmeaufnahmezone schwerkraftgebunden.

Unter Beachtung des Mindestgefälles zwischen Wärmesenke und Wärmequelle und der gegebenenfalls durch den Hersteller der Mehrkanalflachrohre 1 vorgegebenen Biegeradien kann der Spiralwärmeübertrager im Bereich der Flüssigphase des Arbeitsfluids um die X-Achse, um die Y-Achse und um die Z-Achse gebogen oder verdrillt sein.

Die Wärmeabgabezone 12 ist als ein Teil des Thermosiphonsystems ausgebildet und ist ein im Kondensationsbereich zur Spirale gebogenes Mehrkanalflachrohr 1 mit korrespondierenden Kanälen 2. Die Spirale ist in Richtung der Y-Achse ansteigend ausgebildet. Nach Fig. 4 steigt sie von ihrem Mittelpunkt aus an, sofern der Verdampfungsbereich in das Zentrum der Spirale mündet. Mündet der Verdampfungsbereich in die äußerste Wicklung der Spirale gemäß Fig. 5, dann ist der Anstieg in Richtung der Y-Achse nach innen hin ausgebildet.

In Fig. 6 ist ein Schaltschrank mit Spiralwärmeübertrager in der Draufsicht dargestellt. Dabei ist der Spiralwärmeübertrager auf dem Gehäuse 6 des Schaltschrankes angeordnet. Der Spiralwärmeübertrager als Wärmeabgabezone 12 des Systems zum Abtransport thermischer Verlustleistungen ist aus einem Mehrkanalflachrohr 1 mit einem

Steigungswinkel in y-Richtung gemäß Fig. 4 oder Fig. 5 gewickelt und mit Oberflächenvergrößerungselementen 9 versehen.

Um die Effizienz zu verbessern, ist gemäß der dargestellten Ausführungsform der Erfindung zwischen den einzelnen Wicklungen eine Metallstruktur, z. B. Streckmetall oder Wellblech, angeordnet, die geeignet ist, durch ihren Aufbau die äußere Oberfläche zur Wärmeabgabe zu vergrößern und durch Verwirbelung dem Ausbilden laminarer Strömungen der erzwungenen oder freien Konvektion der Luft entgegenwirkt.

In Fig. 7 ist eine Seitenansicht eines Schaltschranks mit Spiralwärmeübertrager dargestellt. Typischerweise ist dabei in einem Gehäuse 6 ein Trägersystem 7 mit den elektronischen Bauteilen 8 vorgesehen, wobei letztere mittels des Systems zum Abtransport thermischer Verlustleistungen gekühlt werden sollen. Die Wärmeaufnahmezone 10 des als Mehrkanalflachrohr 1 ausgebildeten Systems wird über eine thermische Kupplung bzw. eine Klemm- oder Klippvorrichtung 13 thermisch mit den Verlustwärme produzierenden elektronischen Bauteilen 8 kontaktiert. Die durch Verdampfung des Arbeitsfluids bzw. Kältemittels aufgenommene Energie wird infolge des aufsteigenden Dampfes durch die Wärmeleitungszone 11 des Mehrkanalflachrohres 1 zum außerhalb des Gehäuses 6 liegenden Spiralwärmeübertrager der Wärmeabgabezone 12 geleitet, wo die Wärme durch Kondensation an die den Wärmeübertrager umströmende und kühlende Luft abgegeben wird. Nach der Kondensation des Fluids strömt das Kondensat infolge der Schwerkraft aus der Wärmeabgabezone 12 durch die Wärmeleitungszone 11 in die Wärmeaufnahmezone 10 zurück. Um den Rückfluss des Kondensats zu gewährleisten, ist der Spiralwärmeübertrager in der Wärmeabgabezone 12 mit einem Steigungswinkel alpha von mindestens zwei Grad ausgebildet.

Die Dimensionierung des Gesamtsystems erfolgt je nach volumetrischen und leistungsspezifischen Anforderungen. Daraus ergibt sich auch die optimale Menge des Arbeitsfluids.

Das Verfahren der Herstellung des Systems ist durch folgende Schritte gekennzeichnet:

Die einzelnen Kanäle des Mehrkanalflachrohres 1 sind durch öffnungen 4 in den Zwischenwänden miteinander verbunden. Die öffnungen werden mittels Bohrungen, idealerweise an beiden Enden, erzeugt. Die Bohrungen können von außen quer durch das Profil eingebracht werden. Um jedoch das nachträgliche Verschließen der dabei entstehenden Eintrittsöffnungen zu vermeiden, werden jeweils von links und rechts die Zwischenwände 3 durch schräg zur Kanalrichtung z verlaufende Bohrungen oder Aufdornungen miteinander verbunden. Die Bohrungen treffen in der Mitte des Profils aufeinander und bilden ein „x". Dies ermöglicht das Verschließen der Profile durch lediglich zwei Ultraschallschweißvorgänge, ohne die korrespondierenden Kanäle 2 zu beeinträchtigen. Vor dem Verschließen werden die Seitenkanten des Meh rkanalf lach roh res 1 auf ca. 150 % der Tiefe der Ultraschallschweißnaht keilförmig in Richtung der Z-Achse gemäß Fig. 4 eingedrückt, um zu erreichen, dass die Schweißnaht keine Verformungen, wie „Schwalbenschwänze", aufweist, die über die ursprünglichen Abmessungen des Mehrkanalflachrohres 1 hinausgehen. Dieses Verfahren ermöglicht die Anbindung an die thermische Kupplung, unter optimaler Ausnutzung der zur Verfügung stehenden Fläche. Das Profil wird nachfolgend evakuiert und mit einem Arbeitsfluid gefüllt. Die Enden werden durch Ultraschallschweißen gasdicht verschlossen. Alternativ sind die Enden auch durch Löten gasdicht verschließbar. Um das gefüllte Profil zu verlöten, bedarf es einer aktiven Kühlung des Mehrkanalflachrohres 1.

Als Arbeitsfluid sind alle Fluide geeignet, die im Bereich der jeweils geforderten Leistungsparameter eine geeignete Dampfdruckkurve mit günstigen

isothermen und isobaren Zustandsänderungen aufweisen, bei der die vom Hersteller der Mehrkanalflachrohre 1 vorgegebenen Arbeitsdrücke nicht überschritten werden.

Je nach Verlustwärmemenge kann diese durch freie Konvektion oder mit Unterstützung durch einen Lüfter an die Umgebung abgegeben werden. Der Anschluss an die Wärmequelle folgt den jeweiligen Anforderungen und Gegebenheiten. Unter anderem sind folgende Varianten sinnvoll, um das System zu kompartimentieren. Dabei werden die einzelnen Funktionsbereiche physisch getrennt und über thermische Kupplungen miteinander verbunden.

Variante 1 :

1. Direkte Ankopplung an die Wärmequelle: Die Wärmeaufnahmezone 10 wird mittels einer geeigneten mechanischen Befestigung auf die Wärmequelle gepresst. Unter Berücksichtigung des Mindestgefälles zwischen Wärmesenke und Wärmequelle kann der Verdampferteil nach den jeweiligen Anforderungen durch Biegen angepasst werden.

Variante 2:

2. Ankopplung des Systems über eine thermische Kupplung:

Die thermische Kupplung wird mit der Wärmequelle verbunden, die Wärmeaufnahmezone 10 des Mehrkanalflachrohres 10 des Systems wird in der thermischen Kupplung befestigt. Unter Berücksichtigung des

Mindestgefälles zwischen Wärmesenke und Wärmequelle kann der

Verdampferteil nach den jeweiligen Anforderungen durch Biegen angepasst werden. Die Verwendung einer thermischen Kupplung ist insbesondere dann sinnvoll, wenn eine einfache und schnelle

Demontage des Systems gewährleistet sein soll.

Variante 3:

3. Ankopplung des Systems über die thermische Kupplung und Zwischenschalten von ein oder mehreren Thermosiphonschienen als

Wärmeleitungszonen 11 zur überwindung notwendiger Abstände zwischen Wärmequelle und Wärmesenke:

Die thermische Kupplung wird mit der Wärmequelle verbunden. In der thermischen Kupplung an der Wärmequelle wird eine Thermosiphonschiene befestigt, die in der Kondensationszone durch eine thermische Kupplung mit der Verdampfungszone der nächsten Thermosiphonschiene verbunden ist. Alternativ können auch mehrere Thermosiphonschienen in Reihe geschaltet werden, um dann letztlich mit der Wärmeabgabezone 12 verbunden zu werden. Unter Berücksichtigung des Mindestgefälles zwischen Wärmesenke und

Wärmequelle kann der Verdampferteil nach den jeweiligen Anforderungen durch Biegen angepasst werden. Die Verwendung der thermischen Kupplung ist insbesondere dann sinnvoll, wenn eine einfache und schnelle Montage/Demontage oder Verlängerung der Wärmeleitungszone 11 und eine Anpassung der Wärmeabgabezone 12 gewährleistet sein soll.

LISTE DER BEZUGSZEICHEN

1 Mehrkanalflachrohr, Rohrprofil

2 Kanal

3 Zwischenwände

4 öffnungen

5 Quetschzone

6 Gehäuse

7 Trägersystem

8 elektronisches Bauteil

9 Oberflächenvergrößerungselemente

10 Wärmeaufnahmezone

11 Wärmeleitungszone

12 Wärmeabgabezone

13 Klemmvorrichtung alpha Steigungswinkel