DE3528291A1

DE3528291A1 - Arrangement for cooling electronic components

Info

Publication number: DE3528291A1
Application number: DE19853528291
Authority: DE
Inventors: Rainer Gumbsheimer
Original assignee: Kernforschungszentrum Karlsruhe GmbH
Current assignee: Forschungszentrum Karlsruhe GmbH
Priority date: 1985-08-07
Filing date: 1985-08-07
Publication date: 1987-02-19
Also published as: DE3528291C2

Abstract

It is difficult to define the necessary cooling power for a large electronic system with sufficient accuracy, as the compact construction which is aimed for in modern devices demands. The dissipated power of electronic components is known, but only the power parts which are directly provided with heat sinks can be effectively and calculably cooled. For this reason, the cooling system is usually over-dimensioned, which has many disadvantages. However, the space required for the cooling units, and the noise level, can no longer be ignored in large systems. The arrangement according to the invention for cooling electronic components 2 which are fitted to boards 1 makes it possible to conduct away dissipated heat from all components 2, differentially and predictably. Bulk material 11 transfers the heat from the components 2 to the heat sinks 4, 5 by the shortest route, and enables the cooling system to be more effectively used. <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Kühlung elektroni scher Bauelemente auf mit diesen bestückten Platinen, wobei die Bauelemente in Abstand von einem als Kühlkörper dienenden Gehäuse umgeben sind und der Zwischenraum zwischen Kühlkörper und den Bauelementen bzw. der Platine mit einem Schüttgut ausgefüllt ist.The invention relates to an arrangement for cooling electronics components on these boards, the components at a distance from one as a heat sink serving housing are surrounded and the space between Heatsink and the components or the circuit board with one Bulk is filled.

Zum Schutz elektronischer Anlagen und deren Funktionssicher heit muß die durch die Verlustleistung elektronischer Bau elemente erzeugte Wärme abgeführt werden. Im günstigsten Falle reicht die Luftzirkulation innerhalb der Geräte aus. Zu hohe Temperaturen einzelner Bauelemente oder auch Bau gruppen werden mittels Kühlkörper reduziert. Reicht die Vergrößerung der Kühlflächen mittels Kühlkörpern nicht aus, so werden Gebläse eingesetzt um den Luftstrom zu verstärken oder man weicht auf Kühlkörper aus, die mit flüssigen Medien gekühlt werden.For the protection of electronic systems and their functional reliability Unit must be the electronic power dissipation elements generated heat are dissipated. In the cheapest If there is enough air circulation within the devices. Too high temperatures of individual components or construction Groups are reduced using heat sinks. Is that enough The cooling surfaces are not enlarged by means of heat sinks, so blowers are used to increase the air flow or you can switch to heat sinks with liquid ones Media are cooled.

Die angestrebte hohe Packdichte der Bauelemente bei der heutigen kompakten Bauweise fordert eine bestmögliche Wärmeabfuhr aller Bauelemente, auch derjenigen, die von der Größe und der Form her mit Kühlkörpern nicht versehen werden können, die einzeln eine geringe Verlustleistung aufweisen, aber in der Masse auf engstem Raum den Bedarf hoher Kühlleistung erzwingen.The desired high packing density of the components at today's compact design demands the best possible Heat dissipation of all components, including those by the size and shape are not provided with heat sinks that can be individually a low power dissipation have, but in the mass in a confined space the need force high cooling performance.

Schränke für 19′′-Geräteeinheiten, die mit ihren Ein schüben und Baugruppenträgern sehr viele bestückte Platinen dicht gepackt aufnehmen können, werden vorzugsweise mit 19′′-Lüftereinschüben für große Luftmengen ausgestattet, die einen hohen Geräuschpegel haben. Bei den unberechenbaren Strömungswiderständen der bestückten Platinen ist es kaum möglich, die Luftstromverteilung innerhalb der Geräteein heiten abzuschätzen. Um partielle Wärmestaus zu vermeiden, werden die Kühlsysteme überdimensioniert, was u. a. mit einem erhöhten Geräuschpegel und hohem Raumbedarf verbunden ist.Cabinets for 19 ′ ′ - device units with their A drawers and subracks very many assembled boards tightly packed, are preferably with 19 ′ ′ - fan trays equipped for large air volumes, that have a high noise level. With the unpredictable It is hardly any flow resistance of the assembled boards possible to distribute the airflow within the devices to estimate. To avoid partial heat build-up, the cooling systems are oversized, which u. a. with a increased noise level and high space requirements.

Für eine elektronische Anlage eines Neutrinoprojektes wurde bei der Dimensionierung der Luftkühlung nach dem Stande der Technik ein notwendiger Volumenstrom von mindestens 18.500 m³/h bei einer Druckdifferenz von mindestens 400 Pa und einem Geräuschpegel von ca. 110 dB ermittelt.For an electronic system of a neutrino project when dimensioning the air cooling according to the state technology, a necessary volume flow of at least 18,500 m³ / h at a pressure difference of at least 400 Pa and a noise level of approx. 110 dB.

Bekannt ist die Methode, kleinere kompakte Schaltungseinhei ten in ein als Kühlkörper dienendes Gehäuse einzugießen, wobei die Wärmeübertragung von den Bauelementen zum Kühl körper über die Vergußmasse erfolgt. Diese Methode, sinn voll bei der Herstellung kompakter Bauteile mit wenigen Anschlüssen, bleibt auf kleine Schaltungseinheiten beschränkt und ist bei größeren Einheiten, wie den Baugruppenträgern in 19′′-Schränken nicht praktikabel. Bei Großanlagen muß auch die Wartungs- und Reparaturfreundlichkeit beachtet werden. Die Wahrscheinlichkeit, eine bestückte Platine austauschen zu müssen, ist groß und schließt die Verwendung der schwer entfernbaren Vergußmassen aus.The method is known, smaller compact circuit units pour into a housing that serves as a heat sink, whereby the heat transfer from the components to the cooling body over the casting compound. This method, meaning full in the production of compact components with few Connections, remains limited to small circuit units and is for larger units, such as the subracks not practical in 19 ′ ′ cabinets. For large systems, too maintenance and repair friendliness are observed. The likelihood of replacing a populated board having to do is big and precludes the use of the hard removable casting compounds.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für die gattungsgemäße Anlage ein Kühlsystem bereitzustellen, das bei beengten Raumverhältnisse eine hohe Packdichte der elektronischen Bauelemente er möglicht, wobei vor allem aus Lärmschutzgründen die Grenz werte der Geräuschbelastung von Personen, die in unmittel barer Nähe arbeiten, noch deutlich unterschritten werden sollten.The invention is based, for the generic System to provide a cooling system that works in tight spaces a high packing density of the electronic components possible, especially for noise protection reasons the limit values of the noise level of people who are in immediate work close to, are still significantly below should.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird bei der Kühlanordnung der eingangs bezeichneten Art gemäß dem kennzeichnenden Merkmal des Anspruches 1 gelöst.The object underlying the invention is in the Cooling arrangement of the type mentioned according to the characterizing feature of claim 1 solved.

Die übrigen Ansprüche geben vorteilhafte Weiterbildungen und Ausführungsformen der Erfindung wieder.The other claims give advantageous developments and embodiments of the invention again.

Die Anordnung gemäß der Erfindung ermöglicht in vorteil hafter Weise die bestmögliche Packdichte der Bauelemente bei ausreichender Kühlung, weil die Verlustwärme auf kürzestem Wege über das Schüttgut auf die Kühlkörper über tragen wird. Bei der Kühlung einer Großanlage kommt es darauf an, die Wärme vom Ort des Entstehens auf dem kürzesten Wege abzuführen. Der Vorteil der Erfindung besteht darin, daß jeder Platine je nach Verlustleistung ein entsprechender Kühlkörper zugeordnet wird und damit die Kühlleistung innerhalb einer großen Anlage dem Bedarf entsprechend auf kleinere Einheiten verteilt werden kann. Einheiten mit großer Verlustleistung heizen nicht mehr die Mehrzahl der anderen ebenfalls gekühlten Einheiten mit geringerer Verlustleistung, weil die Wärme vorort mittels Kühlkörper abtransportiert wird. Das Auftreten von Wärme staus wird weitgehend vermieden. Die Wärmekapazität des Schüttgutes vermindert größere Temperaturschwankungen der Bauelemente. Bei Verwendung eines Kühlsystems, sei es mit flüssigem oder gasförmigem Medium, reicht die Wärmekapazi tät aus, um auf ein redundantes Kühlsystem umzuschalten, ohne die Anlage ausschalten zu müssen. Bei Luftkühlung kann das Luftführungssystem einer Großanlage durch entsprechend geformte Kühlkörper genauer, d. h. bedarfsgerecht, ausge staltet werden. Die Kühlung einer Großanlage wird damit effektiver und die zu installierende Kühlleistung kann genauer bestimmt und damit reduziert werden.The arrangement according to the invention advantageously allows the best possible packing density of the components with sufficient cooling, because the heat loss shortest path over the bulk material to the heat sink will wear. When it comes to cooling a large system, it happens insists on the warmth of the place of origin on the lead away shortest ways. The advantage of the invention is that each board depending on the power dissipation a corresponding heat sink is assigned and thus the cooling capacity within a large system as required can be distributed to smaller units accordingly. Units with high power loss no longer heat the majority of the other refrigerated units with less power loss because the heat is generated locally Heatsink is removed. The appearance of heat traffic jams are largely avoided. The heat capacity of the Bulk goods reduce major temperature fluctuations Components. When using a cooling system, be it with liquid or gaseous medium, the heat capacity is sufficient to switch to a redundant cooling system without having to switch off the system. With air cooling can the air duct system of a large system by accordingly shaped heatsink more accurately, d. H. needs-based, out be designed. The cooling of a large system is thus more effective and the cooling capacity to be installed can be determined more precisely and thus reduced.

Ausführungsvarianten gemäß der Erfindung sind in der Zeichnung schematisch dargestellt und werden anhand der Figuren näher erläutert.Design variants according to the invention are in the Drawing shown schematically and are based on the Figures explained in more detail.

Fig. 1 zeigt im Querschnitt eine bestückte Platine 1 mit dem die Bauelemente 2 umgebenden Gehäuse 3, das in viel fältiger Weise mit Kühlprofilen 4, 5 versehen werden kann sowie das zwischen der Platine 1 und dem als Kühlkörper dienende Gehäuse 3 die Bauelemente 2 umgebende Schüttgut 11. Bauteile innerhalb des Schüttgutes 11 können ebenfalls mit geeigneten Kühlkörpern 6 versehen sein. Fig. 1 shows in cross section an assembled circuit board 1 with the housing 3 surrounding the components 2 , which can be provided with cooling profiles 4 , 5 in a much more complex manner and the bulk material surrounding the components 2 between the circuit board 1 and the housing 3 serving as a heat sink 11 . Components within the bulk material 11 can also be provided with suitable heat sinks 6 .

Fig. 2 zeigt eine Platine 1, deren Gehäuse 3 mit einem Luftkanal 7 versehen ist. Fig. 2 shows a circuit board 1 , the housing 3 is provided with an air duct 7 .

Fig. 3 zeigt einen Ausschnitt der wechselweisen Anordnung von Platinen 1 und Kühlkörpern 8, wie sie z. B. in Bau gruppenträgern oder Einschüben 9 von 19′′-Schränken Anwendung findet, wobei die Kühlkörper 8 an einen Kühl kreislauf 10 angeschlossen sind. Bei dieser Anordnung werden die bestückten Platinen 1 auf einer gemeinsamen Rückwand 12 eingesetzt. Nach dem Einsetzen der Platinen 1 und der Kühlkörper 8, wird der ganze 19′′-Einschub 9 mit dem Schüttgut 11 ausgefüllt. Vor einer Wartung oder etwaigen Reparatur wird das Schüttgut 11 einfach abgesaugt. Fig. 3 shows a section of the alternate arrangement of boards 1 and heat sinks 8 , as z. B. in construction group carriers or inserts 9 of 19 '' - cabinets are used, the heat sink 8 are connected to a cooling circuit 10 . In this arrangement, the assembled boards 1 are used on a common rear wall 12 . After inserting the boards 1 and the heat sink 8 , the whole 19 '' - insert 9 is filled with the bulk material 11 . The bulk material 11 is simply suctioned off before maintenance or any repair.

Fig. 4 zeigt einen Ausschnitt einer Anordnung von Platinen 1 in einem 19′′-Einschub 9 bei Luftkühlung. Bei dieser Anordnung werden Platinen 1 mit eigenen mit Schüttgut gefüllten Kühlgehäusen 3 verwendet, deren Kühlprofile wie in Fig. 1 und 2 gezeigt, den Kühlbedürfnissen angepaßt werden können. Fig. 4 shows a section of an arrangement of boards 1 in a 19 '' - insert 9 with air cooling. In this arrangement, circuit boards 1 with their own cooling housings 3 filled with bulk material are used, the cooling profiles of which, as shown in FIGS . 1 and 2, can be adapted to the cooling requirements.

Fig. 5 zeigt ein 19′′-Rack mit einer weiteren Möglichkeit des Anschlusses einer Kühlleitung 13, wobei eine Seite der verwendeten 19′′-Kassetten 14 als Kühlfläche 15 ausge bildet ist. Fig. 5 shows a 19 '' - rack with a further possibility of connecting a cooling line 13 , wherein one side of the 19 '' - cassettes 14 used as a cooling surface 15 is formed.

Über Laschen 16 ist eine einfache thermische Kontaktierung 17 möglich.A simple thermal contact 17 is possible via tabs 16 .

Claims

1. An arrangement for cooling electronic components ( 2 ) on these equipped circuit boards ( 1 ), the components ( 2 ) being surrounded at a distance by a housing ( 3 ) serving as a heat sink ( 4 , 5 and 7 ) and the space between the heat sink and the components ( 2 ) or the circuit board ( 1 ) are filled with a solid, characterized in that the intermediate space is filled with bulk material ( 11 ).

2. Arrangement according to claim 1, characterized in that sand with a grain size of up to 500 µm is introduced as bulk material ( 11 ).

3. Arrangement according to claim 1, characterized in that glass beads in the order of up to 500 microns are well introduced ( 11 ).

4. Arrangement according to claim 1 to 3, characterized in that the assembled board ( 1 ) on both sides, both the assembly side and the back, is surrounded by the bulk material ( 11 ).

5. Arrangement according to claim 1 to 4, characterized in that a plurality of circuit boards ( 1 ) and heat sink ( 8 ) in a common housing ( 3 ) are arranged parallel to one another and alternately so that a heat sink ( 2 ) between two circuit boards ( 1 ) 8 ) is located and the spaces are filled with the bulk material ( 11 ).