DE102005016098A1

DE102005016098A1 - Kühlsystem für elektrische und/oder elektronische Geräte

Info

Publication number: DE102005016098A1
Application number: DE102005016098A
Authority: DE
Inventors: Gottfried Kloyer; Bernd Zimmermann; Anton Rossberger; Robert Nerbl; Heinz Hornung
Original assignee: TQ COMPONENTS GmbH; TQ-COMPONENTS GmbH
Current assignee: TQ COMPONENTS GmbH; TQ-COMPONENTS GmbH
Priority date: 2005-04-08
Filing date: 2005-04-08
Publication date: 2006-10-12

Abstract

Ein Kühlsystem nach der Erfindung bezieht sich auf elektrische und/oder elektronische Geräte, insbesondere auf Industrie-Terminals. Das Industrie-Terminal umfasst ein Gehäuseteil 1 mit einer Anzeige- bzw. Displayeinheit 3 und ein Gehäuseteil 2 mit einer Rechnereinheit 4. In der Rechnereinheit 4 sind ein Basis- bzw. Motherboard 5 und ein Modul 6 mit einem wärmeerzeugenden Bauteil 7 angeordnet. Auf dem Modul 6 ist eine Wärmeverteilungsplatte 9 angeordnet, die mit einem Kühlkörper 10 verzahnt ist. Zu diesem Zweck ist die Wärmeverteilungsplatte 9 auf einer Seite mit Rippen, Lamellen oder Zahnreihen 14 ausgestattet. Der Kühlkörper 10 besitzt auf der einen Seite Kühlrippen 12 und auf der Gegenseite Aussparungen, Rinnen oder Schlitze 13. Die Rippen, Lamellen oder Zahnreihen 14 der Wärmeverteilungsplatte 9 und die dazu korrespondierenden Aussparungen, Rinnen oder Schlitze 13 des Kühlkörpers 10 sind mit Spielpassung ausgeführt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Kühlsystem, insbesondere ein passives Kühlsystem, das ggf. mit einem aktiven Kühlsystem kombinierbar ist, für elektrische und/oder elektronische Geräte. Mit dem erfindungsgemäßen Kühlsystem werden eingehauste Netzgeräte, in denen elektrische Stromversorgungs- und Antriebseinheiten und/oder elektronische Regel- und/oder Steuereinheiten angeordnet sind, ausgestattet. Vor allem werden damit Computer, insbesondere Industrie-Computer, ausgerüstet.

Zum Stand der Technik gehören Netzgeräte mit elektronischer Ausrüstung, die wärmeempfindliche Baugruppen umfassen. Danach kann die Innenraumkühlung mit aktiven Lüftungssystemen beispielsweise durch den Ein- oder Anbau mindestens eines Elektrolüfters erfolgen. Alternativ hierzu kommen auch passive Lüftungssysteme wie die Integration von plattenförmigen Kühlelementen zum Einsatz. Die Abstrahlfläche der Kühlplatten ist oft zwecks Vergrößerung der Oberfläche rippenförmig profiliert. Die dem Innenraum des Gerätes zugewandte Kontaktfläche der Kühlplatte ist üblicherweise ebenflächig ausgeführt. Die Kühlplatte kann an einer Seitenwand eines solchen Gerätes angebracht sein oder diese ersetzen.

Elektrische und/oder elektronische Bauteile arbeiten während des Betriebes in aller Regel nicht verlustfrei. Ein Teil der eingespeisten elektrischen Energie wird in diesen Bauteilen in Wärme umgewandelt. Die Summe der Verlustleistungen der in einem solchen Gerät angeordneten Bauteile führt somit nicht nur zu einer Aufheizung des Innenraumes und der Außenwände des Gerätes sondern auch zu einer Überhitzung der Bauteile selbst. Auf diese Weise werden maximal zulässige Oberflächentemperaturen an den Bauteilen überschritten, die zunächst Leistungseinbußen und schließlich den Ausfall der Bauteile zur Folge haben können. Außerdem werden in der Einhausung Wärmespannungen aufgebaut, die zur Verformung von Gerätewänden und ggf. zu Verbrennungen führen können.

Computer, insbesondere Industrie-Computer, besitzen in aller Regel ein geschlossenes Gehäuse, welches das Eindringen von Staub und Feuchtigkeit in den Innenraum verhindert. Außerdem müssen Computer den EMV Anforderungen genügen. Deshalb sind die Computer-Einhausungen gegenüber Umgebungseinflüssen weitgehend abgedichtet und im übrigen robust ausgeführt. Der Computer-Innenraum ist in aller Regel so bemessen, dass dieser im wesentlichen nur die Anordnung und Montage der bestückten Leiterplatte bzw. Leiterplatten und deren Anbindung an die Peripherie ermöglicht. Für den Einund/oder Anbau eines aktiven Lüftungssystems reichen die räumlichen Verhältnisse meistens nicht aus. Außerdem kann der Einsatz von aktiven Lüftungssystemen allgemein zu Geräuschbelästigungen führen. Ferner benötigen aktive Lüftungssysteme Seitenwandöffnungen zur Abfuhr der Innenraumwärme. Damit ist jedoch ein wesentlicher Nachteil verbunden, der darin besteht, dass über diese Seitenwandöffnungen Staub, Feuchtigkeit und sonstige unerwünschte Verunreinigungen in den Gehäuseinnenraum eindringen können. Auf diese Weise können die elektrischen und/oder elektronischen Bauteile in der Funktionstüchtigkeit beeinträchtigt werden und sogar den Ausfall des gesamten elektrischen und/oder elektronischen Systems bewirken. Die gegenüber der Umgebung abgeschlossene, kompakte Bauweise erzwingt daher in aller Regel eine passive Kühlung der Computer, insbesondere Industrie-Computer, um die vom Hersteller garantierte Lebensdauer des Computers durch den Erhalt der Funktionstüchtigkeit der Bauelemente sicher zu stellen. Bei Dauerbetrieb von elektrischen und/oder elektronischen Geräten, die ausschließlich mit einem aktiven Kühlsystem ausgestattet sind, besteht die Gefahr, dass beispielsweise beim Ausfall des Elektrolüfters eine Überhitzung der elektrischen und/oder elektronischen Bauteile und schließlich deren Ausfall erfolgt. Deshalb ist es notwendig, Geräte dieser Art mit einem betriebssicher arbeitenden Kühlsystem auszustatten.

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Kühlsystem, insbesondere ein passives Kühlsystem, das ggf. mit einem aktiven Kühlsystem kombinierbar ist, für elektrische und/oder elektronische Geräte zu schaffen. Dabei soll der sich aus Fertigungs- und Montagetoleranzen summierende Überbrückungsspalt, der die Wärmeableitung wesentlich beeinträchtigt, minimiert werden. Die dem Stand der Technik anhaftenden Nachteile sollen beseitigt werden.

Diese Aufgabe wird mit den konstruktiven Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst. Die hierauf rückbezogenen Unteransprüche 2 bis 14 gestalten das Kühlsystem konstruktiv weiter aus.

Die Erfindung bezieht sich auf ein passives Kühlsystem für elektrische und/oder elektronische Geräte mit definierten Innen- und Außenabmessungen. Für die Funktionstüchtigkeit dieser Geräte sorgt neben einer gegenüber schädlichen Umwelteinflüssen wie Staub, Feuchtigkeit u.dgl. wirkungsvoll abgeschirmten Einhausung ein passives Kühlsystem für die wärmeerzeugenden elektrischen und/oder elektronischen Bauteile; denn der von diesen Bauteilen ausgehende Wärmestrom wird mit dieser Technik über flächige Wandkontakte zuverlässig nach außen abgeleitet. Für die in aller Regel stapelförmig in dem Gehäuse mit bestimmten Innenabmessungen angeordneten Teile sind Fertigungs- und Montagetoleranzen zu berücksichtigen, die sich zu einem Überbrückungsspalt zwischen dem Kühlkörper und dem wärmeerzeugenden Bauteil addieren können, der beispielsweise bis zu 1 mm oder mehr beträgt.

Bekanntlich beeinträchtigt ein Luftspalt den Wärmedurchgang. In einem solchen Fall werden die eingehausten Bauteile nicht mehr ausreichend gekühlt. Die Betriebssicherheit dieser Geräte ist daher nicht mehr gewährleistet. Denn eine Aufheizung des Geräteinnenraumes führt zur Überhitzung und zum Ausfall der Bauteile. Mit dem erfindungsgemäßen Kühlsystem wird erreicht, dass ein fertigungs- und montagetechnisch auftretender Überbrückungsspalt sich wärmetechnisch nicht nachteilig auswirken kann.

Die Erfindung löst das Problem der Ausbildung eines Überbrückungsspaltes innerhalb eines passiven Kühlsystems. Das erfindungsgemäße Kühlsystem umfasst im wesentli chen ein plattenförmiges Kühlelement und ein plattenförmiges Wärmeverteilungselement. In dem Gerät ist mindestens ein Trägerelement angebracht, auf dem mindestens ein mit elektrischem Strom versorgtes, wärmeerzeugendes Bauteil angeordnet ist. Das Kühlelement ersetzt mindestens teilweise eine Wand des Gehäuses. Das Kühlelement ist auf der vom Gehäuse wegweisenden Seite mit räumlichen Erhöhungen ausgestattet, um die Wärmeabstrahlfläche zu vergrößern. Vorzugsweise sind auf der Außenseite des Kühlelements parallel verlaufende Kühlrippen, Lamellen, Zahnreihen, Stäbe u.dgl. abstehende Raumformen vorgesehen. Die nach außen gerichtete Seite des Kühlelements kann auch als ebene Fläche ausgeführt sein. Außerdem besitzt das Kühlelement auf der dem Gehäuseinnenraum zugewandten Seite parallel verlaufende Vertiefungen, Rinnen, Schlitze u.dgl. Aussparungen.

Das Wärmeverteilungselement, das oberhalb des wärmeerzeugenden Bauteiles angeordnet ist, besitzt auf der dem Kühlelement zugewandten Seite Erhöhungen, vorzugsweise parallel verlaufende Rippen, Lamellen, Zahnreihen u.dgl., die in Vertiefungen, vorzugsweise den parallel verlaufende Aussparungen, Rinnen oder Schlitze u.dgl. Hohlräume des Kühlelements mit Flächenkontakt hinein- und herausschiebbar zugeordnet sind. Die Aussparungen, Rinnen oder Schlitze und Rippen, Lamellen oder Zahnreihen der entsprechenden Elemente des Kühlsystems können parallel zu einer Seitenkante oder in einem Winkelbereich von 90° parallel verschwenkt vorgesehen sein. Das Wärmeverteilungselement ist nach Länge und Breite so bemessen, dass es das wärmeerzeugende Bauteil, vorzugsweise umlaufend weitflächig überdeckt. Der für die Aussparungen, Rinnen oder Schlitze in dem Kühlkörper vorgesehene Flächenbereich ist größer bemessen als der Flächenbereich, der für die Rippen, Lamellen oder Zahnreihen des Wärmeverteilungselementes bestimmt ist. Außerdem besitzen die Aussparungen, Rinnen oder Schlitze in dem Kühlelement eine größere Längserstreckung als die Rippen, Lamellen oder Zahnreihen auf dem Wärmeverteilungselement. Die Tiefe der Aussparungen, Rinnen oder Schlitze in dem Kühlkörper und die Höhe der Rippen, Lamellen oder Zahnreihen in dem Wärmeverteilungselement sowie die Breite der Aussparungen, Rinnen oder Schlitze und Rippen, Lamellen oder Zahnreihen sind so bemessen, dass der Überbrückungsspalt mit Flächenkontakt geschlossen werden kann. Die Vertiefungen, Aussparungen, Rinnen oder Schlitze und die Materialerhöhungen, Rippen, Lamellen oder Zahnreihen sind so dimensioniert, dass sie beim Zusammenbau von Wärmeverteilungselement und Kühlelement eine Spielpassung mit Flächenkontakt oder Übergangspassung zulassen, die den Abfluss des Wärmestromes nach außen sicherstellt. Ferner führt der Zusammenbau zu einer Verzahnung von Wärmeverteilungselement und Kühlelement.

Die Luftmenge, die sich zwischen den gegenüberliegenden Wandflächen des wärmeerzeugenden Bauteils und des Wärmeverteilungselements sowie des Wärmeverteilungselements und des Kühlelements zwangsläufig befindet, wirkt wärmeisolierend und behindert dadurch den Wärmestrom beim Durchgang durch das Kühlsystem. Nach der Erfindung wird dieser Luftanteil mit einer Auflage aus einer Wärmeleitfolie bzw. einem Thermopad zwischen dem wärmeerzeugenden Bauteil und dem Wärmeverteilungselement sowie einer wärmeleitfähigen Paste zwischen dem Wärmeverteilungselement und dem Kühlelement aus diesem Kühlsystem verdrängt, um den Flächenkontakt des Kühlsystems zu optimieren und den Wärmedurchgang weiter zu verbessern. Dabei wird ein solches Wärmeleitmaterial eingesetzt, das im wesentlichen den gleichen Wärmeübergangskoeffizienten besitzt wie das Material, aus dem das Wärmeverteilungselement und das Kühlelement bestehen. Vorzugsweise sind das Wärmeverteilungs- und das Kühlelement aus einer Aluminiumlegierung gefertigt.

Mit der erfindungsgemäßen Konstruktion werden die Fertigungs- und Montagetoleranzen, die letztlich den Überspalt verursachen, wärmetechnisch beherrschbar gemacht, in dem bei der Montage die Materialerhebungen bzw. -erhöhungen, Rippen, Lamellen oder Zahnreihen des Wärmeverteilungselements in die korrespondierenden Vertiefungen, Aussparungen, Rinnen oder Schlitze des Kühlelements entsprechend tief hineingeschoben werden.

Der kombinatorische Aufbau des verzahnten passiven Kühlsystems nach der Erfindung leistet mit der räumlichen Kompensation des Überbrückungsspaltes in Verbindung mir dem Ausfüllen spaltbedingter Hohlräume mit Thermopad bzw. Wärmeleitfolie und/oder Wärmeleitpaste eine wesentliche Verbesserung des Kühleffektes, wie Messungen nachgewiesen haben. Zu diesem Zweck wurden während der Betriebsdauer von 60 Minuten an einem handelsüblichen Modul vom Typ TQM P3T-AB mit einer CPU-Bestückung, -CPU bedeutet central processing unit bzw. zentrale Rechnereinheit, sensorische Temperaturmessungen durchgeführt.

Temperaturmessungen unter Beachtung einer CPU-Temperatur von max. 90° C und einer Systemtemperatur von max. 70° C.

Temperaturmessung 1:

(a) Aufbau des stapelförmigen, verzahnten Kühlsystems nach der Erfindung: CPU auf Modul bzw. Leiterplatte + Thermopad bzw. Wärmeleitfolie mit 0,13 mm Dicke + Wärmeverteilungsplatte mit Rippen + Kühlplatte mit Rinnen und Rippen.
(b) Endmontagezustand: Verzahnung zwischen Wärmeverteilungsplatte und Kühlplatte mit relativ großer Spielpassung von ca. 0,1 mm.
(c) Sensorische Temperaturmessung: (c1) An der Oberfläche des CPU: 55,7° C. (c2) An der Unterseite des Moduls: 44,8° C. (c3) An der Oberseite der Wärmeverteilungsplatte: 49,4° C. (c4) An der Außenseite der Kühlplatte: 45,4° C.

Temperaturmessung 2:

(a) Aufbau des stapelförmigen, verzahnten Kühlsystems nach der Erfindung: CPU auf Modul bzw. Leiterplatte + Thermopad bzw. Wärmeleitfolie mit 0,13 mm Dicke + Wärmeverteilungsplatte mit Rippen + Kühlplatte mit Rinnen und Rippen.
(b) Endmontagezustand: Verzahnung zwischen Wärmeverteilungsplatte und Kühlplatte mit relativ kleiner Spielpassung von ca. 5/100 mm.
(c) Sensorische Temperaturmessung: (c1) An der Oberfläche des CPU: 55,1° C. (c2) An der Unterseite des Moduls: 44,3° C. (c3) An der Oberseite der Wärmeverteilungsplatte: 49,5° C. (c4) An der Außenseite der Kühlplatte: 46,6° C.

Temperaturmessung 3:

(a) Aufbau des stapelförmigen, verzahnten Kühlsystems nach der Erfindung: CPU auf Modul bzw. Leiterplatte + Thermopad bzw. Wärmeleitfolie mit 0,13 mm Dicke + Wärmeverteilungsplatte mit Rippen + Wärmeleitpaste + Kühlplatte mit Rinnen und Rippen.
(b) Endmontagezustand: Verzahnung mit Wärmeleitpaste zwischen Wärmeverteilungsplatte und Kühlplatte und relativ kleiner Spielpassung von ca. 5/100 mm.
(c) Sensorische Temperaturmessung: (c1) An der Oberfläche des CPU: 47,1° C. (c2) An der Unterseite des Moduls: 44,8° C. (c3) An der Oberseite der Wärmeverteilungsplatte: 45,4° C. (c4) An der Außenseite der Kühlplatte: 43,1° C.

Temperaturmessung 4:

(a) Aufbau eines stapelförmigen, unverzahnten Kühlsystems nach dem Stand der Technik: CPU auf Modul bzw. Leiterplatte + Thermopad bzw. Wärmeleitfolie mit 0,13 mm Dicke + Wärmeverteilungsplatte ohne Rippen + Thermopad mit 1 mm Dicke + Kühlplatte mit Rippen ohne Rinnen.
(b) Endmontagezustand: Flächenkontakt zwischen Wärmeverteilungsplatte und Kühlplatte.
(c) Sensorische Temperaturmessung: (c1) An der Oberfläche des CPU: 47,7° C. (c2) An der Unterseite des Moduls: 45,4° C. (c3) An der Oberseite der Wärmeverteilungsplatte: 46,6° C. (c4) An der Außenseite der Kühlplatte: 44,3° C.

Auswertung der Messergebnisse:

1. Bei den Temperaturmessungen 1 bis 4 beträgt der Temperaturunterschied zwischen CPU und Wärmeverteilungselement mit einem dazwischen angeordneten, 0,13 mm dicken Thermopad ca. 10 K. Das entspricht einem Thermowiderstand von ca. 0,9 K/W.
2. Der Temperaturunterschied zwischen dem Wärmeverteilungselement und dem damit verzahnten Kühlkörper ohne Wärmeleitpaste in der Verzahnung beträgt ca. 5 K. Das entspricht einem Thermowiderstand von ca. 0,45 K/W. Dabei ist zwischen einer Verzahnung mit einer umlaufenden Spielpassung von ca. 0,1 mm oder 0,05 mm kein wesentlicher Temperaturunterschied festzustellen.
3. Der Temperaturunterschied zwischen dem Wärmeverteilungselement und dem damit verzahnten Kühlkörper mit Wärmeleitpaste in der Verzahnung beträgt hingegen nur noch ca. 1,5 K. Das entspricht einem Thermowiderstand von ca. 0,13 K/W.
4. Der Temperaturunterschied zwischen dem unverzahnten Wärmeverteilungselement und dem Kühlkörper mit einem dazwischen angeordneten, 1 mm dicken Thermopad beträgt ca. 1 K. Das entspricht einem Thermowiderstand von ca. 0,09 K/W.

Schlussfolgerung:

Das erfindungsgemäße Kühlsystem, bei dem der Wärmeverteilungskörper mit dem Kühlkörper unter Ausfüllung der als Folge einer Spielpassung auftretenden Hohlräume mit Wärmeleitpaste verzahnt ist, und das bekannte Kühlsystem, bei dem das Wärmeverteilungselement mit dem Kühlsystem ohne Verzahnung aber unter Zwischenschaltung eines 1 mm dicken Thermopads einen ebenen Flächenkontakt bildet, weisen gleichwer tig niedrige Thermowiderstände auf. Nach dem Stand der Technik werden jedoch üblicherweise in dem Bereich der Koppelung von Wärmeverteilungselement und Kühlkörper wesentlich dickere Thermopads von über 1 mm eingesetzt. Das Kühlsystem gemäß der Erfindung leistet gegenüber dem Vergleichskühlsystem eine Verbesserung der Wärmeableitung, in dem ein fertigungs- und montagetechnisch bedingter Überbrückungsspalt durch Verzahnung des Wärmeverteilungselements mit dem Kühlkörper minimiert wird. Die erfindungsgemäße abstrahlseitige Vergrößerung der Oberfläche des Wärmeverteilungselementes durch die Anordnung von parallelen Längsrippen oder Zahnreihen führt in der Kombination mit dem umlaufende Belag aus einer Wärmeleitpaste auf der Verzahnung gegenüber den herkömmlichen passiven Kühlsystemen zu einer wirkungsvolleren Wärmeableitung aus einem Gehäuse, in dem wärmerzeugende elektrische und/oder elektronische Bauteile angeordnet sind. Denn das zum Vergleich herangezogene Kühlsystem kann gemäß der Temperaturmessung 4 nur einen Überbrückungsspalt von max. 0,5 mm kompensieren, während das erfindungsgemäße Kühlsystem einen Überbrückungsspalt von bis zu 3 mm und mehr bei verbesserter Kühlwirkung ausgleichen kann.

Das Kühlsystem nach der Erfindung wird auf der Basis von Ausführungsbeispielen anhand der zeichnerischen, nicht maßstabsgemäßen Darstellungen gemäß den 1 bis 5 näher erläutert.
In 1 ist ein Industrie-Terminal bzw. ein Industrie-PC (IPC) in auseinandergezogener Anordnung räumlich dargestellt. Der IPC ist nach der dargestellten Ausführungsform in einem zweiteiligen Gehäuse untergebracht. Danach sind in einem ersten Gehäuseteil 1 eine Anzeige- bzw. Displayeinheit 3 und einem zweiten Gehäuseteil 2 eine Rechnereinheit 4 angeordnet. Die Rechnereinheit 4 besteht im wesentlichen aus einer bestückten Leiterplatte bzw. einem Basis- oder Motherboard 5 und einem Minimodul 6. Die Rückseite des Minimoduls 6 ist mit einem wärmeerzeugenden Bauteil 7 wie CPU bestückt. Unterhalb des Bauteils 7 ist der Bereich 8 der passiven Kühlung mit einem Wärmeverteilungselement 9 in Kombination mit einem Kühlkörper 10 vorgesehen. Das Wärmeverteilungselement 9 und der Kühlkörper 10 ersetzen mindestens teilweise eine Wand 11 des Gehäuseteils 2. Das Wärmeverteilungs- und das Kühlelement sind Vorzugsweise aus einer Aluminiumlegierung gefertigt.
Die Erfindung erstreckt sich auch auf Terminals ohne Anzeige- bzw. Displayeinheit. In diesem Falle ist das Gehäuse einteilig ausgeführt, in dem sich analog zur zweiteiligen Ausführungsform die Rechnereinheit 4 befindet. Das erfindungsgemäße verzahnte, passive Kühlsystem umfasst auch eine unmittelbare Anordnung eines mit einem wärmeerzeugenden Bauteil bestückten Moduls 6 auf einem Basis- bzw. Motherboard 5. Diese Bauweise wird beispielsweise über eine Steckverbindung geschaffen. Das erfindungsgemäße Kühlsystem ist auch dann verwirklicht, wenn das Basis- bzw. Motherboard unter Wegfall des Moduls mit einem wärmeerzeugenden Bauteil bestückt ist.
2a zeigt in geöffneter Frontansicht ein Gehäuseteil 2, in dem die Rechnereinheit mit dem Kühlsystem nach der Erfindung auseinander gezogen dargestellt ist. 2b zeigt in Draufsicht das Gehäuseteil 2 mit dem erfindungsgemäßen Kühlsystem. 2c zeigt in geöffneter Seitenansicht das Gehäuseteil 2 mit dem erfindungsgemäßen Kühlsystem. In dem Gehäuseteil 2 befindet sich die Rechnereinheit mit einem wärmeerzeugenden Bauteil. Da die erfindungsgemäße Lehre auch für Terminals ohne Anzeigebzw. Displayeinheit gilt, stehen die 2a bis 2c unter Beibehaltung der Bezugszeichennummerierung auch für ein einteiliges Gehäuse 2, in dem eine Rechnereinheit mit dem erfindungsgemäßen passiven Kühlsystem angeordnet ist.
Der plattenförmige Kühlkörper 10 besitzt nach außen abstehende, parallel verlaufende Kühlrippen 12. Die Kühlrippen 12 der Kühlplatte 10 können durch parallel verlaufende Lamellen oder Zahnreihen 12 ersetzt sein. Eine Zahnreihe ist im Querschnitt sägezahnförmig ausgebildet. Anstelle der Kühlrippen 12 u.dgl. können auf der Abstrahlseite gegenseitig gleichmäßig beabstandete Stifte oder Säulen vorgesehen sein. Ferner ist der Kühlkörper 10 auf der in den Innenraum des Gehäuseteils 2 weisenden Seite mit parallel verlaufenden Aussparungen, Rinnen oder Schlitzen 13 versehen. In dem Gehäuseteil 2 bzw. dem einteiligen Gehäuse 2 ist weiterhin mindestens ein Modul 6 angeordnet, das auf der abzukühlenden Seite mit mindestens einem wärmeerzeugenden Bauteil 7 bestückt ist. Schließlich befindet sich in dem Gehäuseteil 2 bzw. Gehäuse 2 ein Basis bzw. Motherboard 5, auf dem das Modul 6 auch über eine nicht dargestellte Steckverbindung angeordnet sein kann.
Auf dem Bauteil 7 ist mit Flächenkontakt eine Wärmeverteilungsplatte 9 angeordnet, die auf der dem Kühlkörper bzw. der Kühlplatte 10 zugewandten Seite parallel verlaufende Rippen oder Lamellen 14 aufweist. Die Materialerhöhungen auf der Wärmeverteilungsplatte 9 können auch als Zahnreihen ausgeführt sein. Die Rinnen oder Schlitze 13 des Kühlkörpers 10 und die Rippen oder Lamellen 14 der Wärmeverteilungsplatte 9 sind so dimensioniert, dass beim Zusammenschieben eine Spielpassung mit Flächenkontakt oder Übergangspassung erreicht wird. Die Wärmeverteilungsplatte 9 und der Kühlplatte 10 sind in dem Gehäuseteil 2 so zu positionieren, dass beim Zusammenbau des erfindungsgemäßen Kühlsystems die Rippen oder Lamellen 14 der Wärmeverteilungsplatte 9 in die korrespondierenden Rinnen oder Schlitze 13 des Kühlkörpers bzw. -platte 10 mit Flächenkontakt hinein- und herausgeschoben werden können. Die Höhe der Materialerhöhungen 14 wie Rippen, Lamellen oder Zahnreihen 14 und die Tiefe der Aussparungen 13 wie Rinnen oder Schlitze 13 bestimmen sich danach, dass der Überbrückungsspalt, der sich durch Summierung von Fertigungs- und Montagetoleranzen ergibt, beim Zusammenbau der Wärmeverteilungsplatte 9 und des Kühlkörpers 10 kompensiert werden kann. Die parallel verlaufenden Kühlrippen 12 u.dgl. sowie Schlitze 13 u.dgl. des Kühlkörpers 10 sowie die Rippen oder Lamellen 12 u.dgl. der Wärmeverteilungsplatte 9 sind gleichmäßig beabstandet ausgeführt. Die parallel verlaufenden Kühlrippen 12 u.dgl. und Schlitze 13 u.dgl. der Kühlplatte 10 sowie die Rippen, Lamellen u.dgl. 14 können bezogen auf die Horizontale in einem Winkelbereich zwischen 0 und 180° gleichmäßig beabstandet ausgerichtet sein. Die Kühlrippen 12, Rinnen oder Schlitze 13 u.dgl. sowie die Rippen oder Lamellen 14 u.dgl. können parallel zu einer Seitenkante des Kühlkörpers 10, der Wärmeverteilungsplatte 9 oder einer Kante 16 des Gehäuseteils 2 ausgerichtet sein, wie es in den 2a bis 2c dargestellt ist. Die abstrahlungsseitige Profilierung der Wärmeverteilungsplatte 9 und der Kühlplatte 10 kann unterschiedlich ausgeführt sein. Der Verlauf der Profilierung kann ebenfalls unterschiedlich kombiniert sein, d.h. auf der Abstrahlseite der Wärmeverteilungsplatte 9 können beispielsweise die Lamellen 14 als horizontal verlaufende Reihen angeordnet sein, während abstrahlseitig sein, während abstrahlseitig auf der Kühlplatte 10 orthogonal oder schräg verlaufende Rippen 14 vorgesehen sein können.
Der plattenförmige Kühlkörper 10 ist großflächig dimensioniert und ersetzt mindestens einen Flächenanteil einer Wand 11 des Gehäuseteils 2. Vorzugsweise ist die Rückwand des Gehäuseteils oder ein Teil davon als Kühlkörper ausgeführt. Die Fläche des Kühlkörpers 10 ist größer dimensioniert als Fläche der Wärmeverteilungsplatte 9. Die Wärmeverteilungsplatte 9 ist ebenfalls so bemessen, dass sie die Fläche des wärmeerzeugenden Bauteils 7 überlappt.
Die 2a bis 2c beinhalten auch eine weitere Ausführungsform der Erfindung, wonach die zur Wärmeverteilungsplatte 9 weisende Oberfläche des wärmeerzeugenden Bauteils 7 mit einem Thermopad bzw. einer Wärmeleitfolie 15 belegt ist. Außerdem können die Rippen, Lamellen oder Zahnreihen 14 in Verbindung mit den Aussparungen, Rinnen oder Schlitzen 13 mit einer Wärmeleitpaste 15 zusätzlich belegt sein, um Hohlräume, die infolge der Spielpassung auftreten können, bei der Montage durch Luftverdrängung zu schließen.
3a zeigt im Querschnitt eine Wärmeverteilungsplatte 9, die auf einer Seite mit Lamellen 14 ausgestattet ist, und eine Kühlplatte 10, die Lamellen 13 aufweist. 3b zeigt im Querschnitt das Profil von Sägezahnreihen 14, mit denen abstrahlseitig die Wärmeverteilungsplatte 9 und der Kühlkörper 10 geräteseitig ausgestattet ist. Nach 3c können die Flanken 18 der Rippen 14 von der Basis der Rippen 14 ausgehend oder nach 3d erst ab Mitte der Flankenhöhe minimal konisch oder nach einer nicht dargestellten Ausführungsform bombiert ausgeführt sein.
4a beinhaltet eine weitere Ausführungsform der Erfindung, wonach die Rippen, Lamellen oder Zahnreihen 14 der Wärmeverteilungsplatte 9 sowie die korrespondierenden Aussparungen, Rinnen oder Schlitze 13 der Kühlplatte 10 gegenüber der Horizontalen in einem Winkelbereich zwischen 0° und 90° oder nach 4b gegenüber der Orthogonalen in einem Winkelbereich zwischen 90 und 180° ausgerichtet sind, so dass in beiden Fällen schräg bzw. diagonal verlaufende Rippen, Lamellen oder Zahnreihen 14 sowie Aussparungen, Rinnen oder Schlitze 13 die Verzahnung der Wärmeverteilungsplatte 9 mit der Kühlplatte 10 bilden.
Die 5a, 5b und 5c veranschaulichen mit den in das entsprechende X-Y-Z-Diagramm eingetragenen Vektoren, als Pfeile dargestellt, die bei horizontaler (5a), orthogonaler (5b) und diagonaler (5c) Verzahnung möglichen Bewegungsrichtungen, die beispielsweise zur optimalen Positionierung der Wärmeverteilungsplatte 9 auf der Kühlplatte 10 genutzt werden können. Mit der Bewegung der Wärmeverteilungsplatte 9, die beispielsweise mit Lamellen 14 oder Rippen 14 geringer Dicke ausgestattet ist, kann auf der Z-Achse in Richtung auf das Schlitz- oder Rinnentiefste der Überbrückungsspalt gegen Null kompensiert werden. Diese Möglichkeit gilt für die 5a bis 5c in der Gesamtheit.
Aus 5a geht hervor, dass eine horizontale Anordnung von Lamellen 14 und dazu korrespondierenden Schlitzen 13 zwangsläufig zu einer horizontalen Verzahnung der Wärmeverteilungsplatte 9 mit der Kühlplatte 10 führt. Die Kühlplatte ist mit nach außen gerichteten horizontal verlaufenden Kühlrippen 12 ausgestattet. In diesem Falle kann die Wärmeverteilungsplatte 9 gegenüber der Kühlplatte 10 zur weiteren Positionierung auf der X-Achse im Sinne der Vektordarstellung bewegt werden. Auf der Y-Achse kann die Wärmeverteilungsplatte 9 gegenüber der Kühlplatte 10 nur im unverzahntem Zustand um einen ganzzahligen Rippenabstand bewegt werden.
Aus 5b geht hervor, dass eine orthogonale Anordnung von Lamellen 14 und dazu korrespondierenden Schlitzen 13 zwangsläufig zu einer orthogonalen Verzahnung der Wärmeverteilungsplatte 9 mit der Kühlplatte 10 führt. Die Kühlplatte ist mit nach außen gerichteten, orthogonal verlaufenden Kühlrippen 12 ausgestattet. In diesem Falle kann die Wärmeverteilungsplatte 9 gegenüber der Kühlplatte 10 zur weiteren Positionierung auf der Y-Achse Achse im Sinne der Vektordarstellung bewegt werden. Auf der X-Achse kann die Wärmeverteilungsplatte 9 gegenüber der Kühlplatte 10 nur im unverzahntem Zustand um einen ganzzahligen Rippenabstand bewegt werden.
Aus 5c geht hervor, dass eine gegenüber der Horizontalen abgewinkelte Anordnung von Lamellen 14 und dazu korrespondierenden Schlitzen 13 zu einer Schrägverzahnung der Wärmeverteilungsplatte 9 mit der Kühlplatte 10 führt. Die Kühlplatte ist mit nach außen gerichteten Kühlrippen 12 ausgestattet, die der Winkellage der Lamellen 14 und Schlitze 13 entspricht. In diesem Falle kann die Wärmeverteilungsplatte 9 gegenüber der Kühlplatte 10 zur weiteren Positionierung im Sinne der Vektordarstellung synchron auf der X- und Y-Achse bewegt werden. Mit einer Schrägverzahnung von Wärmeverteilungsplatte 9 und Kühlplatte 10 wird die Montage, insbesondere die Positionierung des erfindungsgemäßen Kühlsystems weiter verbessert, eine eventuell notwendige Demontage wird erleichtert.
Nach einer Ausführungsform der Erfindung ist das Kühlelement 10 abstrahlseitig als ebene Kühlplatte und geräteseitig mit Materialerhebungen ausgeführt, und das Wärmeverteilungselements 9 mit dazu passenden Materialerhebungen ausgestattet.
Die im und am Gehäuseteil 2 befindlichen Teile sind mittels nicht dargestellter Befestigungselemente und Halterungen gesichert angeordnet.
Mit diesem konstruktiven Aufbau des erfindungsgemäßen Kühlsystems wird das Problem des Überbrückungsspaltes durch Verzahnung der Wärmeverteilungsplatte 9 mit dem Kühlkörper 10 gelöst. Bei einem stapelförmigen Einbau der Bauteile in dem Gehäuseteil 2 kann die zur Verfügung stehende Raumhöhe im Gehäuseteil 2 infolge sich summierender Fertigungs- und Montagetoleranzen überschritten werden. Die Differenz zur Raumhöhe definiert die Dicke des Überbrückungsspaltes. Die Dicke des Überbrückungsspalts ist folglich relevant für die Tiefe der in das Gehäuse 2 bzw. zur Wärmeverteilungsplatte 9 weisenden Vertiefungen, Rinnen, Schlitze u.dgl. Materialaussparungen 13 des Kühlkörpers 10. Beim Hineinschieben der Rippen, Lamellen u.dgl. Materialerhöhungen 14 der Wärmeverteilungsplatte 9 in die Vertiefungen, Rinnen, Schlitze u.dgl. Materialaussparungen 13 der Kühlplatte 10 gemäß der Bewegungsrichtung auf der Z-Achse wird der jeweilige Überbrückungsspalt kompensiert und eine Verzahnung der beiden Platten 9, 10 erzielt. Der in die Verzahnung eingebrachte Belag aus einer Wärmeleitpaste 15, deren Thermowiderstand im wesentlichen den beiden Platten 9, 10, die beispielsweise aus einer Aluminiumlegierung bestehen können, entspricht, wird der Wärmedurchgang verbessert. Außerdem wird die Wärmeableitung von dem wärmerzeugenden Bauteil 7 durch die Gestaltung der Wärmeverteilungsplatte 9 auf der zum Kühlkörper weisende Seite in Form von Vertiefungen, Rippen, Lamellen, Zahnreihen u.dgl. Materialerhöhungen 14 verbessert, weil damit eine zusätzliche Oberflächenvergrößerung verbunden ist.
Mit dieser Kombination, bestehend aus der Wärmeverteilungsplatte 9, die kühlkörperseitig Rippen, Lamellen, Zahnreihen u.dgl. Materialerhöhungen 14 bzw. Materialerhebungen 14 aufweist, dem Kühlkörper 10, der an der Außenseite mit Kühlrippen, Lamellen, Zahnreihen, Stiften, Säulen u.dgl. Materialerhöhungen 12 sowie an der Innenseite mit Vertiefungen, Rinnen, Schlitzen u.dgl. Materialaussparungen 13 ausgestattet ist, der Anordnung einer Wärmeleitfolie zwischen dem wärmeerzeugenden Bauteil 7 und der Wärmeverteilungsplatte 9 sowie der Ausbildung eines Belages aus einer Wärmeleitpaste 15 im Verzahnungsbereich zwischen der Wärmeverteilungsplatte 9 und dem Kühlkörper 10 wird durch die Schaffung einer kühltechnisch optimalen Verzahnung ein gegenüber dem Stand der Technik wesentlich verbessertes passives Kühlsystem für elektrische und/oder elektronische Geräte geschaffen.
Das erfindungsgemäße passive Kühlsystem ist insbesondere zur wärmetechnischen Verbesserung von Industrie-Terminals und Geräten der Unterhaltungselektronik sowie programmierbare Rechner wie Personal-Komputer bzw. PCs, Datenübertragungsgeräte wie Fax, Abfragegeräte wie Scanner und Druckergeräte bestimmt.
Bei elektrischen Geräten, die mit hohen Verlustleistungen arbeiten, kann das erfindungsgemäße passive Kühlsystem zusätzlich mit einem nicht dargestellten aktiven Kühlsystem wie Lüfter kombiniert sein.

1: Erstes Gehäuseteil
2: Zweites Gehäuseteil bzw. einteiliges Gehäuse zur Aufnahme einer Rechner
: einheit
3: Anzeige- bzw. Displayeinheit
4: Rechnereinheit
5: Leiterplatte, Basis- bzw. Motherboard
6: Modulares Element, Modul
7: Wärmeerzeugendes Bauteil
8: Bereich der passiven Kühlung
9: Wärmeverteilungselement, -körper oder -platte
10: Kühlelement, -körper oder -platte
11: Wand des Gehäuseteils 2
12: Materialerhebungen bzw. -erhöhungen außenseitig auf dem Kühlelement 10
: z.B. in der Form von Kühlrippen, -lamellen, Zahnreihen, Stiften oder Säulen
13: Materialaussparungen innenseitig auf dem Kühlelement 10 z.B. in der Form
: von Vertiefungen, Rinnen oder Schlitzen
14: Materialerhebungen bzw. -erhöhungen des Wärmeverteilungselements 9 auf
: der zum Kühlelement 10 weisenden Seite z.B. in Form von Rippen, Lamel
: len oder Zahnreihen
15: Wärmeleitpaste bzw. Thermopad
16: Kante des Gehäuseteils 2 bzw. des Gehäuses 2
17: Flanken der Materialerhebungen 14

Claims

Kühlsystem für elektrische und/oder elektronische Geräte, dadurch gekennzeichnet, dass das Gerät elektrische und/oder elektronische Bauelemente in mindestens einem einteiligen Gehäuse umfasst, die elektrischen und/oder elektronischen Bauelemente mindestens ein wärmeerzeugendes Bauelement umfassen ein passives Kühlsystem für das wärmeerzeugendes Bauelement vorgesehen ist, und das Kühlsystem ein Kühlelement und ein Wärmeverteilungselement umfasst.
Kühlsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlelement wenigstens einen Teilbereich einer Wand des Gehäuses bildet und nach außen gerichtete Materialerhebungen bzw. -erhöhungen aufweist, das Kühlelement in der dem Gehäuseinnenraum zugewandten Seite Materialaussparungen aufweist, mindestens ein Trägerelement in dem Gehäuseinnenraum angeordnet ist, auf dem das wärmeerzeugendes Bauelement angeordnet ist, mindestens ein plattenförmiger Wärmeverteilungskörper über dem wärmeerzeugenden Bauelement angeordnet ist, der Wärmeverteilungskörper auf der dem Kühlelement zugewandten Seite Materialerhebungen bzw. -erhöhungen aufweist, die Raumformen der Materialerhebungen des Wärmeverteilungskörpers den Materialaussparungen des Kühlkörpers im wesentlichen reziprok entsprechen, und die Materialerhebungen des Wärmeverteilungskörpers mit Spielpassung und Flächenkontakt oder Übergangspassung in die Materialaussparungen des Kühlkörpers hineinund herausschiebbar ausgeführt sind.
Kühlsystem nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Gerät ein einteiliges Gehäuse umfasst, in dem eine Rechnereinheit eingehaust ist, die Rechnereinheit mindestens ein Modul und eine bestückte Leiterplatte umfasst, das Modul mit einem wärmeerzeugenden Bauteil bestückt ist, die Rechnereinheit mit einem passiven Kühlsystem ausgerüstet ist, das passive Kühlsystem aus einem plattenförmigen Wärmeverteilungskörper und einem plattenförmigen Kühlkörper besteht, der plattenförmige Kühlkörper wenigstens einen Teilbereich einer Wand des Gehäuses bildet und nach außen gerichtete Materialerhebungen aufweist, der plattenförmige Kühlkörper innenraumseitig Materialaussparungen aufweist, mindestens ein plattenförmiger Wärmeverteilungskörper über dem wärmeerzeugenden Bauteil angeordnet ist, der plattenförmige Wärmeverteilungskörper auf der dem plattenförmigen Kühlkörper zugewandten Seite Materialerhebungen aufweist, die Materialerhebungen des plattenförmigen Wärmeverteilungskörpers mit Spielpassung und Flächenkontakt oder Übergangspassung in die Materialaussparungen des plattenförmigen Kühlkörpers hinein- und herausschiebbar ausgeführt sind.
Kühlsystem nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Modul mit dem wärmeerzeugenden Bauteil auf der Leiterplatte aufgesteckt ist.
Kühlsystem nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterplatte ohne Modul mit dem wärmeerzeugenden Bauteil bestückt ist.
Kühlsystem nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Gerät ein Industrie-Terminal ist, das aus einem ersten Gehäuseteil (1) mit einer Anzeige- bzw. Displayeinheit und einem zweiten Gehäuseteil (2) mit einer Rechnereinheit (4) besteht, die Rechnereinheit (4) ein Modul (6), das mit einem wärmeerzeugenden Bauteil (7) bestückt ist, und eine bestückte Leiterplatte (5) umfasst, die Rechnereinheit (4) mit einem passivem Kühlsystem ausgestattet ist, das eine Wärmeverteilungsplatte (9) und eine Kühlplatte (10) umfasst, die Wärmeverteilungsplatte (9) abstrahlseitig mit beabstandeten Materialerhöhungen (14) ausgestattet und auf der dem wärmeerzeugenden Bauteil (7) zugewandten Seite ebenflächig ausgeführt ist, die Kühlplatte (10) abstrahlseitig mit beabstandeten Materialerhöhungen (12) und auf der Seite, die auf die Wärmeverteilungsplatte gerichtet ist, mit Materialaussparungen ausgestattet ist, und die Materialerhöhungen (14) des Wärmeverteilungskörpers (9) in die korrespondierenden Materialaussparungen (13) des Kühlkörpers (10) mit Spielpassung und/oder Flächenkontakt oder Übergangspassung hinein- und herausschiebbar ausgeführt sind.
Kühlsystem nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die abstrahlseitig vorgesehenen Materialerhöhungen (14) der Wärmeverteilungsplatte (9) als parallel verlaufende Rippen, Lamellen oder Zahnreihen (14) ausgeführt sind, die abstrahlseitig vorgesehenen Materialerhöhungen (12) der Kühlplatte (10) als parallel verlaufende Kühlrippen oder -lamellen, Zahnreihen oder gegenseitig beabstandete Stifte oder Säulen ausgeführt sind, und die Materialaussparungen in der Seite der Kühlplatte (10), die zur Wärmeverteilungsplatte (9) gerichtet ist, als parallel verlaufende Vertiefungen, Rinnen oder Schlitze ausgeführt sind.
Kühlsystem nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Fläche der Kühlplatte (10) größer ist als Fläche der Wärmeverteilungsplatte (9), und die Fläche der Wärmeverteilungsplatte (9) größer ist als die Fläche des wärmeerzeugenden Bauteils (7).
Kühlsystem nach den Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Materialerhöhungen (12) und die Materialaussparungen (13) der Kühlplatte (10) sowie die Materialerhöhungen (14) der Wärmeverteilungsplatte (9) gleichmäßig beabstandet und parallel verlaufend ausgeführt sind, und die Materialerhöhungen (12) und die Materialaussparungen (13) der Kühlplatte (10) sowie Materialerhöhungen (14) der Wärmeverteilungsplatte (9) parallel zu einer Seitenkante der Kühlplatte (10), der Wärmeverteilungsplatte (9) oder einer Kante des Gehäuseteils (2) ausgerichtet sind.
Kühlsystem nach den Ansprüchen 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Materialerhöhungen (12) und die Materialaussparungen (13) des Kühlkörpers (10) sowie die Materialerhöhungen (14) der Wärmeverteilungsplatte (9) in einem Winkelbereich zwischen 0 und 180° gleichmäßig beabstandet ausgerichtet sind.
Kühlsystem nach den Ansprüchen 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Flanken (17) der Rippen (14) von der Basis ausgehend oder erst ab Mitte der Flankenhöhe minimal konisch oder bombiert ausgeführt sind.
Kühlsystem nach den Ansprüchen 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass eine Wärmeleitfolie bzw. ein Thermopad (15) zwischen dem wärmeerzeugenden Bauteil (7) und der Wärmeverteilungsplatte (9) vorgesehen ist.
Kühlsystem nach den Ansprüchen 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass eine Wärmeleitpaste (15) zwischen den Rippen, Lamellen oder Zahnreihen (14) der Wärmeverteilungsplatte (9) und den korrespondierenden Vertiefungen, Rinnen oder Schlitzen (13) der Kühlplatte (10) umlaufend vorgesehen ist.
Kühlsystem für ein Industrie-Terminal nach den Ansprüchen 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlelement (10) abstrahlseitig als ebene Kühlplatte und geräteseitig mit Materialerhebungen ausgeführt ist, und das Wärmeverteilungselement (9) mit dazu passenden Materialerhebungen ausgestattet ist.