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Die
Erfindung betrifft einen Kühlkörper für ein Elektronik-Bauelement
und insbesondere für
einen Leistungstransistor.
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Es
ist bekannt, dass insbesondere elektronische Leistungsbauelemente
wie beispielsweise Leistungstransistoren, wie sie zur Ansteuerung
von Gebläsemotoren
in Kraftfahrzeugen eingesetzt werden, zu kühlen sind. Auch für die Ansteuerungstransistoren
von elektrischen Zuheizern (beispielsweise PTC-Zuheizern) gilt,
dass diese zu kühlen
sind.
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Im
Stand der Technik ist es bekannt, Kühlkörper aus einer Aluminiumlegierung
zu verwenden, die als Gussteile gefertigt werden. Jeder derartige
Kühlkörper muss
den abzuführenden
Verlustleistungen entsprechend ausgelegt sein. Dies verteuert die
Entwicklung und Herstellung. Ferner sind im Stand der Technik Kühlkörper für ICs bekannt,
die mehrere als Kühlrippen
wirkende übereinander
angeordnete Scheiben mit dazwischen liegenden Distanzelementen aufweisen
(
US 4 607 685 A ,
US 5 397 919 A und
US 6 304 451 B1 ).
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Aufgabe
der Erfindung ist es, einen Kühlkörper für ein Elektronik-Bauelement
zu schaffen, der als modulares System mit verbessertem Wärmetransport
durch die einzelnen Elemente des modularen Systems konzipiert ist.
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Zur
Lösung
dieser Aufgabe wird mit der Erfindung ein Kühlkörper für ein Elektronik-Bauelement vorgeschlagen,
der versehen ist mit
- – mindestens zwei Kühlelementen,
wobei jedes Kühlelement
an einer ersten Seite einen Vorsprung, gegenüber dem das Kühlelement
unter Bildung einer Schulterfläche
zumindest abschnittsweise seitlich übersteht, und an einer gegenüberliegenden
zweiten Seite eine Aufnahmevertiefung zur Aufnahme des Vorsprungs
eines benachbarten Kühlelements
aufweist, wobei seitlich der Aufnahmevertiefung zumindest abschnittsweise
eine Randfläche
an der zweiten Seite des Kühlelements
angeordnet ist,
- – wobei
der Vorsprung an der ersten Seite des einen Kühlelements von der Aufnahmevertiefung an
der zweiten Seite eines benachbarten Kühlelements aufgenommen ist
und in Wärmeleitkontakt mit
der Aufnahmevertiefung steht, und
- – einer
Kühlrippe,
die seitlich von zwei benachbarten Kühlelementen absteht und in
Wärmeleitkontakt
mit der Schulterfläche
an der ersten Seite des einen Kühlelements
und der Randfläche
an der gegenüberliegenden
zweiten Seite des anderen Kühlelements
steht.
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Der
erfindungsgemäße Kühlkörper umfasst mindestens
zwei Kühlelemente,
die auf der einen ersten Seite einen Vorsprung und auf der anderen gegenüberliegenden
zweiten Seite eine den Vorsprung eines benachbarten Kühlelements
aufnehmende Aufnahmevertiefung aufweisen. Somit lassen sich derartige
Kühlelemente
ineinander stecken. Zwischen zwei benachbarten Kühlelementen befindet sich eine
seitlich abstehende Kühlrippe,
die von den beiden Kühlelementen
eingefasst ist.
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Die
Kühlelemente
und Kühlrippen
können grundsätzlich eine
beliebige Form aufweisen. So ist es beispielsweise möglich, für die Kühlelemente rechteckige
Materialblöcke
vorzusehen, die auf der ersten Seite einen erhabenen Vorsprungsbereich aufweisen,
der ebenfalls rechteckig ist, so dass sich seitlich des Vorsprungs
eine flanschähnliche
Schulterfläche
ausbildet. Die zweite Seite eines derartigen blockförmigen Kühlelements
weist eine zur Form des Vorsprungs komplementäre Aufnahmevertiefung auf, die
an der zweiten Seite von einer Randfläche umgeben ist. Die Randfläche und
die Schulterfläche
wirken als Anlageflächen
für eine
in diesem Ausführungsbeispiel
nach Art eines Rechteckrahmens ausgebildete Kühlrippe. Werden nun zwei benachbarte
Kühlelemente
mit dazwischen liegender Kühlrippe
ineinander gesteckt und anschließend verpresst, so entsteht ein
Formschluss mit ausgezeichnetem Wärmeübergang an den Grenzflächen der
Kühlelemente
untereinander sowie zwi schen den Kühlelementen, d.h. den Schulter-
und Randflächen
und der Kühlrippe.
Diese Übergänge können für den Wärmetransport
dahingehend noch weiter verbessert werden, dass zusätzliche
wärmeleitende
Materialschichten in Form von Wärmeleitpasten
oder dünnen
Folien eingelegt bzw. vorgesehen werden. In jedem Fall entsteht
durch die Verpressung der einzelnen Kühlelemente und Kühlrippen
ein für
den Wärmetransport
ausgezeichneter Kühlkörper, dessen
Wärmeleiteigenschaften
den bisher bekannten als Gussteile ausgebildeten Kühlkörpern gleichkommt
oder durch die oben erwähnten eingefügten wärmeleitverbessernden
Schichten noch verbessert ist.
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Als
Material für
die Kühlelemente
und Kühlrippen
kommen insbesondere weiche metallische Materialien wie Aluminium
bzw. Aluminiumlegierungen und Kupfer in Frage. Der Vorteil weicher
wärmeleitender
Metalle bzw. Metalllegierungen besteht darin, dass sich die einzelnen
Kühlelemente
und Kühlrippen
auf Grund des weichen Materials in gewisser Weise an ihren Grenzflächen verformen
und somit anpassen, und zwar unter im wesentlichen Ausschluss von
Hohlräumen,
die für
den Wärmetransport
an den Grenzflächen
hinderlich wären.
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Die
Anzahl der Kühlelemente
mit dazwischen liegenden Kühlrippen
bemisst sich nach den jeweiligen Erfordernissen. Je mehr Wärme abgeführt werden
muss, umso mehr Kühlelemente
und Kühlrippen
sind erforderlich. Damit stellt sich das erfindungsgemäße Konzept
als modulares Kühlkörpersystem
dar, was bezüglich
seiner Entwicklung und Herstellung kostengünstig ist.
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Bei
den Kühlelementen
und Kühlrippen
handelt es sich vorteilhafterweise um kalt verformte Teile, die
kostengünstig
herstellbar sind. Dies senkt die Herstellungskosten des erfindungsgemäßen Kühlkörpers weiter.
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Zur
Verbesserung der "Anpassung" sich berührender
Grenzflächen
der Kühlelemente
untereinander sowie der Kühlelemente
zu den Kühlrippen
ist es zweckmäßig, wenn
die entsprechenden Flächen "verformbar" ausgebildet sind.
Dies kann beispielsweise durch Verleihung einer Oberflächenstruktur
erfolgen und wird insbesondere durch Rändelungen o.dgl. Strukturierungen
realisiert. Die erhabenen Bereiche der gerändelten Oberflächen verformen
sich, wobei Material von den erhabenen Bereichen seitlich verdrängt wird,
um dort gegebenenfalls toleranzbedingte Spalten o.dgl. Zwischenräume auszufüllen. Strukturierte
Oberflächen
sind insbesondere an den Seitenflächen der Vorsprünge und
der Aufnahmevertiefungen der Kühlelemente
vorhanden.
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An
einem der Kühlelemente,
beispielsweise auf dessen Vorsprung, befindet sich zweckmäßigerweise
das zu kühlende
Elektronik-Bauelement. Zur Fixierung dieses Bauelements wird gemäß einer
vorteilhaften Variante der Erfindung ein Fixierelement eingesetzt,
das in Wärmeleitkontakt
mit dem Kühlelement
steht und mindestens eine Andrücklasche
aufweist, mit der das Fixierelement das zu kühlende Elektronik-Bauelement
gegen das Kühlelement drückt. Zwischen
dem Bauelement und der entsprechenden Fläche des Kühlelements kann zweckmäßigerweise
noch eine Wärmeleitpaste
o.dgl. wärmeleitendes
Material vorgesehen sein. Das Fixierelement selbst besteht vorteilhafterweise
aus wärmeleitendem
Material (beispielsweise Kupfer) und schafft gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung
der Erfindung die Verbindung des Kühlkörpers zu einer Leiterplatine,
auf der das zu kühlende
Bauelement angeordnet ist. Damit ist es möglich, an der Platine durch
einen Sensor eine Erwärmung
zu detektieren, um beispielsweise einen Temperaturschutz für das zu
kühlende
Bauelement bzw. die elektrische Schaltung zu realisieren.
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Das
Fixierelement selbst weist vorteilhafterweise eine Ringstruktur
auf, ist also als geschlossenes um das zu kühlende Bauelement sich herum
erstreckendes Element ausgebildet, was auf diese Weise noch zusätzlich einen
mechanischen und Feuchtigkeits-Schutz für das Bauelement gewährleistet.
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Wie
oben bereits erwähnt,
ist das Kühlkonzept
modular und damit den jeweiligen Kühlanforderungen auf einfache
Art und Weise anpassbar. Dies betrifft sowohl die individuelle Auslegung
der einzelnen Kühlelemente
und Kühlrippen
bezüglich
deren Wärmeleitfähigkeit
als auch die unterschiedliche Materialauslegung und Gestaltung der
Kühlelemente und
Kühlrippen.
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Nach
dem Zusammenfügen
der einzelnen Kühlelemente
mit dazwischen liegender Kühlrippe bzw.
Kühlrippen
werden diese Elemente unter Druck miteinander formschlüssig verpresst.
Hierdurch entsteht ein homogener Aufbau des Kühlkörpers, wobei die einzelnen
Elemente an ihren Grenzflächen
nahezu stoffflüssig
miteinander verbunden sind. Durch die Verwendung von Standardelementen
(Gleichteileprinzip) entsteht somit ein Baukastensystem, das eine
optimale Anpassung des Kühlsystems
an die jeweilige Notwendigkeit erlaubt.
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Bei
dem erfindungsgemäßen Kühlkörper bestehen
die Kühlelemente
beispielsweise aus einem weichen metallischen Werkstoff wie z.B.
einer 99,5 % Aluminiumbasislegierung. Die einzelnen Elemente des
Kühlkörpers (Kühlelemente
und Kühlrippen)
können
als kalt verformte Teile hergestellt werden.
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Die
Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnung anhand
eines Ausführungsbeispiels
näher erläutert. Im
einzelnen zeigen dabei:
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1 eine
perspektivische Ansicht eines Kühlkörpers mit
einem aufgesetzten Gehäuseteil
zur Unterbringung einer Platine mit dem zu kühlenden Elektronik-Bauelement,
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2 den
Aufbau des in 1 gezeigten Kühlkörpers mit
Gehäuseunterteil
in Explosionsdarstellung,
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3 einen
Schnitt durch den Kühlkörper gemäß 1,
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4 eine
perspektivische Ansicht eines ersten Kühlelements,
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5 eine
perspektivische Darstellung eines zweiten Kühlelements und
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6 eine
perspektivische Darstellung der Bauelement-Halterung, wie sie zur
Fixierung des zu kühlenden
Elektronik-Bauelements bei dem Kühlkörper nach 1 Verwendung
findet.
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1 zeigt
perspektivisch einen Kühlkörper 10 mit
einem Gehäuseunterteil 12 zur
Aufnahme eines zu kühlenden
Elektronik-Bauelements 14, das in diesem Ausführungsbeispiel
ein Leistungstransistor eines Gebläsereglers ist, und einer Platine 16.
Der Kühlkörper 10 umfasst
mehrere (in diesem Ausführungsbeispiel
vier) erste Kühlelemente 18,
die zusammengesteckt sind und zwischen denen ringförmige Kühlrippen 20 angeordnet
sind. Ferner weist der Kühlkörper 10 ein
zweites Kühlelement 22 auf,
das mit einem der ersten Kühlelemente 18 unter
Zwischenschaltung einer Kühlrippe 20 formschlüssig verbunden
ist. Jedes Kühlelement 18, 22 weist
einen in diesem Ausführungsbeispiel
scheibenförmigen Körper 24 bzw. 26 auf
(siehe auch 4 und 5), der
mit einem konzentrisch angeordneten erhabenen Vorsprung 28 bzw. 30 versehen.
Auf diese Weise entstehen ringförmige
Seiten- bzw. Flanschflächen 32, 34.
Die Höhe
der Vorsprünge 28 bzw. 30 der
ersten und zweiten Kühlelemente 18, 22 sind
unterschiedlich, wobei ihre Seitenflächen 36 bzw. 38 einzelne
erhabene Rippen o.dgl. Oberflächenstrukturen
aufweisen. Während
die Vorsprünge 28, 30 an
jeweils der einen Seite 40 bzw. 42 der Kühlelemente 18 bzw. 22 angeordnet
sind, befinden sich an deren gegenüberliegenden zweiten Seiten 44, 46 zentrische
Vertiefungen 48 bzw. 50 mit Seiteninnenflächen 49 bzw. 51 (siehe
auch 2), die von Randflächen 52 bzw. 54 umgeben
sind.
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Im
zusammengesteckten Zustand (siehe beispielsweise 3)
befinden sich die Vorsprünge 28 der
ersten Kühlelemente 18 in
den Vertiefungen 48 der jeweils benachbarten ersten Kühlelemente 18. Hierbei
liegen sich die Schulterflächen 32 und
Randflächen 52 der
ersten Kühlelemente 18 jeweils
paarweise gegenüber.
Zwischen diesen Schulter- und Randflächen sind die ringförmigen Kühlrippen 20 eingefasst.
Der so zusammengesteckte Kühlkörper 10 wird
anschließend
axial verpresst, so dass eine im wesentlichen homogene Struktur
entsteht, wie sie in 3 gut zu erkennen ist. Die in 3 mit 56 bzw. 58 bezeichneten
Kontaktbereiche zwischen den einzelnen Kühlelementen 18 bzw. 22 und
den Kühlrippen 20 können zur
weiteren Verbesserung der Wärmeleitfähigkeit
mit wärmeleitenden
Schichten (beispielsweise Kunststofffolien oder Wärmeleitpaste) versehen
sein. Die Höhe
des Kühlkörpers 10 ist durch
Anfügen
weiterer erster Kühlelemente 18 beliebig
wählbar
und wird den entsprechen den Kühlanforderungen
ausgelegt. Auch die Ausgestaltung, insbesondere die radiale Erstreckung
der Kühlrippen 20 ist
entsprechend den Anforderungen zu wählen. Als Material für die Kühlelemente
und Kühlrippen
kommt insbesondere eine Aluminiumlegierung (beispielsweise 99,5
%ige Aluminiumbasislegierung) in Frage. Auch könnten die Elemente oder zumindest
Teile der Elemente, wie sie zum Kühlen verwendet werden, aus
Kupfer bestehen.
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Auf
den wie zuvor beschrieben aufgebauten und hergestellten Kühlkörper 10 wird
nun das zu kühlende
Bauelement 14 aufgelegt. In diesem Ausführungsbeispiel ist das Elektronik-Bauelement 14 mittels
eines ringförmigen
Fixierelements 60 fixiert, das in perspektivischer Darstellung
in 6 wiedergegeben ist. Dieses Fixierelement 60 wird
mit seinem Ring 62 auf den erhabenen Vorsprung 30 des
zweiten Kühlelements 22 reib-
und formschlüssig
aufgesteckt. Das Fixierelement 60 besteht aus Kupfer und weist
in diesem Ausführungsbeispiel
zwei nach innen gerichtete und sich im wesentlichen diametral gegenüberliegend
angeordnete Andrücklaschen 64 auf,
die von oben auf das Elektronik-Bauelement 14 drücken und
dieses gegen den Vorsprung 30 des zweiten Kühlelements 22 drücken. An
dem Fixierelement 60 ist ferner die Platine 16 befestigt,
zu der demzufolge Wärme
vom zu kühlenden
Bauelement 14 (und zwar direkt und indirekt über den
Kühlkörper 10)
transportiert wird. Dieser Wärmetransport
kann zur Detektion der Erwärmung
des zu kühlenden
Bauelements 14 mittels beispielsweise eines Temperaturfühlers an der
Platine 16 genutzt werden. Das Fixierelement 60 und
die Platine 16 sind von dem Gehäuseunterteil 12 umschlossen.
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- 10
- Kühlkörper
- 12
- Gehäuseunterteil
- 14
- Elektronik-Bauelement
- 16
- Platine
- 18
- erste
Kühlelemente
- 20
- Kühlrippen
- 22
- zweite
Kühlelemente
- 24
- Körper
- 26
- Körper
- 28
- Vorsprung
- 30
- Vorsprung
- 32
- Schulterflächen
- 34
- Flanschflächen
- 36
- Seitenflächen der
Vorsprünge
- 38
- Seitenflächen der
Vorsprünge
- 40
- erste
Seiten der Kühlelemente
- 42
- erste
Seiten der Kühlelemente
- 44
- zweiten
Seiten der Kühlelemente
- 46
- zweiten
Seiten der Kühlelemente
- 48
- zentrische
Vertiefung
- 49
- Innenfläche der
Vertiefung
- 50
- zentrische
Vertiefung
- 51
- Innenfläche der
Vertiefung
- 52
- Randfläche um Vertiefung
- 54
- Randfläche um Vertiefung
- 60
- Fixierelement
- 62
- Ring
- 64
- Andrücklasche