-
Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Kühlung von elektrischen
oder elektronischen Bauteilen, die wärmeleitend auf einer
Trägerplatte befestigt sind, welche in mindestens einem
innenliegenden Hohlraum von einem Kühlmedium durchflossen
ist. Sie findet vorzugsweise Anwendung auf dem Gebiet der Leistungselektronik
mit hoher Wärmeentwicklung, insbesondere bei wechselnden
Ansprüchen an die zu erbringende Kühlleistung
von weitgehend standardisierten Bauteilen.
-
Die
Verwendung immer leistungsfähigerer elektrischer oder elektronischer
Bauteile stellt hohe Anforderungen an die Kühlung dieser
Bauteile. Die Kühlung sollen effektiv und zuverlässig
die punktuell freigesetzte Abwärme abführen und
dabei selbst geringe Kosten verursachen. Flüssigkeitsgekühlte
Anordnungen haben gegenüber luftgekühlten Anordnungen
den Vorteil einer größeren Wärmekapazität. Zudem
sind keine Lüfteranordnungen am Bauteil oder in seiner
unmittelbaren Umgebung notwendig. Werden technische Anlagen mit
elektrischen oder elektronischen Bauteilen für einen definierten
Einsatzzweck konstruiert und unter vorher bekannten Bedingungen
betrieben, kann deren Kühlvorrichtung entsprechend den
erwarteten benötigten Kühlleistungen konzipiert
werden. Um solche Kühlvorrichtungen kostengünstig,
variabel und trotzdem leistungsfähig gestalten zu können,
werden bevorzugt standardisierte Bauteile verwendet, die nach Bedarf
zusammengestellt werden können. Standardisierte Bauteile sind
aber nur dann vorteilhaft einsetzbar, wenn eine Anpassungen der
Kühlleistung an veränderte Betriebsbedingungen
möglich ist, z. B. bei veränderten Umgebungstemperaturen,
durch Hinzufügen von weiteren Bauteilen oder durch Einsatz
von elektrischen oder elektronischen Bauteilen mit höherer Leistung.
-
Zur
Kühlung elektrischer oder elektronischer Bauteile sind
fluidgekühlte Vorrichtungen z. B. aus den Schriften
DE 20 2006 011 487
U1 und
DE
203 04 197 U1 bekannt. Dort werden die zu kühlenden
Bauteile auf einem Trägerelement befestigt und in Kontakt
mit einem wärmeleitenden Block gebracht. Dieser steht wiederum
mit Kühlrohren (
DE 20 2006 011 487 U1 ) oder einem flüssigkeitsgekühlten
Kühlkörper (
DE 203 04 197 U1 ) in wärmeleitender
Verbindung. Auch aus der
DE 10 2007 015 859 A1 ist die Kühlung eines
plattenförmigen Kühlkörpers mittels innenliegender
flüssigkeitsdurchflossener Hohlräume bekannt,
auf dem die zu kühlenden Bauteile befestigt sind. Alle
vorgenannten Lösungen haben jedoch den Nachteil, dass ein
einmal hergestellter fluiddurchflossener Kühlkörper
nicht an geänderte Kühlanforderungen anpassbar
ist.
-
Mit
der Schrift
WO
2006/097228 A1 (
DE 10 2005 012 501 A1 ) wird eine Kühlvorrichtung
offenbart, die sich stapelbarer Kühlelemente bedient. Dadurch
kann verschiedenen Erfordernissen der Kühlung von elektronischen
Bauteilen mittels standardisierter Stapelscheiben, die jeweils einen
Hohlraum zur Kühlmitteldurchströmung einschließen,
Rechnung getragen werden. Die Stapelscheiben werden dann an den
zu kühlenden elektronischen Bauteilen befestigt, während
diese Bauteile auf einem ungekühlten Träger montiert
sind.
-
In
der
DE 10 2006
008 033 A1 wird die flüssigkeitsgekühlte
Platte von einem Rohr derart durchzogen, dass eine hohe Wärmeaufnahme
an denjenigen Stellen erfolgt, an der sich elektronische Bauteile mit
hoher Wärmeentwicklung befinden. Der konkrete Verlauf des
flüssigkeitsdurchflossenen Rohres innerhalb der Platte
kann in Abhängigkeit der gewünschten räumlichen
Verteilung und Wärmeabgabe der auf der Platte angeordneten
elektronischen Bauteile bereits bei der Herstellung vorgesehen werden.
Damit sind in geringem Maße auch nachträgliche
Kühlleistungen unterschiedlicher Bauteile an unterschiedlich gekühlten
Plattenbereichen positionierbar, wodurch eine geringe Anpassungsmöglichkeit
an geänderte Kühlanforderungen erreichbar ist.
Nachteilig bleibt jedoch, dass die Konzipierung einer standardisierten Kühlplatte
mit gewünschten Verläufen und Dimensionierungen
der inneren flüssigkeitsdurchströmten Kühlkanäle
bereits während der Herstellung in relativ engen Grenzen
für bestimmte Plattenbereiche vorgewählt werden
muss und später nicht mehr veränderbar ist.
-
Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine neue Möglichkeit
zur Kühlung von elektrischen oder elektronischen Bauteilen
zu finden, die bei einer standardisierten fluiddurchströmten
Kühlvorrichtung mit geringem technischen Aufwand eine Anpassung an
sehr unterschiedliche Kühlleistungen gestattet.
-
Erfindungsgemäß wird
die Aufgabe mittels einer Vorrichtung zur Kühlung von elektrischen
oder elektronischen Bauteilen, die wärmeleitend auf einer Trägerplatte
befestigt sind, welche von einem Kühlmedium in einem innenliegenden
Hohlraum durchflossen wird, dadurch gelöst, dass sich zwischen
einem zu kühlenden Bauteil und der Trägerplatte
ein Kühlkörper befindet, die Trägerplatte
im Bereich des Kühlkörpers eine Aussparung aufweist,
die den vom Kühlmedium durchflossenen Hohlraum zur Plattenoberfläche
eröffnet und die Aussparung an der Plattenoberfläche
durch den Kühlkörper vollständig verschlossen
wird, so dass das zu kühlende Bauteil mittels des Kühlkörpers über
eine definierte Oberfläche mit dem Kühlmedium
in wärmeleitenden Kontakt steht.
-
Vorteilhaft
ist der Kühlkörper als Platte ausgebildet und
wird mittels einer lösbaren oder unlösbaren Verbindung
auf die Trägerplatte gepresst oder mit dieser fest verbunden.
Das auf der nach außen weisenden Seite des Kühlkörpers
aufgesetzte zu kühlende Bauteil wird mittels einer lösbaren
oder unlösbaren Verbindung auf den Kühlkörper
gepresst, wodurch ein wärmeleitender Kontakt zwischen Kühlmedium
und zu kühlendem Bauteil gewährleistet wird.
-
Die
Grundfläche des Kühlkörpers ist in einer vorteilhaften
Ausführung größer als die Fläche
der Aussparung in der Draufsicht. Der Kühlkörper
weist dann auf allen Seiten einen über die jeweilig abzudeckende
Aussparung hinausragenden Rand auf.
-
Es
ist aber ebenfalls möglich, die Kühlkörper so
zu gestalten, dass die Grundfläche des Kühlkörpers
nicht größer als die Grundfläche der
Aussparung in der Draufsicht ist, wenn die Dichtheit zwischen Kühlkörper
und Trägerplatte im Bereich der Aussparung durch eine stoffschlüssige
Verbindung, vorzugsweise durch Schweißen, hergestellt wird.
-
Die
lösbare Verbindung ist in einer besonders einfachen Ausführung
als Schraubverbindung ausgebildet. Weitere lösbare Verbindungen
können beispielsweise Klemmverbindungen oder federbelastete
Systeme sein.
-
Als
unlösbare Verbindung wird besonders einfach eine Schweißverbindung
realisiert. Weitere unlösbare Verbindungen können
z. B. Niet- oder Lötverbindungen sein.
-
Die
mit dem Kühlmedium in Kontakt stehende Oberfläche
des Kühlkörpers kann verschiedene Rauigkeiten
aufweisen. Sie kann beispielsweise die Rauigkeit eines gegossenen
Materials haben, oder aber poliert sein. Die Rauigkeit der Oberfläche
beeinflusst die Wärmeübertragung von dem zu kühlenden Bauteil über
den Kühlkörper auf das Kühlmedium.
-
Der
Strömungsverlauf im Bereich des Kühlkörpers
soll vorteilhaft nicht laminar, sondern turbulent sein, um eine
hohe Dissipation der Wärmeenergie über das gesamte
Volumen des Kühlmediums zu erzielen.
-
Der
Kühlkörper ist so gestaltet, dass das Zusammenwirken
von kühlender Oberfläche, der Fließgeschwindigkeit
des Kühlmediums, des resultierenden Druckabfalls, der Wärmeleitfähigkeit
von Trägerplatte und Kühlkörper sowie
der Wärmekapazität des Kühlmediums sowohl
eine ausreichende Kühlung des elektrischen oder elektronischen
Bauteils gewährleisten und gleichzeitig die benötigte
Leistung der Kühlmittelpumpe niedrig gehalten werden kann.
-
Im
einfachsten Fall (für geringe Kühlleistungen)
ist der Kühlkörper eine Platte, die ausschließlich über
ihre freie Oberfläche in der Aussparung mit dem Kühlmedium
in Kontakt steht. Die Kontaktfläche kann dabei poliert
oder rau sein.
-
Für
höhere Kühlleistungen ist es von Vorteil, dass
der Kühlkörper eine in Richtung der Aussparung aufragende
Kühlstruktur aufweist, die vom Kühlmedium um-
oder durchströmt wird. Die Kühlstruktur kann dann
zweckmäßig verschieden dimensioniert und gestaltet
werden, wodurch die Kühlleistung des Kühlkörpers
an spezifische Erfordernisse anpassbar ist.
-
Vorteilhafte
Varianten für die Gestaltung des Kühlkörpers
bestehen darin, dass die Kühlstruktur als aufgewölbte,
kompakte Oberfläche, vorzugsweise als längsovale
Vollform, als längs- oder schräggestellte Rippen
oder als Array von Stiften ausgebildet ist.
-
Der
Kühlkörper besteht aus einem Material mit guter
Wärmeleitfähigkeit. Vorzugsweise ist er aus einem
Material, das mindestens eines der Metalle Aluminium, Kupfer, Stahl
und deren Legierungen enthält.
-
Auf
einen Kühlkörper können zur Verbesserung
des Wärmekontaktes weitere sehr gut wärmeleitende
Materialien aufgebracht werden. Dies kann z. B. durch Beschichten,
Hintergießen oder Aufschmelzen erfolgen. Dabei weisen die
weiteren aufgebrachten Materialien eine höhere Wärmeleitfähigkeit
als das Basismaterial auf, aus dem der Kühlkörper
hauptsächlich besteht.
-
Die
flüssigkeitsdurchströmte Trägerplatte
besteht zweckmäßig ebenfalls aus einem Material
mit guter Wärmeleitfähigkeit. Solche Materialien
können z. B. Metalle wie Aluminium, Kupfer, Stahl und deren Legierungen,
aber auch Kunststoffe mit hinreichender Wärmeleitfähigkeit
sein.
-
In
einer besonders einfachen Ausführung ist die Trägerplatte
als Gussteil ausgebildet. Sie kann aber auch als Strangpressprofil
erzeugt werden.
-
Die
vom Kühlmedium durchflossenen Kühlkanäle
werden vorteilhaft in einer besonders einfachen Ausführung
durch die Verwendung von Gusskernen beim Gießen der Trägerplatte
erzeugt. Die Kühlkanäle können aber auch
beim Gießvorgang z. B. durch das Einlegen von Rohren in
die Trägerplatte eingebracht werden. Bei zulässiger
geradliniger Ausformung der Kühlkanäle können
diese auch bei der Herstellung der Trägerplatte durch Strangpressen
erzeugt werden.
-
Sind
innerhalb einer Trägerplatte Kühlkanäle vorhanden,
bestimmt deren Verlauf und Dimensionierung weitgehend die Flexibilität
der Trägerplatte hinsichtlich ihrer Eignung für
unterschiedliche Kühlanforderungen. So erlauben zwar wenige,
dafür größer dimensionierte Kühlkanäle
die Platzierung leistungsstarker Kühlkörper, schränken
aber die Möglichkeiten ihrer beliebigen Anordnung ein.
-
Weist
eine Trägerplatte dagegen eine Vielzahl von kleineren,
gleichartigen Kühlkanälen in regelmäßiger
Anordnung auf, erhöhen sich die zur Verfügung
stehenden Varianten zur Anordnung der Kühlkörper.
Allerdings kann es bei erforderlichen höheren Kühlleistungen
nötig sein, mehr als einen Kühlkanal durch eine
Aussparung für einen Kühlkörper zu eröffnen.
Solche regelmäßigen Anordnungen gleichartiger
Kühlkanäle können in einer besonders
günstigen Ausführung als Strangpressprofile erzeugt
werden.
-
Eine
Trägerplatte kann mehrere Aussparungen zur Aufnahme von
jeweils einem Kühlkörper aufweisen. Die Aussparungen
werden vorzugsweise auf einer oder auf beiden Seiten der Trägerplatte,
d. h. auf Ober- und/oder Unterseite der Trägerplatte eingebracht.
-
Die
Aussparungen in der Trägerplatte sind in Form und Abmaßen
so gestaltet, dass der Kühlkörper mit einer gegebenenfalls
vorhandenen Kühlstruktur zur Vergrößerung
seiner Oberfläche in die Aussparung hineinragen und von
dem Kühlmedium umströmt werden kann.
-
Die
Aussparung zur Aufnahme des Kühlkörpers kann vorteilhaft
durch spanende Verfahren wie z. B. Fräsen oder Bohren eingebracht
werden. Die Aussparung kann aber auch bereits beim Gießprozess
der Trägerplatte z. B. durch die Verwendung von Gusskernen
geschaffen werden.
-
Durch
den erfindungsgemäßen Einsatz von unterschiedlichen
Kühlkörpern wird die Verteilung der Wärmekapazitäten über
eine Trägerplatte hinweg gezielt beeinflusst. Dabei werden
vorteilhafterweise Bereiche mit hoher Wärmekapazität
und die räumliche Anordnung von Abwärme erzeugenden,
zu kühlenden Bauteilen zueinander in Deckung gebracht. Überschreitet
die Grundfläche eines zu kühlenden Bauteils die
Grundfläche eines Kühlkörpers, so besteht
die Möglichkeit, dass das Bauteil mindestens zwei Kühlkörper
ganz oder teilweise überdeckt.
-
Beim
Einsatz von mehreren erfindungsgemäßen Kühlkörpern
in ein und derselben Trägerplatte können diese
durch das Kühlmedium sowohl parallel über separate
Kühlkanäle als auch nacheinander im Verlauf mindestens
eines Kühlkanals angeströmt werden. Auch sind
Anordnungen von sowohl parallel als auch in Reihe angeströmten
Kühlkörpern möglich.
-
Sind
Bauteile, die eine ungleichmäßige Wärmeentwicklung über
ihre Ausdehnung aufweisen (z. B. Bauteile mit großen Abmessungen,
die mehrere wärmeerzeugende Elemente beinhalten) zu kühlen, so
können diese auf der Trägerplatte derart angeordnet
sein, dass sich ausschließlich die stark wärmeerzeugenden
Elemente nahe oder direkt über dem Kühlkörper
befinden. Die Kühlkörper brauchen dabei von dem
zu kühlenden Bauteil nicht völlig überdeckt zu
sein. In anderen speziellen Fällen kann ein zu kühlendes
Bauteil auch mehrere Kühlkörper ganz oder teilweise überdecken.
-
Die
erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung kommt
vorteilhaft bei der Kühlung von elektrischen oder elektronischen
Bauteilen zum Einsatz, bei denen Verlustleistungen von etwa 500
bis 2000 W je Bauteil abgeführt werden müssen.
-
Der
für den Einsatz der erfindungsgemäßen Kühlkörper
vorgesehene Durchfluss der Kühlflüssigkeit liegt
im Bereich von etwa 1 m3/h bis 10 m3/h.
-
Als
Kühlmedium sind bevorzugt Flüssigkeiten mit einer
hohen Wärmekapazität, wie z. B. Wasser, Öl
oder ähnliche Flüssigkeiten zu verwenden. Durch
Zusätze in der jeweils als Kühlmedium fungierenden
Flüssigkeit kann die Effizienz der Kühlung und
deren Verschleiß günstig beeinflusst werden.
-
Wird
eine solche fluidgekühlte Trägerplatte und die
darauf befindlichen elektrischen oder elektronischen Bauteile unter
veränderten thermischen Bedingungen (z. B. dauerhaft erhöhte
Umgebungstemperaturen) betrieben oder mit Bauteilen bestückt,
die eine höhere Wärmemenge erzeugen, kann durch
die erfindungsgemäßen Kühlkörper
eine einfache und kostengünstige Anpassung der Kühlleistung
erfolgen, indem je nach thermischer Belastung die konkrete Gestalt
des Kühlkörpers ausgewählt und somit die
für den Wärmeaustausch zur Verfügung
stehende Oberfläche zum Kühlmedium angepasst wird.
-
Die
erfindungsgemäße Vorrichtung mit Kühlkörpern,
die an oder in standardisierten und daher kostengünstig
hergestellten fluidgekühlten Trägerplatten an-
bzw. eingebracht werden, erlauben eine modulare Zusammenstellung
von standardisierten Trägerplatten und einer endlichen
Anzahl von standardisierten verschiedenen ausgeformten Kühlkörpern
für eine große Anwendungsbreite hinsichtlich der
erforderlichen Kühlleistung.
-
Weiterhin
können bereits in Betrieb befindliche Trägerplatten
mit einem geringen technologischen Aufwand für den Einsatz
von erfindungsgemäßen Kühlkörpern
nachgerüstet werden.
-
Die
erfindungsgemäße Vorrichtung wird nachfolgend
anhand von Ausgestaltungsbeispielen näher erläutert.
Dabei zeigen die Zeichnungen:
-
1:
eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen
Kühlvorrichtung,
-
2:
eine Ausführungsform des Kühlkörpers
mit Kühlrippen,
-
3:
eine gegenüber 2 modifizierte Gestaltung des
Kühlkörpers mit schräg zur Strömungsrichtung
des Kühlmediums orientierten Rippen,
-
4:
eine weiteren Ausprägung des Kühlkörpers
mit Stiften,
-
5:
eine kompakte Ausführungsform des Kühlkörpers
mit einer aufgewölbten Ovalform,
-
6a:
eine weitere Ausführung des Kühlkörpers
als einfache Kühlplatte und rauer Oberfläche,
-
6b:
eine weitere Abwandlung des Kühlkörpers nach 6a und
polierter Oberfläche,
-
7:
eine Ausführungsform der Trägerplatte mit mehreren
Kühlkörpern, eingebettet in einem verschließbaren
Gehäuse,
-
8:
eine perspektivische Darstellung einer aus einem Strangpressprofil
gefertigten Trägerplatte, bei der Kühlkörper
in Ausnehmungen, die jeweils von mehreren Kühlkanäle
durchströmt werden, eingebracht sind,
-
9: Schnittdarstellungen einer durch Strangpressen
hergestellten Trägerplatte mit geradlinig durchlaufenden
Kühlkanälen a) in einer Seitenansicht und b) in
einer Draufsicht.
-
In
einer ersten Ausgestaltungsmöglichkeit gemäß 1 wird
in eine Trägerplatte 1 mit einem innenliegenden,
von Kühlmedium durchflossenen Hohlraum 4 und Öffnungen
für den Einlass 2 und den Auslass 3 eines
Kühlmediums mindestens eine Aussparung 5 im Bereich
eines innenliegenden Hohlraumes 4 eingebracht. In diese
Aussparung 5 wird der Kühlkörper 6 eingesetzt,
wobei dieser die Aussparung 5 vollständig abdeckt.
Auf dem Kühlkörper 6 kann sich die Kühlstruktur 7 befinden.
Das Kühlmedium wird mittels einer Pumpe (nicht dargestellt)
durch die Trägerplatte 1 gefördert. Der
innenliegende Hohlraum 4 ist als Kühlkanal 41 ausgebildet.
-
Um
Dichtheit zwischen dem Kühlkörper 6 und
der Trägerplatte 1 zu gewährleisten,
wird die Kontaktfläche 13 zwischen Kühlkörper 6 und
Trägerplatte 1 plan gestaltet (z. B. gefräst)
und gemäß der 1 bis 6 mittels eines in einer Nut 8 eingelegten
O-Ringes abgedichtet. Die den O-Ring aufnehmende Nut 8 befindet
sich vorzugsweise auf der mit der Trägerplatte 1 in
Kontakt stehenden Fläche des Kühlkörpers 6.
-
Die
Größe des Kühlkörpers 6 wird
so gewählt, dass er über die Aussparung hinaus
ragt und das Anbringen einer geeigneten Anzahl von Durchgangsbohrungen 10, 11 erlaubt.
Zu diesen korrespondierend werden in der Trägerplatte 1 Sacklöcher 12 eingebracht.
In diese Sacklöcher können z. B. geeignete Innengewinde
geschnitten werden. Ein Teil der Durchgangsbohrungen 11 und
der Sacklöcher 12 dient der Befestigung des Kühlkörpers 6 auf
der Trägerplatte 1. Der andere Teil der Durchgangsbohrungen 10 dient
der Befestigung des zu kühlenden Bauteils 9 auf
der Trägerplatte 1 (1 bis 5).
Dabei werden die Befestigungsmittel des zu kühlenden Bauteils 9 durch
die Durchgangsbohrungen 10 zu den Sacklöchern 12 geführt.
Dies bewirkt, dass das zu kühlende Bauteil 9 durch
die Wirkung der Befestigungsmittel auf den Kühlkörper 6 gepresst
wird. Durch eine die Wärme leitende Ausgestaltung der Befestigungsmittel
wird die Abwärme vom Bauteil 9 hin zu Trägerplatte 1 und
Kühlkörper 6 geführt.
-
Bei
Anordnung mehrerer Kühlkörper 6 auf einer
Trägerplatte 1 kann gemäß 7 eine
Einlassöffnung 2 und eine Auslassöffnung 3 vorgesehen
sein, durch die das Kühlmedium in den innenliegenden Kühlkanal 41 oder
die Kühlkanäle 41 gelangt und nach Durchfließen
der Trägerplatte 1 wieder in eine z. B. Pumpvorrichtung
(nicht dargestellt) zurückströmt.
-
Die
Trägerplatte 1 ist in dem Beispiel gemäß 8 aus
einem Strangpressprofil hergestellt und weist parallel verlaufende,
innenliegende Kühlkanäle 41 auf, welche
die Trägerplatte 1 geradlinig durchziehen. Die
Ein- bzw. Auslassöffnung (2, 3) für
das Kühlmedium befinden sich für jeden Kühlkanal 41 an
entgegengesetzten Seiten der Trägerplatte 1. Jeder Kühlkanal
hat eine eigene Ein- und Auslassöffnung. Die Kühlkörper 6 werden
von dem Kühlmedium durch jeweils zwei Kühlkanäle 41 angeströmt.
Eröffnet eine Aussparung mehr als einen Kühlkanal 41,
dann befinden sich alle Einlässe 2 der betreffenden
Kühlkanäle 41 auf der einen und alle
Auslässe 3 auf der anderen Seite der Trägerplatte 1.
-
Wie
aus den schematischen Darstellungen der 9b zu
entnehmen, können einige Bereiche der Trägerplatte 1 nur
von Kühlkanälen 41 durchzogen werden,
während andere durch das Einbringen eines oder mehrerer
Kühlkörper 6 erhöhte Wärmekapazitäten
aufweisen. Abweichend von der Darstellung der 9b können
die Aussparungen 5 auch in nur einen oder mehrere Kühlkanäle 41 eingreifen. Des
Weiteren können die Aussparungen 5 auch in verschiedenen
parallelen Kühlkanälen 41 versetzt angeordnet
sein.
-
Die
erfindungsgemäße Vorrichtung erlaubt, ausgehend
von dem zu kühlenden elektrischen oder elektronischen Bauteil 9 einen
Wärmefluss über die Kontaktfläche 15 zwischen
dem Bauteil 9 und dem Kühlkörper 6.
Ein Teil der Wärme kann über die Kontaktfläche 14 an
die Trägerplatte 1 abgegeben werden. Der wesentliche
Wärmefluss erfolgt jedoch vom zu kühlenden Bauteil 9 über
den plattenförmigen Bereich 6 und die gegebenenfalls
vorhandene Kühlstruktur 7 des Kühlkörpers 6.
Dort wird die abzuführende Wärme an das Kühlmedium
abgegeben.
-
Die
Kühlkörper 6 können auch so
gestaltet sein, dass deren Grundfläche in der Draufsicht
nicht größer als die Grundfläche der
Aussparung 5 in der Draufsicht ist. In einer solchen Ausführung
wird der plattenförmige Bereich des Kühlkörpers 6 mit
der Trägerplatte stoffschlüssig verbunden, vorzugsweise durch
Schweißen oder Löten und dadurch die Aussparung 5 abgedichtet.
-
In
einer weiteren Ausführung sind die Befestigungselemente
wie z. B. Klemmen oder Spangen, die das zu kühlende Bauteil 9 auf
die Trägerplatte 1 pressen, direkt an der Trägerplatte 1 befestigt
und müssen nicht durch im Kühlkörper 6 befindlichen Durchgangsbohrungen 10 hindurch
geführt werden.
-
Weiterhin
ist es möglich, das zu kühlende Bauteil 9 direkt
am Kühlkörper 6 zu befestigen.
-
Es
ist ferner möglich, dass der Kühlkörper 6 in
die Gehäusegrundplatte des Bauteils 9 integriert ist.
-
Die
von dem Kühlmedium angeströmte Kühlstruktur 7 wird
je nach Verwendungszweck und zu erbringender Kühlleistung
in verschiedenen Formen, Abmessungen und Querschnittsprofilen gemäß 2 bis 5 ausgestaltet.
-
In
einer ersten Ausgestaltungsmöglichkeit ist der Kühlkörper 6 gemäß 2 und 3 mit
einer Kühlstruktur 7 in Form von Kühlrippen 71, 72 ausgebildet.
Dabei können die Kühlrippen 71, 72 unterschiedliche
Querschnittsprofile aufweisen (Rippenabstand und Rippendicke). Außerdem
kann die Effektivität des Wärmeaustauschs der
Kühlkörpers 6 mit dem Kühlmedium
durch schräg gestellte Kühlrippen 72,
die unter einem spitzen Winkel zur Hauptfließrichtung des
Kühlmediums angestellt sind, gesteigert werden, wie es 3 zeigt.
-
In
einer dritten Gestaltung gemäß 4 wird die
Kühlstruktur 7 als Array von Stiften 73 ausgebildet und
damit die fluidumströmte Oberfläche des Kühlkörpers 6 nochmals
mehrfach vergrößert.
-
Bei
geringerem Kühlbedarf kann die Kühlstruktur 7 des
Kühlkörper 6 auch eine kompakte, aufgewölbte
Oberfläche, beispielsweise eine längsovale Vollform 74 gemäß 5 aufweisen.
-
Für
Anwendungen mit geringen Kühlanforderungen der zu kühlenden
Bauteile ist es des Weiteren möglich, wie in 6a und 6b gezeigt,
die Kühlstruktur 7 in Richtung der Aussparung 5 stark
zu reduzieren, indem der Kühlkörper 6 im
Wesentlichen nur mit einer im Wesentlichen ebenen Oberfläche
als raue Kühlplatte 75 (6a) oder
sogar als polierte Kühlplatte 76 (6b)
ausgebildet ist.
-
Um
unterschiedliche Betriebsbedingungen und Anforderungen an die Kühlleistung
erfüllen zu können, ist in weiteren Ausgestaltungsmöglichkeiten die
Kühlstruktur 7 in Richtung der Aussparung 5 ragend
und die Oberfläche des Kühlkörpers 6 vergrößernd
ausgebildet.
-
Die
vom Kühlmedium angeströmte Kühlstruktur 7 eines
Kühlkörpers 6 besteht in einer ersten Ausgestaltung
aus demselben Material wie dessen plattenförmiger Bereich,
z. B. aus Stahl, Kupfer, Messing, Aluminium oder deren Legierungen.
-
In
einer weiteren Ausgestaltungsmöglichkeit bestehen Teile
des Kühlkörpers 6, z. B. Oberflächenbereiche
an der Kontaktfläche 13 zur Trägerplatte 1 oder
an der Kontraktfläche 14 zum Bauteil 9,
aus einem Material mit einer höheren Wärmleitfähigkeit
z. B. Aluminium, Kupfer, Silber, Gold oder Platin und deren Legierungen.
-
Der
Kühlkörper 6 besteht in einer weiteren Ausführung
aus demselben Material wie die kühlmitteldurchströmte
Trägerplatte 1, vorzugsweise aus Aluminium oder
Edelstahl. Er wird jedoch bevorzugt aus einem Material mit höherer
Wärmeleitfähigkeit gefertigt.
-
In
einer weiteren Ausgestaltungsmöglichkeit wird das Wärmleitvermögen
an der Kontaktfläche 14 zwischen zu kühlendem
elektrischen oder elektronischen Bauteil 9 und dem Kühlkörper 6 durch
ein Verbindungselement mit hoher Wärmeleitfähigkeit
(z. B. ein eingelegtes Kupferblech) oder das Einbringen einer pastösen,
wärmeleitenden Masse erhöht.
-
Die
erfindungsgemäße Vorrichtung wird vorteilhaft
dann eingesetzt, wenn für Anlagen mit verschiedenen zu
kühlenden elektrischen oder elektronischen Bauteilen 9 standardisierte
und daher kostengünstige fluidgekühlte Trägerelemente 1 verwendet
werden sollen. Diese können mittels der erfindungsgemäßen
Vorrichtung aus standardisierter fluidgekühlter Trägerplatte 1 und
variablen Kühlkörpern 6 modular an die
jeweilig geforderten Kühlleistungen räumlich und
thermisch angepasst werden.
-
Weiterhin
können bereits im Einsatz befindliche Trägerplatten 1 mit
einigen wenigen Arbeitsschritten mit den erfindungsgemäßen
Kühlkörpern 6 nach- oder umgerüstet werden.
Dies hat große ökonomische Bedeutung, wenn eine
Anlage bei unterschiedlichen thermischen Bedingungen (z. B. Betrieb im
Sommer- und Winterhalbjahr, Betrieb in unterschiedlichen klimatischen
Regionen) eingesetzt oder aber mit leistungsfähigeren Bauteilen
nachgerüstet wird. Die Standardisierung der erfindungsgemäßen Kühlkörper
erlaubt eine ökonomische Produktion und deren Einsatz als
variable Kühlmodule. Eine individuelle Anpassung von Kühlkörpern
an neu zu schaffende bzw. bereits existierenden Anlagen bleibt dabei unbenommen.
-
Die
Vorteile bestehen in einer flexiblen und kostengünstigen
Möglichkeit, die Kühlleistung an die vorgegebene
Parameter von elektrischen oder elektronischen Bauteilen anzupassen.
Weiterhin führen die direkt unter den zu kühlenden
Bauteilen befindlichen Kühlkörper zu einer erhöhten
Wärmeabfuhr an den Stellen der Wärmeentwicklung.
Dadurch können die zu kühlenden Bauteile nahe
der Leistungsgrenze betrieben und außerdem ihre Lebensdauer
erhöht werden.
-
- 1
- Trägerplatte
- 2
- Einlassöffnung
- 3
- Auslassöffnung
- 4
- Hohlraum
- 41
- Kühlkanal
- 5
- Aussparung
- 6
- Kühlkörper
- 7
- Kühlstruktur
- 8
- Nut
- 9
- Bauteil
- 10
- Durchgangsbohrungen
(für Bauteil)
- 11
- Durchgangsbohrungen
(für Kühlkörper)
- 12
- Sacklöcher
- 13
- Kontaktfläche
(zwischen Trägerplatte und Kühlkörper)
- 14
- Kontaktfläche
(zwischen Kühlkörper und Bauteil)
- 71
- Kühlrippen
- 72
- Kühlrippen
schräg
- 73
- Kühlstifte
- 74
- längsovale
Kühlstruktur
- 75
- raue
Kühlplatte
- 76
- polierte
Kühlplatte
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste
der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert
erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information
des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen
Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt
keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- - DE 202006011487
U1 [0003, 0003]
- - DE 20304197 U1 [0003, 0003]
- - DE 102007015859 A1 [0003]
- - WO 2006/097228 A1 [0004]
- - DE 102005012501 A1 [0004]
- - DE 102006008033 A1 [0005]