DE102011076319A1

DE102011076319A1 - Leiterplattensystem für Kraftfahrzeug-Stromrichter

Info

Publication number: DE102011076319A1
Application number: DE102011076319A
Authority: DE
Inventors: Rutunj Rai; Nadir Sharaf
Original assignee: Lear Corp
Current assignee: Lear Corp
Priority date: 2010-05-28
Filing date: 2011-05-24
Publication date: 2011-12-01
Anticipated expiration: 2031-05-25
Also published as: US20110292615A1; US8625284B2; DE102011076319B4

Abstract

Ein Kraftfahrzeug-Stromrichter kann eine Kühlplatte, eine Leiterplatte, die von der Kühlplatte beabstandet ist und wenigstens eine wärmeerzeugende elektrische Komponente enthält, die daran angebracht ist, und eine weitere Leiterplatte enthalten, die zwischen der Kühlplatte und der Leiterplatte, von der Kühlplatte beabstandet, angeordnet ist. Der Stromrichten kann des Weiteren wenigstens ein wärmeleitendes Element enthalten, das so eingerichtet ist, dass es einen Wärmeleitweg von der wenigstens einen wärmeerzeugenden elektrischen Komponente zu der Kühlplatte bildet. Das wenigstens das wärmeleitende Element kann durch die Leiterplatten hindurch verlaufen.

Description

Querverweis auf verwandte Anmeldung
Die vorliegende Anmeldung beansprucht den Vorteil der vorläufigen US-Anmeldung Nr. 61/349,285, eingereicht am 28. Mai 2010, deren Offenbarung hiermit in ihrer Gesamtheit durch Verweis einbezogen wird.
Technisches Gebiet
Die vorliegende Offenbarung betrifft das Kühlen von Leiterplatten-Komponenten von Kraftfahrzeug-Stromrichtern.
Hintergrund
Wärmeerzeugende Elemente, wie beispielsweise Transformatoren, Treiber, Kondensatoren usw., die an einer Leiterplatte angebracht sind, können über Konvektion gekühlt werden. Das heißt, Luft kann um diese Elemente herum in Zirkulation versetzt werden, um die durch sie erzeugte Wärme abzuleiten. Als Alternative dazu können an einer Leiterplatte angebrachte wärmeerzeugende Elemente über Konduktion gekühlt werden. Das heißt, die Leiterplatte kann so angeordnet sein, dass sie in direktem Kontakt mit einer Kühlplatte ist, um die durch die wärmeerzeugenden Elemente erzeugte Wärme abzuleiten.
Das US-Patent 5,014,904 von Morton offenbart beispielsweise ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Ableiten von Wärme von Leiterplatten und darauf montierten elektronischen Einrichtungen. Leiterplatten sind mit Öffnungen zum Aufnehmen sogenannter Wärmeleit-Pads versehen. Die Wärmeleit-Pads können mittels Klebstoff oder mittels einer Presspassung in den Öffnungen befestigt werden. Klebstoff kann auch oben auf das Wärmeleit-Pad aufgebracht werden, um eine elektronische Einrichtung daran zu befestigen. Der Klebstoff wird so ausgehärtet, dass seine Dicke auf einen minimalen Wert begrenzt ist. Die elektronische Einrichtung kann des Weiteren über Schwalllöten an der Leiterplatte befestigt werden. Das gegenüberliegende Ende des Wärmeleit-Pad ist mit der Kühlplatte in Kontakt.
Zusammenfassung
Ein Kraftfahrzeug-Stromrichter kann eine Kühlplatte, eine erste Leiterplatte, die in Kontakt mit der Kühlplatte ist, sowie eine zweite Leiterplatte enthalten, die über der ersten Leiterplatte und von ihr beabstandet angeordnet ist. Die zweite Leiterplatte kann eine Vielzahl wärmeerzeugender elektrischer Komponenten enthalten, die daran angebracht sind. Der Stromrichter kann des Weiteren eine wärmeleitende Anordnung enthalten, die durch die erste und die zweite Leiterplatte hindurch verläuft und in Kontakt mit den wärmeerzeugenden elektrischen Komponenten und der Kühlplatte ist. Die wärmeleitende Anordnung kann so eingerichtet sein, dass sie einen Wärmeleitweg von den wärmeerzeugenden elektrischen Komponenten zu der Kühlplatte schafft.
Ein Leiterplattensystem kann eine erste Leiterplatte, die eine Fläche enthält, durch die hindurch ein Durchlass ausgebildet ist, eine zweite Leiterplatte, die von der ersten Leiterplatte beabstandet ist und eine Fläche enthält, durch die ein Durchlass ausgebildet ist, und eine Vielzahl wärmeerzeugender Elemente enthalten, die an der ersten Leiterplatte angebracht sind. Das System kann des Weiteren eine wärmeleitende Anordnung enthalten, die in Kontakt mit den wärmeerzeugenden Elementen ist und durch die Durchlasse der Leiterplatten hindurch verläuft.
Ein Kraftfahrzeug-Stromrichter kann eine Kühlplatte, eine Leiterplatte, die von der Kühlplatte beabstandet ist und wenigstens eine wärmeerzeugende elektrische Komponente enthält, die daran angebracht ist, sowie eine weitere Leiterplatte enthalten, die, von der Kühlplatte beabstandet, zwischen der Kühlplatte und der Leiterplatte angeordnet ist. Der Stromrichter kann des Weiteren wenigstens ein wärmeleitendes Element enthalten, das so eingerichtet ist, dass es einen Wärmeleitweg von der wenigstens einen wärmeerzeugenden elektrischen Komponente zu der Kühlplatte bildet. Das wenigstens eine wärmeleitende Element kann durch die Leiterplatten hindurch verlaufen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist eine als Schnitt ausgeführte Perspektivansicht eines Hochleistungs-Elektronikmoduls für eine Fahrzeug-Batterieladeeinrichtung.
2 ist eine Perspektivansicht des Hochleistungs-Elektronikmoduls in 1.
3 ist eine auseinandergezogene Perspektivansicht eines Abschnitts des Hochleistungs-Elektronikmoduls in 1.
Ausführliche Beschreibung
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden hier, wie erforderlich, detailliert offenbart, es versteht sich jedoch, dass die offenbarten Ausführungsformen lediglich beispielhaft für die Erfindung sind, die in verschiedenen alternativen Formen ausgeführt werden kann. Die Figuren sind nicht notwendigerweise maßstabsgerecht, einige Strukturen können vergrößert oder verkleinert sein, um Details bestimmter Komponenten zu zeigen. Daher sind hier offenbarte spezifische strukturelle und funktionale Details nicht als beschränkend zu verstehen, sondern lediglich als veranschaulichende Basis, anhand der einem Fachmann vermittelt wird, wie die vorliegende Erfindung auf verschiedene Weise eingesetzt werden kann.
Bestimmte elektrische Komponenten, wie beispielsweise Transformatoren, Treiber, Kondensatoren usw., die an Leiterplatten angebracht sind, können in Funktion Wärme erzeugen. Diese Wärme kann, wenn sie nicht effektiv abgeleitet wird, die Funktion der elektrischen Schaltungen beeinträchtigen, die mit den Leiterplatten verbunden sind.
Aus Gründen der Packungsdichte können bei bestimmten Leiterplattensystemen für Kraftfahrzeug-Stromrichter (beispielsweise Batterieladeeinrichtungen, Wechselrichter usw.) eine Anzahl von Leiterplatten übereinander geschichtet und voneinander beabstandet sein. An jeder dieser Leiterplatten können wärmeerzeugende Elemente angebracht sein. Durch diese wärmeerzeugenden Elemente erzeugte Wärme muss, wie oben erwähnt, möglicherweise abgeleitet werden. Eine Kühlplatte kann beispielsweise so angeordnet sein, dass sie direkt mit der Leiterplatte am unteren Ende der Anordnung in Kontakt ist. Wärme, die durch die wärmeerzeugenden Elemente erzeugt wird, die an der unteren Leiterplatte angebracht sind, kann so über Konduktion sowie über Konvektion abgeleitet werden. Wärme, die durch die wärmeerzeugenden Elemente erzeugt wird, die an den anderen Leiterplatten angebracht sind, kann ausschließlich über Konvektion abgeleitet werden, da diese anderen Leiterplatten nicht direkt mit der Kühlplatte in Kontakt sein können. Konduktion kann jedoch ein effektiverer Mechanismus zum Ableiten von Wärme von wärmeerzeugenden Elementen sein als Konvektion.
Ein Wärmeleitweg (oder -wege) kann/können bei Anordnungen, bei denen die Leiterplatte von der Kühlplatte beabstandet ist, von einem oder mehreren wärmeerzeugenden Element/en (an einer Leiterplatte montiert) zu einer Kühlplatte hergestellt werden. Dieser Wärmeleitweg kann beispielsweise ein wärmeleitendes Element oder mehrere wärmeleitenden Elemente umfassen, das/die einen Weg bildet/bilden, auf dem sich Wärme von dem einen oder den mehreren wärmeerzeugenden Element/en zu der Kühlplatte bewegen kann. Das eine oder die mehreren wärmeleitende/n Element/en kann/können in Kontakt mit den wärmeerzeugenden Elementen und/oder der Kühlplatte sein und/oder an ihnen angebracht sein.
Beispielsweise kann ein Netz aus Kupferdraht (rund, flach usw.) in Kontakt mit einer Gruppe wärmeerzeugender Elemente angeordnet sein, die an einer Leiterplatte angebracht sind. Jedes beliebige geeignete wärmeleitende Material, das eine geeignete Form/Struktur usw. hat, kann eingesetzt werden. Dieser Draht ist bei dem vorliegenden Beispiel mit einer Fläche der Leiterplatte (der gleichen Fläche, an der die wärmeerzeugenden Elemente angebracht sind) wenigstens teilweise in Kontakt (und liegt daran an). Bei anderen Beispielen kann der Draht jedoch von einer Oberfläche der Leiterplatte beabstandet sein oder wie gewünscht angeordnet sein.
Die Leiterplatte ist bei dem vorliegenden Beispiel von einer Kühlplatte über eine Vielzahl wärmeleitender (beispielsweise aus Metall bestehender) Abstandshalteelemente beabstandet. Andere Leiterplatten und/oder Komponenten können natürlich zwischen der Kühlplatte und der Leiterplatte mit dem Netz aus Kupferdraht angeordnet sein. Wenigstens eines der Abstandshalteelemente aus Metall ist in Kontakt mit der Kühlplatte und wenigstens einem Teil des Kupferdrahts. So kann sich durch die wärmeerzeugenden Elemente erzeugte Wärme durch den Draht und die Abstandshalteelemente zu der Kühlplatte bewegen. Es sind auch andere Anordnungen möglich. Beispielsweise kann Draht so angeordnet sein, dass er in Kontakt mit den wärmeerzeugenden Elementen und der Kühlplatte und/oder daran angebracht ist.
Wie unter Bezugnahme auf 1 und 2 (in denen der Übersichtlichkeit halber weniger Elemente als dargestellt gekennzeichnet sind) zu sehen ist, enthält ein Leiterplattensystem 10 Leiterplatten 12, 14, die übereinander angeordnet und voneinander beabstandet sind, sowie eine Kühlplatte 15. Die Kühlplatte 15 weist, wie in der Technik bekannt ist, wenigstens teilweise eine Vielzahl von Fluidkanälen 16 auf. Ein Kühlmittel, wie beispielsweise Wasser, kann die Kanäle 16 durchlaufen, um die Kühlplatte 15 zu kühlen.
Die Leiterplatte 12 ist in Kontakt mit der Kühlplatte 15. Die Leiterplatte 14 ist von der Kühlplatte 15 über eine Vielzahl wärmeleitender Abstandshalter 17 beabstandet. Jeder der Abstandshalter 17 kann, wie unter Bezugnahme auf 3 zu sehen ist, einen Abstandshalteabschnitt 18 und einen Außengewindeabschnitt 19 enthalten, der sich von dem Abstandshalteabschnitt 18 aus erstreckt. Der mit Außengewinde versehene Abschnitt 19 ist so eingerichtet, dass er mit einem entsprechenden Innengewindeabschnitt 20 in der Kühlplatte 15 in Eingriff kommt. (Die Leiterplatte 12 kann in bestimmten Ausführungsformen Durchlasse 21 enthalten, durch die jeder der Außengewindeabschnitte 19 hindurchtreten kann.) Jeder der Abstandshalteabschnitte 18 kann des Weiteren einen darin ausgebildeten Innengewindeabschnitt 22 enthalten. Jede dieser Innengewindeabschnitte 22 kann, wie weiter unten ausführlicher erläutert, ein Gewinde-Befestigungselement 23 aufnehmen.
Die Leiterplatte 12 weist, wie wiederum unter Bezugnahme auf 1 und 2 zu sehen ist, eine Vielzahl elektrischer Komponenten 24n (24a, 24b, 24c usw., wobei nicht alle notwendigerweise nummeriert sind), wie beispielsweise Kondensatoren, Verstärker, Transformatoren usw., auf, die daran angebracht sind. Desgleichen weist die Leiterplatte 14 eine Vielzahl elektrischer Komponenten 26n (26a, 26b, 26c usw., von denen nicht alle notwendigerweise nummeriert sind), wie beispielsweise Kondensatoren, Verstärker, Transformatoren, Treiber usw., auf, die daran angebracht sind. Bestimmte der elektrischen Komponenten 26n erzeugen in Funktion Wärme. Eine derartige Komponente ist Transformator 26i.
Das Leiterplattensystem 10 enthält, wie unter Bezugnahme auf 1, 2 und 3 zu sehen ist, des Weiteren einen sogenannten Wärmespreizer (beispielsweise ein Formteil aus Metall, einen Draht usw.). Der Wärmespreizer 28 enthält einen Schaftabschnitt 30, wenigstens einen Verzweigungsabschnitt 32 und Flächen, die Durchlasse 34 aufweisen. Der wenigstens eine Verzweigungsabschnitt 32 ist in Kontakt mit wenigstens einer der wärmeerzeugenden Komponenten (beispielsweise 26i). Der Schaftabschnitt 30 ist an wenigstens einem der Abstandshalter 17, beispielsweise über die Gewinde-Befestigungselemente 23, angebracht, die durch die Durchlasse 34 hindurchtreten und in die Innengewindeabschnitte 22 eingreifen, die in den Abstandshalteabschnitten 18 ausgebildet sind. (Die Leiterplatte 14 kann Flächen enthalten, die Durchlasse 36 aufweisen, durch die jedes der Befestigungselemente 23 hindurchtreten kann).
In Funktion wird beispielsweise durch den Transformator 26i erzeugte Wärme (über Konduktion) zu dem Verzweigungsabschnitt 32 des Wärmespreizers 28 übertragen, der in Kontakt damit ist. Diese Wärme bewegt sich durch den Schaftabschnitt 30 und zu den Abstandshalteabschnitten 18 der Abstandshalter 14 über die Gewinde-Befestigungselemente 23, mit denen der Schaftabschnitt 30 an den Abstandshalteabschnitten 18 angebracht ist. Schließlich wird die zu den Abstandshalteabschnitten 18 überführte Wärme über die mit Außengewinde versehenen Befestigungsabschnitte 19 der Abstandshalter 17, die mit der Kühlplatte 15 in Eingriff sind, auf die Kühlplatte 15 übertragen.
Durch die oben beschriebene Konstruktion des Wärmespreizers 28 mit Verzweigung und Schaft wird die Anzahl von Durchlassen durch die Leiterplatten 12, 14 verringert, die erforderlich sind, um wärmeleitende Elemente aufzunehmen, die so eingerichtet sind, dass sie Wärme von den elektrischen Komponenten 26n zu der Kühlplatte 15 übertragen. Das heißt, nicht jede der elektrischen Komponenten 26n muss ihr eigenes spezielles wärmeleitendes Element und den entsprechenden Durchlass durch die Leiterplatten 12, 14 hindurch aufweisen (was unter Umständen nicht praktikabel sein kann, wenn Leiterplatten übereinander angeordnet und voneinander beabstandet sind, da derartige spezielle wärmeleitende Elemente und die entsprechenden Durchlasse das Anordnen der Leiterplattenkomponenten darunter innerhalb der Schichtanordnung ausschließen können). Stattdessen können eine Vielzahl von Verzweigungen, die jeweils in Kontakt mit einer entsprechenden wärmeerzeugenden elektrischen Komponente 26n sind, zu einem einzelnen Schaft führen. Dieser Schaft kann wie bei dem Beispiel in 1, 2 und 3 relativ wenige Wärmeverbindungen aufweisen (die strategisch so positioniert werden können, dass sie Leiterplattenkomponenten in der Schichtanordnung unterhalb davon nicht stören).
Obwohl Ausführungsformen der Erfindung dargestellt und beschrieben worden sind, sollen diese Ausführungsformen nicht alle möglichen Formen der Erfindung darstellen und beschreiben. In der Ausführungsform in 1, 2 und 3 enthält beispielsweise der Wärmeleitweg von dem wärmeerzeugenden Element 26i zu der Kühlplatte 15 mehrere Komponenten (beispielsweise den Wärmespreizer 28, Befestigungselemente 23 und Abstandshalter 17). Dieser Wärmeleitweg kann in anderen Ausführungsformen eine einzelne Komponente umfassen, die mit einigen/allen der wärmeerzeugenden Komponenten in Kontakt ist und die Leiterplatte von der Kühlplatte beabstandet hält. Als Alternative dazu können die Abstandshalter 17 einen Durchlass für ein Gewinde-Befestigungselement bilden, das den Wärmespreizer 28 mit der Kühlplatte 15 verbindet. In weiteren Ausführungsformen kann der Wärmespreizer 28 eine Vielzahl von Teilelementen enthalten, die auf jede beliebige geeignete/bekannte Weise miteinander verbunden sind. Andere Anordnungen sind ebenfalls möglich.
Die in der Patentbeschreibung verwendeten Formulierungen sind beschreibende und keine beschränkenden Formulierungen, und es versteht sich, dass verschiedene Veränderungen vorgenommen werden können, ohne vom Geist und vom Schutzumfang der Erfindung abzuweichen. Des Weiteren können die Merkmale verschiedener Umsetzungsformen kombiniert werden, um weitere Ausführungsformen der Erfindung zu schaffen.
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

US 5014904 [0004]

Claims

Kraftfahrzeug-Stromrichter, der umfasst: eine Kühlplatte; eine erste Leiterplatte, die in Kontakt mit der Kühlplatte ist; eine zweite Leiterplatte, die über der ersten Leiterplatte angeordnet und von ihr beabstandet ist, wobei die zweite Leiterplatte eine Vielzahl wärmeerzeugender elektrischer Komponenten enthält, die daran angebracht sind; und eine wärmeleitende Anordnung, die durch die erste und die zweite Leiterplatte hindurch verläuft und in Kontakt mit den wärmeerzeugenden elektrischen Komponenten sowie der Kühlplatte ist, wobei die wärmeleitende Anordnung so eingerichtet ist, dass sie einen Wärmeleitweg von den wärmeerzeugenden elektrischen Komponenten zu der Kühlplatte bildet.
Stromrichter nach Anspruch 1, wobei die wärmeleitende Anordnung einen Wärmespreizer mit einem Schaftabschnitt und einer Vielzahl von Verzweigungsabschnitten enthält und jeder der Verzweigungsabschnitte in Kontakt mit einer der wärmeerzeugenden elektrischen Komponenten ist.
Stromrichter nach Anspruch 2, wobei die wärmeleitende Anordnung des Weiteren einen Abstandshalteabschnitt enthält, der so eingerichtet ist, dass er die zweite Leiterplatte trägt und die zweite Leiterplatte von der ersten Leiterplatte beabstandet hält.
Stromrichter nach Anspruch 3, wobei die wärmeleitende Anordnung des Weiteren ein Befestigungselement enthält, das so eingerichtet ist, dass es den Wärmespreizer an dem Abstandshalteabschnitt anbringt.
Stromrichter nach Anspruch 4, wobei das Befestigungselement durch die zweite Leiterplatte hindurch verläuft.
Leiterplattensystem, das umfasst: eine erste Leiterplatte, die eine Fläche enthält, die einen Durchlass aufweist; eine zweite Leiterplatte, die von der ersten Leiterplatte beabstandet ist und eine Fläche enthält, die einen Durchlass aufweist; eine Vielzahl wärmeerzeugender Elemente, die an der ersten Leiterplatte angebracht sind; und eine wärmeleitende Anordnung, die mit den wärmeerzeugenden Elementen in Kontakt ist und durch die Durchlasse der Leiterplatten hindurch verläuft.
System nach Anspruch 6, das des Weiteren eine Kühlplatte umfasst, die in Kontakt mit der zweiten Leiterplatte ist, wobei die wärmeleitende Anordnung in Kontakt mit der Kühlplatte ist.
System nach Anspruch 7, wobei die wärmeleitende Anordnung an der Kühlplatte angebracht ist.
System nach Anspruch 6, wobei die wärmeleitende Anordnung einen Wärmespreizer mit einem Schaftabschnitt und einer Vielzahl von Verzweigungsabschnitten enthält und jeder der Verzweigungsabschnitte in Kontakt mit einem der wärmeerzeugenden Elemente ist.
System nach Anspruch 9, wobei die wärmeleitende Anordnung des Weiteren einen Abstandshalteabschnitt enthält, der so eingerichtet ist, dass er die erste Leiterplatte trägt und die erste Leiterplatte von der zweiten Leiterplatte beabstandet hält.
System nach Anspruch 10, wobei die wärmeleitende Anordnung des Weiteren ein Befestigungselement enthält, das so eingerichtet ist, dass es den Wärmespreizer an dem Abstandshalteabschnitt anbringt.
System nach Anspruch 6, wobei die wärmeleitende Anordnung ein Formteil aus Metall enthält.
Kraftfahrzeug-Stromrichter, der umfasst: eine Kühlplatte; eine Leiterplatte, die von der Kühlplatte beabstandet ist und wenigstens eine wärmeerzeugende elektrische Komponente enthält, die daran angebracht ist; eine weitere Leiterplatte, die, von der Kühlplatte beabstandet, zwischen der Kühlplatte und der Leiterplatte angeordnet ist; und wenigstens ein wärmeleitendes Element, das so eingerichtet ist, dass es einen Wärmeleitweg von der wenigstens einen wärmeerzeugenden elektrischen Komponente zu der Kühlplatte bildet, wobei das wenigstens eine wärmeleitende Element durch die Leiterplatten hindurch verläuft.
Stromrichter nach Anspruch 13, wobei das wenigstens eine wärmeleitende Element in Kontakt mit der wenigstens einen wärmeerzeugenden elektrischen Komponente und der Kühlplatte ist.
Stromrichter nach Anspruch 13, wobei das wenigstens eine wärmeleitende Element an der Kühlplatte angebracht ist.
Stromrichter nach Anspruch 13, wobei das wenigstens eine wärmeleitende Element einen Wärmespreizer mit einem Schaftabschnitt und einer Vielzahl von Verzweigungsabschnitten enthält und jeder der Verzweigungsabschnitte in Kontakt mit einer von der wenigstens einen wärmeerzeugenden elektrischen Komponente ist.
Stromrichter nach Anspruch 16, wobei das wenigstens eine wärmeleitende Element des Weiteren einen Abstandshalteabschnitt enthält, der so eingerichtet ist, dass er die Leiterplatte trägt und die Leiterplatte von der weiteren Leiterplatte beabstandet hält.
Stromrichter nach Anspruch 17, wobei das wenigstens eine wärmeleitende Element des Weiteren ein Befestigungselement enthält, das so eingerichtet ist, dass es den Wärmespreizer an dem Abstandshalteabschnitt anbringt.