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Die Erfindung betrifft ein Kühlsystem zur Kühlung von elektronischen Bauelementen, insbesondere für ein Induktionskochfeld, wobei das Kühlsystem einen Lüfter für Kühlluft und einen Kühlkörper mit Kühlrippen aufweist, der in einer Längsrichtung von der Kühlluft durchströmt wird, und wobei die elektronischen Bauelemente auf einer sich in der Längsrichtung erstreckenden Montagefläche des Kühlkörpers angeordnet sind. Die Erfindung betrifft weiterhin eine elektronische Baugruppe.
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Elektronische Bauelemente, insbesondere Leistungshalbleiterbauelemente, die eine höhere Verlustleistung in Wärme umsetzen, müssen im Betrieb gekühlt werden. Eine kompakte Bauform des Kühlsystems kann mit Kühlkörpern mit Kühlrippen erzielt werden, die in einer Längsrichtung von einem Kühlmedium, üblicherweise Luft, durchströmt werden.
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Bei Induktionsfeldern werden typischerweise für jede Kochstelle zwei Leistungshalbleiterbauelemente zur Ansteuerung jeweils einer der Kochstelle zugeordneten Induktionsspule, auch Induktor genannt, eingesetzt. Da die Kochstellen zumindest ähnliche Heizleistungen aufweisen, werden die Leistungshalbleiterbauelemente üblicherweise im Hinblick auf die anfallende Verlustleistung für alle Kochstellen gleich ausgelegt.
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Die Leistungshalbleiterbauelemente sind nach dem Stand der Technik bei Verwendung des genannten Kühlsystems mit dem in Längsrichtung durchströmten Kühlkörper nacheinander in einem regelmäßigen Abstand auf dem Kühlkörper angeordnet, so dass jedem der Leistungshalbleiterbauelemente eine vergleichbare Wärmeabgabefläche des Kühlkörpers zugeordnet ist. Da sich die Kühlluft jedoch beim Durchströmen des Kühlkörpers erwärmt, werden die in der Nähe des Einströmbereichs angeordneten Leistungshalbleiterbauelemente besser gekühlt als die weiter vom Einströmbereich entfernten Leistungshalbleiterbauelemente. Somit ergibt sich für diese Leistungshalbleiterbauelemente bei gleicher Belastung und entsprechend gleicher anfallender Verlustleistung ein Temperaturgradient derart, dass die Leistungshalbleiterbauelemente in der Nähe des Einströmbereichs des Kühlkörpers deutlich kühler sind als in der Nähe des Ausströmbereichs.
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Um für alle Halbleiter eine ausreichende Kühlung zu gewährleisten, ist es daher gemäß dem Stand der Technik erforderlich, den Kühlkörper auf den sich am stärksten erwärmenden Leistungshalbleiterbauelemente abzustimmen, so dass die Dimensionierung des Kühlkörpers entsprechend groß ausfällt.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein für Induktionskochfelder geeignetes Kühlsystem für elektronische Bauelemente, insbesondere Leistungshalbleiterbauelemente, zur Verfügung zu stellen, das bei kompakten Abmessungen und ohne eine Überdimensionierung des Kühlkörpers eine nahezu gleiche Temperatur aller gekühlten elektronischen Bauteile während des Betriebs sicherstellt. Es ist eine weitere Aufgabe, eine elektronische Baugruppe zu schaffen, bei der elektronische Bauelemente im Betrieb entsprechend auf nahezu gleiche Temperatur gekühlt werden.
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Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch ein Kühlsystem bzw. eine Baugruppe mit den jeweiligen Merkmalen der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand der jeweiligen Ansprüche.
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Bei einem erfindungsgemäßen Kühlsystem der eingangs genannten Art sind die elektronischen Bauelemente in einem nicht-äquidistanten Abstand untereinander an der Montagefläche des Kühlkörpers angeordnet. Auf diese Weise kann durch die passende Wahl des Abstandes zwischen den elektronischen Bauelementen eine nahezu gleiche Betriebstemperatur aller Bauelemente erreicht werden, auch wenn diese im Betrieb gleiche oder nahezu gleiche Verlustleistung umsetzen. Eine Erwärmung der Kühlluft beim Durchströmen des Kühlkörpers führt nicht zu einem Temperaturunterschied bei den Bauelementen, da die lokale Temperatur der Kühlluft durch die den einzelnen Bauelementen zugeordnete, sich aus dem Abstand ergebende unterschiedliche Größe der Kühlfläche kompensiert wird. Bevorzugt weisen die elektronischen Bauelemente in einem Einströmbereich des Kühlkörpers einen engeren Abstand untereinander auf als in einem Ausströmbereich.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Kühlsystems sind die Kühlrippen des Kühlkörpers mit einer profilierten Struktur versehen. Bevorzugt ist diese profilierte Struktur trapez- und/oder wellenförmig ausgebildet. Weiter bevorzugt sind zusätzlich Einprägungen in den Kühlrippen vorgesehen. Auf diese Weise kann der Wärmeübergang von dem Kühlkörper auf die Kühlluft erhöht werden und die Effektivität des Kühlsystems weiter gesteigert werden.
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Eine erfindungsgemäße elektronische Baugruppe weist zur Kühlung von elektronischen Bauelementen ein derartiges Kühlsystem auf. Es ergeben sich entsprechend die zuvor genannten Vorteile.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der elektronischen Baugruppe ist ein Spalt zwischen einer Seitenwand eines Gehäuses der elektronischen Baugruppe und dem Kühlkörper des Kühlsystems vorgesehen.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der elektronischen Baugruppe weist der Spalt entlang seiner Längserstreckung unterschiedliche Breiten auf. Dies wird beispielsweise dadurch erreicht, dass die Seitenwand des Gehäuses der elektronischen Baugruppe mit Vorsprüngen oder Ausnehmungen versehen ist und/oder dass sich der Kühlkörper des Kühlsystems und die Seitenwand des Gehäuses nicht parallel zueinander erstrecken.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der elektronischen Baugruppe ist ein Spalt zwischen dem Kühlkörper und einem oberen Gehäusedeckel vorgesehen.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der elektronischen Baugruppe ist ein Spalt zwischen dem Kühlkörper und einem unterem Gehäuseboden vorgesehen.
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Ein solcher weiterer Spalt zwischen dem Kühlkörper und einem oberen Gehäusedecken und/oder einem unteren Gehäuseboden kann beispielsweise derart ausgebildet sein, dass der Kühlkörper eine geringere Bauhöhe aufweist als der Lüfter des Kühlsystems, so dass ein Teil der Kühlluft oberhalb und/oder unterhalb des Kühlkörpers aus- bzw. entlangströmt.
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Aufgrund des wenigstens einen Spaltes kann Kühlluft definiert seitlich aus dem Kühlkörper entweichen und/oder oberhalb und/oder unterhalb des Kühlkörpers aus- bzw. entlangströmen und zur Kühlung weiterer elektronischer Bauelemente der Baugruppe, die beispielsweise auf einer Leiterkarte angeordnet sind, eingesetzt werden. In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der elektronischen Baugruppe sind am unteren Gehäuseboden Stege zur Führung von Kühlluft vorgesehen sind, wobei die Leiterkarte der elektronischen Baugruppe oberhalb der Stege angeordnet ist. Bei dieser Ausgestaltung wird Kühlluft auch zur Kühlung der Unterseite der Leiterkarte eingesetzt. Die Anordnung und Ausgestaltung der Stege, die beispielsweise ausgehend von dem Lüfter des Kühlsystems bogenförmig ausgebildet sein können, erlaubt eine definierte und bedarfsgerechte Verteilung von Kühlluft.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand von Figuren näher beschrieben. Es zeigen:
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1 eine perspektivische Darstellung einer elektronischen Baugruppe mit einem Kühlsystem gemäß der Erfindung;
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2 eine perspektivische Darstellung eines Kühlkörpers mit elektronischen Bauelementen;
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3a eine Schnittdarstellung eines Kühlkörpers eines Kühlsystems;
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3b eine Detaildarstellung eines Bereichs einer Kühlrippe des Kühlkörpers aus 3a;
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4 eine isometrische Ansicht des Kühlkörpers aus 3;
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5 eine Draufsicht auf eine elektronischen Baugruppe mit einem Kühlsystem gemäß der Erfindung; und
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6 eine Draufsicht auf eine Unterschale eines Gehäuses einer elektronischen Baugruppe.
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In 1 ist als Beispiel einer elektronischen Baugruppe 1 eine Ansteuereinheit für ein Induktionskochfeld dargestellt. Die elektronische Baugruppe 1 weist ein erfindungsgemäßes Kühlsystem 20 auf, das einen Lüfter 21 für Luft als Kühlmedium und einen Kühlkörper 22 umfasst. Das Kühlsystem 20 ist zusammen mit einer Leiterkarte 5 der elektronischen Baugruppe 1 in einem Gehäuse 2 untergebracht. Das Kühlsystem 20 erstreckt sich vorzugsweise entlang der gesamten Länge einer Seitenwand 3 des Gehäuses 2.
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An dem Kühlkörper 21 sind elektronische Bauelemente 4a, 4b, insbesondere Halbleiterleistungsbauelemente wie beispielsweise IGFETs (Insulating Gate Field Effect Transistors) angebracht, wobei diese auf einer Montagefläche 23 des Kühlkörpers 22 anliegen.
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Nach dem Stand der Technik sind elektronische Bauelemente, die zur Umsetzung vergleichbar großer Verlustleistungen ausgelegt sind, gleichmäßig beabstandet auf dem Kühlkörper angeordnet. Die den Kühlkörper durchströmende Luft nimmt im Verlauf der Durchströmung in Längsrichtung fortlaufend Wärmeenergie auf und erwärmt sich dadurch. Wenn alle der elektronischen Bauelemente gleichzeitig in Betrieb sind, erwärmt sich die Kühlluft über die Länge des Kühlkörpers und die Temperaturdifferenz zwischen der Kühlluft und den zu kühlenden Bauelementen verringert sich zunehmend, so dass die Kühlwirkung nachlässt. Hierdurch ergibt sich über die Länge des Kühlkörpers ein Temperaturgefälle, wobei die in Richtung der Luftströmung gesehen hinteren Bauelemente deutlich wärmer sind als die vorderen Bauelemente.
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Erfindungsgemäß sind die zu kühlenden elektronischen Bauelemente 4a, 4b unterschiedlich beabstandet auf dem Kühlkörper 22 angeordnet. Dieses ist auch in der Detailzeichnung des Kühlkörpers 22 mit den aufgesetzten zu kühlenden elektronischen Bauelementen 4a, 4b in 2 gut zu erkennen. Die in der Nähe des Lüfters 21 (Einströmbereich) positionierten vorderen Bauelemente 4a haben einen geringeren Abstand untereinander als die hinteren Bauelemente 4b, die sich am vom Lüfter 21 entfernteren Bereich des Kühlkörpers 22 (Ausströmbereich) befinden. Dabei ist vorgesehen, den Abstand der Bauelemente untereinander bei den hinteren Bauelementen 4b im Vergleich zu den vorderen Bauelementen 4a deutlich zu erhöhen. Der Abstand der hinteren Bauelemente 4b kann untereinander um ein Mehrfaches größer sein als der Abstand der vorderen Bauelemente 4a untereinander.
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Im Bereich der vorderen Bauelemente 4a, d.h. im Bereich der kühlen einströmenden Luft, kann der Abstand gegenüber der bisher üblichen Beabstandung hingegen verringert werden, so dass diesen Bauteilen 4a eine verringerte wärmeaustauschende Fläche zur Verfügung steht. Damit erhöht sich für diese Bauelemente 4a ggf. die Betriebstemperatur.
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Im Bereich der hinteren Bauelemente 4b, d.h. im Bereich der ausströmenden Luft wird dem jeweiligen Bauelement 4b eine erhöhte wärmeaustauschende Fläche zur Verfügung gestellt, so dass sich gegenüber einer äquidistanten Anordnung die Betriebstemperatur verringert.
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Dabei kann durch die passende Wahl des Abstandes zwischen den elektronischen Bauelementen 4a, 4b eine nahezu gleiche Betriebstemperatur für alle Bauelemente 4a, 4b erreicht werden. Werden nicht nur identische bzw. identisch belastete Bauelemente 4a, 4b verwendet, sondern Bauelemente, die sich in ihrem Leistungsverbrauch unterscheiden und sich daher bei gleicher Kühlung unterschiedlich aufheizen, so kann ebenfalls entsprechend der Abstand zwischen den einzelnen Bauelementen 4a, 4b optimiert werden. Dabei kann im Rahmen der Erfindung auch vorgesehen sein, die Bauelemente 4a, 4b in einem mittleren Bereich mit einem anderen Abstand untereinander zu positionieren als die Bauelemente im Einström- und Ausströmbereich des Kühlkörpers 22. Ferner kann im Rahmen der Erfindung auch vorgesehen sein, vom Einströmbereich zum Ausströmbereich des Kühlkörpers 22 den jeweiligen Abstand zwischen den einzelnen Bauelementen 4a, 4b von Bauelement zu Bauelement zu vergrößern.
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Durch die erfindungsgemäße Art der Anordnung ist es möglich, den Kühlkörper 22 im Vergleich zum bekannten Stand der Technik kleiner auszulegen, falls für alle elektronischen Bauelemente 4a, 4b eine Betriebstemperatur angestrebt wird, die der Betriebstemperatur des letzten Bauelementes in der Reihe bei einer äquidistanten Anordnung entspricht.
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Es kann aber auch vorgesehen sein, die Größe des Kühlkörpers 22 beizubehalten, um dadurch die Betriebstemperatur der elektronischen Bauelemente 4a, 4b aufgrund einer erhöhten Kühlung insgesamt zu senken, da dies z.B. zu einer Erhöhung der Lebensdauer der Bauelemente 4a, 4b führen kann.
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Die 3a, 3b und 4 zeigen eine vorteilhafte Ausgestaltung des Kühlkörpers 22 für ein erfindungsgemäßes Kühlsystem 20 in einer Schnittdarstellung, einer Detaildarstellung und einer isometrischen Darstellung detaillierter. An der der Montagefläche 23 gegenüberliegenden Seite weist der Kühlkörper 22 Kühlrippen 24 auf, die mit einer profilierten Struktur 25 versehen sind, vorzugsweise mit einer feinwelligen Struktur quer zur Strömungsrichtung der Kühlluft, wie in 4 dargestellt ist. Hierdurch wird die Kühlwirkung weiter erhöht. Es kann aber auch vorgesehen sein, die Kühlrippen 24 mit einem trapezförmigen oder sägezahnförmigen Profil zu versehen. Außerdem können noch, wie in 3b zu erkennen ist, Einprägungen in dem Profil vorgesehen sein, um hierdurch die Oberfläche der Kühlrippen 24 weiter zu vergrößern.
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Bei dem in den 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispiel sind die elektronischen Bauelemente 4a, 4b mit ihren Anschlussbeinchen in die Leiterkarte 5 der elektronischen Baugruppe 1 eingelötet. Der Kühlkörper 22 und die Leiterkarte 5 sind entsprechend unmittelbar nebeneinander angeordnet. Wie in 3 gut zu erkennen ist, weist der Kühlkörper 22 zur Aufnahme der Leiterkarte 5 unterhalb der Montagefläche 23 für die Bauelemente 4a, 4b eine Nut 26 auf, in die die Leiterkarte 5 eingesteckt ist. Die Leiterkarte 5 ist so durch Formschluss mit dem Kühlkörper 22 gegen eine Durchbiegung stabilisiert und gegenüber einer Verschiebung in Richtung des Kühlkörpers 22 festgelegt. Die zu kühlenden Bauelemente können mit Federspangen gegen die Montagefläche 23 des Kühlkörpers 22 gedrückt werden, was einen dauerhaft guten thermischen Kontakt gewährleistet und montagefreundlich ist. Es ist aber auch eine Schraubverbindung denkbar.
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Grundsätzlich wird die Kühlluft zwischen den Kühlrippen 24 des Kühlkörpers 22 geführt und durchströmt den Kühlkörper 22 so der Länge nach. Es kann aber vorgesehen sein, zwischen der seitlich offenen Struktur der Kühlrippen 24 und der Seitenwand 3 des Gehäuses 2 einen Spalt 6 vorzusehen. Ein weiterer Spalt 7 ist zwischen der Oberseite des Kühlkörpers 22 und einem nicht dargestellten oberen Gehäusedeckel vorgesehen. Dieses ist in den 5 und 6 veranschaulicht. Der weitere Spalt 7 zeigt sich dabei in einem Höhenunterschied zwischen dem Lüfter 21, der oben an dem Gehäusedeckel anliegt, und dem Kühlkörper 22.
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Diese Spalte 6, 7 werden erfindungsgemäß gezielt eingesetzt, um Kühlluft aus dem Kühlkörper 22 herauszuleiten und über die Leiterkarte 5 zu führen. Auf diese Weise wird der Lüfter 21 genutzt, um zusätzlich zur Kühlung der elektronischen Bauelemente 4a, 4b weitere Bauelemente auf der Leiterkarte 5 zu kühlen. Dabei kann die Breite des Spaltes 6 entlang der Länge des Kühlkörpers 22 variiert werden, um durch einen gezielten Austritt der Kühlluft eine definierte Kühlung bestimmter Bereiche der Leiterkarte 5 zu bewirken.
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Der Spalt 6 kann durch Vorsprünge 8 oder Ausnehmungen an der Seitenwand 5 als Profil gestaltet werden, beispielweise kaskadenförmig, treppenförmig oder wellenförmig, so dass beispielsweise in einem ersten Bereich mehr Kühlluft austritt als in einem zweiten und dritten Bereich. Die Spaltbreite im ersten Bereich kann beispielsweise eine Breite von 6 mm (Millimetern) aufweisen, während die Spaltbreite im zweiten Bereich beispielsweise nur 4 mm beträgt und im dritten Bereich nur 2 mm. Wie in 5 dargestellt ist, kann hierdurch in Abhängigkeit von dem Leistungsverbrauch der zu kühlenden Bauelemente, z. B. Halbleiterbauelemente, eine gezielte Kühlung in dem jeweiligen Bereich erreicht werden. In der 5 sind resultierende Kühlluftströme 9a, 9b, 9c eingezeichnet, wobei die Breite der die Kühlluftströme 9a, 9b, 9c symbolisierenden Pfeile die unterschiedlich starken Luftströme angibt.
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Auf der der Gehäuseseite 5 gegenüberliegenden Seite des Gehäuses befinden sich Ausblasgitter 10 oder Ausblasschlitze, die entsprechend der durch die Gestaltung des Spalts 6 definierten Kühlluftströme 9a, 9b, 9c angeordnet sind, um ein optimales Austreten der Kühlluft aus dem Gehäuse 2 zu ermöglichen. Die unterschiedliche Dicke der Pfeile soll eine unterschiedliche Stärke der Kühlluftströme 9a, 9b und 9c veranschaulichen.
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Weiterhin kann eine Kühlung der Unterseite der Leiterkarte 5 vorgesehen sein. 6 zeigt einen unteren Gehäuseboden 11 des Gehäuses 2 der elektronischen Baugruppe 1. Ein weiterer nicht näher dargestellter Spalt ist zwischen der Unterseite des Kühlkörpers 22 und dem unteren Gehäuseboden 11 vorgesehen. Zur definierten Führung von Kühlluft sind an dem unteren Gehäuseboden 11 hervorstehende Stege 12 ausgebildet, die die Kühlluft von dem Lüfter 11 an der Unterseite der Leiterkarte 5 leiten und verteilen. Die Stege 12 sind beispielsweise bogenförmig ausgebildet, um die Kühlluft entsprechend zu verteilen.
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Die Leiterplatte 5 ist entweder direkt auf diesen Stegen 12 aufgesetzt, oder es sind separate Abstandhalter vorgesehen, die einen definierten Abstand der Leiterplatte 5 von dem Boden 11 des Gehäuses 2 vorgeben. Der Lüfter 21 ist bevorzugt an der Gehäuseboden 11 anliegend angeordnet, während der Kühlkörper 12 sich auf der Höhe der Leiterkarte 5 befindet. Durch den auf diese Weise gebildeten Spalt zwischen dem Kühlkörper 22 und dem Gehäuseboden 11 strömt ein Teil des vom Lüfter 21 erzeugten Kühlluftstroms in den durch die Stege 12 definierten Spalt zwischen dem Gehäuseboden 11 und der Leiterkarte 5. Durch die Formgebung der Stege 12 wird der Kühlluftstrom gezielt an die Bereiche der Leiterkarte 5 geführt, die eine intensivere Kühlung benötigen.
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Insgesamt ist somit durch eine Optimierung der Anordnung von elektronischen Bauelementen an dem Kühlkörper sowie durch eine Optimierung der Führung der Kühlluft eine gezieltere und wirkungsvollere Kühlung der elektronischen Bauelemente ermöglicht, so dass eine Verringerung des Bauraums des Kühlsystems erzielt werden kann. Insbesondere wird erreicht, dass unterschiedliche Betriebstemperaturen von elektronischen Bauelementen, die durch den Kühlkörper des Kühlsystems gekühlt werden, weitgehend vermieden werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- elektronische Baugruppe
- 2
- Gehäuse
- 3
- Seitenwand
- 4a, 4b
- elektronische Bauelemente
- 5
- Leiterkarte
- 6
- Spalt
- 7
- Spalt
- 8
- Vorsprung
- 9a, 9b, 9c
- Kühlluftstrom
- 10
- Ausblasgitter
- 11
- unterer Gehäuseboden
- 12
- Steg
- 20
- Kühlsystem
- 21
- Lüfter
- 22
- Kühlkörper
- 23
- Montagefläche
- 24
- Kühlrippen
- 25
- profilierte Struktur, bevorzugt mit zusätzlichen Einprägungen
- 26
- Nut, Aufnahme
- 30
- Detail, Bereich einer Kühlrippe des Kühlkörpers
