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Die Erfindung betrifft einen Kühlkörper zum Abtransport von Wärme, welche von einer Wärmequelle erzeugt wurde. Die Erfindung betrifft weiterhin ein System bestehend aus einer Wärmequelle und zumindest einem Kühlkörper.
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Integrierte Halbleiterschaltungen, insbesondere digitale Signalprozessoren, Mikroprozessoren, mathematische Coprozessoren, Digital-Logikschaltkreise, ASIC- oder FPGA-Bausteine und insbesondere diskrete Halbleiterbauelemente, beispielsweise Leistungstransistoren oder Operationsverstärker werden im Folgenden beispielhaft und nicht abschließend als Halbleiterelemente bezeichnet.
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Heutzutage werden große Bemühungen angestellt, diese Halbleiterelemente weiter zu minimieren, einerseits um ihren Platzbedarf in einer Schaltungsanordnung zu verringern sowie andererseits ein Gehäuse, indem das Halbleiterelement eingebracht wird, mit geringeren Abmessungen versehen zu können. In der Folge der Miniaturisierung sinkt die wärmeabgebende Fläche des Halbleiterelements, wohingegen gleichzeitig die Leistungsfähigkeit, insbesondere Rechenzyklen pro Zeiteinheit, Taktraten, maximale Stromaufnahme etc. weiter ansteigt. Dadurch wird das Halbleiterelement zu einer immer größeren Wärmequelle. Um das Halbleiterelement vor Beschädigungen wegen Überhitzung zu schützen, wird zum Abführen der im Halbleiterelement erzeugten Wärmeenergie ein Kühlkörper am Halbleiterelement angeordnet.
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Die vom Halbleiterelement erzeugte Wärmeenergie wird somit über den Kühlkörper abtransportiert, da die wirksame wärmeabgebende Fläche des Halbleiterelements drastisch vergrößert wird. Kühlkörper sind heutzutage weit verbreitet und werden in unterschiedlichen Ausgestaltungen bereitgestellt. Insbesondere werden Kühlkörper mit Kühlfinnen und Kühlstiften ausgestaltet, um die Oberfläche des Kühlkörpers immens zu steigern und somit zwangsläufig die wärmeabgebende Gesamtfläche der Wärmequelle zu vergrößern.
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Aus der
WO 2008/135164 A1 ist beispielsweise bekannt, einen Kühlkörper mit Kühlstiften auszugestalten. Dabei werden auf einem Grundkörper des Kühlkörpers Kühlstifte in Matrixform angeordnet. Den Kühlkörper umströmt ein Kühlfluid, wodurch die von der Wärmequelle erzeugte Wärme abtransportiert wird.
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Kühlkörper werden in der Regel aus Strangpressprofilen hergestellt, um hohe Stückzahlen und adäquate Preise zu ermöglichen.
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Nachteilig an derartigen Kühlkörpern ist die geringere Wärmeübertragung von der Wärmequelle an das Fluid, wenn die Wärmequelle eine vergleichsweise geringe Hauptfläche zur Wärmeabgabe aufweist. Daraus resultiert ein geringerer Wärmeabtransport von der Wärmequelle zum Kühlkörper. Entsprechend muss der Kühlkörper vergrößert werden, wobei insbesondere zu großvolumige Kühlkörper bei mechanischer Belastung mit einem sehr hohen Kippmoment auf die Wärmequelle wirken. Eine Beschädigung der Wärmequelle oder ein Abtrennen der Wärmequelle von einem Substrat sind die Folge. Großvolumige Kühlkörper bedingen weiterhin einen gehemmten Wärmefluss, wodurch ein geringerer Wärmeabtransport an dem der Wärmequelle entgegengesetzten Ende des Kühlkörpers erfolgt.
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Überdies wird mit – aufgrund der Miniaturisierung erfolgten – Verringerung der Hauptfläche der Wärmequelle, an der der Kühlkörper angeordnet wird, die Möglichkeit zum Erhalten einer adäquaten oder vergrößerten Kühloberfläche des Kühlkörpers unmöglich bzw. ist die Anzahl der Kühlfinnen und Kühlstifte stark zu erhöhen, was zu enorm komplexen Kühlkörperaufbauten führt.
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Aufgabe der hiervorliegenden Erfindung ist es, eine möglichst große Kühlleistung mittels luftumströmter Kühlkörper zu erreichen. Dabei soll der Kühlkörper keine übergroßen Dimensionen aufweisen, um bei mechanischen Belastungen nicht die Wärmequelle durch ein zu großes Kippmoment von einem Substrat abzulösen oder zu zerstören. Der Kühlkörper soll einfach herstellbar sein. Insbesondere soll der Kühlkörper verwendbar sein, wenn laminare Kühlfluidströmungen durch Ventilatoren oder Lüfter aufgrund von mangelndem Platzbedarf in einem Gerät oder aufgrund einer Geräuschpegelanforderung nicht eingesetzt werden können.
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Die Aufgabe wird durch einen Kühlkörper gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Darüber hinaus wird die Aufgabe durch ein System gemäß Patentanspruch 12 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den jeweils abhängigen Ansprüchen beschrieben.
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Die Aufgabe wird insbesondere durch einen Kühlkörper zum Abtransport von Wärme, welche von einer Wärmequelle erzeugt wurde, gelöst. Der Kühlkörper weist dazu einen Grundkörper auf. Der Grundkörper umfasst eine erste Oberseite, wobei die erste Oberseite mit einer Wärmequelle wärmegekoppelt ist. An dem Grundkörper sind Kühlfinnen angebracht. Erfindungsgemäß ist der Grundkörper ein offener Hohlkörper, wobei der Hohlkörper an zumindest einer der ersten Oberseite gegenüberliegenden zweiten Oberseite seine Öffnung aufweist.
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Der Kühlkörper ist dabei an der ersten Oberseite des Grundkörpers mit der Wärmequelle wärmegekoppelt. Zur Wärmekopplung wird insbesondere eine Wärmeleitpaste zur Vermeidung von Lufteinschlüssen eingesetzt. Die von der Wärmequelle erzeugte Wärme wird mittels der Kühlkörper von der Wärmequelle abtransportiert und an den Kühlkörper umgebendes und/oder umströmtes Kühlfluid, insbesondere die Umgebungsluft, abgegeben. Unter Wärmekopplung ist insbesondere ein direkter Kontakt zwischen Wärmequelle und erster Oberseite zu verstehen. Alternativ sind Wärmeleitpasten, Wärmekleber, Klemmen und Schrauben vorzusehen.
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Durch die Ausgestaltung des Grundkörpers als offener Hohlkörper wird erfindungsgemäß im Grundkörper des Kühlkörpers eine Kaminwirkung erzeugt. Die von der Wärmequelle abstrahlende Wärme wird durch die Wärmekopplung an den Grundkörper übertragen und mittels der Kaminwirkung schnell an die gesamte Kühloberfläche verteilt bzw. abtransportiert. Durch die Öffnung in der zweiten Oberseite wird eine orthogonale Luftströmung innerhalb des Grundkörpers erwirkt, welche einen erhöhten Wärmeabtransport im Vergleich zu geschlossenen Grundkörpern ermöglicht.
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Feldversuche ergaben, dass der erfindungsgemäße Kühlkörper durch Verwendung eines offenen Hohlkörpers als Grundkörper eine bis zu 20% höhere Kühlleistung aufweist als ein vergleichbarer Standard-Kühlkörper ohne offenen Hohlkörper als Grundkörper.
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Vorzugsweise ist der Grundkörper als Hohlzylinder oder als Kegelstumpf ausgeformt. Speziell diese Formen des Grundkörpers ermöglichen eine gute Kaminwirkung des Hohlkörpers und erhöhen den Wärmeabtransport. Ein Hohlzylinder ermöglicht insbesondere eine verbesserte homogene orthogonale Luftströmung als vergleichbare Grundformen, die einen schnellen Wärmetransport im Inneren des Grundkörpers ermöglichen. Die konkave Ausgestaltung eines Kegelstumpfes wirkt hingegen förderlich für einen schnellen Wärmeabtransport weg von der Wärmequelle. Der Kegelstumpf ist dabei dergestalt, dass die erste Oberseite des Grundkörpers eine geringere Fläche als die zweite Oberseite des Grundkörpers aufweist, sozusagen der Grundkörper von der Wärmequelle weg einen immer größer werdenden Umfang aufweist.
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Bevorzugt weist der Grundkörper an einer Mantelseite zumindest eine zweite Öffnung auf. Als Mantelseite, oder auch Mantelfläche oder Hüllfläche, wird erfindungsgemäß bevorzugt die Oberseite des Grundkörpers verstanden, die durch Rotation eines Graphen einer Funktion um die Achse von der ersten Oberseite zur zweiten Oberseite entsteht. Die zweite Öffnung verstärkt die Kaminwirkung des Grundkörpers und steigert somit die Wärmeabtransportleistung des Kühlkörpers.
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Durch die bevorzugte orthogonale Luftströmung im Inneren des Hohlkörpers entsteht zusätzlich eine Sogwirkung an der zweiten Öffnung, wodurch das Kühlfluid in das Innere des Grundkörpers geleitet wird. Die Kühlleistung eines derartigen Kühlkörpers ist somit wesentlich erhöht.
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Die zweite Öffnung befindet sich vorzugsweise in räumlicher Nähe zur ersten Oberseite, sodass eine maximale Ausdehnung des Grundkörpers für die erfindungsgemäße Kaminwirkung ausgenutzt wird.
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Bevorzugt weist der Grundkörper eine dritte Öffnung an der Mantelseite auf. Durch die dritte Öffnung an der Mantelseite wird die Kühlleistung wesentlich verstärkt. Die Anzahl der Öffnungen in der Mantelfläche ist dabei erfindungsgemäß nicht beschränkt.
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In einer vorteilhaften bevorzugten Ausgestaltung sind die angebrachten Kühlfinnen radial um den Grundkörper angeordnet. Die Kühlfinnen sind voneinander beabstandet. Die Kühlfinnen transportieren so die Wärme gleichmäßig vom Grundkörper ab und ermöglichen eine homogene Wärmeverteilung im gesamten Kühlkörper. Die Kühlleistung des Kühlkörpers ist dadurch weiter erhöht. Überdies wird damit ein optimales Verwirbeln des Kühlfluids auch bei sehr geringer Durchströmung ermöglicht. Durch das Verwirbeln verbleibt das Kühlfluid eine entsprechende Verweildauer in räumlicher Nähe zum Kühlkörper, um die vom Kühlkörper abgestrahlte Wärme aufzunehmen und somit einen Kühleffekt zu erwirken.
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Mit der radialen Anordnung der Finnen wird überdies eine omnidirektionale Funktionalität des Kühlkörpers erwirkt, sodass eine Ausrichtung des Kühlkörpers in eine Kühlfluidströmung unnötig wird.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung sind die angebrachten Kühlfinnen in unterschiedlichen Ebenen des Grundkörpers angeordnet, wobei die Kühlfinnen einer Ebene beabstandet voneinander radial angeordnet sind und wobei Kühlfinnen unterschiedlicher Ebenen beabstandet voneinander sind. Das Beabstanden der Kühlfinnen einer Ebene wird insbesondere durch Einkerbungen ermöglicht, welche einen definierten Abstand zwischen den Kühlfinnen definieren. Der Abstand der Kühlfinnen unterschiedlicher Ebenen weist dazu einen zweiten Abstand auf. Durch die Beabstandung der Kühlfinnen wird die Abgabe der Wärme an das den Kühlkörper umgebende Fluid aufgrund von Verwirbeln der Fluidmassen verbessert und somit die Kühlleistung wesentlich erhöht.
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Aufgrund der bevorzugten Beabstandung der Kühlfinnen untereinander und auch der unterschiedlichen Ebenen wird ein optimales Verwirbeln des Kühlmediums, insbesondere eines Kühlfluids auch bei sehr geringer Durchströmung ermöglicht. Dies hat den Vorteil, dass der Kühlkörper nicht mit einer laminaren Luftströmung angeströmt werden muss, um einen effektiven Wärmeabtransport zu ermöglichen. Auf die Verwendung von Ventilatoren oder Lüftern zur Erzeugung einer laminaren Luftströmung für ein vorbeiströmendes Kühlfluid kann daher verzichtet werden.
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Schlussfolgernd wird eine Kühlleistung energieeffizienter ermöglicht. Soll eine Kühlleistung ohne laminar angeströmtes Kühlfluid erfolgen, beispielsweise um einen Geräuschpegel eines Geräts so gering wie möglich zu halten, können nunmehr diese erfindungsgemäßen Kühlkörper verwendet werden. Derartige Vorgaben der Geräuschreduzierung sind insbesondere im Home-Entertainment-Bereich oder bei Akustikmessgeräten gegeben.
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Insbesondere ist bei der Ausrichtung der Kühlfinnen eine Hauptseite der Kühlfinnen bevorzugt parallel zur ersten Oberseite.
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Bevorzugt ist die vom Grundkörper wegweisende Außenseite der Kühlfinnen zumindest teilweise konkav ausgeformt. Das konkave Ausformen führt zu einer Oberflächenvergrößerung, die zu einer vergrößerten Kühlleistung des Kühlkörpers führt. Die Außenseite der jeweiligen Kühlfinnen ist bevorzugt vollständig konkav ausgeformt, um eine Maximierung der Kühlleistung zu ermöglichen.
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Der Grundkörper ist in einer bevorzugten Ausgestaltung schichtförmig aufgebaut, wobei jede Schicht des Grundkörpers radial angeordnete Kühlfinnen aufweist. Ein derartiger Grundkörper ist leicht herzustellen und kann individuell an die jeweilige Wärmequelle angepasst werden. Es ist eine einfache adaptive Montage mit einem derartigen Kühlkörper möglich. Die einzelnen Schichten sind dabei insbesondere von der Anzahl nahezu beliebig skalierbar.
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Bevorzugt werden die Oberflächen der Kühlfinnen mit zunehmendem Abstand von der ersten Oberseite des Grundkörpers größer.
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Bevorzugt nimmt der Anteil einer Konkavität der vom Grundkörper wegweisenden Außenseite der Kühlfinnen mit zunehmendem Abstand von der ersten Oberseite des Grundkörpers zu. Ein derartiger Grundkörper ist sehr leicht herzustellen. Insbesondere wenn die Kühlfinnen unterschiedlicher Ebenen übereinander nicht versetzt angeordnet sind, kann mittels Fräsung für alle Kühlfinnen einer Seite sehr einfach die entsprechende Konkavität hergestellt werden. Die Konkav-Strukturen können insbesondere in den benötigten Größen gefräst werden, wodurch eine vereinfachte Herstellung des Kühlkörpers ermöglicht ist.
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Bevorzugt weist die erste Oberseite des Grundkörpers eine planparallele Oberfläche auf, wobei diese Oberfläche einem genormten Chipgehäuse der Wärmequelle entspricht. Die erste Oberseite des Grundkörpers ist dabei insbesondere unabhängig von der Kühlfinnenstruktur und dient als stabiler Träger für die bevorzugt radial angeordneten Kühlfinnen.
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Grundsätzlich unterscheidet man bedrahtete Gehäuse, auch als Durchsteckelement oder englisch Through Hole Device bezeichnet, und Gehäuse für Oberflächenmontage, kurz SMT von englisch Surface Mounted Technology beziehungsweise SMD von englisch Surface Mounted Device. Dabei werden insbesondere Bezeichnungen wie DO für Diode Outline, TO für Transistor Outline, SIP für Single Inline Package oder DIP für Dual Inline Package als Gehäusebezeichnungen für Durchsteckelemente verwendet. Dahingegen werden SOT für Small Outline Transistor, DFP für Dual Flat Pack, SOP für Small Outline Package als Gehäusebezeichnungen für oberflächenmontierte Halbleiterelemente verwendet. Dahingegen werden LGA für Land Grid Array, PGA für Pin Grid Array und BGA für Ball Grid Array als Gehäusebezeichnungen für substratbasierte Gehäuseformen verwendet.
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Insbesondere ist hier das sogenannte SO-Gehäuse verwendet, sodass die erste Oberseite des Grundkörpers die Abmessungen eines SO-Gehäuses aufweist, welches für Halbleiterelemente wie Leistungstransistoren oder Operationsverstärker üblicherweise verwendet wird. Mit einer derartigen planparallelen Oberfläche ist eine Wärmekopplung zwischen Wärmequelle und Kühlkörper in idealer Weise erzeugt.
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Durch einen derartigen Kühlkörper wird eine Reihe von Vorteilen erzielt. Einerseits wird durch die Ausgestaltung eines Hohlkörpers ermöglicht, dass der Kühlkörper eine geringere Gesamthöhe als Kühlkörper ohne Hohlkörper für gleiche Kühlleistungen aufweisen kann. Durch die verringerte Höhe des Kühlkörpers wird ein auf die Wärmequelle wirkendes Kippmoment bei mechanischer Belastung drastisch reduziert und somit die Lebensdauer wesentlich verlängert. Es ist eine universelle Anpassung an beliebige Kühlflansche ermöglicht. Es können mit dem erfindungsgemäßen Kühlkörper wesentlich kleinere Hauptflächen von Wärmequellen effektiv gekühlt werden. Eine Erhöhung der Kühloberfläche des Kühlkörpers, also ein sogenanntes Auffächern, kann in geringer Distanz zum Bauteilflansch erfolgen.
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Erfindungsgemäß ist weiterhin ein System bestehend aus einer Wärmequelle und zumindest einem Kühlkörper bevorzugt. Dabei ist die Wärmequelle ein Halbleiterelement und das Halbleiterelement ist auf einer ersten Oberseite eines Substrats montiert. Der Kühlkörper ist wärmegekoppelt auf der Wärmequelle angeordnet. In dieser Weise lässt sich eine direkte Wärmeabfuhr von einer auf einem Substrat befindlicher Wärmequelle, insbesondere einer Leiterplatine, ermöglichen.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung sind die erste Wärmequelle und zumindest eine zweite Wärmequelle auf der ersten Oberseite des Substrats angeordnet, wobei der Kühlkörper wärmegekoppelt auf der ersten Wärmequelle angeordnet ist und wobei die zweite Wärmequelle derart angeordnet ist, dass der Kühlkörper die von der zweiten Wärmequelle erzeugte Wärme über eine indirekte Wärmekopplung mit dem Kühlkörper ebenfalls mit abtransportiert. Durch ein derartiges System ist erreicht, dass Wärmequellen, die nicht zwingend einen Kühlkörper benötigen, um eine Funktionalität zu erfüllen, mittels des in der Nähe angebrachten Kühlkörpers mit herunter gekühlt werden.
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Vorzugsweise ist eine weitere Wärmequelle auf einer der ersten Oberseite des Substrats gegenüberliegenden zweiten Oberseite des Substrats angeordnet, wobei ein zweiter Kühlkörper wärmegekoppelt auf der weiteren Wärmequelle angeordnet ist. Somit ist eine Wärmeabfuhr mittels Kühlkörper ermöglicht, die beidseitig auf einem Substrat vorhanden ist.
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Nachfolgend wird anhand von Figuren die Erfindung bzw. weitere Ausführungsformen und Vorteile der Erfindung näher erläutert, wobei die Figuren lediglich Ausführungsbeispiele der Erfindung beispielhaft beschreiben. Gleiche Bestandteile in den Figuren werden mit gleichen Bezugszeichen versehen. Die Figuren sind nicht als maßstabsgetreu anzusehen, es können einzelne Elemente der Figuren übertrieben groß bzw. übertrieben vereinfacht dargestellt sein.
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Es zeigen:
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1 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kühlkörpers in dreidimensionaler Ansicht,
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2 den erfindungsgemäßen Kühlkörper gemäß 1 in einer Draufsicht,
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3 eine Seitenansicht des in 1 und 2 dargestellten erfindungsgemäßen Kühlkörpers,
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4 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Systems im Querschnitt,
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5 ein zu 4 alternatives Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Systems im Querschnitt,
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6 eine Weiterbildung des erfindungsgemäßen Systems gemäß 5 und
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7 eine 3-D Ansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Systems.
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In 1 ist ein erfindungsgemäßer Kühlkörper 1 in dreidimensionaler Ansicht dargestellt. Der Kühlkörper 1 weist einen Grundkörper 2 auf. Wie aus 3 ersichtlich ist, ist der Grundkörper 2 als Hohlzylinder 21 ausgeformt. Der Grundkörper 2 weist eine erste Oberseite 23 auf, mit der der Kühlkörper 1 an einer – hier nicht dargestellten – ersten Wärmequelle 4 wärmegekoppelt angeordnet ist. Der Grundkörper 2 ist ein offener Hohlkörper. Der Grundkörper 2 weist eine zweite Oberseite 24 auf. Der Grundkörper 2 weist eine erste Öffnung 26 in der zweiten Oberseite 24 auf. Weiterhin weist der Grundkörper 2 eine Mantelseite 25 auf. Die Mantelseite 25 weist eine zweite Öffnung 27 in räumlicher Nähe zur ersten Oberseite 23 auf. Der Grundkörper 2 weist an der Mantelseite 25 eine dritte Öffnung 28 auf. Die dritte Öffnung 28 ist im unteren Drittel des Grundkörpers 2 angeordnet. Aufgrund der Ausgestaltung des Grundkörpers 2 als offener Hohlkörper und Einbringen der zweiten Öffnung 27 sowie der dritten Öffnung 28 wird in dem Grundkörper 2 eine orthogonale Luftströmung erwirkt, da der Grundkörper 2 wie ein Kamin wirkt.
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Die zweite Öffnung 27 und die dritte Öffnung 28 ermöglichen eine Sogwirkung, die ein den Kühlkörper 1 umgebendes Kühlfluid, beispielsweise die Umgebungsluft, dazu veranlassen, in den Innenbereich des Hohlzylinders 21 des Grundkörpers 2 einzuströmen. Aufgrund der orthogonalen Luftströmung im Grundkörper 2 wird eine höhere Menge von Kühlfluid dazu veranlasst, einen Wärmeabtransport einer – hier nicht dargestellten – Wärmequelle 4 zu ermöglichen. Die Kühlleistung eines derartigen Kühlkörpers 1 ist wesentlich erhöht im Vergleich zu gleichartig ausgestalteten Kühlkörpern, die keinen offenen Hohlkörper als Grundkörper 2 aufweisen und überdies keine zweite Öffnung 27 oder dritte Öffnung 28 aufweisen.
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Der Grundkörper 2 weist überdies Kühlfinnen 3 auf. Die Kühlfinnen 3 sind in unterschiedlichen Ebenen 29 radial um den Grundkörper 2 angeordnet. Die Kühlfinnen 3 einer Ebene 29 sind mittels Einkerbungen voneinander im Abstand 31 beabstandet. Derartige Einkerbungen sind für alle Ebenen 29 gleichzeitig sehr einfach mittels Fräsungen realisierbar und erhöhen überdies die Gesamtoberfläche des Kühlkörpers 1. In der Summe wird somit eine Vergrößerung der wärmeabgebenden Gesamtfläche einer Wärmequelle 4 erzielt, wodurch ein erhöhter Wärmeabtransport und eine erhöhte Kühlleistung des Kühlkörpers 1 erzielt ist. Überdies weisen die Kühlfinnen 3 in unterschiedlichen Ebenen 29 einen Abstand 32 zueinander auf.
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Zumindest ein Teil der Kühlfinnen 3 weist zumindest teilweise eine konkave Außenseite 33 auf. Die Konkavität 34 einer jeden Außenseite 33 einer Kühlfinne 3 kann dabei unterschiedlich ausgestaltet sein. Wie in gemäß 1 dargestellt, sind die Kühlfinnen 3 der ersten und zweiten Ebene 29 mit einer vollständig ausgeformten Konkavität 34 der Außenseite 33 ausgestaltet, wohingegen die dritte und vierte Ebene 29 des Kühlkörpers 1 Kühlfinnen 3 aufweist, die lediglich eine teilweise Konkavität 34 aufweisen. Derartige Konkavitäten 34 können vereinfacht durch Fräsen oder Bohren erzielt werden, wodurch der Kühlkörper 1 wesentlich vereinfacht herstellbar ist.
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Insgesamt weist der Kühlkörper 1 gemäß 1 fünf Ebenen 29 auf. Jede Ebene 29 umfasst dabei eine radiale Kühlfinnenstruktur um den Grundkörper 2. Überdies weist der Grundkörper 2 eine erste Oberseite 23 auf, die planparallel ausgestaltet ist und den Grundmaßen eines SO-8 Gehäuses entspricht.
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Es ist vorgesehen, den Kühlkörper 1 schichtförmig aufzubauen, wobei die Anzahl der Schichten 29 adaptiv an die jeweilige Wärmequelle 4 angepasst wird, um eine effiziente Kühlleistung zu ermöglichen und den Kühlkörper 1 nicht über eine bestimmte Größe hinaus auszugestalten.
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In 2 ist der erfindungsgemäße Kühlkörper 1 gemäß 1 in Draufsicht dargestellt. Zur Vermeidung von Wiederholungen wird insbesondere auf die Besonderheiten der 2 eingegangen. Die zweite Oberseite 24 ist mit der ersten Öffnung 26 dargestellt.
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Weiterhin sind die radial um den Grundkörper 2 angeordneten Kühlfinnen 3 dargestellt. Die Kühlfinnen 3 weisen einen Abstand 31 untereinander auf. Der Abstand 31 zwischen den einzelnen Kühlfinnen 3 wurde mittels Einkerbungen erhalten. Die Einkerbungen lassen sich insbesondere durch Fräsung herstellen und sind somit sehr einfach herstellbar. Die Kühlfinnen 3 weisen eine Außenseite 33 auf, die von dem Grundkörper 2 weg weist. Die Kühlfinnen 3 der obersten Schicht 29 sind dabei vollständig konkav ausgebildet. Mittels einer derartigen Ausgestaltung der Kühlfinnen ist eine Oberflächenvergrößerung erzielt, die einen erhöhten Wärmeabtransport sicherstellen.
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In 3 ist eine Seitendarstellung des erfindungsgemäßen Kühlkörpers 1 gemäß 1 dargestellt. Zur Vermeidung von Wiederholung wird nur auf Besonderheiten der 3 eingegangen. Zu erkennen ist, dass der Grundkörper 2 eine zylindrische Grundform 21 aufweist. Mittels einer zylindrischen Form 21 ist ein Grundkörper 2 erzielt, der eine erhöhte Kaminwirkung aufgrund der ersten Öffnung 26 (hier nicht dargestellt) und der zweiten Öffnung 27 aufweist. Die Kaminwirkung ist insbesondere durch eine orthogonale Luftströmung im Inneren des Grundkörpers 2 erzielt, die aufgrund der Ausgestaltung des Grundkörpers 2 als Hohlkörper erwirkt ist. Überdies ist der Abstand 32 zwischen den einzelnen Finnen 3 dargestellt. Der Abstand 32 kann zum Abstand 31 unterschiedlich sein.
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Der Kühlkörper 1 gemäß den 1 bis 3 weist eine ca. 20% höhere Kühlleistung als ein außenvolumenvergleichbarer Kühlkörper ohne offenen Grundkörper 2 auf. Aufgrund der erfindungsgemäßen Kühlfinnenstruktur weist der erfindungsgemäße Kühlkörper 1 überdies ca. 20% mehr Oberfläche als ein außenvolumenvergleichbarer Kühlkörper mit einer linearen Kühlfinnenstruktur auf. Mittels des erfindungsgemäßen Kühlkörpers 1 wird ein homogener Wärmeabtransport von der Wärmequelle 4 ermöglicht. Dabei kann auf eine laminare Anströmung eines Kühlfluids verzichtet werden, aufgrund der omnidirektionalen Funktionalität des Kühlkörpers 1 ist ein Wärmeabtransport in alle Richtungen gleich.
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In 4 ist ein Querschnitt eines erfindungsgemäßen Systems bestehend aus einem Substrat 7, einer ersten Wärmequelle 4 sowie eines Kühlkörpers 1 gemäß den 1 bis 3 dargestellt. Das Substrat 7 weist eine erste Oberseite 71 auf. Auf der ersten Oberseite 71 ist eine Wärmequelle 4 angeordnet.
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Die Wärmequelle 4 ist insbesondere ein oberflächenmontiertes Halbleiterelement, insbesondere ein Leistungstransistor oder ein Operationsverstärker im Gehäuseformat SO-8. Aufgrund der hohen Wärmeleistung, die die erste Wärmequelle 4 erzeugt, ist eine Kühlung der ersten Wärmequelle 4 unbedingt erforderlich. Dazu ist ein Kühlkörper 1 vorgesehen, der mittels der Wärmekopplung 8 mit der ersten Wärmequelle 4 wärmegekoppelt ist. Die Wärmekopplung 8 ist insbesondere mittels einer Wärmeleitpaste oder eines Wärmeleitklebers erwirkt. Alternativ ist der Kühlkörper 1 mechanisch mittels Schrauben oder Klemmen auf der ersten Wärmequelle 4 fixiert.
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Aufgrund der erhöhten Kühlleistung des erfindungsgemäßen Kühlkörpers 1 kann die Höhe des Kühlkörpers 1 geringer sein, sodass gemäß 4 lediglich vier Schichten 29 des Kühlkörpers 1 vorgesehen sind, um eine effektive Kühlung der ersten Wärmequelle 4 zu ermöglichen. Bei mechanischer Beanspruchung des Kühlkörpers 1 wirkt aufgrund der geringeren Höhe in vorteilhafter Weise ein geringeres Kippmoment auf die erste Wärmequelle 4, wodurch diese nicht vom Substrat 7 abgetrennt oder gar zerstört werden kann. Eine erhöhte Lebensdauer des erfindungsgemäßen Systems ist somit erzielt. Zur Anpassung der Höhe des Kühlkörpers 1 ist dieser Kühlkörper 1 bevorzugt schichtförmig aufgebaut. Die Schichten 29 können dabei adaptiv an die jeweilige Wärmequelle 4 angepasst werden.
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In 5 ist ein alternatives Ausführungsbeispiel zum System gemäß 4 dargestellt. Im Unterschied zu 4 ist der Grundkörper 2 nicht kegelstumpfförmig, sondern zylindrisch ausgestaltet. Überdies ist die erste Wärmequelle 4 mit einer größeren Hauptfläche versehen. Die erste Wärmequelle 4 der 5 ist anstelle der ersten Wärmequelle 4 der 4 nicht mit einem SO-8 sondern mit einem SO-12 Gehäuse ausgestattet. Damit ist die Hauptfläche der ersten Wärmequelle 4 gemäß 5 größer. Dies führt zu einer großflächigeren Wärmeabgabe. Durch Ausgestaltung der ersten Oberseite 23 in Form des Gehäuses kann der Kühlkörper 1 weniger Schichten 29 aufweisen, um die benötigte Kühlleistung zu erzielen. Der Kühlkörper 1 gemäß 5 weist daher lediglich drei Schichten 29 auf.
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Überdies sind die Kühlfinnen 3 des Kühlkörpers 1 gemäß 5 mit einer größeren Hauptfläche versehen. Auf der ersten Oberseite 71 des Substrats 7 sind neben der ersten Wärmequelle 4 noch zwei zweite Wärmequellen 5 dargestellt. Die zweiten Wärmequellen 5 weisen dabei keinen eigenen Kühlkörper 1 auf. Die Kühlung der zweiten Wärmequellen 5 erfolgt dabei indirekt über den Kühlkörper 1. Auf diese Weise ist eine effiziente Kühlung sowohl der ersten Wärmequelle 4 als auch der zweiten Wärmequelle 5 ermöglicht, wohingegen eine ideale Platzausnutzung auf dem Substrat 7 erfolgt. Alternativ zu 5 sind die erste Wärmequelle 4 und die weitere Wärmequelle 6 mit einem SO-8 Gehäuse ausgestattet, wodurch die Kühlkörper 1, 1‘ vier Schichten 29 aufweisen.
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In 6 ist eine Weiterbildung des in 5 dargestellten erfindungsgemäßen Systems gezeigt. Dabei weist das Substrat 7 neben einer ersten Oberseite 71 eine zweite Oberseite 72 auf, die mit oberflächenmontierten zweiten Wärmequellen 5 und einer weiteren Wärmequelle 6 versehen ist. Die weitere Wärmequelle 6 ist mit einem weiteren Kühlkörper 1‘ wärmegekoppelt. Auf diese Weise ist erfindungsgemäß ein platzsparendes System erhalten.
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In 7 ist eine Draufsicht auf ein erfindungsgemäßes System gemäß 6 gezeigt. Dabei ist erkennbar, dass das Substrat 7 beispielsweise eine Leiterplatine ist, auf der eine Vielzahl von ersten Wärmequellen 4 angeordnet ist. Jede der ersten Wärmequellen 4 ist mit einem erfindungsgemäßen Kühlkörper 1 wärmegekoppelt. Aufgrund der Ausgestaltung des Kühlkörpers 1 mit einem Grundkörper 2 als offenen Hohlkörper ist eine orthogonale Luftströmung innerhalb des Grundkörpers 2 erzielt, wodurch ein idealer Wärmeabtransport und eine verbesserte Kühlleistung ermöglicht sind. Überdies sind zweite Wärmequellen 5 vorgesehen, deren Wärme indirekt durch die benachbarten Kühlkörper 1 mit abtransportiert wird. Eine derartige Platine als Substrat 7 ist beispielsweise in einem Unterhaltungsendgerät installiert. In einem derartigen Gerät sollen die Verwendung von geräuschpegelintensiven Ventilatoren oder Lüftern als Laminarströmungserzeuger für ein Kühlfluid vermieden werden. Mittels der erfindungsgemäßen Kühlkörper 1 kann auf derartige Ventilatoren innerhalb eines derartigen Geräts verzichtet werden, wodurch der Geräuschpegel drastisch reduziert ist.
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Im Rahmen der Erfindung können alle beschriebenen und/oder gezeichneten und/oder beanspruchten Elemente beliebig miteinander kombiniert werden. Insbesondere ist vorgesehen, den erfindungsgemäßen Kühlkörper in einem erfindungsgemäßen System einzusetzen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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