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Die Erfindung betrifft einen Kühlkörper zur Entwärmung eines wärmeproduzierenden Bauteils. Ein wärmeproduzierendes Bauteil kann in diesem Zusammenhang beispielsweise ein leistungselektronisches System, ein Transformator oder eine dynamoelektrische Maschine sein.
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Kühlkörper für derartige Anwendungszwecke bestehen üblicherweise aus einem gut wärmeleitfähigen Metall wie Aluminium oder Kupfer. Die gute Wärmeleitfähigkeit dieser Metalle geht mit einer guten elektrischen Leitfähigkeit einher. Dies kann insbesondere bei mit Wechselstrom betriebenen Anwendungen hoher Leistung problematisch sein. In diesen Anwendungsfällen besteht die Gefahr, dass Wirbelströme in die Kühlkörper induziert werden, die zu Verlustleistung führen.
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Um diese Wirbelstromverlusten zu vermeiden, werden insbesondere in der Leistungselektronik zur Entwärmung von Bauteilen Kühlkörper aus keramischen Werkstoffen wie Aluminiumoxid und Aluminiumsnitrit eingesetzt. Diese Werkstoffe verfügen trotz ihrer guten Wärmeleitfähigkeit über einen hohen spezifischen elektrischen Widerstand. Nachteilhaft an diesen Werkstoffen ist ihr vergleichsweise hoher Preis.
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Beispielsweise aus der
DE 10 2013 201758 A1 ist es bekannt, Kunststoffe mit wärmeleitfähigen Füllstoffen zu verwenden, um eine gute Wärmeleitfähigkeit mit elektrisch isolierendem Material zu gewährleisten. In der hier zitierten Schrift wird dieses Material zur verbesserten Entwärmung um einen Statorkörper einer elektrischen Maschine angeordnet.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen kostengünstigen und Kühlkörper mit geringer Masse und guter Wärmeleitfähigkeit bei gleichzeitig guten elektrischen Isolationseigenschaften zur Verfügung zu stellen.
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Diese Aufgabe wird durch einen Kühlkörper mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Ein derartiger Kühlkörper umfasst eine Multilayer-Platine mit einer Vielzahl von Layern, auf denen eine Vielzahl voneinander elektrisch isolierter Leiterbahnen angeordnet sind, wobei sämtliche Leiterbahnen als offene Leiterbahn ausgebildet sind, die keinen geschlossenen Stromkreis ermöglicht, wobei die Leiterbahnen eines jeden Layers jeweils mindestens einen Leiterbahnabschnitt aufweisen, der vertikal in teilweiser Überdeckung mit mindestens einem Leiterbahnabschnitt einer Leiterbahn eines benachbarten Layers angeordnet ist, wobei die in teilweiser Überdeckung angeordneten Leiterbahnen entweder einen unterschiedlichen Richtungsverlauf aufweisen oder richtungsgleich verlaufen und einen lateralen Versatz zueinander aufweisen.
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Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind den abhängigen Patentansprüchen zu entnehmen.
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Durch die erfindungsgemäße teilweise Überdeckung der Leiterbahnen zweier benachbarter Layer wird der Wärmetransport durch die Multilayer-Platine in vertikaler Richtung begünstigt. Lateral muss ein Mindestisolationsabstand zwischen den auf einem Layer angeordneten Leiterbahnen eingehalten werden, um die gewünschte elektrische Isolationsfestigkeit zu gewährleisten. Dennoch kann eine gute Wärmeleitung in laterale Richtung dadurch erzielt werden, dass die Wärme zunächst in vertikaler Richtung transportiert wird. Dies wird durch die teilweiser Überdeckung der Leiterbahnen benachbarter Layer ermöglicht.
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Gemäß einer ersten Alternative der Erfindung verlaufen die in teilweiser vertikaler Überdeckung zueinander angeordneten Leiter der benachbarten Layer in unterschiedlichen Richtungen. Dies ermöglicht eine laterale Ausbreitung der zwischen den Leitern zunächst vertikal ausgetauschten Wärmemenge.
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Gemäß einer zweiten Alternative der Erfindung wird dies auch bei richtungsgleich verlaufenden Leitern ermöglicht, in dem die in teilweiser Überdeckung angeordneten Leiter zweier unterschiedlicher benachbarter Layer einen lateralen Versatz zueinander aufweisen.
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Dadurch, dass die Leiterbahnen als offene Leiterbahnen ausgebildet sind, die keinen geschlossenen Stromkreis ermöglichen, können Wirbelstromverlusten innerhalb des Kühlkörpers vermieden werden.
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Vorzugsweise ist die Multilayer-Platine auf Basis eines elektrisch nicht leitenden Trägermaterials aus glasfaserverstärktem Epoxidharz aufgebaut. Ein solches Material stellt beispielsweise das in der Platinenherstellung häufig verwendete FR-4 dar. Im Vergleich zu einem herkömmlichen Kühlkörper aus Aluminium oder Kupfer kann durch die Verwendung einer derartigen Multilayer-Platine als Kühlkörper deutlich Gewicht eingespart werden.
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Vorzugsweise werden die Leiterbahnen der verschiedenen Layer so angeordnet, dass zwischen ihnen eine gute Überdeckung entsteht. Dies kann in vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung dadurch realisiert werden, dass die Leiterbahnen auf jedem Layer als parallel verlaufende Streifen ausgebildet sind, deren Verlauf bei zwei benachbarten Layern um 90° versetzt zueinander angeordnet sind. Der Überdeckungsbereich zweier vertikal benachbarter Leiterbahnen stellt bei dieser Ausführungsform einen Kreuzungspunkt der Leiterbahnen dar.
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Alternativ kann eine gute Überdeckung zwischen den Leiterbahnen der unterschiedlichen Layer realisiert werden, indem alle Leiterbahnen streifenförmig ausgebildet sind und richtungsgleich verlaufen und die parallel zueinander angeordneten Leiterbahnen eines jeden Layers einen lateralen Versatz zu den parallel zueinander angeordneten Leiterbahnen eines benachbarten Layers aufweisen. Die hieraus resultierende schindelförmige Überdeckung der Leiterbahnen ermöglicht über die komplette Erstreckung eines jeden Streifens einen Wärmeübergang zu der oder den vertikal benachbarten Leiterbahnen.
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Selbstverständlich sind auch andere nicht streifenförmig ausgerichtete Leiterbahnen im Rahmen der Erfindung denkbar, die einen lateralen Wärmetransport innerhalb der Multilayer-Platine über jeweils zwei benachbarten Layer durch geeignete Anordnung der beteiligten Leiterbahnen ermöglichen. So ließe sich beispielsweise auch durch eine geschlängelte Leiterbahnführung der gewünschte Effekt erzielen, solange gewährleistet ist, dass die Leiterbahnen entweder richtungsverschieden in den verschiedenen Layer angeordnet sind oder aber einen lateralen Versatz zueinander aufweisen. Ferner ist auch bei einer derartigen Ausgestaltung der Leiterbahnen stets darauf zu achten, dass keine geschlossenen Leiterschleifen gebildet werden.
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Der Wärmeübergang zwischen den Leiterbahnen der unterschiedlichen Layer kann in weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung durch thermisch leitfähige VIAs verbessert werden, die Leiterbahnen verschiedener Layer miteinander verbinden. Bei diesen thermisch leitfähigen VIAs handelt es sich vorzugsweise um thermisch und elektrisch leitende Verbindungen zwischen den Leiterbahnen benachbarter Layer. Zur Vermeidung von Wirbelstromverlusten ist es bei dieser Ausführungsform vorteilhaft, die thermisch leitfähigen VIAs derart anzuordnen, dass durch die Verbindung der Leiterbahnen keine geschlossenen Leiterschleifen entstehen.
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Die Wärmeleitfähigkeit des Kühlkörpers hängt entscheidend davon ab, wie hoch der Leiterbahnanteil innerhalb der Multilayer-Platine ist. Andererseits ist es jedoch für den Wirkungsgrad des zu entwärmenden Systems essenziell, Wirbelstromverlusten innerhalb des Kühlkörpers zu vermeiden. Ein hoher Kupferanteil bei gleichzeitiger Unterdrückung von Wirbelstromverlusten lässt sich unter Einhaltung des notwendigen Isolationsabstandes dadurch erzielen, dass in vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung die Leiterbahnen in vertikaler Richtung weniger als 3 mm, vorzugsweise weniger als 1 mm breit sind.
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Um den Wärmeübergang zwischen den Leiterbahnen zu ermöglichen, hat sich eine Ausführungsform der Erfindung als vorteilhaft erwiesen, bei der der Isolationsabstand zwischen den Leiterbahnen weniger als 150 µm beträgt.
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Ein Kühlkörper gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeichnet sich durch ähnlich gute Wärmeleitungseigenschaften aus wie herkömmliche Kühlkörper aus Materialien wie Kupfer, Aluminium, Magnesium oder Stahl. Im Vergleich zu derartigen Kühlkörpern, die häufig im Bereich der Leistungselektronik oder zur Kühlung elektrischer Maschinen eingesetzt werden, ermöglicht die Erfindung eine deutliche Gewichtsreduktion. Darüber hinaus kann vermieden werden, dass sich innerhalb des Kühlkörpers Wirbelströme ausbilden, die den Wirkungsgrad des zu kühlenden Systems reduzieren. Somit kann die Erfindung vorteilhaft auch als Kühlkörper für eine dynamoelektrische Maschine zur Entwärmung einer Statorwicklung der dynamoelektrischen Maschine eingesetzt werden.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert.
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Es zeigen:
- 1: Eine erste Ausführungsform eines als Multilayer-Platine ausgeführten Kühlkörpers und
- 2: Eine zweite Ausführungsform eines als Multilayer-Platine ausgeführten Kühlkörpers.
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1 zeigt eine erste Ausführungsform eines als Multilayer-Platine ausgeführten Kühlkörpers. Dargestellt ist ein Querschnitt der Multilayer-Platine. Die Multilayer-Platine umfasst drei übereinander geschichtete Einzelplatinen, die jeweils an ihrer Oberseite und an ihrer Unterseite Leiterbahnen 1-6 tragen. Die zuoberst angeordnete Einzelplatine trägt auf ihrer Oberseite Leiterbahnen 1, die streifenförmig in Richtung der Zeichenebene ausgerichtet sind. An der Unterseite dieser obersten Platine befinden sich weitere Leiterbahnen 2, die ebenfalls streifenförmig verlaufen. Diese weiteren Leiterbahnen 2 sind um 90° versetzt zu den Leiterbahnen 1 an der Oberseite der Platine angeordnet. Infolgedessen umfasst jede der Leiterbahnen 1 an der Oberseite einen Abschnitt, der vertikal in Überdeckung mit einem Leiterbahnabschnitt der Leiterbahnen 2 an der Unterseite dieser Einzelplatine angeordnet ist. Aufgrund des sehr geringen Isolationsabstandes zwischen den übereinanderliegenden Leiterbahnabschnitten ist ein Wärmeübergang zwischen den Leiterbahnabschnitten im Überdeckungsbereich sehr gut möglich.
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Unterhalb der zuoberst angeordneten Einzelplatinen befinden sich zwei weitere Platinen, die in gleicher Weise wie die oberste Platine mit streifenförmig in Leiterbahnen 3, 4, 5, 6 an ihrer jeweiligen Ober- und Unterseite bestückt sind.
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Sämtliche Leiterbahnen 1-6 beginnen und enden im isolierenden Substrat. D. h., sie bilden keine geschlossenen Leiterbahnen, die einen Stromfluss ermöglichen. Auf diese Art und Weise können sich keine Wirbelströme innerhalb der Multilayer-Platine ausbilden.
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Um zu verhindern, dass sich innerhalb einer einzelnen Leiterbahn 1-6 Wirbelstromverlusten ausbilden können, besitzen die Leiterbahnen nur eine sehr geringe Breite von nicht mehr als 3 mm, vorzugsweise sogar weniger als 1 mm.
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Während des Fertigungsprozesses werden zunächst die oben beschriebenen Einzelplatinen gefertigt, wobei die jeweiligen Leiterbahnen 1-6 auf ein Substrat 8 aus glasfaserverstärktem Epoxidharz beschichtet werden. Anschließend werden zwischen die verschiedenen Einzelplatinen hier nicht dargestellte isolierende Prepreg-Schichten angeordnet, durch die die benachbarten Leiterbahnen der übereinanderliegenden Einzelplatinen elektrisch voneinander isoliert werden.
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Die Leiterbahnen 1-6 sind aus Kupfer und befinden sich auf einem Substrat aus FR-4. Die mit den Leiterbahnen beschichteten Substrate werden jeweils getrennt durch ein oder zwei Blätter Prepreg-Material aufeinandergestapelt. Im Anschluss wird der so entstandene Gesamtstapel laminiert, um eine mechanische Verbindung zwischen den Substraten herzustellen.
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Der Querschnitt der so entstandenen Multilayer-Platine zeigt, dass auch die Leiterbahnen 3 an der Oberseite der mittleren Einzelplatine einen Überdeckungsbereich mit den Leiterbahnen 2 aufweisen, die sich an der Unterseite der obersten Einzelplatine befinden. Denn die Leiterbahnen 3 an der Oberseite der mittleren Platine verlaufen ebenfalls streifenförmig und parallel in Richtung der Zeichenebene - ebenso wie die Leiterbahnen 1 an der Oberseite der obersten Einzelplatinen. Die dargestellten Pfeile deuten an, wie die Wärme im Überdeckungsbereich zwischen den Leiterbahnen 2, 3 beispielhaft hier von rechts nach links in lateraler Richtung über die dünne Prepreg-Schicht zwischen der obersten und untersten Einzelplatine hinweg transportiert werden kann. Auf diese Art und Weise wird ein Wärmetransport an der Oberseite der mittleren Einzelplatine von rechts nach links ermöglicht, obwohl die Leiterbahnen 3 lediglich in Richtung der Zeichenebene erstreckt sind. Es wird ein Wärmetransport innerhalb der Multilayer-Platine ermöglicht, wie er gemäß dem Stand der Technik nur von massiven metallischen Kühlkörpern bekannt ist, die im Vergleich zu der hier vorgeschlagenen Lösung eine deutlich höhere Masse aufweisen und zudem mit der angesprochenen Wirbelstromproblematik behaftet sind.
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2 zeigt eine zweite Ausführungsform eines als Multilayer-Platine ausgebildeten Kühlkörper. Auch hier umfasst die Multilayer-Platine drei Einzelplatinen, die jeweils an ihrer Ober-und Unterseite mit streifenförmig in Leiterbahnen 1-6 bestückt sind. Auch hier bilden die Leiterbahnen 1-6 keine geschlossenen Schleifen, sodass keine Möglichkeit für einen geschlossenen Stromkreis und die damit verbundene Ausbildung von Wirbelströmen geschaffen wird.
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Im Unterschied zu der Ausführungsform gemäß 1 erstrecken sich hier jedoch alle Leiterbahnen 1-6 in Richtung der Zeichenebene. Dennoch besteht zwischen den jeweils vertikal benachbarten Leiterbahnen 1-6 immer ein Überdeckungsbereich. Dies ist darauf zurückzuführen, dass die vertikal aneinandergrenzenden Leiterbahnen 1-6 jeweils einen lateralen Versatz zueinander aufweisen. Durch diesen lateralen Versatz kann sich die Wärme innerhalb der Multilayer-Platine in dem dargestellten Querschnitt, wie durch die Pfeile angedeutet, auch von links nach rechts ausbreiten, obwohl die streifenförmigen Leiterbahnen 1-6 alle in Richtung der Zeichenebene ausgerichtet sind.
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Zur Verbesserung des vertikalen Wärmetransportes zwischen den verschiedenen Layern der Multilayer-Platine sind in der hier dargestellten Ausführungsform thermische VIASs 7 vorgesehen. Hierbei handelt es sich um Bohrungen, die mit einem thermisch gut leitfähigen Material gefüllt sind und die Multilayer-Platine an verschiedenen Stellen vertikal durchdringen. Die thermischen VIAs 7 sind in regelmäßigen Abständen innerhalb der Multilayer-Platine verteilt und verbinden die Leiterbahnabschnitte mehrerer Layer. Da ihr Wärmeleitwert deutlich über dem des Isolationsmaterials liegt, ermöglichen die thermischen VIAs 7 einen nochmals verbesserten Wärmeübergang in vertikaler Richtung. Wird ein metallisches Material als Füllststoff innerhalb die Bohrungen verwendet, sind die thermischen VIAs 7 so anzuordnen, dass geschlossene Leiterschleifen verhindert werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1-6
- Leiterbahnen
- 7
- thermische VIAs
- 8
- Substrat
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102013201758 A1 [0004]
