-
Die vorliegende Erfindung betrifft ein elektronisches Gerät mit einem Gehäuse und eine Anordnung mit einem elektronischen Gerät und einer Tragschiene.
-
Bei Interface Komponenten kann es vorteilhaft sein, eine Elektronik mit einer elektrischen bzw. einer elektronischen Komponente in einem Gehäuse zu kapseln. Hierbei kann die Kapselung einen Schutzstandard wie beispielsweise IP 20 erfüllen oder auch einen mechanischen Schutz bieten, beispielsweise gegen Schläge und Stöße.
-
Hierbei kann sich in dem Gehäuse ein Wärmestau bilden. Lüftungsschlitze können gegen einen solchen Wärmestau helfen. Hierbei kann sich ein Kamineffekt in dem Gehäuse einstellen, der einen Durchzug schafft, der die Elektronik kühlt und somit für eine Entwärmung sorgt.
-
Es ist die Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Konzept zum Kühlen eines elektronischen Geräts bereitzustellen.
-
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche, der Beschreibung sowie der beiliegenden Figuren.
-
Die vorliegende Offenbarung basiert auf der Erkenntnis, dass ein Kühlelement, insbesondere ein Clip, zum Ableiten von Wärme aus dem Gehäuse genutzt werden kann. Das Kühlelement kann hierbei eine Metallisierung auf der Leiterplatte mit einer Tragschiene verbinden, an der das elektronische Gerät angeordnet ist. Die Metallisierung kann die Wärme von einer Wärmequelle, insbesondere einer wärmeerzeugenden elektronischen Komponente, zu dem Kühlelement leiten und das Kühlelement leitet die Wärme aus dem Gehäuse und über die Tragschiene ab.
-
Gemäß einem ersten Aspekt wird die Aufgabe durch ein elektronisches Gerät mit einem Gehäuse gelöst, das einen Innenraum begrenzt, wobei in dem Innenraum eine Leiterplatte mit einer wärmeerzeugenden elektronischen Komponente angeordnet ist, wobei das Gehäuse eine Aufnahme zum Aufnehmen einer Tragschiene aufweist. Das elektronische Gerät weist ein Kühlelement auf, welches an dem Gehäuse angeordnet ist, wobei sich das Kühlelement von der Aufnahme in den Innenraum erstreckt und mit der Leiterplatte in thermischem Kontakt steht, um von der wärmeerzeugenden elektronischen Komponente erzeugte Wärme abzuführen. Das Kühlelement ist mit der Tragschiene thermisch verbindbar, um eine thermische Verbindung zwischen der Leiterplatte und der Tragschiene herzustellen.
-
Das elektronische Gerät kann eine Interface Komponente sein. Das Gehäuse kann das elektronische Gerät gegen Umwelteinflüsse schützen, beispielsweise gemäß einem Sicherheitsstandard IP 20 oder gegen mechanische Belastungen.
-
Das Kühlelement kann ein Clip sein. Das Kühlelement kann von der Elektronik, d.h. von der elektronischen Komponente zu der Tragschiene reichen. Es stellt somit eine zusätzliche Wärmeableitung dar. Zu bekannten Wärmeableitungen, wie über die Luft, die Gehäusewände oder Kühlkörper, die an einer Außenseite des Gehäuses angebracht sind, stellt das Kühlelement einen Parallelweg dar, insbesondere einen Parallelweg zu dem restlichen Wärmewiderstand des Gehäuses. Hierdurch kann z.B. eine Kühlung des elektronischen Geräts um ca. 5 Kelvin erreicht werden. Die Zusammenhänge ergeben sich aus dem an sich bekannten Fourierschen Gesetz. Es kann eine Kombination aus thermischem- und FE-Leiter realisiert werden. Niederimpedante Übergangswiderstände bei hochfrequenten Ableitströmen werden erreicht.
-
Hierbei kann das Kühlelement eine kurze aber breite Wärmeanbindung aufweisen. Das heißt, das Kühlelement weist eine breite Oberfläche auf, die sich senkrecht zu einer Haupterstreckungsrichtung des Kühlelements erstreckt. Breit bedeutet in diesem Sinne eine Erstreckung über die bei rein elektrischen Kontakten üblichen Maße hinaus.
-
Die Aufnahme kann an der Tragschiene eingehängt werden. Das Kühlelement ragt hierbei so im Bereich der Aufnahme aus dem Gehäuse, dass beim Einhängen des Gehäuses an der Tragschiene, die Tragschiene automatisch mit dem Kühlelement in Kontakt, d.h. thermischen Kontakt, kommt, wobei die Tragschiene insbesondere eine Kraft auf das Kühlelement ausübt.
-
In einer Ausführungsform weist das Kühlelement im Bereich der Aufnahme eine Wölbung auf, die mit einer dem Gehäuse abgewandten Seite der Tragschiene in thermischen Kontakt bringbar ist.
-
In einer Ausführungsform weist das Kühlelement im Bereich der Aufnahme eine Wölbung auf, die mit einer dem Gehäuse zugewandten Seite der Tragschiene in thermischen Kontakt bringbar ist.
-
In einer Ausführungsform weist das Kühlelement eine weitere Wölbung auf, wobei die weitere Wölbung mit einer dem Gehäuse abgewandten Seite der Tragschiene in thermischen Kontakt bringbar ist.
-
Die Wölbung bzw. weitere Wölbung kann durch eine geschwungene Form des Kühlelements realisiert sein. Die Wölbung kann hierbei in der Art einer geschwungenen Feder ausgeführt sein. Das Kühlelement kann somit als eine Blattfeder ausgebildet sein.
-
Durch die thermische Kontaktierung der Leiterplatte durch das Kühlelement kann die Wärme, die an der Leiterplatte entsteht bzw. die Wärme, die im Bereich der Kontaktfläche des Kühlelements auftritt, von dem Kühlelement aus dem Gehäuse abgeleitet werden. Da das elektronische Gerät im Betrieb üblicherweise an einer Tragschiene angeordnet ist und das Kühlelement dann in Kontakt, d.h. thermischem Kontakt, mit der Tragschiene steht kann die aus dem Gehäuse abgeleitete Wärme von der Tragschiene aufgenommen werden.
-
In einer Ausführungsform ist das Kühlelement geformt, die Tragschiene an dem Gehäuse, insbesondere an einer Gehäusewand, festzulegen.
-
Das Kühlelement kann außerhalb des Gehäuses so ausgestaltet sein, dass eine mechanische Kraft auf die Tragschiene von dem Kühlelement ausgeübt wird, wenn das elektronische Gerät an der Tragschiene angeordnet ist. Beispielsweise bildet das Kühlelement eine Feder, insbesondere eine Blattfeder, die gegen die Tragschiene drückt und so das Gehäuse des elektronischen Geräts gegen die Tragschiene drückt und so eine Reibung zwischen dem Gehäuse und der Tragschiene erhöht. Hierdurch kann insbesondere ein Verrutschen des Gehäuses auf der Tragschiene reduziert werden. Die mechanische Stabilität kann erhöht werden.
-
In einer Ausführungsform ist das Kühlelement sowohl mit der Tragschiene, als auch mit einem Befestigungsabschnitt, insbesondere einer Wand, an dem die Tragschiene festgelegt ist, in thermischen Kontakt bringbar.
-
Die Tragschiene stellt eine Wärmesenke dar. Die Tragscheine kann aus Metall sein und so einen guten thermischen Leiter bilden. Die Tragschiene kann an einem Befestigungsabschnitt, wie einer Wand, festgelegt sein, insbesondere einer Wand eines Schaltschranks, einer Wand eines Raumes oder einer Platte. Der Befestigungsabschnitt stellt dann eine weitere Wärmesenke dar. Der Befestigungsabschnitt kann auch aus Metall sein. Zwischen der Tragscheine und dem Befestigungsabschnitt kann ein Wärmeübergang stattfinden, mit einem Wärmewiderstand. Durch eine direkte Kontaktierung des Befestigungsabschnitts durch das Kühlelement kann zu diesem Wärmewiderstand zwischen der Tragschiene und dem Befestigungsabschnitt ein Parallelweg geschaffen werden, der eine verbesserte Wärmeableitung ermöglicht.
-
In einer Ausführungsform umfasst das Gehäuse Kunststoff, insbesondere besteht das Gehäuse im Wesentlichen aus Kunststoff.
-
Kunststoff ist robust und in der Regel schlecht elektrisch leitend. Hierdurch kann die Leiterplatte mit der elektronischen Komponente gut geschützt werden. In einem Kunststoffgehäuse kann ein Wärmestau entstehen, der durch das Kühlelement gemindert werden kann.
-
In einer Ausführungsform weist die Leiterplatte eine erste Schicht an einer Oberfläche der Leiterplatte auf, wobei die erste Schicht ein thermisches Kontaktelement aufweist, wobei die Leiterplatte eine unter der ersten Schicht liegende zweite Schicht mit einem elektrischen Isolator aufweist, wobei die Leiterplatte eine dritte Schicht aufweist, die von der ersten Schicht durch die zweite Schicht elektrisch isoliert ist, wobei die dritte Schicht einen thermischen Leiter aufweist, der das thermische Kontaktelement mit der elektronischen Komponente thermisch verbindet, um von der elektronischen Komponente erzeugte Wärme zu dem thermischen Kontaktelement zu leiten.
-
Die Leiterplatte kann eine mehrschichtige Leiterplatte sein. In die einzelnen Schichten der Leiterplatte können thermisch leitende Kontakte bzw. Leiter eingebunden sein. Diese können thermisch leitende Komponenten darstellen, die jeweils flächig ausgebildet sein können, d.h. sich in wenigstens 2 Dimensionen in der Leiterplatte erstrecken, insbesondere eine größere Breite aufweisen, als ein elektrischer Leiter innerhalb oder auf der Leiterplatte breit ist.
-
Die einzelnen thermisch leitenden Komponenten können voneinander elektrisch isoliert sein, um zu verhindern, dass mit den thermische leitenden Komponenten verbundene elektronische Komponenten kurzgeschlossen oder ungewollt geerdet werden.
-
In einer Ausführungsform weist die erste Schicht ein erstes thermisches Kontaktelement und ein zweites thermisches Kontaktelement auf, wobei das erste thermische Kontaktelement an einem Rand der Leiterplatte angeordnet ist und wobei das Kühlelement ausgebildet ist, das erste thermische Kontaktelement zu kontaktieren, wobei das zweite thermische Kontaktelement im Bereich der elektronischen Komponente angeordnet und mit der elektronischen Komponente thermisch verbunden ist und wobei das zweite thermische Kontaktelement von dem ersten thermischen Kontaktelement insbesondere elektrisch isoliert ist.
-
Das erste thermische Kontaktelement kann eine Kontaktfläche sein, die insbesondere auf eine Fläche begrenzt ist, die einer Kontaktfläche des Kühlelements in diesem Bereich entspricht. Das erste thermische Kontaktelement kann also an das Kühlelement angepasst sein, sowohl in seiner Größe, als auch in der Position des ersten thermischen Kontaktelements auf der Leiterplatte. Das erste thermische Kontaktelement kann eine Rand oder Kantenmetallisierung umfassen und an wenigstens einem Rand bzw. wenigstens einer Kante der Leiterplatte angeordnet sein. Dies kann auch eine Möglichkeit für eine homogene Wärmeverteilung auf der Leiterplatte darstellen. Das erste thermische Kontaktelement kann eine Kontaktfläche auf der Leiterplatte und eine Randmetallisierung bzw. eine Kontaktfläche auf der Leiterplatte und eine Kantenmetallisierung umfassen.
-
Das zweite thermische Kontaktelement kann in der Leiterplatte im Bereich an einer elektronischen Komponente angeordnet sein, um die Abwärme dieser elektronischen Komponente gezielt aufzunehmen und über den thermischen Leiter in der dritten Schicht der Leiterplatte abzuleiten. Hierbei können das erste thermische Kontaktelement und das zweite thermische Kontaktelement elektrisch voneinander isoliert sein. So kann eine galvanische Trennung der Kontaktflächen bei gleichzeitiger thermischer Verbindung erreicht werden.
-
In einer Ausführungsform ist das zweite thermische Kontaktelement mit dem thermischen Leiter der dritten Schicht durch eine thermische Brücke verbunden.
-
Um die thermische Leitfähigkeit zwischen den Schichten zu erhöhen, können einzelne Kontaktelemente der ersten Schicht mit dem elektrischen Leiter der dritten Schicht thermisch leitend verbunden sein.
-
In einer Ausführungsform weist der thermische Leiter eine Dicke von wenigstens 50 Mikrometern, insbesondere wenigstens 70 Mikrometern, auf.
-
Ist der thermische Leiter dicker, so kann die Wärme besser abgeleitet werden, d.h. ein thermischer Widerstand ist geringer, als bei einem dünnen thermischen Leiter. Die Dicke kann hierbei von einer Schichtdicke in der Leiterplatte abhängen. Die Schichtdicke, d.h. die Dicke des thermischen Leiters und/oder des ersten thermischen Kontaktelements bzw. des zweiten thermischen Kontaktelements kann 70 Mikrometer betragen.
-
In einer Ausführungsform umfasst die Aufnahme eine Aussparung, in welche ein Abschnitt der Tragschiene einführbar ist, wobei das Kühlelement einen Kühlelementabschnitt aufweist, wobei der Kühlelementabschnitt im Bereich der Aussparung das Gehäuse durchbricht und mit der Tragschiene thermisch verbindbar ist.
-
In eine Aussparung kann ein Teil der Tragschiene eingesetzt werden. Insbesondere kann das Gehäuse mit der Aussparung auf einen Teil der Tragschiene aufgesetzt werden. Hierbei kann die Tragschiene in die Aussparung eingreifen. Ist das Kühlelement im Bereich der Aussparung angeordnet, d.h. ragt das Kühlelement aus einer Gehäusewand des Gehäuses heraus, durch die die Aussparung gebildet wird, so kann die Tragschiene das Kühlelement beim Aufsetzen des Gehäuses auf die Tragschiene automatisch kontaktieren, insbesondere thermisch kontaktieren.
-
In einer Ausführungsform weist das Kühlelement eine Kontaktfläche auf, welche mit der Leiterplatte in Verbindung steht, wobei die Kontaktfläche größer ist, als eine zur elektrischen Kontaktierung notwendige Fläche, um eine Wärmeabfuhr zu erhöhen.
-
Das Kühlelement kann einen FE-Leiter darstellen. Ein FE-Leiter dient zu Sicherung des Gehäuses bzw. der Elektronik. Hierbei ist mit einem maximalen Strom zu rechnen, der abfließen können muss. Dementsprechend kann der FE-Leiter dimensioniert werden und weist einen minimalen Querschnitt auf. Durch eine Verbreiterung dieses Querschnittes kann eine thermische Leitfähigkeit verbessert und der thermische Widerstand verringert werden, was die Entwärmung des elektronischen Geräts verbessert.
-
In einer Ausführungsform weist das Kühlelement im Innenraum eine Klammer auf, welche ausgebildet ist, die Leiterplatte festzusetzen und wobei die Klammer insbesondere zwei Klammerabschnitte aufweist, welche an jeweils gegenüberliegenden Seiten der Leiterplatte anliegen.
-
Die Klammer kann die Leiterplatte einklemmen und so mechanisch festlegen. Die Klammer kann auf zwei Seiten der Leiterplatte ein thermisches Kontaktelement kontaktieren und so die Kontaktfläche im Vergleich zu einer einseitigen Kontaktierung verdoppeln. Hierdurch kann der Wärmewiderstand gesenkt werden, was das Entwärmen des elektronischen Geräts verbessern kann.
-
In einer Ausführungsform weist die Leiterplatte eine metallische Fläche auf, wobei die elektronische Komponente auf der metallischen Fläche angeordnet ist, und wobei sich die metallische Fläche insbesondere zu dem Kühlelement erstreckt.
-
Eine flächige Ausgestaltung der thermischen Kontakte bzw. des thermischen Leiters kann einen Wärmewiderstand des jeweiligen Kontakts bzw. Leiters verringern.
-
In einer Ausführungsform weist das elektronische Gerät ein Kühlblech auf, wobei das Kühlblech in dem durch das Gehäuse begrenzten Innenraum angeordnet ist, wobei das Kühlblech in thermischem Kontakt mit dem Kühlelement steht, und wobei sich das Kühlblech insbesondere parallel zu dem Kühlelement erstreckt.
-
Ein Kühlblech kann zusätzlich Wärme aufnehmen. Eine thermische Kontaktierung des Kühlblechs durch das Kühlelement kann die Wärme, die von dem Kühlblech aufgenommen wurde, über das Kühlelement aus dem Gehäuse abführen. Hierbei kann die Wärme flächig aufgenommen werden und aus dem Gehäuse über das Kühlelement abgeleitet werden.
-
Gemäß einem zweiten Aspekt wird die Aufgabe von einer Anordnung mit einem elektronischen Gerät gemäß dem ersten Aspekt und einer Tragschiene gelöst, wobei das elektronische Gerät an einer Tragschiene angeordnet ist und das Kühlelement mit der Tragschiene in thermischem Kontakt steht.
-
In einer Ausführungsform umfasst die Anordnung einen Befestigungsabschnitt, an dem die Tragschiene befestigt ist, wobei das Kühlelement mit dem Befestigungsabschnitt in thermischem Kontakt steht.
-
Durch den zusätzlichen Kontakt zum Befestigungsabschnitt, insbesondere einer Wand eines Geräteschranks oder eines Raumes, kann eine Wärmeableitung erhöht werden.
-
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen und den Figuren erläutert. Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung eines elektronischen Geräts gemäß einem Ausführungsbeispiel;
- 2 eine schematische Darstellung einer Anordnung mit einem elektronischen Gerät gemäß einem Ausführungsbeispiel;
- 3 eine weitere schematische Darstellung der Anordnung mit einem elektronischen Gerät gemäß dem Ausführungsbeispiel aus 2;
- 4 eine schematische Darstellung einer Anordnung mit einem elektronischen Gerät gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel;
- 5 eine schematische Darstellung einer Anordnung mit einem Kühlelement gemäß einem Ausführungsbeispiel;
- 6 eine schematische Darstellung einer Anordnung mit einer Leiterplatte gemäß einem Ausführungsbeispiel;
- 7a ein Wärmeersatzschaltbild für eine Anordnung mit einem elektronischen Gerät;
- 7b ein Wärmeersatzschaltbild für eine Anordnung mit einem elektronischen Gerät gemäß einem Ausführungsbeispiel;
- 7c ein Wärmeersatzschaltbild für eine Anordnung mit einem elektronischen Gerät gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel; und
- 7d ein Wärmeersatzschaltbild für eine Anordnung mit einem elektronischen Gerät gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel;
-
1 zeigt eine schematische Darstellung eines elektronischen Geräts 100. Das elektronische Gerät 100 kann beispielsweise eine Interface-Komponente sein. In einem weiteren Ausführungsbeispiel handelt es sich bei dem elektronischen Gerät 100 um eine weitere Komponente, die elektronische Daten verarbeitet.
-
Das elektronische Gerät 100 weist ein Gehäuse 101 auf. Das Gehäuse 101 ist ein Kunststoffgehäuse, das elektronische Komponenten, die in einem Innenraum 102 des Gehäuses 101 angeordnet sind, vor Umwelteinflüssen schützt. In dem Innenraum 102 des Gehäuses 101 ist eine Leiterplatte 103 angeordnet. Die Leiterplatte 103 weist eine wärmeerzeugende elektronische Komponente 104 auf.
-
In dem Ausführungsbeispiel handelt es sich bei der elektronischen Komponente 104 um einen Prozessor. In weiteren Ausführungsbeispielen handelt es sich bei der elektronischen Komponente 104 um ein anderes elektrisches bzw. elektronisches Bauteil, das Wärme erzeugt.
-
Das Gehäuse 101 weist eine Aufnahme 105 auf. Die Aufnahme 105 ist dazu eingerichtet, eine Tragschiene aufzunehmen. Somit kann das Gehäuse 101 mit der Aufnahme 105 an einer Tragschiene festgelegt werden. Aus Gründen der Übersichtlichkeit ist die Tragschiene in 1 nicht dargestellt.
-
Das elektronische Gerät 100 weist ein Kühlelement 106 auf. Das Kühlelement 106 ist an dem Gehäuse 101 angeordnet. Das Kühlelement 106 ist im Bereich der Aufnahme 105 angeordnet.
-
Die Aufnahme 105 weist eine Aussparung 107 auf. Im Ausführungsbeispiel gemäß 1 ist das Kühlelement 106 teilweise in der Aussparung 107 angeordnet.
-
Das Kühlelement 106 weist Kupfer auf, insbesondere besteht das Kühlelement 106 aus Kupfer. Das Kühlelement 106 ist dazu eingerichtet, Wärme aus dem Innenraum 102 des Gehäuses 101 an eine das Gehäuse 101 umgebende Umgebung abzugeben.
-
Insbesondere ist das Kühlelement 106 eingerichtet, Wärme von der Leiterplatte 103 aufzunehmen und an eine Tragschiene außerhalb des Gehäuses 101 abzugeben.
-
Da das Kühlelement 106 in einem Bereich der Aussparung 107 angeordnet ist, in die ein Teil der Tragschiene eingesetzt werden kann, wird beim Einsetzen einer Tragschiene in die Aussparung 107 das Kühlelement 106 automatisch von der eingesetzten Tragschiene kontaktiert.
-
2 zeigt eine Anordnung 200 mit dem elektronischen Gerät 100 und einer Tragschiene 300. Die Tragschiene 300 ist hierbei an einem Befestigungsabschnitt 301 festgelegt. Im Ausführungsbeispiel ist die Tragschiene 300 mittels einer Schraubverbindung an dem Befestigungsabschnitt 301 festgelegt. Der Befestigungsabschnitt 301 ist eine Wand eines Schaltschranks, in dem die Tragschiene 300 angeordnet ist. In einem weiteren Ausführungsbeispiel ist die der Befestigungsabschnitt 301 eine Wand eines Raumes.
-
Die Aufnahme 105 des Gehäuses 100 weist einen Vorsprung 108 auf. Der Vorsprung 108 bildet zusammen mit dem restlichen Gehäuse 101 ein die Aussparung 107 umgreifendes Element. Hierdurch entsteht eine Tasche, in die die Tragschiene 300 eingesetzt ist. Um das elektronische Gerät 100 auf die Tragschiene 300 zu setzen, wird diese schräg an den Befestigungsabschnitt 301 gehalten, in parallel zu dem Befestigungsabschnitt 301 in Richtung der Tragschiene 300 bewegt, bis ein Teil der Tragschiene 300 in die Aussparung 107 hineinragt. Anschließend wird das Gehäuse 101 des elektronischen Geräts 100 in Richtung der Tragschiene 300 verschwenkt. Hieran liegt dann das Gehäuse 101 mit einer Seite an der Tragschiene 300 an. Um das elektronische Gerät 100 an der Tragschiene 300 festzulegen, wird eine Sicherung 109 über einen weiteren Teil der Tragschiene 300 geschoben.
-
In dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel ist das Kühlelement 106 an dem Vorsprung 108 angeordnet und weist eine Wölbung 110 auf, die um den Vorsprung 108 herumführt. Das Kühlelement 106 ist demnach in dem Bereich außerhalb des Gehäuses 101 um den Vorsprung 108 herumgeführt. Hierbei ragt ein Teil des Kühlelements 106 in die Aussparung 107 hinein. Ein weiterer Teil des Kühlelements 106 ist um den Vorsprung 108 herumgeführt und ist somit zwischen der Wand und dem Gehäuse 101 angeordnet.
-
In 2 ist dargestellt, wie das elektronische Gerät 100 auf der Tragschiene 300 aufgesetzt ist. Hierbei hat das Kühlelement 106 zum einen Kontakt mit der Tragschiene 300 im Bereich der Aussparung 107. Im Bereich der Aussparung meint hierbei, dass der Teil der Tragschiene 300 von dem Kühlelement 106 kontaktiert wird, der in die Aussparung 107 einsetzbar ist. In einem weiteren Ausführungsbeispiel werden weitere Teile der Tragschiene 300 von dem Kühlelement 106 kontaktiert.
-
Durch die Wölbung des Kühlelements 106 und das Herumragen des Kühlelements 106 im Vorsprung 108 entsteht eine gebogene Feder, insbesondere eine Blattfeder. Das Kühlelement 106 ist also federartig ausgebildet. Beim Einsetzen der Tragschiene 300 in die Aussparung 107 wird von dem Kühlelement 106 eine Federkraft auf die Tragschiene 300 aufgebracht. Die Federkraft zieht hierbei das Gehäuse 101 des elektronischen Geräts 100 näher an den Befestigungsabschnitt 301 heran. Des Weiteren wird durch diese Federkraft des Kühlelements 106 die Tragschiene 300 gegen das Gehäuse 101 gedrückt, so dass ein Verschieben oder Verrutschen des Gehäuses 101 erschwert wird.
-
Zusätzlich kontaktiert das Kühlelement 106 den Befestigungsabschnitt 301. Das heißt, das Kühlelement 106 hat gleichzeitig Kontakt mit der Tragschiene 300 und der Wand 301.
-
In den 3, 4 und 5 ist jeweils aus Gründen der Übersichtlichkeit das Gehäuse 101 des elektronischen Geräts 100 nicht dargestellt. Die 3 und 4 zeigen jeweils die Leiterplatte 103 mit der elektronischen Komponente 104 sowie das Kühlelement 106 und die Tragschiene 300 an dem Befestigungsabschnitt 301. Die 3 und 4 unterscheiden sich in der Ausgestaltung des Kühlelements 106.
-
In der 3 ist das Kühlelement 106 so gewölbt, dass die Tragschiene 300 und gleichzeitig den Befestigungsabschnitt 301 kontaktiert wird, wie bereits oben zu 2 beschrieben.
-
4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, in dem das Kühlelement 106 außerhalb des Gehäuses kürzer als zur 2 beschrieben ist. Das Kühlelement 106 reicht hierbei nicht an den Befestigungsabschnitt 301 heran. Das Kühlelement 106 kontaktiert demnach außerhalb des Gehäuses lediglich die Tragschiene 300. Hierbei ist das Kühlelement 106 so ausgestaltet, dass lediglich die Tragschiene 300 kontaktiert wird.
-
In den 3 und 4 ist eine Kupferflutung der Leiterplatte 130 dargestellt. Die Kupferflutung weist ein erstes thermisches Kontaktelement 302 und ein zweites thermisches Kontaktelement 303 auf. Das erste thermische Kontaktelement 302 ist an einem Rand 304 der Leiterplatte 103 angeordnet. Das heißt, das erste thermische Kontaktelement 302 ist eine Kupferbeschichtung der Leiterplatte 103 in einem Bereich, der beim Einsetzen der Leiterplatte 103 in das Gehäuse 101 an der Rückseite des Gehäuses 101 anliegt, d. h. der Seite, die die Aufnahme 105 aufweist und an die Tragschiene 300 aufgesetzt werden kann.
-
Das erste thermische Kontaktelement 302 ist von dem Kühlelement 106 kontaktiert. Das Kühlelement 106 liegt hierbei federartig auf dem ersten thermischen Kontaktelement 302 auf. Hierdurch entsteht eine direkte mechanische und thermische Verbindung von dem ersten thermischen Kontaktelement 302 zu dem Kühlelement 106, aus dem Gehäuse 101 (nicht dargestellt) heraus und bis zu der Tragschiene 300. In der Ausgestaltung von 4 wird zusätzlich eine direkte mechanische und thermische Kontaktierung des Befestigungsabschnitts 301 vorgenommen.
-
Die Leiterplatte 103 weist das zweite thermische Kontaktelement 303 auf. Das zweite thermische Kontaktelement 303 ist im Bereich der elektronischen Komponente 104 angeordnet. Das zweite thermische Kontaktelement 303 nimmt somit Wärme von der elektronischen Komponente 104 auf. Das zweite thermische Kontaktelement 303 kann elektronischen oder thermischen Kontakt zu der elektronischen Komponente 104 haben. Ein direkter Kontakt kann eine Wärmeführung erhöhen. In einem weiteren Ausführungsbeispiel besteht zwischen der elektronischen Komponente 104 und den zweiten thermischen Kontaktelementen 303 kein direkter elektrischer Kontakt, sondern die elektronische Komponente 104 ist von dem zweiten thermischen Kontaktelement 303 elektrisch isoliert.
-
5 zeigt eine Anordnung, wie in den 3 und 4 beschrieben, jedoch ist hier anstatt der Leiterplatte 103 ein Kühlblech 500 gezeigt. Das Kühlblech 500 ist an das Kühlelement 106 angeschlossen. Im beschriebenen Ausführungsbeispiel ist das Kühlblech 500 parallel zu der Leiterplatte 103 angeordnet, die nicht gezeigt ist, da diese von dem Kühlblech 500 verdeckt wird. In einem weiteren Ausführungsbeispiel ist das Kühlblech 500 unabhängig von der Leiterplatte 103 in dem Gehäuse 101 angeordnet.
-
Das Kühlelement 106 ist an dem Kühlblech 500 angeordnet. Das Kühlelement 106 kann hierbei über eine Federspannung mit dem Kühlblech 500 in Kontakt gebracht sein, insbesondere durch eine federnde Klammer. In einem weiteren Ausführungsbeispiel umfasst das Kühlelement 106 das Kühlblech 500, d. h. das Kühlelement 106 und das Kühlblech 500 sind einstückig ausgeführt.
-
6 zeigt eine schematische Darstellung eines in dem von dem Gehäuse 101 begrenzten Innenraum 102 liegenden Teils des Kühlelements 106 und der Leiterplatte 103. Hierbei ist das Kühlelement 106 symmetrisch ausgestaltet und das Kühlelement 106 umfasst die Leiterplatte 103 von zwei gegenüberliegenden Seiten. In einem weiteren Ausführungsbeispiel ist das Kühlelement 106 nicht symmetrisch ausgestaltet, und das Kühlelement 106 umfasst die Leiterplatte 103 nicht, sondern kontaktiert die Leiterplatte 103 lediglich auf einer Seite. Eine größere Kontaktfläche kann die thermische Leitung von Wärme von der Leiterplatte zu dem Kühlelement 106 erhöhen.
-
Die Leiterplatte 103 weist das erste thermische Kontaktelement 302 auf. Das erste thermische Kontaktelement 302 ist hierbei am Rand der Leiterplatte 103 angeordnet und kann ein Kontaktpad oder eine Randkontaktierung darstellen.
-
In dem in 6 gezeigten Ausführungsbeispiel sind zwei erste thermische Kontaktelemente 302, 601 dargestellt, ein oberes erstes thermisches Kontaktelement 302 und ein unteres erstes thermisches Kontaktelement 601. Die Leiterplatte 103 weist ein oberes zweites thermisches Kontaktelement 303 und ein unteres zweites thermisches Kontaktelement 602 auf. Die zweiten thermischen Kontaktelemente 303, 602 dienen dazu, Wärme an den Orten auf der Leiterplatte 103 aufzunehmen, an denen diese entsteht.
-
Die Leiterplatte 103 weist einen thermischen Leiter 603 auf. Der thermische Leiter 603 ist als Schicht innerhalb der Leiterplatte 103 ausgestaltet. In einem weiteren Ausführungsbeispiel ist der thermische Leiter 603 als Leitung innerhalb der Leiterplatte 103 ausgestaltet.
-
Wärme, die von den zweiten thermischen Kontaktelementen 303, 602 von der elektronischen Komponente 104 aufgenommen wurde, wird an den thermischen Leiter 603 abgegeben. Hierfür weist die Leiterplatte 103 eine thermische Brücke 604 auf. Die thermische Brücke 604 kann eine Durchkontaktierung der Schichten der Leiterplatte 103 umfassen und aus Kupfer ausgestaltet sein.
-
Die ersten thermischen Kontaktelemente 302, 601 sind vor den zweiten thermischen Kontaktelementen 303, 602 und dem thermischen Leiter 603 elektrisch isoliert. In einem weiteren Ausführungsbeispiel sind die ersten thermischen Kontaktelemente 302, 601 mit dem thermischen Leiter 603 thermisch kontaktiert und weisen eine thermische Brücke 604, beispielsweise aus Kupfer, auf. In diesem Fall sind die zweiten thermischen Kontaktelemente 303, 602 elektrisch von dem thermischen Leiter 603 und den ersten thermischen Kontaktelementen 302, 601 elektrisch isoliert.
-
Da die elektronische Komponente 104 an den zweiten thermischen Kontaktelemente 303, 602 angeordnet ist, insbesondere zu wenigstens einem zweiten thermischen Kontaktelement 303 eine direkte thermische und auch elektrische Verbindung aufweist, ist es vorteilhaft, die ersten thermischen Kontaktelemente 302, 601, die direkt in Kontakt mit dem Kühlelement 106 stehen, elektrisch von der elektronischen Komponente 104 zu isolieren. Hierbei sind die Isolatoren 605 vorgesehen, die sowohl die ersten thermischen Kontaktelemente 302, 601 von dem thermischen Leiter 603 als auch die ersten thermischen Kontaktelemente 302, 601 von den zweiten thermischen Kontaktelementen 303, 602 elektrisch isolieren. Die sich durch die Isolatoren 605 ergebenden Luftstrecken sind groß genug, um eine Isolierung zu gewährleisten.
-
Im in 6 gezeigten Ausführungsbeispiel ist das Kühlelement 106 als Klammer ausgestaltet. Die Klammer weist eine Federspannung auf, die zwei Klammerabschnitte 106a und 106b zueinander zieht. Durch Einschieben der Leiterplatte 103 zwischen die beiden Klammerabschnitte 106a, 106b des Kühlelements 106 werden die Klammerabschnitte 106a, 106b auseinandergedrückt und die Leiterplatte 103 zwischen den Klammerabschnitten des Kühlelements 106 fixiert. Hierbei haben die Klammerabschnitte 106a, 106b zu den ersten thermischen Kontaktelemente 302, 601 Kontakt, d. h. der erste Klammerabschnitt 106a hat zu dem oberen ersten thermischen Kontaktelement 302 elektrischen und thermischen Kontakt und der zweite Klammerabschnitt 106b hat zu dem unteren ersten thermischen Kontaktelement 601 elektrischen und thermischen Kontakt.
-
7a bis 7d zeigen Wärmeersatzschaltbilder 700a bis 700d mit Wärmewiderständen, einer Wärmequelle 701 und einer Wärmesenke 702.
-
In 7a ist ein Ersatzschaltbild 700a für eine Anordnung gezeigt, die eine Wärmequelle, insbesondere eine elektronische Komponente, eine Leiterplatte, ein Gehäuse und eine Wärmesenke, insbesondere eine Tragschiene aufweist. Ein Wärmestrom fließt von der Wärmequelle zu der Wärmesenke. Hierbei gibt es einen ersten Wärmewiderstand 801 des Gehäuses 101, einen zweiten Wärmewiderstand 802 der Tragschiene 300 und einen dritten Wärmewiderstand 803 des Befestigungsabschnitts 301, insbesondere eines Schaltschranks. Die Summe der Wärmewiderstände 801, 802, 803 gibt an, wie leicht die Wärme von dem Innenraum 102 in dem Gehäuse 101 abgeführt werden kann. Hierbei müssen nicht alle Widerstände 802, 803 durchflossen werden, sondern die Wärme kann ab dem Gehäuse an die Umgebung abgegeben werden.
-
In 7b ist ein Ersatzschaltbild 700b für eine Anordnung gemäß dem zu 4 beschriebenen Ausführungsbeispiel gezeigt. Das Kühlelement 106 steht nicht in direktem Kontakt zum Befestigungsabschnitt 301. Hierbei wird ein paralleler Wärmepfad eröffnet, der dem Wärmestrom eine zusätzliche Möglichkeit zum Fließen bietet. Ein vierter Wärmewiderstand 804 beschreibt den Übergang des Kühlelements 106 zur Tragschiene 300. Ein fünfter Wärmewiderstand 805 beschreibt den thermischen Leiter 603. Unabhängig davon, ob die Summe des ersten Wärmewiderstands 801 und des zweiten Wärmewiderstands 802 oder die Summe des vierten Wärmewiderstands 804 und des fünften Wärmewiderstands 805 größer ist, teilt sich der Wärmestrom auf beide Parallelpfade auf. Der Gesamtwiderstand wird somit reduziert. Darüber hinaus, ist die Summe des vierten Wärmewiderstands 804 und des fünften Wärmewiderstands 805 kleiner als der Widerstand im parallelen Wärmepfad, da der Wärmefluss das Kühlelement 106 und den thermischen Leiter 603 durchfließen kann, anstatt das eher isolierende Gehäuse zu durchfließen.
-
In 7c ist ein Ersatzschaltbild 700c für eine Anordnung gemäß dem zu den 2 und 3 beschriebenen Ausführungsbeispiel gezeigt. Das Kühlelement 106 steht in direktem Kontakt zum Befestigungsabschnitt 301. Hierbei wird ein paralleler Wärmepfad im Vergleich zum Ersatzschaltbild 700a von 7a eröffnet, der dem Wärmestrom eine zusätzliche Möglichkeit zum Fließen bietet. Wie im zu 7b beschriebenen Ersatzschaltbild 700b umfasst der Parallelpfad den vierten Wärmewiderstand 804, der den Übergang des Kühlelements 106 zur Tragschiene 300 beschreibt und den fünften Wärmewiderstand 805, der den thermischen Leiter 603 beschreibt. Zusätzlich kommt ein sechster Wärmewiderstand 806 hinzu, der den Übergang des Kühlelements zum Befestigungsabschnitt 301 beschreibt. zwischen dem vierten Wärmewiderstand 804 und dem sechsten Wärmewiderstand 806 ist der Wärmepfad mit dem Wärmepfad zwischen dem zweiten Wärmewiderstand 802 und dem dritten Wärmewiderstand 803 verbunden. Dies entspricht dem Übergang zwischen der Tragschiene 300 und dem Befestigungsabschnitt 301.
-
In 7d ist ein Ersatzschaltbild 700d für eine Anordnung gemäß dem zu 5 beschriebenen Ausführungsbeispiel gezeigt. Das Kühlelement 106 steht in direktem Kontakt zum Befestigungsabschnitt 301. Das Kühlelement 106 weist das Kühlblech 500 auf. das Kühlblech 500 wird in dem Ersatzschaltbild 700d durch den Wärmewiderstand 807 repräsentiert.
-
Bezugszeichenliste
-
- 100
- elektronisches Gerät
- 101
- Gehäuse
- 102
- Innenraum
- 103
- Leiterplatte
- 104
- elektronische Komponente
- 105
- Aufnahme
- 106
- Kühlelement
- 106a, 106b
- Klammerabschnitt
- 107
- Aussparung
- 108
- Vorsprung
- 109
- Sicherung
- 110
- Wölbung
- 200
- Anordnung
- 300
- Tragschiene
- 301
- Befestigungsabschnitt
- 302, 601
- erstes thermisches Kontaktelement
- 303, 602
- zweites thermisches Kontaktelement
- 304
- Rand
- 603
- thermischer Leiter
- 604
- thermische Brücke
- 605
- Isolator
- 700a, 700b
- Wärmeersatzschaltbild
- 700c, 700d
- Wärmeersatzschaltbild
- 701
- Wärmequelle
- 702
- Wärmesenke
- 801 - 807
- Wärmewiderstand
