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Die Erfindung betrifft ein Kühl - und Halteelement sowie eine Elektronikanordnung umfassend das Kühl - und Halteelement gemäß den Oberbegriffen der unabhängigen Ansprüche.
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Stand der Technik
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Bei Leistungselektronik, beispielsweise für elektrische Motoren, wird für gewöhnlich eine Zwischenkreiskapazität mit Hilfe von Kondensatoren, meist Elektrolyt-Typen, verwendet. Aufgrund der Ansteuerung des Motors (Taktung, Leistungsschalter) werden die Kondensatoren mit Rippelströmen belastet, die zu internen Leistungsverlusten und Erwärmung des Kondensators führen. Diese Verlustenergie wird meist über die Anschlussbeine der Kondensatoren abgeführt. Zum Teil wird auch der Becher des Kondensators über ein Thermal Interface Material (TIM) an einen Kühlkörper oder einen Kühldom angeschlossen. Gerade radiale Elektrolytkondensatoren sind zusätzlich gegenüber mechanischen Erschütterungen empfindlich. Durch diese kann die Verbindungsschicht, über welche der Elektrolytkondensator mit einem Schaltungsträger elektrisch kontaktiert ist, mit der Zeit aufbrechen und dadurch eine elektrische Funktionsstörung der Leistungselektronik zur Folge haben. Als Vibrationsschutz kommen Halteelemente für die Elektrolytkondensatoren zum Einsatz.
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Aus der Offenlegungsschrift
DE10342483 Al ist ein solcher Kondensator-Halter bekannt. Dieser ist als Rahmenelement ausgebildet, welches bodenseitig durch Einpresspins in einem Schaltungsträger ortsfest fixiert ist. Innerhalb des Rahmenelementes ist ein Kondensator aufgenommen. Dieser ist an einzelnen Auflagepunkten durch federnd nachgiebige Fahnen gehalten, welche aus den Seitenflächen des Rahmenelementes in Richtung des Kondensators zeigen.
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Die Offenlegungsschrift
DE4038689 Al zeigt eine Vorrichtung zur klemmenden Halterung eines Kondensators. Diese umfasst einen hülsenförmigen Halter, welcher den Kondensator umschließt. Am Ende des Halters sind federnde Vorsprünge ausgebildet, welche in punktförmiger Auflage den Kondensator im Randbereich klemmend halten.
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Die so bekannten Halteelemente kommen mit wenigen Auflagepunkten aus, da durch diese bereits eine ausreichende Stützkraft als Vibrationsschutz erwirkt werden kann.
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Offenbarung der Erfindung
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Haltefunktion für einen Kondensator bereitzustellen und zeitgleich die in dem Kondensator entstandene Verlustwärme durch einen kostengünstigen und einfachen mechanischen Aufbau abzuführen.
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Diese Aufgabe wird mit einem Kühl- und Halteelement sowie mit einer Elektronikanordnung mit den kennzeichnenden Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst.
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Ausgegangen wird von einem Kühl- und Halteelement mit einem Aufnahmebereich für einen Kondensator mit einer zylindrischen Außenfläche, insbesondere ein radialer Elektrolytkondensator. Der Kondensator ist dabei durch den Aufnahmebereich an seiner zylindrischen Außenfläche klemmend haltbar. Des Weiteren ist der Aufnahmebereich wärmeleitend ausgebildet, so dass Verlustwärme eines Kondensators in Anlagenkontakt mit dem Aufnahmebereich auf das Kühl- und Halteelement übertragbar ist. Zusätzlich umschließt der Aufnahmebereich bei aufgenommenem Kondensator diesen über mehr als die Hälfte des Kondensatorumfanges. Dadurch ist eine Umklammerung sichergestellt, welche auch maximal bis über den geschlossenen Kondensatorumfang reichen kann. Dabei liegt der Aufnahmebereich ganzflächig an einem Mantelflächenausschnitt der zylindrischen Außenfläche an. Angrenzend zum Aufnahmebereich ist zusätzlich ein Wärmeleit- und/oder Wärmeabstrahlbereich ausgebildet, welcher winklig aufweitend gegenüber dem Aufnahmebereich absteht und somit auch gegenüber der zylindrischen Außenfläche eines im Aufnahmebereich aufgenommenen Kondensators. Vorteilhaft ermöglicht der Aufnahmebereich neben einer Haltefunktion auch eine Entwärmungsfunktion. Indem die einem aufzunehmenden Kondensator zugewandte Fläche des Aufnahmebereiches im Wesentlichen, insbesondere vollständig als Auflagefläche ausgebildet ist, kann der überwiegende Teil der üblicherweise am Kondensatorbecher abstrahlenden Verlustwärme über den Aufnahmebereich wärmeleitend an den Wärmeleit- und/oder Wärmeabstrahlbereich weitergeleitet werden. Vorteilhaft ist dabei über die Aufweitung des Wärmeleit- und/oder Wärmeabstrahlbereiches eine weitaus größere Konvektionsfläche bereitgestellt, so dass ein aufgenommener Kondensator deutlich mehr und schneller entwärmt werden kann. Um die Wärmeübertragung besonders groß zu halten, ist die Auflagefläche des Aufnahmebereiches als geschlossene Zylindermantelfläche oder zumindest als Teil einer umlaufenden noch nicht ganz geschlossenen Zylindermantelfläche ausgebildet. Das Vorsehen einer möglichst großflächigen und ganzflächig zusammenhängenden Auflagefläche ermöglicht darüber hinaus die Sicherstellung einer großen Haltekraft für den Kondensator.
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Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des erfindungsgemäßen Kühl- und Halteelementes möglich.
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Eine bevorzugte Ausführungsform des Kühl - und Halteelements zeigt sich darin, dass dieses in Form eines Trichters ausgebildet ist, wobei der zylindrische Auslauf des Trichters dem Aufnahmebereich und der kegelförmige oder becherförmige Einlauf des Trichters dem Wärmeleit- und/oder Wärmeabstrahlbereich entspricht. Eine solche rotationssymmetrische Formausprägung ist durch eine Vielzahl von Fertigungsverfahren einfach und kostengünstig herzustellen, beispielsweise durch einen Tiefziehvorgang oder einen spanabtragenden Drehprozess. Zusätzlich ist in dieser Formausprägung eine vorteilhafte großflächige Auflagefläche des Aufnahmebereichs und eine vorteilhafte großflächige Konvektionsfläche des Wärmeleit- und/oder Wärmeabstrahlbereiches gegeben.
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Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform des Kühl- und Halteelements ist dadurch gegeben, dass eine dem Aufnahmebereich abgewandte Seite des Wärmeleit- und/oder Wärmeabstrahlbereiches an diese angrenzend einen Befestigungsbereich aufweist, welcher ausgebildet ist, das Kühl- und Halteelement über einen Lot-, Sinter- oder Klebeschicht wärmeleitend zumindest mittelbar an eine versteifende Grundstruktur und/oder eine Wärmesenke anzubinden. Als versteifende Grundstruktur ist beispielsweise der Schaltungsträger denkbar, mit welchem der aufzunehmende Kondensator elektrisch kontaktiert ist. Alternativ sind als versteifende Grundstruktur und/oder Wärmesenke auch weitere Kühlkörper oder ein Gehäuseelement möglich, welches beispielsweise den Schaltungsträger einschließt. Über den so angebundenen Befestigungsbereich kann ein klemmend aufgenommener Kondensator besonders gut und sicher mechanisch gestützt werden, wodurch ein optimaler Vibrationsschutz sichergestellt ist. Ferner kann vorteilhaft über den Befestigungsbereich ein zusätzlicher Entwärmungspfad zur Grundstruktur oder Wärmesenke bereitgestellt werden. Auf diese Weise wird die Entwärmung eines aufgenommenen Kondensators weiter verbessert.
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Bei einem vorteilhaft weitergebildeten Kühl- und Halteelement ist der Aufnahmebereich zur Erwirkung einer Kondensatorklemmung durch Federkraft nachgiebig rückfedernd vergrößerbar, indem das Kühl- und Halteelement umfänglich in Richtung einer Aufnahmeachse des Aufnahmebereiches zumindest teilweise, bevorzugt durchgehend, geschlitzt ist. Insbesondere ergibt sich dadurch eine radiale Aufweitung, wodurch eine Montage durch Aufschieben über einen aufzunehmenden Kondensator sehr vereinfacht ist. Im aufgenommenen Zustand überdecken sich in der Regel die Aufnahmeachse des Aufnahmebereiches und die Kondensatorachse. Zusätzlich lässt sich dadurch vorteilhaft eine Federkraft einstellen, durch welche ein aufzunehmender Kondensator gehalten wird, indem eine mehr oder weniger große radiale Aufweitung im Aufnahmebereich erforderlich ist. Eine Schlitzung umfasst zumindest den Aufnahmebereich, kann sich jedoch auch über das gesamte Kühl- und Halteelement erstrecken, so dass eine Umfangsfläche der Kühl- und Halteelementes über alle Querschnitte hinweg zusammenhängend unterbrochen ist. Der Verlauf der Schlitzung ist im einfachsten Fall achsparallel oder gekippt zur Aufnahmeachse. Ebenso ist eine teilweise oder durchgehende Schlitzung entlang einer Spirale oder entlang einem beliebigen Linienzug denkbar.
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Weitere Vorteile ergeben sich bei einer Ausführungsform des Kühl- und Halteelement, bei welchem der Wärmeleit- und/oder Wärmeabstrahlbereich aus zwei oder mehr Abstrahlfahnen gebildet ist, die umfänglich zueinander beabstandet angeordnet sind und die unabhängig voneinander gegenüber dem Aufnahmebereich nachgiebig sind, insbesondere in Richtung einer Aufnahmeachse des Aufnahmebereiches. Dadurch können einzelne oder mehrere der Abstrahlfahnen beispielsweise zur Kollisionsvermeidung mit angrenzenden elektrischen Bauelementen oder zur optimalen Ausrichtung zu einer Konvektionsströmung hin eingestellt werden. Zusätzlich ist durch eine federnde Nachgiebigkeit aller einzelnen Abstrahlfahnen ein Toleranzausgleich in der Ebene möglich. Dies erleichtert die Anbindung des Befestigungsbereiches über einen Lot-, Sinter- oder Klebeanschluss an eine mit Unebenheiten vorliegende versteifende Grundstruktur und/oder Wärmesenke.
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Zur Optimierung der Entwärmungsleistung ist das Kühl- und Halteelement vorteilhaft einstückig aus einem metallischen Blechmaterial ausgebildet, insbesondere aus einem kupfer- oder aluminiumhaltigen Blechmaterial.
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Die Erfindung führt auch zu einer Elektronikanordnung, umfassend einen Schaltungsträger und einen mit dem Schaltungsträger elektrisch kontaktierten Kondensator mit einer zylindrischen Außenfläche, wobei auf der zylindrischen Außenfläche ein Kühl- und Halteelement in zumindest einer der zuvor beschriebenen Ausführungsform klemmend im Aufnahmebereich gehalten ist.
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Zur Gewährung einer hohen Wärmeübertragung ist dabei besonders bevorzugt, dass der Aufnahmebereich des Kühl - und Halteelementes an mehr als 60%, insbesondere mehr als 80%, bevorzugt mehr als 90% der zylindrischen Außenfläche des Kondensators ganzflächig anliegt.
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In einer ersten Ausführungsvariante der Elektronikanordnung ist der Befestigungsbereich des Kühl- und Halteelementes mittels einer Lot-, Sinter- oder Klebeschicht wärmeleitend mit dem Schaltungsträger verbunden. Auf einer dem Kühl- und Halteelement abgewandten Seite des Schaltungsträger kann ein Kühlkörper mit dem Schaltungsträger wärmeleitend verbunden sein. Durch einen Wärmepfad vom Kühl- und Halteelement über den Schaltungsträger in den Kühlkörper kann eine besonders starke Entwärmung des Kondensators erfolgen. Die Entwärmung wird durch Vias innerhalb des Schaltungsträgers im Bereich des Kühlkörpers weiter optimiert.
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In einer anderen Ausführungsvariante der Elektronikanordnung ist der Befestigungsbereich des Kühl - und Halteelementes mittels einer Lot-, Sinter- oder Klebeschicht auf einer dem Schaltungsträger gegenüberliegenden Seite wärmeleitend mit einem Gehäuseelement der Elektronikanordnung verbunden. Das Gehäuseelement ist Teil eines Gehäuses, welches die Elektronikanordnung umfasst und welches den Schaltungsträger aufnimmt, beispielsweise ein Gehäusedeckel.
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Grundsätzlich ergeben sich bei der beschriebenen Elektronikanordnung die gleichen Vorteile, die bereits zuvor beim Kühl- und Halteelement aufgezeigt wurden.
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Figurenliste
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung. Diese zeigt in:
- 1a: ein Kühl - und Halteelement in einer Seitensicht,
- 1b: das Kühl- und Halteelement aus Fig. la von einer bodenseitigen Draufsicht,
- 2: eine Elektronikanordnung in einer Seitensicht, bei welcher das Kühl- und Halteelement aus Fig. la und lb klemmend an der Außenfläche eines radialen Elektrolytkondensators gehalten ist.
- 3: eine alternative Ausführung der Elektronikanordnung aus 2.
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Ausführungsformen der Erfindung
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In der Fig. la ist ein erfindungsgemäßes Kühl - und Halteelement 100 in einer Seitensicht gezeigt. Fig. lb zeigt das gleiche Kühl- und Halteelement 100 von einer bodenseitigen Draufsicht A. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist das Kühl- und Halteelement 100 trichterartig ausgeformt, beispielsweise als ein einstückig tiefgezogenes oder anders plastisch verformtes metallisches Blechteil. Dabei entspricht der in der Bildebene nach oben orientierte Auslauf des Trichters einem Aufnahmebereich 10 des Kühl- und Halteelements 100 und der in der Bildebene nach unten orientierte Auslauf des Trichters einem Wärmeleit- und/oder Wärmeabstrahlbereich 20. Mittels des Aufnahmebereiches 10 ist ein aufnehmbarer Kondensator 30 auf seiner zylindrischen Außenfläche klemmend haltbar. Das Kühl- und Halteelement 100 weist auf seiner Umfangsfläche eine Schlitzung 50 auf, welche die ansonsten geschlossene Wandung des Kühl- und Halteelementes 100 über den Aufnahmebereich 10 und über den Wärmeleit- und/oder Wärmeabstrahlbereich 20 hinweg an einer Stelle zusammenhängend öffnet, beispielsweise achsparallel zu einer Aufnahmeachse S. Alternativ könnte die Schlitzung 50 auch nur im Aufnahmebereich 10 ausgebildet sein, ggf. zusätzlich nur teilweise in den Wärmeleit- und/oder Wärmeabstrahlbereich 20 hineinreichend. Durch die Schlitzung 50 ist der Aufnahmebereich 10 radial aufweitbar, wobei mit größer werdenden Aufweitung eine stärker werdende federnde Rückstellkraft vorliegt. Grundsätzlich umschließt der Aufnahmebereich 10 einen aufgenommenen Kondensator 30 über mehr als die Hälfte des Kondensatorumfanges U, so das eine Umklammerung sichergestellt ist. Indem der Aufnahmebereich 10 auf diese Weise nachgiebig rückfedernd vergrößerbar ist, kann das Kühl- und Halteelemente 100 bei einer Montage sehr einfach über einen Kondensator 30 mit zylindrischer Außenfläche bis zu einer Montagestellung geschoben werden. In Abhängigkeit des Kondensatordurchmessers d wirkt dann die Rückstellkraft als mehr oder weniger starke Klemmkraft F auf die zylindrische Außenfläche des Kondensators 30. Der an den Aufnahmebereich 10 unmittelbar angrenzende Wärmeleit- und/oder Wärmeabstrahlbereich 20 weist eine becherartige oder kegelartige Wandformausprägung auf, die durchgehend geschlossen sein kann oder zusätzlich die oben genannte Schlitzung 50 aufweisen kann. Im Ausführungsbeispiel sind weitere Freistanzungen 21 vorgesehen, so dass mehrere Abstrahlfahnen 25 ausgebildet sind, die umfänglich zueinander beabstandet angeordnet sind und unabhängig voneinander gegenüber dem Aufnahmebereich 10 nachgiebig sind, insbesondere in Richtung der Aufnahmeachse S des Aufnahmebereiches 10. Insgesamt steht der Wärmeleit- und/oder Wärmeabstrahlbereich 20 bzw. die Abstrahlfahnen 25 winklig aufweitend gegenüber dem Aufnahmebereich 10 und somit auch gegenüber einer Außenfläche eines aufgenommenen Kondensators 30 ab. Auf der dem Aufnahmebereich 10 abgewandten Seite des Wärmeleit- und/oder Wärmeabstrahlbereiches 20 ist an diesen unmittelbar angrenzend ein Befestigungsbereich 40 ausgebildet. Dieser ist gegenüber dem Wärmeleit- und/oder Wärmeabstrahlbereich 20 in einer Weise abgebogen, dass umfänglich eine ebene Auflagefläche 41 des Kühl- und Halteelementes 100 vorliegt. Dabei liegt die Auflagefläche in einer Ebene E, auf welche die Aufnahmeachse S des Aufnahmebereiches 10 senkrecht gerichtet ist.
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In 2 ist eine erste Ausführungsvariante einer erfindungsgemäßen Elektronikanordnung 200 in einer Seitenansicht gezeigt. Die Elektronikanordnung 200 umfasst einen Schaltungsträger 60 und einen mit dem Schaltungsträger 60 elektrisch kontaktierten Kondensator 30, insbesondere ein radialer Elektrolytkondensator. Zusätzlich ist ein Kühl- und Halteelement 100, beispielsweise wie aus den Fig. la und lb, in einer vorgesehenen Montagestellung klemmend an der Außenfläche des Kondensators 30 gehalten. Dabei liegt der Aufnahmebereich 10 im wesentlichen ganzflächig an einem Mantelflächenausschnitt der zylindrischen Außenfläche an, in der Regel an mehr als 60% der zylindrischen Außenfläche des Kondensators 30, insbesondere an mehr als 80%, bevorzugt an mehr als 90%. Die Montagestellung ist in diesem Ausführungsbeispiel mitunter derart definiert, bei welcher das Kühl- und Halteelement 100 mit dem Befestigungsbereich 40 eben auf der Oberseite 61 des Schaltungsträgers 60 aufliegt. Mögliche Unebenheiten können durch die nachgiebigen Abstrahlfahnen 25 ausgeglichen werden. Im Bereich der Auflage weist der Schaltungsträger 60 Anschlussflächen (nicht dargestellt) auf. Diese sind mittels einer Lot-, Sinter- oder Klebeschicht wärmeleitend mit dem Befestigungsbereich 40 verbunden. Optional kann auf der Unterseite 62 des Schaltungsträgers 60 im Bereich unterhalb des Kühl- und Halteelementes 10 ein Kühlkörper 80 wärmeleitend verbunden sein. Zu Sicherstellung eines optimierten Wärmepfades sind zwischen den Anschlussflächen auf der Oberseite 61 des Schaltungsträgers 60 und dem Kühlkörper 80 beispielsweise sogenannte Vias 65 innerhalb des Schaltungsträgers 60 ausgebildet. Der Schaltungsträger 60 wirkt wie eine versteifende Grundstruktur, wodurch mittels des angebundenen Kühl- und Halteelementes 100 ein guter Vibrationsschutz für den klammernd gehaltenen Kondensator 30 gegeben ist. Zusätzlich ist eine optimierte Entwärmung des Kondensators 30 mittels der bereitgestellten Konvektionsfläche des Wärmeleit- und/oder Wärmeabstrahlbereiches 20 sowie durch den Kühlkörper 80 als Wärmesenke bewirkt.
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In der 3 ist eine alternative Ausführungsform der Elektronikanordnung 200 in einer seitlichen Schnittdarstellung gezeigt. Hierbei ist das Kühl- und Halteelement 100 im Vergleich zur Montagestellung in der 2 um 180° verdreht, so dass die Auflagefläche des Befestigungsbereiches 40 zur Oberseite 61 des Schaltungsträgers 60 abgewandt ist. Die Elektronikanordnung 200 ist insgesamt in einem Gehäuse 90 aufgenommen, welches einen Bodenteil 92 und einen darauf aufgesetzten Deckel 91 aufweist. Bei geschlossenem Gehäuse 90 liegt der Befestigungsbereich 40 im Anlagenkontakt mit dem Deckel 91, wodurch ein Wärmefluss ermöglicht ist. Alternativ kann der Befestigungsbereich 40 mittels einer Lot-, Sinter- oder Klebeschicht wärmeleitend mit dem Deckel 91 verbunden sein.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10342483 [0003]
- DE 4038689 [0004]
