DE102020115933A1

DE102020115933A1 - Kühlkörpersystem

Info

Publication number: DE102020115933A1
Application number: DE102020115933.1A
Authority: DE
Inventors: Joachim Gräfer
Original assignee: Phoenix Contact GmbH and Co KG
Current assignee: Phoenix Contact GmbH and Co KG
Priority date: 2020-06-17
Filing date: 2020-06-17
Publication date: 2021-12-23

Abstract

Ein Kühlkörpersystem, aufweisend:eine Vielzahl von Kühlkörperelementen (3a, 3b, 3n) jeweils angepasst zur Aufnahme zumindest einer Wärmequelle (5a, 5b), wobei die Vielzahl von Kühlkörperelementen (3a, 3b, 3n) zumindest aufweist:ein erstes Kühlkörperelement (3a) mit einer ersten Aufnahmestruktur angepasst zur Aufnahme einer ersten Wärmequelle (5a); undein zweites Kühlkörperelement (3b) mit einer zweiten Aufnahmestruktur angepasst zur Aufnahme einer zweiten Wärmequelle (5b), wobei das erste Kühlkörperelement (3a) und das zweite Kühlkörperelement (3b) miteinander verbindbar ausgestaltet sind, und wobei die erste Aufnahmestruktur und die zweite Aufnahmestruktur voneinander verschieden sind zur Aufnahme der ersten Wärmequelle (5a) und der zweiten Wärmequelle (5b) mit voneinander verschiedenen Geometrien.

Description

Die Erfindung betrifft ein Kühlkörpersystem, aufweisend eine Vielzahl von Kühlkörperelementen, jeweils angepasst zur Aufnahme zumindest einer Wärmequelle.
Der Betrieb elektronischer Bauelemente, wie zum Beispiel Transistoren, Mikrochips und/oder Leistungsschalter, die beispielsweise auf einer Leiterplatte angeordnet sind, oder der Betrieb eingebetteter Systeme, wie beispielsweise System-on-Module, SOM, ist physikalisch bedingt mit unerwünschter Verlustwärme verbunden. Diese Verlustwärme kann in einem Elektronikgehäuse zum Temperaturanstieg führen und möglicherweise den Betrieb anderer Bauelemente beeinträchtigen. Ein derartiger Temperaturanstieg kann somit die Funktion einer gesamten Schaltung beeinträchtigen, weil durch eine hohe Temperatur Betriebspunkte verschoben werden können, Bauelemente schneller altern, bzw. verschleißen können. Auch kann beim Überschreiten einer Grenztemperatur der Temperaturanstieg zu einem zweitweisen oder dauerhaften Ausfall der Schaltung führen.
Üblicherweise sind die bekannten Leiterplatten aus einem elektrisch nicht leitfähigen Werkstoff ausgebildet. Deshalb werden oftmals metallische Kühlkörperelemente mit der Leiterplatte verbunden, welche großflächige, zur Wärmeabfuhr geeignete und entsprechend ausgestaltete Flächen aufweisen. Ein Kühlkörperelement hat die Aufgabe, Verlustwärme durch Wärmeleitung von einer Wärmequelle, beispielsweise einem wärmeerzeugenden Bauelement wegzuleiten und diese dann durch Wärmestrahlung und Konvektion an die Umgebung abzugeben. Um den Wärmewiderstand möglichst gering zu halten, sind Kühlkörperelemente üblicherweise aus einem gut wärmeleitfähigen Metall, meist aus Aluminium oder Kupfer ausgestaltet, wobei zur Oberflächenvergrößerung häufig ein gerippter Metallblock benutzt wird und die zu kühlende Wärmequelle durch Schrauben, Klemmen, Kleben oder Klammern mit möglichst geringem Abstand an dem Kühlkörperelement befestigt wird.
Oftmals sind Kühlkörperelemente einteilig ausgestaltet und aus einem Vollmaterial gefertigt und bereits für die Aufnahme einer spezifischen Anordnung von unterschiedlichen Wärmequellen zugeschnitten. Die Kühlkörper sind daher oftmals aus einem gesamten Stück ausgebildet und müssen jeweils individuell bearbeitet und angepasst werden.
Kühlkörpersysteme, die durch das Zusammenfügen mehrerer Kühlkörperelemente gebildet werden können sind beispielsweise aus der DE 10 2011 085 982 A1 und der DE 100 09 398 A1 bekannt.
Allerdings haben die bekannten Kühlkörpersysteme den Nachteil, dass ein systematisches Zusammenfügen und eine systematische Variantenbildung nicht möglich sind. Außerdem kann die Montage, abhängig von der Ausgestaltung der zu kühlenden Bauteile, aufwändig und schwierig sein.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein verbessertes Kühlkörpersystem zum modularen Anbau an einem Elektronikgehäuse bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird durch ein Kühlkörpersystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Danach wird ein Kühlkörpersystem bereitgestellt, aufweisend:

eine Vielzahl von Kühlkörperelementen jeweils angepasst zur Aufnahme zumindest einer Wärmequelle, wobei die Vielzahl von Kühlkörperelementen zumindest aufweist:
- ein erstes Kühlkörperelement mit einer ersten Aufnahmestruktur angepasst zur Aufnahme einer ersten Wärmequelle; und
- ein zweites Kühlkörperelement mit einer zweiten Aufnahmestruktur angepasst zur Aufnahme einer zweiten Wärmequelle, wobei das erste Kühlkörperelement und das zweite Kühlkörperelement miteinander verbindbar ausgestaltet sind, und wobei die erste Aufnahmestruktur und die zweite Aufnahmestruktur voneinander verschieden sind zur Aufnahme der ersten Wärmequelle und der zweiten Wärmequelle mit voneinander verschiedenen Geometrien.

Der Begriff „Kühlkörperelement“ kann hierin als ein Element verstanden werden, das die wärmeabgebende Oberfläche einer Wärmequelle vergrößern kann. Als Wärmequelle kann hierin ein wärmeproduzierendes Bauteil verstanden werden. Insbesondere kann als Wärmequelle ein wärmeproduzierendes elektrisches oder elektronisches Bauteil verstanden werden. Als „Aufnahmestruktur“ kann eine spezifische Geometrie verstanden werden, die in dem Material des Kühlkörperelements oder an dem Kühlkörperelement angeordnet sein kann und an die Geometrie der aufzunehmenden Wärmequelle angepasst sein kann, beziehungsweise komplementär zu der Geometrie der aufzunehmenden Wärmequelle ausgestaltet sein kann. Beispielsweise kann in einem Bereich des Kühlkörperelements eine Vertiefung oder eine Öffnung als Aufnahmestruktur angeordnet oder ausgebildet sein, zur Aufnahme eines standardisierten elektronischen Bauteils, wie beispielsweise eines Leistungshalbeiterbauteils, wie einer Diode, eines Transistors, eines Thyristors, usw.
Alternativ oder zusätzlich kann als „Aufnahmestruktur“ auch zumindest ein Verbindungselement verstanden werden, das es ermöglicht eine Wärmequelle in oder an einem Kühlkörperelement aufzunehmen. Die Aufnahme der Wärmequelle kann somit auch eine Anbindung der Wärmequelle beschreiben, beispielsweise eine Anbindung über eine Klebe-, Klemm-, oder Schraubverbindung an das Kühlkörperelement.
Unter dem Begriff „Aufnehmen“ kann hierin zumindest eine thermische Anbindung, insbesondere eine thermische und mechanische Anbindung, einer Wärmequelle an ein Kühlkörperelement verstanden werden.
Die Wärmequellen können beispielsweise auf einer Leiterplatte angeordnet sein. In einem Beispiel kann das Kühlkörpersystem eine Leiterplatte umfassen.
Weiterhin kann unter dem Begriff „Wärmequellen mit voneinander verschiedenen Geometrien“ voneinander verschiedene standardisierte elektrische oder elektronische Bauteile mit voneinander verschiedenen Gehäusen als Wärmequellen verstanden werden. Beispielsweise kann ein Kühlkörperelement angepasst sein zur Aufnahme einer spezifischen Leistungsdiode und weitere Kühlkörperelemente können angepasst sein zur Aufnahme weiterer spezifischer Leistungsbauelemente. In Beispielen können die Wärmequellen, die in den Kühlkörperelementen aufnehmbar sind, von dem Kühlkörpersystem umfasst sein.
Der Begriff „miteinander verbindbar“ kann hierin verwendet werden, um zu definieren, dass die verschiedenen Kühlkörperelemente, in Beispielen der Erfindung, direkt über Stift-, Feder-, oder über sonstige Verbindungen, wie beispielsweise über eine Klebeverbindung, form- und/oder kraftschlüssig zusammengefügt sein können.
Beispielsweise können die sich kontaktierenden Flächen an den Kühlkörperelementen eine möglichst große Oberfläche zur größtmöglichen Wärmeübertragung aufweisen. Hierfür können die sich kontaktierenden Flächen wellenförmig ausgestaltet sein. Alternativ oder zusätzlich können die sich kontaktierenden Flächen auch puzzleartig ausgestaltet sein, wobei benachbarte Kühlkörperelemente wie Puzzleteile miteinander verzahnt sein können, um ein festes Halten der Kühlkörperelemente aneinander zu ermöglichen.
Alternativ kann unter dem Begriff „miteinander verbindbar“ auch eine Verbindung beider Kühlkörperelemente über ein Verbindungselement verstanden werden. Beispielsweise können die Kühlkörperelemente entlang einer Ausdehnungsrichtung des Verbindungselements angeordnet sein, beispielsweise wie oben beschrieben, form- und/oder kraftschlüssig mit dem Verbindungselement zusammengefügt sein und über das Verbindungselement thermisch und mechanisch miteinander verbunden sein.
Vorteilhaft ermöglicht das hierin beschriebene Kühlkörpersystem einen Aufbau aus individuellen Kühlkörperelementen, die jeweils spezifisch für jeweils eine spezifische Wärmequelle ausgestaltet sind.
Diese Kühlkörperelemente können schon vor der Nutzung auf spezifische Wärmequellen, wie beispielsweise auf elektrische oder elektronische Standardbauelemente, angepasst sein und können im Baukastensystem zu dem Kühlkörpersystem als Gesamtkühlkörper zusammengefügt werden. Hierbei können die Form und die Größe, die sich aus der Bildung von einzelnen Kühlkörperelementen zu dem Gesamtkühlkörper ergibt, lediglich durch die Gehäuseabmessungen beschränkt sein.
Auch können die Kühlkörperelemente gleichartig ausgestaltet sein und lediglich unterschiedliche Aufnahmestrukturen zur Aufnahme von jeweils unterschiedlichen Wärmequellen aufweisen. Weiterhin können in dem Kühlkörpersystem auch voneinander verschiedene Kühlkörperelemente mit voneinander verschiedenen geometrischen Dimensionen und/oder Materialien verwendet werden, wie beispielswiese Kühlkörpersysteme mit einer Beschichtung, die mit anderen unbeschichteten Kühlkörperelementen in dem Kühlkörpersystem verwendet werden können.
Weiter vorteilhaft bietet das hierin beschriebene Kühlkörpersystem eine einfache Möglichkeit, eine Kühlleitung durch Anordnung/Austausch der Kühlkörperelemente zu erreichen. Auch können die Kühlkörperelemente einfach montiert werden und die Kombinierbarkeit verschiedener Kühlkörperelemente ermöglicht eine „späte“ Variantenbildung. Weiterhin können spezialisierte Module für die Anbringung an einer Leiterplatte oder an einem elektrischen oder elektronischen Bauteil vorgesehen sein.
In einem Beispiel umfasst das Kühlkörpersystem ein drittes Kühlkörperelement, insbesondere ist die Vielzahl von Kühlkörperelementen an einem Elektronikgehäuse angeordnet.
Vorteilhaft können durch einen Anwender, entsprechend der Platzierung von beispielhaft verwendeten Leistungsbauelementen, einzelne Kühlkörperelemente auf einer Leiterplatte angeordnet werden und miteinander zu einem Gesamtkühlkörper verbunden werden.
Hierbei kann die Anzahl und Anordnung der verwendeten Kühlkörperelemente durch eine spezifische Geometrie des Elektronikgehäuses bestimmt sein. Weiterhin können aber auch die Abmessungen des Elektronikgehäuses durch ein Anordnen eines hierin beschriebenen Kühlkörpersystems reduziert werden. Hierbei können durch die verbesserte Kühlleistung des Kühlkörpersystems kompakte Elektronikgehäuse realisiert werden, die auch in räumlich beengten Einbausituationen verwendet werden können.
In einem Beispiel sind das erste Kühlkörperelement und das zweite Kühlkörperelement mechanisch und/oder thermisch miteinander verbindbar ausgestaltet, insbesondere mechanisch und thermisch miteinander fügbar ausgestaltet.
In einem Beispiel weist das Kühlkörpersystem ein Verbindungselement auf, insbesondere ein streifenförmiges Verbindungselement, wobei zumindest das erste Kühlkörperelement und das zweite Kühlkörperelement aus der Vielzahl von Kühlkörperelementen zumindest bereichsweise an dem Verbindungselement anordenbar sind und über das Verbindungselement miteinander verbindbar sind.
Beispielsweise kann das Verbindungselement streifenförmig ausgestaltet sein und aus einem Vollmaterial ausgebildet sein. In einem Beispiel können durch das Verbindungselement Kanäle verlaufen, die zur aktiven Kühlung mit einem Kühlfluid dienen.
Beispielsweise können die Kühlköpersysteme wie oben beschrieben, form-und/oder kraftschlüssig mit dem Verbindungselement zusammengefügt werden. Hierfür können an dem Verbindungselement und den Kühlkörperelementen Stift-, Feder-, oder sonstige Verbindungen angeordnet sein, zum form- und/oder kraftschlüssigen Verbinden der Kühlkörperelemente mit dem Verbindungselement.
Durch ein Anordnen der Kühlkörperelemente entlang des Verbindungselements kann eine einheitliche Schnittstelle geschaffen werden, zum Beispiel zur Befestigung an einer Leiterplatte.
In einem Beispiel sind das erste Kühlkörperelement und das zweite Kühlkörperelement aus der Vielzahl von Kühlkörperelementen miteinander direkt verbindbar ausgestaltet. Daher können, in Beispielen, die Kühlkörperelemente auch in einem ersten Bereich direkt miteinander und indirekt über das Verbindungselement in einem zweiten Bereich verbunden werden. Alternativ können die Kühlkörperelemente auch ohne das Verbindungselement miteinander verbunden werden.
In einem Beispiel weist das erste Kühlkörperelement ein erstes geometrisches Längenmaß und das zweite Kühlkörperelement ein zweites geometrisches Längenmaß auf, wobei das erste geometrische Längenmaß und das zweite geometrische Längenmaß über ein Grundmaß in Beziehung stehen.
Als erstes/zweites geometrisches Längenmaß kann eine Länge und/oder Breite der Kühlkörperelemente verstanden werden. Die Längen und/oder Breiten der Kühlkörperelemente können in dem hierin beschriebenen Beispiel über das Grundmaß derart in Beziehung stehen, so dass sich die Längen und/oder Breiten als ein Vielfaches dieses Grundmaßes ergeben.
Vorteilhaft können durch das Grundmaß auch zukünftig weitere Kühlkörperelemente oder Module in eine derart ausgestaltete standardisierte Modulreihe eingefügt werden. Weiterhin vorteilhaft ermöglich das Grundmaß eine bessere Planbarkeit der Ausgestaltung des Kühlkörpersystems.
In einem Beispiel ist das Grundmaß ein, insbesondere ganzzahliges, Vielfaches oder ein, insbesondere ganzzahliger, Bruchteil des ersten geometrisches Längenmaßes oder des zweiten geometrisches Längenmaßes.
In einem Beispiel sind zumindest das erste Kühlkörperelement und das zweite Kühlkörperelement aus der Vielzahl von Kühlkörperelementen miteinander über eine Fügeverbindung, insbesondere form- und/oder kraftschlüssig, verbindbar ausgestaltet.
In Beispielen kann die Fügeverbindung lösbar, unlösbar oder bedingt lösbar sein.
Beispielsweise können die Kühlkörperelemente lösbar, durch ein Einsetzen, Einschieben oder Einhängen der Kühlkörperelemente miteinander verbunden werden. In weiteren Beispielen können zwei Kühlkörperelemente auch unlösbar, beispielsweise durch eine Schweißverbindung, miteinander verbunden oder bedingt lösbar mittels eines Verbindungselementes, das zum Trennen zerstört werden muss.
In einem Beispiel ist die Fügeverbindung durch komplementäre Verbindungselemente an dem ersten Kühlkörperelement und dem zweiten Kühlkörperelement ausgebildet, wobei die komplementären Verbindungselemente zumindest abschnittsweise entlang zumindest einer Seite an dem ersten Kühlkörperelement und dem zweiten Kühlkörperelement angeordnet sind.
Beispielsweise können die Randbereiche der Kühlkörperelemente jeweils zumindest bereichsweise zueinander komplementär ausgestaltet sein, um miteinander form- und/oder kraftschlüssig zusammenfügbar zu sein.
In einem Beispiel sind die komplementären Verbindungselemente entlang einer Seite, entlang von zwei Seiten, entlang von drei Seiten oder entlang aller vier Seiten zumindest des ersten Kühlkörperelements und des zweiten Kühlkörperelements aus der Vielzahl von Kühlkörperelementen angeordnet.
Vorteilhaft können abhängig von einem beispielsweise streifenförmigen, quadratischen oder polygonalen Kühlkörpersystem, das aus der Vielzahl einzelner Kühlkörperelemente zusammengesetzt ist, Kühlkörperelemente mit unterschiedlich angeordneten Verbindungselementen zum Einsatz kommen. Beispielsweise können Zwischenelemente mit Verbindungselementen an allen vier Seiten, aber auch Eckelemente mit Verbindungselementen an nur zwei Seiten und weitere unterschiedlich ausgestaltete Elemente zum Einsatz kommen. Weiterhin vorteilhaft können die jeweiligen Verbindungselemente an jeweils zwei benachbarten Kühlkörperelementen komplementär ausgestaltet sein, so dass diese wie beispielsweise die Teile eines Puzzles zusammengefügt werden können.
In einem Beispiel ist die Fügeverbindung ausgestaltet als eine Steckverbindung, insbesondere als eine Nut-Federverbindung, oder als eine Schwalbenschwanzverbindung.
Vorteilhaft kann hierdurch die Verbindung der einzelnen Kühlkörperelemente ohne den Einsatz von Werkzeugen zusammengesetzt werden und auch zerstörungsfrei wieder voneinander gelöst werden.
In einem Beispiel ist in einem Bereich der Fügeverbindung zumindest ein wärmeleitfähiges Material angeordnet.
Das wärmeleitfähige Material kann hierfür beispielsweise in der Fügeverbindung zumindest bereichsweise entlang einer Kante angeordnet sein, an der die Kühlkörperelemente und/oder zumindest ein Kühlkörperelement und der Verbindungsstreifen aneinanderstoßen, beziehungsweise miteinander verbunden sind. Das wärmeleitfähige Material kann in Beispielen als Paste, Folie, Platte, elastische Masse und/oder als Gewebe ausgestaltet sein. Auch kann das wärmeleitfähige Material zusätzlich einen Klebstoff umfassen, um die Kühlkörperelemente, bzw. ein Kühlkörperelement und den Verbindungsstreifen besser mechanisch miteinander zu verbinden.
Vorteilhaft kann die Wärmeleitfähigkeit durch die Anordnung entsprechender Materialien sichergestellt und verbessert werden.
In einem Beispiel umfasst das wärmeleitfähige Material ein Thermisches Interface Material, TIM, wobei das Thermische Interface Material:

- wärmeleitend und elektrisch leitend,
- wärmeleitend und elektrisch isolierend, oder
- thermisch isolierend

Vorteilhaft kann durch den Einsatz von wärmeleitenden/thermisch isolierenden, bzw. elektrisch leitenden/isolierenden Materialien eine weitere Variantenbildung des Kühlkörpersystems erreicht werden, wobei gezielt Kühlkörperelemente in dem Kühlkörpersystem thermisch und/oder elektrisch miteinander verbunden/voneinander isoliert werden können.
In einem Beispiel sind die Wärmequellen als elektronische oder elektrische Bauteile ausgestaltet, und umfassen jeweils zumindest einen Leistungshalbleiter, insbesondere eine Diode, einen Transistor, insbesondere einen Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor, MOSFET, oder Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode, IGFET, einen Thyristor, und/oder ein Leistungsmodul.
Hierbei kann, wie es bereits zuvor beschrieben wurde, jeweils ein elektronisches oder ein elektrisches Bauteil als Wärmequelle, also als wärmeproduzierendes Bauteil in jeweils ein Kühlkörperelement aufnehmbar oder aufgenommen sein und die wärmeabgebende Oberfläche der Wärmequelle kann durch das Kühlkörperelement vergrößert werden.
In einem Beispiel umfasst zumindest eines der Kühlkörperelemente aus der Vielzahl von Kühlkörperelementen ein elektrisch aktives Kühlelement und/oder ist zur Aufnahme eines elektrisch aktiven Elements, insbesondere eines Peltier-Elements, ausgestaltet.
Dabei kann das aktive Kühlelement auf das Kühlkörperelement unmittelbar aufgebracht werden, z. B. durch einen Aufdampfprozess, bei dem das Material des aktiven Kühlelements im gasförmigen Zustand sich auf der Oberfläche abscheidet, oder durch einen Galvanisierungsprozess, bei dem das Material des aktiven Kühlelements sich in gelöster Form in einer Flüssigkeit auf der Oberfläche abscheidet. Alternativ kann das aktive Kühlkörperelement über eine Zwischenschicht mit dem Kühlkörperelement verbunden sein.
Vorteilhaft kann die Kühlung durch die Aufnahme eines aktiven Kühlelements weiter verbessert werden.
Abhängig von der Anwendung, kann in spezifischen Beispielen ein Peltier-Element auch zum gezielten Erwärmen einzelner Kühlkörperelemente eingesetzt werden. Vorteilhaft kann zum Erreichen eines optimalen Betriebspunktes beim Einsatz in einer sehr kalten Umgebung auch ein oder mehrere Heizelemente in dem Kühlkörpersystem verwendet werden.
In einem Beispiel sind zumindest zwei aus der Vielzahl von Kühlkörperelementen in einer horizontalen oder vertikalen Ebene miteinander verbindbar, und/oder zumindest zwei Kühlkörperelemente aus der Vielzahl von Kühlkörperelementen sind in einem Winkel, insbesondere rechtwinklig, zueinander miteinander verbindbar.
Abhängig von der jeweiligen Anwendung, können die einzelnen Kühlkörperelemente des Kühlkörpersystems in einer horizontalen oder vertikalen Ebene, beispielsweise flach auf einer Leiterplatte angeordnet sein. In Beispielen können die Kühlkörperelemente auch dreidimensional, sich in alle drei Raumachsen erstreckend, um ein Elektronikgehäuse angeordnet sein. Hierbei kann, wie bereits zuvor beschrieben, ein kompaktes Elektronikgehäuse mit einem daran angeordneten Kühlkörpersystem realisiert werden, das auch in räumlich beengten Einbausituationen verwendet werden kann.
Der der Erfindung zugrunde liegende Gedanke soll nachfolgend anhand von in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Es zeigen:

1A, 1B schematische Ansichten eines ersten Kühlkörperelements und eines zweiten Kühlkörperelements gemäß einer Ausführungsform;
2 eine schematische Draufsicht auf eine Leiterplatte mit einem darauf angeordneten Kühlkörpersystem gemäß einer Ausführungsform;
3A - 3C schematische Ansichten eines Gehäuses und Leiterplatten mit darauf angeordneten Kühlkörpersystemen gemäß Ausführungsformen; und
4A, 4B schematische Ansichten von Kühlkörpersystemen gemäß Ausführungsformen.

Die 1A und 1B zeigen schematische Ansichten eines ersten Kühlkörperelements 3a und eines zweiten Kühlkörperelements 3b gemäß einer Ausführungsform.
Die gezeigten Kühlkörperelemente 3a, 3b können aus einem gut wärmeleitfähigen Metall, wie beispielsweise aus Aluminium oder Kupfer ausgebildet sein und die Wärme von den gezeigte Wärmequellen 5a, 5b wegleiten und durch Wärmestrahlung und Konvektion an die Umgebung abgeben. Die abzugebende Wärme ist in der gezeigten Ausführungsform die Verlustwärme von den als elektronische Bauteile gezeigten Wärmequellen 5a, 5b.
Wie in den 1A und 1B gezeigt, sind die beiden Kühlkörperelemente 3a, 3b unterschiedlich ausgestaltet und weisen zur Aufnahme der Wärmequellen 5a, 5b unterschiedliche Aufnahmestrukturen auf. Die Wärmequellen 5a, 5b werden in den 1A und 1B als IGBT-Transistoren gezeigt. In weiteren Ausführungsformen können aber auch noch weitere elektronische oder elektrische Bauteile verwendet werden, wie beispielsweise Dioden, Thyristoren, und/oder komplette Leistungsmodule.
Weiterhin ist in der 1A beispielhaft ein Element 7 einer form- und kraftschlüssigen Fügeverbindung gezeigt. Das beispielhaft gezeigte Element 7 ist als ein Element einer Schwalbenschwanzverbindung dargestellt. Die form- und kraftschlüssige Verbindung dient dazu, mehrere gleichartige oder unterschiedliche Kühlkörperelemente 3a, 3b miteinander zu verbinden.
2 zeigt eine schematische Draufsicht auf eine Leiterplatte 9 mit einem darauf angeordneten Kühlkörpersystem 1 gemäß einer Ausführungsform. Die gezeigte Leiterplatte 9 weist einen Steckverbinder zum elektrischen Verbinden mit einem korrespondierenden Verbinder in einem Elektronikgehäuse (nicht gezeigt in 2) auf. Die Leiterplatte 9 kann beispielsweise elektrische oder elektronische Bauelemente für Applikationen wie Netzteile, Sicherheitstechnologie, Leistungselektronik und das Internet of Things (loT) aufweisen.
Die in 2 gezeigten Kühlkörperelemente 3a - 3n sind miteinander in einer Reihe verbunden und auf einem Bereich der Leiterplatte 9 angeordnet. Wie bereits zuvor beschrieben, können diese Kühlkörperelemente 3a - 3n schon vor der Nutzung auf elektronische Standardbauelemente angepasst sein und im Baukastensystem, wie gezeigt, zu einem Gesamtkühlkörper zusammengefügt werden.
Die 3A - 3C zeigen schematische Ansichten eines Gehäuses 11 und Leiterplatten 9 mit darauf angeordneten Kühlkörpersystemen 1 gemäß Ausführungsformen.
In 3A wird ein Gehäuse 11 gezeigt, in das die in den 3B und 3C gezeigten Leiterplatten 9 eingebracht werden können, wie es durch den in 3A gezeigten Pfeil angedeutet ist.
Das Gehäuse 11 kann auf einer Tragschiene (nicht gezeigt) angeordnet sein und kann weiterhin Tragschienen-Busverbinder mit parallelen und/oder seriellen Kontakten für eine Modul-zu-Modul-Kommunikation aufweisen.
In 3B ist eine Leiterplatte 9 mit einem Kühlkörpersystem 1 gezeigt das ein Verbindungselement 13 an einer Seite der Leiterplatte 9 aufweist. Wie gezeigt, sind die Kühlkörperelemente 3a - 3n an dem Verbindungselement 13 angeordnet und über das Verbindungselement 13 miteinander verbunden.
In 3C ist zusätzlich zu dem bereits in 3B gezeigten Aufbau gezeigt, dass auch bei der Verwendung von einem Verbindungselement 13, einige Kühlkörperelemente 3n miteinander, nicht über das Verbindungselement 13, direkt verbindbar sein können. Die Anordnungen der Kühlkörperelemente 3a - 3n in den 3B und 3C sind lediglich beispielhaft gezeigt. Abhängig von den auf der Leiterplatte 9 angeordneten Wärmequellen kann die Anordnung der Kühlkörperelemente variieren.
Die 4A und 4B zeigen schematische Ansichten von Kühlkörpersystemen 1 gemäß Ausführungsformen.
In 4A ist ein Kühlkörpersystem 1 mit zwei Kühlkörperelementen 3a, 3b gezeigt, die nebeneinander an einem Verbindungselement 13 angeordnet sind.
In dem in 4A gezeigten Kühlkörpersystem 1 weist das erste Kühlkörperelement 3a ein erstes geometrisches Längenmaß L₁ und das zweite Kühlkörperelement 3b ein zweites geometrisches Längenmaß L₂ auf. Das erste und zweite geometrische Längenmaß L₁ , L₂ , kann wie in der 4A beispielhaft dargestellt ist, die Breite des ersten und zweiten Kühlkörperelements 3a, 3b sein. In nicht gezeigten Ausführungsformen kann sich das erste und zweite geometrisches Längenmaß auch auf die Breite oder auf eine andere geometrische Dimension der Kühlkörperelemente beziehen.
In der gezeigten Ausführungsform stehen die geometrischen Längenmaße L₁ , L₂ über ein Grundmaß in Beziehung, so dass sich die Längen als ein Vielfaches dieses Grundmaßes ergeben. In der gezeigten Ausführungsform entspricht das geometrische Längenmaß L₂ des zweiten Kühlkörperelements 3b zweimal dem geometrisches Längenmaß L₁ des ersten Kühlkörperelements 3a.
In 4B ist ein Kühlkörpersystem 1 mit Kühlkörperelementen 3b, 3n gezeigt, die untereinander an einem Verbindungselement 13 angeordnet sind. In den Fügeverbindungen zwischen den Kühlkörperelementen 3b, 3n ist, wie gezeigt, jeweils ein wärmeleitfähiges Material 15a, 15n angeordnet. Das wärmeleitfähige Material 15a, 15n ist in den Fügeverbindungen entlang einer Kante angeordnet, an der die Kühlkörperelemente 3b, 3n aneinanderstoßen, beziehungsweise miteinander verbunden sind.
Bezugszeichenliste

1: Kühlkörpersystem
3a - 3n: Kühlkörperelemente
5a, 5b: Wärmequellen
7: Element einer Fügeverbindung
9: Leiterplatte
11: Gehäuse
13: Verbindungselement
15a - 15n: Wärmeleitfähiges Material
L1: erstes geometrisches Längenmaß
L2: zweites geometrisches Längenmaß

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102011085982 A1 [0005]
DE 10009398 A1 [0005]

Claims

Kühlkörpersystem, aufweisend: eine Vielzahl von Kühlkörperelementen (3a, 3b, 3n) jeweils angepasst zur Aufnahme zumindest einer Wärmequelle (5a, 5b), wobei die Vielzahl von Kühlkörperelementen (3a, 3b, 3n) zumindest aufweist: ein erstes Kühlkörperelement (3a) mit einer ersten Aufnahmestruktur angepasst zur Aufnahme einer ersten Wärmequelle (5a); und ein zweites Kühlkörperelement (3b) mit einer zweiten Aufnahmestruktur angepasst zur Aufnahme einer zweiten Wärmequelle (5b),dadurch gekennzeichnet, dass das erste Kühlkörperelement (3a) und das zweite Kühlkörperelement (3b) miteinander verbindbar ausgestaltet sind, und wobei die erste Aufnahmestruktur und die zweite Aufnahmestruktur voneinander verschieden sind zur Aufnahme der ersten Wärmequelle (5a) und der zweiten Wärmequelle (5b) mit voneinander verschiedenen Geometrien.
Kühlkörpersystem nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein drittes Kühlkörperelement (3n), insbesondere ist die Vielzahl von Kühlkörperelementen (3a, 3b, 3n) an einem Elektronikgehäuse angeordnet.
Kühlkörpersystem nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Kühlkörperelement (3a) und das zweite Kühlkörperelement (3b) mechanisch und/oder thermisch miteinander verbindbar ausgestaltet sind.
Kühlkörpersystem nach einem der Ansprüche 1 oder 2, gekennzeichnet durch ein Verbindungselement (13), insbesondere ein streifenförmiges Verbindungselement, wobei zumindest das erste Kühlkörperelement (3a) und das zweite Kühlkörperelement (3b) aus der Vielzahl von Kühlkörperelementen (3a, 3b, 3n) zumindest bereichsweise an dem Verbindungselement (13) anordenbar sind und über das Verbindungselement (13) miteinander verbindbar sind.
Kühlkörpersystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Kühlkörperelement (3a) ein erstes geometrisches Längenmaß (L₁) und das zweite Kühlkörperelement (3b) ein zweites geometrisches Längenmaß (L₂) aufweist, wobei das erste geometrische Längenmaß (L₁) und das zweite geometrische Längenmaß (L₂) über ein Grundmaß in Beziehung stehen.
Kühlkörpersystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Grundmaß ein, insbesondere ganzzahliges, Vielfaches oder ein, insbesondere ganzzahliger, Bruchteil des ersten geometrischen Längenmaßes (L₁) oder des zweiten geometrischen Längenmaßes (L₂) ist.
Kühlkörpersystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest das erste Kühlkörperelement (3a) und das zweite Kühlkörperelement (3b) aus der Vielzahl von Kühlkörperelementen (3a, 3b, 3n) miteinander über eine Fügeverbindung, insbesondere form- und/oder kraftschlüssig, verbindbar ausgestaltet sind.
Kühlkörpersystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Fügeverbindung durch komplementäre Verbindungselemente an dem ersten Kühlkörperelement (3a) und dem zweiten Kühlkörperelement (3b) ausgebildet ist, wobei die komplementären Verbindungselemente zumindest abschnittsweise entlang zumindest einer Seite an dem ersten Kühlkörperelement (3a) und dem zweiten Kühlkörperelement (3b) angeordnet sind.
Kühlkörpersystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die komplementären Verbindungselemente entlang einer Seite, entlang von zwei Seiten, entlang von drei Seiten oder entlang aller vier Seiten zumindest des ersten Kühlkörperelements (3a) und des zweiten Kühlkörperelements (3b) aus der Vielzahl von Kühlkörperelementen (3a, 3b, 3n) angeordnet sind.
Kühlkörpersystem nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Fügeverbindung ausgestaltet ist als eine Steckverbindung, insbesondere als eine Nut-Federverbindung, oder als eine Schwalbenschwanzverbindung.
Kühlkörpersystem nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Bereich der Fügeverbindung zumindest ein wärmeleitfähiges Material (15a - 15n) angeordnet ist.
Kühlkörpersystem nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das wärmeleitfähige Material (15a - 15n) ein Thermisches Interface Material, TIM, umfasst, wobei das Thermische Interface Material: - wärmeleitend und elektrisch leitend, - wärmeleitend und elektrisch isolierend, oder - thermisch isolierend ausgestaltet ist.
Kühlkörpersystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmequellen (5a, 5b) als elektronische oder elektrische Bauteile ausgestaltet sind, und jeweils zumindest einen Leistungshalbleiter umfassen, insbesondere eine Diode, einen Transistor, insbesondere einen Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor, MOSFET, oder Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode, IGFET, einen Thyristor, und/oder ein Leistungsmodul.
Kühlkörpersystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eines der Kühlkörperelemente (3a, 3b, 3n) aus der Vielzahl von Kühlkörperelementen (3a, 3b, 3n) ein elektrisch aktives Kühlelement umfasst und/oder zur Aufnahme eines elektrisch aktiven Elements, insbesondere eines Peltier-Elements, ausgestaltet ist.
Kühlkörpersystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest zwei aus der Vielzahl von Kühlkörperelementen (3a, 3b, 3n) in einer horizontalen oder vertikalen Ebene miteinander verbindbar sind, und/oder zumindest zwei Kühlkörperelemente aus der Vielzahl von Kühlkörperelementen (3a, 3b, 3n) in einem Winkel, insbesondere rechtwinklig, zueinander miteinander verbindbar sind.