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Die Erfindung betrifft in erster
Linie ein Gehäuse,
welches zwei Gehäuse-Kunststoffschalen und
einen im Gehäuse
angeordneten Kühlkörper aufweist
(Patentanspruch 1). Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren
zur Herstellung des Gehäuses nach
Anspruch 1 (Patentanspruch 14).
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Gehäuse für elektronische Schaltungen,
die Umwelteinflüssen
ausgesetzt sind, müssen
dicht schließen.
Bei der Auslegung des Gehäuses
ist "darauf zu achten,
dass die von den Bauelementen, beispielsweise einer Leistungsstufe,
erzeugte Verlustwärme
in einem derartigen Maße
abgeführt
wird, dass keine unzulässige
Erwärmung
stattfindet.
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Um ein Gehäuse verfügbar zu machen, das bei kleinem
kompakten Aufbau die Aufnahme von elektrischen und/oder elektronischen
Schaltungen mit relativ hoher Verlustwärme ohne deren Gefährdung durch
Wärmestau
ermöglicht,
ist beispielsweise aus dem G 88 15 604.4 ein Gehäuse mit einem Gehäuseboden
bekannt, welcher wenigstens teilweise direkt als Kühlkörper mit
einem Kühlprofil
ausgebildet ist. Da die entstehende Wärme direkt nach außen abgeführt wird,
bildet sich im Gehäuseinnern
kein unerwünschter
Wärmestau
aus, der empfindliche Bauteile gefährden könnte. Der Kühlkörper besteht aus einem wärmeleitenden
Material, vorzugsweise aus Aluminium. Der Gehäuseboden mit dem Kühlkörper sitzt
direkt auf einer üblicherweise
metallisch ausgebildeten Montage- bzw. Tragschiene auf, so dass nicht
nur eine Wärmeableitung
durch Konvektion über
das Kühlprofil,
sondern auch zusätzlich
eine Wärmeableitung über die
Tragschiene erfolgt. Um eine zusätzliche
Verbesserung der Wärmeableitung vom
Gehäuseinnern
zu der Gehäusebodenaußenseite
zu realisieren, weist der Gehäuseboden
wenigstens im Bereich der Kühlprofilabschnitte
Montagebohrungen auf, die für
den Eingriff von ebenfalls gut wärmeleitenden
Befestigungsmitteln, wie Schrauben oder dergleichen vorgesehen sind.
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Ein ähnlicher Weg ist bei der aus
der
DE 100 13 844
A1 bekannten Vorrichtung zum Kühlen eines elektrischen Moduls
eingeschlagen worden. Um die Wärmeabfuhr
zur Kühlung
von elektronischen oder elektrischen Bauteilen und ganzen Baugruppen/Modulen
zu verbessern, ist auf dem/den Modulen) ein aus Kunststoff gebildeter
Kühlkörper befestigt,
wobei zur Optimierung der physikalischen Eigenschaften des Kühlkörpers, insbesondere
hinsichtlich der Wärmeleitfähigkeit
und/oder des Wärmeausdehnungskoeffizienten,
in den Kunststoff ein Füllstoff,
beispielsweise Kohlenstofffasern und/oder ein Metallgranulat, eingelagert
ist. Kohlenstofffasern besitzen Wärmeleitfähigkeiten, die größer als
1000 W/mK sein können.
Im Vergleich dazu besitzen die Metalle, aus denen metallische Kühlkörper gebildet
werden, wesentlich geringere Wärmeleitfähigkeiten.
Die Wärmeleitfähigkeit
für Aluminium
beträgt
beispielsweise ca. 200 W/mK. Für
Kupfer und CuW 85/15 beträgt
die Wärmeleitfähigkeit
380 W/mK bzw. 230 W/mK. Mit Hilfe der Abstimmung des Verhältnisses,
beispielsweise hinsichtlich Gesamtmasse der eingelagerten Kohlenstofffasern
und der Metallgranulate zueinander, können die physikalischen Eigenschaften
an den Kühlbedarf
des jeweiligen Moduls angepasst werden, für welches der Kühlkörper genutzt
wird. Als Material für
das Metallgranulat ist 'beispielsweise
Kupfer geeignet. Schließlich
weist der Kühlkörper zur
Vergrößerung seiner äußeren Gesamtoberfläche Kühlrippen
auf, so dass die von den Bauelementen auf den Kühlkörper übergegangene Wärme besser
an die Umgebung des Kühlkörpers abgegeben
werden kann.
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Ein ähnlicher Weg, um ein Gehäuse mit
geringer Bauhöhe
in Kombination mit der Realisierung einer effizienten Wärmeableitung
der von den Leistungsbauelementen erzeugten Wärme herzustellen, ist aus der
DE 199 53 191 A1 für ein Steuergerät bekannt.
Das Gehäuse
wird durch einen beidseitig offenen Gehäuserahmen gebildet, dessen
offene Unterseite mit einer das Bodenteil des Gehäuses bildenden
metallischen Wärmesenke
abgedeckt wird, wobei die in dem Gehäuse angeordneten Leistungsbauelemente
auf ihrer von der Leiterplatte abgewandten als Kühlfläche vorgesehenen Seite mit
der Wärmesenke
kontaktiert sind. Kontaktelemente der Steckerteile und hochstromführende Leiterstreifen
werden in einfacher Weise durch ein Stanzgitter gebildet, welches
durch Spritzgießen
in den Gehäuserahmen
eingebettet werden kann. Die Anschlüsse der Leistungsbauelemente
können
mit Leiterbahnen der Leiterplatte und/oder mit nicht in Kunststoff
eingebetteten Abschnitten des Stanzgitters kontaktiert werden. Weiterhin
ist vorgesehen, dass der Gehäuserahmen mit
Querstegen versehen ist, an welchen Haltemittel für die Leistungsbauelemente
und/oder Haltemittel für
weitere elektrische Bauelemente ausgebildet sind. Hierdurch wird
erreicht, dass nicht alle Bauelemente auf die Leiterplatte aufgebracht
werden müssen
und große
Bauelemente, welche viel Platz beanspruchen, unabhängig von
der Leiterplatte an den Haltemitteln des Gehäuserahmens festgelegt werden
können.
Durch diese Maßnahme
wird die Bauhöhe
der Anordnung stark reduziert. Außerdem wird durch die Querstege
ein sehr stabiler Aufbau in Verbindung mit einer erleichterten Montage
realisiert. So können
beispielsweise große
Kondensatoren an dem Gehäuserahmen
vormontiert werden und anschließend
die Leiterplatte an dem Gehäuserahmen
festgelegt werden. Ein besonders guter Schutz gegen Feuchtigkeit
und Umwelteinflüsse
kann dadurch realisiert werden, dass das aus Gehäuserahmen, metallischem Bodenteil
und Deckelteil gebildete Gehäuse ein
hermetisch dicht verschlossenes Gehäuse ist. Ergänzend hierzu
ist die Oberseite und/oder Unterseite des Gehäuserahmens mit einer umlaufenden
Dichtung versehen, auf welche das Deckelteil und das Bodenteil aufgelegt
werden. Die kompakte, flache Bauweise kann noch dadurch verbessert
werden, dass das metallische Bodenteil mit wenigstens einer Versenkung
und/oder wenigstens einem Podest zur Anlage der Leistungsbauelemente
und/oder der weiteren elektrischen Bauelemente versehen ist.
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Um eine schmale Bauform für eine elektrische
Baueinheit mit einem Kühlkörper, einem
mit dem Kühlkörper verbundenen
Leistungsblock und mit einer Leiterplatte zur Aufnahme und Verschaltung elektronischer
Bauelemente zu realisieren, ist es aus dem G 87 04 499.4 bekannt,
den Kühlkörper L-förmig auszubilden,
wobei seine beiden Innenflächen
Gehäusewandungen
sind. Der L-förmige
Ausschnitt des Körpers
bildet selbst das Gehäuseinnere,
wobei die mit Kühlrippen
versehenen Außenseiten
des Kühlkörpers direkt
der Umgebungsluft ausgesetzt sind. Der L-förmige Ausschnitt des Kühlkörpers lässt sich in
einfacher Weise zur Vervollständigung
des Gehäuses
durch eine L-förmige
Abdeckhaube (geschlossenes Gehäuse
durch jeweils weitere Gehäusewandung)
abdecken. Die Leiterplatte wird dabei über Anschlussbolzen mechanisch
und elektrisch mit dem Leistungsblock verbunden und über Nuten
und Ansätze
wird eine formschlüssige
Verbindung zwischen der Abdeckhaube und dem Kühlkörper hergestellt.
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Weiterhin ist aus der
DE 39 33 123 A1 ein Gehäuse für eine elektronische,
mit Anschlussstecker versehene Schaltung, mit einem Rahmen, an dem
eine die elektronische Schaltung aufweisende Leiterplatte befestigt
ist und mit einem Kühlkörper, dem
Leistungs-Bauelemente der elektronischen Schaltung zugeordnet sind,
sowie mit einer die Leiterplatte umfangenden Abdeckung bekannt.
Um eine einfache, kostengünstige
Ausbildung eines dicht schließenden
Gehäuses
zu ermöglichen,
das gute Wärmeableiteigenschaften
für wärmeerzeugende Bauelemente
aufweist, ist im einzelnen ein gespritzter Kunststoffrahmen vorgesehen,
in den mindestens ein Wärmeleitsteg
wenigstens eines Kühlkörpers eingeformt
ist. Bei der Herstellung wird der Wärmeleitsteg im Kunststoffspritzverfahren
eingebettet, so dass eine spaltfreie und dichte Ausbildung gewährleistet
ist. Das eine Ende des Wärmeleitstegs
geht in eine im Gehäuseinneren
liegende Bauelement-Montagefläche über und
das andere Ende des Wärmeleitstegs
ist als außerhalb
des Gehäuses
liegendes Wärmeabführelement
ausgebildet. Die von auf der Bauelement-Montagefläche angeordneten
Bauelementen erzeugte Wärme
wird daher direkt über
den eingebetteten Wärmeleitsteg
aus dem Gehäuseinneren
herausgeführt,
so dass gute Kühleigenschaften
vorliegen. Außerhalb
des Gehäuses
erfolgt eine Wärmeableitung
durch das Wärmeabführelement,
wobei vorzugsweise eine Einstückigkeit
zwischen Bauelement-Montagefläche,
Wärmeleitsteg
und Wärmeabführelement
vorliegt, so dass sehr kleine Wärmeübergangswiderstände vorliegen.
Trotz eines dicht schließenden
Gehäuses
ist auf die genannte Art und Weise eine effektive Wärmeabfuhr
gewährleistet.
Der Kunststoffrahmen stellt dabei eine einfache und kostengünstige Lösung dar
und der Kühlkörper besteht vorzugsweise
aus Metall. Eine Doppelfunktion wird vom Wärmeabführelement übernommen, wenn dieses gleichzeitig
als Gehäuse-Befestigungsanschluss ausgebildet
ist. Überdies
werden hierdurch die Wärmeableiteigenschaften
noch weiter verbessert, da über
die Befestigung die vom Wärmeleitsteg
transportierte Wärme
aufgenommen bzw. weitergeleitet wird, so dass Wärmestaus vermieden sind. Da
die elektronische Schaltung an Versorgungs- und Datenleitungen angeschlossen
werden muss, ist ein Anschlussstecker vorgesehen. Dieser lässt sich
dadurch am Gehäuse
festlegen, in dem er in den Kunststoffrahmen eingeformt ist. Mithin
wird bei der Rahmenherstellung nicht nur der Wärmeleitsteg des Kühlkörpers; sondern
auch der Anschlussstecker mit Kunststoff umspritzt. Damit ist auch
beim Anschlussstecker ein spaltfreier Übergang zum Kunststoffrahmen
garantiert. Die Abdeckung ist vorzugsweise von zwei Gehäuse-Kunststoffschalen
gebildet, die mit der Ober- und Unterseite des Kunststoffrahmens
verbunden, vorzugsweise verschweißt, sind. Durch die Verschweißung ist
auf besonders einfache Weise ein dicht schließendes Gehäuse realisiert. Um eine hohe elektromagnetische
Verträglichkeit
(EMV) zu erzielen, so dass weder von der elektronischen Schaltung eine
Störabstrahlung
nach außen,
noch eine Störeinstrahlung
nach innen erfolgen kann, sind die Gehäuse-Kunststoffschalen vorzugsweise
metallisiert.
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Um einen Kühlkörper so auszubilden, dass eine
möglichst
große
Gestaltungsvielfalt mit Blick auf das Gehäuse zur Aufnahme der Schaltung
möglich ist,
ist aus der
DE 100
14 457 A1 ein Kühlkörper mit einem
Gehäuse für eine wärmeabgebende
elektronische Schaltung bekannt, bei dem zumindest die Seitenwandungen
des Gehäuses
aus Kunststoff bestehen und durch Umspritzen des oberen Abschnitts des
Kühlkörpers fest
mit diesem verbunden sind. Durch diesen Aufbau wird eine Trennung
der Funktionen erreicht, nämlich
die Kühlung
durch den in der Regel metallischen Kühlkörper einerseits und die Halterung
der elektronischen Schaltung durch das Gehäuse aus dem umspritzten Kunststoff
andererseits. Die Herstellung eines Gehäuses aus Kunststoff mittels
Umspritzen des Kühlkörpers bietet
eine große Gestaltungsvielfalt,
ohne dass mechanische Nachbearbeitungen erforderlich werden. Im
einzelnen ist vorgesehen, dass die Oberseite des metallischen Kühlkörpers nach
wie vor zumindest teilweise frei bleibt, so dass der wärmeleitende
Kontakt zu der elektronischen Schaltung ohne weiteres hergestellt werden
kann. Es kann weiterhin vorgesehen werden, dass der Kunststoff des
Gehäuses
zumindest teilweise den der Schaltung zugekehrten Boden des Kühlkörpers abdeckt.
Dadurch kann eine Isolationsschicht unmittelbar beim Herstellen
des Gehäuses vorgesehen
werden, so dass Kurzschlüsse,
Kriechströme
oder dergleichen vermieden werden können. Insbesondere ist es möglich, dass
der Kunststoff lediglich die zur Wärmeübertragung erforderliche metallische
Oberfläche
des Kühlkörpers frei
lässt.
Weiterhin ist vorgesehen, dass das Gehäuse zumindest teilweise entlang
dem Umfang über
zumindest einen Teil der Höhe
der Seitenwandung doppelwandig unter Bildung einer inneren Wanne
ausgebildet ist. In dieser inneren Wanne kann die elektronische
Schaltung besonders gut geschützt
gegen äußere Einflüsse montiert
sein. Insbesondere ist es möglich,
dass in der zusammengebauten Lage die innere Wanne die Schaltung
aufnimmt und mit einem Weichverguss, beispielsweise aus Silikon,
verfüllt
ist. Das Gehäuse selbst
kann beispielsweise durch einen Deckel verschlossen sein. Dadurch
wird erreicht, dass der gegen Druck relativ empfindliche Weichverguss
gegen mechanische Einflüsse
geschützt
ist. Zusätzlich
kann in der zusammengebauten Lage das Gehäuse mit einer Hartvergussmasse
verfüllt
werden. Die Hartvergussmasse kann sich bis in den durch die doppelte Wandung
gebildeten Spalt erstrecken und dort verankert sein. Im einzelnen
ist die Anordnung in der zusammengebauten Lage demnach so getroffen,
dass in der inneren Wanne des doppelwandigen Gehäuses die elektronische Schaltung
in einer Weichvergussmasse eingebettet ist. Die anschließend eingebrachte
Hartvergussmasse deckt die Weichvergussmasse ab und wird gleichzeitig
in dem Spalt zwischen den doppelten Wandungen fest verankert. Dadurch
wird erreicht, dass ein Druck auf die Hartvergussmasse unmittelbar
in das Gehäuse
eingeleitet wird, ohne auf die Weichvergussmasse zu wirken. Der
Kühlkörper kann
grundsätzlich
aus einem beliebigen wärmeleitenden
Material bestehen. Es ist jedoch zweckmäßig, wenn der Kühlkörper ein
Aluminiumdruckgussteil oder ein Aluminiumfließpressteil ist.
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Schließlich ist aus der
DE 199 29 209 A1 ein elektronisches
Steuergerät
mit einem auf einem Schaltungsträger
mit Leistungsbauteil angeordneten Kühlkörper bekannt. Hierzu ist im
einzelnen ein metallischer Kühlkörper, der
unter dem Leistungsbauteil auf die dem Leistungsbauteil abgewandte
Seite des Schaltungsträgers
gelötet
ist und eine Länge
von höchstens
40 mm, eine Breite von höchstens
40 mm und eine Dicke von höchstens
5 mm aufweist, eine Kunststoffmasse in die der Kühlkörper formschlüssig eingebettet
ist und wenigstens eine Durchkontaktierung des Schaltungsträgers, die
einen thermischen Pfad zwischen dem Leistungsbauteil und dem Kühlkörper bereitstellt,
vorgesehen. Durch die gute thermische Kopplung zwischen dem Leistungsbauteil und
dem Kühlkörper wird
bei einer momentan auftretenden hohen Verlustleistung die Wärme sehr
effizient in den Kühlkörper abgeleitet. Über die
Kunststoffmasse, die ein Vielfaches der Masse des Kühlkörpers aufweist,
erfolgt eine Pufferung und Abführung der
aufgenommenen Wärme.
Der metallische Kühlkörper sorgt
also für
die schnelle Ableitung von Wärme
in die Kunststoffmasse. Letztere weist regelmäßig eine höhere Wärmekapazität auf als das üblicherweise
für Wärmesenken
verwendete Aluminium.
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Wie die vorstehende Würdigung
des Standes der Technik aufzeigt, ist es für unterschiedliche Anwendungsfälle an sich
bekannt, die im Gehäuseinneren
entstehende Wärme
durch Wärmeleitung möglichst
direkt nach außen
abzuführen,
indem der Kühlkörper entweder
Gehäusewandungen
ausbildet oder mindestens ein Wärmeleitsteg
am Kühlkörper angeformt
ist, d.h. es wurde stets die Wärmeleitung optimiert.
Wie die beiden zuletzt genannten Druckschriften, nämlich
DE 100 14 457 A1 und
DE 199 29 209 A1 ,
aufzeigen, ist es an sich bekannt, einen zusätzlichen Wärmeübergang vom Kühlkörper in
eine im Gehäuse
eingefüllte
Kunststoffmasse zu schaffen. Nachteilig hierbei ist jedoch, dass
nicht nur dieser zusätzliche
Wärmeübergang
einen hohen Herstellungsaufwand und Materialverbrauch erfordert,
sondern auch, dass nur mit hohem Aufwand eine Reparatur oder Überprüfung der
von der Kunststoffmasse eingehüllten
elektrischen/elektronischen Schaltung vorgenommen werden kann. Deshalb
fehlt in der Praxis ein Gehäuse
mit zwei Gehäuse-Kunststoffschalen und
einem im Gehäuse
angeordneten Kühlkörper, welches
kostengünstig
herstellbar, einfach montierbar und vollautomatisch herstellbar
ist und welches eine besonders effektive Wärmeabfuhr gewährleistet.
Besonders bedeutsam ist dies, weil die Investitionsgüter herstellende
Industrie als äußerst fortschrittliche,
entwicklungsfreudige Industrie anzusehen sind, die sehr schnell
Verbesserungen und Vereinfachungen aufgreift und in die Tat umsetzt.
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Der Erfindung liegt gegenüber den
bekannten Gehäusen
und Verfahren zur Wärmeableitung mittels
Kühlkörper die
Aufgabe zugrunde, ein solches Gerät zur Verfügung zu stellen, welches kostengünstig herstellbar
ist und welches eine besonders effektive Wärmeabfuhr gewährleistet.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem
Gehäuse
gelöst,
welches aufweist:
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- – zwei
Gehäuse-Kunststoffschalen
und
- – einen
im Gehäuse
angeordneten Kühlkörper, welcher
mit einer der beiden Gehäuse-Kunststoffschalen
durch Umspritzen eines Teils des Kühlkörpers fest verbunden ist und
welcher einen nicht umspritzten Abschnitt als Bauelemente-Montagefläche aufweist,
wodurch für
die dort montierten Bauelemente das Gehäuse als Wärmesenke wirkt.
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Die Ausbreitung von Wärme erfolgt
durch Wärmestrahlung,
Wärmeleitung
und Wärmeströmung (Konvektion).
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Wärmestrahlung
ermöglicht
auch die Abgabe von Wärme
in das Vakuum, sie ist nur von der Temperatur des strahlenden Körpers abhängig und unabhängig von
der Temperatur der Umgebung. Die Wärmestrahlung hängt von
der Temperatur des Strahlers/Körpers
und auch von der Beschaffenheit seiner Oberfläche ab. Wärmestrahlung erfolgt im Gegensatz
zur Wärmeleitung
auch dann, wenn der Körper
die gleiche Temperatur hat wie seine Umgebung. Wie viel ein Körper abstrahlt,
ist unabhängig
von der Temperatur seiner Umgebung und der Körper erhält immer Strahlung von seiner
Umgebung, selbst wenn diese kälter
ist. Allerdings strahlt dann die Umgebung dem Körper weniger zu als umgekehrt
und der Körper
kühlt sich
ab. Die Ausstrahlung eines Körpers wird
durch seine spezifische Ausstrahlung beschrieben, wobei je größer der
Absorptionsgrad eines Körpers,
d.h. das Verhältnis
der absorbierten zur auffallenden Strahlung, desto größer ist
seine spezifische Ausstrahlung. So ist die spezifische Ausstrahlung
einer blanken Fläche
bei gleicher Temperatur kleiner als die einer schwarzen Fläche oder
die einer hochglänzend
polierten Fläche
kleiner als die einer aufgerauten Fläche, wobei die Verhältnisse
der spezifischen Ausstrahlung zum Absorptionsgrad von blanker und
schwarzer Fläche
einander gleich sind. Körper,
die den Absorptionsgrad 1 besitzen, die also alle auffallende Strahlung
absorbieren und vollständig
in Wärme
umwandeln, bezeichnet man als absolut schwarze Körper.
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Die Wärmeleitung erfolgt nur in der
Materie, d.h. im Körper,
und setzt in ihm ein Temperaturgefälle voraus. Wenn man einem
Körper
nicht an einer Stelle dauernd Wärme
zuführt
oder entnimmt, so gleichen sich alle Temperaturunterschiede in ihm
mit der Zeit aus, und zwar durch einen Wärmestrom, der von höherer zu
tieferer Temperatur fließt.
Metalle sind relativ gute Wärmeleiter,
beispielsweise Kupfer mit einer Wärmeleitfähigkeit von 0,93 cal/cm · s · k im
Temperaturbereich zwischen 0° C
und 100° C
oder Aluminium mit einer Wärmeleitfähigkeit
von 0,55 cal/cm · s · k im
Temperaturbereich zwischen 0° C
und 200° C, während Kunststoffe
in der Regel schlechtere Wärmeleiter
sind. Der Wärmeübergang
von einem Körper
einer bestimmten Temperatur zu seiner Umgebung wird durch den Wärmeübergangswert
beschrieben und der Wärmedurchgang
durch einen Körper, beispielsweise
eine Platte, beschreibt man durch den Wärmedurchgangswert. Der Wärmeübergangswert hängt, wie
bereits vorstehend beschrieben, stark von der Oberflächenbeschaffenheit
ab und der Wärmedurchgangswert
von der Plattendicke.
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Das erfindungsgemäße Gehäuse weist den Vorteil auf,
dass auf überraschend
einfache und kostengünstige
Art und Weise das Verhältnis
von Wärmeübergangswert
zu Wärmedurchgangswert
(durch Umspritzen eines Teils des Kühlkörpers und Wärmekapazität des Kunststoffgehäuses) derart
optimiert wurde, dass eine besonders effektive Wärmeabfuhr gewährleistet
ist. Weiterhin weist das erfindungsgemäße Gehäuse den Vorteil auf, dass ein
guter Schutz der im Gehäuse
befindlichen Bauelemente vor äußeren Einflüssen bewirkt
wird. Schließlich
kann auf überraschend
einfache Art und Weise das Gehäuse stabil
und robust ausgelegt werden (trittfest).
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Weiterhin wird diese Aufgabe bei
einem Verfahren zur Herstellung des Gehäuses nach Patentanspruch 14,
dadurch gelöst,
dass bei der Fertigung der Kühlkörper direkt
mit ins Gehäuse
eingespritzt wird, wobei zum Toleranzausgleich Kunststoffnoppen
verwendet werden und dadurch die Toleranzschwankungen des Kühlkörpers direkt
in die Wanddicke des Gehäuses
eingehen.
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Das erfindungsgemäße Verfahren weist den Vorteil
auf, dass erstmalig keine Frästeile
als Kühlkörper notwendig
werden, wobei auch hohe Ansprüche
an eine Abdichtung erfüllt
werden und das Gehäuse
ist infolge der wenigen zusammenzufügenden Teile vollautomatisch
herstellbar.
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In Weiterbildung der Erfindung ist,
gemäß Patentanspruch
2, der Kühlkörper Lförmig ausgestaltet
und die Kunststoffschale bedeckt einen Schenkel des Kühlkörpers mit
Ausnahme einiger dem Innenraum des Gehäuses zugewandter Aussparungen vollständig mit
Kunststoff.
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Diese Weiterbildung der Erfindung
weist den Vorteil auf, dass eine besonders einfache Montage der
wärmeabgebenden
Bauelemente ermöglicht wird.
Der Kühlkörper übernimmt
dabei eine Doppelfunktion, einerseits zum Tragen der Bauelemente, andererseits
zu dessen herstelltechnisch einfacher und unveränderbarer Befestigung unter
gleichzeitiger Verbesserung der Wärmeleit- und Wärmeübergangseigenschaften. Weiterhin
entsteht einerseits eine absolut dichte Verbindung zwischen Kühlkörper und
Gehäuse,
andererseits wird eine elektrische Isolierung der Baugruppe gegenüber dem
Kühlkörper erreicht
und somit Kurzschlüsse
zwischen verschiedenen Potentialen verhindert.
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Vorzugsweise besteht, gemäß Patentanspruch
3, der Kühlkörper aus
einem wärmeleitenden Material,
insbesondere ist, gemäß Patentanspruch
4, der Kühlkörper ein
Aluminiumdruckgussteil oder ein Aluminiumfließpressteil.
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Das vorzugsweise benutzte Aluminium
erfüllt höchste Ansprüche hinsichtlich
Resistenz gegenüber Schadstoffen
und Korrosion bei gleichzeitig guter Wärmeleitung und gutem Wärmeübergang
nach dem Umspritzen.
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In Weiterbildung der Erfindung weist,
gemäß Patentanspruch
5, mindestens eine der beiden Kunststoffschalen ein nach außen gerichtetes
Profil auf. Vorzugsweise sind, gemäß Patentanspruch 6, als Profil
Kühlrippen
vorgesehen.
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Mit dieser Weiterbildung der Erfindung
kann auf überraschend
einfache Art und Weise das Gehäuse
stabil und robust ausgelegt (trittfest) und die Wärmestrahlung
weiter verbessert werden.
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Bei einer bevorzugten Ausgestaltung
der Erfindung sind, gemäß Patentanspruch
7, die Bauelemente durch Haltemittel an dem Kühlkörper befestigt und die darüber befindliche
Kunststoffschale weist angeformte Ansätze zum Niederhalten der Haltemittel
auf.
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Diese Ausgestaltung der Erfindung
weist den Vorteil auf, dass in Doppelfunktion auf vorteilhafte Art und
Weise ein zusätzlicher
Wärmeübergang
zwischen den angeformten Ansätzen
und den Haltemittel/Bauelementen geschaffen und auch eine rüttelfeste
Befestigung der Bauelemente sichergestellt wird. Die Haltemittel
können
vorzugsweise Clipse sein, wie diese ansich aus dem G 88 12 158.5
bekannt sind. Die daraus bekannte Befestigungsklammer ist an ihrem
einen Ende U-förmig
umgebogen und weist in ihrem mittleren Bereich einen abgekröpften Steg
auf. An ihrem anderen Ende ist diese zur Bildung einer definierten
Auflagefläche
hakenförmig
abgewinkelt. Der Kühlkörper weist
eine Nase zur Aufnahme des U-förmig
umgebogenen Endbereichs der Befestigungsklammer auf, was eine Befestigung
des Transistors auf dem Kühlkörper mittels
eines einzigen Handgriffs erlaubt. Die erfindungsgemäßen Clipse
können
durch die Kombination mit den Ansätzen zum Niederhalten der Clipse
im Vergleich hierzu noch einfacher ausgestaltet werden und ermöglichen eine
vollautomatische Bestückung
mit handelsüblichen
Bestückungsautomaten
durch die gute Zugänglichkeit
der Bauelemente-Montagefläche.
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Weiterhin ist, gemäß Patentanspruch
8, in mindestens einer Seitenwand der Kunststoffschale mindestens
eine Kabelverschraubung eingeformt.
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Durch die Verwendung von Kunststoff
sind der Gestaltungsmöglichkeit
bei hermetischer Abdichtung des Gehäuses keine Grenzen gesetzt.
Gleiches gilt für
die Ausgestaltungen nach den Patentansprüchen 9 bis 13, welche kostengünstig herstellbar
sind.
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Weitere Vorteile und Einzelheiten
lassen sich der nachfolgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung entnehmen. In der
Zeichnung zeigt:
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1 eine
Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Gehäuses ohne
Befestigungsmittel für
den Einbau des Gehäuses
in perspektivischer Ansicht,
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2a das
Gehäuse
nach 1 in Seitenansicht,
teilweise im Schnitt und
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2b das
Gehäuse
nach 2a geöffnet und
in Draufsicht,
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3a eine
Ausführungsform
der erfindungsgemäßen oberen
Gehäuse-Kunststoffschalen in
Draufsicht und
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3b, 3c die obere Gehäuse-Kunststoffschale
nach 3a in Seitenansicht,
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4a, 4b eine Ausführungsform
der erfindungsgemäßen unteren
Gehäuse-Kunststoffschalen in
Seitenansicht und
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4c, 4d die untere Gehäuse-Kunststoffschale
nach 4a, 4b in Draufsicht und Seitenansicht, teilweise
im Schnitt,
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5a, 5b eine Ausführungsform
der Leiterplatte in Seitenansicht und in Draufsicht und
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6a, 6c eine Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Kühlkörpers in
Seitenansicht und
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6b den
Kühlkörper nach 6a, 6c in Draufsicht.
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1 bis 6c zeigen im Detail das
erfindungsgemäße Gehäuse mit
einer Baugruppe, welche zur Steuerung/Überwachung der Befeuerung eines Flughafens
eingesetzt wird. Die Baugruppe/Modul besteht aus einer Leiterplatte
L für die
elektronische Schaltung, die in das Gehäuse eingebaut ist.
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Da die erfindungsgemäßen Gehäuse auf dem
Flugfeld in Kabelschächten
(auch unter Wasser) installiert werden, werden besondere Ansprüchen an die
Dichtigkeit des Gehäuses
gestellt. Die Schächte sind
nicht klimatisiert und so unterliegt die Baugruppe/Modul extremen
Temperaturschwankungen. Die Temperaturen können zwischen etwa -25°C bis +65°C schwanken,
wobei die Baugruppe/Modul in allen Temperaturbereichen voll funktionsfähig sein muss.
Die Schnittstellen sind durch Leitungen realisiert, die aus dem
Gehäuse
ragen, wobei die Leitungslänge
jeweils ca. 0,5m beträgt.
Da das Gehäuse wasserdicht
sein soll, muss es auch korrosionsfrei sein. Infolgedessen, dass
auf Flughäfen
zur Enteisung der Rollbahn aggressive Taumittel eingesetzt werden
und auch Treibstoff in die Schächte
läuft, muss
das Gehäuse
säurefest
sein. Es weist weiterhin eine Resistenz gegen Schadstoffe auf wie:
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- – Salzwasser
(Meerwasser)
- – Kraftstoffe
(auch Kerosin, Flugbenzin)
- – Flusswasser
- – Luft
(salzhaltig)
- – Glysantin
(max. 50%-ige Lösung
in Wasser).
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Weiterhin darf das Gehäuse nicht
elektrisch leitfähig
und nicht brennbar sein. Zudem ist die mechanische Belastbarkeit
zu beachten, d.h. das Gehäuse
muss stabil und robust ausgelegt sein (trittfest). Da die Installation
der erfindungsgemäßen Gehäuse sich
unter der Erde befindet, müssen
die Gehäuse
nagetierfest sein. Um die im Inneren der Gehäuse entstehende Temperatur
(ca. 20W Verlustleistung) möglichst
gut ableiten zu können,
soll der verwendete Kunststoff gute Wärmeleitfähigkeit besitzen.
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Zur Erfüllung vorstehender Anforderungen weist
das erfindungsgemäße Gehäuse zwei
Gehäuse-Kunststoffschalen
B, D und einen im Gehäuse
B, D angeordneten Kühlkörper K auf.
Die Innenmaße des
Gehäuse
betragen ca. 117mm · 184mm · 58,6mm
(Breite · Länge · Höhe). Die
Außenmaße ergeben
sich aus den Innenmaßen
und den Wandstärken
(3mm). Innerhalb des Gehäuses
B, D entsteht im wesentlichen an zwei Funktionsgruppen Verlustleistung
durch die Bauteile der Baugruppe/Modul, nämlich:
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- – durch
den Gleichstromwiderstand der Drosselspulen
- – durch
Verluste in den Halbleitern für
Stromversorgung und Sendeverstärker.
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Der Kühlkörper K ist erfindungsgemäß mit einer
der beiden Gehäuse-Kunststoffschalen
B, D durch Umspritzen eines Teils des Kühlkörpers K fest verbunden und
weist einen nicht umspritzten Abschnitt als Bauelemente- Montagefläche M auf,
wodurch für
die dort montierten Bauelemente BE das Gehäuse B, D als Wärmesenke
wirkt.
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Der Kühlkörper K besteht aus einem wärmeleitenden
Material und ist ein Aluminiumdruckgussteil oder ein Aluminiumfließpressteil.
Die Bauelemente BE, d.h. die Halbleiter, sind mit Haltemittel, vorzugsweise
u-förmige
Clipse, an dem Aluminiumwinkel, der als Kühlkörper K dient, befestigt. Dieser
Winkel K ist direkt in die Kunststoffschale B,. d.h. in das Unterteil
des Kunststoffgehäuses,
mit eingespritzt und auf der Oberseite (zwischen Gehäuse und
Baugruppe), mit Ausnahme einiger Aussparungen A zur Aufnahme in
der Form und zur Optimierung der Wärmestrahlung, komplett mit
Kunststoff bedeckt. Hierdurch lässt
sich einerseits ein optimaler Wärmeübergang vom
Aluminium zum Kunststoff und andererseits eine elektrische Isolierung
der Baugruppe gegenüber
dem Aluminiumwinkel K, und somit Verhinderung von Kurzschlüssen zwischen
verschiedenen Potentialen, erreichen. Das L-Profil (siehe 6a, 6b und 6c)
hat beispielsweise die Maße
100mm 150mm · 30mm · 3mm (Breite · Länge · Höhe · Dicke).
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Kühlrippen
R sowohl an der Gehäuse-Oberseite
als auch an der Gehäuse-Unterseite vergrößern die
Oberfläche
und verbessern damit die Wärmeabfuhr.
Die keilförmige
Ausbildung der Rippen R, welche ca. 7mm hoch sind, verringert zwar
die Oberfläche
etwas, das Entstehen von Verwirbelungen wird aber reduziert, wodurch
sich die Wärmeabstrahlung wieder
verbessert.
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Zur Befestigung der Baugruppe/Leiterplatte L
sind im Gehäuse-Unterteil
B entsprechende Mittel DO, vorzugsweise Dome, vorgesehen. In diesen
Domen DO lässt
sich die Baugruppe/Leiterplatte L mittels selbstschneidenden Schrauben
befestigen, wobei gleichzeitig ein ausreichender Abstand zwischen Leiterplatte
L und Gehäuse-Unterteil
B gewährleistet ist.
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Zur Verbesserung des EMV-Verhaltens
(sowohl Ein- als auch Abstrahlung) kann das Gehäuse-Unterteil B von innen elektrisch
leitfähig
beschichtet sein. Hierbei ist der Bereich unter der Baugruppe/Leiterplatte
L ausgespart, um Kurzschlüsse
zu verhindern. Die Abschirmung unter der Leiterplatte L ist durch
den eingespritzten Kühlkörper K realisiert. Weiterhin
sind im Gehäuse-Oberteil
D mehrere Bohrungen BO vorgesehen, in denen ein Blech zur elektromagnetischen
Abschirmung mit selbstschneidenden Schrauben befestigt werden kann.
Die Bohrungen in Ober- und Unterteil D, B sind so gestaltet, dass nur
eine Schraubensorte erforderlich ist.
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Im Gehäuse-Oberteil D sind Niederhalter
N integriert, die verhindern, dass sich die Clipse, mit denen die
Halbleiter BE am Kühlkörper K befestigt
sind, z.B. durch Vibration lösen
können.
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Zur Ableitung von Überspannungen,
die z.B. durch Blitzschlag über
die Leitungen auf die Baugruppe/Leiterplatte L geführt werden,
ist eine Erdung notwendig. Hierfür
ist im Gehäuse-Oberteil
D ein Gewindebolzen E eingespritzt oder von innen eingepresst, an
dem von der Innenseite ein Kabel zur Leiterplatte L führt. Im
zuletzt genannten Fall ist auch eine Dichtung vorzusehen, damit
die Wasserdichtigkeit gewährleistet
ist. An der Außenseite
kann ein Erdungskabel verschraubt werden. Die Leiterplatte L (siehe 5a und FIG. Sb) hat beispielsweise
etwa die Maße
100mm · 170mm · 1,6mm
(Breite · Länge · Dicke).
Die Bauteile/Bauelemente BE auf der Oberseite haben eine maximale
Höhe von
ca. 48mm, auf der Unterseite ca. 2,5mm. Die Befestigung der Leiterplatte
L erfolgt mittels mehrerer Schrauben im Gehäuse. Hierzu befinden sich Bohrungen
(ca. 3mm Durchmesser) in den Ecken der Leiterplatte. Es können selbstschneidende
Schrauben zum Einsatz kommen.
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Im Gehäuse-Oberteil D ist innen umlaufend ein
Steg S eingearbeitet. Dieser Steg S justiert das Gehäuse-Oberteil
D während
der Montage auf dem Gehäuse-Unterteil B, so dass
es nicht verrutschen kann. Dies vereinfacht die Montage und stellt
bei Passgenauigkeit eine gute Dichtheit sicher. Weiterhin besitzt
das Gehäuse-Oberteil
D am Rand innen eine umlaufende Nut NU, in die Dichtungsmasse direkt eingespritzt
ist. Dadurch ist keine separate Form für einen Dichtungsring erforderlich.
Weiterhin kann bei der Montage kein Dichtungsring verrutschen. Auch die
verwendete Dichtungsmasse muss resistent gegen die oben erwähnten Schadstoffe
sein.
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Die Kabel sind durch metrische Kabelverschraubungen
KV, beispielweise M20 × 1,5,
ins Gehäuse
geführt.
Hierzu sind auf den beiden schmalen Seiten je zwei Bohrungen vorzusehen,
die ein entsprechendes Gewinde besitzen. Die zwei Bohrungen auf
der rechten Seite sind optional und sind in der Regel geschlossen,
lassen sich aber bei Bedarf leicht ausbrechen. Falls erforderlich,
können
bei der Verschraubung KV Dichtungsringe zum Einsatz kommen, um die
geforderte Dichtigkeit zu erreichen. Auch die verwendeten Dichtungen
müssen
resistent gegen die oben erwähnten
Schadstoffe sein.
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Die beiden Gehäuseteile B, D sind mit mehreren
beispielsweise selbstschneidenden Schrauben (ca. 4mm Gewindedurchmesser)
miteinander zu verbinden. Im Gehäuse-Oberteil
D ist in den Ecken je eine Befestigungsöse BÖ eingearbeitet. Das Gehäuse B, D
kann also liegend oder auch in beliebiger Lage hängend eingebaut sein.
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Das erfindungsgemäße Gehäuse gewährleistet eine einfache, funktionale,
kostensparende und damit eine optimale Verwendbarkeit und reduziert
damit ganz erheblich die Herstellungskosten. Der Kühlkörper K ist
direkt in den Kunststoff des Gehäuseteils
B eingegossen, wodurch jeweils im Verhältnis optimiert zueinander
ein guter Wärmeübergang
vom Kühlkörper K in
das Gehäuse
B, D, ein guter Wärmedurchgang
und eine gute Wärmestrahlung erreicht
wird. Weitere Vorteile sind: die elektrische Isolation zwischen
Kühlkörper K und
Bauteilen/Bauelementen BE; die einfach zu montierende Befestigung
der Halbleiter BE am Kühlkörper K mittels
Clipse, wodurch keine Verschraubung nötig ist und eine zusätzliche
Kühlleistung
der Clipse realisiert ist; die Integration der Niederhalter N im
Gehäuseoberteil
D, wodurch verhindert wird, dass sich die Clipse zur Befestigung
der Halbleiter BE am Kühlkörper K beispielsweise
durch Vibration lösen;
die Ableitung von Überspannungen
(Blitzschutz). durch die Erdungsdurchgangsschraube E im Gehäuseoberteil
D; die größere Fläche bewirkt
eine größere Kühlleistung durch
die trapezförmige
Außenfläche/Rippen
R des Gehäuses
B, D.
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Fertigungstechnische Vorteile ergeben
sich dadurch, dass der Kühlkörper K bei
der Fertigung direkt mit ins Gehäuse-Unterteil
B oder ins Gehäuse-Oberteil
D eingespritzt wird. Dabei werden Kunststoffnoppen zum Toleranzausgleich
verwendet . und Toleranzschwankungen des Aluminiums gehen direkt
in die Wanddicke des Gehäuses
ein (d.h. werden dadurch kompensiert). Weiterhin ergibt sich ein
Kostenvorteil dadurch, dass keine Frästeile für den Kühlkörper K notwendig sind. Es kann
erfindungsgemäß ein handelsüblicher
Spritzautomat benutzt werden. Sowohl die Fertigung des Gehäuses als
auch dessen Bestückung
kann ebenfalls vollautomatisch erfolgt, indem in das vorgefertigte
Gehäuse-Unterteil
B die bestückte
Leiterplatte L einsetzt, befestigt und dann das Gehäuse-Oberteil
D aufgesetzt und befestigt wird.
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Das erfindungsgemäße Gehäuse findet überall dort Anwendung, wo hohe
Ansprüche
an Dichtfähigkeit
und ein Höchstmaß an effizienter
Wärmeabführung gestellt
werden, beispielsweise im Automobilbau, Schiffbau, Containerbau,
Carawanbau, Fassadenbau, Silotechnik, Kälte- und Klimatechnik und Gerätebau für Telekommunikationstechnik
und der industriellen Elektronik.
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Alle dargestellten und beschriebenen
Ausführungsmöglichkeiten,
sowie alle in der Beschreibung und/oder der Zeichnung offenbarten
neuen Einzelmerkmale und ihre Kombination untereinander, sind erfindungswesentlich.
Beispielsweise können die
Stecker direkt ins Gehäuse
(B und/oder D) eingeschraubt sein, wobei auch diese Verbindung und
die Stecker selbst wasserdicht sind; die Baugruppe/Modul/Leiterplatte
L kann vergossen sein, um unanfälliger gegenüber Umwelteinflüssen zu
sein, wobei auch hier die Wärmeabfuhr
nicht beeinträchtigt
ist; es können
Rastelemente vorsehen werden, mit denen beispielsweise die Leiterplatte
L in dem Gehäuse (vorzugsweise
in B) klemmend befestigt wird; es können weiterhin Hinterschneidungen
oder andere Rastelemente am Gehäuse-Unterteil
B vorgesehen werden, die beispielsweise dann das Gehäuse-Oberteil -D
halten; zur Verbesserung der Dichtigkeit am Gehäuse-Unterteil B die Auflagefläche (umgebogener Rand)
verbreitert und darin eine Nut für
eine weitere Dichtung vorgesehen werden usw.