DE1764486C3

DE1764486C3 - Kuhlvorrichtung fur elektronische Bauteile

Info

Publication number: DE1764486C3
Application number: DE1764486A
Authority: DE
Inventors: Kenneth Flushing N.Y. Kupferberg (V.St.A.)
Original assignee: Forbro Design Corp
Current assignee: Forbro Design Corp
Priority date: 1967-06-15
Filing date: 1968-06-14
Publication date: 1973-12-13
Also published as: US3416597A; DE1764486A1; FR1586363A; BE716446A; GB1172332A; DE1764486B2; NL6808229A

Description

Die Erfindung betrifft eine Kühlvorrichtung für elektronische Bauteile, die auf einem U-fönnigen Grundkörper angeordnet sind, wobei an den Grundkörper und in gutem Wärmekontakt mit diesem mehrere parallel zueinander angeordnete Kuhlrippen aus Metallblech angesetzt sind.

Eine derartige Kühlvorrichtung ist durch die deutsche Patentanmeldung G 14.014 VIII c/21 g bekanntgeworden, bei der zwei L-förmige Grundkörper zu einer U-förmigen Baueinheit zusammengesetzt sind, die die zu kühlenden Bauteile aufnimmt. In die Außenseite dieser Baueinheit sind mehrere sich parallel dazu erstreckende Kühlrippen aus Metallblech angesetzt.

Als nachteilig muß es hierbei empfunden werden, daß durch die Kühlrippen lediglich diejenige Wärme abgeführt wird, die durch den thermischen Kontakt der Grundplatte der Baueinheit selbst zu den Kühlrippen weitergeleitet wird. Konvektion ist an der Wärmeabfuhr praktisch nicht beteiligt.

Durch die deutsche Patentschrift 92° 521 ist ein Rippenrohr bekannt, bei dem Rippen mit Schlitzen und abgebogenen Laschen auf das länglich ausgebildete Rohr aufgesetzt sind. Hiermit wird ein guter Wärmekontakt zwischen der Rohrwandung und den sich senkiccht dazu erstreckenden Kühlrippen erzielt. Diese Vorrichtung ist jedoch nicht als Kühlvorrichtung für elektronische Bauteile geeignet, da diese in dem Rohr praktisch nicht untergebracht werden

ίο könnten.

Durch die deutsche Auslegeschrift 1 268 nN2 ist eine Kühleinrichtung für elektronische Bauteile bekannt, bei der mehrere U-förmig gebogene Bleche verschiedener Größe ineinandergeschachtelt auf einer gemeinsamen Grundplatte montiert sind. Das Innerste dieser U-förmigen Bleche trägt dabei die zu kühlenden Bauteile. Nachteilig ist es hierbei, daß eine größere Anzahl verschieden großer Bleche für die Kühlvorrichtung verwendet werden muß. Auch

.1 schirmt das innerste Blech die von den Bauteilen erwärmte Luft ab, die nur ungenügend an den anderen Blechen vorbeistreichen kann.

Durch die schweizerische Patentschrift 82 679 ist es bekannt, einen elektrischen Flachleiter durch aufgesteckte geschlitzte, rechteckige Kühlplattcn zu kühlen. Hierbei ist jedoch der Wärmekontakt zwischen Flachleiler und Kühlrippen nur ungenügend, weil die Kühlrippen klammerarlig auf den Flachleiter aufgeschoben sind.

Durch die USA.-Patentschrift 3 171069 ist schließlich eine Kühlvorrichtung für ein Halbleiterbauteil bekannt, bei der mehrere Kühlrippen in einem schmaleren Bereich mit einem massiven Teil verbunden sind, das über Wärmeleitung die Wärme vom Bauteil aufnimmt. Die Kühlrippen sind mit dem massiven Teil unlösbar verbunden, so daß diese Vorrichtung sich nicht gut an sich ändernde Verhältnisse anpassen läßt. Auch ist nur ein Teil der Kühlrippen an der Kühlung der durch das erhitzte Bauteil erwärmten Luft beteiligt. Ein großer Teil der Kühlrippen erwärmt sich lediglich über die Wärmeleitung durch das massive Teil.

Ausgehend von einer Kühlvorrichtung der eingangs genannten Art liegt der Erfindung die Aufgabt zugrunde, diese so weiterzubilden, daß eine verbes serte Kühlwirkung bei einer leichten Anpaßbarkei der Kühlvorrichtung und einfacher Herstellung uik Montage gegeben ist.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist die Erfindung da durch gekennzeichnet, daß die mit Schlitzen unc abgebogener Laschen versehenen Kühlrippen auf de Austrittsseiu: des einen U-förmigen Kühlkanals bil dcndcn Grundkörpers als parallele Leitflächen au die beiden Schenkel des U-Protils des Grundkörper aufgesteckt sind.

Die durch Konvektion bzw. gegebenenfalls aucl durch Zwangsumlauf an den sich erwärmenden Bau teilen vorbeistreichendc Luft wird hierbei also ai diesen Bauteilen erwärmt und gelangt anschließen!

geführt durch den vom U-förmigcn Grundkörper mi den aufgesteckten Kühlrippen gebildeten Kühlmittel kanal zu den Kühlrippen und gibt dort einen großei Teil der Wärme ab. Die Kühlrippen befinden siel also an der Stelle der Vorrichtung, wo das größt Wärniegefälle ausgenutzt wird. Der Wirkungsgrad is daher besonders groß. Durch die getroffene Anord nung mit Schlitzen und abgebogenen Laschen wir eine einfache Herstellung und Montage der Gcsaml

vorrichtung bei gleichzeitig gutem Wärmeübergang zwischen dem Grundkörper und den Kühlrippen gewährleistet.

Der Wirkungsgrad wird weiterhin erhöht, wenn eine zusätzliche Gruppe von Kühlrippen vorgesehen ist, die der ersten Kühlrippengruppe gegenüberliegend angeordnet ist.

Es wird bevorzugt, wenn die den Grundkörper bildenden Platten dicker sind als die Kühlrippen. Dadurch wird der .Strömungswiderstand für die an den Kühlrippen vorbeistreichende Luft verringert, während der Grundkörper eine verhältnismäßig große Wärmekapazität besitzt und eine größere Wärmemenge aufnehmen und an sämtlichen Außenflächen abgeben kann.

Es hat sich herausgestellt, daß sehr gute Ergebnisse erreicht werden, wenn die Anzahl der Kühlrippen in dor ersten Gruppe größer ist als die Anzahl der Kühlrippen in der /weiten Gruppe und das Kühlmittel in Richtung der zweiten zur ersten Gruppe fließt. Dies beruht darauf, daß die vorbeistreichende Luft erst nach Verlassen der zweiten Gruppe durch die Bauteile erwärmt wird. Die Strömungswiderstand der Luft ist hierbei an der zweiten Gruppe geringer als an der ersten Gruppe, so daß der Luftdurchsatz erhöht wird.

Bei einer Ausführungsform ist eine Schaltungsplatte an einer Begrenzungsfläche des Kühlmitulkanals angeordnet. An dieser Begrenzungsflächc kann gleichzeitig ein Strömungsweg für Umgebungsluft ausgebildet werden.

Es dient zur Montagevereinfachung, wenn die Laschen auf jed .r Seite des Schlitzes gleich sind.

Es wird bevorzugt, wenn die Kühlrippen aus dünnem strukturiertem Metall hergestellt sind. Dadurch wird die Biegesteifigkeit der Kühlrippen erhöht, so daß die gesamte Kühlvorrichtung besonders stabil wird.

Die Erfindung wird im folgenden an Hand \on Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 perspektivisch eine erste Ausführungsform eine Kühlvorrichtung nach der Erfindimg.

Fig. 2 eine Einzelheit der Vorrichtung nach Fig. 1. ebenfalls perspektivisch.

Fig. 3 ebenfalls perspektivisch mehrere übereinander angeordnet: Kühlrippen, die in der Anordnung nach F i g. 1 verwendet werden.

F i g. 4 eine Ansicht entsprechend Fig I bei einer anderen Anordnung.

F i g. 5 ein Detail der Vorrichtung nach I-i g. 4.

Fig. 6 die Vorrichtung nach F i g. 4 mit zusätzlich angeordneten weiteren Bauteilen.

F i g. 7 schematisch eine weitere Au>fühningsform.

F i g. S ein weiteres Ausführungsbeispicl mit zwei Gruppen von Kühlrippen.

Fig. t zeigt, wie eine Kühlvorrichtung, wie sie in den Ansprüchen gekennzeichnet ist, unter Verwendung einer Grundplatte 2 mit an deren Enden angebrachten, zueinander parallelen Platten 1 und 3 einen U-förmigen Guindkörper bilden, der eine Anzahl von zueinander parallelen Kühlrippen 4 bis 13 trägt. Die Platten 1 und 3 bieten ebene Flächen, die zur Aufnahme eimer Anzahl zu kühlender Halbleiter geeignet sind. Die Grundplatte 2 ist zur Befestigung der Kühlvorrichtung auf ein Chassis geeigne!. Der U-förmigc Grundkörper ist aus gut wärmeleitendem Metall, wie beispielsweise Kupfer, hergestellt und ist dicker als die Kühlrippen 4 bis 13. Es ist ;:. B. festgestellt worden, daß mit dieser Konstruktion wirkungsvolle Kühlvorrichtungen unter Verwendung von Kühlrippen aus verhältnismäßig dünnem Metall hergestellt werden können. Beispielsweise kann 3,175 mm dickes Kupfer für den U-förmigen Grundkörper und ü,254 mm dickes Material für die Kühlrippen verwendet werden, wodurch beträchtlich an Gewicht und Material gespart wird, während eine wirksame Wärmeübertragung zwischen den Bauteilen

ίο und der Umgebungsluft hergestellt wird. Strukturiertes Metall kann für die Kühlrippen verwendet werden, was den Wärmewiderstand weiter vermindert und gleichzeitig die Festigkeit und Starrheit der Kühlrippen und der gesamten Konstruktion erhöht. Dies

is erlaubt die Verwendung von dünnerem Material für die Kühlrippen, welche ihrerseits erlauben, bei einer gegebenen Anzahl von Kühlrippen und einem gegebenen Luftdruck mehr '..uft zwischen den Kühlrippen fließen zu lassen. Andererseits erlaubt dies

ίο die Erhöhung der Strahlungslläche, indem die Verwendung \on mehr Kühlrippen möglich ist.

Fig. 2 veranschaulicht, wie eine der Kühlrippen 4 hergestellt werden kann. Zwei Löcher 14 und 15 werden gebohrt oder gestanzt um! Schlitze 16 und I¹J

werden von diesen Löchern zur Kante der Kühlrippe hergestellt. Das Material auf jeder Seite der Schlitze 16 und 19 wird entlang von Biegelinien 17. 18 und 20. 21 nach außen gebogen oder abgekantet, um Laschen zu bilden und eine erhöhte thermische Kopplung zwischen den Kühlrippen und den Platten vorzusehen.

Fig. 3 stellt dar, wie verschiedene Kühlrippen 4. 5 und 6 gestapelt werden, wobei Laschen 24. 25 und 26, 27 ein Hilfsmittel zur Bestimmung des Zwischen-

.!5 raumes zwischen den Kühlrippen und zum genauen Parallelhalten der Rippen vorsehen. Die olfenen Schlitze 22 und 23, die sich von den Löchern 14 und 15 erstrecken, sind vorgesehen, um die Platten 1.3 des U-förmigen Grundkörpers im Preßsitz aiil'zunehmen.

F i g. 4 ist ein Ausführungsheispiel der Kühlvorrichtung ähnlich der in Fig. I dargestellten Ausliihrungsform, jedoch in einer umgekehrten Stelluni; und mit bestimmten zusätzlichen Einrichtungen. Der Boden des U-förmigen Grundkörpers ist mit einer Anzahl von Beiestigungslöchern 36 und 37 versehen. Die Platten 1. 3 sind mit einer Anzahl von Transistor-Befestigungslöchern 32. 33. 34 und 35 versehen. Die Anzahl und der Abstand dieser Löcher häng! V(IH der Art und der Anzahl der zu befestigenden Halbleiter ab. Fi g. 4 zeigt auch, w'e Schaltungsplatten 28 und 29 auf der Innenseite der Platten 1. 3 durch Stehbolzen 30 und 31 befestigt sind. Wenn Luft in c''cse offene Seite der U-förmigen Grundplatte mittels eines Gebläses 48 bis 49 geblasen wird, werden die Bauteile auf den Platten 28 und 29 durch die Luft zuerst gekühlt, bevor sie durch Wärme von den Kühlrippen 4, 5 und 6 usw. erwärmt wird und dann strömt die Luft durch die Kühlrippen, um die

So selben zu kühlen. Diese Reihenfolge der Kühlung schalTt eine wiikungsvolle Kühlung sowohl der Bauteile, als auch der Kühlrippen, die Wärme von der, Halbleitern aufzunehmen. Es ist zu ersehen, daß beim Strömen von Luft in der entgegengesetzten Richtung erwärmte Luft über die Rauteile auf den Platten 28 und 29 und die Halbleiter fließen würde. Gedruckte Schaltungsplattcn 28 und 29 werden am wirkungsvollsten gekühlt, wenn sie, wie dargestellt,

einen Abstand von den Seiten der U-förmigcn Grundplatte aufweisen. Dieser Abstand erlaubt der Luft auch entlang der Innenflüche der Platten 1.3 zu fließen. Da sich der Luftstrom von dem Gebläse ausbreitet, wenn er sich von den Gebläseblättern weg bewegt, sieht die Anordnung von Fig. 4 mit ihrem engeren Teil in Richtung des Gebläses die beste Ausnutzung des Luftstromes vor.

Man erkennt, daß die Laschen auf den Kühlrippen eine Verbindung mit niedrigem Wärmewiderstand /wischen den Rippen und den Bcfestigungsflächen 1 und 3 für die Halbleiter herstellen. Fis ist auch zu ersehen, daß die Wärmeströmungspfade von jedem der Halbleiterbefcstigungsstellen zu den Kühlrippen alle kurz von im wesentlichen gleicher Länge und effektiv parallel sind. Diese Konstruktionsart schafft im wesentlichen gleiche Kühlung für jeden der Halbleiterbauteile und aus demselben Grund im wesentlichen gleichen Wärmewidersland zwischen jedem der Halblcitcrbauteilc und der Atmosphäre.

Fig. 5 ist eine Detailansicht der Konstruktion von Fig. 4, die deutlicher darstellt, wie die Schaltungsplatten 28 eine Anzahl von Bauteilen 36', 37', 38' der Schaltung und Fassungen für die Halbleiter enthält, wodurch die Halbleiter leicht ersetzt werden können.

Fig. 6 ist eine Perspektivansicht der Erfindung ähnlich der in Fi g. 4 dargestellten Ausführungsform, wobei Transistoren 42, 43 und 44 in typischer Weise auf der Seitenwand befestigt sind. Diese Darstellung veranschaulicht auch, wie zusätzlich zu einer Befestigungsfläche die Stirnseite der U-förmigen Grundplatte einen thermischen Maximalschalter 39 aufnimmt, der in geeigneten Befestigungslöchern 40 und 41 befestigt ist. Die Temperatur an dieser Stelle wire durch Wärrrie beeinflußt, die auf beiden Seiten dei U-förmigen Grundplatte erzeugt wird.

Fig. 7 ist eine Perspektivansicht einer anderer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, ir welcher der U-förmige Grundkörper etwas verlängerl ist, und Kühlrippen 13 und 45 von zwei Seiten befestigt sind, um einen gleichmäßigen niedriger Wärmewiderstand für die Bauteile vorzusehen.

ίο Fig. 8 ist eine Perspektivansicht einer doppelseitig mit Kühlrippen versehenen Kühlvorrichtung, die einen verlängerten U-förmigcn Grundkörper 1, 2, 3 enthält, welcher zwei Reihen von Kühlrippen 11,12, 13 usw. und 45, 46 und 47 usw. aufnimmt. Halbleitcrbauteile 50 und 51 sind in zwei Reihen auf den Seiten des U-förmigen Grundkörpers befestigt, wobei jede Reihe im wesentlichen im gleichen Abstand von ihrer entsprechenden Reihe von Kühlrippen angeordnet ist, wodurch wirksame parallele Wärmepfade vorgesehen werden. Diese Konstruktion sorgt für einen Wärmewiderstand von im wesentlichen der Hälfte der in F i g. 1 bis 6 dargestellten Ausführungsform. Es ist festgestellt worden, daß der beste Ausgleich Jer Kühlwirkung durch die zwei Reihen von Kühlrippen, durch die Verwendung von weniger Kühlrippen in den Reihen 45, 46, 47 an der Gebläseseite der Anordnung erreicht wird. Ein Verhältnis von zwei zu drei hat sich als ein gutes Verhältnis für diesen Zweck erwiesen. Die Luft ist kalter an der Gebläseseite, so daß für eine gegebene Kühlwirkung weniger Kühlrippen erforderlich sind, und die Verwendung von weniger Kühlrippen erlaubt ein freieres Fließen der Luft zur anderen Reihe von Kühlrippen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche-

1. Kühlvorrichtung für elektronische Bauteile, die auf einem U-förmigen Grundkörper angeordnet sind, wubei an den Cirundkorper r.nd in gutem Wärmekontakt mit diesem mehrere parallel zueinander angeordnete Kühlrippen aus Metallblech angesetzt sind, dadurch gekennzeichnet, daß die mit Schlitzen (16, 19) und abgebogenen Laschen (24 bis 27) versehenen Kühlrippen (4 bis 13. 45 bis 47) auf der Austrittsseitc des einen U-I'urmigen KLihlmittelkau.il bildenden Grundkorpers (I. 2, 3) als parallele Leitflächen auf die heiden Schenkel (1, 3) des U-Protils des Grundkörpers aufgesteckt sind.

2. Kühl¹, ι. !richtung nach Anspruch I, gekennzeichnet durch eine zusätzliche Gruppe von Kühlrippen, die der eisten Kühlrippenmuppe gegenüberliegend angeordnet ist.

3. Kühlvorrichtung nach einem der Ansprüche I oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die den Grundkörper bildenden Platten (1, 2, 3) dicker sind als die Kühlrippen (4 bis 13, 45 bis 47).

4. Kühlvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der Kühlrippen in der ersten Gruppe größer ist als die Anzahl der Kühlrippen in d-r zwc:''jn Gruppe und das Kühlmittel in Richtung von der zweiten zur ersten Gruppe Hießt.

5. Kühlvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Schaltungspiaitc (28. 29) an einer Bcgrenzungsfläche des Kühlmittelkanals angeordnet ist.

6. Kühlvorrichtung nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß die Laschen (24. 25, 26, 27) auf jeder Seite des Schlitzes gleich sind.

7. Kühlvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlrippen aus dünnem strukturiertem Metall hergestellt sind.