DE19653523A1 - Bauelementträger mit Luft-Umwälzkühlung der elektrischen Bauelemente - Google Patents
Bauelementträger mit Luft-Umwälzkühlung der elektrischen BauelementeInfo
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Description
Die Erfindung betrifft einen Bauelementträger mit daran angebrachten
elektrischen oder elektronischen Bauelementen, aufweisend mindestens
einen Kanal für Kühlflüssigkeit.
Derartige Bauelementträger werden als Träger für Bauteile
leistungselektronischer Geräte verwendet, wobei die in dem Kanal
strömende Kühlflüssigkeit der Kühlung der Leistungsbauteile dient. Sie
werden entweder als Einschubelemente ohne Gehäuse oder fest in ein
Gehäuse eingebaut auf dem Markt angeboten. Durch die stetig
zunehmende Packungsdichte leistungselektronischer Geräte wird die
Kühlung der Leistungsbauteile ein immer größeres Problem. Außerdem
werden Bauelementträger mit den elektrischen Bauelementen häufig in
geschlossenen Systemen verwendet, beispielsweise um Anforderungen an
die EMV-Dichtheit und IP-Anforderungen zu erfüllen. In der
verbesserten Abführung der entstehenden thermischen Verlustleistung
liegt deshalb ein wesentliches Potential, die Packungsdichte und
Kompaktheit leistungselektronischer Geräte weiter zu erhöhen.
Es ist deshalb Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen
Bauelementträger bereitzustellen, bei dem die Abfuhr der thermischen
Verlustleistung elektronischer Bauelemente verbessert ist.
Das wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß der Bauelementträger
einen Luftkühlkörper aufweist und daß dem Bauelementträger ein Lüfter
zugeordnet ist, mit dem ein Umwälz-Luftstrom zur Luftkühlung
mindestens eines Teils der Bauelemente und zur Luftrückkühlung an
dem Luftkühlkörper erzeugbar ist. Durch den Umwälz-Luftstrom kann
im Betrieb eine optimale Kühlung der Bauelemente erfolgen, die fast
ausschließlich auf die Luftkühlung angewiesen sind, z. B. eine Vielzahl
von Kondensatoren oder eine interne Verkabelung des
leistungselektronischen Geräts. Darüberhinaus kann auch bei solchen
Bauelementen, die durch ihre Bauart bedingt auf von der
Flüssigkeitskühlung gekühlten Montagesockeln montiert sind, eine
zusätzliche Luftkühlung über die Gehäusewände der Bauelemente
erfolgen. Damit bietet die Erfindung die Möglichkeit, die
Flüssigkeitskühlung über die Montagesockel der Bauelemente mit einer
zusätzlichen Luftkühlung zu kombinieren. Die Luftrückkühlung kann an
einem Luftkühlkörper erfolgen, der von der Kühlflüssigkeit der
Flüssigkeitskühlung gekühlt wird.
Vorzugsweise ist der Bauelementträger mindestens aus einer
Trägerplatte mit den Bauelementen und dem Luftkühlkörper
zusammengesetzt. Dabei ist es besonders bevorzugt, wenn die
Trägerplatte und der Luftkühlkörper flächig miteinander verbunden sind
und den mindestens einen Kanal zwischen sich einschließen. Das führt
zu einem besonders einfachen Aufbau und damit zu einer
Arbeitserleichterung bei der Herstellung des Bauelementträgers. Der
Kanal kann einfach aus der Oberfläche eines der beiden plattenartigen
Elemente herausgearbeitet werden, bevor beide miteinander verbunden
werden. Alternativ ist auch eine einstückige Ausbildung des
Bauelementträgers vorstellbar. Beispielsweise kann der Kanal in einem
einstückigen Bauelementträger eingegossen sein.
Weiterhin ist es bevorzugt, wenn der mindestens eine Kanal mit einer
Eintrittsöffnung und einer Austrittsöffnung so vorgesehen ist, daß sich
beide Öffnungen an oder bei einer Stirnfläche des Bauelementträgers
befinden. Bei dieser Anordnung ist eine besonders einfache
Anschlußmöglichkeit für die Zuführung der Kühlflüssigkeit und für die
Abführung der Kühlflüssigkeit gegeben, und beide können an einer Seite
des Bauelementträgers zusammengefaßt angeordnet sein. Alternativ kann
es auch von Vorteil sein, mindestens einen Kanal mit einer
Eintrittsöffnung und einer Austrittsöffnung so vorzusehen, daß sich die
Öffnungen an oder bei entgegengesetzten Stirnflächen des
Bauelementträgers befinden.
Als besonders günstig hat sich herausgestellt, den Luftkühlkörper mit
Kühlrippen oder Kühllamellen auszubilden. Damit ist eine besonders
große Wärmeaustauschfläche gegeben, was entsprechend zu einem
besonders großen Wärmeaustausch im Betrieb beiträgt. Der
Wärmeaustausch kann zudem durch die Verwendung eines Materials mit
guter Wärmeleitfähigkeit für den Luftkörper begünstigt sein. Die
Verwendung eines Materials mit guter Wärmeleitfähigkeit bietet sich
auch für die Trägerplatte an, um eine gute Kühlung der Montagesockel
zu ermöglichen.
Es hat sich auch als besonders bevorzugt herausgestellt, den Lüfter so
anzuordnen, daß betriebsmäßig der durch den Betrieb des Lüfters
erzeugte Luftstrom an einer Seite des Bauelementträgers von dem Lüfter
wegführt und an der anderen Seite des Bauelementträgers zu dem Lüfter
hinführt. So kann die Umwälzung in einem geschlossenen Kreis
erfolgen. Der Bauelementträger selbst dient als Trennwand zwischen der
dem Lüfter zuströmenden und von dem Lüfter wegströmenden Luft. Der
besondere Vorteil zeigt sich dann, wenn die Bauelemente alle auf einer
Seite des Bauelementträgers angeordnet sind und der Luftkühlkörper auf
der anderen Seite angeordnet ist. Die umströmende Luft kühlt auf dem
ersten Teil ihres Strömungswegs die Bauelemente und wird auf der
anderen Seite beim Zurücksströmen von dem Luftkühlkörper
rückgekühlt. Dabei kann es durchaus auch vorteilhaft sein, auf der Seite,
an der die Bauelemente angeordnet sind, ebenfalls einen Luftkühlkörper
beispielsweise in der Nähe eines besonders viel Verlustleistung
abgebenden Bauelements vorzusehen. Es ist auch vorstellbar,
Luftkühlkörper und Bauelemente auf beiden Seiten des
Bauelementträgers gemeinsam anzuordnen.
Es kann auch bevorzugt sein, daß in dem Bauelementträger mindestens
eine Durchströmöffnung vorgesehen ist, durch die mindestens ein Teil
des Luftstroms von der einen Seite zu der anderen Seite strömen kann.
Alternativ zu oder zusätzlich zu der Zirkulation um den gesamten
Bauelementträger herum kann dadurch eine Zirkulation um einen Teil
des Bauelementträgers ausgebildet sein. Das ist insbesondere dann
bevorzugt, wenn eine Durchströmöffnung des Bauelementträgers bei
einem Bauelement so angeordnet ist, daß der dadurch hindurchströmende
Teil des Luftstroms dieses gezielt kühlen kann. Je nach der speziellen
räumlichen Anordnung der Durchströmöffnung durch den
Bauelementträger und des Bauelements an dem Bauelementträger kann
dem Bauelement ganz gezielt ein Luftstrom einer bestimmten
Temperatur zugeführt werden und damit eine besonders optimale
Verlustleistungsabfuhr erreicht werden. Dabei können Querschnitt und
Anzahl der Durchströmöffnungen auf die an den Gehäuseoberflächen der
Bauelemente zu erzielenden Kühlwirkungen abgestimmt sein. Die
Position der Durchströmöffnung ist einer der die Temperatur des
Teilluftstroms oder des gesamten Luftstroms bestimmenden Faktoren.
Bei der Festleitung der geometrischen Lage der Durchströmöffnungen
durch den Bauelementträger wird bevorzugt ein Optimum bezüglich
Temperatur, Volumendurchsatz und Druckabfall der Kühlluft eingestellt.
Vorzugsweise ist an dem Bauelementträger ein Leitelement zum
gezielten Leiten eines Teils des Luftstroms vorgesehen. Dadurch kann
der Luftstrom beispielsweise gezielt auf ein Bauelement hin oder um ein
Bauelement herum geleitet werden. Ein solches Leitelement kann ein
einfaches plattenartiges Leitelement, beispielsweise in der Form eines
Leitblechs, sein. Es kann sich aber auch insbesondere um ein
düsenartiges Leitelement handeln, welches einer Durchströmöffnung
zugeordnet ist. Ein solches Leitelement kann die durch die
Durchströmöffnung hindurchströmende Luft nicht nur gezielt auf ein
Bauelement hinleiten, sondern kann darüberhinaus auch die
Luftströmung lokal beschleunigen und damit eine örtlich besonders hohe
Kühlleistung erbringen. Unter anderem aus fertigungstechnischen
Gründen ist es besonders bevorzugt, ein aufsteckbares, düsenartiges
Leitelement vorzusehen, das beispielsweise einfach auf die
Durchströmöffnung aufgesteckt sein kann. Allgemein ist es besonders
bevorzugt, die geometrische Montagelage der Bauelemente auf dem
Bauelementträger, die Führung des Luftstroms in einer Zirkulation um
den gesamten Bauelementträger und/oder einen Teil des
Bauelementträgers, die Anordnung von Leitelementen,
Durchströmöffnung, etc. auf die abzuführende Verlustleistung und die
zulässige Temperaturerhöhung hin abzustimmen und entsprechend
auszulegen. Dabei ist auch die von dem Bauelementträger über den
Montagesockel der Bauelemente aufgenommene Verlustleistung mit den
zugehörigen Temperaturbedingungen in die entsprechenden
Überlegungen mit einzubeziehen. Es kann bevorzugt sein, über den
Montagesockel gekühlte Bauelemente, die eine hohe Verlustleistung
haben und auf niedrige Betriebstemperaturen angewiesen sind, in der
Nähe des Kühlwassereintritts vorzusehen und solche, die zwar auch eine
hohe Verlustleistung haben aber auch mit höheren Betriebstemperaturen
zurechtkommen, in der Nähe des Kühlwasseraustritts vorzusehen.
Ein weiterer bedeutsamer Faktor für die Auslegung ist der
Durchströmquerschnitt zwischen der Außengrenze des Systems im
Betrieb und dem Bauelementträger. Dieser beeinflußt wesentlich die
Geschwindigkeit des Luftstroms am Luftkühlkörper und die
Geschwindigkeit und die Verteilung des Luftstroms bei den
Bauelementen. Er läßt sich so dimensionieren, daß sich ein Optimum
von Luftvolumendurchsatz und -geschwindigkeit an den Bauelementen
einerseits und Rückkühlung am Luftkühlkörper andererseits einstellt.
Vorzugsweise ist der Lüfter an einer der Stirnseiten des
Bauelementträgers angeordnet. Das gewährleistet eine besonders einfache
Anbringung und eine besonders einfache Zugangsmöglichkeit und führt
darüberhinaus zu besonders günstigen Strömungsverläufen. Bei dem
Lüfter kann es sich insbesondere um einen Querstromlüfter oder aber
auch bevorzugt um einen Radiallüfter handeln.
Gegenstand der Erfindung ist weiterhin ein elektronisches Gerät
aufweisend einen der vorangehend beschriebenen Bauelementträger, der
in einem Gehäuse so angeordnet ist, daß der Luftstrom im Betrieb
zwischen der einen Seite des Bauelementträgers und der Gehäusewand
und zwischen der anderen Seite des Bauelementträgers und der
Gehäusewand geführt ist. Vorzugsweise sind bei dem elektronischen
Gerät vorzugsweise zwei Bauelementträger mit einem gemeinsamen
Lüfter in einem Gehäuse vorgesehen, wobei je die Seiten mit den
Bauelementen oder die Seiten mit den Luftkühlkörpern einander
entgegengesetzt angeordnet sind und zwischen sich einen Strömungskanal
für den Luftstrom bilden. Der Luftstrom strömt so einen Teil des
Strömungsweges in einem gemeinsamen Strömungskanal und kühlt dort
entweder die Bauelemente der beiden entgegengesetzt angeordneten
Bauelementträger oder wird dort durch die einander entgegengesetzt
angeordneten Luftkühlkörper gekühlt und teilt sich dann auf dem zweiten
Teil seines Strömungsweges auf, um an den entsprechenden voneinander
wegragenden Seiten der Bauelementträger zurückzuströmen. Es kann
auch die umgekehrte Strömungsrichtung bevorzugt sein. Der Vorteil
dieser Anordnung liegt darin, daß für je zwei Bauelementträger nur ein
gemeinsamer Lüfter vorgesehen ist. Das ermöglicht eine noch
kompaktere Anordnung.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von zeichnerisch dargestellten
Ausführungsbeispielen noch näher erläutert. Es zeigt:
Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen
Bauelementträger;
Fig. 2 einen Querschnitt durch eine erfindungsgemäßen
Bauelementträger; und
Fig. 3 einen Längsschnitt ähnlich Fig. 1, der eine besondere Art
der Anordnung von zwei Bauelementträgern zeigt.
Fig. 1 zeigt einen Bauelementträger 2 mit daran angebrachten
elektrischen Bauelementen 4, einem Luftkühlkörper 6 und einem Lüfter
8. Der Bauelementträger 2 ist in einem Gehäuse 10 angeordnet. Er ist
aus einer Trägerplatte 12, auf der die Bauelemente 4 montiert sind, und
einem Luftkühlkörper 6 zusammengesetzt. Bei der Trägerplatte 12 und
dem Luftkühlkörper 6 handelt es sich um im wesentlichen plattenförmige
Elemente, die einen Kanal 14 zwischen sich einschließend flächig
miteinander verbunden sind.
Wie aus Fig. 2 ersichtlich, handelt es sich bei dem Kanal um ein relativ
flaches Rechteck im Querschnitt und er erstreckt sich im wesentlichen
über die ganze Breite des Bauelementträgers 2. Ein derartiger Kanal 14
kann vor dem flächigen miteinander Verbinden des Platinenelements 12
und des Luftkühlkörpers 6 relativ einfach aus einem der beiden
plattenförmigen Elemente herausgearbeitet werden, z. B. durch Fräsen.
Die Eintrittsöffnung und die Austrittsöffnung für Kühlflüssigkeit befindet
sich bei der gezeigten Ausführung an entgegengesetzten Stirnseiten des
Bauelementträgers 2 und sind in den Zeichnungen nicht dargestellt. Die
durch den Kanal 14 fließende Kühlflüssigkeit dient einerseits dazu, die
an dem Bauelementträger befestigten Bauelemente über ihren
Montagesockelbereich zu kühlen, und weiterhin dazu, die durch den
Lüfter 8 umgewälzte Luft an dem Luftkühlkörper 6 rückzukühlen. Das
führt bei relativ geringem Aufwand zu einer besonders hohen
Kühlwirkung.
Der Luftkühlkörper 6 besteht bevorzugt aus einem besonders gut
wärmeleitenden Material und ist zur Erhöhung der Wärmetauschfläche
mit Kühlrippen oder Kühllamellen 16 versehen, um einen möglichst
hohen Wärmeübertrag zwischen dem Luftstrom und der Kühlflüssigkeit
zu erzielen.
Der Lüfter 8, bei dem es sich zur Erzielung einer möglichst großen
Druckdifferenz um einen Radiallüfter handelt, ist an einer der Stirnseiten
des Bauelementträgers 2 angeordnet, so daß der von ihm erzeugte
Luftstrom, wie in Fig. 1 durch Pfeile dargestellt, an der Oberseite des
Bauelementträgers 2 von ihm wegführt und an der Unterseite des
Bauelementträgers zu dem Lüfter 8 hinführt. Dabei nimmt der Luftstrom
beim Vorbeiströmen an den elektronischen Leistungsbauelementen 4 in
Form von Wärme frei werdende Verlustleistung auf und gibt sie bei dem
Luftkühlkörper 6 auf der Oberseite an die Kühlflüssigkeit ab. Der
Luftstrom durchströmt dabei einen Kanal, der sowohl auf der Oberseite
als auch auf der Unterseite im wesentlichen von der Gehäusewand 10
und dem Bauelementträger 2 gebildet ist. Betrachtet man Fig. 2, so
erkennt man, daß die Luftkanäle zur Seite hin ebenfalls von Wänden des
Gehäuses 10 begrenzt werden und der Luftkanal der Oberseite von dem
der Unterseite durch den Bauelementträger 2 getrennt ist, der jeweils bis
an das Gehäuse 10 ragt.
Durch den Bauelementträger 2 sind mehrere Durchströmöffnungen 18
vorgesehen, durch die je ein Teil des Luftstroms von der Oberseite zur
Unterseite strömen kann. In Fig. 1 erkennt man, daß die
Durchströmöffnungen 18 so angeordnet sind, daß sie einzelnen
Bauelementen 4 zugeordnet sind, so daß diese im wesentlichen von dem
Teil des Luftstroms gezielt gekühlt werden, der durch die entsprechende
Durchströmöffnung 18 hindurchströmt. Der Kanal 14 für die
Kühlflüssigkeit ist zu den Durchströmöffnungen 18 hin natürlich jeweils
abgeschlossen und ist deshalb in dem Bereich der Durchströmöffnungen
18 schmaler als in dem in Fig. 2 gezeigten Bereich.
In der Darstellung von Fig. 3 ist die Anordnung von zwei
Bauelementträgern 2 "Rücken an Rücken" mit einem Lüfter 8 in einem
Gehäuse 10 gezeigt. Man erkennt, wie die Luftkühlkörper 6 der beiden
Bauelementträger 2 gegeneinander ausgerichtet angeordnet sind und wie
die Seiten der Bauelementträger 2, auf denen die Bauelemente 4 montiert
sind, voneinander wegweisend angeordnet sind. Dadurch ist zwischen
den Bauelementträgern 2 ein Kanal gebildet, der von zwei Seiten von
Luftkühlkörpern 6 sandwichartig eingeschlossen ist. Das führt dazu, daß
im Verhältnis zu der in den Fig. 1 und 2 gezeigten Anordnung für je
zwei Bauelementträger 2 ein Lüfter 8 eingespart sein kann. Es kann auch
zu einer Verbesserung der Kühlleistung demgegenüber führen. Das
ermöglicht demgegenüber eine noch kompaktere Bauweise. Verglichen
mit der vorangehend beschriebenen Ausführungsform ist bei der
Ausführungsform von Fig. 3 die Zirkulationsrichtung umgedreht, d. h.
der Luftstrom führt von den Luftkühlkörpern 6 zu dem Lüfter 8 hin und
von diesem weg zu den Bauelementen 4. Zudem ist zu jedem einzelnen
Bauelementträger 2 nur ein geschlossener Zirkulationskreis gezeigt, so
daß die Luft um die Stirnseiten des Bauelementträgers 2 herumströmt
und dazwischen keine Durchströmöffnungen vorgesehen sind.
Claims (18)
1. Bauelementträger (2) mit daran angebrachten elektrischen
Bauelementen (4), aufweisend mindestens einen Kanal (14) für
Kühlflüssigkeit,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Bauelementträger (2) einen Luftkühlkörper (6) aufweist,
und daß dem Bauelementträger (2) ein Lüfter (8) zugeordnet ist, mit
dem ein Umwälz-Luftstrom zur Luftkühlung mindestens eines Teils
der Bauelemente (4) und zur Luftrückkühlung an dem
Luftkühlkörper (6) erzeugbar ist.
2. Bauelementträger (2) nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß er mindestens aus einer Trägerplatte (12) mit den Bauelementen
(4) und dem Luftkühlkörper (6) zusammengesetzt ist.
3. Bauelementträger (2) nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Trägerplatte (12) und der Luftkühlkörper (6) flächig
miteinander verbunden sind und den mindestens einen Kanal (14)
zwischen sich einschließen.
4. Bauelementträger (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß der mindestens eine Kanal (14) mit einer Eintrittsöffnung und
einer Austrittsöffnung so vorgesehen ist, daß sich beide Öffnungen
an oder bei einer Stirnseite des Bauelementträgers (2) befinden.
5. Bauelementträger (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß der mindestens eine Kanal (14) mit einer Eintrittsöffnung und
einer Austrittsöffnung so vorgesehen ist, daß sich die Öffnungen an
oder bei entgegengesetzten Stirnseiten des Bauelementträgers (2)
befinden.
6. Bauelementträger (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Luftkühlkörper (6) Kühlrippen oder Kühllamellen (16)
aufweist.
7. Bauelementträger (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Lüfter (8) so angeordnet ist, daß betriebsmäßig der durch
den Betrieb des Lüfters (8) erzeugte Luftstrom an einer Seite des
Bauelementträgers (2) von dem Lüfter (8) wegführt und an der
anderen Seite des Bauelementträgers (2) zu dem Lüfter (8) hinführt.
8. Bauelementträger (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß darin mindestens eine Durchströmöffnung (18) vorgesehen ist,
durch die mindestens ein Teil des Luftstroms von der einen Seite zu
der anderen Seite strömen kann.
9. Bauelementträger (2) nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet,
daß eine Durchströmöffnung (18) des Bauelementträgers (2) bei
einem Bauelement (4) so angeordnet ist, daß der dadurch
hindurchströmende Teil des Luftstroms dieses gezielt kühlen kann.
10. Bauelementträger (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß ein Leitelement zum gezielten Leiten eines Teils des Luftstroms
vorgesehen ist.
11. Bauelementträger (2) nach Anspruch 10,
dadurch gekennzeichnet,
daß ein Leitelement zum gezielten Leiten eines Teils des Luftstroms
zu einem Bauelement (4) vorgesehen ist.
12. Bauelementträger (2) nach Anspruch 10 oder 11,
dadurch gekennzeichnet,
daß ein düsenartiges Leitelement einer Durchströmöffnung (18)
zugeordnet ist.
13. Bauelementträger (2) nach Anspruch 12,
dadurch gekennzeichnet,
daß ein aufsteckbares düsenartiges Leitelement vorgesehen ist.
14. Bauelementträger (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Lüfter (8) an einer der Stirnseiten des Bauelementträgers (2)
angeordnet ist.
15. Bauelementträger (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Lüfter (8) ein Querstromlüfter ist.
16. Bauelementträger (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Lüfter (8) ein Radiallüfter ist.
17. Elektronisches Gerät aufweisend einen Bauelementträger (2) nach
einem der Ansprüche 1 bis 16,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Bauelementträger (2) in einem Gehäuse (10) so angeordnet
ist, daß der Luftstrom im Betrieb zwischen der einen Seite des
Bauelementträgers (2) und der Gehäusewand und zwischen der
anderen Seite des Bauelementträgers (2) und der Gehäusewand
geführt ist.
18. Elektronisches Gerät nach Anspruch 17,
dadurch gekennzeichnet,
daß zwei Bauelementträger (2) mit einem gemeinsamen Lüfter (8) in
einem Gehäuse (10) vorgesehen sind, wobei je die Seiten mit den
Bauelementen (2) oder die Seiten mit den Luftkühlkörpern (6)
einander entgegengesetzt angeordnet sind und zwischen sich einen
Strömungskanal für den Luftstrom bilden.
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