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Die Erfindung betrifft ein Gehäuse für elektronische Bauteile bzw. Schaltungen mit wenigstens einer am Gehäuse angeordneten Kühlrippenanordnung zur passiven Kühlung der elektronischen Bauteile bzw. Schaltungen innerhalb des Gehäuses.
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Elektronische Bauteile, insbesondere Leistungshalbleiter der Elektronik, weisen während des Betriebs eine hohe Verlustleistung auf, die in Form von Wärme an die Umgebung abgegeben wird. Aus diesem Grund muss für eine ausreichende Kühlung der Komponenten während des Betriebs gesorgt werden. Oftmals sind die Bauteile in einem geschlossenen Gehäuse angeordnet, sodass die Abfuhr der entstandenen Wärme erschwert und die Wärme über das Gehäuse abgegeben wird.
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Bei der Luftkühlung unterscheidet man zwischen der natürlichen Konvektion sowie der forcierten Kühlung. Bei der natürlichen Konvektion durchströmt der natürliche Luftstrom einen vorgesehenen Kühlkörper, wodurch von dem zu kühlenden Bauteil Wärme an die durchströmende Luft abgegeben werden kann. Demgegenüber sieht die forcierte Kühlung einen Ventilator vor, der einen stärkeren Luftstrom zur Kühlung des Bauteils produziert. Der Offenbarungsgehalt dieser Beschreibung beschäftigt sich mit der natürlichen Konvektion.
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1 zeigt einen herkömmlichen Kühlkörper gemäß dem Stand der Technik, der direkt auf das zu kühlende Bauteil aufgebracht wird. Der Kühlkörper umfasst mehrere parallel zueinander angeordnete Kühlrippen, die parallel verlaufende Strömungskanäle bilden und daher lediglich eine effektive Luftströmungsrichtung in Pfeilrichtung (Bezugszeichen 1) gewährleisten. Ein Abweichen der Luftströmungsrichtung von der Rippenorientierung führt zu einer verminderten Kühlleistung bis hin zu einer ineffektiven Kühlleistung, beispielsweise wenn die Luft quer zur Ausrichtung der Rippen, d. h. in Richtung des Pfeils 2 strömt. Eine effektive maximale Kühlung kann nur dann stattfinden, wenn die Luftströmungsrichtung mit der Rippenrichtung übereinstimmt. Der gezeigte Kühlkörper ist dadurch äußerst unflexibel.
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Um eine effektivere Wärmeabhabe über das Gehäuse zu erreichen, werden oftmals außen auf der Gehäusewand Kühlrippen angeordnet. Diese Rippenanordnung besteht aus einem gerippten Materialblock, dessen Kühlrippen ähnlich des Kühlkörpers der 1 in eine gemeinsame Richtung zeigen. Auch hier ergeben sich die oben beschriebenen Nachteile.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht nun darin, ein Gehäuse mit einer verbesserten Kühlrippenanordnung aufzuzeigen, das die oben genannten Probleme zu überwinden weiß und eine optimierte effektive Kühlung der in dem Gehäuse befindlichen elektronischen Bauteile ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird durch ein Gehäuse gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der sich an den Hauptanspruch anschließenden Unteransprüche.
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Gemäß Anspruch 1 wird also ein Gehäuse für elektronische Bauteile bzw. Schaltungen vorgeschlagen, das wenigstens eine am Gehäuse, insbesondere auf der Gehäuseaußenwand, angeordnete Kühlrippenanordnung aufweist, die zur passiven Kühlung elektronischer Bauteile bzw. Schaltungen innerhalb des Gehäuses mittels natürlicher Konvektion dient.
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Erfindungsgemäß umfasst die Kühlrippenanordnung wenigstens zwei Rippen mit unterschiedlicher Orientierung. Vorzugsweise können mehr als zwei Rippen eine unterschiedliche Orientierung aufweisen. Durch das mehrdirektionale Luftkühlerdesign wird die Kühlleistung massiv verbessert, da nun aus verschiedenen Luftströmungsrichtungen eine optimale Funktion des Luftkühlers gewährleistet ist. Das erfindungsgemäße Gehäusedesign ist nicht mehr auf eine einzige Luftströmungsrichtung angewiesen, sondern kann auch bei Änderung der Luftströmungsrichtung für eine ausreichende Kühlleistung sorgen.
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Wenn in der vorliegenden Erfindung von wenigstens zwei Rippen unterschiedlicher Orientierung gesprochen wird, so soll darunter auch eine einzige Rippe verstanden werden, die einen gebogenen bzw. gekrümmten Verlauf aufweist. Diese Rippe umfasst sodann wenigstens einen ersten Abschnitt und wenigstens einen zweiten Abschnitt, wobei die wenigstens zwei Rippenabschnitte unterschiedliche Orientierung aufweisen. Der Einfachheit halber wird im Folgenden stets von wenigstens zwei Rippen unterschiedlicher Orientierung gesprochen.
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Denkbar ist es, dass die Kühlrippenanordnung einteilig ausgeführt ist oder die Kühlrippenanordnung zumindest teilweise eine Ausformung der Gehäuseaußenwand ist. In diesem Fall ist es sinnvoll, wenn die entsprechende Gehäusewand und die Kühlrippenanordnung einteilig sind und einheitlich aus einem wärmeleitenden und mechanisch robusten Metall hergestellt sind. Als geeignetes Metall bietet sich Aluminium bzw. eine Aluminiumlegierung an.
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Durch geeignete Anordnung der Kühlrippen am Gehäuse kann zusätzlich die mechanische Festigkeit des Gehäuses erhöht werden, da die Rippen gleichzeitig als Verstrebung wirken.
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Vorzugsweise schneiden sich wenigstens zwei Rippen unterschiedlicher Orientierung in einem gemeinsamen Punkt bzw. der gemeinsame Punkt stellt die Krümmung der wenigstens eine Rippe dar. Der Schnittpunkt bzw. die Krümmung zeichnet sich durch einen definierten Radius aus, wodurch ein optimaler pneumatischer Widerstand für den Luftstrom geschaffen wird.
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Besonders bevorzugt weist wenigstens ein gebildeter Strömungsweg der Rippenanordnung wenigstens eine Verzweigung auf.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist die Rippenanordnung tridirektional ausgeführt. Die Rippenanordnung weist insgesamt folglich mindestens drei Luftstromzugänge auf, über die der Luftstrom in die Rippenanordnung einströmen kann. In diesem Fall bildet die Rippenanordnung idealerweise eine T-formartige Struktur mit zwei Lufteinlässen am Kopf und einem Lufteinlaß am Fuß der T-Struktur.
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Gemäß einer alternativen Ausführungsform ist es denkbar, dass die Rippenanordnung tetradirektional ausgeführt ist, wodurch eine effektive Luftdurchströmung von insgesamt vier Seiten der Rippenanordnung bzw. des Gehäuses möglich ist. Als konkrete Ausgestaltung bietet sich eine Rippenordnung an, die aus wenigstens vier geradlinigen Rippen besteht, die sich symmetrisch von einer zentralen kreisrunden Rippe radial erstrecken. Zwischen jeweils zwei geradlinigen Rippen sind ein oder mehrere gekrümmte Rippen vorgesehen sind, deren Enden parallel zu den zwei geradlinigen Rippen verlaufen. Folglich zeichnet sich die Rippenanordnung durch insgesamt vier Luftdurchströmungseingänge aus, die im rechten Winkel zueinander angeordnet sind.
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In einer weiterhin bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist es denkbar, dass die Rippenanordnung sternförmig ausgebildet ist, vorzugsweise mit einer zentralen kreisförmigen Rippe von der sich eine Vielzahl an geraden Rippen in radialer Richtung erstreckt. Hierdurch wird eine effektive Luftdurchströmung von allen Seiten der Kühlrippenanordnung über einen Bereich von 360° gewährleistet.
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Neben dem Gehäuse betrifft die Erfindung einen Kühlkörper für ein Gehäuse zur passiven Kühlung elektrischer Bauteile, wobei der Kühlkörper erfindungsgemäß eine Rippenanordnung aufweist, die wenigstens zwei oder mehr Rippen bzw. Rippenabschnitte mit unterschiedlicher Orientierung umfasst. Die Schnittstellen der Rippen bzw. Rippenabschnitte unterschiedlicher Orientierung sind mit einem definierten Radius gerundet.
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Auch in diesem Fall können sich die wenigstens zwei Rippen auf eine einzige Rippe mit gekrümmtem Verlauf beziehen, wodurch zwei Rippenabschnitte mit unterschiedlicher Orientierung entstehen. Die Krümmung weist dabei einen definierten Radius auf.
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Aufgrund der erfindungsgemäßen Rundung mit definiertem Winkel werden scharfe Winkel/Kanten innerhalb der gebildeten Luftkanäle vermieden, um dem resultierenden pneumatischen Widerstand des Kühlkörpers für die natürliche Konvektion zu optimieren. Je größer der definierte Radius ist, desto geringer ist der pneumatische Widerstand und desto effektiver die resultierende Kühlleistung.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des Kühlkörpers ist dieser gemäß der Rippenanordnung des erfindungsgemäßen Gehäuses ausgestaltet bzw. gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Rippenanordnung des erfindungsgemäßen Gehäuses. Der Kühlkörper weist folglich dieselben Vorteile und Eigenschaften wie das erfindungsgemäße Gehäuse auf, weshalb an dieser Stelle auf eine wiederholende Beschreibung verzichtet wird.
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Weitere Vorteile und Eigenschaften der Erfindung sollen im Folgenden anhand mehrerer in den Zeichnungen dargestellter Ausführungsbeispiele erläutert werden.
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Es zeigen:
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1: eine bidirektionale Kühlrippenanordnung eines Kühlkörpers gemäß dem Stand der Technik,
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2: das erfindungsgemäße Gehäuse gemäß einer ersten Ausführungsform mit tridirektionaler Kühlrippenanordnung in einer perspektivischen Seitenansicht,
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3: eine Draufsicht auf das Gehäuse gemäß der 2,
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4: eine Draufsicht auf ein erfindungsgemäßes Gehäuse gemäß einer weiteren Ausführungsform mit tetradirektionaler Rippenanordnung und
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5: eine weitere Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Gehäuses mit mehrdirektionaler Rippenanordnung in einer Draufsicht.
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Die 2 bis 5 zeigen vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Gehäuses. 2 zeigt eine perspektivische Seitenansicht einer Gehäuseabdeckung 10 des erfindungsgemäßen Gehäuses. Die Gehäusedeckeloberfläche weist eine gerippte Struktur zur Ausbildung einer Kühlrippenanordnung 20 auf. Die Rippenanordnung 20 wird folglich durch das Gehäusedeckelmaterial gebildet. Gehäusedeckel 10 sowie Kühlrippenanordnung 20 bestehen einheitlich aus demselben wärmeleitenden und mechanisch robusten Metall, insbesondere Aluminium bzw. eine Aluminiumlegierung. Diese Merkmale gelten für alle gezeigten Ausführungsbeispiele der 2 bis 5, die sich nur in der konkreten Rippenorientierung voneinander unterscheiden.
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Die Rippenanordnung 20 der 2 beschreibt eine T-formartige Struktur, wodurch sich eine tridirektionale Rippenanordnung ergibt. Die in der Draufsicht der 3 eingezeichneten Pfeile 24, 25, 26 kennzeichnen die möglichen Luftströmungsrichtungen durch die Rippenanordnung 20 zur Erzielung einer effektiven Kühlleistung. Folglich kann in diesem Ausführungsbeispiel der Luftstrom aus insgesamt drei verschiedenen Richtungen durch die Rippenanordnung 20 durchströmen, um eine effektive Wärmeabgabe des Gehäusedeckels 10 an die durchströmende Luft zu ermöglichen.
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Die T-formartige Rippenanordnung 20 besteht aus einer Vielzahl an parallel verlaufenden Rippen 21, die sich in Kopfrichtung der T-Form nach rechts bzw. links krümmen und die endseitig senkrecht zu den Rippen 21 verlaufenden Rippenabschnitte 22 bzw. 23 haben. Die Rippenkrümmung weist einen definierten Krümmungsradius auf, sodass sich ein optimaler pneumatischer Widerstand für den einströmenden Luftstrom ergibt. Dies führt zu einer verbesserten Kühlperformance der Rippenanordnung 20, insbesondere unter Einsatz natürlicher Konvektion.
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4 zeigt eine alternative Ausführungsform des Gehäusedeckels 10, der sich gegenüber der 2 lediglich in der konkreten Anordnung der Rippen unterscheidet. Gegenüber der 2 wird in dem Ausführungsbeispiel der 4 eine tetradirektionale Rippenanordnung bereitgestellt, die eine effektive Luftströmung aus vier verschiedenen Richtungen 34, 35, 36, 37 ermöglicht. Die Rippenanordnung 30 besteht aus einer im Zentrum der Rippenanordnung angeordneten kreisförmigen Rippe 31, von der sich insgesamt vier geradlinige Rippen 32 in radialer Richtung nach außen erstrecken.
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Die geradlinigen Rippen 32 sind dabei beabstandet zur Rippe 31 angeordnet und verlaufen punktsymmetrisch zueinander, d. h. um 90 Grad versetzt zueinander. Bei einer echteckigen Gehäusedeckelform bilden die Rippen 32 zugleich die Seitenhalbierenden des Gehäusedeckels 10. Zwischen jeweils zwei benachbarten Rippen 32 sind insgesamt fünf Rippen vorgesehen, die in Richtung der Gehäusedeckelecken hintereinander angeordnet sind. Mittig liegen drei Winkelrippen 33, deren Schenkel parallel zu den geradlinigen Rippen 32 verlaufen und deren Scheitelpunkt in einem definierten Radius abgerundet ist. Außen liegen zwei gekrümmte Rippen 38, deren Krümmung ebenfalls dem definierten Radius entspricht. Der definierte Krümmungsradius der Rippen 33, 38 sorgt für einen optimalen pneumatischen Widerstand.
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Die Gehäuseausgestaltung der 5 zeigt eine sternförmige Rippenanordnung 40, die aus einer kreisrunden Rippe 41 im Zentrum der Rippenanordnung besteht und von der sich eine Vielzahl von geradlinigen Rippen 42 in radialer Richtung erstreckt. Diese konkrete Rippenanordnung 40 ermöglicht eine effektive Luftdurchströmung von allen Seiten des Gehäusedeckels 10, d. h. über einen Umfang von 360 Grad.
