DE202014002060U1

DE202014002060U1 - Kühleinrichtung und Kühlanordnung mit der Kühleinrichtung

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Publication number: DE202014002060U1
Application number: DE201420002060
Authority: DE
Original assignee: HKR Seuffer Automotive GmbH and Co KG
Current assignee: HKR Seuffer Automotive GmbH and Co KG
Priority date: 2014-03-06
Filing date: 2014-03-06
Publication date: 2015-04-08
Anticipated expiration: 2024-03-07
Also published as: CN104902730A; DE102015103096A1; CN104902730B; US20150257309A1; DE102015103096B4; US9433130B2

Abstract

Kühleinrichtung für wärmeabgebende Bauelemente (1), wobei zumindest ein Bauelement (1) auf einer Leiterplatte (29 angeordnet ist, und wobei – die Kühleinrichtung (20) ein erstes und zweites Kühlelement (21, 22) aufweist, und – die beiden Kühlelemente (21, 22) auf der Leiterplatte (2) benachbart und mit einem vorbestimmten Abstand zu dem zumindest einen Bauelement (1) an einander gegenüberliegenden Seiten des Bauelements (1) angeordnet sind.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kühleinrichtung für elektrische und elektronische Bauelemente, und insbesondere eine Kühleinrichtung als Teil einer Kühlanordnung, wobei die Kühleinrichtung ergänzend vorgesehen ist.
In elektrischen und elektronischen Schaltungen wird eine Vielzahl unterschiedlicher Bauelemente zur Bereitstellung einer bestimmten Funktion verwendet. In Abhängigkeit von der Art des jeweiligen Bauelements und der Belastung der Bauelemente in Verbindung mit den elektrischen Werten von Strom und Spannung stellen zumindest einige der Bauelemente Wärmequellen mit einer unterschiedlichen Wärmeleistung und damit einer unterschiedlichen Wärmeabgabe dar. Insbesondere Halbleiterbauelemente und speziell Leistungstransistoren weisen bestimmte typ- und betriebsabhängige und nicht zu vernachlässigende elektrische Verlustleistungen auf, so dass teilweise eine erhebliche Erwärmung auftritt. Die Wärme muss im Betrieb der jeweiligen Bauelemente abgeführt werden, um eine unzulässige Erwärmung und in der Folge eine Beschädigung oder Zerstörung der Bauelemente zu vermeiden.
In Schaltungen zur Steuerung von elektrischen Motoren werden beispielsweise zur Leistungsanpassung oder Leistungssteuerung der jeweiligen elektrischen Motoren getaktete Signale verwendet, wodurch die aktiven Bauelemente wie die Transistoren (Leistungshalbleiter) und Elektrolytkondensatoren eine erhöhte Verlustleistung aufweisen, so dass eine Kühlung unumgänglich ist. Zu diesem Zweck werden die eine entsprechende Verlustleistung aufweisenden und somit Wärme abgebenden Bauelemente gekühlt und häufig mit einem sogenannten Kühlkörper mechanisch bzw. thermisch verbunden.
Hierbei stellt ein Kühlkörper eine Einrichtung dar, die aus einem gut wärmeleitenden Material besteht und die zur Abgabe der Wärme erforderliche Oberfläche vergrößert, so dass die Wärme des zu kühlenden Bauteils aufgenommen und wirksam beispielsweise an die Luft mittels natürlicher Konvektion oder mit der Unterstützung durch einen Lüfter abgegeben wird. Es können auch andere Kühlmedien, beispielsweise in Form von Flüssigkeit, verwendet werden. Wesentlich ist hierbei, dass die wirksame Oberfläche zur Abgabe der Wärme des Bauelements vergrößert wird und mit dem die Wärme gut leitenden Material des Kühlkörpers die Wärme dem Bauelement entzogen wird. Kühlkörper werden im Allgemeinen aus einem Metall, wie beispielsweise Kupfer oder Aluminium hergestellt, wobei auch die Gestaltung der Oberfläche einen Einfluss auf die Wärmeabgabe ausübt
Eine grundlegende und bekannte Anordnung eines zu kühlenden Bauelements A in Verbindung mit einer Anordnung auf einem Kühlkörper B ist in vereinfachter und schematischer Weise in 8 dargestellt. Das zu kühlende Bauelement kann beispielsweise ein Leistungstransistor sein.
Hierbei ist auf einer Leiterplatte C der Kühlkörper B angeordnet. Der Kühlkörper B befindet sich in thermischem Kontakt mit dem auf dem Kühlkörper B angeordneten Bauelement A. Vorzugsweise kann das Bauelement A gegenüber dem Kühlkörper B mittels einer Isolierschicht D isoliert angeordnet werden, wobei die Isolierschicht D elektrisch nicht leitend aber gut wärmeleitend sein soll.
Das Bauelement A kann mittels entsprechender Anschlusselemente E mit der Leiterplatte C elektrisch zur Bereitstellung der entsprechenden Funktion verbunden sein.
8A zeigt eine Schnittdarstellung entlang der Schnittlinie Y-Y gemäß 8B (das Bauelement A ist hierbei nicht geschnitten dargestellt), und 8B zeigt eine Schnittdarstellung entlang der Linie X-X gemäß 8A. Der Kühlkörper B weist hierbei in flächiger Weise Verzweigungen G auf, die derart aufgebaut sind, dass sie die wirksame Oberfläche zur Wärmeabgabe der von dem Bauelement A aufgenommenen Wärme vergrößern.
Entsteht bei dem Betrieb in dem Bauelement A eine Verlustleistung und damit eine Wärme, dann wird diese an den Kühlkörper B über die Isolierschicht D abgegeben, und seinerseits gibt der Kühlkörper B über die Verzweigungen G großflächig die Wärme an die Umgebung ab. Auf diese Weise kann die Erwärmung des Bauelements A in sinnvollen Grenzen gehalten werden, so dass eine Zerstörung oder Beschädigung des Bauelements A vermieden wird.
Soll eine größere Wärme aufgrund einer höheren Verlustleistung abgeführt werden, bedarf es eines größeren Kühlkörpers oder in Abhängigkeit von der abzuführenden Wärme auch einer aktiven Belüftung mittels eines Lüfters oder eines anderen vorzugsweise flüssigen Kühlmediums.
In diesem Zusammenhang offenbart die Druckschrift EP 1 750 302 A1 eine elektrische Bauelemente-Anordnung, bei der eine Mehrzahl von im Wesentlichen elektronischen Bauelementen, die jeweils Leistungsbauteile sein können und eine Wärmequelle darstellen, mittels eines aus einem Metall gebildeten Federkamms einerseits an ihrer Position festgehalten werden und andererseits über den an dem Bauelement anliegenden Federkamm gekühlt werden können. Diese Kühlung erfolgt zusätzlich zu der Kühlung der jeweiligen Bauelemente mittels eines Kühlkörpers, auf den die Bauelemente mittels des Federkamms angedrückt werden. Die gesamte Anordnung wird in dieser Form in ein geschlossenes Gehäuse eingebaut.
Die Druckschrift DE 102 25 993 A1 offenbart einen Kühlkörper, der einen Grundkörper aufweist und wobei an dem Grundkörper mittels einer mechanischen Einrichtung ein Wärme abgebendes Bauelement zur Bereitstellung eines thermischen Kontakts angedrückt wird. Die mechanische Einrichtung umfasst ein Federelement, das mit einer darin angeordneten Öffnung auf einen Stift aufgesetzt und mittels des Stifts gehalten wird und gleichzeitig an dem zu kühlenden Bauelement anliegt und dieses an den Grundkörper drückt. Zum Aufbringen der Andruckkraft ist das mechanische Element in der Weise auf den Stift aufgesetzt, dass in Verbindung mit der Öffnung, in die der Stift hineinragt, ein Verkanten auftritt und somit ein Moment (Kraft) auf das Bauelement ausgeübt werden kann. Die Wärme des Bauelements wird durch den thermischen Kontakt mit dem Grundkörper an diesen abgegeben.
Schließlich offenbart die Druckschrift EP 1 091 403 A2 die Anordnung eines Kühlkörpers, wobei der Kühlkörper in der Weise aufgebaut ist, dass auf einer Grundplatte eine Vielzahl von Lamellen angeordnet ist, und die Lamellen in mehreren Reihen und in ihrer Längsausrichtung zueinander fluchtend angeordnet sind, so dass ein zur Kühlung erforderlicher Luftstrom die mehreren Reihen der Lamellen durchströmen kann. Die Lamellen können aus ebenen oder gebogenen Elementen bestehen und können an dem von der Grundplatte entfernten Ende weitere gebogene Bereiche zur Beeinflussung eines Kühlluftstroms aufweisen.
Die vorstehend betrachteten bekannten Einrichtungen von Kühlkörpern oder Kühlanordnungen für elektrische oder elektronische Bauelemente sind derart aufgebaut, dass eine kompakte Bauweise mit der Anordnung zumindest einer oder mehrerer Kühleinrichtungen auf kleinem Raum innerhalb eines Gehäuses kaum möglich ist. Die vorstehend beschriebenen Anordnungen benötigen entsprechend den jeweiligen Ausführungen der Kühlkörper eine bestimmte Größe bzw. einen bestimmten Raum, um mit einer natürlichen oder erzwungenen Konvektion eine ausreichende Kühlwirkung zu erzielen.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Kühlanordnung mit einer Kühleinrichtung der eingangs erwähnten Art derart auszugestalten, dass auch bei einer kompakten Bauweise auf kleinstem Raum innerhalb eines Gehäuses eine ausreichende Kühlwirkung erreicht werden kann.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einer Kühleinrichtung und einer die Kühleinrichtung verwendenden Kühlanordnung gemäß den Merkmalen der beigefügten Patentansprüche gelöst.
Die vorliegende Erfindung betrifft somit eine Kühleinrichtung für wärmeabgebende Bauelemente, wobei zumindest ein Bauelement auf einer Leiterplatte angeordnet ist, und wobei die Kühleinrichtung ein erstes und zweites Kühlelement aufweist, und die beiden Kühlelemente auf der Leiterplatte benachbart und mit einem vorbestimmten Abstand zu dem zumindest einen Bauelement an einander gegenüberliegenden Seiten des Bauelements angeordnet sind.
Die vorliegende Erfindung betrifft des Weiteren eine Kühlanordnung zur Kühlung zumindest eines auf einer Leiterplatte angeordneten wärmeabgebenden Bauelements, mit einer ein Gehäuse bildenden Kühleinheit mit einem Kühlkörper und einem Deckel, wobei in einem zusammengesetzten Zustand des Gehäuses die Leiterplatte mit dem zumindest einen Bauelement zwischen dem Kühlkörper und dem Deckel angeordnet ist und der Kühlkörper einen Anlagebereich aufweist, der auf dem zumindest einen Bauelement zur Bildung eines thermischen Kontakts aufliegt, und im Bereich des zumindest einen Bauelements der Deckel einen vorstehenden Bereich aufweist, der auf der dem zumindest einen Bauelement abgewandten Seite der Leiterplatte an der Leiterplatte anliegt, und einer Kühleinrichtung gemäß den vorstehenden Angaben.
Mit der erfindungsgemäßen Kühleinrichtung bzw. der erfindungsgemäßen Kühlanordnung besteht die Möglichkeit, Wärme abgebende Bauelemente noch besser zu kühlen, da mehrere Kühlmöglichkeiten bereitgestellt werden, so dass eine umfassende Wärmeabfuhr gewährleistet ist, wobei gleichzeitig die gesamte Kühlanordnung einschließlich der jeweils zu kühlenden Bauelemente kompakt ausgeführt sein kann. Auch bei einer Anordnung in einem Gehäuse eines Geräts ist bei geringem zur Verfügung stehendem Raum eine zumindest ausreichende Kühlung gewährleistet. Die Kühleinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung stellt eine ergänzende Kühlmöglichkeit für die Wärme abgebenden Bauelemente dar, und ist unabhängig von den bestehenden Kühlmöglichkeiten vorgesehen und ausgebildet.
Die erfindungsgemäße Kühleinrichtung kann somit bei geringem Kühlungsbedarf alleine oder bei erhöhtem Kühlungsbedarf im Verbund mit weiteren Kühlkonzepten ergänzend eine umfassende Kühlung unterstützen. Des Weiteren kann die benachbart zu den zu kühlenden Bauelementen angeordnete Kühleinrichtung auch weiteren Zwecken dienen, insbesondere können sie auch zur Stromleitung in vorbestimmtem Umfang herangezogen werden. Ferner können sie als eine Einrichtung zur mechanischen Stabilisierung einer Leiterplatte dienen, auf der sowohl die Wärme abgebenden und zu kühlenden Bauelemente als auch die Kühleinrichtung (und bedarfsweise weitere Bauelemente) angeordnet sind. Die Leiterplatte kann in ein Gehäuse eingebaut werden, so dass in Verbindung mit der gesamten Kühlanordnung eine sehr kompakte Bauweise bei gleichzeitig sehr umfassender Kühlung erreicht werden kann.
Weitere Merkmale der vorliegenden Erfindung sind in den abhängigen Schutzansprüchen angegeben.
Bei der Kühleinrichtung können die Kühlelemente Segmente aufweisen, die jeweils zu den entsprechenden Seiten des zumindest einen Bauelements parallel angeordnet und sich von der Leiterplatte weg erstrecken können.
Auf dem zumindest einen Bauelement kann eine Kühleinheit angeordnet sein, und es kann die Kühleinheit einen Anlagebereich aufweisen, der auf dem zumindest einen Bauelement für einen thermischen Kontakt aufliegt, und wobei sich die Kühlelemente der Kühleinrichtung von der Leiterplatte weg über das zumindest eine Bauelement benachbart zu dem Anlagebereich erstrecken und von diesem beabstandet sein können.
Bei der Kühleinrichtung kann in einem Raum zwischen dem jeweiligen Kühlelement und dem Anlagebereich der Kühleinheit ein Wärmeleitmaterial eingebracht sein zur Bildung einer thermischen Kopplung zwischen dem jeweiligen Kühlelement und dem Anlagebereich der Kühleinheit.
Im Falle von mehreren Bauelementen können die Kühlelemente benachbart zu jedem Bauelement angeordnet und benachbart zu jedem Bauelement ein Segment des jeweiligen Kühlelements angeordnet sein.
Bei der Kühleinrichtung können die mehreren Bauelemente in einer geraden Linie oder einer beliebig gekrümmten Linie angeordnet sein, und es können die Kühlelemente der Kühleinrichtung dem Verlauf der Anordnung der mehreren Bauelemente folgen, wobei benachbart zu jedem Bauelement auf unterschiedlichen Seiten desselben jeweils ein Segment des betreffenden Kühlelementes angeordnet sein kann.
Des Weiteren können bei der Kühlanordnung im Falle von mehreren Bauelementen jeweils der Anlagebereich des Kühlkörpers und der vorstehende Bereich des Deckels der Anordnung der Bauelemente auf der Leiterplatte folgen, wobei der Anlagebereich des Kühlkörpers an zumindest einigen oder sämtlichen Bauelementen anliegen kann.
Bei der Kühlanordnung können sich die Kühlelemente der Kühleinrichtung von der Leiterplatte weg erstrecken und seitlich benachbart und mit einem vorbestimmten Abstand zu dem Anlagebereich des Kühlkörpers verlaufen, und es kann der Raum zwischen dem Kühlkörper und dem Deckel ganz oder zumindest teilweise ein Wärmeleitmaterial aufweisen. Des Weiteren können die Kühlelemente der Kühleinrichtung mit der Leiterplatte mechanisch und elektrisch verbunden sein und als Stromleiter dienen.
Die vorliegende Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen:
1 eine teilweise Schnittansicht der Kühlanordnung einschließlich der Kühleinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung,
2 eine perspektivische Ansicht eines Teils der Kühlanordnung mit der Kühleinrichtung sowie den Wärme abgebenden Bauelementen, die auf einer Leiterplatte angeordnet sind,
3 eine Draufsicht auf die Leiterplatte gemäß 2 mit der Kühleinrichtung und den Wärme abgebenden Bauelementen,
4 eine Darstellung der Kühleinrichtung mit den Kühlelementen, wobei weitere Komponenten der gesamten Anordnung zur besseren Darstellung der Kühleinrichtung weggelassen sind,
5 eine perspektivische Darstellung eines Kühlkörpers der Kühlanordnung gemäß 1, wie er auf die in 2 gezeigte Anordnung aufgesetzt werden kann,
6 eine teilweise Schnittdarstellung entsprechend der Darstellung in 1, wobei verschiedene Kühlwege des erfindungsgemäßen Kühlkonzepts veranschaulicht sind,
7 eine teilweise Schnittdarstellung entsprechend der Darstellung in 1, wobei verschiedene weitere Kühlwege des erfindungsgemäßen Kühlkonzepts zusätzlich zur Darstellung in 6 veranschaulicht sind, und
8 (8A und 8B) eine schematische und vereinfachte Darstellung eines Wärme abgebenden Bauelements auf einem Kühlkörper gemäß dem Stand der Technik in Verbindung mit Schnittdarstellungen.
Die vorliegende Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die 1 und 2 hinsichtlich des grundlegenden Aufbaus der vorliegenden Erfindung beschrieben.
1 zeigt eine teilweise Schnittansicht der Anordnung eines Wärme abgebenden Bauelements 1 in Verbindung mit der erfindungsgemäßen Kühlanordnung K.
Das Wärme abgebende Bauelement 1, nachstehend vereinfacht als Bauelement 1 bezeichnet, kann dabei ein Leistungshalbleiter-Bauelement wie beispielsweise ein Transistor oder auch mit einer andersartigen äußeren Form ein Elektrolytkondensator sein. Die Erfindung ist auf ein bestimmtes Bauelement und auch auf eine bestimmte äußere Form eines solchen Bauelements 1 nicht festgelegt. Vielmehr kann sie für jede Art von Bauelementen eingesetzt werden, die während des Betriebs oder zumindest in speziellen Betriebszuständen infolge einer Verlustleistung Wärme abgeben.
Das Bauelement 1 ist auf einer Leiterplatte 2 angeordnet, die neben dem zur Veranschaulichung der vorliegenden Erfindung gezeigten Bauelement 1 weitere Bauelemente unterschiedlicher Art und Größe in unterschiedlicher Verteilung auf der Leiterplatte 2 aufweisen kann. In diesem Zusammenhang zeigt 2 die Leiterplatte 2, die beispielsweise annähernd kreisförmig aufgebaut ist. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf die Form und Größe der Leiterplatte 2 festgelegt, sondern kann bei Leiterplatten unterschiedlicher Art, Größe und Form angewendet werden. Zur Aufnahme weiterer Bauelemente umfasst die Leiterplatte 2 einen Funktionsbereich F, in welchem die weiteren Bauelemente in beliebiger Weise angeordnet sein können. Die in dem Funktionsbereich F angeordneten Bauelemente sind nicht näher spezifiziert und sind von einer zu erreichenden Funktion der betreffenden Schaltungsanordnung abhängig.
Gemäß den 1 und 2 ist die Leiterplatte 2 in ein Gehäuse 3 eingesetzt, das beispielsweise aus einem Kühlkörper 4 (in 1 oben) und einem Deckel 5 (in 1 unten) besteht. Bei dem Zusammensetzen des Gehäuses 3 und insbesondere bei dem Aufsetzen des Kühlkörpers 4 auf den Deckel 5 kann zwischen den beiden Teilen eine Dichtungseinrichtung 6 angeordnet sein, die beispielsweise in Form einer Dichtmasse oder eines aus einem elastischen Material gebildeten Dichtungsring bestehen kann.
In den 1 und 2 ist die Leiterplatte 2 in den Deckel 5 eingesetzt, der sich in der Darstellung in 1 und weiteren Figuren unterhalb der Leiterplatte 2 befindet. Oberhalb der Leiterplatte 2 ist der Kühlkörper 4 angeordnet (in 2 zur besseren Darstellung nicht gezeigt), so dass die Leiterplatte 2 zwischen dem Kühlkörper 4 und dem Deckel 5 aufgenommen und sicher gehalten wird.
1 zeigt das Bauelement 1 auf der Leiterplatte 2, wobei das Bauelement 1 auf der Leiterplatte 2 im Wesentlichen bündig aufliegt und beispielsweise (ohne Beschränkung hierauf) ein sogenanntes Oberflächen-montierbares Bauelement (SMD-Bauelement) sein kann. Das Bauelement kann hierzu entsprechende (meist verlötbare) Anschlusselemente aufweisen.
Nach dem Aufsetzen des Kühlkörpers 4 auf den Deckel 5 und somit auch im vorbestimmten Umfang auf die Leiterplatte 2 sowie auf das Bauelement 1 liegt der Kühlkörper 4 an dem Bauelement 1 an, so dass eine gute thermische Verbindung zwischen dem Bauelement 1 und dem Kühlkörper 4 besteht, wobei im Bauelement 1 entstehende Wärme mit geringen thermischen Übergangswiderständen auf den Kühlkörper 4 übergehen kann. Zu diesem Zweck umfasst der Kühlkörper 4 in dem Bereich benachbart zu dem Bauelement 1 und oberhalb desselben einen Anlagebereich 41, der gegenüber dem weiteren Aufbau des Kühlkörpers 4 (in der Figur) nach unten vorsteht und derart ausgebildet ist, dass er hinsichtlich seiner Dimension auf das thermisch zu kontaktierende Bauelement 1 ausgerichtet ist und bei vollständigem Aufsetzen des Kühlkörpers 4 auf den Deckel 5 das Bauelement 1 flächig und mit einem sanften Druck zur Sicherstellung eines guten Wärmeübergangs berührt.
In gleicher Weise umfasst der Deckel 5 einen vorstehenden Bereich 51, der auch im Vergleich zur weiteren Ausbildung des Deckels 5 in vorbestimmtem Umfang nach oben hervorsteht, wobei der vorstehende Bereich 51 des Deckels 5 unterhalb des Bauelements 1 ausgebildet ist und somit hinsichtlich seiner Dimension ebenfalls weitgehend an die Größe (Abmessungen, Ausdehnung) des Bauelements 1 angepasst ist.
Im Ergebnis befindet sich somit das Bauelement 1 auf der Leiterplatte 2, und das Bauelement 1 und die Leiterplatte 2 sind zwischen dem Anlagebereich 41 des Kühlkörpers 4 und dem vorstehenden Bereich 51 des Deckels 5 angeordnet, wobei der vorstehende Bereich 51 des Deckels 5 mit einem vorbestimmten geringen Druck von unten an der Leiterplatte 2 anliegt. Dies ist in der Schnittdarstellung von 1 gezeigt. Im Bereich des Andrückens des Anlagebereichs 41 an das Bauelement 1 (von oben) und des Andrückens des vorstehenden Bereichs 51 an die Leiterplatte 2 (von unten) sind keine Anschlussleitungen vorgesehen. Gemäß 1 ist das Bauelement 1 außerhalb dieser Andruckbereiche mit der Leiterplatte 2 und entsprechenden Leiterbahnen verbunden. Zur Sicherstellung eines guten Wärmeübergangs einerseits und einer elektrischen Isolation andererseits können zwischen dem Anlagebereich 41 und dem Bauelement 1 sowie zwischen dem vorstehenden Bereich 51 und der Leiterplatte 2 dünne Isolierschichten angeordnet sein, die eine gute thermische Leitfähigkeit aufweisen, jedoch elektrisch isolieren. Auf diese Weise ist auch langfristig eine wirksame elektrische Isolation bei gleichzeitig gutem Wärmeübergang gewährleistet.
2 zeigt in diesem Zusammenhang in einer perspektivischen Darstellung die Leiterplatte 2, wobei zumindest ein Bauelement 1 und beispielsweise 6 Bauelemente 1 dargestellt sind, die einen identischen oder ähnlichen Aufbau und beispielsweise auch gleichartige Abmessungen aufweisen. Diese sind im linken Bereich der Leiterplatte 2 gemäß 2 angeordnet. Innerhalb des Funktionsbereichs F können weitere Bauelemente, wie Bauelemente 7 oder 8 angeordnet werden. Auch diese weiteren Bauelemente 7 und 8 können Wärme abgebende Bauelemente sein. Somit kann auch im Bereich dieser weiteren Bauelemente 7 und 8 der Deckel 5 einen weiteren vorstehenden Bereich aufweisen, und ebenfalls der Kühlkörper 4 einen weiteren Anlagebereich 42 in entsprechender Weise und in Abhängigkeit von der Position der weiteren Bauelemente 7 oder 8 auf der Leiterplatte 2 aufweisen. Ein derartiger weiterer Anlagebereich 42 ist beispielsweise in der nachstehend noch beschriebenen 5 im unteren Teil derselben gezeigt.
3 zeigt eine Draufsicht auf die Anordnung gemäß 2, wobei im linken Bereich die Bauelemente 1 (identische oder gleichartige Wärme abgebende Bauelemente) angeordnet sind, während beispielhaft im rechten Bereich von 3 die weiteren (gleichartigen oder unterschiedlichen) Bauelemente 7 und 8 angeordnet sind.
Zur Vervollständigung der gesamten Anordnung ist in den 2 und 3 eine Anschlusseinrichtung 9 der Leiterplatte 2 gezeigt, die einerseits über Anschlusselemente mit der Leiterplatte 2 verbunden ist und andererseits mit Leitungen 10 verbunden ist, über welche elektrische Leistung und Steuersignale der Leiterplatte 5 bzw. der darauf angeordneten Schaltungseinrichtung zugeführt werden. Die Anschlusseinrichtung 9 kann dabei fest mit der Leiterplatte 2 verbunden oder als Steckvorrichtung ausgebildet sein. Es ist ferner in der Darstellung der 2 und 3 der Kühlkörper 4 (Kühleinheit) weggelassen, damit die Anordnung und Lage des zumindest einen Bauelements 1 oder der mehreren Bauelemente 1 auf der Leiterplatte 2 erkennbar ist.
Die Schaltungsanordnung, wie sie beispielsweise auf der Leiterplatte 2 ausgebildet ist und die zumindest die elektrischen Bauelemente 1 und die weiteren Bauelemente 7 und 8 aufweist, kann beispielsweise zur Steuerung elektrischer Einrichtungen in Kraftfahrzeugen, Haushaltsgeräten oder Maschinen dienen, und beispielsweise verwendet werden, bei einer entsprechenden Dimensionierung des Gehäuses 3 als Steuerungseinrichtung für Elektromotoren in einem Kraftfahrzeug. Zu diesem Zweck kann das Gehäuse 3 in Verbindung mit dem Kühlkörper 4 und dem Deckel 5 fluiddicht (in Verbindung mit der Dichtungseinrichtung 6) zusammengesetzt werden, so dass das Eindringen von Feuchtigkeit oder Verschmutzung in das Gehäuse 3 und speziell auf die Leiterplatte 2 wirksam vermieden wird. Dies führt zu einer langen Lebensdauer der gesamten Anordnung.
In der Darstellung gemäß 1 befindet sich das Bauelement 1 einerseits auf der Leiterplatte 2 und es befindet sich diese Anordnung zwischen dem Anlagebereich 41 des Kühlkörpers 4 und dem vorstehenden Bereich 51 des Deckels 5. Sowohl über den Anlagebereich 41 als auch den vorstehenden Bereich 51 kann Wärme zu dem jeweiligen Teil des Gehäuses 3 übergehen und von den jeweiligen Komponenten aufgenommen und verteilt werden. Der Kühlkörper 4 und der Deckel 5 als Teile des Gehäuses 3 bilden somit Kühleinheiten, die unabhängig voneinander, jedoch gemeinsam Wärme aus dem Bauelement 1 abführen und verteilen. Die Kühleinheiten in Form des Kühlkörpers 4 und des Deckels 5 stellen einen Teil der Kühlanordnung K dar.
Die Kühlanordnung K weist des Weiteren eine Kühleinrichtung 20 auf, die nachstehend in Verbindung mit den 1 bis 4 näher beschrieben wird.
Gemäß der Darstellung in 1 befindet sich das auf der Leiterplatte 2 angeordnete Bauelement 1 zusammen mit der Leiterplatte 2 zwischen dem Kühlkörper 4 und dem Deckel 5, und speziell zwischen dem Anlagebereich 41 des Kühlkörpers 4 und dem vorstehenden Bereich 51 des Deckels 5. Die entsprechenden Abgriffe für in dem Bauelement 1 gebildete Wärme erfolgen somit direkt oberhalb des Bauelements 1 oder unterhalb der Leiterplatte 2 in dem Bereich, in dem auf der gegenüberliegenden (in den Figuren oberen) Seite das Bauelement 1 angeordnet ist. Die Kühleinrichtung 20 umfasst ein erstes und ein zweites Kühlelement 21 und 22, die jeweils benachbart zu den Wärme abgebenden Bauelementen, und hier benachbart zu dem zumindest einen Bauelement 1 oder zu den (mehreren) Bauelementen 1 auf verschiedenen Seiten derselben (d. h. auf einander gegenüber liegenden Seiten des zumindest einen Bauelements 1) angeordnet und auf der Leiterplatte 2 befestigt sind. Die beiden Kühlelemente 21 und 22 verlaufen neben und mit einem vorbestimmten Abstand zu dem Bauelement 1 und erstrecken sich von der Leiterplatte 2 ausgehend in den Figuren nach oben und überragen die Höhe des (zumindest einen) Bauelements 1, so dass, ebenfalls mit einem vorbestimmten Abstand, die beiden Kühlelemente 21 und 22 neben dem Anlagebereich 41 des Kühlkörpers 4 verlaufen, ohne den Kühlkörper 4 zu berühren.
In der Darstellung und gemäß den 2 und 3 sind die mehreren Bauelemente 1 zwischen den vorstehend beschriebenen Kühlelementen 21 und 22 der Kühleinrichtung 20 angeordnet, wobei die Anordnung im Bogen erfolgt im Hinblick darauf, dass bei diesem Ausführungsbeispiel die Leiterplatte 2 annähernd in Form einer Kreisfläche ausgeführt ist in Anpassung an das annähernd kreisförmig ausgeführte Gehäuse 3, das wiederum an die entsprechende Anwendung angepasst ist. Die Erfindung ist nicht auf die Anordnung der Bauelemente 1 entsprechend einem Teil eines (zumindest ungefähren) Kreisbogens beschränkt, vielmehr können die mehreren Bauelemente 1 auch in Form beliebiger anderer Anordnungen auf der Leiterplatte 2 vorgesehen sein. Die weitere Beschreibung erfolgt in Verbindung mit der Darstellung gemäß den 2 und 3, bei der die mehreren Bauelemente 1 entlang eines Teils eines Kreisbogens angeordnet sind.
Mit der jeweiligen gewählten Anordnung der Bauelemente 1 ist auch die Anordnung und die Ausbildung der Kühleinrichtung 20 und speziell des ersten und zweiten Kühlelements 21 und 22 verbunden. Die vorzugsweise aber nicht zwingend einstückig ausgebildeten jeweiligen Kühlelemente 22 und 21 folgen in Form eines Polygonzugs der Anordnung der mehreren Bauelemente 1 und verlaufen somit in dem vorbestimmten Abstand benachbart zu den Bauelementen 1, wobei sich die in den 2 und 3 gezeigte Form des ersten und zweiten Kühlelements 21 und 22 ergibt. Zur Veranschaulichung der Anordnung der Kühlelemente 21 und 22 sind diese ohne weitere Komponenten der Kühlanordnung K in 4 gezeigt. Der Polygonzug entspricht im Wesentlichen der Anzahl der zwischen dem ersten und zweiten Kühlelement 21 und 22 angeordneten mehreren Bauelemente 1.
Die beiden Kühlelemente 21 und 22 der Kühleinrichtung 20 weisen Vorsprünge 23 auf, mittels denen die Kühlelemente 21 und 22 an der Leiterplatte 2 befestigt werden können. Die Verbindung der beiden Kühlelemente 21 und 22 mit der Leiterplatte 2 betrifft zumindest eine mechanische Verbindung (Befestigung) und vorzugsweise eine mechanische und elektrische Verbindung. Die elektrische Verbindung besteht damit zwischen den beiden Kühlelemente 21 und 22 und Leiterbahnen auf der Leiterplatte 2. Hinsichtlich der mechanischen Befestigung und bevorzugten elektrischen Verbindung ragen die Vorsprünge 23 in entsprechende Öffnungen der Leiterplatte 2, so dass sich die Kühlelemente 21 und 22 ausgehend von der Leiterplatte 2 und annähernd senkrecht zur Fläche der Leiterplatte 2 (beispielsweise in den 1, 2, 6 und 7) nach oben erstrecken. Die Kühlelemente 21 und 22 können auf der Leiterplatte 2 (jeweils zur Bildung einer elektrischen und mechanischen Verbindung) angelötet oder in entsprechende Öffnungen in der Leiterplatte 2 eingepresst werden. Die Lötmöglichkeiten umfassen beispielsweise manuelles Löten, Wellenlöten (Schwall-Löten), Selektivlöten oder Reflow-Löten.
Im Ergebnis verlaufen die beiden Kühlelemente 21 und 23 einerseits mit einem Teil ihrer Erstreckungslänge neben dem Bauelement 1 und mit einem vorbestimmten Abstand zu diesem, und mit dem weiteren Teil der Erstreckungslänge neben dem Anlagebereich 41 und ebenfalls mit einem vorbestimmten Abstand zu diesem. Die genannten Abstände beziehen sich auf eine Ebene parallel zu der Ebene der Leiterplatte 2 und im Wesentlichen senkrecht zu der Erstreckungsrichtung der Kühlelemente 21 und 23. Die jeweiligen Abstände zwischen den Kühlelementen 21 und 22 und dem zumindest einen Bauelement 1 oder der mehreren Bauelemente 1 kann zu beiden Seiten des Bauelements 1 (oder der mehreren Bauelemente 1) gleich oder auch unterschiedlich sein. Dies gilt in gleicher Weise für die Abstände der Kühlelemente 21 und 22 auf einem Teil ihrer Erstreckungslänge zum Anlagebereich 41.
Gemäß der Darstellung in den 2 bis 4 sind die beiden Kühlelemente 21 und 22 vorzugsweise einstückig und in Form eines Polygonzugs ausgebildet, wobei die Anzahl von Segmenten 24, die einen jeweiligen Polygonzug des entsprechenden Kühlelements 21 und 22 bilden, jeweils benachbart zu einem Bauelement 1 angeordnet sind. Infolge der bogenförmigen Anordnung der Bauelemente 1 sind die jeweiligen Segmente 24 der beiden Kühlelemente 21 und 22 unterschiedlich in ihren Abmessungen, wobei sich ebenfalls unterschiedliche Abmessungen ergeben können, in Abhängigkeit von anderen Anordnungen der Bauelemente 1 und damit einer anderen Ausbildung der jeweiligen Kühlelemente 21 und 22.
Wird auf den Deckel 5 und die Leiterplatte 2 gemäß 2 der Kühlkörper 4 gemäß 5 derart aufgesetzt, dass der Anlagebereich 41, der entsprechend der bogenförmigen Anordnung der Bauelemente 1 ebenfalls exakt bogenförmig oder in Form eines mehr oder weniger ausgeprägten Polygonzugs ausgebildet ist, auf den mehreren Bauelementen 1 aufliegt und sich innerhalb der beiden Kühlelemente 21 und 22 befindet, liegt ebenfalls der weitere Anlagebereich 42 auf den weiteren Bauelementen 7 und 8 auf einem geringen Druck auf, so dass sämtliche Bauelemente 1 oder 7 und 8 eine gute thermische Verbindung zu dem Kühlkörper 4 aufweisen und damit eine entsprechende Wärmeleitung von den Bauelementen 1, 7 und 8 zu dem Kühlkörper 4 gewährleistet ist. Der Kühlkörper 4 berührt an keiner Stelle die Kühlelemente 21 und 22 der Kühleinrichtung 20 sondern ist vielmehr gegenüber diesen Komponenten beabstandet und damit sicher elektrisch isoliert.
In Verbindung mit der Darstellung in 1 wurde vorstehend angegeben, dass der jeweilige vorstehende Bereich 51 oder der Anlagebereich 41 direkt auf der unteren Seite der Leiterplatte 2 oder der Oberseite des Bauelements 1 aufliegen kann. Vorzugsweise ist jedoch eine dünne Isolierschicht aus einem wärmeleitenden Material vorgesehen, damit eine elektrische Isolation bereitgestellt werden kann. Ferner kann durch die Isolierschicht auch eine federnde Auflage erreicht werden, die in der Lage ist, Toleranzen und Veränderungen der Dimensionen der beteiligten Komponenten infolge Erwärmung und Abkühlung auszugleichen und mögliche Vibrationen im Betriebseinsatz zu dämpfen. Ein sicheres Festhalten der betreffenden Bauelemente 1 (sowie der Bauelemente 7 und 8) ist mit dieser Anordnung gleichfalls gewährleistet.
Es wurde ebenfalls vorstehend angegeben, dass sich die beiden Kühlelemente 21 und 22 teilweise neben dem Anlagebereich 41 des Kühlkörpers 4 mit einem vorbestimmten Abstand zu diesem erstrecken. Gemäß 1 ist der Raum zwischen einerseits den Kühlelementen 21 und 22 und andererseits dem Bauelement 1 und dem Anlagebereich 41 des Kühlkörpers 4 ebenfalls mit einem elastischen und elektrisch isolierenden Wärmeleitmaterial 11 ganz oder zumindest teilweise ausgefüllt. Das Wärmeleitmaterial 11 liegt dabei flächig an den Kühlelementen 21 und 22 sowie an dem Anlageberiech 41 des Kühlkörpers 4 an und kann getrennt eingebracht werden oder es kann mittels eines Gießvorgangs in den Raum zwischen den vorstehend angegebenen Komponenten (1, 2, 5, 21, 22, 51) eingebracht werden.
Mittels des Wärmeleitmaterials 11 speziell zwischen den jeweiligen Kühlelementen 21 und 22 und dem hervorstehenden Anlagebereich 41 des Kühlkörpers 4 wird somit eine thermische Verbindung hergestellt, so dass Wärme von dem Anlagebereich 41 auf die Kühlelemente 21 und 22 oder von den Kühlelementen 21 und 22 auf den Anlagebereich 41 übergehen kann. Das Wärmeleitmaterial 11 stellt somit eine umfassende thermische leitende jedoch elektrisch isolierende Verbindung her und kann auf den Raum innerhalb der beiden Kühlelemente 21 und 22 der Kühleinrichtung 20 beschränkt sein, oder es können auch weitere Räume zwischen der Leiterplatte 2 und dem Kühlkörper 4 und der Leiterplatte 2 und dem Deckel 5 zumindest teilweise oder vollständig mit einem weiteren Wärmeleitmaterial 12 gefüllt werden, um die Ableitung im Bauelement 1 entstehender Wärme zu verbessern, um Schwingungen infolge äußerer Einflüsse bei der Anwendung in Kraftfahrzeugen oder anderen vibrierende Maschinen zu dämpfen und um einen Korrosionsschutz innerhalb des Gehäuses 3 zu unterstützen. Das weitere Wärmeleitmaterial 12 außerhalb des Raums zwischen den Kühlelemente 21 und 22 wird nachstehend noch in Verbindung mit 7 beschrieben. Das Wärmeleitmaterial 11 in dem Raum zwischen den beiden Kühlelementen 21 und 22 kann gleichartig sein zu dem weiteren Wärmeleitmaterial 12 in den übrigen Räumen, oder in Abhängigkeit von der zu erwartenden und zu übertragenden Wärmemenge und Temperaturbelastung auch unterschiedlich sein.
Das Wärmeleitmaterial 11 kann dabei in Form einer elastischen Masse eingebracht werden, kann eingespritzt werden, oder in Form einer Matte oder eines Kissens eingebracht werden, wobei im Falle einer Matte oder eines Kissens diese Komponenten hinsichtlich ihrer Abmessungen an die auszufüllenden Räume angepasst werden, dass eine zumindest teilweise flächige Anlage an die Kühlelemente 21 und 22 und den Anlagebereich 41 gewährleistet ist. Die jeweiligen Kissen oder Matten des Wärmeleitmaterials 11 werden geringfügig größer gewählt als es der zu füllende Raum erfordert, so dass sie an den jeweiligen Komponenten mit einem geringen Druck anliegen.
Die Kühlanordnung K umfasst somit die Kühleinheiten in Form des Kühlkörpers 4 und des Deckels 5 zur direkten Kühlung des auf der Leiterplatte 2 angeordneten Bauelements 1 (oder einer größeren Anzahl derartiger Bauelemente 1) und umfasst ferner die beiden Kühlelemente 22 und 22 in der vorstehend beschriebenen Anordnung und mit der thermischen Kopplung der Kühlelemente 21 und 22 mit dem Kühlkörper 4 über das Wärmeleitmaterial 11. Es kann ferner auch das weitere Wärmeleitmaterial 12 in dem Raum zwischen den Kühlelementen 21 und 22 und dem Kühlkörper 4 außerhalb des Zwischenraums zwischen den Kühlelemente 21 und 22 angeordnet werden.
In Verbindung mit der vorstehend beschriebenen Kühlanordnung K ergeben sich die in 6 dargestellten Wege einer Wärmeleitung, und speziell die Wege einer Ableitung der Wärme von dem wärmeerzeugenden Bauelement 1 auf den Kühlkörper 4 und den Deckel 5 zu weiteren Verteilung und Abgabe der Wärme nach außen (wobei die bevorzugt durch einen nicht dargestellten Strom eines Kühlmediums (beispielsweise eines Kühlluftstroms in Verbindung mit einem Lüfter) unterstützt wird.
Gemäß 6 besteht ein erster Weg W1 der Wärmeleitung (Kühlweg) von dem Bauelement 1 über die Leiterplatte 2 auf den vorstehenden Teil 51 des Deckels 5. Der erste Wärmeleitungsweg verläuft im Wesentlichen in dem gut die Wärme leitenden Material des Deckels 5 und kann unterstützt werden durch ein in den Figuren nicht gezeigtes elektrisch isolierendes Wärmeleitmaterial in den zugehörigen Hohlräumen zwischen dem Deckel 5 und der Leiterplatte 2.
Ein zweiter Weg W2 der Wärmeleitung (Kühlweg) wird gebildet zwischen dem Bauelement 1 und dem Anlagebereich 41 des Kühlkörpers 4, wobei die Wärme direkt von dem zumindest einen Bauelement 1 oder den mehreren Bauelementen 1 (fallweise durch eine dünne isolierende Schicht eines Wärmeleitmaterials zwischen dem Anlagebereich 41 und dem Bauelement 1) auf dem Anlagebereich 41 und damit auf den Kühlkörper 4 zur Weiterleitung und Verteilung der Wärme übergeht.
Der erste und der zweite Weg W1 und W2 der Wärmeleitung (erste und zweiter Kühlweg) wird somit durch die Kühleinheiten (Kühlkörper 4 und Deckel 5) der Kühlanordnung K bereitgestellt.
6 zeigt einen dritten Weg W3 der Wärmeleitung (dritter Kühlweg), der von dem Bauelement 1 auf die beiden zum Bauelement 1 benachbarten Kühlelemente 21 und 22 verläuft, wobei die von dem zumindest einen Bauelement 1 erzeugte Wärme auf die beiden Kühlelemente 21 und 22 übergeht. Mittels des Wärmleitmaterials 11 zwischen den Kühlelementen 21 und 22 und dem Anlagebereich 41 wird eine thermische Kopplung (Wärmeleitbrücke) zwischen den Kühlelementen 21 und 22 und dem Kühlkörper 4 gebildet, so dass die von den Kühlelementen 21 und 22 aufgenommene Wärme mittels des Wärmeleitmaterials 11 ebenfalls auf den Kühlkörper über die Seiten des Anlagebereichs 41 übergehen kann. Mit den Kühlelementen 21 und 22 der Kühleinrichtung 20 wird bereits eine zusätzliche Wärmeverteilung der von dem zumindest einen Bauelement 1 oder den mehreren Bauelemente 1 abgegebenen Wärme erreicht.
Auf diese Weise wird mit der erfindungsgemäßen Kühlanordnung K zu dem ersten und zweiten Weg W1 und W2 der Wärmeleitung ein dritter Weg W3 für die Ableitung der in dem zumindest einen Bauelement 1 entstehenden Wärme gebildet, so dass die Wärmeableitung und damit die effektive Kühlung des Bauelements 1 (oder der mehreren Bauelemente 1) verbessert wird. Mit dem Einbringen des Wärmeleitmaterials 11 zwischen die Kühlelemente 21 und 22 und den Anlagebereich 41 kann ein zusätzlicher Wärmeübergang auf den Kühlkörper 4 gebildet werden, und es wird insgesamt und ergänzend die mechanische Stabilität und die Schwingungsfestigkeit der Kühlanordnung K einschließlich der Leiterplatte 2 und der darauf angeordneten Bauelemente (beispielsweise 1, 7 und 8) wirksam verbessert. Ebenfalls wird der Korrosionsschutz verstärkt, speziell wenn in weiteren Räumen ebenfalls ein elektrisch isolierendes Wärmeleitmaterial (beispielsweise in Form des weiteren Wärmeleitmaterials 12) ganz oder zumindest teilweise eingebracht wird und eine Verschmutzung der Bauelemente (beispielsweise 1, 7 und 8 und weitere) auf der Leiterplatte 2 verhindert.
Mittels der parallelen und teilweise voneinander unabhängigen Wärmeleitungswege (Kühlwege) W1, W2 und W3 ist eine effektive Kühlung der Wärme abgebenden Bauelemente 1 (oder auch anderer Bauelemente) gewährleistet, so dass auch bei Toleranzen der beteiligten Komponenten und damit einem möglichen zeitweiligen nicht vollständigen Anliegen des Anlagebereichs 41 oder des vorstehenden Bereichs 51 an dem jeweiligen Bauelement 1 und der Leiterplatte 2 noch eine ausreichende Wärmeableitung über einen der verbleibenden Wege W1, W2 oder W3 zur Wärmeleitung möglich ist. Vorzugsweise wird durch die unterschiedlichen Wärmeleitungswege W1, W2 und W3 mit verschiedenen Verläufen eine optimierte Wärmeverteilung erreicht, so dass auch bei einer stark schwankenden Wärmeerzeugung durch die Bauelemente 1 und damit einer zeitweiligen größeren oder kleineren Erwärmung eine ausreichende und sichere Kühlung der Bauelemente 1 gewährleistet ist. Es wird die Wärmeaufnahme und damit die Wärmekapazität der gesamten Kühlanordnung K erhöht, ohne dass weitere Bauteile oder äußere Kühlelemente erforderlich sind.
Im Allgemeinen bestehen die Wärmeleitmaterialien, wie das Wärmeleitmaterial 11 aus einem Stoff, der während der Montage der vorstehend beschriebenen Komponenten eingebracht wird. Das Material des Kühlkörpers 4 besteht vorzugsweise aber nicht zwingend aus einem Metall, wie beispielsweise aus Aluminium (Aluminium-Druckguss) oder Stahl oder Kupfer. Ebenso kann der Deckel 5 aus Aluminium, Stahl oder Kupfer bestehen. Auf diese Weise wird eine ausreichende Ableitung der Wärme aus den Bauelementen 1 und fallweise weiteren Bauelementen im Funktionsbereich F der Leiterplatte 2 erreicht, so dass auch lokale Wärmenester auf der Leiterplatte 2 mit möglicherweise unzulässiger Erwärmung der betreffenden Bauelemente 1 (auch 7, 8) vermieden werden können.
In den vorstehend beschriebenen 2 bis 5 sind die beiden Kühlelemente 21 und 22 bogenförmig oder in Form eines Polygonzugs dargestellt. Dies ist erforderlich zur Anpassung an die im vorliegenden Beispiel bogenförmigen angeordneten Bauelemente 1. Sind die Bauelemente 1 beispielsweise entlang einer geraden oder gekrümmten Linie oder in einer anderen Anordnung und auch teilweise im Bogen angeordnet, folgen die Kühlelemente 21 und 22 der jeweiligen Anordnung der Bauelemente 1 und bedarfsweise ebenfalls mit einem Polygonzug mit jeweiligen Segmenten 24.
Die vorliegende Erfindung ist somit auf die bogenförmige Anordnung der Kühlelemente 21 und 22 gemäß der Darstellung in den 2 bis 4 nicht beschränkt, vielmehr können die Kühlelemente 21 und 22 auch erheblich davon abweichende Formen aufweisen. In jedem Fall ist der in 5 gezeigte Anlagebereich 41 des Kühlkörpers 4 in der Weise ausgebildet, dass er der Anordnung der Bauelemente 1 folgt, bogenförmig oder in einem Polygonzug, wobei in Abhängigkeit von dem Bedarf ein Teil der Bauelemente 1 oder sämtliche Bauelemente 1 in der Anordnung durch den Anlagebereich 41 berührt werden, so dass eine sichere thermische Verbindung zwischen den jeweiligen Bauelementen 1 und dem Anlagebereich 41 des Kühlkörpers 4 gebildet wird. Auch kann der Anlagebereich 41 des Kühlkörpers 4 der Anordnung der Bauelemente 1 mit Unterbrechungen folgen, wenn einzelne Bauelemente der Anordnung keiner Kühlung bedürfen.
Ungeachtet dessen können weitere Anlagebereiche 42 gebildet werden für ebenfalls wärmeabgebende weitere Bauelemente, wie die weiteren Bauelemente 7 und 8.
In den vorstehend beschriebenen 1 bis 3 wurde die räumliche Anordnung der Kühlelemente 21 und 22 dargestellt und betrachtet. Mit der Anordnung der Kühlelemente 21 und 22 benachbart zu dem zumindest einen Bauelement 1 oder zur Mehrzahl der Bauelemente 1 werden die Kühlelemente 21 und 22 auch in die Schaltungsanordnung einbezogen, und dienen speziell auch als Stromleiter. Durch die Kühlelemente 21 und 22 fließen somit Ströme in Verbindung mit dem Betrieb der Bauelemente 1. Die vorzugsweise aus einem Metall gebildeten Kühlelemente 21 und 22 stellen somit ebenfalls gute Stromleiter dar, so dass auch auf Grund eines relativ großen Leiterquerschnitts gemäß den Abmessungen der Kühlelemente 21 und 22 zur wirksamen Ableitung der Wärme der Bauelemente 1 entsprechend dem dritten Kühlweg W3 ein ausreichender Leiterquerschnitt auch für größere Ströme zur Verfügung steht. Die elektrischen Widerstände der Kühlelemente 21 und 22 sind daher relativ gering so dass lediglich eine geringere Stromwärme in den Kühlelementen 21 und 22 entsteht.
In diesem Zusammenhang zeigt 7 die in 6 angegeben Kühlwege W1 bis W3 sowie ergänzend einen vierten Weg W4 zur Wärmeleitung (Kühlweg), der auch die Wärmeleitung der in den Kühlelementen 21 und 22 entstehenden Stromwärme betrifft. Zusätzlich zu dem Wärmeleitmaterial 11 in Räumen zwischen den Kühlelemente 21 und 22 und den Bauelementen bzw. dem Anlagebereich 41 ist in den Räumen außerhalb der Kühlelemente 21 und 22, d. h. zwischen einem jeweiligen Kühlelement 21 oder 22 und dem Kühlkörper 4 das vorstehend bereits erwähnte weitere Wärmeleitmaterial 12 eingebracht, das gleichartig oder unterschiedlich zu dem Wärmeleitmaterial 11 ist. Mit dem Einbringen des weiteren Wärmeleitmaterials 12 in die entsprechenden Räume gemäß der Darstellung in 7 wird der vierte Kühlweg W4 ergänzend und teilweise parallel zu dem dritten Kühlweg W3 gebildet, wobei der dritte und vierte Kühlweg W3 und W4 voneinander unabhängig sind. Der vierte Kühlweg W4 verläuft gemäß der Darstellung in 7 von dem jeweiligen Kühlelement 21 oder 22 zu dem (in der Figur) darüber angeordneten Kühlkörper 4 über das weitere Wärmeleitmaterial 12.
Die Verwendung der Kühlelemente 21 und 22 zur Stromleitung bietet den Vorteil eines wesentlich geringeren elektrischen Widerstands im Vergleich zu Leiterbahnen auf der Leiterplatte 2 mit einem erheblich geringeren Leiterquerschnitt und damit auch geringerer Stromwärme. Des Weiteren ist die Ableitung der in den Kühlelementen 21 und 22 entstehenden Stromwärme verbessert im Vergleich zu einer Ableitung einer Stromwärme von entsprechenden Leiterbahnen auf der Leiterplatte 2. Die elektrischen Leiter in Form der Kühlelemente 21 und 22 können somit gut in das Wärmemanagement der Kühlanordnung K eingebunden werden, so dass einerseits die Kühlelemente 21 und 22 die Ableitung der Wärme der Bauelemente 1 verbessern und andererseits die in den Kühlelemente 21 und 22 selbst entstehende Wärme durch elektrische Ströme leicht über den Kühlkörper 4 abgeleitet werden kann. Die verschiedenen teilweise parallelen und einander ergänzenden Kühlwege W1 bis W4 stellen somit kürzeste und hinsichtlich der beteiligten Komponenten optimierte Kühlwege dar, die die thermische (und zusätzlich die mechanische) Stabilität der gesamten Anordnung verbessern. Die Wärmeleitmaterialien 11 und 12 bilden für die jeweiligen Komponenten, zwischen denen sie angeordnet sind, eine elektrisch isolierende Wärmeleitbrücke.
Hierbei ist die Wärmeleitung (Wärmeverteilung) mittels des dritten und vierten Kühlwegs W3 und W4 unabhängig von der Größe des Wärme erzeugenden Elements (beispielsweise des Bauelements 1) in der Höhe zwischen der Leiterplatte 2 und dem Kühlkörper 4. Die verbesserte Kühlwirkung wird ungeachtet dessen erreicht, ob es sich bei dem zumindest einen Bauelement 1 (oder den mehreren Bauelementen 1) um ein Bauelement mit größeren oder kleineren Abmessungen handelt. Ferner kann mit einer Änderung der Ausdehnung bzw. Erstreckung der Kühlelemente 21 und 22 in der Höhe zwischen der Leiterplatte 2 und dem Kühlkörper 4 eine Wärme abgebende Fläche vergrößert werden, speziell im Zusammenhang mit einer Vergrößerung der Erstreckungslänge der Kühlelemente 21 und 22 ausgehend von der Leiterplatte 2 bzw. Fläche der Kühlelemente 21 und 22 benachbart zu den Anlagebereich 41 des Kühlkörpers 4, ohne dass die Grundfläche der Leiterplatte 2 und damit die Abmessungen der gesamten Anordnung vergrößert werden müssen. Im Allgemeinen ist der Wärmeübergang etwa proportional zu den bereitgestellten Übergangsflächen, d. h. den Flächen der beteiligten Komponenten, die mittels des entsprechenden Wärmeleitmaterials 11 oder 12 miteinander thermisch verbunden werden. Mit den in die Kühlanordnung K eingebrachten Wärmeleitmaterialien 11 und 12 weist die gesamte Anordnung einschließlich des Gehäuses 3 eine gute Wärmekapazität auf, so dass bei einem Betrieb der Schaltung auf der Leiterplatte 2 eine relative stabile Temperatur mit geringeren Schwankungen und damit geringen Schwankungen der elektrischen Eigenschaften sämtlicher Bauelemente vorliegt.
Somit können die Kühlelemente 21 und 22 einerseits als Wärmeleiter dienen und eine Wärmeleitung entsprechend dem dritten Kühlweg W3 bereitstellen, und es können andererseits die Kühlelemente 21 und 22 auch zur Stromleitung dienen, so dass in Verbindung mit dem dritten Kühlweg W3 die infolge der Ströme entstehende Wärme in den Kühlelementen 21 und 22 ebenfalls einfach und sicher abgeleitet und verteilt werden kann. Die in den Kühlelementen 21 und 22 entstehende Stromwärme belastet somit nicht zusätzlich das gesamte Wärmemanagement der Kühlanordnung K. Es können daher die Kühlelemente 21 und 22 auch als ein Strommess-Widerstand (englisch: shunt) verwendet werden, wenn das Material und die Abmessungen der Kühlelemente 21 und 22 einen entsprechend definierten elektrischen Widerstand ergeben.
Das Wärmeleitmaterial 11 und das weitere Wärmeleitmaterial 12 (wobei beide Wärmeleitmaterialien gleich oder unterschiedlich sein können) werden beispielsweise in Form von vorgefertigten Matte oder Kissen eingesetzt, wie es bereits vorstehend in Verbindung mit dem Wärmeleitmaterial 11 beschrieben wurde. Ferner ist ein Vergießen möglich, wobei selektiv das entsprechende Wärmeleitmaterial an die betreffende Stelle (d. h. in den betreffenden Raum in dem Gehäuse 3) eingebracht wird. Das Vergießen erfolgt zumindest für Teile der Räume oder den gesamten Raum. Bei unterschiedlichen Wärmeleitmaterialien 11 oder 12 können mehrere Grießvorgänge durchgeführt werden.
Die vorliegende Erfindung wurde anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben. Die Erfindung ist jedoch auf die Angaben der vorliegenden Beschreibung und insbesondere die Dimensionen in den Figuren nicht festgelegt. Die Erfindung umfasst alle Gegenstände, die unter b die beigefügten Schutzansprüche fallen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 1750302 A1 [0011]
DE 10225993 A1 [0012]
EP 1091403 A2 [0013]

Claims

Kühleinrichtung für wärmeabgebende Bauelemente (1), wobei zumindest ein Bauelement (1) auf einer Leiterplatte (29 angeordnet ist, und wobei – die Kühleinrichtung (20) ein erstes und zweites Kühlelement (21, 22) aufweist, und – die beiden Kühlelemente (21, 22) auf der Leiterplatte (2) benachbart und mit einem vorbestimmten Abstand zu dem zumindest einen Bauelement (1) an einander gegenüberliegenden Seiten des Bauelements (1) angeordnet sind.
Kühleinrichtung nach Anspruch 1, wobei die Kühlelemente (21, 22) Segmente (24) aufweisen, die jeweils zu den entsprechenden Seiten des zumindest einen Bauelements (1) parallel angeordnet sind und sich von der Leiterplatte (2) weg erstrecken.
Kühleinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei auf dem zumindest einen Bauelement (1) eine Kühleinheit (4) angeordnet ist und die Kühleinheit (4) einen Anlagebereich (41) aufweist, der auf dem zumindest einen Bauelement (1) für einen thermischen Kontakt aufliegt, und wobei sich die Kühlelemente (21, 22) der Kühleinrichtung (20) von der Leiterplatte (2) weg über das zumindest eine Bauelement (1) benachbart zu dem Anlagebereich (41) erstrecken und von diesem beabstandet sind.
Kühleinrichtung nach Anspruch 3, wobei in einem Raum zwischen dem jeweiligen Kühlelement (21, 22) und dem Anlagebereich (41) der Kühleinheit (4) ein Wärmeleitmaterial (11) eingebracht ist, zur Bildung einer thermischen Kopplung zwischen dem jeweiligen Kühlelement (21, 22) und dem Anlagebereich (41) der Kühleinheit (4).
Kühleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei im Falle von mehreren Bauelementen (1) die Kühlelemente (21, 22) benachbart zu jedem Bauelement (1) angeordnet sind und benachbart zu jedem Bauelement (1) ein Segment (24) des jeweiligen Kühlelements (21, 22) angeordnet ist.
Kühleinrichtung nach Anspruch 5, wobei die mehreren Bauelemente (1) in einer geraden Linie oder einer beliebig gekrümmten Linie angeordnet sind und die Kühlelemente (21, 22) der Kühleinrichtung (20) dem Verlauf der Anordnung der mehreren Bauelemente (1) folgen, wobei benachbart zu jedem Bauelement (1) auf unterschiedlichen Seiten desselben jeweils ein Segment (24) des betreffenden Kühlelementes (21, 22) angeordnet ist.
Kühlanordnung zur Kühlung zumindest eines auf einer Leiterplatte (2) angeordneten wärmeabgebenden Bauelements (1), mit – einer ein Gehäuse (3) bildenden Kühleinheit (4, 5) mit einem Kühlkörper (4) und einem Deckel (5), wobei – in einem zusammengesetzten Zustand des Gehäuses (3) die Leiterplatte (2) mit dem zumindest einen Bauelement (1) zwischen dem Kühlkörper (4) und dem Deckel (5) angeordnet ist und der Kühlkörper (4) einen Anlagebereich (41) aufweist, der auf dem zumindest einen Bauelement (1) zur Bildung eines thermischen Kontakts aufliegt, und im Bereich des zumindest einen Bauelements (1) der Deckel (5) einen vorstehenden Bereich (51) aufweist, der auf der dem zumindest einen Bauelement (1) abgewandten Seite der Leiterplatte (2) an der Leiterplatte (2) anliegt, und – einer Kühleinrichtung (20, 21, 22) gemäß den Schutzansprüchen 1 bis 6.
Kühlanordnung nach Anspruch 7, wobei im Falle von mehreren Bauelementen (1) jeweils der Anlagebereich (41) des Kühlkörpers (4) und der vorstehende Bereich (51) des Deckels (5) der Anordnung der Bauelemente (1) auf der Leiterplatte (2) folgen, wobei der Anlagebereich (41) des Kühlkörpers (4) an zumindest einigen oder sämtlichen Bauelementen (1) anliegt.
Kühlanordnung nach Anspruch 7 oder 8, wobei sich die Kühlelemente (21, 22) der Kühleinrichtung (20) von der Leiterplatte (2) weg erstrecken und seitlich benachbart und mit einem vorbestimmten Abstand zu dem Anlagebereich (41) des Kühlkörpers (4) verlaufen, und wobei der Raum zwischen dem Kühlkörper (4) und dem Deckel (5) ganz oder zumindest teilweise ein Wärmeleitmaterial (11) aufweist.
Kühlanordnung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, wobei die Kühlelemente (21, 22) der Kühleinrichtung (20) mit der Leiterplatte (2) mechanisch und elektrisch verbunden sind und als Stromleiter dienen.