DE3223624A1

DE3223624A1 - Kuehlkoerper fuer elektrische bauelemente

Info

Publication number: DE3223624A1
Application number: DE19823223624
Authority: DE
Inventors: Robert Ing.(grad.) 8170 Bad Tölz Bradish
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1982-06-24
Filing date: 1982-06-24
Publication date: 1984-01-05
Also published as: DE3223624C2

Description

Kühlkörper für elektrische Bauelemente
Die Erfindung betrifft einen Kühlkörper mit Kühlrippen für wärmeerzeugende elektrische Bauelemente.
In zunehmendem Maße treten bei hermetischen Gehäusen und hf-dichten elektrischen Baugruppen hohe Verlustleistungen an elektrischen Bauelementen auf. Dadurch stellt sich ein hoher Temperaturgradient vom Inneren der Baugruppe zur Umgebung ein. Dies kann zu unzulässig hoher Temperaturbelastung der wärmeerzeugenden Bauelemente selbst und benachbarter Bauelemente führen. Besonders bei hochintegrierten Bausteinen tritt häufig das Konstruktionsproblem auf, daß der zur Verfügung stehende Platz nicht voll genutzt werden kann, weil sonst infolge der hohen Leistungsdichte die Wärme aus der Baugruppe nicht abgeführt werden kann.
Zur Wärmeabfuhr aus hermetischen oder hf-dichten Gehäusen wird üblicherweise z.B. eine außen gerippte Ausführung des Gehäuses, eine wärmeleitende Verbindung der zu kühlenden Bauelemente mit der Gehäusewand oder eine wärmeleitende Verbindung der zu kühlenden Bauelemente mit als "heat-pipes" bekannten Kühlelementen zur Umgebung vorgesehen. Bei diesen Lösungsmöglichkeiten können folgende Schwierigkeiten auftreten. Die äußeren Gehäuseabmessungen sind im allgemeinen vorgegeben, d.h. die Kühlrippen können nicht am wirksamsten Ort der Gehäuseoberfläche oder mit den notwendigen Abmessungen angebracht werden. Oft ist der wärmeleitende Kontakt der zu kühlenden Bauelemente mit der Gehäusewand aus elektrischen oder konstruktiven Gründen nicht möglich. Schließlich kann die Anwendung von "heat-pipes" bei hermetischen Gehäusen konstruktiv sehr aufwendig werden.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, bei einem Kühlkörper der eingangs genannten Art auf möglichst einfache Art und Weise eine möglichst hohe Wärmeabfuhr zu erzielen.
Diese Aufgabe wird bei einem Kühlkörper der eingangs genannten Art gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß der Kühlkörper sowohl an einer den wärmeerzeugenden Bauelementen zugewandten Innenseite als auch an mindestens einer den wärmeerzeugenden Bauelementen abgewand--ten Außenseite mit Kühlrippen ausgebildet ist.
Bei einem erfindungsgemäßen Kühlkörper wird in einfacher Weise die wirksame Oberfläche des Kühlkörpers dadurch vergrößert, daß der Kühlkörper beidseitig, d.h. bauelementeseitig und außenseitig mit Kühlrippen ausgebildet ist. Die bauelementeseitig gerippte Oberfläche des Kühlkörpers vergrößert die Wärmeaufnahme, die außenseitigen Kühlrippen vergrößern die Wärmeabgabe an die Umgebung. Auf diese Weise wird eine Erhöhung der Wärmeabfuhr über den Kühlkörper durch Verbesserung der inneren und der äußeren Konvektion erzielt.
Bei einer bevorzugten , besonders vorteilhaften Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kühlkörpers ist der Kühlkörper von einem beidseitig mit Kühlrippen versehenen Deckel gebildet ist, der als Abdeckung für ein die wärmeerzeugenden Bauelemente enthaltendes Gehäuse dient.
Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kühlkörpers ist so gestaltet, daß die außenseitigen Kühlrippen an mindestens einer senkrecht zu der Fläche mit den innenseitigen Kühlrippen verlaufenden Fläche angeordnet sind. Diese Ausführungsform hat insbesondere in Verbindung mit einer Ausführung des Kühlkörpers als Deckel für benachbarte elektrische Baugruppen besondere Vorteile. Dabei läßt sich die innenseitig gerippte Fläche des Kühlkörpers zur Abdeckung der Baugruppe und zur Aufnahme der von den Bauelementen erzeugten Wärme ausnützen, während die außenseitigen Kühlrippen der abgewinkelten Fläche zusammen mit dieser einen Kühlkörper an einer Gerätefrontseite bilden und die aufgenommene Wärme an die Geräteumgebung abführen.
Eine vorteilhafte Weiterbildung des abgewinkelten Kühlkörpers ist so gestaltet, daß an beiden Enden der die innenseitigen Kühlrippen aufweisenden Fläche jeweils eine senkrecht hierzu verlaufende Fläche vorgesehen ist und daß an der den innenseitigen Kühlrippen zugewandten Innenseite dieser senkrechten Flächen jeweils ein ringsum geschlossener Leitschacht für eine zusätzliche Lüfter kühlung-vorgesehen ist, welcher von zueinander und zu den innenseitigen Kühlrippen parallelen Schachtwänden auf der Fläche mit den innenseitigen Kühlrippen und einer zu dieser Fläche parallelen Deckfläche gebildet ist. Diese Ausführungsform ist insbesondere für größere Gehäuse von Vorteil, bei denen eine zusätzliche Lüfterkühlung vorgesehen ist.
Im Hinblick auf eine optimale Wirkung des erfindungsgemäßen Kühlkörpers ist es vorteilhaft, wenn die innenseitigen und außenseitigen Kühlrippen jeweils in Richtung der Konvektionsluftströmung angeordnet sind.
Schließlich ist es im Hinblick auf eine möglichst einfache Herstellung eines erfindungsgemäßen Kühlkörpers mit niedrigen Herstellungskosten vorteilhaft, wenn der Kühlkörper aus einem Aluminium-Strangpreßprofil-Teil besteht.
Ausführungsbeispiele eines erfindungsgemäßen Kühlkörpers für wärmeerzeugende Bauelemente sind im folgenden anhand schematischer Darstellungen der Zeichnung näher beschrieben.
Fig. 1 zeigt ein wärmeerzeugende Bauelemente enthaltendes Gehäuse mit einem als Deckel dienenden Kühlkörper, Fig. 2 eine Anordnung von elektrischen Baugruppen, bei denen eine andere Ausführungsform eines Kühlkörpers als Deckel verwendet ist und Fig. 3 eine weitere Ausführungsform eines Kühlkörpers für eine Baugruppen-Anordnung mit Lüfterkühlung.
Das hermetisch oder hochfrequenzdicht abgeschlossene Gehäuse 1 in Fig. 1 enthält eine oder mehrere Leiterplatten 2 mit wärmeerzeugenden elektrischen Bauelementen 3 und weist einen gleichzeitig als Gehäusedeckel dienenden, beidseitig gerippten und an der offenen Gehäusestirnseite befestigten Kühlkörper 4 åuf. Demnach ist der Gehäusedeckel sowohl an der den wärmeerzeugenden Bauelementen 3 zugewandten Innenseite 5 als auch an der den Bauelementen abgewandten Außenseite 6 mit zueinander parallelen Kühlrippen 7 bzw. 8 ausgebildet, die zueinander fluchtend angeordnet sind. Die Rippenabmessungen sind entsprechend den Gehäuseabmessungen optimiert. Durch den beidseitig gerippten Gehäusedekkel wird die wirksame Gehäuseoberfläche vergrößert.
Die bauelementeseitig gerippte Oberfläche vergrößert die Wärmeaufnahme des als Kühlkörper wirkenden Gehäusedeckels, während die außenseitigen Kühlrippen 8 die Wärmeabgabe an die Umgebung verbessern. Durch diesiAusgestaltung des Kühlkörpers 4 wird eine Erhöhung der Wärmeabfuhr über den Gehäusedeckel durch Verbesserung der inneren und äußeren Konvektion erreicht. Bei größeren Gehäusen kann die innere Konvektion noch durch einen im Gehäuse eingesetzten Lüfter unterstützt werden.
In Fig. 2 ist eine hochfrequenzdichte Baugruppe 10 dargestellt, welche eine Leiterplatte 11 mit wärmeerzeugenden Bauelementen 12 enthält und zwischen zwei benachbarten Baugruppen 13, 14 angeordnet ist. Hierbei ist die Baugruppe 10 an der der Baugruppe 14 zugekehrten Seite mit einem an der den wärmeerzeugenden Bauelementen 12 zugewandten Innenseite 15 der Fläche 16 mit Kühlrippen 17 versehenen und als Kühlkörper dienenden Deckel 18 abgedeckt, der an der Gerätefrontseite dadurch als Kühlkörper ausgebildet ist, daß die außenseitigen Kühlrippen 19 an einer senkrecht zu der Fläche 16 abgewinkelten Fläche 20 angeordnet sind und dort senkrecht zu den innenseitigen Kühlrippen 17 gerichtet sind.
Diese abgewinkelte Ausbildung eines erfindungsgemäßen Kühlkörpers ist insbesondere bei Einschüben, einschiebbaren (Steck-)Baugruppen und/oder einer Anordnung von Baugruppen wie in Fig. 2 von besonderem Vorteil, da sie seitlich der Baugruppen, also z.B. an den anderen Baugruppen benachbarten Seiten keinen Platz benötigt und die außenseitigen Kühlrippen an der freien Frontseite eines Gerätes oder einer Baugruppenanordnung vorgesehen sind.
Die Fig. 3 zeigt eine der Fig. 2 entsprechende Baugruppenanordnung 10, 13, 14, bei der jedoch in Weiterbildung des Kühlkörpers 18 in Fig. 2 der bauelementeseitig an der Fläche 25 mit Kühlrippen 26 versehene, als Kühlkörper wirkende Baugruppendeckel 27 nicht nur an einem Ende der Fläche 25, sondern an beiden Enden mit jeweils einer hierzu senkrecht abgewinkelten Fläche 28 bzw. 29 für die außenseitigen, an der Gerätefrontseite bzw. an der Geräterückseite vorgesehenen Kühlrippen 30, 31 ausgebildet ist. Außerdem ist an der Innenseite dieser senkrechten Flächen 28, 29 in einem aus den Baugruppen herausragenden Bereich jeweils ein ringsum geschlossener Leitschacht 32 bzw. 33 vorgesehen, welcher von zueinander und zu den innenseitigen Kühlrippen 26 parallelen Schachtwänden 34 auf der Fläche 25 und einer zu dieser Fläche parallelen Deckfläche 35 gebildet ist. Hierdurch ist die Front- und Rückseite der Baugruppen als Leitschacht für eine Zwangskonvektion im Falle einer zusätzlichen Lüfterkühlung ausgebildet.
Bei allen dargestellten Ausführungsformen eines erfindungsgemäßen, in vorteilhafter Weise aus einem Aluminium-Stragnpreßprofil-Teil bestehenden Kühlkörpers sind die innenseitigen und die außenseitigen Kühlrippen jeweils in Richtung der Konvektionsluftströmung angeordnet Es gibt Baugruppen, die im Gehäuse inneren eine gleichmäßige thermische Flächenbelastung aufweisen, z.B.
durch digitale Schaltungen, und die mit ihrer Innentemperatur die zulässige Belastung der Bauelemente geringfügig überschreiten. Besonders in diesem Fall, aber auch bei hohen thermischen Flächenbelastungen bringt die erfindungsgemäße Ausbildung eines Kühlkörpers als zusätzliche Kühlmaßnahme in folgenden Punkten Vorteile: Niedrige Herstellungskosten, kein wesentlich größerer Platzbedarf als für das ursprüngliche Gehäuse, die Wärmeableitung von allen Bauelementen ist verbessert, es ist kein direkter Eingriff in die elektrische Schaltung undderen Konstruktion nötig; daher ist der Kühlkörper auch als nachträgliche Maßnahme geeignet, Verbesserung der Flächennutzung auf der Leiterplatte, die Zugänglichkeit zu den Bauelementen bleibt erhalten, #die äußere Gehäuseform bleibt erhalten.
Der erfindungsgemäße Kühlkörper ist somit insbesondere für geschlossene, hermetisch oder hochfrequenzdichte Gehäuse oder Baugruppen geeignet, in denen auch eine hohe thermische Belastung bestehen kann, z.B. für Leistungsverstärker.
7 Patentansprüche 3 Figuren

Claims

Patentansprüche t ühlkörper mit Kühlrippen für wärmeerzeugende elektrische Bauelemente, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t , daß der Kühlkörper (4) sowohl an einer den wärmeerzeugenden Bauelementen (3) zugewandten Innenseite (5) als auch an mindestens einer den wärmeerzeugenden Bauelementen (3) abgewandten Außenseite (6) mit Kühlrippen (7, 8) ausgebildet ist.
2. Kühlkörper nach Anspruch 1, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß der Kühlrkörper (4) von einem beidseitig mit Kühlrippen (7, 8) versehenen Dekkel gebildet ist, der als Abdeckung für ein die wärmeerzeugenden Bauelemente (3) enthaltendes Gehäuse (1) dient.
3. Kühlkörper nach Anspruch 2, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß die Kühlrippen (7, 8) an beiden Seiten des Gehäusedeckels (4) fluchtend zueinander verlaufen.
4. Kühlkörper nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die außenseitigen Kühlrippen (19) an mindestens einer senkrecht zu der Fläche (16) mit den innenseitigen Kühlrippen (17) verlaufenden Fläche (20) angeordnet sind.
5. Kühlkörper nach Anspruch 4, d a d u r c h g e -k e n n ze i c h n e t , daß an beiden Enden der die innenseitigen Kühlrippen (26) aufweisenden Fläche (25) jeweils eine senkrecht hierzu verlaufende Fläche (28, 29) vorgesehen ist und daß an der den innenseitigen Kühlrippen (26) zugewandten Innenseite dieser senkrechten Flächen (28, 29) jeweils ein ringsum geschlos- sener Leitschacht (32, 33) für eine zusätzliche Lüfterkühlung vorgesehen ist, welcher von zueinander und zu den innenseitigen Kühlrippen (26) parallelen Schachtwänden (34) auf der Fläche (25) mit den innenseitigen Kühlrippen (26) und einer zu dieser Fläche (25) parallelen Deckfläche (35) gebildet ist.
6. Kühlkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 5, d a -d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die innenseitigen und außenseitigen Kühlrippen (7, 8) jeweils in Richtung der Konvektionsluftströmung angeordnet sind.
7. Kühlkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der Kühlkörper (4, 18, 27) aus einem Aluminium-Strangpreßprofil-Teil besteht.