DE60220575T2

DE60220575T2 - Kuhlkörper für Bauelemente auf einer Leiterplatte

Info

Publication number: DE60220575T2
Application number: DE60220575T
Authority: DE
Inventors: Gregory A. South Barrington Peterson; Jeffrey S. Roselle Stebner
Original assignee: Emerson Electric Co
Current assignee: Emerson Electric Co
Priority date: 2001-04-03
Filing date: 2002-04-02
Publication date: 2008-02-21
Anticipated expiration: 2022-04-03
Also published as: EP1248506B1; US7148452B2; CN1386047A; MXPA02003458A; JP2003017883A; CN1272991C; JP4088094B2; EP1248506A3; US20020170905A1; DE60220575D1; EP1248506A2; ATE364987T1

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Kühlkörper und spezieller einen an einer Leiterplatte befestigten Kühlkörper zum Kühlen von Bauelementen auf der Leiterplatte.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Eine herkömmliche glaskeramische Herdplatte, wie in JP 05 114471 offenbart, umfasst mehrere elektrische Heizeinheiten, die unter einer glaskeramischen Kochplatte montiert sind. Die Herdplatte weist auch eine Leiterplatte zur Steuerung der elektrischen Heizeinheiten auf. Die Leiterplatte befindet sich typischerweise unter der glaskeramischen Kochplatte. Die meisten Bauelemente auf der Leiterplatte, insbesondere Halbleiterbauelemente, sind empfindlich für hohe Temperaturen und müssen unter einer Höchsttemperatur gehalten werden, um gut zu funktionieren. Üblicherweise verwendete Halbleiterbauelemente für Herdplatten sind Triacs und/oder siliziumgesteuerte Gleichrichter (SCRs). Triacs und SCRs sind Halbleitergeräte, die wie elektrisch gesteuerte Schalter funktionieren.
Zum Kühlen empfindlicher Bauelemente wie etwa Triacs und SCRs auf der Leiterplatte weisen herkömmliche Herdplatten typischerweise eine Gehäuseeinheit mit einem Ventilator auf. Die Leiterplatte wird in der Gehäuseeinheit festgehalten. Der Ventilator ist an einer Öffnung in der Gehäuseeinheit montiert, um Luft zu zirkulieren und Bauelemente auf der Leiterplatte zu kühlen. Obwohl der Ventilator beim Kühlen der Leiterplatte und ihrer Bauelemente helfen wird, besteht ein fortdauernder Bedarf an effizienteren und direkten Kühlmitteln. Triacs gibt es beispielsweise in verschiedenen Typen und Größen. Herkömmliche Herdplatten verwenden Triacs mit relativ hohen Höchsttemperaturen. Triacs mit hohen Höchsttemperaturen sind teuer. Triacs sind eines der teuersten Bauelemente auf der Leiterplatte. Somit würde eine bessere Kühlvorrichtung die Verwendung weniger kostspieliger Triacs ermöglichen, wodurch die Gesamtkosten der Leiterplatte gesenkt werden.
Außerdem werden dadurch, dass man sich nur auf einen an dem Gehäuse montierten Ventilator stützt, einem Benutzer gewisse Beschränkungen auferlegt, wenn der Benutzer eine ausgefallene Leiterplatte ersetzen muss. Größe und Typ des Kühlventilators werden auf Grundlage von Größe und Typ der Leiterplatte ausgewählt. Wenn eine Ersatz-Leiterplatte zusätzliche oder unterschiedliche Typen von Bauelementen aufweist, kann der Ventilator an der Gehäuseeinheit inadäquat für die Ersatz-Leiterplatte sein. Somit besteht ein weiterer Bedarf an einer Kühlvorrichtung, die zur Befestigung an der Leiterplatte fähig ist.
US-3,277,346 offenbart einen Kühlkörper für elektronische Bauelemente in Form eines hohlen länglichen Vielecks, wobei die zu kühlenden elektronischen Bauelemente mit Schrauben an den flachen Teilen des Vielecks befestigt werden. Ein Ventilator ist zur Erzwingung von Luftzirkulation im Inneren des Vielecks an einem der Enden des hohlen Vielecks befestigt. Das Vieleck ist aus einer Serie im Wesentlichen flacher Platten hergestellt, die mittels Schrauben zusammengebaut sind und voneinander isoliert sind. Diese Konstruktion ist aufgrund ihres komplizierten Zusammenbaus relativ kostspielig.
Die vorliegende Erfindung ist darauf gerichtet, die Auswirkungen eines oder mehrerer der vorangehend dargelegten Probleme zu überwinden oder zumindest zu reduzieren.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Zu diesem Zweck umfasst die vorliegende Erfindung einen Kühlkörper zum Kühlen eines Bauelements gemäß Anspruch 1.
Der Kühlkörper kann zwei offene Enden haben, wobei ein Ventilator an einem offenen Ende befestigt ist. Die Vielzahl innerer Rippen kann variierende Längen aufweisen, um die Anzahl von Rippen zu erhöhen, die sich ab der Innenfläche des Kühlkörpers erstrecken. Der Kühlkörper kann weiterhin eine Vielzahl äußerer Rippen aufweisen, die sich ab der Außenfläche des Kühlkörpers erstrecken.
Eine andere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist eine Kühlkörperbaugruppe zum Kühlen eines Bauelements auf einer Leiterplatte gemäß Anspruch 7.
Eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist eine Herdplatte gemäß Anspruch 8.
Es ist nicht beabsichtigt, dass die vorangehende Zusammenfassung der vorliegenden Erfindung jede Ausführungsform oder jeden Aspekt der vorliegenden Erfindung darstellt. Dies ist der Zweck der Figuren und der nachfolgenden detaillierten Beschreibung.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Andere Gegenstände und Vorteile der Erfindung werden bei der Lektüre der nachfolgenden detaillierten Beschreibung und unter Verweis auf die Zeichnungen deutlich.
1 ist eine Draufsicht einer Herdplatte mit mehreren Heizeinheiten, einer Leiterplatte und einem Kühlkörper der vorliegenden Erfindung zum Kühlen von Bauelementen auf der Leiterplatte.
2 ist eine Perspektivansicht einer Ausführungsform eines Kühlkörpers der vorliegenden Erfindung, an einer Leiterplatte befestigt;
3 ist eine Endansicht des Kühlkörpers in 2.
4 is eine Seitenansicht des Kühlkörpers in 2.
5 ist eine andere Perspektivansicht des Kühlkörpers und der Leiterplatte in 2;
6 ist eine Draufsicht des Kühlkörpers und der Leiterplatte in 2.
Während die Erfindung verschiedenen Modifikationen und alternativen Formen unterzogen werden kann, sind gewisse spezifische Ausführungsformen davon als Beispiel in den Zeichnungen dargestellt worden und werden detailliert beschrieben. Es versteht sich jedoch, dass es nicht die Absicht ist, die Erfindung auf die beschriebenen besonderen Formen zu begrenzen. Im Gegenteil ist die Absicht, alle Modifikationen, Äquivalente und Alternativen abzudecken, die in die Reichweite und den Rahmen der Erfindung fallen, wie durch die beigefügten Ansprüche definiert.
BESCHREIBUNG ILLUSTRATIVER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Es werden nun illustrative Ausführungsformen unter Verweis auf die begleitenden Figuren beschrieben. In Hinwendung zu den Zeichnungen bildet 1 eine Herdplatte 10 mit einer glaskeramischen Platte 12, einer Vielzahl von Heizeinheiten 14, einer Steuergerätgehäuseeinrichtung 16, einer Leiterplatte 18 und einer Kühlkörperbaugruppe 20 ab. Die Heizeinheiten 14 erzeugen wärme zum Kochen eines oben auf die glaskeramische Platte 12 gestellten Topfs oder anderen Utensils (nicht dargestellt). Die Heizeinheiten 14 sind unter der glaskeramischen Platte 12 montiert und werden von der Leiterplatte 18 gesteuert. Die Leiterplatte 18 und die Kühlkörperbaugruppe 20 werden in der Steuergerätgehäuseeinheit 16 festgehalten. Die Steuergerätgehäuseeinheit 16 kann als quadratischer Tiegel geformt sein, mit Öffnungen oder Löchern (nicht dargestellt) an der Seite des Tiegels, um das Zirkulieren von Luft innerhalb der Steuergerätgehäuseeinheit 16 zu gestatten. Anders als herkömmliche Herdplatten benötigt die Steuergerätegehäuseeinheit 16 keinen Ventilator, um Luft durch die Heizeinheit 16 zu zwingen.
Wie in 2 gezeigt, weist die Leiterplatte 18 eine Vielzahl von Bauelementen auf, um die Temperatur der Heizeinheiten 14 zu überwachen und die den Elementen, die innerhalb der Heizeinheiten 14 Wärme erzeugen, zugeführten Strom zu regeln. Auf der Leiterplatte 18 befinden sich verschiedene Bauelementtypen, wie etwa Sicherungen, VDR-Widerstände, Widerstände, Kondensatoren und Schalter. Die meisten Bauelemente haben Höchsttemperaturen zwecks guten und zuverlässigen Betriebs. Die empfindlichsten Bauelementtypen für Herdplatten sind jedoch aus Silizium hergestellte Bauelemente. Übliche Bauelemente auf Siliziumbasis sind Triacs und SCRs. Triacs und SCRs sind Halbleitergeräte, die als elektrisch gesteuerte Schalter funktionieren. 2 illustriert eine Leiterplatte 18 mit einer Vielzahl von Triacs 22. Ein separater Triac 22 wird zur Steuerung jeder Heizeinheit 14 verwendet.
Wie zuvor erläutert, können verschiedene Triactypen von kommerziellen Quellen bezogen werden. Der Preis eines Triacs ist typischerweise eine Funktion dessen, wie hitzeempfindlich das Gerät ist, d.h. seiner maximalen Betriebstemperatur. Triacs mit höheren maximalen Betriebstemperaturen sind teuerer als Triacs mit niedrigeren maximalen Betriebstemperaturen. Die vorliegende Erfindung verschafft ein Mittel, um Triacs direkt auf einer Leiterplatte zu kühlen. Dies gestattet der Leiterplatte, Triacs mit niedrigeren maximalen Betriebstemperaturen zu verwenden, wodurch die Gesamtkosten der Leiterplatte gesenkt werden.
2 illustriert eine Ausführungsform der Kühlkörperbaugruppe 20 der vorliegenden Erfindung. Ein Kühlkörper 30 ist an der Leiterplatte 18 befestigt, um für bestimmte Bauelemente auf der Leiterplatte 18 Wärme zu dissipieren. In dieser Ausführungsform zieht der Kühlkörper 30 Wärme von einer Vielzahl von Triacs 22 ab. Der Kühlkörper 30 ist an einem Ende der Leiterplatte 18 befestigt. Die Triacs 22 sind an demselben Ende an der Leiterplatte montiert wie der Kühlkörper 30. Der Kühlkörper 30 ist vorzugsweise aus einer einzigen Extrusion thermisch leitenden Materials, wie etwa einem Metall, gebildet. In einer Ausführungsform ist der Kühlkörper 30 aus Aluminiumlegierung 6063-T5 hergestellt.
Wie in den 2 und 3 gezeigt, weist der Kühlkörper 30 mindestens eine generell flache Seite 32 und einen Befestigungssteg 34 auf. Die generell flache Seite 32 wird zum Inkntaktkommen mit den Triacs 22 und Dissipieren von Wärme benutzt. Der Befestigungssteg 34 wird als Montagefläche für Befestigungselemente oder Schellen 36 verwendet. Die Befestigungselemente und Schellen 36 werden zum Festhalten der Triacs 22 an der generell flachen Seite 32 des Kühlkörpers 30 verwendet. Auch kann ein thermisch leitender Klebstoff verwendet werden, um die Triacs 22 an der generell flachen Seite 32 des Kühlkörpers 30 zu sichern.
Der Kühlkörper 30 kann auch Füße 37 haben, um zu gestatten, dass der Kühlkörper 30 auf dem Boden der Steuergerätegehäuseeinheit 16 aufliegt. Weiter können Bügel 38 und Schrauben 39 verwendet werden, um den Kühlkörper 30 am Boden der Steuergerätegehäuseeinheit 16 zu montieren.
4 illustriert eine Endansicht des Kühlkörpers 30. Der Kühlkörper 30 hat einen röhrenförmigen Körper 40 mit inneren Rippen 42. Die inneren Rippen 42 gehen von der Innenfläche des röhrenförmigen Körpers 40 aus und sind generell symmetrisch um die Mittellinie des röhrenförmigen Körpers 40.
In einer Ausführungsform bestehen die inneren Rippen 42 aus vier Sätzen von Rippen 42a–42i. Die Rippen in jedem Satz haben variierende Längen. Die Rippen in der Mitte des Satzes sind länger als die Rippen an den Rändern jedes Satzes. Die variierenden Größen der Rippen 42 gestatten, dass eine größere Anzahl von Rippen von der Innenfläche des röhrenförmigen Körpers 40 vorragt.
Beispielsweise hat in der in 4 gezeigten Ausführungsform jeder Satz zentrale Rippen (42c, 42d, 42e, 42f, 42g), die länger sind als die Rippen an den Rändern des Satzes (42a, 42b, 42h und 42i). Insbesondere umfasst, in einer Ausführungsform, in welcher der Innendurchmesser des röhrenförmigen Körpers 40 22 Zoll beträgt, die Länge der Rippen:

Rippe Länge (Zoll)

42a 0,090

42b 0,225

42c 0,450

42d 0,590

42e 0,580

42f 0,590

42g 0,450

42h 0,225

42i 0,090
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf diese Abmessungen oder Längen beschränkt. Ein Fachmann mit gewöhnlicher Fachkenntnis würde, mit dem Nutzen dieser Offenbarung, erkennen, dass andere Abmessungen und Längen verwendet werden könnten, ohne von der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Wichtig ist, dass mehrere Rippen von der Innenfläche des röhrenförmigen Körpers vorragen, sodass ein größeres Oberflächengebiet zur Konvektionskühlung vorliegt, wie nachstehend detaillierter beschrieben.
Wie in 5 gezeigt, ist ein Ventilator 44 an einem Ende des Kühlkörpers 30 befestigt. Der Ventilator 44 kann durch Schrauben 46 an dem Kühlkörper 30 befestigt werden. Die Schrauben 46 werden in Schrauböffnungen 47 am Körper des Kühlkörpers 30 gesteckt. Der Ventilator 44 ist elektrisch angetrieben und ist durch ein Paar Drähte 48 mit einer Energiequelle verbunden. Der Ventilator 44 zwingt Umgebungsluft durch den Kühlkörper 30. Die Luft wird über die Innenfläche des röhrenförmigen Körpers 40 und über die inneren Rippen 42 gezwungen. Das große Rippenoberflächengebiet ist sehr effizient beim Abziehen von Wärme von dem Kühlkörper 30 durch aktive Konvektion.
Zur Verschaffung zusätzlicher Konvektionskühlung kann der Kühlkörper 30 auch äußere Rippen 52 aufweisen, die sich ab mindestens einem Teil der Außenfläche des röhrenförmigen Körpers erstrecken. Wie oben erwähnt, benötigt die Steuergerätegehäuseeinheit 16 keinen Ventilator, der Umgebungsluft zum Zirkulieren innerhalb der Gehäuseeinheit 16 zwingt. Die äußeren Rippen 52 verschaffen ein zusätzliches Mittel zum Dissipieren von Wärme durch Konvektion.
Beschrieben worden ist ein Kühlkörper zum Kühlen temperaturempfindlicher Bauelemente, wie etwa Triacs und SCRs, auf einer Leiterplatte. Die Gestaltung des Rippenaufbaus in der vorliegenden Erfindung sorgt für einen sehr effektiven Wärmeabzug und gestattet die Verwendung von Bauelementen mit niedrigeren maximalen Betriebstemperaturen in dem System. Die maximale Betriebstemperatur eines Bauelements ist typischerweise ein Faktor im Preis des Baueelements. Der Kühlkörper der vorliegenden Erfindung gestattet die Verwendung weniger kostspieliger Bauelemente auf der Leiterplatte.
In Hinsicht auf das Vorangehende wird ersichtlich, dass die verschiedenen Gegenstände der Erfindung erzielt und andere vorteilhafte Resultate erhalten werden.
Da verschiedene Veränderungen an den vorgenannten Konstruktionen vorgenommen werden könnten, ist beabsichtigt, dass sämtlicher in der vorangehenden Beschreibung enthaltene oder in den begleitenden Zeichnungen dargestellte Inhalt als illustrativ und nicht in einem einschränkenden Sinn zu interpretieren ist.

Claims

Kühlkörper zum Kühlen eines Bauelements (22), wobei der Kühlkörper umfasst: einen röhrenförmigen Körper (30), gebildet aus einer Extrusion thermisch leitenden Materials, mit einer Innenfläche und einer Außenfläche, wobei mindestens ein Teil der Außenfläche eine im Wesentlichen flache Seite (32) definiert, die eine generell tangential zu dem röhrenförmigen Körper orientierte Ebene definiert; eine Vielzahl innerer Rippen (42), die sich ab der Innenfläche des röhrenförmigen Körpers erstrecken, und einen Befestigungssteg (34), der sich ab der flachen Seite (32) erstreckt und generell senkrecht zu der flachen Seite (32) orientiert ist, wobei der Befestigungssteg (34) eine Schelle (36) aufnimmt, um das Bauelement gegen die im Wesentlichen flache Seite (32) des röhrenförmigen Körpers zu halten.
Kühlkörper von Anspruch 1, wobei der Kühlkörper zwei offene Enden aufweist, wobei ein Ventilator (44) an einem der zwei offenen Enden befestigt ist.
Kühlkörper von Anspruch 1, wobei die Vielzahl innerer Rippen (42) variierende Längen aufweist.
Kühlkörper von Anspruch 1, wobei der Kühlkörper weiter eine Vielzahl äußerer Rippen (52) aufweist, die sich ab der Außenfläche des Kühlkörpers erstrecken.
Kühlkörper von Anspruch 1, wobei der Kühlkörper aus Aluminium hergestellt ist.
Kühlkörper von Anspruch 1, wobei das zu kühlende Bauelement ein Triac (22) ist.
Kühlkörperbaugruppe (20) zum Kühlen eines Bauelements (22) auf einer Leiterplatte (18), wobei die Kühlkörperbaugruppe umfasst: einen Kühlkörper gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche; einen Ventilator (44) benachbart zu einem offenen Ende des röhrenförmigen Körpers (30), um Umgebungsluft durch den röhrenförmigen Körper zu zwingen; wobei der Befestigungssteg (34) sich generell parallel zu der Leiterplatte (18) erstreckt; und die Befestigungsschelle (36) ein Ende aufweist, das von dem Befestigungssteg (34) aufgenommen wird, und ein zweites Ende, das mit dem Bauelement (22) in Kontakt kommt, um das Bauelement festzuhalten.
Eine Herdplatte (10), umfassend: eine Kochplatte (12); eine Vielzahl von unter der Kochplatte (12) montierten Heizeinheiten (14); eine unter der Kochplatte (12) montierte Steuergerätgehäuseeinheit (16); eine Leiterplatte (18) zur Steuerung der Heizeinheiten (14), wobei die Leiterplatte (18) eine Vielzahl von Bauelementen (22) aufweist, wobei die Leiterplatte (18) in der Steuergerätgehäuseeinheit (16) montiert ist; eine Kühlkörperbaugruppe (20) zum Kühlen der Vielzahl von Bauelementen (22) der Leiterplatte (18), wobei der Kühlkörper in der Steuergerätgehäuseeinheit montiert ist, wobei die Kühlkörperbaugruppe aufweist einen röhrenförmigen Körper (30), geformt aus einer einzigen Extrusion thermisch leitenden Materials, mit einer Innenfläche, einer Außenfläche und zwei offenen Enden, eine Vielzahl innerer Rippen (42), die sich ab der Innenfläche des röhrenförmigen Körpers (30) erstrecken; einen Ventilator (44) benachbart zu einem der zwei offenen Enden des röhrenförmigen Körpers (30), um Umgebungsluft durch den röhrenförmigen Körper zu zwingen; wobei die Außenfläche des röhrenförmigen Körpers (30) mindestens eine generell flache Seite (32) definiert, welche eine generell tangential zu dem röhrenförmigen Körper orientierte Ebene definiert, wobei ein Ende der Leiterplatte (18) mit der flachen Seite (32) verbunden ist, sodass die Leiterplatte (18) sich generell senkrecht zu der flachen Seite (32) des röhrenförmigen Körpers erstreckt, wobei die flache Seite (32) mit der Vielzahl von Bauelementen (22) in Kontakt kommt, um Wärme von den Bauelementen abzuziehen; einen Befestigungssteg (34), der sich ab der flachen Seite (32) des röhrenförmigen Körpers (30) erstreckt und generell senkrecht zu der flachen Seite (32) des röhrenförmigen Körpers (30) orientiert ist, sodass der Befestigungssteg (34) sich generell parallel zu der Leiterplatte (18) erstreckt; und eine Vielzahl von Schellen (36) zum Halten der Vielzahl von Bauelementen (22) gegen die flache Seite (32) des röhrenförmigen Körpers (30), wobei jede der Schellen (36) ein erstes Ende aufweist, das von dem Befestigungssteg (34) aufgenommen wird, und ein zweites Ende, das mit einem jeweiligen Bauelement (22) in Kontakt kommt.
Herdplatte von Anspruch 8, wobei die Vielzahl innerer Rippen (42) generell symmetrisch um eine Mittellinie des röhrenförmigen Körpers (30) ist.
Herdplatte von Anspruch 8, wobei die Vielzahl innerer Rippen (42) verschiedene Längen aufweist.
Herdplatte von Anspruch 8, wobei der röhrenförmige Körper weiter eine Vielzahl äußerer Rippen (52) aufweist, die sich ab der Außenfläche des Kühlkörpers erstrecken.
Herdplatte von Anspruch 8, wobei der röhrenförmige Körper (30) aus Aluminium hergestellt ist.
Herdplatte von Anspruch 8, wobei mindestens eines aus der Vielzahl von Bauelementen (22) ein Triac ist.