EP3353824A1 - Kühlanordnung für eine elektronische komponente - Google Patents

Kühlanordnung für eine elektronische komponente

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EP3353824A1
EP3353824A1 EP16766262.6A EP16766262A EP3353824A1 EP 3353824 A1 EP3353824 A1 EP 3353824A1 EP 16766262 A EP16766262 A EP 16766262A EP 3353824 A1 EP3353824 A1 EP 3353824A1
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EP
European Patent Office
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cooling
cooling arrangement
heat sink
electronic component
arrangement according
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP16766262.6A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Martin Franke
Peter Frühauf
Rüdiger Knofe
Bernd Müller
Stefan Nerreter
Michael Niedermayer
Ulrich Wittreich
Manfred ZÄSKE
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
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Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
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Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H05K2201/10219—Thermoelectric component

Definitions

  • the invention relates to a cooling arrangement for an electronic component, which has a heat sink with a contact surface as an interface for the electronic component.
  • Au ⁇ ßerdem the invention relates to an electronic assembly with such a cooling arrangement.
  • heatsinks are used, for example, which provide an assembly side with which they can be placed on an interface of the electronic component.
  • the used heat sinks often have fins to increase the surface area for heat dissipation and can be produced economically as an extruded profile at ⁇ play in aluminum.
  • the possible heat output of such passive cooler is however bound by physical limits so that encounter limits ⁇ conventional cooling elements in heat dissipation to their performance.
  • a better heat Conductive metal such as copper can be selected.
  • heatsinks are uneconomical due to higher material and manufacturing costs.
  • Another possibility is an active cooling by a forced convection of a coolant, in ⁇ example of air, which is moved by means of a fan or a liquid that can be used for example in so-called heat pipes. Also such
  • Cooling solutions are more expensive than passive cooling and also dependent on an energy source.
  • the object of the invention is to provide a cooling arrangement for an electronic component or an electronic assembly in which such a cooling arrangement is used, with the reliable cooling with a comparatively large cooling capacity with economic technical means is possible.
  • the cooling arrangement has a converter for converting thermal energy into useful energy.
  • the thermal energy is herein ge ⁇ represents by the electronic component to be cooled is provided, with which the heat sink is connected in thermally conductive manner.
  • the useful energy generated by the transducer can be, for example, electrical or mechanical and is inventively fed into a functional element, which is designed as part of the cooling arrangement.
  • a so-called piezo pocket can be used, in which the fan is driven by a piezoelectric element and in this way ensures air movement.
  • a motor-driven fan can be used.
  • another Peltier element can be used which supplies electrical energy and is thus used as a heat pump.
  • Thedevor ⁇ direction can be used to cool the heat sink or for direct cooling of the electronic component to be cooled.
  • the provision of a transducer according to the invention has the advantageous effect that heat is conducted from the electronic component from ⁇ , so that the transducer supports the heat sink for cooling the electronic component, whereby the cooling performance is advantageously improved.
  • the thus resulting overhead advantageously enables the use of the useful energy produced, which can be used to another functionality of the electronic assembly, to which the electronic compo ⁇ component belongs.
  • This is advantageous cost savings associated with the savings by an energy source or use of an energy source with redu ⁇ ed power consumption incurred and thereby compensate for the extra work for the cooling arrangement.
  • the converter can, for. B. by a device made of bimetal or a shape memory alloy such as nickel-titanium. This is a converter that converts thermal energy into mechanical energy. With this mechanical useful energy, for example, a cooling device can be driven like a fan.
  • the converter may also be formed by a thermoelectric generator according to an advantageous embodiment of the invention.
  • a thermoelectric generator As useful energy, electrical energy is generated in such a generator.
  • Such a thermoelectric generator can be realized for example by a Peltier element.
  • electrical energy can be used for a large number of functional elements.
  • the functional element requires a different type of useful energy than is provided by the converter, the functional element must be equipped with a further converter. be equipped, which converts the useful energy provided by the converter into the useful energy required by the functional element .
  • a thermoelectric generator comes as a transducer for use
  • the motor of a fan or the piezoelectric actuator of a piezo fan forms the wide ⁇ ren converter in the functional element for converting the electrical energy into mechanical energy.
  • electrical ⁇ shear useful energy is that a variety of inexpensive and reliably operating converters available that can be used as a further transducer.
  • thermoelectric generator and the function ⁇ element can be connected with an energy store for electrical energy, respectively.
  • the stored electrical energy can be used for the operation of the functional element as a result, even if the electronic component Kom ⁇ just no heat energy provides.
  • ⁇ by it is possible to supply also functions with electrical energy, whose operation is required outside the Be ⁇ drive the electronic component.
  • an electrical energy storage advantageously there is the possibility that after completion of the operation of the electronic component still power can be generated while the electronic compo ⁇ nents cools. As a result, for example, without the use of foreign energy sources, cooling by means of a cooling device can be supported or other functionality can be kept going.
  • theannosele ⁇ ment is formed by a monitoring device and / or display device and / or data transmission device.
  • display devices for example, LEDs come into question, indicating, for example, overheating of the electronic component.
  • sensors can be used, which in the component Automatically switch off overheating.
  • functional elements can also be operated which do not directly participate in the cooling process of the cooling arrangement.
  • data of the electronic module can be transmitted to external devices via a data transmission device. This may be, for example, higher-level control systems that control a composite of electronic assemblies together, as is the case for example in industrial manufacturing plants.
  • the data transmission device can be realized, for example, by a mechanical interface (plug connection) or a wireless interface (radio connection, infrared connection or the like).
  • a mechanical interface plug connection
  • a wireless interface radio connection, infrared connection or the like.
  • the converter is contacted with an additional heat sink.
  • the additional heat sink advantageously dissipates heat from the transducer, whereby a larger temperature gradient is generated in the converter between the electronic component and the additional heat sink. This advantageously enables the He ⁇ production (conversion) of a larger amount of useful energy which is supplied to the functional element.
  • the additional heat sink can advantageously be operated in a different temperature range, as the heat sink, which is provided for the electronic component available.
  • the cooling arrangement forms a structural unit.
  • the elements are the heat sink, the transducer, the functional element, the further transducer and the additional heat sink, wherein not all elements in the structural unit must be kept ent ⁇ .
  • the advantage of a summary of at least a portion of the elements to form a unit is because ⁇ rin that it can be installed easily, thereby pre- Partially saved installation costs in the final assembly and larger quantities with corresponding cost advantages (lot size savings) are manufactured for several products.
  • the assembly of the cooling arrangement according to the invention is thereby more economical.
  • the contacting of the transducer with the heat sink is advantageous in order to support the cooling capacity of the heat sink.
  • the heat sink can have ribs and the transducer can be arranged between adjacent ribs.
  • the transducer is also contacted with the ribs.
  • the accommodation of the transducer between the ribs has the advantage that it is protected there from damage and requires no additional space outside the heat sink.
  • the cooling device is then advantageously protected also housed between the ribs. This is particularly advantageous when sensitive mechanical components such as compartments are used.
  • the cooling effect can then be advantageous di ⁇ rectly triggered between the ribs, whereby the effect of the surface enlargement of the ribs can be better utilized.
  • a control module can additionally be used which distributes the energy generated by the thermoelectric generator.
  • the control module is insofar also a functional element. With the help of the control module can advantageously control operation-dependent functional processes of the cooling arrangement, so that it can be operated depending on the operation in different modes. In this case, the already mentioned sensors can be used, which form further functional elements.
  • the object is also achieved by the above-given ⁇ ne electronic assembly in which the cooling arrangement consists of several modules, which together with the electronic see component are mounted on a circuit board.
  • the cooling arrangement consists of several modules, which together with the electronic see component are mounted on a circuit board.
  • conductor tracks which are provided on the circuit carrier.
  • the modules are advantageously integrated in this way in the electronic module.
  • the transducer can be arranged as a single module advantageously op timal ⁇ at the point where a conversion of thermal energy into useful energy may be performed most efficiently.
  • plated-through holes can be provided in the circuit carrier whose thermal conductivity ensures transmission of the heat produced by the electronic component to the converter.
  • the electronic assembly can be provided in a housing ⁇ which this example, as a so-called molded
  • Interconnect Device can be made.
  • the use of foil-shaped circuit carriers is conceivable.
  • the transducer is contacted directly with the electronic component of the electronic module or with a heat conduction path emanating from the electronic component.
  • the varnishleitpfad can, as already described, from
  • heat conduction path is provided on that side of the circuit carrier on which the electronic component to be cooled is also arranged (front side). This allows the mounting of the transducer in the environment of the electronic component.
  • the use of heat conduction paths thus has the advantage that in terms of the arrangement of Components of the cooling arrangement, a greater structural design freedom arises.
  • FIG. 1 shows an embodiment of the cooling arrangement according to the invention as a block diagram
  • FIG. 2 is a diagram showing the heat flow different
  • FIG. 1 the individual elements of the inventive electronic assembly are shown as a block diagram.
  • An electronic component 11 has a temperature Zvi ⁇ rule 50 and 150 ° C. This heat is released via a thermal interface 12 to a heat sink 13.
  • a transducer 14 is provided, which is acted upon by a quantity of heat Q g . This gives excess heat, moreover, to an additional cooling body 15.
  • the additional heat sink 15 is, however, operated in a different temperature range, as the heat sink 13.
  • the converter 14 is designed as a thermoelectric generator (for example as a Peltier element) and generates electrical energy due to the temperature difference between the interface 12 and the additional heat sink 15.
  • the ⁇ se is delivered to a control module 18, wherein the Steuerermo ⁇ module 18, the energy management for a cooling arrangement 19 over ⁇ takes, the system boundaries are also indicated by a dash-dotted line.
  • the converter 14 belongs to this
  • Cooling arrangement 19 forms an element of the thermal system 17 and is thus to be understood as the connecting ele ⁇ ment of both systems.
  • the control module 18 enables the following operating states. If the electrical energy generated by the converter 14 is not or only partially required, the control module is fed with an energy storage device 20 in the form of a rechargeable battery. Conversely, the stored electrical energy can be provided from the Ener ⁇ gie notes 20 the control module 18 is available, if the transducer 14 generates not enough electrical energy.
  • the electrical power 23 may be used for different functional ⁇ elements 21, 22,. These functional elements can be controlled by the control module 18 or exercise their function self-sufficient. In the latter case, only the power supply is regulated by the control module 18.
  • An example of a functional element is a cooling device 21.
  • This cooling device 21 is used to bring about an additional cooling effect for the electrical component 11.
  • the cooling device 21 acts corresponding to the dashed arrow 22 on the heat sink 13, which thereby can provide a higher cooling capacity for the electrical component 11 (see Figure 2 you associated Be ⁇ description).
  • the cooling device 21 may be, for example, a piezo pocket 23 according to FIG.
  • Another possibility is to provide a monitoring device 24 for the electronic component 11 as a functional element. In this way, for example, an overheat protection can be realized by the monitoring device 24 corresponding to the indicated dashed
  • the electronic component 11 switches off to protect against overheating.
  • the monitoring device 24 may also indicate the presence of an overload case to a display device 26, e.g. As an LED, spend.
  • a data transmission device 27 can also be provided, so that a monitoring result (for example also the current temperature of the electronic component 11) can be transmitted by cable or wirelessly to a computer, not shown, for the purpose of external data processing.
  • a monitoring result for example also the current temperature of the electronic component 11
  • a computer not shown, for the purpose of external data processing.
  • FIG. 3 shows an exemplary embodiment of the cooling arrangement.
  • the electrical component 11 is mounted on a scarf ⁇ tion carrier 29 in the form of a printed circuit board.
  • On the upper side of the electrical component 11 of the heat sink 13 is mounted. As this is shown partially cut open it can be seen that this rib 30 has.
  • the electrical component 11 is mounted on a thermal conduction path 31 which is applied as a metallic layer on the front side 32 of the circuit substrate 29.
  • the thermal conduction path 31 is completed by ther ⁇ mix vias 33 that are a metal layer 34 on the back 35 of the circuit substrate 29 PLEASE CONTACT ⁇ ren.
  • a transducer 14 in the form of Peltier elements Toggle brought, whose respective opposite side is provided with a respective additional heat sink 15.
  • These additional heat sink 15 also have ribs 30.
  • dashed Li ⁇ lines 36 lines are indicated, which connect the two transducers 14 with the control module 18.
  • This also controls a designed as a piezoelectric actuator 37 second converter, which forms part of the cooling device 23.
  • the piezoactuator 37 drives a fan 38, which oscillates along the double arrow 39, in order to move air along the ribs 30 of the heat sink 13 and of the additional heat sink 15 mounted on the front side 32. As a result, the cooling effect of these two heatsink is increased.
  • the heat sink 15 is provided with a geometry which substantially corresponds to that of the cooling fins 30, so that the additional heat sink 15 replaces one of these fins.
  • the additional heat sink 15 forks at its base and provides between the fork an installation space for the control module 18, the piezoelectric actuator 37 and the fan 38.
  • the fan 38 can therefore operate in an opening, not shown, and causes an exchange of air between the adjacent intermediate spaces 40, which are formed by the ribs 13 and the additional heat sink 15.
  • additional heat sink 15 With the outer edges of the additional heat sink 15 mounting surfaces for transducers 14 in the form of Peltier elements available, which are connected with their respective other side with the ribs 30 of the heat sink 13 and thus fix the modular assembly between the ribs 30.
  • the additional heat sink 15 touches the heat sink 13 at any point directly, so that it can be operated in a different temperature range.
  • FIG. 5 likewise shows a structural unit.
  • the converter 14 consists of a thermomechanical actuator, which is provided, for example, by a thermo-mechanical actuator
  • Bimetallic strip or an element may be formed from a shape memory alloy. This is held on one side in a clamping 41. With the free end it forms a Gelenkt 42 which is also connected to a about a rotation axis 43 gela ⁇ siege compartments 38th Depending on the temperature, the transducer 14 deforms according to the double arrow 44, whereby the fan 38 is excited to fan over the joint 42.
  • Figure 6 shows the ability to perform the piezo fan 23 as Bauein ⁇ integral with the heat sink. 13 This is comb-like, so that the compartments 38 each in the interstices 40 protrude between the ribs 30. As can be seen from FIG. 7, the compartments 38 are angled away from a common base strip 46 for this purpose. This base strip 46 is supported on the outside of the heat sink 13 and is otherwise on piezo actuators 37. This results in activation of the piezoactuators 37 a fan-like movement of the compartments 38 according to the double arrow 39th
  • the piezo actuators 37 are formed by transducers 14 in the form of
  • Heatsink 13 are arranged.
  • the heat sink is designed rectangular, with the transducers 14 being mounted on respectively opposite outer sides, and the piezo pockets 23 are arranged at 90 ° on the two opposite outer sides.
  • the Peltier elements each have an additional heat sink 15 on the side remote from the heat sink 13.
  • the structure of the Peltier elements used is also indicated and generally known. This consists of contact blocks of p-doped semiconductors 47 and n-doped semiconductors 48, which are each connected via contact pieces 49 to form a circuit.
  • the transducer 14 is mounted on an electrical insulation layer 50 which ensures electrical isolation to the heat sink 13.

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Abstract

Kühlanordnung für eine elektronische Komponente Die Erfindung betrifft eine Kühlanordnung für eine elektronische Komponente (11) bzw. eine elektrische Baugruppe mit einer solchen Kühlanordnung. Diese weist zur Kühlung eines elektrischen Bauelements (11) einen passiven Kühlkörper (13) auf. Erfindungsgemäß ist zusätzlich vorgesehen, dass Wandler (14), z. B. thermoelektrische Generatoren, durch Abführung von Wärme aus dem elektronischen Bauelement (11) einen zusätzlichen Kühleffekt bewirken und gleichzeitig die Erzeugung von Energie ermöglichen. Diese kann beispielsweise verwendet werden, um eine aktive Kühlvorrichtung (23) wie einen Piezofächer (38) anzutreiben, der zusätzlich für eine Kühlung des Kühlkörpers (13) sorgt und den Kühleffekt damit verbessert. Das Gesamtsystem ist energieautark, da die erforderliche Energieversorgung aus der Abwärme des elektronischen Bauelements (11) gewonnen wird. Vorteilhaft kann die gewonnene Energie auch anderen Funktionselementen zur Verfügung gestellt werden. Die Mehrkosten der Zusatzkühlung werden daher durch Einsparung einer Energiequelle ausgeglichen.

Description

Beschreibung
Kühlanordnung für eine elektronische Komponente Die Erfindung betrifft eine Kühlanordnung für eine elektronische Komponente, die einen Kühlkörper mit einer Kontaktfläche als Interface für die elektronische Komponente aufweist. Au¬ ßerdem betrifft die Erfindung eine elektronische Baugruppe mit einer solchen Kühlanordnung.
Es ist hinlänglich bekannt, dass elektronische Komponenten mit vorzugsweise passiven Kühlelementen versehen werden, um die Verlustwärme, die während des Betriebs der elektronischen Komponente entsteht, abzuführen. Die fortschreitende Erhöhung der durch elektronische Komponenten umgesetztem Leistungen bei gleichzeitiger Miniaturisierung der zum Einsatz kommenden Bauelemente führt dazu, dass pro zur Verfügung stehender Flä¬ cheneinheit der elektronischen Komponente immer größere Wär¬ memengen transportiert werden müssen. Dabei sind es die immer kleiner werdenden Kontaktflächen zwischen den elektronischen Komponenten als Wärmequelle und den zum Einsatz kommenden Kühlkörpern oder Medien, die eine effektive Entwärmung der elektronischen Komponenten erschweren. Andererseits ist eine zuverlässige Entwärmung Voraussetzung für eine einwandfreie Funktion der mit den elektronischen Komponenten realisierten Schaltungen .
Bei konventionellen Kühlkörpertechnologien kommen Kühlkörper beispielsweise aus Aluminium zum Einsatz, die eine Montage- seite zur Verfügung stellen, mit der sie auf eine Grenzfläche der elektronischen Komponente aufgesetzt werden können. Die zum Einsatz kommenden Kühlkörper haben häufig Rippen zur Vergrößerung der Oberfläche zur Wärmeabgabe und lassen sich bei¬ spielsweise in Aluminium kostengünstig als Strangpressprofil herstellen. Die mögliche Wärmeabgabe solcher passiven Kühler ist jedoch an physikalische Grenzen gebunden, so dass konventionelle Kühlelemente bei der Entwärmung an ihre Leistungs¬ grenzen stoßen. Statt Aluminium kann auch ein besser wärme- leitfähiges Metall wie Kupfer ausgewählt werden. Allerdings sind derartige Kühlkörper aufgrund von höheren Material- und Fertigungskosten unwirtschaftlich .
Eine andere Möglichkeit besteht in einer aktiven Kühlung durch eine erzwungene Konvektion eines Kühlmittels, bei¬ spielsweise von Luft, die mittels eines Lüfters bewegt wird oder einer Flüssigkeit, die beispielsweise in sogenannten Heat-Pipes zum Einsatz kommen kann. Auch derartige
Entwärmungslösungen sind teurer als eine passive Kühlung und zudem von einer Energiequelle abhängig.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Kühlanordnung für eine elektronische Komponente oder eine elektronische Baugruppe, bei der eine solche Kühlanordnung zum Einsatz kommt, anzugeben, mit der eine zuverlässige Kühlung mit einer vergleichsweise großen Kühlleistung mit wirtschaftlichen technischen Mitteln möglich ist.
Diese Aufgabe wird mit der eingangs angegebenen Kühlanordnung erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Kühlanordnung einen Wandler zur Wandlung von thermischer Energie in eine Nutzenergie aufweist. Die thermische Energie wird hierbei durch die zu kühlende elektronische Komponente zur Verfügung ge¬ stellt, mit der der Kühlkörper in thermisch leitender Weise verbunden ist. Die durch den Wandler erzeugte Nutzenergie kann beispielsweise elektrisch oder mechanisch sein und wird erfindungsgemäß in ein Funktionselement eingespeist, welches als Teil der Kühlanordnung ausgebildet ist.
Als Funktionselemente kommen erfindungsgemäß Kühlvorrichtun¬ gen für den Kühlkörper zum Einsatz. Als Kühlvorrichtung kann beispielsweise ein sogenannter Piezofächer Verwendung finden, bei dem der Fächer durch ein Piezoelement angetrieben wird und auf diese Weise für eine Luftbewegung sorgt. Alternativ kann selbstverständlich auch ein motorisch betriebener Lüfter zum Einsatz kommen. Zuletzt kann ein weiteres Peltierelement verwendet werden, welches mit elektrischer Energie versorgt wird und damit als Wärmepumpe zum Einsatz kommt. Die Kühlvor¬ richtung kann zur Kühlung des Kühlkörpers oder auch zur direkten Kühlung der zu kühlenden elektronischen Komponente eingesetzt werden.
Die erfindungsgemäße Bereitstellung eines Wandlers bewirkt vorteilhaft, dass Wärme von der elektronischen Komponente ab¬ geleitet wird, so dass der Wandler den Kühlkörper bei der Kühlung der elektronischen Komponente unterstützt, wodurch die Kühlleistung vorteilhaft verbessert wird. Der hierdurch entstandene Mehraufwand ermöglicht vorteilhaft die Nutzung der erzeugten Nutzenergie, die einer weiteren Funktionalität der elektronischen Baugruppe, zu der die elektronische Kompo¬ nente gehört, genutzt werden kann. Hiermit sind vorteilhaft Kosteneinsparungen verbunden, die durch eine Einsparung einer Energiequelle bzw. Verwendung einer Energiequelle mit redu¬ zierter Leistungsaufnahme entstehen und hierdurch den Mehraufwand für die Kühlanordnung kompensieren. Der Wandler kann z. B. durch eine Vorrichtung aus Bimetall oder aus einer Formgedächtnislegierung wie Nickel-Titan bestehen. Hierbei handelt es sich um einen Wandler, der thermische Energie in eine mechanische Nutzenergie umwandelt. Mit dieser mechanischen Nutzenergie kann beispielsweise eine Kühlvorrichtung wie ein Fächer angetrieben werden.
Der Wandler kann gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung auch durch einen thermoelektrischen Generator ausgebildet sein. Als Nutzenergie wird bei einem solchen Genera- tor elektrische Energie erzeugt. Ein solcher thermoelektri- scher Generator kann beispielsweise durch ein Peltierelement realisiert werden. Vorteilhaft kann elektrische Energie für eine Vielzahl von Funktionselementen zum Einsatz kommen.
Wenn das Funktionselement eine andere Art von Nutzenergie be¬ nötigt, als durch den Wandler zur Verfügung gestellt wird, so muss das Funktionselement mit einem weiteren Wandler ausge- stattet sein, welcher die vom Wandler zur Verfügung gestellte Nutzenergie in die von dem Funktionselement benötigte Nutz¬ energie umwandelt. Wenn beispielsweise ein thermoelektrischer Generator als Wandler zum Einsatz kommt, bildet der Motor ei- nes Lüfters bzw. der Piezoaktor eines Piezofächers den weite¬ ren Wandler im Funktionselement, um die elektrische Energie in mechanische Energie zu wandeln. Der Vorteil von elektri¬ scher Nutzenergie liegt darin, dass eine Vielzahl von kostengünstigen und zuverlässig arbeitenden Wandlern zur Verfügung steht, die als weiterer Wandler eingesetzt werden können.
Ein weiterer Vorteil von elektrischer Nutzenergie besteht da¬ rin, dass der thermoelektrische Generator und das Funktions¬ element jeweils mit einem Energiespeicher für die elektrische Energie verbunden werden können. Die gespeicherte elektrische Energie kann infolgedessen auch dann zum Betrieb des Funktionselements herangezogen werden, wenn die elektronische Kom¬ ponente gerade keine Wärmeenergie zur Verfügung stellt. Hier¬ durch wird es möglich, auch Funktionalitäten mit elektrischer Energie zu versorgen, deren Betrieb auch außerhalb des Be¬ triebs der elektronischen Komponente erforderlich ist. Zu bemerken ist, dass auch ohne Einsatz eines elektrischen Energiespeichers vorteilhaft die Möglichkeit besteht, dass nach Beendigung des Betriebs der elektronischen Komponente noch Strom erzeugt werden kann, während die elektronische Kompo¬ nente abkühlt. Hierdurch kann beispielsweise ohne den Einsatz fremder Energiequellen ein Abkühlen mittels einer Kühlvorrichtung unterstützt werden oder eine andere Funktionalität am Laufen gehalten werden.
Andere Funktionalitäten können gemäß einer Weiterbildung der Erfindung dadurch realisiert werden, dass das Funktionsele¬ ment durch eine Überwachungsvorrichtung und/oder Anzeigevorrichtung und/oder Datenübertragungsvorrichtung gebildet ist. Als Anzeigevorrichtungen kommen beispielsweise LEDs in Frage, die beispielsweise eine Überhitzung der elektronischen Komponente anzeigen. Als Überwachungsvorrichtung können beispielsweise Sensoren zum Einsatz kommen, die die Komponente bei Überhitzung automatisch abschalten. Außerdem können auch Funktionselemente betrieben werden, welche nicht direkt an dem Kühlvorgang der Kühlanordnung beteiligt. Beispielsweise können Daten der elektronischen Baugruppe über eine Daten- Übertragungsvorrichtung an externe Geräte weitergegeben werden. Hierbei kann es sich beispielsweise um übergeordnete Steuerungsanlagen handeln, die einen Verbund von elektronischen Baugruppen gemeinsam steuern, wie dies beispielsweise in industriellen Fertigungsanlagen der Fall ist. Die Datenü- bertragungsvorrichtung kann beispielsweise durch eine mechanische Schnittstelle (Steckverbindung) oder eine drahtlose Schnittstelle (Funkverbindung, Infrarotverbindung oder ähnliches) realisiert sein. Der Energiebedarf der genannten Funktionalitäten kann über die bereits erwähnte Speicherung von elektrischer Energie auch außerhalb des Betriebs der elektro¬ nischen Komponente sichergestellt werden.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Wandler mit einem Zusatzkühlkörper kontak- tiert ist. Der Zusatzkühlkörper leitet vorteilhaft Wärme aus dem Wandler ab, wodurch zwischen der elektronischen Komponente und dem Zusatzkühlkörper ein größeres Temperaturgefälle in dem Wandler erzeugt wird. Dies ermöglicht vorteilhaft die Er¬ zeugung (Wandlung) eines größeren Betrags an Nutzenergie, welche dem Funktionselement zur Verfügung gestellt wird. Der Zusatzkühlkörper kann dabei vorteilhaft in einem anderen Temperaturbereich betrieben werden, als der Kühlkörper, welcher für die elektronische Komponente zur Verfügung gestellt wird. Vorteilhaft bildet die Kühlanordnung eine Baueinheit aus.
Dies bedeutet, dass alle Elemente, die gemeinsam die Kühlan¬ ordnung bilden, in einer Baueinheit zusammengefasst sind. Bei den Elementen handelt es sich um den Kühlkörper, den Wandler, das Funktionselement, den weiteren Wandler und den Zusatz- kühlkörper, wobei nicht alle Elemente in der Baueinheit ent¬ halten sein müssen. Der Vorteil einer Zusammenfassung zumindest eines Teils der Elemente zu einer Baueinheit liegt da¬ rin, dass diese einfacher verbaut werden kann, wodurch vor- teilhaft Montagekosten bei der Endmontage eingespart sowie größere Stückzahlen mit entsprechenden Kostenvorteilen (Losgrößenersparnisse) für mehrere Produkte gefertigt werden. Die Montage der erfindungsgemäßen Kühlanordnung wird dadurch wirtschaftlicher. Insbesondere die Kontaktierung des Wandlers mit dem Kühlkörper ist vorteilhaft, um die Kühlleistung des Kühlkörpers zu unterstützen.
Besonders vorteilhaft kann der Kühlkörper Rippen aufweisen und der Wandler zwischen benachbarten Rippen angeordnet sein. Vorzugsweise ist der Wandler auch mit den Rippen kontaktiert. Die Unterbringung des Wandlers zwischen den Rippen hat den Vorteil, dass dieser dort vor Beschädigungen geschützt ist und keinen zusätzlichen Bauraum außerhalb des Kühlkörpers erfordert. Außerdem ist es möglich, den Wandler zwischen den Rippen auch mit einer Kühlvorrichtung auszustatten. Die Kühlvorrichtung ist dann vorteilhaft ebenfalls geschützt zwischen den Rippen untergebracht. Dies ist besonders vorteilhaft, wenn empfindliche mechanische Bauteile wie Fächer zum Einsatz kommen. Außerdem kann der Kühlungseffekt vorteilhaft dann di¬ rekt zwischen den Rippen ausgelöst werden, wodurch der Effekt der Oberflächenvergrößerung an den Rippen besser ausgenutzt werden kann.
Für das Funktionselement und/oder den thermoelektrischen Generator kann zusätzlich ein Steuermodul zum Einsatz kommen, das die durch den thermoelektrischen Generator erzeugte Energie verteilt. Bei dem Steuermodul handelt es sich insoweit ebenfalls um ein Funktionselement. Mit Hilfe des Steuermoduls lassen sich vorteilhaft betriebsabhängige Funktionsabläufe der Kühlanordnung kontrollieren, so dass diese betriebsabhängig in verschiedenen Modi betrieben werden kann. Hierbei können auch die bereits erwähnten Sensoren zum Einsatz kommen, welche weitere Funktionselemente ausbilden.
Die Aufgabe wird außerdem gelöst durch die eingangs angegebe¬ ne elektronische Baugruppe, bei der die Kühlanordnung aus mehreren Modulen besteht, die gemeinsam mit der elektroni- sehen Komponente auf einem Schaltungsträger montiert sind. Für einen elektrischen Anschluss der verschiedenen Module können Leiterbahnen verwendet werden, die auf dem Schaltungsträger vorgesehen werden. Die Module sind auf diese Weise vorteilhaft in die elektronische Baugruppe integriert. Insbe¬ sondere der Wandler kann als einzelnes Modul vorteilhaft op¬ timal an der Stelle angeordnet werden, wo eine Wandlung von thermischer Energie in Nutzenergie am effizientesten durchgeführt werden kann. Beispielsweise kann gemäß einer vorteil- haften Ausgestaltung der Erfindung der Wandler auf einer
Rückseite des Schaltungsträgers, also auf der der zu kühlen¬ den elektronischen Komponente gegenüber liegenden Seite montiert werden. Hier können Durchkontaktierungen im Schaltungsträger vorgesehen sein, deren thermische Leitfähigkeit eine Übertragung der von der elektronischen Komponente produzierten Wärme auf den Wandler gewährleistet.
Als elektrischer Schaltungsträger kann beispielsweise eine Leiterplatte Verwendung finden. Allerdings sind auch andere Bauformen des Schaltungsträgers denkbar. Beispielsweise kann die elektronische Baugruppe in einem Gehäuse vorgesehen wer¬ den wobei dieses beispielsweise als sogenanntes Moulded
Interconnect Device (MID) hergestellt werden kann. Auch die Verwendung von folienförmigen Schaltungsträgern ist denkbar.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Wandler direkt mit der elektronischen Komponente der elektronischen Baugruppe oder mit einem von der elektronischen Komponente ausgehenden Wärmeleitpfad kontaktiert ist. Der Wärmeleitpfad kann, wie bereits beschrieben, aus
Durchkontaktierungen bestehen, um die Wärme auf die Rückseite des Schaltungsträgers abzuführen. Allerdings ist es auch denkbar, dass der Wärmeleitpfad auf derjenigen Seite des Schaltungsträgers vorgesehen wird, auf der auch die zu küh- lende elektronische Komponente angeordnet ist (Vorderseite) . Dies ermöglicht die Montage des Wandlers in der Umgebung der elektronischen Komponente. Die Verwendung von Wärmeleitpfaden hat somit den Vorteil, dass hinsichtlich der Anordnung der Komponenten der Kühlanordnung ein größerer konstruktiver Gestaltungsspielraum entsteht.
Weitere Einzelheiten der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung beschrieben. Gleiche oder sich entsprechende Zeichnungselemente sind jeweils mit den gleichen Bezugszei¬ chen versehen und werden nur insoweit mehrfach erläutert, wie sich Unterschiede zwischen den einzelnen Figuren ergeben. Es zeigen :
Figur 1 ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Kühlanordnung als Blockschaltbild,
Figur 2 ein Diagramm, welches den Wärmefluss verschiedener
Wärmemengen Q des Ausführungsbeispiels gemäß Figur
1 darstellt, und
Figur 3 verschiedene Ausführungsbeispiele der erfindungsge¬ mäßen elektronischen Baugruppe bzw. der erfindungs- gemäßen Kühlanordnung, teilweise aufgeschnitten, wobei Figur 7 einen Schnitt VII-VII gemäß Figur 6 darstellt .
Gemäß Figur 1 sind die einzelnen Elemente der erfindungsgemä- ßen elektronischen Baugruppe als Blockschaltbild dargestellt. Eine elektronische Komponente 11 weist eine Temperatur zwi¬ schen 50 und 150°C auf. Diese Wärme wird über ein thermisches Interface 12 an einen Kühlkörper 13 abgegeben. Zusätzlich zu dem Kühlkörper 13, über den der Hauptteil der Wärmemenge Qp (vgl. Figur 2) transportiert wird, ist außerdem ein Wandler 14 vorgesehen, der mit einer Wärmemenge Qg beaufschlagt wird. Dieser gibt überschüssige Wärme überdies an einen Zusatzkühl¬ körper 15 ab. Der Zusatzkühlkörper 15 wird allerdings in einem anderen Temperaturbereich betrieben, als der Kühlkörper 13. In Figur 1 ist zu erkennen, dass der Kühlkörper 13 in diesem Ausführungsbeispiel an seiner kühlsten Stelle eine Temperatur von 40 bis 60°C aufweist, während der Zusatzkühlkörper 15 am kühlsten Punkt bei einer Temperatur von 20 bis 40 °C liegt. Der Wärmefluss zwischen den genannten Komponenten ist in Figur 1 durch breite Pfeile 16 dargestellt, wobei de¬ ren Breite keine Aussagen über den Betrag der fließenden Wärmemenge enthalten.
Die genannten Elemente 11, 12, 13, 14, 15 bilden ein thermisches System 17 aus, dessen Systemgrenzen strichpunktiert eingezeichnet sind. Der Wandler 14 ist als thermoelektrischer Generator (beispielsweise als Peltierelement ) ausgebildet und erzeugt aufgrund der Temperaturdifferenz zwischen dem Interface 12 und dem Zusatzkühlkörper 15 elektrische Energie. Die¬ se wird an ein Steuermodul 18 abgegeben, wobei das Steuermo¬ dul 18 das Energiemanagement für eine Kühlanordnung 19 über¬ nimmt, deren Systemgrenzen ebenfalls durch eine strichpunk- tierte Linie angegeben sind. Der Wandler 14 gehört dieser
Kühlanordnung 19 an und bildet gleichzeitig ein Element des thermischen Systems 17 und ist damit das das verbindende Ele¬ ment beider Systeme zu verstehen. Abhängig vom Betriebszustand der Kühlanordnung 19 ermöglicht das Steuermodul 18 folgende Betriebszustände . Wird die durch den Wandler 14 erzeugte elektrische Energie nicht oder nur teilweise benötigt, wird mit dem Steuermodul ein Energiespei¬ cher 20 in Form einer aufladbaren Batterie gespeist. Umge- kehrt kann die gespeicherte elektrische Energie aus dem Ener¬ giespeicher 20 dem Steuermodul 18 zur Verfügung gestellt werden, wenn der Wandler 14 nicht genügend elektrische Energie erzeugt . Die elektrische Energie kann für unterschiedliche Funktions¬ elemente 21, 22, 23 verwendet werden. Diese Funktionselemente können durch das Steuermodul 18 angesteuert werden oder ihre Funktion autark ausüben. Im letzteren Fall wird durch das Steuermodul 18 lediglich die Energieversorgung geregelt. Ein Beispiel für ein Funktionselement ist eine Kühlvorrichtung 21. Diese Kühlvorrichtung 21 wird dazu verwendet, um einen zusätzlichen Kühlungseffekt für die elektrische Komponente 11 herbeizuführen. Zu diesem Zweck wirkt die Kühlvorrichtung 21 entsprechend des gestrichelten Pfeils 22 auf den Kühlkörper 13, der dadurch eine höhere Kühlleistung für die elektrische Komponente 11 erbringen kann (vgl. Figur 2 du zugehörige Be¬ schreibung) . Bei der Kühlvorrichtung 21 kann es sich bei- spielsweise um einen Piezofächer 23 gemäß Figur 3 handeln.
Eine andere Möglichkeit besteht darin, als Funktionselement eine Überwachungsvorrichtung 24 für die elektronische Komponente 11 vorzusehen. Hierdurch kann beispielsweise ein Über- hitzungsschutz realisiert werden, indem die Überwachungsvorrichtung 24 entsprechend des angedeuteten gestrichelten
Pfeils 25 die elektronische Komponente 11 zum Schutz vor Überhitzung abschaltet. In einem solchen Betriebszustand lie¬ fert der Wandler 14 den hierfür notwendigen Strom, so dass die Funktion der Überwachungsvorrichtung 24 gewährleistet ist. Die Überwachungsvorrichtung 24 kann das Vorliegen eines Überlastfalls auch an eine Anzeigevorrichtung 26, z. B. eine LED, ausgeben. Außerdem kann auch eine Datenübertragungsvorrichtung 27 vorgesehen werden, so dass ein Überwachungsergeb- nis (so z. B. auch die aktuelle Temperatur der elektronischen Komponente 11) kabelgebunden oder kabellos zwecks externer Datenverarbeitung an einen nicht dargestellten Rechner weitergegeben werden kann. Auf diesem Weg lässt sich eine über mehrere (nicht dargestellte) elektronische Komponenten über- greifende Überwachung und Steuerung verwirklichen, wobei die hierfür erforderlichen Daten energieautark ermittelt und versendet werden können, da die Energieerzeugung durch die Abwärme der elektrischen Komponente 11 ermöglicht wird. Hier¬ durch steigt vorteilhaft die Zuverlässigkeit des Überwa- chungssystems , wobei gleichzeitig die Kühlleistung für die elektronische Komponente 11 erhöht wird.
Der Energiefluss an elektrischer Energie zwischen den Elementen 14, 18, 20, 21, 24, 26 und 27 sind durch schmale Pfeile 28 angedeutet. Diese geben lediglich den Fluss an elektrischer Energie zur Energieversorgung dieser Elemente an. Signalflüsse zwischen den einzelnen Elementen sind in Figur 1 nicht dargestellt. Wie aus Figur 1 deutlich wird, muss die Energieversorgung der Elemente (beispielsweise 26, 27) nicht unbedingt direkt durch das Steuermodul 18 erfolgen. Die Über¬ wachungsvorrichtung 24 versorgt ihrerseits die Anzeigevorrichtung 26 und die Datenübertragungsvorrichtung 27 mit elektrischem Strom, welchen sie selbst von dem Steuermodul 18 bezieht .
In Figur 2 ist der Wärmefluss, welcher durch die in der elektrischen Komponente 11 entstehende Wärme ausgelöst wird, schematisch dargestellt. Je größer dieser Wärmefluss aus¬ fällt, desto größer ist der Kühleffekt, der durch Kühlungs¬ maßnahmen für die elektronische Komponente 11 erreicht wird. Zunächst wird, wie gemäß dem Stand der Technik bekannt, durch eine passive Kühlung des Kühlers 13 (Wärmeleitung) die Wärme- menge Qp aus der elektronischen Komponente 11 abgeleitet. Der Wandler 14, der als thermoelektrischer Generator ausgelegt ist, führt ebenfalls durch Wärmeleitung eine zweite Wärmemen¬ ge Qg ab. Diese Wärmemenge Qg vergrößert damit den Kühlungs¬ effekt für elektrische Komponente 11, so dass erfindungsgemäß die Wärmemenge Qi abgeleitet wird. Der Wandler 14 erzeugt dann die elektrische Energiemenge E, wodurch der Wärmefluss Qg verringert wird.
Wird, wie gemäß Figur 1 vorgeschlagen, eine zusätzliche akti- ve Kühlvorrichtung 21 betrieben, so vergrößert diese aktive
Kühlung den Kühleffekt des Kühlkörpers 13. Hierdurch wird zu¬ sätzlich aufgrund der aktiven Kühlung die Wärmemenge Qa aus der elektrischen Komponente 11 abgeführt, wodurch erfindungs¬ gemäß die insgesamt abgeführte Wärmemenge auf Q2 ansteigt. Der Kühlkörper 13 selbst muss dabei nicht modifiziert werden, so dass an der elektrischen Komponente 11 kein höherer Platzbedarf entsteht.
In Figur 3 ist ein Ausführungsbeispiel der Kühlanordnung zu erkennen. Die elektrische Komponente 11 ist auf einem Schal¬ tungsträger 29 in Form einer Leiterplatte montiert. Auf der Oberseite der elektrischen Komponente 11 ist der Kühlkörper 13 montiert. Da dieser teilweise aufgeschnitten dargestellt ist, ist zu erkennen, dass dieser Rippen 30 aufweist. Mit der Montageseite ist die elektrische Komponente 11 auf einen thermischen Leitpfad 31 montiert, der als metallische Schicht auf der Vorderseite 32 des Schaltungsträgers 29 aufgebracht ist. Der thermische Leitpfad 31 wird komplettiert durch ther¬ mische Durchkontaktierungen 33, die eine metallische Schicht 34 auf der Rückseite 35 des Schaltungsträgers 29 kontaktie¬ ren. Auf der Schicht 34 sowie auf dem thermischen Leitpfad 31 sind jeweils ein Wandler 14 in Form von Peltierelementen an- gebracht, deren jeweils gegenüberliegende Seite mit jeweils einem Zusatzkühlkörper 15 versehen ist. Diese Zusatzkühlkörper 15 weisen ebenfalls Rippen 30 auf. Durch gestrichelte Li¬ nien 36 sind Leitungen angedeutet, welche die beiden Wandler 14 mit dem Steuermodul 18 verbinden. Dieses steuert außerdem einen als Piezoaktor 37 ausgebildeten zweiten Wandler an, der einen Teil der Kühlvorrichtung 23 bildet. Der Piezoaktor 37 treibt einen Fächer 38 an, der entlang des Doppelpfeils 39 schwingt, um Luft entlang der Rippen 30 des Kühlkörpers 13 und des auf der Vorderseite 32 montierten Zusatzkühlkörpers 15 zu bewegen. Hierdurch wird der Kühleffekt dieser beiden Kühlkörper vergrößert.
In Figur 4 ist eine Variante für die Kühlanordnung darge¬ stellt, bei der diese als Baueinheit ausgebildet ist. Als Träger für die einzelnen Elemente dient der Kühlkörper 13, wobei dieser an der Seite mit einem Steuermodul 18 versehen ist, welches einen Wandler 14 ansteuert, wobei dieser auf dem Steuermodul 18 befestigt ist. Auf der anderen Seite des Wand¬ lers 14 ist der Zusatzkühlkörper 15 angebracht.
Eine andere Möglichkeit besteht darin, das Modul, wie eben¬ falls dargestellt, zwischen zwei Rippen 30 des Kühlkörpers 13 unterzubringen. In diesem Fall ist der Kühlkörper 15 mit einer Geometrie ausgestattet, die im Wesentlichen derjenigen der Kühlrippen 30 entspricht, so dass der Zusatzkühlkörper 15 eine dieser Rippen ersetzt. Der Zusatzkühlkörper 15 gabelt sich an dessen Fußpunkt und stellt zwischen der Gabelung einen Einbauraum für das Steuermodul 18, den Piezoaktor 37 und den Fächer 38. Der Fächer 38 kann daher in einer nicht dargestellten Öffnung arbeiten und bewirkt einen Luftaustausch zwischen den benachbarten Zwischenräumen 40, die durch die Rippen 13 und dem Zusatzkühlkörper 15 gebildet werden.
Mit den Außenflanken stellt der Zusatzkühlkörper 15 Montageflächen für Wandler 14 in Form von Peltierelementen zur Verfügung, die mit ihrer jeweils anderen Seite mit den Rippen 30 des Kühlkörpers 13 verbunden sind und damit die modulartige Baueinheit zwischen den Rippen 30 fixieren. Der Zusatzkühlkörper 15 berührt den Kühlkörper 13 an keiner Stelle direkt, so dass dieser in einem anderen Temperaturbereich betrieben werden kann.
In Figur 5 ist ebenfalls eine Baueinheit dargestellt. Der Wandler 14 besteht in diesem Fall jedoch aus einem thermome- chanischen Aktor, der beispielsweise durch einen
Bimetallstreifen oder ein Element aus einer Formgedächtnislegierung gebildet sein kann. Dieser ist einseitig in einer Einspannung 41 gehalten. Mit dem freien Ende bildet er ein Gelenkt 42, das außerdem mit einem um eine Drehachse 43 gela¬ gerten Fächer 38 verbunden ist. Temperaturabhängig verformt sich der Wandler 14 entsprechend des Doppelpfeils 44, wodurch über das Gelenk 42 der Fächer 38 zu einem Fächeln angeregt wird .
Mit dem Gelenk 42 ist außerdem ein Speicherblock 45 für Wärme z. B. aus Kupfer verbunden. Durch die Bewegung des Wandlers 14 stößt dieser Speicherblock abwechselnd gegen den heißeren Kühlkörper 13 und den kühleren Zusatzkühlkörper 15. Dies bewirkt ein abwechselndes Aufheizen und Abkühlen des Speicherblocks, der seinerseits den Wandler abwechselnd aufheizt und abkühlt. Hierdurch wird die Bewegung des Wandlers 14 (Wand¬ lung von thermischer in mechanische Energie) hervorgerufen.
Figur 6 zeigt die Möglichkeit, den Piezofächer 23 als Bauein¬ heit mit dem Kühlkörper 13 auszuführen. Dieser ist kammartig aufgebaut, so dass die Fächer 38 jeweils in die Zwischenräume 40 zwischen den Rippen 30 hineinragen. Wie Figur 7 zu entnehmen ist, sind die Fächer 38 zu diesem Zweck von einem gemeinsamen Basisstreifen 46 abgewinkelt. Dieser Basisstreifen 46 stützt sich an der Außenseite des Kühlkörpers 13 ab und liegt ansonsten auf Piezoaktoren 37 auf. Hierdurch entsteht bei Aktivierung der Piezoaktoren 37 eine fächelnde Bewegung der Fächer 38 gemäß dem Doppelpfeil 39.
Die Piezoaktoren 37 werden durch Wandler 14 in Form von
Peltierelementen angetrieben, die im unteren Bereich des
Kühlkörpers 13 angeordnet sind. Der Kühlkörper ist rechteckig ausgeführt, wobei an jeweils gegenüberliegenden Außenseiten die Wandler 14 angebracht sind und um 90° verdreht an den beiden gegenüberliegenden Außenseiten jeweils die Piezofächer 23 angeordnet sind. Die Peltierelemente weisen jeweils an der vom Kühlkörper 13 abgewandten Seite einen Zusatzkühlkörper 15 auf. Der Aufbau der zum Einsatz kommenden Peltierelemente ist ebenfalls angedeutet und an sich allgemein bekannt. Dieser besteht aus Kontaktblöcken aus p-dotierten Halbleitern 47 und n-dotierten Halbleitern 48, die jeweils über Kontaktstücke 49 zu einem Stromkreis verbunden sind. Der Wandler 14 ist auf einer elektrischen Isolationsschicht 50 angebracht, die eine elektrische Isolation zum Kühlkörper 13 gewährleistet.

Claims

Patentansprüche
1. Kühlanordnung für eine elektronische Komponente (11), auf¬ weisend einen Kühlkörper (13) mit einer Kontaktfläche (12) für die elektronische Komponente (11),
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,
dass die Kühlanordnung
• einen Wandler (14) zur Wandlung von thermischer Energie in eine Nutzenergie und
· als ein Funktionselement, in das diese Nutzenergie
einspeisbar ist, eine Kühlvorrichtung (21) für den Kühlkörper oder für die elektronische Komponente (11) aufweist .
2. Kühlanordnung 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 Wandler (14) durch einen thermoelektrischen Generator gebildet ist.
3. Kühlanordnung 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 der thermoelektrische Generator und das Funktionselement mit einem elektrischen Energiespeicher (20) verbunden sind.
4. Kühlanordnung nach einem der voranstehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,
dass die Kühlvorrichtung durch einen Piezofächer, einen motorisch betriebenen Lüfter oder ein Peltierelement gebildet ist .
5. Kühlanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,
dass ein Funktionselement durch eine Überwachungsvorrichtung (24) und/oder eine Anzeigevorrichtung und/oder eine Datenü- bertragungsvorrichtung gebildet ist.
6. Kühlanordnung nach einem der voranstehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass der Wandler (14) mit einem Zusatzkühlkörper (15) kontaktiert ist.
7. Kühlanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,
dass mehrere Module der Kühlanordnung eine Baueinheit ausbil¬ det .
8. Kühlanordnung nach Anspruch 7,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,
dass der Wandler (14) mit dem Kühlkörper (13) kontaktiert ist .
9. Kühlanordnung nach Anspruch 8,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,
dass der Kühlkörper (13) Rippen (30) aufweist und der Wandler (14) zwischen benachbarten Rippen (30) angeordnet ist.
10. Kühlanordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 9,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,
dass ein Steuermodul (18) für das Funktionselement (21, 24, 26, 27) und/oder den thermoelektrischen Generator vorgesehen ist, das die durch den thermoelektrischen Generator erzeugte Energie verbraucht.
11. Elektronische Baugruppe mit einer elektronischen Kompo¬ nente und einer Kühlanordnung nach einem der voranstehenden Ansprüche,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,
dass die Kühlanordnung aus mehreren Modulen besteht, die gemeinsam mit der elektronischen Komponente (11) auf einem Schaltungsträger (29) moniert sind.
12. Elektronische Baugruppe nach Anspruch 11,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,
dass der Wandler (14) auf einer Rückseite des Schaltungsträ¬ gers angeordnet ist.
13. Elektronische Baugruppe nach einem der Ansprüche 11 oder 12,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,
dass der Wandler (14) mit der elektronischen Komponente (11) oder mit einem von der elektronischen Komponente (11) ausge¬ henden Wärmeleitpfad (31) kontaktiert ist.
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Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102017211103A1 (de) 2017-06-29 2019-01-03 E.G.O. Elektro-Gerätebau GmbH Lüftungsvorrichtung für ein Elektrogerät und Elektrogerät mit einer solchen Lüftungsvorrichtung
EP3431263B1 (de) * 2017-07-21 2021-04-21 CL Schutzrechtsverwaltungs GmbH Verfahren zum betrieb von mindestens einer vorrichtung zur generativen fertigung dreidimensionaler objekte
CN108518364A (zh) * 2018-03-27 2018-09-11 联想(北京)有限公司 一种摆动式风扇和电子设备

Family Cites Families (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5419780A (en) * 1994-04-29 1995-05-30 Ast Research, Inc. Method and apparatus for recovering power from semiconductor circuit using thermoelectric device
US5921087A (en) * 1997-04-22 1999-07-13 Intel Corporation Method and apparatus for cooling integrated circuits using a thermoelectric module
US6143975A (en) * 1999-01-25 2000-11-07 Dell Usa, L.P. Thermoelectric regenerator
JP3753995B2 (ja) * 2002-03-13 2006-03-08 インターナショナル・ビジネス・マシーンズ・コーポレーション 冷却装置および情報処理装置
US7939743B2 (en) * 2005-09-14 2011-05-10 Micro-Star International Co., Ltd. Computer with thermoelectric conversion
US9059372B2 (en) * 2007-10-25 2015-06-16 Jeffrey Sicuranza System for recycling energy
US20090109620A1 (en) * 2007-10-31 2009-04-30 Wang Cheng-Tu Heat-dissipating device of portable electronic apparatus
JP5304899B2 (ja) * 2009-09-01 2013-10-02 株式会社村田製作所 圧電ファン及びこの圧電ファンを用いた空冷装置
DE102014104976B4 (de) * 2013-04-29 2017-07-06 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha Gedruckte Leiterplatinen mit Temperaturmanagementeigenschaften und diese aufweisende Temperaturmanagementvorrichtungen

Also Published As

Publication number Publication date
US20180269371A1 (en) 2018-09-20
DE102015218083A1 (de) 2017-03-23
CN108140711A (zh) 2018-06-08
WO2017050570A1 (de) 2017-03-30

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