WO2006136248A2 - Wärmeableitvorrichtung - Google Patents

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WO2006136248A2
WO2006136248A2 PCT/EP2006/004720 EP2006004720W WO2006136248A2 WO 2006136248 A2 WO2006136248 A2 WO 2006136248A2 EP 2006004720 W EP2006004720 W EP 2006004720W WO 2006136248 A2 WO2006136248 A2 WO 2006136248A2
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substrate
heat
bearing means
wärmeableitvorrichtung
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PCT/EP2006/004720
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Michael Born
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Bosch Rexroth AG
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Bosch Rexroth AG
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Ceased legal-status Critical Current

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    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • H05K7/00—Constructional details common to different types of electric apparatus
    • H05K7/20—Modifications to facilitate cooling, ventilating, or heating
    • H05K7/2089—Modifications to facilitate cooling, ventilating, or heating for power electronics, e.g. for inverters for controlling motor
    • H05K7/209—Heat transfer by conduction from internal heat source to heat radiating structure

Definitions

  • the invention relates to a device for transferring heat which is emitted by heat generators.
  • the backplane of housings comprising such transistor modules usually consists of a heat dissipation plate. Because of the favorable thermal properties, this plate is often made of aluminum or copper.
  • the transistor module is screwed directly to such a plate.
  • the plate is thermally coupled to a cooling device. This can be a water cooling or cooling fins. Depending on the field of application and the processing power, relatively large heat transfer surfaces of the order of 20 square centimeters or more may arise.
  • the present invention is therefore based on the object always to ensure a full-surface contact between the heat generator and the cooling device.
  • the heat dissipation device has a substrate, which comprises a receiving surface for receiving a heat generator and a heat dissipation surface for dissipating a heat flow, wherein additionally a bearing means for the substrate is included, which allows flexible storage of the substrate on a substrate carrier.
  • the bearing means is made of a flexible material which allows non-rigid mounting. Based on these. Storage is a relative movement between the substrate and substrate carrier allows.
  • the heat generator will usually be a waste heat generator, which gives off heat due to ohmic losses to its immediate environment. Any other types of heat generators are also conceivable. It also does not necessarily have to be loss heat when it comes to heat transfer.
  • a substrate is understood to mean a preferably metallic carrier material with the best possible heat-conducting properties. Materials such as copper, aluminum or graphite or combinations thereof are preferably used because of the reasonable cost.
  • the Aumahme simulation is usually provided with holes and / or threads by means of which the heat generator can be attached. A clamping of the heat generator would be conceivable.
  • the preferably newly designed receiving and politiciansableit materials should forward the heat generated by the heat generator and transferred to the substrate heat flow to a heat sink, such as a heat sink or a liquid cooling device.
  • the motherboardableit configuration has in contrast to Aumahmenism not necessarily on fastening means, since the heat transfer to the heat sink is preferably realized by pressing, as will become apparent from the further explanations.
  • the heat dissipation surface can be coated with a heat-conducting foil, which compensates for minor unevenness and further improves the heat transfer.
  • a thermal grease would be conceivable, but the film should be given preference due to the easier processability.
  • a graphite foil is used here.
  • the bearing means for attaching the substrate to a substrate carrier ensures due to its material properties a resilient mounting of the substrate relative to the substrate (shock absorber effect).
  • a substrate carrier for example, the wall of a sheet-metal housing act. Any other type of surface is also suitable and, in principle, any object or surface on which the Heat dissipation device is arranged by means of the storage, in abstract terms, the carrier material.
  • the flexible storage ensures the mobility of the substrate in certain preferred directions, so that a pressing of the heat dissipation surface is made possible to a corresponding cooling device. This, albeit minimal, mobility of a few millimeters is a prerequisite for the function of the invention.
  • the flexible mounting of the heat sink compensates for any misalignment between the cooler surface and the heat sink surface by adapting the heat sink to any bumps or avoiding a cavity. It is thus effected that at the heat transfer point a secure and flat contact comes about. Even at the hot spot, so at the hottest point, for example, directly under a power semiconductor, the best possible heat transfer is guaranteed.
  • a device equipped with such a heat dissipation device is easier to assemble and disassemble and, accordingly, to replace quickly in the event of a defect. Among other things, this is ensured by the fact that the number of glands has been minimized and all
  • Cold devices can be mounted by means of the invention as the warm devices.
  • the substrate comprises a tube sealed in a vacuum-tight manner, on the inside of which a capillary structure is arranged and in which a working liquid is contained.
  • a pipe construction is known in the art as a heat pipe or super heat conductor.
  • the introduced working fluid water or alcohol
  • the heat transfer within the heat pipe is done by evaporation and condensation. Heat energy at one point of the heat pipe leads to an evaporation of the working fluid while absorbing energy.
  • the steam flows in the direction of the temperature gradient and condenses again at a cooler point. This energy is released again.
  • the condensate returns through the capillary and Gravity back to the evaporation zone.
  • Such a heat pipe would significantly improve the heat dissipation characteristics of the substrate.
  • the substrate is plate-shaped, so that a cooling device can be arranged on a plate side of the heat generator and on the opposite side, because large-area contacts improve the thermal heat dissipation of the arrangement.
  • the bearing engages at least two locations of the substrate to stabilize the plate.
  • the bearing means comprises a spring, in particular a leaf spring or a plate spring or a compression coil spring.
  • Springs allow the inexpensive realization of a flexible storage by their Klemm designing. Pressing action.
  • the leaf spring allows a flat storage.
  • Coil springs provide even greater flexibility when, for example, a plate-shaped substrate is supported at its four corners, each with a single helical spring. The adaptability to uneven surfaces is thus further increased.
  • the spring constant is adjustable, which allows a simple adjustment of the spring force in the production and possibly also during operation.
  • the bearing means comprises a holding device and / or a clamping device for locking or encasing electronic components. It is possible that components mounted on the receiving surface of the substrate project beyond this receiving surface. Additional measures are then required to prevent damage. External and separate from the heat sink fixtures complicate the assembly and reduce the modularity. The solution presented here has the additional benefit that it dispenses with an additional external holder and thus material and assembly costs are reduced.
  • the bearing means is multi-part and at least partially slidably disposed on the substrate. This is to be effected hereby a sectionally flexible connection between substrate and storage means. A screw connection would firmly connect both materials with possibly different coefficients of expansion, which can lead to undesired material stresses. Under a sliding storage, for example, a storage means of a rail-shaped storage means understood, so that there is still room for movement between substrate and bearing.
  • the object of the invention is also achieved in that a heat generator is mounted in a housing with a recess in a housing wall, wherein the heat generator is disposed on a planteableitvorraum invention and the bearing means of the heat dissipation device on the inside of the housing, whereby the housing acts as a substrate carrier and the substrate is at least partially immersed in the housing recess.
  • the recess is usually located on the back of the housing, this back is usually associated with a water-cooled mounting wall inside a cabinet.
  • the purpose of the recess is that the heat dissipation surface of the heat dissipation device mounted inside the housing can directly contact the cooling device through the entire recess.
  • the substrate must be immersed in the recess and protrude slightly, ie a few (about 1 to 3 mm) millimeters beyond the back of the housing facing the heat sink.
  • a pressure is exerted on the heat dissipation device of the substrate from the surface of the cooling device. By this pressure, the substrate is forced back into the housing, the flexible or resilient substrate storage builds up opposing forces.
  • the housing recess could also be mounted laterally, so that the substrate on one side bolted heat sink is pressed. Also, a plurality of independent sauceableitvoriquesen can be placed on one or more sides of the housing.
  • a protrusion is arranged on a housing inner side as a movement stop or stop for the movement of the substrate, because an acting on the heat dissipation surface of the substrate external force could be greater than the spring force and thus push the entire device into the housing , for example, during transport of the housing.
  • projections are provided within the housing '. This avoids major potential transport damage.
  • the protrusions are to be spaced so far from the substrate of the heat sink that the normal operation is not disturbed, i. a certain immersion depth in the housing interior is always guaranteed.
  • the heat generator is a bleeder resistor or a power semiconductor or a transistor module.
  • bearing means at least partially encased electrical components in order to stabilize or protect them.
  • the bearing means can also serve to accommodate an additional device for air circulation.
  • This device can thus be easily mounted in the vicinity of the heat generator.
  • the housing comprises an electrical device, which is a converter or a capacity module or a brake module or a drive controller or a supply module or another
  • a control cabinet with a cooling device which includes electrical devices according to the invention, can be dimensioned with smaller dimensions, as a control cabinet with devices of the same performance, but poorer heat dissipation. This has a positive effect on the production costs and the follow-up costs.
  • section A-A shows an insight into the interior (section A-A) of an electrical device, which comprises a erf ⁇ ndungshiele heat dissipation device. For reasons of clarity, the display of further internals of the device has been dispensed with.
  • Figure 2 is a rear view of the housing of the electrical device already shown in Figure 1.
  • the outer wall 4 of the housing as a longitudinal section AA, the substrate 1 with a heat generator 7, bearing means 2, spacers 3 and adjusting means 5 for changing the storage properties, a clamping and / or holding device 2 ', a fan and outer fastening tabs 6.
  • the The configuredableitvo ⁇ ichtung comprises an aluminum plate 1, viewed from the inside of the housing, a receiving surface for receiving a transistor module 7 and viewed from the outside of the housing comprises a heat dissipation surface for dissipating a heat flow.
  • the heat dissipation device comprises a leaf spring 2 for flexible two-sided support of the aluminum plate 1.
  • This leaf spring 2 is rail-shaped on the right side of the housing rear wall, so that the aluminum plate 1 is movably mounted between the leaf spring rail 2 and the rear wall of the housing.
  • the aluminum plate 1 could thus perform both a movement in the direction of the normal of the receiving surface and a movement in normal to the vertical directions.
  • the leaf spring 2 with the aluminum plate 1 and the rear wall 4 is firmly screwed and thus only movable in the direction of the normal of Aufhahme modelling.
  • a force on the politiciansableit Chemistry the aluminum plate 1 in the direction of the housing interior it can be pushed into the housing interior to the stop 3.
  • the spring constant of the leaf spring can be varied. This feature is especially useful during the creation of Use experimental setups. For later mass production, one starts from fixed spring constants and can therefore refrain from a standard realization.
  • the left-hand leaf spring 2 is configured in such a way that the components 7 arranged on the aluminum plate 1, which can also protrude beyond the aluminum plate 1, are at least partially spatially encased by means of a U-shaped holder 2 '.
  • This bracket 2 ' is integral with the leaf spring on the left side of the
  • Aluminum plate 1 connected and realized by a bending process.
  • a circular segment-shaped projection in conjunction with the flexible material properties of the leaf spring, ensures a clamping action.
  • An additional device for locking objects (thread, bore, rivets) on the leaf spring 2 ' is advantageous.
  • a fan 8 could be mounted by means of such an additional device, which directly ventilates the transistor module 7 and possibly a circuit board additionally encompassed by the transistor module by means of suitable recesses.
  • variable force When acting on the 9,ableit Colour the aluminum plate 1 outer, variable force performs the aluminum plate according to the arrows and due to the resilient bearing a reversing movement, which is limited by the projections 3 and the inner rear wall of the housing.
  • FIG. 2 shows the rear wall of the housing.
  • the arrows at the reference AA again make the viewing direction in the housing interior by means of Figure 1 clearly.
  • the housing wall 4, the aluminum plate 1 and the suspension tabs 6 are shown only from a different perspective.
  • Figure 2 shows that side of the housing, which is usually screwed to the mounting plate of a cabinet with cooling device.
  • the aluminum plate 1 of the heat dissipation device is pressed flat by means of the suspension and the contact pressure caused by the screwing on the tabs 6 to this mounting plate, wherein a full-surface thermally conductive graphite foil or conductive paste (not shown) can further increase the conductivity.
  • the heat loss produced by the internal power electronics which generates a frequency-variable rotating field from an intermediate circuit voltage, is transferred directly to the aluminum plate 1 and transferred from the aluminum plate 1 either directly or indirectly via more known from the prior art and the heat transfer conducive materials transferred to the usual usually in cold devices water-cooled choirableitsystem.

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Abstract

Wärmeableitvorrichtung mit einem Substrat (1), welches eine Aufhahmefläche zur Aufnahme eines Wärmeerzeugers und eine Wärmeableitfläche zur Ableitung eines Wärmestroms umfasst, wobei ein Lagermittel (2) für das Substrat (1) umfasst ist, welches eine flexible Lagerung des Substrats (1) an einem Substratträger (4) ermöglicht. Die flexible Lagerung der Wärmeableitvorrichtung gleicht etwaige Schiefstellungen zwischen einer Kühlvorrichtungsoberfläche und der Wärmeableitfläche aus, indem sich die Wärmeableitfläche den Unebenheiten flexibel anpasst.

Description

Wärmeableitvorrichtung
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Übertragung von Wärme, welche durch Wärmeerzeuger abgegeben wird.
Derartige Vorrichtungen sind aus dem Stand der Technik in Verbindung mit verlustbehafteten elektrischen Bauteilen bekannt. Beispielsweise ist in dem Abstract der japanischen Patentanmeldung mit der Veröffentlichungsnummer JP 924 676 4 A ein mittels einer Feder mit einem Kühlkörper verbundenes elektrisches Leistungsbauteil gezeigt. Die Feder klemmt das Bauteil direkt auf den Kühlkörper und verbessert aufgrund des Anpressdruckes den Wärmeübergang vom Bauteil auf den Kühlkörper. Die Rückseite des Bauteils wiederum ist möglichst großflächig so ausgebildet, dass eine optimale Wärmeabfuhr gewährleistet ist.
Bei Transistormodulen, welche zur Wandlung einer Zwischenkreisspannung in eine mehrphasige Spannung für den Betrieb von Drehstrommotoren eingesetzt werden, muss sehr viel Verlustwärme an die Umgebung abgegeben werden. Deshalb besteht die Geräterückwand von Gehäusen, welche derartige Transistormodule umfassen, üblicherweise aus einer Wärmeableitplatte. Wegen der günstigen thermischen Eigenschaften ist diese Platte häufig aus Aluminium oder Kupfer hergestellt. Das Transistormodul wird direkt an eine solche Platte angeschraubt. Außenseitig wird die Platte mit einer Kühlvorrichtung thermisch gekoppelt. Hierbei kann es sich um eine Wasserkühlung oder um Kühlrippen handeln. Je nach Anwendungsgebiet und zu' verarbeitender Leistung können relativ große Wärmeübergangsflächen in der Größenordnung von 20 Quadratzentimetern oder mehr entstehen. Bei derart großen Wärmeübergangsflächen ist das Risiko, dass die thermische Leitfähigkeit durch Unebenheiten reduziert wird, größer als bei sehr kleinen Flächen. Um dieses Risiko zu minimieren, ist ein erhöhter Montageaufwand aufgrund zusätzlicher erforderlicher Pressverschraubungen notwendig. Oftmals sind diese Verschraubungen jedoch gar nicht ausführbar oder gewünscht, weil diese von der Innenseite des Gehäuses her erfolgen müssten, was der geforderten Modularität und der gewünschten einfachen Austauschbarkeit der Geräte entgegensteht. Einige Gerätehersteller versuchen das Problem dadurch zu lösen, dass an der Gehäuseaußenseite seitlich zusätzliche Verschraubungen angebracht werden. Dies geht jedoch dann zu Lasten des Raumbedarfes. Das Ziel ist es, möglichst viele Geräte innerhalb eines Schaltschrankes nebeneinander angeordnet unterzubringen. Hierzu müssen die Geräte mit möglichst geringer Beabstandung zueinander nebeneinander und innerhalb des Schaltschrankes montiert werden. Seitlich angebrachte Verschraubungen sind dabei störend, denn die links und rechts vom auszuwechselnden Modul benachbarten Module müssten dann eventuell zuerst entfernt werden, wenn man das betroffene Modul lösen möchte. Das ist natürlich ein unzumutbarer Aufwand und unbedingt zu vermeiden. Es würde außerdem die sogenannten MTTR- Werte (mean time to repair) erhöhen. Diese Werte sind ein Richtmaß dafür, wie lange ein solcher Geräteaustausch maximal dauern sollte. Für jede weitere Schraube, die zu lösen ist, erhöht sich der MTTR- Wert um eine bestimmte Zeit. Dies wirkt sich negativ auf die Attraktivität des Produktes aus. Man versieht daher die Module nur an den stets zugänglichen Stellen mit Verschraubungen, benötigt für diesen Fall jedoch eine spezielle Lösung, um eine optimale Wärmeabfuhr zu gewährleisten.
Der vorliegenden Erfindung liegt damit die Aufgabe zugrunde, stets einen vollflächigen Kontakt zwischen Wärmeerzeuger und Kühlvorrichtung zu gewährleisten.
Dies wird bei einer Vorrichtung gemäß einem der unabhängigen Ansprüche erreicht. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Die erfindungsgemäße Wärmeableitvorrichtung weist ein Substrat auf, welches eine Aufnahmefläche zur Aufnahme eines Wärmeerzeugers und eine Wärmeableitfläche zur Ableitung eines Wärmestroms umfasst, wobei zusätzlich ein Lagermittel für das Substrat umfasst ist, welches eine flexible Lagerung des Substrats an einem Substratträger ermöglicht. Das Lagermittel ist aus einem flexiblen bzw. nachgiebigen Material hergestellt, welches eine nicht starre Lagerung ermöglicht. Aufgrund dieser. Lagerung wird eine Relativbewegung zwischen Substrat und Substratträger ermöglicht. Der Wärmeerzeuger wird in der Regel ein Verlustwärmeerzeuger sein, welcher aufgrund von ohmschen Verlusten Wärme an seine unmittelbare Umgebung abgibt. Jegliche andere Arten von Wärmeerzeugern sind ebenfalls denkbar. Es muss sich bei der Wärmeübertragung auch nicht unbedingt um Verlustwärme handeln. Auch der gezielte Wärmetransport zur Wärmeversorgung wäre denkbar, so dass mittels der Wärmeableitfläche Wärme von einer Wärmequelle an die Aufnahmefläche geführt wird. Unter einem Substrat wird ein vorzugsweise metallisches Trägermaterial mit möglichst guten Wärmeleiteigenschaften verstanden. Materialien wie Kupfer, Aluminium oder Graphit oder Kombinationen daraus werden aufgrund der vertretbaren Kosten hierbei vorzugsweise eingesetzt.
Die Aumahmefläche ist in der Regel mit Bohrungen und/oder Gewinden versehen mittels derer der Wärmeerzeuger befestigt werden kann. Auch ein Aufklemmen des Wärmeerzeugers wäre denkbar.
Die vorzugsweise eben ausgestaltete Aufnahme- und Wärmeableitfläche soll den vom Wärmeerzeuger verursachten und auf das Substrat übertragenen Wärmestrom an eine Wärmesenke, beispielsweise einen Kühlkörper oder eine Flüssigkühlvorrichtung weiterleiten. Die Wärmeableitfläche verfügt im Gegensatz zur Aumahmefläche nicht zwingend über Befestigungsmittel, da der Wärmeübergang auf den Kühlkörper vorzugsweise durch Anpressen realisiert wird, wie aus den weiteren Erläuterungen noch deutlich werden wird. Die Wärmeableitfläche kann mit einer Wärmeleitfolie beschichtet sein, was kleinere Unebenheiten ausgleicht und den Wärmeübergang nochmals verbessert. Auch eine Wärmeleitpaste wäre denkbar, der Folie sollte jedoch aufgrund der einfacheren Verarbeitbarkeit der Vorzug gegeben werden. Vorzugsweise kommt hierbei eine Graphitfolie zum Einsatz.
Das Lagermittel zur Anbringung des Substrates an einem Substratträger gewährleistet aufgrund seiner Materialeigenschaften eine nachgiebige Lagerung des Substrates relativ zu dem Trägermaterial (Stoßdämpfereffekt). Als Substratträger kann beispielsweise die Wand eines Blechgehäuses fungieren. Jede andere Art von Untergrund ist ebenfalls geeignet und prinzipiell stellt jeder Gegenstand oder jeder Untergrund, auf dem die Wärmeableitvorrichtung mittels der Lagerung angeordnet ist, abstrakt ausgedrückt, das Trägermaterial dar.
Die flexible Lagerung gewährleistet die Beweglichkeit des Substrates in bestimmte Vorzugsrichtungen, so dass ein Anpressen der Wärmeableitfläche an eine korrespondierende Kühlvorrichtung ermöglicht wird. Diese, wenn auch minimale, Beweglichkeit von wenigen Millimetern ist Grundvoraussetzung für die Funktion der Erfindung.
Die flexible Lagerung der Wärmeableitvorrichtung gleicht etwaige Schiefstellungen zwischen der Kühlvorrichtungsoberfläche und der Wärmeableitfläche aus, indem sich die Wärmeableitfläche etwaigen Unebenheiten anpasst bzw. ein Hohlraum vermieden wird. Es wird damit bewirkt, dass an der Wärmeübergangsstelle ein sicherer und flächiger Kontakt zustande kommt. Auch am Hotspot, also an der heißesten Stelle, beispielsweise direkt unter einem Leistungshalbleiter, ist eine bestmögliche Wärmeübertragung gewährleistet. Ein mit einer deratigen Wärmeableitvorrichtung ausgestattetes Gerät lässt sich einfacher montieren und demontieren und dementsprechend im Falle eines Defektes schnell austauschen. Dies wird unter anderem dadurch gewährleistet, dass die Anzahl der Verschraubungen minimiert wurde und alle
Schrauben leicht zugänglich sind. Kaltgeräte können mittels der Erfindung wie die Warmgeräte montiert werden.
Vorzugsweise umfasst das Substrat ein vakuumdicht verschlossenes Rohr, an dessen Innenseite eine Kapillarstruktur angeordnet ist und in dem eine Arbeitsflüssigkeit enthalten ist. Eine derartige Rohrkonstruktion ist in der Fachwelt auch als Heatpipe oder Superwärmeleiter bekannt. Die eingebrachte Arbeitsflüssigkeit (Wasser oder Alkohol) ist infolge des vorherrschenden Vakuums als Sattdampf in der Kapillarstruktur eingelagert. Der Wärmetransport innerhalb der Heatpipe erfolgt durch Verdampfung und Kondensation. Wärmeenergie an einer Stelle der Heatpipe führt zu einer Verdampfung der Arbeitsflüssigkeit unter Aufnahme von Energie. Der Dampf strömt in Richtung des Temperaturgefälles und kondensiert an einer kühleren Stelle wieder ab. Dabei wird Energie wieder abgegeben. Das Kondensat kehrt durch die Kapillar- und Schwerkraft in die Verdampfungszone zurück. Eine solche Heatpipe würde die Wärmeableitcharakteristik des Substrats erheblich verbessern.
Bevorzugt ist das Substrat plattenförmig ausgebildet, so dass auf einer Plattenseite der Wärmeerzeuger und auf der gegenüberliegenden Seite eine Kühlvorrichtung angeordnet werden kann, denn großflächige Kontakte verbessern die thermische Wärmeableitung der Anordnung. Die Lagerung greift an zumindest zwei Stellen des Substrats an, um die Platte zu stabilisieren.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst das Lagermittel eine Feder, insbesondere eine Blattfeder oder eine Tellerfeder oder eine Druck- Spiralfeder. Federn ermöglichen die preiswerte Realisierung einer flexiblen Lagerung durch ihre Klemmbzw. Presswirkung. Die Blattfeder ermöglicht eine flächige Lagerung. Spiralfedern gewährleisten eine noch höhere Flexibilität, wenn zum Beispiel ein plattenförmiges Substrat an seinen vier Ecken jeweils mit einer einzelnen Spiralfeder gelagert ist. Die Anpassungsfähigkeit an unebene Untergründe ist damit weiter erhöht.
Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform ist die Federkonstante einstellbar, was eine einfache Justierung der Federkraft in der Fertigung und ggf. auch im Betrieb ermöglicht.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst das Lagermittel eine Haltevorrichtung und/oder eine Klemmvorrichtung zur Arretierung bzw. Ummantelung von elektronischen Bauelementen. Es ist möglich, dass auf der Aufnahmefläche des Substrates montierte Bauteile über diese Aufnahmefläche hinausragen. Zusätzliche Maßnahmen sind dann erforderlich, um Beschädigungen vorzubeugen. Externe und von der Wärmeableitvorrichtung separate Halterungen erschweren die Montage und verringern die Modularität. Die hier vorgestellte Lösung bringt den zusätzlichen Nutzen, dass auf eine zusätzliche externe Halterung verzichtet und damit Material- und Montageaufwand reduziert werden. Bei einer anderen bevorzugten Ausgestaltungsform ist das Lagermittel mehrteilig und zumindest teilweise gleitend am Substrat angeordnet. Bewirkt werden soll hiermit eine abschnittsweise flexible Verbindung zwischen Substrat und Lagermittel. Eine Verschraubung würde beide Materialien mit ggf. unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten fest miteinander verbinden, was zu unerwünschten Materialspannungen führen kann. Unter einer gleitenden Lagerung wird beispielsweise eine Lagerung mittels eines schienenförmig ausgebildeten Lagermittels verstanden, so dass zwischen Substrat und Lager noch Bewegungsspielraum besteht.
Die Aufgabe der Erfindung wird auch dadurch gelöst, dass ein Wärmeerzeuger in ein Gehäuse mit einer Aussparung in einer Gehäusewand montiert wird, wobei der Wärmeerzeuger auf einer erfindungsgemäßen Wärmeableitvorrichtung angeordnet ist und das Lagermittel der Wärmeableitvorrichtung am Gehäuse innenseitig anliegt, wodurch das Gehäuse als Substratträger fungiert und das Substrat zumindest abschnittsweise in die Gehäuseaussparung eintaucht.
Die Aussparung befindet sich üblicherweise auf der Rückseite des Gehäuses, wobei diese Rückseite üblicherweise einer wassergekühlten Montagewand innerhalb eines Schaltschrankes zugeordnet ist. Der Sinn und Zweck der Aussparung liegt darin, dass die Wärmeableitfläche der innerhalb des Gehäuses befestigten Wärmeableitvorrichtung durch diese Aussparung hindurch direkt die Kühlvorrichtung vollflächig kontaktieren kann. Hierzu muss das Substrat in die Aussparung eintauchen und geringfügig, d.h. wenige (ca. 1 bis 3 mm) Millimeter über die dem Kühlkörper zugewandte Gehäuserückseite hinausragen. Beim Anschrauben des Gehäuses an die Montagewand wird von der Oberfläche der Kühlvorrichtung ein Druck auf die Wärmeableitvorrichtung des Substrates ausgeübt. Durch diesen Druck wird das Substrat wieder in das Gehäuse zurückgedrängt, wobei die flexible bzw. federnde Substratlagerung Gegenkräfte aufbaut. Selbst wenn sich nun das Gehäuse aufgrund von relativ weit beabstandeten Verschraubungen etwas verzieht oder ausbeult, ist aufgrund der Federkraft stets ein optimaler Flächenkontakt gewährleistet. Bei Einzelgeräten, welche nicht innerhalb eines Schaltschrankes montiert werden sollen, könnte die Gehäuseaussparung auch seitlich angebracht sein, so dass das Substrat auf eine seitlich angeschraubte Wärmesenke gepresst wird. Auch können mehrere voneinander unabhängige Wärmeableitvorrichtungen an einer oder mehreren Gehäuseinnenseiten platziert werden.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltungsform des elektrischen Gerätes wird an einer Gehäuseinnenseite ein Vorsprung als Bewegungssperre bzw. Anschlag für die Bewegung des Substrates angeordnet, denn eine auf die Wärmeableitfläche des Substrates wirkende äußere Kraft könnte größer als die Federkraft sein und damit die gesamte Vorrichtung in das Gehäuse hineindrücken, beispielsweise beim Transport des Gehäuses. Um diesem Falle vorzubeugen, werden Vorsprünge innerhalb des Gehäuses' vorgesehen. Hierdurch vermeidet man größere potentielle Transportschäden. Die Vorsprünge sind selbstverständlich soweit von Substrat der Wärmeableitvorrichtung beabstandet anzuordnen, dass der normale Betrieb nicht gestört wird, d.h. eine gewisse Eintauchtiefe in das Gehäuseinnere stets gewährleistet ist.
Bei einer besonders bevorzugten Ausgestaltungsform des elektrischen Gerätes handelt es sich bei dem Wärmeerzeuger um einen Ableitwiderstand oder einen Leistungshalbleiter oder ein Transistormodul. Diese Bauteile produzieren erhebliche Verlustwärme im Betrieb und speziell hier ist eine optimale Wärmeabfuhr im Hinblick auf die Lebensdauer und Funktionstüchtigkeit unentbehrlich.
Weiter bevorzugt wäre es, wenn vom Lagermittel elektrische Bauelemente zumindest teilweise ummantelt sind, um diese zu stabilisieren oder zu schützen.
Vorteilhafterweise kann das Lagermittel auch zur Aufnahme einer zusätzlichen Vorrichtung zur Luftumwälzung dienen. Diese Vorrichtung kann somit leicht in der Nähe der Wärmeerzeuger angebracht werden.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausgestalrungsform umfasst das Gehäuse ein elektrisches Gerät, welches einen Umrichter oder ein Kapazitätsmodul oder ein Bremsmodul oder einen Antriebsregler oder ein Versorgungsmodul oder ein sonstiges
Gerät aus der elektrischen Antriebstechnik oder eine Kombination zuvor genannter Funktionen realisiert. Derartige Geräte erfordern die Abfuhr hoher Verlustleistungen und die Dimensionierung der Geräte hängt weitestgehend von der abzuführenden Verlustleistung ab, weniger von der Größe der elektrischen Bauteile. Auch in der Automatisierungstechnik wird zunehmend auf Miniaturisierung Wert gelegt. Je optimaler die Wärmeabfuhr gestaltet ist, desto eher ist an eine Reduzierung der Geräteabmessungen und damit an eine Raumersparnis zu denken.
Ein Schaltschrank mit Kühlvorrichtung, welcher erfindungsgemäße elektrische Geräte umfasst, kann mit geringeren Abmessungen dimensioniert werden, als ein Schaltschrank mit Geräten gleicher Leistungsfähigkeit, jedoch schlechterer Wärmeabfuhr. Dies wirkt sich positiv auf die Herstellungskosten und die Folgekosten aus.
Bezugszeichen
1 Substrat
2 Lagermittel
2' Klemmvorrichtung als Bestandteil des Lagermittels 2 3 Anschlag
4 Gehäusemantel
5 Einstellvorrichtung
6 Aufhängung
7 Wärmeerzeuger 8 Lüfter
Weitere Vorteile und Ausfuhrungsformen ergeben sich aus den mit Figur 1 und Figur 2 bezeichneten Zeichnungen. Es zeigen:
Figur 1 einen Einblick in den Innenraum (Schnitt A-A) eines elektrischen Gerätes, welches eine erfϊndungsgemäße Wärmeableitvorrichtung umfasst. Aus Gründen der Übersichtlichkeit wurde auf die Darstellung weiterer Interna des Gerätes verzichtet.
Figur 2 eine Rückansicht auf das Gehäuse des bereits in Figur 1 gezeigten elektrischen Gerätes.
Es ist in Figur 1 die äußere Wandung 4 des Gehäuses als Längsschnitt A-A dargestellt, das Substrat 1 mit einem Wärmeerzeuger 7, Lagermittel 2, Abstandshalter 3 und Einstellmittel 5 zur Veränderung der Lagereigenschaften, eine Klemm- und/oder Haltevorrichtung 2', ein Lüfter 8 und äußere Befestigungslaschen 6.
Die Wärmeableitvoπichtung umfasst eine Aluminiumplatte 1, die von der Innenseite des Gehäuses betrachtet eine Aufnahmefläche zur Aufnahme eines Transistormoduls 7 und von der Außenseite des Gehäuses betrachtet eine Wärmeableitfläche zur Ableitung eines Wärmestroms umfasst. Weiter umfasst die Wärmeableitvorrichtung eine Blattfeder 2 zur flexiblen beidseitigen Lagerung der Aluminiumplatte 1. Diese Blattfeder 2 ist auf der rechten Seite der Gehäuserückwand schienenförmig ausgebildet, so dass die Aluminiumplatte 1 zwischen der Blattfederschiene 2 und der Gehäuserückwand beweglich gelagert ist. Die Aluminiumplatte 1 könnte damit sowohl eine Bewegung in Richtung der Normalen der Aufnahmefläche als auch eine Bewegung in zur Normalen senkrechten Richtungen ausführen. Auf der linken Seite der Gehäuserückwand ist die Blattfeder 2 mit der Aluminiumplatte 1 und der Gehäuserückwand 4 fest verschraubt und damit nur noch in Richtung der Normalen der Aufhahmefläche beweglich. Wirkt nun von außerhalb des Gehäuses eine Kraft auf die Wärmeableitfläche der Aluminiumplatte 1 in Richtung des Gehäuseinnenraumes, so kann diese bis zum Anschlag 3 in das Gehäuseinnere hineingedrückt werden. Mittels der optionalen Lage der Schrauben 5 kann die Federkonstante der Blattfeder variiert werden. Dieses Merkmal wird man vor allem während der Erstellung von Versuchsaufbauten verwenden. Für die spätere Massenfertigung geht man von fest definierten Federkonstanten aus und kann daher von einer serienmäßigen Realisierung absehen.
Die linke Blattfeder 2 ist derart ausgestaltet, dass die an der Aluminiumplatte 1 angeordneten Bauteile 7, welche auch über die Aluminiumplatte 1 hinausragen können, mittels einer U - förmigen Halterung 2' zumindest teilweise räumlich ummantelt werden. Diese Halterung 2' ist einstückig mit der Blattfeder auf der linken Seite der
Aluminiumplatte 1 verbunden und durch einen Biegevorgang realisiert. Ein kreissegmentförmiger Vorsprung gewährleistet in Verbindung mit den flexiblen Materialeigenschaften der Blattfeder eine Klemmwirkung.
Eine zusätzliche Vorrichtung zur Arretierung von Gegenständen (Gewinde, Bohrung, Niete) an der Blattfeder 2' ist vorteilhaft. Beispielsweise könnte ein Lüfter 8 mittels einer solchen zusätzlichen Vorrichtung montiert werden, welcher durch geeignete Aussparungen direkt das Transistormodul 7 und eine ggf. vom Transistormodul zusätzlich umfasste Leiterkarte belüftet.
Bei einer auf die Wärmeableitfläche der Aluminiumplatte 1 wirkenden äußeren, variablen Kraft führt die Aluminiumplatte entsprechend der eingezeichneten Pfeile und aufgrund der federnden Lagerung eine reversierende Bewegung aus, welche durch die Vorsprünge 3 und die innere Gehäuserückwand begrenzt ist.
Figur 2 zeigt die Gehäuserückwand. Die Pfeile an den Bezugszeichen A-A machen nochmals die Blickrichtung in das Gehäuseinnere mittels der Figur 1 deutlich. Hier sind die Gehäusewand 4, die Aluminiumplatte 1 und die Aufhängelaschen 6 lediglich aus einer anderen Perspektive gezeigt. Figur 2 zeigt diejenige Seite des Gehäuses, welche üblicherweise an die Montageplatte eines Schaltschrankes mit Kühlvorrichtung angeschraubt wird. Die Aluminiumplatte 1 der Wärmeableitvorrichtung wird mittels der Federung und der durch die Verschraubung an den Laschen 6 bewirkten Anpresskraft an diese Montageplatte plan angepresst, wobei eine vollflächige thermisch leitende Graphitfolie oder Leitpaste (nicht gezeigt) die Leitfähigkeit weiter erhöhen kann. Handelt es sich bei dem Gerät beispielsweise um einen Antriebsregler für Servomotoren, so wird die von der internen Leistungselektronik, welche aus einer Zwischenkreisspannung ein frequenzvariables Drehfeld erzeugt, im Betrieb produzierte Verlustwärme unmittelbar auf die Aluplatte 1 übertragen und von der Aluplatte 1 entweder unmittelbar oder mittelbar über weitere aus dem Stand der Technik bekannte und den Wärmetransport förderliche Materialien auf das in der Regel bei Kaltgeräten übliche wassergekühlte Wärmeableitsystem übertragen.

Claims

Patentansprüche
1. Wärmeableitvorrichtung mit einem Substrat (1), welches eine Aufhahmefläche zur Aufnahme eines Wärmeerzeugers und eine Wärmeableitfläche zur Ableitung eines Wärmestroms umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass ein Lagermittel (2, 2') für das Substrat (1) umfasst ist, welches eine flexible Lagerung des Substrats (1) an einem Substratträger (4) ermöglicht.
2. Wärmeableitvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (1) ein vakuumdicht verschlossenes Rohr umfasst, an dessen Innenseite eine
Kapillarstruktur angeordnet ist und in dem eine Arbeitsflüssigkeit enthalten ist.
3. Wärmeableitvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (1) in Form einer Platte ausgebildet ist.
4. Wärmeableitvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Lagermittel (2, 2') eine Feder umfasst oder mittels einer Feder realisiert ist.
5. Wärmeableitvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Federkonstante einstellbar ist.
6. Wärmeableitvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Lagermittel (2, 2') derart ausgestaltet ist, dass es am Substrat (1) angeordnete Gegenstände (7) zumindest teilweise räumlich ummantelt.
7. Wärmeableitvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Lagermittel (2, 2') eine Vorrichtung zur Arretierung von Gegenständen (8) umfasst.
8. Wärmeableitvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Lägermittel (2, 2') mehrteilig ausgeführt ist, wobei Lagermittelteile (2, 2') fest und/oder gleitend am Substrat (1) angeordnet sind.
9. Gehäuse mit einer Aussparung in einer Gehäusewand (4) und einem innerhalb des Gehäuses angeordneten Wärmeerzeuger (7), dadurch gekennzeichnet, dass der
Wärmeerzeuger (7) auf der Aufhahmefläche einer Wärmeableitvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8 angeordnet ist und das Lagermittel (2, 2') für das Substrat (1) an einer Gehäusewand (4) innenseitig anliegt, wobei diese Gehäusewand (4) als Substratträger (4) fungiert und das Substrat (1) zumindest abschnittsweise in die Aussparung eintaucht.
10. Gehäuse gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass an einer Gehäusewand (4) innerhalb des Gehäuses ein Anschlag (3) für das Substrat (1) angeordnet ist.
11. Gehäuse gemäß einem der Ansprüche 9 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeerzeuger (7) einen Ableitwiderstand und/oder einen Halbleiter umfasst.
12. Gehäuse gemäß einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass vom Lagermittel (2, 2') elektrische Bauelemente (7) zumindest teilweise ummantelt sind.
13. Gehäuse gemäß einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass am Lagermittel (2, 2') eine Vorrichtung (8) zur Luftumwälzung angeordnet ist.
14. Gehäuse gemäß einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass es sich um ein Umrichtergehäuse, ein Kapazitätsmodul gehäuse, ein Bremsmodulgehäuse, ein Antriebsreglergehäuse, ein Versorgungsmodulgehäuse oder ein Gehäuse, welches eine Kombination der zuvor genannten Funktionen umfasst, handelt.
15. Schaltschrank mit Kühlvorrichtung, Montageplatte und wenigstens einem elektrischen Gerät, wobei das elektrische Gerät von einem Gehäuse nach einem der Ansprüche 9 bis 14 umfasst ist und das Gehäuse mit derjenigen Gehäusewand (4) an der Montageplatte anliegt, an welcher die Aussparung und das Substrat (1) angeordnet sind.
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