DE3828853A1 - Kuehleinrichtung fuer elektronische bauelemente - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Kühleinrichtung für elektronische Bauelemente zur Wärmeableitung mittels eines Kühlkörpers.

Kühlkörper zur Kühlung von elektronischen Bauelementen, insbe­ sondere von Leistungsbauelementen, wie Dioden, Transistoren oder Thyristoren, sind allgemein bekannt. Üblicherweise werden an das Bauelementen-Gehäuse Kühlkörper aus geeignetem, gut wärmeleitendem Material, beispielsweise aus Aluminium, derart befestigt, daß der Wärmeübergang zwischen Bauelementengehäuse und Kühlkörper möglichst gut ist. An wenigstens einer Seite des Kühlkörpers sind zur besseren Wärmeabfuhr bzw. zum effektiveren Wärmeaustausch mit der die Wärme aufnehmenden Umgebungsluft Kühlbleche oder Kühlrippen vorgesehen. Die Kühlbleche oder Kühlrippen sind am Kühlkörper entweder als Zusatzteile befestigt oder mit dem Kühlkörper einstückig, z. B. durch Einfräsen von Ausnehmungen oder Nuten, ausgebildet. Die Fertigung derartiger herkömmlicher Kühlkörper ist daher relativ aufwendig. Darüber hinaus beanspruchen diese Kühlkörper einen relativ großen Raum, um die für die Wärmeabgabe erforderliche Oberfläche zu ermöglichen. Der Entwickler von Schaltungsanordnungen ist daher in seiner Wahl, wo die Bauelemente angebracht werden sollen, nicht frei, da er auf den Raumbedarf für die Kühlkörper Rücksicht nehmen muß. Der Gesamtraumbedarf einer Schaltungsanordnung wird durch die Verwendung von Kühlkörpern herkömmlicher Art wesentlich mitbe­ stimmt.

Ein erheblicher Nachteil herkömmlicher Kühlkörper besteht insbesondere auch darin, daß sie die Wärme an die Umgebung im Innern einer Schaltungsanordnung abgeben, die sich da­ durch als ganzes erheblich aufheizen kann. Das bedeutet, daß Bauelemente, die an sich keine oder keine wesentliche Wärme erzeugen, ebenfalls einer höheren Wärmebelastung ausgesetzt werden. Auch für derartige Bauelemente sind daher höhere Wär­ me-Sicherheitswerte erforderlich, die die Kosten der Bauele­ mente erhöhen.

Besonders nachteilig macht sich die Wärmeabgabe der bekannten Kühlelemente im Innern einer Schaltungsanordnung bei Hochfre­ quenz-Schaltungen bemerkbar, da diese zur Abschirmung von Störstrahlung abgeschlossen sein müssen. Bei Verwendung von wärmeabgebenden Bauelementen staut sich die Wärme in diesen abgeschlossenen Kammern. Es wurden daher bereits Vorkehrungen getroffen, Bauelemente mit höherer Wärmeabgabe in separaten Abschirmkammern zusammenzufassen, um die übrigen Bauelemente durch die Wärmeabgabe der Leistungsbauteile nicht in Mitlei­ denschaft zu ziehen. Die Freiheit beim schaltungstechnischen und konstruktiven Aufbau ist dadurch jedoch erheblich einge­ schränkt. Dies trifft auch dann zu, wenn die wärmeabgebenden Bauelemente an einer Gehäusewand angebracht sind, da dann die Verdrahtungen oder, falls Leiterplatinen verwendet werden, die Leiterbahnen auf einer gedruckten Schaltung lang werden, was nachteilig sowohl für die Funktionssicherheit als auch den Aufwand für das Schaltungslayout ist. Darüberhinaus wird auch die Funktionsweise einer Schaltung, insbesondere einer Hochfrequenzschaltung durch Störstrahlungsaufnahme, beeinträchtigt.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Kühleinrichtung für elektronische Bauelemente zu schaf­ fen, die mit einfachsten Mitteln eine optimale Kühlung der Bauelemente bei geringem Raumbedarf und ohne Einschränkung der schaltungstechnischen und konstruktiven Freiheiten ermöglicht, und die Aufheizung der gesamten Schaltungsanordnung im wesentlichen vermeidet.

Ausgehend von der eingangs genannten Kühleinrichtung wird die­ se Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein Wärmeleit­ element vorgesehen ist, das das zu kühlende Bauelement wärme­ leitend mit wenigstens einem Teil eines Schaltungsgehäuses verbindet, welches die das zu kühlende Bauelement aufweisende Schaltungsanordnung umgibt.

Auf Grund des erfindungsgemäßen Merkmals, Wärmeleitelemente vorzusehen, die die Wärme der wärmeentwickelten Bauelemente an das Schaltungsgehäuse oder an Teilgehäuse der Schaltung abge­ ben, ist es möglich, die Bauelemente bei geringstem ferti­ gungstechnischem Aufwand optimal zu kühlen. Die Wärmeleit­ elemente können dabei einfache Formen, wie Querschnittsflächen in Kreis-, Quadrat- oder Rechteckform aufweisen und aus Kon­ fektionsstäben abgelängt werden.

Zusätzlich zu ihrer Aufgabe, die Wärme vom Bauelement abzulei­ ten, dienen die Wärmeleitelemente gleichzeitig auch als Befe­ stigungsteile für die Bauelemente. Auf diese Weise ist es ohne weiteren Aufwand möglich, die zu kühlenden Bauelemente ohne konstruktive oder schaltungstechnische Einschränkung an jeder beliebigen Stelle der Schaltungsanordnung, beispielsweise auch in der Mitte einer Gehäusekammer anzubringen. Der Innenraum eines Schaltungsgehäuses kann daher optimal genutzt werden.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht insbesondere auch darin, daß die Schaltungsanordnung auf Grund der nicht mehr erforderlichen Kühlelemente, die viel Raum beanspruchen wür­ den, wesentlich kompakter ausgeführt werden kann. Das erfor­ derliche Volumen einer Schaltungsanordnung ist häufig ein wichtiges Kriterium beim Einsatz einer Schaltungsanordnung.

Da die Wärme der zu kühlenden Bauelemente durch die erfin­ dungsgemäßen Wärmeleitelemente an die Schaltungsgehäuseteile abgegeben wird, und diese die Wärme im wesentlichen nach außen weiterleiten, wird der Innenraum erheblich weniger als bei der Kühlung von Bauelementen mit herkömmlichen Kühlkörpern aufgeheizt. Das Schaltungsgehäuse ist dabei ein optimaler Wär­ metauscher, da seine Fläche groß ist und direkt mit dem rela­ tiv kühlen Außenraum in Verbindung steht.

Bekanntermaßen ist die Lebensdauer von elektronischen Bauele­ menten stark von der Betriebs- oder Umgebungstemperatur abhängig, der das Bauelement ausgesetzt ist. Daher ist eine möglichst gut gekühlte Schaltungsanordnung besonders erstrebenswert, was mit der vorliegenden Erfindung auf einfachste Weise erreicht wird. Es läßt sich dadurch auch mit kleinen Wärmeparameterwerten für die einzelnen Bauelemente auskommen, so daß kostengünstige Bauelemente verwendet werden können. Bei Hochfrequenzschaltungen mit abgeschlossenen Gehäusen oder Gehäusekammern zur Störstrahlabschirmung kommt die vorliegende Erfindung besonders zum Tragen, da die von den einzelnen Bauelementen erzeugte Wärme durch die Wärmeleitelemente direkt nach außen abgegeben wird.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung besteht das Wärmeleitelement aus einem möglichst gut wärmeleitenden Material, beispielsweise aus Aluminium.

Eine Ausführungsform der Erfindung, bei der an einem Wärme­ leitelement wenigstens zwei Bauelemente angebracht sind, ist deshalb besonders vorteilhaft, weil dadurch das Wärmeleitele­ ment mehrfach bzw. besser genutzt wird. In diesem Falle weist das Wärmeleitelement beispielsweise einen quadratischen oder rechteckigen Querschnitt auf, so daß an verschiedenen Seiten ebene Flächen zur Befestigung der verschiedensten, zu kühlen­ den Bauelemente vorhanden sind. Dadurch ist es auch möglich, Bauelemente, die an sich nicht gekühlt zu werden brauchen, zur Erzielung einer längeren Lebensdauer dennoch zu kühlen, ohne daß dadurch Mehrkosten entstehen.

Die Querschnittsfläche des Wärmeleitelements ist vorzugsweise entsprechend der vom Bauelement abzuführenden Wärmemenge ge­ wählt. Bei der Wahl der Größe dieser Fläche ist vorteilhafter­ weise auch die Temperatur zu beachten, auf die die Bauelemen­ tetemperatur höchstens anwachsen darf.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn der mit dem Wärmeleitele­ ment verbundene Teil des Schaltungsgehäuses eine schwarze Außenfläche aufweist, so daß sie als schwarzer Strahler wirkt und die Wärme optimal nach außen abstrahlt.

Weiterhin ist es von Vorteil, wenn wenigstens der mit dem Wär­ meleitelement verbundene Teil des Schaltungsgehäuses eine hel­ le bzw. weiße Innenfläche aufweist. Dadurch wirkt die Gehäuse­ fläche nach innen als ein weißer Körper mit minimaler Wärmeab­ strahlung in den Gehäuseinnenraum.

Zur weiteren Verringerung der Wärmeabgabe des Gehäuseteils im Innern ist gemäß einer Ausführungsform vorgesehen, daß wenig­ stens der mit dem Wärmeleitelement verbundene Teil des Schal­ tungsgehäuses zur Innenseite hin wärmeisoliert ist.

Eine möglichst geringe Erwärmung des Inneren des Schaltungsge­ häuses kann weiterhin dadurch erreicht werden, daß das Wärme­ leitelement eine helle bzw. weiße Außenfläche aufweist und da­ mit eine minimale Wärmemenge abgibt.

Im Falle, daß die Schaltungsanordnung Leiterplatinen aufweist und zu kühlende Bauelemente in üblicher Weise auf Leiterpla­ tinen verdrahtet sind, ist es gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung besonders vorteilhaft, wenn das zu kühlende Bauele­ ment mit wenigstens einer seiner wärmeabgebenden Außenflächen am Wärmeleitelement wärmeleitend befestigt ist. Das Bauelement kann bei dieser Ausführungsform also in der üblichen Weise in einer Leiterplatine verdrahtet sein und dennoch an der Stelle, an der es in der Leiterplatine verdrahtet ist, gekühlt werden.

Besonders vorteilhaft ist es dabei, wenn das Wärmeleitelement nahe dem auf der Leiterplatine verdrahteten, zu kühlenden Bau­ element angeordnet ist. Auf diese Weise ergeben sich weitere Freiheitsgrade bei der Anordnung und Ausführung von Schal­ tungsanordnungen und beim Layout von Leiterplatinen und ge­ druckten Schaltungen.

Wenn nicht selbständige, den einzelnen Bauelementen zugeordnete Kühlkörper herkömmlicher Art mit den beschriebenen Nachteilen verwendet wurden, wurden derartige auf Leiterplati­ nen verdrahtete, zu kühlende Bauelemente gelegentlich auch auf der Innenseite des Schaltungsgehäuses zu Kühlzwecken befestigt. Dies erforderte jedoch lange Leitungen von der Verdrahtungsstelle bis in die Nähe des Schaltungsgehäuses. Wurden dazu Leitungsdrähte verwendet, so bedeutete dies einen höheren Aufwand bei der Schaltungserstellung und die vergrößerte Gefahr eines Bruches bei starker mechanischer Beanspruchung der Schaltung. Für den Fall, daß für diese langen Verbindungen Leiterbahnen auf der Platine verwendet wurden, beanspruchten diese einen erheblichen Platz auf der Platine und, da die Leiterbahnen sich nicht kreuzen dürfen, wurde das Layout dadurch wesentlich komplizierter. Ins­ besondere im Fall von Hochfrequenzschaltungen sollten mög­ lichst kurze Leitungen ohnehin angestrebt werden, um die Stör­ einstrahlung möglich gering zu halten. Mit den erfindungs­ gemäßen Maßnahmen werden die zuvor genannten Nachteile, die lange Verdrahtungen mit sich bringen, vermieden.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung führt das Wärmeleitelement durch Durchbrechungen in der Leiterplatine hindurch. Vorteilhaft sind in diesem Fall Wärmeleitelemente in Stabform.

Im Zusammenhang mit der Ausführungsform, bei der das Wärme­ leitelement durch Durchbrechungen in der Leiterplatine hin­ durch führt, ist es besonders vorteilhaft, wenn das Wärmeleit­ element mit seinen beiden Enden an jeweils einander gegen­ überliegenden Teilen des Schaltungsgehäuses wärmeleitend befe­ stigt ist. Auf diese Weise wird die Wärmeabfuhr weiter verbes­ sert. Darüber hinaus kann das Wärmeleitelement gleichzeitig als Stütze und als Verstrebung des Schaltungsgehäuses dienen, wodurch die mechanische Stabilität desselben verbessert wird. Das als Strebe verwendete Wärmeleitelement ist dabei vorzugs­ weise nahe dem zu kühlenden Bauelementen, die auf der Leiter­ platine verdrahtet sind, angeordnet.

Vorteilhaft ist es weiterhin, wenn das Wärmeleitelement mit einem elektrisch isolierenden, wärmedurchlässigen Material um­ mantelt ist. Auf diese Weise können die Abstände zwischen dem Wärmeleitelement und den stromführenden, auf Spannung liegenden Leiterbahnen auf der Platine kleiner gehalten werden, so daß die Schaltungsanordnung auch insofern kompakter ausgebildet sein kann. Die zu kühlenden Bauelemente können dabei an das Wärmeleitelement angeschraubt oder beispielsweise durch Klemmeinrichtungen an das Wärmeleitelement angeklemmt oder angepreßt sein. Vorteilhaft ist es dabei, wenn das elektrisch isolierende, wärmedurchlässige Material ein Iso­ lierschlauch ist. Da dieser Isolierschlauch wärmedurchlässig ist, kann er insbesondere auch zwischen dem zu kühlenden Bauelement und dem Wärmeleitelement angeordnet sein.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnungen bei­ spielsweise erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung mit einem Wärmeleitelement zur Kühlung eines einzigen Bau­ elements, und

Fig. 2 eine Ausführungsform der Erfindung im Zusammenhang mit einer Schaltungsanordnung, die in Form einer Leiterpla­ tine vorliegt.

In Fig. 1 ist ein zu kühlendes elektronisches Bauelement 1, beispielsweise eine Diode, ein Transistor, ein Thyristor usw., mit einem erfindungsgemäßen Wärmeleitelement 2 in gutem Wärme­ kontakt verbunden und gibt seine Wärme an dieses ab. Zur Befe­ stigung des Bauelements 1 am Wärmeleitelement können bei­ spielsweise Schrauben, Klemmeinrichtungen oder sonstige Ver­ bindungsmittel verwendet werden, sofern sie nur einen guten Wärmeübergang zwischen den beiden Elementen gewährleisten. Das Wärmeleitelement 2 dient gleichzeitig als Halterung für das Bauelement 1.

Bei dem in der Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Wärmeleitelement 2 stabförmig und mit seiner dem Bauele­ ment 1 abgewandten Grundfläche an einem Teil eines schematisch dargestellten Schaltungsgehäuses 3 befestigt. Die Verbindung kann beispielsweise durch Verschrauben, Verlöten oder auf andere Weise erfolgen, wobei jedoch auch hier auf einen guten Wärmeübergang zwischen dem Wärmeleitelement 2 und dem Teil des Schaltungsgehäuses 3 geachtet werden sollte.

Die im Bauelement 1 erzeugte Wärme wird also über das Wärme­ leitelement 2 auf das Schaltungsgehäuse 3 geleitet, das übli­ cherweise eine große Fläche aufweist und über diese die Wärme nach außen abgibt. Dadurch wird erreicht, daß der Innenraum des Schaltungsgehäuses relativ kühl bleibt.

Das Wärmeleitelement 2 kann vorzugsweise eine Ausnehmung 4 aufweisen, in die das Bauelement 1 eingesetzt ist. Auf diese Weise sind auch die Seitenbereiche des Bauelements 1 wärme­ mäßig gegenüber dem Innern des Schaltungsgehäuses abgeschirmt und die Kühlung des Bauelements 1 wird dadurch verbessert.

Das Wärmeleitelement 2 kann je nach den vorhandenen Gegeben­ heiten in seiner Querschnittsfläche rund, quadratisch, recht­ eckig oder auch vieleckig gewählt sein und ist auf einfache Weise und kostengünstig durch Ablängen von Konfektionsstäben herstellbar. Das Material ist vorzugsweise Aluminium oder ein relativ gut wärmeleitendes Material.

Fig. 2 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung, bei der ein erfindungsgemäßes Wärmeleitelement 21 an zwei gegenüberliegenden Gehäuseseite, beispielsweise der Deckplatte 22 und der Bodenplatte 23, als stabförmiges Element etwa mit­ tels Schrauben 24 bzw. 25 wärmeleitend befestigt ist. Eine Leiterplatine 26 ist parallel zu der Deck- und Bodenplatte 22 bzw. 23 angeordnet. Auf einer Seite der Leiterplatine 26 sind Bauelemente 27 einschließlich eines zu kühlenden Bauelements 28 angebracht und verdrahtet.

Das Wärmeleitelement 21 ragt durch eine Durchbrechung 29 in der Leiterplatine 26 hindurch, und zwar nahe dem zu kühlenden Bauelement 28.

Über das Wärmeleitelement 21 ist ein wärmedurchlässiger, je­ doch elektrisch isolierender Schlauch 30 gestülpt, an dessen Außenseite das zu kühlende Element mittels einer Klemm­ vorrichtung 31 befestigt ist.

Mit dem erfindungsgemäßen Wärmeleitelement 21 ist es möglich, das zu kühlende Bauelement 28 an jeder beliebigen Stelle der Leiterplatine 26 mit kurzen Anschlüssen zu verdrahten, da das Wärmeleitelement 21 nahe dem zu kühlenden Bauelement 28 ange­ ordnet ist und daher lange Leiterverbindungen zwischen der Verdrahtungsstelle und dem zu kühlenden Bauelement entbehrlich sind, wodurch die bereits zuvor erläuterten Nachteile herkömm­ licher Einrichtungen vermieden werden.

Zusätzlich zur Funktion, die Wärme vom zu kühlenden Bauelement 28 möglichst gut abzuleiten, dient das Wärmeleitelement 21 bei der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform gleichzeitig als Stütz- und Abstandselement zwischen Deck- und Bodenplatte 22 bzw. 23. Auf diese Weise wird die mechanische Stabilität des Schaltungsgehäuses weiter verbessert.

Bei Spannungsunterschieden von Bauteilen untereinander müssen bestimmte Sicherheitsabstände eingehalten werden. Beträgt die Spannungsdifferenz beispielsweise 220 Volt, so sind nach den Vorschriften Abstände von 8 mm einzuhalten. Diese Abstände werden gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung durch Verwen­ dung des Isolierschlauchs 30 erheblich verringert, so daß Lei­ terbahnen der Leiterplatine 26 näher am Wärmeleitelement 21 ausgebildet sein können, da der Abstand zwischen der Platine 26 und dem Ende des Isolierschlauches für den Abstand auf der Platine 26 zwischen der Leiterbahn und dem Wärmeleitelement 21 hinzugerechnet werden kann. Durch diese Maßnahme ergibt sich die Möglichkeit, die Schaltungsanordnung noch kompakter auszuführen.

Um die Wärmeabgabe nach außen weiter zu verbessern bzw. eine Erwärmung im Innern des Schaltungsgehäuses möglichst klein zu halten, kann die Außenfläche des Schaltungsgehäuses schwarz lackiert oder schwarz eloxiert sein. Zusätzlich ist es mög­ lich, die Innenflächen des Schaltungsgehäuses hell oder weiß zu halten bzw. wärmezuisolieren. Zusätzlich oder alternativ dazu ist es auch möglich, dem Wärmeleitelement 2 selbst eine helle oder weiße Farbe zu geben oder es wärmemäßig zu isolie­ ren, so daß es möglichst wenig Wärme an den Gehäuseinnenraum abgibt.

Die Erfindung wurde anhand eines bevorzugten Ausführungsbei­ spiels beschrieben. Dem Fachmann sind jedoch zahlreiche Ab­ wandlungen und Ausgestaltungen möglich, ohne daß dadurch der Erfindungsgedanke verlassen wird.

Claims (13)

1. Kühleinrichtung für elektronische Bauelemente zur Wärmeab­ leitung mittels eines Kühlkörpers, dadurch gekenn­ zeichnet, daß ein Wärmeleitelement (12, 21) vorge­ sehen ist, das das zu kühlende Bauelement (11, 28) wärme­ leitend mit wenigstens einem Teil des Schaltungsgehäuses (13; 22, 23) verbindet, welches die das elektronische Bauelement (12; 28) aufweisende Schaltungsanordnung (26) umgibt.

2. Kühleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Wärmeleitelement (12, 21) aus einem gut warmeleitenden Material besteht.

3. Kühleinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß an einem Wärmeleitelement (12, 21) wenigstens zwei Bauelemente (11; 28) angebracht sind.

4. Kühleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Querschnittsfläche des Wärmeleit­ elements (12, 21) entsprechend der vom Bauelement (11, 28) abzuführenden Wärmemenge gewählt ist.

5. Kühleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens der mit dem Wärmeleitele­ ment (12, 21) verbundene Teil des Schaltungsgehäuses (13; 22, 23) eine schwarze Außenfläche aufweist.

6. Kühleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens der mit dem Wärmeleitele­ ment (12, 21) verbundene Teil des Schaltungsgehäuses (13; 22, 23) eine helle bzw. weiße Innenfläche aufweist.

7. Kühleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens der mit dem Wärmeleitele­ ment (12, 21) verbundene Teil des Schaltungsgehäuses (13; 22, 23) zur Innenseite hin wärmeisoliert ist.

8. Kühleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Wärmeleitelement (12; 21) eine helle bzw. weiße Außenfläche aufweist.

9. Kühleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das zu kühlende Bauelement (28) in üb­ licher Weise in einer Leiterplatine (26) verdrahtet ist und mit wenigstens einer seiner wärmeabgebenden Außenflä­ chen am Wärmeleitelement (21) wärmeleitend befestigt ist (Fig. 2).

10. Kühleinrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Wärmeleitelement (21) nahe dem auf der Leitplatine (26) verdrahteten, zu kühlenden Bauelement (28) angeordnet ist.

11. Kühleineinrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Wärmeleitelement (21) durch Durchbrechungen (29) in der Leiterplatine (26) hindurchragt.

12. Kühleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Wärmeleitelement (12; 21) mit seinen beiden Enden an jeweils einander gegenüberliegenden Teilen des Schaltungsgehäuses (22, 23) wärmeleitend befestigt ist.

13. Kühleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Wärmeleitelement (12; 21) mit einem elektrisch isolierenden, wärmedurchlässigen Material ummantelt ist.