DE10249331B4

DE10249331B4 - Kühlvorrichtung

Info

Publication number: DE10249331B4
Application number: DE2002149331
Authority: DE
Original assignee: Schneider Clauss & Co KG GmbH; Schneider-Clauss & Co KG Metallwarenfabrikation GmbH
Current assignee: Schneider Clauss & Co KG GmbH; Schneider-Clauss & Co KG Metallwarenfabrikation GmbH
Priority date: 2002-10-22
Filing date: 2002-10-22
Publication date: 2007-08-23
Anticipated expiration: 2022-10-23
Also published as: DE10249331A1

Abstract

Kühlvorrichtung zum Kühlen elektrischer Bauteile mit einem einstückigen Kühlkörper (10), wobei
der Kühlkörper (10) ein Kontaktelement (16) zur Befestigung auf dem Bauteil und ein Kühlelement (14) zur Wärmeabgabe aufweist,
das Kontaktelement (16) aus Kupfer besteht, und
das Kühlelement (14) aus einem Metall besteht, das nicht Kupfer ist,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Kupfer-Kontaktelement (16) und das Metall-Kühlelement (14) trennschichtfrei miteinander verbunden sind, und
dass Gefügestrukturen des Kontaktelementes (16) und Gefügestrukturen des Kühlelementes (14) ineinander greifen und ihre Grenzschichten innig miteinander verbunden sind.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Kühlvorrichtung zum Kühlen elektrischer Bauteile.
Passive Kühlvorrichtungen werden zum Kühlen elektrischer Bauteile eingesetzt, die im Betrieb viel Wärme entwickeln und ohne Kühlung nicht funktionsfähig sind oder sogar zerstört werden. Hierbei handelt es sich vor allem um Bauteile der Leistungselektronik und um hochintegrierte digitale Bauteile. In der Regel werden Kühlkörper aus Aluminium verwendet. Diese können durch mechanisches Fügen, Klemmen, Kleben, Nieten oder Verschrauben an dem Bauteil befestigt werden, können mit diesem jedoch nicht verlötet werden. Kühlkörper aus Kupfer dagegen können zwar mit dem Bauteil verlötet werden, sind jedoch teuer und nur schwer verformbar.

Aus WO 02/076166 A1 ist eine Kühlvorrichtung zum Kühlen elektrischer Bauteile bekannt, die aus einem Aluminium-Kühlkörper und einem Kupfer-Kontaktelement besteht. Das Kontaktelement und das Kühlelement werden durch eine geeignete mechanische Verbindung miteinander verbunden, beispielsweise durch punktförmige Zapfen- oder Nietverbindungen.

Aus JP 06140539 A ist ein Kühlelement bekannt, bei dem eine Kupferplatte in eine entsprechende Ausnehmung eines Aluminium-Kühlkörpers eingedrückt ist.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Kühlvorrichtung mit verbesserten Kühleigenschaften zu schaffen.

Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Kühlvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1.

Die erfindungsgemäße Kühlvorrichtung weist einen einstückigen Kühlkörper auf, der ein Kontaktelement aus Kupfer zur Befestigung auf dem elektrischen Bauteil und ein Kühlelement aus Metall, das nicht Kupfer ist, zur Wärmeabgabe aufweist. Das Kupfer-Kontaktelement kann beispielsweise eine dünne Kupferplatte sein, die mechanisch so fest und frei von Gaseinschlüssen mit dem Metall-Kühlkörper verbunden ist, dass der Wärmeübergang zwischen dem Kontaktelement und dem Kühlelement annähernd widerstandslos erfolgt. Der Kühlkörper besteht aus zwei Elementen aus zwei verschiedenen Materialien, die jedoch in einer Einheit und homogen miteinander vereint sind, so dass sie einen einstückigen Kühlkörper bilden. Das Kupfer-Kontaktelement bietet wegen seiner hohen Wärmekapazität und seiner guten Wärmeleiteigenschaften eine schnelle Wärmeverteilung der von dem elektrischen Bauteil abgeführten Wärme. Hierdurch wird die abzuführende Wärme von dem häufig sehr kleinen elektrischen Bauteil auf eine große Fläche verbreitert. Mit dieser großen Kontaktelement-Fläche ist das Kühlelement praktisch wärmewiderstandsfrei verbunden. Das Kühlelement besteht aus einem Metall, das gut verformbar ist, so dass es eine für die Wärmeabführung an das den Kühlkörper umgebende und umströmende Kühlfluid, beispielsweise Kühlluft, optimierte Form aufweist.

Durch die geringe Menge an benötigtem Kupfer und durch die leichte Verformbarkeit des Metalles des Kühlelementes kann auf relativ preiswerte Weise eine Kühlvorrichtung hergestellt wer den, die große Wärmemengen auch von sehr kleinen elektrischen Bauteilen, d.h. von sehr kleinen Wärmequellen abführen kann.

Da das Kontaktelement aus Kupfer besteht, kann es mit dem elektronischen Bauteil ggf. verlötet werden. Hierdurch wird auch zwischen dem elektrischen Bauteil und dem Kühlkörper ein idealer Wärmeübergang geschaffen. Ferner kann der Kühlkörper in automatischen Lötanlagen, beispielsweise in Lötbädern montiert werden, wodurch die Montagekosten reduziert werden können.

Wegen der hohen Wärmekapazität von Kupfer, können kurzzeitig auftretende Temperaturspitzen des elektrischen Bauteiles besser geglättet werden.

Das Kupfer-Kontaktelement und das Metall-Kühlelement sind trennschichtfrei miteinander verbunden. Zwischen dem Kontaktelement und dem Kühlelement befinden sich keinerlei die Wärmeübertragung fördernde Stoffe.

Bei der Herstellung des Kühlkörpers können bereits fertig vorkonfektionierte Grundkörper aus einer Kupferschicht und einer Nichtkupfer-Metallschicht verwendet werden. Derartige Grundkörper können durch Reibschweißen, chemische Verbindungsverfahren, durch Sprengplattieren oder Sprengschweißen oder durch andere Hochdruck-Fügeverfahren miteinander verbunden werden, bei denen die beiden Grenzschichten sich innig miteinander verbinden und die Verbindungszone frei von Gas oder Partikeleinschlüssen bleibt.

Der Grundkörper aus Kupfer und Nichtkupfer-Metall wird dann zur Herstellung der erforderlichen Struktur des Kühlkörpers nochmals verformt, wobei die Verbindung zwischen dem Kupfer und dem Nichtkupfer-Metall nochmals verdichtet und verfestigt wird.

Das Kupfer-Kontaktelement kann als Kupferschicht von einer Stärke zwischen 0,005 bis über 10 mm ausgebildet sein. Das Kupfer-Kontaktelement ist vorzugsweise untrennbar mit dem Metall-Kühlelement verbunden.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung besteht das Kühlelement aus Aluminium. Hierzu können unterschiedliche Aluminiumlegierungen verwendet werden, die gute Verformungseigenschaften aufweisen. Diese können durch Druckguss oder durch Strangpressen in die Kühlelement-Endform gebracht werden.

Vorzugsweise besteht das Kühlelement aus reinem Aluminium mit mehr als 99,0 % Volumenanteil Aluminium.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung weist der Kühlkörper eine Grundplatte auf, die von dem plattenförmigen Kühlelement und dem plattenförmigen Kontaktelement gebildet ist. Die Grundplatte bildet den Teil des Kühlkörpers, der über das Kontaktelement mit einem zu kühlenden Bauteil in Kontakt steht.

Vorzugsweise weist das Kontaktelement der Grundplatte einen erhabenen Kontaktansatz auf, der flächig ausgebildet sein kann und mit einer geringen Höhe aus der ebenen Oberfläche des Kontaktelementes emporragt. Der Kontaktansatz ist der Teil, der dazu dient, mit dem zu kühlenden Bauteil unmittelbar in Kontakt zu stehen.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung weist das Kontaktelement ein abragendes Fixierungsstück auf, das in Stiftform, in Stegform oder auf andere Weise ausgebildet sein kann. Das Fixierstück kann senkrecht von der Grundebene des plattenförmigen Kontaktelementes abragen. Das Fixierstück dient der Platzierung und/oder Fixierung der Kühlvorrichtung an dem zu kühlenden Bauelement, an einer Platine oder an anderen Teilen.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung weist das Kühlelement Kühlrippen und/oder Kühlnadeln auf. Durch das Vorsehen von Kühlrippen und/oder Kühlnadeln wird die Oberfläche des Kühlelementes so weit vergrößert und in Bezug auf die Wärmeabgabe an die Umgebungsluft so weit optimiert, dass große Wärmemengen schnell abgeführt werden können.

Vorzugsweise bildet der Kühlkörper ein becherförmiges Gehäuse, das das elektrische Bauteil von zwei oder mehr Seiten umfasst. Hierdurch wird eine großflächige Wärmeübergabefläche zwischen dem Bauteil und dem Kühlkörper realisiert.

Im folgenden werden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen mehrere Ausführungsbeispiele näher erläutert.
Es zeigen:
1 eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung im Längsschnitt,
2 die Kühlvorrichtung der 1 in Draufsicht,
3 eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung mit Kühlnadeln in Draufsicht, und
4 eine dritte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung im Längsschnitt.
In den 1 bis 4 sind verschiedene Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung dargestellt, wobei sich die jeweiligen Kühlkörper 10, 30, 40 im Wesentlichen nur durch ihre Form voneinander unterscheiden.
Der Kühlkörper 10 der Kühlvorrichtung der 1 und 2 weist eine Grundplatte 12 auf, von der auf der Seite des Kühlelementes 14 mehrere Kühlrippen 18 senkrecht aufragen. Die Grundplatte 12 wird von einem aus Kupfer bestehenden plattenförmigen Kontaktelement 16 und einem trennschichtfrei und innig damit verbundenen plattenförmigen Kühlelement 14 gebildet. Das Kühlelement 14 besteht aus Aluminium mit mehr als 99,0 % Volumenanteil Aluminium. Das Kontaktelement 16 und das Kühlelement 14 sind derart miteinander verbunden, dass keine Sperr- oder Trennschicht zwischen ihnen vorhanden ist. Auch Gaseinschlüsse oder Partikel zwischen dem Kontaktelement und dem Kühlelement sind nicht vorhanden. Auf diese Weise ist über die gesamte Berührungsfläche zwischen dem Kühlelement und dem Kontaktelement ein praktisch widerstandsfreier Wärmeübergang gewährleistet.
An der Unterseite der Grundplatte 12 weist das plattenförmige Kontaktelement 16 einen erhabenen Kontaktansatz 20 auf, der nur geringfügig aus der Grundebene des Kontaktelementes 16 herausragt. Der Kontaktansatz 20 ist an seiner Oberfläche vollkommen eben ausgebildet und bildet die eigentliche Kontaktfläche, mit der der Kühlkörper 10 mit einem zu kühlenden Bauteil kontaktiert wird.
Ferner sind an der Unterseite der Grundplatte 12 von dem Kontaktelement senkrecht abragende Fixierstücke 22 vorgesehen, die stiftartig ausgebildet sind. Die Fixierstücke 22 dienen der genauen Platzierung und der Fixierung des Kühlkörpers 10 an dem zu kühlenden Bauteil bzw. einer Platine oder einem Gehäuse.
Sowohl die Fixierstücke 22 als auch der Kontaktansatz 20 sind einstückig mit dem Kontaktelement 16 ausgebildet und aus diesem durch Verformung heraus gebildet.
In dem in 3 dargestellten zweiten Ausführungsbeispiel einer Kühlvorrichtung weist der Kühlkörper 30 statt Kühlrippen eine Vielzahl von Kühlnadeln 34 auf, die senkrecht von der Grundplatte 31 aufragen. Die Kühlnadeln 34 sind einstückig mit dem Aluminium-Kühlelement 32 ausgebildet.
Bei dem in 4 dargestellten Ausführungsbeispiel einer Kühlvorrichtung ist der Kühlkörper 40 becherartig ausgebildet, wobei sowohl das Kontaktelement 46 als auch das Kühlelement 44 diese becherartige Form einnehmen. Durch den becherförmigen Kühlkörper 40 wird ein rechteckiger Hohlraum 48 umschlossen, der ein zu kühlendes elektrisches Bauelement in sich aufnehmen kann.
Die beschriebenen Kühlkörper 10, 30, 40 sind alle jeweils einstückig ausgebildet. Das Kühlelement und das Kontaktelement sind jeweils untrennbar und innig miteinander verbunden. Hierdurch wird ein widerstandsfreier Wärmeübergang zwischen dem Kontaktelement und dem Kühlelement sichergestellt.

Claims

Kühlvorrichtung zum Kühlen elektrischer Bauteile mit einem einstückigen Kühlkörper (10), wobei der Kühlkörper (10) ein Kontaktelement (16) zur Befestigung auf dem Bauteil und ein Kühlelement (14) zur Wärmeabgabe aufweist, das Kontaktelement (16) aus Kupfer besteht, und das Kühlelement (14) aus einem Metall besteht, das nicht Kupfer ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Kupfer-Kontaktelement (16) und das Metall-Kühlelement (14) trennschichtfrei miteinander verbunden sind, und dass Gefügestrukturen des Kontaktelementes (16) und Gefügestrukturen des Kühlelementes (14) ineinander greifen und ihre Grenzschichten innig miteinander verbunden sind.
Kühlvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlelement (14) Aluminium aufweist.
Kühlvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlelement (14) aus reinem Aluminium mit einem Aluminium-Volumenanteil von mehr als 99,0 % besteht.
Kühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 1–3, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkörper (10) eine Grundplatte (12) aufweist, die von dem plattenförmigen Kühlelement (14) und dem plattenförmigen Kontaktelement (16) gebildet ist.
Kühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 1–4, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlelement (14) Kühlrippen (18) und/oder Kühlnadeln (34) aufweist.
Kühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 1–5, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkörper (10) ein becherförmiges Gehäuse bildet.
Kühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 1–6, dadurch gekennzeichnet, dass das Kontaktelement (16) einen erhabenen Kontaktansatz (20) aufweist.
Kühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 1–7, dadurch gekennzeichnet, dass das Kontaktelement (16) ein abragendes Fixierstück (22) aufweist.