DE19911204A1 - Kühlvorrichtung für elektronische Bauelemente - Google Patents

Abstract

Die ständig zunehmende Miniaturisierung elektronischer Bauelemente (12, 14) führt zu sehr hohen Leistungs- und Verlustleistungsdichten. Die dadurch erzeugte Wärmeenergie muß abgeführt werden, um die elektronischen Bauelemente (12, 14) zu schützen. Es ist daher eine Kühlvorrichtung für elektronische Bauelemente (12, 14) vorgesehen mit einer Trägerplatte (11, 13) aus Metall, an der die elektronischen Bauelemente (12, 14) in wärmeleitender Verbindung montiert sind. Dabei ist die Trägerplatte (11, 13) mit einem metallischen Bauteil eines Kühlmittelkühlers (1) in einem Kraftfahrzeug verbunden.

Description

Die Erfindung betrifft eine Kühlvorrichtung für elektro­ nische Bauelemente der im Oberbegriff des Anspruchs 1 ange­ gebenen Gattung.

Die ständige zunehmende Miniaturisierung elektronischer Bauteile führt zu sehr hohen Leistungs- und Verlust­ leistungsdichten. Die zulässige Sperrschichttemperatur von Halbleitern bleibt dagegen konstant, so daß hohe Anforde­ rungen an Kühlkörper für die elektronischen Bauteile ge­ stellt werden. Im Automobilbereich erreicht die Leistungs­ elektronik inzwischen mehrere Kilowatt, wobei die Verlust­ leistungen üblicherweise zwischen 0,4 kW bis 2 kW für eine Baueinheit liegen.

Zur Kühlung von Leistungshalbleitern werden häufig Alu­ miniumstrangpreßprofile eingesetzt. Diese sind in ihrem Querschnitt entsprechend konfiguriert und mit mehreren in unterschiedliche Richtungen ragenden Rippen versehen. Darüber hinaus sind Aluminiumträgerplatten bekannt, die zur Oberflächenvergrößerung mit angelöteten Kühlrippen aus dün­ nen Aluminiumbändern versehen sind. Die Leistungsdichte be­ zogen auf die nutzbare Kühlfläche ist für viele Anwendungen nicht ausreichend, was teilweise auch an den zu geringen Luftleistungen kühlluftseitig liegt. Auch die Maßnahmen zur Oberflächenvergrößerung durch aufgelötete Rippen erfordert einen kostenintensiven Lötprozeß mit der Gefahr der Unebenheit durch Verzug. Dadurch wird die Oberflächen­ qualität der Kühleinrichtung beeinträchtigt, was wiederum den Wärmefluß behindert.

In Patent Abstracts of Japan 08250629 A vom 27. 09. 1996 wurde zur Erhöhung der Wärmeübertragungsleistung bereits eine Kühleinrichtung für elektrische Bauelemente vorge­ schlagen, bei der an einem flachen Befestigungselement für die Aufnahme der elektronischen Bauelemente orthogonal zur Ebene des Befestigungselementes angeordnete Platten be­ festigt sind. Zwischen den Platten sind Wellrippen angeord­ net, die mit den Platten in wärmeleitender Verbindung stehen. Das Befestigungselement und die Platten bestehen aus Aluminium und sind zusammengelötet. Das Gesamtpaket aus Befestigungselement, Platten und Rippen muß von einem Kühl­ luftstrom beaufschlagt werden, um die Wärme abzuführen. Außerdem benötigt eine solche Kühleinrichtung einen großen Bauraum, der in Personenkraftfahrzeugen meist nicht zur Verfügung steht und es wird auch eine enorme Leistung zur Erzeugung eines ausreichenden Kühlluftstromes benötigt.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde eine Kühlvorrichtung für elektronische Bauelemente der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Gattung zu schaffen, die eine hohe Kühlleistung aufweist und kostengünstig herstellbar ist.

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

Als Vorteil der Erfindung ist es anzusehen, daß mit äußerst geringem Aufwand eine wirksame Kühlvorrichtung für elektro­ nische Bauelemente geschaffen ist, und zwar durch die Kom­ bination mit einem ohnehin erforderlichen Wärmetauscher für das Kühlmittel eines Antriebsmotors in einem Kraftfahrzeug. Ein solcher Wärmetauscher verfügt einerseits über eine große wärmeübertragende Oberfläche, wobei diesem Wärme­ tauscher üblicherweise ein Lüfter zur Erzeugung eines ange­ messenen Kühlluftstromes zugeordnet ist. Da der Wärme­ tauscher und der Lüfter zur Erzeugung des Kühlluftstromes ohnehin im Kraftfahrzeug vorhanden sind, ist für die vor­ liegende Erfindung lediglich die Trägerplatte zur Aufnahme der elektronischen Bauelemente zusätzlich erforderlich, wobei diese Trägerplatte wahlweise an der Außenseite eines Kühlmittelkastens oder an einem Seitenteil des Wärme­ tauschers befestigt werden kann. Im Falle der Befestigung am Kühlmittelkasten erfolgt die Wärmeabfuhr durch den Kühlmittelstrom, wobei vorzugsweise die Trägerplatte dem abströmseitigen Kühlmittelkasten zugeordnet ist. Mit der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung wird eine hohe Kühl­ leistung auf kleiner Grundfläche erreicht, wodurch eine ausreichende Wärmeabfuhr gegeben ist.

Es ist durchaus denkbar, das Seitenteil des Wärmetauschers selbst als Trägerplatte für die elektronischen Bauelemente auszubilden. In diesem Fall hat das Seitenteil eine Doppel­ funktion, nämlich diejenige der Trägerplatte zur Aufnahme der elektronischen Bauelemente und die des Seitenteils als äußeres Versteifungselement, das auch zur Aufnahme von Be­ festigungsmitteln für den Wärmetauscher dient. Ist das Seitenteil selbst die Trägerplatte, so ist eine unmittel­ bare stoffschlüssige Verbindung zwischen Trägerplatte und der benachbarten Wellrippe gegeben.

Sofern die Trägerplatte ein separates Bauteil ist, das an einem herkömmlichen Seitenteil des Kühlmittelkühlers oder an dessen Kühlmittelkasten befestigt wird, so sind mechanische Verbindungsmittel ebenfalls möglich, bei­ spielsweise Schrauben oder Nieten. Für den Fall, daß eine möglichst große thermische Entkopplung zwischen dem Kühl­ mittel im Wärmetauscher und den elektronischen Bauelementen vorhanden sein soll, kann es zweckmäßig sein das Wärme­ tauscherrohr, welches der Trägerplatte mit den elektro­ nischen Bauelementen benachbart ist, zu verschließen, wobei ein Verschluß an der Einlaufseite für besonders zweckmäßig erachtet wird.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind nachstehend anhand der Zeichnungen näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 einen als Querstromkühler ausgeführten Kühl­ mittelkühler eines Kraftfahrzeuges mit einer Kühlvorrichtung für elektronische Bauelemente,

Fig. 2 eine Ausführungsvariante zur Fig. 1.

In Fig. 2 ist ein Kühlmittelkühler 1 gezeigt, der als Quer­ stromkühler ausgeführt ist. Der Kühlmittelkühler 1 umfaßt ein Wärmetauschernetz 2, das aus einer Vielzahl parallel angeordneter Wärmetauscherrohre 3 und dazwischen angeord­ neten Wellrippen 4 besteht. Die Wärmetauscherrohre 3 er­ strecken sich zwischen zwei Kühlmittlkästen 5 und 6, wobei der Kühlmittelkasten 5 mit einem Zulaufanschluß 7 und der Kühlmittelkasten 6 mit einem Rücklaufanschluß 8 für das Kühlmittel versehen sind.

Am unteren Rand des Wärmetauschernetzes 2 befindet sich ein unteres Seitenteil 9, das in wärmeleitendem Kontakt mit der untersten Wellrippe 4 steht. Am oberen Rand des Wärme­ tauschernetzes 2 befindet sich ein oberes Seitenteil 10, das an der oberen Wellrippe 4 anliegt. Die Seitenteile 9 und 10 sind mit ihren Enden an den Kühlmittelkästen 5 und 6 befestigt. Die Wärmetauscherrohre 3, Wellrippen 4 sowie Seitenteile 9, 10 bestehen vorzugsweise aus einem Alu­ miniumwerkstoff und sind komplett miteinander verlötet. Die Kühlmittelkästen 5, 6 können aus Kunststoff bestehen, da sie lediglich als Sammelräume dienen und nicht zur Wär­ meübertragung. Es ist jedoch auch möglich, Kühlmittelkästen aus Metall vorzusehen.

An dem oberen Seitenteil 10 ist eine Trägerplatte 11 mon­ tiert, die mit mehreren elektronischen Bauelementen 12 be­ stückt ist. Die elektronischen Bauelemente 12 stehen in guter wärmeleitender Verbindung mit der Trägerplatte 11, wozu diese eine entsprechende Oberflächenqualität aufweist. Die Trägerplatte 11 ist an dem oberen Seitenteil 10 derart befestigt, daß ein guter Wärmefluß von der Trägerplatte 11 in die benachbarte Wellrippe 4 gegeben ist, welche eine große Wärmeübertragungsfläche bildet. Da die oberste Well­ rippe 4 mit dem obersten Wärmetauscherrohr 3* in wärmeüber­ tragender Verbindung steht, ist eine Beeinflussung durch das dieses Wärmetauscherrohr 3* durchströmende Kühlmittel gegeben. Sofern es zweckmäßig ist, die Wärmeenergie von den elektronischen Bauteilen 12 unbeeinflußt von der Kühl­ mitteltemperatur abzuführen, kann das oberste Wärme­ tauscherrohr 3* verschlossen werden, so daß dieses nicht mehr vom Kühlmittel durchströmt wird. Hierzu wird in ein­ facher Weise das Wärmetauscherrohr 3* an seinem dem Kühl­ mittelkasten 5 benachbarten Ende 3' verschlossen, bei­ spielsweise durch Verformung des Rohrmaterials an dessen Ende.

In Fig. 2 ist eine Ausführungsvariante zu Fig. 1 gezeigt, wobei der Kühlmittelkühler 1 im Prinzip einen gleichen Auf­ bau hat. Für gleiche Teile stimmen daher die Bezugszeichen mit denjenigen der Fig. 1 überein. Bei der in Fig. 2 ge­ zeigten Lösung bestehen die Kühlmittelkästen 5 und 6 auf jeden Fall aus einem metallischen Werkstoff, vorzugsweise Aluminium, so daß der Kühlmittelkühler 1 in einer Komplett­ lötung herstellbar ist. An einer Außenseite 6' des rück­ laufseitigen Kühlmittelkastens 6 ist eine Trägerplatte 13 angeordnet, die ebenfalls aus einem metallischen Werkstoff und bevorzugterweise aus Aluminium besteht. Diese Träger­ platte 13 steht in guter wärmeleitender Verbindung mit dem Kühlmittelkasten 6 und auf der dem Kühlmittelkasten 6 abge­ wandten Seite sind auf der Trägerplatte 13 mehrere elek­ tronische Bauelemente 14 befestigt. Die in den elek­ tronischen Bauelementen 14 entstehende Wärmeenergie in Folge von Leistungsverlusten wird durch die Trägerplatte 13 und die Wandung des Kühlmittelkastens 6 an das durch den Kühlmittelkasten 6 strömende Kühlmittel abgegeben.

Claims (8)

1. Kühlvorrichtung für elektronische Bauelemente (12, 14) insbesondere in einem Kraftfahrzeug mit einer Träger­ platte (11, 13) aus Metall, an der die elektronischen Bauelemente (12, 14) in wärmeleitender Verbindung mon­ tiert sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Trägerplatte (11, 23) mit einem metallischen Bauteil (4, 6, 10) eines Kühl­ mittelkühlers (1) verbunden ist.

2. Kühlvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das metallische Bauteil ein Seitenteil (10) des Kühlmittelkühlers (1) ist.

3. Kühlvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das metallische Bauteil ein Kühlmittelkasten (6) vorzugsweise der abschlußseitige Kühlmittelkasten des Kühlmittelkühlers (1) ist.

4. Kühlvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Trägerplatte (11) als massives Seitenteil des Kühlmittelkühlers (1) ausge­ führt und mit seiner Längsseite an einer Kühlerrippe (4) und endseitig mit Rohrböden (5*, 6*) des Kühlmit­ telkühlers (1) verbunden ist.

5. Kühlvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein dem Seitenteil (10) des Kühlmittelkühlers (1) benachbartes Wärmetauscherrohr (3*) endseitig vorzugsweise am zuflußseitigen Kühlmit­ telkasten (5) verschlossen ist.

6. Kühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das metallische Bauteil (4, 6, 10) und/oder die Trägerplatte (11, 13) aus Aluminium bzw. einer Aluminiumlegierung besteht.

7. Kühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Trägerplatte (11) mit dem metallischen Bauteil (10) mechanisch verbunden ist.

8. Kühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Trägerplatte (11, 13) mit dem metallischen Bauteil (4, 6, 10) stoffschlüssig verbunden ist.