DE3735985C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung befaßt sich mit Schränken, Gehäusen und anderen umschließenden Einrichtungen zur Unterbringung von Unterbau­ gruppen oder Schaltungsplattenrahmen, die Schaltungsplatten und/oder Module tragen, die weitere elektrische Bauteile besitzen. Ein Schrank oder eine andere umschließende Ein­ richtung, die solche Unterbaugruppen oder Kartenrahmen und/ oder Module enthält, wird nachstehend aus Übersichtlichkeits­ gründen bezeichnet als "gedruckte Schaltungsplattenanordnung der beschriebenen Art". Die Erfindung betrifft einen wärmeleitenden Modul zum örtlichen Abführen von Wärme von einem elektrischen Bauteil einer derartigen gedruckten Schaltungsplattenanordnung.

Die Entwicklung von Siliziumchips hat zu einer beträchtlichen Zunahme der Bauteildichte der einzelnen gedruckten Schaltungs­ platten und/oder Module einer Schaltungsplattenanordnung der beschriebenen Art geführt und die größere Bauteildichte jeder gedruckten Schaltungsplatte und/oder jedes Moduls der An­ ordnung führte zu einer größeren abgegebenen Leistung und somit zu höheren Betriebstemperaturen.

Übliche Methoden zum Steuern der Temperatur der umschließen­ den Einrichtung einer gedruckten Schaltungsplattenanordnung der beschriebenen Art umfassen die normale Konvektion, die erzwungene Konvektion, z.B. mittels Gebläsekühlung, Kühl­ flüssigkeit, verschiedenen Arten von Wärmeleitern oder Senken sowie eine Kombination von zwei oder mehr dieser Methoden.

Wenn sich herausstellt, daß ein beträchtlicher Anteil der emittierten Wärme von einem speziellen einzelnen elektrischen Bauteil in einer gedruckten Schaltungsplattenanordnung der beschriebenen Art ausgeht, so wurde vorgeschlagen, eine lokale Kühlung dieses entsprechenden Bauteiles vorzunehmen, indem man beispielsweise unter Druck gesetztes Kühlfluid auf dieses jeweilige Bauteil richtet und/oder eine lokale Wärmeabfuhr von diesem jeweiligen Bauteil bewerkstel­ ligt, beispielsweise mit Hilfe eines thermisch leitenden Moduls.

Gemäß einer zweckmäßigen Ausgestaltung für eine örtliche Wär­ meabfuhr von einem einzelnen elektrischen Bauteil einer ge­ druckten Schaltungsplattenanordnung der beschriebenen Art ist zwischen dem Bauteil und einem Wärmeleiter zum Ableiten der abgezogenen Wärme zu der Umgebung von der umschließenden Einrichtung der Anordnung nach außen ein thermisch leitender Modul vorgesehen, der ein rohrförmiges Gehäuse aufweist, das aus einem Metall, einer Metallegierung oder einem anderen Metall mit hohem Wärmeleitvermögen besteht und an einem Ende geschlossen ist, und der einen federbelasteten Kolben aus einem Metall oder einer Metallegierung mit hohem Wärmeleit­ vermögen aufweist, der gleitbeweglich im rohrförmigen Gehäuse angeordnet ist und aus diesem vorsteht. Das geschlossene Ende des rohrförmigen Gehäuses des Moduls ist in Wärmekontakt mit dem Wärmeleiter und die freiliegende Stirnfläche des Kolbens wird durch die zugeordnete Feder in Wärmekontakt mit dem ein­ zelnen Bauteil gedrückt, von dem die Wärme abzuführen ist, so daß die vom Bauteil abgegebene Wärme über den Kolben und das rohrförmige Gehäuse in den Wärmeleiter geht, von dem sie zu der Umgebung abgegeben wird. Ein wärmeleitender Modul gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ist aus der US-A-41 93 445 bekannt.

Es hat sich gezeigt, daß dann, wenn nicht die Anlageflächen des Bauteils und der freiliegenden Stirnfläche des Kolbens im wesentlichen eben sind - und in vielen Fällen hat das Bauteil keine im wesentlichen ebene Fläche - der Wirkungs­ grad der Wärmeübertragung von dem Bauteil zu dem federbe­ lasteten Kolben nicht zufriedenstellend ist, woraus resultiert, daß ein unerwünschter Anteil der vom Bauteil emittierten Wärme nicht zu dem wärmeleitenden Modul abgeführt wird.

Aus der US-A-42 46 597 ist ein luftgekühltes Bauelement mit mehreren Chips bekannt, bei dem zur Verbesserung des Wärmeübergangs an verschiedenen Grenzflächen ein wärmeleitfähiges Fett verwendet wird.

Die Erfindung zielt darauf ab, zur Verwendung bei einer gedruckten Schaltungsplattenanordnung der beschriebenen Art einen verbesserten wärmeleitenden Modul bereitzustellen, um Wärme von einem einzelnen elektrischen Bauteil der Anordnung lokal effektiver und unabhängig von der räumlichen Orientierung des Moduls abzuziehen.

Diese Aufgabe wird durch den wärmeleitenden Modul gemäß der Ansprüche gelöst.

Der Kolben des erfindungsgemäßen Moduls kann eine einzige Durchgangsbohrung haben, die mit­ tig bezüglich der freiliegenden Stirnfläche des Kolbens ange­ ordnet ist, oder es können mehrere Durchgangsbohrungen in Umfangsrichtung im Abstand zur Längsmittelachse des Kolbens angeordnet sein. Die freiliegende Stirnfläche des Kolbens ist vorzugsweise im wesentlichen eben und sie liegt vorzugs­ weise ebenfalls in einer Ebene radial zur Längsachse des Kolbens.

Vorzugsweise hat das von der freiliegenden Stirnfläche ent­ fernt liegende Ende des Kolbens eine Ausnehmung, in die die oder jede Durchgangsbohrung mündet und die als ein Sitz für die als Spiralfeder ausgebildete Feder dient, die zwischen dem Kolben und der ge­ schlossenen Endwand des rohrförmigen Gehäuses festgehalten ist.

Die freiliegende Stirnfläche des geschlossenen Endes des rohrförmigen Gehäuses ist vorzugsweise im wesentlichen eben und sie liegt vorzugsweise ebenfalls in einer Ebene radial zur Längsachse des Gehäuses. Das Befestigungsmittel zum Befestigen des rohrförmigen Gehäuses an einem Wärmeleiter und in Wärme­ kontakt mit diesem kann in beliebiger Weise ausgestaltet sein. Vorzugsweise weist es jedoch einen mit einem Außengewinde ver­ sehenen Bolzen auf, der von dem geschlossenen Ende des rohr­ förmigen Gehäuses vorsteht und der entweder in eine mit In­ nengewinde versehene Öffnung in einem Wärmeleiter eingeschraubt ist oder der durch eine Öffnung in einem Wärmeleiter geht und an diesem mit Hilfe einer Mutter festgelegt ist. Alterna­ tiv kann das geschlossene Ende des rohrförmigen Gehäuses eine mit einem Innengewinde versehene Öffnung haben, in die eine Schraube, die durch eine Öffnung in einen Wärmeleiter geht, eingeschraubt werden kann, um den wärmeleitenden Modul fest mit dem Wärmeleiter und in Wärmekontakt mit diesem zu verbinden.

Das fettähnliche Medium mit hohem Wärmeleitvermögen, das in dem rohrförmigen Gehäuse enthalten ist, kann von irgendeinem geeigneten Fett oder Schmiermittel gebildet werden, das die gewünschten Wärmeleiteigenschaften hat. Bevorzugt wird hierzu eine silikonfreie, nicht-kriechende Masse verwendet.

Das rohrförmige Gehäuse und der Kolben können aus irgendeinem Metall oder einer Metallegierung mit hohem Wärmeleitvermögen hergestellt sein. Bevorzugte Metalle, Metallegierungen oder andere Materialien, aus denen sie hergestellt sein können, umfassen Legierungen auf Aluminiumbasis, Legierungen auf Kupferbasis und elektrisch nicht leitende Metalloxide.

Der verbesserte wärmeleitende Modul hat den bedeutenden Vorteil, daß zusätzlich zu der Tatsache, daß er einen guten Wärmekontakt zwischen einem elektrischen Bauteil, von dem Wärme abzuleiten ist, und der freiliegenden Stirnfläche des Kolbens herstellt, das fettähnliche Medium mit hohem Wärme­ leitvermögen ebenfalls den Wärmekontakt zwischen dem Kolben und dem rohrförmigen Gehäuse verbessert, in dem der Kolben gleitbeweglich angebracht ist, so daß man einen günstigeren Wärmeleitweg von dem elektrischen Bauteil zu einem Wärme­ leiter erhält, an dem der Modul befestigt ist.

Der verbesserte wärmeleitende Modul ist einfach ausgelegt und billig herzustellen und er läßt sich leicht an einem Wärmeleiter einer gedruckten Schaltungsplattenanordnung der beschriebenen Art zum Abführen von Wärme von irgendeinem gewünschten einzelnen elektrischen Bauteil der Anordnung be­ festigen.

Die Erfindung umfaßt bei einer gedruckten Schaltungsplatten­ anordnung der beschriebenen Art auch wenigstens einen ver­ besserten wärmeleitenden Modul der vorstehend beschriebenen Art, der thermisch zwischen einem elektrischen Bauteil der Anordnung und einem Wärmeleiter angeordnet ist.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Beispiels eines bevorzugt ausgelegten thermisch leitenden Moduls zur örtli­ chen Wärmeabfuhr von einem einzelnen elektrischen Bauteil einer gedruckten Schaltungsplattenanordnung der beschriebenen Art unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung näher er­ läutert. Darin zeigt:

Fig. 1 eine Seitenschnittansicht einer bevorzugten Aus­ bildungsform eines wärmeleitenden Moduls, und

Fig. 2 eine Ausschnittsseitenansicht einer gedruckten Schaltungsplattenanordnung der beschriebenen Art zur Verdeutlichung, auf welche Weise zwei wärme­ leitende Module nach Fig. 1 zur Anwendung kommen, um Wärme von zwei elektrischen Bauteilen der An­ ordnung abzuführen.

Unter Bezugnahme auf Fig. 1 weist eine bevorzugte Ausbildungs­ form des wärmeleitenden Moduls ein rohrförmiges Gehäuse 1 auf, das aus einer Metallegierung mit hohem Wärmeleitvermögen besteht und das an einem Ende 2 geschlossen ist. In der Bohrung 3 des rohrförmigen Gehäuses 1 ist ein Kolben 4 aus einer Metallegierung mit hohem Wärmeleitvermögen gleitbe­ weglich und er steht aus der Bohrung 3 vor, wobei der Kolben 4 in Richtung des offenen Endes des rohrförmigen Körpers mittels einer als Spiralfeder 6 ausgebildeten Feder gedrückt wird, die zwischen der geschlossenen Endwand 2 des rohrförmigen Gehäuses und der Endwand einer Ausnehmung 5 in der Nähe des Endteils des Kol­ bens festgehalten ist. Der Kolben 4 ist in der Bohrung 3 des rohrförmigen Gehäuses mit Hilfe einer durchgehenden Um­ fangslippe 7 an dem offenen Ende des Gehäuses gehalten. Ei­ ne einzige Durchgangsbohrung 8, die zentrisch bezüglich der freiliegenden Stirnfläche angeordnet ist, erstreckt sich durch den Kolben 4 und öffnet sich in der freiliegenden Stirn­ fläche 9 des Kolbens. Die freiliegende Stirnfläche 9 des Kolbens 4 ist im wesentlichen eben und liegt in einer Ebene radial zur Längsachse des Kolbens. Ein fettähnliches Medium 10 mit hohem Wärmeleitvermögen ist in der Bohrung 3 des rohr­ förmigen Gehäuses 1 enthalten. Die freiliegende Stirnfläche des geschlossenen Endes 2 des rohrförmigen Gehäuses 1 ist im wesentlichen eben und liegt in einer Ebene radial zur Längs­ achse des Gehäuses und das geschlossene Ende des Gehäuses hat eine mit Innengewinde versehene Öffnung 11, in die als Befestigungsmittel ein mit einem Außengewinde versehener Bolzen 12 eingeschraubt ist, der von dem geschlossenen Ende des Gehäuses absteht.

Bei der Ausschnittsseitenansicht der gedruckten Schaltungs­ plattenanordnung der beschriebenen Art, die in Fig. 2 gezeigt ist, hat eine gedruckte Schaltungsplatte 20 zwei einzelne elektrische Bauteile 21 und 22, die auf der gedruckten Schal­ tung der Schaltungsplatte angebracht und mit dieser elektrisch angeschlossen sind. Der gedruckten Schaltungsplatte ist ein Wärmeleiter 24 zugeordnet, der in Wärmekontakt mit in wechsel­ seitigem Abstand angeordneten Rippen 25 ist, um Wärme von dem Leiter zur Umgebungsluft abzuleiten. Jedem einzelnen elek­ trischen Bauteil 21 und 22 ist ein wärmeleitender Modul 26 zugeordnet, der in Fig. 1 beschrieben ist. Das rohrförmige Gehäuse 1 jedes wärmeleitenden Moduls 28 ist fest mit dem Wärmeleiter 24 und in thermischem Kontakt mit diesem mit Hilfe des mit Außengewinde versehenen Bolzens 12 verbunden, der durch eine Öffnung im Wärmeleiter geht und an diesem mit Hilfe einer Mutter 14 befestigt ist. Die freiliegende Stirnfläche 9 des Kolbens 4 jedes wärmeleitenden Moduls 26 ist in Wärmekontakt mit dem zugeordneten elektrischen Bauteil 21, 22, von dem Wärme abzuführen ist. Der Kolben 4 wird ent­ gegen der Wirkung der zugeordneten Spiralfeder 8 mit einer Druckkraft beaufschlagt, und das fettähnliche Medium 10 tritt aus der Durchgangsbohrung 8 aus, die sich in der freiliegen­ den Stirnfläche 9 öffnet, und fließt zwischen die freiliegen­ de Stirnfläche und den elektrischen Bauteil 21, 22, um einen effektiven Wärmekontakt zwischen dem elektrischen Bau­ teil und der freiliegenden Stirnfläche des Kolbens zu er­ halten. Da das fettähnliche Medium mit hohem Wärmeleitver­ mögen im wesentlichen alle Räume zwischen den anliegenden Flächen des elektrischen Bauteils 21, 22 und der freiliegen­ den Stirnfläche 9 des Kolbens 4 ausfüllt, erhält man eine äußerst effektive Wärmeübertragung von dem Bauteil zu dem federbelasteten Kolben und somit über das rohrförmige Ge­ häuse 1 zu dem Wärmeleiter 24.

Claims (14)

1. Wärmeleitender Modul (26) zum örtlichen Abführen von Wärme von einem elektrischen Bauteil (21, 22) einer gedruckten Schaltungsplattenanordnung, wobei der Modul aufweist: ein rohrförmiges Gehäuse (1), das aus einem Material mit hohem Wärmeleitvermögen hergestellt ist und an einem Ende (2) geschlossen ist, mit einem Befestigungsmittel (12) an dem geschlossenen Ende des rohrförmigen Gehäuses (1) zum Befestigen des Gehäuses (1) an einem Wärmeleiter (24) und in Wärmekontakt mit diesem, einen Kolben (4) aus Material mit hohem Wärmeleitvermögen, der in dem rohrförmigen Gehäuse (1) gleitbeweglich angeordnet ist, von diesem übersteht und wenigstens eine Durchgangsbohrung (8) hat, aus der ein wärmeleitendes Medium (10) auf die freiliegende Stirnfläche (9) des Kolbens (4) fließen kann, und eine Feder (6), die den Kolben (4) in eine Richtung von dem geschlossenen Ende (2) des rohrförmigen Gehäuses (1) weg derart drückt, daß im Gebrauchszustand die freiliegende Stirnfläche (9) des Kolbens (4) mit dem darauf aufgebrachten thermisch leitfähigen Medium (10) in Wärmekontakt mit dem elektrischen Bauteil (21, 22) gedrückt wird, von dem Wärme abzuführen ist, dadurch gekennzeichnet, daß das wärmeleitende Medium (10) ein fettähnliches Medium mit hohem Wärmeleitvermögen ist, das in der Bohrung (3) des rohrförmigen Gehäuses (1) zwischen dem Kolben (4) und dem geschlossenen Ende (2) des rohrförmigen Gehäuses (1) derart enthalten ist, daß das aus der Durchgangsbohrung (8) auf die freiliegende Stirnfläche (9) des Kolbens (4) austritt, wenn der Kolben (4) in der Bohrung (3) des rohrförmigen Gehäuses (1) gegen die Wirkung der Feder (6) in Richtung auf das geschlossene Ende (2) des rohrförmigen Gehäuses (1) verschoben wird.

2. Wärmeleitender Modul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben (4) eine einzige Durchgangsbohrung (8) hat, die mittig bezüglich der freiliegenden Stirnfläche (9) des Kolbens (4) angeordnet ist.

3. Wärmeleitender Modul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben (4) eine Mehrzahl von Durchgangsbohrungen hat, die in Umfangsrichtung in Abständen um die Mittellängsachse des Kolbens (4) angeordnet sind.

4. Wärmeleitender Modul nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die freiliegende Stirnfläche (9) des Kolbens (4) eben ist.

5. Wärmeleitender Modul nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die ebene, freiliegende Stirnfläche (9) des Kolbens (4) in einer Ebene radial zur Längsachse des Kolbens (4) liegt.

6. Wärmeleitender Modul nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Endteil des Kol­ bens (4), das von der freiliegenden Stirnfläche (9) entfernt liegt, eine Ausnehmung (5) hat, in die die oder jede Durch­ gangsbohrung (8) mündet und die als ein Sitz für eine Spiral­ feder (6) dient, die zwischen dem Kolben (4) und dem ge­ schlossenen Ende (2) des rohrförmigen Gehäuses (1) festgehal­ ten ist und die zur Federbelastung des Kolbens (4) dient.

7. Wärmeleitender Modul nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die freiliegende Stirn­ fläche (9) des geschlossenen Endes (2) des rohrförmigen Ge­ häuses (1) eben ist.

8. Wärmeleitender Modul nach Anspruch 7, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die ebene freiliegende Stirnfläche des geschlossenen Endes des rohrförmigen Gehäuses (1) in einer Ebene radial zur Längsachse des Gehäuses liegt.

9. Wärmeleitender Modul nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Befestigungsmittel zum Befestigen des rohrförmigen Gehäuses (1) an einem Wärmeleiter (24) und in Wärmekontakt mit diesem aus einen mit Außengewinde versehenen Bolzen (12) besteht, der von dem geschlossenen Ende des rohrförmigen Gehäuses (1) vorsteht.

10. Wärmeleitender Modul nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Befestigungsmittel zum Befestigen des rohrförmigen Gehäuses (1) an einem Wärmeleiter (24) und in Wärmekontakt mit diesem eine mit einem Innengewinde versehene Öffnung im geschlossenen Ende des rohrförmigen Gehäuses (1) aufweist, in die eine Schraube, die durch eine Öffnung im Wärmeleiter (24) geht, einschraubbar ist.

11. Wärmeleitender Modul nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das fettähnliche Medium mit hohem Wärmeleitvermögen, das in dem rohrförmigen Gehäuse (1) enthalten ist, eine silikonfreie, nicht-krie­ chende Masse ist.

12. Wärmeleitender Modul nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben (4) aus einem Metall oder einer Metallegierung besteht.

13. Wärmeleitender Modul nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (1) aus einem Metall oder einer Metallegierung besteht.

14. Wärmeleitender Modul nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen einem auf einer gedruckten Schaltungsplattenanordnung (20), angeordneten elektrischen Bauteil (21, 22) und einem Wärmeleiter (24) angeordnet ist.