DE10102671C2 - Elektrische Heizung für ein Kraftfahrzeug - Google Patents
Elektrische Heizung für ein KraftfahrzeugInfo
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Description
Die Erfindung geht aus von einer elektrischen Heizung für ein Kraftfahrzeug mit
den im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Merkmalen. Eine solche Hei
zung ist als Zusatzheizung zu einem mittels eines Verbrennungsmotors angetrie
benen Kraftfahrzeug aus der DE 199 02 050 A1 bekannt. Kfz-Heizungen nutzen
in der Regel die Abwärme des Verbrennungsmotors. Durch die fortschreitende
Erhöhung des Wirkungsgrades der Verbrennungsmotoren wird die für die Hei
zung zur Verfügung stehende Abwärme geringer. Das trifft insbesondere auf die
besonders kraftstoffsparend ausgebildeten direkteinspritzenden Dieselmotoren
zu. Wegen ihrer geringen Abwärme werden diese Motoren vor allem im Winter
nicht so schnell warm, wie es wünschenswert ist, um die Frontscheibe zu entfro
sten, ein Beschlagen der Frontscheibe zu verhindern und um die Fahrgastzelle
auf eine angenehme Temperatur aufzuheizen. Aus diesem Grund ist es aus der
DE 199 02 050 A1 bekannt, eine elektrische Zusatzheizung vorzusehen, welche
typisch eine Leistung zwischen 250 Watt und 2.000 Watt aufweist. Die bekannte
Zusatzheizung verwendet dazu mehrere elektrische Heizstäbe, welche zusam
men mit von Wasser durchflossenen Rohren der Hauptheizung des Fahrzeuges
zu einem gemeinsamen Wärmetauscher zusammengefaßt sind, welcher seine
Wärme an einen in die Fahrgastzelle gerichteten Luftstrom abgibt. Wärmetau
scher und elektrische Zuheizer werden aber auch häufig als zwei eigenständige
Einheiten verwirklicht.
Die elektrischen Heizstäbe werden mit einem Strom mit einer Stromstärke von ty
pisch 30 A versorgt und zur Regelung ihrer Leistungsabgabe ist eine Steuer
schaltung vorgesehen, welche die Leistung der Zusatzheizung mittels eines oder
mehrerer Leistungshalbleiter steuert. Die Leistungshalbleiter haben in einge
schaltetem Zustand einen nicht zu vernachlässigenden Widerstand und erzeugen
demgemäß eine Verlustwärme, die z. B. in der Größenordnung von je 10 Watt
liegt. Die in den Leistungshalbleitern auftretende Verlustwärme muß abgeführt
werden, um eine Beschädigung der Steuerschaltung und von in ihrer Nachbar
schaft vorhandenen Bauteilen aus Kunststoff zu vermeiden. Die Steuerschaltung
mit ihren Leistungshalbleitern und Kühlkörpern sind zu diesem Zweck auf einer
Schaltungsträgerplatte angeordnet, welche zusammen mit dem Wärmetauscher
zu einer Baueinheit vereinigt ist und in dem Luftstrom liegt, welcher den Wärme
tauscher durchströmt. Nachteilig dabei ist, daß die im Luftstrom liegende Steuer
schaltung nicht vor Umwelteinflüssen geschützt und die elektrische Sicherheit
nicht gewährleistet ist, zumal der Luftstrom eine hohe Feuchte aufweisen kann,
die sich zeitweise auf der Steuerschaltung niederschlagen kann.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Weg aufzuzeigen,
wie bei einer elektrischen Heizung für ein Kraftfahrzeug der Schutz der Steuer
schaltung und die elektrische Sicherheit verbessert werden können und gleich
zeitig die Verlustwärme aus der Steuerschaltung wirkungsvoll abgeführt werden
kann, ohne den Aufbau der Zusatzheizung wesentlich zu komplizieren.
Diese Aufgabe, deren Ziele einander teilweise ausschließen, wird durch eine
elektrische Heizung mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Vor
teilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Ein grundsätzliches Problem bei der Lösung der gestellten Aufgabe ist dadurch
gegeben, daß die wärmeabgebenden Montageflächen der Leistungshalbleiter,
welche den Strom für die Heizelemente führen und schalten, auf Plus-Potential
liegen, wohingegen die Kühlkörper aus Sicherheitsgründen auf Massepotential
liegen sollen. Als Leistungshalbleiter kommen vor allem MOSFETs infrage, wel
che bevorzugt in einem Verfahren der Pulsweiten-Modulation betrieben werden.
Das Abführen der Verlustwärme aus den Leistungshalbleitern ist deshalb unter
den widersprüchlichen Randbedingungen durchzuführen, daß eine gute thermi
sche Kopplung bei gleichzeitiger elektrischer Isolierung zu erreichen ist. Die Lö
sung der Aufgabe wird weiterhin dadurch erschwert, daß die wärmeabgebende
Fläche der Leistungshalbleiter in der Regel der Schaltungsträgerplatte zuge
wandt und mit dieser verlötet ist.
Man könnte daran denken, spezielle Schaltungsträgerplatten zu verwenden, bei
denen auf ein Blech eine Isolierschicht und darauf eine Kupferschicht aufge
bracht sind, wobei die Kupferschicht durch Ätzen strukturiert werden kann. Derar
tige Leiterplatten sind aber sehr teuer, vor allem wenn eine zweilagige Leiterplat
te auf dem Blech zu erzeugen ist.
Erfindungsgemäß wird nun vorgeschlagen, die in den Leistungshalbleitern auftre
tende Verlustwärme durch die Schaltungsträgerplatte hindurch auf ihre Unterseite
zu übertragen und dort in eine Metallplatte einzuleiten, welche stoffschlüssig mit
der Unterseite der Schaltungsträgerplatte verbunden ist. Die Metallplatte soll auf
Massepotential liegen und ist deshalb gegenüber Leiterbahnen, welche sich auf
der Unterseite der Schaltungsträgerplatte befinden und eine Spannung führen
können, elektrisch isoliert. Die Isolierung kann durch den Stoff erfolgen, welcher
die Metallplatte und die Schaltungsträgerplatte stoffschlüssig miteinander
verbindet. Die stoffschlüssige Verbindung sorgt für eine unter der gegebenen
Voraussetzung einer elektrischen Isolierung optimale Übertragung der Ver
lustwärme von der Schaltungsträgerplatte auf die Metallplatte, welche eine ver
gleichsweise hohe Wärmekapazität hat und deshalb eine den Wärmeabfluß för
dernde Wärmesenke bildet, in welche die Verlustwärme auf dem kürzest mögli
chen Weg von der Bestückungsseite der Schaltungsträgerplatte durch die Schal
tungsträgerplatte hindurch fließen kann. Von dieser Wärmesenke wird die Wär
me dann mit Hilfe eines oder mehrerer wärmeleitender Verbinder in einen oder
mehrere Kühlkörper abgeleitet, welche in einiger Entfernung von der Steuer
schaltung angeordnet sein können, so daß sie durch einen Luftstrom gekühlt wer
den können, welcher die Steuerschaltung selbst jedoch nicht erreicht. Die Steuer
schaltung kann vielmehr gut geschützt in einem Gehäuse angeordnet sein, in
welchem sich auch die Metallplatte befindet und aus welchem der oder die wär
meleitenden Verbinder herausführen. Die Wärmeabfuhr erfolgt also zweistufig,
indem die Verlustwärme der Leistungshalbleiter zunächst von der Metallplatte
aufgesogen und dann von dieser über wärmeableitende Verbinder an außenlie
gende Kühlkörper abgegeben wird.
Die Erfindung hat wesentliche Vorteile:
- - Die Erwärmung der Steuerschaltung wird hinreichend begrenzt.
- - Gleichzeitig kann die Steuerschaltung geschützt in einem Gehäuse untergebracht sein, in welches der kühlende Luftstrom nicht eintreten muß.
- - Die Verwendung einer Metallplatte als ein mit der Schaltungsträgerplatte stoffschlüssig verbundenen Wärmesenke stellt eine fertigungsmäßig und kostenmäßig günstige Lösung dar.
- - Die Verwendung einer stoffschlüssig mit der Schaltungsträgerplatte verbundenen Metallplatte eröffnet, wie noch gezeigt wird, Möglichkeiten für einen kostensparenden Aufbau und eine kostensparende Montage der elektrischen Heizung.
Die Metallplatte besteht vorzugsweise aus einem die Wärme gut leitenden Metall,
insbesondere aus Aluminium oder aus Kupfer oder aus Legierungen dieser Me
talle, um die zugeführte Wärme leicht aufnehmen, spreizen und wieder abführen
zu können. Eine Metallplatte in einer Dicke von ungefähr 1 mm ist gut geeignet.
Die stoffschlüssige Verbindung zwischen der Metallplatte und der Schaltungsträ
gerplatte wird vorzugsweise dadurch verwirklicht, daß man die beiden miteinan
der verklebt. Elektrisch isolierende Klebstoffe mit verhältnismäßig hoher Wärme
leitfähigkeit sind an sich bekannt. Die Wärmeleitfähigkeit der Klebstoffschicht be
trägt vorzugsweise mindestens 0,6 W/(m × K), noch besser mindestens 0,9 W/(m
× K). Besonders geeignet ist ein Klebstoff auf der Grundlage eines vernetzenden
Zweikomponenten-Silikonelastomers, welches eine hohe Wärmeleitfähigkeit von
mehr als 0,9 W/(m × K) mit einer die Verbindung auch unter den hohen Rüttelbe
anspruchungen im Kraftfahrzeug gewährleistenden Dauerelastizität verbindet.
Die elektrisch isolierende Wirkung der Verklebung kann erforderlichenfalls er
gänzt werden durch einen dünnen Kunstharzlack auf der der Schaltungsträger
platte zugewandter Seite der Metallplatte oder durch eine dünne Oxidschicht,
welche zumal bei Aluminium anodisch verstärkt sein kann.
Da die Schicht, welche die Metallplatte und die Schaltungsträgerplatte stoff
schlüssig verbindet, die Wärme von der Schaltungsträgerplatte auf die Metallplat
te übertragen soll, sollte darauf geachtet werden, daß diese Schicht möglichst
dünn und porenfrei ist. Vorzugsweise ist die Schicht höchstens 0,2 mm dick, noch
besser höchstens 0,15 mm. Dabei ist zu berücksichtigen, daß die Schichtdicke
wegen der auf der Unterseite der Schaltungsträgerplatte vorhandenen Leiterbah
nen deren Höhe nicht unterschreiten kann, welche je nach der zu führenden
Stromstärke, bis zu 140 µm betragen kann.
Vorzugsweise sind zwischen der Metallplatte und der Schaltungsträgerplatte star
re Abstandhalter vorgesehen, welche einen gleichmäßig niedrigen Abstand zwi
schen der Metallplatte und der Schaltungsträgerplatte gewährleisten und ein
Mittel sind, um die Dicke der elektrisch isolierenden Schicht zu minimieren und
den Wärmeübergang zu maximieren. Die Abstandhalter könnten dünne Scheiben
sein, welche mit der Metallplatte und/oder mit der Schaltungsträgerplatte verklebt
werden. Günstiger ist es jedoch, wenn die Abstandhalter Höcker sind, welche die
Metallplatte an Stellen aufweist, welchen auf der Unterseite der Schaltungsträ
gerplatte keine Leiterbahn gegenüberliegt. Solche Abstandhalter können am ein
fachsten durch Prägen der Metallplatte gebildet sein. In bevorzugter Weiterbil
dung der Erfindung kann der eine oder andere Höcker der Metallplatte aber auch
eine elektrisch leitende Verbindung mit einer solchen Leitungsbahn der Schal
tungsträgerplatte herstellen, welche auf Massepotential liegt, so daß definierte
und sichere Potentialverhältnisse hergestellt werden.
Die Größe der Metallplatte ist vorzugsweise so gewählt, daß sie ungefähr so
groß ist wie die Schaltungsträgerplatte und annähernd die gleiche Umrißgestalt
wie diese hat. Man erhält dadurch eine sandwichartige Baugruppe, die im Gehäu
se der Steuerschaltung günstig zu montieren ist.
Bei einem Leistungshalbleiter, dessen wärmeabgebende Fläche eine der Schal
tungsträgerplatte zugewandte und mit ihr verlötete elektrische Kontaktfläche ist
(sie liegt bei einem MOSFET regelmäßig auf Plus-Potential), ist es für Zwecke
der Erfindung günstig, wenn die Schaltungsträgerplatte an den Stellen, an wel
chen die Leistungshalbleiter angeordnet sind, eine hohe Dichte von Strompfaden
aufweist, welche von der Bestückungsseite der Schaltungsträgerplatte durch die
se hindurch bis auf deren Unterseite führen, denn das steigert die Wärmeleitfä
higkeit durch die Schaltungsträgerplatte hindurch im Bereich unter den Leistungs
halbleitern beträchtlich; die Verlustwärme kann die Schaltungsträgerplatte auf
kürzestem Wege auf den gut leitenden Pfaden durchqueren und muß dann nur
noch die dünne Klebstoffschicht durchqueren, um in die Metallplatte zu gelangen.
Die Strompfade können dadurch hergestellt werden, daß die Schaltungsträger
platte in den genannten Bereichen mehrfach durchbohrt wird und die Bohrungen
metallisiert und schließlich mit Metall gefüllt werden, z. B. durch galvanische
Verkupferung oder durch Verzinnen von zuvor galvanisch metallisierten
Bohrungen.
Vorzugsweise sind die Bereiche, in welchen die die Schaltungsträgerplatte durch
querenden Strompfade angeordnet sind, jeweils annähernd so groß wie die
Grundfläche des jeweiligen Leistungshalbleiters. Weiterhin ist es bevorzugt, die
für jeweils einen Leistungshalbleiter vorgesehenen Strompfade dadurch zusam
menzufassen, daß man die Strompfade auf der Bestückungsseite und auch auf
der Unterseite der Schaltungsträgerplatte in Metallflächen enden läßt, deren Grö
ße jeweils annähernd mit der Grundfläche des Leistungshalbleiters
übereinstimmt.
Die in die Metallplatte eingeleitete Verlustwärme muß von dieser auch wieder ab
geleitet werden, wozu sie durch einen oder mehrere wärmeleitende Verbinder mit
einem oder mehreren Kühlkörpern verbunden ist. Die wärmeleitenden Verbinder
könnten durch Löten oder Schweißen einerseits mit der Metallplatte und anderer
seits mit den Kühlkörpern verbunden sein. Vorzugsweise sind sie jedoch steckbar
miteinander verbunden, was die Montage und die Demontage zu Wartungszwec
ken erleichtert und Fertigungskosten senkt.
Grundsätzlich könnte der jeweilige Verbinder flexibel sein, z. B. eine Litze. Dann
müßten die Kühlkörper und die Steuerschaltung gesondert an tragenden Struktu
ren befestigt werden. Deshalb ist es bevorzugt, die Verbinder starr auszubilden,
vorzugsweise als Stab oder Hohlstab. Die Steuerschaltung und ihre externen,
über Verbinder angekoppelten Kühlkörper bilden dann, selbst wenn sie lösbar zu
sammengesteckt sind, eine Baugruppe, welche einheitlich, durch gemeinsame
Befestigungsmittel, im Kraftfahrzeug montiert werden kann.
Zur Verbindung zwischen der Metallplatte und den starren Verbindern können
aus der Metallplatte einander paarweise gegenüberliegende Zungen ausge
schnitten und aus der Ebene der Metallplatte weggebogen sein. Ist der
gegenseitige Abstand der Zungen kleiner als die Dicke des starren Verbinders,
dann kann dieser klemmend zwischen ein solches Paar Zungen eingeführt wer
den, wobei durch die Richtung, in welcher die Zungen gebogen sind, ein Zurück
ziehen der Verbinder aus den Zungen heraus in erwünschter Weise gehemmt
werden kann.
Die Kühlkörper sind vorzugsweise Bleche. Vorzugsweise sind mehrere Kühlkör
per und mehrere, zweckmäßigerweise zueinander parallele Verbinder vorgese
hen, wobei die Kühlkörper auf die Verbinder aufgeschoben sind, so daß sich die
Kühlkörper und die Verbinder gegenseitig verbinden und in ihrer gegenseitigen
Lage stabilisieren, wodurch eine handhabbare, hinreichend steife Struktur ent
steht. Die Kühlkörper (Bleche) könnten mit den Verbindern verlötet oder ver
schweißt werden; da sie jedoch keine hohen Kräfte aufzunehmen haben, genügt
es aber, die Kühlkörper kraftschlüssig, durch Klemmung, auf den Verbindern
festzulegen.
Die Länge der Verbinder wird so bemessen, daß im Hinblick auf den vorgesehe
nen Einbauort für die Steuerschaltung die Kühlkörper in einem für ihre Kühlung
vorgesehenen Strömungsweg der Luft liegen, vorzugsweise in jenem Strömungs
weg der Luft, in welchem auch die Wärmeabgabeeinrichtungen der elektrischen
Heizung des Kraftfahrzeuges liegt. Vorzugsweise liegen die Kühlkörper in der
Nachbarschaft der Wärmeabgabeeinrichtungen der elektrischen Heizung, insbe
sondere zwischen diesen und dem Gehäuse der Steuerelektronik, aber mit Ab
stand von diesem Gehäuse.
Ein besonders kostengünstiger und kompakter Aufbau der Heizung ergibt sich
dadurch, daß die Heizelemente in Heizstäben enthalten sind, welche zugleich als
die Verbinder zwischen der Metallplatte und den Kühlkörpern dienen, so daß auf
den Heizstäben nicht nur die Wärmeabgabeeinrichtungen der elektrischen Hei
zung, sondern auch die Kühlkörper angebracht sind. Es ist aber auch möglich,
die Heizstäbe der elektrischen Heizung und die Verbinder zwischen der
Metallplatte der Steuerschaltung und deren Kühlkörpern konstruktiv zu trennen.
Nutzt man jedoch die Heizstäbe zugleich als Träger für die Kühlkörper, eröffnet
sich die Möglichkeit, die Heizstäbe mit ihren Wärmeabgabeeinrichtungen, die
Kühlkörper und das Gehäuse mit der Steuerschaltung zu einer kompakten Bau
einheit zusammenzufassen, wobei einerseits die Steuerschaltung mit ihrem Ge
häuse und andererseits die Heizstäbe mit ihren Wärmeabgabeeinrichtungen und
mit ihren Kühlkörpern durch bloße Steckverbindungen sowohl elektrisch als auch
mechanisch hinreichend steif und fest miteinander verbunden werden können,
was durch die Verwendung der Metallplatte an der Unterseite der Schaltungsträ
gerplatte wesentlich erleichtert wird, denn sie bildet eine mechanisch stabile Ba
sis, um die Steuerschaltung an den Heizstäben anzubringen, welche zugleich die
Verbinder zwischen der Metallplatte und den Kühlkörpern der Steuerschaltung
sind. Das Anbringen der Steuerschaltung an den Heizstäben kann insbesondere
so erfolgen, daß die Heizstäbe zwischen paarweise ausgeschnittene und hoch
gestellte Zungen eingeführt werden, welche auf die Heizstäbe klemmend und füh
rend einwirken. Die danach auf der Schaltungsträgerplatte noch herzustellende
elektrische Verbindung zwischen den Heizelementen und der Steuerschaltung
benötigt keine besondere mechanische Tragfähigkeit, da diese bereits durch die
mit Hilfe der Metallplatte erzielte Steckverbindung erreicht wird.
Sowohl die auf der Schaltungsträger ausgebildeten elektrischen Steckverbinder
als auch die auf der Metallplatte ausgebildeten mechanischen Steckverbinder für
die Heizstäbe sind vorzugsweise so ausgebildet, daß ihre Steckrichtung mit der
Längsrichtung der Heizstäbe übereinstimmt. Das erleichtert das Zusammenstec
ken und Trennen der Heizstäbe und ihrer Steuerschaltung. Während der mecha
nische Steckverbinder auf der der Schaltungsträgerplatte abgewandten Seite der
Metallplatte ausgebildet sein sollte, sollte der elektrische Steckverbinder für die
Heizstäbe vorzugsweise auf der der Metallplatte abgewandten Seite der Schal
tungsträgerplatte angeordnet und durch übereinanderliegende Löcher in der Me
tallplatte und in der Schaltungsträgerplatte hindurch für die in den jeweiligen
Heizstab hineinführende elektrische Zuleitung zugänglich sein.
Außerdem kann die Metallplatte dazu herangezogen werden, einen Kontaktstift
oder Kontaktbolzen zu tragen, über welchen der Masseanschluß der Steuer
schaltung hergestellt werden kann. Er kann mit der Metallplatte verlötet, ver
schweißt, vernietet oder eingepreßt sein und kann erhebliche Kräfte aufnehmen.
Der Pluspol der Steuerschaltung wird demgegenüber bevorzugt auf der Schal
tungsträgerplatte befestigt und kann ebenfalls ein tragfähiger Stift oder Bolzen
sein, da die Schaltungsträgerplatte durch ihre Verbindung mit der metallischen
Platte an Tragfähigkeit und Belastbarkeit gewonnen hat.
Am günstigsten und für die Fertigung am preiswertesten ist es, wenn die Wärme
abgabeeinrichtungen und die Kühlkörper ähnlich oder übereinstimmend ausgebil
det sind, insbesondere in Form von Lamellen aus Blech, aus welchen Zungen
ausgeschnitten sind, welche einander paarweise oder kranzförmig gegenüberlie
gen und ein kraftschlüssiges, klemmendes Aufschieben der Lamellen auf die
Heizstäbe ermöglichen. Die auf den Heizstäben angeordneten Wärmeabgabeein
richtungen und Kühlkörper erfüllen eine doppelte Funktion, indem sie sowohl von
den Heizelementen kommende Wärme als auch von den Leistungshalbleitern
kommende Wärme abgeben. Dabei ist es bevorzugt, um die Abgabe der von den
Leistungshalbleitern kommenden Wärme zu optimieren, daß die Heizstäbe in ei
nem an das Gehäuse der Steuerschaltung anschließenden Abschnitt noch keine
Heizelemente enthalten, wohl aber Kühlkörper tragen, welche die Verlustwärme
der Leistungshalbleiter aufnehmen.
Um den Weg der Verlustwärme von den Leistungshalbleitern zu ihren Kühlkör
pern gering zu halten, wird bevorzugt, daß die Verbinder von einer Stelle der Me
tallplatte ausgehen, welche nahe bei den Leistungshalbleitern liegt.
Der weiteren Erläuterung der Erfindung dienen die beigefügten schematischen
Zeichnungen. Gleiche oder einander entsprechende Teile sind in den einzelnen
Zeichnungen mit übereinstimmenden Bezugszahlen bezeichnet.
Es zeigen:
Fig. 1 Heizelemente mitsamt Heizstäben und Wärmeabgabeeinrichtungen
einer elektrischen Heizung eines Kraftfahrzeuges,
Fig. 2 einen Ausschnitt eines Querschnitts einer elektrischen Heizung ei
nes Kraftfahrzeuges,
Fig. 3 den Anschluß der Heizstäbe an die Steuerschaltung, und
Fig. 4 einen Ausschnitt von Leiterplatte und Metallplatte.
Fig. 1 zeigt die Heizstäbe 2, welche mit PTC-Heizelementen 3 gefüllt sind, so
wie die zugehörigen Wärmeabgabeeinrichtungen 4, welche als lamellenförmige
Bleche auf die Heizstäbe 2 klemmend aufgeschoben sind, für ein Ausführungs
beispiel eines elektrischen Heizers eines Kraftfahrzeuges. Die Wärmeabgabeein
richtungen 4a dienen der Abfuhr der von den Bauteilen der Steuerschaltung er
zeugten Wärme. Im Bereich der Wärmeabgabeeinrichtungen 4a enthalten die
Heizstäbe 2 keine Heizelemente 3.
Fig. 2 zeigt in einem Ausschnitt, wie die Heizstäbe 2 mechanisch mit der Steuer
schaltung verbunden sind. Die Steuerschaltung weist für jeden Heizstab 2 einen
diesem zugeordneten Leistungshalbleiter 5 auf, welche auf einer Schaltungsträ
gerplatte 6 angeordnet sind. Die Schaltungsträgerplatte 6 ist stoffschlüssig mit ei
ner Metallplatte 7 mittels einer Klebschicht 15 verbunden. Die Metallplatte 7 ist
dazu vorgesehen auf Massepotential zu liegen und ist durch die Klebeschicht 15
gegenüber den Leiterbahnen, welche sich auf der Unterseite der Schaltungsträ
gerplatte 6 befinden und dazu vorgesehen sind, gegenüber dem Massepotential
eine Spannung zu führen, elektrisch isoliert. Die Steuerschaltung mitsamt der
Leiterplatte 6 und der Metallplatte 7 befinden sich in einem Gehäuse 8, so daß
die elektrische Schaltung vor Feuchtigkeit geschützt ist. Die von den Leistungs
halbleitern 5 erzeugte Wärme wird durch die Schaltungsträgerplatte 6 hindurch
zur Metallplatte 7 und von dort mittels eines wärmeleitenden Verbinders 2 aus
dem Gehäuse 8 abgeführt. Bei dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel ist der
Verbinder 2 zugleich auch der Heizstab 2, dies ist aber nicht unbedingt erforder
lich, führt jedoch zu einer kompakten Heizung.
Um die Abfuhr der von den Leistungshalbleitern 5 erzeugten Wärme durch die
Schaltungsträgerplatte 6 hindurch zu unterstützen, weist die Schaltungsträger
platte 6 an den Stellen, an welchen die Leistungshalbleiter 5 angeordnet sind, ei
ne hohe Dichte von Strompfaden 9 auf, welche neben dem elektrischen Strom
auch die Wärme leiten und von der Oberseite der Schaltungsträgerplatte 6 durch
die Schaltungsträgerplatte 6 hindurch bis auf deren Unterseite führen. Bei diesen
Strompfaden 9 handelt es sich um Bohrungen welche mit Lötzinn gefüllt sind. Die
Abfuhr der Wärme von der Unterseite der Schaltungsträgerplatte 6 auf die Metall
platte 7 erfolgt durch eine möglichst dünn ausgebildete Klebeschicht 15 eines
Wärmeleitklebers, welcher ein vernetzendes Zweikomponenten-Silikonelastomer
ist und eine Wärmeleitfähigkeit von über 0,9 W/(m × K) aufweist. Um das Verkle
ben der Metallplatte 7 mit der Schaltungsträgerplatte 6 zu erleichtern, weist die
Metallplatte 7, wie insbesondere in Fig. 4 gezeigt, mehrere Abstandhalter 12
auf, welche in Form kleiner Höcker auf die Metallplatte 7 aufgeprägt sind. Der
Klebstoff wird zwischen den Abstandhaltern 12 aufgetragen und weicht beim Zu
sammenfügen von Metallplatte 7 und Schaltungsträgerplatte 6 zur Seite aus, so
daß sich eine porenfreie Klebeschicht mit guter Wärmeleitfähigkeit ausbildet. Ei
ne weitere Funktion dieser Abstandhalter 12 besteht darin, eine elektrische Mas
severbindung zwischen der Metallplatte 7 und einer Leiterbahn 13 der Schal
tungsträgerplatte 6, welche auf Massepotential liegen soll, herzustellen. Jene Ab
standhalter 12, welche nicht dem Zweck dienen eine elektrische Masseverbin
dung mit einer Leiterbahn der Schaltungsträgerplatte 6 herzustellen, befinden
sich an Stellen der Metallplatte 7, welchen auf der Unterseite der Schaltungsträ
gerplatte 6 keine Leiterbahn gegenüberliegt.
Die Metallplatte 7 ist annähernd so groß und von gleicher Umrißgestalt wie die
Schaltungsträgerplatte 6. Auf diese Art wird eine kompakte und mechanisch sta
bile Baugruppe gebildet. Die Metallplatte 7 ist lösbar durch eine Steckverbindung
mit dem Verbinder 2, im gezeigten Ausführungsbeispiel also dem Heizstab 2 ver
bunden. Aus der Metallplatte 7 sind einander paarweise gegenüberliegende Zun
gen 14 ausgeschnitten und, wie in Fig. 3 gezeigt, aus der Ebene der Metallplat
te 7 weggebogen sind, deren gegenseitiger Abstand kleiner ist als die Dicke des
starren Verbinders 2, welcher zwischen ein solches Paar Zungen 14 einführbar
ist. Diese besonders bevorzugte Ausführungsform ermöglicht einen besonders
günstigen engen Kontakt von Metallplatte 7 und Schaltungsträgerplatte 6. Fig. 2
zeigt demgegenüber eine alternative Ausführungsform, bei welcher die Zungen
14 zur Metallplatte 7 hingebogen sind, was das klemmende Aufschieben auf die
Verbinder 2 erleichtert.
Fig. 3 zeigt neben der mechanischen Verbindung des Verbinders 2 mit der Me
tallplatte 7, auch den elektrischen Anschluß an die Schaltungsträgerplatte 6. Der
als Heizstab 2 ausgebildete Verbinder 2 ist über die klemmend anliegenden Zun
gen 14 elektrisch mit der Metallplatte 7 verbunden und liegt somit, wie diese, auf
Massepotential.
Die spannungsführenden Leiterbahnen der Schaltungsträgerplatte 6 sind über
den Steckverbinder 17 mit der spannungsführenden Zuleitung 16 der Heizele
mente 3 im Inneren der Heizstäbe 2 verbunden.
Fig. 4 zeigt im Detail die Strompfade 9, welche in Form von mit Lötzinn gefüllten
Bohrungen durch die Schaltungsträgerplatte 6 hindurchgehen, sowie den gegen
überliegenden Abschnitt der Metallplatte 7, auf welchen höckerförmige Abstand
halter 12 aufgeprägt sind. Jener Bereich der Schaltungsträgerplatte 6, welcher
die Strompfade 9 vorsieht, dient zum Anbringen eines Leistungshalbleiters 5 und
weist vorteilhaft eine erhöhte Wärmeleitfähigkeit auf. Zur weiteren Verbesserung
der Wärmeabfuhr weist die Schaltungsträgerplatte 6 im Bereich der Strompfade 9
an ihrer Oberseite eine Metallfläche 20 und an ihrer Unterseite eine Metallfläche
21 auf, welche durch die Strompfade 9 verbunden sind, wobei Metallflächen 20,
21 annähernd so groß sind wie die Grundfläche des jeweiligen Leistungshalblei
ters 5. Im Extremfall lassen sich die Bohrungen selbstverständlich auch so groß
ausführen, daß sie der Grundfläche des jeweiligen Leistungshalbleiters 5
entsprechen.
Claims (36)
1. Elektrische Heizung für Kraftfahrzeuge mit folgenden Merkmalen:
- - Die Heizung hat ein oder mehrere elektrische Heizelemente (3);
- - zum Steuern der von den Heizelementen (3) abgegebenen Leistung ist eine Steuerschaltung vorgesehen;
- - die Steuerschaltung umfaßt einen oder mehrere Leistungshalbleiter (5), welche auf einer Schaltungsträgerplatte (6) angeordnet sind;
- - die Schaltungsträgerplatte (6) ist auf ihrer den Leistungshalbleitern (5) abgewandten Seite (nachfolgend als ihre Unterseite bezeichnet) stoffschlüssig mit einer Metallplatte (7) verbunden, welche dazu vorgesehen ist, auf Massepotential zu liegen;
- - die Metallplatte (7) ist gegenüber Leiterbahnen, welche sich auf der Unterseite der Schaltungsträgerplatte (6) befinden und dazu vorgesehen sind, gegenüber dem Massepotential eine Spannung zu führen, elektrisch isoliert;
- - die Steuerschaltung befindet sich in einem Gehäuse (8);
- - außerhalb des Gehäuses (8) sind ein oder mehrere Kühlkörper (4a) vorgesehen;
- - wärmeleitende Verbinder (2) verbinden die im Gehäuse (8) liegende metallische Platte (7) mit den außerhalb des Gehäuses (8) liegenden Kühlkörpern (4a).
2. Heizung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallplatte (7)
aus einem die Wärme gut leitenden Metall besteht, insbesondere aus Alumi
nium oder Kupfer oder aus Legierungen dieser Metalle.
3. Heizung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Metall
platte (7) auf ihrer der Schaltungsträgerplatte (6) zugewandten Seite eine
dünne, elektrisch isolierende Schicht trägt, insbesondere einen Kunstharzlack
oder eine Oxidschicht, welche vorzugsweise anodisch verstärkt ist.
4. Heizung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich
net, daß die Metallplatte (7) mit der Schaltungsträgerplatte (6) verklebt ist.
5. Heizung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die zwischen der
Metallplatte (7) und der Schaltungsträgerplatte (6) vorgesehene Klebstoff
schicht (15) eine Wärmeleitfähigkeit von mindestens 0,6 W/(m × K), vorzugs
weise von mindestens 0,9 W/(m × K) aufweist.
6. Heizung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Kleb
stoff ein vernetzendes Zweikomponenten-Silikonelastomer ist.
7. Heizung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich
net, daß die metallische Platte (7) annähernd so groß ist wie die Schaltungs
trägerplatte (6).
8. Heizung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich
net, daß die metallische Platte (7) annähernd die gleiche Umrißgestalt wie die
Schaltungsträgerplatte (6) hat.
9. Heizung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich
net, daß die Klebstoffschicht (15) höchstens 0,2 mm dick ist.
10. Heizung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich
net, daß die Klebstoffschicht (15) höchstens 0,15 mm dick ist.
11. Heizung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich
net, daß zwischen der Metallplatte (7) und der Schaltungsträgerplatte (6)
starre Abstandhalter (12) vorgesehen sind, welche einen niedrigen Abstand
zwischen der Metallplatte (7) und der Schaltungsträgerplatte (6)
gewährleisten.
12. Heizung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstandhal
ter (12) Höcker sind, welche die Metallplatte (7) an Stellen aufweist, welchen
auf der Unterseite der Schaltungsträgerplatte (6) keine Leiterbahn (13)
gegenüberliegt.
13. Heizung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Ab
standhalter durch Prägen der Metallplatte (7) gebildet sind.
14. Heizung nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet,
daß die Metallplatte (7) mittels eines oder mehrerer der Abstandhalter (12)
mit einer Leiterbahn (13) der Schaltungsträgerplatte (6) verbunden ist, welche
auf Massepotential liegen soll.
15. Heizung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich
net, daß die Schaltungsträgerplatte (6) an den Stellen, an welchen die Lei
stungshalbleiter (5) angeordnet sind, eine hohe Dichte von Strompfaden (9)
aufweist, welche von der Oberseite der Schaltungsträgerplatte (6) durch die
Schaltungsträgerplatte (6) hindurch bis auf deren Unterseite führen.
16. Heizung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Strompfade
(9) mit einem Metall, insbesondere mit Kupfer oder mit Lötzinn, gefüllte Boh
rungen sind.
17. Heizung nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, daß die
Strompfade eine Metallfläche (20) auf der Oberseite der Schaltungsträger
platte (6) mit einer Metallfläche (21) auf der Unterseite der Schaltungsträger
platte (6) verbinden.
18. Heizung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallflächen
(20, 21) annähernd so groß sind wie die Grundfläche des jeweiligen Lei
stungshalbleiters (5).
19. Heizung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich
net, daß der Verbinder (2) lösbar mit der Metallplatte (7) und/oder mit dem
bzw. den Kühlkörpern (4a) verbunden ist.
20. Heizung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindung
zwischen dem Verbinder (2) und der Metallplatte (7) und/oder den Kühlkör
pern (4a) eine Steckverbindung ist.
21. Heizung nach Anspruch 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, daß der Ver
binder (2) starr ausgebildet ist und vorzugsweise ein Stab oder Hohlstab ist.
22. Heizung nach Anspruch 20 oder 21, dadurch gekennzeichnet, daß aus der
metallischen Platte (7) einander paarweise gegenüberliegende Zungen (14)
ausgeschnitten und aus der Ebene der Metallplatte (7) weggebogen sind,
deren gegenseitiger Abstand kleiner ist als die Dicke des starren Verbinders
(2), welcher zwischen ein solches Paar Zungen (14) einführbar ist.
23. Heizung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich
net, daß die Kühlkörper (4a) Bleche sind.
24. Heizung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich
net, daß die Kühlkörper (4a) die Verbinder (2) miteinander verbinden.
25. Heizung nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlkörper
(4a) auf die Verbinder (2) aufgeschoben sind.
26. Heizung nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlkörper
(4a) kraftschlüssig auf den Verbindern (2) gehalten sind.
27. Heizung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich
net, daß die Heizelemente (3) die von ihnen erzeugte Wärme durch Wärme
abgabeeinrichtungen (4) abgeben, welche bei bestimmungsgemäßem Einbau
in ein Kraftfahrzeug in einem Kanal liegen, welcher zur Erwärmung der Fahr
gastzelle des Kraftfahrzeuges von Luft durchströmbar ist.
28. Heizung nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlkörper
(4a) in der Nachbarschaft der Wärmeabgabeeinrichtungen (4) der Heizele
mente (3) liegen.
29. Heizung nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlkörper
(4a) zwischen den Wärmeabgabeeinrichtungen (4) für die Heizelemente (3)
und dem Gehäuse (8) mit Abstand vom Gehäuse (8) angeordnet sind.
30. Heizung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich
net, daß die Heizelemente (3) in Heizstäben enthalten sind, welche zugleich
als die Verbinder (2) zwischen der metallischen Platte (7) und den Kühlkör
pern (4a) dienen.
31. Heizung nach Anspruch 27 und 30, dadurch gekennzeichnet, daß die Wär
meabgabeeinrichtungen (4) und die Kühlkörper (4a) ähnlich oder übereinstim
mend ausgebildet sind.
32. Heizung nach Anspruch 30 oder 31, dadurch gekennzeichnet, daß die Heiz
stäbe (2) auf einem an das Gehäuse (8) anschließenden Abschnitt, auf wel
chem sich die Kühlkörper (4a) befinden, noch keine Heizelemente (3)
enthalten.
33. Heizung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich
net, daß die Verbinder (2) von einer Stelle ausgehen, welche nahe bei den
Leistungshalbleitern (5) liegt.
34. Heizung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich
net, daß der bzw. die spannungführende Zuleitung (16) zu dem bzw. den Hei
zelementen (3) mittels eines auf der Schaltungsträgerplatte (6) vorgesehenen
Steckverbinders (17) mit dem Leistungsausgang des zugehörigen Leistungs
halbleiters (5) verbunden ist.
35. Heizung nach Anspruch 30 und 34, dadurch gekennzeichnet, daß die Zulei
tung (16) starr mit dem Heizstab (2) verbunden ist und die Steckrichtung des
Steckverbinders (17) mit der Längsrichtung des Heizstabes (2) übereinstimmt.
36. Heizung nach Anspruch 34 oder 35, dadurch gekennzeichnet, daß der
Steckverbinder (17) auf der der metallischen Platte (7) abgewandten Seite
der Schaltungsträgerplatte (6) angeordnet und durch ein Loch in der Schal
tungsträgerplatte hindurch für die Zuleitung (16) zugänglich ist.
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