DE102006061333B4

DE102006061333B4 - Elektronikkühlung

Info

Publication number: DE102006061333B4
Application number: DE102006061333.3A
Authority: DE
Inventors: Dr. Franke Torsten; Cornelia Welker; Wolfgang Biberger
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2006-12-22
Filing date: 2006-12-22
Publication date: 2015-11-05
Anticipated expiration: 2026-12-23
Also published as: DE102006061333A1

Abstract

Elektronikkühlung, mit einer Elektronik, die thermisch leitend auf einer fluiddurchströmten Kühleinrichtung (1) appliziert ist, die mindestens einen Fluidanschluss (3, 4, 19) aufweist, der mit einem Komplementärteil (14) zusammenwirkt, wobei • der Fluidanschluss (3, 4, 19) in einer Einführrichtung (11) in das Komplementärteil (14) eingeführt ist, oder umgekehrt, und • ein Außenumfang (12, 13) des Fluidanschlusses (3, 4, 19) der Kühleinrichtung (1) gegenüber einem Innenumfang (15) des Komplementärteils (14) oder ein Innenumfang (12a) des Fluidanschlusses (3, 4) der Kühleinrichtung (1) gegenüber einer Außenumfang des Komplementärteils abgedichtet ist, dadurch gekennzeichnet, dass • die Abdichtung mittels mindestens einer Ringdichtung (17) erfolgt, die in einem in Umfangsrichtung umlaufenden Spalt angeordnet ist, der durch den Außenumfang (12, 13) und den Innenumfang (15) gebildet, • die Einführrichtung (11) im Wesentlichen parallel zu der Richtung ist, in der die Kühleinrichtung von Fluid durchströmt ist, wobei auf einer vorderen Stirnseite (3) der Kühleinrichtung (1) ein Fluideinlass und auf einer der vorderen Stirnseite abgewandten hinteren Stirnseite ein Fluidauslass vorgesehen ist und die Kühleinrichtung (1) von dem Fluideinlass in Richtung zu dem Fluidauslass von dem Fluid durchströmt ist und • an dem den Spalt begrenzenden Innenumfang (15) oder an dem den Spalt begrenzenden Außenumfang, (12, 13) mindestens eine in Umfangsrichtung umlaufende Ausnehmung (16) vorgesehen ist, in die die Ringdichtung (17) eingesetzt ist, wobei, wenn der Fluidanschluss (3, 4, 19) vom Komplementärteil (14) getrennt ist, die Ringdichtung (17) zumindest geringfügig in Radialrichtung aus der Ausnehmung (16) herausragt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Elektronikkühlung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
Eine derartige Elektronikkühlung ist aus der EP 1 331 665 A1 bekannt. Zum technischen Hintergrund der Erfindung zählt die DE 296 01 692 U1 .
Im Automobilbau werden in zunehmendem Umfang Elektronikkomponenten eingesetzt, die zum Teil beträchtliche elektrische Wärmeleistungen abgeben und daher gekühlt werden müssen. Sehr leistungsfähig sind Kühlsysteme, bei denen die von der Elektronik abgegebene Wärmeleistung über ein flüssiges Medium abgeführt wird. Dabei muss zum einen eine elektrische Isolierung der Elektronik und zum anderen eine zuverlässige Abdichtung des zur Kühlung verwendeten Fluidkreislaufs sichergestellt sein. Dichtkonzepte, bei denen zur Abdichtung hohe Presskräfte auf die Dichtung ausgeübt werden müssen, haben sich für Anwendungen im Automobilbereich als nachteilig erwiesen, insbesondere bei größeren Kühlkörpern.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Elektronikkühlung zu schaffen, bei der die Fluidverbindung zwischen der Kühleinrichtung und dem übrigen Fluidkreislauf in konstruktiv einfacher Weise und mit geringen auf die Dichtung wirkenden Kräften abdichtbar ist.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruches gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
Bei einer Elektronikkühlung gemäß der Erfindung ist eine Elektronik thermisch leitend auf einer fiuiddurchströmten Kühleinrichtung appliziert, die mindestens eine folgendermaßen gestaltete ”Fluidverbindung” aufweist: Ein an der Kühleinrichtung vorgesehener Fluidanschluss wirkt mit einem Komplementärteil zusammen, wobei der Fluidanschluss in einer ”Einführrichtung” in das Komplementärteil eingeführt ist oder umgekehrt. Es kann also auch das Komplementärteil als ”männliches Teil” und der Fluidanschluss als ”weibliches Teil” ausgeführt sein. Bei der einen Ausführungsform ist ein Außenumfang des Fluidanschlusses der Kühleinrichtung gegenüber einem Innenumfang des Komplementärteils mittels mindestens einer Ringdichtung abgedichtet. Bei der anderen Ausführungsform ist ein Innenumfang des Fluidanschlusses der Kühleinrichtung gegenüber einem Außenumfang des Komplementärteils mittels einer Ringdichtung abgedichtet. In beiden Fällen ist die Ringdichtung in einem in Umfangsrichtung umlaufenden Spalt angeordnet, der durch den Außenumfang und den Innenumfang gebildet ist. Charakteristisch ist also eine radial verlaufende Dichtkontur.
Vorzugsweise ist die Dichtkontur knick- bzw. kantenlos ausgeführt. Mit anderen Worten weisen der Außenumfang und der Innenumfang eine komplementäre, knick- bzw. kantenlose Umfangskontur auf. Die Umfangskonturen des Außenumfangs müssen nicht notwendigerweise kreisförmig gestaltet sein. Denkbar ist auch eine ovale bzw. ellipsenförmige Umfangskontur. Die Umfangskontur kann auch einen oder mehrere ungekrümmte, d. h. gerade Umfangsabschnitte aufweisen.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist die Einführrichtung im Wesentlichen parallel zur Richtung, in der die Kühleinrichtung von Fluid durchströmt ist, was dazu beiträgt, Strömungsverluste zu minimieren.
Die Ringdichtung kann in einem umlaufenden Spalt bzw. in einer umlaufenden Rille oder Nut angeordnet sein. Die Nut kann wahlweise im bzw. am Fluidanschluss der Kühleinrichtung oder an dem Komplementärteil vorgesehen sein.
Selbstverständlich können auch mehrere derartige Ringdichtungen in Einführrichtung hintereinander beabstandet voneinander angeordnet sein, wodurch sich die Dichtwirkung weiter verbessern lässt.
Der Fluidanschluss und das sich in Einführrichtung damit überdeckende Komplementärteil können im Überdeckungsbereich, in Einführrichtung gesehen, jeweils einen gleich bleibenden Innen- bzw. Außenumfang aufweisen. Alternativ dazu kann auch vorgesehen sein, dass sich der durch den Innen- bzw. Außenumfang definierte Querschnitt in Einführrichtung konisch bzw. düsenartig verjüngt. Denkbar ist auch ein unstetiger, d. h. gestufter Verlauf. Werden mehrere Ringdichtungen eingesetzt, so können diese bezüglich der zu umfassenden Kontur identisch ausgeführt oder verschiedenen Umfängen zugeordnet sein.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung hat die Kühleinrichtung im Wesentlichen die Form eines Quaders. Die Elektronik kann auf einer der beiden Grundseiten, d. h. auf einer der beiden ”großen Seitenflächen” des Quaders angeordnet sein. Der mindestens eine Fluidanschluss kann an einer der Stirnseiten des Quaders angeordnet sein.
Um einen möglichst guten Wärmeübergang zwischen der Elektronik und der Kühleinrichtung bzw. der im Gehäuse der Kühleinrichtung zu erreichen, kann vorgesehen sein, dass das Gehäuse der Kühleinrichtung ”metallurgisch” mit der Elektronik verbunden ist. Die Elektronik sollte jedoch gegenüber der Kühleinrichtung elektrisch isoliert sein. Dies kann beispielsweise durch eine zwischen das Gehäuse der Kühleinrichtung und die Elektronik eingebrachte Keramikschicht erreicht werden. Der mindestens eine Fluidanschluss kann z. B. durch einen an einer der Stirnseiten der Kühleinrichtung angeordneten stummelartigen Anschlussflansch gebildet sein. Alternativ dazu kann an einer der Stirnseiten auch eine ”umlaufende Dichtfläche” vorgesehen sein, was den Vorteil hat, dass die gesamte oder nahezu die gesamte Stirnseitenfläche der Kühleinrichtung als ”Fluidanschluss” verwendet werden kann, wodurch sich ein entsprechend großer Strömungsquerschnitt und ein vergleichsweise geringer Strömungswiderstand ergibt.
Der im Innern des Gehäuses der Kühleinrichtung angeordnete eigentliche Kühlkörper kann aus einzelnen ”Metalllagen” bzw. Metallplatinen aufgebaut sein, wobei in einigen Zwischenebenen oder außen Lagen aus Keramiksubstraten aufgebracht sein können. Bei der Herstellung wird so vorgegangen, dass ein innerer Stapel, der eine geätzte, gestanzte, geprägte oder in anderer Weise hergestellte sich in Strömungsrichtung erstreckende Kanalstruktur aufweist, beidseitig mit einer oder mehreren geschlossenen Decklagen versehen und durch ein Fügeverfahren, wie z. B. Schweißen, Löten, Bonden, Sintern, Kleben, miteinander verbunden wird. Die in den Kühlkörper zu integrierende elektrische Isolation kann auch durch Einlegen von Substraten in diesem Fertigungsschritt hergestellt werden. Dabei sind die Isolationsschichten in Bezug auf die Außenkontur des inneren Stapels um die für die radialen Dichtkonturen vorgesehenen Abschnitte verkleinert ausgeführt.
Im Folgenden wird die Erfindung im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
1a, 1b Die vorderen und hintere Stirnseite einer Kühleinrichtung gemäß der Erfindung;
2, 3 Querschnitt durch zwei Ausführungsbeispiele, die sich hinsichtlich ihrer Dichtungsanordnung unterscheiden;
4–6 verschiedene Ausführungsbeispiele von Fluidanschlüssen der Kühleinrichtung.
Die 1, 1b zeigen eine Kühleinrichtung 1 mit einem im Wesentlichen quaderförmigen Gehäuse 2, dessen vordere Stirnseite 3 einen Fluideinlass und dessen hintere Stirnseite 4 einen Fluidauslass der Kühleinrichtung bildet. Das Gehäuse 2 der Kühleinrichtung ist vorzugsweise aus einem thermisch gut leitenden Metall hergestellt, z. B. aus Kupfer. Auf eine Unterseite 5 und eine Oberseite 6 der Kühleinrichtung ist eine Isolationsschicht aufgebracht, die z. B. aus einer Keramik herstellt sein kann. Auf diese Isolationsschichten kann dann jeweils eine Elektronik appliziert werden. Die Isolationsschichten sollten eine hohe thermische Leitfähigkeit aufweisen, um einen guten Wärmeübergang von der Elektronik auf die Kühleinrichtung zu erreichen.
Wie aus den 1a und 1b ersichtlich ist, sind im Bereich der vorderen Stirnseite 3 und der hinteren Stirnseite 4 seitliche halbkreisförmige Wangen 7–10 vorgesehen, die in Bezug auf eine durch einen Pfeil 11 angedeutete Durchströmungsrichtung eine umlaufende Dichtfläche 12 bzw. 13 bilden. Die umlaufenden Dichtflächen weisen zwar im Bereich der Oberseite und der Unterseite des quaderförmigen Gehäuses 2 der Kühleinrichtung 1 gerade Umfangsabschnitte auf. Insgesamt sind die umlaufenden Dichtflächen aber kanten- bzw. knickfrei oder, mathematisch ausgedrückt, stetig differenzierbar gestaltet.
Im Innern des Gehäuses 2 ist eine ”Kühlstruktur” angeordnet, die z. B. durch ein aus mehreren Blechplatinen aufgebautes Blechpaket gebildet sein kann, in dem eine Vielzahl von Strömungskanälen vorgesehen sind, die sich in Richtung des Strömungspfeils 11 erstrecken.
Im Betrieb der Kühleinrichtung 1 sind die Dichtflächen 12, 13 bzw. der Fluideinlass 3 und der Fluidauslass 4 jeweils an ein zugeordnetes Komplementärteil eines Fluidkreislaufs angeschlossen. Ein solches Komplementärteil 14 ist in 2 dargestellt. Das Komplementärteil 14 weist eine Ausnehmung 15 auf, deren Form im Wesentlichen der Außenkontur der Dichtfläche 12 des Gehäuses 2 der Kühleinrichtung 1 entspricht. Bei der Montage wird die Kühleinrichtung 1 in einer Einführrichtung, die hier parallel zur Strömungsrichtung 11 ist, mit seiner umlaufenden Dichtfläche 12 in die Ausnehmung 15 des Komplementärteils 14 eingeführt.
Das Komplementärteil 14 weist im Bereich der umlaufenden Dichtfläche 12 eine umlaufende nutartige Ausnehmung 16 auf, in die ein umlaufender Dichtring 17 eingesetzt ist. Der Dichtring 17 wird mittels einer Halteplatte 18 in der Nut 16 fixiert. Der Dichtring 17 liegt eng am Außenumfang der Dichtfläche 12 der Kühleinrichtung 1 an und dichtet somit den Außenumfang des Gehäuses 2 der Kühleinrichtung 1 gegenüber dem Innenumfang, d. h. gegenüber der Ausnehmung 15 des Komplementärteils 14 ab.
3 zeigt eine Variante des Ausführungsbeispiels der 2. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird der Dichtring 17 durch die Isolationsschichten 5, 6, die an der Ober- bzw. Unterseite des Gehäuses 2 des Kühlkörpers 1 angeordnet sind, in der Nut 16 gehalten. Die Isolationsschichten reichen hierzu unmittelbar oder fast unmittelbar bis an den Dichtring 17 heran.
Bei den in den 1–3 dargestellten Ausführungsbeispielen sind an der Kühleinrichtung 1 ”männlich” gestaltete Dichtflächen 12, 13 vorgesehen. Die Dichtflächen 12, 13 sind also an einem Außenumfang der Kühleinrichtung 1 vorgesehen. Das Komplementärteil 14 weist demgemäß in Form der Ausnehmung 15 einen mit den Dichtflächen 12, 13 zusammenwirkenden Innenumfang auf.
Alternativ dazu ist es auch möglich, dass an der Kühleinrichtung eine ”weibliche” Dichtfläche und an dem zugeordneten Komplementärteil eine ”männliche” Dichtfläche vorgesehen ist.
4 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem an einer Stirnseite 3 des Gehäuses 2 der Kühleinrichtung 1 eine als Innenumfang ausgebildete weibliche Dichtfläche 12a vorgesehen ist, in die ein entsprechend gestaltetes männliches Komplementärteil mit einer durch einen Außenumfang des Komplementärteils gebildeten Dichtfläche eingeführt werden kann. Der Innenumfang 12a hat hier eine ovale bzw. elliptische Form.
5 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Kühleinrichtung 1, an deren vorderer Stirnseite 3 ein ”männlicher” Fluidanschluss 19 angeordnet ist, der durch einen ersten Kreiszylinderabschnitt 20 und einen sich daran anschließenden zweiten Kreiszylinderabschnitt 21 gebildet ist, wobei der Kreiszylinderabschnitt 21 einen kleineren Durchmesser aufweist, als der Kreiszylinderabschnitt 20. Die Außenumfänge der beiden Kreiszylinderabschnitte 20, 21 bilden jeweils eine umlaufende Dichtfläche. Bei der Montage wird der Fluidanschluss 19 in eine der Geometrie der Zylinderabschnitte 20, 21 entsprechende komplementär gestaltete Ausnehmung eingeführt, wobei eine erste Ringdichtung den Außenumfang des Zylinderabschnitts 21 und eine zweite Ringdichtung den Außenumfang des Zylinderabschnitts 20 umschließt.
6 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei der an der Stirnseite 3 einer Kühleinrichtung ein Fluidanschluss 19 vorgesehen ist, der durch einen einzigen zylindrischen oder keglig gestalteten männlichen Stummelabschnitt gebildet ist.
Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, dass bei der Abdichtung der Kühleinrichtung gegenüber dem Komplementärteil praktisch keine Presskräfte auf den bzw. die Dichtringe ausgeübt werden müssen.

Claims

Elektronikkühlung, mit einer Elektronik, die thermisch leitend auf einer fluiddurchströmten Kühleinrichtung (1) appliziert ist, die mindestens einen Fluidanschluss (3, 4, 19) aufweist, der mit einem Komplementärteil (14) zusammenwirkt, wobei • der Fluidanschluss (3, 4, 19) in einer Einführrichtung (11) in das Komplementärteil (14) eingeführt ist, oder umgekehrt, und • ein Außenumfang (12, 13) des Fluidanschlusses (3, 4, 19) der Kühleinrichtung (1) gegenüber einem Innenumfang (15) des Komplementärteils (14) oder ein Innenumfang (12a) des Fluidanschlusses (3, 4) der Kühleinrichtung (1) gegenüber einer Außenumfang des Komplementärteils abgedichtet ist, dadurch gekennzeichnet, dass • die Abdichtung mittels mindestens einer Ringdichtung (17) erfolgt, die in einem in Umfangsrichtung umlaufenden Spalt angeordnet ist, der durch den Außenumfang (12, 13) und den Innenumfang (15) gebildet, • die Einführrichtung (11) im Wesentlichen parallel zu der Richtung ist, in der die Kühleinrichtung von Fluid durchströmt ist, wobei auf einer vorderen Stirnseite (3) der Kühleinrichtung (1) ein Fluideinlass und auf einer der vorderen Stirnseite abgewandten hinteren Stirnseite ein Fluidauslass vorgesehen ist und die Kühleinrichtung (1) von dem Fluideinlass in Richtung zu dem Fluidauslass von dem Fluid durchströmt ist und • an dem den Spalt begrenzenden Innenumfang (15) oder an dem den Spalt begrenzenden Außenumfang, (12, 13) mindestens eine in Umfangsrichtung umlaufende Ausnehmung (16) vorgesehen ist, in die die Ringdichtung (17) eingesetzt ist, wobei, wenn der Fluidanschluss (3, 4, 19) vom Komplementärteil (14) getrennt ist, die Ringdichtung (17) zumindest geringfügig in Radialrichtung aus der Ausnehmung (16) herausragt.
Elektronikkühlung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Außenumfang (12, 13) und der Innenumfang (15) eine komplementäre, knick- oder kantenlose Umfangskontur aufweisen.
Elektronikkühlung nach einem Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Außenumfang (12, 13) und der Innenumfang (15) jeweils mindestens einen ungekrümmten Umfangsabschnitt aufweisen.
Elektronikkühlung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass in Einführrichtung (11) hintereinander mehrere Ringdichtungen (17) angeordnet sind.
Elektronikkühlung nach seinem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass sich der durch den Innen- bzw. Außenumfang definierte Strömungsquerschnitt in Einführrichtung (11) konisch oder düsenartig verjüngt.
Elektronikkühlung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühleinrichtung (1) im Wesentlichen die Form eines Quaders hat und die Elektronik zumindest auf einer der beiden Grundseiten und der mindestens eine Fluidanschluss (3, 4, 19) an einer Stirnseite des Quaders angeordnet ist.
Elektronikkühlung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühleinrichtung (1) ein Gehäuse (2) aufweist, das durch eine Isolationsschicht (5, 6) elektrisch gegenüber der Elektronik isoliert ist.
Elektronikkühlung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (2) der Kühleinrichtung (1) metallurgisch mit der Elektronik verbunden ist.