DE102008041759A1

DE102008041759A1 - Anordnung zur Ableitung von Abwärme von einer Abwärme erzeugenden Einheit eines Fahrzeugs

Info

Publication number: DE102008041759A1
Application number: DE200810041759
Authority: DE
Inventors: Gerrit Schuenemann
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2008-09-02
Filing date: 2008-09-02
Publication date: 2010-03-04

Abstract

Vorgeschlagen wird eine Anordnung zur Ableitung von Abwärme von einer Abwärme erzeugenden, elektrischen Einheit (1) eines Fahrzeugs, wobei die Abwärme erzeugende, elektrische Einheit (1) über einen Wärmekoppler (2) mit einer Wärmesenke (3) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmekoppler (2) in Form eines wärmeleitenden Kabels oder Leiterbandes (25) ausgebildet ist, dass die Wärmesenke (3) durch eine Baugruppe des Kraftfahrzeugs gebildet wird und dass der Wärmekoppler (2) thermisch unmittelbar mit der Wärmesenke (3) verbunden ist.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung geht von einer Anordnung nach der Gattung des unabhängigen Patentanspruchs aus.
Ein bekannter Ansatz zur Ableitung von Abwärme von Abwärme erzeugenden Komponenten besteht in einer aktiven Kühlung, bei die Abwärme von einer Oberfläche der Komponente durch einen Luftstrom oder auch mittels eines flüssigen Kühlmittels über einen Wärmetauscher, der eine thermische Verbindung zwischen zu kühlender Komponente und Kühlmittel herstellt, Komponente und Kühlmittel aber mechanisch voneinander trennt, abzuführen. Das Kühlmittel nimmt dabei einen Teil der Abwärme von der Oberfläche der Komponente auf und transportiert diese im Falle der Kühlluft in die Umgebung oder im Falle des flüssigen Kühlmittels in einen Kühler, in dem das Kühlmittel selbst wieder abgekühlt wird.
Diese aktive Kühlung erfordert in der Regel einen Lüfter oder eine Pumpe, um das Kühlmittel an die zu kühlende Komponente zu leiten und das erwärmte Kühlmittel von dort wieder abzutransportieren. Weiter erfordert diese Form der Kühlung sowohl Bauraum zur Leitung des Kühlmittels an die zu kühlende Komponente als auch ein ausreichendes Volumen im Bereich der Oberfläche der Komponente, um einen Wärmeübergang von der Komponente auf das Kühlmittel zu ermöglichen. Neben der Hardware wie Lüfter oder Pumpe wird auch Energie zu deren Antrieb benötigt, wodurch Kosten sowohl für die Hardware an sich als auch für deren Betrieb entstehen. Darüber hinaus entstehen Kosten für die konstruktive Ausgestaltung der Kühlmittelführung.
Daneben sind auch Ansätze einer passiven Kühlung von Abwärme erzeugenden Komponenten, beispielsweise aus der Elektronik, aber auch aus dem Bereich der Kraftfahrzeugtechnik bekannt. In Derwent Abstract zu JP 2005 291168 A ist beispielsweise eine Anordnung zur Verbindung des Minuspols der Fahrzeugbatterie mit der Fahrzeugmasse beschrieben. Dazu ist eine Metallplatte vorgesehen, die auf den Zylinderkopf einer Brennkraftmaschine des Fahrzeugs geschraubt und über eine elektrische Leitung mit dem Minuspol der Fahrzeugbatterie verbunden wird. Da die Brennkraftmaschine üblicherweise aus Metall besteht, ist die Batterie somit über die Metallplatte und die Brennkraftmaschine mit Fahrzeugmasse verbunden. Die Metallplatte hat dabei den parasitären Effekt, auch vom Zylinderkopf des Motors Abwärme aufzunehmen und an die Umluft im Motorraum abzugeben.
Aufgabe und Vorteile der Erfindung
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Möglichkeit zur Kühlung von Abwärme erzeugenden, elektrischen Komponenten in einem Fahrzeug anzugeben.
Diese Aufgabe wird mit einer Anordnung mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs gelöst.
Dazu wird eine Abwärme erzeugende, elektrische Einheit eines Fahrzeugs, also beispielsweise ein elektronisches Steuergerät für Motor oder Getriebe oder dergleichen, ein Audioverstärker einer Audioanlage, ein Rechner eines Navigationssystems, eines Fahrerinformationssystems oder dergleichen oder einer anderen elektrischen Komponente mit einem Wärmekoppler in Form eines wärmeleitenden Kabels oder Leiterbandes verbunden, welcher Wärmekoppler wiederum unmittelbar mit einer Wärmesenke verbunden wird, wobei die Wärmesenke durch eine Baugruppe des Fahrzeugs gebildet wird.
Vorteilhaft wird die Wärmesenke durch eine wärmeleitfähige Baugruppe des Fahrzeugs gebildet, so dass die eingeleitete Abwärme abgeführt werden kann. Vorteilhaft kann die Wärmesenke insbesondere ein Karosseriebauteil oder die Fahrzeugkarosserie oder ein Chassisbauteil oder das Fahrzeugchassis sein. Diese Bauteile liegen üblicherweise an der äußeren Oberfläche des Fahrzeugs oder haben Kontakt zur äußeren Oberfläche des Fahrzeugs, die von Fahrtwind umströmt und damit gekühlt wird. Selbst bei Stillstand des Fahrzeugs ist durch die große Oberfläche dieser Fahrzeugteile ein hohes Maß an Wärmeabgabe an die Umgebung durch Strahlung und/oder Konvektion gegeben. Weiterhin weisen diese Bauteile in Summe, also das Chassis oder die Karosserie, üblicherweise eine, zumindest in Relation zu der zu kühlenden Baugruppe des Fahrzeugs, hohe Wärmekapazität auf.
Zeichnungen
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Figur dargestellt und werden nachfolgend näher erläutert. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen dabei gleiche oder gleichwirkende Elemente.
1 zeigt eine Prinzipdarstellung der erfindungsgemäßen Anordnung
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
1 zeigt eine Prinzipdarstellung der erfindungsgemäßen Anordnung.
Darin bezeichnet die Bezugsziffer 1 eine elektrische Einheit eines Fahrzeugs, beispielsweise ein Motor- oder Getriebesteuergerät oder ein Autoradio, Navigations- oder Fahrerinformationssystem oder dergleichen. In der Figur ist lediglich das äußere Gehäuse 1 der elektrischen Einheit dargestellt. In diesem Gehäuse sind elektrische Schaltkreise angeordnet, beispielsweise Verstärkerschaltungen oder ein Prozessor oder dergleichen, die während ihres Betriebs Abwärme erzeugen. Um eine dauerhafte ordnungsgemäße Funktion dieser Einheit 1 zu gewährleisten, ist es erforderlich, dass die im Betrieb entstehende Abwärme abgeführt wird. Insbesondere bei Einbau der Komponente in einen vorgegebenen Einbauschacht 11, beispielsweise im Falle eines Autoradios oder Navigationssystems in eine Mittelkonsole oder ein Armaturenbrett eines Fahrzeugs, ist eine ausreichende Entwärmung der Einheit 1 allein durch Abstrahlung oder Konvektion infolge des begrenzten Volumens des Einbauschachts üblicherweise nicht gegeben. Darüber hinaus sind die Wandungen des Einbauschachts 11 oftmals aus nicht oder nur schlecht wärmeleitendem Material wie insbesondere Kunststoffen gefertigt, so dass auch eine Ableitung über die Wandungen des Einbauschschachts 11 nicht erfolgt.
Zur Entwärmung der elektrischen Einheit 1 ist diese thermisch leitend mit einem Wärmekoppler 2 verbunden. Dieser Wärmekoppler 2 wird durch ein aus einem wärmeleitfähigen Material, beispielsweise Kupfer, bestehendes Kabel oder Leiterband 2 gebildet. Im vorliegenden Fall ist ein Ende dieses Leiterbandes 2 mit dem metallischen Gehäuse 1 der elektrischen Einheit 1 verbunden, beispielsweise verschraubt 22.
An seinem der elektrischen Einheit 1 abgewandten Ende ist der Wärmekoppler 2 unmittelbar mit einer Fahrzeugbaugruppe 3, insbesondere einem Karosserieblech oder dem Chassis des Fahrzeugs thermisch leitend verbunden, beispielsweise wiederum verschraubt 24. Somit wird von der elektrischen Einheit 1 erzeugte Abwärme entsprechend des Temperaturgradienten von der elektrischen Einheit 1 zur Fahrzeugbaugruppe 3 über den Wärmekoppler 2 von der erwärmten elektrischen Einheit 1 weg zur gegenüber der elektrischen Einheit 1 kühleren Fahrzeugbaugruppe 3 hin geleitet. Die Fahrzeugbaugruppe 3 steht beispielsweise im Falle der Fahrzeugkarosserie mit der Umgebungsluft in Kontakt, so dass eingeleitete Wärme von dort durch Konvektion und/oder Abstrahlung an die Umgebungsluft abgegeben wird. Dieser Effekt wird bei Fahrt des Fahrzeugs durch den Fahrtwind zusätzlich unterstützt.
Im vorliegenden Fall ist die elektrische Einheit 1 beispielsweise in einem Einbauschacht 11 angeordnet. In diesem Fall wird der Wärmekoppler 2 durch eine Bohrung in einer Wandung des Einbauschachts 11 hindurch geführt. Diese Bohrung kann vorteilhaft eine ohnehin zur Verkabelung der elektrischen Einheit 1 vorgesehene Bohrung sein. Weiterhin kann der Wärmekoppler 2 gleichzeitig auch als Masse- oder Minus-Leitung der elektrischen Einheit 1 dienen.
Der Wärmekoppler 2 besteht aus wärmeleitfähigem Material. Kupfer bietet die besten spezifischen Wärmeleiteigenschaften. Eine Variante aus Aluminium bietet demgegenüber bei schlechteren Wärmeleiteigenschaften Vorteile im Formleichtbau.
Massive Koppelelemente 21 und 23 aus Kupfer sind mit einem flexiblen hohlzylindrischen Kupferrohrband 25 oder einem aus feinadrigen Kupferlitzen geflochtetenen Leiterband 25 mechanisch verbunden, beispielsweise verpresst, oder beispielsweise verlötet oder verschweißt. Das Kupferband 25 kann beispielsweise die Dimensionen Breite 10 mm und Dicke 1 mm aufweisen. Es handelt sich hier um eine Beispielkonfiguration. Eine Variation des Herstellungsmaterials und der geometrischen Abmessungen können auf die konstruktiven Umgebungsanforderungen sowie auch die abzuleitende Abwärmemenge angepasst werden.
Nachfolgend wird eine Beipielrechnung erläutert.
Theoretische Annahmen:

– Alle Massen (m_Fzg, m_Geh, m_Kop) sind idealisiert.
– Der Druck und das Volumen der Elemente werden als konstant angenommen.
– Die Volumenänderung aller Elemente wird vernachlässigt.
– Adiabate Umgebungselemente (kein Austausch von Wärmeenergie).

Der Wärmekoppler (WK) wird vereinfacht als hohlzylindrisches Kupferrohr betrachtet. Gegebene Größen

Länge des WK (I)	= 0,15 m
Außendurchmesser des WK (d_a)	= 0,01 m
Innendurchmesser des WK (d_i)	= 0,009 m
Dichte von Kupfer (ρ_Cu)	= 8,92 g/cm³
Spezifische Wärmekapazität von Kupfer (c_Cu)	= 385 J/(kg·K)
Spezifische Wärmeleitfähigkeit von Kupfers (λ_Cu)	= 398 J/(s·m·K)
Temperatur des Gehäuses (T_Geh)	= 85°C
Temperatur der Fahrzeugmasse (T_Fzg)	= 40°C
Temperaturdifferenz (ΔT)	= 45 K

Gesuchte Größen

Flächeninhalt des WK (A_WK)
Volumen des WK (V_WK)
Wärmestrom (Q-Punkt)
Verlustleistung des Gehäuses (Pv)
Wärmestrom (Q-Punkt) = Verlustleistung des Gehäuses (Pv)
Wärmeleitwiderstand des WK (R_{λ_}WK)
Absolute Wärmekapazität (C_th)
Absoluter Wärmeleitwiderstand (R_th)
Tau (τ)
Zeit bis zur Abkühlung (t)

Berechnung
Flächeninhalt des WK (A_WK)
Volumen des WK (V_WK)
Wärmestrom (Q-Punkt)
Wärmeleitwiderstand des WK (R_{λ_}WK)
Absolute Wärmekapazität (C_th)
Absoluter Wärmeleitwiderstand (R_th)
Tau (τ): Selbstentwärmungszeitkonstante der Wärmekapazität, d. h. der zu entwärmenden elektrischen Einheit 1, analog beispielsweise der aus der Elektrotechnik bekannten Selbstentladungszeitkonstante eines elektrischen Kondensators.
Zeit bis zur Abkühlung (t)
Aus dieser Beispielrechung ergibt sich: Um die Gehäusetemperatur (mit dem idealisierten Wärmekoppler) von 85°C auf 40°C abzukühlen wird eine Zeit von 123,442 Sekunden benötigt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- JP 2005291168 A [0004]

Claims

Anordnung zur Ableitung von Abwärme von einer Abwärme erzeugenden, elektrischen Einheit (1) eines Fahrzeugs, wobei die Abwärme erzeugende, elektrische Einheit (1) über einen Wärmekoppler (2) mit einer Wärmesenke (3) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmekoppler (2) in Form eines wärmeleitenden Kabels oder Leiterbandes ausgebildet ist, dass die Wärmesenke (3) durch eine Baugruppe des Kraftfahrzeugs gebildet wird und dass der Wärmekoppler thermisch unmittelbar mit der Wärmesenke verbunden ist.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmesenke (3) durch eine wärmeleitfähige Baugruppe des Fahrzeugs gebildet ist.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmesenke (3) ein Karosseriebauteil oder die Fahrzeugkarosserie oder ein Chassisbauteil oder das Fahrzeugchassis des Fahrzeugs ist.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmesenke (3) eine Baugruppe des Fahrzeugs ist, welche bei Bewegung des Fahrzeugs Fahrtwind ausgesetzt ist.