DE102010064343A1

DE102010064343A1 - Verfahren zur Kühlung eines Moduls für ein Fahrzeug sowie entsprechende Kühlvorrichtung und Fahrzeug

Info

Publication number: DE102010064343A1
Application number: DE102010064343A
Authority: DE
Inventors: Dr. Böttcher Christof; Andreas Kwoczek; Helmut Walter
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2010-12-29
Filing date: 2010-12-29
Publication date: 2012-07-05

Abstract

Zur Kühlung eines Moduls (3) für ein Fahrzeug (10) wird Abwärme des Moduls (3) von einem passiven Wärmeleiter (2) aufgenommen und mit Hilfe des Wärmeleiters (2) zu einer Wärmesenke (4; 7) im Bereich des Daches (5, 6) des Fahrzeugs (10) transportiert.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren für ein Fahrzeug, um ein Modul ausreichend zu kühlen, sowie eine entsprechend ausgestaltete Kühlvorrichtung und ein entsprechend ausgestaltetes Fahrzeug.
Die DE 101 60 935 A1 beschreibt eine Kraftfahrzeugkühlvorrichtung für elektronische Geräte. Dabei wird Wärme von einem im Dachbereich des Fahrzeugs angeordneten elektrischen Gerät mittels einer Heatpipe zu einer Wärmesenke geleitet, welche mit einem Kühlkreislauf des Fahrzeugs in Verbindung steht.
Die DE 101 10 369 A1 offenbart eine Anordnung zur Kühlung eines Sensorsystems, welches am Dachhimmel eines Fahrzeugs installiert ist. Das Sensorsystem steht dabei zur Kühlung mit einem Peltier-Element in einem engen Kontakt. Das Peltier-Element leitet die Wärme des Sensorsystems über das Dach des Fahrzeugs an die Umgebung ab.
Insbesondere bei Fahrzeugen mit einem schwarz gefärbten Dach beträgt die Temperatur im Dachbereich bei maximaler Sonneneinstrahlung über 90°C. Daher existiert nach dem Stand der Technik das Problem, dass elektronische Module, welche in diesem Dachbereich angeordnet sind, einer Temperatur ausgesetzt sind, welche bisweilen über derjenigen Temperaturgrenze liegt, für welche die entsprechenden elektronischen Module ausgelegt sind.
Daher stellt sich die vorliegende Erfindung die Aufgabe, eine Lösung für dieses Problem bereitzustellen, so dass die Temperaturbelastung für elektronische Gerätschaften im Fahrzeug im Vergleich zum Stand der Technik zumindest verringert werden kann.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren zur Kühlung eines Moduls für ein Fahrzeug nach Anspruch 1, durch eine Kühlvorrichtung für ein Fahrzeug nach Anspruch 8 oder durch ein Fahrzeug nach Anspruch 10 gelöst. Die abhängigen Ansprüche definieren bevorzugte und vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Kühlung eines Moduls für ein Fahrzeug bereitgestellt. Dabei wird eine Abwärme des Moduls (beispielsweise einer elektronischen Vorrichtung im Dachbereich des Fahrzeugs) von einem passiven Wärmeleiter aufgenommen und mit Hilfe dieses Wärmeleiters zu einer Wärmesenke geleitet, welche sich im Bereich des Daches des Fahrzeugs befindet.
Unter einem passiven Wärmeleiter wird dabei ein Wärmeleiter verstanden, welchem von außen keine Energie zugeführt wird, um den Transport oder die Weiterleitung von Wärme zu bewerkstelligen. Mit anderen Worten benötigt ein passiver Wärmeleiter keine externe Energiequelle. Ein erfindungsgemäßes eingesetzter passiver Wärmeleiter ist beispielsweise ein Wärmerohr, welches auch als Heatpipe oder Zwei-Phasen-Thermosiphon bekannt ist. Unter einem Wärmerohr wird dabei ein Wärmeleiter oder Wärmeüberträger verstanden, welcher unter Nutzung von Verdampfungswärme eines Stoffes Wärme transportiert wird. Dabei benötigen Wärmerohre zur Umwälzung eines Transportmediums innerhalb des Wärmerohrs keine zusätzliche Hilfsenergie, wie beispielsweise eine Umwälzpumpe.
Indem die Abwärme des Moduls von dem passiven Wärmeleiter aufgenommen und abtransportiert wird, kann die Temperatur des Moduls auch im Fall eines schwarzen Daches des Fahrzeugs und bei maximal möglicher Sonneneinstrahlung in einem Temperaturbereich gehalten werden, welcher der Spezifikation des entsprechenden Moduls (beispielsweise 85°C) entspricht. Mit anderen Worten kann die Temperatur eines Elektronikmoduls im Dachbereich des Fahrzeugs vorteilhafterweise abgesenkt werden, ohne dass hierzu Energie von einem Energiespeicher des Fahrzeugs oder von einem Motor des Fahrzeugs benötigt wird.
Die Wärmesenke im Bereich des Daches des Fahrzeugs kann dabei beispielsweise eine Antennenfinne des Fahrzeugs umfassen, so dass die Wärme des Moduls mit Hilfe des passiven Wärmeleiters zu dieser Antennenfinne transportiert wird, von welcher die Abwärme dann in die äußere Umgebung des Fahrzeugs abgegeben wird. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, dass die Wärmesenke einen Folienkühlkörper umfasst, welcher oberhalb des Himmels des Fahrzeugs an diesem Himmel angeordnet ist, so dass die Wärme des Moduls mit Hilfe des passiven Wärmeleiters zu diesem Folienkühlkörper transportiert wird, von welchem sie dann insbesondere in den Innenraum des Fahrzeugs abgegeben wird.
Der Wärmetransport mittels des passiven Wärmeleiters kann dabei mit Hilfe eines Peltier-Elements unterstützt werden.
Dabei ist ein Peltier-Element ein elektrothermischer Wandler, welcher basierend auf dem Peltier-Effekt aufgrund eines von außen zugeführten elektrischen Stromflusses Wärme von einer Seite des Peltier-Elements zu einer anderen Seite des Peltier-Elements transportiert. Ein Peltier-Element ist damit kein passiver Wärmeleiter.
Das Peltier-Element kann beispielsweise derart an der Wärmesenke angebracht werden, dass eine dem Peltier-Element von dem passiven Wärmeleiter zugeführte Wärme an die Wärmesenke abgegeben wird. Demnach ist der passive Wärmeleiter bei dieser Ausführungsform derart mit dem Peltier-Element verbunden, dass eine von dem passiven Wärmeleiter als Abwärme des Moduls aufgenommene Wärme an das Peltier-Element abgegeben wird.
Mit anderen Worten hilft das Peltier-Element dem passiven Wärmeleiter, seine Wärme an die Wärmesenke abzugeben, wodurch die Wärmemenge pro Zeiteinheit, welche von dem Modul an die Wärmesenke abgeführt wird, vorteilhafterweise gesteigert werden kann.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird auch eine Kühlvorrichtung für ein Fahrzeug bereitgestellt. Dabei umfasst die Kühlvorrichtung einen passiven Wärmeleiter und eine Wärmesenke, welche sich im Bereich des Daches des Fahrzeugs befindet. Die Kühlvorrichtung nimmt mit Hilfe des Wärmeleiters Wärme auf und transportiert diese Wärme über den Wärmeleiter zu der Wärmesenke.
Die Vorteile der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung entsprechen im Wesentlichen den Vorteilen des erfindungsgemäßen Verfahrens, welche vorab im Detail ausgeführt sind, so dass hier auf eine Wiederholung verzichtet wird.
Schließlich stellt die vorliegende Erfindung ein Fahrzeug bereit, welches eine erfindungsgemäße Kühlvorrichtung umfasst.
Dabei umfasst das Fahrzeug darüber hinaus insbesondere ein Modul, welches im Dachbereich des Fahrzeugs angeordnet ist. Der Wärmeleiter der Kühlvorrichtung ist derart mit dem Modul (beispielsweise einem Elektronikmodul) verbunden, dass der Wärmeleiter eine von dem Modul abgegebene Wärme aufnimmt und zu der Wärmesenke transportiert.
Die vorliegende Erfindung realisiert somit insbesondere eine passive Kühlung mittels einer Heatpipe und eine Ableitung der Wärmeleistung in die Antennenfinne oder auf eine Kühlfolie auf der Himmeloberseite, wobei die Kühlleistung eventuell durch ein Peltier-Element verstärkt werden kann. Mit der vorliegenden Erfindung kann eine Betriebstemperaturgewährleistung z. B. im Bereich von 85°C auch für Elektronikmodule im Dachbereich des Fahrzeugs auch bei extremen Bedingungen (insbesondere starker Sonneneinstrahlung) erfüllt werden. Dadurch können entsprechende Elektronikmodule (z. B. eine Sendeelektronik) im Dachbereich angeordnet werden, wodurch ein Verkabelungsaufwand, welcher bei einem abgesetzten Elektronikmodul auftreten würde, vorteilhafterweise eingespart werden kann.
Die vorliegende Erfindung ist insbesondere zur Kühlung von im Dachbereich angeordneten Elektronikmodulen für ein Fahrzeug geeignet. Selbstverständlich ist die vorliegende Erfindung nicht auf diesen bevorzugten Anwendungsbereich eingeschränkt, da die vorliegende Erfindung zum einen auch bei Flugzeugen, Schiffen sowie gleisgebundenen oder spurgeführten Fahrzeugen einsetzbar ist. Zum anderen kann die vorliegende Erfindung prinzipiell auch eingesetzt werden, um eine Abwärme von Modulen abzuführen, welche an einer anderen Stelle im Fahrzeug angeordnet sind.
Im Folgenden wird die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsformen mit Bezug zu den Figuren im Detail beschrieben.
In 1 ist ein Dachquerträger dargestellt, in welchem die Erfindung entsprechend einer ersten Ausführungsform realisiert ist.
In 2 ist ein Dachquerträger dargestellt, in welchem die Erfindung entsprechend einer zweiten Ausführungsform dargestellt ist.
In 3 ist ein Dachquerträger dargestellt, in welchem eine Variante der zweiten Ausführungsform dargestellt ist.
4 zeigt schematisch ein erfindungsgemäßes Fahrzeug mit einer erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung.
1 zeigt eine erste erfindungsgemäße Ausführungsform. In einem Dachquerträger 1 eines Fahrzeugs befindet sich knapp unterhalb eines Dachblechs 6 ein Elektronikmodul 3. Parallel zur oberen Seite dieses Elektronikmodul 3 verläuft ein Wärmerohr oder eine Heatpipe 2 und steht somit über einen Großteil der Länge dieser oberen Seite über ein Ende der Heatpipe 2 mit dem Elektronikmodul 3 in Kontakt, um dadurch Abwärme des Elektronikmoduls 3 aufzunehmen. Mit dem anderen Ende steht die Heatpipe 2 mit einem Antennengehäuse 4, welches auf dem Dach oder Dachquerträger 4 angebracht ist, in Kontakt, um Wärme an dieses Antennengehäuse 4 abzugeben. Dazu ist die Heatpipe 2 thermisch mit der Rückkante (Finne) des Antennengehäuses 4 gekoppelt. Das Antennengehäuse 4 (insbesondere die Antennenfinne) gibt ihrerseits die von der Heatpipe 2 zugeführte Abwärme an die äußere Umgebung des Fahrzeugs ab.
Für den Fall, dass das Dachblech 6 schwarz lackiert ist weist dieses Dachblech 6 bei einer starken Sonneneinstrahlung beispielsweise eine Temperatur von 91°C auf. In diesem Szenario beträgt die Umgebungstemperatur in der äußeren Umgebung des Dachquerträgers 1 ungefähr 51°C. Die Oberseite des Himmels 5 weist dabei ca. 81°C auf. Bei einer entsprechenden Dimensionierung ist die Heatpipe 2 in der Lage, die Temperatur der Elektronikplatine 3 unter einer maximalen Temperatur von 85°C zu halten.
2 zeigt eine zweite erfindungsgemäße Ausführungsform. Die Gegebenheiten (schwarzes Dachblech 6, Dachquerträger 1 und Himmel 5 sowie die Anordnung der Elektronikplatine 3 und der daran angebrachten Heatpipe 2) entsprechen der ersten Ausführungsform, auf welche diesbezüglich verwiesen wird. Bei der zweiten Ausführungsform ist die Heatpipe 2 mit einem Folienkühlkörper 7 thermisch gekoppelt, um an diesen Folienkühlkörper 7, welcher auf der Oberseite des Himmels 5 angebracht ist, von dem Elektronikmodul 3 aufgenommene Abwärme abzugeben. Dazu verläuft die Heatpipe 2 mit dem anderen Ende, welches nicht mit dem Elektronikmodul 3 thermisch gekoppelt ist, entlang der Oberseite des Folienkühlkörpers 7. Da sich bei der zweiten Ausführungsform die Wärmesenke (d. h. der Folienkühlkörper 7) unterhalb des die Abwärme erzeugenden Elektronikmoduls 3 befindet, wird eine so genannte ”Anti Gravity Heatpipe” 2 eingesetzt, bei welcher die Abwärme in Richtung der Schwerkraft zu der Wärmesenke 7 transportiert wird.
3 zeigt eine Variante der zweiten Ausführungsform, so dass im Folgenden nur die Unterschiede zu der in 2 beschriebenen zweiten Ausführungsform dargelegt werden.
Um die Wärmeabgabe von der Heatpipe 2 an den Folienkühlkörper 7 gegenüber der in 2 dargestellten Ausführungsform zu verbessern, wird ein Peltier-Element 8 eingesetzt. Dieses Peltier-Element 8 ist zwischen dem Folienkühlkörper 7 und der Heatpipe 2 angeordnet und nimmt dadurch die von der Heatpipe 2 zugeführte Abwärme auf und gibt sie an den Folienkühlkörper 7 ab. Dazu ist die ”Anti Gravity Heatpipe” 2 thermisch mit dem Peltier-Element 8 gekoppelt, d. h. das Ende der Heatpipe 2, welches nicht mit dem Elektronikmodul 3 verbunden ist, verläuft in seiner Längsrichtung über einen Großteil der Länge der oberen Seitenfläche des Peltier-Elements 8, mit welchem dieses Ende der Heatpipe 2 thermisch gekoppelt ist.
Im Vergleich zu der zweiten Ausführungsform, welche in 2 dargestellt ist, wird die von dem Elektronikmodul 3 pro Zeiteinheit mittels der Heatpipe 2 abgeführte Wärmemenge bei der in 3 dargestellten Ausführungsform durch den Einsatz des Peltier-Elements 8 gesteigert.
In 4 ist schematisch ein erfindungsgemäßes Fahrzeug 10 dargestellt, welches eine erfindungsgemäße Kühlvorrichtung 9 umfasst. Mit Hilfe dieser Kühlvorrichtung 9 wird eine Abwärme von einem im Dachbereich des Fahrzeugs 10 angeordneten Elektronikmodul 3 an eine ebenfalls im Dachbereich angeordnete Wärmesenke (Antennenfinne oder Folienkühlkörper) der Kühlvorrichtung 9 abgeführt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10160935 A1 [0002]
DE 10110369 A1 [0003]

Claims

Verfahren zur Kühlung eines Moduls (3) für ein Fahrzeug (10), wobei Abwärme des Moduls (3) von einem passiven Wärmeleiter (2) aufgenommen wird und mit Hilfe des Wärmeleiters (2) zu einer Wärmesenke (4; 7) im Bereich des Daches (5, 6) des Fahrzeugs (10) transportiert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der passive Wärmeleiter ein Wärmerohr (2) umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmesenke eine Antennenfinne (4) des Fahrzeugs (10) umfasst.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmesenke einen Folienkühlkörper (7) umfasst, welcher oberhalb des Himmels (5) des Fahrzeugs (10) an diesem Himmel (5) angeordnet ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Modul (3) im Bereich des Daches (5, 6) angeordnet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärme mittels eines Peltier-Elements (8) zu der Wärmesenke (4; 7) transportiert wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Peltier-Element (8) derart an der Wärmesenke (7) angeordnet wird, dass eine dem Peltier-Element (8) zugeführte Wärme an die Wärmesenke (7) abgegeben wird, und dass der Wärmeleiter (2) derart an dem Peltier-Element (8) angeordnet wird, dass eine von dem Wärmeleiter (2) aufgenommene Wärme an das Peltier-Element (8) abgegeben wird.
Kühlvorrichtung für ein Fahrzeug (10), wobei die Kühlvorrichtung (9) einen passiven Wärmeleiter (2) und eine Wärmesenke (4; 7) im Bereich des Daches (5, 6) des Fahrzeugs (10) umfasst, und wobei die Kühlvorrichtung (9) derart ausgestaltet ist, dass die Kühlvorrichtung (9) Wärme über den Wärmeleiter (2) aufnimmt und mit Hilfe des Wärmeleiters (2) zu der Wärmesenke (4; 7) transportiert.
Kühlvorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlvorrichtung (9) zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1–7 ausgestaltet ist.
Fahrzeug mit einer Kühlvorrichtung (9) nach Anspruch 8 oder 9.
Fahrzeug nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Fahrzeug (10) ein Modul (3) umfasst, welches im Bereich des Daches (5, 6) des Fahrzeugs (10) angeordnet ist, dass der Wärmeleiter (2) derart mit dem Modul (3) gekoppelt ist, dass der Wärmeleiter (2) eine von dem Modul (3) erzeugte Wärme aufnimmt und zu der Wärmesenke (4; 7) transportiert.