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Die Erfindung betrifft eine Kühlanordnung für ein Steuergerät und ein Steuergerät.
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Stand der Technik
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Für ein Steuergerät, das bspw. als Motorsteuergerät für ein Kraftfahrzeug ausgebildet ist, kann durch Kühlplatten, die in dem Steuergerät angeordnet sind, als Kühlmittel Kraftstoff geleitet werden, wodurch das Steuergerät gekühlt wird. Weiterhin ist es möglich, für ein Gehäuse eines Steuergeräts eine profilierte und somit vergrößerte Oberfläche vorzusehen, über die Wärme abgestrahlt werden kann. Es ist auch möglich, das Steuergerät, bspw. über Gehäuselaschen, an anderen Komponenten des Kraftfahrzeugs zu befestigen und somit mit diesen anderen Komponenten thermisch zu koppeln.
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Die Druckschrift
DE 100 12 990 A1 beschreibt eine Kühlvorrichtung für elektronische Bauelemente, die als Mikroprozessoren ausgebildet sind. Die Kühlvorrichtung umfasst mindestens ein passiv wärmeleitendes Kühlelement, wobei zumindest ein Teil des passiven Kühlelements von einem nicht-metallischen und flüssigen Wärmeübertragungsmedium umgeben ist, wobei das Wärmeübertragungsmedium in einem Behälter aus wärmeleitendem Material angeordnet ist und der Behälter mit einem Bodenelement auf dem elektronischen Bauelement aufliegt.
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Offenbarung der Erfindung
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Vor diesem Hintergrund werden eine Kühlanordnung und ein Steuergerät mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vorgestellt. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen und der Beschreibung.
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Mit der Kühlanordnung ist mindestens ein Körper mit einem Hohlraum bereitzustellen, der in oder an dem Steuergerät angeordnet werden und/oder als Teil des Steuergeräts ausgebildet sein kann. In dem Hohlraum wird mindestens eine Substanz und somit mindestens ein Material eingebracht, die bzw. das eine hohe Wärmekapazität im Temperaturbereich eines Aggregatübergangs bzw. eines Phasenübergangs zwischen einer festen und flüssigen Phase und/oder einer flüssigen und gasförmigen Phase der mindestens einen Substanz aufweist. Die mindestens eine Substanz kann auf Paraffinen basieren und demnach zumindest eine Paraffin-Verbindung, bspw. ein Gemisch aus mehreren Paraffin-Verbindungen, aufweisen. Durch Bereitstellen dieser mindestens einen Substanz kann eine Wärmekapazität des Steuergeräts erhöht werden.
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Durch Wahl eines Temperaturniveaus und/oder Temperaturbereichs des Aggregatübergangs sowie durch die Menge der für das Steuergerät verwendeten mindestens einen Substanz wird der Verlauf eines Betriebstemperaturbereichs des Steuergeräts beeinflusst, wodurch zur Bereitstellung des Steuergeräts kostengünstigere Materialen eingesetzt werden können, so dass bei der Herstellung des Steuergeräts die Kosten reduziert werden können. Außerdem kann die Lebensdauer des Steuergeräts erhöht werden. Das Steuergerät umfasst üblicherweise elektronische Schaltelemente und/oder Bauteile und ist u. a. zur Durchführung von Rechenoperationen ausgebildet. Weiterhin können mit dem Steuergerät Funktionen von elektrischen und/oder mechanischen Komponenten eines Kraftfahrzeugs kontrolliert und somit gesteuert und/oder geregelt werden.
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Mit der Kühlanordnung, die die mindestens eine Substanz und somit zumindest eine Paraffin-Verbindung aufweist, kann die Anzahl von Temperaturwechseln, die Geschwindigkeit von Temperaturänderungen und die Dauer eines maximal anstehenden Temperaturniveaus bei einem Betrieb des Steuergeräts verringert werden. Durch Einsatz der mindestens einen Substanz kann die Beanspruchung einer Leiterplatte, von Lotmaterial und von Verbindungselementen als mögliche Bauteile des Steuergeräts reduziert werden.
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Sofern ein entsprechendes Rechenmodell vorhanden ist, kann zusätzlich die Dauer von Mechanikerprobungen reduziert werden. Auf externe Kühlmaßnahmen, bspw. eine Flüssigkühlung mit Kraftstoff oder anderen Medien, kann verzichtet werden, wodurch eine aufwendige und anfällige Leitungsführung für den zum Kühlen verwendeten Kraftstoff entfällt. Da für das Steuergerät nunmehr keine Kühlung durch bewegte Luft der Umgebung erforderlich ist, kann das Steuergerät an unterschiedlichen Positionen im Kraftfahrzeug angeordnet werden, ohne dass eine Kühlung durch Luft zu berücksichtigen ist.
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Eine Funktion der zumindest einen als Phasenwechselmaterial ausgebildeten Paraffin-Verbindung ist die Erzeugung eines möglichst gleichbleibenden Temperaturniveaus, das elektronische Bauelemente nicht schädigt und möglichst wenig altern lässt. Eine Ableitung von Wärme ist hierbei nicht vorgesehen oder erforderlich. Durch Einsatz der zumindest einen Paraffin-Verbindung können Einflüsse von thermischen Randbedingungen, bspw. eines Umgebungs-Temperaturhubs, z. B. zwischen –40 °C bis +105 °C, eines Temperaturgradienten, der häufige, schnelle und/oder große Temperaturwechsel verursacht, einer dauerhaft hohen Umgebungstemperatur, bspw. über 100 °C, oder einer Überschreitung einer zulässigen Maximaltemperatur, die elektronische Bauelemente schädigen können, reduziert werden. Mit der Erfindung wird u. a. erreicht, dass elektronische Bauteile des Steuergeräts möglichst selten Temperaturwechseln ausgesetzt werden und lange eine gleichbleibende Temperatur erreicht wird, wobei diese Temperatur auf einem Niveau liegt, das die elektronischen Bauteile möglichst wenig altern lässt.
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Der Phasenwechselbereich bzw. ein thermischer Phasenübergang kann für eine Anwendung des Steuergeräts im Bereich des Kraftfahrzeugs zwischen ca. 60 °C und ca. 80 °C liegen. Die untere Temperaturgrenze ist durch die im Einsatzbereich des Steuergeräts übliche Umgebungstemperatur vorgegeben. In der Regel kommt die mindestens eine Substanz bei einer Inbetriebnahme der elektronischen Bauteile noch nicht in den Bereich des Phasenübergangs. Die obere Temperaturgrenze ist durch die Lebensdauer der Bauteile des Steuergeräts vorgegeben. Üblicherweise kann die Obergrenze der Temperatur so niedrig wie möglich gewählt werden, wodurch eine Lebensdauer der elektronischen Bauteile des Steuergeräts verlängert werden kann.
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Weiterhin kann vorgesehen sein, dass bei Einsatz der mindestens einen Substanz im gleichen Gehäuse wie die elektronischen Bauteile, wobei das Phasenwechselmaterial in direktem Kontakt mit der Leiterplatte und den elektronischen Bauteilen steht, eine Verbesserung der thermischen Anbindung der Bauteile an das entwärmende Gehäuse des Steuergeräts realisiert werden kann. Dies ist u. a. dann der Fall, wenn die mindestens eine Substanz gegenüber Luft einen besseren Wärmeleitwert aufweist und vom festen in den flüssigen Zustand übergeht. In diesem Fall können weitere thermische Eigenschaften, wie die Leitfähigkeit der mindestens einen Substanz, um eine elektrische Isolation zu gewährleisten, sowie Wärmeausdehnungskoeffizienten und Hafteigenschaften der mindestens einen Substanz, um eine Schädigung der elektronischen Bauteile durch mechanische Einwirkung beim Schmelzen oder Erstarren der mindestens einen Substanz zu vermeiden, berücksichtigt werden.
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Weiterhin kann bei einem Anwendungsfall eine Ausdehnung der mindestens einen Substanz durch eine entsprechend geringe eingebrachte Menge in das verfügbare Volumen des Gehäuses des Steuergeräts berücksichtigt werden.
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Die zumindest eine Paraffin-Verbindung, die als der mindestens eine als Latentwärmespeicher ausgebildete Substanz verwendet wird, kann mindestens eine gesättigte, langkettige Kohlenwasserstoffverbindung aufweisen. Demnach kann die Substanz auch mehrere unterschiedliche Paraffin-Verbindungen aufweisen, die miteinander vermischt sein können. Eine derartige Paraffin-Verbindung kann mehrere, bspw. eine bis mehrere Dutzend Methylengruppen (CH2), in Ausgestaltung ca. 15 bis 80 Methylengruppen, umfassen. Es ist hierbei möglich, als die zumindest eine Paraffin-Verbindung ein sog. Weichparaffin zu verwenden, das bei einem thermischen Phasenübergang von ca. 45 °C schmilzt. In der Regel kann eine derartige Paraffin-Verbindung, z. B. Hartparaffin einen thermischen Phasenübergang in einem Temperaturbereich zwischen ca. 50 °C bis ca. 60 °C aufweisen, in dem Hartparaffin schmilzt. Es kann auch zumindest eine als Intermediat bezeichnete Paraffin-Verbindung verwendet werden, deren thermischer Phasenübergang von fest nach flüssig in einem Temperaturbereich zwischen 60 °C und 70 °C liegt. Ferner kann als die zumindest eine Paraffin-Verbindung ein sogenanntes Mikrowachs mit einem thermischen Phasenübergang, bei dem Mikrowachs erstarrt oder schmilzt, von 70 °C bis 80 °C aufweisen.
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In Ausgestaltung kann die für die Kühlanordnung zu verwendende mindestens eine Substanz lediglich die zumindest eine Paraffin-Verbindung, bspw. ein Gemisch aus Paraffin-Verbindungen, oder zumindest eine andere chemische Verbindung aufweisen, die mit der zumindest einen Paraffin-Verbindung vermischt sein kann.
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Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen.
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Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 zeigt in schematischer Darstellung eine erste Ausführungsform der beschriebenen Kühlanordnung und eine erste Ausführungsform des beschriebenen Steuergeräts.
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2 zeigt in schematischer Darstellung eine zweite Ausführungsform des vorgestellten Steuergeräts, das eine zweite Ausführungsform der Kühlanordnung umfasst.
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3 zeigt in schematischer Darstellung eine dritte Ausführungsform des Steuergeräts und eine dritte Ausführungsform der Kühlanordnung.
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4 zeigt ein Diagramm zu einem thermischen Verhalten einer Substanz, die bei einer vorgestellten Ausführungsform der Kühlanordnung eingesetzt wird.
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Ausführungsformen der Erfindung
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Die Erfindung ist anhand von Ausführungsformen in den Zeichnungen schematisch dargestellt und wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ausführlich beschrieben.
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Die Figuren werden zusammenhängend und übergreifend beschrieben, gleiche Bezugszeichen bezeichnen gleiche Komponenten.
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Die in 1 schematisch dargestellte erste Ausführungsform der Kühlanordnung 2 umfasst einen Körper 4, der einen Hohlraum umschließt, in dem mindestens eine Substanz 5, hier zumindest eine Paraffin-Verbindung, angeordnet ist, die als Latentwärmespeicher ausgebildet ist.
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Außerdem ist in 1 die erste Ausführungsform des Steuergeräts 6 dargestellt, das ein Gehäuse 8 mit einer Außenwandung aus Kunststoff und/oder Metall aufweist. An dem Gehäuse 8 und/oder der Außenwandung ist der Körper 4 außerhalb des Steuergeräts 6 angeordnet. Dabei ist vorgesehen, dass das Steuergerät 6 und der Körper 4 über eine thermische Koppelstelle 10 aneinander befestigt sind. Über diese thermische Koppelstelle 10, die bspw. thermisch gut leitfähiges Metall umfasst, kann zwischen dem Steuergerät 6 und dem Körper 4 Wärme ausgetauscht werden.
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1 zeigt ferner als Schnittstellen zwei elektrische Kontaktelemente 12, die hier als Stecker ausgebildet sind und über die das Steuergerät 6 mit mindestens einer elektrischen, mechanischen oder elektromechanischen Komponente eines Kraftfahrzeugs zu verbinden ist, wobei eine derartige Komponente und/oder eine Funktion einer derartigen Komponente mit dem Steuergerät 6 zu kontrollieren, d. h. zu steuern und/oder zu regeln ist.
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Die in 2 schematisch dargestellte zweite Ausführungsform des Steuergeräts 14 umfasst ebenfalls ein Gehäuse 16 mit einer Außenwandung aus Kunststoff und/oder Metall, an dem bzw. der zwei elektrische Kotaktelemente 18 angeordnet sind, über die das Steuergerät 14 üblicherweise über Leitungen mit mindestens einer anderen Komponente zu verbinden ist.
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Außerdem ist die zweite Ausführungsform der Kühlanordnung 20 hier innerhalb des Steuergeräts 14 angeordnet und von dem Gehäuse 16 umhüllt. Die zweite Ausführungsform der Kühlanordnung 20 umfasst einen Körper 22, der einen Hohlraum umschließt, in dem mindestens eine Substanz 23, hier zumindest eine Paraffin-Verbindung, angeordnet ist, die als Latentwärmespeicher ausgebildet ist.
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Somit ist der Körper 22 innerhalb des Gehäuses 22 des Steuergeräts 14 angeordnet.
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Für die dritten Ausführungsformen des Steuergeräts 40 und der Kühlanordnung 42, die in 3 schematisch dargestellt sind, ist vorgesehen, dass ein Gehäuse 44 des Steuergeräts 40 und/oder eine Außenwandung des Steuergeräts 40 zugleich einer Außenwandung eines Körpers 46 entspricht, das bzw. der einen Hohlraum umschließt, in dem mindestens eine Substanz 47, hier zumindest eine Paraffin-Verbindung, angeordnet ist, die als Latentwärmespeicher ausgebildet ist. An dem Gehäuse 44 der dritten Ausführungsform des Steuergeräts 40 sind ferner zwei elektrische Kotaktelemente 48, die als Schnittstellen ausgebildet sind, angeordnet, über die das Steuergerät 40 mit mindestens einer anderen Komponente zu verbinden ist.
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Folglich kann vorgesehen sein, dass das Gehäuse 8, 22, 44 und/oder die Außenwandung des Steuergeräts 6, 14, 40 je nach Definition zumindest abschnittsweise einen Teil der Außenwandung des Körpers 4, 22, 46 bildet, in dem die mindestens eine Substanz 5, 23, 47, d. h. die zumindest eine Paraffin-Verbindung, angeordnet bzw. aufgenommen ist. Demnach kann die mindestens eine Substanz 5, 23, 47 zumindest bereichsweise innerhalb des Steuergeräts 6, 14, 40 und/oder eines von dem Steuergerät 6, 14, 40 umschlossenen Hohlraums angeordnet sein. Je nach Definition kann der Körper 4, 22, 46 mit dem Gehäuse 8, 16, 44 des Steuergeräts 6, 14, 40 identisch sein. In diesem Fall sind elektrische Schaltelemente des Steuergeräts 6, 14, 40 in einem von dem Gehäuse 8, 16, 44 des Steuergeräts 6, 14, 40 umschlossenen Hohlraum üblicherweise in mindestens einem Gehäusemodul angeordnet. Die zumindest eine Paraffin-Verbindung als die mindestens eine Substanz 5, 23, 47, die als Latentwärmespeicher ausgebildet ist, ist neben dem mindestens einen Gehäusemodul zur Aufnahme der elektrischen Schaltelemente in dem von dem als Körper 4, 22, 46 ausgebildeten Gehäuse 8, 16, 44, der bzw. das den Hohlraum umschließt, angeordnet, wobei die mindestens eine Substanz 5, 23, 47 in den Körper 4, 22, 46 und oder in das Gehäuse 8, 16, 44 gefüllt ist.
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Bei den vorgestellten Ausführungsformen ist die Kühlanordnung 2, 20, 42 mit dem Steuergerät 6, 14, 40 thermisch verbunden. Üblicherweise kann einem Steuergerät 6, 14, 40 mindestens eine derartige Kühlanordnung 2, 20, 42 mit mindestens einem vorgestellten Körper 4, 22, 46, innerhalb dem mindestens eine Substanz 5, 23, 47 und/oder zumindest eine Paraffin-Verbindung angeordnet ist, die als Latentwärmespeicher ausgebildet ist, zugeordnet sein.
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Einer Ausführungsform des Steuergeräts 6, 14, 40 kann mindestens ein Körper 4, 22, 46 zugeordnet sein, der einen Hohlraum umschließt, wobei in dem Hohlraum die zumindest eine Paraffin-Verbindung als die mindestens eine Substanz 5, 23, 47 angeordnet und/oder aufgenommen ist. Somit ist es auch möglich, dass dem Steuergerät 6, 14, 40 mehrere derartige Körper 4, 22, 46 zugeordnet sind. Dabei kann mindestens ein derartiger Körper 4, 22, 46 innerhalb des Steuergeräts 6, 14, 40 angeordnet sein, wobei das Steuergerät 6, 14, 40 mindestens einen derartigen Körper 4, 22, 46 aufweist. Alternativ oder ergänzend kann mindestens ein derartiger Körper 4, 22, 46 außerhalb des Steuergeräts 6, 14, 40 an dessen Gehäuse 8, 16, 44 und/oder Außenwandung angeordnet sein.
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Die Außenwandung des Körpers 4, 22, 46, der die mindestens eine Substanz 5, 23, 47 und somit die zumindest eine Paraffin-Verbindung umhüllt, kann aus einem Metall sein. Folglich kann die mindestens eine von dem Körper 4, 22, 46 umschlossene Substanz 5, 23, 47 zumindest eine Paraffin-Verbindung umfassen. Die mindestens eine als zumindest eine Paraffin-Verbindung ausgebildete Substanz 5, 23, 47 weist einen thermischen Phasenübergang mit einer hohen Wärmekapazität auf. Üblicherweise weist die mindestens eine Substanz 5, 23, 47 einen thermischen Phasenübergang in einem Temperaturbereich auf, der sich innerhalb eines Betriebstemperaturbereichs des Steuergeräts 6, 14, 40 befindet. Dabei kann sich der thermische Phasenübergang in einem Temperaturbereich zwischen ca. 60 °C und ca. 80 °C befinden. Demnach können von dem Körper 4, 22, 46 und/oder dem Gehäuse 8, 16, 44 des Steuergeräts 6, 14, 40 mehrere unterschiedliche Substanzen 5, 23, 47, d. h. unterschiedliche Paraffin-Verbindungen, die als Latentwärmespeicher ausgebildet sind, umschlossen sein. Diese Substanzen 5, 23, 47 können in dem Körper 4, 22, 46 miteinander vermischt oder voneinander getrennt angeordnet sein.
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Eine als Latentwärmespeicher ausgebildete Paraffin-Verbindung kann auch als Phasenwechselmaterial (Phase Change Material, PCM) bezeichnet werde, deren latente Schmelzwärme und/oder Siedewärme bei einem Phasenübergang (Phasenwechselbereich) zwischen zwei Aggregatzuständen der als Paraffin-Verbindung vorgesehenen Substanz 5, 23, 47 größer als jene Wärme ist, die in der Substanz 5, 23, 47 aufgrund einer normalen spezifischen Wärmekapazität unabhängig vom Phasenübergang gespeichert werden kann. Bei Erhitzen der Substanz 5, 23, 47 wird diese bei Erreichen ihrer Schmelztemperatur ausgehend von einem festen Aggregatzustand in einen flüssigen Aggregatzustand und bei Erreichen ihrer Siedetemperatur ausgehend von dem flüssigen Aggregatzustand in einen gasförmigen Aggregatzustand überführt. Während eines derartigen Phasenübergangs absorbiert die Substanz 5, 23, 47 als Schmelzwärme und/oder Siedewärme eine bestimmte Wärmemenge. Da die vorgesehene Substanz 5, 23, 47 als Latentwärmespeicher ausgebildet ist, wird deren Temperatur bei Erreichen des Phasenübergangs nicht oder zumindest nur geringfügig verändert. Bei einem Abkühlen der Substanz 5, 23, 47 wird die Wärmemenge bei Erreichen eines Phasenübergangs abgegeben.
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Das Diagramm aus 3 umfasst eine Abszisse 24 entlang der eine Wärmemenge aufgetragen ist, die einer für eine Kühlanordnung 2, 22, 42 zu verwendenden Substanz 5, 23, 47, hier einer Paraffin-Verbindung, zuzuführen ist. Entlang einer Ordinate 26 des Diagramms ist eine Temperatur aufgetragen. In dem Diagramm ist ein Verlauf 28 eines thermischen Verhaltens der Substanz 5, 23, 47 dargestellt. Außerdem umfasst das Diagramm entlang der Abszisse 24 einen ersten Bereich, der sich bis zu einer ersten Energiemenge 30 erstreckt. Bis zum Erreichen einer Schmelztemperatur 32 ist die Substanz 5, 23, 47 fest, sofern ihr nur maximal die erste Energiemenge 30 zugeführt wird. Entlang der Abszisse 34 ist auch eine zweite Energiemenge 36 angedeutet.
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Sofern der Substanz 5, 23, 47 eine Energiemenge zugeführt wird, die zumindest so groß wie die erste Energiemenge 30 aber maximal so groß wie die zweite Energiemenge 34 ist, schmilzt die Substanz 5, 23, 47 und wechselt ihre Phase und/oder ihren Aggregatzustand von fest nach flüssig, wobei die Substanz 5, 23, 47 die Schmelztemperatur 32 aufweist. Eine Differenz zwischen der zweiten Energiemenge 34 und der erste Energiemenge 30 kann als latente Wärmemenge bezeichnet werden, die aufzubringen ist, um die Substanz 5, 23, 47 zu verflüssigen und/oder zu schmelzen. Da die latente Wärmemenge zum Verflüssigen und/oder zum Schmelzen der Substanz 5, 23, 47 verwendet wird, wobei sich eine molekulare Struktur und/oder Zusammensetzung der Substanz 5, 23, 47 ändert, wird die Temperatur der Substanz 5, 23, 47 trotz Energiezufuhr nicht erhöht und entspricht hier der Schmelztemperatur 32. Sobald der Substanz 5, 23, 47 eine Energiemenge zugeführt wird, die größer als die zweite Energiemenge 34 ist, ist die Substanz 5, 23, 47 flüssig.
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Mindestens eine für die Kühlanordnung 2, 20, 42 zu verwendende Substanz 5, 23, 47 kann auf Paraffin und ggf. auf Wasser basieren, da Paraffin oder Wasser als Latentwärmespeicher eingesetzt werden können. Zur Bereitstellung der Substanz 5, 23, 47 kann zumindest eine Paraffin-Verbindung mit Wasser gemischt werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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