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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein System der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art sowie auf ein Verfahren der im Oberbegriff des Anspruchs 9 genannten Art.
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Derartige Systeme und Herstellungsverfahren sind aus dem Stand der Technik in zahlreichen Ausführungsvarianten bereits bekannt.
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Die bekannten Systeme mit einem Träger und einer an dem Träger wärmeübertragend befestigten Elektronik, insbesondere Leistungselektronik, mit einer Leiterplatte und einer Mehrzahl von auf einer Bestückungsfläche der Leiterplatte angeordneten und zu kühlenden ersten elektrischen Bauelementen, verfügen zum einen über passive Kühlungen, beispielsweise mittels Kühlrippen. Zum anderen sind auch aktive Kühlungen bekannt, beispielsweise Lüfter, die Kühlluft über die zu kühlenden Flächen blasen. Für Anwendungen, bei denen höhere Kühlleistungen erreicht werden müssen, beispielsweise bei Leistungselektroniken für Elektrofahrzeuge oder dergleichen, reichen diese Kühlkonzepte nicht mehr aus. In diesen Fällen werden dann Wasserkühlungen eingesetzt, bei denen Kühlwasser durch eine in einem Träger der Elektronik ausgebildeten Kühlleitung geführt wird. Hierzu werden bei der Herstellung des Trägers, beispielsweise im Metalldruckgussverfahren, Schieber verwendet, die nach dem Gießen aus dem auf diese Weise hergestellten Träger herausgezogen werden.
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Hier setzt die vorliegende Erfindung an.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Kühlung einer an einem Träger angeordneten Elektronik, insbesondere einer Leistungselektronik, effizienter zu gestalten.
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Diese Aufgabe wird durch ein System mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 9 gelöst. Die Unteransprüche betreffen vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.
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Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung liegt insbesondere darin, dass eine Kühlung für eine Elektronik, insbesondere Leistungselektronik, wirkungsvoll und gleichzeitig mit geringem Aufwand ermöglicht ist. Mit der Erfindung sind die an sich widerstreitenden Ziele weitgehend vereinbar. Durch die erfindungsgemäße Abstimmung der räumlichen Anordnung der Kühlleitung mit der räumlichen Lage der zu kühlenden ersten elektrischen Bauelemente ist eine wirksame Kühlung der Elektronik bei gleichzeitiger Reduzierung beispielsweise von Kühlleitungslänge erreicht. Die Kühlleitung ist genau dort, wo die zu kühlenden ersten elektrischen Bauelemente angeordnet sind. Der Weg des Wärmestroms von den zu kühlenden ersten elektrischen Bauelementen zu der Kühlleitung ist im Hinblick auf die Wärmeleitung in dem Material des Trägers minimiert. Damit ist eine sehr effiziente Kühlung realisiert. Dies gilt insbesondere, wenn die Gruppe der zu kühlenden ersten elektrischen Bauelemente die Bauelemente mit dem größten Kühlbedarf umfasst. Durch die Ausbildung der Kühlleitung als ein separates Bauteil ist die Kühlleitung und damit deren Anordnung an dem Träger flexibler an die Gegebenheiten des Einzelfalls anpassbar. Im Unterschied zu einer in dem Träger ausgebildeten Kühlleitung unterliegt die Anordnung der Kühlleitung des erfindungsgemäßen Systems nicht den technischen Beschränkungen von beispielsweise der Einsatzmöglichkeit von Schiebern in Gussformen oder dergleichen.
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Grundsätzlich ist die Kühlleitung nach Art, Material, Form, Dimensionierung und Anordnung in weiten geeigneten Grenzen frei wählbar. Eine besonders vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Systems sieht vor, dass das Material der Kühlleitung eine höhere Schmelztemperatur als das Material für den Träger aufweist und mit dem Material des Trägers zumindest teilweise, bevorzugt vollständig, umgossen ist. Hierdurch kann die Kühlleitung in einem innigen Kontakt mit dem Träger angeordnet sein, so dass die Wärmeübertragungsverbindung von den zu kühlenden ersten elektrischen Bauelementen zu der Kühlleitung weiter verbessert ist. Darüber hinaus lässt sich die Kühlleitung auf diese Weise in einem gängigen Gussverfahren, beispielsweise einem Metallgussverfahren, zur Herstellung eines Trägers für eine Elektronik, beispielsweise eines Gehäuseteils, verwenden, ohne den technischen Beschränkungen zu unterliegen, die mit der Ausbildung einer Kühlleitung durch bei dem Gussverfahren verwendete Schieber oder dergleichen einhergehen. Insbesondere vorteilhaft ist es, wenn die Kühlleitung von dem Material des Trägers vollständig umgossen ist. Auf diese Weise ist die Kühlleitung besser vor ungewünschten Umwelteinflüssen geschützt.
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Eine andere vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Systems sieht vor, dass der Träger als ein Metalldruckgussteil, insbesondere als ein Aluminiumdruckgussteil, ausgebildet ist. Metalldruckguss ist ein bewährtes und kostengünstiges Verfahren zur Herstellung von Trägern für Elektroniken, beispielsweise für als Gehäuseteile ausgebildete Träger. Aluminium bietet im Vergleich zu anderen Metallen einen Gewichtsvorteil, was insbesondere bei der Anwendung in der Kraftfahrzeugtechnik, beispielsweise bei Elektrofahrzeugen, wichtig ist.
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Eine besonders vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Systems sieht vor, dass die Mehrzahl der zu kühlenden ersten elektrischen Bauelemente mittels der Leiterplatte und des Trägers in direkter Wärmeleitungsverbindung zu der Kühlleitung steht. Auf diese Weise ist im Vergleich zu einer Wärmeübertragungsverbindung, die beispielsweise einen Wärmekonvektionsanteil aufweist, eine höhere Kühlleistung realisierbar.
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Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Systems sieht vor, dass zwischen dem Träger und der Elektronik und/oder zwischen dem Träger und der Kühlleitung ein Wärmeleitungsmittel angeordnet ist. Hierdurch ist die Wärmeleitungsverbindung zwischen dem Träger und der Elektronik und/oder zwischen dem Träger und der Kühlleitung weiter verbessert. Insbesondere vorteilhaft ist dies, wenn die Kühlleitung nicht teilweise oder vollständig von dem Material des Trägers umgossen ist, sondern auf einer Oberfläche des Trägers angeordnet ist.
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Eine besonders vorteilhafte Weiterbildung der vorgenannten Ausführungsform sieht vor, dass das Wärmeleitungsmittel gleichzeitig als ein Klebstoff ausgebildet ist. Auf diese Weise ist ein zusätzlicher Kleber zur Befestigung der Elektronik an dem Träger und/oder der Kühlleitung an dem Träger entbehrlich.
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Trotz der hohen Flexibilität des erfindungsgemäßen Systems im Hinblick auf die räumliche Anordnung der Kühlleitung ist es in manchen Anwendungsfällen denkbar, dass nicht alle zu kühlenden elektrischen Bauelemente der Gruppe der zu kühlenden ersten elektrischen Bauelemente angehören können. Dies ist beispielsweise bei Systemen mit einem komplexen räumlichen Verlauf der Fall, bei denen zu kühlende elektrische Bauelemente an zu der Kühlleitung peripheren Orten des Trägers an einer Leiterplatte der Elektronik angeordnet sind. Eine vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Systems sieht deshalb vor, dass an dem Träger mindestens eine Kühlrippe ausgebildet ist, die sich von dem Ort der Kühlleitung zu einem Ort mindestens eines zu kühlenden zweiten elektrischen Bauelements erstreckt. Hierdurch ist es möglich, auch im Hinblick auf die räumliche Lage relativ zu der Kühlleitung weniger günstig gelegene elektrische Bauelemente mittels der Kühlleitung effektiv zu kühlen.
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Grundsätzlich ist das System nach Art, Form, Material, Dimensionierung und relativer Anordnung der Bauteile des Systems zueinander in weiten geeigneten Grenzen frei wählbar. Vorteilhafterweise ist der Träger als ein Gehäuseteil eines Gehäuses ausgebildet und die Elektronik ist in der Montagelage des Systems in einem Innenraum des Gehäuses angeordnet. Auf diese Weise ist die Elektronik vor einem ungewünschten Zugriff und vor ungewünschten Umwelteinflüssen geschützt.
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Eine besonders vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Systems sieht vor, dass die Kühlleitung als ein flexibler Schlauch ausgebildet ist. Hierdurch ist die räumliche Anordnung der Kühlleitung weiter vereinfacht.
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Anhand der beigefügten, grob schematischen Zeichnung wird die Erfindung nachfolgend näher erläutert. Dabei zeigt:
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1 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Systems in einer teilweisen Ansicht in perspektivischer Darstellung,
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2 das Ausführungsbeispiel in einer teilweisen Darstellung in einer Draufsicht, ohne die Elektronik,
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3 das Ausführungsbeispiel in einer teilweisen Darstellung in einer Unteransicht und
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4 das Ausführungsbeispiel in einer Schnittdarstellung.
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Im Nachfolgenden wird die Erfindung anhand der 1 bis 4 näher erläutert. Gleiche oder gleichwirkende Bauelemente sind mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet.
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In 1 ist ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Systems teilweise gezeigt. Das System weist einen als ein Gehäuseunterteil ausgebildeten Träger 2.1 und eine als Leistungselektronik für ein Kraftfahrzeug ausgebildete Elektronik 4 auf. Das Gehäuseunterteil 2.1 ist als ein Aluminiumdruckgussteil ausgebildet und mittels eines Metalldruckgussverfahrens hergestellt. Die Elektronik 4 umfasst eine Mehrzahl von auf einer Bestückungsfläche 4.1.1 einer Leiterplatte 4.1 angeordneten ersten elektrischen Bauelementen 4.2. Die ersten elektrischen Bauelemente 4.2 sind in 1 lediglich summarisch durch drei umrandete Bereiche gekennzeichnet. Bei den ersten elektrischen Bauelementen 4.2 handelt es sich um zu kühlende elektrische Bauelemente 4.2 der Elektronik 4, die in dem Betrieb der Elektronik 4 einen Großteil der von der Elektronik 4 abzuführenden Wärme erzeugen.
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Darüber hinaus sind in 1 ein Einlassstutzen 6.1 und ein Auslassstutzen 6.2 einer als ein Stahlrohr ausgebildeten Kühlleitung 6 zu sehen. Die Kühlleitung 6 wurde bei der Herstellung des als Gehäusunterteil ausgebildeten Trägers 2.1 in eine Gussform eingelegt und mit dem Material des Gehäuseunterteils 2.1, nämlich Aluminium, vollständig umgossen. Hierfür ist für die Kühlleitung 6 ein Material gewählt worden, dass eine höhere Schmelztemperatur als das Material des Gehäuseunterteils 2.1, also Aluminium, aufweist. Die Kühlleitung 6 ist als Bestandteil einer nicht näher dargestellten Wasserkühlung ausgebildet. Das Gehäuseunterteil 2.1 ist Teil eines in 4 dargestellten zweiteiligen Gehäuses 2. Das Gehäuseunterteil 2.1 bildet mit einem Gehäusedeckel 2.2 das Gehäuse 2. In der in 4 dargestellten Montagelage des Systems ist in einem von dem Gehäuse 2 umschlossenen Innenraum 2.3 die Elektronik 4 angeordnet.
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Die Elektronik 4 weist zusätzlich zu den zu kühlenden ersten elektrischen Bauelementen 4.2 auch noch zu kühlende zweite elektrische Bauelemente auf, die teilweise als Speicherdrosseln 4.3 ausgebildet sind. Die Speicherdrosseln 4.3 sind jeweils seitlich der Leiterplatte 4.1 platziert und mit dieser elektrisch leitend verbunden. Aufgrund der, bezogen auf das Gehäuseunterteil 2.1, Randlage der Speicherdrosseln 4.3 liegen diese an einem zu der Kühlleitung 6 peripheren Ort des Gehäuseunterteils 2.1.
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2 zeigt das Gehäuseunterteil 2.1 in einer Draufsicht, also in der Bildebene von 1 mit Blickrichtung von oben, jedoch ohne die in 1 dargestellte Elektronik 4. In der Zusammenschau von 1 und 2 ist deutlich zu erkennen, dass an den Orten des Gehäuseunterteils 2.1, die den auf der Leiterplatte 4.1 angeordneten, zu kühlenden ersten elektrischen Bauelementen 4.2 in der Montagelage des Systems gegenüberliegen, das Gehäuseunterteil 2.1 jeweils flächige erste Kühlpodeste 2.1.1 aufweist. Gleiches gilt für die Orte des Gehäuseunterteils 2.1, die den seitlich der Leiterplatte 4.1 angeordneten Speicherdrosseln 4.3 in der Montagelage des Systems gegenüberliegen; diese Orte des Gehäuseunterteils 2.1 weisen flächige zweite Kühlpodeste 2.1.2 auf. Das Gehäuseunterteil 2.1 liegt mit dessen Kühlpodesten 2.1.1 und 2.1.2 mittels eines als Wärmeleitpaste ausgebildeten und nicht dargestellten Wärmeleitungsmittel an der in 1 ebenfalls nicht dargestellten Unterseite der Leiterplatte 4.1 an den Orten an, an denen an der in 1 dargestellten Bestückungsfläche 4.1.1 der Leiterplatte 4.1 die zu kühlenden ersten elektrischen Bauelemente 4.2 und die zu kühlenden Speicherdrosseln 4.3 angeordnet sind. Entsprechend ist der Wärmübertragungswiderstand zwischen den zu kühlenden ersten elektrischen Bauelementen 4.2 und den Speicherdrosseln 4.3 und dem Gehäuseunterteil 2.1 reduziert. Die ersten elektrischen Bauelemente 4.2 stehen in der Montagelage des Systems mittels der Leiterplatte 4.1, der nicht dargestellten Wärmeleitpaste und den ersten Kühlpodesten 2.1.1 des Gehäuseunterteils 2.1 in direkter Wärmeleitungsverbindung zu der Kühlleitung 6; siehe auch 4.
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In 3 ist das Gehäuseunterteil 2.1 in einer Unteransicht, also in der Bildebene von 1 mit Blickrichtung von unten dargestellt. Wie aus der Zusammenschau von 2 und 3 hervorgeht, ist die räumliche Anordnung der Kühlleitung 6 auf die räumliche Lage der ersten Kühlpodeste 2.1.1 abgestimmt. Der Verlauf der Kühlleitung 6 ist so gewählt, dass die Kühlleitung 6 die Orte der ersten Kühlpodeste 2.1.1 passiert. Die räumliche Anordnung der Kühlleitung 6 ist somit derart auf die räumliche Lage der zu kühlenden ersten elektrischen Bauelemente 4.2 abgestimmt, dass die Kühlleitung 6 und die Mehrzahl der zu kühlenden ersten elektrischen Bauelemente 4.2 in einer gemeinsamen zu der Bestückungsfläche 4.1.1 der Leiterplatte 4.1 senkrechten Ebene 8 liegen; siehe 4, in der wegen der Übersichtlichkeit lediglich die Schnittlinie der Ebene 8 mit der Schnittebene von 4 dargestellt ist. Die gemeinsame Ebene 8 verläuft dabei im Wesentlichen durch die Volumenschwerpunkte der ersten elektrischen Bauelemente 4.2 und der Kühlleitung 6. In 3 verläuft die Ebene 8 demnach entlang der Kühlleitung 6 und senkrecht zu der Bildebene von 3. Die zu kühlenden ersten elektrischen Bauelemente 4.2 stehen über die Leiterplatte 4.1, die Wärmeleitpaste und die ersten Kühlpodeste 2.1.1 auf direktem Weg in Wärmeleitungsverbindung mit der Kühlleitung 6.
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Zur Verbesserung der wärmeleitenden Anbindung der zweiten Kühlpodeste 2.1.2 und damit der Speicherdrosseln 4.3 sowie anderer bezogen auf die Kühlleitung 6 peripher angeordneter, zu kühlender zweiter elektrischer Bauelemente 4.3 an die Kühlleitung 6 sind an der in 3 sichtbaren Unterseite des Gehäuseunterteils 2.1 Kühlrippen 2.1.3 ausgebildet, die sich von dem Ort der Kühlleitung 6 bis zu den zweiten Kühlpodesten 2.1.2 und damit zu den zu kühlenden Speicherdrosseln 4.3 sowie zu anderen peripher zu der Kühlleitung 6 angeordneten, zu kühlenden zweiten elektrischen Bauelementen erstrecken. Die zu kühlenden Speicherdrosseln 4.3 stehen darüber hinaus über die Leiterplatte 4.1, die Wärmeleitpaste und die zweiten Kühlpodeste 2.1.2 auf direktem Weg in Wärmeleitungsverbindung mit den Kühlrippen 2.1.3 und damit mit der Kühlleitung 6. Durch die Kühlrippen 2.1.3 ist der für die Wärmeleitung zur Verfügung stehende Querschnitt des Gehäuseunterteils 2.1 vergrößert, so dass die Wärmeleitung von den zu kühlenden zweiten elektrischen Bauelementen, beispielsweise der Speicherdrosseln 4.3, in Richtung der Kühlleitung 6 wesentlich verbessert ist. Darüber hinaus wirkt die Anordnung der Kühlrippen 2.1.3 an der Außenseite des Gehäuseunterteils 2.1, nämlich an der in 3 dargestellten Unterseite des Gehäuseunterteils 2.1, gleichzeitig als eine passive Kühlung. Über die durch die Kühlrippen 2.1.3 vergrößerte Oberfläche des Gehäuseunterteils 2.1 wird die Wärmeabgabe an die freie Umgebung durch Wärmestrahlung und Konvektion befördert.
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Aufgrund der technisch erforderlichen Krümmungsradien der Kühlleitung 6 wirken einige Randabschnitte der ersten Kühlpodeste 2.1.1 ebenfalls als erfindungsgemäße Kühlrippen.
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4 zeigt das Ausführungsbeispiel in einer geschnittenen Ansicht, wobei der Schnitt bezogen auf die Bildebene von 3 von links nach rechts verläuft; siehe die Schnittlinie 10 in 3. Die Schnittdarstellung in 4 zeigt das erfindungsgemäße System gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel mit Blickrichtung von oben auf die Schnittlinie 10 aus 3. In der Schnittdarstellung ist deutlich zu sehen, dass die Kühlleitung 6 von dem Material des Gehäuseunterteils 2.1 bis auf den Einlassstutzen 6.1 und den in 4 nicht sichtbaren Auslassstutzen für das in der Kühlleitung 6 geführte Kühlwasser vollständig umgossen ist.
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Darüber hinaus ist in der Zusammenschau von 4 mit 2 ersichtlich, dass der in 4 von der Schnittebene geschnittene Abschnitt der Kühlleitung 6, bezogen auf die Bildebene von 2, direkt hinter dem zwischen dem Einlassstutzen 6.1 und dem Auslassstutzen 6.2 angeordneten ersten Kühlpodest 2.1.1 angeordnet ist. In der Bildebene von 4 ist dies das erste Kühlpodest 2.1.1, das direkt links neben der in der Schnittebene gezeigten Kühlleitung 6 angeordnet ist. Entsprechend kann der Wärmestrom der dazu korrespondierenden und auf der Leiterplatte 4.1 angeordneten ersten elektrischen Bauelemente 4.2 über die Leiterplatte 4.1, die Wärmeleitpaste und das in der Schnittebene von 4 dargestellte Kühlpodest 2.1.1 auf kürzestem Weg mittels Wärmeleitung an die Kühlleitung 6 und damit an das in der Kühlleitung 6 geführte und als Wasser ausgebildete Kühlmedium abgeleitet werden.
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Auch zu erkennen ist der weitere Verlauf der Kühlleitung 6 in der Bildebene von 4 nach oben, und dass an dem Gehäuseunterteil 2.1 Kühlrippen 2.1.3 ausgebildet sind, die sich von dem Ort der Kühlleitung 6 und bezogen auf die Kühlleitung 6 in Richtung eines peripheren Ortes des Gehäuseunterteils 2.1 erstrecken. Die an diesem peripheren Ort des Gehäuseunterteils 2.1 angeordneten zu kühlenden zweiten elektrischen Bauelemente werden in dem Betrieb der Elektronik über die an diesen peripheren Ort geführten Kühlrippen 2.1.3 gekühlt. Das Kühlpodest 2.1.2 für die in dem Hintergrund von 4 sichtbaren Speicherdrosseln 4.3 ist ebenfalls zu sehen. Erkennbar ist auch, dass die Leiterplatte 4.1 lediglich über die Kühlpodeste 2.1.1 und 2.1.2 und die zwischen diesen und der Leiterplatte 4.1 angeordneten, nicht dargestellte Wärmeleitpaste an dem Gehäuseunterteil 2.1 anliegt. Ansonsten ist die Leiterplatte 4.1 beabstandet von dem Gehäuseunterteil 2.1. Der so zwischen Leiterplatte 4.1 und dem Gehäuseunterteil 2.1 geschaffene Zwischenraum dient zur Aufnahme eines nicht dargestellten Klebers, der für eine innige Verbindung zwischen Leiterplatte 4.1 und damit der Elektronik 4 und dem Gehäuseunterteil 2.1 sorgt.
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Die Erfindung ist nicht auf das vorliegende Ausführungsbeispiel begrenzt. Beispielsweise wäre es denkbar, dass das Wärmeleitungsmittel gleichzeitig als ein Klebstoff ausgebildet ist. Anstelle eines Stahlrohres könnte die Kühlleitung auch als ein flexibler Schlauch ausgebildet sein. Bei einer zumindest teilweise mit dem Material des Trägers umgossenen Kühlleitung ist lediglich darauf zu achten, dass das Material für die Kühlleitung eine höhere Schmelztemperatur als das Material des Trägers aufweist. Jedoch wäre es auch denkbar, dass die Kühlleitung, beispielsweise eine als flexibler Schlauch ausgebildete Kühlleitung, auf eine andere dem Fachmann bekannte und geeignete Weise mit dem Träger in Wärmeübertragungsverbindung steht. Beispielsweise könnten an dem Träger Halteclips zur lösbaren Befestigung der Kühlleitung an dem Träger vorgesehen sein. Der Träger und die Kühlleitung könnten jeweils auch aus einer Metalllegierung oder einem Verbundmaterial, beispielsweise einem Kunststoff mit einem darin integrierten Metallgewirk oder dergleichen, hergestellt sein. Anstelle Wasser sind auch andere flüssige oder gasförmige Kühlmedien möglich. Die Kühlleitung könnte darüber hinaus als Wärmerohr, also als eine Heat-Pipe, ausgebildet sein. Der beispielsweise als Gehäuseunterteil ausgebildete Träger muss nicht zwingend als ein Gussteil hergestellt sein.
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Bezugszeichenliste
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- 2
- Gehäuse
- 2.1
- Träger, als Gehäuseunterteil des Gehäuses 2 ausgebildet
- 2.1.1
- Erste Kühlpodeste des Gehäuseunterteils 2.1
- 2.1.2
- Zweite Kühlpodeste des Gehäuseunterteils 2.1
- 2.1.3
- Kühlrippen des Gehäuseunterteils 2.1
- 2.2
- Gehäusedeckel des Gehäuses 2
- 2.3
- Innenraum des Gehäuses 2
- 4
- Elektronik
- 4.1
- Leiterplatte der Elektronik 4
- 4.1.1
- Bestückungsfläche der Leiterplatte 4.1
- 4.2
- Erste zu kühlende elektrische Bauelemente der Elektronik 4
- 4.3
- Zweite zu kühlende elektrische Bauelemente der Elektronik 4, als Speicherdrosseln ausgebildet
- 6
- Kühlleitung, als ein Stahlrohr ausgebildet
- 6.1
- Einlassstutzen der Kühlleitung 6
- 6.2
- Auslassstutzen der Kühlleitung 6
- 8
- Gemeinsame Ebene von den ersten Bauelementen 4.2 und der Kühlleitung 6, senkrecht zu der Bestückungsfläche 4.1.1 der Leiterplatte 4.1
- 10
- Schnittlinie in 3, entlang der der in 4 dargestellte Schnitt verläuft
