DE102017129250A1 - Kühlvorrichtung, system, fahrzeug - Google Patents

Abstract

Eine Kühlvorrichtung (102) mit einer Wärmesenke (110) für eine daran angeordnete oder anordenbare zu kühlende Wärmequelle (114) für ein Fahrzeug (450), mit einem elektrisch nicht-leitendem Komponententräger (330), einer mechanisch mit dem Komponententräger (330) verbundenen thermisch-leitenden Befestigungseinrichtung (220) zum thermischen und mechanischen Koppeln der Wärmequelle (114) mit der Wärmesenke (110), und einem zwischen der Befestigungseinrichtung (220) und der Wärmesenke (110) angeordneten wärmeleitenden Gapfilier (222). Weiterhin betrifft die Erfindung ein entsprechendes System, ein Fahrzeug mit einem solchen sowie ein Herstellungsverfahren.

Description

• Technisches Gebiet
• Die vorliegende Erfindung betrifft ein System mit einer eine Wärmesenke umfassenden Kühlvorrichtung und einer daran angeordneten zu kühlenden Wärmequelle für ein Fahrzeug, eine Kühlvorrichtung mit einer Wärmesenke für eine daran angeordnete oder anordenbare zu kühlende Wärmequelle für ein Fahrzeug, ein Fahrzeug mit einer Wärmequelle und einer Kühlvorrichtung sowie ein entsprechendes Herstellungsverfahren.
• Stand der Technik
• Die vorliegende Erfindung wird im Folgenden hauptsächlich in Verbindung mit Schaltboxen, Fahrzeugbatterien oder Batteriemodulen in Fahrzeugen beschrieben. Es versteht sich aber, dass die vorliegende Erfindung in allen Anwendungen genutzt werden kann, in denen elektrische und/oder elektronische Baugruppen gekühlt werden müssen, insbesondere bei Hochvolt-Systemen aufgrund der hohen umgesetzten Leistung.
• Elektrische (Hochvolt-)Schaltboxen beispielsweise für Hochvolt-Energiespeicher werden durch hohe Ströme und Bauteilwiderstände thermisch belastet. Dabei wird die Leistungsfähigkeit der Schaltbox durch die auftretenden Maximaltemperaturen begrenzt. Um eine effektive Wärmeabfuhr zu realisieren werden deshalb teilweise die Komponenten über eine angeschlossene Stromschiene thermisch an eine Wärmesenke wie beispielsweise ein Gehäuse oder eine dedizierte (aktive) Kühlstruktur angebunden.
• Um vorhandene Toleranzen zwischen einem Hochvolt-Modul wie einer Schaltbox oder einem Batteriemodul und der Kühlung oder einem wärmeleitenden Bauteil sicherzustellen, werden entsprechend sogenannte Gapfiller oder auch Gappads eingesetzt. Diese gleichen die Unebenheiten aus und stellen somit eine flächige, thermische Anbindung des Batteriemoduls sicher. Auch kann eine elektrische Isolation dargestellt werden.
• Gappads sind formbeständige Matten, welche eingelegt werden können. Diese sind sowohl haftend als auch nicht haftend verfügbar. Der große Nachteil dieses Materials ist jedoch, dass diese auf ein gewisses Mindestmaß verpresst werden müssen, um den vollständigen Toleranzausgleich zu gewährleisten. Dies wiederum erfordert hohe Kräfte, welche so vom Untergrund (beispielsweise einem Bodenblech oder der Kühlung) nicht oder ungenügend aufgenommen werden können. Weiterhin haben Gappads den Nachteil, dass diese trotz Komprimierung eine höhere Dicke als Gapfiller aufweisen, was sich im thermischen Widerstand negativ bemerkbar macht.
• Sogenannte Gapfiller sind gel- oder pastenartige Materialien, welche aufgetragen werden und bei Verpressung durch das Verfliesen eine flächige Anbindung des Moduls gewährleisten. Der Vorteil dabei ist, dass diese Kräfte deutlich niedriger sind, als dies bei Gappads der Fall ist. Nachteilig am Gapfiller ist jedoch, dass diese die Bauteile verkleben oder zumindest eine Kohäsion zwischen den Bauteilen bewirken und somit eine Demontage erschweren oder sogar verhindern.
• In der Offenlegungsschrift DE 10 2013 207 534 A1 ist der Einsatz von Leitkleber und Gapfiller zwischen Batteriezellen und Kühlblechen dargestellt, wodurch eine flächige Kontaktierung und stabile Verbindung gewährleistet wird. Der Leitkleber schafft im Gegensatz zum Gapfiller hier keine elektrische Isolation. Dabei wird der Effekt der stabilen, nur schwer lösbaren Verbindung bewusst genutzt.
• Die konventionelle Lösung mittels Gappad ist meist problematisch, da toleranzbedingt die Spaltbreiten zwischen Stromschiene und Gehäuse sehr stark variieren können. Die Dicke des Gappads richtet sich dabei nach dem möglichen Maximalmaß, wodurch bei Auftreten des minimalem Toleranzmaßes sehr hohe Kräfte entstehen würden, welche von der Konstruktion nicht aufgenommen werden können. Teilweise ist auch der Einsatz eines Gappads bauraumbedingt nicht möglich bzw. sinnvoll, wenn beispielsweise auf Grund der Toleranzen eine sehr hohe Dicke notwendig ist, und aber die Gappads in der Regel nicht stärker als 50 % verpresst werden sollten. Die Lösung mittels Gapfiller minimiert zwar das Problem der hohen, initialen Kräfte. Diese Lösung ist jedoch nur bei sehr hohen Stückzahlen interessant, da in der Regel hohe Kosten für eine nötige Dosieranlage zu tragen sind. Außerdem sind zusätzliche Maßnahmen beispielsweise in Form einer Schutzfolie notwendig, um die elektrische Isolation sicherzustellen.
  Ein weiterer Nachteil der bekannten Lösung mit sehr weichen und temperaturbeständigen Gappads und Gapfiller auf Silikonbasis können die volatilen Bestandteile im Silikon darstellen, da sich diese negativ auf elektrische Schaltkontakte auswirken können. Dadurch ist deren Anwendung oftmals kritisch.
• Beschreibung der Erfindung
• Eine Aufgabe der Erfindung ist es daher, unter Einsatz konstruktiv möglichst einfacher Mittel eine effiziente Kühlung für Hochvolt-Einrichtungen zu schaffen, die die dargestellten Herausforderungen beseitigt oder zumindest minimiert.
• Die Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung und den begleitenden Figuren angegeben. Insbesondere können die unabhängigen Ansprüche einer Anspruchskategorie auch analog zu den abhängigen Ansprüchen einer anderen Anspruchskategorie weitergebildet sein.
• Ein erfindungsgemäßes System umfasst eine Kühlvorrichtung mit einer Wärmesenke sowie eine an der Kühlvorrichtung angeordnete Wärmequelle. Das System ist zu einem Einsatz in einem Fahrzeug vorgesehen. So kann es sich bei der Wärmequelle um eine Komponente des Fahrzeugs wie einen Motor, eine Steuervorrichtung, eine Schaltvorrichtung oder eine Hochvolt-Einrichtung handeln. Die Kühlvorrichtung weist weiterhin einen elektrisch nichtleitenden Komponententräger, eine thermisch-leitende Befestigungseinrichtung sowie einen wärmeleitenden Gapfiller auf. Die mechanisch mit dem Komponententräger verbundene Befestigungseinrichtung ist eingerichtet, die Wärmequelle sowohl mechanisch als auch thermisch mit der Wärmesenke zu koppeln beziehungsweise zu verbinden. Der Gapfiller ist zwischen der Befestigungseinrichtung und der Wärmesenke angeordnet, um den Wärmetransport von der Befestigungseinrichtung in die Wärmesenke zu schaffen oder zu verbessern.
• Eine erfindungsgemäße Kühlvorrichtung weist eine Wärmesenke auf. Die Kühlvorrichtung ist an einer zu kühlenden Wärmequelle insbesondere eines Fahrzeugs anordenbar oder an dieser angeordnet. Die Kühlvorrichtung umfasst einen elektrisch nicht leitendem Komponententräger, eine mechanisch mit dem Komponententräger verbundene thermisch-leitende Befestigungseinrichtung zum thermischen und mechanischen koppeln der Wärmequelle mit der Wärmesenke sowie einen zwischen der Befestigungseinrichtung und der Wärmesenke angeordneten wärmeleitenden Gapfiller. Die Befestigungseinrichtung ist insbesondere eingerichtet, die Wärmequelle löslich mit der Wärmesenke zu koppeln. So weist die Befestigungseinrichtung eine Doppelfunktion auf.
• Ein erfindungsgemäßes Fahrzeug umfasst eine Wärmequelle sowie eine Variante einer hier beschriebenen daran angeordneten Kühlvorrichtung.
• Fahrzeuge können eine Reihe von Einrichtungen aufweisen, welche aufgrund der dort verrichteten Arbeit oder der eingebrachten Energie zu einer erhöhten Wärmeproduktion neigen. Bei einer solchen Einrichtung kann es sich beispielsweise um eine elektrische Schaltbox für einen Hochvolt-Speicher handeln, welche durch hohe Ströme und Bauteilwiderstände thermisch belastet wird. Die dadurch auftretenden Maximaltemperaturen begrenzen dann die Leistungsfähigkeit der elektrischen Schaltbox. Für eine effektive Wärmeabfuhr ist es von Vorteil, die Komponenten direkt über die angeschlossene Stromschiene thermisch an eine Wärmesenke anzubinden. Bei der Wärmesenke kann es sich beispielsweise um ein Gehäuse oder eine andere Kühlstruktur handeln.
• Bei dem Komponententräger kann es sich um eine ohnehin bereits vorhandene Einrichtung handeln. Dabei können Komponenten beispielsweise einer Schaltbox im Sinne einer Vormontagegruppe zusammengefasst sein. Die Komponenten können in dem Komponententräger verschraubt oder mittels einer Befestigungseinrichtung verbunden sein. Dies gilt auch für die Verbindung von Komponententräger und Wärmesenke.
• Die mechanischen Komponenten können verhältnismäßig große mechanische Toleranzen aufweisen. So können die Spaltmaße zwischen einer Stromschiene und der definierten Wärmesenke in einem großen Toleranzbereich liegen. Für einen effektiven Wärmeabtransport sind entsprechende Spaltmaße zu überwinden, gleichzeitig muss in einer Vielzahl von Anwendungsgebieten eine elektrische Isolation sichergestellt werden.
• Bei der Befestigungseinrichtung kann es sich um eine Schraube oder einen Bolzen handeln. Dabei kann an der Schraube oder dem Bolzen ein Kopf angeformt sein. Der Schraubenkopf bzw. der Bolzenkopf kann eine Seite haben, mit der er flächig auf einer Oberfläche der Wärmequelle aufliegt. Über eine große Kontaktfläche kann eine gute Wärmeanbindung erzielt werden. So kann es sich bei der Befestigungseinrichtung letztlich um eine bereits vorhandene Befestigungseinrichtung handeln, welche für einen zusätzlichen Wärmetransport optimiert wird. Ein Wärmestrom kann über die Befestigungseinrichtung in Richtung der Wärmesenke transportiert werden.
• Dabei kann in dem Komponententräger eine mechanische Kopplung mit der Befestigungseinrichtung vorgesehen sein. Wenn es sich bei der Befestigungseinrichtung um eine Schraube o. ä. handelt, kann in dem Komponententräger eine passende Gewindebohrung oder eine Schraubenmutter vorgesehen sein, um die Befestigungseinrichtung sicher mit dem Komponententräger verbinden zu können.
• Wenn es sich bei der Befestigungseinrichtung um einen Bolzen o. ä. handelt, kann in dem Komponententräger eine passende Buchse mit einer entsprechenden Passung vorgesehen sein. Eine Aufnahme für die Befestigungseinrichtung in der Wärmesenke kann dabei eine zylindrische Bohrung mit Übermaß sein. Durch die relativ groß gestaltbaren zylindrischen Flächen kann somit eine sehr hohe Wärmeübertragung auf die Wärmesenke erreicht werden, insbesondere da zwischen der Befestigungseinrichtung und der zylindrischen Bohrung mit Übermaß als Aufnahme für die Befestigungseinrichtung der Gapfiller angeordnet sein kann. Dabei schafft der Gapfiller wie Eingangs beschrieben eine sehr gute Wärmeübertragung zwischen der Befestigungseinrichtung und der Wärmesenke. Der Gapfiller liegt flächig an der Befestigungseinrichtung und der Wärmesenke an und weist dabei einen hohen Wärmeübertragung Koeffizienten auf.
• Der Zwischenraum zwischen der Befestigungseinrichtung und der Wärmesenke kann dabei mit im Ausgangszustand flüssigen Gapfiller-Material gefüllt werden, welches die thermische Leitung und den Toleranzausgleich - schwimmend - übernimmt. Zusätzlich kann der Gapfiller, sofern nicht anderweitig vorgesehen, die elektrische Isolation zwischen der Wärmequelle und der Wärmesenke übernehmen.
• Die mechanische Fixierung der Verbindung zwischen der Wärmequelle und der Wärmesenke kann beispielsweise durch eine Buchse im dazwischenliegenden Komponententräger erfolgen. Der Komponententräger kann im Wesentlichen aus einem Kunststoff bestehen. So ist einfach eine elektrische Isolation des Komponententrägers erzielbar.
• Die vorgeschlagene Kombination mechanischen Anbindung mit der thermischen Anbindung zur Wärmeübertragung schafft Vorteilhafterweise eine Maximierung der Stromtragfähigkeit durch eine effektive Reduzierung der Spitzentemperaturen (Hotspots). Dabei ist eine thermische Anbindung mit einem sehr hohen Wirkungsgrad möglich. Gleichzeitig erfolgt die thermische Anbindung mit einem quasi kraftfreiem und sehr großem Toleranzausgleich. Im Unterschied zu anderen Lösungen der thermischen Anbindung besteht keine Gefahr des Durchscheuerns. Gleichzeitig ist die Lösung mit einem sehr geringen Bauraumbedarf realisierbar, da eine Integration an eine ohnehin vorhandene Verschraubung möglich ist.
• Bei der Wärmesenke kann es sich um ein Gehäuse für die Wärmequelle bzw. ein Teil eines solchen Gehäuses handeln. Dabei kann das Gehäuse Kühlrippen aufweisen, um durch eine erhöhte Oberfläche eine verbesserte Wärmeabfuhr zu ermöglichen. Dabei kann das Gehäuse alternativ oder zusätzlich an eine aktive Kühlung angeschlossen sein. Alternativ kann es sich bei der Wärmesenke auch direkt um eine aktive Kühlung handeln.
• Die Kühlvorrichtung kann eine Bohrung zur Aufnahme der Befestigungseinrichtung aufweisen, wobei ein Innendurchmesser der Bohrung ein Übermaß zu einem Außendurchmesser eines in der Bohrung aufgenommenen Abschnitts der Befestigungseinrichtung aufweist. In dem durch das übermaßbedingter Zwischenraum zwischen der Kühlvorrichtung und der Befestigungseinrichtung kann der wärmeleitende Gapfiller angeordnet sein, um eine elektrisch isolierende sowie thermisch-leitende Anbindung der Wärmequelle an die Kühlvorrichtung zu schaffen.
• Um eine elektrische Isolation der Wärmesenke zur Wärmequelle zu schaffen, ist in einem Ausführungsbeispiel ein elektrisch-isolierend der Gapfiller vorgesehen. Alternativ oder zusätzlich kann zwischen der Wärmesenke und dem Gapfiller eine elektrisch isolierende Wärmeleitfolie angeordnet sein. Bei der Wärmeleitfolie kann es sich um eine Folie handeln, insbesondere aus Kunststoff oder Metall von sehr geringer Dicke und großer Fläche. So kann die Wärmeleitfolie elastisch sein, um sich an einer Oberfläche der Hochvolt-Einrichtung oder der Wärmesenke der Kühlvorrichtung leichter anpassen zu können. Die Wärmeleitfolie kann eine Dicke zwischen etwa 4 µm und etwa 1 mm aufweisen. Dabei ist die Dicke der Wärmeleitfolie vom eingesetzten Material und den elektrischen Eigenschaften abhängig. Die Wärmeleitfolie kann auch eine Anzahl von Schichten aus unterschiedlichen Materialen aufweisen. Vorteilhaft weist die Wärmeleitfolie eine Dicke von maximal 500 µm auf. In einer besonders günstigen Ausführungsform ist die Dicke der Wärmeleitfolie in einem Bereich zwischen etwa 10 µm und etwa 100 µm, insbesondere vorteilhaft in einem Bereich zwischen 10 µm und 55 µm. Sowohl durch eine Materialauswahl sowie die Dicke der Folie können Eigenschaften wie elektrische Isolation, Wärmeleitfähigkeit, Durchstoßfestigkeit als auch Abriebfestigkeit wie beispielsweise Schutz vor Durchscheuern beeinflusst und an eine Applikation angepasst werden.
• Eine günstige Ausführungsform der Wärmeleitfolie ist eine Polyimid-Folie. Derartige Folien, beispielsweise mit einer Dicke zwischen 45 µm und 55 µm, sind unter anderem für einen anderen Anwendungsfall in der DE69705048 oder der DE69702867 beschrieben. Derartige Folien sind unter anderem unter dem Handelsnamen Kapton-Folie von der Firma DuPont verfügbar.
• In einer besonderen Ausführungsform kann die Wärmeleitfolie eine organische Matrix umfassen. Dabei kann unter einer organischen Matrix beispielsweise verstanden werden: Polypropylen (PP), thermoplastisches Polyurethan (TPU), Polyphenylensulfid (PPS), Polycarbonat (PC), Polyamid (PA) oder Polybutylenterephtalat (PBT). Alternativ kann es sich um eine Metallfolie wie beispielsweise eine Aluminiumfolie handeln. Ferner kann es sich bei der Wärmeleitfolie um eine zusätzliche Graphitfolie handeln.
• In einer besonderen Weiterentwicklung ist die Wärmeleitfolie faserverstärkt. Hierfür können Fasern aus Glas, Kohlenstoff oder beispielsweise Aramid zum Einsatz kommen, wobei die Faserverstärkung in Form von Geweben, Multiaxialgelegen und Kombinationen daraus erfolgen kann. Hierdurch kann die Durchstoßfestigkeit verbessert werden. Eine Faserverstärkung kann auch einen effektiven Schutz gegen Durchscheuern darstellen oder einen derartigen Schutz verbessern.
• Die erfindungsgemäße Idee kann auch in einem Verfahren umgesetzt werden. Ein Herstellungsverfahren zum thermischen Anbinden einer Wärmequelle an eine Kühlvorrichtung mit einer Wärmesenke umfasst die Schritte des Bereitstellens, Verbindens sowie Anordnens. Im Schritt des Bereitstellens wird eine Wärmequelle für ein Fahrzeug sowie eine Kühlvorrichtung mit einer Wärmesenke und einem elektrisch nicht-leitendem Komponententräger bereitgestellt. Daran anschließend wird die Wärmequelle mit dem Komponententräger der Kühlvorrichtung mittels einer thermisch-leitenden Befestigungseinrichtung verbunden, um die Wärmequelle mit der Wärmesenke sowohl thermisch als auch mechanisch zu koppeln. Zwischen der Befestigungseinrichtung und der Wärmesenke wird ein wärmeleitender Gapfiller angeordnet.
• Figurenliste
• Nachfolgend wird ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitenden Figuren erläutert. Es zeigen:
• 1 eine schematische Darstellung einer Hochvolt-Einrichtung mit einer Stromschiene, die über ein Gappad an ein wärmeableitendes Gehäuse angebunden ist;
• 2 eine schematische Darstellung einer mit einer Kühlvorrichtung gekoppelten Hochvolt-Einrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
• 3 eine Detaildarstellung einer mit einer Kühlvorrichtung gekoppelten Hochvolt-Einrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
• 4 eine schematische Darstellung eines Fahrzeugs mit einer Kühlvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
• 5 einen Ablaufplan eines Herstellungsverfahrens einer Systems mit einer Kühlvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
• Die Figuren sind lediglich schematische Darstellungen und dienen nur der Erläuterung der Erfindung. Gleiche oder gleichwirkende Elemente sind durchgängig mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
• Detaillierte Beschreibung
• 1 zeigt eine Anbindung einer Hochvolt-Einrichtung 100 an eine Kühlvorrichtung 102 mittels eines Gappads 104, wie dies aus dem Stand der Technik bekannt ist. Zwei Hochvolt-Komponenten 106 sind über eine Stromschiene 108 miteinander gekoppelt. Die Stromschiene 108 ist eingerichtet, die in den Hochvolt-Komponenten 106 entstehende Wärme abzuleiten. Bei den Hochvolt-Komponenten 106 handelt es sich beispielsweise um Schütze, Shunt, Stromschienen, Sicherungen und Übergangswiderstände. Die Hochvolt-Komponenten 106 können auch allgemein als Bauteile bezeichnet werden. Die Problematik tritt auch unterhalb des Hochvolt-Bereichs auf, sodass das hier dargestellte auch dort angewendet werden kann. Die Kühlvorrichtung 102 weist als Wärmesenke 110 ein Gehäuse 112 auf, welches die Hochvolt-Einrichtung 100 schützt und gleichzeitig eine großflächige Wärmeabstrahlung erlaubt. Nicht dargestellt ist die zusätzliche mechanische Befestigung der Hochvolt-Einrichtung 100 in dem Gehäuse 112.
• In Hochvolt-Einrichtungen 100 wie beispielsweise Hochvolt-Steuerboxen führen hohe Ströme durch die elektrischen Widerstände der Hochvolt-Komponenten 106 zu hohen thermischen Lasten. Somit handelt es sich bei den Hochvolt-Komponenten 106 um Wärmequellen 114. Um Schädigung der Hochvolt-Komponenten 106 zu vermeiden, dürfen die Temperaturen festgelegte Grenzen nicht überschreiten. Die dort auftretenden Temperaturen limitieren in der Regel somit die Leistungsfähigkeit der Hochvolt-Einrichtung 100.
• 2 zeigt eine alternative Lösung der Anbindung einer Wärmequelle 114 an eine Wärmesenke 110. Eine Hochvolt-Einrichtung 100 umfasst zwei auf einer Stromschiene 108 angeordnete Hochvolt-Komponenten 106. Bei den Hochvolt-Komponenten 106 handelt es sich letztlich um Wärmequellen 114, welche die entstehende Wärmeenergie an die Stromschiene 108 abgeben. Eine Kühlung der Stromschiene 108 kühlt letztendlich die daran angebundenen Hochvolt-Komponenten 106.. Als Wärmesenke 110 fungiert ein Gehäuse 112. Weiterhin ist eine Befestigungseinrichtung 220 vorgesehen, welche die Wärmequelle 114 mit der Wärmesenke 110 koppelt. Zwischen der Befestigungseinrichtung 220 und dem Gehäuse 112, also letztlich der Wärmesenke 110, ist ein wärmeleitende Gapfiller 222 angeordnet. Die mechanische Verbindung zwischen der Hochvolt-Einrichtung 100 und dem Gehäuse 112 mittels der Befestigungseinrichtung 220 ist in der folgenden 3 detaillierter dargestellt.
• So zeigt 3 detaillierter die thermische und mechanische Kopplung zwischen Wärmequelle 114 und Wärmesenke 110. Das System 300 umfasst eine eine Wärmesenke 110 umfassende Kühlvorrichtung 102 und eine daran angeordnete zu kühlende Stromschiene 108. Die Stromschiene 108 repräsentiert eine Wärmequelle 114. Die Kühlvorrichtung 102 weist einen Komponententräger 330 sowie als Wärmesenke 110 ein Gehäuse 112 auf. Der Komponententräger 330 ist elektrisch nicht-leitend. Eine Befestigungseinrichtung 220 koppelt die Stromschiene 108 sowohl mechanisch als auch thermisch mit der Kühlvorrichtung 102. Die Befestigungseinrichtung 220 ist als eine Schraube ausgeformt. Ein Schraubenkopf der Befestigungseinrichtung 220 liegt plan auf der Stromschiene 108 auf und ermöglicht so einen guten Wärmeübergang von der Stromschiene 108 in die Befestigungseinrichtung 220. In dem Komponententräger 330 ist ein Schraubgewinde 332 beispielsweise in Form einer Schraubenmutter zur Aufnahme und mechanischen Kopplung der als Schraube ausgebildeten Befestigungseinrichtung 220 angeordnet. Wenn der Komponententräger 330 aus Kunststoff beispielsweise im Spritzgussverfahren gefertigt ist, so kann das Schraubgewinde als Einlegeteil umgossen sein. In einem alternativen, nicht gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Befestigungseinrichtung 220 als Bolzen ausgeformt. In diesem Fall kann in dem Komponententräger 330 eine Buchse anstelle des Schraubgewindes 332 eingegossen sein, sodass zwischen Befestigungseinrichtung 220 und Buchse eine Presspassung besteht.
• Die Kühlvorrichtung 102 weist in dem Gehäuse 112 eine Bohrung 334 auf. Die Bohrung 334 weist einen Innendurchmesser 336 auf, der größer ist als ein Außendurchmesser 338 der Befestigungseinrichtung 220 in dem Abschnitt 340 der Befestigungseinrichtung 220, der in die Bohrung 334 eintaucht. So wird durch das Übermaß des Innendurchmessers 336 der Bohrung 334 in Bezug auf den Außendurchmesser 338 der Befestigungseinrichtung 338 ein Zwischenraum 342 gebildet, welcher mit Gapfilier 222 gefüllt ist. Der Gapfilier 222 weist eine hohe Wärmeleitfähigkeit auf und optimiert den Wärmeübergangskoeffizienten zwischen der Befestigungseinrichtung 220 und der Wärmesenke 110. Somit ist ein Wärmefluss von der Stromschiene 108 und den daran angeordneten (und hier nicht dargestellten) Hochvolt-Komponenten 106, d.h. also von der Hochvolt-Einrichtung 100, hin zur Wärmesenke 110 beziehungsweise dem Gehäuse 112 ermöglicht und die Hochvolt-Komponenten 106 werden entsprechend entwärmt.
• Das Prinzip wird folgend nochmal mit anderen Worten beschrieben. Die Verbindung von Wärmequelle 114 zu Wärmesenke 110 erfolgt also mittels einer Schraube oder einem Bolzen, hier als Befestigungseinrichtung 220 zusammengefasst. Die Schraube (Befestigungseinrichtung 220) taucht dabei gehäuseseitig (Gehäuse 112) in eine Bohrung 334 ein. Die Bohrung 334 hat Übermaß, dieser Hohlraum (Zwischenraum 342) ist zur thermischen Anbindung und zur elektrischen Isolation mit Gapfiller-Material 222 gefüllt. Dadurch, dass der Gapfiller 222 im Montagezustand flüssig oder je nach Konzept auch dauerhaft pastös ist/sein kann, ist ein hoher Toleranzausgleich bei geringen Kräften möglich. Durch die zylindrische Übertragungsfläche über die Gapfillerschicht kann ein sehr guter Wärmeübergang erreicht werden (vergleichsweise große Fläche).
• Beispielrechnung für eine thermische Anbindung entsprechend einer in 1 dargestellten thermischen Anbindung: $$\begin{array}{l}\text{Thermischer Widerstand Gappad Rth}=\text{Dicke}/\left(\text{Leitfähigkeit}\times \text{Fläche Anbindung }\right)=3\left[\text{mm}\right]/(1\\ \left[\text{W}/\text{mK}\right]\times 20\left[\text{mm}\right]\times 20\text{ mm}])=\mathrm{7,5}\left[\text{K}/\text{W}\right]\end{array}$$

  
• Im Vergleich dazu die thermische Anbindung entsprechend dem in 2 und 3 dargestellten Ausführungsbeispiel:
• Thermischer Widerstand Schraube mit Filler (Abschätzung): ca. 6 [K/W]
• Dieser setzt sich zusammen aus: Auflage Schraube (M16) Ringfläche ~ 1 [K/W]; Wärmeleitung durch 30 mm Lange Stahlschraube ~ 3 [K/W] und thermischen Widerstand Gapfiller (zylindrischer Mantel, 2 mm Dicke) ~ 2 [K/W]
• Je nach exakter geometrischer Ausarbeitung kann dieser noch variieren; die Berechnung zeigt jedoch das Potential im Vergleich zum Gappad entsprechend 1.
• Die Zentrierung der Schraube (Befestigungseinrichtung 220) gegenüber der Bohrung 334 erfolgt dabei über den Komponententräger 330. Die Verschraubung selbst erfolgt auch im Komponententräger 330 z.B. über eine eingepresste Buchse 332; zur Wärmeübertragung wird der überstehende Teil (Abschnitt 340) genutzt. Vorteilhaft an dieser Art der thermischen Anbindung ist außerdem, dass idealerweise eine ohnehin in der Konstruktion bestehende Verschraubung bzw. Verbindungsstelle hiermit gleichzeitig zur thermischen Anbindung genutzt werden kann. Die Anbindung kann somit sehr platzsparend ausgeführt werden. Vorteil gegenüber einer konventionellen Lösung (mit Gapfiller, konstruktiv vergleichbar mit dem beschriebenen Gappad Aufbau) ist, dass durch die Zentrierung über den Komponententräger 330 und die (hauptsächlich) radiale Wärmeübertragung die ansonsten zusätzliche Schutzfolie entfallen kann (die Luft- & Kriechstrecken zur elektrischen Isolierung werden über die Zentrierung und entsprechende Abmaße der Bohrung/Schraube sichergestellt).
• Bei dem Konzept ist zudem ein hoher Automatisierungsgrad denkbar. Vor allem durch das Einfüllen von Gapfiliermaterial in eine Bohrung besteht hier im Vergleich zur konventionellen Lösung nicht die Gefahr, dass das Material z.B. während der Montage von den Domen fließt. Wird eine Stromschiene angebunden, erfolgt dies auf einer „freien“ Fläche, was relativ schwierig ist (ein Befüllen einer Kontur wäre bspw. einfacher). Das Material wird zudem in ein vorgegebenes Volumen definiert aufgebracht. Dies ermöglicht so ein breiteres Materialspektrum zur Auswahl, da ansonsten viele Materialtypen auf Grund der geringeren Standfestigkeit nicht in Frage kämen.
• Aus den genannten Gründen (Entfall der Schutzfolie, hoher Automatisierungsgrad) ist aktuell davon auszugehen, dass trotz höherer, thermischer Performance im Vergleich zu konventionellen Lösungen auch ein Kostenvorteil entsteht.
• Ein weiterer Vorteil des in 3 dargestellten Ausführungsbeispiels beispielsweise zu einer aus dem Stand der Technik bekannten Lösung analog zur Darstellung in 1 ist, dass Platz gespart wird (und somit die Hochvolt-Einrichtung 100 kleiner ausgeführt werden kann), da in der Kühlvorrichtung 102 keine separate Fläche zur Kühlung vorhanden sein muss. Die Verschraubung im Komponententräger 330 ist ohnehin notwendig, lediglich die länger ausgeführte Schraube (Befestigungseinrichtung 220) ins Gehäuse 112 benötigt etwas Platz (jedoch nicht in der Fläche). Dies hat auch den zusätzlichen Vorteil, dass die Stromschiene 108 nicht gebogen und an das Gehäuse 108 „herangeführt“ werden muss, wodurch auch hier eine Kosteneinsparung erzielt wird.
• 4 zeigt ein Fahrzeug 450 mit einer Wärmequelle 114 und einer Kühlvorrichtung 102 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Bei der Wärmequelle 114 handelt es sich in dem Ausführungsbeispiel um eine Hochvolt-Einrichtung 100, wie beispielsweise ein Hochvolt-Energiespeicher, eine Hochvolt-Steuerbox oder eine Hochvolt-Schaltbox.
• 5 zeigt einen Ablaufplan eines Verfahrens zum thermischen Anbinden einer Wärmequelle an eine Kühlvorrichtung mit einer Wärmesenke. In einem ersten Schritt S1 wird eine Wärmequelle für ein Fahrzeug sowie einer Kühlvorrichtung mit einer Wärmesenke und einem elektrisch nicht-leitendem Komponententräger bereitgestellt. Im darauf folgenden Schritt S2 die Wärmequelle mit dem Komponententräger der Kühlvorrichtung mittels einer thermisch-leitenden Befestigungseinrichtung zum thermischen und mechanischen Koppeln der Wärmequelle mit der Wärmesenke verbunden. Schließlich wird in einem abschließenden Schritt S3 ein wärmeleitender Gapfiller zwischen der Befestigungseinrichtung und der Wärmesenke angeordnet. Dabei können die Schritte S2 und S3 auch in der Reihenfolge in dem Sinne vertauscht werden, dass der Gapfiller beispielsweise in eine Bohrung der Wärmesenke eingebracht wird und anschließend die Befestigungseinrichtung sich mit einem Abschnitt in die bereits teilweise mit Gapfiller gefüllte Bohrung hinein erstreckt.
• Da es sich bei der vorhergehend detailliert beschriebenen Vorrichtungen und Verfahren um Ausführungsbeispiele handelt, können sie in üblicher Weise vom Fachmann in einem weiten Umfang modifiziert werden, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen. Insbesondere sind die mechanischen Anordnungen und die Größenverhältnisse der einzelnen Elemente zueinander lediglich beispielhaft
• Bezugszeichenliste

100

Hochvolt-Einrichtung

102

Kühlvorrichtung

104

Gappad

106

Hochvolt-Komponenten

108

Stromschiene

110

Wärmesenke

112

Gehäuse

114

Wärmequellen

220

Befestigungseinrichtung

222

Gapfiller

300

System

330

Komponententräger

332

Schraubgewinde, Buchse

334

Bohrung

336

Innendurchmesser

338

Außendurchmesser

340

Abschnitt

342

Zwischenraum

450

Fahrzeug

S1, S2, S3

Verfahrensschritte

• 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
• DE 102013207534 A1 [0007]
• DE 69705048 [0026]
• DE 69702867 [0026]

Claims (11)

1. System (300) mit einer eine Wärmesenke (110) umfassenden Kühlvorrichtung (102) und einer daran angeordneten zu kühlenden Wärmequelle (114) für ein Fahrzeug (450), wobei die Kühlvorrichtung (102) einen elektrisch nicht-leitendem Komponententräger (330), eine mechanisch mit dem Komponententräger (330) verbundene thermisch-leitende Befestigungseinrichtung (220) zum thermischen und mechanischen Koppeln der Wärmequelle (114) mit der Wärmesenke (110), und einen zwischen der Befestigungseinrichtung (220) und der Wärmesenke (110) angeordneten Gapfiller (222) umfasst.
2. Kühlvorrichtung (102) mit einer Wärmesenke (110) für eine daran angeordnete oder anordenbare zu kühlende Wärmequelle (114) für ein Fahrzeug (450), mit a. einem elektrisch nicht-leitendem Komponententräger (330), b. einer mechanisch mit dem Komponententräger (330) verbundenen thermisch-leitenden Befestigungseinrichtung (220) zum thermischen und mechanischen Koppeln der Wärmequelle (114) mit der Wärmesenke (110), und c. einem zwischen der Befestigungseinrichtung (220) und der Wärmesenke (110) angeordneten wärmeleitenden Gapfiller (222).
3. System (300) oder Kühlvorrichtung (102) nach Anspruch 1 oder 2, bei der die Befestigungseinrichtung (220) als eine Schraube oder Bolzen ausgeformt ist.
4. System (300) oder Kühlvorrichtung (102) nach dem vorangegangenen Anspruch, bei der im Komponententräger (330) ein Schraubgewinde (332) oder Buchse zur Aufnahme der Befestigungseinrichtung (220) vorgesehen ist.
5. System (300) oder Kühlvorrichtung (102) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, bei der die Wärmequelle (114) eine Hochvolt-Einrichtung (100) ist.
6. System (300) oder Kühlvorrichtung (102) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, bei der die Wärmesenke (110) ein Gehäuse (112) für die Wärmequelle (114) oder ein Teil des Gehäuses (112) für die Wärmequelle (114) ist.
7. System (300) oder Kühlvorrichtung (102) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, bei der die Kühlvorrichtung (102) eine Bohrung (334) zur Aufnahme der Befestigungseinrichtung (220) aufweist, wobei ein Innendurchmesser (336) der Bohrung (334) ein Übermaß zu einem Außendurchmesser (338) eines in der Bohrung (334) aufgenommenen Abschnitts (340) der Befestigungseinrichtung (220) aufweist.
8. System (300) oder Kühlvorrichtung (102) nach dem vorangegangenen Anspruch, bei der ein durch das Übermaß bedingter Zwischenraum (342) zwischen der Kühlvorrichtung (102) und der Befestigungseinrichtung (220) mit dem wärmeleitendem Gapfiller (222) gefüllt ist, um eine elektrisch isolierende sowie thermisch-leitende Anbindung der Hochvolt-Einrichtung (100) an die Kühlvorrichtung (102) zu schaffen.
9. Fahrzeug (450) mit einer Wärmequelle (114) und einer Kühlvorrichtung (102) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche.
10. Fahrzeug (450) gemäß dem vorangegangenen Anspruch, wobei die Wärmequelle (114) eine Hochvolt-Einrichtung (100) wie ein Hochvolt-Energiespeicher, eine Hochvolt-Steuerbox und/oder eine Hochvolt-Schaltbox ist.
11. Verfahren zum thermischen Anbinden einer Wärmequelle (114) an eine Kühlvorrichtung (102) mit einer Wärmesenke (110) mit den folgenden Schritten: a. Bereitstellen (S1) einer Wärmequelle (114) für ein Fahrzeug (450) sowie einer Kühlvorrichtung (102) mit einer Wärmesenke (110) und einem elektrisch nicht-leitendem Komponententräger (330); und b. Verbinden (S2) der Wärmequelle (114) mit dem Komponententräger (330) der Kühlvorrichtung (102) mittels einer thermisch-leitenden Befestigungseinrichtung (220) zum thermischen und mechanischen Koppeln der Wärmequelle (114) mit der Wärmesenke (110); c. Anordnen (S3) eines wärmeleitenden Gapfillers (222) zwischen der Befestigungseinrichtung (220) und der Wärmesenke (110).

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