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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung geht aus von einem Fluid-Fördersystem für einen Fluid-Kühlkreislauf und/oder Schmierfluidkreislauf für ein Kraftfahrzeug, umfassend mindestens ein zu kühlendes und/oder zu schmierendes Bauteil, eine Pumpe zum Fördern des Fluides mit einer Antriebseinheit und mindestens ein Regelventil mit einem passiven thermischen Element. Weiterhin geht die Erfindung aus von einem Verfahren zum Betrieb eines Fluid-Fördersystems für einen Fluid-Kühlkreislauf und/oder Schmierfluidkreislauf eines Kraftfahrzeugs.
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Stand der Technik
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Kühl-, sowie Schmiermittelsysteme kommen in sämtlichen gängigen Kraftfahrzeugen in diversen Ausführungen zum Einsatz. Diese Systeme dienen der Kühlung und/oder Schmierung von beispielsweise Motor- und/oder Getriebekomponenten eines Kraftfahrzeugs. Im Vordergrund steht dabei, eine kontinuierliche, zuverlässige und bedarfsgerechte Versorgung mit Kühl- und/oder Schmiermittel sicherzustellen.
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Bei Elektronikkomponenten mit hoher Leistungsdichte z.B. Steuergeräten im Fahrzeug reicht eine Luftkühlung oftmals nicht aus, um die anfallende Verlustwärme abzuführen. In diesem Fall kann eine Flüssigkeitskühlung der Komponenten realisiert werden. Dazu wird Kühlmittel aus dem Fahrzeugkühlkreislauf durch einen Wärmetauscher im Elektronikbauteil geleitet. Es sind Lösungen bekannt, in denen der Kühlmittelstrom durch die Elektronikkomponente mit einem elektronisch angesteuerten Schaltventil ab- und zugeschaltet werden kann. Eine elektronische Zuschaltung des Kühlmittelflusses durch die E-Komponente verursacht hohe Kosten durch das benötigte elektronische Schaltventil.
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Wenn Kühlmittel aus dem Fahrzeugkreislauf ohne Regelung der Durchflussmenge verwendet verwendet wird, wird die Elektronikkomponente auch ohne thermische Last der elektronischen und elektrischen Komponenten auf das Temperaturniveau des Kühlmittels aufgeheizt. Dies führt zu einer beschleunigten Alterung der Elektronikbauteile, wenn die Kühlung nicht geeignet gesteuert wird.
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Es sind auch Lösungen mit getrennten Kühlkreisläufen für Elektronikbauteile bekannt. Ein separater Niedertemperaturkreislauf verursacht großen Zusatzaufwand, der Hochtemperatur-Kühlkreislauf des Verbrennungsmotors ist in aktuellen Fahrzeugen sowieso vorhanden.
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Ein geregeltes System mit passiven Komponenten ist aus der
DE102015208354B3 bekannt. Das Fluid-Fördersystem für einen Fluid-Kühlkreislauf und/oder Schmierfluidkreislauf eines Kraftfahrzeugs umfasst ein Fluid-Reservoir, eine Pumpe zum Fördern des Fluides mit einer Saugseite und einer Druckseite, eine Antriebseinheit zum Betreiben der Pumpe und ein zwischen der Saugseite und der Druckseite der Pumpe angeordnetes Regelventil Das Regelventil umfasst ein Gehäuse mit zumindest einem mit der Druckseite verbundenen Fluid-Zufluss und zumindest einem mit der Saugseite verbundenen Fluid-Abfluss. Im Gehäuse des Regelventils sind ein Ventilkolben und ein Betätigungselement angeordnet, wobei über das Betätigungselement der Ventilkolben in eine Offenstellung und/oder Schließstellung und/oder eine Stellung zwischen der Offenstellung und der Schließstellung bewegbar ist und das Betätigungselement ein passives Element ist, so dass das Regelventil nicht von einer Steuereinheit angesteuert werden muss. Das Regelventil ist dabei als temperaturabhängiges Ventil ausgebildet, z. B. als Schieberventil mit thermischer Betätigung.
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Solche thermostatischen Elemente oder Dehnstoffelemente werden im Kühlkreislauf benutzt. Abhängig von der Temperatur dehnen sich diese Elemente aus.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Es ist eine Aufgabe der Erfindung ein alternatives Fluid-Fördersystem für ein Kraftfahrzeug anzugeben, das eine bedarfsgerechte Versorgung eines Kühlkreislaufs und/oder Schmierkreislaufs mit Fluid sicherstellt und zudem zuverlässig und kostengünstig, ohne aufwendige Steuerung auch für Kühlung von elektrischen und elektronischen Komponenten, arbeitet.
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Die Lösung der Aufgabe erfolgt durch ein Fluid-Fördersystem für einen Fluid-Kühlkreislauf und/oder Schmierfluidkreislauf eines Kraftfahrzeugs, umfassend mindestens ein zu kühlendes und/oder zu schmierendes Bauteil, eine Pumpe zum Fördern des Fluides mit einer Antriebseinheit und mindestens ein Regelventil mit einem passiven thermischen Element, wobei im Fluid-Kühlkreislauf mindestens eine Elektronikkomponente angeordnet ist, die ein Gehäuse aufweist, in das mindestens ein Kühlmittelkanal mit dem Regelventil integriert ist und das Regelventil mit dem passiven thermischen Element im Gehäuse der Elektronikkomponente wirksam verbunden ist.
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Durch die erfindungsgemäße Ausbildung des Regelventils als passives Element ergibt sich ein zuverlässiges, vollständig selbstregelndes System, das sich auf einfache Art und Weise in einen Kühl- und/oder Schmierkreislauf implementieren lässt. Durch den Entfall der Steuereinheit wird zudem ein bauraumoptimiertes und kostenoptimiertes Fluid-Fördersystem ohne externe Schnittstellen gestaltet.
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Es ist von Vorteil, dass ein Betätigungselement des Regelventils in Abhängigkeit von der Temperatur des Elektronikelements passiv steuerbar ist und so dem Regelventil eine temperaturabhängige Steuerbewegung aufprägt.
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Vorteilhafterweise weist die Elektronikkomponente ein mindestens zweiteiliges Gehäuse auf, das eine Platine mit elektronischen Bauteilen umfasst, wobei ein Abwärme-Bereich auf der Platine für Bauteile mit hoher Wärmeleistung definiert ist.
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Dabei ist es wirkungsvoll, dass das passive thermische Element im Abwärme-Bereich im Kontakt oder nahe an der Platine angeordnet ist.
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Es ist von Vorteil, dass der Abwärme-Bereich von Kühlkanälen mindestens auf drei Seiten der vom Abwärme-Bereich gebildeten Fläche umgeben ist.
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Dabei kann der Abwärmebereich eine beliebige Kontur aufweisen, die von Kühlkanälen auf mindestens 80% der Außenkonturlänge umgeben ist.
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Vorteilhafterweise ist der Abstand der Kühlkanäle vom Abwärme–Bereich kleiner als 10 mm.
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Zur Optimierung des Systems ist es von Vorteil, dass Kühlkanäle, das passive thermische Element und das Regelventil im Deckel des Gehäuses der Elektronikkomponente integriert sind.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betrieb eines Fluid-Fördersystems für einen Fluid-Kühlkreislauf und/oder Schmierfluidkreislauf eines Kraftfahrzeugs, umfassend mindestens ein zu kühlendes und/oder zu schmierendes Bauteil, eine Pumpe zum Fördern des Fluides, mit einer Antriebseinheit und mindestens ein Regelventil mit einem passiven thermischen Element, ist so gestaltet, dass im Fluid-Kühlkreislauf eine Elektronikkomponente gekühlt wird, die ein Gehäuse aufweist, in das mindestens ein Kühlmittelkanal mit dem Regelventil integriert ist und das passive thermische Element im Gehäuse der Elektronikkomponente so integriert wird, dass es thermisch bestmöglich an die Position mit der höchsten Temperatur angekoppelt wird.
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Vorteilhafterweise wird die Temperatur des passiven thermischen Elements auf dem Niveau der höchsten Temperatur der Elektronikbauteile der Elektronikkomponente festgelegt.
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Dadurch wird die Temperatur des passiven thermischen Elements nicht direkt durch den Kühlwasserdurchfluss beeinflusst.
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Beschreibung der Erfindung
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Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung sowie den beigefügten Zeichnungen angegeben.
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Es zeigt 1 einen Querschnitt durch eine Elektronikkomponente
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2 eine Aufsicht auf einen Gehäusedeckel der Elektronikkomponente
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3 zeigt ein beispielhaftes Fluid-Fördersystem.
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Das in 3 dargestellte erfindungsgemäße Fluid-Fördersystem dient der Versorgung eines Fluid-Kühl-/Schmierkreislaufs eines Kraftfahrzeugs mit Fluid.
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Das Fluid-Fördersystem weist ein Fluid-Reservoir 44, eine Pumpe 41, eine Antriebseinheit, die nicht dargestellt ist, und eine Elektronikkomponente 1 mit einem Regelventil 5 auf.
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Die Pumpe 41 des Fluid-Fördersystems weist eine Saugseite und eine Druckseite auf. Nach der Pumpe ist schematisch ein Wärmetauscher als beispielhafter Verbraucher im Kühl-, Schmierkreislauf eingebaut. Dabei muss der Kühlfluss nicht direkt durch das Bauteil erfolgen, sondern kann auch als Abzweig aus dem Hauptkreis ausgestaltet sein. Auch die Elektronikkomponente (1) kann (wie dargestellt) über einen Bypass oder direkt im Hauptkreis angeschlossen sein.
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Das Fluid-Reservoir 44 dient als Fluid-Speicher aus dem die Pumpe 41 Fluid ansaugt. An der Saugseite der Pumpe ist zwischen dem Fluid-Reservoir 44 und der Pumpe 41 ein Filterelement 43 angeordnet, das Verunreinigungen innerhalb des Fluids herausfiltert.
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Die Pumpe 41 wird über eine Antriebseinheit, genauer gesagt vermittels einer Ausgangswelle einer Antriebseinheit, die die Antriebswelle 42 der Pumpe darstellt, angetrieben.
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Die Pumpe saugt saugseitig Fluid aus dem Fluid-Reservoir an und fördert das Fluid durch den Wärmetauscher
40, wobei die Förderung von einer Steuerung der Pumpe beeinflusst wird oder über eine zusätzliche wie in
DE 1020015208354 B3 beschriebene passive Regelung betrieben wird.
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Eine Elektronikkomponente 1 ist beispielhaft im Kühlkreislauf angebunden. Die Elektronikkomponente besitzt in ihrem Kühldurchfluss angeordnet ein Regelventil 5, das mit einem thermischen Element 4 verbunden ist.
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Je nach Stellung des Regelventils 5, Offenstellung oder Schließstellung oder beliebige Stellung zwischen der Offenstellung und der Schließstellung, erfolgt ein Kühlfluidfluss über die Elektronikkomponente. Die Stellung des Regelventils wird durch eine Steuergröße, wie beispielsweise eine gemessene Temperatur, bestimmt.
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1 und 2 zeigen im Detail die Elektronikkomponente 1, die sich im Kühlkreislauf befindet. Als Elektronikelement wird eine Steuereinheit oder ein Controller mit Treiberstufen und Elementen der Leistungselektronik bezeichnet, wobei sowohl elektrische als auch elektronische Bauteile beinhaltet sind. Die Elektronikkomponente 1 beinhaltet eine Platine 3, auf der Bauteile und Bauteilgruppen aufgebracht sind. Auf der Platine 3 ist ein Abwärme-Bereich 31 als virtuelle Fläche definiert, in dem vorwiegend Bauteile der Platine aufgebracht sind, die eine hohe Abwärme erzeugen. Als Beispiel sind hier Leistungsendstufen und Treiber genannt. Die Platine 3 ist im Gehäuse 2 der Elektronikkomponente 1 eingebaut. Das Gehäuse 2 besteht aus einem Gehäuseboden 22 und einem Gehäusedeckel 21, der den Gehäuseboden verschließt. Innerhalb des Gehäusebodens wird die Platine 3 befestigt, verschraubt oder verklipst oder verklebt oder auch eventuell mit Kunststoff überspritzt. Das Design der elektronischen Schaltung, die sich auf der Platine befindet, wird dabei so gestaltet, dass die Bauteile mit großer Abwärme in einem bestimmten vordefinierten Bereich verbaut sind. Der Abwärmebereich 31 begrenzt virtuell einen Teilbereich der Platine, der besonders gekühlt werden muss. Im Gehäusedeckel 21 sind Kühlkanäle 23 vorhanden. Die Kühlkanäle umgeben die Begrenzungen des Abwärmebereichs 31 zumindest auf 3 Seiten, wie in 2 dargestellt ist, wenn der Abwärmebereich rechteckig ausgelegt ist. Über eine geeignete Krümmung 24 der Kühlkanäle 23 wird zumindest ein Teil der vierten Begrenzungsseite des Abwärmebereichs 31 ebenfalls umflossen. Aus Sicht der Wirksamkeit ist eine gute Umfassung erwünscht, wie sie auch in der Figur dargestellt ist, was allerdings den Fertigungsaufwand erhöht. Die Kühlkanäle besitzen einen definierten Abstand a vom Abwärmebereich 31. Dieser Abstand beträgt nicht mehr als 10 mm oder verschwindet völlig, weil die Kühlkanäle direkt auf den Begrenzungen des Abwärmebereichs angeordnet sind. Der Zufluss und der Abfluss des Kühlkanals 23 erfolgt auf einer Seite des Gehäusedeckels, da nur so ein optimales Umfließen des Abwärmebereichs möglich ist. Je nach Anordnung des Abwärmebereichs in Bezug zum Gehäuse sind beide Anschlüsse auf einer Seite in einer alternativen Ausführungsform nicht zwingend vorgesehen.
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Innerhalb des Kühlkanals 23 ist das Regelventil 5 angeordnet, das vom thermischen Element 4 angesteuert den Durchfluss öffnet oder schließt. Das thermische passive Element 4 ist oberhalb der Bauteile mit großer Abwärme und somit im Abwärmebereich 31 angeordnet. Damit besitzt das thermische Element eine Position, in der es einer maximalen Abwärme ausgesetzt ist, und von dem durchströmenden Kühlmittel am weitesten beabstandet ist. Die Kühlkanäle 23 sowie das Regelventil 5 und das thermische Element 4 sind im Gehäusedeckel 21 integriert. Die Elemente können im Gehäusedeckel verbaut sein oder bei Verwendung von Kunststoff im Kunststoffspritzguss durch Umspritzung hergestellt werden. Die Kühlkanäle können zudem als separates Element ausgeführt sein, z. B. durch Bohrungen im Material dargestellt sein oder bei einem mehrteiligen Deckel als Nuten ausgebildet werden. Die Nuten werden dann bspw. in einem Gussteil durch ein weiteres Element verschlossen.
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Im Ausführungsbeispiel ist der Abwärmebereich als Rechteck definiert, jede andere Form ist natürlich auch möglich. Die Kühlkanale sollen dabei der Kontur des Abwärmebereichs folgen. Um eine vernünftige Kühlleistung zu erzielen, sollen die Kühlkanäle mindestens entlang 80 % der Außenkonturlänge einer beliebigen Kontur folgen. Aber auch hier ist es wichtig, dass Zufluss und Abfluss auf derselben Seite des Gehäuses angebracht sind.
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Kühlwasser wird entlang des Kühlkanals durch einen Kühlkörper, der in diesem Beispiel der Gehäusedeckel der Elektronikkomponente ist, geführt. Der Gehäusedeckel 21 ist beispielsweise über Wärmeleitpaste thermisch zumindest teilweise an die Wärmequellen auf der Platine 3 im Abwärmebereich 31 angekoppelt. Wichtig ist die thermische Ankopplung des thermischen Elements 4 an die Baugruppen mit hoher Abwärme.
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Der Kühlmittelfluss wird durch das Regelventil an- und abgeschaltet. Dieses Regelventil 5 wird durch das thermische Element, beispielsweise ein Dehnstoff-element, betätigt. Bei entsprechend hoher Temperatur öffnet das Dehnstoffelement das Regelventil, sodass der Kühlkanal von Kühlmittel durchströmt wird. Innerhalb der Elektronikkomponente befinden sich mehrere diskrete Wärmequellen, die Verlustwärme verursachen und so die Temperatur des gesamten Gehäuses erhöhen. Das thermische Element 4 ist so in das Gehäuse integriert, dass es thermisch bestmöglich an die Position mit der höchsten Temperatur angekoppelt ist. Dadurch ist es möglich, die Temperatur des thermischen Elements 4 stets auf dem Niveau der höchsten Temperatur der Elektronikkomponente zu halten. Der Kühlkanal 23 wird so um die Position des thermischen Elements herum geführt, dass eine möglichst gute Wärmeübertragung zwischen Gehäuse 2 und Kühlmittel erfolgen kann.
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Die Wärmeübertragung zwischen Wärmequelle und thermischem Element und somit die Temperatur des thermischen Elements ist nicht direkt durch das Kühlmittel beeinflusst. Regelungstechnisch bedeutet das, dass durch die Temperatur des Abwärmebereichs die Temperatur des Dehnstoffelements auf einem hohen Niveau gehalten wird, um die Kühlleistung für Gesamtsystem das nicht zu schnell herunter zu regeln.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Elektronikkomponente
- 2
- Gehäuse
- 3
- Platine
- 4
- Thermisches passives Element
- 5
- Regelventil
- 21
- Gehäusedeckel
- 22
- Gehäuseboden
- 23
- Kühlmittelkanal
- 24
- Krümmung
- 31
- Abwärmebereich
- 40
- Wärmetauscher
- 41
- Pumpe
- 42
- Pumpenantrieb
- 43
- Filter
- 44
- Reservoir
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102015208354 B3 [0006]
- DE 1020015208354 B3 [0030]
