DE102020104614A1

DE102020104614A1 - Halbleiterbasierte Einrichtung mit einer gravitationsbasierten Dampfkammer

Info

Publication number: DE102020104614A1
Application number: DE102020104614.6A
Authority: DE
Inventors: Sascha Zimmermann; Leonardo Montoya
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2020-02-21
Filing date: 2020-02-21
Publication date: 2021-08-26

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung (10) für ein Kraftfahrzeug, mit wenigstens einer zumindest einen Halbleiter aufweisenden Komponente (12), und mit einer Kühleinrichtung (14), mittels welcher zum zumindest teilweisen Kühlen der Komponente (12) von der Komponente (12) bereitgestellte Wärme an eine Wärmesenke (18) abführbar ist, wobei die Kühleinrichtung (14) als gravitationsbasierte Dampfkammer (22) ausgebildet ist, mittels welcher unter Nutzung des Zweiphasen-Thermosiphon-Effekts die Wärme zu der Wärmesenke (18) abführbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung für ein Kraftfahrzeug gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
Aus dem Stand der Technik ist bereits bekannt, dass halbleiterbasierte oder -haltige Einrichtungen, das heißt solche Einrichtungen, die wenigstens einen Halbleiter aufweisen, während ihres Betriebs Verluste erzeugen und sich in der Folge erwärmen können beziehungsweise Wärme bereitstellen können. Um eine übermäßige Erwärmung beziehungsweise Erhitzung zu vermeiden, weist die Einrichtung wenigstens eine Kühleinrichtung auf, die beispielsweise an einer den Halbleiter aufweisenden Komponente, die auch als elektronisches Bauelement bezeichnet wird, angeordnet sein kann. Mittels der jeweiligen Kühleinrichtung wird die Wärme von der Komponente, insbesondere zu einer Wärmesenke hin, abgeführt, wodurch die Komponente gekühlt wird. Die Komponente beziehungsweise der Halbleiter kann beispielsweise ein Halbleiterelement wie beispielsweise ein Chip sein, der auch als Halbleiter-Chip bezeichnet wird. Die Kühleinrichtungen basieren meist auf einer Fluidströmung. Dabei ist es üblicherweise vorgesehen, die Wärme durch mehrere Schichten, beispielsweise Kupfer, Lot oder Keramik, auf möglichst kurzem Weg in ein Kühlmedium zu leiten. Hierbei kann es zu extrem hohen Wärmestromdichten kommen, welche zu großen Temperaturgradienten führen können, sowohl in den Bauelementen als auch in der jeweiligen, auch als Kühlfluidströmung bezeichneten Fluidströmung, das heißt in einer Strömung des Kühlmediums. Dies kann zu hohen Temperaturen, insbesondere des jeweiligen Bauelements, und unter Umständen zu Dampfblasenbildungen führen, insbesondere dann, wenn als das Kühlmedium ein flüssiges Kühlmedium verwendet wird. Dies kann insbesondere zu einer eingeschränkten Effizienz und einer begrenzten Leistungsfähigkeit der elektronischen Recheneinrichtung führen. Des Weiteren können hohe thermomechanische Bauteilspannungen innerhalb von Bauteilen der elektronischen Recheneinrichtung auftreten.
Die DE 10 2008 013 604 A1 offenbart eine Vorrichtung zur Kühlung eines elektronischen Steuergeräts zur Steuerung und/oder Regelung einer Beleuchtungseinrichtung eines Kraftfahrzeugs. Das Steuergerät umfasst dabei ein Gehäuse und darin angeordnete elektronische Bauelemente, die während des Betriebs Wärme abgeben. Um eine besonders wirkungsvolle Kühlung des Steuergeräts zu ermöglichen, wird vorgeschlagen, dass die Kühlvorrichtung Mittel zur Realisierung einer erzwungenen Luftströmung entlang der Außenseite zumindest eines Teils des Steuergerätegehäuses aufweist. Vorzugsweise umfasst die Beleuchtungseinrichtung ein Gehäuse und im Inneren des Gehäuses einen Lüfter zum Kühlen einer Lichtquelle der Beleuchtungseinrichtung. Durch eine Öffnung im Gehäuse der Beleuchtungseinrichtung gelangt ein Teil der durch den Lüfter erzeugte Luftströmung zum Steuergerät und kann dort zur Kühlung des Steuergeräts sowie eingesetzt werden.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Einrichtung für ein Kraftfahrzeug zu schaffen, sodass eine besonders vorteilhafte Kühlung realisiert werden kann.
Diese Aufgabe wird durch eine Einrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungsformen sind in den Unteransprüchen angegeben.
Ein Aspekt der Erfindung betrifft eine Einrichtung für ein Kraftfahrzeug, welches beispielsweise als ein Kraftwagen, insbesondere als ein Personenkraftwagen, oder aber als ein Kraftrad ausgebildet sein kann. Die Einrichtung weist wenigstens eine Komponente mit wenigstens einem Halbleiter auf, sodass die Komponente beziehungsweise die Einrichtung eine halbleiterbasierte oder halbleiterhaltige Einrichtung beziehungsweise Komponente ist. Daher kann die Komponente ein elektronisches Bauteil oder ein elektronisches Bauelement sein beziehungsweise als elektronische Bauteil oder elektronische Bauelement bezeichnet werden. Insbesondere kann die Komponente ein Halbleiter-Chip sein, der einfach auch als Chip bezeichnet wird. Mittels der Komponente kann die Einrichtung beispielsweise während ihres Betriebs Rechenvorgänge durchführen, das heißt Berechnungen vornehmen. Alternativ oder zusätzlich können die Komponente und somit die Einrichtung während ihres Betriebs elektrische Energie wandeln, sodass beispielsweise die Komponente beziehungsweise die Einrichtung ein elektronischer Energiewandler sein kann. Somit kann die Einrichtung beispielsweise eine elektronische Recheneinrichtung oder aber eine Leistungselektronik sein, über welche beispielsweise eine zum, insbesondere rein, elektrischen Antreiben des Kraftfahrzeugs ausgebildete, elektrische Maschine des Kraftfahrzeugs mit elektrischer Energie, insbesondere elektrischem Strom, versorgt werden kann, die beziehungsweise der beispielsweise von einem Energiespeicher des Kraftfahrzeugs bereitgestellt wird. Hierdurch kann die elektrische Maschine als ein Elektromotor betrieben werden, mittels welchem das beispielsweise als Hybrid- oder Elektrofahrzeug, insbesondere als batterieelektrisches Fahrzeug (BEV), ausgebildete Kraftfahrzeug elektrisch angetrieben werden kann. Ferner kann die Komponente beispielsweise als ein LED-Chip ausgebildet sein. Während des Betriebs erwärmt sich die Komponente beispielsweise aufgrund von Verlusten, sodass die Komponente während des Betriebs Wärme bereitstellt beziehungsweise erzeugt.
Um eine übermäßige Temperatur, das heißt eine übermäßige Erwärmung der Komponente und somit der Einrichtung vermeiden zu können, weist die Einrichtung wenigstens eine Kühleinrichtung auf, mittels welcher die von der Komponente bereitgestellte Wärme an eine oder zu einer Wärmesenke abführbar ist. Mit anderen Worten kann die Kühleinrichtung die von der Komponente bereitgestellte Wärme von der Komponente abführen und zu der Wärmesenke führen und insbesondere an die Wärmesenke übertragen, wodurch die Komponente gekühlt wird beziehungsweise zu kühlen ist. Die Wärmesenke kann ein Bestandteil der Einrichtung, insbesondere der Kühleinrichtung, sein. Somit ist die Kühleinrichtung dazu ausgebildet, die erzeugte beziehungsweise bereitgestellte Wärme an die Wärmesenke abzuführen.
Um nun die Komponente besonders vorteilhaft kühlen und somit eine besonders vorteilhafte Kühlung der Einrichtung realisieren zu können, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Kühleinrichtung als gravitationsbasierte Dampfkammer ausgebildet ist, mittels welcher oder über welche unter Nutzung des Zweiphasen-Thermosiphon-Effekts und somit mithilfe von zwei Phasen eines auch als Arbeitsmediums bezeichneten Fluids die von der Komponente bereitgestellte Wärme zu der Wärmesenke abführbar ist. Falls nichts andere angegeben wird, wird im Folgenden der Zweiphasen-Thermosiphon-Effekt einfach auch als Thermosiphon-Effekt bezeichnet. Mit anderen Worten funktioniert oder arbeitet die Kühleinrichtung zum Kühlen der Komponente nach dem Prinzip eines Zweiphasen-Thermosiphons beziehungsweise einer Zweiphasen-Themosiphonkühlung. Falls nichts anderes angegeben wird, wird im Folgenden der Zweiphasen-Thermosiphon einfach als Thermosiphon und die Zweiphasen-Thermosiphonkühlung einfach auch als Thermosiphonkühlung bezeichnet.
Wie bereits hinlänglich aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt ist, beruht der Zweiphasen-Thermosiphon-Effekt auf einem Dichteunterschied zwischen einer flüssigen Phasen und einer gas- oder dampfförmigen Phase des in der Dampfkammer aufgenommen Fluids. Durch die von der Komponente bereitgestellte Wärme wird die flüssige Phase erwärmt, insbesondere über ihren Siedepunkt, wodurch die flüssige Phase verdampft wird und dadurch die gas- beziehungsweise dampfförmige Phase erzeugt oder in die dampfförmige Phase übergeht. Die dampfförmige Phase wird mittels der Wärmesenke gekühlt, wodurch die dampfförmige Phase kondensiert wird und in die flüssige Phase übergeht, welche dann wieder die Wärme von der Komponente aufnehmen kann. Dadurch ist ein Kreislauf geschlossen. Dabei ist es insbesondere vorgesehen, dass die flüssige Phase, insbesondre ausschließlich, durch die Schwerkraft und somit schwerkraftbedingt in einen Vedampferbereich gelangt, in welchem die flüssige Phase durch die bereitgestellte Wärme erwärmt und verdampft wird. Die dampfförmige Phase kann beispielsweise entgegen der Schwerkraft in einen Kondensationsbereich gelangen beziehungsweise strömen, in welche die dampfförmige Phase die Wärme an die Wärmesenke abgegeben kann und dadurch gekühlt und insbesondere wieder kondensiert wird. Dabei sind die Phasen vorzugsweise gleichzeitig in der Dampfkammer aufgenommen. Das Fluid (Arbeitsmedium), insbesondere dessen Phasen, wird beziehungswiese werden als Wärmetransportmedium genutzt, mittels welchem ohne die Verwendung von aktiven Umwälzpumpen und somit bauraum- und energiegünstig die Wärme von der Komponente zu der Wärmesenke geführt werden kann. Mit anderen Worten ist oder bildet der Thermosiphon (Zweiphasen-Thermosiphon) beziehungsweise de die Thermosiphonkühlung (Zweiphasen-Thermosiphonkühlung) ein Kühlsystem, bei dem es sich um ein geschlossenes Kühlsystem, insbesondere ohne Pumpe zum aktiven Fördern des Arbeitsmediums und/oder ohne Kapillarstruktur zum Führen des Arbeitsmediums handeln kann. In dem zuvor genannten Kreislauf erfolgt beispielsweise eine Zirkulation des beispielsweise zumindest Wasser umfassenden Arbeitsmediums, welches im Rahmen der Zirkulation beispielsweise ausgehend von der flüssigen Phase zunächst verdampft und daraufhin kondensiert und dadurch wieder in die flüssige Phase überführt wird.
Die gravitationsbasierte Dampfkammer nutzt somit den Thermosiphon-Effekt und somit beispielsweise ausschließlich die auf die Dampfkammer wirkende Gravitation beziehungsweise Erdgravitation, um das Arbeitsmedium umzuwälzen beziehungsweise zirkulieren zu lassen und somit die Wärme abzuführen. Hierdurch kann im Vergleich zu herkömmlichen Lösungen eine bessere Kühlleistung realisiert werden, sodass beispielsweise eine niedrigere Temperatur der Komponente und dadurch eine höhere Effizienz dargestellt werden können, oder bei gleicher Temperatur der Komponente kann eine höhere Leistung realisiert werden, sodass beispielsweise parallel geschaltete Chips entfallen beziehungsweise vermieden werden können. Somit kann beispielsweise bei gleicher Temperatur eine Leistungssteigerung dargestellt werden.
Ferner ist es denkbar, eine Flüssigkühlung durch eine Gaskühlung zu ersetzen. Hierunter ist insbesondere Folgende zu verstehen: Grundsätzlich ist es denkbar, den Kondensationsbereich beziehungsweise das dampfförmige Arbeitsmedium in dem Kondensationsbereich mittels einer Flüssigkeitskühlung, insbesondere der Wärmesenke, zu kühlen. Hierzu kann die Flüssigkeitskühlung beispielsweise zumindest Wasser aufweisen, welches als Kühlwasser zum Kühlen des dampfförmigen Arbeitsmediums, das heißt der dampfförmigen Phase in der auch als Vaporchamber bezeichneten Dampfkammer genutzt wird. Mit anderen Worten kann eine Flüssigkeitsströmung, insbesondere eine Wasserströmung, zum Kühlen der dampfförmigen Phase genutzt werden. Da nun durch die Erfindung eine besonders hohe Kühlleistung dargestellt werden kann, kann beispielsweise anstelle der Flüssigkeitskühlung eine Gaskühlung zum Kühlen der dampfförmigen Phase verwendet werden. Die Gaskühlung umfasst ein auch als Kühlgas bezeichnetes Gas, insbesondere der Wärmesenke, sodass das dampfförmige Arbeitsmedium beziehungsweise dessen dampfförmige Phase mittels des vorzugsweise vollständig gasförmigen Kühlgases gekühlt werden kann. Das Kühlgas kann zumindest teilweise Luft umfassen, sodass eine Gasströmung, insbesondere eine Luftströmung, zum Kühlen der dampfförmigen Phase genutzt werden kann. Dadurch kann im Vergleich zu herkömmlichen Lösungen Pumpenleistung entfallen beziehungsweise verringert werden, und der Bauraumbedarf der Kühleinrichtung und somit der Einrichtung kann besonders gering gehalten werden. Außerdem kann die thermische Beanspruchung von Bauteilen der Einrichtung in einem besonders geringen Rahmen gehalten werden.
Insbesondere ist es vorgesehen, dass die Kühleinrichtung keine Kapillarstruktur für das auch als Arbeitsfluid bezeichnete Arbeitsmedium aufweist. Zum Kühlen der dampfförmigen Phase wird dann beispielsweise ein Kühlfluid oder Kühlmedium genutzt, welches beispielsweise zumindest einen Teilbereich der Dampfkammer, insbesondere den Kondensationsbereiches, umströmt, insbesondere außerhalb der Dampfkammer.
Die gravitationsbasierte Dampfkammer wird auch als planares beziehungsweise ebenes Wärmerohr, das heißt als planare beziehungsweise ebene Heatpipe bezeichnet. Während ein herkömmliches Wärmerohr (Heatpipe) eine längliche beziehungsweise fadenartige oder linienförmige Erstreckung aufweist und dabei im Wesentlichen entlang seiner axialen Richtung beziehungsweise entlang seiner Längserstreckungsrichtung Wärme transportieren und somit abführen kann, ist die Dampfkammer scheiben- oder plattenartig, sodass die Dampfkammer beispielsweise eine entlang einer ersten Raumrichtung verlaufende erste Erstreckung, eine entlang einer zweiten Raumrichtung verlaufende zweite Erstreckung und eine entlang dritten Raumrichtung verlaufende dritte Erstreckung aufweist. Die erste Raumrichtung und die zweite Raumrichtung verlaufen senkrecht zueinander und erstrecken sich somit in einer gemeinsamen Ebene, wobei die dritte Raumrichtung senkrecht zur ersten Raumrichtung, senkrecht zur zweiten Raumrichtung und somit senkrecht zu der genannten Ebene verläuft. Die beispielsweise auch als Höhe bezeichnete dritte Erstreckung ist dabei geringer als die beispielsweise auch als Länge bezeichnete erste Erstreckung und als die beispielsweise auch als Breite bezeichnete zweite Erstreckung. Beispielsweise ist die erste und/oder zweite Erstreckung mindestens zweimal, insbesondere mindestens dreimal oder mindestens viermal, so groß wie die dritte Erstreckung. Die als ein Bauteil oder als eine Baueinheit ausgebildete Dampfkammer ist somit in oder entlang der Ebene platten- oder scheibenartig oder - förmig und somit flach und insbesondere außenumfangsseitig eben, sodass die Dampfkammer beispielsweise als ein in oder entlang der Ebene flaches beziehungsweise flächiges Flächenelement ausgebildet sein kann. Somit ist die Dampfkammer eine planare, das heißt flache beziehungsweise ebene Heatpipe (Wärmerohr), welche die bereitgestellte Wärme in zwei Dimensionen, das heißt in zwei Richtungen abführen beziehungsweise verteilen kann. Diese zwei Richtungen sind beispielsweise zwei der zuvor genannten Raumrichtungen.
Vorzugsweise ist es vorgesehen, dass die Dampfkammer entlang der dritten Raumrichtung zwischen der Komponente und der Wärmesenke angeordnet ist. Alternativ oder zusätzlich ist es vorgesehen, dass - insbesondere in Einbaulage der Einrichtung - die dritte Raumrichtung schräg oder vorzugsweise parallel zur Fahrzeughochrichtung verläuft, wobei die Einrichtung ihre Einbaulage in vollständig hergestelltem Zustand des Kraftfahrzeugs einnimmt, welches in seinem vollständig hergestellten Zustand die Einrichtung umfasst.
Auf die Einrichtung - insbesondere in deren Einbaulage - wirkt die auch als Schwerkraft oder Erdanziehung bezeichnet Gravitation der Erde entlang einer Schwerkraftrichtung, welche in vertikaler Richtung nach unten verläuft. Beispielsweise verläuft die Schwerkraftrichtung insbesondere dann, wenn das Kraftfahrzeug in seinem vollständig hergestellten Zustand auf einer horizontalen Ebene steht, schräg oder parallel zur Fahrzeughochrichtung und dabei vorzugsweise in Fahrzeughochrichtung nach unten.
Somit ist es vorzugsweise vorgesehen, dass entlang der Schwerkraftrichtung betrachtet die Komponente unterhalb der Wärmesenke angeordnet ist. Mit anderen Worten ist es vorzugsweise vorgesehen, dass in Einbaulage der Einrichtung die Komponente in Fahrzeughochrichtung unterhalb der Wärmesenke angeordnet ist. Dadurch ist es ermöglicht, dass zwischen der elektronischen Komponente, welche insbesondere ein Halbleitermodul sein kann, und der Wärmesenke die gravitationsbasierte Dampfkammer, welche auch als gravitationsbetriebene Vapor-Chamber bezeichnet werden kann, angeordnet ist. Insbesondere kann durch die gravitationsbasierte Dampfkammer eine hohe Wärmemenge von der Komponente abgeführt werden. Die der Dampfkammer beziehungsweise deren Nutzung zugrunde liegende Idee ist insbesondere die, dass die Komponente beziehungsweise ihr Halbleiter als Wärmequelle einer kleinen Fläche Wärme an die Dampfkammer abgibt. Die Dampfkammer gibt diese Wärme auf einer gegenüber der kleinen Fläche größeren Fläche an die als ein Kühler fungierende Wärmesenke ab. Hierdurch kann eine besonders vorteilhafte Wärmespreizung realisiert werden.
Insbesondere ist vorgesehen, dass die gravitationsbasierte Dampfkammer keine Kapillarstruktur für das Arbeitsmedium beziehungsweise zum Führen oder Fördern des Arbeitsmediums aufweist. Die gravitationsbasierte Dampfkammer ist nach dem Prinzip des Thermosiphons (Zweiphasen-Thermosiphon) ausgebildet. Die gravitationsbasierte Dampfkammer weist somit einen geschlossenen, auch als Innenraum der Dampfkammer bezeichneten Raum auf, in dem das Arbeitsmedium beispielsweise flüssig und dampfförmig koexistiert. Mit anderen Worten sind beispielsweise in dem Innenraum die gas- beziehungsweise dampfförmige Phase und die flüssige Phase des Arbeitsmediums gleichzeitig aufgenommen. Durch die auf die Einrichtung und somit die Dampfkammer und das Arbeitsmedium wirkende Gravitation bildet sich beispielsweise an einer, insbesondere entlang der dritten Raumrichtung, näher an der Komponente als an der Wärmesenke angeordneten Unterseite des auch als Hohlraum bezeichneten Innenraums ein geschlossener Film des Kühlmediums, wobei der Film beispielsweise ein Flüssigkeitsfilm, insbesondere in Wasserfilm, sein kann. Bei Einbringung eines Wärmestroms in den Film verdampft der Film lokal. Mit andere Worten, wird die von der Komponente bereitgestellte Wärme auf den Film übertragen beziehungsweise in den Film eingebracht, so wird der Film erwärmt, und der Film verdampft in der Folge lokal. Hierdurch entsteht beispielsweise die gasförmige Phase. Der erwärmte Film beziehungsweise die gasförmige Phase steigt beispielsweise entlang der dritten Raumrichtung auf und ist somit beispielsweise auf einer Oberseite des Innenraums angeordnet, dessen Oberseite, insbesondere entlang der dritten Raumrichtung, näher an der Wärmesenke angeordnet ist als an der Komponente. In der Folge kann Wärme von der gasförmigen Phase an die Wärmesenke übergehen, wodurch das Arbeitsmedium beziehungsweise die gasförmige Phase gekühlt wird. In der Folge sinkt die gasförmige Phase, insbesondere entlang der dritten Raumrichtung, ab beziehungsweise die gasförmige Phase wird verflüssigt beziehungsweise kondensiert und somit zu der flüssigen Phase umgewandelt, welche absinkt und an der Unterseite den Film bildet. Dadurch ist in dem Innenraum ein geschlossener Kühlkreislauf zum Kühlen der Komponente geschlossen. Hierdurch ist insbesondere eine hermetisch geschlossene Geometrie geschaffen, durch welche beispielsweise ein durch die gasförmige Phase gebildeter Dampf zumindest im Wesentlichen als isotherm anzusehen ist und die Wärme gleichmäßig an eine Wandung und somit an die Wärmesenke abgibt. Gravitationsgetrieben findet der kondensierte, beispielsweise als Wasserdampf ausgebildete Dampf (dampfförmige Phase), nun wieder flüssig, in den Film beziehungsweise auf die Unterseite zurück, und der Kreislauf ist geschlossen. Mit nochmals anderen Worten ist es vorzugsweise vorgesehen, dass die gravitationsbasierte Vapor-Chamber zwischen der elektronischen Komponente und der Wärmesenke installiert ist.
Dabei ist es vorzugsweise vorgesehen, dass die Unterseite, an der der Film vorzugsweise direkt anliegt, sodass der Film die Unterseite direkt berührt, nicht notwendigerweise glatt ist, sondern vorzugsweise weist die Unterseite eine gezielt vorgesehene Rauheit und dabei beispielsweise eine, insbesondere gezielt hergestellte, Oberflächenstruktur auf, welches beispielsweise Rillen, insbesondere Längsrillen, und/oder Riffelungen und/oder Pyramiden und/oder andere Strukturelemente aufweisen kann.
Die gegenüber herkömmlichen Lösungen verbesserte Wärmespreizung ermöglicht nun eine effiziente Wärmeabfuhr zur Wärmesenke auf einer vergleichsweise großen Fläche, die zu verringerten Temperaturen führt. Die verbesserte Wärmespreizung ermöglicht darüber hinaus Konzepte, die anstelle von flüssigen Kühlmedien oder Kühlfluiden andere Kühlmedien beziehungsweise Kühlfluide, insbesondere als Wärmesenke, wie zum Beispiel Luft, verwenden. Dabei können insbesondere Gewichts-, Bauraum- und Kostenersparnisse realisiert werden. Mit anderen Worten kann die Wärmesenke eine Flüssigkeit oder aber vorzugsweise ein Gas aufweisen, welches die Wärme, die von der Dampfkammer an die Wärmesenke abgeführt wird, aufgenommen und abgeführt werden kann.
Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die Einrichtung als Steuergerät für beispielsweise einen autonomen Fahrbetrieb des Kraftfahrzeugs ausgebildet ist. Die elektronische Recheneinrichtung kann als Electronic Control Unit (ECU) bezeichnet werden. Alternativ oder ergänzend kann die Einrichtung beziehungsweise die Komponente als Leistungselektronik ausgebildet sein.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltungsform weist die gravitationsbasierte Dampfkammer ein, insbesondere eigensteifes, Bodenelement auf, welches eine der elektronischen Komponente zugewandte erste Seite und eine der ersten Seite und der elektronischen Komponente abgewandte und dem Innenraum der Dampfkammer zugewandte zweite Seite aufweist. Beispielsweise ist das Bodenelement eine Wand. Das Bodenelement, insbesondere die zweite Seite, begrenzt beispielsweise den Innenraum zumindest teilweise, insbesondere zumindest überwiegend oder vollständig, insbesondere entlang der dritten Raumrichtung beziehungsweise in Richtung der Komponente. Somit kann beispielsweise das in dem Innenraum angeordnete beziehungsweise aufgenommene Arbeitsmedium die zweite Seite direkt berühren. Insbesondere kann die zweite Seite die zuvor genannte Unterseite sein, sodass die vorigen und folgenden Ausführungen zur Unterseite ohne weiteres auch auf die zweite Seite übertragen werden können und umgekehrt.
Es kann vorgesehen sein, dass die Kühleinrichtung, insbesondere die Dampfkammer und ganz insbesondere die erste Seite, die Komponente direkt berührt. Die Dampfkammer kann eine dritte Seite aufweisen, die beispielsweise der ersten Seite und der zweiten Seite und dem Innenraum abgewandt und der Wärmesenke zugewandt ist. Die dritte Seite ist beispielsweise eine Seite einer weiteren Wand, welche beispielsweise den Innenraum in Richtung der Wärmesenke zumindest teilweise, insbesondere zumindest überwiegend oder vollständig, begrenzt. Dabei ist es denkbar, dass die Dampfkammer, insbesondere die dritte Seite, die Wärmesenke direkt berührt. Die Wärmesenke ist somit beispielsweise auf der dritten Seite angeordnet, während die Komponente beispielsweise auf der ersten Seite angeordnet ist.
Die zweite Seite kann, insbesondere vollständig, planar ausgebildet sein, oder die zweite Seite kann zumindest in einem Teilbereich, insbesondere zumindest überwiegend und somit zu mehr als zur Hälfte oder vollständig, konkav ausgebildet sein, wodurch der Teilbereich auf der zweiten Seite beziehungsweise in dem Innenraum wenigstens eine Senke für das in dem Innenraum angeordnete Arbeitsmedium aufweist oder bildet. Mit anderen Worten ist zumindest ein Teilbereich der zweiten Seite konkav und dadurch als Einbuchtung ausgebildet, welche eine Senke für das Arbeitsmedium ist. Dadurch ist es möglich, dass das Arbeitsmedium, insbesondere in flüssigem Zustand, zu der und/oder in die Senke gravitationsbasiert läuft oder strömt, sodass in der Senke das Arbeitsmedium zuverlässig gesammelt werden kann. Insbesondere ist die Senke derart innerhalb der Dampfkammer beziehungsweise dem Innenraum angeordnet, dass die Senke zumindest im Wesentlichen über der elektronischen Komponente ausgebildet oder angeordnet ist, so dass zuverlässig die Energie der Komponente an das in der Senke befindliche Arbeitsmedium abgegeben werden kann. Dadurch kann zuverlässig eine Verdampfung des Arbeitsmediums realisiert werden, wodurch eine verbesserte Kühlung der Komponente realisiert werden kann.
Unter dem Merkmal, dass die Senke zumindest im Wesentlichen über oder oberhalb der Komponente angeordnet ist, kann insbesondere verstanden werden, dass die Komponente entlang der dritten Raumrichtung und/oder in Richtung der Wärmesenke zumindest teilweise, insbesondere zumindest überwiegend oder vollständig, durch die Senke überlappt oder überdeckt ist. Dadurch kann eine besonders gute Kühlung realisiert werden.
Ferner hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn das in der gravitationsbasierten Dampfkammer, insbesondere in dem Innenraum, angeordnete beziehungsweise aufgenommene Arbeitsmedium zumindest teilweise, insbesondere zumindest überwiegend und somit zu mehr als zur Hälfte oder vollständig, Wasser aufweist. Insbesondere nutzt somit die gravitationsbasierte Dampfkammer einen Phasenübergang des Arbeitsmediums von flüssig nach gasförmig und umgekehrt, um entsprechend Wärmeenergie und somit die Wärme von der Komponente aufzunehmen und abzutransportieren, insbesondere hin zu der Wärmesenke. Insbesondere wird beim Phasenübergang von flüssig zu gasförmig Wärmeenergie aufgenommen, welche dann an die Wärmesenke abgegeben werden kann. Insbesondere kann dadurch ein einfaches Arbeitsmedium bereitgestellt werden, welches bei bekannter Temperatur vom flüssigen Zustand in den gasförmigen Zustand übergeht. Insbesondere ist Wasser nicht toxisch, so dass auch bei einer eventuellen Zerstörung der gravitationsbasierten Dampfkammer keine toxischen Stoffe in die Umgebung gelangen.
Ebenfalls vorteilhaft ist, wenn die Kühleinrichtung wenigstens ein zusätzlich zu der Dampfkammer vorgesehenes und separat von der Dampfkammer ausgebildetes Kühlelement der Wärmesenke aufweist. Dies bedeutet, dass das Kühlelement zu der Wärmesenke gehört beziehungsweise Teil der Wärmesenke ist, welches vorzugsweise außerhalb des Innenraums und insbesondere außerhalb der Dampfkammer angeordnet ist. Dabei ist die Dampfkammer, insbesondere entlang der dritten Raumrichtung beziehungsweise in Fahrzeughochrichtung, zwischen dem Kühlelement und der Komponente angeordnet. Insbesondere ist es denkbar, dass die Dampfkammer, insbesondere die dritte Seite, das Kühlelement direkt berührt beziehungsweise kontaktiert. Dadurch können ein besonders vorteilhafter Wärmeübergang und somit ein besonders guter Wärmeabtransport und eine effektive und effiziente Kühlung der Komponente dargestellt werden. Beispielsweise kann das Kühlelement ein Metallkörper sein, welcher mit einer Umgebung der Einrichtung in Kontakt stehen kann. Somit kann die Wärme oder Wärmeenergie von dem Kühlelement an die Umgebung abgegeben werden. Beispielsweise wird die Wärme von der gravitationsbasierten Dampfkammer über deren dritte Seite an Kühlelement abgegeben.
Zur Realisierung eines besonders vorteilhaften Wärmeabtransports ist es in weiterer Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass das Kühlelement wenigstens einen von einem als Fluid ausgebildeten Kühlmedium durchströmbaren Kühlkanal aufweist. Somit ist beispielsweise das Kühlelement als ein fluidführender Kühlkanal ausgebildet. Mit anderen Worten kann das Kühlmedium als Kühlfluid durch den Kühlkanal strömen. Die Wärme, die von der Komponente an das Arbeitsmedium im Innenraum und von dem Arbeitsmedium an das Kühlelement übergegangen ist, kann von dem Kühlelement an das Kühlmedium übergehen und dadurch mittels des Kühlmediums effektiv abtransportiert werden. Das Kühlmedium kann eine Flüssigkeit oder aber ein Gas sein. Das Kühlmedium nimmt dann die Wärme aus der gravitationsbasierten Dampfkammer auf und führt diese ab. Somit kann eine verbesserte Kühlung realisiert werden.
Es hat sich weiterhin als vorteilhaft erwiesen, wenn das Kühlelement mit zumindest zwei Kühlrippen ausgebildet beziehungsweise versehen ist. Vorzugsweise sind die Kühlrippen voneinander beabstandet und/oder eigensteif, das heißt an sich beziehungsweise für sich alleine betrachtet formstabil. Insbesondere ist das Kühlelement mit einer Vielzahl von Kühlrippen, das heißt mit mehr als zwei Kühlrippen versehen. Insbesondere kann dadurch eine besonders große Fläche realisiert werden, über die die Wärme von dem Kühlelement an dessen Umgebung übergehen kann. Insbesondere kann das Kühlelement metallisch ausgebildet sein. Alternativ oder zusätzlich sind die Kühlrippen metallisch, das heißt aus einem metallischen Werkstoff gebildet. Hierdurch kann eine besonders gute Wärmeabfuhr ermöglicht werden.
Es hat sich weiterhin als vorteilhaft erwiesen, wenn zwischen der Dampfkammer und der elektronischen Komponente wenigstens eine Keramikschicht angeordnet ist, die die Dampfkammer, insbesondere die erste Seite beziehungsweise die die erste Seite bildende Wand der Dampfkammer, und vorzugsweise auch die Komponente jeweils direkt berührt. Beispielsweise ist die Keramikschicht, welche eine aus einer Keramik gebildete Schicht ist, insbesondere direkt, auf die Komponente und/oder die Dampfkammer beziehungsweise die Wand aufgebracht. Insbesondere können hierdurch eine beispielsweise gesinterte Kupferschicht und eine zugehörige Lotschicht an der elektronischen Komponente entfallen. Der Entfall der Schichten führt wiederum zu einem besonderen geringeren Wärmeübergangswiderstand in das Arbeitsmedium, was eine weitere Senkung der Temperaturen auf der elektronischen Komponente ermöglicht.
In einer weiteren Ausgestaltungsform ist es vorgesehen, dass die gravitationsbasierte Dampfkammer quaderförmig ausgebildet ist und/oder eine platten- oder scheibenartige Erstreckung aufweist. Dadurch kann eine effektive und effiziente Kühlung besonders bauraumgünstig realisiert werden.
Es kann vorgesehen sein, dass die auch als Höhe bezeichnete dritte Erstreckung der gravitationsbasierten Dampfkammer in Schwerkraftrichtung beziehungsweise in Fahrzeughochrichtung betrachtet kleiner ist als die zweite und/oder dritte Erstreckung. Mit anderen Worten kann die gravitationsbasierte Dampfkammer als flacher Quader bereitgestellt werden. Insbesondere können somit eine große erste Seite und eine große zweite Seite bereitgestellt werden. Dadurch kann die vorteilhaft Wärmeenergie von der elektronischen Komponente über die erste Seite aufgenommen - beispielsweise über das Kühlelement - an die Wärmesenke abgegeben werden. Dadurch keine eine besonders gute Wärmespreizung ermöglicht werden.
Ferner ist es denkbar, dass die elektronische Komponente eine entlang der ersten Raumrichtung verlaufende vierte Erstreckung und eine entlang der zweiten Raumrichtung verlaufende fünfte Erstreckung aufweist. Dabei ist es vorzugsweise vorgesehen, dass die erste Erstreckung größer als die vierte Erstreckung und/oder die zweite Erstreckung größer als die fünfte Erstreckung ist. Mit anderen Worten weist die gravitationsbasierte Dampfkammer vorzugsweise eine in der Ebene oder parallel zu der Ebene verlaufende erste Grundfläche und die Komponente eine in der Ebene oder parallel zu der Ebene verlaufende zweite Grundfläche, welche kleiner als die erste Grundfläche ist. Dadurch kann es ermöglicht werden, dass von der gravitationsbasierten Dampfkammer eine hohe Wärmeenergie aufgenommen werden kann. Dadurch ist eine besonders gute Kühlung der Komponente möglich.
Eine weitere Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass die gravitationsbasierte Dampfkammer in Einbaulage der Einrichtung in Fahrzeughochrichtung zwischen der Wärmesenke und der Komponente angeordnet ist.
Ebenfalls vorteilhaft ist es, wenn die gravitationsbasierte Dampfkammer ein Gehäuse aufweist, welches beispielsweise die Wand beziehungsweise das Bodenelement umfasst oder bildet. Vorzugsweise ist das Gehäuse, welches beispielsweise den Innenraum zumindest überwiegend, insbesondere vollständig, direkt begrenzt, aus Kupfer gebildet ist. Dadurch kann ein besonders vorteilhafter Wärmeübergang gewährleistet werden. Insbesondere ist Kupfer ein guter Wärmeleiter, so dass von dem Kupfer zuverlässig die von der Komponente bereitgestellte Wärme aufgenommen werden kann. Diese Wärme wird dann wiederum an das Arbeitsmedium in der gravitationsbasierten Dampfkammer übergeben. Das verdampfte Arbeitsmedium kann dann wiederum vorteilhaft die Wärmeenergie an das vorzugsweise als Kupfergehäuse ausgebildete Gehäuse abgeben, wodurch wiederum verbessert vom Kupfer die Wärmeenergie an die Wärmesenke abgegeben werden kann. Somit kann auf einfache Art und Weise und dennoch zuverlässig die Wärme von der Komponente abgeleitet werden.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug mit wenigstens einer Einrichtung nach dem vorhergehenden Aspekt. Das Kraftfahrzeug ist insbesondere als Personenkraftwagen ausgebildet.
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, den Figuren und der Figurenbeschreibung. Die Erfindung wird nun anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen sowie unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:

1 eine schematische Seitenansicht einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen elektronischen Recheneinrichtung;
2 eine schematische Schnittansicht einer Ausführungsform einer gravitationsbasierten Dampfkammer der Recheneinrichtung;
3 eine schematische Seitenansicht einer zweiten Ausführungsform der elektronischen Recheneinrichtung; und
4 eine schematische Seitenansicht einer dritten Ausführungsform der elektronischen Recheneinrichtung.

In den Figuren sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
1 zeigt in einer schematischen Seitenansicht eine erste Ausführungsform einer Einrichtung 10 eines nicht dargestellten Kraftfahrzeugs. Die beispielsweise als Leistungselektronik ausgebildete Einrichtung 10 weist wenigstens eine elektronische Komponente 12 auf, welche beispielsweise als Halbleiterchip 38 ausgebildet sein beziehungsweise wenigstens einen Halbleiterchip 38 aufweisen kann. Der Halbleiterchip 38 ist ein Halbleiter, sodass die Einrichtung 10 eine halbleiterbasiert beziehungsweise - haltige Einrichtung ist. Mittels der elektronischen Komponente 12 führt die Einrichtung 10 während ihres Betriebs Rechenvorgänge durch, und/oder mittels der Komponente 12 kann die Einrichtung während ihres Betriebs elektrische Energie wandeln. Hierdurch stellt die Komponente 12 während des Betriebs aufgrund von Verlusten Wärme bereit. Die Einrichtung 10 weist ferner eine Kühleinrichtung 14 auf, mittels welcher die Komponente 12 gekühlt wird oder werden kann, sodass übermäßig hohe Temperaturen der Komponente 12 vermieden werden können. Die Kühleinrichtung 14 weist eine der elektronischen Komponente 12 zugewandte erste Seite 16 auf. Die Kühleinrichtung 14 ist dazu ausgebildet, über die oder an der ersten Seite 16 die von der Komponente 12 bereitgestellte Wärme aufzunehmen und einer Wärmesenke 18 der Einrichtung 10 zuzuführen und somit an die Wärmesenke 18 abzuführen, wodurch die Komponente 12 zu kühlen ist beziehungsweise gekühlt wird.
Um nun die Komponente 12 besonders vorteilhaft kühlen zu können, ist die Kühleinrichtung 14 als gravitationsbasierte Dampfkammer 22 ausgebildet, mittels welcher unter Nutzung des Zweiphasen-Thermosiphon-Effekts die von der Komponente 12 während des Betriebs bereitgestellte Wärme von der Komponente 12 an die Wärmesenke 18 übertragbar und dadurch abführbar ist. In 1 ist durch einen Pfeil g eine Schwerkraftrichtung gezeigt, in die oder entlang der die auch als Erdanziehung oder Erdgravitation bezeichnete Gravitation wirkt. Außerdem zeigt 1 die Einrichtung 10 in deren Einbaulage, wobei die Einrichtung 10 ihre Einbaulage in vollständig hergestelltem Zustand des Kraftfahrzeugs einnimmt. Die Schwerkraftrichtung verläuft in vertikaler Richtung nach unten, wobei die Schwerkraftrichtung in Einbaulage der Einrichtung 10 schräg oder vorzugsweise parallel zur Fahrzeughochrichtung verläuft. Dabei ist die Wärmesenke 18 entlang der Schwerkraftrichtung beziehungsweise in Fahrzeughochrichtung oberhalb oder über der Dampfkammer 22 angeordnet, und die Komponente 12 ist entlang der Schwerkraftrichtung beziehungsweise in Fahrzeughochrichtung unterhalb oder unter der Dampfkammer 22 angeordnet. Somit weist beispielsweise die Seite 16 in Fahrzeughochrichtung nach unten.
Im folgenden Ausführungsbeispiel ist auf einer der Kühleinrichtung 14 zugewandten Seite 19 der Komponente 12 eine Lotschicht 26 angeordnet, und auf einer der Kühleinrichtung 14 und der Seite 19 abgewandten Seite 21 der Komponente 12 ist eine weitere Lotschicht 24 angeordnet. Die Lotschichten 24 und 26 sind beispielsweise Schichten der Komponente 12 oder auf die Komponente 12, insbesondere jeweils direkt, aufgebracht. Somit ist die Lotschicht 26 zwischen der Komponente 12 und der Kühleinrichtung 14 angeordnet. Auf einer der Komponente 12 abgewandten Seite 23 der Lotschicht 24 und somit beispielsweise entlang der Schwerkraftrichtung beziehungsweise in Fahrzeughochrichtung unterhalb der Komponente 12 ist beispielsweise eine elektrische Kontaktierung 28 ausgebildet oder angeordnet, mit der beispielsweise die Komponente 12 über die Lotschicht 24 mechanische und/oder elektrisch verbunden ist. Auf einer der Komponente 12 und der Seite 23 abgewandten und somit beispielsweise in Fahrzeughochrichtung nach oben Weisenden Seite 25 der Lotschicht 26 ist beispielsweise eine weitere elektrische Kontaktierung 30 ausgebildet oder angeordnet, welche somit entlang der Schwerkraftrichtung beziehungsweise in Fahrzeughochrichtung oberhalb der Komponente 12 angeordnet ist. Beispielsweise ist die Komponente 12 über die Lotschicht 26 elektrisch und/der mechanisch mit der Kontaktierung 30 verbunden.
Auf einer entlang der Schwerkraftrichtung beziehungsweise in Fahrzeughochrichtung nach oben weisenden und somit der Komponente 12 abgewandten Seite 27 der Kontaktierung 30 ist zwischen der Kühleinrichtung 14 und der Komponente 12 eine aus Keramik gebildete und daher als Keramikschicht 32 bezeichnete Schicht angeordnet, welche somit oberhalb der Kontaktierung 30 und oberhalb der Komponente 12 angeordnet ist. Auf einer entlang der Schwerkraftrichtung beziehungsweise in Fahrzeughochrichtung nach oben weisenden und somit der Komponente 12 und der Keramikschicht 32 abgewandten und insbesondere in Fahrzeughochrichtung nach oben weisenden Seite 29 der Keramikschicht 32 eine weitere Schicht 34 zwischen der Kühleinrichtung 34 und der Komponente 12 angeordnet, wobei die Schicht 34 eine Sinterschicht sein kann. Schließlich ist auf einer entlang der Schwerkraftrichtung beziehungsweise in Fahrzeughochrichtung nach oben weisenden und somit der Komponente 12 und der Schicht 34 abgewandten und insbesondere in Fahrzeughochrichtung nach oben weisenden Seite 31 der Schicht 34 eine weitere Lotschicht 36 angeordnet, über die beispielsweise die Kühleinrichtung 14, insbesondere die Dampfkammer 22, mechanisch und/oder wärmeübertragend mit der Schicht 34 verbunden ist. Insgesamt ist erkennbar, dass beispielsweise die Kühleinrichtung 14, insbesondere die Dampfkammer 22, über die Lotschicht 36, die Schicht 34, die Keramikschicht 32, die Kontaktierung 30 und die Lotschicht 26 mechanisch und/oder wärmeübertragend mit der Komponente 12 gekoppelt ist, deren Seite 19 die Lotschicht 26 direkt berührt. Die Seite 25 berührt die Kontaktierung 30 direkt, deren Seite 27 die Keramikschicht 32 direkt berührt beziehungsweise kontaktiert. Die Seite 29 und somit die Keramikschicht 32 berühren direkt die Schicht 34, deren Seite 31 direkt die Lotschicht 36 berührt beziehungsweise kontaktiert. Die Lotschicht 36 weist eine in Fahrzeughochrichtung beziehungsweise entlang der Schwerkraftrichtung nach oben weisende Seite 33 auf, welche direkt die Seite 16 und somit die Kühleinrichtung 14, insbesondere die Dampfkammer 22, berührt. Dadurch ist eine besonders vorteilhafte thermische Anbindung der Dampfkammer 22 an die Komponente 12 dargestellt. Die Lotschichten 26 und 36, die Kontaktierung 30, die Keramikschicht 32 und die Schicht 34 sind Schichten, über die die von der Komponente 12 beziehungsweise von dem Halbleiterchip 38 bereitgestellte beziehungsweise erzeugte Wärme an die gravitationsbasierte Dampfkammer 22 übergeben oder übertragen wird.
1 zeigt ferner insbesondere, dass die Kühleinrichtung 14 zusätzlich ein Kühlelement 40 aufweisen kann, wobei die gravitationsbasierte Dampfkammer 22, insbesondere deren entlang der Schwerkraftrichtung beziehungsweise in Fahrzeughochrichtung nach oben weisenden und somit der Komponente 12 abgewandten Seite 20, auf welcher die Wärmesenke 18 angeordnet ist, das Kühlelement 40 direkt kontaktiert, das heißt berührt. Dabei ist beispielsweise das Kühlelement 40 Bestandteil der Wärmesenke 18. Insbesondere ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel das Kühlelement 40 als ein fluidführendes Kühlrohr 60 ausgebildet, sodass das Kühlelement 40 wenigstens einen Kühlkanal 41 aufweist. Der Kühlkanal 41 ist oder wird von einem als Fluid ausgebildeten Kühlmedium durchströmbar beziehungsweise oder durchströmt, wobei das Kühlmedium in flüssigem oder aber gasförmigem Zustand den Kühlkanal 41 durchströmt.
2 zeigt in einer schematischen Schnittansicht eine Ausführungsform der gravitationsbasierten Dampfkammer 22. Insbesondere zeigt die 2, dass die Dampfkammer 22 einen als eigentliche Dampfkammer ausgebildeten oder fungierenden Innenraum 54 aufweist, welcher direkt durch ein Gehäuse 62 der Dampfkammer 22 begrenzt ist. Das Gehäuse 62 ist dabei aus Kupfer gebildet. In dem Innenraum 54 ist ein Arbeitsmedium 42 der Dampfkammer 22 angeordnet oder aufgenommen, wobei das Arbeitsmedium 42 zumindest Wasser umfasst. Mit anderen Worten kann das Arbeitsmedium 42 zumindest teilweise, insbesondere zumindest überwiegend oder vollständig, durch Wasser gebildet sein. Beispielsweise sind in dem Innenraum 54 gleichzeitig eine flüssige Phase des Arbeitsmediums 42 und eine gasförmige Phase des Arbeitsmediums 42 angeordnet beziehungsweise aufgenommen. Insbesondere nutzt somit die gravitationsbasierte Dampfkammer 22, welche auch die gravitationsbetriebene Vapor-Chamber bezeichnet werden kann und insbesondere ohne Kapillarstruktur ausgebildet ist, das Arbeitsmedium 42 zum Abführen der Wärme von der Komponente 12 zu der Wärmesenke 18. Insbesondere ist in einem unteren Bereich 44 das Arbeitsmedium 42 flüssig. Mit anderen Worten ist vorzugsweise die flüssige Phase in dem unteren Bereich 44, während in einem in Fahrzeughochrichtung oberen Bereich 46 des Innenraums 54 das Arbeitsmedium 42 gasförmig ist, das heißt die gasförmige Phase angeordnet ist. Dabei ist der untere Bereich 44 näher an der Komponente 12 angeordnet als der obere Bereich 46. Durch die Gravitation, mit anderen Worten durch die Schwerkraft, bildet sich in dem unteren Bereich 44 und insbesondere an einer der Seite 16 abgewandten und dem Innenraum 54 zugewandten und insbesondere den Innenraum 54 zumindest teilweise direkt begrenzenden und auch als Unterseite bezeichneten Seite 17 der Dampfkammer 22 die flüssige Phase einen insbesondere geschlossenen und flüssigen Film, insbesondere Wasserfilm. Wird nun die Wärme von der Komponente 12 auf das Gehäuse 62 und von diesem in den Wasserfilm eingebracht beziehungsweise eingetragen, so bildet sich ein Wärmestrom 48, welcher in den Wasserfilm eingetragen wird. Hierdurch verdampft der Wasserfilm lokal, woraus ein Dampf 50 vorliegend in Form von Wasserdampf resultiert. Die die Seite 20 beziehungsweise die Dampfkammer 22 auf deren Seite 20 mittels des Kühlelements 40 und des Kühlmediums gekühlt wird, so kondensiert dieser Dampf 50 dort beziehungsweise in dem oberen Bereich 46 und gibt die zuvor aufgenommene Wärme ab, insbesondere über das Gehäuse 62 an das Kühlelement 40 beziehungsweise das Kühlmedium. Da der Innenraum 54, insbesondere hermetisch, geschlossen ist, ist eine, insbesondere hermetisch, geschlossene Geometrie geschaffen, durch welche der Dampf immer als isotherm angesehen werden kann und so die Wärme in dem oberen Bereich 46 gleichmäßig an das Gehäuse 62, insbesondere an eine obere Wand 63 des Gehäuses 62, abgibt.
Die Wand 63 bildet die Seite 20 und eine der Seite 20 abgewandte und dem Innenraum 54 zugewandte und den Innenraum 54 zumindest teilweise direkt begrenzende Seite 65. Der Innenraum 54 ist in Einbaulage der Einrichtung 10 in Fahrzeughochrichtung nach oben zumindest teilweise, insbesondere zumindest überwiegend oder vollständig, direkt durch die Seite 65 begrenzt, während der Innenraum 54 in Einbaulage der Einrichtung 10 in Fahrzeughochrichtung nach unten zumindest teilweise, insbesondere zumindest überwiegend oder vollständig, direkt durch die der Seite 65 zugewandte Seite 20 begrenzt ist. Ausgehend von dem oberen Bereich 46 findet der kondensierte Dampf 50, nun wieder flüssig, gravitationsgetrieben in den Wasserfilm zurück, und ein Kreislauf zum Kühlen der Komponente 12 ist geschlossen.
Ferner zeigt 2 insbesondere, dass die gravitationsbasierte Dampfkammer 22 ein Bodenelement 52 aufweist, welches die Seiten 16 und 17 bildet. Das Bodenelement 52 ist eine untere Wand und Bestandteil des Gehäuses 62. Bei der in 2 gezeigten Ausführungsform ist zumindest ein Teilbereich T der Seite 17 konkav ausgebildet und somit von dem Innenraum 54 weg gewölbt, wodurch der Teilbereich T eine auch als Einbuchtung oder Ausnehmung bezeichnete Senke 56 bildet. Dadurch ist es ermöglicht, dass sich das Arbeitsmedium 42 in flüssigem Zustand, das heißt die flüssige Phase im unteren Bereich 44 und dabei in der Senke 56 sammeln kann, sodass der Wärmestrom 48 sehr gut an das Arbeitsmedium 42 in der Senke 56 übergehen kann. Dadurch ist eine verbesserte Kühlung ermöglicht.
Ferner zeigt die 2, dass die gravitationsbasierte Dampfkammer 22 im Wesentlichen quaderförmig ausgebildet ist, wobei eine in Fahrzeughochrichtung beziehungsweise in Schwerkraftrichtung verlaufende Höhe H der gravitationsbasierten Dampfkammer 22 kleiner ist als eine in Fahrzeugquerrichtung oder in Fahrzeuglängsrichtung verlaufende Länge L der gravitationsbasierten Dampfkammer 22 und als eine in Fahrzeuglängsrichtung beziehungsweise in Fahrzeugquerrichtung verlaufende, in 2 nicht erkennbar und senkrecht zur Bildebene von 2 verlaufende Breite der Dampfkammer 22.
3 zeigt in einer schematischen Seitenansicht eine zweite Ausführungsform der Einrichtung 10. Der Schichtaufbau der Einrichtung 10 ist wie in 1 dargestellt. In 3 ist insbesondere zu sehen, dass die Wärmesenke 18 durch das Kühlelement 40 gebildet ist beziehungsweise das Kühlelement 40 umfasst, wobei das Kühlelement 40 mit mehreren Kühlrippen 58 versehen ist. Im Ausführungsbeispiel gemäß 3 ist das Kühlelement 40 mit siebzehn Kühlrippen 58 versehen. Die Anzahl und Form der vorzugswiese voneinander beabstandeten Kühlrippen 58 ist rein beispielhaft und keinesfalls abschließend zu betrachten. Insbesondere kann mittels der Kühlrippen 58 eine großer Oberfläche realisiert werden, so dass ein besonders vorteilhafter Wärmabtransport mittels des Kühlelements 40 bereitgestellt werden kann.
4 zeigt in einer schematischen Schnittansicht eine dritte Ausführungsform der Einrichtung 10. Im Ausführungsbeispiel gemäß 4 ist insbesondere zu sehen, dass die Keramikschicht 32 zwischen der Dampfkammer 22 und der Komponente 12, insbesondere zwischen der Dampfkammer 22 und der Kontaktierung 30, angeordnet ist und dabei die gravitationsbasierte Dampfkammer 22, insbesondere die Seite 16, einerseits und die Kontaktierung 30 andererseits jeweils direkt kontaktiert. Mit anderen Worten zeigt die 4 insbesondere, dass die gravitationsbasierte Dampfkammer 22 direkt auf die Keramikschicht 32 aufgebracht ist. Dabei entfallen gegenüber den in 1 und 3 gezeigten Ausführungsformen die beispielsweise als gesinterte Kupferschicht ausgebildete Schicht 34 und die dritte Lotschicht 36. Der Entfall der Schichten führt wiederum zu einem noch geringeren Wärmeübergangswiderstand in das Arbeitsmedium 42, was eine verbesserte Senkung der Chiptemperaturen ermöglicht.
Bezugszeichenliste

10: Einrichtung
12: Komponente
14: Kühleinrichtung
16: Seite
17: Seite
18: Wärmesenke
19: Seite
20: Seite
21: Seite
22: gravitationsbasierte Dampfkammer
23: Seite
24: Lotschicht
25: Seite
26: Lotschicht
27: Seite
28: Kontaktierung
29: Seite
30: Kontaktierung
31: Seite
32: Keramikschicht
34: Schicht
36: Lotschicht
38: Halbleiterchip
40: Kühlelement
41: Kühlkanal
42: Arbeitsmedium
44: Bereich
46: Bereich
48: Wärmestrom
50: Dampf
52: Bodenelement
54: Innenraum
56: Senke
58: Kühlrippe
60: Kühlrohr
62: Gehäuse
63: Wand
65: Seite
g: Pfeil
B: Breite
L: Länge
T: Teilbereich

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 102008013604 A1 [0003]

Claims

Einrichtung (10) für ein Kraftfahrzeug, mit wenigstens einer zumindest einen Halbleiter aufweisenden Komponente (12), und mit einer Kühleinrichtung (14), mittels welcher zum zumindest teilweisen Kühlen der Komponente (12) von der Komponente (12) bereitgestellte Wärme an eine Wärmesenke (18) abführbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühleinrichtung (14) als gravitationsbasierte Dampfkammer (22) ausgebildet ist, mittels welcher unter Nutzung des Zweiphasen-Thermosiphon-Effekts die Wärme zu der Wärmesenke (18) abführbar ist.
Einrichtung (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die gravitationsbasierte Dampfkammer (22) ein Bodenelement (52) aufweist, welches eine der Komponente (12) zugewandte erste Seite (16) und eine der ersten Seite (16) und der Komponente (12) abgewandte und einem Innenraum (54) der Dampfkammer (22) zugewandte zweite Seite (17) aufweist, die zumindest in einem Teilbereich (T) konkav ausgebildet ist, wodurch der Teilbereich (T) auf der zweiten Seite (17) wenigstens eine Senke (56) für ein in dem Innenraum (54) angeordnetes Arbeitsmedium (42) aufweist.
Einrichtung (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in der gravitationsbasierten Dampfkammer (22) ein zumindest Wasser umfassendes Arbeitsmedium (42) zum Kühlen der elektronischen Komponente (12) angeordnet ist.
Einrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühleinrichtung (14) wenigstens ein zusätzlich zu der Dampfkammer (22) vorgesehenes und separat von der Dampfkammer (22) ausgebildetes Kühlelement (40) der Wärmesenke (18) aufweist, wobei die Dampfkammer (22) zwischen dem Kühlelement (40) und der Komponente (12) angeordnet ist.
Einrichtung (10) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlelement (40) wenigstens einen von einem Fluid durchströmbaren Kühlkanal (41) aufweist.
Einrichtung (10) nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlelement (40) mit zumindest zwei Kühlrippen (58) versehen ist.
Einrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch wenigstens eine zwischen der Dampfkammer (22) und der Komponente (12) angeordnete Keramikschicht (32), welche die Dampfkammer (22) direkt berührt.
Einrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die gravitationsbasierte Dampfkammer (22) quaderförmig ausgebildet ist und/oder eine platten- oder scheibenartige Erstreckung aufweist
Einrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die gravitationsbasierte Dampfkammer (22) in Einbaulage der Einrichtung (10) in Fahrzeughochrichtung zwischen der Wärmesenke (18) und der Komponente (12) angeordnet ist.
Einrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die gravitationsbasierte Dampfkammer (22) ein Gehäuse (62) aufweist, welches aus Kupfer gebildet ist.