DE102020105925A1

DE102020105925A1 - Kühlungsanordnung für ein Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE102020105925A1
Application number: DE102020105925.6A
Authority: DE
Inventors: Josef Krammer; Ludwig Schmid
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2020-03-05
Filing date: 2020-03-05
Publication date: 2021-09-09

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Kühlungsanordnung für ein Kraftfahrzeug, umfassend wenigstens einen Kühlkanal zum Führen einer äußeren Kühlflüssigkeit; wenigstens ein flüssigkeitsdicht verschlossenes Modul mit einer an den Kühlkanal angrenzenden Kühlfläche, umfassend eine im Inneren des Moduls eingeschlossene innere Kühlflüssigkeit, die wenigstens eine im Inneren des Moduls angeordnete stromführende Komponente umgibt, sodass von der stromführenden Komponente aufgrund von Verlustleistung erzeugte Verlustwärme an die innere Kühlflüssigkeit übertragen und über die Kühlfläche an die äußere Kühlflüssigkeit im Kühlkanal abgegeben wird, wobei die innere Kühlflüssigkeit rein aufgrund von thermischer Konvektion im Inneren des Moduls zirkuliert. Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Kraftfahrzeug mit zumindest einer derartigen Kühlungsanordnung.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kühlungsanordnung für ein Kraftfahrzeug sowie ein Kraftfahrzeug mit wenigstens einer derartigen Kühlungsanordnung.
Insbesondere bei leistungselektronischen Bauteilen ist es bereits bekannt, aufgrund von Verlustleistung erzeugte Verlustwärme über eine Flüssigkeitskühlung abzuführen. So zeigt beispielsweise die DE 10 2011 100 526 A1 eine leistungselektronische Anordnung mit einer Flüssigkeitskühlung. Die leistungselektronische Anordnung umfasst flüssigkeitsgekühlte Leistungshalbleitermodule und eine mit einem Kühlflüssigkeitskreislauf verbindbare Flüssigkeitskühleinrichtung. Die Leistungshalbleitermodule weisen an ihrer Unterseite einen modulseitigen Kühlflüssigkeitseinlass und einen modulseitigen Kühlflüssigkeitsauslass auf. So kann Kühlflüssigkeit in die Leistungshalbleitermodule einströmen und aus diesen wieder ausströmen, wobei die Kühlflüssigkeit jeweilige Komponenten der Leistungshalbleitermodule umströmen kann, um überschüssige Wärme abzuführen. Nachteilig bei einer derartigen Vorgehensweise ist unter anderem, dass relativ hohe Druckverluste auftreten können, insbesondere wenn die zu umströmenden stromführenden Bauteile eine relativ komplexe Geometrie aufweisen. Darüber hinaus kann es mitunter schwierig sein, den zugehörigen Kühlmittelfluss dauerhaft und zuverlässig abzudichten. Komplexe Geometrien können mitunter über Siphon-Effekte zu Luftschlüssen führen und damit die Kühlwirkung gefährden.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Lösung bereitzustellen, mittels welcher aufgrund von Verlustleistung erzeugte Verlustwärme besonders einfach und zuverlässig von wenigstens einer stromführenden Komponente eines Kraftfahrzeugs abgeführt werden kann.
Diese Aufgabe wird durch eine Kühlungsanordnung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Weitere mögliche Ausgestaltungen der Erfindung sind insbesondere in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Die erfindungsgemäße Kühlungsanordnung für ein Kraftfahrzeug umfasst wenigstens einen Kühlkanal zum Führen einer äußeren Kühlflüssigkeit. Der wenigstens eine Kühlkanal kann zu einem Kühlkreislauf gehören, wobei die Kühlungsanordnung beziehungsweise der Kühlkreislauf unter anderem auch beispielsweise eine Pumpe aufweisen kann, um die äußere Kühlflüssigkeit durch den wenigstens einen Kühlkanal zu befördern. Auch kann der Kühlkreislauf beziehungsweise die Kühlanordnung einen Wärmetauscher oder andere geeignete Mittel aufweisen, mittels welchen mittels der äußeren Kühlflüssigkeit aufgenommene Wärme abgeführt werden kann.
Die Kühlungsanordnung umfasst des Weiteren wenigstens ein flüssigkeitsdicht verschlossenes Modul mit einer an den Kühlkanal angrenzenden Kühlfläche. Des Weiteren weist das Modul eine im Inneren des Moduls eingeschlossene innere Kühlflüssigkeit auf, die wenigstens eine im Inneren des Moduls angeordnete stromführende Komponente umgibt, sodass von der stromführenden Komponente aufgrund von Verlustleistung erzeugte Verlustwärme an die innere Kühlflüssigkeit übertragen und über die Kühlfläche an die äußere Kühlflüssigkeit im Kühlkanal abgegeben wird, wobei die innere Kühlflüssigkeit rein aufgrund von thermischer Konvektion im Inneren des Moduls zirkuliert. Die Zirkulation der inneren Kühlflüssigkeit im Inneren des Moduls wird also ausschließlich durch Auswirkungen des Temperaturgradienten hervorgerufen. Eine erzwungene Konvektion, bei welcher ein Teilchentransport durch äußere Einwirkung, zum Beispiel durch eine Pumpe, hervorgerufen wird, ist bei der erfindungsgemäßen Kühlungsanordnung also weder erforderlich noch vorgesehen.
Bei der stromführenden Komponente kann es sich zum Beispiel um einen Halbleiter handeln, welcher Teil einer Leistungselektronik für ein elektrisch angetriebenes Kraftfahrzeug sein kann. Grundsätzlich kann es sich bei der wenigstens einen stromführenden Komponente um beliebige Komponenten handeln, die dazu ausgelegt sind, einen elektrischen Strom zu führen, Spannungen zu wandeln oder dergleichen. Auch ist es möglich, dass das wenigstens eine Modul im Inneren mehrere solcher stromführender Komponenten aufweist, wobei es sich dabei um unterschiedliche Arten von stromführenden Komponenten handeln kann. Der wenigstens eine Kühlkanal zum Führen der äußeren Kühlflüssigkeit gehört mit anderen Worten zu einer Art übergeordnetem Kühlkreislauf zum Abführen von überschüssiger Verlustwärme von der wenigstens einen stromführenden Komponente.
Die im Inneren des Moduls eingeschlossene innere Kühlflüssigkeit ist also so innerhalb des Moduls verschlossen eingekapselt, dass diese nicht aus dem Modul herausgelangen kann. Die wenigstens eine im Inneren des Moduls angeordnete stromführende Komponente wird dabei insbesondere vollständig von der im Modul eingeschlossenen inneren Kühlflüssigkeit umgeben. Bei der erfindungsgemäßen Kühlungsanordnung ist es insbesondere vorgesehen, dass im Inneren des Moduls keine Pumpe oder andere Mittel vorgesehen sind, um die Zirkulation der inneren Kühlflüssigkeit im Inneren des Moduls zu erzeugen. Die Kühlflüssigkeit zirkuliert mit anderen Worten also rein aufgrund von thermischer Konvektion im Inneren des Moduls. Die wenigstens eine stromführende Komponente oder auch weitere stromführende Komponenten im Inneren des Moduls sind dabei so angeordnet, dass genügend Freiräume im Inneren des Moduls bestehen, sodass eine ausreichende Zirkulation der inneren Kühlflüssigkeit rein aufgrund von thermischer Konvektion sichergestellt werden kann. Insbesondere ist die an den Kühlkanal angrenzende Kühlfläche des Moduls auch so angeordnet, dass die thermische Konvektion der inneren Kühlflüssigkeit im Inneren des Moduls begünstigt wird.
Rein thermisch bedingt und schwerkraftbedingt erfolgt also die Zirkulation der inneren Kühlflüssigkeit im Inneren des Moduls, wobei diese die wenigstens eine im Inneren des Moduls angeordnete stromführende Komponente umströmt. Wird also von der stromführenden Komponente aufgrund von Verlustleistung Verlustwärme erzeugt, so wird die Verlustwärme an die innere Kühlflüssigkeit abgegeben, wobei diese aufgrund der thermischen Konvektion in Richtung der an den Kühlkanal angrenzenden Kühlfläche strömt. Die Kühlfläche kann z.B. einen Teil einer Wand des Kühlkanals bilden. Alternativ kann die Kühlfläche auch an eine den Kühlkanal begrenzende Wand angrenzen.
Aufgrund von Temperaturunterschieden zwischen der äußeren Kühlflüssigkeit und der inneren Kühlflüssigkeit wird dann die aufgenommene Wärme von der inneren Kühlflüssigkeit an die äußere Kühlflüssigkeit abgegeben. Thermisch bedingt und schwerkraftbedingt sinkt dann die innere Kühlflüssigkeit innerhalb des Moduls wiederum ab. Es muss also kein zusätzlicher Aufwand in Form von Pumpen und Energieeintrag betrieben werden, um die Zirkulation der inneren Kühlflüssigkeit innerhalb des Moduls sicherzustellen.
Bei der erfindungsgemäßen Kühlungsanordnung ergibt sich eine besonders gute Raumausnutzung, insbesondere wenn mehrere stromführende Komponenten im Modul angeordnet sind, da vorhandene Zwischenräume zwischen mehreren solcher stromführenden Komponenten genutzt werden können, um die innere Kühlflüssigkeit innerhalb des Moduls zu führen. Bei der inneren Kühlflüssigkeit kann es sich beispielsweise um ein Öl, insbesondere um ein Transformatorenöl handeln. Grundsätzlich kann es sich bei der inneren Kühlflüssigkeit um eine elektrisch nichtleitende Flüssigkeit handeln. Eine Moduleinhausung des Moduls kann zudem als Gehäuse und als EMV-Schirm dienen. Die Kühlung des Moduls kann sehr gut in modularer Bauweise implementiert werden. Darüber hinaus kann die Kühlfläche des Moduls relativ dünn ausgeführt werden, da im Hinblick auf die mechanische Belastung der Kühlfläche ein Druckunterschied zwischen der äußeren Kühlflüssigkeit und der inneren Kühlflüssigkeit relevant ist. Aufgrund der dünnwandigen Ausführbarkeit der Kühlfläche kann eine besonders gute Wärmeübertragung gewährleistet werden.
Die Anordnung der zu kühlenden stromführenden Komponenten innerhalb des Moduls kann relativ frei erfolgen, da die wenigstens eine stromführende Komponente beziehungsweise mehrere solcher stromführenden Komponenten nicht thermisch besonders aufwendig an die Kühlfläche angebunden werden müssen. Die wenigstens eine stromführende Komponente wird zudem permanent von der inneren Kühlflüssigkeit umspült, wodurch eine gute Wärmeabgabe realisiert werden kann. Ein übergeordneter Kühlkreislauf, welcher den Kühlkanal umfasst, kann zudem relativ einfach und wenig aufwendig ausgelegt werden. Insbesondere eine erforderliche Pumpenleistung zur Förderung der äußeren Kühlflüssigkeit kann relativ gering dimensioniert werden, sodass Gewicht und Kosten eingespart werden können. Durch die relativ geringe erforderliche Pumpenleistung zum Fördern der äußeren Kühlflüssigkeit ergibt sich zudem ein relativ geringer Energieaufwand zur Kühlung der wenigstens einen stromführenden Komponente in dem Modul.
Eine mögliche Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass bei bestimmungsgemäßer Anordnung des Moduls im Kraftfahrzeug die Kühlfläche bezogen auf eine Hochrichtung des Moduls die oberste Stelle des Moduls bildet. Die erhitzte innere Kühlflüssigkeit steigt aufgrund der thermischen Konvektion automatisch innerhalb des Moduls nach oben. Wenn die Kühlfläche bezogen auf die Hochrichtung des Moduls die oberste Stelle des Moduls bildet, wird die thermische Konvektion und die Wärmeübertragung von der inneren Kühlflüssigkeit auf die äußere Kühlflüssigkeit begünstigt. Alternativ ist es aber auch möglich, die Kühlfläche beispielsweise in einem seitlichen Bereich des Moduls vorzusehen. Solange aufgrund der thermischen Konvektion eine entsprechende Zirkulation der inneren Kühlflüssigkeit gewährleistet wird, kann auch bei einer derartigen Anordnung sichergestellt werden, dass überschüssige beziehungsweise aufgenommene Wärme von der inneren Kühlflüssigkeit über die Kühlfläche an die äußere Kühlflüssigkeit abgegeben werden kann.
Eine weitere mögliche Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass zur Vergrößerung der Kühlfläche und/oder zum Erzeugen von Turbulenzen innerhalb der äußeren Kühlflüssigkeit und/oder der inneren Kühlflüssigkeit die Kühlfläche uneben ausgebildet ist. Mit anderen Worten ist die Kühlfläche so geformt, dass eine möglichst große Fläche zur Wärmeübertragung vorhanden ist und die Strömung der äußeren Kühlflüssigkeit und der inneren Kühlflüssigkeit optimiert wird. Die Kühlfläche kann beispielsweise Ausbuchtungen aufweisen, die in den Kühlkanal und/oder in das Modul hineinragen können. Die Ausbuchtungen können je nach Randbedingung beispielsweise als einzelne Höcker oder auch als Falten ausgebildet sein, wobei diese sowohl in Strömungsrichtung der äußeren Kühlflüssigkeit als auch quer zur Strömungsrichtung der äußeren Kühlflüssigkeit angeordnet sein können. Durch die unebene Ausgestaltung der Kühlfläche wird also die Kühlfläche besonders großflächig gestaltet, was die Wärmeübertragung von der inneren Kühlflüssigkeit auf die äußere Kühlflüssigkeit begünstigt. Zudem ist es möglich, die Kühlfläche so auszugestalten, dass durch diese Turbulenzen in der äußeren Kühlflüssigkeit und/oder der inneren Kühlflüssigkeit erzeugt werden, in Folge dessen die Wärmeübertragung von der inneren Kühlflüssigkeit auf die äußere Kühlflüssigkeit verbessert werden kann.
In weiterer möglicher Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass die Kühlfläche zum Ausgleich von thermisch bedingten Volumenänderungen der inneren Kühlflüssigkeit dazu ausgelegt ist, sich elastisch in den Kühlkanal hinein und aus diesem heraus ins Innere des Moduls zu verformen. Da das Modul mit einer nicht komprimierbaren Flüssigkeit in Form der inneren Kühlflüssigkeit gefüllt ist, kann sich das Volumen beziehungsweise die Dichte der inneren Kühlflüssigkeit temperaturabhängig verändern, was unter anderem auch die thermische Konvektion im Inneren des Moduls begünstigt. Zur Kompensation von thermisch bedingten Ausdehnungen der inneren Kühlflüssigkeit dient die Kühlfläche, die sich bei Bedarf elastisch in den Kühlkanal hinein und aus diesem heraus ins Innere des Moduls verformen kann. Insbesondere kann das Verformungsverhalten der Kühlfläche so eingestellt sein, dass ein Druckverlust innerhalb der äußeren Kühlflüssigkeit bei relativ kalter innerer Kühlflüssigkeit reduziert wird, die Kühlfläche also mit einer relativ geringen Geschwindigkeit umströmt wird. Bei relativ kalter innerer Kühlflüssigkeit zieht diese sich zusammen, infolgedessen sich die Kühlfläche ins Innere des Moduls wölbt und somit der Querschnitt der Kühlkanals in dem Bereich vergrößert wird. Umgekehrt ist die Situation bei relativ heißer innerer Kühlflüssigkeit beziehungsweise heißem Modul, da sich die Kühlfläche bei heißer innerer Kühlflüssigkeit aufgrund einer Volumenausdehnung in den Kanal hinein wölbt, in Folge dessen der Kühlkanal geschmälert wird, wodurch die Strömungsgeschwindigkeit der äußeren Kühlflüssigkeit zunimmt und eine entsprechend hohe Kühlwirkung bei einem entsprechend größeren Druckverlust die Folge ist. Eine jeweilige Wärmeübertragungsleistung von der inneren Kühlflüssigkeit auf die äußere Kühlflüssigkeit wird also automatisch durch die elastische Verformung der Kühlfläche - entweder in den Kühlkanal hinein oder aus diesem heraus - automatisch angepasst.
In weiterer möglicher Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass die Kühlungsanordnung eine Reihenschaltung von zumindest zwei der Module mit jeweils wenigstens einer der stromführenden Komponenten und jeweils einem der elastisch verformbaren und an den Kühlkanal angrenzenden Kühlflächen aufweist, wobei die stromführenden Komponenten in unterschiedlichen Betriebszuständen des Kraftfahrzeugs, insbesondere bezogen auf eine Leistungsaufnahme und Leistungsabgabe einer Traktionsbatterie des Kraftfahrzeugs, unterschiedliche Verlustleistungen erzeugen. Die beiden in Reihe geschalteten Module verhalten sich thermisch also bei unterschiedlichen Betriebszuständen des Kraftfahrzeugs unterschiedlich. Eines der beiden Module kann beispielsweise stromführende Komponenten für ein fahrzeugseitiges Ladegerät aufweisen, wobei das andere Modul beispielsweise stromführende Komponenten für einen Wechselrichter einer elektrischen Antriebsmaschine des betreffenden Kraftfahrzeugs aufweisen kann. Im Stillstand des Kraftfahrzeugs und während eines Ladevorgangs erzeugt das Ladegerät eine hohe Abwärme, eine entsprechend hohe Abwärme wird dann im betreffenden Modul erzeugt. Beim Fahren mit dem Kraftfahrzeug erzeugt hingegen der Wechselrichter eine hohe Abwärme, entsprechend also auch das betreffende Modul. Zu keinem Zeitpunkt werden beide Baugruppen, also das Ladegerät und der Wechselrichter, somit auch die entsprechenden Module eine hohe Wärmeentwicklung aufweisen. Zu keinem Zeitpunkt ergibt sich bei der Reihenschaltung also der maximale Druckabfall innerhalb der äußeren Kühlflüssigkeit, wie er beispielsweise bei starrer Kühlfläche auftreten würde. So kann beispielsweise eine Maximalleistung einer Kühlflüssigkeitspumpe, welche dazu ausgelegt ist, die Kühlflüssigkeit durch den Kühlkanal zu befördern, vergleichsweise gering dimensioniert werden. Bei geringem Kühlbedarf in beiden Modulen hingegen reduziert sich der Druckverlust innerhalb der äußeren Kühlflüssigkeit nochmals weiter, in Folge dessen ein besonders geringer Energiebedarf bei der Kühlflüssigkeitspumpe erforderlich ist.
Eine weitere mögliche Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Kühlungsanordnung wenigstens zwei der Kühlkanäle in Parallelschaltung und je Kühlkanal zumindest eines der Module mit der elastisch verformbaren und an den jeweiligen Kühlkanal angrenzenden Kühlfläche aufweist, wobei ein Mechanismus vorgesehen ist, der dazu ausgelegt ist, einen jeweiligen Volumenstrom der äußeren Kühlflüssigkeit durch die Kühlkanäle zu beeinflussen. Der Mechanismus kann beispielsweise je Kühlkanal und Modul ein Ventil aufweisen. Ist eines der beiden Module relativ kalt, so kann das betreffende Ventil beispielsweise den zugehörigen Volumenstrom der äußeren Kühlflüssigkeit für dieses Modul vollkommen oder auch nur teilweise sperren beziehungsweise verschließen, wobei während das andere Modul beispielsweise relativ heiß ist, das zugehörige Ventil den zugehörigen Volumenstrom des äußeren Kühlmittels freigeben kann. Bei kaltem Modul wird also der Kühlmittelfluss hinsichtlich der äußeren Kühlflüssigkeit reduziert oder bei Bedarf auch ganz unterbunden. Der Kühlmittelfluss der äußeren Kühlflüssigkeit kann also so gesteuert werden, dass nur der zur Kühlung der jeweiligen Module nötige Gesamtfluss resultiert. Relativ kalte beziehungsweise momentan nicht zu kühlende Module belasten also den Kühlkreislauf der äußeren Kühlflüssigkeit nicht.
In weiterer möglicher Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass der Mechanismus dazu ausgelegt ist, in Abhängigkeit von einer Druckdifferenz zwischen den Kühlkanälen den Volumenstrom der äußeren Kühlflüssigkeit durch die Kühlkanäle automatisch zu verringern und zu erhöhen. Mit anderen Worten bildet der Mechanismus also eine Art selbstregulierendes System, das ab einer bestimmten Druckdifferenz selbstständig den Volumenstrom der äußeren Kühlflüssigkeit durch die jeweiligen Kühlkanäle verringern oder erhöhen kann. Es ist also keine aktive Steuerung beziehungsweise Regelung erforderlich, um das Verringern und Erhöhen der jeweiligen Kühlmittelflüsse der parallelgeschalteten Kühlkanäle zu realisieren. Alternativ oder zusätzlich ist es auch möglich, den Mechanismus aktiv anzusteuern, um je nach Bedarf die jeweiligen Kühlmittelflüsse der Kühlkanäle zu regulieren. In beiden Fällen kann der Kühlmittelfluss hinsichtlich der äußeren Kühlflüssigkeit so gesteuert werden, dass einerseits die Module ausreichend gekühlt werden können, wobei andererseits sichergestellt werden kann, dass keine unnötige Förderleistung zum Fördern der äußeren Kühlflüssigkeit bereitgestellt werden muss.
Gemäß einer weiteren möglichen Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass ein die innere Kühlflüssigkeit einschließendes Modulgehäuse zum Ausgleich von thermisch bedingten Volumenänderungen der inneren Kühlflüssigkeit dazu ausgelegt ist, sich elastisch zu verformen. Neben der Kühlfläche weist das wenigstens eine Modul also noch besagtes Modulgehäuse auf, welches thermisch bedingte Volumenänderungen der inneren Kühlflüssigkeit ausgleichen kann, indem sich das Modulgehäuse bei Bedarf aufbläht beziehungsweise zusammenzieht. Eine Volumenverringerung beziehungsweise eine Volumenausdehnung der inneren Kühlflüssigkeit kann also durch das Modulgehäuse ausgeglichen werden.
Gemäß einer weiteren möglichen Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass zum Ausgleich von thermisch bedingten Volumenänderungen der inneren Kühlflüssigkeit im Inneren des Moduls ein komprimierbares Medium oder Element eingeschlossen ist, wobei das Medium oder Element in einem Bereich eingeschlossen ist, in dem sich nicht die wenigstens eine stromführende Komponente befindet. Z.B. kann ein definierter Luftanteil im Inneren des Moduls also über die Kompressibilität der Luft Volumenänderungen der inneren Kühlflüssigkeit ausgleichen. Darüber hinaus ist es insbesondere möglich, einen minimalen und maximalen Druck innerhalb des Moduls durch geeignete Wahl der Luftmenge einzustellen. Das Modul kann insbesondere im Inneren so geformt sein, dass sich der Lufteinschluss an der obersten Stelle im Inneren des Moduls ausbildet, wobei an dieser Stelle sich nicht die wenigstens eine stromführende Komponente befindet. Insbesondere können sämtliche im Inneren des Moduls angeordneten Komponenten so geformt und angeordnet sein, dass keine Luftblasen am nach oben Steigen gehindert werden. So können unerwünschte Lufteinschlüsse vermieden werden, welche direkt an die wenigstens eine stromführende Komponente angrenzen, sodass eine besonders effektive und effiziente Kühlung der stromführenden Komponente jederzeit sichergestellt werden kann. Anstelle von Luft kann auch ein anderes Gas vorgesehen sein, oder auch z.B. ein komprimierbarer Körper, beispielsweise ein elastisches Pad oder dergleichen.
Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug umfasst wenigstens eine erfindungsgemäße Kühlungsanordnung oder eine mögliche Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Kühlungsanordnung. Bei dem Kraftfahrzeug kann es sich insbesondere um ein elektrisch angetriebenes Kraftfahrzeug handeln, wobei die wenigstens eine im Inneren des Moduls angeordnete stromführende Komponente beispielsweise dazu dienen kann, ein fahrzeuginternes Ladegerät oder beispielsweise einen Wechselrichter für eine elektrische Antriebsmaschine des Kraftfahrzeugs zu betreiben. Auch kann es sich bei dem Kraftfahrzeug beispielsweise um ein Hybridfahrzeug oder auch ein rein verbrennungsmotorisch betriebenes Kraftfahrzeug handeln. Bei der wenigstens einen stromführenden Komponente kann es sich um beliebige Komponenten handeln, welche dazu ausgelegt sein können, einen Strom zu führen, Spannungen zu wandeln und dergleichen.
Weitere Merkmale der Erfindung können sich aus den Ansprüchen, den Figuren und der Figurenbeschreibung ergeben. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
Die Zeichnung zeigt in:

1 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform einer Kühlungsanordnung für ein Kraftfahrzeug, umfassend einen Kühlkanal zum Führen einer äußeren Kühlflüssigkeit und ein flüssigkeitsdicht verschlossenes Modul mit einer an den Kühlkanal angrenzenden Kühlfläche, wobei im Inneren des Moduls eine innere Kühlflüssigkeit eingeschlossen ist, die mehrere im Inneren des Moduls angeordnete stromführende Komponenten umgibt;
2 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform der Kühlungsanordnung, wobei diese eine Reihenschaltung von zwei der Module aufweist;
3 eine schematische Darstellung einer dritten Ausführungsform der Kühlungsanordnung, wobei diese zwei Kühlkanäle in Parallelschaltung und je Kühlkanal eines der Module aufweist;
4 eine schematische Darstellung einer weiteren möglichen Ausgestaltung des Moduls, wobei dieses im oberen Bereich einen Lufteinschluss aufweist.

In den Figuren sind gleiche und funktionsgleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
Eine Kühlungsanordnung 10 für ein Kraftfahrzeug gemäß einer ersten Ausführungsform ist schematisch in 1 dargestellt. Die Kühlungsanordnung 10 umfasst wenigstens einen Kühlkanal 12 zum Führen einer mit dem Pfeil 14 gekennzeichneten äußeren Kühlflüssigkeit. Über jeweilige Kühlflüssigkeitsanschlüsse 16 kann die äußere Kühlflüssigkeit 14 dem Kühlkanal 12 zugeführt beziehungsweise aus diesem abgeführt werden. Die Kühlungsanordnung 10 umfasst des Weiteren wenigstens ein flüssigkeitsdicht verschlossenes Modul 18, welches eine an den Kühlkanal 12 angrenzende Kühlfläche 20 aufweist.
Das Modul 18 umfasst im Inneren eine mit dem Pfeil 22 angedeutete innere Kühlflüssigkeit, die mehrere im Inneren des Moduls 18 angeordnete stromführende Komponenten 24 umgibt. Bei den im linken Bereich des Moduls 18 angeordneten stromführenden Komponenten 24 kann es sich beispielsweise um Halbleiter handeln, die aufgrund von Verlustleistung eine relativ große Verlustwärme erzeugen können. Bei den im rechten Bereich des Moduls 18 angeordneten stromführenden Komponenten 24 kann es sich beispielsweise um solche Komponenten handeln, die im Vergleich zu den Halbleitern weniger Verlustwärme erzeugen. Aufgrund von Verlustleistung durch die stromführenden Komponenten 24 erzeugte Verlustwärme wird also an die innere Kühlflüssigkeit 22 übertragen und über die Kühlfläche 20 an die äußere Kühlflüssigkeit 14 abgegeben, wobei die innere Kühlflüssigkeit 22 rein aufgrund von thermischer Konvektion im Inneren des Moduls 18 zirkuliert.
Das Modul 18 und der Kühlkanal 12 sind vorliegend durch eine Art Gehäuse 26 eingehaust. Am Gehäuse 26 können neben den Kühlflüssigkeitsanschlüssen 16 noch beispielsweise Steckanschlüsse 28 vorgesehen sein, welche dazu dienen können, die stromführenden Komponenten 24 mit weiteren anderen stromführenden Komponenten oder weiteren Elementen außerhalb des Moduls 18 elektrisch leitend zu verbinden. Dafür können beispielsweise hier nicht dargestellte Pins und Platinen vorgesehen sein, wobei die Pins flüssigkeitsdicht ins Innere des Moduls 18 ragen können, über welche die stromführenden Komponenten 24 dann elektrisch leitend mit den Steckanschlüssen 28 verbunden werden können. Ein Innenraum 30 des Gehäuses 26 kann abweichend von der vorliegenden Darstellung noch dazu dienen, weitere solcher Module 18 aufzunehmen.
Vorliegend ist die Kühlungsanordnung 10 in ihrer bestimmungsgemäßen Anordnung im hier nicht weiter gezeigten Kraftfahrzeug dargestellt. Bei dieser bestimmungsgemäßen Anordnung befindet sich die Kühlfläche 20 bezogen auf eine Hochrichtung des Moduls 18 an oberster Stelle des Moduls 18. Die erhitzte innere Kühlflüssigkeit 22 steigt aufgrund von thermischer Konvektion automatisch nach oben, also in Richtung der Kühlfläche 20. Durch die hier gezeigte Anordnung wird eine besonders gute Wärmeübertragung von der inneren Kühlflüssigkeit 22 auf die äußere Kühlflüssigkeit 14 ermöglicht. Abweichend von der vorliegenden Darstellung ist es auch möglich, die Kühlfläche 20 beispielsweise in einem seitlichen Bereich des Moduls 18 vorzusehen, wobei in dem Fall natürlich auch der Kühlkanal 12 entsprechend anders verlaufen würde.
Zur Vergrößerung der Kühlfläche 20 und/oder zum Erzeugen von Turbulenzen in der äußeren Kühlflüssigkeit 14 und/oder in der inneren Kühlflüssigkeit 22 ist die Kühlfläche 20 uneben ausgebildet. Wie vorliegend angedeutet, kann die Kühlfläche 20 dafür beispielsweise mehrere Ausbuchtungen aufweisen, die beispielsweise als Höcker oder Falten ausgebildet sind. Wie vorliegend angedeutet, können diese Ausbuchtungen quer zur Strömungsrichtung der äußeren Kühlflüssigkeit 14 verlaufen oder auch in Strömungsrichtung ausgeführt sein.
Die Kühlfläche 20 kann sich zum Ausgleich von thermisch bedingten Volumenänderungen der inneren Kühlflüssigkeit 22 elastisch in den Kühlkanal 12 hinein und aus diesem heraus ins Innere des Moduls 18 verformen. Da die innere Kühlflüssigkeit 22 inkompressibel ist, verändert sich das Volumen der inneren Kühlflüssigkeit 22 mit ihrer Temperatur, in Folge dessen auch die thermische Konvektion, also der gewünschte Zirkulationseffekt, im Inneren des Moduls 18 erzielt wird. Durch elastische Verformung der Kühlfläche 20 kann sich die innere Kühlflüssigkeit 22 also problemlos ausdehnen und zusammenziehen. Da die Kühlfläche 20 zwei unter Druck stehende Räume trennt, muss diese keinen oder nur einen kleinen Druckunterschied ausgleichen. Damit kann die Kühlfläche 20 sehr dünn ausgeprägt sein. Die Kühlfläche 20 kann beispielsweise aus einem gestanzten Blech hergestellt sein. Die Kühlfläche 20 kann somit kostengünstig hergestellt werden, wobei die Elastizität des Blechs zur Kompensation der Volumenänderungen der inneren Kühlflüssigkeit 22 genutzt werden kann.
Durch entsprechende Dimensionierung der elastischen Verformung der Kühlfläche 20 kann erreicht werden, dass ein Druckverlust eines Volumenstroms der äußeren Kühlflüssigkeit 14 bei kaltem Modul 18 reduziert wird, da sich in dem Fall die Kühlfläche 20 ins Innere des Moduls 18 wölbt, sodass der Querschnitt des Kühlkanals 12 sich entsprechend vergrößert. Die Kühlfläche 20 wird in Folge dessen mit einer relativ geringen Geschwindigkeit von der äußeren Kühlflüssigkeit 14 umströmt, was einerseits eine entsprechend verringerte Kühlleistung aber auch einen entsprechend verringerten Druckverlust bewirkt.
Umgekehrt ist die Situation bei heißem Modul 18, da sich aufgrund der Volumenausdehnung der inneren Kühlflüssigkeit 22 die Kühlfläche 20 nach außen, also in den Kühlkanal 12 hineinwölbt. Durch die Querschnittsverringerung des Kühlkanals 12 steigt die Strömungsgeschwindigkeit der äußeren Kühlflüssigkeit 14, in Folge dessen eine verbesserte Kühlwirkung bei einem entsprechend größeren Druckverlust erzielt wird. Eine Volumenausdehnung der inneren Kühlflüssigkeit 22 kann auch durch ein die innere Kühlflüssigkeit 22 einschließendes Modulgehäuse 32 ausgeglichen werden, indem sich das Modulgehäuse 32 bei thermisch bedingten Volumenänderungen der inneren Kühlflüssigkeit 22 elastisch verformt, also aufbläht beziehungsweise zusammenzieht.
In 2 ist eine zweite mögliche Ausgestaltung der Kühlungsanordnung 10 schematisch dargestellt. Die Kühlungsanordnung 10 weist eine Reihenschaltung von zumindest zwei der Module 18 auf. Beide Module 18 weisen im Inneren wiederum mehrere der stromführenden Komponenten 24 auf, wobei die jeweiligen Kühlflächen 20 wiederum elastisch verformbar sind und an den Kühlkanal 12 angrenzen beziehungsweise diesen begrenzen.
Die stromführenden Komponenten 24 der unterschiedlichen Module 18 erzeugen in unterschiedlichen Betriebszuständen des zugehörigen Kraftfahrzeugs unterschiedliche Verlustleistungen. Die im linken Modul 18 angeordneten stromführenden Komponenten 24 können beispielsweise Bestandteil eines fahrzeuginternen Ladegeräts sein, wobei die im rechten Modul 18 angedeuteten stromführenden Komponenten 24 beispielsweise Bestandteil eines Wechselrichters für eine elektrische Antriebsmaschine des betreffenden Kraftfahrzeugs sein können.
Im Stillstand des Kraftfahrzeugs und beim Aufladen einer Traktionsbatterie des Kraftfahrzeugs erzeugt das Ladegerät eine hohe Abwärme, eine entsprechend hohe Abwärme wird durch die stromführenden Komponenten 24 des linken Moduls 18 erzeugt. Eine entsprechend hohe Abwärme wird beim Fahren des Kraftfahrzeugs durch den Wechselrichter erzeugt, also durch die stromführenden Komponenten 24 des rechten Moduls 18. Zu keinem Zeitpunkt werden also beide Module 18 beziehungsweise deren stromführende Komponenten 24 eine besonders hohe Wärmeentwicklung aufweisen.
Die thermisch bedingte Volumenausdehnung der inneren Kühlflüssigkeit 22 der beiden Module 18 wird also zu keinem Zeitpunkt ihre maximale Ausdehnung gleichzeitig erreichen. Der Kühlkanal 12 wird auch entsprechend durch die elastisch verformbaren Kühlflächen 20 nie so verengt, wie es bei maximaler elastischer Auswölbung beider Kühlflächen 20 der Fall wäre. Eine Maximalleistung einer Kühlflüssigkeitspumpe, die zum Fördern der äußeren Kühlflüssigkeit 14 dient, kann also vergleichsweise gering dimensioniert werden. Bei geringem Kühlbedarf in beiden Modulen 18 reduziert sich der Druckverlust in der äußeren Kühlflüssigkeit 14 weiter, da die beiden Kühlflächen 20 sich in dem Fall temperaturbedingt ins Innere der Module 18 wölben und der Kühlkanal 12 dadurch breiter wird. Entsprechend gering fällt dann der Energiebedarf für die betreffende Kühlflüssigkeitspumpe aus, die dafür zuständig ist, die äußere Kühlflüssigkeit 14 durch den Kühlkanal 12 zu befördern.
In 3 ist eine dritte mögliche Ausführungsform der Kühlungsanordnung 10 schematisch angedeutet. Die hier gezeigte Kühlungsanordnung 10 weist wenigstens zwei der Kühlkanäle 12 in Parallelschaltung auf, wobei je Kühlkanal 12 wenigstens eines der Module 18 vorgesehen ist, welche jeweils die elastisch verformbaren und an den jeweiligen Kühlkanal 12 angrenzende Kühlflächen 20 aufweisen. Je Kühlkanal 12 ist dabei ein Ventil 34 vorgesehen, welches dazu ausgelegt ist, einen jeweiligen Durchfluss 36 der Kühlkanäle 12 zu verschließen und freizugeben. Insbesondere können die Ventile 34 dazu ausgelegt sein, in Abhängigkeit von einer Druckdifferenz zwischen den Kühlkanälen 12 den jeweiligen Durchfluss 36 automatisch zu verschließen und freizugeben. Sind die jeweiligen Module 18 kalt beziehungsweise die innere Kühlflüssigkeit 22 kalt, so können die Ventile 34 dafür sorgen, den Durchfluss 36 teilweise oder vollständig zu verschließen, in Folge dessen ein Kühlmittelfluss der äußeren Kühlflüssigkeit 14 reduziert beziehungsweise ganz unterbunden wird. Durch die Parallelschaltung der Module 18 kann der Kühlmittelfluss der äußeren Kühlflüssigkeit 14 so gesteuert werden, dass nur ein derartiger Kühlmittelfluss durch die jeweiligen Kanäle 12 freigegeben wird, wie er auch zur Kühlung der jeweiligen stromführenden Komponenten 24 erforderlich ist. Kalte Module 18 belasten also den zugehörigen Kühlkreislauf nicht, da die äußere Kühlflüssigkeit 14 durch die betreffenden Kanäle 12 nur in verringertem Umfang oder gar nicht hindurchströmt.
In 4 ist eine weitere mögliche Ausgestaltung des Moduls 18 schematisch dargestellt. Zum Ausgleich von thermisch bedingten Volumenänderungen der inneren Kühlflüssigkeit 22 ist vorliegend im Inneren des Moduls 18 Luft 38 eingeschlossen, wobei die Luft 38 im hier gezeigten Fall im obersten Teil des Moduls 18 eingeschlossen ist. Die stromführenden Komponenten 24 tauchen also vollständig in die innere Kühlflüssigkeit 22 ein. Durch das Vorsehen eines definierten Luftanteils im Modul 18 kann über die Kompressibilität der eingeschlossenen Luft 38 eine Volumenänderung der inneren Kühlflüssigkeit 22 ausgeglichen werden. Darüber ist es insbesondere möglich, einen minimalen und einen maximalen Druck innerhalb des Moduls 18 einzustellen. Im hier gezeigten Fall bietet es sich an, die Kühlfläche 20 in einem seitlichen Bereich des Moduls 18 vorzusehen, sodass die durch die Luft 38 gebildete Luftblase sich nicht an der Kühlfläche 20 befindet.
Die anhand der Figuren beschriebenen unterschiedlichen Ausführungsformen der Kühlungsanordnung 10 können auch auf unterschiedlichste Arten miteinander kombiniert werden. Gemeinsam haben alle Module 18 beziehungsweise Kühlungsanordnungen 10, dass die zu kühlenden stromführenden Komponenten 24 rein aufgrund von thermischer Konvektion von der inneren Kühlflüssigkeit 22 umströmt werden, wobei die äußere Kühlflüssigkeit 14 nie ins Innere der Module 18 gelangt und somit auch die stromführenden Komponenten 24 nicht umströmen muss.
Bezugszeichenliste

10: Kühlungsanordnung
12: Kühlkanal
14: äußere Kühlflüssigkeit
16: Kühlflüssigkeitsanschluss
18: Modul
20: Kühlfläche
22: innere Kühlflüssigkeit
24: stromführende Komponenten
26: Gehäuse
28: Steckanschlüsse
30: Innenraum des Gehäuses
32: Modulgehäuse
34: Ventil
36: Durchfluss
38: im Modul eingeschlossene Luft

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 102011100526 A1 [0002]

Claims

Kühlungsanordnung (10) für ein Kraftfahrzeug, umfassend - wenigstens einen Kühlkanal (12) zum Führen einer äußeren Kühlflüssigkeit (14); - wenigstens ein flüssigkeitsdicht verschlossenes Modul (18) mit einer an den Kühlkanal (12) angrenzenden Kühlfläche (20), umfassend eine im Inneren des Moduls (18) eingeschlossene innere Kühlflüssigkeit, die wenigstens eine im Inneren des Moduls (18) angeordnete stromführende Komponente (24) umgibt, sodass von der stromführenden Komponente (24) aufgrund von Verlustleistung erzeugte Verlustwärme an die innere Kühlflüssigkeit (22) übertragen und über die Kühlfläche (20) an die äußere Kühlflüssigkeit (14) im Kühlkanal (12) abgegeben wird, wobei die innere Kühlflüssigkeit (22) rein aufgrund von thermischer Konvektion im Inneren des Moduls (18) zirkuliert.
Kühlungsanordnung (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei bestimmungsgemäßer Anordnung des Moduls (18) im Kraftfahrzeug die Kühlfläche (20) bezogen auf eine Hochrichtung des Moduls (18) die oberste Stelle des Moduls (18) bildet.
Kühlungsanordnung (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur Vergrößerung der Kühlfläche (20) und/oder zum Erzeugen von Turbulenzen in der äußeren Kühlflüssigkeit (14) und/oder der inneren Kühlflüssigkeit (22) die Kühlfläche (20) uneben ausgebildet ist.
Kühlungsanordnung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlfläche (20) zum Ausgleich von thermisch bedingten Volumenänderungen der inneren Kühlflüssigkeit (22) dazu ausgelegt ist, sich elastisch in den Kühlkanal (12) hinein und aus diesem heraus ins Innere des Moduls (18) zu verformen.
Kühlungsanordnung (10) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlungsanordnung (10) eine Reihenschaltung von zumindest zwei der Module (18) mit jeweils wenigstens einer der stromführenden Komponenten (24) und jeweils einem der elastisch verformbaren und an den Kühlkanal (12) angrenzenden Kühlflächen (20) aufweist, wobei die stromführenden Komponenten (24) in unterschiedlichen Betriebszuständen des Kraftfahrzeugs, insbesondere bezogen auf eine Leistungsaufnahme und Leistungsabgabe einer Traktionsbatterie des Kraftfahrzeugs, unterschiedliche Verlustleistungen erzeugen.
Kühlungsanordnung (10) nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlungsanordnung (10) wenigstens zwei der Kühlkanäle (12) in Parallelschaltung und je Kühlkanal (12) zumindest eines der Module (18) mit der elastisch verformbaren und an den jeweiligen Kühlkanal (12) angrenzenden Kühlfläche (20) aufweist, wobei ein Mechanismus vorgesehen ist, der dazu ausgelegt ist, einen jeweiligen Volumenstrom der äußeren Kühlflüssigkeit (14) durch die Kühlkanäle (12) zu beeinflussen.
Kühlungsanordnung (10) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Mechanismus dazu ausgelegt ist, in Abhängigkeit von einer Druckdifferenz zwischen den Kühlkanälen (12) den jeweiligen Volumenstrom der äußeren Kühlflüssigkeit durch die Kühlkanäle (12) automatisch zu verringern und zu erhöhen.
Kühlungsanordnung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein die innere Kühlflüssigkeit (22) einschließendes Modulgehäuse (32) zum Ausgleich von thermisch bedingten Volumenänderungen der inneren Kühlflüssigkeit (22) dazu ausgelegt ist, sich elastisch zu Verformen.
Kühlungsanordnung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zum Ausgleich von thermisch bedingten Volumenänderungen der inneren Kühlflüssigkeit (22) im Inneren des Moduls (18) ein komprimierbares Medium oder Element eingeschlossen ist, wobei das Medium oder das Element in einem Bereich eingeschlossen ist, in dem sich nicht die wenigstens eine stromführende Komponente (24) befindet.
Kraftfahrzeug mit zumindest einer Kühlungsanordnung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.