DE102022003600A1

DE102022003600A1 - Liquid-cooled electronic assembly

Info

Publication number: DE102022003600A1
Application number: DE102022003600.2A
Authority: DE
Inventors: Thorsten Hoog; Carl Constantin Boehning
Original assignee: Kostal Automobil Elektrik GmbH and Co KG
Current assignee: Kostal Automobil Elektrik GmbH and Co KG
Priority date: 2022-09-29
Filing date: 2022-09-29
Publication date: 2024-04-04

Abstract

Beschrieben wird eine flüssigkeitsgekühlte Elektronikbaugruppe mit mindestens einem ersten Gehäuseteil und einem zweiten Gehäuseteil, welche von einem Kühlmittel durchströmbare Kammern aufweisen, wobei die Kammern der Gehäuseteile über Rohrkammern miteinander verbunden sind, die einen Zulaufkanal und einen Rücklaufkanal ausbilden, wobei die Rohrkammern durch ein einziges Rohr ausgebildet sind, welches im Inneren eine eingebrachte Zwischenwand aufweist.Described is a liquid-cooled electronic assembly with at least a first housing part and a second housing part, which have chambers through which a coolant can flow, wherein the chambers of the housing parts are connected to one another via tube chambers which form an inlet channel and a return channel, wherein the tube chambers are formed by a single tube which has an inserted intermediate wall in the interior.

Description

Die Erfindung betrifft eine flüssigkeitsgekühlte Elektronikbaugruppe mit mindestens einem ersten Gehäuseteil und einem zweiten Gehäuseteil, welche von einem Kühlmittel durchströmbare Kammern aufweisen, wobei die Kammern der Gehäuseteile über Rohrkammern miteinander verbunden sind, die einen Zulaufkanal und einen Rücklaufkanal ausbilden.The invention relates to a liquid-cooled electronic assembly with at least a first housing part and a second housing part, which have chambers through which a coolant can flow, the chambers of the housing parts being connected to one another via tube chambers which form an inlet channel and a return channel.

In flüssigkeitsgekühlten Elektronikbaugruppen, wie zum Beispiel Ladereglern, Klimakompressoren, elektrischen Heizungen, DC/DC-Wandlern oder Motor-Antriebsreglern, wird Dissipationsenergie über einen Kühlstrom abgeführt. Dies geschieht mittels einer Pumpe, die den Kühlstrom durch ein oder mehrere Gehäuseteile pumpt, welche parallel oder seriell angeordnet sein können. Zur Verbindung von Gehäuseteilen und Pumpe werden Schläuche und Schlauchstutzen eingesetzt, die auf verschiedene Arten miteinander verbunden sein können. Im einfachsten Fall wird ein Schlauch über einen Rohrstutzen geschoben und mit Schlauchschellen oder Federbandschellen fixiert. Der Rohrstutzen seinerseits ist dicht in einem Gehäuseteil fixiert, wozu eine Übermaßpassung oder auch die Verwendung eines Dichtelementes mit Verschraubung zum Einsatz kommen können. Hierbei können verschiedene metallische Werkstoffe mit Kunstoffen kombiniert werden. Diese Baugruppen weisen hydraulische Widerstände auf, die zur Minimierung der Pumpenverlustleistung möglichst gering sein sollten.In liquid-cooled electronic assemblies, such as charge controllers, air conditioning compressors, electric heaters, DC/DC converters or motor drive controllers, dissipation energy is dissipated via a cooling flow. This is done by means of a pump that pumps the cooling flow through one or more housing parts, which can be arranged in parallel or in series. Hoses and hose nozzles are used to connect housing parts and the pump, and these can be connected to one another in various ways. In the simplest case, a hose is pushed over a pipe nozzle and secured with hose clamps or spring band clamps. The pipe nozzle, in turn, is tightly fixed in a housing part, for which an interference fit or the use of a sealing element with a screw connection can be used. Various metallic materials can be combined with plastics. These assemblies have hydraulic resistances that should be as low as possible to minimize pump power loss.

Weit verbreitet sind Elektronikbaugruppen, die ein Kühlelement aufweisen und zusätzliche Funktionen bieten wie z. B. die Aufnahme von elektronischen Bauelementen wie Leiterplatten, Transformatoren oder Drosseln, die Verhinderung des menschlichen Zugriffs auf spannungsführende Teile, Gewährleistung der elektromechanischen Verträglichkeit oder auch die Abdichtung gegenüber Umweltmedien. Eingesetzt werden hier vor allem Aluminiumdruckgussgehäuse, die viele Möglichkeiten zur Umsetzung der o. g. Funktionen bieten. Um Kühlkanäle auszubilden, werden die Gehäuse in der Regel mehrteilig ausgeführt und die Gehäuseteile mittels geeigneter Fügeverfahren wie z. B. Schrauben, Rührreibschweißen, Laserschweißen oder auch Kleben miteinander verbunden.Electronic assemblies that have a cooling element and offer additional functions such as: B. the accommodation of electronic components such as circuit boards, transformers or chokes, the prevention of human access to live parts, ensuring electromechanical compatibility or sealing against environmental media. Die-cast aluminum housings are primarily used here, which offer many options for implementing the above-mentioned. Offer functions. In order to form cooling channels, the housings are usually made in several parts and the housing parts are assembled using suitable joining processes such as. B. screws, friction stir welding, laser welding or even gluing.

Die Kühlkanäle ihrerseits bestehen im einfachsten Fall aus einer ebenen Kavität, durch die ein Kühlmittel fließen kann. Hierbei kann das Kühlmittel die Dissipationsenergie der darüber angeordneten Komponenten in einer Ebene aufnehmen; das Ganze ähnelt einem Kuchenblech mit einem Hohlraum geringer Höhe. Bekannt sind auch Kühlkanäle mit winklig zur Basisebene angeordneten Kavitäten, die durch geeignete Werkzeuge erzeugt und mittels spezieller Gehäuseabdeckungen verschlossen werden. Im Modell ähnelt dieses Design einem Topf ohne Deckel, durch das das Kühlmittel in der Ebene und an einer oder mehreren Wänden vorbeifließen kann.In the simplest case, the cooling channels themselves consist of a flat cavity through which a coolant can flow. The coolant can absorb the dissipation energy of the components arranged above it in one plane; the whole thing resembles a cake tin with a low cavity. Cooling channels with cavities arranged at an angle to the base plane are also known; these are created using suitable tools and closed using special housing covers. In the model, this design resembles a pot without a lid, through which the coolant can flow in the plane and past one or more walls.

Allen Elektronikbaugruppen gemeinsam ist die Tatsache, dass es immer einen Vorlauf, in der Regel von einer Pumpe kommend, und einen Rücklauf, der beispielsweise in einen Ausgleichbehälter oder nachgeschaltete Baugruppen führt, gibt. Um die Elektronikbauteile innerhalb des Geräts thermisch anzubinden, ist es wünschenswert, durch mehrere Gehäuseteile mehrere Kühlebenen beliebiger Orientierung zu erzeugen und diese mittels geeigneter Verbindungselemente miteinander parallel oder seriell zu verbinden. Dadurch ergibt sich die Möglichkeit, verschiedene Gehäuseteile gezielt auf ihre Dissipationsenergie auszulegen, wie etwa durch Anpassung des Strömungsquerschnittes, welches wiederum geringere hydraulische Verluste mit sich brächte.What all electronic assemblies have in common is the fact that there is always a flow, usually coming from a pump, and a return, which leads, for example, to an expansion tank or downstream assemblies. In order to thermally connect the electronic components within the device, it is desirable to create several cooling levels of any orientation using several housing parts and to connect these to one another in parallel or in series using suitable connecting elements. This makes it possible to design different housing parts specifically for their dissipation energy, for example by adjusting the flow cross-section, which in turn would result in lower hydraulic losses.

Bekannt ist es, zwei Gehäuseteile durch zwei Verbindungselemente mittels radial wirkender Dichtelemente zu verbinden. Eine derartige Ausführung nach dem Stand der Technik ist in der 4 skizzenhaft dargestellt. Die beiden Gehäuseteile 10, 20 weisen jeweils eine oder mehrere von einem Kühlmittel durchströmbare Kammern 11, 12, 21, 22 auf, die über Rohrkammern a, b miteinander flüssigkeitsleitend verbunden sind. Die Rohrkammern a, b bilden für jedes Gehäuseteil 10, 20 jeweils einen Zulaufkanal und einen Rücklaufkanal und sind durch zwei Rohre 30', 30" ausgeführt, die innerhalb von je zwei Bohrungen geführt und durch O-Ringe 40 abgedichtet sind.It is known to connect two housing parts by means of two connecting elements using radially acting sealing elements. Such a prior art design is described in 4 shown in sketch form. The two housing parts 10, 20 each have one or more chambers 11, 12, 21, 22 through which a coolant can flow, which are connected to one another in a fluid-conducting manner via tube chambers a, b. The tube chambers a, b form an inlet channel and a return channel for each housing part 10, 20 and are formed by two tubes 30', 30", which are guided within two bores each and are sealed by O-rings 40.

Nachteilig daran ist, dass zur Erlangung der Dichtigkeit und zum Ausgleich der statischen Überbestimmtheit, bedingt durch Form und Lageabweichungen, extrem enge Toleranzen einzuhalten sind, die sich in hohen Fertigungsanforderungen und entsprechenden Kosten widerspiegeln.The disadvantage of this is that in order to achieve tightness and to compensate for the static overdetermination caused by shape and positional deviations, extremely tight tolerances must be adhered to, which are reflected in high manufacturing requirements and corresponding costs.

Es stellte sich die Aufgabe, eine Elektronikbaugruppe zu schaffen, welche die vorgenannten Nachteile vermeidet.The task was to create an electronic assembly that avoids the aforementioned disadvantages.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Rohrkammern durch ein einziges Rohr ausgebildet sind, welches im Inneren eine eingebrachte Zwischenwand aufweist.This object is achieved according to the invention in that the tube chambers are formed by a single tube which has an intermediate wall inside.

Um oben genannte Nachteile zu umgehen, soll erfindungsgemäß die statische Überbestimmtheit vermieden werden, durch Gestaltung eines Verbindungselementes, welches ein mittels einer Zwischenwand geteiltes Rohr mit einem Zulauf- und einem Rücklaufkanal aufweist. Dieses lässt sich durch je eine Spielpassung innerhalb zweier Gehäuseteile umsetzen und ist statisch bestimmt ausführbar unter Berücksichtigung der üblichen Standardtoleranzen für diese Schnittstelle.In order to avoid the above-mentioned disadvantages, the static overdetermination should be avoided according to the invention by designing a connecting element which has a pipe divided by an intermediate wall with an inlet and a return channel. This can be done by means of a clearance fit within two housing parts and can be carried out in a statically determined manner, taking into account the usual standard tolerances for this interface.

Nachfolgend soll die Erfindung anhand der Zeichnung dargestellt und erläutert werden. Es zeigen

1 eine erfindungsgemäße Elektronikbaugruppe,
2 eine Schnittansicht durch ein geteiltes Rohr,
3 eine alternativ ausgeführte erfindungsgemäße Elektronikbaugruppe,
4 eine Elektronikbaugruppe nach dem Stand der Technik.

The invention will be illustrated and explained below with reference to the drawing.

1 an electronic assembly according to the invention,
2 a sectional view through a split pipe,
3 an alternatively designed electronic assembly according to the invention,
4 an electronic assembly according to the state of the art.

In den in der Zeichnung dargestellten unterschiedlichen Ausführungen werden gleiche oder gleichwirkende Teile mit jeweils den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.In the different versions shown in the drawing, identical or equivalent parts are identified by the same reference symbols.

Eine erfindungsgemäß ausgeführte Elektronikbaugruppe ist in der 1 dargestellt. Die elektronische Baugruppe, beispielsweise ein On-Board-Charger in einem Kraftfahrzeug, weist ein erstes Gehäuseteil 10 und ein zweites Gehäuseteil 20 auf, die z. B. mittels hier nicht dargestellter Distanzbolzen in einem definierten Abstand gehalten werden. Beide Gehäuseteile 10, 20 weisen jeweils zwei Teile auf, die zusammen jeweils einen Kühlkörper ausbilden, nämlich einem Grundkörper 16, 26, der eine Kühlkanalgeometrie enthält sowie einen Deckel 19, 29, welcher fest und flüssigkeitsdicht mit dem jeweiligen Grundkörper 16, 26 verbunden ist. Der Grundkörper 16, 26 und der zugehörige Deckel 19, 29 bilden zusammen jeweils eine Vorlaufkammer 11, 21 und eine Rücklaufkammer 12, 22 aus, die von einem Kühlmittel durchströmt werden können.An electronic assembly designed according to the invention is shown in 1 shown. The electronic assembly, for example an on-board charger in a motor vehicle, has a first housing part 10 and a second housing part 20, which are held at a defined distance, for example by means of spacer bolts (not shown here). Both housing parts 10, 20 each have two parts, which together form a heat sink, namely a base body 16, 26, which contains a cooling channel geometry, and a cover 19, 29, which is firmly and liquid-tightly connected to the respective base body 16, 26. The base body 16, 26 and the associated cover 19, 29 together form a flow chamber 11, 21 and a return chamber 12, 22, through which a coolant can flow.

Das erste Gehäuseteil 10 weist zusätzlich zwei Kühlmittelanschlüsse 13, 14 auf, und zwar einen Einlassanschluss 13 und einen Auslassanschluss 14. Diese beiden Kühlmittelanschlüsse 13, 14 werden mit einer hier nicht dargestellten Pumpe und einem Ausgleichsbehälter beziehungsweise mit nachgeschalteten Baugruppen verbunden. Zwischen dem ersten und dem zweiten Gehäuseteil 10, 20 befindet sich ein geteiltes Rohr 30, welches die beiden Gehäuseteile 10, 20 flüssigkeitsleitend verbindet. Zur Abdichtung ist zwischen dem Rohr 30 und dem Deckel 19, 29 des ersten und zweiten Gehäuseteils 10, 20 jeweils eine geeignete Dichtung wie beispielsweise ein radial abdichtender O-Ring 18, 28 eingesetzt.The first housing part 10 additionally has two coolant connections 13, 14, namely an inlet connection 13 and an outlet connection 14. These two coolant connections 13, 14 are connected to a pump (not shown here) and an expansion tank or to downstream assemblies. Between the first and second housing parts 10, 20 there is a divided tube 30, which connects the two housing parts 10, 20 in a liquid-conducting manner. For sealing purposes, a suitable seal, such as a radially sealing O-ring 18, 28, is inserted between the tube 30 and the cover 19, 29 of the first and second housing parts 10, 20.

Der Querschnitt des geteilten Rohres 30, 31 ist in der 2 skizziert. Das hier dargestellte Rohr 30, 31 ist ein zylinderförmiger aus Metall oder Kunststoff geformter Hohlkörper, dessen innerer Querschnitt durch eine einstückig eingeformte Zwischenwand 32 geteilt ist. Hierdurch werden zwei vorzugsweise gleich große Rohrkammern a, b gebildet, die durch die Zwischenwand 32 flüssigkeitsdicht von einer getrennt sind. Statt des hier dargestellten runden Form kann das Rohr 30, 31 auch eine mehreckige und insbesondere quadratische Außenkontur aufweisen.The cross section of the split tube 30, 31 is in the 2 outlined. The pipe 30, 31 shown here is a cylindrical hollow body made of metal or plastic, the inner cross section of which is divided by an integrally formed partition wall 32. This forms two preferably equally sized pipe chambers a, b, which are separated from one another in a liquid-tight manner by the partition wall 32. Instead of the round shape shown here, the pipe 30, 31 can also have a polygonal and in particular square outer contour.

Zur Vermeidung von Kurzschlussströmen ist jeweils zwischen den Vor- und Rücklaufkammern 11, 12, 21, 21 jeweils eine axial wirkende Dichtung 17, 27 vorhanden. Ferner ist zwischen den Gehäuseteilen 10, 20 eine hier nicht dargestellte, etwa durch Formelemente ausgeführte Verdrehsicherung angebracht, die dafür sorgt, dass beide Gehäuseteile 10, 20 und das Rohr 30 torsionssteif miteinander verbunden sind.To avoid short-circuit currents, there is an axially acting seal 17, 27 between the flow and return chambers 11, 12, 21, 21. Furthermore, between the housing parts 10, 20 there is an anti-twist device, not shown here, which is designed for example by shaped elements, which ensures that both housing parts 10, 20 and the tube 30 are connected to one another in a torsion-resistant manner.

Die eingangs erwähnten Distanzbolzen sind derart gestaltet, dass sie das geteilte Rohr 30 nicht verspannen. Hierzu können geeignet große Löcher oder Langlöcher vorgesehen werden. Die Gehäuseteile 10, 20 oben und unten werden erst nach Montage des geteilten Rohres 30 fixiert.The spacer bolts mentioned at the beginning are designed in such a way that they do not distort the split tube 30. Suitable large holes or elongated holes can be provided for this purpose. The housing parts 10, 20 at the top and bottom are only fixed after the split tube 30 has been installed.

Hier nicht dargestellte zu kühlende elektronische Bauelemente wie z. B. Leiterplatten, Leistungshalbleiter, Transformatoren oder auch Drosseln sind mechanisch z. B. durch Schrauben und thermisch z. B. durch Gappads mit Gehäuseteilen 10, 20 oben und unten verbunden.Electronic components to be cooled, such as circuit boards, power semiconductors, transformers or chokes, which are not shown here, are connected mechanically, e.g. by screws, and thermally, e.g. by gap pads, to housing parts 10, 20 at the top and bottom.

Von einer hier nicht dargestellten Pumpe aus strömt das kalte Kühlmittel über den Einlassanschluss 13 in eine Vorlaufkammer 11 am ersten Gehäuseteil 10. Hier teilt sich der Volumenstrom und ein Teilstrom durchfließt das erste Gehäuseteil 10 in Richtung Betrachter, um am Auslassanschluss 14 wieder auszutreten. Der restliche Teilstrom fließt über die Rohrkammer a des Rohres 30 in das zweite Gehäuseteil 20, durchströmt diesen ebenfalls in Richtung des Betrachters und fließt dann über Rohrkammer b wieder in das zweite Gehäuseteil 20 und verlässt dieses via Auslassanschluss 14.From a pump (not shown here), the cold coolant flows via the inlet connection 13 into a flow chamber 11 on the first housing part 10. Here the volume flow is divided and a partial flow flows through the first housing part 10 in the direction of the viewer in order to exit again at the outlet connection 14. The remaining partial flow flows via the tube chamber a of the tube 30 into the second housing part 20, also flows through it in the direction of the viewer and then flows via the tube chamber b back into the second housing part 20 and leaves it via the outlet connection 14.

Durch die eingebrachte Dissipationsenergie der elektrischen Komponenten hat das Kühlmittel am Auslassanschluss 14 eine höhere Temperatur als am Einlassanschluss 13. Eine geeignet gewählte Dimensionierung der Gehäuseteile 10, 20 und der Querschnitte der Rohrkammern a, b ermöglicht es, die Teilvolumenströme gezielt an die lokalen Dissipationsenergien anzupassen.Due to the dissipation energy introduced by the electrical components, the coolant has a higher temperature at the outlet connection 14 than at the inlet connection 13. A suitably selected dimensioning of the housing parts 10, 20 and the cross sections of the tube chambers a, b makes it possible to specifically adapt the partial volume flows to the local dissipation energies.

3 zeigt eine Abwandlung der Ausführung aus 1, die sich dadurch auszeichnet, dass das geteilte Rohr 31 eine geschlossene Stirnfläche, die mittels axial dichtender Dichtung 17' gegen den Grundkörper 16' abgedichtet ist, und mindestens zwei laterale Öffnungen 34, 35 zum Deckel 16' hin aufweist. Der Deckel 16' weist entsprechend auf Höhe der lateralen Öffnungen 34, 35 eingeformte Kühlmittelkanäle 24, 25 auf. 3 shows a modification of the execution 1 , which is characterized by the fact that the divided tube 31 has a closed end face is sealed against the base body 16' by means of an axially sealing seal 17', and has at least two lateral openings 34, 35 towards the cover 16'. The cover 16 'has coolant channels 24, 25 formed at the level of the lateral openings 34, 35.

Der besondere Vorteil des vorgeschlagenen Aufbaus liegt darin begründet, dass nur ein Rohr 30 radial abgedichtet werden muss. Wie bereits erwähnt, sind bei paralleler Anordnung wie in der 4 dargestellt, extrem hohe Genauigkeiten und Steifigkeiten der Verbindungselemente erforderlich.The particular advantage of the proposed structure is that only one tube 30 needs to be sealed radially. As already mentioned, with a parallel arrangement as in the 4 shown, extremely high accuracies and rigidities of the connecting elements are required.

Demgegenüber lässt sich das geteilte Rohr 30, 31 als Kunststoffspritzgussteil, als Aluminiumstrangpressprofil oder auch aus Aluminiumdruckguss unter Berücksichtigung von Standardtoleranzen herstellen. Neben den Kostenvorteilen zeigt sich ferner eine Gewichtseinsparung, welcher insbesondere bei Verwendung bei einer in einem Fahrzeug verbauten Elektronikbaugruppe eine zunehmende Bedeutung zukommt.In contrast, the divided tube 30, 31 can be produced as a plastic injection-molded part, as an extruded aluminum profile or also from die-cast aluminum, taking standard tolerances into account. In addition to the cost advantages, there is also a weight saving, which is becoming increasingly important, particularly when used in an electronic assembly installed in a vehicle.

BezugszeichenReference symbols

1010: erstes Gehäuseteilfirst housing part
11, 12, 21, 2211, 12, 21, 22: KammernChambers
11, 2111, 21: VorlaufkammernPre-flow chambers
12, 2212, 22: Rücklaufkammernreturn chambers
13, 1413, 14: KühlmittelanschlüsseCoolant connections
1313: EinlassanschlussInlet connection
1414: AuslassanschlussOutlet connection
16, 16', 2616, 16', 26: GrundkörperBase body
17, 17', 2717, 17', 27: DichtungenSeals
18, 28, 4018, 28, 40: O-RingeO-rings
19,2919.29: DeckelLid
2020: zweites Gehäuseteilsecond housing part
24, 2524, 25: KühlmittelkanäleCoolant channels
30, 31, 30', 30"30, 31, 30', 30": RohreTube
3232: Zwischenwandpartition wall
34, 3534, 35: laterale Öffnungen lateral openings
a, baway: Rohrkammerntube chambers

Claims

Liquid-cooled electronic assembly with at least a first housing part (10) and a second housing part (20), which have chambers (11, 12, 21, 22) through which a coolant can flow, wherein the chambers (11, 12, 21, 22) of the housing parts (10, 20) are connected to one another via tube chambers (a, b) which form an inlet channel and a return channel, characterized in that the tube chambers (a, b) are formed by a single tube (30, 31) which has an inserted intermediate wall (32) in the interior.

Electronic assembly Claim 1 , characterized in that the tube (30, 31) is a round tube.

Electronic assembly according to Claim 1 , characterized in that the tube (30, 31) has a rectangular or square cross-section.

Electronic assembly according to one of the Claims 1 until 3 , characterized in that the tube (31) has at least one closed end face and lateral openings (34, 35).