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Die vorliegende Erfindung betrifft ein thermisches Koppelelement, ein Verfahren zur Herstellung des Koppelelements und eine schaltbare Anordnung zur Wärmeabfuhr aus elektrischen oder elektronischen Komponenten eines Kraftfahrzeugs.
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Zunehmend steigende Leistungs- und Packungsdichten erhöhen die thermische Verlustleistung elektrischer und elektronischer Komponenten in Kraftfahrzeugen. Da steigende Temperaturniveaus Leistungsfähigkeit und Lebensdauer der Komponenten reduzieren, bekommen kostengünstige Maßnahmen zur Wärmeabfuhr aus den Komponenten einen immer höheren Stellenwert.
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Innerhalb elektrischer und elektronischer Komponenten werden häufig sogenannte Thermal Interface Materialien (TIM) zur Verbesserung des Wärmeübergangs zwischen Leiterplatte (PCB) und Kühlkörper bzw. Gehäuse eingesetzt. Zur Verbesserung des Wärmeübergangs von Komponenten-Außenseite zur Umgebung finden vor allem die Einarbeitung von Kühlkörper-Strukturen (Verrippung), die Nutzung von Ventilatoren, wärmeabstrahlende Oberflächenbeschichtungen und Flüssigkeitskühlkonzepte Anwendung. Vereinzelt werden auch Wärmerohre („Heat-Pipes“) eingesetzt.
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Diese Maßnahmen nützen nicht den Kühleffekt der Fahrzeugaußenflächen für die Wärmeabfuhr aus den Steuergeräten. Thermal-Interface-Materialien, z. B. Wärmeleitpads, können in ihrer Standard-Ausführung nicht für die Anbindung einer elektrischen oder elektronischen Komponente an Fahrzeugaußenflächen verwendet werden. Sie würden zwar im Fall niedriger Außentemperaturen einen Kühleffekt bewirken. Da es sich aber um eine permanente Verbindung handelt, würde bei hohen Außentemperaturen zusätzlich Wärme in die elektrische oder elektronische Komponente geleitet werden.
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Die
DE 10 2019 103 619 A1 betrifft eine Wärmetransportvorrichtung zum Übertragen von Wärme, die ein oberes Gehäuseteil und ein unteres Gehäuseteil zum Aufnehmen eines Schaumelements aufweist, die einen ersten Innenraum definieren, in dem das Schaumelement und ein Phasenübergangsmaterial angeordnet sind, das von dem Schaumelement zumindest teilweise aufgenommen ist. Die Wärmetransportvorrichtung ist dazu ausgelegt, Wärme mittels Zirkulation des Phasenübergangsmaterials zu übertragen.
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Aus der
DE 10 2010 015 743 A1 ist ein System zum Regulieren der Temperatur einer Batterie bekannt, die eine Außenfläche besitzt. Das System umfasst ein Reservoir, das mit der Außenfläche der Batterie gekoppelt ist, und ein Phasenänderungsmaterial, das mit der Außenfläche der Batterie thermisch gekoppelt ist und durch das Reservoir gehalten wird. In einer Variante ist das Phasenänderungsmaterial in der Außenwand eingekapselt.
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Die
US 2020 / 0 136 209 A1 offenbart ein Batteriemodul mit einer Batteriezelle und einem Wärmemanagementsystem zum Abführen von Wärme von der Batteriezelle. Das Wärmemanagementsystem umfasst zwei oder mehr Elementarzellen in einem Array. Jede Einheitszelle umfasst eine Primärschale, die ein primäres Phasenwechselmaterial (PCM) umfasst, und eine Sekundärschale, die ein sekundäres PCM umfasst, das mit der Primärschale thermisch gekoppelt ist. Die Batteriezelle ist an einer Wärmeübertragungsschnittstelle thermisch mit der Primärschale gekoppelt, und die Sekundärschalen benachbarter Elementarzellen in der Anordnung sind getrennt.
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Die
US 2013 / 0 314 202 A1 betrifft Wärmeableitungsschalter und -systeme sowie deren Verwendung zum Ableiten überschüssiger Wärme von einer Wärmequelle. Die Wärmeableitungsschalter können ein thermisch isolierendes Material mit einer Anzahl von Hohlräumen für leitfähige Elemente umfassen. Eine Anzahl thermisch geschalteter leitender Elemente kann entweder unabhängig voneinander oder als Teil einer thermisch geschalteten Platte in den Hohlräumen für leitende Elemente verschachtelt sein. Das Material der thermisch geschalteten leitfähigen Elemente kann so konfiguriert sein, dass es sich als Reaktion auf eine Temperaturänderung über eine Schwellentemperatur oder einen Temperaturbereich hinweg verformt, um Wärmeflusspfade von der Wärmequelle zu einer Wärmesenke zu erzeugen oder zu unterbrechen.
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Aus der
DE 10 2012 208 767 A1 ist eine Schaltungsanordnung bekannt mit Verlustwärme abgebenden Komponenten eines Schaltungsmoduls, die auf einem Schaltungsträger angeordnet und in eine Kunststoffgehäusemasse eingebettet sind, welche den Schaltungsträger mindestens teilweise umgibt. Das Schaltungsmodul aus Kunststoffgehäusemasse und Schaltungsträger ist federelastisch auf einer Wärmesenke fixiert. Zwischen der Wärmesenke und dem Schaltungsmodul ist ein wärmeleitendes Entwärmungselement angeordnet.
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Vor diesem Hintergrund hat sich die Erfindung die Aufgabe gestellt, ein passives, temperaturabhängig schaltbares Koppelelement zur thermischen Verbindung von elektrischen und elektronischen Komponenten mit einer Fahrzeugaußenfläche zur Verfügung zu stellen, um ausschließlich während einer bestimmten Fahrsituation, z. B. während des Fahrbetriebs, den Kühleffekt der Fahrzeugaußenfläche zu nutzen.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch Vorrichtungen mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und 10 und ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 9. Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung und den Abbildungen.
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Gegenstand der Erfindung ist ein thermisches Koppelelement zur Wärmeabfuhr aus elektrischen oder elektronischen Komponenten in einem Kraftfahrzeug (z. B. Hochleistungsrechner, Leistungselektroniken, Umfeldsensoren, Batteriemodule). Das Koppelelement eignet sich insbesondere für Komponenten, die in unmittelbarer Umgebung der Fahrzeugaußenseite verbaut sind (z. B. nahe der Windschutzscheibe oder der Karosserie).
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Das thermische Koppelelement umfasst Metallbleche, zwischen denen Druckfedern angeordnet sind. In einer Ausführungsform des Koppelelements sind die Metallbleche und die Druckfedern durch ein einziges Metallblech realisiert, welches über Biege-Verfahren zu einem Hüllkörper mit eingearbeiteten Druckfederblechen geformt ist. In einer anderen Ausführungsform sind zwei Metallbleche durch Druckfedern verbunden, die mittels Stanz- oder laserbearbeitender Verfahren eingebracht wurden. In einer weiteren Ausführungsform unterscheidet sich das Material der Druckfedern vom Material der Metallbleche.
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Innerhalb des Koppelelements ist mindestens ein Formgedächtnisdraht eingearbeitet, der zusammen mit den Druckfedern einen temperaturabhängigen Stellmechanismus bildet, der Raum zwischen den Metallblechen ist mit einem komprimierbaren Wärmeleitmedium ausgefüllt. In einer Ausführungsform umfasst das Wärmeleitmedium ein Elastomer mit hohen Wärmeübertragungseigenschaften. In einer speziellen Ausführungsform umfasst das Wärmeleitmedium einen geschlossenporigen Silikonschaum.
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In einer Ausführungsform weist die Oberseite des Koppelelements mindestens eine Aussparung auf, durch welche der mindestens eine Formgedächtnisdraht geführt ist. Die Aussparungen sind so ausgeführt, dass sich der größte Längenanteil des mindestens einen Formgedächtnisdrahts innerhalb der Aussparungen des thermischen Koppelelements befindet.
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Die Unterseite des thermischen Koppelelements ist mit einer Schicht eines elastischen, thermisch leitfähigen Materials versehen. In einer Ausführungsform leitet das elastische, thermisch leitfähige Material den elektrischen Strom nicht.
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Die Oberseite des thermischen Koppelelements ist mit einer Klebeschicht versehen, mittels welcher das Koppelelement auf der Innenseite einer Fahrzeugaußenfläche (beispielsweise einer Windschutzscheibe oder der Karosserie) befestigt werden kann. Die dämpfenden Eigenschaften der Schichten auf der Ober- und Unterseite des Koppelelements wirken einer Übertragung kritischer Erregerfrequenzen entgegen und schützen gegen einen Eintrag externer Störungen, z. B. durch Vibrationsbelastung.
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In einer Ausführungsform ist zwischen dem oberen Metallblech und der Klebeschicht eine Schicht eines Wärmeleitmediums angeordnet.
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In einer Ausführungsform ist das thermische Koppelelement als Einzelelement ausgeführt. In einer anderen Ausführungsform ist das thermische Koppelelement flächig im Zusammenschluss mehrerer nebeneinander angeordneter Koppelelemente ausgeführt. Die Abmessungen des thermischen Koppelelements sind skalierbar.
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Das thermische Koppelelement kann über einen Stellmechanismus mit integriertem Formgedächtnisdraht zwischen hohem und geringem Wärmeübergangswiderstand schalten. Der Stellmechanismus nutzt den Zweiwege-Effekt einer Formgedächtnislegierung.
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Bei hoher Temperatur auf der Oberseite des thermischen Koppelelements wird das Koppelelement über den aktivierten Formgedächtnisdraht komprimiert. Bei niedriger Temperatur wird das thermische Koppelelement in zu seiner Oberseite vertikaler Richtung gestreckt.
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Steigt die Temperatur über eine bestimmte materialabhängige Schwelle (z. B. 60°C), wechselt der Formgedächtnisdraht in seine austenitische Hochtemperaturphase. Der Formgedächtnisdraht zieht sich zusammen und übt eine Zugkraft auf das untere Metallblech des Koppelelements aus, welche die Kraft der Druckfedern überwiegt. Das Koppelement wird komprimiert und trennt die Fahrzeugaußenfläche von der elektrischen oder elektronischen Komponente. Der entstandene Luftspalt verhindert einen hohen Wärmeeintrag von der Fahrzeugaußenfläche in die elektrische oder elektronische Komponente.
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Liegt die Temperatur auf der Oberseite des thermischen Koppelelements unter einer bestimmten materialabhängigen Schwelle (z. B. 40°C), befindet sich der Formgedächtnisdraht in seiner martensitischen Niedertemperaturphase. In dieser Niedertemperaturphase hat der Formgedächtnisdraht seine größte Ausdehnung und die Kraft der Druckfedern ist größer als die Zugkraft, die der Formgedächtnisdraht auf das untere Metallblech des Koppelelements ausübt. Daher ist das Koppelelement in vertikaler Richtung gestreckt und verbindet die Fahrzeugaußenfläche mit der zu kühlenden elektrischen oder elektronischen Komponente.
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Das erfindungsgemäße thermische Koppelelement enthält kein Phasenübergangsmaterial, das in den flüssigen oder gasförmigen Zustand wechseln kann und bietet daher den Vorteil, dass das Wärmeleitmedium nicht über vergleichsweise aufwendige Maßnahmen gegenüber den umgebenden Komponenten abgedichtet werden muss. Das erfindungsgemäße thermische Koppelelement bietet außerdem den Vorteil einer einfachen Herstellbarkeit.
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Gegenstand der Erfindung ist auch ein Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen thermischen Koppelelements. In dem Verfahren wird durch einen Stanz- und Biegeprozess aus einem einzelnen Blech die Außenhülle des thermischen Koppelelements mit eingearbeiteten Druckfedern und gegebenenfalls einer Aussparung an der Oberseite der Außenhülle gefertigt. Anschließend wird mindestens ein gebogener Formgedächtnisdraht in die Außenhülle eingebracht und seine Enden werden an dem Boden der Außenhülle fixiert. Anschließend wird die Außenhülle mit einem komprimierbaren Wärmeleitmedium ausgefüllt. In einer Ausführungsform wird auf der Oberseite der Außenhülle eine Schicht eines Wärmeleitmediums aufgebracht. Schließlich werden auf der Oberseite der Außenhülle eine Klebeschicht und auf der Unterseite der Außenhülle eine Schicht eines elastischen, thermisch leitfähigen, aufgebracht.
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Gegenstand der Erfindung ist auch eine Anordnung zur schaltbaren thermischen Kopplung einer Fahrzeugaußenfläche mit mindestens einer elektrischen oder elektronischen Komponente im Innenraum des Fahrzeugs.
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Die Anordnung umfasst eine Fahrzeugaußenfläche, mindestens ein an der Innenseite der Fahrzeugaußenfläche befestigtes erfindungsgemäßes Koppelelement und mindestens eine elektrische oder elektronische Komponente im Innenraum des Fahrzeugs, wobei die mindestens eine elektrische oder elektronische Komponente so angeordnet ist, dass die Unterseite des mindestens einen erfindungsgemäßen Koppelelements eine Außenfläche der mindestens einen elektrischen oder elektronischen Komponente berührt und eine wärmeleitende Verbindung zwischen der Fahrzeugaußenfläche und der mindestens einen elektrischen oder elektronischen Komponente ausbildet, wenn die Temperatur der Fahrzeugaußenfläche weniger als die Übergangstemperatur des mindestens einen Formgedächtnisdrahts des erfindungsgemäßen Koppelelements von der martensitischen in die austenitische Phase beträgt.
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Das thermische Koppelelement weist einen Aufbau mit hohen Wärmeübertragungseigenschaften sowie einen temperaturabhängig selbsttätigen Stellmechanismus auf. Ausschließlich bei niedrigen Umgebungstemperaturen und bewegtem Fahrzeug verbindet das thermische Koppelelement die zu kühlende elektrische oder elektronische Komponente mit der Fahrzeugaußenfläche. Das thermische Koppelelement nutzt bei bewegtem Fahrzeug die niedrigen Temperaturen der Fahrzeugaußenflächen zur Kühlung der elektrischen oder elektronischen Komponenten.
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Beträgt die Temperatur der Fahrzeugaußenfläche weniger als die Übergangstemperatur des mindestens einen Formgedächtnisdrahts des erfindungsgemäßen Koppelelements von der martensitischen in die austenitische Phase, so befindet sich der mindestens eine Formgedächtnisdraht in seiner martensitischen Phase und die Kraft der Druckfedern ist größer als die Zugkraft des Formgedächtnisdrahts. Das Koppelelement ist in vertikaler Richtung gestreckt und verbindet die Fahrzeugaußenfläche mit der zu kühlenden elektrischen oder elektronischen Komponente.
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Erhöhen sich die Temperaturen der Fahrzeugaußenfläche, z. B. bei hohen Umgebungstemperaturen oder im Stand oder im „Stop-and-Go“-Verkehr, dann trennt das thermische Koppelelement selbständig und verhindert den Eintrag hoher Temperaturen, welche die Leistungsfähigkeit und Lebensdauer elektrischer oder elektronischer Komponenten reduzieren. Der temperaturabhängige Stellmechanismus wird geräuscharm und passiv, ohne zusätzlichen Energiebedarf betrieben.
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Ist die Temperatur der Fahrzeugaußenfläche größer als die Übergangstemperatur des mindestens einen Formgedächtnisdrahts des erfindungsgemäßen Koppelelements von der martensitischen in die austenitische Phase, so befindet sich der mindestens eine Formgedächtnisdraht in seiner austenitischen Phase und die Zugkraft des Formgedächtnisdrahts ist größer als die Kraft der Druckfedern. Das thermische Koppelelement ist komprimiert und trennt die Fahrzeugaußenfläche von der elektrischen oder elektronischen Komponente. Der entstandene Luftspalt verhindert einen hohen Wärmeeintrag von der Fahrzeugaußenfläche in die elektrische oder elektronische Komponente.
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Die erfindungsgemäße Anordnung bietet den Vorteil, dass bei hohen Außentemperaturen keinerlei mechanische Verbindung besteht zwischen der Fahrzeugaußenfläche und der Komponente, aus der Wärme abgeführt werden soll. Hiermit lässt sich eine effizientere thermische Entkopplung, d. h. ein höherer Wärmeübertragungswiderstand für den Fall hoher Außentemperaturen erzielen. Durch die direkte Anbindung an das Fahrzeugexterieur lässt sich insbesondere bei Stillstand oder „Stop-and-Go“-Fahrbetrieb ein Wärmeeintrag bei hohen Außentemperaturen vermeiden. Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen.
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Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Die Erfindung ist anhand von Ausführungsformen in den Zeichnungen schematisch dargestellt und wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen weiter beschrieben. Es zeigt:
- 1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Koppelelements;
- 2 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Koppelelements;
- 3 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung und die Funktionsweise des erfindungsgemäßen Koppelements.
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1 zeigt eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen thermischen Koppelelements 10. Das dargestellte Koppelelement 10 umfasst ein oberes Metallblech 11 und ein unteres Metallblech 12, zwischen denen sich eine Schicht 13 eines elastischen Wärmeleitmediums befindet. Zwischen den Metallblechen 11, 12 sind Druckfedern 14 angeordnet, welche die Metallbleche 11, 12 auf Abstand halten. Auf der Oberseite des oberen Metallblechs 11 befindet sich eine zweite Schicht 15 eines Wärmeleitmediums mit einer Aussparung 16, in der ein Formgedächtnisdraht 17 angeordnet ist, der einen auf dem unteren Metallblech 12 fußenden Bogen ausbildet. Auf der zweiten Schicht 15 des Wärmeleitmediums mit der Aussparung 16 befindet sich eine Klebstoffschicht 18, die ebenfalls eine Aussparung 16 aufweist. Mittels der Klebstoffschicht 18 kann das Koppelelement 10 an einer Innenseite einer Fahrzeugaußenfläche 20 befestigt werden, wodurch zusätzliche Spannung auf den Formgedächtnisdraht 17 aufgebracht wird. Auf der Unterseite des unteren Metallblechs 12 befindet sich eine Schicht 19 eines elastischen, Wärmeleitmediums. Über die Schicht 19 des Wärmeleitmediums kann eine wärmeleitende Verbindung zu einer elektrischen oder elektronischen Komponente 30 im Innenraum des Fahrzeugs hergestellt werden, um Wärme aus der Komponente 30 abzuführen. In der dargestellten Ausführungsform wurden das obere Metallblech 11, das untere Metallblech 12 und die Druckfedern 14 durch Umformen und Stanzen aus einem einzigen Metallblech erzeugt.
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2 zeigt eine andere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Koppelelements 10. In der dargestellten Ausführungsform weisen die zwischen den Metallblechen 11, 12 angeordneten Druckfedern 14 eine andere Bauform auf. Anstelle von Druckfedern, die sich über die gesamte Breite des Koppelelements 10 erstecken, sind hier jeweils mehrere Einzelfedern verbaut.
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3 zeigt eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung und verdeutlicht die Funktionsweise des erfindungsgemäßen Koppelelements. Gezeigt ist ein Koppelelement 10, das an der Innenseite einer Fahrzeugaußenfläche 20 befestigt ist und eine wärmeleitende Verbindung zu einer elektrischen oder elektronischen Komponente 30 im Innenraum des Fahrzeugs ausbilden kann.
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In der linken Abbildung ist die Anordnung bei kalter Fahrzeugaußenfläche 20 gezeigt. Der Formgedächtnisdraht 17 des Koppelelements 10 befindet sich im martensitischen Zustand. Die Kraft der Druckfedern 14 ist größer als die vom Formgedächtnisdraht 17 auf das untere Metallblech 12 des Koppelelements 10 ausgeübte Zugkraft. Das Koppelelement 10 bildet eine thermische Brücke zwischen der Oberfläche der elektrischen oder elektronischen Komponente 30 und der Fahrzeugaußenfläche 20 aus, über die Wärme aus elektrischen oder elektronischen Komponente 30 abgeführt werden kann.
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In der rechten Abbildung ist die Anordnung bei heißer Fahrzeugaußenfläche 20 gezeigt. Der Formgedächtnisdraht 17 des Koppelelements 10 befindet sich im austenitischen Zustand. Der Formgedächtnisdraht 17 hat sich zusammengezogen und übt eine Zugkraft auf das untere Metallblech 12 des Koppelelements 10 aus, welche größer ist als die Kraft der Druckfedern 14. Die Dicke des Koppelelements 10 ist verringert und es kontaktiert nicht mehr die Oberfläche der elektrischen oder elektronischen Komponente 30. Der entstandene Luftspalt zwischen Fahrzeugaußenfläche 20 und der elektrischen oder elektronischen Komponente 30 wirkt isolierend, so dass keine Wärme von der Fahrzeugaußenfläche 20 auf die elektrische oder elektronische Komponente 30 übergehen kann.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- thermisches Koppelelement
- 11
- oberes Metallblech
- 12
- unteres Metallblech
- 13
- komprimierbares Wärmeleitmedium
- 14
- Druckfeder
- 15
- Wärmeleitmedium
- 16
- Aussparung
- 17
- Formgedächtnisdraht
- 18
- Klebeschicht
- 19
- elektrisch nichtleitendes elastisches Wärmemedium
- 20
- Fahrzeugaußenfläche
- 30
- elektrische oder elektronische Komponente
