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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Kühlvorrichtung, ein Fahrzeug, auf ein Verfahren zum Betreiben einer Kühlvorrichtung und auf ein Verfahren zum Herstellen einer Kühlvorrichtung.
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Es sind Kühlvorrichtungen bekannt, die unter der Verwendung von Federn einen thermischen Spalt zur Verpressung eines Wärmespeichers minimieren können.
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Vor diesem Hintergrund schafft die vorliegende Erfindung eine verbesserte Kühlvorrichtung, ein verbessertes Fahrzeug, ein verbessertes Verfahren zum Betreiben einer Kühlvorrichtung und ein verbessertes Verfahren zum Herstellen einer Kühlvorrichtung gemäß den Hauptansprüchen. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.
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Die mit dem vorgestellten Ansatz erreichbaren Vorteile bestehen insbesondere darin, dass eine Kühlvorrichtung geschaffen werden kann, die eine zuverlässige und schnelle Kühlung eines elektrischen Bauelements bewirken kann.
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Eine Kühlvorrichtung weist eine Leiterplatteneinrichtung, einen Gehäuseeinrichtung und einen Latentwärmespeicher auf. An der Leiterplatteneinrichtung ist ein elektronisches Bauelement angeordnet. Die Gehäuseeinrichtung ist zum Abführen von einer im Betrieb des elektronischen Bauelements entstehenden Wärme ausgebildet. Dabei weist die Gehäuseeinrichtung zumindest ein eine Rückstellkraft erzeugendes Element auf. Die Gehäuseeinrichtung ist an der Leiterplatteneinrichtung angeordnet. Der Latentwärmespeicher ist zwischen der Leiterplatteneinrichtung und der Gehäuseeinrichtung derart angeordnet, dass die im Betrieb des elektronischen Bauelements entstehende Wärme über das eine Rückstellkraft erzeugende Element abgeleitet wird.
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Die Kühlvorrichtung kann beispielsweise innerhalb eines Fahrzeugs verbaut sein. Die Leiterplatteneinrichtung kann eine Leiterplatte und zumindest das elektronische Bauelement aufweisen. Die Leiterplatteneinrichtung kann kostengünstig hergestellt werden. Die Gehäuseeinrichtung kann platzsparend realisiert werden und an der Leiterplatteneinrichtung entsprechend bauraumoptimiert angeordnet werden. Das eine Rückstellkraft erzeugende Element kann porös oder aufgeschäumt sein und ebenfalls kostengünstig hergestellt werden. Das eine Rückstellkraft erzeugende Element kann beispielsweise ein Schaumelement, ein eine Rückstellkraft erzeugendes viskoses Element oder ein TIM-(thermal interface material) Element sein. Im Weiteren wird beispielhaft von einem Schaumelement gesprochen. Der Latentwärmespeicher kann vorteilhaft zwischen der Leiterplatteneinrichtung und der Gehäuseeinrichtung angeordnet werden, sodass der Latentwärmespeicher zuverlässig und schnell Wärme ableiten oder aufnehmen kann.
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Der hier vorgestellte Ansatz basiert auf der Erkenntnis, dass durch die Verwendung des Latentwärmespeichers in Verbindung mit dem Schaumelement im Betrieb des elektronischen Bauelementes entstehende Wäre effizient und schnell abgeführt werden kann. Dies basiert speziell darauf, dass das Schaumelement bei der Herstellung der Kühlvorrichtung derart eingepresst wird, dass es den Latentwärmespeicher zuverlässig auf das elektronische Bauelement drückt, sodass ein sehr guter thermischer Kontakt zwischen dem Latentwärmespeicher und der Gehäuseeinrichtung sichergestellt werden kann. Auf diese Weise kann eine vorteilhafte Kühlung bzw. Wärmeabfuhr von dem elektrischen Bauelement sichergestellt werden. Besonders durch die Verwendung des Latentwärmespeichers, der vorteilhafterweise in direktem Kontakt mit dem elektronischen Bauelement steht, kann eine schnelle Aufnahme einer großen Menge von Wärme in unmittelbarer Nähe elektronischen Bauelementes erreicht werden.
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Die Gehäuseeinrichtung kann ein Kühlelement aufweisen. Das Kühlelement kann als ein Kühlkörper ausgebildet sein und so beispielsweise die Wärme zuverlässig und schnell ableiten, sodass ein Überhitzen des elektronischen Bauelements vermieden werden kann.
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Das Kühlelement kann zwischen dem Latentwärmespeicher und dem Schaumelement angeordnet sein. Aufgrund dieser Anordnung kann das Kühlelement zuverlässig und effizient wirken und eine schnelle Wärmeabfuhr vom Latentwärmespeicher sicherstellen.
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Die Gehäuseeinrichtung kann einen Wärmeverteiler aufweisen, der an dem Schaumelement angeordnet sein kann. Der Wärmeverteiler kann optimal als Wärmesenke wirken und auf diese Weise eine effiziente Wärmeabfuhr vom elektronischen Bauelement ermöglichen.
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Der Wärmeverteiler kann ausgebildet sein, um die Wärme in eine Umgebung der Kühlvorrichtung abzugeben. Somit kann der Wärmeverteiler beispielsweise das elektronische Bauelement vor einer Überhitzung schützen.
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Das Schaumelement kann ausgebildet sein, um bei Erwärmung eine Kraft auf den Latentwärmespeicher auszuüben. Somit kann der Latentwärmespeicher zuverlässig komprimiert werden. Zusätzlich kann bei einer zunehmenden Erwärmung des Schaumelementes eine Zunahme des Drucks auf den Latentwärmespeicher erfolgen, sodass eine Verbesserung der Wärmeabfuhr über den Latentwärmespeicher erreicht werden kann. Auf diese Weise kann durch die Erhöhung der Wärmeabfuhrkapazität bei Erhöhung der Temperatur des elektronischen Bauelementes eine positive Rückkopplung und somit eine selbstregulierende Wärmeabfuhr ermöglicht werden.
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Das Schaumelement kann als ein thermisch leitfähiges Schaumelement ausgebildet sein. Somit kann das Schaumelement zuverlässig und effizient Wärme leiten, beispielsweise zu dem Wärmeverteiler.
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Das Schaumelement kann ausgebildet sein, um sich bei einer Erwärmung auszudehnen zu bewirken. Zusätzlich oder alternativ kann das Schaumelement seinen Zustand und zusätzlich oder alternativ seine Form ändern. Durch die Ausdehnung kann das Schaumelement die Kraft vorteilhaft auf den Latentwärmespeicher übertragen.
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Der Latentwärmespeicher ein Wärmspeichermaterial aufweist, das ausgebildet sein kann, um bei einer Temperatur von 50 bis 70 Grad Celsius zu schmelzen, insbesondere bei über 60 Grad Celsius zu schmelzen. Vorteilhafterweise verflüssigt sich ein Material des Latentwärmespeichers bei dieser Schmelztemperatur, sodass eine Überhitzung des elektronischen Bauelements vermieden werden kann. Zusätzlich weist eine solche Ausführungsform eine hohe Wärmeaufnahmekapazität in unmittelbarer Nähe des elektronischen Bauelementes auf, sodass dieses Bauelement zuverlässig vor einer Überhitzung geschützt werden kann.
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Die Gehäuseeinrichtung kann ein Gehäuseelement aufweisen, das an der Leiterplattenvorrichtung angeordnet ist. Somit können die Komponenten zwischen dem Gehäuseelement und der Leiterplattenvorrichtung vorteilhaft vor äußeren Einflüssen geschützt werden, beispielweise vor Staub und Verschmutzung. Dadurch eine Langlebigkeit der einzelnen Komponenten ermöglicht werden.
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Ein Fahrzeug weist eine Ausführungsform einer hierin genannten Kühlvorrichtung auf. Auch durch eine solche Ausführungsform können die Vorteile des hier beschriebenen Ansatzes sehr effizient realisiert werden.
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Ein Verfahren zum Herstellen einer Ausführungsform einer hierin genannten Kühlvorrichtung umfasst einen Schritt des Bereitstellens einer Leiterplatteneinrichtung, einer Gehäuseeinrichtung und eines Latentwärmespeichers. Zusätzlich umfasst das Verfahren einen Schritt des Anordnens des Latentwärmespeichers zwischen der Leiterplatteneinrichtung und der Gehäuseeinrichtung, um die Kühlvorrichtung herzustellen. Auch durch eine solche Ausführungsform können die Vorteile des hier beschriebenen Ansatzes sehr effizient realisiert werden.
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Der hier vorgestellte Ansatz schafft ferner eine Vorrichtung, die ausgebildet ist, um die Schritte einer Variante eines hier vorgestellten Verfahrens in entsprechenden Einrichtungen durchzuführen, anzusteuern bzw. umzusetzen. Auch durch diese Ausführungsvariante der Erfindung in Form einer Vorrichtung kann die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe schnell und effizient gelöst werden.
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Eine Vorrichtung kann ein elektrisches Gerät sein, das elektrische Signale, beispielsweise Sensorsignale verarbeitet und in Abhängigkeit davon Steuersignale ausgibt. Die Vorrichtung kann eine oder mehrere geeignete Schnittstelle aufweisen, die hard- und/oder softwaremäßig ausgebildet sein können. Bei einer hardwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen beispielsweise Teil einer integrierten Schaltung sein, in der Funktionen der Vorrichtung umgesetzt sind. Die Schnittstellen können auch eigene, integrierte Schaltkreise sein oder zumindest teilweise aus diskreten Bauelementen bestehen. Bei einer softwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen Softwaremodule sein, die beispielsweise auf einem Mikrocontroller neben anderen Softwaremodulen vorhanden sind.
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Besonders günstig ist eine Ausführungsform des hier vorgestellten Ansatzes als Verfahren zum Betreiben einer Variante einer hier vorgestellten Kühlvorrichtung, wobei das Verfahren einen Schritt des Aktivierens des elektronischen Bauelementes und einen Schritt des Abführens einer beim Betrieb des aktivieren elektronischen Bauelementes entstehenden Wärme über das Schaumelement aufweist. Auch durch eine solches Ausführungsform kann eine zuverlässige und effiziente Wärmeabfuhr von dem elektronischen Bauelement erreicht werden.
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Von Vorteil ist auch ein Computerprogrammprodukt mit Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger wie einem Halbleiterspeicher, einem Festplattenspeicher oder einem optischen Speicher gespeichert sein kann und zur Durchführung oder Ansteuerung der Schritte des Verfahrens nach einer der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen verwendet wird, wenn das Programm auf einem Computer oder einer Vorrichtung ausgeführt wird.
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Die Erfindung wird anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
- 1 eine Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Kühlvorrichtung;
- 2 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines Fahrzeugs;
- 3 ein Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines Verfahrens zum Herstellen einer Kühlvorrichtung;
- 4 ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung zum Herstellen einer Kühlvorrichtung; und
- 5 ein Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines Verfahrens zum Betreiben einer Kühlvorrichtung.
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In der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden für die in den verschiedenen Figuren dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente gleiche oder ähnliche Bezugszeichen verwendet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente verzichtet wird.
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1 zeigt eine Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Kühlvorrichtung 100. Die Kühlvorrichtung 100 ist beispielsweise innerhalb eines Fahrzeugs verbaut.
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Die Kühlvorrichtung 100 weist eine Leiterplatteneinrichtung 105, eine Gehäuseeinrichtung 110 und einen Latentwärmespeicher 115 auf. Die Leiterplatteneinrichtung 105 weist eine Leiterplatte 120 und ein elektronisches Bauelement 125 auf, das an der Leiterplatte 120 angeordnet ist. Die Leiterplatteneinrichtung 105 ist an der Gehäuseeinrichtung 110 angeordnet, wobei die Gehäuseeinrichtung 110 ein Schaumelement 130 und zusätzlich beispielsweise einen optionalen Wärmeverteiler 150 und ein Kühlelement 140 aufweist. Das Kühlelement kann vorliegend beispielsweise als ein einfach ausgestalteter Metallkörper, der eventuell Rippen aufweist, ausgestaltet sein. Der Latentwärmespeicher 115 ist zwischen der Leiterplatteneinrichtung 105 und der Gehäuseeinrichtung 110 angeordnet, genauer gesagt zwischen dem elektronischen Bauelement 125 und dem Kühlelement 140. Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist das Kühlelement 140 zwischen dem Schaumelement 130 und dem Latentwärmespeicher 115 angeordnet oder eingeklemmt.
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Die Gehäuseeinrichtung 110 bildet beispielhaft ein Gehäuseelement 155 aus, das beispielsweise U-förmig ausgeformt ist, wobei die Leiterplatte 120 beispielhaft derart an den Enden des U-förmigen Gehäuseelements 155 angeordnet ist, dass eine Öffnung des U-förmigen Gehäuseelements 115 von der Leiterplatte 120 verdeckt oder fluiddicht verschlossen ist. Somit sind das Schaumelement 130, das Kühlelement 140, der Latentwärmespeicher 115 und das elektronische Bauelement 125 vor äußeren Einflüssen geschützt. Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist ein Wärmeverteiler 150, beispielsweise als spezielle Lage oder Inlay, innerhalb des Gehäuseelements 155 angeordnet.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel entsteht in einem Betriebszustand des elektronischen Bauelements 125 Wärme 160. Die Kühlvorrichtung 100 ist ausgebildet, um diese Wärme 160 unter Verwendung des Schaumelements 130 an eine Umgebung außerhalb der Kühlvorrichtung 100 abzuführen.
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Die Wärme 160 steigt beispielsweise ausgehend von der Leiterplatteneinrichtung 105 bzw. dem elektronischen Bauelement 125 in Richtung Gehäuseeinrichtung 110. Ein Pfeil zeigt beispielhaft einen Richtungsverlauf der Wärme 160 an.
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Die Wärme 160 passiert dabei den Latentwärmespeicher 115. Der Latentwärmespeicher 115 ist derart ausgebildet, dass ein darin befindliches Wärmespeichermaterial (beispielsweise ein spezielles Salz oder Paraffin wie z. B. Dikaliumhydrogenphosphat-Hexahydrat oder Natriumacetat-Trihydrat) bei einer Wärme von lediglich beispielhaft 60 Grad Celsius oder bei einer Wärme von über 60 Grad Celsius schmilzt. Die Wärme 160 passiert nachfolgend das Kühlelement 140, das die Wärme 160 zu dem Schaumelement 130 weiterleitet. Das Schaumelement 130 ist beispielsweise thermisch leitfähig ausgebildet und leitet somit die Wärme 160 an den Wärmeverteiler 150 in dem Gehäuseelement 155 weiter. Der Wärmeverteiler 150 wiederum gibt die Wärme 160 an eine Umgebung der Kühlvorrichtung 100 ab.
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Das Schaumelement 130 ist beispielsweise ausgebildet, um sich unter dem Einfluss der Wärme 160 bzw. bei deren Zunahme auszudehnen. Zusätzlich kann das Schaumelement 130 unter Einfluss der Wärme 160 von einem weichen Zustand in einen festen Zustand übergeben. Aufgrund der Ausdehnung des Schaumelements 130 übt das Schaumelement 130 eine Kraft 145 auf das Kühlelement 140 aus, die von dem Kühlelement 140 auf den Latentwärmespeicher 115 übertragen wird. Ein Pfeil in der 1 zeigt beispielhaft einen Richtungsverlauf der Kraft 145 an. Das Wärmespeichermaterial des Latentwärmespeichers 115 ist unter Einfluss der Wärme 160 zuvor geschmolzen. Nun wirkt die von dem Schaumelement 130 ausgehende Kraft 145 auf den Latentwärmespeicher 115, sodass der Latentwärmespeicher 115 komprimiert wird. Dadurch wird beispielhaft ein Spalt zwischen dem Latentwärmespeicher 115 und dem Kühlelement 140 und/oder ein Spalt zwischen dem Latentwärmespeicher 115 und der Leiterplatteneinrichtung 105 möglichst minimiert, sodass ein thermischer Kontakt beispielsweise verbessert werden kann. Dadurch wird beispielhaft eine Überhitzung der Leiterplatteneinrichtung 105 bzw. des elektronischen Bauelementes 125 vermieden.
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In anderen Worten ausgedrückt schmilzt der Latentwärmespeicher 115 bzw. das Material des Latentwärmespeichers 115 bei einer Temperatur von mehr als 60 Grad Celsius. Wenn das Material des Latentwärmespeichers 115 geschmolzen ist, wird es auf eine minimale Bondliniendicke komprimiert. Somit entsteht ein optimierter Wärmespalt. Die benötigte Kraft 145 für das Komprimieren des Latentwärmespeichers 115 auf die minimale Bondliniendicke wird von dem Schaumelement 130 bereitgestellt.
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In anderen Worten ausgedrückt ermöglicht der hier vorgestellte Ansatz eine verbesserte Kühlung des elektronischen Bauelements 125, das auch als System-on-a-Chip, kurz SoC, bezeichnet werden kann, unter Verwendung des Latentwärmespeichers 115, der auch als Phase Change Material bezeichnet werden kann und des thermisch leitfähigem Schaumelements 130, das auch als Schaum bezeichnet werden kann, mit integriertem Toleranzausgleich. Der Latentwärmespeicher 115, der Wärmeverteiler, der auch als Heatspreader bezeichnet werden kann und das Schaumelement 130 werden in einem Stack-up kombiniert. Dadurch wird der Latentwärmespeicher 115 auf mindestens eine Bondliniendicke, die auch als Bond Line Thickness, kurz BLT, bezeichnet werden kann, verpresst. Die benötigte Kraft 145 hierfür wird von dem thermisch leitfähigen Schaumelement 130 zur Verfügung gestellt. Der hier vorgestellte Ansatz ermöglicht somit eine Verbesserung der Kühlleistung durch Ausgleich der Toleranzen und Verpressung des Latentwärmespeicheers 115 auf eine minimale Bondliniendicke.
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2 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines Fahrzeugs 200 mit einer Kühlvorrichtung 100. Die Kühlvorrichtung 100 ähnelt oder entspricht hierbei der Kühlvorrichtung aus 1.
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3 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines Verfahrens 300 zum Herstellen einer Kühlvorrichtung. Die Kühlvorrichtung ähnelt oder entspricht hierbei der Kühlvorrichtung aus 1 und/oder 2.
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Das Verfahren 300 umfasst einen Schritt 305 des Bereitstellens einer Leiterplatteneinrichtung, einer Gehäuseeinrichtung und eines Latentwärmespeichers. Zusätzlich umfasst das Verfahren 300 einen Schritt 310 des Anordnens des Latentwärmespeichers zwischen der Leiterplatteneinrichtung und der Gehäuseeinrichtung, um die Kühlvorrichtung herzustellen.
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4 zeigt ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung 400 zum Herstellen einer Kühlvorrichtung.
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Die Vorrichtung 400 ist ausgebildet, um das Verfahren aus 3 oder ein ähnliches Verfahren auszuführen. Die Vorrichtung 400 weist eine Einheit 405 zum Bereitstellen und eine Einheit 410 zum Anordnen auf. Die Einheit 405 zum Bereitstellen ist ausgebildet, um den Schritt des Bereitstellens auszuführen und/oder anzusteuern. Die Einheit 410 zum Anordnen ist ausgebildet, um den Schritt des Anordnenes auszuführen und/oder anzusteuern.
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5 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 500 zum Betreiben einer Variante einer hier vorgestellten Kühlvorrichtung, wobei das Verfahren 500 einen Schritt des Aktivierens 510 des elektronischen Bauelementes und einen Schritt des Abführen 520 einer beim Betrieb des aktivieren elektronischen Bauelementes entstehenden Wärme über das Schaumelement aufweist.
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Die beschriebenen und in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele sind nur beispielhaft gewählt. Unterschiedliche Ausführungsbeispiele können vollständig oder in Bezug auf einzelne Merkmale miteinander kombiniert werden. Auch kann ein Ausführungsbeispiel durch Merkmale eines weiteren Ausführungsbeispiels ergänzt werden.
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Ferner können erfindungsgemäße Verfahrensschritte wiederholt sowie in einer anderen als in der beschriebenen Reihenfolge ausgeführt werden.
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Umfasst ein Ausführungsbeispiel eine „und/oder“ Verknüpfung zwischen einem ersten Merkmal und einem zweiten Merkmal, so kann dies so gelesen werden, dass das Ausführungsbeispiel gemäß einer Ausführungsform sowohl das erste Merkmal als auch das zweite Merkmal und gemäß einer weiteren Ausführungsform entweder nur das erste Merkmal oder nur das zweite Merkmal aufweist.
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Bezugszeichen
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- 100
- Kühlvorrichtung
- 105
- Leiterplatteneinrichtung
- 110
- Gehäuseeinrichtung
- 115
- Latentwärmespeicher
- 120
- Leiterplatte
- 125
- elektronisches Bauelement
- 130
- Schaumelement
- 140
- Kühlelement
- 145
- Kraft
- 150
- Wärmeverteiler
- 155
- Gehäuseelement
- 160
- Wärme
- 200
- Fahrzeug
- 300
- Verfahren zum Herstellen einer Kühlvorrichtung
- 305
- Schritt des Bereitstellens
- 310
- Schritt des Anordnens
- 400
- Vorrichtung zum Herstellen einer Kühlvorrichtung
- 405
- Einheit zum Bereitstellen
- 410
- Einheit zum Anordnen
- 500
- Verfahren zum Betreiben einer Kühlvorrichtung
- 510
- Schritt des Aktivierens
- 520
- Schritt des Abführens
