DE10313355B4

DE10313355B4 - Kühlanordnung

Info

Publication number: DE10313355B4
Application number: DE2003113355
Authority: DE
Inventors: Edward Kotowicz; Christian Weinzierl; Klaus-Peter Novotny
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Vitesco Technologies GmbH
Priority date: 2003-03-25
Filing date: 2003-03-25
Publication date: 2005-12-15
Anticipated expiration: 2023-03-26
Also published as: DE10313355A1

Abstract

Kühlanordnung zum Kühlen von elektrischen und/oder elektronischen Bauelementen (31, 32; 311, 312), insbesondere eines Steuergeräts einer Brennkraftmaschine mit
– einem ersten Teil (1), dass die elektronischen Bauelemente (31, 32; 311, 312) aufnimmt und wobei das erste Teil (1) eine Ausnehmung (111) aufweist,
– einem zweiten Teil (2), welcher mit dem ersten Teil (1) mechanisch verbunden ist und durch die Ausnehmung (111) des ersten Teils (1) zumindest teilweise aufgenommen ist, um die Bauhöhe der Kühlanordnung gering zu halten, wodurch das erste Teil, (1) mit dem zweiten Teil (2) einen Kühlkanal (4) mit einer Einlassöffnung (5) und einer Auslassöffnung (6) bildet, der von einem Kühlmittel (7) durchströmt ist, wobei zumindest eine Seitenfläche des Kühlkanals (4) ein Teil der Außenwand des ersten zu kühlenden Teils (1) ist, und
wobei die dem ersten Teil (1) abgewandte Seite des zweiten Teils (2) als Kühl- und Montagefläche für ein weiteres zu kühlendes elektrisches...

Description

Die Erfindung betrifft eine Kühlanordnung zum Kühlen von elektrischen und/oder elektronischen Bauelementen, insbesondere eines Steuergeräts einer Brennkraftmaschine.

Bei herkömmlichen Kühlanordnungen wird auf ein zu kühlendes Bauteil ein zusätzlicher Kühler aufgebracht. Dieser Kühler wird von einem Kühlmittel durchflossen und kühlt so das Bauteil. Es erweist sich als nachteilig, dass sich zwischen dem ersten Bauteil und dem Kühler ein thermisch schlecht leitender Übergang befindet, dessen thermische Leitfähigkeit wiederum durch eine thermisch gut leitfähige Paste verbessert werden muss. Wird eine solche Kühlanordnung nun in einem Bereich mit einer hohen Umgebungstemperatur eingesetzt, in dem zusätzlich Verschmutzungen auftreten können, so wird die thermische Leitfähigkeit dieses Übergangs im Laufe des Betriebs abnehmen. Solche Umgebungsbedingungen sind beispielsweise in der Umgebung von Brennkraftmaschinen – etwa in einem Motorraum eine Kraftfahrzeugs – anzutreffen.

Aus der internationalen Patentanmeldung WO 02/35899 A1 ist eine Kühlanordnung bekannt, die ein im Wesentlichen flaches Metallgehäuse mit Flüssigkeitskühlung aufweist, das mit mehreren Auflageflächen zur thermisch leitenden Kontaktierung von Halbleiterbauelementen versehen ist. Die Kühlkanäle, die von der Kühlflüssigkeit durchflossen werden, sowie die Kühlanordnung sind hier einstückig ausgebildet. Die bekannte Kühlanordnung wird hier als Spritzgussteil hergestellt, wobei für die Kühlkanäle ein Kern erforderlich ist, was das Herstellungsverfahren teuer und aufwändig macht.

Es sind verschiedene Kühlanordnungen bekannt, bei denen ein Gehäuseteil und ein Deckel einen Kühlkanal bilden ( DE 200 20 270 U1 , DE 44 16 616 A1 , DE 196 45 636 C1 , DE 201 15 922 U1 , EP 309 986 A1 ).

Weiter sind Kühlanordnungen bekannt, bei denen Kraftstoff als Kühlmittel Verwendung findet (WO 98/04108 A, DE 199 58 189 A1 , DE 28 23 666 A1 ):
Darüber hinaus ist eine Kühlanordnung bekannt (WO 02/35899 A1), deren Gehäuse mittels eines Druckgussverfahrens hergestellt wird.

Weiter sind Kühlanordnungen bekannt ( DE 43 27 895 A1 , DE 197 15 592 A1 ), bei denen elektronische Bauelemente direkt von einem Kühlmittel umströmt werden.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Kühlanordnung mit einer geringen Bauhöhe zu schaffen, die einfach zu fertigen ist und eine gute Wärmeabfuhr von einem zu kühlenden Teil ermöglicht.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

Dabei weist die Kühlanordnung ein erstes zu kühlendes Teil auf. Die Vorrichtung weist weiter ein zweites Teil auf, das mit dem ersten Teil einen Kühlkanal bildet, der von einem Kühlmittel durchströmt ist. Dieser Kühlkanal weist eine Einlass- und eine Auslassöffnung auf. Dabei ist zumindest eine Seite des Kühlkanals Bestandteil des ersten zu kühlenden Teils.

Weiter ist die dem ersten Teil abgewandte Seite des zweiten Teils als Kühl- und Montagefläche für ein weiteres zu kühlendes elektrisches und/oder elektronisches Bauelement und/oder eine zu kühlende Schaltung ausgebildet.

So kann auf einfache Weise eine Kühlanordnung geschaffen werden, die keine Temperaturbarriere zwischen dem ersten zu kühlenden Teil und dem Kühlmittel aufweist.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.

In einer bevorzugten Ausführungsform bilden das erste und das zweite Bauteil einen mäanderförmigen Kühlkanal, wodurch die von dem Kühlmittel überströmte Fläche vergrößert wird und so die Effizienz der Kühlanordnung gesteigert wird.

Vorzugsweise weist das erste Bauteil und/oder. das zweite Bauteil zumindest eine Rippe auf, sodass die beiden Bauteile im montierten Zustand den mäanderförmigen Kühlkanal bilden.

Auf diese Weise entsteht in einer bevorzugten Ausführungsform zwischen den Rippen, zwischen der Rippe des ersten Bauteils und dem zweiten Bauteil oder zwischen der Rippe des zweiten Bauteils und dem ersten Bauteil ein Entlüftungskanal, der ein einfaches Entlüften des Kühlkanals beim Befüllen mit dem Kühlmittel möglich macht.

In einer weiteren Variante kann das erste Bauteil. eine Leiterplatte mit einer Schaltung, beispielsweise mit der eines Steuergeräts einer Brennkraftmaschine aufweisen. Ein zum Betreiben der Brennkraftmaschine verwendeter Kraftstoff kann dann vorzugsweise als Kühlmittel zum Einsatz kommen. Wodurch das erste Bauteil auf einfache Weise gekühlt und die von elektrischen und/oder elektronischen Bauelementen erzeugte Verlustwärme abgeführt werde kann.

Die Erfindung und im Folgenden anhand der Ausführungsbeispiel näher erläutert. Es zeigen:
1a eine Draufsicht auf ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung,
1b eine Seitenansicht des ersten Ausführungsbeispiels,
2a eine Draufsicht auf ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung,
2b eine Seitenansicht des zweiten Ausführungsbeispiels,
3 ein Ausführungsbeispiel eines zweiten Bauteils,
4 einen Schnitt durch ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung, und
5 ein Schnitt durch ein Ausführungsbeispiel eines Kühlkanals.
1a zeigt eine Kühlvorrichtung in der Draufsicht, die ein erstes Bauteil 1 und ein zweites Bauteil 2 aufweist. Das erste Bauteil 1, hier ein Gehäuse 11 mit einer Bodenplatte 12 (siehe 1b), weist eine Leiterplatte 3 auf (siehe 4).
Die Leiterplatte 3 weist weiter herkömmliche Bauelemente 31, wie beispielsweise Spulen 311 und Kondensatoren 312, und oberflächenmontierte Bauelemente 32, wie beispielsweise Leistungshalbleiter und integrierte Schaltungen auf. Im hier dargestellten Ausführungsbeispiel sind die herkömmlichen Bauelemente 31 auf der dem zweiten Bauteil 2 zugewandten Seite der Leiterplatte 3 angeordnet. Die oberflächenmontierten Bauelemente 32 sind auf der dem zweiten Bauteil 2 abgewandten Seite der Leiterplatte 3 angeordnet. Die Bauelemente 31 und/oder 32 erzeugen aufgrund der beim Betrieb auftretenden Verlustleistung Wärme, die über das erste Bauteil 1 nach außen abgeführt wird.
Die auf der Leiterplatte 3 aufgebaute Schaltung stellt hier eine Schaltungsanordnung für die Steuerung einer Brennkraftmaschine dar. Eine solche Schaltung kann beispielsweise direkt an der Brennkraftmaschine oder im Motorraum eines Kraftfahrzeugs angeordnet sein. Hier ist eine ausreichende Wärmeabfuhr aufgrund einer hohen Umgebungstemperatur von besonderer Bedeutung.
Das erste Bauteil 1 weist eine Ausnehmung 111 auf, die das zweite Bauteil 2 aufnimmt. Eine Dichtfläche 16 zwischen dem ersten und dem zweiten Bauteil 1 und 2 entlang dieser Ausnehmung 111 kann zum einen durch eine Kunststoffdichtung 17 oder auch durch ein flüssiges Dichtmittel, das nach der Montage aushärtet, abgedichtet sein (vgl. 5). Bei der Verwendung eines flüssigen Dichtmittels kann das erste und/oder zweite Bauteil 1, 2 entlang der Dichtfläche 16 eine zusätzliche Nut aufweisen. Evtl. können hier auch elastische Klebstoffe zum Einsatz kommen.
Das Gehäuse 11 des ersten Bauteils 1 und das zweite Bauteil 2 werden in einem Druckgussverfahren beispielsweise aus Aluminium gefertigt. Alternativ können für das erste und/oder zweite Bauteil 1, 2 auch andere thermisch gut leitende Werkstoffe, beispielsweise metallische Werkstoffe oder Kunststoffe, Verwendung finden. Besteht auch das zweite Bauteil 2 aus einem thermisch gut leitenden Werkstoff, so wird durch den Wärmeübergang vom ersten zum zweiten Bauteil 1, 2 in Verbindung mit dem, den Kühlkanal 4 durchströmenden Kühlmittel 7, die Kühlwirkung der Kühlvorrichtung weiter erhöht.
Bei der Verwendung eines flüssigen Dichtmittels wird das erste Bauteil 1 mit dem zweiten Bauteil 2 verklebt. Treten am Einbauort der Kühlvorrichtung Vibrationen auf, so können, wie hier dargestellt, zusätzliche Verbindungsmittel, beispielsweise Schrauben 8, die mechanische Verbindung der beiden Bauteile 1 und 2 sichern.
Der Kühlkanal 4 (vgl. hierzu 3, 4 und 5), der durch das erste und das zweite Bauteil 1 und 2 gebildet wird, weist eine Einlassöffnung 5 und eine Auslassöffnung 6 auf. Durch die Einlassöffnung 5 durchströmt ein Kühlmittel 7 den Kühlkanal 4 und tritt durch die Auslassöffnung 6 wieder aus. Das Kühlmittel 7 überströmt dann unmittelbar das zu kühlende Bauteil 1.
Wird die Kühlvorrichtung zum Kühlen einer elektrischen und/oder elektronischen Schaltung einer Motorsteuerung verwendet, so kann der zum Betreiben der Brennkraftmaschine verwendete Kraftstoff als Kühlmittel 7 eingesetzt werden. Der Kraftstoff wird hierzu aus einem Vorratsbehälter über eine Leitung zur Einlassöffnung 5 geführt, durchfließt den Kühlkanal 4, tritt an der Auslassöffnung 6 wieder in eine weitere Leitung und wird von hier aus über eine Pumpe der Brennkraftmaschine zugeführt. Besonders geeignet erweist sich Dieselkraftstoff als Kühlmittel 7, der hier in einem Temperaturbereich zwischen 60 und 90° C eingesetzt wird.
Weiter weist die in 1a dargestellte Vorrichtung zwei Steckverbinder 91 und 92 auf, die zur elektronischen Kontaktierung der Leiterplatte 3 dienen. Über mehrere Öffnungen 10 kann die Vorrichtung an ihrem Einbauort mit nicht dargestellten Verbindungsmitteln befestigt werden.
1b zeigt eine Seitenansicht des ersten Ausführungsbeispiels der Kühlvorrichtung. Identische oder funktionell identische Bauelemente weisen hier die selben Bezugszeichen wie in 1a auf.
In 2a ist ein zweites Ausführungsbeispiel einer Kühlanordnung dargestellt. Identische oder funktionell identische Bauelemente weisen hier die selben Bezugszeichen wie in 1a und 1b auf.
Diese Kühlanordnung weist ein drittes Bauteil 210 auf, das Komponenten einer weiteren elektronischen Schaltung, beispielsweise eines Zusatzmoduls, beinhaltet und auf der dem ersten Bauteil 1 abgewandten Seite des zweiten Bauteils 2 angeordnet ist. Auf diese Weise können die Bauelemente 31, 32 im dritten Bauteil 210 ebenfalls durch das Kühlmittel 7 im Kühlkanal 4 gekühlt werden.
Das dritte Bauteil 210 weist weiter einen Steckverbinder 93 auf, der zum Kontaktieren der Bauelemente im dritten Bauteil 210 dient.
2b zeigt eine Seitenansicht des zweiten Ausführungsbeispiels.
3 zeigt ein Ausführungsbeispiel des zweiten Bauteils 2 mit den Ein- und Auslassöffnungen 5 und 6. Bei der Montage wird das zweite Bauteil 2 in die Ausnehmung 111 des ersten Bauteils 1 eingesetzt, wobei die Dichtfläche 16 wie bereits oben beschrieben abgedichtet wird. Zwischen den Rippen 23 und dem ersten Bauteil 1 befindet sich im montierten Zustand ein Spalt.
In 5 ist ein Schnitt durch den Kühlkanal 4 der Kühlanordnung entlang der Schnittlinie V-V in 1a dargestellt. Hier ist der Entlüftungskanal 15 zwischen der Rippe 23 und dem ersten Bauteil 1 deutlich zu erkennen. Auch hier weisen identische oder funktionell identische Bauelemente die selben Bezugszeichen wie in den übrigen Figuren auf. Die Ausnehmung 111 ist in der 5 nicht vollständig dargestellt. Dieser Spalt wirkt als Entlüftungskanal 15 (vgl. 5), durch den beim Befüllen der Kühlanordnung die im Kühlkanal 4 befindliche Luft von der der Einlassöffnung 5 zugewandten Seite des Kühlkanals 4 zur Auslassöffnung 6 hindurch gelangen kann. Auf diese Weise wird verhindert, dass sich im Kühlkanal 4 Lufteinschlüsse bilden, die die Wärmeabfuhr der Kühlanordnung reduzieren würden.
Der Fluss des Kühlmittels 7 ist hier beispielhaft durch Pfeile dargestellt.
4 zeigt einen Schnitt durch ein weiteres Ausführungsbeispiel der Kühlanordnung. Die Schnittlinie IV-IV verläuft wie in 1b dargestellt. Der Schnitt zeigt das erste Bauteil 1, sowie die Leiterplatte 3 mit den elektrischen und/oder elektronischen Bauelementen 311 und 312.
Weiter ist der Teil des Kühlkanal 4 zu erkennen, der durch das erste Bauteil 1 gebildet wird. In diesem Ausführungsbeispiel sind im ersten Bauteil 1 Rippen 13 angeordnet. Diese Rippen 13 bilden zusammen mit dem zweiten Bauteil 2 und/oder mit den Rippen 23 des zweiten Bauteils 2 den mäanderförmigen Kühlkanal 4.
Die Rippen 13, 23 können alternativ ganz im ersten oder zweiten Bauteil 1 oder 2 angeordnet sein und dann im montierten Zustand in das gegenüberliegende Bauteil ragen, wodurch ebenfalls ein Entlüftungskanal 15 zwischen der Rippe 13 oder 23 und dem gegenüberliegenden Bauteil 2 bzw. 1 entsteht.

Claims

Kühlanordnung zum Kühlen von elektrischen und/oder elektronischen Bauelementen (31, 32; 311, 312), insbesondere eines Steuergeräts einer Brennkraftmaschine mit – einem ersten Teil (1), dass die elektronischen Bauelemente (31, 32; 311, 312) aufnimmt und wobei das erste Teil (1) eine Ausnehmung (111) aufweist, – einem zweiten Teil (2), welcher mit dem ersten Teil (1) mechanisch verbunden ist und durch die Ausnehmung (111) des ersten Teils (1) zumindest teilweise aufgenommen ist, um die Bauhöhe der Kühlanordnung gering zu halten, wodurch das erste Teil, (1) mit dem zweiten Teil (2) einen Kühlkanal (4) mit einer Einlassöffnung (5) und einer Auslassöffnung (6) bildet, der von einem Kühlmittel (7) durchströmt ist, wobei zumindest eine Seitenfläche des Kühlkanals (4) ein Teil der Außenwand des ersten zu kühlenden Teils (1) ist, und wobei die dem ersten Teil (1) abgewandte Seite des zweiten Teils (2) als Kühl- und Montagefläche für ein weiteres zu kühlendes elektrisches und/oder elektronisches Bauelement (31, 32; 311, 312) und/oder eine zu kühlende Schaltung ausgebildet ist.
Kühlanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkanal (4) die Form eines Mäanders aufweist.
Kühlanordnung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkanal (4) zumindest einen Entlüftungskanal (15) aufweist, der zum Entlüften des Kühlkanals (4) beim Befüllen dient.
Kühlvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Bauteil (1) eine Leiterplatte (3), insbesondere eine elektrische Schaltung, zum Steuern einer Brennkraftmaschine aufnimmt.
Kühlanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlanordnung ein Teil einer Steuerung einer Brennkraftmaschine ist, wobei das Kühlmittel (4) ein Kraftstoff ist.
Kühlanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlmittel ein Dieselkraftstoff ist.
Kühlanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Bauteil (1) und das zweite Bauteil (2) Druckgussbauteile sind.
Kühlanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkanal (4) durch eine Dichtung (17) auf einer Dichtfläche (16) zwischen dem ersten und dem zweiten Bauteil (1, 2) abgedichtet ist
Kühlanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass herkömmliche Bauelemente (31), insbesondere Spulen (311) und Kondensatoren (312) auf der dem zweiten Bauteil (2) zugewandten Seite einer Leiterplatte (3) angeordnet sind, wobei die Bauhöhe des ersten Teils (1) durch die Höhe der herkömmlichen Bauelemente (31; 311, 312) bestimmt wird.
Kühlanordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der die herkömmlichen Bauelemente (31; 311, 312) aufnehmende Bereich des ersten Teils (1) und der zweite Teil (2) eine ebene Kühl- und Montagefläche bilden.