DE10316449A1

DE10316449A1 - Elektronisches Steuergerät mit integrierter Kühlung

Info

Publication number: DE10316449A1
Application number: DE2003116449
Authority: DE
Inventors: Bernd Weber; Thomas Uhland; Gerd Bohmwetsch; Wolfgang Müller-Hirsch; Thorsten-Kai Janitza
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2003-04-10
Filing date: 2003-04-10
Publication date: 2004-10-21

Abstract

Ein elektronisches Steuergerät, das insbesondere für den Automotivbereich vorgesehen ist, besteht zur Abführung hoher anfallender Wärme aus einem Schaltungsträger 17 mit elektrischen Leistungsbauelementen, einem Bauelementeträger 11 mit elektrischen Bauelementen und bedrahteten Sonderbauelementen, wie Elektrolytkondensatoren und Spulen, und aus einem flüssigkeitsdurchströmten Kühlkörper 12 zur Wärmeabführung. Der Kühlkörper 12 weist ein plattenförmiges Gehäuse mit Kanalabschnitten 13 für eine durchströmende Kühlflüssigkeit auf und ist zwischen dem Schaltungsträger 17 und dem Bauelementeträger 11 angeordnet. Dabei wird durch die Integration des flüssigkeitsdurchströmten Kühlkörpers 12 in das elektronische Steuergerät eine optimale Kühlung aller elektrischen Bauelemente erreicht.

Description

STAND DER TECHINIK
Die Erfindung betrifft ein elektronisches Steuergerät, insbesondere für den Automotivbereich, mit einer integrierten Kühleinrichtung.
Im Automotivbereich kommen zunehmend elektronische Steuergerätekonzepte zum Einsatz, vor allem bei der Motorsteuerung, der Getriebesteuerung, bei Startergeneratoren, bei der Karosserieelektronik, usw. Derartige elektronische Steuergeräte besitzen beispielsweise für die Motorsteuerung auf einem Schaltungsträger elektrische Leistungsbauelemente, welche Verlustleistungswärme produzieren. Dabei nimmt die Verlustleistungswärme mit steigenden Schaltungsfunktionen zu, und je nach Einbauort am Motor kann die Wärmebelastung bis zu einer Grenze ansteigen, bei der ein metallischer Kühlkörper ohne durchströmende Kühlflüssigkeit nicht mehr die notwendige Wärmeabführung gewährleisten kann.

Aus der EP 0 968 885 A2 ist es bereits bekannt, ein elektronisches Steuergerät mit einem Schaltungsträger auf eine randseitig teilweise flüssigkeitsdurchströmte Kühlplatte zu montieren. Da hier Kühlkanäle nur an drei Randbereichen der Kühlplatte vorgesehen sind und die bedrahteten Sonderbauelemente, wie z. B. Kondensatoren und Spulen, nicht thermisch an das gekühlte Gehäuse angekoppelt sind, ist dieses Kühlkonzept für Steuergeräte mit einer größeren Verlustleistung nur bedingt einsetzbar.

Ein weiteres Problem bei der vorbekannten Kühlplatte ist, daß sie als Boden eines Gehäuses konzipiert ist und aufgrund der randseitig vorgesehenen Kühlkanalkonfiguration nur einen begrenzten Raum zur Aufnahme von zu kühlenden Schaltungsträgern aufweist. Gerade durch die Entwicklung von Motor-Direkteinspritzung bei Benzin- und Dieselmotoren in Kombination mit Magnet- und Piezoventilsteuerung kommen für das elektronische Steuergerät jedoch weitere Funktionen hinzu, die mit elektrischen bedrahteten Sonderbauelementen, wie Elektrolytkondensatoren und Spulen, realisiert werden und die zusätzlichen Platz benötigen. Dabei produzieren auch diese Sonderbauelemente Verlustleistungswärme, die nach dem herkömmlichen Konzept mit oder ohne Flüssigkeitskühlung nicht mehr ausreichend abgeführt werden kann.

Der Erfindung liegt demgemäß die Aufgabe zugrunde, ein elektronisches Steuergerät verfügbar zu machen, bei dem auch funktions- und einbaubedingte höhere Wärmeverhältnisse sicher und wirkungsvoll durch Wärmeabführung beherrscht werden können.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im Patentanspruch 1 genannten Merkmale gelöst.

Bevorzugte Merkmale, die die Erfindung vorteilhaft weiterbilden, sind den nachgeordneten Patentansprüchen zu entnehmen.

In vorteilhafter Weise wird bei dem erfindungsgemäßen elektronischen Steuergerät durch die Integration des flüssigkeitsdurchströmten Kühlkörpers in die Mitte des Steuergeräts nicht nur eine kompakte Gestaltung des Steuergeräts, sondern auch eine optimale Kühlung aller elektrischen Bauelemente erreicht. Auf der einen Seite des Kühlkörpers ist dabei der Schaltungsträger angeordnet, der bevorzugt in einer bestimmten Segmentierung auf Kühlbänken des Kühlkörpers anliegt und hierdurch eine optimale Wärmeübertragung von den zu kühlenden Bauelementen ermöglicht. Der Bauelementeträger, der vorzugsweise elektrische bedrahtete Sonderbauelemente, wie Elektrolytkondensatoren und Spulen, aufweist, ist an der gegenüberliegenden Seite des Körpers angeordnet und damit ebenfalls optimal zur Wärmeabfuhr angebunden. Durch die erfindungsgemäße Anordnung des Kühlkörpers zwischen dem Schaltungsträger und dem Bauelementeträger sind diese somit thermisch optimiert an eine Wärmesenke gekoppelt.

Vorteilhaft ist weiterhin, daß durch das erfindungsgemäße Konzept auch eine schwingungstechnisch optimierte Anordnung aller elektrischen Bauteile an dem Kühlkörper erreicht wird. Dabei läßt sich der Kühlkörper in seiner Geometrie und seinen Materialkennwerten an die auf ihm anliegenden Schaltungsträger abstimmen und ermöglicht hierdurch beispielsweise eine Montage an einem Motor, ohne daß der Schaltungsträger in gefährdeten Frequenzbereichen eine Schwingungsanregung erfährt, in denen elektrische Bauelemente, insbesondere die Sonderbauelemente, durch die Schwingungsanregung beschädigt oder abgeschüttelt werden können.

Der bei dem erfindungsgemäßen elektronischen Steuergerät vorgesehene Bauelementeträger besteht aus einem Schaltungsträger, wie beispielsweise eine Leiterplatte oder eine Folie, der vorzugsweise auf einer Metallplatte auflaminiert bzw. aufgeklebt ist, wobei diese Metallplatte Bestandteil des Kühlkörpers nach deren Befestigung auf diesem wird. Die Metallplatte kann auch als ein Druckgußteil, vorzugsweise aus Al-GD, ausgeführt sein.

Der Kühlkörper besteht vorzugsweise aus einem Al-GD-Gehäuse mit Einformungen für die Kühlflüssigkeit, wobei die Einformungen zusammen mit der auf dem Kühlkörper befestigten Metallplatte des Bauelementeträgers geschlossene Kanalabschnitte für die Kühlflüssigkeit bilden.

Nach einer bevorzugten weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist das Gehäuse des Kühlkörpers Aufnahmeeinformungen für von dein Bauelementeträger vorstehende Bauelemente auf und die Platte des Bauelementeträgers ist mit in die Aufnahmeeinformungen ragenden Bauelementen als Verschlußdeckel an dem Kühlkörper montiert. Hierdurch bildet die Platte des Bauelementeträgers gleichzeitig einen äußeren Abschlußdeckel für das elektronische Steuergerät.

Alternativ kann der Bauelementeträger auch mit einem Verschlußdeckel versehen sein, wenn die Platte des Bauelementeträgers nicht mit zu dem Kühlkörper weisenden Sonderbauelementen an dem Kühlkörper befestigt ist. Ein weiterer Verschlußdeckel, der den Schaltungsträger umgibt, ist an dem Kühlkörper befestigt.

Nach einer bevorzugten weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist der Kühlkörper isoliert durchtretende Stifte zur elektrischen Verbindung des Schaltungsträgers und des Bauelementeträgers auf, um diese beiden Träger in kompakter Weise miteinander zu verbinden.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung sind dem nachfolgenden Beschreibungsteil zu entnehmen, in dem Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert wird. Es zeigen:
1 eine perspektivische Explosionszeichnung eines ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen elektronischen Steuergerätes;
2 eine perspektivische Ansicht des zusammengebauten Steuergerätes gemäß 1;
3 eine perspektivische Draufsicht auf eine Ausbildungsform eines Kühlkörpers;
4 einen Schnitt durch eine in dein Kühlkörper gebildete Stiftleiste;
5 eine perspektivische Explosionszeichnung eines zweiten Ausführungsbeispiels der Erfindung mit oberem und unterem Verschlußdeckel; und
6 eine perspektivische Darstellung des zusammengebauten elektronischen Steuergeräts gemäß 5.
In der 1 ist ein erstes Ausführungsbeispiel eines elektronischen Steuergeräts 10 in Explosionsansicht und in 2 in Zusammenbaustellung gezeigt. Das elektronische Steuergerät 10 setzt sich zusammen aus einem Bauelementeträger 11, der Verlustleistungswärme produzierende elektrische Bauelemente, vorzugsweise bedrahtete Sonderbauelemente, wie Elektrolytkondensatoren oder Spulen, außerhalb seines Randbereichs an seiner Unterseite aufweist. Unterhalb des Bauelementeträgers 11 befindet sich ein Kühlkörper 12, der zur Abführung von Verlustleistungswärme flüssigkeitsdurchströmte Kühlkanalabschnitte 13 aufweist, die nach oben durch den umlaufenden Randbereich des Bauelementeträgers 11 abgeschlossen sind und nicht dargestellte Anschlüsse für den Zulauf und den Ablauf von Kühlflussigkeit aufweisen. Mit 14 sind an dem Kühlkörper 12 seitlich außen angeformte Befestigungsöffnungen bezeichnet. Der Kühlkörper 12 weist weiterhin an einem Außenrand eine Kühlabschirmung 15 für Steckerbuchsen 16 auf, die an dem Schaltungsträger 17 angeformt sind. Der Schaltungsträger 17 ist ebenso wie der Kühlkörper 12 und der Bauelementeträger 11 plattenförmig mit einem annähernd rechteckigen Grundriß ausgebildet.
Der Bauelementeträger 11 besteht aus einem Schaltungsträger, wie beispielsweise eine Leiterplatte oder eine Folie, der auf eine Metallplatte 27 auflamiert bzw. aufgeklebt ist. Die Metallplatte 27 überragt dabei den mittig angeordneten Schaltungsträger an allen vier Rändern und dient nach der Befestigung auf dem Kühlkörper 12 dazu, die in dem Kühlkörper 12 bei diesem Ausführungsbeispiel randseitig vorgesehenen Einformungen zur Bildung von Kühlkanalabschnitten 13 für die Kühlflüssigkeit nach oben abzuschließen. Dabei kann die Platte 27 durch eine Dichtschweißverbindung, eine Dichtlötverbindung, Aufbringen eines Dichtelements, wie Einlegdichtung, eine Naß- oder Trockendichtung, anschließendes Verschrauben oder Vercrimpen der Metallplatte am Gehäuse befestigt sein.
Unterhalb des Schaltungsträgers 17 ist ein Verschlußdeckel 18 dargestellt, der, wie in 2 gezeigt, den Schaltungsträger 17 von unten abdeckt und an dem Kühlkörper 12 befestigt ist. Der Schaltungsträger 17 ist dabei auf einem umlaufenden randseitigen Absatz 19 des Verschlußdeckels 18 lagegesichert angeordnet.
In 3 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Kühlkörpers 12' perspektivisch von unten dargestellt. Der Kühlkörper 12' besteht ebenso wie der Kühlkörper 12 aus einem Al-GD-Gehäuse. Mit 20 sind Kühlbänke bezeichnet, die an der Unterseite des Kühlkörpers 12' für die Anlage des Schaltungsträgers 17 zur Verbesserung der Wärmeabfuhr gebildet sind. Montagebohrungen 21 zur Befestigung eines Schaltungsträgers 17 sind in dein Kühlkörper 12' vorgesehen. Mit 22 ist eine Kontaktstiftleiste bezeichnet, die isoliert in einer Öffnung des Kühlkörpers 12' eingespritzt ist und zur elektrischen Verbindung zwischen Bauelementeträger und Schaltungsträger dient.
4 zeigt einen vergrößerten Teilschnitt durch den Kühlkörper 12' im Bereich der Kontaktstiftleiste 22 und verdeutlicht, daß die Kontaktstifte 23 gegeneinander isoliert in einem Kunststoffabschnitt 24 gehalten sind und über den Rand 25 der Kontaktstiftleiste 22 nach oben und unten zur entsprechenden Kontaktierung mit einem Bauelementeträger bzw. einem Schaltungsträger vorstehen.
Das in den 5 und 6 dargestellte Ausführungsbeispiel zeigt ein elektronisches Steuergerät 10', das sich von dem elektronischen Steuergerät 10 gemäß den 1 und 2 nur dadurch unterscheidet, daß der Bauelementeträger 11 umgekehrt auf dem Kühlkörper 12 angeordnet ist. Dabei weisen die bedrahteten Sonderbauelemente des Bauelementeträgers 11 nicht zum Kühlkörper, sondern von diesem weg. Weiterhin ist bei diesem Ausführungsbeispiel ein Verschlußdeckel 26 vorgesehen, der den Bauelementeträger 11 umgibt und an dem Kühlkörper 12 befestigt ist, wie in 6 gezeigt. Die 6 zeigt das zusammengebaute elektronische Steuergerät 10' in einer um 180° um eine vertikale Achse gedrehten Stellung.
Für die elektrische Verbindung des Bauelementeträgers 11 mit dem Schaltungsträger 17 können alternativ zu der in den 3 und 4 gezeigten Kontaktstiftleiste 22 auch separate flexible Leiterplattenverbinder, welche in den Bauelementeträger und den Schaltungsträger gesteckt oder verlötet werden, oder integrierte flexible Verbindungsbahnen verwendet werden.
BEZUGSZEICHENLISTE:

Claims

Elektronisches Steuergerät, insbesondere für den Automotivbereich, bestehend aus einem Schaltungsträger (17) mit elektrischen Leistungsbauelementen, einem Bauelementeträger (11) mit elektrischen Bauelementen und bedrahteten Sonderbauelementen, wie Elektrolytkondensatoren und Spulen, und aus einem flüssigkeitsdurchströmten Kühlkörper (12, 12') zur Wärmeabführung, wobei der Kühlkörper (12, 12') ein plattenförmiges Gehäuse mit Kanalabschnitten (13) für eine durchströmende Kühlflüssigkeit aufweist, und wobei der Kühlkörper (12, 12') zwischen dem Schaltungsträger (17) und dem Bauelementeträger (11) angeordnet ist.
Steuergerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaltungsträger (17) an dem Kühlkörper (12, 12') an vorbestimmten Segmentierungen auf Kühlbänken (20) anliegt, die an dem Kühlkörper (12, 12') gebildet sind.
Steuergerät nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse des Kühlkörpers (12, 12') Einformungen (13) aufweist, die zur Bildung von Kanalabschnitten (13) mittels einer Platte (27) abgedichtet verschließbar sind.
Steuergerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Platte (27) aus Metall besteht und den Bauelementeträger (11) als Leiterplatte oder Folie, vorzugsweise auflaminiert, aufweist.
Steuergerät nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Platte (27) als Druckgußteil ausgebildet ist, und daß der Schaltungsträger (17) mit dem Kühlkörper (12, 12') verbunden ist.
Steuergerät nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Verschlußdeckel (18), der den Schaltungsträger (17) umgibt und an dem Kühlkörper (l2, 12') befestigt ist.
Steuergerät nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse des Kühlkörpers (12, 12') wenigstens eine Aufnahmeeinformung für von dem Bauelemente träger (11) vorstehende Bauelemente aufweist, und die Platte (27) des Bauelementeträgers (11) mit in die Aufnahmeeinformung bzw. Aufnahmeeinformungen ragenden Bauelementen als Verschlußdeckel an dem Kühlkörper (12) montiert ist.
Steuergerät nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein den Bauelementeträger (11) mit von dem Kühlkörper (12) wegweisenden Sonderbauelementen umgebenden Verschlußdeckel (26) vorgesehen ist, der an dem Kühlkörper (12) montiert ist.
Steuergerät nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlkörper (12, 12') isoliert durchtretende Kontaktstifte (22, 23) zur elektrischen Verbindung des Schaltungsträgers (17) und des Bauelementeträgers (11) aufweist.
Steuergerät nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlkörper (12, 12') Anschlüsse für den Zu- und den Ablauf von Kühlflüssigkeit aufweist.
Steuergerät nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlkörper (12) eine seitliche Ausformung (15) für wenigstens eine Steckerleiste (16) aufweist.