DE19911204B4

DE19911204B4 - Anordnung zum Kühlen elektronischer Bauelemente

Info

Publication number: DE19911204B4
Application number: DE19911204A
Authority: DE
Inventors: Herbert Dr.-Ing. Damsohn; Conrad Dr.-Ing. Pfender
Original assignee: Behr GmbH and Co KG
Current assignee: Mahle Behr GmbH and Co KG
Priority date: 1999-03-13
Filing date: 1999-03-13
Publication date: 2008-09-11
Anticipated expiration: 2019-03-14
Also published as: DE19911204A1

Abstract

Anordnung zum Kühlen elektronischer Bauelemente (12, 14) in einem Kraftfahrzeug, mit einem Kühlmittelkühler (1), einer Trägerplatte (11, 13) aus Metall, auf der die elektronischen Bauelemente (12, 14) angeordnet sind, wobei die Trägerplatte (11, 13) in wärmeleitender Verbindung mit einem metallischen Bauteil des Kühlmittelkühlers (1) steht, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlmittelkühler (1) der Wärmetauscher für das Kühlmittel des Kraftfahrzeugantriebsmotors ist.

Description

Die ständige zunehmende Miniaturisierung elektronischer Bauteile führt zu sehr hohen Leistungs- und Verlustleistungsdichten. Die zulässige Sperrschichttemperatur von Halbleitern bleibt dagegen konstant, so dass hohe Anforderungen an Kühlkörper für die elektronischen Bauteile gestellt werden. Im Automobilbereich erreicht die Leistungselektronik inzwischen mehrere Kilowatt, wobei die Verlustleistungen üblicherweise zwischen 0,4 kW bis 2 kW für eine Baueinheit liegen.
Zur Kühlung von Leistungshalbleitern werden häufig Aluminiumstrangpressprofile eingesetzt. Diese sind in ihrem Querschnitt entsprechend konfiguriert und mit mehreren in unterschiedliche Richtungen ragenden Rippen versehen. Darüber hinaus sind Aluminiumträgerplatten bekannt, die zur Oberflächenvergrößerung mit angelöteten Kühlrippen aus dünnen Aluminiumbändern versehen sind. Die Leistungsdichte bezogen auf die nutzbare Kühlfläche ist für viele Anwendungen nicht ausreichend, was teilweise auch an den zu geringen Luftleistungen kühlluftseitig liegt. Auch die Maßnahmen zur Oberflächenvergrößerung durch aufgelötete Rippen erfordert einen kostenintensiven Lötprozess mit der Gefahr der Unebenheit durch Verzug. Dadurch wird die Oberflächenqualität der Kühleinrichtung beeinträchtigt, was wiederum den Wärmefluss behindert.
In Patent Abstracts of Japan 08250629 A vom 27.09.1996 wurde zur Erhöhung der Wärmeübertragungsleistung bereits eine Kühleinrichtung für elektrische Bauelemente vorgeschlagen, bei der an einem flachen Befestigungselement für die Aufnahme der elektronischen Bauelemente orthogonal zur Ebene des Befestigungselementes angeordnete Platten befestigt sind. Zwischen den Platten sind Wellrippen angeordnet, die mit den Platten in wärmeleitender Verbindung stehen. Das Befestigungselement und die Platten bestehen aus Aluminium und sind zusammengelötet. Das Gesamtpaket aus Befestigungselement, Platten und Rippen muss von einem Kühlluftstrom beaufschlagt werden, um die Wärme abzuführen. Außerdem benötigt eine solche Kühleinrichtung einen großen Bauraum, der in Personenkraftfahrzeugen meist nicht zur Verfügung steht und es wird auch eine enorme Leistung zur Erzeugung eines ausreichenden Kühlluftstromes benötigt.
Die EP 0309 986 A offenbart eine elektronisch Steuervorrichtung für die Nutzung in einem Kraftfahrzeug, die eine kühlwasserdurchströmte Platte aufweist. Die DE 3010363 A1 offenbart ein Gerät mit Kühlkanälen. Auch die DE 41 31 739 A1 offenbart eine Kühleinrichtung für elektronische Bauelemente.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde eine Anordnung zum Kühlen elektronischer Bauelemente zuschaffen, die eine hohe Kühlleistung aufweist und kostengünstig herstellbar ist.
Diese Aufgabe wird durch eine Kühlvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Als Vorteil der Erfindung ist es anzusehen, dass mit äußerst geringem Aufwand eine wirksame Kühlvorrichtung für elektronische Bauelemente geschaffen ist, und zwar durch die Kombination mit einem ohnehin erforderlichen Wärmetauscher für das Kühlmittel eines Antriebsmotors in einem Kraftfahrzeug. Ein solcher Wärmetauscher verfügt einerseits über eine große wärmeübertragende Oberfläche, wobei diesem Wärmetauscher üblicherweise ein Lüfter zur Erzeugung eines angemessenen Kühlluftstromes zugeordnet ist. Da der Wärmetauscher und der Lüfter zur Erzeugung des Kühlluftstromes ohnehin im Kraftfahrzeug vorhanden sind, ist für die vorliegende Erfindung lediglich die Trägerplatte zur Aufnahme der elektronischen Bauelemente zusätzlich erforderlich, wobei diese Trägerplatte wahlweise an der Außenseite eines Kühlmittelkastens oder an einem Seitenteil des Wärmetauschers befestigt werden kann. Im Falle der Befestigung am Kühlmittelkasten erfolgt die Wärmeabfuhr durch den Kühlmittelstrom, wobei vorzugsweise die Trägerplatte dem abströmseitigen Kühlmittelkasten zugeordnet ist. Mit der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung wird eine hohe Kühlleistung auf kleiner Grundfläche erreicht, wodurch eine ausreichende Wärmeabfuhr gegeben ist.
Es ist durchaus denkbar, das Seitenteil des Wärmetauschers selbst als Trägerplatte für die elektronischen Bauelemente auszubilden. In diesem Fall hat das Seitenteil eine Doppelfunktion, nämlich diejenige der Trägerplatte zur Aufnahme der elektronischen Bauelemente und die des Seitenteils als äußeres Versteifungselement, das auch zur Aufnahme von Befestigungsmitteln für den Wärmetauscher dient. Ist das Seitenteil selbst die Trägerplatte, so ist eine unmittelbare stoffschlüssige Verbindung zwischen Trägerplatte und der benachbarten Wellrippe gegeben.
Sofern die Trägerplatte ein separates Bauteil ist, das an einem herkömmlichen Seitenteil des Kühlmittelkühlers oder an dessen Kühlmittelkasten befestigt wird, so sind mechanische Verbindungsmittel ebenfalls möglich, bei spielsweise Schrauben oder Nieten. Für den Fall, daß eine möglichst große thermische Entkopplung zwischen dem Kühlmittel im Wärmetauscher und den elektronischen Bauelementen vorhanden sein soll, kann es zweckmäßig sein das Wärmetauscherrohr, welches der Trägerplatte mit den elektronischen Bauelementen benachbart ist, zu verschließen, wobei ein Verschluß an der Einlaufseite für besonders zweckmäßig erachtet wird.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind nachstehend anhand der Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:
1 einen als Querstromkühler ausgeführten Kühlmittelkühler eines Kraftfahrzeuges mit einer Kühlvorrichtung für elektronische Bauelemente,
2 eine Ausführungsvariante zur 1.
In 1 ist ein Kühlmittelkühler 1 gezeigt, der als Querstromkühler ausgeführt ist. Der Kühlmittelkühler 1 umfaßt ein Wärmetauschernetz 2, das aus einer Vielzahl parallel angeordneter Wärmetauscherrohre 3 und dazwischen angeordneten Wellrippen 4 besteht. Die Wärmetauscherrohre 3 erstrecken sich zwischen zwei Kühlmittlkästen 5 und 6, wobei der Kühlmittelkasten 5 mit einem Zulaufanschluß 7 und der Kühlmittelkasten 6 mit einem Rücklaufanschluß 8 für das Kühlmittel versehen sind.
Am unteren Rand des Wärmetauschernetzes 2 befindet sich ein unteres Seitenteil 9, das in wärmeleitendem Kontakt mit der untersten Wellrippe 4 steht. Am oberen Rand des Wärmetauschernetzes 2 befindet sich ein oberes Seitenteil 10, das an der oberen Wellrippe 4 anliegt. Die Seitenteile 9 und 10 sind mit ihren Enden an den Kühlmittelkästen 5 und 6 befestigt. Die Wärmetauscherrohre 3, Wellrippen 4 sowie Seitenteile 9, 10 bestehen vorzugsweise aus einem Aluminiumwerkstoff und sind komplett miteinander verlötet. Die Kühlmittelkästen 5, 6 können aus Kunststoff bestehen, da sie lediglich als Sammelräume dienen und nicht zur Wärmeübertragung. Es ist jedoch auch möglich, Kühlmittelkästen aus Metall vorzusehen.
An dem oberen Seitenteil 10 ist eine Trägerplatte 11 montiert, die mit mehreren elektronischen Bauelementen 12 bestückt ist. Die elektronischen Bauelemente 12 stehen in guter wärmeleitender Verbindung mit der Trägerplatte 11, wozu diese eine entsprechende Oberflächenqualität aufweist. Die Trägerplatte 11 ist an dem oberen Seitenteil 10 derart befestigt, daß ein guter Wärmefluß von der Trägerplatte 11 in die benachbarte Wellrippe 4 gegeben ist, welche eine große Wärmeübertragungsfläche bildet. Da die oberste Wellrippe 4 mit dem obersten Wärmetauscherrohr 3* in wärmeübertragender Verbindung steht, ist eine Beeinflussung durch das dieses Wärmetauscherrohr 3* durchströmende Kühlmittel gegeben. Sofern es zweckmäßig ist, die Wärmeenergie von den elektronischen Bauteilen 12 unbeeinflußt von der Kühlmitteltemperatur abzuführen, kann das oberste Wärmetauscherrohr 3* verschlossen werden, so daß dieses nicht mehr vom Kühlmittel durchströmt wird. Hierzu wird in einfacher Weise das Wärmetauscherrohr 3* an seinem dem Kühlmittelkasten 5 benachbarten Ende 3' verschlossen, beispielsweise durch Verformung des Rohrmaterials an dessen Ende.
In 2 ist eine Ausführungsvariante zu 1 gezeigt, wobei der Kühlmittelkühler 1 im Prinzip einen gleichen Auf bau hat. Für gleiche Teile stimmen daher die Bezugszeichen mit denjenigen der 1 überein. Bei der in 2 gezeigten Lösung bestehen die Kühlmittelkästen 5 und 6 auf jeden Fall aus einem metallischen Werkstoff, vorzugsweise Aluminium, so daß der Kühlmittelkühler 1 in einer Komplettlötung herstellbar ist. An einer Außenseite 6' des rücklaufseitigen Kühlmittelkastens 6 ist eine Trägerplatte 13 angeordnet, die ebenfalls aus einem metallischen Werkstoff und bevorzugterweise aus Aluminium besteht. Diese Trägerplatte 13 steht in guter wärmeleitender Verbindung mit dem Kühlmittelkasten 6 und auf der dem Kühlmittelkasten 6 abgewandten Seite sind auf der Trägerplatte 13 mehrere elektronische Bauelemente 14 befestigt. Die in den elektronischen Bauelementen 14 entstehende Wärmeenergie in Folge von Leistungsverlusten wird durch die Trägerplatte 13 und die Wandung des Kühlmittelkastens 6 an das durch den Kühlmittelkasten 6 strömende Kühlmittel abgegeben.

Claims

Anordnung zum Kühlen elektronischer Bauelemente (12, 14) in einem Kraftfahrzeug, mit einem Kühlmittelkühler (1), einer Trägerplatte (11, 13) aus Metall, auf der die elektronischen Bauelemente (12, 14) angeordnet sind, wobei die Trägerplatte (11, 13) in wärmeleitender Verbindung mit einem metallischen Bauteil des Kühlmittelkühlers (1) steht, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlmittelkühler (1) der Wärmetauscher für das Kühlmittel des Kraftfahrzeugantriebsmotors ist.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das metallische Bauteil ein Seitenteil (10) des Kühlmittelkühlers (1) ist.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das metallische Bauteil ein Kühlmittelkasten (6) vorzugsweise der abflußseitige Kühlmittelkasten des Kühlmittelkühlers (1) ist.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerplatte (11) als massives Seitenteil des Kühlmittelkühlers (1) ausgeführt und mit seiner Längsseite an einer Kühlerrippe (4) und endseitig mit Rohrböden (5*, 6*) des Kühlmittelkühlers (1) verbunden ist.
Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein dem Seitenteil (10) des Kühlmittelkühlers (1) benachbartes Wärmetauscherrohr (3*) endseitig vorzugsweise am zuflussseitigen Kühlmittelkasten (5) verschlossen ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das metallische Bauteil (4, 6, 10) und/oder die Trägerplatte (11, 13) aus Aluminium bzw. einer Aluminiumlegierung besteht.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerplatte (11) mit dem metallischen Bauteil (10) mechanisch verbunden ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerplatte (11, 13) mit dem metallischen Baute (4, 6, 10) stoffschlüssig verbunden ist.