DE4307902C1

DE4307902C1 - Kühlbare Einrichtung zur Aufnahme elektrischer Baugruppen

Info

Publication number: DE4307902C1
Application number: DE19934307902
Authority: DE
Inventors: Georg Haubner
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1993-03-12
Filing date: 1993-03-12
Publication date: 1994-06-09
Anticipated expiration: 2013-03-13
Also published as: JPH06323769A

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einer kühlbaren Einrichtung zur Aufnahme elektrischer Baugruppen nach Anspruch 1.

Beim Einsatz von in einem gemeinsamen Gehäuse zusammengefaßten elektrischen Steuergeräten in Kraftfahrzeugen ist es im allgemeinen notwendig, die in dem Gehäuse durch die Steuergeräte entstehende Verlustwärme aus dem Gehäuse abzuleiten. Besonders kritisch ist das Ableiten der Verlustwärme, wenn die Installation derartiger Gehäuse im Motorraum oder motornahen Bereichen notwendig ist, da dort hohe Umgebungstemperaturen herrschen.

Aus der DE 35 22 127 A1 ist eine aus metallischem Werkstoff bestehende kühlbare Einrichtung zur Aufnahme von elektrischen Baugruppen bekannt geworden, deren eine Gehäuseseite als Kühlplatte ausgebildet ist, während die ihr gegenüberliegende Gehäuseseite mit Kühlkanälen durchzogen ist, die von einer Abdeckplatte abgedeckt wird. Die Ausbildung derartiger Kühlkanäle in Metall erfordert einen hohen fertigungstechnischen Aufwand. Da lediglich die mit Kühlkanälen ausgestattete Gehäuseseite gekühlt wird, und außerdem nur ein Teil der wärmeemittierenden Abdeckplatte in der kühlbaren Gehäuseseite durch die Kühlkanäle abgedeckt wird, ist die Kühlleistung der bekannten Einrichtung gering.

Weiterhin ist aus der DE 32 06 059 A1 eine Kühleinrichtung für elektrische Bauelemente bekannt geworden, bei der ein Kühlmittel mittels einer Umwälzpumpe innerhalb eines Kühlmittelkreislaufs gefördert wird. Das in einem Kühlkörper verdampfte Kühlmittel wird teils in einem Flüssigkeitsabscheider und teils mittels eines Kompressors in einem sich an diesen anschließenden Kondensator zurückgewonnen beziehungsweise verflüssigt. Anschließend wird das flüssige Kühlmittel dem Kühlkörper wieder zugeführt. Die bekannte Kühleinrichtung baut durch die große Anzahl von Komponenten aufwendig, und benötigt zum Betrieb eine entsprechend ausgelegte Steuerung und Energie.

Aus der DE 30 26 881 A1 ist es bekannt, elektrische Baugruppen in einem Gehäuse anzuordnen, das wiederum von einem Kühlmantel vollständig umschlossen ist. Dabei wird das Kühlmittel, in diesem Fall Kühlwasser, von einer Pumpe in den Raum zwischen dem Gehäuse und dem Kühlmantel gefördert und anschließend in einem Sekundärkreislauf wieder abgekühlt. Weiterhin ist in dem Gehäuse eine Umwälzpumpe angeordnet, die für eine möglichst gleichmäßige Temperaturverteilung innerhalb des Gehäuses sorgt. Eine derartige Kühleinrichtung baut ebenfalls sehr aufwendig und ist für den Austausch zum Beispiel fehlerhafter elektrischer Baugruppen durch das vollständig im Kühlmantel integrierte Gehäuse schwer zugänglich. Aus der DE 28 01 660 A1 sind Wärmerohre bekannt, deren eines Ende mit Kühlrippen und deren anderes Ende mit einer elektrische Bauelemente tragenden Montageplatte verbunden ist. In dem Wärmerohr befindet sich ein Kühlmittel, das durch Verdampfung Wärme von der Montageplatte abführt und anschließend im Bereich der oberhalb der Montageplatte angeordneten Kühlrippen wieder kondensiert. Dadurch, daß das Wärmerohr lediglich mit einer relativ geringen Fläche mit der Montageplatte verbunden ist, ist die Leistung dieser Kühleinrichtung jedoch relativ gering.

Aus der US-PS 4 036 291 ist ein vollständig geschlossenes Gehäuse bekannt, in dessen unterem Teil sich in einem Kühlmittel elektrische Bauelemente befinden. Das Kühlmittel verdampft bei der Abgabe von Wärme der elektrischen Bauelemente und steigt in einen oberhalb angeordneten zweiten Teil des Gehäuses, wo es kondensiert, und von wo es wieder in den unteren Teil zurückfließt. Eine unmittelbare Anordnung zum Beispiel von Steuergeräten eines Kraftfahrzeugs in Kühlmittel ist jedoch nicht möglich bzw. erfordert speziell abgedichtete, und damit aufwendige Steuergeräte.

Die CH-PS 581 420 zeigt eine Kühleinrichtung, bei der elektrische Bauelemente auf speziell ausgebildeten Tragschienen, in denen Kühlmittel zirkuliert, angeordnet sind. Die Tragschienen sind mit einem Kondensator für das Kühlmittel verbunden. Aufgrund der Tatsache, daß das Kühlmittel nur in einem geringen Teil der Querschnittsfläche der Tragschiene zirkuliert, ist die Kühlleistung dieser Vorrichtung jedoch relativ gering.

Aus der EP 309 986 A1 ist eine Kühleinrichtung für Kraftfahrzeuge bekannt, deren Gehäuseaußenseite vom Kühlwasser des Kühlwasserkreislaufes umspült ist. Durch die Verwendung nur einer Gehäuseseite und des im Regelfall relativ warmen Kühlwassers ist jedoch die Kühlleistung einer derartigen Kühleinrichtung ebenfalls relativ gering.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße kühlbare Einrichtung zur Aufnahme elektrischer Baugruppen hat demgegenüber den Vorteil, daß es durch einen das Gehäuse großflächig umschließenden Kühlmantel konstruktiv und fertigungstechnisch besonders einfach herstellbar ist. Das Kühlmittel umgibt einen großen Teil der Außenseite des Gehäuses, so daß eine hohe Wärmeabfuhr möglich ist. Durch die Trennung von Gehäuse und Kühleinrichtung ist es außerdem möglich, standardisierte Gehäuse- und Kühlergrößen je nach Einsatzbedingungen miteinander zu kombinieren.

Durch die in den Unteransprüchen angegebenen Maßnahmen und Merkmale sind Weiterbildungen und Verbesserungen der im Anspruch 1 angegebenen kühlbaren Einrichtung zur Aufnahme elektrischer Baugruppen möglich.

Besonders vorteilhaft ist es dabei, die Kühleinrichtung oberhalb des Gehäuses beziehungsweise des Kühlmantels anzuordnen. In Verbindung mit einem schlauch- oder rohrförmigen Verbindungselement zwischen dem Kühlmantel und der Kühlvorrichtung ist es dadurch möglich, auf eine Umwälzpumpe und eine zusätzliche Steuerung der Einrichtung zu verzichten. Das verdampfte Kühlmittel gelangt allein durch dessen Expansion durch das Verbindungselement in die Kühleinrichtung, wo es kondensiert, um danach im flüssigen Zustand durch das Verbindungselement in Richtung des Kühlraumes wieder zurückzufließen.

Zeichnung

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Fig. 1 zeigt die erfindungsgemäße kühlbare Einrichtung zur Aufnahme elektrischer Steuergeräte im Querschnitt.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

Ein vorzugsweise aus Metall bestehendes Gehäuse 10 hat eine weitgehend U-förmige Querschnittsfläche und ist von einem Boden 11 und einer umlaufenden Seitenwand 12 begrenzt. Das Gehäuse 10 hat eine Öffnung 16, die von einem im wesentlichen plattenförmigen Deckel 13 verschlossen ist. Dazu umschließen rechtwinklig vom Deckel 13 umgebogene Laschen 14 den oberen äußeren Rand der Seitenwand 12 des Gehäuses 10.

In dem durch das Gehäuse 10 und den Deckel 13 gebildeten Innenraum 15 sind beispielsweise drei Steuergeräte 17 zum Betrieb eines Kraftfahrzeugs angeordnet.

Das Gehäuse 10 ist von einem vorzugsweise aus Kunststoff bestehenden Kühlmantel 18 umschlossen. Der Kühlmantel 18 besitzt einen Mantelboden 19 und eine Mantelwand 21, die parallel zu den entsprechenden Wänden 11 und 12 des Gehäuses 10 verlaufen, so daß das Gehäuse 10 in den Kühlmantel 18 nahezu vollständig eintaucht, wobei lediglich der Bereich des Deckels 13 frei bleibt. Von der Mantelwand 21 ist unterhalb des Deckels 13 ein Bund 22 zu der Seitenwand 12 des Gehäuses 10 abgewinkelt. Der Bund 22 schließt mit dem Gehäuse 10 unterhalb der Laschen 14 des Deckels 13 dicht ab. In einem von der Außenseite des Gehäuses 10 und der Innenseite des Kühlmantels 18 gebildeten Kühlraum 23 befindet sich ein Kühlmittel 24. Hierbei kann es sich zum Beispiel um Schwefeldioxid, Methylchlorid, Frigen oder Ammoniak handeln.

Das Gehäuse 10 und der Kühlmantel 18 besitzen außerdem nicht dargestellte, abgedichtete Anschlußmöglichkeiten beziehungsweise Durchbrüche, die eine elektrische Koppelung der Steuergeräte 17 mit deren Ein- und Ausgängen ermöglichen.

Oberhalb der Oberfläche 20 des Kühlmittels 24, im Ausführungsbeispiel in dem Bund 22, mündet ein schlauch- oder rohrförmiges Verbindungselement 25 in den Kühlmantel 18. Das andere Ende des Verbindungselements 25 ist mit einer Kühlvorrichtung 26 verbunden. Es besteht somit ein geschlossener Raum, bestehend aus den Kühlraum 23, dem Innern des Verbindungselements 25 und der Kühlvorrichtung 26.

Die Kühlvorrichtung 26 ist ein Metallbehälter mit Wänden 28 und hat eine rechteckige Querschnittsfläche. Es sind jedoch auch andere, kompakter bauende Kühlvorrichtungen wie beispielsweise Lamellenkühler denkbar.

Wesentlich bei der Erfindung ist, daß die Kühlvorrichtung 26 in jedem Fall oberhalb der Oberfläche 20 des Kühlmittels 24, im Ausführungsbeispiel sogar oberhalb des Gehäuses 10, angeordnet ist.

Zusätzlich mündet das Verbindungselement 25 so in der Kühlvorrichtung 26, daß das Kühlmittel 24, ohne sich in der Kühlvorrichtung 26 anzusammeln, in das Verbindungselement 25, und von dort möglichst direkt in den Kühlraum 23 zurückfließen kann. Beim Ausführungsbeispiel ist für den Einsatz in Kraftfahrzeugen die Kühlvorrichtung 26 zweckmäßigerweise so angeordnet beziehungsweise geneigt, daß sie zum Beispiel einer durch Fahrtwind verursachten Kühlluft einen hohen Luftwiderstand entgegensetzt. Es ist auch denkbar, die Kühlvorrichtung 26 im Dachbereich des Kraftfahrzeuges unterzubringen. In diesem Fall ist das Verbindungselement 18 zum Beispiel in der A-Säule des Daches integriert.

Werden die Steuergeräte 17 betrieben, so wird deren Verlustwärme durch die Seitenwand 12 und den Boden 11 des Gehäuses 10 in den Kühlraum 23 übertragen. Das Kühlmittel 24 nimmt einen Teil der Wärmeenergie bei gleichzeitiger Temperaturerhöhung auf. Gleichzeitig steigt der im Kühlraum 23, dem Verbindungselement 25 und der Kühlvorrichtung 26 vorhandene Druck. Bei weiterer Wärmezufuhr und überschreiten der Siedetemperatur und des Siededrucks des Kühlmittels 24 geht dieses entsprechend dessen möglichen Sättigungsgrades nach und nach in den dampfförmigen Zustand über. Das verdampfte Kühlmittel 24 entweicht durch das Verbindungselement 25 in die Kühlvorrichtung 26. Somit wird die Wärmeenergie aus dem Kühlraum 23 in die Kühlvorrichtung 26 abgeleitet. Ist die im Innern der Kühlvorrichtung 25 beziehungsweise an den Innenseiten der Wände 28 herrschende Temperatur geringer als die Kondensationstemperatur des Kühlmittels 24, so kondensiert dieses bei gleichzeitiger Wärmeabgabe und Temperaturabnahme, und läuft durch die Anordnung der Kühlvorrichtung 26 und des Verbindungselements 25 oberhalb des Kühlmantels 18 wieder in den Kühlraum 23 zurück. Es besteht somit ein in sich geschlossener Kühlmittelkreislauf.

Ergänzend sei darauf hingewiesen, daß die Art und die Menge des Kühlmittels 24 so gewählt werden sollte, daß eine Beschädigung der Kühleinrichtung durch den in ihr herrschenden Druck ausgeschlossen werden kann.

Die Siedetemperatur des Kühlmittels 24 sollte in jedem Fall geringer sein als die maximale Betriebstemperatur der Steuergeräte 17. Die einzelnen Parametergrößen der Einrichtung, wie zum Beispiel Größe des Kühlraums und Kühlvorrichtungsgröße sind hierzu entsprechend anzupassen.

Ergänzend sei darauf hingewiesen, daß die erfindungsgemäße kühlbare Einrichtung zur Aufnahme elektrischer Baugruppen nicht auf den Einsatz in Kraftfahrzeugen beschränkt ist. So kann die Leistungsfähigkeit der Kühlvorrichtung in einfacher Weise für den Stationäreinsatz zum Beispiel mittels eines Gebläse erhöht werden.

Claims

1. Kühlbare Einrichtung zur Aufnahme elektrischer Baugruppen, insbesondere von Steuergeräten (17) in Kraftfahrzeugen, bestehend aus einem Gehäuse (10) mit einer Öffnung (16), wobei die Öffnung (16) von einem Deckel (13) verschlossen ist, einem um das Gehäuse (10) angeordneten, den Deckel (13) freilassenden Kühlmantel (18), einem das Gehäuse (10) mindestens teilweise umgebenden Kühlmittel (24) sowie einer Kühlvorrichtung (26) für das Kühlmittel (24), dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (10) in den Kühlmantel (18) eintaucht, so daß das Kühlmittel (24) wenigstens an einer Außenseite (11, 12) des Gehäuses (10) mindestens teilweise vollflächig einwirken kann, und daß die Kühlvorrichtung (26) oberhalb der Oberfläche (20) des Kühlmittels (24) angeordnet ist, so daß sich ein geschlossener Kreislauf des Kühlmittels (24) ergeben kann.

2. Kühlbare Einrichtung zur Aufnahme elektrischer Baugruppen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlvorrichtung (26) oberhalb des Kühlmantels (18) angeordnet ist.

3. Kühlbare Einrichtung zur Aufnahme elektrischer Baugruppen nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Verbindungselement (25) zwischen dem Kühlmantel (18) und der Kühlvorrichtung (26) angeordnet ist, wobei das Verbindungselement (25) so in der Kühlvorrichtung (26) mündet, daß das Kühlmittel (24) sich allein unter dem Einfluß der Schwerkraft in Richtung des Kühlmantels (18) zurückbewegen kann.

4. Kühlbare Einrichtung zur Aufnahme elektrischer Baugruppen nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlmantel (18) und das Gehäuse (10) durch ein Verbindungselement (25) so miteinander verbunden sind, daß das Kühlmittel (24) das Verbindungselement (25) in beiden Richtungen durchströmen kann.

5. Kühlbare Einrichtung zur Aufnahme elektrischer Baugruppen nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (10) aus einem Material mit höherer Wärmeleitfähigkeit besteht als der Kühlmantel (18).

6. Kühlbare Einrichtung zur Aufnahme elektrischer Baugruppen nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (10) aus Metall besteht.

7. Kühlbare Einrichtung zur Aufnahme elektrischer Baugruppen nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlmantel (18) aus Kunststoff besteht.

8. Kühlbare Einrichtung zur Aufnahme elektrischer Baugruppen nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlmittel (24) ein Siedekühlmittel wie beispielsweise Schwefeldioxid, Methylchlorid, Frigen oder Ammoniak ist.