DE102007022517A1

DE102007022517A1 - Wärmetauscher zur Kühlung einer elektronischen Baugruppe

Info

Publication number: DE102007022517A1
Application number: DE102007022517A
Authority: DE
Inventors: Radu Vasile Hinckley Bojan; Arnoud Smit; Remus Sovagau
Original assignee: Continental Automotive GmbH
Current assignee: Vitesco Technologies GmbH
Priority date: 2007-05-14
Filing date: 2007-05-14
Publication date: 2008-11-20
Anticipated expiration: 2027-05-15
Also published as: DE102007022517B4; WO2008138777A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher zur Kühlung einer elektronischen Baugruppe. Durch eine Verteileinheit wird die Strömungsrichtung eines Kühlmediums entlang der zu kühlenden Oberfläche des Wärmetauschers gesteuert. Dabei wird der Druckverlust innerhalb des Wärmetauschers reduziert, indem die benachbarten Zellen der Verteileinheit jeweils die gleiche Einlassöffnung und/oder Auslassöffnung für das Kühlmedium aufweisen.

Description

Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher zur Kühlung einer elektronischen Baugruppe gemäß den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1.
Wärmetauscher werden in verschiedenen Anwendungsgebieten zur Kühlung von elektrischen Baugruppen oder zum Wärmeaustausch zweier Strömungsmedien eingesetzt. Insbesondere werden Wärmetauscher zur Kühlung einer in einem Kraftfahrzeug eingebauten Leistungselektronik verwendet. Die in einem Kraftfahrzeug eingebaute Leistungselektronik erwärmt sich während des Betriebs, so dass eine Kühlung vorgesehen sein muss, um eine hohe Lebensdauer der Komponenten der Leistungselektronik zu gewährleisten. Dabei ist in den meisten Fällen ein separater Kühlkreislauf für die Leistungselektronik nicht vorgesehen, da dieser zu teuer und zu groß ist. Daher muss die Leistungselektronik mit dem Kühlmedium aus dem Motorkreislauf gekühlt werden. Die Kühlung ist aber nur ökonomisch sinnvoll, wenn der Wärmetauscher sehr effizient arbeitet, und somit die Leitfähigkeit von der Bodenplatte der Leistungselektronik bis ins Kühlmedium sehr hoch ist.
Der Wärmetauscher muss derart ausgelegt sein, dass ein möglichst niedriger Druckabfall erzielt wird. Ein hoher Druckabfall im Wärmetauscher ist unerwünscht, da eine in einem Kraftfahrzeug eingesetzte Kühlwasserpumpe nur eine geringe Druckerhöhung bei einer großen Durchflussmenge liefern kann, und bei hohen Druckabfällen im Wärmetauscher Instabilitäten im Kühlkreislauf entstehen könnten.
Aus der als WO03/095922 A2 veröffentlichten internationalen Patentanmeldung ist ein Wärmetauscher bekannt, der eine Verteileinheit aufweist. Mittels einer aus Plastik bestehenden Verteileinheit wird die Strömung des Kühlmediums entlang einer mäanderförmigen Struktur gesteuert, so dass die durch die Verteileinheit benetzte Oberfläche des Wärmetauschers mit dem Kühlmedium gekühlt wird. Die Verteileinheit besteht aus mindestens zwei Zellen, die jeweils eine Eintrittsöffnung und jeweils eine Austrittsöffnung aufweisen. Das Kühlmedium strömt aus einem ersten Sammelvolumen über die Einlassöffnung in die Verteileinheit ein und strömt über die Auslassöffnung aus der Verteileinheit in ein zweites Sammelvolumen aus. Dies führt zu einem hohen Druckabfall innerhalb des Wärmetauschers.
Die der vorliegenden Erfindung zu Grunde liegende Aufgabe besteht nun darin, einen Wärmetauscher bereitzustellen, der einen geringeren Druckabfall mit zugleich größerer Kühlleistung ermöglicht.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass, wenn zwei nebeneinander angeordnete Zellen der Verteileinheit jeweils die gleiche Einlassöffnung und/oder Auslassöffnung aufweisen diese dann auch gleichzeitig beströmt werden, und somit der Druckabfall im Wärmetauscher reduziert und die Kühlleistung erhöht wird.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, dass durch einen Kontakt der Verteileinheit mit der Trägerplatte der Leistungselektronik oder mit dem Deckel des Wärmetauschergehäuses, an der die Leistungslektronik angeordnet ist, sich die effektive Kühleroberfläche des Wärmetauschers vergrößert. Durch eine vergrößerte Kühleroberfläche wird eine größere Kühlleistung ermöglicht. Dabei besteht die Verbindungseinheit aus einem Aluminiumblech, wodurch Materialkosten eingespart werden können. Ferner weist die Verbindungseinheit aufgrund des Aluminiumblechs auch eine federnde Wirkung auf.
Des Weiteren besteht eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung darin, dass der Wärmetauscher aufgrund seines relativ hohen Anteils an wärmeleitenden Elementen und deren Anordnung im Wärmetauscher gute Notlaufeigenschaften aufweist, wodurch die thermische Belastung der Leistungselektronik abnimmt.
Als weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung erweist sich, dass jeweils ein Sammelbecken an einer Einlassleitung und an einer Auslassleitung angeordnet ist. Durch diese Gestaltung der Sammelbecken wird die Geschwindigkeit des Kühlmediums verringert, die Verteilung des Kühlmediums innerhalb des Wärmetauschers verbessert und der Druckabfall innerhalb des Wärmetauschers verringert.
Ferner besteht aufgrund der Gestaltung der Sammelbecken die Möglichkeit, die Position der Einlassleitung und/oder der Auslassleitung variabel entlang der Sammelbecken anzuordnen. Dies bietet den Vorteil, dass der Wärmetauscher flexibel, z. B. für verschiedene Kraftfahrzeuge, eingesetzt werden kann, ohne dabei die innere Struktur des Wärmetauschers ändern zu müssen. Ferner ist auch der Einsatz einer drehbaren, variabel gestaltbaren Einlassleitung und/oder Auslassleitung möglich. Dadurch wird ebenfalls ein flexibler Einsatz von Wärmetauschern in unterschiedlichen Kraftfahrzeugen ermöglicht.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, dass bei einer gegenläufigen Strömung des Kühlmediums zwischen den einzelnen Zellenreihen eine bessere Kühlleistung des Wärmetauschers erzielt wird. Die Strömungsrichtung in den Zellreihen hängt von der Anordnung der sich in mindestens zwei Spalten befindlichen Einlassöffnungen und Auslassöffnungen ab. Bei einer, abhängig von einer Zellreihe, alternierenden Anordnung der sich in der jeweiligen Spalte befindlichen Einlassöffnungen und Auslassöffnungen stellt sich für jede Zellreihe eine Strömungsrichtung ein. Diese Strömungsrichtung ist in jeder Zellreihe bei einer alternierenden Anordnung der Einlassöffnungen und der Auslassöffnungen jeweils gegengerichtet zur Strömungsrichtung der nachfolgenden Zellreihe.
Ferner lässt sich durch die gegenläufige Strömung des Kühlmediums zwischen den jeweiligen Zellenreihen der Temperaturgradient auf der Bodenplatte der Leistungselektronik oder auf der Deckelfläche des Wärmetauschergehäuses, an der die Leistungselektronik angeordnet ist, verringern. Durch einen geringeren Temperaturgradienten auf der Wärmetauscheroberfläche lässt sich die Lebensdauer der Leistungselektronik verlängern.
Als weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung erweist sich, dass die zum Zusammenbau des Wärmetauschers benötigte Anzahl von Schrauben reduziert werden kann, was die Wirtschaftlichkeit des Wärmetauschers erhöht.
Ferner hat es sich als vorteilhaft erwiesen, die Trägerplatte der Leistungselektronik möglichst fest an den Wärmetauscher aufzuspannen. Dadurch wird ein Verbiegen der Verteileinheit infolge von dynamischen Druckstößen des Kühlmediums verhindert.
Einzelheiten der Erfindung werden anhand der Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigt:
1: eine Rückansicht eines zusammengebauten Wärmetauschers,
2: eine Ansicht eines Wärmetauschers gemäß 1 ohne eine Bodenfläche in einer ersten Ausführungsform,
3 eine Ansicht eines Wärmetauschers gemäß 1 ohne die Bodenfläche und ohne eine erste Platte in einer ersten Ausführungsform,
4: eine Ansicht eines Wärmetauschers gemäß 1 ohne die Bodenfläche, die erste Platte und ohne eine zweite Platte,
5: eine Vorderansicht eines zusammengebauten Wärmetauschers,
6: eine Ansicht eines Wärmetauschers gemäß 1 ohne die Bodenfläche in einer zweiten Ausführungsform,
7: eine Schnittansicht eines Wärmetauschers gemäß 1 ohne die Bodenfläche und die erste Platte in einer zweiten Ausführungsform.
1 zeigt eine Rückansicht eines Wärmetauschers 1 im zusammengebauten Zustand. Das wannenartige Gehäuse des Wärmetauschers besteht aus einer Bodenfläche 10, einer gegenüberliegenden, nicht sichtbaren, Deckelfläche und Seitenwänden 11.
2 zeigt eine Ansicht eines Wärmetauschers gemäß 1 ohne die Bodenfläche 10. Über eine Einlassleitung 25 strömt Kühlmittel in den Wärmetauscher 1 und über eine Auslassleitung 26 wieder aus. Ferner weist der Wärmetauscher 1 ein der Einlassleitung 25 folgendes erstes Sammelbecken 22 und ein der Auslassleitung 26 vorgeschaltetes zweites Sammelbecken 24 auf. Das aus dem ersten Sammelbecken 22 abfließende Kühlmittel gelangt über eine Strömungsplatine 23 mit noppenartiger Oberflächenstruktur an eine zur Strömungsplatine niveaugleiche erste Platte 20. Die noppenartige Struktur der Strömungsplatine des Wärmetauschers gewährleistet eine Verwirbelung des über das zweite Sammelbecken 24 austretenden Kühlmittels und somit eine verbesserte Kühlleistung des Wärmetauschers.
Das Kühlmittel strömt über die variabel gestaltbare Einlassleitung 25 in das erste Sammelbecken 22 ein. Von dort strömt das Kühlmittel über die noppenartige Oberflächenstruktur der Strömungsplatine 23 in ein durch die erste Platte 20 und die Bodenfläche 10 begrenzten ersten Sammelraum. Über Einlassöffnungen 21 in der ersten Platte 20 strömt das Kühlmittel schließlich aus dem ersten Sammelraum in eine unterhalb der Platte 20 vorgesehene, in der 2 nicht sichtbare Verteileinheit. Ferner ist auch vorstellbar, dass die einzelnen Einlassöffnungen 21 zu einer einzigen Einlassöffnung zusammengefasst werden.
3 zeigt den Wärmetauscher 1 gemäß 1 ohne die Bodenfläche 10 und ohne die erste Platte 20. Die 3 zeigt eine erste Ausführungsform einer unterhalb der ersten Platte 20 vorgesehenen zweiten Platte 30. Über Auslassöffnungen 31 in der zweiten Platte 30 strömt das Kühlmedium aus einer unterhalb der zweiten Platte 30 vorgesehenen, in der 3 nicht sichtbaren Verteileinheit in einen durch die erste Platte 20 und die zweite Platte 30 begrenzten zweiten Sammelraum. Von dort strömt das Kühlmittel in das zweite Sammelbecken 24 und verlässt den Wärmetauscher über die dem zweiten Sammelbecken 24 nachgeschaltete Auslassleitung 26. Ferner weist die zweite Platte 30 einen von der ersten Platte 20 bis zur zweiten Platte 30 reichenden Absatz 32 entlang der Einlassöffnungen 21 auf. Der Absatz 32 soll sicherstellen, dass kein Kühlmittel aus dem ersten und/oder zweiten Sammelraum über die Einlassöffnungen in der ersten Platte 20 in den zweiten und/oder ersten Sammelraum strömen kann.
4 zeigt eine Ansicht eines Wärmetauschers 1 gemäß 1 ohne die Bodenfläche 10, die erste Platte 20 und die zweite Platte 30. Mittels der Verteileinheit 40 wird die Strömungsrichtung des Kühlmittels entlang einer mäanderartigen Struktur der Verteileinheit 40 gesteuert. Die Verteileinheit 40 setzt sich aus mindestens zwei Zellen zusammen, die jeweils aus mindestens einer Zellreihe bestehen. Jede Zellreihe der Zellen 32, 32', 32'' ist über Auslassöffnungen 31, 31', bzw. Einlassöffnung 21, 21' an den Kühlkreis angeschlossen. Damit der Druckverlust innerhalb des Wärmetauschers reduziert wird, hat es sich als vorteilhaft erwiesen, dass jeweils benachbarte Zellen die gleichen Einlassöffnungen und/oder die gleichen Auslassöffnungen der einzelnen Zellreihen verwenden. Die einzelnen Einlassöffnungen und die einzelnen Auslassöffnungen sind dabei jeweils untereinander spaltenförmig angeordnet.
Das Kühlmittel strömt über die einzelnen Einlassöffnungen 21, 21' der ersten Platte aus dem ersten Sammelraum in die jeweilige Zellreihe der Verteileinheit 40 ein. Ferner strömt das Kühlmittel, ausgehend von den Einlassöffnungen 21, 21' horizontal, die mänderartige Struktur der jeweiligen Zellreihe durchlaufend, über die Austrittsöffnungen 31, 31' der zweiten Platte in den zweiten Sammelraum ab. Dabei ist die Strömungsrichtung des Kühlmediums, unabhängig von der Zellreihe gleichgerichtet, da die Einlassöffnungen und die Auslassöffnungen jeweils untereinander spaltenförmig angeordnet sind.
5 zeigt eine Vorderansicht eines zusammengebauten Wärmetauschers 1 mit einer Deckelfläche 51. Dabei ist auf wenigstens einem Teilbereich der Deckelfläche 51 eine Deckelplatte 50 für eine dort befestigbare elektronische Baugruppe vorgesehen. Unterhalb der Deckelplatte 50 ist die in der 5 nicht sichtbare Verteileinheit angeordnet. Ferner ist die Deckelplatte 50 ein Bestandteil des Wärmetauschergehäuses, durch das eine gute Abdichtung des Wärmetauschers sichergestellt ist.
Alternativ kann der Wärmetauscher auch als offener Wärmetauscher ausgebildet sein. Bei einem offenen Wärmetauscher erfolgt die Abdichtung des Gehäuses über eine der elektrischen Baugruppe zugeordnete Trägerplatte, die an der offenen Seite des Wärmetauschergehäuses befestigbar ist.
Die 6 und 7 zeigen eine Ansicht eines Wärmetauschers mit einer ersten Platte 60 oder einer zweiten Platte 70, jeweils ohne die Rückwand in einer zweiten Ausführungsform. Die erste Platte 60 weist weiterhin Einlassöffnungen 61 und die zweite Platte 70 Auslassöffnungen 71 auf. Ferner weist die zweite Platte 70 entlang der Einlassöffnungen 71 von der ersten Platte 60 bis zur zweiten Platte 70 reichende Absätze 73 auf. Des Weiteren weist jede Zellreihe der in den 6 und 7 nicht sichtbaren Verteileinheit jeweils mindestens eine Einlassöffnung 61 und eine Auslassöffnung 71 auf, wobei benachbarte Zellen die gleiche Einlassöffnung 61 und/oder die gleiche Auslassöffnung 71 verwenden. Dabei sind abhängig von der Zellreihe die Einlassöffnungen und die Auslassöffnungen in einer Spalte alternierend angeordnet. Augrund der alternierenden Anordnung der Einlassöffnung und der Auslassöffnung, abhängig von der Zellreihe, ändert sich die Strömungsrichtung für jede Zellreihe.
Ferner ist allgemein eine Anordnung zwischen der Verteileinheit, der ersten Platte und der zweiten Platte vorstellbar, bei der diese Elemente nicht übereinander, sondern nebeneinander angeordnet sind.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- WO 03/095922 A2 [0004]

Claims

Wärmetauscher, mit einem wannenartigen Gehäuse, bestehend aus einer Bodenfläche, Seitenwänden und einer die gegenüber der Bodenfläche vorhandene Öffnung abdeckende Kontaktfläche für eine dort befestigbare elektronische Baugruppe, und mit einer im Inneren des Gehäuses vorgesehenen der Kontaktfläche zugewandten und wenigstens zwei Zellen aufweisenden Verteileinheit für eine zwischen wenigstens einer Einlassöffnung und wenigstens einer Auslassöffnung durch die Verteileinheit fliegendes Kühlmittel, dadurch gekennzeichnet, dass die Verteileinheit wenigstens zwei nebeneinanderliegende Zellen aufweist, denen jeweils die gleiche Auslassöffnung und/oder die gleiche Einlassöffnung zugeordnet sind.
Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Zelle aus mindestens einer Zellreihe besteht, die jeweils eine Auslassöffnung und eine Einlassöffnung aufweist.
Wärmetauscher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse einen die Öffnung verschließenden Deckel aufweist an dem die, wenigstens einem Teilbereich des Deckels abdeckende Baugruppe befestigt ist.
Wärmetauscher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnung des Gehäuses durch eine die elektrische Bautgruppe aufnehmende Trägerplatte formschlüssig verschließbar ist.
Wärmetauscher nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Verteileinheit mit der Trägerplatte der elektronischen Baugruppe wärmeleitend verbunden ist.
Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher an der Einlassöffnung ein erstes Sammelbecken für das Kühlmedium aufweist.
Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher an der Auslassöffnung ein zweites Sammelbecken aufweist.
Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Position einer Einlassleitung und/oder einer Auslassleitung entlang des jeweiligen ersten und/oder zweiten Sammelbeckens variabel verschiebbar ist.
Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der, der elektronischen Baugruppe gegenüberliegenden Bodenfläche des Wärmetauschergehäuses und der Verteileinheit zwei Platten angeordnet sind, wobei die von der Verteileinheit ferner liegende erste Platte mit der Bodenfläche ein erstes Sammelraum ausbildet und mit dem ersten Sammelbecken hydraulisch verbunden ist.
Wärmetauscher nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Sammelraum über mindestens eine Einlassöffnung auf der ersten Platte mit mindestens einer Zelle der Verteileinheit hydraulisch verbunden ist.
Wärmetauscher nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Sammelraum über mindestens eine Auslassöffnung auf einer zweiten Platte mit mindestens einer Zelle der Verteileinheit hydraulisch verbunden ist.
Wärmetauscher nach Anspruch 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Sammelraum mit dem zweiten Sammelbecken hydraulisch verbunden ist.
Wärmetauscher nach Anspruch 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Platte entlang der Eintrittsöffnung in Richtung der Verteileinheit einen bis zur zweiten Platte gehenden Ansatz aufweist.
Wärmetauscher nach Anspruch 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Einlassöffnungen und die Auslassöffnungen in mindestens zwei Spalten angeordnet sind und unabhängig von der Zellreihe jede Spalte ausschließlich aus mindestens einer Einlassöffnung oder mindestens einer Auslassöffnung besteht.
Wärmetauscher nach Anspruch 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Einlassöffnungen und die Auslassöffnungen jeweils in mindestens einer Spalte abhängig von der Zellreihe alternierend angeordnet sind.
Wärmetauscher nach Anspruch 9 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher zwischen dem ersten Sammelbecken und dem ersten Sammelvolumen über eine Strömungsplatine mit noppenartiger Oberflächenstruktur hydraulisch verbunden ist.
Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungseinheit einem Aluminiumblech entspricht.