-
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Gehäuse mit Kühlvorrichtung sowie ein Kraftfahrzeug mit einem Gehäuse mit Kühlvorrichtung.
-
Elektronische Schaltungen weisen häufig mindestens ein elektrisches Bauelement auf, das während eines Betriebs der elektronischen Schaltung Wärme in Form von Verlustwärme erzeugt. Wird eine solche elektronische Schaltung in einem Kraftfahrzeug verwendet, muss sie gegen äußere Einflüsse, wie Feuchtigkeit und Schmutz, geschützt werden. Dies geschieht mittels eines Gehäuses, in dem die elektronische Schaltung aufgenommen ist.
-
Um die entstehende Wärme von dem elektrischen Bauelement weg und aus dem Gehäuse abzuführen, wird in der Regel eine mechanische und klebende Verbindung der elektronischen Schaltung mit einem metallischen Bodenträger hergestellt. Der Bodenträger ist häufig bereits als Gehäuserand ausgebildet und stellt einen Teil der Gehäuseschale dar. Der metallische Bodenträger leitet die Wärme somit von der elektronischen Schaltung ab. Zur Verbesserung der Wärmeableitung kann Wärmeleitkleber zwischen der elektronischen Schaltung und dem Bodenträger angebracht sein. Der Bodenträger kann weiterhin selektive Kühlbereiche unter dem Wärme erzeugenden elektrischen Bauelement aufweisen.
-
In
DE 198 14 897 A1 ist ein induktives Bauelement für hohe Leistungen beschrieben, das zu Kühlzwecken eine Heatpipe verwendet. Bei der Heatpipe handelt es sich um einen gasdicht abgeschlossenen stabförmigen oder rohrförmigen, einen Hohlraum aufweisenden Metallkörper. Dieser Metallkörper ist mit einer Flüssigkeit gefüllt. Die Heatpipe schließt mit einem metallischen Gehäuseboden eben ab.
-
Nachteilig bei der Verwendung eines metallischen Bodenträgers oder Gehäusebodens ist der Aufwand, der erforderlich ist, um das Gehäuse gegenüber äußeren Einflüssen abzudichten. Beispielsweise sind hierzu häufig die Verwendung von Einlegedichtungen mit großen Umfängen oder von Schrauben oder Nieten zur Erzeugung einer ausreichenden Dichtkraft erforderlich. Weiterhin können aufwendige Vergussprozesse erforderlich sein. Daraus resultieren als weiterer Nachteil die hohen Herstellungskosten bei der Verwendung eines Metallgehäusekonzeptes. Nachteile bei der Verwendung von Heatpipes sind ebenfalls die aufwendige Herstellung der Heatpipes sowie die daraus resultierenden Kosten.
-
Die technische Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist daher, das Bereitstellen eines Gehäuses, das gegen äußere Einflüsse abgedichtet ist, eine im Vergleich zum Stand der Technik verbesserte Wärmeableitung bereitstellt sowie für einen Einsatz im Kraftfahrzeugbereich geeignet ist.
-
Die obige Aufgabe wird gelöst durch ein Gehäuse mit Kühlvorrichtung gemäß Anspruch 1 und ein Kraftfahrzeug mit einem Gehäuse gemäß Anspruch 10. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, den Zeichnungen sowie den abhängigen Ansprüchen.
-
Ein Gehäuse mit Kühlvorrichtung umfasst ein erstes und ein zweites Gehäuseteil, die miteinander verbunden sind, eine elektronische Schaltung, die in einem Inneren der Gehäusevorrichtung aufgenommen ist und mindestens ein elektrisches Bauelement aufweist, sowie mindestens einen Kühlkörper, der direkt oder indirekt mit dem elektrischen Bauelement verbunden ist und der über das Gehäuse hinausragt, um Wärme an eine Umgebung des Gehäuses abzuleiten.
-
Das erfindungsgemäße Gehäuse mit Kühlvorrichtung wird in einem Kraftfahrzeug verwendet, beispielsweise als ein Steuergehäuse. Die beiden Gehäuseteile sind dichtend miteinander verbunden, so dass Flüssigkeit oder Schmutz nicht in das Gehäuse eindringen kann. Im Betrieb der elektronischen Schaltung entsteht Wärme an dem mindestens einen elektrischen Bauelement. Bei dem elektrischen Bauelement handelt es sich beispielsweise um ein elektrisches Leistungselement. Die entstehende Wärme muss aus dem Gehäuse abgeleitet werden, um einen ordnungsgemäßen Betrieb der elektronischen Schaltung sicherzustellen. Dies ist mittels des Kühlkörpers realisiert.
-
Der Kühlkörper leitet die entstehende Wärme örtlich wirksam aus dem Gehäuseinneren nach außen. Dazu erstreckt sich der Kühlkörper durch eine Öffnung im Gehäuse. Der Kühlkörper ist insbesondere ein Vollkörper und besteht aus einem Material mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit, wie beispielsweise Kupfer oder Aluminium.
-
Ein Vorteil des erfindungsgemäßen Gehäuses ist, dass weder metallische Bodenträger noch ein Metallgehäuse erforderlich sind, um Wärme von dem elektrischen Bauelement abzuleiten. Weiterhin wird die Wärme von dem elektrischen Bauelement nicht an das Gehäuse weitergeleitet, sondern durch den Kühlkörper direkt an die Umgebung des Gehäuses abgegeben. Der Kühlkörper kann zudem zur Unterstützung und Lagerung des elektrischen Bauelements verwendet werden.
-
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform ist der Kühlkörper an eine Öffnung des Gehäuses angepasst, durch die der Kühlkörper über das Gehäuse hinausragt. Da der Kühlkörper an das Gehäuse angepasst ist, ist eine Dichtigkeit des Gehäuses gegenüber Flüssigkeit und/oder Schmutz weiterhin gegeben. Insbesondere können radiale oder axiale Dichtungen verwendet werden, um den Kühlkörper dichtend an dem Gehäuse in der Öffnung zu befestigen.
-
Weiterhin vorteilhaft ist, dass das erste und zweite Gehäuseteil aus einem Kunststoff bestehen. Aufgrund der lokalen Wärmeableitung mittels Kühlkörper von dem elektrischen Bauelement ist die Verwendung von Kunststoffen für das Gehäuse realisierbar. Kunststoffe bieten gegenüber Metall einen Preisvorteil. Zudem sind die beiden Gehäuseteile einfach beispielsweise mittels Kleben miteinander verbindbar, insbesondere, wenn sie aus dem gleichen Kunststoff hergestellt wurden. Die Klebeverbindung dichtet das Gehäuse ebenfalls gegenüber äußeren Einflüssen ab. In einer alternativen Ausführungsform erfolgt das Verbinden der beiden Gehäusehälften mittels Reibschweißen oder Laserschweißen. Auch mit diesen Verbindungsverfahren ist ein gegenüber äußeren Einflüssen dichtes Gehäuse realisierbar.
-
Vorzugsweise umfasst die elektronische Schaltung eine Leiterplatte, auf der das mindestens eine elektrische Bauelement angeordnet ist. In diesem Fall kann der Kühlkörper mit einem ersten axialen Ende direkt auf dem elektrischen Bauelement angeordnet sein, während sich das zweite axiale Ende des Kühlkörpers durch die Öffnung in einer Gehäusehälfte nach außen erstreckt. Somit kann Wärme von dem elektrischen Bauelement direkt über den Kühlkörper nach außen abgeführt werden. Zwischen dem Kühlkörper und dem elektrischen Bauelement kann eine Wärmeleitpaste oder Wärmeleitfolie zur Verbesserung eines Wärmeübergangs zwischen elektrischem Bauelement und Kühlkörper verwendet werden. Die Wärmeleitpaste oder Wärmeleitfolie gleicht Oberflächenunebenheiten aus und nimmt Positions- und Montagetoleranzen auf.
-
In einer alternativen Ausführungsform ist das elektrische Bauelement auf einer ersten Seite der Leiterplatte angeordnet und der Kühlkörper auf einer zweiten Seite der Leiterplatte gegenüber dem elektrischen Bauelement. Hier ist der Kühlkörper indirekt mit dem elektrischen Bauelement verbunden. Eine Wärmeabfuhr von dem elektrischen Bauelement erfolgt ebenso örtlich wirksam, da der Kühlkörper genau gegenüber dem elektrischen Bauelement angeordnet ist. Der Kühlkörper kann in diesem Fall weiterhin eine Stützfunktion der Leiterplatte übernehmen.
-
Um eine Wärmeableitung in dieser Ausführungsform weiter zu verbessern, kann eine Öffnung in der Leiterplatte vorgesehen sein, die einen Durchmesser aufweist, der dem Durchmesser des Kühlkörpers entspricht. Somit kann der Kühlkörper direkt mit dem elektrischen Bauelement in Kontakt gebracht werden, was die Wärmeableitung weiter verbessert.
-
Anstelle der einen Öffnung in der Leiterplatte unter dem elektrischen Bauelement kann zwischen dem elektrischen Bauelement und dem Kühlkörper eine Mehrzahl an Löchern in der Leiterplatte vorgesehen sein. Diese Löcher werden als Thermovias bezeichnet. Die Thermovias dienen zur Wärmedurchleitung von dem elektrischen Bauelement zu dem Kühlkörper. Der Kühlkörper und das elektrische Bauelement sind somit indirekt miteinander verbunden, weisen jedoch eine verbesserte Wärmeleitung im Vergleich zu einer Leiterplatte ohne Thermovias auf. Weiterhin kann die Mehrzahl an Löchern mit einem Material mit guter Wärmeleitfähigkeit gefüllt sein. Sollte dieses Material elektrisch leitfähig sein, wird es beispielsweise mittels einer Ummantelung aus einem elektrisch nicht leitfähigen Material in dem Bereich der Leiterplatte umgeben. Somit kann eine Wärmeableitung von dem elektrischen Bauelement über den Kühlkörper weiter verbessert werden.
-
Bei dem Kühlkörper handelt es sich vorzugsweise um eine Kühlschraube oder einen Kühlstift. Die Kühlschraube kann in die Öffnung in dem Gehäuse eingeschraubt werden. Dazu weist die Öffnung in dem Gehäuse ein entsprechendes Gewinde auf. Auf diese Weise kann eine Unterstützung der Leiterplatte weiter verbessert werden. Dies kann ebenfalls mittels eines in die Öffnung eingepressten Kühlstifts erfolgen.
-
Sowohl bei Verwendung der Kühlschraube als auch des Kühlstifts ist die Verwendung einer radialen oder axialen Dichtung bevorzugt. Der Kühlstift kann ein Verzahnungsprofil, wie beispielsweise ein Tannenzapfenprofil, aufweisen, um eine verbesserte Befestigung des Kühlstifts in der Öffnung zu realisieren. Bei der Verwendung eines Kühlstifts mit Verzahnungsprofil ist eine weitere Dichtung nicht mehr erforderlich, kann allerdings noch verwendet werden.
-
Ein Kraftfahrzeug umfasst ein erfindungsgemäßes Gehäuse mit einer Kühlvorrichtung. Das Gehäuse ist beispielsweise ein Steuergehäuse, und die elektronische Schaltung ist eine Steuerschaltung des Kraftfahrzeugs. Durch die Verwendung des erfindungsgemäßen Gehäuses mit Kühlvorrichtung ist die elektronische Schaltung gegenüber äußeren Einflüssen, wie Feuchtigkeit und Schmutz, abgedichtet. Weiterhin wird Wärme mittels des Kühlkörpers effektiv örtlich von dem elektrischen Bauelement abgeleitet.
-
Im Folgenden wird die vorliegende Erfindung anhand mehrerer Ausführungsbeispiele sowie den begleitenden Zeichnungen detailliert beschrieben. Gleiche Bezugszeichen in den Zeichnungen bezeichnen jeweils gleiche Elemente. Es zeigen:
-
1 eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Gehäuses mit Kühlvorrichtung,
-
2 zeigt eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Gehäuses mit Kühlvorrichtung,
-
3 zeigt eine dritte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Gehäuses mit Kühlvorrichtung,
-
4 zeigt eine vierte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Gehäuses mit Kühlvorrichtung und
-
5 zeigt eine fünfte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Gehäuses mit Kühlvorrichtung.
-
Das erfindungsgemäße Gehäuse wird in einem Kraftfahrzeug verwendet, beispielsweise als ein Steuergehäuse.
-
1 zeigt eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Gehäuses 1 mit Kühlvorrichtung. Das Gehäuse 1 besteht aus einem ersten Gehäuseteil 10 und einem zweiten Gehäuseteil 20. Beide Gehäuseteile 10, 20 sind aus Kunststoff hergestellt. Das erste Gehäuseteil 10 weist ein Steckersystem 12 auf. Mit dem Steckersystem 12 kann das Gehäuse 1 mechanisch mit einer Leitung (nicht dargestellt) verbunden werden. Weiterhin weist das erste Gehäuseteil 10 eine erste Befestigung 14 für das zweite Gehäuseteil 20 auf, die sich radial nach außen erstreckt. Eine zweite Befestigung 16 für eine elektronische Schaltung 30 erstreckt sich radial nach innen.
-
Das zweite Gehäuseteil 20 weist eine Öffnung 22, eine erste Befestigung 24 für das erste Gehäuseteil 10 und eine zweite Befestigung 26 für einen Kühlkörper 50 auf. Die erste Befestigung 24 erstreckt sich radial nach außen und ist deckungsgleich mit der ersten Befestigung 14 des ersten Gehäuseteils 10. Das erste Gehäuseteil 10 und das zweite Gehäuseteil 20 sind über die ersten Befestigungen 14, 24 fest und dicht miteinander verbunden.
-
Sind das erste Gehäuseteil 10 und das zweite Gehäuseteil 20 aus Kunststoff hergestellt, können die beiden Gehäuseteile 10, 20 an den ersten Befestigung 14, 24 mittels Kleben miteinander verbunden sein. Alternativ können die beiden Gehäuseteile 10, 20 an den ersten Befestigungen 14, 24 mittels Reibschweißen oder Laserschweißen miteinander verbunden sein. Vorteilhafterweise sind die beiden Gehäuseteile 10, 20 beim Reibschweißen oder Laserschweißen aus demselben Kunststoff hergestellt, was aber nicht zwingend erforderlich ist.
-
Im Inneren des Gehäuses 1 befindet sich die elektronische Schaltung 30. Die elektronische Schaltung 30 besteht aus einer Leiterplatte 32. Die Leiterplatte 32 ist zwischen dem ersten 10 und zweiten Gehäuseteil 20 befestigt. Beispielsweise kann die Leiterplatte 32 eingeklemmt sein. Alternativ ist die Leiterplatte 32 an der zweiten Befestigung 16 des ersten Gehäuseteils 10 befestigt, wie in 1 dargestellt.
-
Die Leiterplatte 32 weist auf einer ersten Seite ein elektrisches Bauelement 34 auf, das Wärme erzeugt, sowie ein weiteres elektrisches Bauelement 36. Beide elektrischen Bauelemente 34, 36 sind mittels Bonddrähten mit der Leiterplatte 32 verbunden. Alternativ ist auch ein Verlöten der beiden elektrischen Bauelemente 34, 46 mit der Leiterplatte 32 möglich. Weiterhin erstrecken sich von der ersten Seite der Leiterplatte 32 zwei Steckerpins 38 durch das erste Gehäuseteil 10 nach außen, um einen elektrischen Kontakt beispielsweise zu der nicht dargestellten Leitung herzustellen.
-
In der Leiterplatte 32 befindet sich unter dem elektrischen Bauelement 34 eine Mehrzahl an Löchern 40. Die Mehrzahl an Löchern 40 wird auch als Thermovias 40 bezeichnet. Die Löcher 40 können einfache Bohrungen sein. Weiterhin können die Löcher eine Hülse aus einem Material mit einer guten Wärmeleitfähigkeit aufweisen und/oder sie können mit einem Material mit einer guten Wärmeleitfähigkeit gefüllt sein. Bei dem Material der Hülse handelt es sich beispielsweise um Kupfer. Weiterhin kann eine Ummantelung des Füllmaterials erforderlich sein, um eine elektrische Isolierung zwischen der Leiterplatte und dem Füllmaterial zu erreichen. Die Ummantelung umgibt das Füllmaterial daher entlang seiner axialen Länge.
-
Durch die Öffnung 22 im zweiten Gehäuseteil 20 ist ein Kühlkörper 50 eingebracht. Die Öffnung 22 des zweiten Gehäuseteils 20 kann mit der zweiten Befestigung 26 für den Kühlkörper 50 ausgebildet sein. Beispielsweise erstreckt sich die zweite Befestigung 26 von dem zweiten Gehäuseteil 20 parallel zu einer Längsachse des Kühlkörpers 50. Die zweite Befestigung 26 kann sich nur in Richtung eines Gehäuseinneren oder nur nach außen oder in beide Richtungen erstrecken.
-
Gemäß 1 ist der Kühlkörper 50 eine Kühlschraube. Die zweite Befestigung 26 des zweiten Gehäuseteils 20 weist daher ein zu der Kühlschraube 50 passendes Gewinde auf. Der Kühlkörper 50 in Form einer Kühlschraube weist weiterhin eine radiale Dichtung 52 auf. Mittels der Dichtung 52 ist das Gehäuse zusätzlich gegenüber dem Eindringen von Schmutz und/oder Flüssigkeit abgedichtet.
-
Der Kühlkörper 50 ist ein Vollkörper und besteht aus einem gut Wärme leitenden Material, wie beispielsweise Aluminium oder Kupfer. Im Betrieb wird die an dem elektrischen Bauelement 34 entstehende Wärme über den Kühlkörper 50 aus dem Gehäuseinneren nach außen örtlich wirksam abgeleitet. Dies ist mittels des Pfeils 60 dargestellt. Der aus der Öffnung 22 herausragende Bereich des Kühlkörpers 50 kann weiterhin Kühlrippen (nicht dargestellt) aufweisen. Mittels der Kühlrippen wird ein Wärmeübergang zwischen dem Kühlkörper 50 und einer Gehäuseumgebung weiter verbessert. Zwischen dem Kühlkörper 50 und der Leiterplatte 32 ist bevorzugt eine Wärmeleitpaste 70 oder eine Wärmeleitfolie angeordnet. Mittels der Wärmeleitpaste 70 oder Wärmeleitfolie wird ebenfalls ein Wärmeübergang zwischen dem Kühlkörper 50 und der Leiterplatte 32 verbessert. Insbesondere gleicht die Wärmeleitpaste 70 oder Wärmeleitfolie Oberflächenunebenheiten an dem Kühlkörper 50 oder der Leiterplatte 32 aus. Zudem nimmt die Wärmeleitpaste 70 oder Wärmeleitfolie Positions- und Montagetoleranzen auf.
-
Der Kühlkörper 50 wird weiterhin zur Lagerung und Stützung der Leiterplatte 32 im Gehäuse 1 verwendet. Somit sorgt der Kühlkörper 50 für eine zusätzliche Stabilisierung der Leiterplatte 32 im Gehäuse 1.
-
2 zeigt eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Gehäuses 1 mit Kühlvorrichtung. Anstelle der Thermovias 40 in 1 weist die Leiterplatte 32 eine einzige Öffnung 42 unter dem elektrischen Bauelement 34 auf. Die Öffnung 42 hat einen Durchmesser, der mindestens dem Durchmesser des Kühlkörpers 50 entspricht. Auf diese Weise kann der Kühlkörper 50 direkt mit dem elektrischen Bauelement 32 verbunden werden. Eine Wärmeableitung von dem elektrischen Bauelement in eine Umgebung des Gehäuses 1 wird somit weiter verbessert. Zusätzlich kann wie bei der Ausführungsform in 1 eine Wärmeleitpaste 70 oder Wärmeleitfolie zwischen dem elektrischen Bauelement 34 und dem Kühlkörper 50 verwendet werden. Auch in dieser Ausführungsform wird als Kühlkörper 50 eine Kühlschraube verwendet.
-
Nun Bezug nehmend auf die Ausführungsformen gemäß den 3 bis 5 wird als Kühlkörper 50 ein Kühlstift verwendet. Der Kühlstift ist in die Öffnung 22 in dem zweiten Gehäuseteil 20 eingepresst. Die Dichtigkeit des Gehäuses 1 wird in den Ausführungsformen gemäß 3 und 4 mittels einer Dichtung 52 sichergestellt. In 3 ist dies eine radiale Dichtung und in 4 eine axiale Dichtung.
-
5 zeigt eine weitere Ausführungsform des Kühlkörpers 50. Hierbei wird ein Kühlstift mit einem Verzahnungsprofil 54 verwendet. Das Verzahnungsprofil 54 ist insbesondere ein Tannenzapfenprofil. Auf diese Weise kann auf weitere Dichtungen wie beispielsweise O-Ringe verzichtet werden. Allerdings können diese weiterhin zusätzlich verwendet werden.
-
In den 1 bis 5 ist der Kühlkörper 50 immer in die Öffnung 22 in dem zweiten Gehäuseteil 20 eingesetzt. Allerdings kann anstelle des zweiten Gehäuseteils 20 das erste Gehäuseteil 10 eine entsprechend ausgestaltete Öffnung für den Kühlkörper 50 aufweisen, bei gleicher Anordnung der Leiterplatte 32 und der darauf angeordneten Bauelemente. In diesem Fall würde der Kühlkörper 50 das elektrische Bauelement 34 von „oben” kontaktieren. Somit wäre eine direkte Verbindung zwischen dem Kühlkörper 50 und dem elektrischen Bauelement 34 ebenfalls hergestellt. Auch in dieser Ausführungsform kann Wärmeleitpaste 70 oder Wärmeleitfolie verwendet werden. Ebenso kann der Kühlkörper 50 Kühlrippen aufweisen. Zudem können alle beschriebenen Kühlkörperausführungen verwendet werden.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Gehäuse
- 10
- erstes Gehäuseteil
- 12
- Steckersystem
- 14
- erste Befestigung
- 16
- zweite Befestigung
- 20
- zweites Gehäuseteil
- 22
- Öffnung
- 24
- erste Befestigung
- 26
- zweite Befestigung
- 30
- elektronische Schaltung
- 32
- Leiterplatte
- 34
- elektrisches Bauelement
- 36
- weiteres elektrisches Bauelement
- 38
- Steckerpins
- 40
- Löcher/Thermovias
- 42
- Öffnung
- 50
- Kühlkörper
- 52
- Dichtung
- 54
- Verzahnungsprofil
- 60
- Pfeil
- 70
- Wärmeleitpaste
-
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
-
