WO2023025359A1 - Kühlanordnung, steuereinrichtung sowie verfahren zur herstellung einer kühlanordnung - Google Patents

Kühlanordnung, steuereinrichtung sowie verfahren zur herstellung einer kühlanordnung Download PDF

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WO2023025359A1
WO2023025359A1 PCT/DE2022/200175 DE2022200175W WO2023025359A1 WO 2023025359 A1 WO2023025359 A1 WO 2023025359A1 DE 2022200175 W DE2022200175 W DE 2022200175W WO 2023025359 A1 WO2023025359 A1 WO 2023025359A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
cooling
carrier
fluid
cooling element
control device
Prior art date
Application number
PCT/DE2022/200175
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Thomas Unseld
Andreas Maucher
Original Assignee
Continental Automotive Technologies GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Continental Automotive Technologies GmbH filed Critical Continental Automotive Technologies GmbH
Publication of WO2023025359A1 publication Critical patent/WO2023025359A1/de

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • H05K7/00—Constructional details common to different types of electric apparatus
    • H05K7/20—Modifications to facilitate cooling, ventilating, or heating
    • H05K7/20845—Modifications to facilitate cooling, ventilating, or heating for automotive electronic casings
    • H05K7/20863—Forced ventilation, e.g. on heat dissipaters coupled to components

Definitions

  • the present invention relates to a novel cooling arrangement for a control device, a corresponding control device, in particular a control device that can be used to (partially) automatically control a vehicle, and a method for producing a cooling arrangement/control device according to the invention.
  • Modern means of transport such as motor vehicles or motorcycles, are increasingly being equipped with driver assistance systems that use sensor systems to detect the environment, recognize the traffic situation and support the driver, e.g. B. by a braking or steering intervention or by the output of a visual or acoustic warning.
  • Radar sensors, lidar sensors, camera sensors or the like are regularly used as sensor systems for detecting the surroundings. From the sensor data determined by the sensors, conclusions can then be drawn about the environment, e.g. B. an object and / or environment classification or an environment model can be created.
  • the detection of the surroundings is almost indispensable in the field of (partly) autonomous driving, so that there is a special interest in the further development of the corresponding systems.
  • Electronic control units electronic control units, ECU
  • control devices are generally used to control actuators (brakes, engine, transmission and the like) and/or sensors and to calculate and control driving and assistance functions.
  • the demands on such control devices in the automotive industry are increasing, which leads to ever higher computing power and power losses of the control devices.
  • the resulting heat has been dissipated via external cooling plates through which water flows, fans or cooling fins.
  • DE 10 2004 028 740 B4 discloses a combined cooling/air conditioning system for motor vehicles for cooling electrical and/or electronic components of the motor vehicle.
  • the existing air conditioning system in the form of a heater with a fan or an air conditioning system, is used to cool electrical or electronic components of the motor vehicle by almost completely compensating for the intervention in the air conditioning system by recirculating the cooling air into the intake tract of the fan of the air conditioning system is effected.
  • a symmetrical tapping of air from the air conditioning system as cooling air can be made possible without significantly disturbing the symmetry of the air conditioning system.
  • the object of the present invention is now to specify a cooling arrangement and a corresponding control device, with which a good heat transfer between the heat sink or cooling element and the housing is achieved and the disadvantages resulting from the prior art are overcome in a simple, space-saving and cost-effective manner.
  • the cooling arrangement comprises a cooling element through which fluid can flow for cooling, at least one housing part and a carrier for carrying components to be cooled (e.g. printed circuit boards, power electronics, circuits, processors and the like), the carrier being arranged on the cooling element and the housing part is arranged on the carrier in such a way that the carrier or a carrier part and a housing part each form a self-contained unit.
  • the carrier may comprise several parts, z. B. are arranged or attached to several sides of the heat sink.
  • the carrier can also be designed in one piece.
  • the carrier can enclose or surround the heat sink in the manner of a frame.
  • a carrier part or the carrier in the case of a surrounding carrier
  • At least one fluid conveyor can expediently be arranged in/on the cooling element. As a result, the flow of fluid can be made possible and/or regulated.
  • a fluid counter can be provided for determining the fluid flow in/on the cooling element.
  • the fluid conveyor can be controlled as a function of the determined fluid flow. This means that the fluid conveyor can be adapted to the prevailing flow conditions depending on the situation, so that z. B. the performance of the fluid conveyor is increased when more fluid flow or more cooling is needed.
  • An ultrasonic fluid meter with an ultrasonic measuring section can preferably be provided as the fluid meter, with the ultrasonic measuring section being located within the cooling element.
  • Ultrasonic fluid meters generally include an ultrasonic measuring section, which is stretched between two ultrasonic transducers and possibly redirected via reflectors, and are well known. With regard to the present embodiment, for example, a pair of ultrasonic transducers can be arranged on the heat sink or in the wall of the heat sink.
  • a fan in particular an axial, radial, diagonal or tangential fan, and/or a compressor and/or a pump can preferably be provided as the fluid conveyor.
  • the present invention also includes a control device that includes a cooling arrangement according to the invention, in particular a control device for controlling actuators and sensors, preferably in the field of vehicle and automobile technology.
  • control devices that provide driver assistance functions through to automated vehicle controls by using the sensor data from the sensors to detect the environment and access actuators of the vehicle for vehicle control.
  • the present invention discloses a method for producing a cooling arrangement according to the invention and thus also a control device according to the invention.
  • the manufacturing process includes the following process steps in the order given:
  • the cooling element is explicitly seen as the central component around which the frame and then the housing are arranged. Accordingly, the present invention also includes any cooling arrangement according to the invention according to all possible design variants that was produced using the production method.
  • FIG. 1 shows a simplified schematic representation of an embodiment of a vehicle with a control device according to the invention
  • FIG. 2 shows a simplified schematic representation of an embodiment of the control device according to the invention
  • FIG. 3 shows a simplified schematic representation of a further embodiment of the control device according to the invention.
  • FIG. 5 shows a simplified schematic representation of a further embodiment of the control device according to the invention.
  • FIG. 6 shows a simplified schematic representation of a further embodiment of the control device according to the invention.
  • Fig. 7 is a simplified schematic representation of a further embodiment of the control device according to the invention.
  • FIG. 8 shows a simplified schematic representation of a further embodiment of the control device according to the invention.
  • Reference numeral 1 in Fig. 1 designates a vehicle with various actuators (steering 3, motor 4, brake 5), which has a control device 2 according to the invention (ECU, Electronic Control Unit or ADCU, Assisted and Automated Driving Control Unit), through which a ( partially) automated control of the vehicle 1 can be done, z. B. by the control device 2 can access the actuators of the vehicle 1.
  • the control device 2 has a memory unit, e.g. B. to store an algorithm, control instructions or patterns.
  • Vehicle 1 also has sensors for detecting the surroundings: a radar sensor 6, a lidar sensor 7 and a front camera 8 as well several ultrasonic sensors 9a-9d, the sensor data for environment and object detection are used, so that various assistance functions such. B.
  • EBA Electronic Brake Assist
  • ACC Adaptive Cruise Control
  • LKA Lane Keep Assist
  • parking assistant or the like
  • the assistance functions are executed via the control device 2 or the algorithm stored there.
  • control device 2 shows an embodiment of a control device 2 according to the invention with a cooling arrangement according to the invention, the control device 2 being shown on the left in assembled form and on the right as an exploded view.
  • the control device or the control device 2 is constructed centrally around a cooling profile or cooling element 10 .
  • the cooling element 10 is explicitly not provided here as an additional component, as has been used several times in the prior art, but the cooling element 10 forms the “core of the construction”. All other parts or components are thus aligned with the cooling or the cooling element 10 .
  • a heat-conducting profile e.g. an extruded part or the like
  • various fluids or cooling media e.g. water, glycol, air or the like
  • the cooling element 10 is designed as a cooling plate through which a coolant or cooling medium, such as water or glycol, flows.
  • the cooling element 10 z. B. be connected to a cooling circuit with coolant reservoir and feed pump (in the figures. Not shown).
  • the white arrow in FIG. 2 indicates the flow direction of the coolant as an example.
  • the cooling element 10 is enclosed by a carrier 13, 14, in particular a printed circuit board carrier (PCB carrier), or a frame on or around which a protective housing (eg one or two top/bottom covers) can be applied.
  • a carrier 13, 14 can either be in several parts or comprise several parts that are arranged or attached to several sides of the heat sink 10, or the carrier 13, 14 can be made in one piece or in one piece that the heat sink 10 surrounds or encloses.
  • a two-part housing comprising a cover or housing part 11 and a cover or housing part 12 is provided as the housing (ie housing comprising upper and lower shell).
  • electronic components z. B.
  • a printed circuit board (not shown) can be arranged, with these being clamped between the housing part 11, 12 and the carrier 13, 14, in particular, and positioned relative to the cooling element 10 in order to cool the relevant electronic components.
  • the housing parts 11 , 12 are not in direct contact with the cooling element 10 .
  • Printed circuit boards can be arranged on each side of the carrier 13, 14, so that both sides of the cooler or the cooling element 10 can be used for cooling.
  • a carrier 13, 14 and an associated housing part 11, 12 are arranged on two opposite sides of the cooling element 10, each forming a closed unit.
  • only one side of the cooling element 10 can also be used in order to arrange a carrier 13 or carrier 14 thereon, which then forms a closed unit with a corresponding housing part 11 or housing part 12 .
  • the heat sink or the cooling element 10 is either flowed through by an externally added cooling medium (e.g. water/glycol, cooling circuit car, or the like), as shown in Fig. 2, or by an internal fan or fan 15 with cooling medium ( in particular air) as shown in FIG.
  • the fan 15 is positioned directly in/on the thermally conductive cooling element 10 and cools the cooling element 10 by the air flow.
  • the fan 15 is arranged on the cooling element 10 in such a way that it draws in air and conveys it into the cooling element 10 (represented by the black arrows).
  • a fan can also be arranged at the other end of the cooling element 10 so that it sucks air out of the cooling element 10 and conveys it out of the cooling element 10 .
  • fans 15, 16 can also be arranged at both ends, as shown in FIG. This further improves the cooling performance.
  • the fans 15, 16 are axial fans, in which the air is absorbed by the rotation of blades and in the axial Direction is funded, with no or almost no radial air movement.
  • other types of ventilators e.g. B. centrifugal, diagonal or tangential fans.
  • Generic centrifugal fans include a turbine and a (spiral) housing with an impeller.
  • the impeller of such a fan is usually a hollow cylinder in which the blades of the turbine are arranged. When the impeller moves, the air between the blades flows from the center in a radial direction and is compressed at the same time. The air is forced into the spiral housing by the centrifugal force, after which it flows into the intake opening.
  • Radial fans have the advantage that, compared to axial fans, they usually have the same performance, require lower speeds, work more quietly and require less installation space. In contrast, however, they are usually more expensive.
  • 5 shows an embodiment of the control device 2 according to the invention, in which the fan 16 is designed as a radial fan.
  • a second radial fan can also be provided, as shown by the fans 16, 17 in FIG.
  • mixed forms of different fan types are also conceivable, e.g. B. that a radial and an axial fan is provided.
  • FIG. 7 shows an embodiment of the control device 2 in which a fluid flows through the cooling element 10 as a cooling medium.
  • a fluid conveyor 19 is provided, which is arranged in the cooling element 10 .
  • a fan can be provided as the fluid conveyor 19 (e.g. for conveying air).
  • a pump can also be provided if a liquid coolant is provided as the cooling medium.
  • FIG. 8 shows an embodiment of the control device 2 in which only one carrier 13 is provided on one side of the cooling element 10, so that only one side of the cooling element 10 is used for cooling.
  • the housing has also been adapted accordingly, with the lower shell or housing part being 12 has been designed smaller than the upper shell or the opposite, upper housing part 11 .
  • a fluid meter e.g. an ultrasonic meter, comprising two ultrasonic sensors, an ultrasonic measuring section and possibly reflectors
  • the fluid meter can be arranged in/on the cooling element 10 so that the measuring section of the fluid meter is inside the cooling element 10 . This allows the current fluid flow rate to be determined, with the fans 15, 16, 17, 18 or the fluid conveyor 19 being able to be controlled depending on the measured flow rate to the required flow rate (i.e. the flow rate can be regulated or increased and/or reduced).
  • a required flow can result from the fact that a definable flow can be set at certain definable temperatures (eg measured by temperature sensors in the control device 2 or on the carrier 13, 14 or the printed circuit board). As a result, for example, the flow and thus the cooling capacity can be increased if the temperature also increases.
  • certain definable temperatures eg measured by temperature sensors in the control device 2 or on the carrier 13, 14 or the printed circuit board.
  • the present invention relates to a “closed” system with integrated cooling, with which strict EMC (electromagnetic compatibility) requirements in the automotive industry can also be met.
  • the target principle is to realize the structure during production based on the cooling (e.g. cooling plate), whereby the electronic components to be cooled (e.g. printed circuit board) are then added and then e.g. B. to be closed with enclosing housing cover or housing part.
  • the prior art generally shows the principle that the components to be cooled are realized with an enclosing housing and cooling (eg cooling plate or cooling circuit) is then added.
  • the main advantages of the invention are, on the one hand, that due to the integrated cooling, only one component has to be installed in the vehicle and not as before several components (e.g. housing and cooling) and on the other hand that active cooling can be implemented much more easily than before, so that complex passive cooling can be replaced, which means that cheaper materials such as plastic can be used instead of die-cast metal.
  • active cooling can be implemented much more easily than before, so that complex passive cooling can be replaced, which means that cheaper materials such as plastic can be used instead of die-cast metal.
  • the liquid variant only a corresponding circuit has to be connected.
  • all the essential components and controls are integrated in the control unit. Because there is a variable frame, different PCB stacks can be implemented in the same concept without having to make major adjustments.
  • thermally conductive profiles e.g. extruded parts
  • previous cooling solutions e.g. "heat pipes” and comparable solutions.
  • the solution offers a reduction in weight and a significant saving in installation space.
  • the solution according to the invention can be used in almost any control device or in any type of power electronics where high temperatures are generated and cooling is required.
  • the cooling arrangement can also be used to heat a component to be heated (as a heating arrangement, so to speak) by being filled with a medium which gives off heat to a component to be heated.
  • the cooling device can be easily connected to a heating circuit via the connections in order to be supplied with heating medium which flows through the cooling or heating element.

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Kühlanordnung, umfassend ein Kühlelement (10), welches zur Kühlung mit Fluid durchströmt werden kann, mindestens einem Gehäuseteil (11, 12), und einem Träger (13, 14) zum Tragen von zu kühlenden Komponenten, wobei der Träger (13, 14) am Kühlelement (10) angeordnet ist, und das Gehäuseteil (11, 12) am Träger (13, 14) derart angeordnet ist, dass jeweils ein 10 Träger (13, 14) und ein Gehäuseteil (11, 12) eine geschlossene Einheit bilden.

Description

Beschreibung
Kühlanordnung, Steuereinrichtung sowie Verfahren zur Herstellung einer Kühlanordnung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine neuartige Kühlanordnung für eine Steuereinrichtung, eine entsprechende Steuereinrichtung, insbesondere eine Steuereinrichtung, durch die eine (teil-) automatisierte Steuerung eines Fahrzeuges erfolgen kann, sowie ein Verfahren zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Kühlanordnung/Steuereinrichtung.
Technologischer Hintergrund
Moderne Fortbewegungsmittel, wie Kraftfahrzeuge oder Motorräder, werden zunehmend mit Fahrerassistenzsystemen ausgerüstet, welche mit Hilfe von Sensorsystemen die Umgebung erfassen, Verkehrssituation erkennen und den Fahrer unterstützen, z. B. durch einen Brems- oder Lenkeingriff oder durch die Ausgabe einer optischen oder akustischen Warnung. Als Sensorsysteme zur Umgebungserfassung werden regelmäßig Radarsensoren, Lidarsensoren, Kamerasensoren oder dergleichen eingesetzt. Aus den durch die Sensoren ermittelten Sensordaten können anschließend Rückschlüsse auf die Umgebung gezogen werden, womit z. B. eine Objekt- und/oder Umgebungsklassifizierung bzw. ein Umfeldmodell erstellt werden kann. Ferner ist die Umgebungserfassung nahezu unverzichtbar im Bereich des (teil-) autonomen Fahrens, sodass ein besonderes Interesse an der Fort- und Weiterentwicklung der entsprechenden Systeme besteht. Zur Ansteuerung von Aktoren (Bremse, Motor, Getriebe und dergleichen) und/oder Sensoren sowie zur Berechnung und Steuerung von Fahr- und Assistenzfunktionen werden in der Regel elektronische Steuergeräte (Electronic Control Unit, ECU) bzw. Steuereinrichtungen eingesetzt. Die Anforderungen an derartige Steuergeräte in der Automobilindustrie werden zunehmend größer, was zu immer höheren Rechen- und Verlustleistungen der Steuergeräte führt. Die dadurch entstehende Wärme wird bisher über externe wasserdurchströmte Kühlplatten, Lüfter oder durch Kühlrippen abgleitet.
Hierbei sind Formen von Kühlmethoden bekannt, bei denen durch natürliche Konvektion erwärmte Luft aufsteigt, so dass sich nachströmende Luft erwärmt und dann ebenfalls aufsteigt. Ferner kann auch eine erzwungene Konvektion vorgesehen sein, bei der z. B. mittels Ventilatoren ein Luftstrom über die zu kühlenden Bauteile geblasen oder gesogen wird, wodurch die erwärmte Luft abgeführt wird. Weiterhin gibt es Flüssigkeitskühlsysteme, bei denen die zu kühlenden Bauteile durch Kühlflüssigkeiten gekühlt werden (z. B. aktiv indem die Kühlflüssigkeit mittels Pumpe an den zu kühlenden Bauteilen vorbeigeführt wird). Zudem sind zahlreiche Mischformen und Varianten zu den aufgezeigten Systemen sowie weitere Kühlmöglichkeiten bekannt. Bei den bisher verwendeten Techniken muss die Wärme jedoch immer über (mehrere) Medien transportiert werden, bis sie mit Lüftern oder Kühlplatten abgeleitet werden kann. Eine direkte Ableitung von den Bauteilen ist in der Regel schwer zu realisieren.
Druckschriftlicher Stand der Technik
Aus der DE 10 2004 028 740 B4 ist ein kombiniertes Kühl-/Klimasystem für Kraftfahrzeuge zum Kühlen elektrischer und/oder elektronischer Bauteile des Kraftfahrzeugs des Kraftfahrzeugs bekannt. Hierbei wird das bestehende Klimasystem, in der Form einer Heizung mit Gebläse oder einer Klimaanlage, zum Kühlen elektrischer bzw. elektronischer Bauteile des Kraftfahrzeugs genutzt, indem durch eine Rückführung der Kühlluft in den Ansaugtrakt des Lüfters des Klimasystems eine nahezu völlige Kompensation des Eingriffs auf das Klimasystem bewirkt wird. Somit kann ein symmetrischer Abgriff von Luft aus dem Klimasystem als Kühlluft ermöglicht werden, ohne die Symmetrie des Klimasystems wesentlich zu stören. Aufgabe der vorliegenden Erfindung
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht nunmehr darin, eine Kühlanordnung und eine entsprechende Steuereinrichtung anzugeben, womit ein guter Wärmeübergang zwischen Kühlkörper bzw. Kühlelement und Gehäuse erreicht wird und die aus dem Stand der Technik ergebenden Nachteile in einfacher, platzsparender und kostengünstiger Weise überwunden werden.
Lösung der Aufgabe
Die vorstehende Aufgabe wird durch die gesamte Lehre des Anspruchs 1 sowie der nebengeordneten Ansprüche gelöst. Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beansprucht.
Erfindungsgemäß umfasst die Kühlanordnung ein Kühlelement, welches zur Kühlung mit Fluid durchströmt werden kann, mindestens ein Gehäuseteil und einen Träger zum Tragen von zu kühlenden Komponenten (z. B. Leiterplatten, Leistungselektronik, Schaltkreise, Prozessoren und dergleichen), wobei der Träger am Kühlelement angeordnet ist und das Gehäuseteil am Träger derart angeordnet ist, dass der Träger oder ein Trägerteil und ein Gehäuseteil jeweils eine in sich geschlossene Einheit bilden. Daraus resultiert der Vorteil, dass eine Optimierung der Kühlleistung, des Bauraumes, des Gewichts und der Komplexität des Gesamtaufbaus erzielt werden kann. Bisher sind hierzu mehrere verschiedene Komponenten bzw. Bauteile zu kombinieren. Ferner kann die Anzahl der zu verwendenden Bauteile sowie die Herstell- und Bearbeitungsprozesse reduziert werden, wodurch der Zeit- und Kostenaufwand in besonderem Maße reduziert werden kann.
Zweckmäßigerweise kann der Träger mehrere Teile umfassen, die z. B. an mehreren Seiten des Kühlkörpers angeordnet bzw. befestigt sind. Alternativ kann der Träger auch einteilig ausgestaltet sein. In praktischer Weise kann der Träger den Kühlkörper dabei rahmenartig umschließen bzw. umgeben. Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung kann an zwei gegenüberliegenden Seiten des Kühlelements jeweils ein Trägerteil oder der Träger (im Falle eines umgebenden Trägers) angeordnet sein, wobei an beiden gegenüberliegenden Seiten des Kühlelements jeweils ein Gehäuseteil angeordnet ist, welches jeweils mit dem Träger bzw. dem Trägerteil jeweils eine geschlossene Einheit bildet.
Zweckmäßigerweise kann in/am Kühlelement mindestens ein Fluidförderer angeordnet sein. Dadurch kann die Durchströmung mit Fluid ermöglicht und/oder geregelt werden.
Ferner kann ein Fluidzähler zum Ermitteln des Fluiddurchflusses in/am Kühlelement vorgesehen sein.
Gemäß einer besonderen Ausführung kann der Fluidförderer in Abhängigkeit vom ermittelten Fluiddurchfluss gesteuert werden. Das heißt, der Fluidförderer kann situationsabhängig auf die jeweils vorliegenden Durchströmungsbedingungen angepasst werden, so dass z. B. die Leistung des Fluidförderers erhöht wird, wenn mehr Fluiddurchfluss bzw. mehr Kühlung benötigt wird.
Vorzugsweise kann als Fluidzähler ein Ultraschallfluidzähler mit einer Ultraschallmessstrecke vorgesehen sein, wobei sich die Ultraschallmessstecke innerhalb des Kühlelements befindet. Ultraschallfluidzähler umfassen in der Regel eine Ultraschallmessstecke, welche zwischen zwei Ultraschallwandlern aufgespannt ist und ggf. über Reflektoren umgeleitet wird, und sind hinreichend bekannt. Hinsichtlich der vorliegenden Ausgestaltung kann beispielsweise ein Paar Ultraschallwandler am Kühlkörper bzw. in der Wandung des Kühlkörpers angeordnet werden.
In bevorzugter Weise kann als Fluidförderer ein Ventilator, insbesondere ein Axial-, Radial-, Diagonal- oder Tangentialventilator, und/oder ein Verdichter und/oder eine Pumpe vorgesehen sein. Neben- oder untergeordnet umfasst die vorliegende Erfindung auch eine Steuereinrichtung, die eine erfindungsgemäße Kühlanordnung umfasst, insbesondere eine Steuereinrichtung zum Steuern von Aktoren und Sensoren vorzugsweise im Bereich der Fahrzeug- und Automobiltechnik. Hierbei handelt es sich insbesondere um Steuereinrichtungen, welche Fahrerassistenzfunktionen bis hin zu automatisierten Fahrzeugsteuerungen bereitstellen, indem sie die Sensordaten der Sensoren verwenden, um das Umfeld zu erfassen und auf Aktoren des Fahrzeuges zur Fahrzeugsteuerung zugreifen.
Ferner offenbart die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Kühlanordnung und somit auch einer erfindungsgemäßen Steuereinrichtung. Das Herstellungsverfahren umfasst dabei folgende Verfahrensschritte in der angegeben Reihenfolge:
- Bereitstellen eines Kühlelements, welches zur Kühlung mit Fluid durchströmt werden kann, danach
- Anordnen eines Rahmens bzw. eines Trägers zum Tragen von zu kühlenden Komponenten am Kühlelement, und danach
- Anordnen eines Gehäuses bzw. von Gehäuseteilen am Träger, derart, dass der Träger oder jeweils ein Trägerteil und ein Gehäuseteil jeweils eine geschlossene Einheit bilden.
Explizit wird hierbei das Kühlelement als zentrales Bauteil gesehen, um das der Rahmen und dann das Gehäuse angeordnet wird. Dementsprechend umfasst die vorliegende Erfindung auch jegliche erfindungsgemäße Kühlanordnung gemäß aller möglichen Ausgestaltungsvananten, die anhand des Herstellungsverfahrens hergestellt wurde.
Beschreibung der Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von zweckmäßigen Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 eine vereinfachte schematische Darstellung einer Ausgestaltung eines Fahrzeuges mit einer erfindungsgemäßen Steuereinrichtung;
Fig. 2 eine vereinfachte schematische Darstellung einer Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Steuereinrichtung;
Fig. 3 eine vereinfachte schematische Darstellung einer weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Steuereinrichtung;
Fig. 4 eine vereinfachte schematische Darstellung einer weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Steuereinrichtung;
Fig. 5 eine vereinfachte schematische Darstellung einer weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Steuereinrichtung;
Fig. 6 eine vereinfachte schematische Darstellung einer weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Steuereinrichtung;
Fig. 7 eine vereinfachte schematische Darstellung einer weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Steuereinrichtung, sowie
Fig. 8 eine vereinfachte schematische Darstellung einer weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Steuereinrichtung.
Bezugsziffer 1 in Fig. 1 bezeichnet ein Fahrzeug mit verschiedenen Aktoren (Lenkung 3, Motor 4, Bremse 5), welches eine erfindungsgemäße Steuereinrichtung 2 (ECU, Electronic Control Unit oder ADCU, Assisted and Automated Driving Control Unit) aufweist, durch die eine (teil-) automatisierte Steuerung des Fahrzeuges 1 erfolgen kann, z. B. indem die Steuereinrichtung 2 auf die Aktoren des Fahrzeuges 1 zugreifen kann. Zudem weist die Steuereinrichtung 2 eine Speichereinheit auf, um z. B. einen Algorithmus, Steueranweisungen oder Muster zu speichern. Ferner weist das Fahrzeug 1 Sensoren zur Umfelderfassung auf: einen Radarsensor 6, einen Lidarsensor 7 und eine Frontkamera 8 sowie mehrere Ultraschallsensoren 9a-9d, deren Sensordaten zur Umfeld- und Objekterkennung genutzt werden, sodass verschiedene Assistenzfunktionen, wie z. B. Notbremsassistent (EBA, Electronic Brake Assist), Abstandsfolgeregelung (ACC, Adaptive Cruise Control), Spurhalteregelung bzw. ein Spurhalteassistent (LKA, Lane Keep Assist), Parkassistent oder dergleichen, realisiert werden können. Die Ausführung der Assistenzfunktionen erfolgt dabei über die Steuereinrichtung 2 bzw. dem dort hinterlegten Algorithmus.
In Fig. 2 ist eine Ausgestaltungsform einer erfindungsgemäßen Steuereinrichtung 2 mit erfindungsgemäßer Kühlanordnung gezeigt, wobei die Steuereinrichtung 2 links in montierter Form und rechts als Explosionsdarstellung gezeigt ist.
Erfindungsgemäß wird das Steuergerät bzw. die Steuereinrichtung 2 zentral um ein Kühlprofil bzw. Kühlelement 10 aufgebaut. Das Kühlelement 10 ist hier explizit nicht als ein zusätzliches Bauteil vorgesehen, wie es bisher im Stand der Technik mehrfach eingesetzt wird, sondern das Kühlelement 10 bildet den „Kem der Konstruktion“. Alle anderen Bauteile bzw. Komponenten werden somit an der Kühlung bzw. dem Kühlelement 10 ausgerichtet. Zur Kühlung wird hierbei ein wärmeleitendes Profil (z. B. ein Strangpressteil oder dergleichen) verwendet, welches zur Kühlung wahlweise mit verschiedenen Fluiden bzw. Kühlmedien (z. B. Wasser, Glykol, Luft oder dergleichen) durchströmt wird. In Fig. 2 ist das Kühlelement 10 als Kühlplatte ausgestaltet, welche mit einem Kühlmittel bzw. Kühlmedium, wie Wasser oder Glykol, durchströmt wird. Hierzu kann am Kühlelement 10 z. B. ein Kühlkreislauf mit Kühlmittelreservoir und Förderpumpe angeschlossen sein (in den Fig. nicht dargestellt). Der weiße Pfeil in Fig. 2 gibt dabei exemplarisch die Durchströmungsrichtung des Kühlmittels an.
Das Kühlelement 10 ist umschlossen von einem Träger 13, 14, insbesondere Leiterplattenträger (PCB-Träger), bzw. einem Rahmen auf dem oder um diesen herum ein schützendes Gehäuse (z. B. ein oder zwei Deckel oben/unten) aufgebracht werden kann. Das heißt der Träger 13, 14 kann entweder mehrteilig sein bzw. mehrere Teile umfassen, die an mehreren Seiten des Kühlkörpers 10 angeordnet bzw. befestigt werden, oder der Träger 13, 14 kann einteilig bzw. aus einem Stück gefertigt sein, dass den Kühlkörper 10 umgibt bzw. umschließt. In Fig. 2 ist als Gehäuse ein zweiteiliges Gehäuse umfassend Deckel bzw. Gehäuseteil 11 und Deckel bzw. Gehäuseteil 12 vorgesehen (d. h. Gehäuse umfassend Ober- und Unterschale). Auf dem Träger 13, 14 können dann elektronische Komponenten z. B. eine Leiterplatte (nicht dargestellt) angeordnet werden, wobei diese zwischen Gehäuseteil 11 , 12 und Träger 13, 14, insbesondere geklemmt, und relativ zum Kühlelement 10 positioniert werden, um die relevanten elektronischen Komponenten zu kühlen. Die Gehäuseteile 11 , 12 weisen dabei keinen direkten Kontakt zum Kühlelement 10 auf. Es können auf jeder Seite des Trägers 13, 14 Leiterplatten angeordnet werden, so dass damit beide Seiten des Kühlers bzw. des Kühlelements 10 zum kühlen verwendet werden können. In anderen Worten sind an zwei gegenüberliegenden Seiten des Kühlelements 10 jeweils ein Träger 13, 14 und ein dazugehöriges Gehäuseteil 11 , 12 angeordnet, die jeweils eine geschlossene Einheit bilden. Wahlweise kann jedoch auch nur eine Seite des Kühlelements 10 verwendet werden, um einen Träger 13 bzw. Träger 14 daran anzuordnen, der dann mit einem entsprechenden Gehäuseteil 11 bzw. Gehäuseteil 12 eine geschlossene Einheit bildet.
Der Kühlkörper bzw. das Kühlelement 10 wird entweder durch ein extern hinzugefügtes Kühlmedium (z. B. Wasser/Glykol, Kühlkreislauf Auto, oder dergleichen) durchströmt, wie in Fig. 2 gezeigt, oder durch einen internen Lüfter bzw. Ventilator 15 mit Kühlmedium (insbesondere Luft) versorgt, wie in Fig. 3 gezeigt. Der Ventilator 15 wird dabei direkt im/am thermisch leitenden Kühlelement 10 positioniert und kühlt durch den Luftstrom das Kühlelement 10 ab. Der Ventilator 15 ist derart am Kühlelement 10 angeordnet, dass dieser Luft ansaugt und in das Kühlelement 10 fördert (dargestellt anhand der schwarzen Pfeile). In gleicher Weise kann auch ein Ventilator am anderen Ende des Kühlelements 10 angeordnet werden, so dass dieser Luft aus dem Kühlelement 10 ansaugt und aus dem Kühlelement 10 fördert.
In gleicher Weise können auch an beiden Enden Ventilatoren 15, 16 angeordnet werden, wie in Fig. 4 gezeigt. Die Kühlleistung wird dadurch noch zusätzlich verbessert. Bei den Ventilatoren 15, 16 handelt es sich um Axialventilatoren, bei denen durch die Rotation von Schaufeln die Luft aufgenommen und in axialer Richtung gefördert wird, wobei keine oder nahezu keine radiale Luftbewegung erfolgt. Ferner ist es auch denkbar, andere Ventilatorarten einzusetzen, z. B. Radial-, Diagonal- oder Tangentialventilatoren.
Gattungsgemäße Radialventilatoren umfassen eine Turbine und ein (Spiral-) Gehäuse mit Laufrad. Das Laufrad eines solchen Ventilators ist in der Regel ein Hohlzylinder, in dem die Schaufeln der Turbine angeordnet sind. Bei der Bewegung des Laufrades strömt die zwischen den Schaufeln befindliche Luft von der Mitte in radialer Richtung und wird gleichzeitig zusammengepresst. Durch die Zentrifugalkraft wird die Luft in das Spiralgehäuse verdrängt, danach strömt sie in die Ansaugöffnung. Radialventilatoren haben den Vorteil, dass sie im Vergleich zu Axialventilatoren in der Regel bei gleichbleibender Leistung, geringere Drehzahlen erfordern, geräuschärmer arbeiten und weniger Montageplatz benötigen. Demgegenüber sind sie jedoch meist kostenaufwendiger. In Fig. 5 ist eine Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Steuereinrichtung 2 gezeigt, bei der Ventilator 16 als Radialventilator ausgestaltet ist. In gleicher Weise wie die Ausgestaltung nach Fig. 4 kann auch ein zweiter Radialventilator vorgesehen sein, wie anhand der Ventilatoren 16, 17 in Fig. 6 gezeigt. Darüber hinaus sind auch Mischformen aus unterschiedlichen Ventilatorarten denkbar, z. B. dass ein Radial- und ein Axialventilator vorgesehen ist.
In Fig. 7 ist eine Ausgestaltung der Steuereinrichtung 2 gezeigt, bei der ein Fluid als Kühlmedium das Kühlelement 10 durchströmt. Hierzu ist ein Fluidförderer 19 vorgesehen, der im Kühlelement 10 angeordnet ist. Als Fluidförderer 19 kann ein Ventilator vorgesehen sein (z. B. zur Förderung von Luft). Alternativ kann aber auch eine Pumpe vorgesehen sein, falls als Kühlmedium ein flüssiges Kühlmittel vorgesehen ist.
In Fig. 8 ist eine Ausgestaltung der Steuereinrichtung 2 gezeigt, bei der nur ein Träger 13 auf einer Seite des Kühlelements 10 vorgesehen ist, sodass nur eine Seite des Kühlelements 10 zum kühlen verwendet wird. Dementsprechend wurde auch das Gehäuse angepasst, wobei die untere Schale bzw. der Gehäuseteil 12 kleiner ausgestaltet worden ist als die obere Schale bzw. der gegenüberliegende, obere Gehäuseteil 11 .
Darüber hinaus kann ein Fluidzähler (z. B. ein Ultraschallzähler, umfassend zwei Ultraschallsensoren, Ultraschallmessstrecke und ggf. Reflektoren) vorgesehen sein. Die Ausgestaltung derartiger Fluidzähler sind hinreichend bekannt. In praktischer Weise kann der Fluidzähler im/am Kühlelement 10 angeordnet werden, so dass sich die Messstrecke des Fluidzählers innerhalb des Kühlelements 10 befindet. Dadurch kann der aktuelle Fluiddurchfluss ermittelt werden, wobei die Ventilatoren 15, 16, 17, 18 bzw. der Fluidförderer 19 in Abhängigkeit vom gemessenen Durchfluss zum benötigten Durchfluss angesteuert werden können (d. h. die Fördermenge kann geregelt bzw. erhöht und/oder gesenkt werden). Ein benötigter Durchfluss kann sich dabei daraus ergeben, dass bei bestimmten festlegbaren Temperaturen (z. B. gemessen mittels Temperatursensoren in der Steuereinrichtung 2 bzw. auf dem Träger 13, 14 oder der Leiterplatte) ein festlegbarer Durchfluss eingestellt werden kann. Dadurch kann beispielsweise der Durchfluss und damit die Kühlleistung erhöht werden, wenn sich die Temperatur ebenfalls erhöht.
Zusammenfassend betrifft die vorliegende Erfindung ein „geschlossenes“ System mit integrierter Kühlung, mit welcher auch strenge EMV (Elektromagnetische Verträglichkeits)-Anforderungen in der Automobilindustrie erfüllt werden können. Das Zielprinzip liegt dabei darin den Aufbau bei der Herstellung ausgehend von der Kühlung (z. B. Kühlplatte) zu realisieren, wobei dann die elektronischen, zu kühlenden Komponenten (z. B. Leiterplatte) ergänzt und danach z. B. mit umschließenden Gehäusedeckel bzw. Gehäuseteil geschlossen zu werden. Demgegenüber zeigt der Stand der Technik in der Regel das Prinzip, dass die zu kühlenden Komponenten mit einem umschließenden Gehäuse realisiert werden und anschließend eine Kühlung (z. B. Kühlplatte oder Kühlkreislauf) hinzugefügt wird.
Die wesentlichen Vorteile der Erfindung sind zum einen, dass durch die Integrierte Kühlung nur ein Bauteil im Fahrzeug verbaut werden muss und nicht wie bisher mehrere Bauteile (z. B. Gehäuse und Kühlung) und zum anderen, dass die aktive Kühlung wesentlich einfacher umgesetzt werden als bisher kann, sodass aufwendige passive Kühlungen ersetzt werden können, wodurch günstigere Materialien wie Kunststoff anstatt Metalldruckguss einsetzbar sind. Bei der Flüssigvariante muss nur ein entsprechender Kreislauf angeschlossen werden. Demgegenüber sind bei der Luftvariante alle wesentlichen Bauteile und Steuerungen in der Steuereinrichtung integriert. Dadurch, dass ein variabler Rahmen vorliegt, können verschiedene PCB-Stacks im gleichen Konzept umgesetzt werden, ohne große Anpassungen vornehmen zu müssen. Ferner sind wärmeleitende Profile (z. B. Strangpressteile) in der Regel kostengünstiger als bisherige Kühllösungen (z. B. „Heatpipes“ und vergleichbare Lösungen). Darüber hinaus bietet die Lösung eine Gewichtsreduzierung und die Einsparung von Bauraum in besonderem Maße.
Aufgrund der einfachen Realisierung hat sich gezeigt, dass die erfindungsgemäße Lösung in nahezu jedem Steuergerät bzw. bei jeglicher Art von Leistungselektronik eingesetzt werden kann, wo hohe Temperaturen erzeugt werden und eine Kühlung erforderlich ist. Ferner kann die Kühlanordnung auch zum Erwärmen einer zu erwärmenden Komponente eingesetzt werden (sozusagen als Heizanordnung), indem diese mit einem Medium befüllt wird, welches Wärme an eine zu erwärmende Komponente abgibt. Hierzu kann die Kühlvorrichtung in einfacher Weise über die Anschlüsse an einen Heizkreislauf angeschlossen werden, um mit Heizmedium versorgt zu werden, welches das Kühl- bzw. Heizelement durchströmt.
Bezugszeichenliste
1 Fahrzeug
2 Steuereinrichtung
3 Lenkung
4 Motor
5 Bremse
6 Radarsensor
7 Lidarsensor
8 Frontkamera
9a-9d Ultraschallsensor
10 Kühlelement
11 Gehäuseteil
12 Gehäuseteil
13 Träger
14 Träger
15 Ventilator
16 Ventilator
17 Ventilator
18 Ventilator
19 Fluidförderer

Claims

Patentansprüche
1. Kühlanordnung, umfassend ein Kühlelement (10), welches zur Kühlung mit Fluid durchströmt werden kann, mindestens ein Gehäuseteil (11 , 12), und einen Träger (13, 14) zum Tragen von zu kühlenden Komponenten, wobei der Träger (13, 14) am Kühlelement (10) angeordnet ist, und das Gehäuseteil (11, 12) am Träger (13, 14) derart angeordnet ist, dass der Träger (13, 14) und ein Gehäuseteil (11, 12) eine geschlossene Einheit bilden.
2. Kühlanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger (13, 14) mehrere Teile umfasst, die am Kühlkörper (10) sind, oder einteilig ausgestaltet ist und den Kühlkörper (10) umschließt.
3. Kühlanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass an zwei gegenüberliegenden Seiten des Kühlelements (10) jeweils ein Träger (13, 14) und ein Gehäuseteil (11, 12) angeordnet sind, die jeweils eine geschlossene Einheit bilden.
4. Kühlanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in/am Kühlelement (10) mindestens ein Fluidförderer angeordnet ist (15, 16, 17, 18, 19).
5. Kühlanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Fluidzähler zum Ermitteln des Fluiddurchflusses in/am Kühlelement (10) vorgesehen ist.
6. Kühlanordnung nach Anspruch 4 und Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Fluidförderer in Abhängigkeit vom ermittelten Fluiddurchfluss gesteuert wird.
7. Kühlanordnung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass als Fluidzähler ein Ultraschallfluidzähler mit einer Ultraschallmessstrecke vorgesehen ist und sich die Ultraschallmessstecke innerhalb des Kühlelements (10) befindet. Kühlanordnung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, d a d u r c h gekennzeichnet, dass als Fluidförderer ein Ventilator (15, 16, 17, 18), insbesondere ein Axial-, Radial-, Diagonal- oder Tangentialventilator, oder eine Pumpe vorgesehen ist. Steuereinrichtung (2) dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (2) eine Kühlanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche umfasst. Verfahren zur Herstellung einer Kühlanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1-8, wobei das Verfahren folgende Verfahrensschritte umfasst:
- Bereitstellen eines Kühlelements (10), welches zur Kühlung mit Fluid durchströmt werden kann,
-Anordnen eines Trägers (13, 14) zum Tragen von zu kühlenden Komponenten am Kühlelement (10), und
-Anordnen eines Gehäuses (11, 12) am Träger (13, 14), derart, dass der T räger (13, 14) und ein Gehäuseteil (11, 12) eine geschlossene Einheit bilden.
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