Stand
der Technik
Eine
derartige Schaltungsanordnung mit einer Wärmetransfereinrichtung ist
bekannt. Bei einem Bauelement der Schaltungsanordnung, das im Betriebe
eine derart hohe Leistungsaufnahme besitzt, dass die entstehende
Wärme nicht
mehr durch Wärmeleitung,
Konvektion oder Wärmestrahlung
an die Umgebung abgegeben werden kann, muss dieses durch zusätzliche
Maßnahmen
entwärmt
(gekühlt) werden.
Die Wärmetransfereinrichtung
der Schaltungsanordnung wird aus diesem Grund hauptsächlich zum
Kühlen
des Bauelements genutzt, was im Folgenden beschrieben wird. Selbstverständlich ist bei
umgekehrt gerichtetem Wärmetransfer
auch ein Heizen des Bauelements möglich. Die Wärmetransfereinrichtung
ist so aufgebaut, dass eine Kombination aus Wärmeleitung und Konvektion zum
Entwärmen
des Bauelements genutzt wird. Überschüssige Wärme des
Bauelements wird durch Wärmeleitung von
diesem zu einem als Kühlkörper ausgebildeten Wärmereservoir
abgeleitet. Von dort wird die Wärme über ein
bewegliches Wärmetransportmedium
von dem Kühlkörper weggeführt. Das
Wärmetransportmedium
kann zum Bei spiel Umgebungsluft des Kühlkörpers sein, die über die
Oberfläche
des Kühlkörpers Wärme aufnimmt
und diese, zum Beispiel durch ein Gebläse getrieben, vom Kühlkörper wegtransportiert.
Alternativ kann der Kühlkörper von
mindestens einem Wärmetransportkanal
durchzogen sein, der von einem Wärmetransportmedium,
wie zum Beispiel einer Kühlflüssigkeit
durchströmt
wird, das die Wärme
ebenfalls von der Wärmetransfereinrichtung über Anschlussleitungen
wegführt.
Bei der Kühlung mit
Kühlflüssigkeit
sind mehrere Varianten der Kühlkanalanordnung
bekannt, wie zum Beispiel ein einfacher, gerader Kanal (I-Kanal)
oder drei seriell verbundene Kanäle,
die in U-Form angeordnet den Kühlkörper durchziehen
(U-Kanal) oder eine Rohrleitung, die durch den Kühlkörper führt und wärmeleitend mit diesem verbunden
ist. Sollte die Umgebung – zum
Beispiel bei extrem niedrigen Temperaturen – der Schaltungsanordnung so
viel Wärme
entziehen, dass diese eine Betriebstemperatur erreichen würde, die
unterhalb einer minimalen Betriebstemperatur liegt, so kann die
Wärmetransfereinrichtung
auch genutzt werden, um die Schaltungsanordnung auf eine zulässige Betriebstemperatur
zu heizen. Dazu wird der Wärmetransportkanal
von einem entsprechend temperierten Wärmetransportmedium durchströmt, das Wärme an das
Wärmereservoir
abgibt, sodass diese Wärme über Wärmeleitung
an das Bauelement der Schaltungsanordnung weitergeleitet wird. Der
Wärmetransfer
vom Bauelement zum Wärmetransportmedium
beim Kühlen,
beziehungsweise der Wärmetransfer
von dem Wärmetransportmedium
zum Bauelement beim Heizen, erfolgt stets über das Wärmereservoir der Wärmetransfereinrichtung,
dessen Wärmeleitfähigkeit
nicht gezielt gerichtet ist. Die Wärmeleitung zwischen der Schaltungsanordnung
und der Wärmetransfereinrichtung
beziehungsweise des Wärmetransportkanals
und der Wärmetransfereinrichtung
wird vom thermischen Kontakt an den Kontaktflächen zwischen Bauelement und
Wärmereservoir
beziehungsweise Wärmetransportkanal
und Wärmereservoir
bestimmt. Herrschen große
Temperaturunterschiede zwischen unterschiedlichen Teilen der Schaltungsanordnung,
so kommt es über
die Wärmetransfereinrichtung
auch zu ei nem Wärmetransfer
innerhalb der Schaltungsanordnung. Ein Bauelement, das lokal eine
große
Wärmemenge
produziert, wird von dieser Wärmetransfereinrichtung zwar
gekühlt,
nicht jedoch ohne andere Teile der Schaltungsanordnung dabei zu
erwärmen.
Vorteile
der Erfindung
Die
erfindungsgemäße Schaltungsanordnung
hat mindestens eine Heatpipe zum innerhalb der Schaltungsanordnung
erfolgenden Wärmetransfer,
die zur thermischen Behandlung von dem Bauelement mit dem Wärmetransportkanal
thermisch verbunden ist. Dies bietet den Vorteil, dass der Wärmetransfer
innerhalb der Wärmetransfereinrichtung
bevorzugt entlang der Ausrichtung der Heatpipe zwischen dem Bauelement
und dem Wärmetransportkanal
gerichtet ist. Ein Aufheizen anderer Teile der Schaltungsanordnung
durch ein lokal große
Wärmemengen
produzierendes Bauelement wird dadurch deutlich vermindert. Die
Heatpipe ist vereinfacht ausgedrückt
ein in sich geschlossenes, rohrförmiges System,
das in seinem Inneren ein Fluid aufweist, das sich aufgrund des
herrschenden Drucks bei Betriebstemperatur nahe an seinem Siedepunkt
befindet. Wird die Heatpipe in einem Teilbereich – bevorzugt
einem tiefer gelegenen Endbereich – erwärmt, so geht das Fluid in Gasphase über, um
im Inneren der Heatpipe in Richtung eines kühleren Bereichs – bevorzugt
eines höher
gelegenen Endbereichs – zu strömen, dort
zu kondensieren und entlang der Innenwände der Heatpipe in den wärmeren Bereich
zurückzufließen.
Bei
diesem Transportprozess entzieht die im Deutschen auch Wärmerohr
genannte Heatpipe in einem Verdampfungsbereich ihrer Umgebung Wärme und
führt diese
Wärme der
Umgebung des Kondensationsbereichs der Heatpipe zu. Dabei müssen Verdampfungs-
und Kondensationsbereich nicht gleich groß ausgebildet sein, vielmehr
ist es möglich, dass über einen
großen
Verdampfungsbereich Wärme energie
eingetragen wird, während
die Wärmeenergie
in einem kleinen Kondensationsbereich gezielt abgegeben werden kann.
Vorzugsweise
ist die Heatpipe mit ihrem Kondensationsbereich mit dem Wärmetransportkanal
thermisch verbunden. Durch diese Anordnung von Heatpipe und Wärmetransportkanal
wird die Wärmeenergie
von der Heatpipe auf das Wärmetransportmedium übertragen
um dann durch das im Wärmetransportkanal
strömende
Wärmetransportmedium
abgeführt
werden.
Insbesondere
ist vorgesehen, dass der Kondensationsbereich als ein Ende der Heatpipe
ausgebildet ist. Kondensiert das Fluid am Ende der Heatpipe, so
ist schon allein aufgrund der Anordnung ein gerichteter Wärmetransfer
durch die Heatpipe und eine räumlichen
Trennung zwischen den Bereichen mit Wärmeeintrag und Wärmeabgabe
gegeben.
Nach
einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Heatpipe
mit ihrer Längsachse quer,
insbesondere unter einem 90°-Winkel zur Längsachse
des Wärmetransportkanals
verläuft. Diese
Anordnung von Heatpipe und Wärmetransportkanal
ermöglicht
einen guten Wärmeübergang von
der Heatpipe zum Wärmetransportkanal,
wobei gleichzeitig Störungen
des Wärmetransfers/Wärmetransports
innerhalb der beiden Einrichtungen durch die jeweils andere Einrichtung
vermieden wird. Dazu ist die Heatpipe insbesondere so angeordnet,
dass sie mit einem Ende auf den Wärmetransportkanal zuläuft und
dass dieses Ende mit einem Abschnitt des Wärmetransportkanals thermisch
in Kontakt ist.
Nach
einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Heatpipe
mit ihrer Längsachse senkrecht
verlaufend oder in etwa senkrecht verlaufend unterhalb des Wärmetransportkanals
angeordnet ist. Der Wärmetransfer
innerhalb der Heatpipe ist bei senkrechter Einbaulage besonders
effektiv, wenn der Wärmeeintrag
durch erhit zen des Verdampfungsbereichs erfolgt, wobei dieser unterhalb
des Kondensationsbereichs liegt, sodass das verdampfte Fluid nach
oben strömen
kann und das kondensierte Fluid entlang der Innenwände der
Heatpipe nach unten zurückfließt.
Nach
einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Wärmetransportkanal
und die Heatpipe eine T-Formanordnung bilden. Bei dieser T-Formanordnung
bildet der Wärmetransportkanal den
Querstrich des T's
und die Heatpipe bildet den Längsstrich
des T's. Eine solche
Anordnung von Wärmetransportkanal
und Heatpipe ist geeignet, auf einem zentralen Bereich einer Fläche angeordnete Bauelemente
effektiv zu entwärmen
beziehungsweise zu heizen.
Vorzugsweise
bilden der Wärmetransportkanal,
die Heatpipe und mindestens eine weitere Heatpipe eine U-Formanordnung
beziehungsweise eine Kammformanordnung. Bei einer U-Formanordnung bildet
der Wärmetransportkanal
die Basis des U's und
die Heatpipes die Schenkel des U's.
Bei einer Kammformanordnung bildet der Wärmetransportkanal die Basis
des Kamms und die Heatpipes die Zinken des Kamms. Eine solche Anordnung
von Wärmetransportkanal
und Heatpipes ist dazu geeignet, auf einer großen Fläche angeordnete Bauelemente zu
entwärmen
beziehungsweise zu heizen.
Nach
einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Wärmetransfereinrichtung
mindestens eine wärmeleitende
Wärmebank
aufweist, die zwischen dem Bauelement und der Heatpipe thermisch
angeordnet ist. Die Wärmebank
leitet einerseits die Wärme
der auf ihr angeordneten Bauelemente zur Heatpipe und ist zugleich
auch ein Wärmereservoir,
das Temperaturunterschiede zwischen den auf ihr angeordneten Bauelementen
ausgleicht und diese gegenüber
anderen, nicht auf der Wärmebank angeordneten
Teilen der Schaltungsanordnung thermisch isoliert.
Ferner
kann es vorteilhaft sein, wenn die Wärmetransfereinrichtung mindestens
eine wärmeleitende
Wärmebank
aufweist, die zwischen dem Bauelement und dem Wärmetransportkanal thermisch
leitend angeordnet ist.
Es
ist möglich,
dass die Schaltungsanordnung eine Steuergerätschaltungsanordnung für ein Fahrzeug,
insbesondere ein Kraftfahrzeug, ist. Derartige Steuergerätschaltungsanordnungen
haben in vielen Fällen
Bauelemente mit einer hohen Leistungsaufnahme, sodass die entstehende
Abwärme, insbesondere
bei Betrieb in einem Fahrzeug, unter sehr unterschiedlichen äußeren Bedingungen
an die Umgebung abgeführt
werden muss. So kann das Temperaturspiel – selbst ohne den Einfluss
einer Brennkraftmaschine auf die Temperatur – in einem Bereich von cirka –20°C im Winter
bis +50°C
im Sommer liegen.
Es
ist zweckmäßig, dass
das Wärmetransportmedium
Kühlwasser
des Fahrzeugs ist. Dabei kann der Wärmetransportkanal der Schaltungsanordnung
an den Kühlkreislauf
des Fahrzeugs selber angeschlossen sein oder einen eigenen Kühlkreislauf
besitzen. Als Wärmetransportmedium
kann auch eine andere Flüssigkeit,
insbesondere eine im Fahrzeug ohnehin verwendete Flüssigkeit,
wie zum Beispiel Diesel verwendet werden.
Ferner
kann es vorteilhaft sein, wenn die Schaltungsanordnung ein Gehäuse aufweist,
beziehungsweise von einem Gehäuse
umgeben ist. Eine gekapselte Schaltungsanordnung bietet den Vorteil, dass
die Schaltungsanordnung vor äußeren Einflüssen wie
zum Beispiel Verschmutzung geschützt
ist, sie kann jedoch die Bauelemente der Schaltungsanordnung – zumindest
teilweise – gegenüber der
Umwelt thermisch isolieren.
Nach
einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Gehäuse aus
wärmeleitfähigem Material
wie zum Beispiel Aluminium besteht oder dieses aufweist. Wird das
wärmeleitfähige Material
mit einem großen
Wärmereservoir
oder einer Wärmetransporteinrichtung
verbunden, so wird mit dem Gehäuse
auch die in dem Gehäuse
befindliche Schaltungsanordnung geheizt beziehungsweise gekühlt.
Vorzugsweise
ist die Wärmebank
Teil des Gehäuses,
insbesondere ein einstückiges
Teil des Gehäuses.
Ist das Bauelement eine Wärmequelle, die
gegenüber
anderen Teilen der Schaltungsanordnung einer besonders guten Kühlung bedarf,
so wird das Bauelement auf eine Wärmebank angeordnet, die einen
besonders guten thermischen Kontakt zum Gehäuse gewährleistet und dabei als Wärmereservoir
dient. Ein besonders guter Wärmeübergang
zum Gehäuse
ist dann gewährleistet,
wenn die Wärmebank
ein einstückiges
Teil des Gehäuses
ist.
Nach
einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Wärmetransportkanal
im Gehäuse
angeordnet ist. Ein das Gehäuse
durchziehender Wärmetransportkanal
ermöglicht
es, die zum Beispiel durch die Wärmebank
zum Gehäuse
transportierte Wärme
des Bauelements direkt über
das den Wärmetransportkanal
durchströmende
Wärmetransportmedium
abzutransportieren. Ein Heizen des Bauelements beziehungsweise der
gesamten Schaltungsanordnung innerhalb des Gehäuses ist bei entsprechend temperiertem
Wärmetransportmedium ebenfalls
möglich.
Schließlich ist
es vorteilhaft, wenn die Heatpipe als thermische Diode ausgebildet
ist. Die Heatpipe wirkt dann als thermische Diode, wenn ein höher gelegener
Bereich der Heatpipe in einer kühleren Umgebung
und ein niedriger gelegener Bereich der Heatpipe in einer wärmeren Umgebung
liegt, da so durch die Gravitation das im Kondensationsbereich gebildete
Kondensat des Fluids aus dem kühleren Bereich
nach unten zum heißeren
Bereich fließt
um dort zu verdampfen und als Dampf zum höher gelegenen Bereich zurückzuströmen. Verbindet
die Heatpipe einen höher
gelegenen Bereich in wärmerer Umgebung
mit einem tiefer gelegenen Bereich in kälterer Umgebung, so lässt der
Wärmetransfer
um cirka 80% nach. Sind Wärmetransportkanal
und Heatpipe so angeordnet, dass dieser als thermische Diode wirkt,
so kann dies zum Temperieren der Schaltungsanordnung bei stark schwankender
Umgebungstemperatur genutzt werden. Bei niedrigen Temperaturen – zum Beispiel
im Winter – kann
das vortemperierte Wärmetransportmedium
die Temperatur des Bauelements – wenn
aufgrund des verminderten Wärmetransfers
auch nur langsam – anheben,
während
die Schaltungsanordnung bei längerem
Betrieb und höherer
Umgebungstemperatur durch die Kombination aus Wärmetransport mit Wärmetransportmedium und
Wärmetransfer
der als thermische Diode wirkenden Heatpipe optimal gekühlt wird.
Die 1 zeigt
ein Gehäuse 1 einer
als Steuergerätschaltungsanordnung 2 ausgebildeten Schaltungsanordnung 3 mit
einer Wärmetransfereinrichtung 4.
Die Frontaldarstellung der 1 zeigt
dabei eine quadratische Grundplatte 5 beziehungsweise Wand
des Gehäuses 1,
die an ihrer Oberseite von einem Wärmetransportkanal 7 durchzogen
ist, an dessen einem Ende 8 sich ein Zulaufanschluss 9 und an
dessen anderem Ende 10 sich ein Ablaufanschluss 11 für ein nicht
dargestelltes Wärmetransportmedium
befindet. Die dem Zulaufanschluss 9 zugewandte Seite 12 der
Grundplatte 5 weist über
nahezu ihre gesamte Länge
eine Heatpipe 13 auf. Die Heatpipe (das Wärmerohr)
kann zum Beispiel ein in sich geschlossenes, rohrförmiges System
mit einem Fluid in ihrem Inneren sein. Die dem Zulaufanschluss 9 gegenüberliegende
Seite 14 weist ebenfalls eine sich über ihre Gesamtlänge erstreckende,
zweite Heatpipe 15 auf. An einer der Oberseite 6 gegenüberliegenden
Unterseite 16 schließt
sich eine Messerleiste 17 an. Der Wärmetransportkanal 7,
die Heatpipe 13 und die andere Heatpipe 15 bilden
eine, die Grundplatte auf drei Seiten (Oberseite 6, Seite 8,
Seite 10) umschließende
Wärmetransfereinrichtung 4.
Innerhalb der Wärmetransfereinrichtung 4 sind
die Heatpipes 13, 15 quer zum Wärmetransportkanal 7 angeordnet,
sodass jeweils ein Ende 18, 19 der Heatpipes 13, 15 in
den Kontaktbereichen 20, 21 mit dem Wärmetransportkanal 7 verbunden
sind. Der Wärmetransportkanal 7 und
die beiden Heatpipes 13, 15 bilden die Wärmetransfereinrichtung 4 dabei
in einer U-Formanordnung 22 aus. Innerhalb des Gehäuses 1 ist
mindestens ein (hier nicht dargestelltes) Bauelement 26 der
Schaltungsanordnung 3 auf mindestens einer Wärmebank 23, 24, 25 angeordnet,
wobei die Wärmebank 23, 24 entlang
der Heatpipe 13, 15 oder entlang des Wärmetransportkanals 7 (Wärmebank 25)
angeordnet ist. Die Wärmebänke 23, 24, 25 befinden
sich somit – ebenfalls
in U-Formanordnung – unterhalb
der Wärmetransfereinrichtung 4,
die von dem Wärmetransportkanal 7 und
den beiden Heatpipes 13, 15 gebildet wird.
Nach 2 ergibt
sich folgende Funktion der Schaltungsanordnung 3 mit Wärmetransfereinrichtung 4 im
Kühlbetrieb:
Ein vorzugsweise auf der Wärmebank 23, 24 angeordnetes
Bauelement 26 produziert beim Betrieb der Schaltungsanordnung
eine derart große
Wärmemenge,
die durch „normale" Wärmeleitung
innerhalb der Schaltungsanordnung 3 nicht abgeführt werden
kann. Durch den thermischen Kontakt des Bauelements 26 zu
der Wärmebank 23, 24 wird
die Wärme über die
Wärmebank 23, 24,
die auch als Wärmereservoir
dient, in die unmittelbare Umgebung der Heatpipe 13, 15 geleitet.
In dem Bereich der Heatpipe 13, 15, der von dem
Bauelement 26 erwärmt
wird, wird das Fluid der Heatpipe 13, 15 erhitzt
und verdampft. Aufgrund der Gravitation steigt der Dampf nach oben
in Richtung des Wärmetransportkanals 7 (Pfeil 27, 28 in 2).
Im Kontaktbereich 20, 21 zwischen Heatpipe 13, 15 und
Wärmetransportkanal 7 kondensiert
das Fluid, da das den Wärmekanal 7 durchströmende (Pfeil 29),
kalte Wärmetransportmittel
dem Ende 18, 19 der Heatpipe 13, 15 Wärme entzieht.
Bei diesem Kondensationsprozess entsteht ein Unterdruck im Kondensationsbereich 30,
der weiteren Dampf „ansaugt". Das Kondensat fließt durch
die Gravitation getrieben an den Innenwänden der Heatpipe 13, 15 hinunter
zu den wärmeren
Bereichen um dort erneut zu verdampfen und Wärmeenergie aufzunehmen. Die
an das Wärmetransportmedium
abgegebene Wärme
wird von diesem über
den Ablaufanschluss 11 und angeschlossene Leitungen abtransportiert,
während über den
Zulaufanschluss kaltes Wärmetransportmedium nachströmt. Neben
der Anordnung des Bauelements 26 an einer Wärmebank 23, 24,
die einer Heatpipe 13, 15 zugeordnet ist, kann
das Bauelement 26 auch an einer Wärmebank 25 angeordnet
sein, die direkt an dem Wärmetransportkanal 7 liegt.
Nach 3 ergibt
sich folgende Funktion der Schaltungsanordnung 3 mit Wärmetransfereinrichtung 4 im
Heizbetrieb: Das temperierte Wärmetransportmedium
erwärmt
das obere Ende 18, 19 der Heatpipe 13, 15 im
Kontaktbereich 20, 21, sodass das Fluid der Heatpipe 13, 15 erhitzt
und verdampft wird. Aufgrund der Gravitation bleibt der Dampf im
oberen Endbereich. Wenn eine entsprechend große Menge Dampf im Kontaktbereich 20, 21 entstanden
ist, so beginnt unterhalb des Kontaktbereichs 20, 21 die Kondensation
des Fluids. Durch den dabei entstehenden Unterdruck kommt es zu
einer Sogwirkung, die der Gravitation teilweise entgegenwirkt und
den Dampf – wenn auch
beschränkt – nach unten
strömen
lässt (Pfeil 31, 32).
Dort kondensiert das Fluid und gibt dabei Wärme an die Umgebung – insbesondere
die Wärmebänke 23, 24 ab.
Diese leiten die Wärme
weiter an das Bauelement 26, sodass dieses erwärmt wird.
Der Wärmetransfer
durch die Heatpipe 13, 15 macht bei der hier gezeigten
Anordnung im Heizbetrieb nur etwa 20% des entgegengesetzt gerichteten
Wärmetransfers
im Kühlbetrieb
der gleichen Anordnung aus. Aufgrund dieser Vorzugsrichtung des
Wärmetransfers
innerhalb der Heatpipe 13, 15 wirkt diese wie
eine thermische Diode 33.