DE102011089539B3

DE102011089539B3 - Vorrichtung zur Ansteuerung einer elektrischen Heizung für Fahrzeuge und elektrische Heizung mit einer derartigen Vorrichtung

Info

Publication number: DE102011089539B3
Application number: DE201110089539
Authority: DE
Inventors: Dirk Kiewitt
Original assignee: Behr Hella Thermocontrol GmbH
Current assignee: Behr Hella Thermocontrol GmbH
Priority date: 2011-12-22
Filing date: 2011-12-22
Publication date: 2013-04-25
Anticipated expiration: 2031-12-23

Abstract

Die Vorrichtung (10) zur Ansteuerung einer elektrischen Heizung für Fahrzeuge ist versehen mit einem Gehäuse (12) und einer in dem Gehäuse (12) untergebrachten Platine (46), auf der mindestens ein zu kühlendes Bauteil (50) einer elektrischen Schaltung zur Ansteuerung der elektrischen Heizung angeordnet ist und die Durchkontaktierungsaufnahmebohrungen (48) für Pressfit-Anschlussstifte (28, 30, 32) aufweist. Ferner weist die Vorrichtung (10) mindestens zwei elektrische Betriebsspannungsversorgungsleiter (18, 20, 22) mit jeweils einem Anschlusselement (24, 26) für die elektrische Heizung und mehrere Anschlussstifte (28, 30, 32) zum Einführen in die Aufnahmebohrungen (48) der Platine (46) auf, wobei die Betriebsspannungsversorgungsleiter (18, 20, 22) in dem Gehäuse (12) montiert sind. Die Vorrichtung (10) weist einen von dem Gehäuse (12) gehaltenen Kühlkörper (34) auf, der einen innerhalb des Gehäuses (12) angeordneten Wärmeaufnahmeabschnitt (36) mit einer Wärmekopplungsfläche (40) zur thermischen Kopplung mit dem mindestens einen zu kühlenden Bauteil (50) und einen Wärmeabführabschnitt (38) zur Abführung von Wärme an dessen Umgebung aufweist. Die Anschlussstifte (28, 30, 32) der Betriebsspannungsversorgungsleiter (18, 20, 22) sind neben der Wärmekopplungsfläche (40) des Kühlkörpers (34) angeordnet und im Wesentlichen senkrecht zur Erstreckung der Wärmekopplungsfläche (40) des Kühlkörpers (34) gerichtet. Die Platine (46) ist zur Aufrechterhaltung einer thermischen Kopplung des mindestens einen zu kühlenden Bauteils (50) mit der Wärmekopplungsfläche (40) des Wärmeaufnahmeabschnitts (36) des Kühlkörpers (34) von den Pressfit-Anschlussstiften (28, 30, 32) der Betriebsspannungsversorgungsleiter (18, 20, 22) fixiert.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Ansteuerung einer elektrischen Heizung für Fahrzeuge, die alternativ als elektrische Zusatzheizung oder aber auch als elektrische Hauptheizung für beispielsweise Hybrid- oder Elektrofahrzeuge eingesetzt werden kann. Ferner betrifft die Erfindung eine elektrische Heizung, insbesondere für ein Fahrzeug mit einer Ansteuervorrichtung.
Es ist bekannt, Fahrzeuge mit Verbrennungsmotoren neben einer vom Motorkühlmittel (Kühlwasser) betriebenen Heizung auch mit einer elektrischen Zusatzheizung zu versorgen. Diese elektrische Zusatzheizung weist im Allgemeinen mehrere Heizelemente in Form insbesondere von PTC-Elementen auf. Diese Heizelemente sind zumeist in Form mehrerer Heizstränge angeordnet, die einzeln wahlweise zu- bzw. abgeschaltet werden können, um die jeweils erforderliche Wärmemenge zur Verfügung zu stellen.
Die elektrische Ansteuerung derartiger elektrischer Heizungen erfolgt über eine elektrische Schaltung, die unter anderem ein zumeist als Transistor ausgeführtes elektrisches bzw. elektronisches Bauteil für die Einstellung des jeweils erforderlichen elektrischen Stroms umfasst. Im Betrieb heizt sich dieses Bauteil im Allgemeinen auf, weshalb es gekühlt werden muss. Es ist bekannt, derartige zu kühlende Bauteile bei einer Vorrichtung zur Ansteuerung einer elektrischen Heizung thermisch mit einem Kühlkörper zu koppeln. Die Montage der einzelnen Komponenten einer Vorrichtung der zuvor genannten Art kann mitunter recht aufwendig sein, was sich auf die Herstellungskosten auswirkt, indem diese erhöht sind.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zur Ansteuerung einer elektrischen Heizung für Fahrzeuge zu schaffen, deren Montage, insbesondere was die elektrische Kontaktierung einer eine elektrische Schaltung aufweisenden Platine und die Aufrechterhaltung der thermischen Kopplung der zu kühlenden Bauteile mit einem Kühlkörper betrifft, vereinfacht ist.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird mit der Erfindung (i) eine Vorrichtung zur Ansteuerung einer elektrischen Heizung für Fahrzeuge vorgeschlagen, die versehen ist mit den Merkmalen des Anspruchs 1, und (ii) eine elektrische Heizung nach Anspruch 7 vorgeschlagen. Einzelne Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung erfolgt die Kontaktierung der Platine, auf der sich verschiedene elektrische bzw. elektronische Bauteile einer elektrischen Schaltung befinden, durch Pressfit-Anschlussstifte. Diese Pressfit-Anschlussstifte sind an Leitern ausgebildet, die für die Weiterleitung elektrischer Signale oder aber auch der Betriebsspannung für die elektrische Heizung dienen. Die diesbezüglichen elektrischen Leiter sind erfindungsgemäß fest in dem Gehäuse montiert. Die Platine trägt unter anderem auch mindestens ein zu kühlendes Bauteil, wozu im Gehäuse ein Kühlkörper montiert bzw. von dem Gehäuse gehalten ist, der im Wesentlichen zwei Abschnitte aufweist, nämlich einen Wärmeaufnahmeabschnitt und einen Wärmeabführabschnitt. Der Wärmeaufnahmeabschnitt, der im Gehäuse angeordnet ist, weist eine in dem Gehäuse freiliegende Wärmekopplungsfläche auf, die zur thermischen Kopplung mit dem mindestens einen zu kühlenden Bauteil vorgesehen ist. Der Wärmeabführabschnitt dient zur Abführung der von dem Wärmeaufnahmeabschnitt aufgenommenen Wärme, und zwar an die Umgebung um den Wärmeabführabschnitt herum. Der Wärmeabführabschnitt des Kühlkörpers ist zweckmäßigerweise außerhalb des Gehäuses angeordnet, was aber nach der Erfindung nicht zwingend erforderlich ist.
Die Montage der erfindungsgemäßen Vorrichtung gestaltet sich als denkbar einfach. Die erforderlichen elektrischen Leiter (mit nach außen geführten Anschlusselementen für die elektrische Heizung bzw. für am Gehäuse anbringbare elektrische Stecker o. dgl.) und der Kühlkörper werden zunächst in dem Gehäuse montiert, wobei hierzu das Gehäuse beispielsweise auch spritzgusstechnisch um diese Elemente herum geformt sein kann. In jedem Fall bilden nach diesem Montagevorgang Gehäuse, Kühlkörper und die elektrischen Leiter eine Baugruppe. Innerhalb des Gehäuses existiert dabei ein Platinenaufnahmebereich, in dem die Wärmekopplungsfläche des Kühlkörpers freiliegt. Neben der Wärmekopplungsfläche erstrecken sich die Pressfit-Anschlussstifte, und zwar in einer zur Flächennormale der Wärmekopplungsfläche im Wesentlichen parallelen Richtung. Auf die Pressfit-Anschlussstifte wird nun die Platine gesteckt, so dass die Pressfit-Anschlussstifte von den Durchkontaktierungsaufnahmebohrungen der Platine mechanisch kraftschlüssig und elektrisch kontaktiert aufgenommen sind. Die Pressfit-Anschlussstifte weisen dabei eine doppelte Funktion auf, nämlich zum einen dienen sie der elektrischen Kontaktierung der Platine und zum anderen der Aufrechterhaltung der thermischen Kopplung des mindestens einen zu kühlenden Bauteils mit der Wärmekopplungsfläche des Wärmeaufnahmeabschnitts des Kühlkörpers, wenn sich die Platine in ihrer Einbau- und Fixierlage innerhalb des Gehäuses befindet. Der Platinenaufnahmebereich kann anschließend durch einen Gehäusedeckel o. dgl. verschlossen werden.
Nach dem erfindungsgemäßen Vorschlag sind also keinerlei Halte- bzw. Klemmelemente o. dgl. zur Fixierung der Platine am Gehäuse und damit relativ zum Kühlkörper und insbesondere zu dessen Wärmekopplungsfläche erforderlich. Vielmehr werden diese separaten mechanischen Fixierungselemente durch die für die elektrische Kontaktierung erforderlichen Anschlussstifte ersetzt, die zu diesem Zweck als Pressfit-Anschlussstifte ausgeführt sind. Unter Pressfit-Anschlussstift im Sinne dieser Erfindung wird jede Art und Ausgestaltung von elektrischen Anschlussstiften verstanden, die, ohne verlötet und damit stoffschlüssig mit der Platine verbunden zu sein, eine kraftschlüssige Verbindung mit der Platine eingehen. Hierbei können die Pressfit-Anschlussstifte innerhalb ihres in einer Durchkontaktierungsaufnahmebohrung aufgenommenen Abschnitts starr bzw. massiv oder aber flexible bzw. elastisch (z. B. durch Ausbildung eines nadelöhrähnlichen Lochs) ausgeführt sein.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass in dem Gehäuse weitere Pressfit-Anschlussstifte für die Zuleitung und/oder den Abgriff von elektrischen Signalen an bzw. von der elektrischen Schaltung angeordnet sind, die wie die Pressfit-Anschlussstifte der Betriebsspannungsversorgungsleiter angeordnet sowie ausgerichtet und von weiteren Durchkontaktierungsaufnahmebohrungen der Platine aufgenommen sind.
Die thermische Kopplung des zu kühlenden Bauteils mit der Wärmekopplungsfläche des Kühlkörpers kann entweder direkt oder indirekt erfolgen. Beispielsweise ist es möglich, dass das zu kühlende Bauteil in der Einbau- und Fixierlage der Platine der Wärmekopplungsfläche des Wärmeaufnahmeabschnitts des Kühlkörpers zugewandt ist. Alternativ dazu kann aber auch vorgesehen sein, dass das zu kühlende Bauteil auf der Oberseite der Platine angeordnet ist, dass unterhalb des zu kühlenden Bauteils in der Platine mindestens eine Wärmekopplungselement zur thermischen Kopplung der Oberseite der Platine mit deren Unterseite angeordnet ist und dass die Unterseite der Platine in deren Einbau- und Fixierlage der Wärmekopplungsfläche des Wärmeaufnahmeabschnitts des Kühlkörpers zugewandt ist. In beiden Fällen kann das zu kühlende Bauteil bzw. die Unterseite der Platine die Wärmekopplungsfläche des Wärmeaufnahmeabschnitts des Kühlkörpers kontaktiert oder mit der Wärmekopplungsfläche über ein Wärmeleitmaterial, wie z. B. eine Wärmeleitfolie oder -paste, in thermisch weiter verbesserter Weise gekoppelt sein.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels und unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Im Einzelnen zeigen dabei:
1 eine perspektivische Explosionsdarstellung eines Ausführungsbeispiels für eine Vorrichtung zur Ansteuerung einer elektrischen Heizung für Fahrzeuge,
2 eine Seitenansicht der Vorrichtung gemäß 1 mit angedeuteter Montage der Platine und des Gehäusedeckels,
3 eine perspektivische Darstellung der Vorrichtung gemäß den 1 und 2 jedoch ohne den Gehäusedeckel und der Platine,
4 eine Draufsicht auf die Öffnung im Gehäuse und die Gehäuseplatine,
5 und 6 perspektivische Darstellungen der vollständig montierten Vorrichtung in Vorder- sowie Rückansicht und
7 einen Schnitt entlang der Linie VII-VII der 4.
1 zeigt in Explosionsdarstellung die Vorrichtung 10 zur Ansteuerung einer elektrischen Fahrzeugheizung sowie die für die Erfindung hauptsächlich relevanten Einzelkomponenten der Vorrichtung 10. Die Vorrichtung 10 umfasst ein im Allgemeinen in Kunststoff ausgeführtes Gehäuse 12 mit mechanischen Verbindungselementen 14 zum Aufstecken bzw. anderweitiger mechanischer Verbindung des Gehäuses 12 auf ein bzw. mit einem Heizregister 16 mit elektrischen Heizelementen 17. In dem Gehäuse 12 sind Betriebsspannungsversorgungsleiter 18, 20, 22 montiert, die in Form von Anschlussfahnen ausgebildete Anschlusselemente 24, 26 aufweisen. Ferner sind die Betriebsspannungsversorgungsleiter 18, 20 sowie 22 mit Pressfit-Anschlussstiften 28, 30, 32 versehen, die der elektrischen Verbindung der Leiter mit einer elektrischen Schaltung einer Platine der Vorrichtung 10 dienen. Der Betriebsspannungsversorgungsleiter 18 dient beispielsweise der Weiterleitung eines Massepotentials oder negativen Potentials an die Heizelemente 17 des Heizregisters 16 während der Betriebsspannungsversorgungsleiter 22 (und damit auch der Betriebsspannungsversorgungsleiter 20) ein positives Versorgungspotential für die Heizelemente 17 führt bzw. führen.
In dem Gehäuse 12 ist auch ein Kühlkörper 34 montiert, der in diesem Ausführungsbeispiel als L-förmiges Metallelement ausgeführt ist. Der Kühlkörper 34 weist einen Wärmeaufnahmeabschnitt 36 sowie einen Wärmeabführabschnitt 38 auf. Der Wärmeaufnahmeabschnitt 36 definiert eine Wärmekopplungsfläche 40 zur thermischen Kopplung mit einem zu kühlenden Bauteil der Platine. In dem Gehäuse 12 sind desweiteren als elektrische Leiter ausgeführte Anschlussstifte 42 angeordnet, die ebenfalls der Kontaktierung der Platine dienen und an die ein externer Stecker angeschlossen werden kann.
3 zeigt in perspektivischer Darstellung die montierte Baugruppe bestehend aus dem Gehäuse 12, den Betriebsspannungsversorgungsleitern 18, 20, 22, dem Kühlkörper 34 und den Anschlussstiften 42. Zu erkennen ist, dass das Gehäuse einen Aufnahmebereich 44 aufweist, in dem die Wärmekopplungsfläche 40 des Kühlkörpers 34 freiliegt und in den von unten die Pressfit-Anschlussstifte 28, 30, 32 hineinragen. Auch die Anschlussstifte 42 ragen von unten in diesen Aufnahmebereich 44 hinein.
Wie in den 1 und 2 ferner angedeutet, lässt sich nun auf die Baugruppe gemäß 2 eine Platine 46 aufstecken. Diese Platine 46 weist Durchkontaktierungsaufnahmebohrungen 48 auf, die der Aufnahme der Pressfit-Anschlussstifte 28, 30, 32 dienen. Die Platine 46 trägt Komponenten einer elektrischen Schaltung, zu denen unter anderem (in diesem Ausführungsbeispiel) drei zu kühlende Bauteile 50 in Form von Leistungstransistoren gehören. Wie in 2 angedeutet, befinden sich die zu kühlenden Bauteile 50 beispielsweise auf der Oberseite 52 der Platine 46. Die Platine 46 liegt mit ihrer Unterseite 54 auf der Wärmekopplungsfläche 40 des Kühlkörpers 34 auf. Gegebenenfalls (siehe 3) kann die Wärmekopplungsfläche 40 in ihren den zu kühlenden Bauteilen 50 gegenüberliegenden Bereichen mit einer Wärmeleitfolie 56 versehen sein.
Die Platine 46 kann in ihren Bereichen unterhalb der zu kühlenden Bauteile 50 mit Wärmekopplungsbauteilen oder -elementen 58 versehen sein, die in Form von eingepressten oder auf andere Art und Weise in Öffnungen der Platine 46 eingelassenen Metall-Plättchen o. dgl. ausgebildet sein können. Alternativ ist es auch möglich, dass sich unterhalb der zu kühlenden Bauteile 50 in der Platine 46 mehrere mit wärmeleitfähigem Material gefüllte Bohrungen befinden. Beide Maßnahmen dienen der Verbesserung der thermischen Kopplung der Oberseite 52 der Platine 46 zu deren Unterseite 54.
4 zeigt eine Draufsicht auf das Gehäuse 12 mit bereits in diesem montierter Platine 46. Wie in den 1 und 2 angedeutet, kann das Gehäuse 12 und dessen Platinenaufnahmebereich 44 mittels eines Gehäusedeckels 60 verschlossen sein.
Die 5 und 6 zeigen Vorder- und Rückansichten des montierten Gehäuses 12 der Vorrichtung 10.
In 7 wird deutlich, wie die Platine 46 durch die Pressfit-Anschlussstifte 28, 30, 32 mechanisch fixiert ist und damit die thermische Kontaktierung der Platine 46 mit dem Wärmeaufnahmeabschnitt 36 des Kühlkörpers 34 aufrechterhalten bleibt. Die Pressfit-Anschlussstifte 28, 30, 32 dienen also einerseits der elektrischen Kontaktierung und andererseits der mechanischen Fixierung der Platine 46 und damit deren thermischer Kopplung mit dem Kühlkörper 34. Beides erfolgt in einem einzigen Arbeitsgang, indem die Platine 46, wie insbesondere in 2 angedeutet, in das vormontierte Gehäuse 12 eingesetzt wird.
Bezugszeichenliste

10: Vorrichtung
12: Gehäuse
14: Verbindungselemente am Gehäuse für Heizregister
16: Heizregister
17: Heizelemente des Heizregisters
18: Betriebsspannungsversorgungsleiter
20: Betriebsspannungsversorgungsleiter
22: Betriebsspannungsversorgungsleiter
24: Anschlusselemente
26: Anschlusselemente
28: Pressfit-Anschlussstifte eines der Betriebsspannungsversorgungsleiter
30: Pressfit-Anschlussstifte eines der Betriebsspannungsversorgungsleiter
32: Pressfit-Anschlussstifte eines der Betriebsspannungsversorgungsleiter
34: Kühlkörper
36: Wärmeaufnahmeabschnitt des Kühlkörpers
38: Wärmeabführabschnitt des Kühlkörpers
40: Wärmekopplungsfläche des Wärmeaufnahmeabschnitts des Kühlkörpers
42: Pressfit-Anschlussstifte
44: Platinenaufnahmebereich des Gehäuses
46: Platine
48: Durchkontaktierungsaufnahmebohrungen der Platine
50: zu kühlendes elektrisches/elektronisches Bauteil
52: Oberseite der Platine
54: Unterseite der Platine
56: Wärmeleitfolie auf der Wärmekopplungsfläche des Kühlkörpers
58: Wärmekopplungselement
60: Gehäusedeckel

Claims

Vorrichtung (10) zur Ansteuerung einer elektrischen Heizung für Fahrzeuge, mit – einem Gehäuse (12), – einer in dem Gehäuse (12) untergebrachten Platine (46), auf der mindestens ein zu kühlendes elektrisches bzw. elektronisches Bauteil (50) einer elektrischen Schaltung zur Ansteuerung der elektrischen Heizung angeordnet ist und die Aufnahmebohrungen (48) für elektrische Anschlussstifte (28, 30, 32) aufweist, – mindestens zwei elektrischen Betriebsspannungsversorgungsleitern (18, 20, 22) mit jeweils einem Anschlusselement (24, 26) für die elektrische Heizung und mit mehreren Anschlussstiften (28, 30, 32) zum Einführen in die Aufnahmebohrungen (48) der Platine (46), wobei die Betriebsspannungsversorgungsleiter (18, 20, 22) in dem Gehäuse (12) angeordnet sind, und – einem von dem Gehäuse (12) gehaltenen Kühlkörper (34), der einen innerhalb des Gehäuses (12) angeordneten Wärmeaufnahmeabschnitt (36) mit einer Wärmekopplungsfläche (40) zur thermischen Kopplung mit dem mindestens einen zu kühlenden Bauteil (50) und einen Wärmeabführabschnitt (38) zur Abführung von Wärme an dessen Umgebung aufweist, dadurch gekennzeichnet, – dass die Anschlussstifte (28, 30, 32) der Betriebsspannungsversorgungsleiter (18, 20, 22) neben der Wärmekopplungsfläche (40) des Kühlkörpers (34) angeordnet und im Wesentlichen senkrecht zur Erstreckung der Wärmekopplungsfläche (40) des Kühlkörpers (34) gerichtet sind, – dass die Aufnahmebohrungen (48) der Platine (46) als elektrische Durchkontaktierungsaufnahmebohrungen ausgeführt sind, – dass die Anschlussstifte (28, 30, 32) der Betriebsspannungsversorgungsleiter (18, 20, 22) als Pressfit-Anschlussstifte einerseits zur mechanischen Fixierung in den Durchkontaktierungsaufnahmebohrungen (48) der Platine (46) und andererseits zur elektrischen Verbindung mit den Durchkontaktierungsaufnahmebohrungen (48) ausgebildet sind und – dass die Platine (46) zur Aufrechterhaltung einer thermischen Kopplung des mindestens einen zu kühlenden Bauteils (50) mit der Wärmekopplungsfläche (40) des Wärmeaufnahmeabschnitts (36) des Kühlkörpers (34) durch die in die Durchkontaktierungsaufnahmebohrungen (48) der Platine (46) eingesteckten Pressfit-Anschlussstiften (28, 30, 32) der Betriebsspannungsversorgungsleiter (18, 20, 22) fixiert ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Gehäuse (12) weitere Pressfit-Anschlussstifte (42) für die Zuleitung und/oder den Abgriff von elektrischen Signalen an bzw. von der elektrischen Schaltung angeordnet sind, die wie die Pressfit-Anschlussstifte (28, 30, 32) der Betriebsspannungsversorgungsleiter (18, 20, 22) angeordnet sowie ausgerichtet und von weiteren Durchkontaktierungsaufnahmebohrungen (48) der Platine (46) aufgenommen sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das zu kühlende Bauteil (50) in der Einbau- und Fixierlage der Platine (46) der Wärmekopplungsfläche (40) des Wärmeaufnahmeabschnitts (36) des Kühlkörpers (34) zugewandt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das zu kühlende Bauteil (50) auf der Oberseite (52) der Platine (46) angeordnet ist, dass unterhalb des zu kühlenden Bauteils (50) in der Platine (46) mindestens eine Wärmekopplungselement (58) zur thermischen Kopplung des auf der Oberseite (52) der Platine (46) angeordneten zu kühlenden Bauteils (50) mit einer in Einbau- und Fixierlage der Platine (46), der Unterseite (54) der Platine (46) zugewandten Wärmekopplungsfläche (40) des Wärmeaufnahmeabschnitts (36) des Kühlkörpers (34).
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das zu kühlende Bauteil (50) die Wärmekopplungsfläche (40) des Wärmeaufnahmeabschnitts (36) des Kühlkörpers (34) kontaktiert oder mit der Wärmekopplungsfläche (40) über ein Wärmeleitmaterial (56), wie z. B. eine Wärmeleitfolie oder -paste, thermisch gekoppelt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Unterseite (54) der Platine (46) die Wärmekopplungsfläche (40) des Wärmeaufnahmeabschnitts (36) des Kühlkörpers (34) kontaktiert oder mit der Wärmekopplungsfläche (40) über ein Wärmeleitmaterial (56), wie z. B. eine Wärmeleitfolie oder -paste, thermisch gekoppelt ist.
Elektrische Heizung, insbesondere für ein Fahrzeug, mit Heizelementen (17) und einer Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 6.