DE102020207947A1

DE102020207947A1 - Kühlanordnung für elektronische Komponenten eines Kraftfahrzeugs und Herstellungsverfahren dafür

Info

Publication number: DE102020207947A1
Application number: DE102020207947.1A
Authority: DE
Inventors: Matthias Zimmermann; Stephan Lieker; Oliver Rang
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2019-11-25
Filing date: 2020-06-26
Publication date: 2021-05-27
Also published as: DE102020207966A1; CN112833698A; CN112839481A; CN112833698B

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Kühlanordnung für elektronische Komponenten (32) eines Kraftfahrzeugs, umfassend- einen Sockelkasten (10) mit einer Einlassöffnung (103) und einer Auslassöffnung (104), der unterteilt ist in zwei fluidisch voneinander getrennte, sich jeweils über den größten Teil der Sockelkastenlänge erstreckende, die Einlassöffnung (103) enthaltende Einlass-Längskammer (14) und eine die Auslassöffnung (104) enthaltende Auslass-Längskammer (16),- ein fluiddicht stoffschlüssig auf dem Sockelkastenrand (102) fixiertes Deckblech (20), mit wenigstens einer in fluidischem Kontakt mit der Einlass-Längskammer (14) stehenden Einströmöffnung (201) und wenigstens einer in fluidischem Kontakt mit der Auslass-Längskammer (16) stehenden Ausströmöffnung (202),- ein fluiddicht mit dem Deckblech (20) verbundenes Rahmenblech (22), das durchsetzt ist von wenigstens einer Rahmenöffnung (221), die wenigstens ein aus einer Einströmöffnung (201) und einer Ausströmöffnung (202) des Deckblechs (20) bestehendes Strömungsöffnungs-Paar (201/202) umgreift, und- eine zumindest eine Rahmenöffnung (221) abdeckende, fluiddicht auf dem Rahmenblech (22) fixierte Kontaktplatte (30), auf deren der Rahmenöffnung (221) abgewandten Oberseite wenigstens eine der zu kühlenden elektronischen Komponenten (32) fixiert oder fixierbar ist,Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass der Sockelkasten (10) ausgebildet ist als eine aus einem Blech umgeformte Wanne mit einem fluiddicht stoffschlüssig eingesetzten Längssteg (12), mittels dessen die Wanne in die Einlass-Längskammer (14) und die Auslass-Längskammer (16) unterteilt ist.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Kühlanordnung für elektronische Komponenten eines Kraftfahrzeugs, umfassend

- einen Sockelkasten mit einer Einlassöffnung und einer Auslassöffnung, der unterteilt ist in zwei fluidisch voneinander getrennte, sich jeweils über den größten Teil der Sockelkastenlänge erstreckende Längskammern, nämlich eine Einlass- und eine Auslass-Längskammer, wobei die Einlassöffnung in der Einlass-Längskammer und die Auslassöffnung in der Auslass-Längskammer angeordnet ist,
- ein fluiddicht stoffschlüssig auf dem Rand der Wanne fixiertes Deckblech, mit wenigstens einer in fluidischem Kontakt mit der Einlass-Längskammer stehenden Einströmöffnung und wenigstens einer in fluidischem Kontakt mit der Auslass-Längskammer stehenden Ausströmöffnung,
- ein fluiddicht und vorzugsweise stoffschlüssig mit dem Deckblech verbundenes Rahmenblech, das durchsetzt ist von wenigstens einer Rahmenöffnung, die wenigstens ein aus einer Einströmöffnung und einer Ausströmöffnung des Deckblechs bestehendes Strömungsöffnungs-Paar umgreift, und
- eine zumindest eine Rahmenöffnung abdeckende, fluiddicht auf dem Rahmenblech fixierte Kontaktplatte, auf deren der Rahmenöffnung abgewandten Oberseite wenigstens eine der zu kühlenden elektronischen Komponenten in wärmeleitendem Kontakt fixiert oder fixierbar ist.

Eine gattungsgemäße Kühlanordnung ist in der zum Anmeldetag der vorliegenden Anmeldung noch unveröffentlichten deutschen Patentanmeldung DE 10 2019 200 142.4 beschrieben.
In der Leistungselektronik von Kraftfahrzeugen, insbesondere von rein elektrischen oder elektrohybriden Kraftfahrzeugen, werden hohe Leistungen gehandhabt. Die hierfür eingesetzten elektronischen Komponenten wie etwa sogenannte Leistungsmodule, z.B. IGBTs, benötigen Kühler zum Abführen der dabei anfallenden Wärme. Häufig werden solche Komponenten mit Kühlstrukturen, beispielsweise labyrinthartigen Kühlrippen, ausgestattet, die von einem Kühlmittelfluid, i.d.R. einem flüssigen Kühlmittel umströmt werden. Solche Kühlstrukturen können unmittelbar an der elektronischen Komponente angebracht sein und in einen Kühlmittelkanal hineinragen. Es ist jedoch auch bekannt, die elektronischen Komponenten flächig mit einer Kontaktplatte, die eine Öffnung eines Kühlmittelkanals abdeckt, zu verbinden und die Kühlstrukturen im Inneren des Kühlmittelkanals an dieser Kontaktplatte anzubringen.
Die in der eingangs genannten, gattungsbildenden Druckschrift offenbarte Kühlanordnung weist einen Sockelkasten auf, dessen Längskammern aus einer vergleichsweise dicken Metallplatte gefräst sind. Bei dem auf den Rand der von dem Sockelkasten gebildeten Wanne aufgelöteten Deckblech handelt es sich um ein im Vergleich dazu dünnes, insbesondere abgewickeltes Blech, das an jeder Kühlposition, d. h. an jeder Axialposition, die mit der Axialposition einer zu kühlende Komponente übereinstimmt, zwei axial ausgerichtete Durchgangsschlitze aufweist, deren einer, der als Einströmöffnung wirkt, einen Durchgang zur Einlass-Längskammer schafft und deren anderer, der als Ausströmöffnung wirkt, einen Durchgangs zur Auslass-Längskammer schafft. Auf das Deckblech ist ein wiederum vergleichsweise dickes Rahmenblech aufgelötet, das an jeder Kühlposition eine große, quadratische Durchgangsöffnung aufweist, die jeweils genau ein Paar Strömungsöffnungen, d. h. eine Einströmöffnung und eine Ausströmöffnung, einrahmt, sodass mehrere, nach oben offene Kühlkammern entstehen, die sämtlich - nämlich über ihr jeweiliges Strömungsöffnungs-Paar - einerseits mit der Ein- und andererseits mit der Auslass-Längskammer verbunden sind. Diese Kühlkammern sind individuell durch deckelartige Kontaktplatten verschlossen. Die Kontaktplatten werden mittels Klemmstücken, die mit dem Rahmenbleck verschraubt sind, kraftschlüssig in Position gehalten, wobei die Schrauben in korrespondierende Gewindebohrungen in dem zu diesem Zweck, wie erwähnt, vergleichsweise dick ausgebildeten Rahmenblech eingeschraubt sind. Eine Abdichtung erfolgt durch einen, an den Rand der Kühlkammer angeschmiegten, elastischen Dichtring. Die Kontaktbleche tragen auf ihren Unterseiten Kühlstrukturen, die in die Kühlkammern hineinragen. Auf ihren Oberseiten tragen sie die zu kühlenden Komponenten.
Nachteilig ist, dass die bekannte Kühlanordnung in Bezug auf Gewicht und Fertigungskosten (Material- und Arbeitszeit-Einsatz) ungünstig und daher weder in ihrer Herstellung noch bei Betrieb im Kraftfahrzeug wirtschaftlich ist.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine gattungsgemäße Kühlanordnung derart weiterzubilden, dass sie in ihrer Fertigung sowie ihrer Nutzung im Kraftfahrzeug wirtschaftlicher wird.
Diese Aufgabe wird in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1 dadurch gelöst, dass der Sockelkasten ausgebildet ist als eine aus einem Blech umgeformte Wanne mit einem fluiddicht stoffschlüssig eingesetzten Längssteg, mittels dessen die Wanne in die Einlass- und die Auslass-Längskammer unterteilt ist.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
Der erfindungsgemäße Sockelkasten kann - bevorzugt - mittels eines einfachen Tiefziehverfahrens oder durch ein anderes, dem Fachmann geläufiges Blechumformverfahren hergestellt werden. Ausgangsmaterial ist dabei ein Blech, welches gerade so dick sein muss, dass es den Blechumformprozess schadlos übersteht und eine eigenständig formstabile Wanne bilden kann. Wie erläutert, war im Stand der Technik eine Materialdicke erforderlich, die wenigstens der Tiefe der Längskammern entsprach, die aus einem Block des Ausgangsmaterials herausgefräst wurden. Es ist offensichtlich, dass die erfindungsgemäße Blechwanne sowohl in ihrer Herstellung als auch in ihrem Gewicht deutlich günstiger ist. Eine Schwierigkeit beim Tiefzeihen kann sich allerdings bei der Ausgestaltung des Längssteges ergeben, der die beiden Längskammern voneinander trennt. Dieser wird erfindungsgemäß durch ein zweites Element gebildet, das gemäß einem bevorzugten, weiter unten näher beschriebenen Verfahren in die steglos ausgebildete Wanne eingesetzt und zu einem späteren Zeitpunkt stoffschlüssig mit dieser verbunden, insbesondere hartgelötet wird. Neben der Prozesskosten- und Gewichtseinsparung hat die Ausbildung des Sockelkastens in der erfindungsgemäßen Weise zudem den Vorteil, dass sich bei gleichen Außendimensionen die Volumina der Längskammern gegenüber dem Stand der Technik vergrößern lassen. Dies eröffnet die Möglichkeit eines größeren Kühlfluidstroms und daher einer effektiveren Kühlung.
Im Übrigen kann der Aufbau der erfindungsgemäßen Kühlanordnung, wie aus dem Stand der Technik bekannt, erfolgen. Insbesondere ist es möglich, die Schrauben, mit denen die Klemmelemente zur Fixierung der Kontaktplatten verschraubt werden, in Gewindebohrungen des Rahmenblechs eingedreht werden. Dies setzt allerdings eine gewisse Mindestdicke des Rahmenblechs voraus, was wiederum im Hinblick auf Gewicht und Materialkosten nachteilig ist. Bei einer Weiterbildung der Erfindung ist daher vorgesehen, dass das Rahmenblech und das Deckblech von Gewindebuchsen durchsetzt sind, die vollumfänglich mit dem Deckblech und/oder dem Rahmenblech fluiddicht stoffschlüssig verbunden sind. Dies erlaubt es, die Dicke des Rahmenblechs ausschließlich auf seine primäre Funktion, nämlich die Höhe der Kühlkammern zu definieren, hin auszulegen. Insbesondere ist es nicht erforderlich, eine Mindestdicke einzuhalten, die für die Ausbildung von Gewindebohrungen, die den Klemmschrauben hinreichend Halt geben, erforderlich wäre. Die Fluiddichtigkeit gegenüber den Längskammern im Sockelkasten ist durch die stoffschlüssige Verbindung der Gewindebuchsen entlang ihres Umfangs mit dem ebenfalls von ihnen durchsetzten Deckblech gewährleistet. Eine stoffschlüssige Verbindung auch mit dem Rahmenblech ist möglich, funktional jedoch nicht zwingend erforderlich. Vorteilhaft dabei wäre jedoch der verbesserte mechanische Halt der Gewindebuchsen. Im Fall einer stoffschlüssigen Verbindung zwischen Rahmen- und Deckblech können die Gewindebuchsen auch alternativ stoffschlüssig mit dem Rahmenblech verbunden sein.
Bevorzugt erstrecken sich die Gewindebuchsen bis zum Boden des Sockelkastens. Dies entspricht der maximal möglichen Länge der Gewindebuchsen und damit dem maximal möglichen Halt der Klemmschrauben.
Dabei können die Gewindebuchsen fluiddicht stoffschlüssig mit dem Boden des Sockelkastens verbunden sein. Eine irgendwie geartete mechanische Fixierung der Gewindebuchsen mit dem Sockelkasten ist aus Stabilitätsgründen in jedem Fall wünschenswert. Bei einer fluiddicht stoffschlüssigen Verbindung ist es jedoch sogar möglich, die Gewindebuchsen mit Durchgangsöffnungen zu versehen und dennoch die Fluiddichtigkeit der Längskammern im Sockelkasten zu bewahren. Eine alternative Ausgestaltung der Gewindebuchsen mit Gewinde-Sackbohrungen ist zwar denkbar und erfordert dann keine fluiddicht stoffschlüssige Verbindung mit dem Boden des Sockelkastens; herstellungstechnisch sind jedoch Durchgangsbohrungen, in denen sich keine Schneidspäne anlagern können, günstiger. Daher ist bevorzugt vorgesehen, dass die Gewindebuchsen je eine beidseitig offene Gewindebohrung, d.h. eine Gewinde-Durchgangsöffnung, aufweisen.
Günstigerweise sind die Gewindebuchsen paarweise seitlich jeder Rahmenöffnung angeordnet und erstrecken sich über das Rahmenblech hinaus, wobei sich zwischen den Gewindebuchsen jedes Paares ein auf dem Rahmenblech fixiertes Distanzblech erstreckt, welches bündig mit den Oberkanten der zugeordneten Gewindebuchsen abschließt. Die Distanzbleche dienen dazu, die Höhe der Kontaktplatten, die zum Verschluss der Rahmenöffnungen auf dem Rahmenblech aufliegen, zu kompensieren, sodass ein flaches Klemmelement, welches mittels in den Gewindebuchsen verschraubter Klemmschrauben auf das Distanzblech aufgeschraubt wird, zugleich die benachbarte Kontaktplatte kraftschlüssig auf dem Rahmenblech fixieren kann. Alternativ zu den Distanzblechen können auch gewinkelte Klemmelemente Einsatz finden. Die hier als bevorzugt dargestellte Variante hat sich jedoch im Hinblick auf die besondere Einfachheit ihrer Herstellung und Montage bewährt.
Um der gesamten Vorrichtung, insbesondere dem Sockelkasten, eine gesteigerte Stabilität zu verleihen, ist bevorzugt vorgesehen, dass am Boden des Sockelkastens Versteifungsprofile fixiert sind. Diese Versteifungsprofile können beispielsweise als U-förmige Schienen ausgebildet sein. Selbstverständlich sind auch dem Fachmann grundsätzlich bekannte Versteifungssicken denkbar, die im Rahmen des Tiefziehprozesses in den Sockelboden eingebracht werden. Die Fixierung gesonderter Versteifungsprofile hat sich jedoch insofern besonders bewährt, als mit ihnen eine stabilisierende Verbindung zwischen dem Boden des Sockelkastens und dem Deckblech geschaffen werden kann. Dies insbesondere, wenn sie, wie auch der Längssteg, beispielsweise im Rahmen des weiter unten noch zu beschreibenden Verfahrens mit beiden genannten Grenzflächen stoffschlüssig verbunden werden.
Die Gewindebuchsen durchsetzen bevorzugt korrespondierende Ausnehmungen in diesen Versteifungsprofilen. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass sich die Gewindebuchsen in den maximal steifen Bereichen in der Gesamtkonstruktion befinden, wobei die oben als bevorzugt beschriebene unmittelbare Fixierung der Gewindebuchsen am Sockelboden erhalten bleibt. Denkbar wäre zwar auch eine indirekte Fixierung der Gewindebuchsen am Sockelboden, nämlich mittelbar über besagte Versteifungsschienen. Dies würde jedoch eine zusätzliche Grenzschicht mit stoffschlüssiger Verbindung erfordern, was im Hinblick auf die Minimierung von Prozesskosten weniger günstig wäre.
Man beachte, dass im Rahmen der obigen Beschreibung unterschiedliche, als fluiddicht miteinander verbundene funktionale Elemente in der Regel als unterschiedliche konstruktive Elemente ausgestaltet sind. Insbesondere bei Rahmenblech und Deckblech muss dies jedoch nicht zwingend der Fall sein. Speziell können beide Bleche einstückig miteinander ausgebildet sein. Der untere Teil eines solchen Kombinationsblechs übernimmt dann die Funktion des Deckblechs, während ihr oberer Teil die Funktion des Rahmenblechs erfüllt.
Wie grundsätzlich aus dem Stand der Technik bekannt, ist bevorzugt vorgesehen, dass in jeder Rahmenöffnung ein vollumfänglich an deren Rand angeschmiegter, zwischen dem Deckblech einerseits und der Kontaktplatte andererseits geklemmter und ein zugeordnetes Strömungsöffnungs-Paar umlaufender, elastischer Dichtring angeordnet ist. Die Höhe des Dichtrings ist bevorzugt geringfügig größer als die Dicke des Rahmenblechs, sodass er beim Anpressen des Kontaktblechs leicht gequetscht wird und sowohl zum Deckblech als auch zur Kontaktplatte hin seine Dichtwirkung entfaltet. Zumindest in Bezug auf den Kontakt zwischen Deckblech und Rahmenblech ist jedoch bevorzugt (zusätzlich) eine Dichtung durch fluiddicht stoffschlüssige Verbindung beider Bleche miteinander vorgesehen. Enthält das Rahmenblech mehrere Rahmenöffnungen, können diese individuell von jeweils einer Kontaktplatte verschlossen sein. Alternativ ist jedoch auch denkbar, mehrere Rahmenöffnungen mit einer gemeinsamen Kontaktplatte zu abzudecken. Bevorzugt wird jedoch die zuerst genannte Individuallösung, da sie eine sicherere Abdichtung und eine einfachere Austauschbarkeit der auf den Kontaktplatten fixierten elektronischen Komponenten ermöglicht, insbesondere bei der bevorzugten Fixierung der Kontaktplatten mittels eines oder mehrerer von in die Gewindebuchsen eingeschraubten Schrauben gehaltener Klemmstücke, die die Kontaktplatten kraftschlüssig auf dem Rahmenblech fixieren.
Die Unterseiten der Kontaktplatten sind bevorzugt mit Kühlstrukturen bewehrt. Diese ragen durch die zugeordnete Rahmenöffnung des Rahmenblechs in die zugeordnete Kühlkammer hinein und wechselwirken dort thermisch mit dem Kühlfluid.
Die erfindungsgemäße Auslegung der Kühlvorrichtung ermöglicht ein besonders einfaches und kostengünstiges Herstellungsverfahren, welches eigenständiger Bestandteil der vorliegenden Erfindung ist. Insbesondere umfasst es die Schritte:

- Bereitstellen eines Sockelkastens mit einer Einlassöffnung und einer Auslassöffnung, der als eine aus einem Blech umgeformte Wanne ausgebildet ist,
- Einsetzen eines Längsstegs in den Sockelkasten derart, dass er die Wanne in eine Einlass-Längskammer, in der die Einlassöffnung angeordnet ist, und eine Auslass-Längskammer, in der die Auslassöffnung angeordnet ist, unterteilt,
- Aufsetzen eines Deckblechs und eines darüber angeordneten Rahmenblechs auf den Rand der Wanne und auf die Oberkante des mit seiner Unterkante auf dem Boden des Sockelkastens aufstehenden Längssteges,
- Einsetzen von Gewindebuchsen in korrespondierende Durchgangsöffnungen des Rahmenblechs und des Deckblechs, sodass sie mit ihrem unteren Ende auf dem Boden des Sockelkastens aufstehen,
- Klemmen der vorgenannten Elemente, sodass sie ein aus kraftschlüssig verbundenen Elementen bestehendes Paket bilden,
- Aufheizen des Paketes bis oberhalb der Schmelztemperatur eines Hartlotes, mit welchem die Kontaktflächen zwischen dem Boden des Sockelkastens und den Gewindebuchsen, zwischen dem Boden des Sockelkastens und der Unterkante des Längsstegs, zwischen dem Rand der Wanne und dem Deckblech, zwischen den Außenumfängen der Gewindebuchsen und den Innenumfängen der korrespondierenden Durchgangsöffnungen des Deckblechs und/oder des Rahmenblechs, zwischen der Oberkante des Längsstegs und dem Deckblech sowie zwischen den Seitenkanten des Längsstegs und dem Rand der Wanne wenigstens (und bevorzugt) einseitig beschichtet sind.

Die einzelnen Elemente lassen sich in der geschilderten Reihenfolge einfach zusammensetzen wobei die Schwerkraft eine vorläufige Relativfixierung bewirkt. Die genannte Hartlotbeschichtung ausgewählter Kontaktflächen kann dabei einseitig erfolgen. Aus wirtschaftlichen Gründen ist die Anzahl der hartlotbeschichteten Flächen insgesamt zu minimieren. Eine aktive Verklemmung der geschichteten Elemente sichert ihre vorläufige Relativfixierung auch beim Transport zu weiteren Montagestationen und bei Dimensionsänderungen durch Temperaturschwankungen. Der derart geklemmte Elementenstapel wird sodann in einem Ofen erhitzt, sodass das Hartlot an den genannten Kontaktflächen aufschmilzt und hier fluiddicht stoffschlüssige Verbindungen schafft. Zur Fertigstellung der Kühlvorrichtung müssen im Anschluss lediglich noch die oben beschriebenen Dichtringe in die Rahmenöffnungen eingelegt und die mit den zu kühlenden elektronischen Komponenten bewehrten oder nachträglich bewehrbaren Kontaktplatten in einer die Rahmenöffnungen abdeckenden Weise aufgesetzt und mittels der aufzuschraubenden Klemmstücke fixiert werden.
Wie weiter oben bereits erwähnt können das Rahmenblech und das Deckblech (bevorzugt) als separate Elemente oder aber auch einstückig ausgebildet sein. Im erstgenannten Fall empfiehlt es sich, auch die Kontaktfläche zwischen dem Deckblech und dem Rahmenblech wenigstens einseitig mit dem Hartlot zu beschichten, um auch hier eine fluiddicht stoffschlüssige Verbindung zu schaffen. Grundsätzlich könnte eine hinreichende Abdichtung und Fixierung aber auch durch die Stoffschlussverbindung zwischen den Außenumfängen der Gewindebuchsen mit den Innenumfängen der korrespondierenden Durchgangsöffnungen in Deck- und Rahmenblech erzielt werden.
Als dasjenige Element mit der relativ zu seiner Längs- und Quererstreckung kleinsten Standfläche kann der Längssteg beim Einsetzen in den Sockelkasten Montageprobleme verursachen. Bei einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist daher vorgesehen, dass der Längssteg beim Einsetzen in den Sockelkasten mit Längsvorsprüngen an seinen Enden in korrespondierende Aufnahmeschlitze in den Querseiten des Sockelkastens eingesetzt wird. Es versteht sich, dass sich im Rahmen des Aufheizens auch an diesen Kontaktflächen fluiddicht stoffschlüssige Verbindungen ergeben müssen und eine entsprechende Hartlotbeschichtung vorzusehen ist.
Bei Ausführungsformen mit den oben erläuterten Versteifungsprofilen ist bevorzugt vorgesehen, dass vor dem Aufsetzen des Deckblechs auf den Rand der Wanne in jeder der Längskammern ein Versteifungsprofil auf den Boden des Sockels aufgesetzt wird und beim Aufsetzen des Deckblechs dieses zusätzlich auf die Oberkanten der Versteifungsprofile aufgesetzt wird, wobei die Kontaktflächen zwischen den Versteifungsprofilen und einerseits dem Boden des Sockelkastens und andererseits dem Deckblech wenigstens (und bevorzugt) einseitig mit dem Hartlot beschichtet sind. Die Wirkung und Vorteile der resultierenden stoffschlüssigen Verbindungen wurden bereits oben bei der Beschreibung der Versteifungsprofile erläutert.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden, speziellen Beschreibung und den Zeichnungen.
Es zeigen:

1 eine perspektivische Darstellung dreier mittels erfindungsgemäßer Kühlanordnung gekühlter Leistungsmodule eines Kraftfahrzeugs,
2 die Anordnung von 1 in Explosionsdarstellung,
3 eine perspektivische Darstellung des unteren Bereichs der Anordnungen der 1 und 2,
4 eine perspektivische Darstellung des oberen Bereichs der Anordnungen der 1 und 2 in um 180° gewendeter Ausrichtung,
5 die Anordnung von 3 in Explosionsdarstellung,
6 die Anordnung von 3 in Schnittdarstellung entlang der Schnittlinie VI-VI sowie
7 die Anordnung von 3 in Schnittdarstellung entlang der Schnittlinie VII-VII.

Gleiche Bezugszeichen in den Figuren weisen auf gleiche oder analoge Elemente hin.
Die 1 bis 7 zeigen eine beispielhafte Ausführungsform einer Anordnung aus drei zu kühlenden elektronischen Leistungsmodulen eines Kraftfahrzeugantriebs und einer erfindungsgemäßen Kühlanordnung in unterschiedlichen Darstellungen und Aufbaustadien.
1 zeigt die Gesamtanordnung, deren Aufbau anhand der Explosions- und Schnittdarstellungen der übrigen Figuren leichter erläuterbar ist. Die dargestellte Ausführungsform soll daher unter gemeinsamer Bezugnahme auf alle Figuren beschrieben werden. Verweise auf einzelne Figuren bedeuten eine besonders gute Erkennbarkeit der gerade diskutierten Details in der konkret angesprochenen Figur hin.
Die dargestellte Anordnung umfasst einen Sockelkasten 10. Dieser ist wannenförmig gestaltet mit einem Wannen- bzw. Sockelkastenboden 101 und einem Wannen- bzw.
Sockelkastenrand 102. Im Wannenboden 101 sind zwei Öffnungen, nämlich eine Einlassöffnung 103 und eine Auslassöffnung 104 angeordnet. Die Öffnungen 103, 104 finden sich benachbart zu den Schmalseiten des im Wesentlichen rechteckig geformten Sockelkastens 10. Die von dem Sockelkasten 10 gebildete Wanne wird in ihrer Längsrichtung vollständig von einem Längsteg 12 durchsetzt, der die Wanne in zwei Längskammern, nämlich eine Einlass-Längskammer 14 und eine Auslass-Längskammer 16 unterteilt. Die Einlassöffnung 103 mündet in die Einlass-Längskammer 14. Die Auslassöffnung 104 mündet in die Auslass-Längskammer 16. Längsvorsprünge 121 an den beiden Enden des Längssteges 12 greifen in korrespondierende Aufnahmeschlitze 105 in den Schmalseiten des Wannenrandes 102 ein, sodass der Längsschlitz 12 auch ohne sonstige Fixierung vorläufig stabil in den Sockelkasten 10 eingesetzt werden kann. Die Unterkante des Längssteges 12 steht dabei über die gesamte Länge des Wannenbodens 101 auf diesem auf. Die Oberkante des Längsstegs verläuft niveaugleich mit der Oberkante des Wannenrandes 102.
Weiter sind auf dem Wannenboden 101 zwei U-förmige Versteifungsprofile 18 angeordnet, deren Oberkanten ebenfalls niveaugleich mit der Oberkante des Wannenrandes 102 bzw. des Längssteges 12 verlaufen. Bodenseitig weisen die Versteifungsprofile 18 Ausnehmungen 183 auf, auf die weiter unten noch näher eingegangen werden soll.
Auf der Oberkante des Wannenrandes 102 sowie auf den Oberkanten von Längssteg 12 und Versteifungsprofilen 18 liegt ein Deckblech 20 auf, welches aus dünnwandigem Metallblech besteht. An drei Positionen, die in der fertig montierten Anordnung den Kühlpositionen, d. h. den Positionen der zu kühlenden Leistungsmodule 22, entsprechen, sind im Deckblech 20 Paare von Längsschlitzen angeordnet, deren jeweils einer, nämlich die Einströmöffnung 201, im endmontierten Zustand in die Einlasskammer 14 mündet, und deren jeweils anderer, nämlich die Ausströmöffnung 202, im endmontierten Zustand in die Auslasskammer 16 mündet. Zwischen den jeweils zwei Strömungsöffnungspaaren 201/202 sowie zwischen den endständigen Strömungsöffnungspaaren 201/202 und den Schmalseiten des Deckblechs 20 sind Paare von runden Durchgangsöffnungen 203 angeordnet, auf deren Funktion weiter unten näher eingegangen werden soll.
Auf dem Deckblech 20 ist ein Rahmenblech 22 angeordnet, welches drei mit den Kühlpositionen korrespondierende Rahmenöffnungen 221 aufweist, die im endmontierten Zustand, wie insbesondere in den 2 und 3 erkennbar, jeweils ein Paar von Strömungsöffnungen 201, 202 umgreifen, d. h. hier vollumfänglich umrahmen. Weiter weist das Rahmenblech 22 runde Durchgangsöffnungen 223 auf, die räumlich mit den runden Durchgangsöffnungen 203 des Deckblechs 20 sowie den Durchgangsöffnungen 183 in den Versteifungsprofilen 18 korrespondieren.
Auf dem Rahmenblech 22 liegen, jeweils zwischen den runden Durchgangsöffnungen 223, stabförmige Distanzbleche 24 auf, auf deren Bedeutung weiter unten näher eingegangen wird.
Schließlich sind Gewindebuchsen 26, d. h. hier zylinderförmige Hülsen mit einer axialen Gewinde-Durchgangsausnehmung, vorgesehen, die, wie insbesondere in der Schnittdarstellung von 7 erkennbar, in die runden Durchgangsöffnungen 203, 223 eingesetzt sind, die Durchgangsöffnungen 183 der Versteifungsprofile 18 durchsetzen und auf dem Wannenboden 101 aufstehen. Ihre obere Kante fluchtet mit der Oberseite der Distanzbleche 24.
Wie insbesondere in den 2 und 6 erkennbar, sind in die Rahmenöffnungen 221 elastische Dichtringe eingesetzt, deren Höhe im unkomprimierten Zustand geringfügig größer ist als die Dicke des Rahmenblechs 22 und die sich vollumfänglich an den Rand der jeweils zugeordneten Rahmenöffnung 221 schmiegen.
In die Rahmenöffnungen 221 sind insbesondere in den 2 und 6 gut erkennbare Dichtringe 28 eingelegt, die sich vollumfänglich an den Rand der jeweils zugeordneten Rahmenöffnung 221 anschmiegen. Die Dichtringe 28 sind vorzugsweise aus elastischem Material und übersteigen in ihrer Höhe (im entlasteten Zustand) die Höhe des Rahmenblechs 221 geringfügig.
Auf dem Rahmenblech 22 sind in einer die Rahmenöffnungen 221 abdeckenden Weise Kontaktplatten 30 angeordnet, die insbesondere in den 4 und 6 gut erkennbar sind. Die den Rahmenöffnungen 221 zugewandten Unterseiten der Kontaktplatten 30 sind mit labyrinthartigen Kühlstrukturen 301 bewehrt. Auf ihrer Oberseite sind die zu kühlenden elektronischen Komponenten 32 in thermischem Kontakt fixiert, insbesondere aufgelötete oder aufgesintert.
Wie insbesondere in den 1 und 2 erkennbar, erfolgt die Fixierung der Kontaktplatten 30 samt elektronischer Komponenten 32 über Klemmstücke 34, die mittels Schrauben 36 auf die Distanzbleche 24 aufgeschraubt werden, wobei die Schrauben 36 in die Gewindebuchsen 26 eingedreht werden. Die Klemmstücke 34 überragen seitlich die Distanzbleche 24 und überlappen zugleich die Kontaktplatten 30, sodass beim Anziehen der Schrauben 36 eine kraftschlüssige Pressverbindung zwischen den Unterseiten der Kontaktplatten 30 und dem Rahmenblech 22 entsteht. Dabei werden auch die Dichtringe 28 vertikal komprimiert, sodass eine fluiddichte Abdichtung entsteht.
Nachfolgend soll das bevorzugte Herstellungsverfahren für die zuvor beschriebene Anordnung diskutiert werden.
Die Kontaktplatten 30 werden mit den elektronischen Komponenten 32 versehen, beispielsweise durch einen Löt- oder Sinterprozess. Die Verbindung muss einen guten thermischen Kontakt und eine stabile mechanische Fixierung gewährleisten. Einzelheiten sind jedoch nicht Gegenstand der vorliegenden Erfindung. Ebenso ist die spezielle Gestaltung der Kühlstrukturen 301 auf der Unterseite der Kontaktplatten 30 vorliegend nicht von Bedeutung.
Unabhängig von der Bereitstellung der Kontaktplatten 30 und elektronischen Komponenten 301 wird eine Kühlanordnung (ohne Kontaktplatten 30) gemäß 3 hergestellt. Diese erfolgt zunächst durch reines Aufeinanderschichten der einzelnen Elemente, wie dies in der Explosionsdarstellung von 5 angedeutet ist. Hierbei ist zu beachten, dass bestimmte Kontaktflächen zwischen den einzelnen Elementen (bevorzugt einseitig) mit einer Hartlotbeschichtung versehen sind. Besonders bevorzugt sind folgende Oberflächen mit besagter Hartlotbeschichtung versehen: Die obere Oberfläche des Sockelkastens 10, d.h. insbesondere der Wannenboden 101 sowie die Innenwände und die Oberkante des Wannenrandes 102 einschließlich die Innenwandung der Aufnahmeschlitze 105, die Oberkanten von Längssteg 12 und Versteifungsprofilen 18 sowie die Oberseite des Deckblechs 20 einschließlich der Innenränder der runden Durchgangsöffnungen 203.
Der Längssteg 12 wird, wie in 5 gezeigt, in die Wanne des Sockelkastens 10 eingesetzt, wobei insbesondere seine Längsvorsprünge 121 in die Aufnahmeschlitze 105 eingehängt werden. Auch die Versteifungsprofile 18 werden, wie in 5 gezeigt, in die Wanne des Sockelkastens 10 eingesetzt. Anschließend werden Deckblech und Rahmenblech aufgesetzt, sodass deren runde Durchgangsöffnungen 203, 223 und die Ausnehmungen 183 der Versteifungsprofile 18 miteinander fluchten. Im Anschluss werden die Gewindebuchsen 26 eingesetzt, sodass sie die runden Durchgangsöffnungen 223, 203 und die Ausnehmungen 183 der Versteifungsprofile 18 durchsetzen, unten auf dem Wannenboden 101 aufstehen und oben über das Rahmenblech 22 hinausragen. Anschließend werden die Distanzbleche 24 zwischen je zwei Gewindebuchsen eingesetzt, wobei ihre beiderends gekehlte, an den Gewindebuchsen 26 anliegende Form für eine Lateralfixierung sorgt.
Im Anschluss wird die Gesamtanordnung in vertikaler Richtung geklemmt, was durch ein Zusammenpressen zweier in den Figuren nicht dargestellter Backen erfolgen kann, die einerseits von oben auf den Distanzblechen 24 (und den mit ihnen bündigen Gewindebuchsen 26) und andererseits von unten gegen den Wannenboden 101 angreifen. Die Kontaktflächen Wannenboden 101/Unterkante Gewindebuchsen 26, Wannenboden 101/Unterseite Versteifungsprofil 18, Wannenboden 101/Unterkante Längssteg 12, Oberkante Wannenrand 102/Unterseite Deckblech 20, Oberkante Versteifungsprofil 18/Unterseite Deckblech 20, Oberkante Längssteg 12/Unterseite
Deckblech 20, Oberseite Deckblech 20/Unterseite Rahmenblech 22 und Oberseite Rahmenblech 22/Distanzblech 24 stehen durch diese Klemmung unter Presskraft. Außerdem ist jede dieser Kontaktflächen wenigstens einseitig hartlotbeschichtet. Weitere hartlotbeschichtete Kontaktflächen, die bei der Klemmung allerdings nicht unter Presskraft stehen, liegen zwischen dem Außenumfang der Gewindebuchsen 26 und dem Innenrand der runden Durchgangsöffnungen 203 im Deck- und/oder Rahmenblech 20 bzw. 22 sowie zwischen den Seitenkanten des Längsstegs 12 und der Innenwand des Wannenrand 102 vor.
In diesem Zustand wird die Gesamtanordnung bis über die Schmelztemperatur der Hartlotschichten erhitzt, sodass sich an den genannten Kontaktflächen fluiddicht stoffschlüssige Verbindungen ergeben.
Es resultiert eine Vorrichtung gemäß 3 aus unlösbar miteinander verbundenen Einzelelementen.
Im Anschluss werden die Dichtringe 28 in die Rahmenöffnungen 221 eingesetzt, die Kontaktplatten 30 in einer die Rahmenöffnungen 221 fluiddicht abdeckenden Weise aufgesetzt und abschließend mittels der aufgeschraubten Klemmelemente 34 austauschbar fixiert.
Natürlich stellen die in der speziellen Beschreibung diskutierten und in den Figuren gezeigten Ausführungsformen nur illustrative Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung dar. Dem Fachmann ist im Lichte der hiesigen Offenbarung ein breites Spektrum an Variationsmöglichkeiten an die Hand gegeben. Insbesondere können das Deckblech und das Rahmenblech auch einstückig ausgebildet sein, wobei es denkbar ist, dass besagtes Kombielement als tiefgezogenes Bauteil ausgebildet ist und an den Kühlpositionen wannenförmige Vertiefungen aufweist, die die Kühlräume bilden und deren Boden und/oder deren Seiten von den Strömungsöffnungen durchsetzt sind.
Bezugszeichenliste

10: Sockel kasten
101: Wannen-/Sockelkastenboden
102: Wannen-/Sockelkastenrand
103: Einlassöffnung
104: Auslassöffnung
105: Aufnahmeschlitz
12: Längssteg
121: Längsvorsprung von 12
14: Einlasskammer
16: Auslasskammer
18: Versteifungsprofil
183: Durchgangsöffnung in 18
20: Deckblech
201: Einströmöffnung
202: Ausströmöffnung
203: runde Durchgangsöffnung in 20
22: Rahmenblech
221: Rahmenöffnung
223: runde Durchgangsöffnung in 22
24: Distanzblech
26: Gewindebuchse
28: Dichtring
30: Kontaktplatte
301: Kühlstruktur
32: elektronische Komponente
34: Klemmstück
36: Schraube

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102019200142 [0002]

Claims

Kühlanordnung für elektronische Komponenten (32) eines Kraftfahrzeugs, umfassend - einen Sockelkasten (10) mit einer Einlassöffnung (103) und einer Auslassöffnung (104), der unterteilt ist in zwei fluidisch voneinander getrennte, sich jeweils über den größten Teil der Sockelkastenlänge erstreckende Längskammern (14, 16), nämlich eine Einlass-Längskammer (14) und eine Auslass-Längskammer (16), wobei die Einlassöffnung (103) in der Einlass-Längskammer (14) und die Auslassöffnung (104) in der Auslass-Längskammer (16) angeordnet ist, - ein fluiddicht stoffschlüssig auf dem Rand (102) der Wanne fixiertes Deckblech (20), mit wenigstens einer in fluidischem Kontakt mit der Einlass-Längskammer (14) stehenden Einströmöffnung (201) und wenigstens einer in fluidischem Kontakt mit der Auslass-Längskammer (16) stehenden Ausströmöffnung (202), - ein fluiddicht mit dem Deckblech (20) verbundenes Rahmenblech (22), das durchsetzt ist von wenigstens einer Rahmenöffnung (221), die wenigstens ein aus einer Einströmöffnung (201) und einer Ausströmöffnung (202) des Deckblechs (20) bestehendes Strömungsöffnungs-Paar (201/202) umgreift, und - eine zumindest eine Rahmenöffnung (221) abdeckende, fluiddicht auf dem Rahmenblech (22) fixierte Kontaktplatte (30), auf deren der Rahmenöffnung (221) abgewandten Oberseite wenigstens eine der zu kühlenden elektronischen Komponenten (32) in wärmeleitendem Kontakt fixiert oder fixierbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Sockelkasten (10) ausgebildet ist als eine aus einem Blech umgeformte Wanne mit einem fluiddicht stoffschlüssig eingesetzten Längssteg (12), mittels dessen die Wanne in die Einlass-Längskammer (14) und die Auslass-Längskammer (16) unterteilt ist.
Kühlanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Rahmenblech (22) und das Deckblech (20) von Gewindebuchsen (26) durchsetzt sind, die vollumfänglich mit dem Deckblech (20) und/oder dem Rahmenblech (22) fluiddicht stoffschlüssig verbunden sind.
Kühlanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Gewindebuchsen (26) bis zum Boden des Sockelkasten (10) erstrecken.
Kühlanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Gewindebuchsen (26) fluiddicht stoffschlüssig mit dem Boden des Sockelkastens (10) verbunden sind.
Kühlanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Gewindebuchsen (26) je eine beiderends offene Gewindebohrung aufweisen.
Kühlanordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Gewindebuchsen (26) paarweise seitlich jeder Rahmenöffnung (221) angeordnet sind und sich über das Rahmenblech (22) hinaus erstrecken, wobei sich zwischen den Gewindebuchsen (26) jedes Gewindebuchsen-Paares ein auf dem Rahmenblech (22) fixiertes Distanzblech (24) erstreckt, welches bündig mit den Oberkanten der Gewindebuchsen (26) abschließt.
Kühlanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass am Boden (101) des Sockelkastens Versteifungsprofile (18) fixiert sind.
Kühlanordnung nach Anspruch 7 und einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Gewindebuchsen (26) korrespondierende Ausnehmungen in den Versteifungsprofilen (18) durchsetzen.
Kühlanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Deckblech und das Rahmenblech einstückig ausgebildet sind.
Kühlanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Deckblech (20) und das Rahmenblech (22) als separate, insbesondere miteinander hartverlötete Bleche ausgebildet sind.
Kühlanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in jeder Rahmenöffnung (221) ein vollumfänglich an deren Rand angeschmiegter, zwischen dem Deckblech (20) einerseits und der Kontaktplatte (30) andererseits geklemmter und das zugeordnete Strömungsöffnungs-Paar (201/202) umlaufender, elastischer Dichtring (28) angeordnet ist.
Kühlanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktplatte (30) mittels eines oder mehrerer von in die Gewindebuchsen (26) eingeschraubten Schrauben (36) gehaltener Klemmstücke (34) kraftschlüssig auf dem Rahmenblech (22) fixiert ist.
Verfahren zum Herstellen einer Kühlvorrichtung, umfassend die Schritte: - Bereitstellen eines Sockelkastens (10) mit einer Einlassöffnung (103) und einer Auslassöffnung (104), der als eine aus einem Blech umgeformte Wanne ausgebildet ist, - Einsetzen eines Längsstegs (12) in den Sockelkasten (10) derart, dass er die Wanne in eine Einlass-Längskammer (14), in der die Einlassöffnung (103) angeordnet ist, und eine Auslass-Längskammer (16), in der die Auslassöffnung (104) angeordnet ist, unterteilt, - Aufsetzen eines Deckblechs (20) und eines darüber angeordneten Rahmenblechs (22) auf den Rand (102) der Wanne und auf die Oberkante des mit seiner Unterkante auf dem Boden (101) des Sockelkastens (10) aufstehenden Längssteges (12), - Einsetzen von Gewindebuchsen (26) in korrespondierende Durchgangsöffnungen (203, 323) des Deckblechs (20) und des Rahmenblechs (22), sodass sie mit ihrem unteren Ende auf dem Boden (101) des Sockelkastens (10) aufstehen, - Klemmen der vorgenannten Elemente (10, 12, 20, 22, 26), sodass sie ein aus kraftschlüssig verbundenen Elementen (10, 12, 20, 22, 26) bestehendes Paket bilden, - Aufheizen des Paketes bis oberhalb der Schmelztemperatur eines Hartlotes, mit welchem die Kontaktflächen zwischen dem Boden (103) des Sockelkastens (10) und den Gewindebuchsen (26), zwischen dem Boden (103) des Sockelkastens (10) und der dem Längssteg 12, zwischen dem Rand (101) der Wanne und dem Deckblech (20), zwischen den Gewindebuchsen (26) und den Innenumfängen der korrespondierenden Durchgangsöffnungen (203, 223) des Deckblechs (20) und/oder des Rahmenblechs (22), zwischen dem Längssteg (12) und dem Deckblech (20) sowie zwischen dem Längssteg (12) und dem Rand (103) der Wanne wenigstens einseitig beschichtet sind.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Längssteg (12) beim Einsetzen in den Sockelkasten (10) mit Längsvorsprüngen (121) an seinen Enden in korrespondierende Aufnahmeschlitze (105) in den Querseiten des Randes (102) des Sockelkastens (10) eingesetzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Aufsetzen des Deckblechs (20) auf den Rand (102) des Sockelkastens (10) in jeder der Längskammern (14, 16) ein Versteifungsprofil (18) auf den Boden (101) des Sockelkastens (10) aufgesetzt wird und beim Aufsetzen des Deckblechs (20) dieses zusätzlich auf die Oberkanten der Versteifungsprofile (18) aufgesetzt wird, wobei die Kontaktflächen zwischen den Versteifungsprofilen (18) und einerseits dem Boden (102) des Sockelkastens (10) und andererseits dem Deckblech (20) wenigstens einseitig mit dem Hartlot beschichtet sind.