Kühlsystem und Kühlanordnung

Die Erfindung betrifft ein Kühlsystem, ein Einzelmodulelement als Teil des Kühlsystems und eine das Kühlsystem umfassende Kühlanordnung gemäß dem Oberbegriff der unabhängigen Ansprüche.

Stand der Technik

In vielen Elektronikschaltungen kommen elektrische und/oder elektronische Bauelemente zum Einsatz, die im Betrieb aufgrund von Verlustleistung eine messbare Temperaturerhöhung aufweisen. Insbesondere können durch große innere Leitungswiderstände und/oder hohe Betriebsströme nachteilige oder unzulässige Temperaturwerte erreicht werden, durch die der Betrieb der Elektronikschaltung ineffizient oder dessen Funktionssicherheit, insbesondere über die vorgesehene Lebensdauer, gefährdet ist. Aus diesen Gründen ist oft ein Entwärmungskonzept für temperaturgefährdete Bereiche der Elektronikschaltung vorzusehen. Bei sehr hohen Verlustleistung ist in manchen Anwendungen eine Entwärmung mittels eines Kühlmedium innerhalb einer Kühlvorrichtung erforderlich, wobei die temperaturgefährdeten Bereiche der Elektronikschaltung dann zumindest mittelbar mit der von dem Kühlmedium durchströmten Kühlvorrichtung zur Wärmeabfuhr verbunden sind.

Elektronikanwendung mit z.T. hohen Verlustleistungen findet man beispielsweise bei Steuergeräten, insbesondere im Automotivbereich. Hierbei sind hohe Anforderungen an die Betriebssicherheit gestellt, so dass der Entwärmung eine hohe Bedeutung zukommt. Moderne Vehicle Computer kommunizieren intern miteinander mittels eines schnellen Bussystems (Backbone) im Backplane.

Durch die teilweise rasante Entwicklung in diesem Bereich besteht oft der Bedarf für ein Update-, Upgrade- bzw. einen Austausch im Fahrzeug sowohl auf einer Softwareebene als auch auf einer Hardwareebene der Elektronik. Dadurch wächst der Bedarf und die Nachfrage nach einer flexiblen Steuergeräteintegration gerade im Automotivbereich.

In der Serverindustrie werden bei hohen Verlustleistungen zwecks Entwärmung Servermodule in einer Kühlwanne eingetaucht, welche mit einer inerten Kühlflüssigkeit gefüllt ist. Dabei handelt es sich um stationäre Anwendungen mit großen Abmessungen und hohem Gewicht. Ähnliche Verlustleistungen werden zukünftig auch im Bereich des autonomen Fahrens auftreten. Hierbei fehlen allerdings für den Automotivbereich bauraumgerechte und kostengünstige Lösungen, welche die Abfuhr von hohen Verlustleistungen sicherstellen und eine einfache Austauschbarkeit der Elektronik zur Anpassung an den neuesten Entwicklungsstand berücksichtigen.

In der deutschen Offenlegungsschrift DE602005006310T2 ist eine Anordnung gezeigt, bei welcher einzelne Leistungsmodule gestapelt in einem gemeinsamen Fluidstrom angeordnet sind. Die Fluidrichtung und entsprechende Öffnungen für das Kühlmedium verlaufen dabei quer zu einer flachen Erstreckung der Leistungsmodule und deren elektrischen Anschlussebene. Ferner stellt jedes Leistungsmodul einen Teilabschnitt eines gemeinsamen Kühlkanals für das Kühlmedium bereit. Der Austausch eines Leistungsmodules ist sehr aufwändig, da die Anordnung vollständig demontiert und neu aufgebaut werden muss. Dabei muss auch das Kühlmedium für die Demontage abgelassen werden und nach der Neumontage wieder neu eingefüllt werden. Ein Betrieb der Anordnung ohne das auszutauschende Leistungsmodul ist nicht möglich, so dass sich bei einem Austausch ggf. zwangsläufig lange Stillstandszeiten ergeben, bei welcher die betreffende Elektronikanwendung nicht mehr zum Einsatz kommen kann.

Offenbarung der Erfindung Vorteile

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, Elektronikeinheiten mit hoher Verlustleistung sicher zu entwärmen und dabei eine schnelle und einfache Austauschbarkeit zu ermöglichen.

Diese Aufgabe wird durch ein Kühlsystem, ein Einzelmodulelement als Teil des Kühlsystems und eine das Kühlsystem umfassende Kühlanordnung gemäß den unabhängigen Ansprüchen gelöst.

Ausgegangen wird von einem Kühlsystem mit einem geschlossenen Kühlkanalsystem, welches zwischen einem Haupteinlass und einem Hauptauslass für ein Kühlmedium ausgebildet ist und zumindest einen Kühlkanalstrang umfasst. Dabei ist das Kühlsystem aus zwei oder mehreren Einzelmodulelementen gebildet, wobei jedes Einzelmodulelement jeweils zumindest einen Teilabschnitt des Kühlkanalsystems bzw. des zumindest einen Kühlkanalstrang umfasst. Dabei schließen sich in einem insbesondere lösbaren Verbindungsbereich beider Einzelmodulelemente zueinander deren jeweils umfasste zumindest ein Teilabschnitt fortlaufend zu dem zumindest einen Kühlkanalstrang an. Die benachbarten Einzelmodulelemente weisen ferner im Verbindungsbereich jeweils ein komplementäres Elemente einer gemeinsamen Medienkupplung auf, insbesondere als Verschlusskupplung, bei welcher in einer gelösten Verbindung zwischen beiden benachbarten Einzelmodulelementen der jeweilige in einem Einzelmodulelement enthaltene Teilabschnitt zumindest in dessen Verbindungsbereich mediendicht verschlossen ist und in einer gekuppelten Verbindung zwischen beiden benachbarten Einzelmodulelementen im Verbindungsbereich ein Durchgang für einen Kühlmediumfluss innerhalb der Medienkupplung geöffnet ist. Auf diese Weise ist ein Zusammenbau von mehreren Einzelmodulelementen zu dem Kühlsystem sehr einfach ermöglicht. Dabei kann ein bestehendes Kühlsystem vorteilhaft durch Hinzufügen oder Entfernen von zumindest einem Einzelmodulelement in der Größe angepasst werden. Eine Anpassung kann hierbei in vorteilhafter Weise jederzeit ohne einen Kühlmediumverlust und der Erfordernis eines Nachfüllens von Kühlmedium erfolgen. In einer besonderen Ausführung kann zumindest einer der Einzelmodulelemente oder alle Einzelmodulelemente integral eine Elektronikeinheit umfassen, welche zumindest mittelbar im thermischen Kontakt zur Teilabschnitt des zumindest einen Kühlkanalstrangs steht.

Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform des Kühlsystems zeigt sich darin, dass das Kühlsystem als ein Grundkühlmodul ausgebildet ist, welches den zumindest einen Kühlkanalstrang als ein Basiskühlkanalsystem umfasst. Zusätzlich weist das Basiskühlkanalsystem mindestens zwei Nebenanschlüsse auf mittels welchen das Basiskühlkanalsystem außerhalb des Grundkühlmodules durch eine lösbare Verbindung mit zumindest einer Kühlstrecke einer externen Kühlvorrichtung erweiterbar ist. Zusätzlich bevorzugt ist bei einer derartigen Verbindung der Kühlstrecke diese dabei als paralleler Nebenstrang zu einem zwischen den verbundenen Nebenanschlüssen ausgebildeten Teilabschnitt des Basiskühlkanalsystems angeschlossen bzw. anschließbar. Alternativ sind mittels der Kühlstrecke in einer solchen Verbindung zwei voneinander getrennte Kühlkanalstränge überbrückend miteinander verbunden bzw. verbindbar. In vorteilhafter Weise stehen damit Kühlstrecken angeschlossener unterschiedlicher Kühlvorrichtungen nur mittelbar über das Grundkühlmodul in einem gemeinsamen dann erweiterten Kühlkanalsystem in Verbindung, so dass einzelne angeschlossene Kühlvorrichtungen unabhängig von anderen im Kühlsystem verbundenen Kühlvorrichtungen einfach aus dem Kühlsystem wieder entfernt werden können oder unabhängig von den anderen Kühlvorrichtungen ins Kühlsystem neu eingebunden werden können. Dabei stellen die Nebenanschlüsse des Basiskühlkanalsystems innerhalb des Grundkühlmodules die einzigen Schnittstellen für das Kühlmedium in Hinblick auf eine anschließbare Kühlvorrichtung dar. Auf diese Weise ist eine einfache und hoch effiziente Austauschbarkeit von Elektronikmodulen innerhalb des gesamten Kühlsystems ermöglicht, wobei ein Elektronikmodul beispielsweise eine Elektronikeinheit aufweist und diese zumindest mittelbar in thermischem Kontakt zu einer zuvor genannten anschließbaren Kühlvorrichtung steht. Das Grundkühlmodul stellt demnach eine Art Verteilerbasis für ein Kühlmedium bereit für ein oder mehrere anschließbare Kühlvorrichtungen, insbesondere als Teil eines Elektronikmodules. Beim Entfernen einer einzelnen Kühlvorrichtung ist ein Kühlmediumfluss innerhalb des Basiskühlkanalsystems und den ggf. noch im Kühlsystem verbundenen anderen Kühlvorrichtungen weiterhin einfach möglich. Das liegt daran, dass alle freiliegenden Nebenanschlüsse lediglich mediendicht verschlossen sein müssen. Dies kann in einfacher Weise beispielsweise durch ein Verschlusselement erfolgen, welches beispielsweise als Steck- oder Schraubverschluss ausgeführt ist. Demnach kann der Betrieb des Kühlsystems und damit beispielsweise die Entwärmung einer zumindest mittelbar mit dem Kühlsystem thermisch leitverbundenen Elektronikeinheit aufrechterhalten werden und Stillstandszeiten der damit verbundenen Elektronikanwendung vermieden werden.

Zusätzlich stellt das Grundkühlmodul eine Art mechanische Verbundbasis dar, mittels welcher eine Anordnung von angeschlossenen Kühlvorrichtungen mechanisch fest im Verbund bestehen bleiben kann. Ferner ist durch die Bereitstellung des Basiskühlkanalsystems innerhalb des Grundkühlmodules die Möglichkeit einer modularen Skalierung einer erforderlichen Größe eines Kühlsystems gegeben. Eine maximale Skalierung ist dabei durch die Anzahl von bereitgestellten Nebenanschlüssen innerhalb des Basiskühlkanalsystems bestimmt. Die Größe des Kühlsystems lässt sich damit dann in Abhängigkeit der Anzahl von verbundenen externen Kühlvorrichtungen und somit durch die Anzahl der dann zusätzlich mit dem Basiskühlkanalsystem verbundenen Kühlstrecken der einzelnen externen Kühlvorrichtungen variierbar bzw. bewusst definiert einstellen. Die lösbare und insbesondere mediendichte Verbindung erlaubt eine schnelle und einfache Skalierung des Kühlsystems durch das Einbinden oder Entfernen von externen Kühlvorrichtungen. Denkbar sind hier beliebig bekannte Lösungen, insbesondere umfassend einen Kraft- und/oder Formschluss. Beispielhaft sind Verbindungslösungen in Form einer Schraubverbindung, einer mediendichten Steckverbindung, einer federunterstützen Anpressverbindung, einer Kupplungsverbindung und/oder in Form einer anderen lösbaren Verbindungsausführung denkbar. Als Kühlmedium kommen Kühlgase oder Kühlflüssigkeiten in Frage, insbesondere Kühlwasser oder eine inerte Kühlflüssigkeit, falls ein elektrischer Kontakt mit einer zu entwärmenden Elektronikeinheit aufgrund des vorgesehenen Entwärmungskonzeptes vorliegt oder nicht auszuschließen ist. Im Betrieb ist das Kühlsystem über den Haupteinlass und den Hauptauslass mit einer Medienpumpe verbunden, mittels weicher ein Kühlmediumfluss innerhalb des Kühlsystems erwirkt wird, beispielsweise in Form eines geschlossenen Kühlkreislaufes. Das Kühlmedium durchfließt im Betrieb zumindest einen geschlossenen Kühlkanalstrang und/oder überbrückt verbundenen Kühlkanalstrang innerhalb des Grundkühlmodules und falls eine externe Kühlvorrichtung mit entsprechenden Nebenanschlüssen verbunden ist auch dessen dann verbundene Kühlstrecke.

Eine vorteilhafte Ausführungsform des Kühlsystems zeigt sich darin, dass zumindest ein Paar von Nebenanschlüssen genau einem oder zumindest einem durchgehenden Kühlkanalstrang und/oder zumindest ein Paar von Nebenanschlüssen genau zwei oder mindestens zwei voneinander getrennten Kühlkanalsträngen zugeordnet sind, so dass die Kühlstrecke mindestens einer externen Kühlvorrichtung als paralleler Nebenstrang an dem jeweils zumindest einen zugeordneten Kühlkanalstrang anschließbar ist und/oder die zumindest beiden zugeordneten voneinander getrennten Kühlkanalsträngen durch die Kühlstrecke überbrückend miteinander verbindbar sind. Bevorzugt umfasst bei zwei getrennten Kühlkanalsträngen einer der Kühlkanalstränge den Haupteinlass und der andere den Hauptauslass des Kühlsystems. Weiter bevorzugt sind die zwei voneinander getrennten Kühlkanalstränge parallel zueinander innerhalb des Grundkühlmodules ausgebildet, wobei der Haupteinlass und der Hauptauslass insbesondere jeweils in einem Endbereich der voneinander getrennten Kühlkanalstränge angeordnet sind. Grundsätzlich können der Haupteinlass und der Hauptauslass dann insbesondere auf der gleichen Seite des Grundkühlmodules oder alternativ auf gegenüberliegenden Seiten des Grundkühlmodules angeordnet sein. Insgesamt ergibt sich dadurch eine gut zugängliche Anschlussmöglichkeit des Grundkühlmodules an eine Medienpumpe.

Bei einem durchgehenden Kühlkanalstrang ergeben sich mehrere mögliche parallele Nebenstränge bevorzugt durch eine paarweise von außen nach innen vorgesehene fortlaufende Anordnung nächstbenachbarter Nebenanschlüsse. Weiter bevorzugt ist der zumindest eine durchgehende Kühlkanalstrang dabei u- förmig innerhalb des Grundkühlmodules ausgebildet, wobei der Haupteinlass und der Hauptauslass insbesondere auf der gleichen Seite des Grundkühlmodules in den Endbereichen des durchgehenden Kühlkanalstranges angeordnet sind. Insgesamt ist dadurch eine hohe Kompaktheit des Kühlsystems auch bei angeschlossenen externen Kühlvorrichtungen sichergestellt.

Eine vorteilhafte Ausführungsform des Kühlsystems sieht dabei vor, dass zumindest ein oder alle Einzelmodulelemente genau zwei Nebenanschlüsse aufweist/aufweisen, die jeweils mit dem Moduleinlass und dem Modulauslass einer externen Kühlvorrichtung verbindbar sind. Insofern entspricht die Anzahl an Einzelmodulen genau der Anzahl an anschließbaren externen Kühlvorrichtungen. Dadurch bleibt das Modulkonzept in der Fertigung und in der Handhabung sehr übersichtlich und kosteneffizient.

In einer besonderen Ausführungsform des Kühlsystems ist in zumindest einem oder in allen Einzelmodulelementen jeweils ein Überbrückungskühlkanalstrang ausgebildet, welcher innerhalb des Einzelmodulelementes in zwei umfasste Teilabschnitte des zumindest einen Kühlkanalstrangs mündet. Dabei weist das Einzelmodulelement mindestens drei Nebenanschlüsse auf, von denen jeweils zwei mit einer externen Kühlvorrichtung verbindbar sind, so dass die Kühlstrecke der externen Kühlvorrichtung als paralleler Nebenstrang zu einem zwischen den verbindbaren Nebenanschlüssen ausgebildeten Teilabschnitt des Überbrückungskühlkanalstrangs anschließbar ist. Auf diese Weise kann in dem zum Basiskühlkanalsystem anschließbaren parallelen Nebenstrang zur Erweiterung noch mehrere externe Kühlvorrichtungen genutzt werden. Alternativ ist eine Anschlusswahlmöglichkeit gegeben, durch die externe Kühlvorrichtungen mit unterschiedlichen Anschlussmaßen anschließbar sind. Dabei sind Anschlussmaße ermöglicht, die der Beabstandung von zwei beliebigen Nebenanschlüssen innerhalb des Einzelmodulelementes entspricht. Insgesamt ist dadurch die Flexibilität des Kühlsystems weiter erhöht.

Grundsätzlich ist es vorteilhaft, dass zur Erwirkung eines mechanisch gehaltenen Verbundkörpers die Einzelmodulelemente unter Ausbildung des Grundkühlmodules kraft- und/oder formschlüssig verbunden sind. Dies kann insbesondere mittels eines lösbaren Verbindungssystems, umfassend eine Schraubverbindung, eine Rastverbindung, eine Steckverbindung oder einen Bügelverschluss, erfolgen. Es sind auch andere lösbare Verbindungsausführungen denkbar.

Ferner ist in einer günstigen Ausführungsform des Kühlsystems berücksichtigt, dass das Grundkühlmodul zumindest ein Befestigungselement aufweist, welches als komplementäres Element eines lösbaren gemeinsamen Befestigungssystems mit einer externen Kühlvorrichtung zur deren gemeinsamen ausschließlich mechanischen Befestigung zueinander ausgebildet ist. Das Befestigungssystem ist bevorzugt als Schraubverbindung, als Rastverbindung, als Steckverbindung oder als Bügelverschluss ausgelegt. Insgesamt kann dadurch ein Verbund von dem Grundkühlmodul und einer oder mehreren angeschlossenen externen Kühlvorrichtungen auch mechanischen Krafteinwirkungen standhalten, insbesondere als zumindest Teil eines Kühlsystems eines Kraftfahrzeuges, welches in vielfacher Weise dynamisch Kraftbeansprucht ist.

In einerweiteren vorteilhaften Ausführungsform des Kühlsystems umfassen die mindestens zwei Nebenanschlüsse jeweils ein Durchflussventil für das Kühlmedium, wobei das Durchflussventil ausgebildet ist, in einer ersten Betätigungsstellung das Basiskühlkanalsystem für einen Kühlmediumfluss zu öffnen und in einer zweiten Betätigungsstellung das Basiskühlkanalsystem mediendicht zu verschließen. Die Betätigungsstellung ergibt sich dabei in Abhängigkeit eines Verbindungszustandes mit einer externen Kühlvorrichtung. Hierfür kann ein jeweiliges Durchflussventil beispielsweise ein Verstellelement aufweisen, welches in Abhängigkeit eines Verbindungszustandes unterschiedlich räumlich angeordnet ist. Dabei verbleibt in der ersten Betätigungsstellung eine Öffnung innerhalb des Nebenanschlusses zur Ermöglichung eines Volumenstromes des Kühlmediums, wogegen im gelösten Zustand in der dann eingenommenen zweiten Betätigungsstellung die Öffnung durch das zumindest eine Verstellelement versperrt ist. Die erste Betätigungsstellung ergibt sich bevorzugt durch das Einwirken eines Betätigungselementes als Teil einer verbundenen externen Kühlvorrichtung und weiter bevorzugt ergibt sich die zweite Betätigungsstellung durch das Fehlen der Einwirkung des genannten Betätigungselementes. Es ist vorgesehen, dass sich die jeweiligen Durchflussventile von freiliegenden Nebenanschlüssen einer entfernten Kühlvorrichtung in der zweiten Betätigungsstellung befinden. Dadurch ist das Basiskühlkanalsystem grundsätzlich im Bereich aller freiliegenden Nebenanschlüsse mediendicht verschlossen. Dagegen befinden sich in einer Verbindung mit einer externen Kühlvorrichtung die jeweiligen Durchflussventile der entsprechenden Nebenanschlüsse in der ersten Bestätigungsstellung. Dadurch ist das Basiskühlkanalsystem grundsätzlich im Bereich aller verbundenen Nebenanschlüsse für einen Kühlmediumfluss geöffnet.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform des Kühlsystems weisen die Durchflussventile der Nebenanschlüsse jeweils einen Anschlussbereich auf zur insbesondere lösbaren Verbindung des Basiskühlkanalsystems an eine Kühlstrecke einer externen Kühlvorrichtung, wobei der jeweilige Anschlussbereich als komplementäres Element einer gemeinsamen Medienkupplung mit der externen Kühlvorrichtung ausgebildet ist, insbesondere als Verschlusskupplung. Dabei ist in einer gekuppelten Verbindung zwischen dem Grundkühlmodul und der externen Kühlvorrichtung die erste Betätigungsstellung einnehmbar und in einer gelösten Verbindung zwischen dem Grundkühlmodul und der Kühlvorrichtung die zweite Betätigungsstellung einnehmbar. Auf diese Weise ist vorteilhaft sichergestellt, dass ein Skalieren des Kühlsystems durch Hinzufügen und/oder Entfernen von einzelnen oder mehreren externen Kühlvorrichtungen jederzeit ohne einen Kühlmediumverlust und der Erfordernis eines Nachfüllens von Kühlmedium erfolgen kann. Derartige Verschlusskupplungen sind beispielsweise auch bei Gartenschlauchsystemen bekannt, wobei hier beispielsweise oft ein federunterstütztes Stecksystem zum Einsatz kommt. Eine geöffnete oder geschlossene Stellung der jeweils komplementären Elemente kann dabei durch eine Federkraft, eine Magnetkraft oder auch durch eine elektrische Kraft bestimmt sein, insbesondere in Abhängigkeit eines Kupplungszustandes der komplementären Elemente. Dabei wirkt die entsprechende Kraft beispielsweise auf zumindest ein Verstellelement als Teil der Medienkupplung.

In einer Weiterbildung des Kühlsystems weisen die Nebenanschlüsse jeweils ein steuerbares oder regelbares, insbesondere elektrisch steuerbares oder regelbares, Durchflussventil zur Einstellung eines Volumenstromes des Kühlmediums auf. Dadurch kann ein Entwärmungsvermögen einer angeschlossenen externen Kühlvorrichtung auf den tatsächlichen Entwärmungsbedarf variabel oder definiert eingestellt sein. Auf diese Weise kann ein die Kühlvorrichtung enthaltenes Elektronikmodul in einem definierten Betriebstemperaturfenster betrieben werden. Insgesamt ergibt sich dadurch ein energieeffizienter und ein auf den Anwendungsfall zugeschnittener Betrieb des Kühlsystems. Zusätzlich oder alternativ kann zu diesem Zweck das Basiskühlkanalsystem Teilabschnitte unterschiedlicher Querschnittsgrößen aufweisen, so dass ein ermöglichter Volumenstrom des Kühlmediums zwischen zumindest zwei Paaren von Nebenanschlüssen sich unterscheidet.

Die Erfindung betrifft auch ein Einzelmodulelement eines Kühlsystems in zumindest einer der zuvor beschriebenen Ausführungsformen. Das Einzelmodulelement umfasst dabei bevorzugt zumindest ein komplementäres Element einer gemeinsamen Medienkupplung eines mit dem Einzelmodulelement verbindbaren weiteren Einzelmodulelementes, welches das passende andere komplementäre Element der gemeinsamen Medienkupplung aufweist.

Die Erfindung führt auch zu einer Kühlanordnung umfassend zumindest ein Kühlsystem nach zumindest einer der zuvor beschriebenen Ausführungsformen. Dabei sind zumindest zwei Nebenanschlüsse mit einer Kühlstecke einer externen Kühlvorrichtung verbunden. Bevorzugt ist hierbei die Kühlvorrichtung Teil eines Elektronikmodules mit einer Elektronikeinheit. Diese ist dabei zur Abführung von Verlustwärme zumindest in einem Teilbereich zumindest mittelbar wärmeleitend mit der Kühlvorrichtung verbunden. Weisen die angeschlossenen Nebenanschlüsse jeweils die zuvor genannten Durchflussventile auf, so sind diese aufgrund der Verbindung in der ersten Betätigungsstellung eingestellt, so dass ein Kühlmediumfluss zwischen dem Basiskühlkanalsystem und der verbundenen Kühlstrecke ermöglicht ist. Gleiches gilt für den Fall, dass zwischen den Nebenanschlüssen und einer externen Kühlvorrichtung eine Medienkupplung im gekuppelten Zustand vorliegt.

Bevorzugt ist das Elektronikmodul, umfassend die Kühlvorrichtung, ein Leistungsmodul, beispielsweise ein Steuergerät, insbesondere für ein Kraftfahrzeug. Weiter bevorzugt ist die Kühlanordnung Teil eines Vehicle Computers, insbesondere zusätzlich umfassend ein Bussystem, über welches Elektronikmodule, bevorzugt in Form eines Steuergerätes, in einem Gesamtsystem integriert sind.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung. Diese zeigt in:

Fig. 1 : eine Anordnung eines Kühlsystems und zumindest eines mit dem

Kühlsystem verbindbaren Elektronikmoduls mit einer Elektronikeinheit und einer Kühlvorrichtung in einer perspektivischen Darstellung,

Fig. 2a: ein beispielhaftes Basiskühlkanalsystem eines Kühlsystems in einer perspektivischen Darstellung,

Fig. 2b: ein Ausführungsbeispiel eines modularen Kühlsystems in einer perspektivischen Darstellung.

Fig. 2c: ein Einzelmodulelement mit einem

Überbrückungskühlkanalstrang, dargestellt in einem Schnitt durch die umfassten Durchflussventile,

Fig. 3a: eine schematische Darstellung eines Durchflussventiles umfassend eine Feder, Fig. 3b: eine schematische Darstellung eines Durchflussventiles umfassend einen Magneten,

Fig. 3c: eine schematische Darstellung eines Durchflussventiles umfassend eine elektrische Spule.

Ausführungsformen der Erfindung

In den Figuren sind funktional gleiche Bauelemente jeweils mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.

Die Fig. 1 zeigt in einer perspektivischen Darstellung eine Anordnung 300 mit einem Kühlsystem 200 und zumindest einem von dem Kühlsystem 200 gelösten, aber mit diesem verbindbaren Elektronikmodul 100.

Das Elektronikmodul 100 weist ein Gehäuse 110 auf, in welchem eine Elektronikeinheit verschlossen aufgenommen ist. Zusätzlich weist das Elektronikmodul 100 eine Kühlvorrichtung 140 auf, mit welcher zur Abführung von Verlustwärme zumindest ein Teilbereich der Elektronikeinheit wärmeleitend verbunden ist. Hierbei wird die Kühlvorrichtung 140 von einem Kühlmedium 310 durchströmt, welches Verlustwärme von der Elektronikeinheit aufnehmen kann, beispielsweise ein Kühlgas oder eine Kühlflüssigkeit. Hierfür weist das Elektronikmodul 100 einen Moduleinlass und ein Modulauslass 141, 142 für das Kühlmedium 310 auf. Zwischen dem Moduleinlass und dem Modulauslass 141, 142 ist eine Kühlstrecke 145 der Kühlvorrichtung 140 ausgebildet, durch welche das Kühlmedium 310 geführt wird. Bei einer bestehenden Verbindung zumindest eines Elektronikmodules 100 mit dem Kühlsystem 200 ist eine Kühlanordnung 300‘ ausgebildet, durch welche mittels des Kühlsystems 200 eine Entwärmung verbundener Elektronikmodule 100 erfolgen kann. Dabei ist das Kühlmedium 310 und die Aufrechterhaltung eines Kühlmediumflusses durch das Kühlsystem 200 in einem gesamtheitlichen geschlossenen Kühlkanalsystem 320 bereitgestellt. Hierfür ist das Kühlsystem 200 als ein Grundkühlmodul 200‘ mit einem Basiskühlkanalsystem 220 ausgebildet und stellt demnach eine Art Verteilerbasis für das Kühlmedium 310 bereit für ein oder mehrere anschließbare externe Kühlvorrichtungen 140, insbesondere als Teil eines Elektronikmodules 100, wie im vorliegenden Ausführungsbeispiel gezeigt. Das Basiskühlkanalsystem 220 umfasst dabei zumindest einen zwischen einem Haupteinlass und einem Hauptauslass 211, 212 für das Kühlmedium 310 angeordneten Kühlkanalstrang 225. Das gesamtheitliche geschlossene Kühlkanalsystem 320 setzt sich damit zusammen aus dem Basiskühlkanalsystem 220 des Grundkühlmoduls 200‘ und jeder damit verbundenen Kühlstrecke 145 einer externen Kühlvorrichtung, insbesondere der Kühlvorrichtung 140 eines Elektronikmodules 100. Das Basiskühlkanalsystem 220 ist demnach durch jede verbundene Kühlstrecke 145 einer externen Kühlvorrichtung 140 erweiterbar. Zur Verbindung weist das Basiskühlkanalsystem 220 mindestens zwei Nebenanschlüsse 241, 242 auf. Diese weisen jeweils einen direkten Zugang zu dem zumindest einen Kühlkanalstrang 220 auf. Der Haupteinlass 211 und der Hauptauslass 212 sind zumindest mittelbar mit einer Medienpumpe 280 verbunden, durch welche ein Kühlmediumfluss durch das Kühlkanalsystem 220 und eine verbundene Kühlstrecke 145, beispielsweise innerhalb eines geschlossenen Kühlkreislaufes 380 aufrechterhalten werden kann. Die Medienpumpe 280 ist ferner beispielsweise mit einer Steuer- oder Regelsystem 350 verbunden zur definierten Einstellung einer Pumpendrehzahl. Mit dem Steuer- oder Regelsystem 350 ist beispielsweise auch ein Steckverbinder 120 mindestens eines Elektronikmoduls 100 elektrisch verbunden. Die Verbindung des Steuer- oder Regelsystems 350 mit der Medienpumpe 280 und/oder zumindest einem Elektronikmodul 100 erfolgt bevorzugt mittels eines Bussystems 355.

In Fig. 2a ist das Grundkühlmodul 200‘ in einer geschnittenen Darstellung A-A gezeigt. Die Schnittebene ist gerade durch den Kanalverlauf des Basiskühlkanalsystems 220 gelegt. Das Basiskühlkanalsystem 220 kann anwendungsspezifisch sehr unterschiedlich gestaltet sein. In einer einfachen Ausführung ist das Basiskühlkanalsystem 220 aus zwei voneinander getrennten Kühlkanalsträngen 225 gebildet, wobei der Haupteinlass und der Hauptauslass 211, 212 bevorzugt jeweils in einem Endbereich der voneinander getrennten Kühlkanalstränge 225 angeordnet sind. Diese können dann auf der gleichen Seite des Grundkühlmodules 200‘ oder auf gegenüberliegenden Seiten des Grundkühlmodules 200‘ (nicht dargestellt) angeordnet sein. In einer anderen einfachen Ausführung ist zumindest ein durchgehender Kühlkanalstrang 225 u- förmig als das Basiskühlkanalsystem 220 innerhalb des Grundkühlmodules 200‘ ausgebildet (gestrichelt dargestellt). Dabei sind der Haupteinlass und der Hauptauslass 211 , 212 auf der gleichen Seite des Grundkühlmodules 200‘ in den Endbereichen des durchgehenden Kühlkanalstrangs 225 angeordnet. Allgemein ist bei allen Ausführungsmöglichkeiten das zumindest eine Paar von Nebenanschlüssen 241 , 242 genau einem oder zumindest einem durchgehenden Kühlkanalstrang 225 zugeordnet. Auf diese Weise sind Kühlstrecken 145 externer Kühlvorrichtungen 140 als jeweils paralleler Nebenstrang anschließbar. Alternativ oder zusätzlich kann das zumindest eine Paar von Nebenanschlüssen 241, 242 genau zwei oder mindestens zwei voneinander getrennten Kühlkanalsträngen 225 zugeordnet sein, wodurch diese durch die Kühlstrecke 145 einer externen Kühlvorrichtung 140 überbrückend miteinander verbindbar sind.

Ein Nebenanschluss 241, 242 umfasst bzw. stellt dabei jeweils ein Durchflussventil 250 für das Kühlmedium 310 dar. Dabei ist das Durchflussventil 250 ausgebildet in einer ersten Betätigungsstellung I das Basiskühlkanalsystem 220 für den Kühlmediumfluss zu öffnen und in einer zweiten Betätigungsstellung II das Basiskühlkanalsystem 220 mediendicht zu verschließen. Grundsätzlich kann ein solches Durchflussventil 250 konstruktiv unterschiedlich ausgeführt sein. In den Fig. 3a - 3c sind bevorzugte Lösungsprinzipien schematisch dargestellt. Allen gemein ist, dass das Durchlassventil 250 zumindest ein Verstellelement 254 aufweist, welches mittels einer Betätigungskraft FB verschiedene räumliche Positionen einnehmen kann. Dabei nimmt es zumindest in der ersten Betätigungsstellung I eine räumliche Position innerhalb des Durchflussventiles 250 ein, bei welcher eine Öffnung 251 innerhalb des jeweiligen Nebenanschlusses 241, 242 zur Ermöglichung eines Volumenstromes des Kühlmediums 310 bestehen bleibt. Dagegen ist in der zweiten Betätigungsstellung II die Öffnung durch das Verstellelement 254 versperrt, d.h. vollständig mediendicht verschlossen. In der Fig. 3a ist ein schematisches Prinzipbeispiel gezeigt, bei welchem die erste und zweite Betätigungsstellung I, II durch eine Federkraft FF einer Feder 252a bestimmt ist. Wirkt in einer Grundstellung allein die Federkraft FF als Betätigungskraft FB auf das verschiebbare Verstellelement 254, stellt sich beispielsweise die zweite Bestätigungsstellung II ein. Wirkt entgegen der Federkraft FF eine weitere größere Bestätigungskraft FB auf das Verstellelement 254 ein, bewegt sich dieses in die erste Betätigungsstellung I. Eine solche Gegenkraft zur Federkraft FF wird beispielsweise durch einen Anschlussbereich 141, 142 einer externen Kühlvorrichtung 140 in der Funktion eines Betätigungselementes erzeugt, welches durch eine Fügebewegung W bei der Verbindung mit einem Nebenanschluss 241 , 242 von außen auf das Verstellelement 254 einwirkt. In der Fig. 3b ist eine ähnliche Ausführung gezeigt, wobei anstelle der Feder 252a ein Magnet 252b eingesetzt ist. Dabei wird die Grundstellung allein durch das Einwirken der Magnetkraft FM auf das Verstellelement 254 bewirkt. Die Gegenkraft kann wiederum vergleichbar wie in Fig. 3a durch das Anschlusselement 241, 242 der externen Kühlvorrichtung 140 das Verstellelement 254 dann in die andere Betätigungsstellung positionieren. Die Fig. 3c zeigt eine weitere Ausführung, bei welcher die Positionierung des Verstellelementes 254 in beide Betätigungsstellungen I, II durch eine elektrische Kraft FE als Betätigungskraft FB erwirkt wird. Die elektrische Kraft FE wird dabei durch eine im Durchflussventil 250 angeordnete elektrische Spule 152c erzeugt, welche stromabhängig eine auf das Verstellelement 254 gerichtete Kraftkomponente FE erwirkt. Dabei kann in Verbindung mit dem Anschlussbereich 141, 142 der externen Kühlvorrichtung 140 eine Schaltbedingung für die elektrische Spule 252c gegeben sein, beispielsweise durch einen elektrischen Kontakt, um die Freigabe für die Betätigungsstellung I zu erwirken. Allgemein können die Betätigungsstellungen I, II auch gerade verdreht ausgeführt sein, als zuvor beschrieben.

Grundsätzlich ergibt sich die Betätigungsstellung demnach bevorzugt in Abhängigkeit eines Verbindungszustandes des Kühlsystems 200 mit einer externen Kühlvorrichtung 140, insbesondere als Teil eines Elektronikmodules 100. Zumindest eine der Betätigungsstellungen I, II ergibt sich insbesondere durch das Einwirken eines Betätigungselementes 141, 142 als Teil einer verbundenen externen Kühlvorrichtung 140 und weiter bevorzugt ergibt sich dann zusätzlich die andere Betätigungsstellung I, II durch das Fehlen der Einwirkung des genannten Betätigungselementes 141, 142. Insgesamt ist dadurch bevorzugt eine gemeinsame Medienkupplung 360 ausgebildet, insbesondere als Verschlusskupplung. Dabei bilden der Anschlussbereich eines Nebenanschlusses 241, 242 und der entsprechende Anschlussbereich 141, 142 der externen Kühlvorrichtung 140 jeweils komplementäre Elemente 361, 362 der Medienkupplung 360, wobei in einer gekuppelten Verbindung die erste Bestätigungsstellung I und bei einer gelösten Verbindung die zweite Betätigungsstellung II eingenommen ist. Hierbei können der Moduleinlass und Modulauslass 141, 142 der externen Kühlvorrichtung 140 in ähnlicher Weise wie die Nebenanschlüsse 241, 242 jeweils ein Durchflussventil 150 aufweisen und/oder ein in mehreren räumlichen Positionen anordbares eigenes Verstellelement 154.

Die Ausführungen können mit umfassen, dass zumindest eines der genannten Verstellelemente 154, 254 in ihrer räumlichen Positionierung zusätzlich Steuer oder regelbar ist, um den Volumenstrom des Kühlmediums 310 für eine angeschlossene Kühlvorrichtung 140, insbesondere als Teil eines Elektronikmoduls 100, definiert, insbesondere bedarfsgerecht einzustellen. Zum Beispiel kann hierfür die bereits genannte Spule 152c eingesetzt sein. Prinzipiell kann diese auch auf ein anderes weiteres Verstellelement als den Gezeigten erfolgen. Hierfür weist ein angeschlossenes Elektronikmodul 100 beispielsweise eine Steuer- bzw. Regelelektronik auf. Diese umfasst dabei auch einen Temperatursensor, welcher beispielsweise auf einer Leiterplatte in einem temperaturidentifizierenden Bereich angeordnet ist. Dabei generiert die Steuer- bzw. Regelelektronik in Abhängigkeit eines erfassten Temperaturwertes eine Steuer- bzw. Regelgröße, durch welche eine Stellung des Verstellelementes 154, 254 zwischen den Betätigungsstellung I und II einstellbar ist, insbesondere zum Betrieb des Elektronikmodules 100 innerhalb eines definierten Betriebstemperaturbereiches. Alternativ kann das jeweilige Elektronikmodul 100 über einen Außenanschluss bzw. dem Steckverbinder 120 mit einem dem Elektronikmodul 100 übergeordneten Steuer- oder Regelsystem 350 verbunden sein, welches die Steuerung bzw. Regelung des Verstellelementes 154, 254 übernimmt bzw. die Generierung der Steuer- bzw. der Regelgröße bewirkt. Hierfür können die elektrisch regelbaren Verstellelemente 254 des Grundkühlmodules 200‘ ebenfalls über das Bussystem 355 mit dem Steuer- oder Regelsystem 350 verbunden sein.

Das Grundkühlmodul 200‘ ist zur flexiblen Erweiterung des Basiskühlkanalsystems 220 modular aus mindestens zwei oder mehreren Einzelmodulelementen 210.1, 210.2, 210.3, 210.x ausgebildet. Dabei umfasst jedes Einzelmodulelement 210.1, 210.2, 210.3, 210.x jeweils zumindest einen Teilabschnitt 225. a, 225. b, 225. c, 225.x des zumindest einen Kühlkanalstrangs 225. In einem insbesondere lösbaren Verbindungsbereich V zweier unmittelbar angrenzenden Einzelmodulelemente 210.1, 210.2, 210.3, 210.x schließen sich deren jeweils umfasste zumindest ein Teilabschnitt 225. a, 225. b, 225. c, 225.x fortlaufend zu dem zumindest einen Kühlkanalstrang 225 an. Damit die Einzelmodulelemente 210.1, 210.2, 210.3, 210.x im Verbund unter Ausbildung des Grundkühlmoduls 200‘ mechanisch festgehalten werden, sind diese mittels eines insbesondere lösbaren Verbindungssystems 270 kraft- und/oder formschlüssig miteinander verbunden. Als Möglichkeit bietet sich beispielsweise eine Schraubverbindung an, insbesondere umfassend zumindest eine Gewindestange 271, welche alle festzuhaltenden Einzelmodulelemente 210.1,

210.2, 210.3, 210.x durch eine Befestigungsöffnung 215 hindurch durchdringt. Mittels Kontermuttern in den Endbereichen der Gewindestange 271 werden die dazwischen angeordneten Einzelmodulelemente 210.1, 210.2, 210.3, 210.x gegeneinander verspannt und fixiert. Alternativ können die Einzelmodulelemente

210.1. 210.2, 210.3, 210.x auch durch eine jeweilige Rastverbindung, Steckverbindung oder einen Bügelverschluss im Verbindungsbereich befestigt sein (nicht dargestellt). Ebenso wird das Elektronikmodul 100 zusätzlich mit zumindest einem Einzelmodulelement 210.1, 210.2, 210.3, 210.x befestigt. Hierfür weisen das Elektronikmodul 100 und das zumindest eine Einzelmodulelement 210.1, 210.2, 210.3, 210.x jeweils komplementäre Elemente 371, 372 eines gemeinsamen, insbesondere lösbaren Befestigungssystems 370 auf, welche zusammen in Wirkzusammenhang gebracht werden. Das Befestigungssystem 370 ist beispielsweise eine Schraubverbindung, eine Rastverbindung, eine Steckverbindung oder ein Bügelverschluss.

In dem jeweiligen Verbindungsbereich V sind die direkt fortlaufend anschließenden Teilabschnitte 225. a, 225. b, 225. c, 225.x zueinander abgedichtet. Auf diese Weise wird ein Kühlmediumverlust im Verbund der Einzelmodulelemente 210.1, 210.2, 210.3, 210.x verhindert.

Die Fig. 2b zeigt zwei Einzelmodulelemente 210.1, 210.2, 210.3, 210.x in einer gelösten perspektivischen Darstellung. Grundsätzlich weisen zwei unmittelbar benachbarte Einzelmodulelemente 210.1, 210.2, 210.3, 210.x im Verbindungsbereich V jeweils ein komplementäres Element 261, 262 einer gemeinsamen Medienkupplung 260 auf, insbesondere als Verschlusskupplung. Dabei ist in einer gelösten Verbindung zwischen beiden benachbarten Einzelmodulelementen 210.1, 210.2, 210.3, 210.x der jeweilige in einem Einzelmodulelement 210.1, 210.2, 210.3, 210.x enthaltene Teilabschnitt 225. a, 225. b, 225. c, 225.x zumindest in dessen Verbindungsbereich V mediendicht verschlossen. In einer gekuppelten Verbindung zwischen beiden benachbarten Einzelmodulelementen 210.1, 210.2, 210.3, 210.x ist dagegen im Verbindungsbereich V ein Durchgang für einen Kühlmediumfluss innerhalb der Medienkupplung 260 geöffnet. Die Ausführung der Medienkupplung 260 kann hierbei der Medienkupplung 360 entsprechen, wie sie in den Fig. 3a - 3b im Zusammenhang mit dem Anschlussbereich eines Nebenanschlusses 241, 242 und dem entsprechende Anschlussbereich 141, 142 der externen Kühlvorrichtung 140 zuvor beschrieben ist.

In der Fig. 2c ist noch eine mögliche Ausführung eines Einzelmodulelementes 210.1 , 210.2, 210.3, 210.x gezeigt, in welchem ein Überbrückungskühlkanalstrang 230 ausgebildet ist, welcher zwei umfasste Teilabschnitte 225. a, 225. b, 225. c, 225.x im Bereich von zwei ebenfalls umfassten Nebenanschlüssen 241, 242 miteinander verbindet. Damit ist ein Querfluss Q des Kühlmediums 310 innerhalb des

Überbrückungskühlkanalstrangs 230 ermöglicht. Ferner ist zwischen den beiden Nebenanschlüssen 241, 242 mindestens ein weiterer Nebenanschluss 243 oder weitere (nicht dargestellt) angeordnet, welcher einen direkten Medienzugang zum Überbrückungskühlkanalstrang 230 aufweist/aufwiesen. Dabei besteht neben einer ersten Anschlussmöglichkeit A1 einer externen Kühlvorrichtung 140 als paralleler Nebenstrang einer Kühlstrecke 145 wie in den bisher gezeigten Ausführungen zusätzlich auch eine zweite und dritte Anschlussmöglichkeit A2,

A3, bei weiteren Nebenanschlüssen noch weitere. Hierbei können die Anschlussmöglichkeiten A1, A2, A3 unterschiedliche Anschlussmaße zum Anschluss der externen Kühlvorrichtung 140 bereithalten.