DE10138711B4

DE10138711B4 - Kühlanordnung für in einem Gehäuse angeordnete Verlustwärme erzeugende elektrische Bauteile und elektrisches Gerät mit einer derartigen Kühlanordnung

Info

Publication number: DE10138711B4
Application number: DE10138711A
Authority: DE
Inventors: Bernhard Foecking; Manfred Lehner; Sebastian Reith
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2000-10-02
Filing date: 2001-08-07
Publication date: 2009-12-31
Anticipated expiration: 2021-08-08
Also published as: DE10138711A1

Abstract

Kühlanordnung für in einem Gehäuse (7) angeordnete Verlustwärme erzeugende elektrische Bauteile (1, 2),
– wobei die Kühlanordnung ein Gehäuse (7) aufweist, das aus miteinander verbundenen Gehäuseteilen (13, 14) besteht und die elektrischen Bauteile (1, 2) in hoher Schutzart kapselt,
– wobei ein erstes Verlustwärme erzeugendes elektrisches Bauteil (1) mit einem ersten Bereich (5) eines ersten Gehäuseteils (13) thermisch gekoppelt ist,
– wobei ein zweites Verlustwärme erzeugendes elektrisches Bauteil (2) mit einem zweiten Bereich (6) eines zweiten Gehäuseteils (14) thermisch gekoppelt ist,
– wobei die thermische Kopplung des ersten elektrischen Bauteils (1) an den ersten Bereich (5) und die thermische Kopplung des zweiten elektrischen Bauteils (2) an den zweiten Bereich (6) besser sind als die thermische Kopplung der Bereiche (5, 6) miteinander,
– wobei das erste und das zweite Gehäuseteil (13, 14) sich nur entlang schmaler Kontaktbereiche (15, 16) berühren,
– wobei ein Dichtelement...

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kühlanordnung für in in einem Gehäuse angeordnete, Verlustwärme erzeugende elektrische Bauteile, wobei die Kühlanordnung ein Gehäuse aufweist, das aus miteinander verbundenen Gehäuseteilen besteht und die elektrischen Bauteile in hoher Schutzart kapselt, wobei die Verlustwärme erzeugenden elektrischen Bauteile mit entsprechenden Bereichen von Gehäuseteilen thermisch gekoppelt sind. Die vorliegende Erfindung betrifft weiterhin ein elektrisches Gerät mit einer derartigen Kühlanordnung.
Bei gekapselten elektrischen Baugruppen muss die Verlustleistung von den Verlustwärmeerzeugern, die im Innern des Gehäuses angeordnet sind, über das Gehäuse an die Umgebung abgegeben werden. Hierzu sind die Verlustwärmeerzeuger an Bereiche des Gehäuses thermisch angekoppelt.
Die Verlustwärmeerzeuger können, je nach Art, Ausführung und Leistungsbereich, unterschiedliche Grenztemperaturen aufweisen, innerhalb derer sie betreibbar sind. Bei thermischer Ankopplung an das Gehäuse besteht aber die Gefahr einer gegenseitigen Beeinflussung der Verlustwärmeerzeuger über das Gehäuse.
Prinzipiell ist zwar denkbar, dass die Verlustwärmeerzeuger weit voneinander weg angeordnet werden oder ein größeres Gehäuse verwendet wird, welches eine effizientere Wärmeableitung ermöglicht. In der Praxis sind diese Maßnahmen aber nur beschränkt oder aber gar nicht durchführbar.
Aus der DE 27 57 282 A1 ist eine elektrische Baugruppe der eingangs erwähnten Art bekannt. Ein ähnlicher Offenbarungsge halt ist der DE 44 36 547 A1 und der DE 196 00 619 A1 zu entnehmen.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Kühlanordnung der eingangs genannten Art derart auszugestalten, dass trotz kompakter Bauweise ein im Wesentlichen unabhängiger Betrieb der Verlustwärmeerzeuger möglich ist.
Die Aufgabe wird durch eine Kühlanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Weiterhin wird die Aufgabe durch ein elektrisches Gerät gelöst, das eine derartige Kühlanordnung aufweist.
Weitere Vorteile und Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels. Dabei zeigen in Prinzipdarstellung
1 ein thermisches Blockschaltbild einer elektrischen Baugruppe und
2 schematisch den konstruktiven Aufbau der elektrischen Baugruppe.
Gemäß 1 weist eine elektrische Baugruppe Verlustwärmeerzeuger 1, 2 auf. Der eine Verlustwärmeerzeuger 1 kann beispielsweise ein elektronischer Leistungsschalter, z. B. ein IGBT-Modul, sein. Der Verlustwärmeerzeuger 2 kann in diesem Fall die Steuer- und Auswerteelektronik für den elektronischen Leistungsschalter sein.
Die Verlustwärmeerzeuger 1, 2 können im Betrieb der Baugruppe voneinander verschiedene Erzeugertemperaturen T1, T2 annehmen. Die Verlustwärmeerzeuger 1, 2 sind über Übergangswiderstände 3, 4 an Bereiche 5, 6 eines Gehäuses 7 thermisch angekoppelt. Die Übergangswiderstände 3, 4 weisen in der Regel verschieden große thermische Widerstandswerte R1, R2 auf. Die Bereiche 5, 6 sind über weitere Übergangswiderstände 8, 9 an die Umgebung des Gehäuses 7 thermisch angekoppelt. Auch diese Übergangswiderstände 8, 9 weisen thermische Widerstandswerte R3, R4 auf, die ebenfalls voneinander verschieden sein können.
Die Bereiche 5, 6 haben die Funktion von Kühlkörpern für die Verlustwärmeerzeuger 1, 2. Sie heizen sich daher im Betrieb der Baugruppe auf Bereichstemperaturen T3, T4 auf. Die Bereichstemperaturen T3, T4 hängen dabei insbesondere von den Erzeugertemperaturen T1, T2 und den Widerstandswerten R1 bis R4 ab. Sie können somit voneinander verschieden sein.
Die Verlustwärmeerzeuger 1, 2 und die Bereiche 5, 6 sind (im wesentlichen) thermisch voneinander entkoppelt. Zwischenwiderstände 10, 11, über welche die Verlustwärmeerzeuger 1, 2 bzw. die Bereiche 5, 6 dennoch (geringfügig, aber in der Praxis unvermeidlich) aneinander angekoppelt sind, weisen daher erheblich größere Werte als die Übergangswiderstände 3, 4, 8, 9 auf.
Zur Vergrößerung des Zwischenwiderstandes 10, über den die Verlustwärmeerzeuger 1, 2 thermisch miteinander gekoppelt sind, ist im Inneren des Gehäuses 7 eine Trennwand 12 angeordnet. Durch die Trennwand 12 wird eine Luftzirkulation im Inneren des Gehäuses 7 verhindert bzw. reduziert. Dies ist in 1 schematisch durch eine gestrichelte Linie angedeutet.
Gemäß 2 sind die Bereiche 5, 6 auf Bauteilen 13, 14 angeordnet, die miteinander verbunden sind. Kontaktbereiche 15, 16 entlang derer sich die Bauteile 13, 14 berühren, sind dabei möglichst schmal bzw. kleinflächig ausgebildet. Beispielsweise kann eines der Bauteile 13, 14 als Kontaktbereich 15, 16 eine kleine Stufe aufweisen, so dass die Bauteile 13, 14 im übrigen Bereich geringfügig voneinander beanstandet sind. Die Bereiche 5, 6 sind daher nur kleinflächig aneinander angekoppelt. Zur guten thermischen Ankopplung hingegen ist zumindest einer der Verlustwärmeerzeuger 1, 2 – hier der Verlustwärmeerzeuger 1 – großflächig an den ihm zugeordneten Bereich 5 angekoppelt.
Das Gehäuse 7 kapselt die elektrische Baugruppe in hoher Schutzart. Hohe Schutzart bedeutet dabei mindestens Schutzklasse IP 54, besser Schutzklasse IP 65, 67 oder 68. Zur Aufrechterhaltung dieser Schutzklasse auch im Übergangsbereich zwischen den beiden Bauteilen 13, 14 ist zwischen den Bauteilen 13, 14 ein Dichtelement 17 angeordnet. Um dabei nicht eine unerwünschte thermische Kopplung der Bauteile 13, 14 zu bewirken, besteht das Dichtelement 17 aus einem Material, dessen spezifische Wärmeleitfähigkeit deutlich unterhalb der der Bereiche 5, 6 liegt.
Wie aus 2 ersichtlich ist, weisen die Bereiche 5, 6 Kühlrippen 18, 19 auf, um die Übergangswiderstände 8, 9 vom Gehäuse 7 zur Umgebung zu minimieren. Ferner weist das Gehäuse 7, soweit es von den Verlustwärmeerzeugern 1, 2 beabstandet ist, Erhebungen 20 auf. Diese Erhebungen 20 führen zu einer Oberflächenvergrößerung und damit zu einer Verringerung des Übergangswiderstandes von den Verlustwärmeerzeugern 1, 2 auf die Bauteile 13, 14.

Claims

Kühlanordnung für in einem Gehäuse (7) angeordnete Verlustwärme erzeugende elektrische Bauteile (1, 2), – wobei die Kühlanordnung ein Gehäuse (7) aufweist, das aus miteinander verbundenen Gehäuseteilen (13, 14) besteht und die elektrischen Bauteile (1, 2) in hoher Schutzart kapselt, – wobei ein erstes Verlustwärme erzeugendes elektrisches Bauteil (1) mit einem ersten Bereich (5) eines ersten Gehäuseteils (13) thermisch gekoppelt ist, – wobei ein zweites Verlustwärme erzeugendes elektrisches Bauteil (2) mit einem zweiten Bereich (6) eines zweiten Gehäuseteils (14) thermisch gekoppelt ist, – wobei die thermische Kopplung des ersten elektrischen Bauteils (1) an den ersten Bereich (5) und die thermische Kopplung des zweiten elektrischen Bauteils (2) an den zweiten Bereich (6) besser sind als die thermische Kopplung der Bereiche (5, 6) miteinander, – wobei das erste und das zweite Gehäuseteil (13, 14) sich nur entlang schmaler Kontaktbereiche (15, 16) berühren, – wobei ein Dichtelement (17) vorgesehen ist, das die schmalen Kontaktbereiche (15, 16) abdichtet und aus einem Material besteht, dessen spezifische Wärmeleitfähigkeit geringer ist als die der für die Gehäuseteile (13, 14) verwendeten Materialien, – wobei im Inneren des Gehäuses (7) zwischen dem ersten und dem zweiten elektrischen Bauteil (1, 2) eine Trennwand (12) angeordnet ist.
Elektrisches Gerät mit einer Kühlanordnung nach Anspruch 1.