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Die
Erfindung betrifft ein Kondensatormodul mit einer Vielzahl von Kondensatoren.
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Aus
der Druckschrift US 2003/0067735 A1 ist ein Kondensatormodul bekannt,
das mittels eines Luftstromes gekühlt wird.
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Es
ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Kondensatormodul anzugeben,
bei dem die Kühlung
mit einfachen Mitteln erfolgen kann.
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Diese
Aufgabe wird gelöst
durch ein Kondensatormodul gemäß Patentanspruch
1. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Kondensatormoduls sind den abhängigen Patentansprüchen zu
entnehmen.
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Gemäß einer
Ausführungsform
des Kondensatormoduls ist es vorgesehen, dass eine Vielzahl von
Kondensatoren in einem Gehäuse
angeordnet ist. Vorzugsweise ist das Gehäuse soweit wie möglich geschlossen,
um einen möglichst
guten Berührschutz
zu gewährleisten.
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Im
Inneren des Gehäuses
ist eine Wärmekontaktfläche vorgesehen,
die mit wenigstens einem der Kondensatoren in Verbindung steht,
d.h., dass wenigstens ein Teil der beim Betrieb des Kondensators
entstehende Wärme
zu dieser Wärmekontaktfläche geleitet
wird.
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Mittels
einer Masse ist die Wärmekontaktfläche mit
einer Fläche
des Gehäuses
verbunden. Vorzugsweise ist die Wärmekontaktfläche mit
einer inneren Oberfläche
des Gehäuses
verbun den. Durch die Verbindung der Wärmekontaktfläche mit
der Gehäusefläche kann
es erreicht werden, dass die vom Kondensator zur Wärmekontaktfläche transportierte Wärme nach
außen
zum Gehäuse
des Kondensatormoduls abgeleitet werden kann. Vom Gehäuse des Moduls
kann die Wärme
dann beispielsweise mittels Kühlrippen
oder einfach durch freie Konvektion oder auch durch Kühlwasser
weiter abtransportiert werden. Durch das Ableiten der im Inneren
des Gehäuses
entstehenden Wärme
kann die Anstauung von Wärme,
die im Extremfall zum Ausfall des Kondensatormoduls führen kann,
wirksam verhindert werden.
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Gemäß einer
anderen Ausführungsform kann
es vorgesehen sein, dass die Masse eine gut wärmeleitende Verbindung zwischen
der Wärmekontaktfläche und
der Gehäusefläche bildet.
Um eine solche gut wärmeleitende
Verbindung zu erhalten, kann es beispielsweise vorteilhaft sein,
wenn die Masse aus einem Material besteht, das eine gute Wärmeleitung
aufweist. Insbesondere kommen hierfür Materialien wie Polyurethan
oder auch Epoxydharz in Betracht.
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Die
Wärmeleitfähigkeit
der durch die Masse gebildeten Verbindung zwischen der Wärmekontaktfläche und
der Gehäusefläche kann
des weiteren dadurch verbessert werden, dass eine möglichst
formschlüssige
Anbindung der Masse sowohl an die Wärmekontaktfläche als
auch an die Gehäusefläche gebildet
wird. Hierfür
ist es insbesondere vorteilhaft, wenn die Masse ein Material ist,
das in einem ersten Zustand verformbar ist und das in einem zweiten
Zustand eine feste Struktur aufweist.
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Das
Vorhandensein zweier solcher Zustände ist beispielsweise bei
Polyurethan oder auch bei Epoxidharz gegeben, wo die Masse durch
Erwärmen
eines viskosen bzw. fließfähigen Stoffs
zu nächst
fließfähiger wird
und bei weitere Erwärmung
ausgehärtet werden
kann.
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Bei
den beiden genannten Stoffen kann beispielsweise nach dem Prinzip
des Zweikomponenten-Klebers eine zunächst noch verform- bzw. streich-
oder gießfähige Masse
durch Polymerisation aushärten.
Hierfür
wird nicht unbedingt die Anwendung einer erhöhten Temperatur benötigt.
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Bei
Verwenden eines gieß-
bzw. streichfähigen
Materials kann auf einfache Art und Weise eine gut wärmeleitende
Verbindung bzw. eine flächige
und formschlüssige
Anbindung der Masse an eine der beteiligten Flächen stattfinden. Hierfür kann bei
der Herstellung des Kondensatormoduls zunächst ein Gehäuse mit
einer Öffnung
bereitgestellt werden. Anschließend
werden mehrere Kondensatoren im Gehäuse angeordnet. Anschließend kann
die Masse entweder auf den Gehäusedeckel
oder auf die Oberseite der Kondensatoren aufgetragen werden. Durch anschließendes Auflegen
des Deckels wird eine formschlüssige
Verbindung zwischen der Wärmekontaktfläche, der
Masse und beispielsweise der inneren Oberfläche des Gehäusedeckels erzielt. Dazu wird
vorzugsweise Masse mit einer Schichtdicke aufgetragen, die etwas
dicker ist als der durch die Masse im Endmontagezustand zu überbrückende Spalt. Nach
dem Auflegen des Gehäusedeckels
kann durch Verfließen
der Masse der gesamte zu überbrückende Luftspalt
mit Masse gefüllt
werden.
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Anschließend wird
noch dafür
gesorgt, dass die Masse vom fließfähigen in den harten Zustand übergeht.
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Die
Verwendung von einer Masse, die im fertigen Zustand des Kondensatormoduls
eine feste Struktur hat, hat noch den Vorteil, dass sie zusätzlich zur
verbesserten Wärmeableitung
aus dem Inneren des Gehäuses
nach außen
auch noch die Funktion der mechanischen Stabilisierung erfüllen kann.
Somit kann beispielsweise bei Einsatz in Kraftfahrzeugen, wo das
Kondensatormodul unter Umständen
starken Schwingungen ausgesetzt ist, das Ausbrechen bzw. das Lösen einzelner
Kondensatoren im Inneren des Gehäuses
verhindert werden.
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Gemäß einer
anderen Ausführungsform
des Kondensatormoduls ist es vorgesehen, dass die wärmeleitende
Verbindung einen ausreichenden Querschnitt aufweist, um die beim
Betrieb des Kondensators bzw. die beim Betrieb sämtlicher Kondensatoren entstehende
Wärme an
das Gehäuse
abzuleiten. Hierfür
ist es insbesondere vorteilhaft vorgesehen, dass eine möglichst
große
Wärmekontaktfläche für die Verbindung
mit der Gehäusefläche vorgesehen ist.
Vorzugsweise ist auch die Gehäusefläche, die
mit der Masse in Kontakt steht, möglichst groß, insbesondere ist es vorteilhaft,
wenn die Wärmekontaktfläche und
die mit der Masse in Kontakt stehende Gehäusefläche möglichst gleich groß sind.
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Gemäß einer
anderen Ausführungsform
des Kondensatormoduls ist es vorgesehen, dass die Masse flächig auf
der Wärmekontaktfläche aufliegt. Dies
hat den Vorteil, dass ein für
den Wärmetransport ausreichender
Leiterquerschnitt zur Verfügung
steht. Der Wärmetransport
erfolgt nämlich
zu einem Großteil über die
Masse, die eine wesentlich bessere Wärmeleitfähigkeit als die die Masse umgebende
Luft aufweist. Durch einen möglichst
flächigen
Kontakt der Masse mit der Wärmekontaktfläche kann
somit die Wärmeleitung
nach außen
verbessert werden.
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Gemäß einer
anderen Ausführungsform
des Kondensatormoduls ist es vorgesehen, dass die Wärmekontaktfläche die
Oberfläche
ei nes elektrischen Verbindungselementes enthält. Als Verbindungselement
kommt dabei insbesondere ein elektrisch leitendes Verbindungselement
in Betracht, das wenigstens zwei Kondensatoren miteinander leitend verbindet.
Solche Verbindungselemente werden vorzugsweise bei Kondensatormodulen
eingesetzt, bei denen eine Reihenschaltung oder eine Parallelschaltung
der im Modul befindlichen Kondensatoren realisiert werden soll.
Als elektrisches Verbindungselement kommt beispielsweise eine Stromschiene
in Betracht.
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Das
elektrische Verbindungselement ist sowohl elektrisch als auch thermisch
gut an die miteinander zu verbindenden Kondensatoren angekoppelt, weswegen
es auch als Wärmekontaktfläche zum
Ableiten von in einem Kondensator entstehender Wärme gut geeignet ist. Insbesondere
wegen der guten thermischen Ankopplung des elektrischen Verbindungselementes
ist dieses als Wärmekontaktfläche gut
geeignet.
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Gemäß einer
anderen Ausführungsform
des Kondensatormoduls ist es vorgesehen, dass die Gehäuseoberfläche wenigstens
eines Kondensators die Wärmekontaktfläche wenigstens
zum Teil bildet. Auch die Gehäuseoberfläche eines
Kondensators ist im allgemeinen thermisch gut an den Kondensator angekoppelt,
so dass diese Oberfläche
eine gute Wärmekontaktfläche darstellt.
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Gemäß einer
anderen Ausführungsform
des Kondensatormoduls ist es vorgesehen, dass sowohl auf der Oberseite
als auch auf der Unterseite eines Kondensators ein elektrisches
Verbindungselement vorgesehen ist. Eine solche Ausführungsform
hat zum einen den Vorteil, dass mehrere in Reihe zu schaltende Kondensatoren
möglichst
einfach miteinander verbunden werden können, da beispielsweise abwechselnd
auf der Oberseite und auf der Unterseite zwei benachbarte Kondensatoren
miteinander verbunden werden.
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Darüber hinaus
hat diese Ausführungsform den
Vorteil, dass sowohl auf der Oberseite des Kondensatormoduls als
auch auf dessen Unterseite die als Wärmekontaktfläche gut
geeigneten elektrischen Verbindungselemente zur Verfügung stehen.
Dadurch kann die beim Betrieb des Kondensators entstehende Wärme in zwei
Richtungen, nämlich
sowohl nach oben als auch nach unten abgeleitet werden, wodurch
sich der Kühleffekt
noch einmal drastisch verbessert.
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Gemäß einer
anderen Ausführungsform
des Kondensatormoduls ist es vorgesehen, dass die Masse elektrisch
isolierend ist. Dies hat den Vorteil, dass eine Ableitung von Strömen oder
das Beaufschlagen von Spannungen von den Kondensatoren auf das Gehäuse verhindert
werden kann. Insbesondere kann dadurch erreicht werden, dass das
Gehäuse
einen wirksamen Berührschutz
aufweist.
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Gemäß einer
anderen Ausführungsform
des Kondensatormoduls ist es vorgesehen, dass Bereiche des Gehäuses, die
mit der Masse in Verbindung stehen, nach Art eines Kühlkörpers gestaltet
sind. Durch eine solche Gestaltung des Gehäuses kann der Kühleffekt
noch weiter verbessert werden. Eine Gestaltung des Gehäuses nach
Art eines Kühlkörpers kann
beispielsweise durch das Anbringen von Kühlrippen realisiert werden.
Durch solche Kühlrippen
kann die wirksame Oberfläche
des Gehäuses stark
vergrößert werden,
wodurch eine verbesserte Kühlung
von der Außenseite
des Gehäuses
her erzielt werden kann.
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Mit
Hilfe der hier beschriebenen Erfindung kann also die Ableitung der
beim Betrieb von Kondensatormodulen bzw. von ein zelnen Kondensatoren entstehende
Wärme aus
den einzelnen Kondensatoren und auch in geschlossenen Modulen besser
an die Umgebung abgeführt
werden.
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Im
Folgenden werden Kondensatormodule anhand von Ausführungsbeispielen
und den dazugehörigen
Figuren näher
erläutert.
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1 zeigt
ein Kondensatormodul in einem schematischen Querschnitt.
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2 zeigt
eine schematische Draufsicht auf ein elektrisch leitendes Verbindungselement.
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3 zeigt
eine schematische Vergrößerung des
Mittelbereichs von 1.
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Dabei
sind Elemente, die einander gleichen oder die die gleiche Funktion
erfüllen,
mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet. Die Figuren entsprechen
nicht maßstabsgetreuen
Abbildungen, sondern es können
der besseren Darstellung wegen einige Elemente vergrößert abgebildet
sein.
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1 zeigt
ein Kondensatormodul, das vier Kondensatoren 11, 12, 13, 14 aufweist.
Bei den Kondensatoren handelt es sich vorzugsweise um elektrochemische
Doppelschichtkondensatoren. Solche Kondensatoren werden vorzugsweise
eingesetzt zur Speicherung von elektrischer Energie, beispielsweise
in Automobilen.
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Jeder
Kondensator 11, 12, 13, 14 weist
ein Kondensatorgehäuse 71, 72, 73, 74 auf.
Die Kondensatorgehäuse 71, 72, 73, 74 sind
in Form von Bechern gestaltet. Jeder Becher ist durch einen Deckel abgeschlossen,
wobei durch den Deckel Kondensa toranschlüsse 9 geführt sind.
Diese Kondensatoranschlüsse
sind mit einem Pol des Kondensators verbunden. Der andere Pol des
Kondensators 11, 12, 13, 14 wird
gebildet durch den Becher, insbesondere durch den Boden des Bechers.
In einer anderen Ausführungsform
der Erfindung können
beide Kondensatoranschlüsse
durch den Deckel geführt
werden. Die Kondensatoren 11, 12, 13, 14 sind
in ein Gehäuse eingebaut,
das dem Modul im wesentlichen seine Integrität und seine mechanische Festigkeit
verleiht. Das Gehäuse
weist einen Gehäuseboden 21 auf,
der auf der Unterseite des Moduls angeordnet ist. Ferner weist das
Gehäuse
einen Gehäusedeckel 22 auf,
der auf der Oberseite des Kondensatormoduls angeordnet ist.
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Im
Bereich des Gehäusedeckels 22 sind
Außenanschlüsse 10 vorgesehen,
mit deren Hilfe das Kondensatormodul von außen kontaktiert werden kann.
Die Außenanschlüsse 10 sind
verbunden mit den Kondensatoren, insbesondere mit den Kondensatoranschlüssen 9 der
Kondensatoren 11 und 14. Der linke Außenanschluss 10 ist
also mit den Kondensatoranschlüssen 9 des
Kondensators 11 verbunden. Der rechte Außenanschluss 10 ist
mit den Kondensatoranschlüssen 9 des
Kondensators 14 verbunden.
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Ferner
sind, um das Gehäuse
weiter abzuschließen,
noch Seitenteile 23, 24 vorgesehen, die an der
linken Seite des Kondensators 11 bzw. an der rechten Seite
des Kondensators 14 angeordnet sind und die vorzugsweise
hermetisch mit dem Gehäuseboden 21 und
dem Gehäusedeckel 22 abschließen.
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Die
beiden mittleren Kondensatoren 12, 13 sind durch
ein Verbindungselement 61 elektrisch leitend miteinander
verbunden. Das Verbindungselement 61 verbindet dabei die
Kondensatoranschlüsse 9 des
Kondensators 12 mit den Kondensatoranschlüssen 9 des
Kondensators 13. Dadurch wird eine Reihenschaltung zwi schen
den Kondensatoren ermöglicht.
Das Verbindungselement 61 hat beispielsweise die Form eines
großflächigen,
flachen Blechs, das beispielsweise, ebenso wie die Gehäuse der Kondensatoren,
vorzugsweise aus Aluminium besteht. Das Verbindungselement 61 ist
vorzugsweise mittels Laserschweißen mit den Kondensatoranschlüssen verbunden.
Entsprechendes gilt für
die Verbindungselemente 62, 63, die ebenfalls
leitfähig sind
und die die Kondensatoren 11 und 12 bzw. die Kondensatoren 13 und 14 jeweils
auf der Unterseite miteinander verbinden. Auch die elektrischen
Verbindungselemente 62, 63 haben vorzugsweise
die Form eines flächig
gestalteten Blechs, das mittels Laserschweißen auf die entsprechende Bodenfläche eines Kondensators
befestigt ist.
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Zum
besseren Wärmeabtransport
können auf
dem Gehäuseboden 21 und
dem Gehäuseoberteil 22 noch
Kühlrippen 8 vorgesehen
sein.
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Eine
Masse 41 im oberen Bereich des Kondensatormoduls verbindet
die Wärmekontaktfläche 3,
die durch die Oberfläche
des Verbindungselements 61 gebildet wird, mit der Gehäusefläche 5,
die durch die Unterseite des Gehäusedeckels 22 gebildet
wird. Wie in 1 zu erkennen ist, erstreckt
sich die Masse 41 fast über
die gesamte Breite des Gehäusedeckels 22.
Einen bezüglich
Wärmeableitung relevanten
Kontakt gibt es allerdings nur im Bereich der Oberfläche des
Verbindungselementes 61. In vielen Anwendungen reicht diese
Kontaktfläche
für die Wärmeabfuhr
völlig
aus.
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Jedoch
wird in 3 noch eine andere Möglichkeit
für die
wärmemäßige Kontaktierung
zwischen den Kondensatoren und dem Gehäuse des Moduls gezeigt.
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Auch
im unteren Bereich des Kondensatormoduls ist eine Masse 42 zu
erkennen, die der thermischen Kontaktierung zwischen den Kondensatoren 11, 12, 13, 14 und
dem Gehäuseboden 21 dient. Auch
im unteren Bereich ist es so, dass ein thermischer Kontakt im wesentlichen
zwischen der Gehäusefläche 5,
das ist die innere Oberfläche
des Gehäusebodens 21 und
der Oberfläche
der beiden elektrischen Verbindungselemente 62 und 63 stattfindet. Auch
diesbezüglich
zeigt 3 noch eine andere Variante.
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Als
Masse wird vorzugsweise ein gieß-
bzw. fließfähiges Material
verwendet, das anschließend gehärtet werden
kann, also z.B. eine Vergussmasse. Die Außenflächen des Gehäuses können je
nach Einsatzbedingungen mit Wasser oder Luft, zwangsweise oder durch
freie Konvektion gekühlt
werden. Ebenso ist der umgekehrte Einsatz bei Tieftemperaturen in
Form eines Heizelementes denkbar.
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Die
Funktion des in 1 und in der übrigen Beschreibung
beschriebenen Vergusses bzw. die Funktion der beschriebenen Masse
kann sowohl die verbesserte thermische Anbindung der Gehäuse der Kondensatoren
bzw. der Becherböden
und der Deckel der Kondensatoren an das Gehäuse des Moduls sein. Darüber hinaus
kann die Funktion aber auch die Unterstützung der mechanischen Festigkeit
sein.
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Vorzugsweise
sind, wie auch in 3 noch einmal ausführlich dargestellt
wird, die stromführenden
Verbindungselemente, beispielsweise die elektrisch leitenden Verbinder,
die Deckel der Kondensatoren, die Böden der Kondensatoren als auch
weitere schaltungstechnische Elemente, wie beispielsweise Symmetrieschaltungen
in den Verguss, also in die Masse eingebettet.
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Vorzugsweise
wird die Masse in Form eines Vergusses gestaltet, der zuerst auf
die Grundfläche der
Kondensatoren bzw. auf die Innenfläche des Gehäuses aufgebracht und in den
anschließend
ein Teil des Gehäuses
des Moduls bzw. ein Kondensatorgehäuse eingedrückt bzw. eingebettet wird.
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2 zeigt
die Verbindungsfläche
zwischen einer Masse 41, die beispielsweise ein Verguss
sein kann, und einem elektrischen Verbindungselement 61.
Schematisch durch gestrichelte Linien dargestellt sind weiterhin
die Gehäuse 72, 73 der
Kondensatoren 12 und 13. 2 zeigt,
dass ein wesentlicher Teil der Oberfläche des Verbindungselementes 61 durch die
Masse 41 kontaktiert wird. Entsprechendes gilt für die Kontaktfläche zwischen
der Masse 41 und der kontaktierten Gehäusefläche 5. Dadurch wird
ein Wärmeleiter
vorgesehen, der einen großen
Querschnitt hat und somit geeignet ist, die beim Betrieb der Kondensatoren
entstehenden Wärme
nach außen,
d.h., zum Gehäuse
hin abzuleiten.
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3 zeigt
in einer vergrößerten Darstellung noch
eine andere Möglichkeit,
die Masse 41 bzw. die Vergussmasse oder den Wärmeleiter
zwischen den Kondensatoren und dem Gehäuse anzuordnen. Bezüglich der
Oberseite der in 3 gezeigten Darstellung ist
mit dem Bezugszeichen 41 eine Masse gezeigt, wie sie im
wesentlichen 1 entspricht. D.h., dass die
Masse 41 nur den Stromleiter 61, der als elektrisches
Verbindungselement fungiert, kontaktiert. Genauso gut ist es aber
auch möglich,
die Masse gemäß der mit
dem Bezugszeichen 411 bezeichneten Fläche auszubilden, d.h., dass
die Masse 411 nicht nur den Stromleiter berührt, sondern
darüber
hinaus auch noch die Oberfläche
der Deckel der Kondensatoren 12 und 13. Dies hat
den Vorteil, dass die Wärmekontaktfläche gegenüber dem oben
genannten Ausführungsbeispiel
noch weiter_ vergrößert ist und
damit eine verbesserte Wärmeabfuhr
möglich ist.
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Entsprechend
ist im unteren Teil der 3 eine weitere Ausführungsform
zu der in 1 gezeigten Darstellung angegeben.
In einem ersten Beispiel ist die Masse 42 so angeordnet,
dass sie die Unterseite der elektrisch leitenden Verbindungselemente 62 und 63 berührt sowie
auf der Unterseite die innere Oberfläche 5 des Gehäuseunterteils
bzw. des Gehäusebodens 21.
Genauso gut ist es aber auch denkbar, etwas mehr Vergussmasse im
unteren Bereich des Gehäuses
einzufüllen,
so dass ein Zustand erreicht wird, der durch das Bezugszeichen 421 und die
obere gestrichelte Linie dieses Bereichs angegeben ist. Ein solch
erhöhter
Füllstand
kann dazu verwendet werden, auch die übrigen Bereiche der Gehäuseböden der
Kondensatoren, die nicht mit einem elektrisch leitenden Verbindungselement
verbunden sind, in den Wärmetransport
mit einzubeziehen. Ferner kann erreicht werden, dass mithilfe einer
Masse 421 gemäß dem Beispiel
in 3 unten auch der untere Bereich der Seitenwände der
Kondensatorgehäuse 72, 73 in
den Wärmetransport
einbezogen wird.
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Darüber hinaus
ist es vorteilhaft, wenn der elektrische Widerstand der verwendeten
Masse ausreicht, um eine Isolationsfestigkeit im Bereich von 1 bis
3 kV zu ermöglichen.
Solche Spannungen liegen nämlich
teilweise an den in solchen Modulen verwendeten Kondensatoren an,
und entsprechend hoch muss der Isolationswiderstand sein, um einen
wirksamen Berührschutz
zu ermöglichen.
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Darüber hinaus
ist es möglich,
ein solches Kondensatormodul seitens des Gehäuses mit dem Chassis eines
Kraftfahrzeugs zu verbinden. Auch in diesem Fall muß eine ausreichende
Isolati onsfestigkeit der verwendeten Masse existieren, um ein Überschlagen
von Spannungen auf das Gehäusechassis zu
verhindern.
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Die
Erfindung kann besonders wirksam auch den Abtransport hoher thermischer
Leistungen nach außen
zum Gehäuse
hin gewährleisten.
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- 11,
12, 13, 14
- Kondensator
- 21
- Gehäuseboden
- 22
- Gehäusedeckel
- 23,
24
- Seitenteil
- 3
- Wärmekontaktfläche
- 41,
42
- Masse
- 5
- Gehäusefläche
- 61,
62, 63
- elektrisches
Verbindungselement
- 71,
72, 73, 74
- Kondensatorgehäuse
- 8
- Kühlkörper
- 9
- Kondensatoranschluss
- 10
- Außenanschluss
- 421,
411
- Masse