DE102005026703B4

DE102005026703B4 - Kühlanordnung für eine Anordnung von elektrischen Kondensatoren und Kühlanordnung für eine Anordnung von zylinderförmigen Bauelementen

Info

Publication number: DE102005026703B4
Application number: DE102005026703A
Authority: DE
Inventors: Bernd Staib; Hubertus Goesmann; Michael Setz; Stephan Neumeister; Stefan Nowak
Original assignee: Epcos AG
Current assignee: TDK Electronics AG
Priority date: 2005-06-09
Filing date: 2005-06-09
Publication date: 2009-06-04
Anticipated expiration: 2025-06-10
Also published as: DE102005026703A1

Abstract

Kühlanordnung für eine Anordnung von elektrischen Kondensatoren (12), die in einem geschlossenen Gehäuse (G) angeordnet sind, wobei das Gehäuse eine erste Seite und eine gegenüberliegende zweite Seite aufweist und Kondensatoren mit ihrer einen Stirnseite auf der ersten Seite angeordnet sind, mit mindestens einem rohrförmigen Kanal (3), der sich von der ersten Seite zu der zweiten Seite des Gehäuses erstreckt und zwischen den Kondensatoren angeordnet ist, wobei der Kanal von einem Kühlfluid durchströmbar ist um die von den Kondensatoren erzeugte Wärme abzuführen.

Description

Es wird eine Kühlanordnung für eine Anordnung von Kondensatoren bzw. zylinderförmigen Bauelementen mit einem Gehäuse beschrieben. Das Gehäuse ist so aufgebaut, dass es zum Kühlen von elektrischen Bauelementen, insbesondere Kondensatoren, geeignet ist.
Aus JP 2002-218736 A ist ein Gehäuse mit einem Kühlkörper, der einen Schacht mit integriertem Ventilator aufweist, bekannt. Das Gehäuse beinhaltet neben unterschiedlichen elektrischen Bauelementen, wie z. B. Schaltgeräten, auch Kondensatoren.
Aus US 613,627 ist eine Anordnung von Kondensatoren in einem Gehäuse bekannt, wobei die axialen Kerne der Kondensatoren von einem Kühlfluid durchströmt werden.
Aus DE 26 24 724 ist eine Anordnung von in einer Feststoffmasse eingebetteten Kondensatoren bekannt, wobei die Feststoffmasse neben den Kondensatoren Durchbohrungen unter anderem zur besseren Wärmeabfuhr aufweist.
Eine zu lösende Aufgabe besteht darin, eine Kühlanordnung für Kondensatoren bzw. zylinderförmige Bauelemente zu schaffen.
Es wird eine Kühlanordnung für eine Anordnung von elektrischen Kondensatoren bzw. zylinderförmigen Bauelementen angegeben, die in einem geschlossenen Gehäuse angeordnet sind, wobei das Gehäuse eine erste Seite und eine gegenüberliegende zweite Seite aufweist und die jeweiligen elektrischen Bauelemente mit ihrer einen Stirnseite auf der ersten Seite angeordnet sind. Das Gehäuse weist als Schacht mindestens einen rohrförmigen Kanal auf, der sich von der ersten Seite zu der zweiten Seite des Gehäuses erstreckt und zwischen den Bauelementen angeordnet ist, wobei der Kanal von einem Kühlfluid durchströmbar ist, um die von den Bauelementen erzeugte Wärme abzuführen.
Gemäß wenigstens einer Ausführungsform eines Gehäuses ist es vorgesehen, dass das Gehäuse geschlossen ist und ein erstes Volumen einschließt, wobei das Gehäuse mindestens einen Schacht umgibt und der Schacht einen vom ersten Volumen getrenntes zweites Volumen enthält. Der Schacht ist dabei beidseitig offen.
Ein Gehäuse, das mehrere Kondensatoren enthält, wird auch als Kondensatormodul bezeichnet.
Durch den Schacht kann ein Fluid am Gehäuse vorbeiströmen, um die im Gehäuse einzubauenden elektrischen Bauelemente zu kühlen. Mittels eines Schachts, der beidseitig offen ist, wird außerdem ein effektiver Durchzug mit erhöhter Kühlwirkung des vorbeiströmenden Mediums ermöglicht.
Es ist vorteilhaft, dass zur Bildung des Schachts neben dem Gehäuse keine weiteren Bauteile nötig sind, da der Schacht bereits durch das Gehäuse gebildet wird. Mittels des Schachts kann das Gehäuseinnere effektiv gekühlt werden, ohne dass ein Ventilator oder eine Öffnung in der Gehäusewand erforderlich ist. Dadurch kann das Gehäuse also auch nach Außen abgedichtet sein, sodass schädliche Gase oder Stoffe, welche von den elektrischen Bauelementen ausgestoßen sein könnten, nicht nach Außen dringen können.
Es ist günstig, wenn der Schacht vom Boden bis zur Oberseite des Gehäuses ausgebildet ist, sodass die größtmögliche Fläche des Schachts neben der Außenfläche eines oder mehrerer elektrischer Bauelemente gebildet ist. Es ist besonders günstig, wenn der Schacht in der Mitte des Gehäuses bereitgestellt ist, da in diesem Falle mehrere elektrische Bauelemente um den Schacht herum positioniert werden können. Auch bildet sich in der Mitte oft ein sogenannter „Notspot", d. h. ein lokales Temperaturmaximum, angesammelter Wärme, sodass es von großem Vorteil ist, die Wärme an dieser Stelle abführen zu können.
Um eine effektive Zuführung des Fluids in den Schacht zu erreichen wird bevorzugt, mittels eines an der Außenfläche des Bodens angeordneten Abstandhalters ein Hohlraum unterhalb des Bodens zu bilden. Das Fluid kann durch diesen Hohlraum zum Schacht gelangen. Dabei wird der Abstandhalter vorzugsweise mit mindestens einer Aussparung versehen, welche als Öffnung für eine Fluidquelle dienen kann. Der Hohlraum kann als Kanal realisiert sein, um eine schnellere Strömung des Fluids zu oder vom Schacht zu ermöglichen.
Zur vereinfachten Positionierung der Bauelemente im Gehäuse wird bevorzugt, dass die Innenfläche des Bodens mindestens eine Mulde aufweist, in die das Bauelement passt. An der nach Außen gerichteten Fläche des Bodens bildet die Mulde einen hervorstehenden Bereich, der in den mittels des Abstandhalters gebildeten Hohlraum ragt, sodass der im Hohlraum befindliche Kanal teilweise entlang dieses hervorstehenden Bereichs gebildet wird.
Das Kondensatormodulgehäuse kann mit einer Pumpe verbunden sein, mit der ein Gas oder eine Flüssigkeit durch den Schacht beförderbar ist.
Die Größe und Form des Gehäuses und des Schachts sowie die Anzahl der Schächte wird vorzugsweise an die Anordnung und Größe der Kondensatoren bzw. zylinderförmigen Bauelementen angepasst, und zwar so, dass die Bauelemente möglichst nahe an einer Wand des Gehäuses angeordnet sind.
Die beschriebenen Gegenstände werden anhand der folgenden Zeichnungen und Ausführungsbeispiele näher erläutert. Dabei zeigen:
1 eine Skizze einer allgemeinen Ausführungsform eines Kondensatormodulgehäuses,
2 eine Draufsicht auf ein mit mehreren Schächten versehenes Kondensatormodulgehäuse,
3 eine Querschnittsansicht eines Teils eines Kondensatormodulgehäuses
4 eine Ansicht einer Ausführungsform des Bodens des Gehäuses mit Mulden für Kondensatorpaare
5 eine Draufsicht des Innenraums des Kondensatormodulgehäuses nach 3
Viele elektrische Bauelemente werden während des Betriebs, bei Kondensatoren insbesondere während der zyklischen Be- und Entladung, erwärmt. Da die Lebensdauer der Bauelemente durch den Einfluss von Wärme verkürzt wird, ist es vorteilhaft, die entstehende Wärme abzuführen. Dies geschieht wie nachfolgend beschrieben durch die Ableitung der Wärme über die Oberfläche des Gehäuses und durch den Abtransport der Wärme an der Außenfläche des Gehäuses durch ein vorbeiströmendes Fluid.
1 zeigt ein Kondensatormodulgehäuse G, das einen Schacht umgibt. Das Kondensatormodulgehäuse G kann auch als Batteriegehäuse angesehen werden. Vom Gehäuse wird ein erstes Volumen 1 eingeschlossen, welches vom einem zweiten Volumen 4 getrennt ist, das außerhalb des Gehäuses vorhanden ist. Der Schacht 3 enthält einen Teil des zweiten Volumens 4 und bildet einen Durchgang, der von einem Bereich A des zweiten Volumens zu einem anderen Bereich B desselben Volumens führt. Das Gehäuse und der Schacht weisen eine gemeinsame Wand 5 auf. Der beidseitig offene Schacht verläuft vorzugsweise von einer ersten Seite des Gehäuses zu einer weiteren. Dabei kann er mit vertikaler Ausrichtung geschaffen sein und vom Boden 2 des Gehäuses zur Oberseite 6 verlaufen. Der Schacht und die Wand des Gehäuses sind an die Form der Kondensatoren angepasst, um eine möglichst große, an das zweite Volumen 4 angrenzende, wirksame Fläche zu erreichen, an die die durch die Kondensatoren entstandene Wärme über einen möglichst kurzen Weg abgeleitet werden kann. Die Größe der wirksamen Fläche kann durch Vergrößerung des Abstands zwischen den Kondensatoren beeinflusst werden, d. h., je größer der Abstand zwischen den Kondensatoren, desto größer kann der Durchmesser des Schachts und entsprechend auch die durch den Schacht gebildete Abstrahlfläche des Gehäuses sein.
Das Gehäuse G ist stark wärmleitend, sodass zwischen dem ersten, im Gehäuse befindlichen Volumen und dem zweiten, im Schacht 3 enthaltenen Volumen 4 ein Wärmeaustausch stattfin den kann. Zu diesem Zweck ist es günstig, wenn das Gehäuse ein gut wärmeleitendes Material enthält, insbesondere dort, wo der Schacht und das Gehäuse ihre gemeinsame Wand 5 haben. Damit kann am Schacht eine besondere gute Wärmeableitung erreicht werden. Die übrigen Teile des Gehäuses können je nach Bedarf aus einem anderen Material bestehen. Durch das Vorbeiströmen des Fluids an der Innenfläche des Schachts bzw. an der Wand 5 wird an dieser Stelle die von den Kondensatoren angesammelte Wärme abgeführt. Die Strömung des Fluids kann dabei durch natürliche Konvektion und/oder durch forcierte Konvektion erreicht werden. Für die forcierte Konvektion kommt zur Beförderung des Fluids eine Pumpe zum Einsatz. Als Fluid wird ein Gas oder eine Flüssigkeit verstanden, wobei in beiden Fällen ein Kühlmittel am besten geeignet ist. Als Kühlmittel könnte beispielsweise Freon zum Einsatz kommen. In einer einfachsten Ausführungsform kann aber auch Luft verwendet werden.
Mittels des Schachts wird vorteilhafterweise auch für die im Inneren des Gehäuses liegenden Kondensatoren eine effektive Kühlung erreicht, da sie sich in der Nähe des vom Schacht enthaltenen zweiten Volumens sowie dessen Wand befinden. Ein innen liegender Kondensator ist einer, der nicht neben der äußeren Wand, die ein Teil der äußeren Umfangsfläche des Gehäuses bildet, angeordnet ist. Mit einem Kondensatormodulgehäuse dieser Art ist also der Weg der von allen Kondensatoren ausgestrahlten Wärme zu einer dem zweiten Volumen 4 angrenzenden Wand, ob diese nun die Außenwand des Gehäuses oder die Wand 5 des Schachts ist, so kurz wie möglich gehalten. Die gesamte Wärme im Gehäuseinnern kann also über den einen oder anderen Weg nach Außen abtransportiert werden, sodass alle im Gehäuse befindlichen Bauelemente kühl gehalten werden können.
Am Boden 2 des Gehäuses ist ein Abstandhalter 7, welcher auch als Bodenleiste anzusehen ist, vorgesehen, unter dem ein Hohlraum 8 gebildet ist. Der Hohlraum 8 ist als Erweiterung bzw. Verlängerung des Schachts 4 und auch als Ansaugreservoir für ein Fluid zu verstehen. In dem Zustand, wo das Gehäuse auf eine Abstellfläche platziert wird, ist der Hohlraum mittels der Wände des Abstandhalters, der Außenfläche des Bodens und der genannten Abstellfläche gegenüber dem zweiten Volumen teilweise abgegrenzt. Mit dem zweiten Volumen ist er durch den Schacht 3 und mindestens einer im Abstandhalter gebildeten Aussparung 9 verbunden. So kann ein Kühlmittel durch die Aussparung 9 eindringen, durch den Hohlraum 8 strömen und anschließend durch den Schacht 3 zur Oberseite 6 des Gehäuses gelangen. Im Falle der Verwendung einer Pumpe kann das Kühlmittel durch einen Schlauch, der die Aussparung 9 umschließt und in den Hohlraum 8 mündet, zum Schacht gepumpt werden.
Es ist im Falle eine forcierten Konvektion auch möglich, dass der Fluidstrom in die entgegengesetzte Richtung fließt, nämlich von der Oberseite des Gehäuses durch den Schacht, in den Hohlraum 8 hinein und schließlich aus der Aussparung 9 hinaus. Das hat den Vorteil, dass die sich im oberen Bereich des Gehäuses angesammelte Wärme als erstes von einem noch nicht erwärmten, frischen Fluid abtransportiert wird, und in diesem Bereich eine stärkere Kühlung stattfindet. Auch wenn im Bereich des Bodens des Gehäuses das vorbeiströmende Fluid bereits erwärmt ist, ist das nicht zwingend nachteilig, da der Bodenbereich des Gehäuses in der Regel eine niedrigere Temperatur aufweisen wird, als der obere Bereich. Somit kann entlang der Höhe des Schachts eine gleichmäßige Wärmeabfuhr erreicht werden.
Der Boden 2 des Gehäuses ist mit einer zum Tragen von Kondensatoren, insbesondere Doppelschichtkondensatoren, geeigneten Innenfläche ausgebildet. Vorzugsweise weist der Boden aus der Perspektive des Inneres des Gehäuses Mulden 11 auf, mit Durchmessern, die groß genug sind, um die in das Gehäuse einzubauende Kondensatoren aufnehmen zu können. Die Mulden geben den Kondensatoren einen guten Halt, welches insbesondere bei mobilen oder Erschütterungen ausgesetzten Anwendungen vorteilhaft ist.
Das Gehäuse in diesem Beispiel ist zur Aufnahme von bis zu 4 Kondensatoren geeignet, wobei die Kondensatoren so weit wie möglich in den Ecken des durch den Boden definierten Quadrats angeordnet sind und das Quadrat den Schacht zum Zentrum hat. Ein größeres Kondensatormodul kann durch das Anordnen mehrerer solcher quadratischen Module nebeneinander geschaffen werden.
Es wird bevorzugt, dass das Gehäuse hermetisch nach Außen abgedichtet ist, damit keine schädlichen Stoffe aus dem Innern des Gehäuses nach Außen gelangen können.
2 zeigt ein Kondensatormodulgehäuse, das mehrere Schächte 3, angeordnet in einem regelmäßigen Muster, umfasst. Das Muster kann dabei ein Matrixmuster sein. Das Gehäuse ist mit einem Deckel 6a vorgesehen bzw. mit einem Deckel verschließbar, damit Kondensatoren in die für sie vorgesehenen, mit zylinderförmigen Wandungen ausgebildeten Kammern 13 leicht eingepasst werden können. Das Gehäuse weist eine Mantelfläche auf, die durch die zylinderförmigen Wandungen der Kammern wellenförmig ausgebildet ist. Der Deckel kann mit dem Rest des Gehäuses mittels eines hermetisch abdichtenden Verschlusses formschlüssig verbunden werden. Der Bodenleiste 7 wird eine Form gegeben, deren äußere Umfangsfläche über den Umfang des übrigen Gehäuses hinausgeht. Außerdem ist die vorzugsweise elastische Bodenleiste mit einer senkrecht zur Schachtachse verlaufenden Flansch 7a ausgebildet, die eine Befestigung mittels einer Klemmung mit einer gegenstückigen Trage- oder Abstellfläche, beispielsweise in einem Motorraum eines Kraftfahrzeuges ermöglicht. Auch kann die Bodenleiste 7 bzw. die Flansch 7a eine mit einem Gewinde versehene Durchbohrung (nicht gezeigt) aufweisen, sodass das Gehäuse über die Bohrung mittels einer Schraube mit einer geeigneten Tragefläche befestigt werden kann.
3 zeigt eine Querschnittsansicht eines Teils des zuvor beschriebenen Kondensatormodulgehäuses, bei dem der Abstandhalter 7, der ein Flansch 7a aufweist, durch die eine Schraube zum Befestigen des Gehäuses an einer Trage- oder Abstellfläche geführt werden kann. Es werden Kondensatoren 12 gezeigt, die jeweils in eine Mulde 11 eingepasst sind. Neben den Mulden befinden sich Kanäle 10, die in die Schächte 3 münden.
4 zeigt die Unterseite des Kondensatormodulgehäuses. Die zuvor zu 1 beschriebenen Mulden 11 bilden an der Unterseite des Gehäuses hervorstehende Bereiche. Zwischen den einzelnen hervorstehenden Bereichen und dem Abstandhalter 8 sind Kanäle 10 ausgeformt, welche die durch die Aussparung eintretende Luft besonders schnell zu einem Schacht 3 leiten. Außerdem zeigt die Figur, wie die Mulden 11 eine zur Aufnahme von Kondensatorpaaren geeignete Form aufweisen. Sie sind in diesem Falle als Muldenpaare anzusehen. Die Schächte können in den Räumen zwischen den Mulden bzw. den Muldenpaaren ausgebildet sein. In dem Zustand, wo Kondensatoren im Gehäuse eingebaut sind, befinden sich die Schächte dann zwischen den Kondensatoren bzw. zwischen den Kondensatorpaaren.
5 zeigt die Sicht auf die Oberseite eines Kondensatormoduls, welches ein Gehäuse gemäß der vorherigen Beschreibung aufweist. Die Kondensatoren 12 weisen an ihren oberen Stirnflächen hervorstehende Anschlusselemente 14 auf, sodass zwei Kondensatoren mittels eines elektrisch leitenden, mit Aussparungen bzw. Löcher versehenen Verbinders 15 leicht miteinander verbunden werden können. Dabei wird der Verbinder mittels seiner Aussparungen 15 über die Anschlusselemente 14 geschoben und anschließend angelötet.

G: Gehäuse
1: vom Gehäuse eingeschlossenes erstes Volumen
2: Boden des Gehäuses
3: Schacht
4: Zweites Volumen außerhalb des Gehäuses
5: Wand
6: Oberseite des Gehäuses
7: Abstandhalter bzw. Bodenleiste
7a: Flansch des Abstandhalters
8: Hohlraum
9: Aussparung
10: Vertiefung der Außenfläche des Bodens
11: Mulde zur Aufnahme eines Kondensators
12: Kondensator
13: Kammer mit zylindrischer Wandung zur Aufnahme eines Kondensators
14: Anschlusselement eines Kondensators
15: Elektrisch leitender Verbinder

Claims

Kühlanordnung für eine Anordnung von elektrischen Kondensatoren (12), die in einem geschlossenen Gehäuse (G) angeordnet sind, wobei das Gehäuse eine erste Seite und eine gegenüberliegende zweite Seite aufweist und Kondensatoren mit ihrer einen Stirnseite auf der ersten Seite angeordnet sind, mit mindestens einem rohrförmigen Kanal (3), der sich von der ersten Seite zu der zweiten Seite des Gehäuses erstreckt und zwischen den Kondensatoren angeordnet ist, wobei der Kanal von einem Kühlfluid durchströmbar ist um die von den Kondensatoren erzeugte Wärme abzuführen.
Kühlanordnung nach Anspruch 1, bei der der Kanal (3) im Zentrum einer quadratischen Anordnung von vier Kondensatoren (12) angeordnet ist.
Kühlanordnung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, bei der die erste Seite des Gehäuses (G) mehrere Mulden (11) aufweist, in denen jeweils ein Kondensator (12) angeordnet ist, wobei zwischen den Mulden zumindest ein Kanal (3) angeordnet ist.
Kühlanordnung nach Anspruch 3, bei der die Mulden (11) jeweils hervorstehende Bereiche an der Außenseite des Gehäuses (2) bilden.
Kühlanordnung nach Anspruch 4, bei der zwischen den hervorstehenden Bereichen der Mulden (11) jeweils ein Kanal (10) gebildet ist, der in den Kanal (3) mündet.
Kühlanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem mehrere Kanäle (3) in einem regelmäßigen Muster nebeneinander angeordnet sind.
Kühlanordnung für eine Anordnung von zylinderförmigen Bauelementen (12), die in einem geschlossenen Gehäuse (G) angeordnet sind, wobei das Gehäuse eine erste Seite und eine gegenüberliegende zweite Seite aufweist und die zylinderförmigen Bauelemente mit ihrer einen Stirnseite auf der ersten Seite angeordnet sind, mit mindestens einem rohrförmigen Kanal (3), der sich von der ersten Seite zu der zweiten Seite des Gehäuses erstreckt und zwischen den zylinderförmigen Bauelementen angeordnet ist, wobei der Kanal von einem Kühlfluid durchströmbar ist um die von den zylinderförmigen Bauelementen erzeugte Wärme abzuführen.
Kühlanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Wandung des Kanals (3) gut wärmeleitend ist.
Kühlanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der außen an der ersten Seite des Gehäuses (G) ein Abstandhalter (7) angeordnet ist, der einen Hohlraum (8) bildet.
Kühlanordnung nach Anspruch 9, bei der der Abstandhalter (7) eine Bodenleiste ist.
Kühlanordnung nach Anspruch 10, bei der die äußere Umfangsfläche der Bodenleiste über den Umfang des übrigen Gehäuses (G) hinausgeht.
Kühlanordnung nach Anspruch 11, bei dem die Bodenleiste mit einem senkrecht zur Kanalachse verlaufenden Flansch (7a) ausgebildet ist.
Kühlanordnung nach Anspruch 12, bei dem der Flansch (7a) eine Bohrung zur Befestigung der Kühlanordnung mit einer Tragefläche aufweist.
Kühlanordnung nach einem der Ansprüche 9 bis 13, bei dem der Abstandhalter (7) mindestens eine Aussparung (9) aufweist.
Kühlanordnung nach Anspruch 14, bei dem der Hohlraum (8) mindestens einen Kanal (10) aufweist, der von der Aussparung (9) zum Schacht (3) führt.
Kühlanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Gehäuse (G) mit einem verschließbaren Deckel (6a) versehen ist.
Kühlanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, das ein erstes Volumen (1) einschließt, wobei das Gehäuse den mindestens einen Kühlungsschacht (3) umgibt und der Kühlungsschacht ein vom ersten Volumen getrenntes zweites Volumen (4) enthält, wobei der Kühlungsschacht beidseitig offen ist.