DE102007057471B4

DE102007057471B4 - Kühlkörper, Kühlanordnung mit dem Kühlkörper und elektrisches Gerät mit der Kühlanordnung

Info

Publication number: DE102007057471B4
Application number: DE102007057471A
Authority: DE
Inventors: Tsutomu Hino Yamamoto; Yoshihisa Hatozaki
Original assignee: Fuji Electric FA Components and Systems Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2006-11-30
Filing date: 2007-11-29
Publication date: 2009-07-30
Anticipated expiration: 2027-11-30
Also published as: JP2008140803A; CN101193546A; DE102007057471A1; US20080130232A1

Abstract

Kühlkörper zum Kühlen von elektrischen Bauelementen mittels einer Luftströmung, aufweisend:
eine Basis (21), die zumindest eine erste Seite aufweist, auf der parallel zueinander angeordnete Kühlrippen (22, 22a, 22b) in Längsrichtung der Basis angeordnet sind;
eine auf der ersten Seite der Basis (21) angeordneten Aufnahme (23) für zumindest eine zu kühlende Komponente, an die sich in Längsrichtung ein Abschnitt mit Kühlrippen (22a) anschließt;
wobei die Aufnahme (23) Seitenwände aufweist, die in Längsrichtung und quer zur Längsrichtung der Basis (21) angeordnet sind, und wobei eine äußere seitliche Kühlrippe (22b) eine Seitenwand der Aufnahme (23) bildet;
eine Belüftungsöffnung (24, 25), die im Bereich der quer zur Längsrichtung angeordneten Seitenwand der Aufnahme (23) in der Kühlrippe (22b), die eine Seitenwand der Aufnahme (23) bildet, angeordnet ist;
wobei die Belüftungsöffnung (24, 25) einen Strömungsweg (B, C) für eine Luftströmung zwischen der Umgebung und dem Abschnitt mit den Kühlrippen (22a) bildet,...

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kühlkörper zum Kühlen elektrischer Bauelemente, eine den mit einer Luftströmung beaufschlagten Kühlkörper aufweisende Kühlanordnung und ein diese Kühlanordnung aufweisendes elektrisches Gerät, insbesondere einen Umrichter, der Wechselstrom von einer handelsüblichen Stromversorgung oder ähnlichem in einen Wechselstrom einer vorbestimmten Frequenz und Spannung umrichtet und den resultierenden Strom in einen Elektromotor oder dergleichen einspeist.
Die US 6 320 776 B1 beschreibt ein Leistungsmodul, welches mit einem Kühlkörper in Verbindung steht. Die DE 693 22 494 T2 beschreibt eine Packung mit integrierter Schaltung, welche eine Wärmeabstrahlungszone aufweist.
4 ist ein Schaltbild, das eine typische Schaltungskonfiguration eines Umrichters des vorgenannten Typs zeigt. Der Umrichter 10 in 4 umfasst einen Gleichrichter 11, der Wechselspannung, die von einer handelsüblichen Stromquelle oder dergleichen über einen Anschluss 19a eines Anschlussblocks 19 (vgl. 5) geliefert wird, gleichrichtet, einen Elektrolytkondensator 12, der die gleichgerichtete Spannung glättet, einen Wechselrichter 14, der die am Elektrolytkondensator 12 geglättete Spannung in eine Wechselspannung mit einer gewünschten Frequenz umrichtet, die über einen Anschluss 19b des Anschlussblocks 19 ausgegeben wird, eine Steuerschaltung 15, welche Steuersignale liefert um einen IGBT und andere den Wechselrichter 14 bildende Elemente in gewünschte Betriebszustände zu bringen, und einen Gleichstromsteller 16, der als Stromversorgungsschaltung dient, die eine Gate-Stromversorgung für den Wechselrichter 14 sowie eine Steuerstromversorgung für die Steuerschaltung 15 schafft. In 4 bezeichnet die Bezugsziffer 13 eine, einen Widerstand 13a und einen Transistor 13b umfassende, Widerstandsentladungsschaltung zum Verhindern, dass die Spannung am Elektrolytkondensator 12 aufgrund von rückgespeister elektrischer Energie von der Lastseite des Umrichters 10 über einen vorgegebenen Wert ansteigt.
Ein Beispiel von Umrichtern dieser Art, bei denen ein Widerstand auf einer Luftführungsplatte montiert ist, die auf den distalen Kühlrippen eines Kühlkörpers so vorgesehen ist, dass der Widerstand gekühlt wird, ist aus der JP 2004-187462 A bekannt.
Andererseits hat es einen Fall gegeben, bei dem eine Aufnahme für einen Widerstand auf der Rippenseite eines Kühlkörpers vorgesehen ist, und dies wird nun unter Bezug auf die 5 bis 8 beschrieben. 5 ist eine Schnittansicht, die ein herkömmliches Umrichtergerät mit dem in ihm eingebauten Umrichter 10 zeigt, 6 ist eine perspektivische Ansicht, die den Kühlkörper von oben zeigt, 7 ist eine perspektivische Ansicht, die den Kühlkörper von unten zeigt, und 8 ist eine Ansicht des Kühlkörpers von unten.
In den 5 bis 8 bezeichnet die Bezugsziffer 20 einen Kühlkörper, bei dem sich erwärmende Komponenten wie der Gleichrichter 11 und der Wechselrichter 14 auf einer Seite der Basis 21 angeordnet sind, und bei dem eine Mehrzahl von Rippen 22 im Wesentlichen parallel und in regelmäßigen Abständen auf der anderen Seite der Basis 21 angeordnet sind, und eine Aufnahme 23 für Komponenten wie beispielsweise den Widerstand 13a in einem Teil des Kühlkörpers 20 auf der Seite der Rippen 22 gebildet ist.
Andererseits sind, wie in 5 gezeigt, der Anschlussblock 19, der Elektrolytkondensator 12, ein Trenntrafo 16a und ein den Gleichstromsteller 16 bildender Elektrolytkondensator 16b auf einer Komponentenmontagefläche (Vorderseite) auf einer Hauptumformerschaltung/Stromversorgungsschaltungsplatine 17 innerhalb eines Gehäuses 1 angeordnet. Der Gleichrichter 11 und der Wechselrichter 14 als Hauptumformerschaltungen sind auf der Rückseite der Hauptumformerschaltung/Stromversorgungsschaltungsplatine 17 angeordnet, und eine Oberfläche des Gleichrichters 11 und des Wechselrichters 14 ist dicht an einer Montagefläche der Basis 21 des Kühlkörpers 20 gehalten und daran befestigt. Außerdem ist die in 4 gezeigte Steuerschaltung 15 auf einer Steuerschaltungsplatine 18 angeordnet, die durch einen Gehäuseabschnitt 2 an dem Gehäuse 1 gehaltert ist, so dass verhindert wird, dass eine Erwärmung der Hauptumformerschaltung/Stormversorgungsschaltungsplatine 17 die Steuerschaltungsplatine 18 beeinträchtigt.
Im Allgemeinen wird der Umrichter 10 längs auf einem Platinenmontagerahmen 3 mit dem Anschlussblock 19 auf der unteren Seite montiert, und der Kühlkörper 20 führt Wärme, die von den sich erwärmenden Komponenten erzeugt wird, durch natürliche Konvektion gemäß Darstellung in 5 von unten nach oben ab. Der für den Umrichter 10 verwendete Kühlkörper 20 wird oft mittels eines Aluminiumdruckguss Verfahrens hergestellt, insbesondere dann, wenn ein an den Umrichter 10 angeschlossener Motor eine kleine Leistung aufweist. Im Vergleich zu einem Kühlkörper mit kammartigen Rippen, der durch Montieren von dünnen Aluminiumplatten auf einer Basisfläche durch Einpassen oder Hartlöten hergestellt wird, weist der durch Aluminiumdruckguss hergestellte Kühlkörper 20 den Vorteil auf, dass er nicht nur als Abstrahler dienen kann, sondern auch als Aufnahme für verschiedene Komponenten, d. h. als ein Gehäuse.
In dem Fall, in dem die Aufnahme 23 für Komponenten, wie einem Widerstand, auf der Seite der Rippeneinheit 22 wie bei der herkömmlichen Technik vorgesehen ist, tritt das Problem auf, dass die Kühlungsluft in einem Bereich A der Rippeneinheit 22a, die stromabwärts des Komponentenmontageraums 23 gebildet ist, wie durch strichpunktierte Linien in 8 dargestellt ist, stehen bleibt bzw. stockt, und als Folge davon nimmt die Rate des Wärmetransports über die Oberfläche der Rippeneinheit 22 lokal ab.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Kühlkörper, eine ihn aufweisende Kühlanordnung und ein die Kühlanordnung aufweisendes elektrischen Gerät zu schaffen, wobei selbst dann, wenn eine Aufnahme für Komponenten in einem Teil einer Rippeneinheit des Kühlkörpers vorgesehen ist, verhindert wird, dass die Geschwindigkeit der Luftströmung zwischen den Rippen, die in der Nähe des Komponentenmontageraums gelegen sind, abnimmt.
Diese Aufgabe wird mit einem Kühlkörper gemäß Patentanspruch 1, einer Kühlanordnung gemäß Patentanspruch 3 und einem elektrischen Gerät gemäß Patentanspruch 6 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Erfindungsgemäß wird durch die Öffnung und den Rippenabschnitt um die Öffnung herum eine Strömungsbahn für einen Luftstrom gebildet, so dass die Bildung einer Kühlluft-Stauung um die Aufnahme herum unterdrückt werden kann, wodurch verhindert wird, dass die Wärmeabgabe über die Rippenoberfläche abnimmt. Auch kann die von dem Kühlkörper abgeführte Wärmemenge erhöht werden, was zu einer Verbesserung der Leistungsfähigkeit der Wärmeabfuhr des Kühlkörpers führt. Als Folge kann eine Verkleinerung des Kühlkörpers, der den Anstieg der Temperatur der zu kühlenden Komponenten auf einen maximalen Wert begrenzen soll, erzielt werden, und demzufolge können die Materialkosten reduziert werden.
Diese und weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung gehen aus der folgenden Beschreibung in Verbindung mit den Zeichnungen besser hervor.
Die Erfindung wird unter Bezug auf bestimmte bevorzuge Ausführungsformen und die Zeichnung beschrieben. Es zeigen:
1 eine perspektivische Ansicht eines Kühlkörpers gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
2 eine Ansicht des Kühlkörpers gemäß der ersten Ausführungsform von unten;
3 eine Ansicht des Kühlkörpers gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung von unten;
4 ein Blockschaltbild eines herkömmlichen Umrichtergeräts;
5 eine Schnittansicht eines herkömmlichen Umrichtergeräts;
6 eine perspektivische Ansicht eines herkömmlichen Kühlkörpers von oben;
7 eine perspektivische Ansicht des herkömmlichen Kühlkörpers von unten; und
8 eine Ansicht des herkömmlichen Kühlkörpers von unten.
1 ist eine perspektivische Ansicht, die einen Kühlkörper gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt, und 2 ist eine Ansicht von unten, die den Kühlkörper gemäß der ersten Ausführungsform zeigt. In den 1 und 2 sind die Elemente, die gleich sind wie die in den 4 bis 8 vorhandenen, mit den gleichen Bezugszahlen bezeichnet.
Wie in den 1 und 2 gezeigt, ist stromaufwärts der natürlichen Konvektion eine Aufnahme 23 für einen Widerstand 13a auf der Seite der Basis 21 und mit den Rippen 22 des Kühlkörpers 20 vorgesehen, und ein Bereich mit Rippen 22a ist stromabwärts der Aufnahme 23 und in einem vorbestimmten Abstand von der Aufnahme 23 gebildet. in den 1 und 2 bezeichnet die Bezugszahl 22b eine äußere seitliche Rippe. Die äußere seitliche Rippe 22b sowie ein Gehäuse 1 (vgl. 5) bilden eine Baugruppe für ein Umrichtergerät und dienen als ein Teil der Baugruppe. Die äußere seitliche Rippe 22b in der Nähe der Aufnahme 23 ist mit einer Lufteinlassöffnung 24 versehen, die in Verbindung mit der Umgebung steht.
Somit wird für die Luft stromabwärts des Komponentenmontageraums 23 mit ihrer aufgrund des Temperaturanstiegs reduzierten Dichte ein Strömungsweg für einen Luftstrom B (in 2 gezeigt) externer Luft gebildet, die über die in der Seite des Kühlkörpers 20 gebildete Lufteinlassöffnung 24 hereingezogen wird und nach oben strömt. Dementsprechend beseitigt das Vorhandensein der Lufteinlassöffnung 24 zur Schaffung eines Strömungsweges für den Luftstrom B einen bei einem herkömmlichen Kühlkörper gebildeten Luftstaubereich und verbessert somit die Leistungsfähigkeit der Wärmeabfuhr des Kühlkörpers.
3 ist eine Ansicht eines Kühlkörpers gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung von unten. Gemäß 3 ist stromabwärts der natürlichen Konvektion eine Aufnahme 23 für einen Widerstand 13a auf der Seite der Basis 21 mit den Rippen 22 des Kühlkörpers vorgesehen, und ein Bereich mit Rippen 22a ist stromaufwärts der Aufnahme 23 und in einem vorgegebenen Abstand von der Aufnahme 23 gebildet. Außerdem ist eine äußere seitliche Kühlrippe 22b in der Nähe der Aufnahme 23 mit einer Luftauslassöffnung 25 vorgesehen, die in Verbindung mit einem Außenraum steht.
Bei der in 3 dargestellten Ausführungsform ist im Gegensatz zur in den 1 und 2 dargestellten Ausführungsform ein Strömungsweg für einen von dem Bereich mit den Rippen 22a durch die Luftauslassöffnung 25 nach außen fließenden Luftstrom C gebildet. Das Vorsehen der Luftauslassöffnung 25 zur Schaffung eines Strömungsweges für den Luftstrom C beseitigt einen bei einem herkömmlichen Kühlkörper gebildeten Luftstaubereich und verbessert somit die Leistungsfähigkeit der Wärmeabfuhr des Kühlkörpers.
Die dargestellten Ausführungsformen zeigen beispielsweise die Lufteinlassöffnung 24 und die Luftauslassöffnung 25 in Form eines im Wesentlichen vertikalen Schlitzes oder Spaltes, der sich durch die gesamte Dicke des Seitenend-Rippenabschnitts 22b erstreckt. Jedoch kann die Öffnung eine andere Form, beispielsweise seitliche Schlitze oder Spalte, ein oder mehrere Löcher, einen V-förmigen Ausschnitt, mehrere Schlitze anstatt nur eines, annehmen, solange ein Luftstrom erzielt wird, der dafür ausreicht, die Bildung eines Luftstaubereichs zu verhindern.

Claims

Kühlkörper zum Kühlen von elektrischen Bauelementen mittels einer Luftströmung, aufweisend: eine Basis (21), die zumindest eine erste Seite aufweist, auf der parallel zueinander angeordnete Kühlrippen (22, 22a, 22b) in Längsrichtung der Basis angeordnet sind; eine auf der ersten Seite der Basis (21) angeordneten Aufnahme (23) für zumindest eine zu kühlende Komponente, an die sich in Längsrichtung ein Abschnitt mit Kühlrippen (22a) anschließt; wobei die Aufnahme (23) Seitenwände aufweist, die in Längsrichtung und quer zur Längsrichtung der Basis (21) angeordnet sind, und wobei eine äußere seitliche Kühlrippe (22b) eine Seitenwand der Aufnahme (23) bildet; eine Belüftungsöffnung (24, 25), die im Bereich der quer zur Längsrichtung angeordneten Seitenwand der Aufnahme (23) in der Kühlrippe (22b), die eine Seitenwand der Aufnahme (23) bildet, angeordnet ist; wobei die Belüftungsöffnung (24, 25) einen Strömungsweg (B, C) für eine Luftströmung zwischen der Umgebung und dem Abschnitt mit den Kühlrippen (22a) bildet, um einen Luftstau der kühlenden Luftströmung in dem Abschnitt mit den Kühlrippen (22a) zu verhindern.
Kühlkörper nach Anspruch 1, bei dem der Abschnitt mit Kühlrippen (22a) einen Abschnitt mit kürzeren Rippen als die äußere seitliche Kühlrippe (22b) aufweist, wobei der Abschnitt mit Kühlrippen (22a) mit der Aufnahme (23) ausgerichtet ist.
Kühlanordnung mit einem Kühlkörper nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkörper von einer Luftströmung beaufschlagt wird.
Kühlanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Abschnitt mit Kühlrippen (22a) bezüglich der Strömungsrichtung der Luftströmung stromaufwärts der Aufnahme (23) gelegen ist.
Kühlanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Abschnitt mit Kühlrippen (22a) bezüglich der Strömungsrichtung der Luftströmung stromabwärts der Aufnahme (23) gelegen ist.
Elektrisches Gerät mit einer Kühlanordnung nach Anspruch 4 oder 5.
Elektrisches Gerät nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass es ein Umrichter ist.
Elektrisches Gerät nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Umrichter einen Gleichrichter (11) zur Umsetzung eine Eingangswechselspannung in eine Gleichspannung, einen dem Gleichrichter zur Glättung der Gleichspannung nachgeschalteten Elektrolytkondensator (12) und einen Wechselrichter (14) zur Umwandlung der Gleichspannung in eine Wechselspannung aufweist, wobei eine einen Dämpfungswiderstand (13a) enthaltende Spannungs begrenzungsschaltung (13) vorgesehen ist, um einen Spannungsanstieg der Gleichspannung am Elektrolytkondensator (12) auf oder über einen vorgegebenen Grenzwert zu verhindern, wobei der Dämpfungswiderstand (13a) in der Aufnahme (23) des Kühlkörpers angeordnet ist.