DE102009010257A1

DE102009010257A1 - Leistungsteil für eine Motorsteuerung in einem Flurförderzeug

Info

Publication number: DE102009010257A1
Application number: DE200910010257
Authority: DE
Inventors: Ulf Bergmann; Ole Burmester; Thomas Schuldt; Michael Steiner
Original assignee: Jungheinrich AG
Current assignee: Jungheinrich AG
Priority date: 2009-02-24
Filing date: 2009-02-24
Publication date: 2010-08-26

Abstract

Leistungsteil für eine Motorsteuerung in einem Flurförderzeug, mit einer Leiterplatte, deren Substrat aus Metall oder aus einem anderen gut wärmeleitenden Material besteht oder eine gut wärmeleitende untere Schicht aufweist, einem Kühlkörper aus gut wärmeleitendem Material mit mindestens einer Ausnehmung, wobei die Leiterplatte mit der Unterseite so auf dem Kühlkörper aufgelegt bzw. angebracht ist, dass die Ausnehmung flüssigkeitsdicht abgedichtet ist, einem mit der Ausnehmung verbundenen Zulauf und einem mit der Ausnehmung verbundenen Ablauf für Kühlflüssigkeit, einer über Leitungen mit Zulauf und Ablauf verbundenen Pumpe für die Kühlflüssigkeit und einem in einer der Leitungen angeordneten Wärmetauscher für die Kühlflüssigkeit.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Leistungsteil für eine Motorsteuerung in einem Flurförderzeug nach Patentanspruch 1.
Leistungsteile mit Halbleitertechnologie werden in Flurförderzeugen verwendet, um etwa Motoren wie z. B. Gleichstrom-, Asynchron-, BLDC- oder Synchromotoren zu steuern. Die Motoren bewerkstelligen Fahr- oder Hubfunktionen. Zur Leistungsendstufe werden üblicherweise Mosfet-Transistoren verwendet, die mit einem oder mehreren Steuerteilen und Prozessoren auf einer sogenannten Leiterplatte untergebracht sind. Das Hauptproblem bei derartigen Leistungsteilen ist die Wärme, die in den leistungsführenden Bauteilen der Endstufe beim Betreiben eines Motors entsteht. Diese Wärme entsteht hauptsächlich in den Halbleitern, Kondensatoren und Leiterbahnen der Leiterplatte.
Aus fertigungstechnischen Gründen sowie aus Gründen der besseren Wärmeableitung sind die Bauteile einer derartigen Endstufe auf einer geeigneten Leiterplatte angebracht, beispielsweise auf einer IMS („insulated metal substrate”), einer FR4 mit Dickkupfer oder einer keramischen Leiterplatte. Diese weist zumeist ein Substrat aus Metall auf (zumeist Aluminium oder Kupfer), FR4 oder Keramik in einer dünnen Isolationsschicht aus Kleber oder Lack und den darauf aufgebrachte Leiterbahnen. Für diesen Aufbau sind die wärmeerzeugenden Halbleiter thermisch gut an die Grundplatte des Substrats angebunden.
Es ist auch bekannt, das Substrat auf einem Kühlkörper zu befestigen, der auch Teil des Gehäuses der Leistungssteuerung sein kann. Die Befestigung hat zum Ziel, das Material des Substrats so großflächig wie möglich an den Kühlkörper zu drücken, damit luftgefüllte Zwischenräume, die den Wärmeübergang negativ beeinflussen, vermieden werden. Die Befestigung kann mittels Schrauben, Federn oder auf andere Weise erfolgen.
Durch fertigungsbedingte Toleranzen im Grundkörper bzw. im Substrat, durch Verzug und Oberflächenbeschaffenheit sowie durch limitierte Platzverhältnisse für Schrauben, Federn oder dergleichen, kann bei Serienprodukten nicht gewährleistet werden, dass der Wärmeübergang zwischen Substrat und Kühlkörper optimal ist. Auch sogenannte thermische Interfacematerialien bringen keine wesentliche Verbesserung.
Durch den schlechten Wärmeübergang erhitzen sich die Bauteile der Endstufe stärker als erforderlich. Um diesem Umstand entgegenzuwirken, muss die Fläche vergrößert werden oder es müssen mehr Halbleiter verwendet werden, ansonsten werden die vorhandenen Teile thermisch höher belastet, was eine negative Auswirkung auf die Lebensdauer hat. Außerdem werden die Bauteile des Steuerteils für den Leistungsteil stärker durch Konvektion oder Strahlung erhitzt, wenn diese im gleichen Gehäuse eingebaut sind. Die Bauteile des Steuerteils sind üblicherweise nicht so temperaturfest wie die des Leistungsteils.
Ein zweiter Nachteil ist die Notwendigkeit, die Wärme, die vom Leistungsteil in den Kühlkörper übertragen wird, direkt am Ort an die Umgebungsluft abzugeben. Dies bedingt entweder eine gute Wärmeleitung an einen Wärmespeicher oder einen entsprechend geformten Kühlkörper, der durch Konvektion oder beschleunigte Luftbewegung die Wärme abgibt. Ist ein Heckgewicht vorhanden, muss es groß sein und eine große Fläche haben. Nicht alle Flurförderzeuge haben jedoch ein Heckgewicht. Ist ein Heckgewicht vorhanden, muss es groß genug sein und eine kleine Fläche haben. Außerdem werden in diesem Fall meist lange Leistungsleitungen benötigt, da die Motoren und das Heckgewicht an entgegengesetzten Enden des Flurförderzeugs platziert sind.
Eine natürliche Konvektion reicht in der Regel zur Abführung der entstehenden Wärme nicht aus, weshalb Lüfter eingesetzt werden. Häufig benötigen diese zusätzlich noch Luftführungen, damit kühlere Außenluft angesaugt werden kann und nicht die erwärmte Luft aus dem Inneren des Flurförderzeugs. Durch Vorsehen von Rippen am Kühlkörper zwecks geeigneter Luftführung und durch einen Lüfter wird in normalerweise limitierten Bereichen des Flurförderzeugs sehr viel Platz beansprucht.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Leistungsteil für einen Motor in einem Flurförderzeug zu schaffen, bei dem für eine wirksame Abführung der erzeugten Wärme gesorgt ist.
Diese Aufgabe wird mit einem Leistungsteil nach Patentanspruch 1 gelöst.
Bei dem erfindungsgemäßen Leistungsteil wird von einem Substrat aus Metall oder aus einem anderen gut wärmeleitenden Material ausgegangen. Alternativ kann das Substrat eine gut wärmeleitende untere Schicht aufweisen. Es wird ein Kühlkörper aus einem gut wärmeleitenden Material mit mindestens einer Ausnehmung verwendet, wobei die Leiterplatte mit ihrer Unterseite so auf den Kühlkörper aufgelegt und angebracht ist, dass die Ausnehmung flüssigkeitsdicht abgedichtet ist. Die Ausnehmung weist einen Zulauf und einen Ablauf für eine Kühlflüssigkeit auf, die über Leitungen mit einer Pumpe für die Kühlflüssigkeit verbunden sind. In einer der Leitungen ist außerdem ein Wärmetauscher für die Kühlflüssigkeit angeordnet.
Eine Wasserkühlung für Halbleitermodule ist aus WO 2008/007799 A1 bekannt geworden. Der Kühlkörper aus Aluminium ist mit Kühlkanälen versehen, die einen Zu- und Ablauf aufweisen. Der Kühlkörper ist mit einer Abdeckplatte aus Aluminium verschlossen, auf welcher Halbleitermodule aufgebracht sind. Eine Wasserkühlung eines Kühlkörpers für eine Leiterplatte ist auch aus EP 1 858 313 A1 bekannt geworden. Aus DE 10 2004 006 587 A1 ist bekannt geworden, das Gegengewicht eines Flurförderzeugs mit einem Kühlkanal zu versehen, wobei das Kühlmedium durch Schwerkraft umgewälzt wird. Aus DE 20 2005 020 634 U1 ist ferner bekannt, ein Antriebssystem für ein Flurförderzeug einschließlich elektrischer und elektronischer Komponenten mittels Flüssigkeit zu kühlen.
Erfindungswesentlich ist, dass die Kühlflüssigkeit direkt unter dem Substrat fließt. Dadurch gibt es im Pfad der Verlustwärme von den Halbleitern zur Kühlflüssigkeit keine Luftschicht, die den Wärmeübergang verschlechtert.
Nach einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Wärmtauscher einen Radiator aufweist. Um die Wärmeabfuhr vom Radiator zu verbessern, kann nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen sein, dem Radiator einen Lüfter zuzuordnen, dessen Luftstrom auf den Radiator gerichtet ist. Alternativ kann der Wärmeaustauscher auch vom Heckgewicht des Flurförderzeugs gebildet sein. Als Kühlflüssigkeit dient vorzugsweise Wasser bzw. ein Wasser-Glykol-Gemisch.
Durch geeignete Ausgestaltung von Kühlkanälen im Kühlkörper kann der Wärmeabtransport verbessert werden. Hierzu sieht eine Ausgestaltung der Erfindung vor, dass im Kühlkörper ein labyrinthartiger Kühlkanal eingeformt ist, der zur Seite der Leiterplatte hin offen ist. Der Kühlkanal kann mäanderförmig in den Kühlkörper eingeformt sein und eine große, der Leiterplatte zugekehrte Fläche bereitstellen. Alternativ kann in den Kühlkörper eine Mehrzahl von parallelen Kühlkanälen eingeformt sein, die zur Leiterplatte hin offen und über einen gemeinsamen Verbindungskanal mit dem Zulauf bzw. dem Ablauf für Kühlflüssigkeit verbunden sind.
Nach einer anderen Ausgestaltung der Erfindung kann eine metallische oder nicht metallische oder nichtmetallische Dichtung in eine die Ausnehmung umgebende Nut des Kühlkörpers eingebracht sein. Zusätzlich oder alternativ kann die Leiterplatte mit dem Kühlkörper verklebt, verlötet oder verschweißt sein, um die Ausnehmung ausreichend abzudichten.
Schließlich kann der Kühlflüssigkeit ein Dichtungsmittel zugesetzt sein, das vorhandene Spalte zwischen Leiterplatte und Kühlkörper abdichtet.
Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert werden:
1 zeigt schematisch den Aufbau eines Leistungsteils nach der Erfindung,
2 zeigt perspektivisch eine erste Ausführungsform eines Kühlkörpers der Anordnung nach 1,
3 zeigt perspektivisch eine zweite Ausführungsform eines Kühlkörpers für das Leistungsteil nach 1,
4 zeigt perspektivisch eine dritte Ausführungsform für das Leistungsteil nach 1,
5 zeigt perspektivisch eine vierte Ausführungsform eines Kühlkörpers für das Leistungsteil nach 1.
In 1 ist ein Substrat 4 zu sehen, das zum Beispiel eine IMS-Leiterplatte ist. Auf dieser befinden sich Leiterbahnen 2, ein Leistungshalbleiter 1 sowie eine dünne Isolationsschicht 3 zur metallischen Substratplatte 4. Die Substratplatte 4 liegt auf einem Kühlkörper 6, in dem eine Ausnehmung 5 eingeformt ist. Zwischen Substratplatte 4 und Kühlkörper 6, der aus einem geeigneten Metall besteht, z. B. Aluminium, ist eine Dichtung 7 angeordnet. Die Dichtung 7 kann z. B. in eine die Ausnehmung 5 umgebende Nut des Kühlkörpers 6 eingelegt sein (nicht gezeigt). In der Ausnehmung 5 befindet sich Kühlwasser. Der Kühlkörper weist einen Zulauf 8 und einen Ablauf 9 auf, die über Leitungen 10 mit einer Pumpe 12 verbunden sind. Die Pumpe 12 wird von einem Motor 14 angetrieben. In der Leitung 10 befindet sich außerdem ein Radiator 16, der von einem Lüfter 18 mit Luft beströmt wird. Mit Hilfe der Pumpe 12 wird Kühlflüssigkeit umgewälzt, und die Kühlflüssigkeit in der Ausnehmung 5 kühlt die Unterseite des metallischen Substrats und sorgt dafür, dass die vom Halbleiter 1 und auch den Leiterbahnen 2 entwickelte Wärme in geeigneter Weise und wirksam abgeführt wird.
Der Kühlkörper 6a nach 2 weist eine Aluminiumplatte 20 auf, in die ein spiralförmig verlaufender Kühlkanal 22 eingeformt ist. Seine Enden sind mit Zulauf 8 und Ablauf 9 verbunden (siehe 1). Zu- und Ablauf sind auf einer Seite des Kühlkörpers. Diagonal gegenüberliegend angeordnete Zapfen 24 dienen zur lagerichtigen Anbringung des Substrats 4, was im Einzelnen nicht gezeigt ist.
Bei dem Kühlkörper 6a nach 3 ist ein mäanderförmiger Kühlkanal 22b in die Aluminiumplatte 20 eingeformt, wobei Zulauf 8 und Ablauf 9 auf gegenüber liegenden Enden der Platte liegen. Bei dem Kühlkörper 6c ist ebenfalls ein mäandernder Kühlkanal 22c in die Aluminiumplatte eingeformt mit einander gegenüberliegendem Zulauf 8 und Ablauf 9.
Beim Kühlkörper 6d ist in die Aluminiumplatte 20 eine Vielzahl von parallelen Kühlkanälen eingeformt, die über eine erste Verbindungsleitung 26 mit dem Zulauf 8 und über eine zweite Verbindungsleitung 28 mit dem Ablauf 9 verbunden sind. In allen Fällen sind die Kühlkanäle nach oben hin offen, d. h. zum Substrat 4 hin, sodass das darin fließende Kühlwasser die Unterseite des Substrats 4 wirksam bestreicht.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- WO 2008/007799 A1 [0012]
- EP 1858313 A1 [0012]
- DE 102004006587 A1 [0012]
- DE 202005020634 U1 [0012]

Claims

Leistungsteil für eine Motorsteuerung in einem Flurförderzeug, mit einer Leiterplatte, deren Substrat aus Metall oder aus einem anderen gut wärmeleitenden Material besteht oder eine gut wärmeleitende untere Schicht aufweist, einem Kühlkörper (6, 6a, 6b, 6c, 6d) aus gut wärmeleitendem Material mit mindestens einer Ausnehmung (5), wobei die Leiterplatte mit der Unterseite so auf dem Kühlkörper aufgelegt bzw. angebracht ist, dass die Ausnehmung (5) flüssigkeitsdicht abgedichtet ist, einem mit der Ausnehmung (5) verbundenen Zulauf (8) und einem mit der Ausnehmung (5) verbundenen Ablauf (9) für Kühlflüssigkeit, einer über Leitungen (10) mit Zulauf und Ablauf verbundenen Pumpe (12) für die Kühlflüssigkeit und einem in einer der Leitungen (10) angeordneten Wärmetauscher (16) für die Kühlflüssigkeit.
Leistungsteil für eine Motorsteuerung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher (16) ein Radiator ist.
Leistungsteil für eine Motorsteuerung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Lüfter (18) vorgesehen ist, dessen Luftstrom auf den Radiator (16) gerichtet ist.
Leistungsteil für eine Motorsteuerung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Wärmetauscher ein Heckgewicht für das Flurförderzeug dient.
Leistungsteil für eine Motorsteuerung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass als Kühlflüssigkeit Wasser vorgesehen ist.
Leistungsteil für eine Motorsteuerung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass im Kühlkörper (6a bis 6c) ein labyrinthartiger Kanal (22a, 22b, 22c) eingeformt ist, der zu der Leiterplatte hin offen ist.
Leistungsteil für eine Motorsteuerung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mehrzahl von parallelen Kühlkanälen im Kühlkörper (6d) geformt ist, die zur Leiterplatte hin offen sind und über einen gemeinsamen Verbindungskanal (26, 28) mit dem Zulauf (8) bzw. Ablauf (9) verbunden sind.
Leistungsteil für eine Motorsteuerung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine metallische oder nicht-metallische Dichtung (7) in eine die Ausnehmung (5) umgebende Nut des Kühlkörpers (6) eingebracht ist.
Leistungsteil für eine Motorsteuerung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterplatte mit dem Kühlkörper verklebt, verlötet oder verschweißt ist.
Leistungsteil für eine Motorsteuerung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlflüssigkeit ein Dichtungsmittel zugesetzt ist, das vorhandene Spalte zwischen Leiterplatte und Kühlkörper abdichtet.