-
Die Erfindung betrifft ein elektrisches und induktives Bauteil mit einem Gehäuse, in dem wenigstens ein magnetischer Kern und wenigstens ein den Kern umgebender Stromleiter und wenigstens ein Kühlelement angeordnet sind.
-
Aus der
DE 10 2011 013 684 A1 ist ein elektronisches Bauteil bekannt, das wenigstens eine in einer Vergussmasse angeordnete elektrische Verlustleistungsquelle aufweist. In der Vergussmasse sind eine Kühleinrichtung und ein Wärmeleitteil vorgesehen, das mit einem Teilbereich direkt an oder zumindest in der Nähe der Verlustleistungsquelle angeordnet ist. Aus der
EP 1 772 877 A1 sind Kühlelemente bekannt und aus der
WO 94/ 27 304 A1 Kühlleitungen. Aus der
DE 203 17 641 U1 sind Wärmeleitbrücken und das Vergießen eines Bauteils beschrieben.
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein elektronisches Bauteil bereitzustellen, bei dem die Wärmeabfuhr gleichmäßiger und effektiver vonstattengeht und die in Bezug auf ihre Konstruktionsmerkmale kostengünstig herstellbar ist.
-
Die Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale des Patentanspruchs 1. Weitere Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
-
Ein elektronisches Bauteil kann eine Spule sein und mehrere Bauelemente wie z.B. wenigstens einen Kern und einen Stromleiter umfassen. Beispielhaft können mehrere Kerne vorgesehen sein, die durch ein Joch miteinander verbunden sind. Der Kern umfasst z.B. weichmagnetische Materialien wie Ferrite aber auch Trafo- und Drosselkerne wie 3UI-Kerne und El-Kerne aus Kernblechen. Der Kern kann stabförmig oder als Ring ausgebildet sein. Elektronische und induktive Bauteile können beispielsweise Drosseln, Trafos, Netzdrosseln, Sinusfilter, EMV Filter o.ä. Widerstände oder Kondensatoren sein. Typischer Weise liegt der Stromleiter in gewickelter Form vor, wobei die Wicklungen den Kern umgeben.
-
Das elektronische Bauteil kann elektrische Felder und magnetische Felder sowie mechanische Kräfte nutzen, um einen gewünschten funktionalen Zusammenhang zwischen der elektrischen Spannung und der elektrischen Stromstärke herzustellen. Liegt z.B. an einer Leuchtdiode ein elektrischer Strom an (Spannung), so strahlt die Diode Licht aus (Stromstärke). Elektronische und induktive Bauteile nutzen den magnetischen Fluss stromdurchflossener Leiter, z.B. die Wicklung eines Stromleiters, wodurch gleichzeitig Wärme entsteht.
-
Da die beim Betrieb des elektronischen Bauteils unerwünscht auftretende Wärme der Differenz aus aufgenommener Leistung (Spannung) und der in der gewünschten Form abgegebenen Leistung (z.B. Licht) entspricht, stellt die Wärme einen Leistungsverlust dar. Die Verlustleistung ist somit derjenige Teil der Wirkleistung, der unerwünscht in einem elektronischen Bauteil entsteht.
-
Elektronische und induktive Bauteile können Quellen des Leistungsverlusts (Verlustleistungsquellen) sein, da typischer Weise im Bereich des Kerns und zwischen der Wicklung des Stromleiters und dem Kern hohe Energieverluste in Form von Wärme auftreten. Die Verluste können jedoch auch direkt in der Wicklung auftreten. Die Abführung der Wärmeenergie kann durch Wärmeabstrahlung oder Wärmeübertragung z.B. mit Hilfe von Kühlelementen erfolgen. Im Folgenden wird die in Form unerwünschter Wärmeenergie auftretende Verlustleistung auch als Abwärme bezeichnet.
-
Elektronische und induktive Bauteile bedürfen häufig der Kühlung. Die Kühlung erfolgt mit Hilfe von Kühlelementen, durch die dem elektronischen Bauelement Abwärme entzogen werden kann. Die Kühlung basiert auf der Übertragung von Abwärme vom zu kühlenden Körper zum Kühlmittel im Kühlelement. Als Kühlmittel können flüssige und gasförmige Fluide (z.B. Kühlflüssigkeit oder Kühlluft) verwendet werden.
-
Durch Einsatz von Kühlelementen kann die wärmeabgebende Oberfläche des wärmeproduzierenden elektronischen Bauteils vergrößert werden. Hierdurch wird der Überhitzung des Bauteils vorgebeugt. Das Kühlelement kann die Abwärme durch Wärmeleitung vom Bauteil wegleiten und durch Wärmestrahlung z.B. an die Gehäuseaußenwand abgeben. Beim Betrieb des elektronischen Bauteils kann somit ein bedeutender Teil der Abwärme über das von Kühlmittel durchströmte Kühlelement abgeführt werden.
-
Die Erfindung ist auf eine Vielzahl unterschiedlicher Kühlsysteme anwendbar. Beispielsweise können neben Rückflusskühlern, Verdampfungskühlern und Thermosiphonkühler auch Wärmerohe (sogenannte Heatpipe) Verwendung finden. Mit der Erfindung wird eine gezielte und verbesserte Ableitung der Abwärme über den Kühlkreislauf bewirkt.
-
Ein Teil der Abwärme kann über eine im Gehäuse des Bauteils angeordnete Vergussmasse abgeleitet werden. Die Vergussmasse dient der Umhüllung und dem Schutz der innerhalb des Gehäuses des Bauteils angeordneten Baugruppen der Verlustleistungsquelle. Insbesondere der Kern und die stromführenden Wicklungen sowie die Kühlelemente und die Wärmeleitbleche können sich in der Vergussmasse erstrecken. Auf diese Weise werden sie vor Eindringen von Feuchtigkeit, Staub oder Wasser geschützt. Die Vergussmasse wirkt elektrisch isolierend und bewirkt weiter eine Erhöhung der Spannungsfestigkeit und des Berührungsschutzes innerhalb des elektronischen Bauteils. Die Vergussmasse dient aber auch dem Wärmetransport von der Wärmequelle zum Kühlkörper und zu den Wärmeleitblechen. Der Wärmeleitwert der Vergussmasse ist im Vergleich zur Luft bedeutend größer.
-
Hohe Temperaturschwankungen innerhalb der Verlustleistungsquelle können zu starken mechanischen Verspannungen in der Vergussmasse führen. Die Vergussmasse kann reißen oder platzen. Zu hohe Abwärme kann zum Verlust der Schutzeigenschaft des Bauteils führen oder das Bauteils in Gänze funktionsunfähig machen.
-
Die Vergussmasse ist üblicherweise ein Epoxy oder Polyurethan. Sie kann Thermoplasten und/oder Duroplasten sowie Silikonmassen und polymerkeramische Massen umfassen. Selbstverständlich können auch andere Werkstoffe verwendet werden.
-
Das Gehäuse und eine die Vergussmasse aufnehmende Vergussform können als einheitliches Bauteil ausgebildet sein. Durch Vereinheitlichung der Bauweise können Fertigungsschritte eingespart und Herstellungskosten gesenkt werden. Die äußeren Kühlleitbleche können als Gehäuse fungieren, aber auch im Verguss integriert sein. Durch die äußere Anordnung wird eine Wärmeabstrahlung an die Umgebung minimiert. Somit werden benachbarte Komponenten weniger beeinflusst.
-
Auf Grund der Leitfähigkeit der Vergussmasse (z.B. 0,6 bis größer 5 W/mK) verteilt sich die Abwärme gleichmäßig über die gesamte Vergussmasse.
-
Es ist wenigstens ein Wärmeleitblech vorgesehen, das der Aufnahme und der Ableitung der Abwärme dient. Das Wärmeleitblech kann am Kühlelement befestigt sein und das Kühlelement mit der Gehäusewand verbinden. Zur direkten und großflächigen Einleitung und Verteilung der Abwärme in das/dem Gehäuse erstrecken sich das Kühlelement und/oder das Wärmeleitblech in der im Gehäuse befindlichen Vergussmasse. Die Wärmeleitbleche und/oder Kühlelemente umfassen Werkstoffe mit hoher Leitfähigkeit wie z.B. Kupfer (Cu) oder Aluminium (Al).
-
Jedes Kühlelement kann über wenigstens ein Wärmeleitblech mit einem Gehäusedeckel oder einem Gehäuseboden verbunden sein. Die Erfindung verbindet somit die Vorteile der Vergusstechnik, über die eine hohe Schutzklasse erreichbar ist mit der effektiven Abgabe der Abwärme am Ort der Wärmeentstehung.
-
Das Wärmeleitblech und/oder das Kühlelement können Werkstoffe umfassen, die wie z.B. Kupfer (Cu) und/oder Aluminium (AI) durch eine hohe Wärmeleitfähigkeit geprägt sind.
-
Das Wärmeleitblech und/oder das Kühlelement können zur Vergrößerung ihrer Oberfläche Lamellen, Finnen und/oder Rippen aufweisen, wodurch eine besonders gute Aufnahme und Verteilung der Abwärme in die Vergussmasse und an die Außenwände der Gehäuse möglich ist.
-
Als Kühlprofil und/oder als Kühlrohr ausgebildete weitere Wärmeleitbleche können im Inneren der Verlustleistungsquelle, z.B. zwischen dem Kern und den ihn umgebenden Wicklungen angebracht sein und dort eine zusätzliche Kühlung bewirken.
-
Das wenigstens eine Kühlelement und/oder das Wärmeleitblech kann zwischen den Verlustleistungsquellen und/oder zwischen dem Kern und der Wicklung des Stromleiters angeordnet sein und/oder an der Außenseite der Verlustleistungsquelle an der Wicklung anliegen. Je nach Umfang und Größe der Verlustleistungsquelle kann das elektronische Bauteil in einer Weise gekühlt werden, dass einer Beschädigung des Bauteils wirksam entgegengewirkt werden kann.
-
Das wenigstens eine Kühlelement und/oder das Wärmeleitblech und/oder die Gehäuseaußenwand können von fluiden Kühlmitteln durchströmte Kühltaschen sein. Die Kühltasche umfasst ein von Kühlmitteln durchströmtes Hohlprofil, das wenigstens einen Anschluss für die Kühlmittelzuführung und wenigstens einen Anschluss für die Kühlmittelableitung aufweist.
-
Die Außenwand des Gehäuses kann jedoch auch eine Stützwand sein. Zur Stabilisierung des Gehäuses und zur gleichzeitigen Kühlung der Verlustleistungsquelle können die stirnseitigen und/oder die längsseitigen Gehäuseaußenwände als Stützwände und/oder als Kühltaschen ausgebildet sein. Die als Stützwände und/oder als Kühltaschen ausgebildeten Gehäusewände können in Form eines Baukastensystems gegeneinander ausgetauscht werden.
-
Die Kühltasche erfüllt die Funktion eines Wärmetauschers. Die von der Verlustleistungsquelle auf die Kühltasche übertragene Abwärme wird auf das im Inneren der Kühltasche strömende Kühlmittel übertragen. Das so erwärmte Kühlmittel kann durch eine Kühlmittelableitung einer weiteren Nutzung zugeführt werden. Die innerhalb der Verlustleistungsquelle entstandene Abwärme kann somit umweltschonend weiter genutzt werden.
-
Das Kühlelement kann ein Wasserverteiler sein. Zu dieser Funktion ist das Kühlelement an einen Wasserkreislauf angeschlossen.
-
Die Erfindung erweist sich als vorteilhaft, da die im Bereich der Verlustleistungsquelle auftretende Abwärme stark abgesenkt werden kann. Im Gehäuse vorhandene Isolatoren unterliegen nicht der Belastung durch die hohe Temperatur der Abwärme der Verlustleistungsquelle. Hierdurch kann die Lebensdauer der Isolatoren erheblich verlängert werden. Die Abwärme kann direkt an der Verlustleistungsquelle gebunden werden und weiter einer nutzbringenden Anwendung zugeführt werden.
-
Die Erfindung ermöglicht eine Absenkung der Durchschnittstemperatur der Verlustleistungsquelle um bis zu 60 K.
-
Im Folgenden wird die Erfindung und deren Ausgestaltungen im Zusammenhang mit den Figuren näher erläutert. Hierbei zeigen:
- 1 eine Verlustleistungsquelle mit Gehäuse und Sockel,
- 2 in Explosionsdarstellung die Kühlelemente mit Wärmeleitblechen und Gehäusewänden,
- 3 im Zusammenbau die Kühlelemente mit Wärmeleitblechen im Gehäuse,
- 4 schematisiert in Draufsicht mehrere Verlustleistungsquellen mit Wärmeleitblechen in einer Vergussmasse und
- 5 einen Temperaturvergleich zwischen je einer luftgekühlten Verlustleistungsquelle, einer wassergekühlten Verlustleistungsquelle nach dem Stand der Technik und einer erfindungsgemäß wassergekühlten Verlustleistungsquelle.
-
1 zeigt eine Verlustleistungsquelle 1, die in einem Gehäuse 6 angeordnet ist und auf einem Sockel 13 fixiert ist. Die Verlustleistungsquelle 1 umfasst einen Kern 3, der mit Wicklungen eines Stromleiters 4 umwickelt ist. Seitlich anliegend an der Verlustleistungsquelle 1 sind Kühlelemente 2 dargestellt. In der Seitenwand 8 des Gehäuses 6 ist zu beiden Seiten der Verlustleistungsquelle 1 je ein Kühlmittelkanal 14 angeordnet.
-
In 1 ist der Kühlmittelkanal 14, der den Kühlelementen 2 Kühlmittel zur Wärmeabfuhr zuführt auf der Rückseite der Verlustleistungsquelle 1 dargestellt. Der Kühlmittelkanal 14 ist über Kühlmittelzuführungen 10 mit den beiderseits der Verlustleistungsquelle 1 angeordneten Kühlelementen 2 verbunden. Die Kühlelemente 2 fungieren als Wärmetauscher und nehmen die in der Verlustleistungsquelle 1 vorhandene Abwärme auf. Sie übertragen die Abwärme auf das in den jeweiligen Kühlelementen 2 strömende Kühlmittel. Durch die Kühlmittelableitung 11 wird das im Kühlelement 2 über die Abwärme erhitzte Kühlmittel dem Kühlmittelkanal 14 zugeführt, der in 1 auf der Vorderseite der Verlustleistungsquelle 1 zu erkennen ist. Stirnseitig an den beiden Kühlmittelkanälen 14 ist je ein Kühlmittelanschluss 15 angeordnet, mit dem die beiden Kühlmittelkanäle 14 an einen nicht dargestellten Kühlmittelkreislauf angeschlossen sind.
-
Seitlich umlaufend um die Verlustleistungsquelle 1 sind Außenwände 8 des Gehäuses 6 des Bauteils gezeigt. Die Kühlmittelkanäle 14 sind in die Außenwände 8 des Gehäuses 6 integriert. Die längsseitig an der Verlustleistungsquelle 1 angeordneten Gehäuseaußenwände 8 können Kühlelemente 2 sein, die als Kühltaschen ausgebildet sind. An den beiden Stirnseiten des Gehäuses 6 des Bauteils sind die Außenwände 8 als Stützplatten 12 dargestellt.
-
Innerhalb des Gehäuses 6 des Bauteils ist eine Vergussmasse 5 angeordnet, die die im Gehäuse 6 angeordneten Baugruppen der Verlustleistungsquelle 1 umschließt.
-
In 1 sind an der vorderen Seitenwand des Gehäuses 6 elektrische Anschlüsse 17 vorgesehen, die die Seitenwand 8 des Gehäuses 6 durchbrechen.
-
2 zeigt in Explosionsdarstellung die Kühlelemente 2, die über Wärmeleitbleche 7 mit Seitenwänden 8 des Gehäuses 6 des Bauteils verbunden sind. Zur besseren Wärmeeintragung in die Seitenwand 8 des Gehäuses 6 ist das Wärmeleitblech 7 L-förmig ausgebildet und liegt mit einem Flansch flächig an der Seitenwand 8 des Gehäuses 6 an. Die Seitenwände des Gehäuses 6 sind als Stützplatten 12 ausgebildet, die der Versteifung des Gehäuses 6 dienen.
-
Die Kühlmittelkanäle 14 weisen stirnseitig Kühlmittelanschlüsse 15 auf und stehen über Kühlmittelzuführungen bzw. Kühlmittelableitungen 10; 11 mit den Kühlelementen 2 in Verbindung. Teilweise verdeckt durch die Kühlelemente 2 erstreckt sich hinten in 2 der Kühlmittelkanal 14, der die Kühlelemente 2 mit Kühlmittel versorgt (Kühlmittelzuführung 11).
-
Die Kühlmittelzuführungen 11 übergreifen im zusammengebauten Zustand den Kern 3 (nicht dargestellt) der Verlustleistungsquelle 1 um die Kühlelemente 2 der gegenüberliegenden Seite mit Kühlmittel zu versorgen. In 2 sind die Kühlmittelkanäle 14 jeweils in zweifacher Ausführung und relativ zum Kühlelement 2 übereinander angeordnet dargestellt. In 2 ist der jeweils untere Kühlmittelkanal 14 nicht an den Kühlmittelkreislauf (nicht dargestellt) angeschlossen und dient lediglich der zusätzlichen Versteifung des Gehäuses 6 des Bauteils.
-
3 zeigt die Kühlelemente 2, die über Kühlmittelzuführungen 10 und Kühlmittelableitungen 11 mit den Kühlmittelkanälen 14 verbunden sind. Die Kühlmittelzuführungen 10 und die Kühlmittelableitungen 11 übergreifen an der Oberseite des Gehäuses 6 des Bauteils den nicht dargestellten Kern 3. Stirnseitig an den Kühlmittelkanälen 14 sitzen an der Außenseite der als Stützplatte 12 ausgebildeten Außenwand 8 des Gehäuses 6 Kühlmittelanschlüsse 15.
-
Das Innere des Gehäuses 6 des Bauteils ist mit Vergussmasse 5 gefüllt und umschließt die innerhalb des Gehäuses 6 befindlichen Baugruppen der Verlustleistungsquelle 1. Die Kühlelemente 2 erstrecken sich längs der Seitenwände des Gehäuses 6 und sind mit den Wärmeleitblechen 7 verbunden, die die Abwärme aus den Kühlelementen 2 aufnehmen und in die Vergussmasse 5 sowie in die als Kühltaschen 2 ausgebildeten Kühlelemente 2 einleiten.
-
Die Vergussmasse 5 ist in einer Vergussform 16 im Inneren des Gehäuses 6 des Bauteils angeordnet. An der Unterseite des Gehäuses 6 ist der Sockel 13 erkennbar, mit dem das Gehäuse 6 des Bauteils an umgebenden Elementen (nicht dargestellt) befestigbar ist.
-
Die stirnseitigen Seitenwände 8 des Gehäuses 6 sind jeweils als Stützplatten 12 ausgebildet. Die längsseitig zu den Kühlelementen 2 verlaufenden Seitenwände 8 des Gehäuses 6 sind als Kühltaschen 2 dargestellt.
-
4 zeigt in schematischer Darstellung den Querschnitt durch eine Verlustleistungsquelle 1 mit einem Gehäuse 6, in dem eine Vergussform 16 angeordnet ist. Die Vergussform 16 nimmt die Vergussmasse 5 auf, mit der das Gehäuse 6 befüllt ist.
-
Die Verlustleistungsquelle 1 umfasst die Kerne 3, die mit Wicklungen 4 des Stromleiters umwickelt sind. Stirnseitig an den Kernen 3 sind zwischen den Kernen 3 und den Wicklungen 4 Kühlelemente 2 dargestellt.
-
Weitere Kühlelemente 2 ragen von den Kühlmittelkanälen 14, die entlang der Seitenwand 8 des Gehäuses 6 verlaufen rechtwinklig in die Vergussmasse 5 des Gehäuses 6 hinein. Die Kühlelemente 2 sind dabei zwischen einzelnen Verlustleistungsquellen 1 angeordnet. Weitere Kühlelemente 2 liegen an den Außenseiten der Verlustleistungsquellen 1 an den Wicklungen 4 an.
-
5 zeigt ein Liniendiagramm, in dem jeweils für ein luftgekühltes elektronisches Bauteil und für ein wassergekühltes elektronisches Bauteil (beide aus dem Stand der Technik bekannt) und für ein erfindungsgemäß wassergekühltes elektronisches Bauteil der Temperaturverlauf in Grad Celsius auf der X-Achse über dem Zeitablauf in Sekunden (s) auf der Y-Achse dargestellt wird.
-
Das luftgekühlte System wird anhand eines CNW953./180 dargestellt. Das aus dem Stand der Technik bekannte wassergekühlte elektronische Bauteil entspricht einem CNW D 953./180. Beispielhaft aber nicht ausschließlich ist für die erfindungsgemäße Wasserkühlung ein CNW MD 953./180 genannt.
-
Alle drei Kurven des Liniendiagramms nehmen ihren Ausgang im Zeitpunkt Null bei ca. 30°C.
-
Das luftgekühlte elektronische Bauteil (CNWIuft) erreicht nach 5.990 Sekunden bereits eine Temperatur von 150°C und nähert sich bis zum Ablauf von 17.990 Sekunden einem Temperaturwert von 200°C an.
-
Das aus dem Stand der Technik bekannte wassergekühlte elektronische Bauteil (CNWwasser) erwärmt sich nach einem Zeitablauf von 5.990 Sekunden auf etwa 100°C. Dieser Wert wird über den weiteren Zeitablauf des Versuchsaufbaus gehalten.
-
Das erfindungsgemäß wassergekühlte elektronische Bauteil, das in einer Vergussmasse 5 eingegossen ist (CNWguss) übersteigt während des gesamten Versuchsablaufs nicht einen ungefähren Wert von 50°C.
-
Alle drei Varianten, nämlich die CNWIuft, CNWwasser und CNWguss werden unter gleichen Belastungen getestet. Im vorliegenden Beispiel erreicht die erfindungsgemäße CNWguss einen Temperaturvorteil von 52K. Innerhalb der Verlustleistungsquelle 1 kann die Temperatur bei der CNWguss sogar um weitere 13,7K gesenkt werden.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Verlustleistungsquelle
- 2
- Kühlelement (Kühltasche)
- 3
- Kern
- 4
- Stromleiter
- 5
- Vergussmasse
- 6
- Gehäuse
- 7
- Wärmeleitblech
- 8
- Seitenwand
- 10
- Kühlmittelzuführung
- 11
- Kühlmittelableitung
- 12
- Stützplatte
- 13
- Sockel
- 14
- Kühlmittelkanal
- 15
- Kühlmittelanschluss
- 16
- Vergussform
- 17
- elektrischer Anschluss
