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Anwendungsgebiet und Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kühlung von mindestens einem Halbleiterbauteil wie einem Leistungsschalter sowie eine entsprechende Vorrichtung. Besonders gut eignen sich Verfahren und Vorrichtung zur Kühlung von Halbleiter-Leistungsbauteilen wie Transistoren oder Gleichrichtern.
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Üblicherweise werden zu kühlende Bauteile, insbesondere vorgenannte Halbleiterbauteile bzw. Halbleiter-Leistungsbauteile, beispielsweise in Induktionskochfeldern, durch geeignet ausgebildete Kühlkörper und vor allem Lüfter gekühlt. Die Kühlkörper dienen dazu, die im Betrieb entstehende Wärme zunächst einmal von dem Halbleiterbauteil abzunehmen. Eine Kühlung der Kühlkörper wiederum erfolgt dann, möglicherweise bedarfsgesteuert, durch den Lüfter. Hierfür wird beispielsweise auf die
DE 10 2005 005 527 A1 verwiesen.
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Nachteilig an einer Kühlung durch Lüfter ist jedoch das notwendige Vorsehen eines Lüfters überhaupt samt Bedarf für dessen Bauraum sowie für eine Kühlluftführung. Darüber hinaus ist der Energiebedarf eines solchen Lüfters, insbesondere bei geringen Kochleistungen, nicht zu vernachlässigen. Schließlich werden Lüftergeräusche vom Anwender während des Betriebs auch als störend empfunden.
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Aufgabe und Lösung
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein eingangs genanntes Verfahren sowie eine eingangs genannte Vorrichtung zu schaffen, mit denen Probleme des Standes der Technik beseitigt werden können und es insbesondere möglich ist, den Energieverbrauch zu verringern und die Ausfallsicherheit sowie den Komfort zu erhöhen.
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Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 4. Vorteilhafte sowie bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der weiteren Ansprüche und werden im Folgenden näher erläutert. Dabei werden manche der Merkmale nur für das Verfahren oder nur für die Vorrichtung beschrieben. Sie sollen jedoch unabhängig davon sowohl für das Verfahren als auch für die Vorrichtung selbstständig gelten können. Der Wortlaut der Ansprüche wird durch ausdrückliche Bezugnahme zum Inhalt der Beschreibung gemacht.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass ein Halbleiterbauteil zur Kühlung wärmeleitend mit einem sogenannten Phasenwechselmaterial verbunden ist, welches wiederum in einem Behälter bzw. als Vorrat angeordnet oder vorgesehen ist. Dies bedeutet also, dass das Halbleiterbauteil seine im Betrieb entstehende Wärme, insbesondere Verlustwärme, an das Phasenwechselmaterial abgibt. Bei entsprechender Ausgestaltung, welche nachfolgend noch vorteilhaft und im Detail beschrieben wird, kann das Phasenwechselmaterial in kurzer Zeit viel Wärme speichern bzw. die Verlustwärme des Halbleiterbauteils für eine signifikante und für den normalen Betrieb ausreichende Betriebsdauer speichern. Nach Ende des Betriebs kann die Wärme wieder über einen unter Umständen deutlich längeren Zeitraum hinweg vom Phasenwechselmaterial abgegeben werden, vorteilhaft an die Umgebung. Dabei kann die Dauer des Abgebens der Wärme durchaus erheblich über derjenigen der Betriebsdauer des Halbleiterbauteils mit Erzeugung der Wärme liegen, vorzugsweise zweimal bis zehnmal. Bei vielen Geräten mit Halbleiterbauteilen darin, insbesondere bei Induktionskochfeldern, ist dies aber sicherlich kein Problem. Eine genannte Betriebsdauer kann beispielsweise mindestens 10 Min bei voller Leistung betragen, vorteilhaft mindestens 30 Min bis 40 Min bei etwas reduzierter Leistung. Dies reicht aus für die allermeisten Kochvorgänge.
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Derartiges Phasenwechselmaterial ist bekannt, unter anderem unter dem Ausdruck „phase change material“. Seine latente Schmelzwärme, Lösungswärme oder Absorptionswärme ist wesentlich größer als die Wärme, die es aufgrund seiner normalen spezifischen Wärmekapazität (ohne den Phasenumwandlungseffekt) speichern kann. Derartige Phasenwechselmaterialien werden auch als Latentwärmespeicher bezeichnet und sind beispielsweise in Wärmekissen oder Kühlakkus im Einsatz, ebenso auch als mit Paraffin odgl. gefülltes Speicherelement in den Tanks von solarthermischen Anlagen. Ein Latentwärmespeicher funktioniert durch die Ausnutzung der Enthalpie von thermodynamischen Zustandsänderungen eines Speichermediums, nämlich eben des genannten Phasenwechselmaterials. Erfindungsgemäß wird der Phasenübergang fest-flüssig und umgekehrt, also als Erstarren und Schmelzen, genutzt. Vorteilhaft verwendete Materialien können aus der folgenden Gruppe ausgewählt sein: Paraffin, Hartparaffin, Kunststoff, Salz, Salzhydrat, Alaun, Glaubersalz, Carbonsäureamide, Carbonsäureester, Dikaliumhydrogenphosphat-Hexahydrat, Natriumacetat-Trihydrat, thermoplastische Kunststoffe und/oder Zucker. Ihr Schmelzpunkt
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Im Betrieb des Halbleiterbauteils wird seine Betriebs- bzw. Verlustwärme an das Phasenwechselmaterial abgegeben bzw. dieses kühlt das Halbleiterbauteil. Dabei kann das Phasenwechselmaterial vom festen Zustand ausgehend geschmolzen werden bzw. flüssig gemacht werden. Aufgrund seiner speziellen Eigenschaften kann es dabei eben schnell sehr viel Wärme aufnehmen.
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Nach beendetem Betrieb des Halbleiterbauteils bzw. wenn dieses keine Verlustwärme mehr erzeugt, insbesondere nach Abschalten des entsprechenden Elektrogerätes bzw. Induktionskochfeldes, kann die im Phasenwechselmaterial gespeicherte Wärme wieder an die Umgebung abgegeben werden. Dies kann durch an sich bekannte Kühlkörper mit Rippen odgl. unterstützt werden. Vor allem kann diese Wärmeabgabe gezielt ausgelöst werden. Bei genannten Wärmekissen wird eine Art Knackfrosch bzw. eine bistabile Schnappfeder manuell ausgelöst. Dies kann hier durch eine von einer Steuerung des Elektrogerätes ansteuerbare Aktivierungsvorrichtung als Schnappelement übernommen werden, beispielsweise eine durch Beheizung mit Bimetall odgl. umschnappende Metallfeder oder ein Piezo-Element, welches auch ruckartige Bewegungen durchführen kann bzw. eine ähnliche Schnappfeder umschnappen lassen kann. Dadurch wird die Kristallisation bzw. Rekristallisation im Phasenwechselmaterial ausgelöst, und dabei erwärmt sich das Phasenwechselmaterial wieder. Dies dient eben dazu, die im Phasenwechselmaterial gespeicherte Abwärme des Halbleiterbauteils an die Umgebung abzugeben. Dieser Vorgang kann sich über deutlich längere Zeit erstrecken, so dass die Wärmeabgabe an die Umgebung, insbesondere über einen genannten Kühlkörper, ohne aktive Kühlung oder Lüfter erfolgen kann.
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Somit kann durch den Einsatz von Phasenwechselmaterial in einem relativ kleinen, durch die Schmelztemperatur bzw. Phasenwechseltemperatur des Phasenwechselmaterials festgelegten Temperaturbereich, vorteilhaft zwischen 50°C und 80°C, besonders vorteilhaft zwischen 60°C und 70°C, viel Wärmeenergie schnell in relativ wenig Masse und Volumen gespeichert werden. Dabei kann vorteilhaft auch der metastabile Zustand des unterkühlten Phasenwechselmaterials genutzt werden, um die Wärme vom Halbleiterbauteil ohne thermische Isolierung und Verluste aufzunehmen und dann wiederum erheblich langsamer an die Umgebung abzugeben. Da dieses Abgeben dann über einen im Vergleich zum Betrieb des Halbleiterbauteils langen Zeitraum erfolgen kann, beispielsweise zweimal bis zehnmal so lang bzw. mindestens 1 Stunde bis 5 Stunden lang, kann eine Kühlung des Halbleiterbauteils während dessen Betrieb sowie auch die Abführung von dessen Abwärme an die Umgebung einfach, praxistauglich und vorzugsweise ohne Lüfter erfolgen.
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Vorteilhaft wird die Temperatur am Halbleiterbauteil und/oder an dem Phasenwechselmaterial bzw. an dessen Behälter oder Vorrat gemessen. Dazu können grundsätzlich bekannte Temperatursensoren am Halbleiterbauteil und/oder am Phasenwechselmaterial bzw. dessen Behälter angeordnet sein. Durch diese Temperaturmessung ist es möglich, im Falle eines Überschreitens einer maximalen Höchsttemperatur am Halbleiterbauteil und/oder im Phasenwechselmaterial entweder doch noch eine vorgesehene aktive Kühlung zu aktivieren. Ist diese ein Lüfter, so kann sie, da sie nur selten benötigt werden wird, kleiner und kostengünstiger ausgeführt sein als sonst üblich im Stand der Technik. Des Weiteren kann beispielsweise an einem Induktionskochfeld mit vier Induktionsspulen und üblicherweise zwei Leistungsmodulen, die jeweils zu kühlende Halbleiterbauteile aufweisen, insgesamt ein einziger Lüfter vorgesehen sein anstelle der sonst üblichen zwei Lüfter. Dieser Lüfter muss ja dann eben nur im seltenen Bedarfsfall einer Temperaturüberschreitung aktiviert werden, und üblicherweise dann auch nicht für die Abwärme aller Halbleiterbauteile.
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Mit einer Temperaturmessung ist es möglich, eine Leistungsreduzierung am Halbleiterbauteil vorzunehmen im Sinne einer Reduzierung der gesamten Leistung oder einer Reduzierung an diesem speziellen Halbleiterbauteil und möglicherweise Verschiebung einer Leistung hin zu anderen Halbleiterbauteilen, die dieselbe Funktion übernehmen können.
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Das Phasenwechselmaterial als Vorrat bzw. zusammen mit einem Behälter, in dem es angeordnet ist, sowie eventuell einem vorgenannten Kühlkörper odgl. bildet also eine Kühlvorrichtung für das Halbleiterbauteil. Sie ist mit dem Haltleiterbauteil wärmeleitend verbunden, um es zu kühlen bzw. seine Wärme abzunehmen. Dabei kann vorteilhaft ein Behälter, in dem das Phasenwechselmaterial angeordnet ist bzw. sich befindet, selbst aus gut wärmeleitendem Material bestehen. Hierfür bietet sich beispielsweise Metall an, insbesondere Aluminium oder Kupfer. Da die meisten der vorgenannten Phasenwechselmaterialien Volumenveränderungen erfahren beim Schmelzen oder Erstarren sollte ein Behälter entsprechende Ausgleichsmittel aufweisen, beispielsweise elastische Bereiche oder ein gewisses Luftvolumen als Ausgleichsmöglichkeit.
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In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung kann das Halbleiterbauteil flächig mit einer Außenseite, die zur Kühlung vorgesehen ist, an den Vorrat des Phasenwechselmaterials bzw. den genannten Behälter angelegt werden. In dieser Hinsicht entspricht der Behälter einem üblichen Kühlkörper.
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In Ausgestaltung der Erfindung kann das Phasenwechselmaterial Zusätze aufweisen zur verbesserten Wärmeleitung, vorteilhaft gut wärmeleitende und/oder metallische Zusätze wie kleine Teilchen oder Partikel bzw. Pulver aus den vorgenannten Materialien, beispielsweise Magnesiumoxidpulver. Sie können insbesondere länglich ausgebildet sein für eine gute laterale Wärmeleitung. Damit kann innerhalb des Phasenwechselmaterials nicht nur eine möglichst gleichmäßige Temperatur erreicht werden, sondern es können auch überhitzte Bereiche vermieden werden. Des Weiteren kann gerade beim beginnenden Kühlen des Halbleiterbauteils, wenn das Phasenwechselmaterial noch erstarrt ist und keine so gute Wärmeleitung aufweist, eine gleichmäßige Verteilung der Wärme in kürzerer Zeit erfolgen.
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In einer Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass für jedes Halbleiterbauteil ein eigener Behälter oder ein eigener Vorrat mit Phasenwechselmaterial vorgesehen ist. Damit ist eine individualisierte Kühlung möglich. Des Weiteren können kleinere und standardisierte Baueinheiten geschaffen werden, die gut zusammengebaut werden können.
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Mehrere vorgenannte Behälter mit Phasenwechselmaterial darin können mit guter Wärmeleitung miteinander verbunden werden, wobei sie aus Sicherheitsgründen elektrisch gegeneinander isoliert werden sollten. Eine Wärmeleitung kann beispielsweise durch einen durchgehenden, mit den einzelnen Behältern verbundenen Kühlkörper erreicht werden.
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In einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung ist es möglich, mehrere, vorteilhaft alle, Bauteile bzw. Halbleiterbauteile, die zu kühlen sind und die insbesondere vorgenannte Leistungsschalter oder Gleichrichter sind, an einem gemeinsamen Vorrat bzw. Behälter mit Phasenwechselmaterial anzuordnen zur Kühlung. Dadurch wird es möglich, dass dieser für eine geringere Kühlleistung ausgelegt werden kann als einzelne, für jedes zu kühlende Halbleiterbauteile vorzusehende Behälter. Üblicherweise wird nämlich beispielsweise bei Verwendung in einem Induktionskochfeld nicht an allen Halbleiterbauteilen die maximale Leistung und somit Verlustwärme erzeugt, die gekühlt werden muss.
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Vorteilhaft wird die vorbeschriebene Vorrichtung bzw. Kühlvorrichtung in einem Induktionskochfeld eingesetzt und verwendet, das sehr viel Leistungselektronik und somit auch sehr viel Verlustwärme aufweist. Die Halbleiterbauteile sind die in einem Induktionskochfeld bzw. dessen Umrichtern vorgesehenen Leistungsschalter, in der Regel als Transistoren bzw. IGBT ausgeführt, und die Gleichrichter. Hier kann eine benötigte Menge an Phasenwechselmaterial so bestimmt werden, dass ein Halbleiterbauteil bzw. die Halbleiterbauteile zum Betrieb einer Induktionsspule des Induktionskochfeldes 30 Min lang betrieben werden und dabei unter einer Temperatur von 80°C gehalten werden können. Kochvorgänge mit sehr hoher Leistung, die eben sehr viel Verlustwärme in den Halbleiterbauteilen erzeugen und somit einen erheblichen Kühlbedarf, wie beispielsweise große Mengen Wasser zum Kochen zu bringen oder Anbratvorgänge, dauern häufig nicht länger. Sogenannte Weiterkochvorgänge, um beispielsweise kochendes Wasser am Kochen zu halten, bedeuten einen geringeren Leistungsbedarf und geringere Verlustwärme. Diese kann dann eben wieder leichter über eine längere zur Verfügung stehende Zeit weggekühlt werden.
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In vorteilhafter weiterer Ausgestaltung der Erfindung weist der Vorrat mit Phasenwechselmaterial bzw. ein entsprechender Behälter dafür einen Kühlkörper auf bzw. ist als Kühlkörper ausgebildet mit entsprechenden üblichen Rippen zur Flächenvergrößerung. So kann die im Phasenwechselmaterial vorhandene Wärme gut an die Umgebung abgegeben werden.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist in dem Behälter mit Phasenwechselmaterial ein Auslöser oder Aktuator zur Kristallisation des Phasenwechselmaterials entsprechend der eingangs für Wärmekissen beschriebenen Aktivierungsvorrichtung als Schnappelement angeordnet. Sie kann als geschlossene Kapsel bzw. Baueinheit mit abgedichteter Ansteuerung bzw. Zuleitung in dem Behälter angeordnet sein, beispielsweise auch im Wesentlichen frei bewegbar bzw. ohne Festlegung.
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Diese und weitere Merkmale gehen außer aus den Ansprüchen auch aus der Beschreibung und den Zeichnungen hervor, wobei die einzelnen Merkmale jeweils für sich allein oder zu mehreren in Form von Unterkombinationen bei einer Ausführungsform der Erfindung und auf anderen Gebieten verwirklicht sein und vorteilhafte sowie für sich schutzfähige Ausführungen darstellen können, für die hier Schutz beansprucht wird. Die Unterteilung der Anmeldung in Zwischen-Überschriften und einzelne Abschnitte beschränkt die unter diesen gemachten Aussagen nicht in ihrer Allgemeingültigkeit.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen schematisch dargestellt und werden im Folgenden näher erläutert. In den Zeichnungen zeigen:
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1 ein schematisches Schaltbild eines Induktionskochfelds mit Gleichrichtern und Umrichtereinheiten an Kühlkörpern mit Phasenwechselmaterial darin,
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2 eine vergrößerte Schnittdarstellung durch einen Kühlkörper entsprechend 1 mit Halbleiterbauteilen daran und Phasenwechselmaterial darin,
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3 eine schematische Schnittdarstellung durch ein Induktionskochfeld mit zwei Kühlvorrichtungen entsprechend 2 an jeweils einem Luftkanal und
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4 eine Abwandlung des Induktionskochfelds aus 3 mit einer einzigen Kühlvorrichtung, die teilweise direkt unten aus einem Gehäuse des Induktionskochfelds herausragt.
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Detaillierte Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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In der 1 ist ein Induktionskochfeld 11 als schematisch funktionaler Aufbau bzw. als schematisiertes Schaltbild dargestellt. Das Induktionskochfeld 11 weist vier Induktionsheizeinrichtungen 14 bis 17 auf mit jeweils einer Induktionsspule 14‘ bis 17‘. Diese sind in einem hier strichlierten und schematisch angedeuteten Gehäuse 18 angeordnet.
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Das Induktionskochfeld 11 weist einen Netzanschluss 21 auf mit zwei Filtereinheiten 23a und 23b. An der Filtereinheit 23a bzw. 23b hängt ein Gleichrichter 25a bzw. 25b, der wiederum eine Umrichtereinheit 26a bzw. 26b speist. Die Umrichtereinheit 26a weist zwei Umrichter 28 und 29 auf, welche im Wesentlichen IGBT als Schalter bzw. als Halbleiter-Leistungsschalter aufweisen. Die rechte Umrichtereinheit 26b weist die Umrichter 30 und 31 auf.
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Die Gleichrichter 25a und 25b sowie die Umrichtereinheiten 26a und 26b sind jeweils an einen Kühlkörper 35a bzw. 35b einer Kühlvorrichtung 33 angelegt mit möglichst wärmeleitendem Kontakt. Eine solche erfindungsgemäße Kühlvorrichtung 33 ist in der 2 in Vergrößerung dargestellt und wird anhand dessen erläutert. Die Kühlvorrichtung 33 gemäß 2 weist einen Kühlkörper 35 auf bzw. ist im Prinzip wie ein solcher aufgebaut. Der Kühlkörper 35 weist abweichend von einem üblichen Kühlkörper eine Behälterwand 37 mit einem Innenraum 38 auf. An der Behälterwand 37 sind zumindest zu einer Seite hin, hier der unteren Seite, Kühlrippen 39 vorgesehen, die insbesondere einstückig und gut wärmeleitend damit verbunden sind. Ein solcher Kühlkörper 35 kann beispielsweise aus Aluminium-Strangguss hergestellt werden. Er unterscheidet sich von einem bekannten Kühlkörper im Wesentlichen durch die Form bzw. den Innenraum 38.
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In dem Innenraum 38 ist Phasenwechselmaterial 41 vorgesehen bzw. er ist damit gefüllt. Das Phasenwechselmaterial 41 weist eingangs beschriebene Metallfäden 42 auf, die auch als längliche Metallteile ausgebildet sein können und im Wesentlichen in etwa gleichmäßig verteilt sein sollten, oder sonstige wärmeleitende und/oder metallische Zusätze. Des Weiteren sind zumindest links und rechts zwei Luftpolster 43 bzw. Luftvorräte vorgesehen. Diese können aus elastischem Material bestehen und Luft enthalten, um eine Ausdehnung des Phasenwechselmaterials 41 bei Temperaturänderung auszugleichen, da der Kühlkörper 35 selbst ja starr ist und sich selbst nicht ausdehnen kann.
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Im Inneren des Kühlkörpers 35 bzw. des Innenraums 38 befindet sich ein zuvor beschriebenes Schnappelement 45 als Aktivierungsvorrichtung, vorteilhaft als bistabile Metallfeder mit einem Aktuator, beispielsweise einem Bimetall- oder vorteilhaft einem Piezoaktuator. Alternativ könnte das Schnappelement 45 auch nur ein Piezoelement sein. Es dient zum Start der Rekristallisation des Phasenwechselmaterials 41, wie vorstehend beschrieben worden ist.
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Oben auf der Kühlvorrichtung 33 bzw. dem Kühlkörper 35 ist links eine Diode 25´ des Gleichrichters 25 montiert mit wärmeleitender Anlage, unter Umständen zusätzlich unterstützt durch Wärmeleitpaste odgl.. Rechts mit etwas Abstand dazu ist ein IGBT 26‘ der Umrichtereinheit 26 in ähnlicher Art und Weise montiert.
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Als weitere Sicherheitseinrichtung sind ein Temperatursensor 47a an der Diode 25´ und ein Temperatursensor 47b an der Oberseite des Kühlkörpers 35 selbst angeordnet, wobei nicht zwingend beide Temperatursensoren vorhanden sein müssen. Sie sind, ähnlich wie das Schnappelement 45, gemäß 1 mit einer Steuerung 13 verbunden. Diese kann nur für die Kühlvorrichtung 33 ausgebildet sein, vorteilhaft ist sie aber Teil der Steuerung des Induktionskochfelds 11 bzw. dessen Steuerung.
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In der 1 ist auch ein eingangs genannter Lüfter 50 dargestellt, der in einen Luftkanal 51 Kühlluft für die Kühlvorrichtung 33 einblasen kann. Auch der Lüfter 50 ist mit der Steuerung 13 verbunden bzw. kann von dieser gesteuert werden, insbesondere in Abhängigkeit von den Messwerten der Temperatursensoren 47a und 47b.
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Aus der Darstellung in 2 ist zu ersehen, auch wenn sie nicht maßstäblich und detailliert ist, dass der Kühlkörper 35 der Kühlvorrichtung 33 im Wesentlichen einem üblichen, massiven Kühlkörper entspricht, wie er insbesondere aus Aluminium bestehen kann. Er ist nur eben etwas höher um den Innenraum 38 zu schaffen für das Phasenwechselmaterial 41. Günstige Abmessungen sind eine Dicke einer Behälterwand von wenigen mm, beispielsweise 2 mm bis 10 mm, wobei zur Oberseite bzw. den Halbleiter-Bauteilen 25´und 26´ hin eine größere Dicke für eine bessere seitliche Wärmeleitung vorteilhaft ist. Die Breite eines Kühlkörpers 35 kann 10cm bis 30cm betragen und die Länge in einem ähnlichen Bereich liegen, vorteilhaft etwas länger. Die Höhe kann 1cm bis 3cm oder sogar 4cm betragen, so dass der Innenraum 38 beispielsweise 5mm bis 20mm hoch sein kann. Die Ausbildung der Kühlrippen 39 an der Unterseite kann wie bei einem normalen Kühlkörper sein.
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In der 3 ist bei einem eher gegenständlich dargestellten Induktionskochfeld 11 zu erkennen, dass unter einer Kochfeldplatte 12 zwei Induktionsheizeinrichtungen 14 und 16 angeordnet sind. Darunter sind wiederum zwei Kühlvorrichtungen 33a und 33b entsprechend 2. Die Kühlvorrichtungen 33a und 33b sind in Luftkanäle 51a und 51b innerhalb eines Gehäuses 18 des Induktionskochfelds 11 integriert bzw. ragen weitgehend in diese hinein. Die Luftkanäle 51a und 51b können von einem optionalen Lüfter 50 durchströmt werden. Die Luft wird dabei durch eine Gehäuseöffnung 19a angesaugt und tritt am Ende der Luftkanäle 51a und 51b, während sie an den Kühlvorrichtungen 33a und 33b zu deren Kühlung vorbeigestrichen ist, an Gehäuseöffnungen 19b und 19c wieder aus dem Induktionskochfeld 11 bzw. dessen Gehäuse 18 aus. Je nach Einbausituation des Induktionskochfelds 11 kann das Ansaugen von Luft sowie das Ausblasen von Luft auch zur Seite oder sogar nach oben erfolgen.
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In 4 ist eine alternative Ausgestaltung eines Induktionskochfelds 111 dargestellt mit Kochfeldplatte 112 und zwei Induktionsheizeinrichtungen 114 und 116 darunter. In einem Gehäuse 118 ist eine einzige Gehäuseöffnung 119 vorgesehen, in der eine Kühlvorrichtung 133 derart angeordnet ist, dass darauf angeordnete Halbleiterbauteile 125´ und 126´ quasi noch innerhalb des Gehäuses 118 sind. Der untere Bereich der Kühlvorrichtung 133 bzw. seines Kühlkörpers 135, insbesondere die Kühlrippen 139, ragt nach unten aus dem Gehäuse heraus. So kann deren möglichst gute Kühlung durch die Umgebungsluft erfolgen.
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Ein Unterschied zwischen den Ausführungsbeispielen der 3 und 4 liegt also darin, dass bei der 4 nur eine einzige Kühlvorrichtung 133 dargestellt ist. Sie weist alle Halbleiterbauteile bzw. vorgenannten Dioden 125´ und IGBT 126´ für alle Induktionsheizeinrichtungen des Induktionskochfelds 111 auf bzw. kühlt diese alle.
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Ein zweiter Unterschied besteht darin, dass bei 3 entweder für eine Sondersituation mit Überlast, zum Nachkühlen nach dem Betrieb des Induktionskochfelds 11 oder auch schon während des Betriebs der Lüfter 50 vorgesehen ist. Dieser Unterschied wird als für die Erfindung erheblich wesentlicher angesehen, da somit die Kühlvorrichtung 133 gemäß der 4 sozusagen als völlig passive Kühlung angesehen werden kann ohne mechanisch bewegte Teile, insbesondere ohne Lüfter.
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Funktion
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Die Funktion der Kühlvorrichtung 33 gemäß 3 kann gemäß mehrerer Möglichkeiten ablaufen. Gemäß einer ersten Möglichkeit kann es so sein, dass sich im Betrieb des Induktionskochfelds 11 bzw. einer der Induktionsheizeinrichtungen die entsprechenden Gleichrichter und Umrichtereinheiten, insbesondere also die Dioden 25´ und IGBT 26´, durch innere Verlustwärme erwärmen. Durch ihre Montage auf den Kühlkörpern 35 geben sie die Wärme darüber an das Phasenwechselmaterial 41 im Inneren ab. Ausgehend von einem kühlen Zustand soll hier das Phasenwechselmaterial erstarrt bzw. fest sein. Durch die über die Halbleiter-Bauteile zugeführte Wärme schmilzt es bzw. speichert die Wärme dabei in sich. Gleichzeitig kann bereits über die Kühlrippen 39 etwas von dieser Wärme an die Umgebungsluft abgegeben werden. Die Erzeugung von Verlustwärme an den Halbleiter-Bauteilen sollte derart mit den Abmessungen und der Auslegung der Kühlkörper 35, der Menge an Phasenwechselmaterial 41 darin sowie dessen konkreter Schmelztemperatur, die vorteilhaft als Hartparaffin bei etwa 60° Celsius liegt, abgestimmt sein, dass ein Betrieb der Halbleiterbauteile von mindestens einer Induktionsheizeinrichtung 14 mit maximaler Leistung für eine halbe Stunde möglich ist, selbst wenn dies eine quasi große Induktionsheizeinrichtung ist mit Boost-Betrieb und einer Leistung von bis zu 3,7 kW. Ist an dieser Umrichtereinheit ein Betrieb mit hoher Leistung für die zweite davon versorgte Induktionsheizeinrichtung vorgesehen, so kann die Steuerung 13 diesen Betrieb beispielsweise nur mit geringerer Leistung zulassen oder eine Bedienperson darauf hinweisen, dass besser eine Induktionsheizeinrichtung an der anderen Umrichtereinheit benutzt wird. So ist es beispielsweise möglich, mit einer Menge von 1 l Phasenwechselmaterial 41 in Form des genannten Hartparaffin eine Verlustleistung von 180 W an den Halbleiter-Bauteilen, wenn diese im beschriebenen Fall mit maximaler Leistung arbeiten, für eine Dauer von 30 Min aufzunehmen. Der Kühlkörper erreicht dabei eine Temperatur von etwa 80°C. Dies reicht in der Praxis aus, um mit dem Induktionskochfeld bzw. den Induktionsheizeinrichtungen dieser einen Umrichtereinheit ca. 20 l Wasser zum Kochen zu bringen. In der Praxis wird eine derart hohe Leistung in dieser kurzen Zeit kaum gefordert werden. Ein Kühlkörper kann zur Aufnahme dieser Menge an Phasenwechselmaterial also etwa die Abmessungen 20 cm × 35 cm × 3 cm aufweisen.
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Stellt während des Betriebs die Steuerung 13 über einen der Temperatursensoren 47a oder 47b eine zu hohe Temperatur am Halbleiter-Bauteil und/oder am Kühlkörper 35 fest, so kann entweder ein vorhandener Lüfter 50 eingeschaltet werden zur Kühlung. Alternativ kann eine Leistungsreduzierung an einer der Induktionsheizeinrichtungen erfolgen, unter Umständen eben mit einem Hinweis an die Bedienperson als Aufforderung zum Wechsel auf eine Induktionsheizeinrichtung an der anderen Umrichtereinheit, wenn deren Wärmekapazität quasi noch ausreicht.
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Ist der Kochvorgang abgeschlossen und die erzeugte Verlustwärme in die Kühlvorrichtung 33 bzw. das Phasenwechselmaterial 41 eingespeichert, so geht es darum, diese wieder an die Umgebung abzugeben, damit die Kühlvorrichtung für einen weiteren Betrieb bereit ist. Zwar kann schon durch den Luftkanal 51 auch ohne Betrieb eines Lüfters 50 etwas Wärme an die Umgebung abgegeben werden während noch Verlustwärme in die Kühlvorrichtung 33 hineingespeichert wird. Dies ist aber in der relativ kurzen Betriebsdauer voraussichtlich nicht sehr viel.
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Die Steuerung 13 kann ein Betriebsende erkennen. Durch Ansteuern des Schnappelements 45 wird das geschmolzene Phasenwechselmaterial zum Kristallisieren bzw. Erstarren angeregt, wobei bei diesem Vorgang, der als reines Erstarren innerhalb weniger Sekunden erfolgt, die gespeicherte Wärme relativ schnell frei wird und dann eben über lange Zeit an die Umgebung abgegeben wird bzw. mit langsamer Abkühlung. Hierbei kann beispielsweise ein Lüfter 50 mit schwacher Dauerleistung verwendet werden, der dann sowohl geringe Bauteilkosten hat als auch geringen Energieverbrauch und sehr geringe Geräuschentwicklung. Er wird, falls überhaupt vorhanden, aber nur benötigt, wenn die Wärmespeicherkapazität der Kühlvorrichtung 33 bzw. des Phasenwechselmaterials 41 beispielsweise zu mindestens 50 % ausgeschöpft wurde, vorteilhaft sogar noch mehr. Bei geringer Menge an erzeugter Verlustwärme an den Halbleiter-Bauteilen wird ein Lüfter also gar nicht benötigt.
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Alternativ kann eben entsprechend 4 die Kühlvorrichtung 133 völlig ohne Lüfter so gebaut sein, dass sie ganz ohne unterstützte Kühlung die gespeicherte Wärme, die dann vom Phasenwechselmaterial frei gegeben wird, an die Umgebung abgibt. Dabei werden natürlich auch wieder die Halbleiter-Bauteile darauf sowie der Bauraum im Gehäuse 118 des Induktionskochfels 111 erwärmt. Wenn dies aber im Rahmen einer längeren Betriebspause des Induktionskochfelds 111 und über einige Stunden hinweg erfolgt, wird es als weniger kritisch angesehen.
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Aufgrund der genannten und unter Umständen großen Abmessungen eines Kühlkörpers der Kühlvorrichtung ist es allgemein möglich, diesen als konstruktives und stabilisierendes Element im gesamten Induktionskochfeld zu verwenden. So kann er beispielsweise auch Teilbereiche eines Gehäuses, insbesondere eines Gehäusebodens, bilden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102005005527 A1 [0002]
