-
Die Erfindung betrifft einen elektrischen Fluidheizer gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
-
Aus der
DE 10 2015 106 552 A1 ist es bekannt, die Abwärme von Leistungshalbleitern oder Dies zur Erwärmung eines Fluids zu nutzen. Dazu sind die Leistungshalbleiter an der Außenseite eines Keramikrohres befestigt.
-
In den Druckschriften
DE 197 28 589 C 1 und
DE 197 33 045 C 1 sind Leistungshalbleiter offenbart, die gezielt zur Erwärmung eines Fluids eingesetzt und betrieben werden. Dabei ist in der
DE 197 33 045 C 1 ein Kühlkörper genannt, der Wärme leitend mit den Leistungshalbleitern verbunden ist.
-
Nachteilig an den letztgenannten Fluidheizern mit Leistungshalbleitern ist, dass sie lediglich für den Niedervoltbereich ausgelegt sind.
-
Dem gegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, einen Fluidheizer mit Leistungshalbleitern zu schaffen, der auch im Hochvoltbereich, also bei über 60V betreibbar ist und einen verbesserten Wärmeübergang zum Fluid hat.
-
Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Fluidheizer mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
-
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen beschrieben.
-
Der erfindungsgemäße elektrische Fluidheizer hat eine Wärmequelle, die von Leistungshalbleitern gebildet ist. Diese sind nur zur Erzeugung von Wärme optimiert oder werden diesbezüglich optimal betrieben. Die Leistungshalbleiter sind direkt oder indirekt Wärme leitend an einem Wärmeübertragungselement (heat sink) befestigt, von dem die Wärme an das Fluid übertragbar ist. Erfindungsgemäß ist der Fluidheizer ein Hochvolt-Fluidheizer, der eine elektrische Isolierung aufweist, und der einen thermischen Widerstand Rth zwischen der Wärmequelle und dem Wärmeübertragungselement von < 0,7 K/W hat. Damit hat das erwärmte Fluid kein elektrisches Potenzial und kann z.B. ein strom leitender feuchter Luftstrom oder eine stromleitende Flüssigkeit sein. Gleichzeitig hat der erfindungsgemäße Hochvolt-Fluidheizer einen hohen Wirkungsgrad. Er wird als Linearheizer betreiben. Vorzugsweise ist der thermische Widerstand Rth < 0,5 K/W.
-
Ein noch besserer Wärmeübergang ist gegeben, wenn (statt dem thermischen Widerstand Rth zwischen der Wärmequelle und dem Wärmeübertragungselement von < 0,7 K/W) ein thermischer Widerstand Rth zwischen der Wärmequelle und dem Fluid von < 0,5 K/W vorgesehen ist. Die Anmelderin behält sich vor, darauf einen unabhängigen Anspruch zu richten und die (nun) folgenden Weiterbildungen darauf zu beziehen.
-
Vorzugsweise sind mehrere Leistungshalbleiter vorgesehen, so dass diese bzw. der Hochvolt-Fluidheizer eine Wärmeleistung von mindestens 3 KW hat. Dafür müssen die Leistungshalbleiter im AB-Betrieb angesteuert werden. Die Leistungshalbleiter können dabei in Reihe oder parallel verschaltet werden.
-
Bei mehreren Ausführungsbeispielen ist die elektrische Isolierung zwischen der Wärmequelle und dem Wärmeübertragungselement angeordnet.
-
Bei mehreren Ausführungsbeispielen ist das Wärmeübertragungselement ein Abschnitt eines Kanals oder Rohres (Fluid pipe), in dem das Fluid (z.B. Kühlwasser, Luft) angeordnet oder aufgenommen ist. Insbesondere ist das Fluid durch den Kanalabschnitt oder Rohrabschnitt geführt oder gefördert. Durch die erfindungsgemäße Isolierung hat der Kanal oder das Rohr kein elektrisches Potenzial.
-
Bevorzugt wird es, wenn die Wärmequelle an einer ersten Seite des Wärmeübertragungselements angeordnet ist, während das Fluid an einer der ersten Seite gegenüber liegenden zweiten Seite des Wärmeübertragungselements angeordnet ist und vorbeigeführt wird.
-
Dabei kann die erste Seite eine Außenseite der Wand des Kanalabschnitts oder Rohrabschnitts sein, während die zweite Seite eine Innenseite der Wand des Kanalabschnitts oder Rohrabschnitts ist.
-
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist an einer vom Wärmeübertragungselement (insbesondere von der Wand des Kanalabschnitts oder Rohrabschnitts) abgewandten Seite der Wärmequelle eine Leiterplatte oder ein Substrat angeordnet. Dann muss die Wärme nicht durch die Leiterplatte oder das Substrat fließen.
-
Dann wird die elektrische Isolierung bevorzugt zwischen der ersten Seite und der Wärmequelle angeordnet.
-
Bei anderen bevorzugten Ausführungsbeispielen ist an der ersten Seite eine Leiterplatte oder ein Substrat angeordnet, an deren von dem Wärmeübertragungselement (insbesondere der Wand des Kanalabschnitts oder Rohrabschnitts) abgewandten Seite die Wärmequelle angeordnet ist. Dann muss die Wärme auch durch die Leiterplatte oder das Substrat fließen.
-
Dann kann die elektrische Isolierung zwischen der ersten Seite und der Leiterplatte oder dem Substrat angeordnet werden.
-
Die elektrische Isolierung kann auch zwischen der zweiten Seite des Wärmeübertragungselements und dem Fluid angeordnet sein. Damit ist die elektrische Isolierung im Falle der Kanalabschnitts oder Rohrabschnitts an der Innenseite der Wand befestigt.
-
Oder die elektrische Isolierung ist in die Leiterplatte oder das Substrat integriert.
-
Wenn die Leistungshalbleiter als SMD-Leistungshalbleiter gebildet sind und diese in einem Heizbereich der Leiterplatte angeordnet sind, während weitere Bauteile in einem Steuerbereich der Leiterplatte angeordnet sind, sind bevorzugt zwischen den beiden Bereichen Durchgangsausnehmungen in der Leiterplatte vorgesehen. Dies hat den Vorteil, dass die Wärme der SMD-Leistungshalbleiter vom Heizbereich nicht in den Steuerbereich vordringt, wo diese zur Beschädigung von Bauteilen führen könnte.
-
Die Wärmequelle ist vorzugsweise von mindestens einem THT-Leistungshalbleiter oder von mindestens einem SMD- Leistungshalbleiter gebildet oder weist zumindest einen derartigen Leistungshalbleiter auf.
-
Die Wärmequelle kann auch von einem oder mehreren ungehäusten Stücken eines Halbleiter-Wafers (Die) gebildet sein oder weist zumindest einen derartigen Leistungshalbleiter auf.
-
Mehrere Ausführungsbeispiele einer erfindungsgemäßen Hochvolt-Fluidheizers sind in den Zeichnungen dargestellt.
-
Es zeigen:
- 1 ein Schaltschema eines Leitungshalbleiters zur Verwendung in dem erfindungsgemäßen Hochvolt-Fluidheizer gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel,
- 2 ein Ablaufdiagramm über die Zeit gemäß dem Stand der Technik,
- 3 ein Ablaufdiagramm über die Zeit gemäß der Erfindung,
- 4 in einer Darstellung ein erstes konstruktives Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Hochvolt-Fluidheizers,
- 5 in einer Darstellung ein zweites konstruktives Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Hochvolt-Fluidheizers,
- 6 in einer Darstellung ein drittes konstruktives Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Hochvolt-Fluidheizers,
- 7 in einer Darstellung ein viertes konstruktives Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Hochvolt-Fluidheizers,
- 8 in einer tabellarischen Darstellung verschiedene Komponenten der Ausführungsbeispiele gemäß der 4 und 5 des erfindungsgemäßen Hochvolt-Fluidheizers und deren einzelne thermischen Widerstände;
- 9 eine Leiterplatte für das erste konstruktive Ausführungsbeispiel aus 4 in einer geschnittenen schematischen Darstellung; und
- 10 eine bestückte Leiterplatte eines konkreten Hochvolt-Fluidheizers gemäß dem ersten konstruktiven Ausführungsbeispiel aus 4 mit einer Leiterplatte gemäß 9 in einer Draufsicht.
-
1 zeigt ein Schaltschema eines SMD-Leitungshalbleiters 1 oder eines THT-Leistungshalbleiters 2 zur Verwendung in dem erfindungsgemäßen Hochvolt-Fluidheizer gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel. Es ist eine Kombination aus Reihenschaltung und Parallelschaltung möglich.
-
2 zeigt ein Ablaufdiagramm einer Spannung UCE und des Widerstandes RPS des Leistungshalbleiters über die Zeit gemäß dem Stand der Technik mit Pulsweitenmodulation (PWM). Die Verlustleistung zum Heizen entsteht nicht im Halbleiter sondern im Serienwiderstand. Die Verlustleistung im Halbleiter soll hier möglichst gering sein.
-
3 zeigt ein Ablaufdiagramm der Spannung UCE und des Widerstandes RPS des Leistungshalbleiters 1, 2 über die Zeit beim Betrieb des Hochvolt-Fluidheizers gemäß der Erfindung. Dabei ist eine Leistungsregelung ohne Taktung nach der Formel PL = (UCE)2/RPS vorgesehen.
-
Die 4 - 7 zeigen verschiedene konstruktive Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Hochvolt-Fluidheizers.
-
In den Darstellungen ist beispielhaft ein Rohr 5 dargestellt und beschrieben, welches das Fluid führt.
-
Generell ist die Erfindung jedoch nicht auf die Verwendung eines Rohres beschränkt. Vielmehr sind andere metallische Elemente, die zur Fluidführung geeignet sind, ebenso möglich. Beispiele hierfür sind geschlossene (unrunde) Profile, z. B. als Strangpressprofile oder Gehäuseteile z. B. durch Druckgießen oder Fließpressen hergestellt.
-
4 zeigt in einer Darstellung ein erstes konstruktives Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Hochvolt-Fluidheizers. An einem Abschnitt 4 eines Rohres 5 ist außen ein SMD-Leistungshalbleiter 1 befestigt, wobei zwischen dem SMD-Leistungshalbleiter 1 und der Außenseite des Rohrabschnitts 4 eine Leiterplatte (PCB) 6 mit integrierter elektrischer Isolation 8 vorgesehen ist. Zwischen der Leiterplatte 6 und der Außenseite des Rohrabschnitts 4 ist ein Füllmaterial (Gapfiller) 10 vorgesehen. Durch den Rohrabschnitt 4 strömt das zu erwärmende Fluid 12.
-
5 zeigt in einer Darstellung ein zweites konstruktives Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Hochvolt-Fluidheizers. An dem Rohrabschnitt 4 ist außen ein THT-Leistungshalbleiter 2 befestigt, wobei zwischen dem THT-Leistungshalbleiter 2 und dem Rohrabschnitt 4 eine elektrische Isolationsschicht 8 und eine oder mehrere Schichten Füllmaterial 10 vorgesehen sind.
-
6 zeigt in einer Darstellung ein drittes konstruktives Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Hochvolt-Fluidheizers. An dem Rohrabschnitt 4 ist außen ein SMD-Leistungshalbleiter 1 befestigt, wobei zwischen dem SMD-Leistungshalbleiter 1 und der Außenseite des Rohrabschnitts 4 eine Leiterplatte 6 angeordnet ist. Zwischen der Leiterplatte 6 und der Außenseite des Rohrabschnitts 4 sind eine elektrische Isolationsschicht 8 und mehrere Schichten Füllmaterial 10 vorgesehen.
-
Bei einer (nicht näher gezeigten) Ausgestaltung des drittes konstruktiven Ausführungsbeispiels aus 6 wird die Leiterplatte 6 aus üblichem Leiterplattenmaterial, z.B. FR 4 gefertigt. In Bereichen, auf denen die wärmeabgebenden SMD-Leistungshalbleiter 1 positioniert, d.h. bestückt sind, ist die Leiterplatte 6 für die Verbesserung der Wärmeweiterleitung nach einer der folgenden zwei Möglichkeiten optimiert.
-
In die Leiterplatte 6 können sogenannte thermische Vias eingebracht werden. Dies sind Bereiche, in denen die Leiterplatte 6 quer zu Ihrer Hauptrichtung vielfach nadelartig durchbrochen ist. In diese Durchbrüche ist ein gut wärmeleitfähiges Material eingebracht, z.B. Kupfer.
-
In die Leiterplatte 6 kann quer zu Ihrer Hauptrichtung, z.B. durch Stanzen eine Öffnung eingebracht werden, die größer als der SMD-Leistungshalbleiter 1 ist. In diese Öffnung ist ein massiver Wärmeleitblock, z.B. aus Kupfer, eingelassen. Der betroffene SMD-Leistungshalbleiter 1 wird also vollflächig auf diesen Wärmeleitblock aufgelötet.
-
Die Isolierschicht 8 liegt beim dritten Ausführungsbeispiel dann zwischen der Leiterplatte 6 und dem Abschnitt 4 des Rohres oder Kanals 5. Zusätzlich kann zwischen der Leiterplatte 6 und der Isolierschicht 8 und/oder zwischen der Isolierschicht 8 und dem Abschnitt 4 ein Füllmaterial 10 aufgetragen werden, das mit Bezug zu 11 näher beschrieben wird.
-
7 zeigt in einer geschnittenen Darstellung ein viertes konstruktives Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Hochvolt-Fluidheizers. An dem Rohrabschnitt 4 ist außen ein SMD-Leistungshalbleiter 1 oder THT-Leistungshalbleiter 2 befestigt, wobei zwischen dem Leistungshalbleiter 1, 2 und der Außenseite des Rohrabschnitts 4 eine Leiterplatte 6 angeordnet ist. Zwischen der Leiterplatte 6 und der Außenseite des Rohrabschnitts 4 ist eine Schicht Füllmaterial 10 vorgesehen. An einer Innenseite der Wand des Rohrabschnitts 4 ist die elektrische Isolation 8 vorgesehen.
-
Der erfindungsgemäß geringe thermische Widerstand Rth von < 0,5 K/W resultiert aus einer Aufsummierung der einzelnen thermischen Widerstände Rth gemäß den 8 und 9.
-
8 nennt in zwei tabellarischen Darstellungen die verschiedenen Komponenten der Ausführungsbeispiele 4 und 5 des erfindungsgemäßen Hochvolt-Fluidheizers und deren einzelne thermischen Widerstände Rth .
-
9 zeigt die Leiterplatte 6 für das erste konstruktive Ausführungsbeispiel aus 4 in einer geschnittenen Prinzipdarstellung. In der Abfolge von unten nach oben in 10 ist zunächst eine wärme(weiter)leitende Wärmeverteilschicht 14 zu sehen. Diese besteht üblicherweise einem Metall, vorzugsweise Aluminium oder Kupfer. Die Stärke kann zwischen 0,3mm und 10,0mm variieren, als Standard hat sich eine Stärke von 1,5mm herausgebildet.
-
Oberhalb der Wärmeverteilschicht 14 befindet sich die integrierte Isolationsschicht 8, auch ,dielectric layer‘ genannt. Diese hat typischerweise eine Schichtstärke von 75 - 200 µm und besteht aus einem gut elektrisch isolierenden Material, z.B. einem Kunststoff. Die Isolierschicht 8 stellt die elektrische Isolierung zwischen der elektrisch leitfähigen Wärmeverteilschicht 14 und einer Leiterbahn 16 sicher.
-
Auf die Isolierschicht 8 aufgebracht ist nun die eigentliche Leiterbahn 16, diese besteht aus Kupfer mit einer Stärke von 35µm, alternativ zur besseren Wärmeverteilung auch 70µm. Die Leiterbahn 16 wird zunächst vollflächig aufgetragen.
-
Diese Abfolge von Wärmeverteilschicht 14, Isolierschicht 8 und Leiterbahn 16 wird auch als IMS-Leiterplatte 6 bezeichnet (IMS = Insulated Material Substrate). Alternativ werden solche integrierten Leiterplatten auch als MCPCB (=Metal core printed circuit board) bezeichnet. Sie wird üblicherweise durch einen Pressvorgang hergestellt und ist an sich aus dem Stand der Technik bekannt.
-
In einem ersten Arbeitsschritt zur Fertigung des erfindungsgemäßen Hochvolt-Fluidheizers gemäß 4 mit der IMS-Leiterplatte 6 wird aus der zunächst vollflächig mit Kupfer als Oberschicht versehenen IMS-Leiterplatte 6 aus 10 durch Ausätzen eine vorgegebene Struktur (Layout) in der Kupferschicht erzeugt.
-
Zur elektrischen Isolierung, zum Feuchteschutz und zur Optimierung der Bestückung kann gemäß 10 auf die ausgeätzte IMS-Leiterplatte 6 in einem zweiten Arbeitsschritt ein Lötstopplack 18 aufgetragen werden. Dabei werden solche Bereiche ausgespart, auf die die SMD-Leistungshalbleiter 1 und andere SMD-Bauteile bestückt werden. Dies ist in 10 nicht dargestellt.
-
Die SMD-Leistungshalbleiter 1 erzeugen die Wärme, die erfindungsgemäß durch die Wärmeverteilschicht 14 der IMS-Leiterplatte 6 verteilt und in das Fluid 12 übertragen wird. Die anderen SMD-Bauteile dienen z.B. der Steuerung des erfindungsgemäßen Hochvolt-Fluidheizers.
-
Diese Bestückung gemäß Bestückungsplan stellt einen dritten Arbeitsschritt dar. Nach der Bestückung erfolgt in einem vierten Arbeitsschritt die Nutzentrennung, d.h. die Außenform der IMS-Leiterplatte 6 wird z.B. durch Stanzen, Fräsen oder Aussägen geformt.
-
In 10 ist eine solche bestückte IMS-Leiterplatte 6 mit rechteckiger Grundform zu sehen, wobei ausgesparte Bereiche 21 zu erkennen sind. Diese werden vom späteren Verbau der IMS-Leiterplatte 6 im Hochvolt-Fluidheizer vorgegeben.
-
Generell kann die IMS-Leiterplatte 6 unterteilt werden in einen Heizbereich 22, in dem durch die bestückten SMD-Leistungshalbleiter 1 Wärme erzeugt wird, und einen Steuerbereich 24, in dem alle anderen Bauelemente bestückt sind, die der Steuerung dienen. In einer bevorzugten Weiterbildung können zwischen den beiden Bereichen 22, 24 Durchgangsausnehmungen 20 in der IMS-Leiterplatte 6 vorgesehen sein. Dies hat den Vorteil, dass die Wärme der SMD-Leistungshalbleiter 1 vom Heizbereich 22 nicht in den Steuerbereich 24 vordringt, wo diese zur Beschädigung von Bauteilen führen könnte.
-
Nicht dargestellt sind die elektrischen Verbindungen der IMS-Leiterplatte 6, also beispielsweise die Laststromanschlüsse und die Steueranschlüsse.
-
Die fertig produzierte IMS-Leiterplatte 6 wird dann in einem weiteren Arbeitsschritt an den Abschnitt 4 des Rohres 5, durch den das zu erwärmende Fluid 12 geleitet wird, angebracht. Die Fixierung kann dabei z.B. durch Klemmen, Schrauben, Einclipsen, Kleben (s.u.) o.ä. erfolgen.
-
Zwischen die IMS-Leiterplatte 6 und den Abschnitt 4 wird vor der Montage ein gut wärmeleitfähiges Füllmaterial 10 aufgebracht. Dieses kann entweder als Folie oder in pastöser Form, als sogenannte Wärmeleitpaste, realisiert sein. Der Zweck dieses Füllmaterials 10 ist, etwa vorhandene Unebenheiten auszugleichen, die z.B. an der Außenseite des Rohres 5 vorhanden sein können. Die gute Wärmeleitfähigkeit kann z.B. durch Zumischung von Metallpartikeln in dessen Werkstoff erreicht werden. Wird eine pastöse Masse (die Wärmeleitpaste) verwendet, wird diese vorteilhaft direkt unterhalb die wärmeabgebenden SMD-Leistungshalbleiter 1 appliziert, somit ist die Wärmeanbindung der IMS-Leiterplatte 6 an den Abschnitt 4 weiter optimiert. Das Füllmaterial 10 kann auch ein sogenannter Wärmeleitkleber sein, womit eine Kombination von Ausgleich ungerader Flächen und Fixierung der IMS-Leiterplatte 6 realisiert wird. Sind die Anlageflächen, z. B. an der Außenseite des Rohrs, plan (z. B. durch mechanische Nacharbeit), kann ggf. auf das Füllmaterial verzichtet werden.
-
In einer weiteren Ausgestaltung kann das Füllmaterial gleichzeitig als elektrische Isolierung dienen.
-
Ergänzend zum zweiten konstruktiven Ausführungsbeispiel gemäß 5 kann eine (nicht gezeigtes) Leiterplatte 6 an der (in 5 linken) Seite des THT-Leistungshalbleiters 2, also an der von dem Abschnitt 4 des Rohres oder Kanals 5 abgewandten Seite des THT-Leistungshalbleiters 2 vorgesehen sein. Damit muss die Wärme nicht durch die Leiterplatte 6 fließen.
-
Alternativ zu den dargestellten SMD- beziehungsweise THT-Leistungshalbleitern kann die Wärmequelle auch von mindestens einem ungehäusten Stück eines Halbleiter-Wafers (Die) gebildet sein.
-
Alle genannten und beschrieben Merkmale können auch in anderen Weise als in den beispielhaft genannten Weisen kombiniert werden.
-
Offenbart ist ein hochvolttauglicher Fluidheizer, dessen Wärme durch Leistungshalbleiter erzeugt wird, die speziell zu diesem Zweck vorgesehen und betrieben werden.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- SMD-Leistungshalbleiter
- 2
- THT-Leistungshalbleiter
- 4
- Abschnitt
- 5
- Rohr / Kanal
- 6
- Leiterplatte
- 8
- elektrische Isolation
- 10
- Füllmaterial
- 12
- Fluid
- 14
- Wärmeverteilschicht
- 16
- Leiterbahn
- 18
- Lötstopplack
- 20
- Durchgangsausnehmung
- 21
- Ausgesparter Bereich
- 22
- Heizbereich
- 24
- Steuerbereich
- Rth
- Thermischer Widerstand
- PL
- Verlustleistung (PLOSS)
- UCE
- Kollektor-Emitter-Spannung
- RPS
- Widerstand des Leistungshalbleiters
-
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
-
- DE 102015106552 A1 [0002]
- DE 19728589 C [0003]
- DE 19733045 C [0003]
