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Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Entwärmung von mindestens einer Stromschiene. Insbesondere ist die Stromschiene in wärmeleitenden Kontakt mit einer Wärmesenke.
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Nach dem aktuellen Stand der Technik werden Stromschienen zur Stromführung in der Leistungselektronik verwendet. Die Stromschienen werden im Leistungselektronikgehäuse geführt und werden durch angeschlossene Komponenten in Abhängigkeit der Komponententemperaturen erwärmt oder gekühlt. Zusätzlich wird die Temperatur der Stromschienen- durch die Umgebungstemperatur der Luft beeinflusst.
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Je nach Betriebspunkt und der Erwärmung der Stromschiene führt dies zu einer Erhöhung der Temperatur eines Kühlkörpers (Gehäuse von elektronischen Komponenten). Ebenso kann dies bei ungenügender Abfuhr der Wärme zu einer zusätzlichen Erwärmung von den angeschlossenen Komponenten (z.B. Leistungshalbleitermodule etc.) führen. Erreichen die angeschlossenen Komponenten die obere Grenztemperatur, muss die Leistung reduziert werden (auch Derating genannt), um den Ausfall der Komponenten durch Überhitzung zu vermeiden.
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Es ist demgemäß die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Anordnung zur Entwärmung von mindestens einer Stromschiene zu schaffen, welche eine aktive Kühlanbindung der Stromschienen und eine thermische Entkopplung der angeschlossen Komponenten ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird durch eine Anordnung zur Entwärmung von mindestens einer Stromschiene gelöst, die die Merkmale des Anspruchs 1 umfasst.
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Erfindungsgemäß kann mit der Anordnung die Entwärmung von mindestens einer Stromschiene erzielt werden. Hierzu ist die Stromschiene in wärmeleitenden Kontakt mit einer Wärmesenke. Eine Schicht aus thermisch leitenden und elektrisch isolierenden Material hält die Stromschiene in wärmeleitenden Kontakt mit der Wärmesenke. Die Wärmesenke kann zumindest einen Kühlkörper oder ein Gehäuseteil von Komponenten umfassen. Um den Wärmeübergang von der Stromschiene auf zumindest eine der Wärmesenken oder Gehäuseteile zu ermöglichen, ist die Stromschiene mit einem thermisch leitenden und elektrisch isolierenden Material mit der Wärmesenke verbunden.
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Gegenüber dem Stand der Technik werden verschiedene Ansätze dargestellt, welche eine aktive Kühlanbindung der Stromschienen und eine thermische Entkopplung der angeschlossen Komponenten ermöglichen.
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Die erfindungsgemäße Lösung hat einen deutlichen Vorteil in der Verfügbarkeit des Systems aus Bauteilen der Leistungselektronik und wirkt sich positiv auf die Lebensdauer verschiedener Komponenten im Leistungselektronikkreis aus.
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Gemäß einer möglichen Ausführungsform der Erfindung umfasst die Wärmesenke den Kühlkörper (Gehäuseteil) und einen Kühlkanal, der den Kühlkörper (Gehäuseteil) durchzieht. Die Stromschiene ist mit einer Außenfläche des Kühlkörpers (Gehäuseteils) mittels der Schicht aus thermisch leitenden und elektrisch isolierenden Material thermisch leitend gekoppelt. Bevorzugt ist das thermisch leitende und elektrisch isolierende Material ein Thermal Interface Material (TIM). Die Entwärmung erfolgt über das TIM zu der Wärmesenke, welche der Kühlkörper selbst oder der Kühlkörper und das Kühlmedium darstellt. Die elektrische Isolation erfolgt durch das TIM.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, besteht die Wärmesenke aus dem Kühlkörper und einen Kühlkanal, der den Kühlkörper durchzieht. Die erfindungsgemäße Ausgestaltung ist derart, dass die Stromschiene den Kühlkanal durchquert, wobei zumindest der Abschnitt der Stromschiene, der im Kühlkanal verläuft, mittels der Schicht aus thermisch leitenden und elektrisch isolierenden Material ummantelt ist. Die Stromschiene ist somit thermisch leitend zumindest mit einem Kühlmedium im Kühlkanal gekoppelt. Die Anbindung erfolgt über eine integrierte Kühlstruktur im Gehäuseübergang (z.B. vom Leistungselektronikgehäuse zum Elektromotor).
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Die Entwärmung erfolgt bevorzugt über ein Kühlmedium in einen Kühlkanal, welcher in der Gehäuseübergangsstelle die isolierten Stromschienen umfließt. Das Kühlmedium dient dabei als Wärmesenke.
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Zur Erhöhung des Wärmeübergangs kann ein Abschnitt der Stromschiene, der der Schicht aus thermisch leitenden und elektrisch isolierenden Material zugeordnet ist, eine vergrößerte Oberfläche ausgebildet haben. Eine Erhöhung der Wärmekonvektion/Wärmestrahlung erreicht man durch Oberflächenvergrößerung. Erfindungsgemäß kann anstelle einer durchgehend homogenen Stromschieneauch eine Stromschiene verwendet werden, die eine Platte (erhöhte Breite und/oder Tiefe) oder einen Flexleiter (Stromschiene mit einem Verbund von Einzeladern) aufweist. Durch die Erhöhung der Oberfläche erhöht sich sowohl der Wärmetransport über die Konvektion, als auch die Wärmestrahlung zur Umgebungsluft hin.
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Anhand der beigefügten Zeichnungen werden nun die Erfindung und ihre Vorteile durch Ausführungsbeispiele näher erläutert, ohne dadurch die Erfindung auf das gezeigte Ausführungsbeispiel zu beschränken. Die Größenverhältnisse in den Figuren entsprechen nicht immer den realen Größenverhältnissen, da einige Formen vereinfacht und andere Formen zur besseren Veranschaulichung vergrößert im Verhältnis zu anderen Elementen dargestellt sind. Dabei zeigen:
- 1 eine Seitenansicht einer schematischen Darstellung einer möglichen Ausführungsform der Anordnung zur Entwärmung mindestens einer Stromschiene;
- 2 eine Draufsicht der schematischen Darstellung der möglichen Ausführungsform der Anordnung aus 1 zur Entwärmung der mindestens einen Stromschiene;
- 3 eine Seitenansicht einer schematischen Darstellung einer weiteren Ausführungsform der Anordnung zur Entwärmung mindestens einer Stromschiene;
- 4 eine Draufsicht der schematischen Darstellung der weiteren Ausführungsform der Anordnung aus 3 zur Entwärmung der mindestens einen Stromschiene;
- 5 eine Seitenansicht einer schematischen Darstellung einer noch weiteren Ausführungsform der Anordnung zur Entwärmung mindestens einer Stromschiene;
- 6 eine Draufsicht der schematischen Darstellung der noch weiteren Ausführungsform der Anordnung aus 5 zur Entwärmung der mindestens einen Stromschiene;
- 7 eine Seitenansicht einer Ausführungsform der Stromschiene mit vergrößerter Oberfläche;
- 8 eine Draufsicht auf die Ausführungsform der Stromschiene aus 7;
- 9 eine Seitenansicht einer weiteren Ausführungsform der Stromschiene mit vergrößerter Oberfläche; und
- 10 eine Draufsicht auf die weitere Ausführungsform der Stromschiene aus 9.
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Für gleiche oder gleich wirkende Elemente der Erfindung werden identische Bezugszeichen verwendet. Ferner werden der Übersicht halber nur Bezugszeichen in den einzelnen Figuren dargestellt, die für die Beschreibung der jeweiligen Figur erforderlich sind. Die Figuren stellen lediglich Ausführungsbeispiele der Erfindung dar, ohne jedoch die Erfindung auf die dargestellten Ausführungsbeispiele zu beschränken.
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1 zeigt eine Seitenansicht einer schematischen Darstellung einer möglichen Ausführungsform der Anordnung 1 zur Entwärmung mindestens einer Stromschiene 2. Die Stromschiene 2 ist in wärmeleitenden Kontakt mit einer Wärmesenke 4. Um den wärmeleitenden Kontakt mit der Wärmesenke 4 zu erzielen, ist die mindestens eine Stromschiene 2 mit einer Schicht 9 aus einem thermisch leitenden und elektrisch isolierenden Material 10 an die Wärmesenke 4 angebunden. Die Schicht 9 aus einem thermisch leitenden und elektrisch isolierenden Material 10 ist auf einer Außenfläche 8 der Wärmesenke 4 angebracht. Hierzu ist ein Außenflächenbereich 12 der Stromschiene 2 mit der Wärmesenke 4 verbunden. Die Wärmesenke 4 besteht in dieser Ausführungsform aus einem Kühlkörper 5, durch den ein Kühlkanal 6 geführt ist. Im Kühlkanal 6 ist ein Kühlmedium 60 geführt, das die Wärme abführt.
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2 zeigt eine Draufsicht der schematischen Darstellung der möglichen Ausführungsform der Anordnung 1 aus 1 zur Entwärmung der mindestens einen Stromschiene 2. Die Stromschiene 2 ist dabei über das thermisch leitende und elektrisch isolierende Material 10 an den Kühlkörper 5 der Wärmesenke 4 angebunden. Für die Wärmeabfuhr aus dem Kühlkörper 5 ist der Kühlkanal 6 vorgesehen, der den Kühlkörper 5 durchzieht. Wie in 1 und 2 dargestellt, durchströmt das Kühlmedium 60 den Kühlkanal 6 von einem Eingang 6E zu einem Ausgang 6A. Die Stromschiene 2 weist ein erstes Anschlusselement 3A und ein zweites Anschlusselement 3B auf, die beide als Kontaktierungsflächen ausgebildet sind. Das thermisch leitende und elektrisch isolierende Material 10 ist in Form einer Schicht 9 zwischen der Stromschiene 2 und dem Kühlkörper 5 vorgesehen, um diese in wärmeleitenden Kontakt mit dem Kühlkörper 5 zu halten. Das thermisch leitende und elektrisch isolierende Material 10 ist bei der hier beschriebenen Ausführungsform derart flächig auf den Kühlkörper 5 aufgebracht, dass dessen Fläche 13 größer ist, als der Außenflächenbereich 12 der Stromschiene 2. Es ist für einen Fachmann selbstverständlich, dass dies nicht als Beschränkung der Erfindung aufgefasst werden soll.
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3 zeigt eine Seitenansicht einer schematischen Darstellung einer weiteren Ausführungsform der Anordnung 1 zur Entwärmung mindestens einer Stromschiene 2. Die Stromschiene 2 ist über das thermisch leitende und elektrisch isolierende Material 10 auf den Kühlkörper 5 aufgebracht, der die Wärmesenke 4 definiert. Die Stromschiene 2 ist ebenfalls über die Schicht 9 aus dem thermisch leitenden und elektrisch isolierenden Material 10 an den Kühlkörper 5 angebunden.
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4 zeigt eine Draufsicht der schematischen Darstellung der weiteren Ausführungsform der Anordnung 1 aus 3 zur Entwärmung der mindestens einen Stromschiene 2. Hier bildet der Kühlkörper 5 alleine die Wärmesenke 4. Die Stromschiene 2 ist ebenfalls über die Schicht 9 (siehe 3) aus dem thermisch leitenden und elektrisch isolierenden Material 10 an den Kühlkörper 5 bzw. die Wärmesenke 4 angebunden. Die Stromschiene 2 weist ebenfalls ein erstes Anschlusselement 3A und ein zweites Anschlusselement 3B auf, die beide als Kontaktierungsflächen ausgebildet sind. Bei der hier beschriebenen Ausführungsform der Anordnung 1 ist die Schicht 9 aus dem thermisch leitenden und elektrisch isolierenden Material 10 derart flächig auf dem Kühlkörper 5 aufgebracht, dass dessen Fläche 13 größer ist als der Außenflächenbereich 12 der Stromschiene 2.
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5 und 6 zeigen eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung 1. Die Wärmesenke 4 besteht aus dem Kühlkörper 5 und dem Kühlkanal 6. Der Kühlkörper 5 besitzt eine Länge 5L, eine Breite 5B und eine Höhe 5H. Im Gegensatz zu den Darstellungen der 1 und 2 durchzieht die Stromschiene 2 den Kühlkörper 5, und der Kühlkanal 6 wird von der Stromschiene 2 durchzogen. Bei der hier dargestellten Ausführungsform sind die Stromschiene 2 und der Kühlkanal 6 senkrecht zueinander ausgerichtet. Der Kühlkanal 6 verläuft entlang der Länge 5L des Kühlkörpers 5, und die Stromschiene 2 verläuft entlang der Breite 5B des Kühlkörpers 5. Die Stromschiene 2 ist entlang der Breite 5B des Kühlkörpers 5 mit dem thermisch leitenden und elektrisch isolierenden Material 10 umgeben. Dies hat den Vorteil, dass zumindest mit dem thermisch leitenden und elektrisch isolierenden Material 10 ein ausreichender Wärmeübergang von der Stromschiene 2 auf das Kühlmedium 60 im Kühlkanal 6 resultiert. Ebenso ist eine Anbindung der Stromschiene 2 über das thermisch leitende und elektrisch isolierende Material 10 an den Kühlkörper 5 gegeben. Das erste Anschlusselement 3A und das zweite Anschlusselement 3B der Stromschiene 2 können beide als Kontaktierungsflächen ausgebildet sein.
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7 und 8 zeigen eine Seitenansicht einer Ausführungsform der Stromschiene 2 mit vergrößerter, effektiver Oberfläche und eine Draufsicht auf die Ausführungsform der Stromschiene 2 aus 7 oder 8. Die Stromschiene 2 hat einen Abschnitt 20 ausgebildet, in dem einen Oberflächenvergrößerung vorliegt. Die Oberflächenvergrößerung wird durch eine Vielzahl von Einzeladern gebildet. Man erhält einen Flexleiter, dessen Abschnitt 20 mit der Oberflächenvergrößerung zwischen dem ersten Anschlusselement 3A und dem zweiten Anschlusselement 3B der Stromschiene ausgebildet ist.
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9 und 10 zeigen eine Seitenansicht einer weiteren Ausführungsform der Stromschiene 2 mit vergrößerter, effektiver Oberfläche und eine Draufsicht auf die Ausführungsform der Stromschiene 2 aus 9 oder 10. Die Erhöhung des Wärmeübergangs erreicht man z.B. dadurch, dass die Stromschiene 2 zwischen dem ersten Anschlusselement 3A und dem zweiten Anschlusselement 3B in Form einer Platte mit erhöhter Breite / Tiefe ausgebildet ist.
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Durch die Verwendung der mehreren Leiter oder der Verbreiterung des Abschnitts zwischen dem ersten Anschlusselement 3A und dem zweiten Anschlusselement 3B, erreicht man eine Erhöhung der Wärmekonvektion/Wärmestrahlung aufgrund einer Oberflächenerhöhung.
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Die Erfindung wurde unter Bezugnahme auf eine bevorzugte Ausführungsform beschrieben. Es ist für einen Fachmann selbstverständlich, dass Änderungen und Abwandlungen der Erfindung gemacht werden können, ohne dabei den Schutzbereich der nachstehenden Ansprüche zu verlassen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Anordnung
- 2
- Stromschiene
- 3A
- erstes Anschlusselement
- 3B
- zweites Anschlusselement
- 4
- Wärmesenke
- 5
- Kühlkörper
- 5B
- Breite
- 5H
- Höhe
- 5L
- Länge
- 6
- Kühlkanal
- 6A
- Ausgang
- 6E
- Eingang
- 8
- Außenfläche
- 9
- Schicht
- 10
- thermisch leitendes und elektrisch isolierendes Material
- 12
- Außenflächenbereich
- 13
- Fläche
- 20
- Abschnitt
- 60
- Kühlmedium
