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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kondensator gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Aus dem Stand der Technik sind Folien-Kondensatoren bekannt, bei denen isolierende Kunststofffolien als Dielektrikum verwendet werden. Die Kunststoffe werden dafür in speziellen Verfahren zu extrem dünnen Folien gezogen, mit den Elektroden versehen und dann als Wickel gewickelt oder aus Einzellagen geschichtet zu einem Kondensator zusammengefügt.
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Wie bei vielen elektronischen Komponenten wird bei solchen Kondensatoren im Betrieb Wärme erzeugt. Dies gilt insbesondere für einen Betrieb der Kondensatoren als leistungseleketronische Komponente, beispielsweise in einem Umrichter oder einem DC/DC-Wandler. Der Wunsch nach immer größeren Leistungen und immer kompakteren Bauweisen führt dazu, dass die Wärme besonders effizient abgeführt werden muss, um zusätzlich auch eine lange Lebensdauer der Kondensatoren zu erreichen.
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Aus
CH 368 236 A ist ein Kondensator bekannt, bei dem Kühlkanäle zwischen den Kondensatorlagen angeordnet sind.
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Demgegenüber liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine besonders kompakte Bauform eines Kondensators zu ermöglichen. Außerdem soll ein Kraftfahrzeug mit einem solchen Kondensator geschaffen werden.
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Diese Aufgabe wird durch einen Kondensator gemäß Anspruch 1, Systeme gemäß den Ansprüchen 5 und 7 und ein Kraftfahrzeug gemäß Anspruch 10 gelöst. Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Der Kondensator gemäß Anspruch 1 umfasst mehrere um ein Wickelzentrum gewickelte elektrisch leitfähige Kondensatorlagen. Der Begriff „Wickelzentrum“ ist dabei im Rahmen dieser Beschreibung als geometrischer Begriff und nicht als Bauteil zu verstehen. Das Wickelzentrum definiert einen Bereich, um den herum die Kondensatorlagen gewickelt sind. Bei den Kondensatorlagen kann es sich beispielsweise um einen einzigen zusammenhängenden Wickel handeln. Es kann sich beispielsweise bei dem Kondensator um einen Folienkondensator handeln. Der Kondensator umfasst außerdem einen Kühlkanal. Unter einem Kühlkanal wird dabei im Rahmen dieser Beschreibung insbesondere ein Bauteil verstanden, das dazu ausgebildet ist, ein Fluid verlustfrei oder mit äußerst geringen Verlusten von einer ersten Öffnung zu einer zweiten Öffnung zu leiten. Der Kühlkanal ist zwischen den Kondensatorlagen angeordnet. Beispielsweise kann der Kühlkanal innerhalb oder außerhalb des Wickelzentrums angeordnet sein.
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Der Kühlkanal ist elektrisch leitfähig. Beispielsweise kann der Kühlkanal eine Wandung aufweisen, die aus Metall besteht. Vorzugweise weist der Kühlkanal eine Leitfähigkeit von mehr als 106 S/m auf. Beispielsweise kann der Kühlkanal Kupfer und/oder Aluminium umfassen. Es ist auch möglich, dass der Kühlkanal aus Kupfer und/oder Aluminium besteht.
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Der Kühlkanal kann somit zwei Funktionen erfüllen. Durch ihn kann ein Kühlmedium strömen, um Wärme vom Kondensator abzuführen. Außerdem kann der Kühlkanal zur Potential- und/oder Stromführung verwendet werden. Dies kann insbesondere auch die Induktivität des Kondensators senken, sodass der Kondensator besser als schnell schaltendes Leistungselement geeignet ist, beispielsweise für den Betrieb mit schnell schaltenden Leistungshalbleitern.
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Nach einer Ausführungsform der Erfindung kann der Kondensator an einem ersten Ende einen ersten Anschluss und einen zweiten Anschluss aufweisen. Der erste Anschluss und der zweite Anschluss können jeweils für eine elektrische Verbindung mit zumindest einer anderen elektronischen Komponente ausgebildet sein. Der Kondensator kann ein zweites Ende aufweisen, das dem ersten Ende gegenüber angeordnet ist. Der Kühlkanal kann das zweite Ende elektrisch mit dem zweiten Anschluss verbinden. Somit kann das am zweiten Ende des Kondensators anliegende elektrische Potential über den elektrisch leitfähigen Kühlkanal zum am ersten Ende angeordneten zweiten Anschluss geführt werden. Der Vorteil ist, dass der Kondensator lediglich am ersten Ende elektrisch kontaktiert werden muss. Beispielsweise kann der erste Anschluss durch eine Isolationsschicht vom zweiten Anschluss elektrisch isoliert sein. Dabei ist zu beachten, dass im Rahmen dieser Beschreibung unter dem ersten Ende des Kondensators insbesondere ein Endbereich verstanden wird, der sowohl den ersten Anschluss als auch den zweiten Anschluss und die Isolationsschicht umfasst. Der Endbereich kann somit dreidimensional ausgebildet sein und eine nach außen weisende Endfläche, die den Abschluss des Kondensators bildet, umfassen.
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Nach einer Ausführungsform der Erfindung kann der Kühlkanal als Rohr ausgebildet sein. Es ist insbesondere möglich, dass das Rohr rund ist. Das Rohr kann beispielsweise einen kreisrunden Querschnitt oder einen ellipsenförmigen Querschnitt aufweisen. Der Kühlkanal kann im Wickelzentrum angeordnet sein und einen Wickelkern bilden, auf dem die Kondensatorlagen aufgewickelt sind. Dies kann insbesondere bedeuten, dass bei der Herstellung des Kondensators die Kondensatorlagen direkt auf den Kühlkanal gewickelt werden. Der Kühlkanal kann somit auch eine dritte Funktion, nämlich die des Wickelkerns erfüllen.
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Nach einer Ausführungsform der Erfindung kann der Kühlkanal eine erste Öffnung und eine zweite Öffnung aufweisen, die einander gegenüber angeordnet sind. Der Kühlkanal kann über die erste Öffnung an eine erste Kühlmediumleitung und über die zweite Öffnung an eine zweite Kühlmediumleitung anschließbar sein, sodass ein Kühlmedium von der ersten Kühlmediumleitung durch den Kühlkanal in die zweite Kühlmediumleitung strömen kann. Es ist somit möglich, dass im Betrieb des Kondensators das Kühlmedium von der ersten Kühlmediumleitung durch den Kühlkanal in die zweite Kühlmediumleitung strömt. Unter einem Kühlmedium wird im Rahmen dieser Beschreibung insbesondere ein Fluid verstanden, das dazu ausgebildet ist, vom Kondensator erzeugte Wärme aufzunehmen und abzuleiten. Das Kühlmedium kann beispielsweise im Kondensator erwärmt werden und seine Wärme außerhalb des Kondensators an ein anderes Medium, insbesondere über einen Wärmetauscher, abgeben. Das Kühlmedium kann beispielsweise elektrisch isolierend ausgebildet sein.
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Das System gemäß Anspruch 5 umfasst mehrere Kondensatoren nach einer Ausführungsform der Erfindung und eine Stromleitschiene. Die Kondensatoren sind über die Stromleitschiene miteinander elektrisch verbunden. Die derart angeordneten Kondensatoren können jeweils einzeln auch als Kondensator-Wickel bezeichnet werden. Die erste Kühlmediumleitung ist an der Stromleitschiene angeordnet und verläuft parallel zur Stromleitschiene. Beispielsweise kann die Stromleitschiene eine Wandung der Kühlmediumleitung bilden.
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Die elektrische Verbindung mit der Stromleitschiene ist insbesondere vorteilhaft für ein besonders einfach zu montierendes System.
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Es ist insbesondere möglich, dass das System eine weitere Stromleitschiene umfasst, über die die Kondensatoren miteinander elektrisch verbunden sind und an der die zweite Kühlmediumleitung angeordnet ist. Die weitere Stromleitschiene kann beispielsweise eine Wandung der zweiten Kühlmediumleitung bilden.
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Nach einer Ausführungsform der Erfindung kann die erste Kühlmediumleitung mehrere Vorsprünge aufweisen, die eine mit einer Umgebung des Systems in Verbindung stehende Kontaktfläche der ersten Kühlmediumleitung vergrößern. Das gleiche kann entsprechend für die zweite Kühlmediumleitung vorgesehen sein. Durch diese Vorsprünge kann die Wärmeabfuhr vom Kühlmedium an die Umgebung verbessert werden. Die Vorsprünge können beispielsweise rippenförmig ausgebildet sein. Wenn die Stromleitschiene eine Wandung der ersten Kühlmediumleitung bildet, kann die Stromleitschiene beispielsweise die Vorsprünge aufweisen.
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Das System gemäß Anspruch 7 umfasst mehrere Kondensatoren mit jeweils mehreren um ein Wickelzentrum gewickelten elektrisch leitfähigen Kondensatorlagen. Das System umfasst mehrere Kühlkanäle, die jeweils zwischen den Kondensatoren angeordnet sind. Die Kondensatoren können beispielsweise Merkmale aufweisen, die in dieser Beschreibung weiter oben beschrieben sind.
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Die Anordnung der Kühlkanäle zwischen den Kondensatoren ist besonders vorteilhaft für eine platzsparende Anordnung und effiziente Wärmeabfuhr.
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Nach einer Ausführungsform der Erfindung können die Kühlkanäle jeweils in Freiräumen zwischen den Kondensatoren angeordnet sein, die durch jeweils angrenzende Kondensatoren definiert sind. Die Freiräume können somit beispielsweise ausschließlich durch die angrenzenden Kondensatoren definiert sein. Dabei ist es insbesondere möglich, dass die Kondensatoren derart angeordnet sind, dass sie aneinander angrenzen. Beispielsweise kann einer der Kondensatoren an mindestens vier oder sogar an sechs andere der Kondensatoren angrenzen. Aufgrund der Form der Kondensatoren, beispielsweise eine kreisrunde oder ellipsenförmige Querschnittsform oder als Flachwickel, können die Freiräume dann vorhanden sein.
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Nach einer Ausführungsform der Erfindung können die Kühlkanäle elektrisch leitfähig sein.
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Das Kraftfahrzeug gemäß Anspruch 10 umfasst ein System oder einen Kondensator nach einer Ausführungsform der Erfindung. Beispielsweise kann das System oder der Kondensator Bestandteil eines Umrichters oder eines DC/DC-Wandlers des Kraftfahrzeugs sein.
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Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden deutlich anhand der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die beiliegenden Abbildungen. Dabei werden für gleiche oder ähnliche Merkmale sowie für Merkmale mit gleichen oder ähnlichen Funktionen die gleichen Bezugszeichen verwendet. Dabei zeigt
- 1 eine schematische Schnittansicht eines Kondensators nach einer Ausführungsform der Erfindung;
- 2 eine schematische Schnittansicht eines Systems nach einer Ausführungsform der Erfindung mit nebeneinander angeordneten Kondensatoren;
- 3 eine schematische Schnittansicht eines Systems nach einer Ausführungsform der Erfindung mit übereinander und nebeneinander angeordneten Kondensatoren;
- 4 eine schematische Schnittansicht zweier übereinander angeordneter Kondensatoren;
- 5 eine Querschnittansicht durch ein System mit mehreren Kondensatoren und in durch die Kondensatoren definierten Freiräumen angeordneten Kühlkanälen;
- 6 eine Querschnittansicht durch ein System mit mehreren Kondensatoren und in durch die Kondensatoren definierten Freiräumen angeordneten Kühlkanälen;
- 7 eine Querschnittansicht durch ein System mit mehreren Kondensatoren mit Kühlkanälen als Wickelkernen;
- 8 eine Querschnittansicht durch ein System mit mehreren Kondensatoren mit Kühlkanälen als Wickelkernen;
- 9 eine Querschnittansicht durch ein System mit mehreren Kondensatoren und in Freiräumen zwischen den Kondensatoren angeordneten Kühlkanälen; und
- 10 eine Querschnittansicht durch ein System mit mehreren Kondensatoren und in Freiräumen zwischen den Kondensatoren angeordneten Kühlkanälen.
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Der Kondensator 100 in 1 umfasst mehrere als Wickel 101 ausgebildete Kondensatorlagen. Der Wickel 101 ist an zwei einander gegenüberliegenden Enden mit einer Schoopschicht 102 beschichtet. Dabei kann es sich beispielsweise um eine Metallschicht handeln, die beispielsweise aufgedampft wurde. Sie dient der elektrischen Kontaktierung des Wickels 101. Der Wickel ist um zwei Kühlkanäle 103 gewickelt. Die Kühlkanäle 103 sind elektrisch leitfähig.
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Außerdem umfasst der Kondensator 100 eine erste Stromleitschiene 104, an der eine erste Kühlmediumleitung angeordnet ist. In den Figuren ist lediglich eine Wandung der ersten Kühlmediumleitung dargestellt, die abschnittsweise von einem ersten Blech 105 und einer zweiten Stromleitschiene 107 gebildet wird. Die erste Stromleitschiene 104 dient der Potentialführung. Über die erste Stromleitschiene 104 kann der Kondensator 100 beispielsweise elektrisch mit mehreren anderen, vorzugsweise baugleichen Kondensatoren 100, verbunden sein. Der Kondensator 100 umfasst außerdem noch eine zweite Kühlmediumleitung, deren Wandung zumindest abschnittsweise durch ein zweites Blech 108 gebildet wird. Dabei ist die erste Kühlmediumleitung an einem ersten Ende des Kondensators 100 angeordnet, das einem zweiten Ende des Kondensators 100 gegenüber angeordnet ist, wobei die zweite Kühlmediumleitung am zweiten Ende angeordnet ist.
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Die erste Kühlmediumleitung und die zweite Kühlmediumleitung sind über die Kühlkanäle 103 miteinander verbunden, sodass innerhalb des Wickels 101 entstehende Wärme zuverlässig und effizient durch ein die Kühlkanäle 103 durchströmendes Fluid in die erste oder zweite Kühlmediumleitung abführbar ist.
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Aufgrund der elektrischen Leitfähigkeit der Kühlkanäle 103 kann ein elektrisches Potential vom zweiten Ende des Kondensators 100 zur zweiten Stromleitschiene 107 am ersten Ende des Kondensators 100 durch den Wickel 101 hindurchgeführt werden. Auch über die zweite Stromleitschiene 107 kann der Kondensator 100 mit mehreren anderen baugleichen Kondensatoren 100 elektrisch verbunden sein. Die zweite Stromleitschiene 107 dient somit ebenfalls der Potentialführung. Aufgrund der unterschiedlichen Potentiale der ersten Stromleitschiene 104 und der zweiten Stromleitschiene 107 sind die beiden Stromleitschienen 104 und 107 elektrisch mittels einer Isolationsschicht 106 voneinander isoliert.
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Im Betrieb kann das Kühlmedium beispielsweise von der ersten Kühlmediumleitung durch die Kühlkanäle 103 zur zweiten Kühlmediumleitung oder in umgekehrter Richtung strömen.
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Die Kühlkanäle 103 erfüllen somit drei Funktionen in einem Bauteil. Erstens dienen sie der Potentialführung, da sie elektrisch leitfähig sind. Zweitens dienen sie als Wickelkern, auf dem der Wickel 101 aufgewickelt ist. Drittens führen sie zuverlässig und effizient aus dem Wickelzentrum des Kondensators 100 Wärme ab.
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Das in 2 dargestellte System umfasst mehrere Kondensatoren, die jeweils einen um einen Kühlkanal 103 gewickelten Wickel 101 umfassen. Im Unterschied zum in 1 dargestellten Kondensator 100 ist die zweite Stromleitschiene 107 am zweiten Ende der Kondensatoren 100 angeordnet.
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Sehr viel wichtiger ist beim System in 2 jedoch, dass die erste und die zweite Kühlmediumleitung jeweils mehrere Vorsprünge 200 aufweisen, die die Oberfläche der jeweiligen Kühlmediumleitung vergrößern, sodass die vom Kondensator aufgenommene Wärme besser an die Umgebung abgegeben werden kann. In den 2 und 3 wird eine Wandung der jeweiligen Kühlmediumleitung jeweils von einer der Stromleitschienen 104 und 107 gebildet, sodass die Vorsprünge 200 an den Stromleitschienen 104 und 107 angeordnet sind.
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Das in 3 dargestellte System umfasst mehrere übereinander und nebeneinander angeordnete Kondensatoren 100. Dabei sind die nebeneinander angeordneten Kondensatoren jeweils über Stromleitschienen 104 und 107 miteinander verbunden. Die Stromleitschienen 104 und 107 sind - ähnlich wie beim in 1 dargestellten Kondensator 100 - am selben Ende der Kondensatoren 100 angeordnet. Dies ist möglich, da die Kühlkanäle 103 elektrisch leitend sind.
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Es ist außerdem zu beachten, dass die unteren Kondensatoren die beiden Stromleitschienen 104 und 107 an ihrem oberen Ende aufweisen, während die oberen Kondensatoren ihre Stromleitschienen 104 und 107 an ihrem unteren Ende aufweisen. Dies führt dazu, dass zwischen den oberen und unteren Kondensatoren alle Stromleitschienen 104 und 107 angeordnet sind und so eine besonders kompakte Bauweise erreicht wird.
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In 4 sind zwei übereinander angeordnete Kondensatoren 100 dargestellt, die den Kondensatoren 100 aus 3 entsprechen. Dabei ist das erste Ende des unteren Kondensators 100 dem ersten Ende des oberen Kondensators 100 zugewandt, sodass - wie in 3 - die Stromleitschienen 104 und 107 sowohl des oberen Kondensators 100 als auch des unteren Kondensators 100 mittig zwischen dem oberen Kondensator 100 und dem unteren Kondensator 100 angeordnet sind. Dies ist möglich aufgrund der elektrischen Leitfähigkeit der Kühlkanäle 103, die zur Potentialführung vom zweiten Ende zur jeweiligen Stromleitschiene 107 am ersten Ende genutzt werden.
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In 5 sind mehrere Flachwickel-Kondensatoren 100 dargestellt. Sie weisen im Querschnitt eine Form mit zwei parallel zueinander verlaufenden geraden Abschnitten, die an ihren Enden jeweils miteinander über einen Kreisbogenabschnitt verbunden sind. Aufgrund dieser Form ergeben sich zwischen den Kondensatoren 100 Freiräume, in denen Kühlkanäle 103 angeordnet sind, sodass diese Freiräume genutzt werden, um Wärme abzuführen. Dies ist insbesondere vorteilhaft, da die Freiräume nicht ausgefüllt oder verkleinert werden könnten, indem die Wickel 101 der Kondensatoren 100 vergrößert werden, indem mehr Lagen um das Wickelzentrum gewickelt werden. Dies ist nicht möglich, da benachbarte Kondensatoren 100 bereits aneinander anliegen. So wird der vorhandene Bauraum besonders effizient genutzt.
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Die Kondensatoren 100 in 6 wiesen eine kreisrunde Querschnittsfläche auf. Ähnlich wie bei den Kondensatoren 100 aus 6 gibt es zwischen den Kondensatoren 100 Freiräume, die nicht durch eine Vergrößerung der Kondensatoren ausgefüllt werden können. In diesen Freiräumen sind die Kühlkanäle 103 angeordnet. Somit wird auch bei diesem System der Bauraum besonders effizient genutzt.
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In den 7 und 8 sind Kondensatoren 100 mit Querschnittsformen wie in den 5 und 6 dargestellt, bei denen die Wickel jeweils auf einem Kühlkanal 103 aufgewickelt sind. In diesen Fällen kann der Kühlkanal jeweils drei Funktionen erfüllen: elektrische Potentialführung, Kühlung und Wickelkern.
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In 9 sind mehrere Kondensatoren 100 dargestellt, zwischen denen jeweils Kühlkanäle 103 angeordnet sind. Dabei liegt ein Kühlkanal 103 jeweils gleichzeitig an mehreren Kondensatoren 100 an, sodass besonders wenig Bauteile bei der Montage verwendet werden.
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In 10 sind mehrere Kondensatoren 100 dargestellt, zwischen denen jeweils Kühlkanäle 103 angeordnet sind. Auch hier liegt ein Kühlkanal 103 jeweils gleichzeitig an mehreren Kondensatoren 100 an. Aufgrund der kreisrunden Form der Kondensatoren 100 verlaufen die Kühlkanäle jeweils in einem Zick-Zack-Muster.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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