-
Technisches Gebiet
-
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Komponententräger zur Aufnahme von mindestens einer elektrischen Komponente.
-
Stand der Technik
-
In elektrischen Hochvolt-(HV)-Schaltboxen entstehen bedingt durch eine hohe Strombelastung in Bauteilwiderständen hohe Temperaturen. Die Temperaturgrenzen dieser Bauteile limitiert häufig die Stromtragfähigkeit der gesamten Baugruppe. Eine kritische Erwärmung von elektrischen Komponenten innerhalb einer Schaltbox durch hohe Strombelastung soll durch gezielte Wärmeabfuhr vermieden werden. Insbesondere die Verwendung eines Messwiderstandes, wie etwa eines Shunt oder ein Messwiderstand innerhalb einer HV-Schaltbox stellt dabei häufig ein Problem dar, da durch das verwendete Widerstandsmaterial Manganin lokal ein Temperatur-Hotspot entsteht und dieser durch die schlechten Wärmeeigenschaften des Materials auch nur zeitlich träge an die anliegenden Stromschienen abgeleitet wird.
-
Bekannte technische Lösungen zur Kühlung des lokal entstehenden Temperatur-Hotspots, wie etwa der Einsatz eines Lüfters in der HV-Schaltbox, sind nur aufwändig zu realisieren und führen auch nicht zu einer zielgerichteten Abfuhr oder Ableitung der entstehenden Wärme im Bereich des Temperatur-Hotspots.
-
Eine weitere Schwierigkeit bei einer HV-Schaltbox stellt die eingeschränkte Zugänglichkeit durch die Platine mit der Sensorik dar, welche sich direkt unterhalb des Messwiderstandes befindet und so eine direkte thermische Anbindung am Hotspot verhindert. Die US 2007 / 147 000 A1 bezieht sich auf eine Hauptplatine mit einem Kühlkörper. Die
US 5 375 655 A bezieht sich auf eine Kühlkörpervorrichtung.
-
Beschreibung der Erfindung
-
Eine Aufgabe der Erfindung ist es daher, unter Einsatz konstruktiv möglichst einfacher Mittel eine Komponententräger zur Aufnahme von mindestens einer elektrischen Komponente bereitzustellen, der eine effektive und einfache Kühlung von wärmeerzeugenden elektrischen Komponenten ermöglicht.
-
Die Aufgabe wird durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung und den begleitenden Figuren angegeben.
-
Die vorliegende Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass die obige Aufgabe durch einen Komponententräger gelöst werden kann, welcher eine Kühlvorrichtung umfasst, die mit einer Aufnahmevorrichtung zur Aufnahme von mindestens einer elektrischen Komponente verbindbar ist. Die Kühlvorrichtung ist mit der zu kühlenden mindestens einen elektrischen Komponente thermisch verbindbar, wobei die Kühlvorrichtung als eine schachtartige Struktur mit mindestens zwei Lüftungsöffnungen ausgebildet ist, um eine Art Kamineffekt zur Bereitstellung einer Kühlfunktion für die zu kühlende elektrische Komponente auszubilden. Die Kühlvorrichtung ist dabei direkt in ein Bereich oberhalb der zur kühlenden mindestens einen elektrischen Komponente in den Komponententräger integriert, zum Beispiel als eingespritzter Luft-Kühlkörper in einem Kunststoffgehäuseträger. Jedoch wäre auch eine andere Position der Kühlvorrichtung in Bezug auf die zu kühlende elektrische Komponente denkbar, eben in Abhängigkeit davon, wie die zu kühlende elektrische Komponente im Gesamtsystem angeordnet bzw. positioniert ist. Die Kühlvorrichtung sollte also in der Nähe der zu kühlenden elektrischen Komponente angeordnet sein bzw. in einem Bereich des durch die zu kühlende elektrische Komponente entstehenden lokalen Temperatur-Hotspots.
-
Die vorliegende Erfindung stellt dabei ein einfach zu realisierendes und zugleich robust Konzept dar, um eine gezielte Wärmeabfuhr oder Wärmeableitung aus mindestens einer elektrischen (Einzel-)Komponente unter Nutzung von bestehenden Umgebungselementen zu realisieren.
-
Ferner wird durch die vorliegende Erfindung das Risiko bezüglich Isolationsfehler, insbesondere über die Lebensdauer der elektrischen Komponente und des Komponententrägers, minimiert, wenn das Ausgleichsmaterial zur Wärmleitung und gleichzeitigen elektrischen Isolation versagen sollte.
-
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Komponententräger zur Aufnahme von mindestens einer elektrischen Komponente mit einer Aufnahmevorrichtung zur Aufnahme der mindestens einen elektrischen Komponente, einer Kühlvorrichtung, welche mit der Aufnahmevorrichtung verbindbar ist, wobei die Kühlvorrichtung mit der elektrischen Komponente thermisch verbindbar ist, wobei die Kühlvorrichtung als eine schachtartige Struktur mit mindestens zwei Lüftungsöffnungen ausgebildet ist, um eine entstehende Abwärme beim Betrieb der mindestens einen elektrischen Komponente von der elektrischen Komponente wegzuführen, und wobei die Kühlvorrichtung oberhalb der elektrischen Komponente angeordnet ist.
-
Erfindungsgemäß sind die mindestens zwei Lüftungsöffnungen der Kühlvorrichtung als eine erste Lüftungsöffnung an einer Seitenwand der Kühlvorrichtung und als eine zweite Lüftungsöffnung in einer vertikalen Erstreckungsrichtung der Kühlvorrichtung ausgebildet. Dadurch wird der Vorteil erzielt, dass eine effiziente Kühlungsfunktion zur Abfuhr von Wärme von der zu kühlenden elektrischen Komponente infolge eines durch diese Struktur entstehenden Kamineffekts erzeugt wird.
-
In einer Ausführungsform weisen die erste Lüftungsöffnung und die zweite Lüftungsöffnung voneinander unterschiedliche Dimensionen auf, um unterschiedlich dimensionierbare Kühlpfade innerhalb der Kühlvorrichtung auszubilden. Dadurch wird der Vorteil erzielt, dass auf einfache Weise flexible und anpassbare Lüftungsströme erzeugt werden können, die die entstehende Wärme zielgerichtet von der Wärmequelle wegtransportieren.
-
Erfindungsgemäß ist die Kühlvorrichtung mit ihrer schachtartigen Struktur durch mindestens ein Trennelement in mindestens zwei thermisch voneinander unabhängigen Kammern unterteilbar. Dadurch wird der Vorteil erzielt, dass voneinander unabhängige agierende Lüftungs- oder Kühlströme erzeugt werden können, die Wärme in unterschiedlichem Maße von der Wärmequelle wegtransportieren.
-
In einer Ausführungsform ist die Kühlvorrichtung zumindest teilweise als ein Metallgeflecht ausgebildet und / oder weist zumindest teilweise eine wabenähnliche Struktur auf. Dadurch wird der Vorteil einer effizienten Kühlung der mindestens einen elektrischen Komponente erzielt.
-
In einer Ausführungsform ist die zu kühlende mindestens eine elektrische Komponente mittels eines Wärmeleitmittels mit der Kühlvorrichtung thermisch verbindbar. Dadurch wird der Vorteil einer effizienten Kühlung der mindestens einen elektrischen Komponente erzielt.
-
In einer Ausführungsform ist die Aufnahmevorrichtung aus Kunststoff ausgebildet und die Aufnahmevorrichtung die Kühlvorrichtung zumindest abschnittsweise umschließt, um eine elektrische Isolierung des Komponententrägers gegenüber seiner Umgebung auszubilden. Dadurch wird der auch der weitere Vorteil erzielt, dass die Aufnahmevorrichtung kostengünstig und einfach herzustellen ist und zudem relativ wenig Gewicht beansprucht.
-
In einer Ausführungsform ist die Kühlvorrichtung in die Aufnahmevorrichtung durch Einspritzen integrierbar. Dadurch wird der Vorteil einer einfachen und leicht zu installierenden Aufnahmevorrichtung erzielt.
-
Kurze Figurenbeschreibung
-
Nachfolgend wird ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitenden Figuren erläutert. Es zeigen:
- 1 einen Komponententräger in einer ersten Ausführungsform;
- 2 einen Komponententräger in einer zweiten Ausführungsform;
- 3 einen Komponententräger in einer zweiten Ausführungsform; und
- 4 einen Komponententräger in einer zweiten Ausführungsform.
-
Die Figuren sind lediglich schematische Darstellungen und dienen nur der Erläuterung der Erfindung. Gleiche oder gleichwirkende Elemente sind durchgängig mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
-
Die 1 zeigt einen erfindungsgemäßen Komponententräger 1 in einer ersten Ausführungsform zur Aufnahme von mindestens einer elektrischen Komponente 3, 3c. Der Komponententräger 1 weist eine - nicht in der 1, aber in der 2 bis 4 dargestellte - Aufnahmevorrichtung 2 zur Aufnahme der elektrischen Komponente 3 auf. Die Aufnahmevorrichtung 2 ist mit einer Kühlvorrichtung 4 verbunden. Die 1 zeigt also lediglich den Komponententräger 1 und die Kühlvorrichtung 4, nicht aber die Aufnahmevorrichtung 2, in welche die Kühlvorrichtung 4 integriert ist.
-
Die Kühlvorrichtung 4 ist mit der elektrischen Komponente 3, 3c thermisch verbunden. Dies geschieht vorzugweise mittels eines Wärmeleitmittels 8. Wie aus der 1 zu entnehmen ist, ist die Kühlvorrichtung 4 als eine schachtartige Struktur 10 mit mindestens zwei Lüftungsöffnungen 6, 6a, 6b ausgebildet. Auf diese Weise ist es möglich, eine entstehende Abwärme, die durch einen lokalen Wärme-Hotspot, wie er bei dem Betrieb der elektrischen Komponente 3, verursacht wird, von der elektrischen Komponente 3 wegzuführen. Wie ferner in der 1 zu erkennen ist, ist die Kühlvorrichtung 4 direkt in den Bereich oberhalb der elektrischen Komponente 3 in dem Komponententräger 1 angeordnet bzw. integriert. Auf diese Weise wird die Problematik einer schwierigen Zugänglichkeit zum Wärme-Hotspot gelöst.
-
Die elektrische Komponente 3, 3c kann dabei als ein Shunt oder ein Messwiderstand ausgebildet sein. Im Shunt bzw. im Messwiderstand entstehen hohe Temperaturen direkt am Manganin (= Material mit definiertem elektrischem Widerstand). Die zeitliche Ausbreitung des Temperaturfeldes ist auf Grund der Materialeigenschaften im Vergleich zu Kupfer sehr langsam, weshalb insbesondere bei einer hohen, kurzzeitigen Strombelastung eine Wärmeabfuhr des Bauteils über thermische Anbindungen der Stromschienen aufwendiger ist.
-
Eine konventionelle thermische Anbindung direkt in diesem Bereich ist vor allem im Falle des Messwiderstands 3c nicht möglich da hier unterhalb des Manganins die Platine mit Mess-Sensorik und Auswerteelektronik angebracht ist und das Bauteil auf der Oberseite gegen den Komponententräger verschraubt wird. Die Verschraubung ist nicht in den 1 bis 4 nicht abgebildet und der Komponententräger 1 ist nur schematisch um den Kühlkörper 4 dargestellt. Dieser erstreckt sich für gewöhnlich über die gesamte Baugruppe und nimmt auch Sicherung, Schütze und andere elektrische Komponenten auf.
-
Die 1 zeigt auch, dass die Kühlvorrichtung 4 eine Vielzahl von Lüftungsöffnungen 6a, 6b aufweist. Eine erste Lüftungsöffnung 6a ist dabei an einer Seitenwand 4a der Kühlvorrichtung 4 und eine zweite Lüftungsöffnung 6b ist in einer vertikalen Erstreckungsrichtung 12 der Kühlvorrichtung 4 vorgesehen. Auf diese Weise wird eine Art kaminartiger Schacht innerhalb des Komponententrägers 1 gebildet, um in Kombination mit der Kühlstruktur einen vorteilhaften Kamineffekt auszubilden. Auf diese Weise werden eine Vielzahl von Lüftungsströmen innerhalb des Komponententrägers 1 generiert, welche die entstehende Abwärme von dem lokalen Wärme-Hotspot weg nach oben ableiten oder abführen. Zugleich wird durch die schachtartige Struktur 10 der Kühlvorrichtung 4 ein guter Wärmeübergang auf die Luft erzielt.
-
Die erste Lüftungsöffnung 6a und die zweite Lüftungsöffnung 6b können dabei voneinander unterschiedliche Dimensionen aufweisen, um unterschiedlich dimensionierbare Kühlpfade innerhalb der Kühlvorrichtung 4 auszubilden. Auf diese Weise lassen sich die generierten Lüftungsströme oder Kühlströme effizient lenken oder anpassen. Dazu können auch einzelne Trennelemente 7 beitragen, welche die Kühlvorrichtung 4 mit ihrer schachtartigen Struktur 10 in eine Vielzahl von thermisch voneinander unabhängigen Kammern 10a, 10b unterteilen.
-
Die Kühlvorrichtung 4 kann, wie in der 1 gezeigt, als ein sogenannter Luftkühlkörper ausgeführt sein. Andere Ausführungsvarianten der Kühlvorrichtung 4 wären zum Beispiel, wenn die Kühlvorrichtung 4 zumindest teilweise als ein Metallgeflecht ausgebildet wäre und / oder zumindest teilweise eine rippen-, wabenähnliche Struktur aufweist (in der 1 bis 4 nicht dargestellt).
-
Wichtig ist bei diesen Ausgestaltungen der Kühlvorrichtung 4, dass diese relativ große Oberflächen aufweist, welche dann mit einem Kühlmedium, wie zum Beispiel Luft, umströmt werden. Als Kühlmedium kann jedoch anstelle von Luft auch ein anderes gasförmiges Kühlmedium oder Kühlfluid zum Einsatz kommen. Die vorliegende Erfindung ist nicht auf bestimmtes Kühlmittel beschränkt.
-
In Bezug auf die Herstellung des Komponententrägers 1 ist folgendes anzumerken: Idealerweise wird die Kühlvorrichtung mit ihrer Kühlstruktur 4 bereits vorab in die Aufnahmevorrichtung 2 des Komponententrägers 1 integriert, beispielsweise wird diese mit in den Kunststoff eingespritzt. Die Kühlstruktur 4 selbst wird anschließend (bei der Montage der Komponenten) direkt oberhalb mit dem Manganin und/oder mit dem Kupferanteil des Shunts mittels eines Wärmeleitmaterial (TIM) direkt thermisch verbunden.
-
Die Aufnahmevorrichtung 2 ist also vorzugweise aus Kunststoff ausgebildet und die Aufnahmevorrichtung 2 umschließt die Kühlvorrichtung 4 zumindest abschnittsweise, wie dies in der 2 bis 4 deutlich zu erkennen ist. Auf diese Weise wird eine elektrische Isolierung des Komponententrägers 1 gegenüber seiner Umgebung gewährleistet. Dies ist für ein mögliches Szenario von Vorteil, wenn die Kühlvorrichtung 4 bei einem Versagen des Wärmeleitmaterials 8 auf elektrischen Potential liegen würde.
-
BEZUGSZEICHENLISTE
-
- 1
- Komponententräger
- 2
- Aufnahmevorrichtung
- 3, 3c
- Elektrische Komponente
- 4
- Kühlvorrichtung
- 4a
- Seitenwand der Kühlvorrichtung
- 6a
- Erste Lüftungsöffnung
- 6b
- Zweite Lüftungsöffnung
- 7
- Trennelement
- 8
- Wärmeleitmittel
- 10
- Struktur
- 10a, 10b
- Kammer
- 12
- Erstreckungsrichtung
