EP4224494A1 - Vorrichtung zur kühlung elektrischer wickelgüter - Google Patents

Vorrichtung zur kühlung elektrischer wickelgüter Download PDF

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EP4224494A1
EP4224494A1 EP22155049.4A EP22155049A EP4224494A1 EP 4224494 A1 EP4224494 A1 EP 4224494A1 EP 22155049 A EP22155049 A EP 22155049A EP 4224494 A1 EP4224494 A1 EP 4224494A1
Authority
EP
European Patent Office
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winding material
heat
heat pipe
cooling
surface element
Prior art date
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Pending
Application number
EP22155049.4A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Harald Schweigert
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
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Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
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    • H01F27/00—Details of transformers or inductances, in general
    • H01F27/34—Special means for preventing or reducing unwanted electric or magnetic effects, e.g. no-load losses, reactive currents, harmonics, oscillations, leakage fields
    • H01F27/36—Electric or magnetic shields or screens
    • H01F27/363—Electric or magnetic shields or screens made of electrically conductive material

Definitions

  • the invention relates to a device for cooling electrical winding goods.
  • This heating must not lead to exceeding the maximum permissible temperature of the components specified by standards, which is based in particular on the safety requirements for the insulating materials that ensure protection against electric shock.
  • the switching power supplies can be operated with higher clock frequencies and the size and weight of the devices can be reduced.
  • Cooling by means of a heat sink, which is attached to one side of the ferrite core, is also known.
  • the invention is therefore based on the object of further developing the prior art.
  • the device according to the invention for cooling an electrical winding material has a heat pipe for heat conduction between the winding material and a heat sink.
  • Heat pipes allow a high heat flow density by using the vaporization enthalpy of a medium. In this way, large amounts of heat can be transferred to a small cross-sectional area.
  • thermosiphons Two designs of heat pipes, both of which can in principle also be provided for the invention: heat pipes and two-phase thermosiphons.
  • the basic functional principle is the same for both designs; the difference lies in the return transport of the gaseous working medium to the evaporator, ie to the point at which heat is supplied.
  • the return transport takes place for both Designs passive and therefore without tools such as a circulation pump.
  • the thermal resistance of a heat pipe is significantly lower than that of metals at working temperature.
  • the behavior of the heat pipes therefore comes very close to the isothermal change of state.
  • the temperature is almost constant over the length of the heat pipe. With the same transfer capacity, significantly lighter constructions are possible than with conventional heat exchangers under the same operating conditions.
  • a heat pipe In the case of a heat pipe, the ability to transport energy largely depends on the specific vaporization enthalpy of the working medium and not on the thermal conductivity of the vessel wall or working medium. For reasons of efficiency, a heat pipe is usually operated at the warm end just above and at the cold end just below the boiling temperature of the working medium.
  • heat pipes in electronic devices has the particular advantage that the heat sinks connected to them do not have to be installed in close proximity to the components to be cooled, because there is a spatial decoupling of heat absorption and release. Therefore, for example, waste heat can be emitted in a targeted manner into the air flow of housing fans or on the outside of the housing. Compared to water cooling, which is often used as an alternative, no circulation pump is required for heat pipes, which leads to additional noise.
  • the thermal conductivity of the entire heat-conducting path from the component to be cooled to a heat sink is often limited in practical use by the transitions between components and heat pipe, as well as heat pipe and heat sink limited.
  • a thermally conductive surface element adapted to the shape of the winding material is inserted between the heat pipe and the winding material.
  • This surface element can preferably consist of a copper foil and be adapted to the surface of the winding material, in particular enclosing it.
  • the heat-absorbing surface element represents an electrical short-circuit winding and an electrical short-circuit current flows.
  • the foil When this copper foil is electrically connected to ground potential or some other potential beneficial in preventing the propagation of unwanted electromagnetic interference, the foil can also serve as an electromagnetic shield.
  • the embodiment according to figure 1 comprises a surface element 4, which almost completely encloses a component to be cooled with winding material 2 and core 1.
  • the planar element 4 is designed as a copper foil and has a high thermal conductivity.
  • a heat pipe 3 is provided to dissipate the heat from the immediate vicinity of the component. This heat pipe 3 is also snugly enclosed at its end on the component side by the copper foil 4 . In addition, it is conceivable to insert thermal paste or another suitable means between the copper foil 4 and the heat pipe 3 in order to further increase the conductivity of the thermally conductive branch.
  • the heat pipe 3 is connected at its end facing away from the component to a heat sink, not shown, which can be arranged, for example, on the outer housing wall of an electrical device or at a thermally more favorable location within the device, such as in the cooling flow of a fan.
  • the heat sink forms part of the housing.
  • the copper foil 4 is electrically connected to ground potential 5, so that both cooling and electrical shielding of the component advantageously take place.
  • the ground potential 5 can be, for example, the protective conductor (PE conductor) of the supply network or another suitable one Potential of the circuitry are used, which includes the component.
  • PE conductor protective conductor
  • the possible electromagnetic interference of a heat pipe 3 can be reduced by ferrite bodies pushed onto the heat pipe 3 . It can also be expedient to design parts of the heat pipe to be electrically insulating.
  • the efficiency of the cooling can thus be further increased.
  • the surface element 4 is pressed against the winding material 2 and/or the heat pipe 3 by means of suitable mechanical elements, in order to likewise reduce the heat transfer resistance and to facilitate the production process.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Cooling Or The Like Of Electrical Apparatus (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Kühlung eines elektrischen Wickelgutes mit einem Wärmerohr zur Wärmeleitung zwischen dem Wickelgut und einem Kühlkörper, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen das Wärmerohr und das Wickelgut ein an die Form des Wickelgutes angepasstes thermisch leitfähiges Flächenelement eingefügt ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Kühlung von elektrischen Wickelgüter.
  • Die beispielsweise in Schaltnetzteilen zur Erzeugung der 24 VDC-Steuerspannung von Industriesteuerungen verwendeten Wickelgüter mit Ferritkern, vorwiegend Wandlertrafos und Glättungsdrosseln, weisen neben Kupferverlusten auch Kernverluste auf, welche zur Erwärmung der Bauteile führen.
  • Diese Erwärmung darf nicht zur Überschreitung der durch Normen vorgegebenen, maximal zulässigen Temperatur der Bauteile führen, die sich insbesondere an den Sicherheitsanforderungen für die Isolierstoffe, welche den Schutz gegen elektrischen Schlag sichern, orientiert.
  • Eine geeignete Kühlung dieser Bauelemente bringt eine Reihe von Vorteilen mit sich. Die Schaltnetzteile können mit höheren Taktfrequenzen betrieben werden und Baugröße und Gewicht die Geräte können reduziert werden.
  • Bislang erfolgt die Kühlung vielfach mit Ventilatoren, welche eine Luftströmung um die zu kühlenden Bauteile erzwingen. Ventilatoren haben allerdings eine vergleichsweise geringe Lebensdauer und verursachen Geräusche und Staubablagerungen im Gerät, welche nur mit wartungsintensiven Filtern verhindert werden können.
  • Bekannt ist auch die Wahl einer niedrigen Schaltfrequenz wodurch die Wickelgüter in der Baugröße vergleichsweise groß sein müssen oder die bewusste Überdimensionierung des Wickelgutes, um die größere Oberfläche zur Wärmeabgabe zu nutzen.
  • Bekannt ist auch die Kühlung mittels Kühlkörper, der an einer Seite des Ferritkerns angebracht ist.
  • Damit wird allerdings nur die jeweils äußere Wicklung effizient gekühlt. Der Effekt auf besonders heißen Innenlagen ist nur mittelbar und begrenzt.
  • Insbesondere bei relativ kleinen Geräten sind alle bekannten Lösungen aus unterschiedlichen Gründen nur begrenzt einsetzbar.
  • Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, den Stand der Technik weiterzuentwickeln.
  • Erfindungsgemäß geschieht dies mit einer Vorrichtung gemäß Anspruch 1.
  • Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
  • Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Kühlung eines elektrischen Wickelgutes weist ein Wärmerohr zur Wärmeleitung zwischen dem Wickelgut und einem Kühlkörper auf.
  • Wärmerohre erlauben durch Nutzung der Verdampfungsenthalpie eines Mediums eine hohe Wärmestromdichte. Auf diese Weise können große Wärmemengen auf kleiner Querschnittsfläche übertragen werden.
  • Es wird zwischen zwei Bauformen von Wärmerohren unterschieden, die grundsätzlich auch beide für die Erfindung vorgesehen werden können: Heatpipes und Zwei-Phasen-Thermosiphone.
  • Das grundlegende Funktionsprinzip ist bei beiden Bauformen gleich; der Unterschied liegt im Rücktransport des gasförmigen Arbeitsmediums zum Verdampfer, d. h. zu der Stelle, an der Wärme zugeführt wird. Der Rücktransport erfolgt bei beiden Bauformen passiv und damit ohne Hilfsmittel wie etwa einer Umwälzpumpe.
  • Der Wärmewiderstand eines Wärmerohrs ist bei Arbeitstemperatur deutlich kleiner als der von Metallen. Das Verhalten der Wärmerohre kommt daher der isothermen Zustandsänderung sehr nahe. Es herrscht eine beinah konstante Temperatur über die Länge des Wärmerohrs. Bei gleicher Übertragungsleistung sind deswegen wesentlich leichtere Bauweisen als bei herkömmlichen Wärmeübertragern unter gleichen Einsatzbedingungen möglich.
  • Durch geschickte Wahl des Arbeitsmediums des Wärmerohrs können Einsatztemperaturen von wenigen Kelvin bis ca. 3000 Kelvin erzielt werden.
  • Die Fähigkeit, Energie zu transportieren, hängt bei einem Wärmerohr maßgeblich von der spezifischen Verdampfungsenthalpie des Arbeitsmediums ab und nicht von der Wärmeleitfähigkeit von Gefäßwand oder Arbeitsmedium. Aus Effizienzgründen wird ein Wärmerohr meist am warmen Ende nur knapp über und am kalten Ende nur knapp unter der Siedetemperatur des Arbeitsmediums betrieben.
  • Der Einsatz von Wärmerohren in elektronischen Geräten bringt insbesondere den Vorteil, dass die damit verbundenen Kühlkörper nicht in räumlicher Nähe zu den zu kühlenden Bauteilen angebracht sein müssen, weil eine räumliche Entkopplung von Wärmeaufnahme und -abgabe erfolgt. Es kann daher beispielsweise gezielt Abwärme in den Luftstrom von Gehäuseventilatoren oder an der Außenseite des Gehäuses abgegeben werden. Im Vergleich zur oft alternativ eingesetzten Wasserkühlung ist bei den Wärmerohren keine Umwälzpumpe nötig, welche zu zusätzlicher Lärmentwicklung führt.
  • Aufgrund der hervorragenden Wärmeleitfähigkeiten der Wärmeleitrohre wird im praktischen Einsatz die Wärmeleitfähigkeit des gesamten Wärmeleitpfades von dem zu kühlenden Bauteil bis zu einem Kühlkörper oftmals durch die Übergänge zwischen Bauteil und Wärmeleitrohr, sowie Wärmeleitrohr und Kühlkörper begrenzt.
  • Für die Effizienz des gesamten Wärmeleitpfades ist es daher wesentlich, dass auch diese Übergänge thermisch gut leitend ausgeführt werden.
  • Erfindungsgemäß wird dafür zwischen das Wärmerohr und das Wickelgut ein an die Form des Wickelgutes angepasstes thermisch leitfähiges Flächenelement eingefügt ist.
  • Dieses Flächenelement kann vorzugsweise aus einer Kupferfolie bestehen und an die Oberfläche des Wickelgutes angepasst sein, diese insbesondere umschließen. Es ist jedoch zu vermeiden, dass das wärmeaufnehmende Flächenelement eine elektrische Kurzschlusswicklung darstellt und ein elektrischer Kurzschlussstrom fließt. Es kann jedoch für die Reduktion elektromagnetischer Störungen vorteilhaft sein an zwei oder mehreren Punkten des Flächenelementes elektrische Kontakte anzubringen und einen begrenzten Stromfluss zu erlauben - etwa das Schließen der Kurzschlusswicklung über einen strombegrenzenden Bauteil, etwa einem Widerstand.
  • Wenn diese Kupferfolie elektrisch mit Massepotential oder einem anderen für die Verhinderung der Ausbreitung unerwünschter elektromagnetischer Störungen vorteilhaften Potential verbunden ist, kann die Folie auch als elektromagnetische Schirmung dienen.
  • Für eine besonders effiziente Kühlung kann es auch vorteilhaft sein, das Flächenelement oder gegebenenfalls auch mehrere Flächenelemente zwischen einzelne Lagen des Wickelgutes einzubringen und damit die Wärme direkt am Entstehungsort abzuleiten.
  • Die Erfindung wird anhand von Figuren näher erläutert.
  • Es zeigen beispielhaft:
    • Figur 1 schematisch eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
    • Figur 2 schematisch eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
  • Die Ausführungsform gemäß Figur 1 umfasst ein Flächenelement 4, welches ein zu kühlendes Bauteil mit Wickelgut 2 und Kern 1 nahezu vollständig umschließt. Das Flächenelement 4 ist als Kupferfolie ausgebildet und weist eine hohe Wärmeleitfähigkeit auf.
  • Zur Ableitung der Wärme aus der unmittelbaren Umgebung des Bauteils ist ein Wärmerohr 3 vorgesehen. Dieses Wärmerohr 3 ist an seinem bauteilseitigen Ende von der Kupferfolie 4 ebenfalls eng anliegend umschlossen. Zusätzlich ist es denkbar, zwischen die Kupferfolie 4 und das Wärmerohr 3 Wärmeleitpaste oder ein anderes geeignetes Mittel einzufügen, um so die Leitfähigkeit des Wärmeleitzweiges weiter zu erhöhen.
  • Das Wärmerohr 3 ist an seinem, dem Bauteil abgewandten Ende mit einem nicht dargestellten Kühlkörper verbunden, der beispielsweise an der Gehäuseaußenwand eines elektrischen Gerätes oder an einem thermisch günstigeren Ort innerhalb des Gerätes, wie beispielsweise im Kühlstrom eines Ventilators angeordnet sein kann.
  • Denkbar ist es dabei auch, dass der Kühlkörper einen Teil des Gehäuses bildet.
  • Wie in der Figur 1 dargestellt, ist die Kupferfolie 4 elektrisch mit Massepotential 5 verbunden, sodass in vorteilhafter Weise sowohl die Kühlung als auch eine elektrische Schirmung des Bauteils stattfindet.
  • Als Massepotential 5 kann beispielsweise der Schutzleiter (PE-Leiter) des Versorgungsnetzes oder ein anderes geeignetes Potential der Schaltungsanordnung dienen, welche das Bauteil umfasst.
  • Die möglichen elektromagnetischen Störeinflüsse eines Wärmerohres 3 können durch auf das Wärmerohr 3 aufgeschobene Ferrit- Körper verringert werden. Zweckmäßig kann es auch sein, Teile des Wärmerohres elektrisch isolierend auszuführen.
  • Wie in Figur 2 schematisch dargestellt, können auch mehrere Flächenelemente 4 vorgesehen werden und diese können in vorteilhafter Weise beispielsweise auch innerhalb des Wickelgutes 2 zwischen einzelne Lagen 6 eingefügt sein..
  • Damit kann die Effizienz der Kühlung weiterhin erhöht werden.
  • Es ist auch günstig, wenn das Flächenelement 4 mittels geeigneten mechanischen Elementen gegen das Wickelgut 2 und/oder das Wärmerohr 3 gedrückt wird, um so ebenfalls den Wärmeübergangswiderstand zu reduzieren und den Herstellvorgang zu erleichtern.
    • Bezugszeichenliste
    • 1
    Kern
    2
    Wickelgut
    3
    Wärmerohr
    4
    Flächenelement
    5
    Masseverbindung
    6
    Wicklungslagen

Claims (7)

  1. Vorrichtung zur Kühlung eines elektrischen Wickelgutes mit einem Wärmerohr zur Wärmeleitung zwischen dem Wickelgut und einem Kühlkörper, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen das Wärmerohr (3) und das Wickelgut (2) ein an die Form des Wickelgutes (2) angepasstes thermisch leitfähiges Flächenelement (4) eingefügt ist.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Flächenelement(4) elektrisch leitfähig und über eine direkte Verbindung und/oder über das Wärmerohr mit einem definierten Potential verbunden ist, und dass das Flächenelement (4) das Wickelgut (2) zumindest teilweise umschließt.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Flächenelement (4) zwischen einzelne Lagen des Wickelgutes (2) eingefügt ist.
  4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkörper durch einen Teil des Gehäuses gebildet ist.
  5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Flächenelemente (4) vorgesehen sind und dass diese Flächenelemente (4) zwischen unterschiedliche Lagen des Wickelgutes (6) eingefügt sind.
  6. Getaktete Stromversorgung mit zumindest einem Wickelgut, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vorrichtung zur Kühlung eines elektrischen Wickelgutes (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 5 vorgesehen ist.
  7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Flächenelement (4) als Kupferfolie ausgestaltet ist.
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