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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Kühlkörper zur Kühlung einer elektrischen Einrichtung bzw.
ein Stromrichtergerät
als elektrische Einrichtung, mit einem Kühlkörper.
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Viele
elektronische Einrichtungen, wie z.B. elektronische Geräte, benötigen eine
aktive Kühlung. Ein
Beispiel für
eine derartige elektronische Einrichtung ist ein Stromrichter. Der
Stromrichter weist elektrische Leistungshalbleiter auf, mit welchen
ein elektrischer Strom gerichtet werden kann. Das Stromrichtergerät ist des
Weiteren derart ausführbar,
dass dieses eine Steuerungs- und/oder Regelungselektronik zur Steuerung
und/oder Regelung des Stromrichters aufweist. Elektrische Bauelemente,
wie dies ein Leistungshalbleiter-Bauelement,
ein Chip oder auch Bauelemente zum Aufbau der Steuerungs- und/oder
Regelungselektronik sind, sind zu kühlen. Neben einer konventionellen
Luftkühlung
(insbesondere mit einem Lüfter)
werden zunehmend auch Geräte
mit einer so genannten Cool plate-Kühlung ausgerüstet. Bei
einer Cool-plate-Kühlung handelt
es sich um ein Kühlverfahren,
bei dem eine Cool-Plate, also eine Kühlplatte, zur Kühlung des
Gerätes
verwendet wird. Die Kühlplatte
weist beispielsweise mehrere Kanäle, in
welchen eine Kühlflüssigkeit
geführt
werden kann, wobei dadurch Wärmeenergie
von einem Gerät,
welches zu kühlen
ist, wegbefördert
werden kann. Dadurch, dass verschiedene Kühlkonzepte eine unterschiedliche
konstruktive Gestaltung einer Kühleinrichtung
erfordern, ergeben sich höhere
konstruktive Anforderungen an die Ausgestaltung eines derartigen
Gerätes
bzw. an die Ausbildung von verschiedenen Gerätevarianten. Dies erfordert
Aufwand in der Konstruktion, Entwicklung und Logistik sowie beim Bau
derartiger Geräte.
Weiterhin ergeben sich Nachteile bezüglich der Ausbildung zweier
Gerätevarianten
bei der Wartung und Pflege derartiger Geräte im Feld, d.h. im Einsatz
der entsprechenden Geräte
z.B. in Maschinen. Dies sind insbesondere industrielle Maschinen
wie Werkzeugmaschinen oder Produktionsmaschinen.
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Luftgekühlte Geräte sind
beispielsweise derart ausgebildet, dass diese einen mit Kühlrippen
versehenen Luftkühlkörper besitzen,
wobei vorteilhaft die Luftströmung
und damit die Kühlleistung
mittels eines Lüfters
forciert werden kann. Geräte
mit einer Kühlplattenkühlung hingegen
weisen eine definierte plane Wärmeschnittstelle
auf. Diese Wärmeschnittstelle
ist insbesondere als eine plane Kontaktfläche für eine mit Wasser kühlbare Kühlplatte
ausgebildet. Eine derartige Wärmeschnittstelle
kann vorteilhaft flexibel mit verschiedenen Kühlerarten verbunden werden.
Beispiele für
derartige Kühlerarten
sind Wasserkühler,
Luftkühler
oder andere weitere Anlagenteile zur Kühlung. Nach dem Stand der Technik werden
für die
jeweiligen Entwärmungsarten
separate Geräte
bzw. Gerätereihen
angeboten.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, die Ausgestaltung eines Kühlkörpers bzw.
die Ausgestaltung eines Stromrichtergeräts derart weiterzubilden, dass
mittels dieser verschiedene Kühleinrichtungen
in einfacher Weise einsetzbar sind.
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Erfindungsgemäß wird die
Aufgabe bei einem Kühlkörper mit
den Merkmalen nach Anspruch 1 gelöst. Eine weitere Lösung der
erfindungsgemäßen Aufgabe
ergibt sich bei einem Stromrichtergerät mit den Merkmalen nach Anspruch
9. Die abhängigen Ansprüche 2 bis
8 bzw. 10 bis 13 bezeichnen weitere vorteilhafte Weiterbildungen
der Erfindung.
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Bei
einem Kühlkörper zur
Kühlung
zumindest eines elektrischen Bauelementes ist der Kühlkörper derart
ausgestaltbar, dass dieser eine erste Kühleinrichtung und des Weiteren
eine Kontaktfläche aufweist,
welche zur Abgabe von Wärmeenergie
an eine zweite Kühleinrichtung
vorgesehen ist. Die Kontaktfläche
ist beispielsweise planar ausgeführt.
Das elektrische Bauelement ist beispielsweise ein Leistungshalbleiter,
ein Chip mit einer integrierten Schaltung, ein elektronisches Bauelement, wie
z.B. ein Widerstand oder eine Induktivität. Eine weitere Ausgestaltung
des elektrischen Bauelements ist z.B. eine bestückte Leiterplatte, auf welcher
Bauelemente auch vergossen sein können.
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Das
zu kühlende
elektrische Bauelement befindet sich beispielsweise direkt auf dem
Kühlkörper oder
ist mit diesem indirekt über
ein wärmeleitendes Element
wärmeleitend
verbunden. Zur Verbesserung der Kühlwirkung kann auch Wärmeleitpaste
eingesetzt werden.
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Ein
erfindungsgemäßer Kühlkörper befindet sich
vorteilhafterweise in einem Stromrichtergerät bzw. in einer Einrichtung,
welche elektrische Bauelemente aufweist, die einer forcierten Kühlung zuzuführen sind.
Der Kühlkörper gemäß der Erfindung
ist vorteilhafterweise einteilig ausgeführt, wobei die Einteiligkeit
zumindest den Teil des Kühlkörpers betrifft, welcher
die erste Kühleinrichtung
aufweist und eine Kontaktfläche
für zumindest
eine zweite Kühleinrichtung.
Als Materialien zur Ausbildung des Kühlkörpers können z.B. Eisen, Stahl, Gusseisen
oder Aluminium verwendet werden.
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Vorteilhaft
ist es auch, den Kühlkörper derart auszugestalten,
dass dieser nicht nur die erste Kühleinrichtung, sondern gleichzeitig
auch die zweite Kühleinrichtung
aufweist. Die Zuordnung zweier Kühleinrichtungen
zu einem Kühlkörper hat
den Vorteil, dass eine forcierte Kühlung elektrischer Bauelemente
vornehmbar ist, wobei eine kompakte Bauweise bzw. ein geringes Gewicht
des Kühlkörpers realisierbar
ist.
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Der
Kühlkörper ist
beispielsweise derart ausgestaltbar, dass die erste Kühleinrichtung
Kühlrippen aufweist.
Die Kühlrippen
dienen insbesondere für eine
Luftkühlung.
Die Luftkühlung
ist beispielsweise mittels Konvektion oder mittels eines Lüfters realisierbar.
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In
einer weiteren Ausgestaltung des Kühlkörpers ist die zweite Kühleinrichtung
eine Kühlplatte, wobei
die Kühlplatte
als zweite Kühleinrichtung
an der Kontaktfläche
des Kühlkörpers befestigbar
ist. Die Befestigung erfolgt derart, dass über eine Kontaktfläche eine
Wärmeleitung
vom Kühlkörper zur zweiten
Kühleinrichtung
erzielbar ist. Vorteilhaft ist der Kühlkörper auch derart ausgestaltbar,
dass die Kühlplatte
einteilig in den Kühlkörper integriert
ist. Dies ist beispielsweise derart durchführbar, dass die Kühlplatte
als ein Wärmeleitkanal
des Kühlkörpers dient,
wobei die Kühlplatte
Kanäle
aufweist, welche von einem Kühlmittel,
wie z.B. Wasser oder Öl, durchflossen
werden können.
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Vorteilhaft
ist es weiterhin, den Kühlkörper derart
weiterzubilden, dass zumindest dieser einen Wärmeleitkanal aufweist, dessen
Querschnitt mit der abzuführenden
Wärmeleistung
korreliert. Je mehr Wärme
also an einer bestimmten Stelle von dem oder den elektrischen Bauelementen
mittels des Kühlkörpers ableitbar
ist, desto größer ist
dort der Querschnitt des Wärmeleitkanals.
Der Kühlkörper weist
beispielsweise einen, zwei oder mehrere Wärmeleitkanäle auf, wobei ein Wärmeleitkanal
sowohl zur Leitung von Wärmeenergie
an eine erste Kühleinrichtung
wie auch an weitere Kühleinrichtungen
vorgesehen ist. So ist beispielsweise ein Wärmeleitkanal des Kühlkörpers sowohl
zur Wärmeleitung
zur ersten Kühleinrichtung
wie auch zur zweiten Kühleinrichtung
vorsehbar.
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In
einer weiteren Ausgestaltung ist ein Wärmeleitkanal zur Ableitung
der Wärme
zur Kontaktfläche
vorgesehen, wobei der Wärmeleitkanal
eine zur Mitte der Kontaktfläche
orientierte Lage aufweist. Das heißt, die Kontaktfläche zu einer
zweiten Kühleinrichtung
ist mit einem Wärmeleitkanal
wärmeleitend
verbunden, wobei zur besseren Verteilung der Wärmeenergie der Wärmeleitkanal
derart zur Kontaktfläche
positioniert ist, dass dieser zu positionierende Wärmeleitkanal
zur Mitte der Kontaktfläche
hin positioniert ist, also eine orientierte Lage aufweist, welche
zentrumsnah zu der Kontaktfläche
ist. Somit ergibt sich eine gleichmäßige Wärmeverteilung und Wärmeabgabe über die
Kontaktfläche.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist der Kühlkörper derart
ausgebildet, dass mittels der Kontaktfläche ein Teil einer Außenseite
eines Stromrichters ausgebildet ist. Somit ist diese Kontaktfläche als
Teil einer Außenfläche eines
Stromrichters zu betrachten, wobei diese Kontaktfläche an eine
zweite Kühleinrichtung
anbringbar ist, wodurch gleichzeitig auch das Stromrichtergerät selbst,
welches den Kühlkörper aufweist,
befestigt ist. Die Befestigung kann dabei die einzige Befestigung
des Stromrichtergeräts
sein oder auch nur ein Teil der Befestigung des Stromrichtergeräts darstellen.
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Vorteilhaft
ist es weiterhin, dass für
die erste Kühleinrichtung
ein anderes Kühlmedium
wie für
die zweite Kühleinrichtung
vorgesehen ist. Somit wird der Kühlkörper mittels
zweier Kühlmedien
gekühlt, welche
beispielsweise Kühlluft
und Kühlflüssigkeit sind,
so dass auch bei Ausfall eines Kühlmediums bzw.
bei einer reduzierten Kühlleistung
durch ein Kühlmedium
eine weitere Kühlung
vollzogen werden kann. Dies ist insbesondere bei Stromrichtergeräten vorteilhaft,
bei welchen ein Notbetrieb mit eingeschränkter Kühlung vorgesehen werden kann.
Fällt also
beispielsweise eine Kühlwasserpumpe
oder auch ein Lüfter
für die
Kühlluft
aus, so kann eine Kühlung
weiterhin betrieben werden, so dass der Betrieb eines Stromrichtergeräts, welches
den Kühlkörper aufweist,
weiter gesichert ist.
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Ein
erfindungsgemäßes Stromrichtergerät, welches
elektrische Bauelemente, wie z.B. Leistungshalbleiter, aufweist,
weist ferner zu deren Kühlung
einen Kühlkörper auf,
wobei der Kühlkörper wie oben
bereits beschrieben, eine erste Kühleinrichtung z.B. ein Mittel
zur Anbringung einer zweiten Kühleinrichtung
aufweist. Weitere Ausgestaltungen des Kühlkörpers sind oben bereits beschrieben.
Vorteilhafterweise ist der Kühlkörper auch
derart ausgestaltbar, dass dieser nicht nur die erste Kühleinrichtung,
sondern auch die zweite Kühleinrichtung
aufweist. Der Kühlkörper ist
beispielsweise aus einem Material wie Eisen, Aluminium oder dergleichen
herge stellt, wobei eine einteilige Ausführung des Kühlkörpers insbesondere Vorteile
bezüglich
einer leichteren Fertigung hat.
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Das
Stromrichtergerät
weist in einer Variation die Kontaktfläche des Kühlkörpers im Bereich der Rückwand des
Stromrichtergeräts
auf. Dies hat beispielsweise Vorteile beim Einbau derartiger Stromrichtergeräte in Schaltschränke, wobei
im Schaltschrank beispielsweise bereits die zweite Kühleinrichtung
als cool-plate-Kühlung
(Kühlplattenkühlung) vorgesehen
ist.
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Zur
Anbringung des Stromrichtergeräts
weist ein Wärmeleitkanal,
durch den insbesondere die Kontaktfläche ausbildbar ist, zumindest
ein Mittel zur Befestigung des Stromrichtergeräts und/oder der Kühlplatte
auf. Somit können
mehrere Funktionen durch den Wärmeleitkanal
erfüllt
werden. Beispiele für
Mittel zur Befestigung sind Löcher,
Kerben, Nasen usw.
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Weist
die erste Kühleinrichtung
des Kühlkörpers des
Stromrichtergeräts
Kühlrippen
auf, so kann die Kühlung
mittels der Kühlrippen
durch einen Lüfter des
Stromrichtergeräts
verbessert werden, indem der Lüfter
derart angeordnet ist, dass Kühlluft über die
Kühlrippen
des Kühlkörpers geleitet
werden kann.
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Der
Kühlkörper des
Stromrichtergeräts
kann nicht nur zur Kühlung
von elektrischen Bauelementen herangezogen werden, welche den Leistungshalbleitern
des Stromrichtergeräts
zuzuordnen sind, sondern auch zur Kühlung der elektrischen Bauelemente,
welche sich in einer Steuerungs- und/oder Regelungselektronik des
Stromrichtergeräts
befinden.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in den Figuren dargestellt und werden im Nachfolgenden
erläutert.
Darin zeigen:
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1 einen
Kühlkörper zur
Kühlung
eines elektrischen Bauelements,
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2 einen
weiteren Kühlkörper zur
Kühlung
eines elektrischen Bauelements,
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3 ein
Stromrichtergerät
in einer Außenansicht,
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4 eine
dreidimensionale Darstellung eines Kühlkörpers, und
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5 eine
dreidimensionale Innenansicht des Stromrichtergeräts.
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Die
Darstellung gemäß 1 zeigt
einen Kühlkörper 1,
der zur Kühlung
eines elektrischen Bauelements 3 vorgesehen ist. Hierfür kontaktiert das
elektrische Bauelement 3 den Kühlkörper 1 an einer Kontaktfläche 2.
Diese Kontaktfläche 2 ist
eine Fläche
des Kühlkörpers 1.
Der Kühlkörper 1 weist
neben der Kontaktfläche 2 einen
Wärmeleitkanal 13 auf,
der durch Doppelpfeile sowie durch eine gestrichelte Linie, die
sich über
die Anfänge
der Kühlrippen 7 erstreckt,
dargestellt ist. Der Kühlkörper 1 weist eine
erste Kühleinrichtung 5 mit
Kühlrippen 7 auf.
Die Wärmeleitung
von einem oder von mehreren elektrischen Bauelementen 3 zu
den Kühlrippen 7 erfolgt über den
Wärmeleitkanal 13.
Da der Wärmeleitkanal 13 nicht
nur zur Wärmeleitung
an die Kühlrippen 7, d.h.
an die erste Kühleinrichtung 5 vorgesehen
ist, sondern auch zur Wärmeleitung
in Richtung einer zweiten Kühleinrichtung 15 (in 1 nur
angedeutet), vergrößert sich
der Querschnitt des Wärmeleitkanals 13 in
Richtung zur Abgabe der Wärme
an die zweite Kühleinrichtung 15.
Letztere kontaktiert den Kühlkörper 1 an
einer Kontaktfläche 9.
Die Wärmeenergie
wird über
den Wärmeleitkanal 13 zu
einem weiteren Wärmeleitkanal 14 geführt, wobei
auch dieser durch Doppelpfeile gekennzeichnet ist. Der Wärmeleitkanal 14 grenzt
an die Kontaktfläche 9 bzw. weist
diese Kontaktfläche 9 zur
Abgabe von Wärmeenergie
an die zweite Kühleinrichtung 15 auf.
Der Kühlkörper 1 gemäß 1 weist
also neben den Kühlrippen 7 für eine Luftkühlung auch
ein Mittel zur Abgabe von Wärmeenergie
an eine zweite Kühleinrichtung
auf, wobei dies die Kontaktfläche 9 ist,
wobei die Wärme über die
Wärmeleitkanäle 13 und 14 in Richtung
der ersten und zweiten Kühleinrichtung
geführt
wird. Der Wärmeleitkanal 13 ist
derart ausgeführt,
dass er sowohl die Wärme
zur ersten Kühleinrichtung 5 als
auch zur zweiten Kühleinrichtung 15 führt, wobei
zwischen dem ersten Wärmeleitkanal 13 und
der zweiten Kühleinrichtung 15 noch
der Wärmeleitkanal 14 positioniert
ist. In einem schraffiert dargestellten Bereich überschneiden sich dabei beide
Wärmeleitkanäle 13 und 14,
so dass deren Funktion dort ineinander übergeht.
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Die
Darstellung gemäß 2 zeigt
einen Kühlkörper 1,
welcher im Vergleich zum Kühlkörper 1 gemäß 1 einen
zweiten Wärmeleitkanal 14 aufweist,
dessen Querschnitt über
die Kontaktfläche 9 hinweg
unterschiedlich ist. An den Enden des Wärmeleitkanals 14 weist
der Kühlkörper 1 gemäß 2 Befestigungslöcher 39 auf.
Mittels dieser Befestigungslöcher 39 ist
es möglich,
sowohl den Kühlkörper wie
auch andere an diesem befestigte Teile, beispielsweise an eine Kühlplatte
oder auch an eine Rückwand
zu befestigen. Die Rückwand
ist beispielsweise die Rückwand
eines Schaltschranks. Gemäß 2 ist
der Wärmeleitkanal 14 derart
ausgeführt,
dass sich dessen Querschnitt zu den Enden des Wärmeleitkanals 14 reduziert.
Als Enden des Wärmeleitkanals 14 können dabei
sowohl Enden in einer Längsrichtung
und/oder Enden in einer Querrichtung des Wärmeleitkanals 14 verstanden
werden. Durch die aus den unterschiedlichen Querschnitten entstehende
Abschrägung
des Wärmeleitkanals 14 lässt sich
eine Materialreduzierung und somit auch eine Gewichtseinsparung
erzielen, ohne dass die Kühlleistung,
welche dem Kühlkörper 1 abzuverlangen
ist, über
Gebühr
abnimmt.
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3 zeigt
ein Stromrichtergerät 21.
In dieses ist beispielsweise ein Kühlkörper gemäß 1 oder 2 einbaubar.
Das Stromrichtergerät 21 weist
beispielsweise Schutzleiteranschlüsse 27, eine Frontseite 23,
Klemmanschlüsse 33, Öffnungen 31 für eine Elektronik-Stromversorgung
und Öffnungen 29 für einen
Zwischenkreis-Schienenanschluss auf. Weiterhin findet sich auf einer
Oberseite des Stromrichtergeräts 21 ein Lüftungsgitter 37 und
auf einer in der dreidimensionalen Darstellung nicht gezeigten Unterseite 35 die
Motoranschlüsse.
Das Stromrichtergerät 21 ist über Befestigungslöcher 39 mit
einer Kühlplatte
(cool plate) verbunden. Die Verbindung erfolgt beispielsweise über eine
Schraubverbindung, wobei die Rückseite 25 des
Stromrichtergeräts 21 die Kühlplatte 11 derart
kontaktiert, dass Wärmeenergie vom
Stromrichtergerät 21 an
die Kühlplatte 11 abgegeben
werden kann. Zusätzlich
weist das Stromrichtergerät 21 beispielsweise
einen Lüfter
auf, welcher jedoch in der vorliegenden Darstellung nicht gezeigt ist.
Der Lüfter
ist dazu vorgesehen, aktiv Luft über Kühlrippen
zu leiten. Die Luft kann dann beispielsweise über die Unterseite angesaugt
werden und über das
Lüftungsgitter 37 ausgeblasen
werden. Die Kühlplatte 11 weist
zur besseren Kühlung
und zur Ableitung der Wärmeenergie
Kanäle 41 auf,
in welchen beispielsweise eine Kühlflüssigkeit
zum Abtransport der Wärmeenergie
leitbar ist. Somit ist ein Stromrichtergerät 21 derart ausgestaltbar,
dass es zur Ableitung von Wärmeenergie
zwei Kühleinrichtungen
aufweist bzw. diesen zugeordnet ist. Zum einen eine Luftkühlung, welche
einerseits eine Konvektionskühlung
sein kann oder auch eine forcierte Kühlung mittels eins Lüfters und
zum anderen eine zweite Kühleinrichtung,
welche beispielsweise eine cool plate ist. Vorteilhaft ist es dabei,
dass zur Bedienung dieser beiden Kühleinrichtungen lediglich ein
Kühlkörper vorgesehen
ist, wie z.B. ein Kühlkörper gemäß der Ausgestaltung
gemäß 4.
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4 zeigt
einen Kühlkörper 1,
welcher Kühlrippen 7 und
eine Kontaktfläche 9 zur
Kontaktierung einer zweiten Kühleinrichtung
aufweist. Auf dem Kühlkörper 1 befindet
sich ferner ein Gehäuse 43 der Leistungselektronik,
insbesondere eines Stromrichtergeräts. Die Leistungselektronik,
d.h. Tyristoren, Dioden, IGBT's
und dergleichen sind wärmeleitend
mit dem Kühlkörper 1 verbunden.
An der Kontaktfläche 9 ist
eine zweite Kühleinrichtung
neben der ersten Kühleinrichtung,
d.h. den Kühlrippen 7,
vorsehbar, jedoch nicht dargestellt. Der Kühlkörper 1 lässt sich über Befestigungslöcher 39 bzw. über andere
Befestigungsmittel wie z.B. Nuten oder Einschnitte an einer zweiten
Kühleinrichtung,
die nicht dargestellt ist, fixieren. Gemäß der Ausbildung nach 4 befindet
sich die Kontaktfläche 9 in
der gleichen Ausrichtung wie die Kühlrippen 7. Die Kühlrippen 7 verlaufen
also in etwa parallel zur Kontaktfläche 9.
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5 zeigt
in einer offenen Darstellung des Stromrichtergeräts 21 dessen inneren
Aufbau. Sie zeigt einen Bereich zum Einbau einer Leistungselektronik 51 und
den daran anschließenden
Motoranschluss 45. Zur Steuerung der Leistungselektronik bzw.
zur Steuerung und/oder Regelung einer angeschlossenen elektrischen
Maschine ist eine Steuerungs- und/oder Regelungselektronik vorgesehen. Zur
Kühlung
der Leistungselektronik 51 bzw. der dazugehörigen elektrischen
Bauelemente ist der wärmeleitende
Kontakt zu dem Wärmeleitkanal 13 vorgesehen.
Ein wärmeleitender
Kontakt besteht insbesondere auch zwischen dem Wärmeleitkanal 13 und der
Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung 52. Der Wärmeleitkanal 13 ist
Teil des Kühlkörpers 1, welcher
auch Kühlrippen 7 aufweist.
Auf der Unterseite 35 ist mittels eines Lüfters 47 Luft
ansaugbar, welche über
die Kühlrippen 7 geleitet
wird und über das
Lüftungsgitter 37 das
Stromrichtergerät 21 wieder
verlässt.
Zusätzlich
zu den Kühlrippen 7,
welche als erste Kühleinrichtung
dienen, weist der Kühlkörper 1 auch
einen zweiten Wärmeleitkanal 14 auf,
wobei dieser an seinen längsseitigen
Enden Befestigungsmittel 40 (Einschnitte) und Befestigungslöcher 39 zur
Befestigung an einer zweiten, nicht dargestellten Kühleinrichtung
aufweist. Der zweite Wärmeleitkanal 14 weist
eine Kontaktfläche 9 auf,
wobei gemäß der dreidimensionalen
Darstellung nach 5 lediglich die der Kontaktfläche 9 gegenüberliegende Seite
des zweiten Wärmeleitkanals 14 dargestellt
ist.