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Die Erfindung bezieht sich auf eine Kondensatoranordnung, aufweisend einen Folienkondensator sowie mindestens ein Kühlelement, sowie auf die Verwendung einer solchen Kondensatoranordnung als gekühlten Zwischenkreiskondensator, vorzugsweise bei einem Pulswechselrichter im Antriebsstrang eines Elektrofahrzeugs.
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Der Antriebsstrang eines Elektrofahrzeugs – sei es ein reines Elektrofahrzeug oder ein Fahrzeug mit Hybridantrieb – umfasst typischerweise eine (Hochvolt-)Batterie, einen Elektromotor sowie einen (Puls-)Wechselrichter (Inverter) zur Umrichtung der von der Batterie gelieferten Gleichspannung in die zum Antrieb des Elektromotors erforderliche – meist mehrphasige – Wechselspannung. Dem Wechselrichter ist als Energiepuffer üblicherweise ein Zwischenkreiskondensator zugeordnet.
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Ein solcher Zwischenkreiskondensator ist meist als (Kunststoff-)Folienkondensator ausgebildet, der als Kondensatorkörper einen Stapel von metallisch beschichteten Kunststofffolien umfasst. Dieser Kondensatorkörper wird üblicherweise über zwei entgegengesetzte, metallisierte Seitenflächen (Schoop-Flächen) elektrisch kontaktiert. Diese Schoopflächen können wiederum mit metallischen Anschlussplatten leitend verbunden, insbesondere verlötet sein.
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Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, dass sich die als Zwischenkreiskondensatoren eingesetzten Folienkondensatoren stark erwärmen.
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Die Entwärmung der Kondensatoren erfolgt bisher vorrangig durch Wärmeleitung über die elektrischen Anschlüsse oder oberflächig aufgebrachte Kühlplatten sowie ferner durch oberflächige Wärmeabstrahlung in die Umgebung. Hierdurch können zwar die oberflächennahen Bereiche des Kondensatorkörpers effektiv gekühlt werden. Aufgrund der vergleichsweise schlechten Wärmeleitfähigkeit des Folienstapels kann das Innere des Kondensatorkörpers aber nur schlecht entwärmt werden. Hierdurch bilden sich häufig besonders heiße Bereiche (Hot Spots) im Inneren des Folienstapels, die die Leistung des Kondensators, und damit die Leistung des angeschlossenen Pulswechselrichters beschränken. Tatsächlich ist die Überhitzung der heute eingesetzten Kondensatoren ein wesentliches Hindernis bei einer Leistungssteigerung von Antriebssystemen für Elektrofahrzeuge.
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Zur verbesserten Entwärmung ist bei einer aus der
DE 10 2011 077 924 A1 bekannten, als Zwischenkreiskondensator eingesetzten, Kondensatoranordnung vorgesehen, dass mehrere Kondensatorwickel zueinander beabstandet angeordnet sind, wobei in zwischen den einzelnen Kondensatorwickeln gebildeten Zwischenräumen Wärmeleiter zur Abführung von Wärme aus einem Hotspot einliegen.
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Eine in ähnlicher Weise aus einzelnen Wickeln mit zwischengeordneten Kühlfahnen aufgebaute Kondensatoranordnung ist aus der
DE 915 937 B bekannt.
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Alternativ ist gemäß der
EP 1 028 439 A1 bzw. der
DE 10 2005 029 259 A1 jeweils eine Kondensatoranordnung bekannt, bei der ein gekühlter Folienkondensator dadurch gebildet ist, dass ein Wickelkern, um den ein Kondensatorwickel gewickelt ist, als Kühlelement ausgeführt ist.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung anzugeben, die es ermöglicht, einen Folienkondensator bei kompakter Bauweise besonders effektiv und verschleißarm (langlebig) zu betreiben.
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Bezüglich einer Vorrichtung wird diese Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch eine Kondensatoranordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
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Die erfindungsgemäße Kondensatoranordnung umfasst einen (elektrischen) Kondensator sowie ein zugeordnetes Kühlelement. Bei dem Kondensator handelt es sich um einen (Kunststoff-)Folienkondensator, dessen Kondensatorkörper durch eine alternierende Schichtung von dielektrischen Kunststoffschichten, insbesondere aus Polypropylen oder Polyester, und elektrisch leitfähigen Metallschichten gebildet ist.
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Im Rahmen der Erfindung kann diese alternierende Schichtung – in an sich bekannter Weise – sowohl durch eine Wicklung oder einen Stapel von metallisch beschichteten Kunststofffolien gebildet sein, als auch durch eine Wicklung oder einen Stapel Kunststofffolien und Metallfolien.
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Der Kondensator kann im Rahmen der Erfindung zusätzlich zu dem Kondensatorkörper zwei metallische Anschlussplatten umfassen, zwischen denen der Kondensatorkörper zur elektrischen Kontaktierung eingefasst ist.
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Erfindungsgemäß ist in den Kondensatorkörper mindestens eine Ausnehmung zur Aufnahme des mindestens einen Kühlelements eingebracht. Dabei ist die oder jede Ausnehmung einerseits in Form einer Bohrung mit kreisrundem Querschnitt eingebracht. Andere Formen der Ausnehmung, die beispielsweise durch Fräsen herstellbar sind, sind im Rahmen der Erfindung andererseits aber auch denkbar.
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Weiterhin umfasst die Kondensatoranordnung das mindestens eine Kühlelement zur Kühlung des Kondensatorkörpers, das unmittelbar an dem Kondensatorkörper anliegt. Das Kühlelement liegt dabei unmittelbar an der Wandung der Ausnehmung ein. Das Kühlelement ist dabei zweckmäßigerweise zumindest in einem Abschnitt komplementär zu der Ausnehmung ausgeformt. Vorzugsweise sind mehrere derartige Ausnehmungen in den Kondensatorkörper eingebracht, in denen jeweils ein Kühlelement oder ein Teil eines mehrgliedrigen Kühlelements einliegt. Das mindestens eine Kühlelement steht hierdurch in unmittelbarem mechanischen und thermischen Kontakt mit dem Kondensatorkörper, nicht aber in elektrischem Kontakt zu den darin angeordneten Metallschichten. Vielmehr ist der oder jeder Kühlkörper elektrisch gegenüber den Metallschichten im Kondensatorkörper isoliert.
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Bei einem erfindungsgemäßen Kühlelement handelt es sich allgemein um ein Bauteil oder eine Baugruppe, welches dazu eingerichtet ist, Wärme von dem Kondensatorkörper (Folienstapel/Folienwicklung) abzuleiten, d. h. dem Kondensatorkörper Wärme zu entziehen.
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Bevorzugt handelt es sich bei dem Kühlelement um einen passiven Kühlkörper, insbesondere um eine Platte oder einen Stab aus einem thermisch leitfähigen (Voll-)Material, vorzugsweise aus Aluminium, der der bloßen Wärmeableitung innerhalb des Materials des Kühlkörpers dient. Ein solches passives Kühlelement ist insbesondere außerhalb des Kondensatorkörpers (mittelbar oder unmittelbar) mit einer externen Kühleinheit (Wärmesenke) thermisch leitend verbunden.
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Alternativ hierzu kann der Kondensatorkörper im Rahmen der Erfindung allerdings auch unmittelbar mit einem aktiven Kühlelement in unmittelbarem (thermischem und mechanischem) Kontakt stehen, beispielsweise einem von einem Kühlfluid durchströmten Wärmetauscher oder einem Peltier-Element.
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Sofern das Kühlelement elektrisch leitende Komponenten aufweist oder beinhaltet, ist es vorzugsweise mit einer elektrisch isolierenden Beschichtung versehen, um einen elektrischen Kontakt mit dem Kondensatorkörper auszuschließen.
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Durch die unmittelbare Anlage des Kühlelements an dem Kondensatorkörper (d. h. dem Folienpaket) und somit den unmittelbaren thermischen Kontakt wird vorteilhafterweise eine besonders gute Wärmeableitung der im Betrieb des Kondensators entstehenden Wärme aus dem Kondensatorkörper erreicht. Hierdurch wird vorteilhafterweise die Lebensdauer des derart gekühlten Kondensators im Vergleich zu herkömmlich gekühlten Kondensatoren erhöht. Zudem wird die Leistung des derart gekühlten Kondensators – ebenfalls im Vergleich zu einem herkömmlich gekühlten Kondensator – gesteigert.
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Das mindestens eine Kühlelement ist im Inneren des Kondensatorkörpers angeordnet. In anderen Worten ist der Kondensatorkörper von dem mindestens einen Kühlelement durchsetzt. Hierdurch werden vorteilhafterweise besonders kurze Wärmeübertragungsstrecken in dem vergleichsweise schlecht wärmeleitenden Kondensatorkörper erzielt, wodurch der Wärmeabtrag bzw. die Kühlleistung im Vergleich zu einer rein außenflächigen Kühlung noch weiter gesteigert wird.
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In einer Variante der Erfindung ist die interne Kühlung des Kondensatorkörpers dahingehend realisiert, dass der Kondensatorkörper in mindestens zwei (vorzugsweise mehrere) Teilkörper gegliedert ist, wobei zwischen zwei benachbarten Teilkörpern mindestens ein Zwischenraum gebildet ist. Dabei liegt das mindestens eine Kühlelement mit unmittelbarem (mechanischem und thermischem) Kontakt zu beiden benachbarten Teilkörpern in dem mindestens einen Zwischenraum ein.
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In diesem Fall hat das oder jedes Kühlelement (zumindest in demjenigen Abschnitt, in dem es in dem Zwischenraum einliegt) vorzugsweise eine etwa (flach-)quaderförmige Form, wobei es mit zwei gegenüberliegenden Seitenflächen jeweils an einer der Wandungen der beiden angrenzenden Teilkörper mechanisch und thermisch anliegt. Der Kondensator hat hier also eine sandwichartige Struktur, wobei sich Kühlelement(e) und Teilkörper abwechseln.
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Alle Teilkörper des Kondensators werden dabei gemeinsam, insbesondere von einem gemeinsamen Paar Anschlussplatten elektrisch kontaktiert.
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In bevorzugter Ausführungsform ist die oder jede Ausnehmung bezüglich ihrer Achse in einer Richtung in den Kondensatorkörper eingebracht, die entlang der Schichtrichtung des Kondensatorkörpers verläuft. Im Falle eines Folienstapels ist die oder jede Ausnehmung somit bevorzugt entlang der Flächenausdehnung der einzelnen Schichten bzw. im Falle einer Wicklung in deren Axialrichtung ausgerichtet.
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Die Ausnehmung kann im Rahmen der Erfindung entweder als Sackloch ausgebildet und somit lediglich zu einer Oberfläche des Kondensatorkörpers hin geöffnet sein oder den Kondensatorkörper komplett durchdringen. Grundsätzlich ist im Rahmen der Erfindung ferner denkbar, dass die Ausnehmung als Nut in den Kondensatorkörper eingebracht ist und somit entlang ihrer Achse zu einer Oberfläche des Kondensatorkörpers geöffnet ist. Sofern mehrere Ausnehmungen zur Aufnahme von Kühlelementen in den Kondensatorkörper eingebracht sind, können diese Ausnehmungen im Rahmen der Erfindung wahlweise ausgehend von einer Außenseite oder mehreren unterschiedlichen Außenseiten des Kondensatorkörpers in diesen hineinragen oder diesen durchdringen. Entsprechend können mehrere Kühlelemente von zwei oder mehreren unterschiedlichen, insbesondere entgegengesetzten, Außenseiten aus (zumindest teilweise) in den Kondensatorkörper hineinragen.
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Typischerweise umfasst der Folienkondensator eine Schoop-Schicht, welche in an sich bekannter Weise zur elektrischen Kontaktierung der (Metall-)Schichten (Elektroden) des Kondensatorkörpers dient. Bei der Schoop-Schicht handelt es sich um eine Metallschicht, die die anschlussplattenseitigen Enden der einzelnen Metallschichten gemeinsam einfasst und elektrisch kontaktiert. In einer bevorzugten Ausführungsform ist dabei die mindestens eine Ausnehmung derart in den Kondensatorkörper eingebracht, dass sie die Schoop-Schicht durchdringt.
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Im Rahmen der Erfindung kann derjenige Abschnitt des Kühlelements, der in unmittelbarer Anlage an dem Kondensatorkörper angeordnet ist, insbesondere flachquaderförmig (plattenförmig), stabförmig (stift- oder Zylinderförmig) oder ringförmig (hohlzylinderförmig) ausgebildet sein.
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In einer Ausführungsform umfasst das Kühlelement einen Schaft sowie eine wärmeleitfähige Trägerplatte. Der Schaft ist dabei derart auf der Trägerplatte aufgebaut, dass er von dieser zumindest annähernd vertikal abragt. Im Montagezustand der Kondensatoranordnung ragt dabei der Schaft in den Kondensatorkörper hinein, während die Trägerplatte außerhalb des Kondensatorkörpers angeordnet ist. Vorzugsweise umfasst das Kühlelement mehrere Schäfte, welche in einer kammartigen Struktur auf einer gemeinsamen Trägerplatte angeordnet sind.
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Im Rahmen der Erfindung kann die Kondensatoranordnung bereits bei der Herstellung des Kondensators fertiggestellt werden, indem das oder jedes Kühlelement bereits bei der Herstellung des Kondensators mit montiert wird. Es ist jedoch – je nach Ausführungsform – auch möglich, dass der Kondensator zunächst separat von einem oder mehreren zugeordneten Kühlelementen hergestellt wird, wobei das oder jedes entsprechende Kühlelement erst nachträglich, insbesondere erst beim Einbau des Kondensators, bestimmungsgemäß angeordnet wird.
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Die erfindungsgemäße Kondensatoranordnung findet bevorzugt Verwendung als gekühlter Zwischenkreiskondensator für einen (Puls-)Wechselrichter im Antriebsstrang eines Elektrofahrzeugs, vorzugsweise eines Kraftfahrzeug mit Elektro- oder Hybridantrieb.
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Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:
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1 in einer dreidimensionalen Darstellung eine Kondensatoranordnung mit einem Folienkondensator, der einen in mehrere Teilkörper unterteilten Kondensatorkörper umfasst, sowie mit mehreren als Kühlbügel ausgeführten Kühlelementen,
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2 die Kondensatoranordnung gemäß 1 in einem Einbauzustand,
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3 in einer Explosionsdarstellung eine zweite Ausführungsform der Kondensatoranordnung, in der der Kondensatorkörper mit mehreren Bohrungen zur Aufnahme des Kühlelements versehen ist, und in der das Kühlelement als Kühlkamm ausgeführt ist,
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4 in Darstellung gemäß 3 eine dritte Ausführungsform der Kondensatoranordnung mit zwei, jeweils als Kühlkamm ausgeführten, Kühlelementen, und
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5 und 6 jeweils in Einzeldarstellungen weitere Kühlelemente für einen Folienkondensator, der gemäß der dritten Ausführungsform ausgebildet ist.
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Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren stets mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt in einer vereinfachten Darstellung eine Kondensatoranordnung 1, die als Zwischenkreiskapazität eines Antriebsstrangs für einen Elektromotor eines Elektro-Kraftfahrzeugs eingesetzt ist.
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Die Kondensatoranordnung 1 umfasst einen (Folien-)Kondensator 2 sowie mehrere Kühlelemente 3.
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Der Kondensator 2 umfasst eine erste Anschlussplatte 4 (Busbar) und eine hierzu planparallele zweite Anschlussplatte 5 (Busbar) sowie einen im Wesentlichen quaderförmigen Kondensatorkörper 6. Der Kondensatorkörper 6 ist wiederum in mehrere (ebenfalls quaderförmige) Teilkörper 7 unterteilt. Der Kondensatorkörper 6 hat in beispielhafter Dimensionierung insgesamt eine Flächenausdehnung von etwa 10 cm × 20 cm und eine Stärke von etwa 5 cm. Die Kapazität des Kondensators 2 liegt beispielsweise bei etwa 500 bis 100 μF.
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Beide Anschlussplatten 4, 5 umfassen an einem den Kondensatorkörper 6 überragenden Rand (hier lediglich angedeutete) Anschlüsse 8 zur elektrischen Kontaktierung der Leistungshalbleiter des zugeordneten Pulswechselrichters.
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Der Kondensatorkörper 6 ist den beiden Anschlussplatten 4, 5 sowohl räumlich als auch elektrisch zwischengeordnet.
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Der Kondensatorkörper 6 und insbesondere jeder Teilkörper 7, ist in einer für einen Folienkondensator typischen Bauweise jeweils aus einem Stapel aus elektrisch isolierenden Kunststofffolien 10 gebildet, wobei auf jede (Kunststoff-)Folie 10 jeweils eine elektrisch leitfähigen Metallschicht 11 aufgedampft ist.
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Die einzelnen Folien 10 sind derart überlappend geschichtet, dass die zugehörigen Metallschichten 11 alternierend jeweils über eine Schoop-Schicht 12 mit der ersten bzw. der zweiten Anschlussplatte 4, 5 kontaktieren.
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Der Kondensatorkörper 6 ist in Schichtrichtung (d. h. quer zur jeweiligen Flächenausdehnung der Folien 10) derart in die mehreren Teilkörper 7 unterteilt, dass jeweils zwischen zwei benachbarten Teilkörpern 7 ein etwa flachquaderförmiger Zwischenraum 13 gebildet ist.
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Jeder Zwischenraum 13 ist an den zwei gegenüberliegenden breiteren Längsseiten jeweils von einer Wandung eines der Teilkörper 7 begrenzt, während er an den dazwischenliegenden schmäleren Längsseiten von den Anschlussplatten 4, 5 begrenzt ist.
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In dem dargestellten Montagezustand der Kondensatoranordnung 1 liegt in jedem dieser Zwischenräume 13 zur Kühlung des Kondensatorkörpers 6 jeweils eines der Kühlelemente 3 ein. Jedes Kühlelement 3 ist aus einem Vollkörper aus Aluminium gefertigt, das so dimensioniert ist, dass es an beiden den Zwischenraum 13 begrenzenden Teilkörpern 7 unmittelbar anliegt und insbesondere den Zwischenraum 13 vollständig ausfüllt.
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In der dargestellten Ausführungsform sind alle Kühlelemente 3 gleichartig ausgeführt und dimensioniert. Es ist jedoch prinzipiell auch denkbar, dass die einzelnen Kühlelemente 3 in ihrer Dimensionierung variieren. An die jeweiligen Außenseiten der beiden randseitigen Teilkörper 7 grenzt jeweils ein weiteres Kühlelement 3 an.
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Der Darstellung gemäß 2 ist zu entnehmen, dass die Kühlelemente 3 im Einbauzustand der Kondensatoranordnung thermisch leitend an einen luft- oder flüssigkeitsgekühlten Kühlkörper 21 angeschlossen sind. Im Betrieb der Kondensatoranordnung 1 wird die in dem Folienkondensator 2 entstehende Wärme durch (passive) Wärmeleitung über die Kühlelemente 3 an den Kühlkörper 21 abgeführt.
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In alternativer Ausgestaltung ist es jedoch auch denkbar, dass zur Verbesserung der Wärmeabfuhr die Kühlelemente 3 selbst von einem Kühl-Medium (Gas/Flüssigkeit) durchströmt oder als Peltier-Elemente ausgeführt sind und somit den Kondensatorkörper 6 aktiv entwärmen.
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Der gesamte Folienkondensator 2 liegt zudem gemäß 2 mit einer seiner Planseiten 22 auf einem weiteren Kühlkörper 23 auf.
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3 zeigt die Kondensatoranordnung 1 in Blickrichtung auf eine Schmalseite 30 des Kondensatorkörpers 6 gemäß einer zweiten Ausführungsform, wobei die Anschlussplatten hier zur besseren Übersichtlichkeit nicht dargestellt sind. Die Darstellung zeigt einen Vormontagezustand, in welchem das hier kammartige Kühlelement 3 noch nicht in den Kondensatorkörper 6 eingebracht ist.
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Im Unterschied zu der vorstehend beschriebenen Ausführungsform ist hier der Kondensatorkörper 6 nicht in Teilkörper unterteilt, sondern stattdessen als zusammenhängender (aus dem Folienstapel gebildeter) Block ausgeführt.
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In den Kondensatorkörper 6 sind eine Reihe von durchgängigen Bohrungen 31 eingebracht, wobei entsprechend der Darstellung jede Bohrung 31 von einer ersten Planseite 32 des Kondensatorkörpers 6 zu einer gegenüberliegenden zweiten Planseite 33 des Kondensatorkörpers 6 jeweils entlang der Schichtrichtung des Folienstapels ausgerichtet ist. Jede Bohrung 31 durchdringt dabei beide Schoop-Schichten 12, welche auf dem Kondensatorkörper 6 planseitig aufgebracht sind. Die auf der Schoop-Schicht aufliegenden (nicht dargestellten) Anschlussplatten, sind ebenfalls durchbohrt.
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Die einzelnen Bohrungen 31 sind im dargestellten Beispiel in linearer Reihung gleichverteilt über die gesamte Länge des Kondensatorkörpers 6 angeordnet. Jede Bohrung 31 dient als Aufnahme für einen Schaft des Kühlelements 3, wobei die Schäfte hier entsprechend der (runden) Bohrungen 31 als zylinderförmige Pins oder Kühlfinger 35 mit zumindest annähernd identischem Durchmesser ausgebildet sind. Die Länge jeden Kühlfingers 35 entspricht in etwa der Stärke des Kondensatorkörpers 6.
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Alle Kühlfinger 35 stehen auf einer gemeinsamen, dünnen, länglichen Trägerplatte 36, von der sie jeweils vertikal abragen. Der Abstand der einzelnen Kühlfinger 35 zueinander entspricht dem Abstand der Bohrungen 31 zueinander.
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Die Trägerplatte 36, sowie die Kühlfinger 35 sind hier analog zur ersten Ausführungsform ebenfalls aus Aluminium gefertigt. Auf der von den Kühlfingern 35 abgewandten Oberfläche 37 der Trägerplatte 36 ist diese mit einer elektrischen Isolierschicht 38 aus einem thermisch leitfähigen Material, beispielsweise aus einem thermisch leitfähigem Kunststoff (insbesondere einem mit thermisch leitfähigen Partikeln in Pulverform gefüllten Kunststoff) beschichtet. In bestimmungsgemäßer Montagesituation ist jeder Kühlfinger 35 in eine zugeordnete Bohrungen 31 eigesetzt, so dass jeder Kühlfinger 35 an der Wand der zugeordneten Bohrung unmittelbar anliegt. Hierdurch wird im Betrieb des Kondensators 2 wiederum eine Wärmeabfuhr über das Kühlelement 3 aus dem Kondensatorkörper 6 ermöglicht.
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4 zeigt die Kondensatoranordnung 1 in einer dritten Ausführungsform, welche im Wesentlichen der zweiten Ausführungsform entspricht. Jedoch umfasst die Kondensatoranordnung 1 hier statt eines einzigen Kühlelements 3 zwei gleiche Kühlelemente 3, welche beide im Wesentlichen gemäß 3 gestaltet sind. Im Unterschied zu der vorstehenden Ausführungsform umfasst hier jedes Kühlelement jeweils nur drei Kühlfinger. Die Kühlfinger 35 des weiteren Kühlelements 3 ragen bestimmungsgemäß von der zur zweiten Planseite 33 entgegengesetzten ersten Planseite 32 aus in den Kondensatorkörper 6 hinein. Der Kondensator 2 grenzt hier im Einbauzustand mit der Anschlussplatte 4 ebenfalls an einen Kühlkörper an.
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In 5 sind drei einzelne Kühlelemente 3 dargestellt, welche ebenfalls zur Kühlung des Kondensatorkörpers 6 gemäß der dritten Ausführungsform (siehe 4) eingesetzt werden können. In dieser Ausführungsform umfasst jedes Kühlelement 3 nur einen einzigen Kühlfinger 35, welcher analog zu der Ausführungsform gemäß 4 vertikal abragend auf der hier als Kreisscheibe ausgeführten Trägerplatte 36 steht. In diesem Fall werden jeweils drei der hier dargestellten Kühlelemente 3 von einer der Planseiten 32, 33 aus in den Kondensatorkörper 6 eingebracht.
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6 zeigt eine weitere Ausführungsform des Kühlelements 3 (wiederum für einen Kondensatorkörper 6 gemäß der dritten Ausführungsform aus 4) bei der die einzelnen Kühlfinger 35 mit einer (thermisch leitfähigen) elektrischen Isolierschicht 60 überzogen sind.
