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Die vorliegende Erfindung betrifft ein elektrisches Bauteil, insbesondere einen Transformator oder eine Drossel, sowie einen Wärmeaufnehmer für ein elektrisches Bauteil.
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Bei der Übertragung hoher Leistungen mittels induktiver Bauelemente, wie beispielsweise Transformatoren oder Drosseln, entsteht zwangsläufig aufgrund von Verlusten Wärme. Die übertragbare Leistung eines Übertragers kann bei gegebenem Volumen u. a. dadurch erhöht werden, dass eine Wärmeleitung von Wärme erzeugenden Gebieten hin zu gekühlten Gebieten gewährleistet ist. Während beim Betrieb eines Übertragers mit hohen Spannungen im Allgemeinen die Ummagnetisierungsverluste des Kerns überwiegen, wird im Bereich niedriger Spannungen und hoher Ströme ein wesentlicher Teil der Verlustwärme in den Windungen, beispielsweise an einer niederspannungsseitigen Sekundärwindung, erzeugt. Für die Ableitung der Wärme sind aus dem Stand der Technik, beispielsweise aus der
DE 198 14 896 A1 , sogenannte "Heatpipes" bekannt. In vorliegendem Fall wird darunter ein 2-Phasen-Wärmeleitrohr verstanden. Dabei handelt es sich um ein stabförmiges oder rohrförmiges Material, welches mit einer Flüssigkeit, die einen flüssig-gasförmig Phasenübergang aufweist, gefüllt ist. Zwar weisen derartige Systeme eine sehr gute Wärmeleitung auf, allerdings sind diese durch die Verwendung der Flüssigkeit konstruktiv aufwändig gestaltet und im Betrieb kostenintensiv. Alternativ gibt es auch ungekühlte Elemente, wie beispielsweise in der
DE 10 2011 013 684 A1 , welche direkt innerhalb des zu kühlenden Bereichs, insbesondere beispielsweise innerhalb der Wicklung, angeordnet werden. Zwar sind derartige Systeme aufgrund ihres einfachen Aufbaus kostengünstiger, allerdings ist die Wärmeabfuhr, insbesondere die Wärmeübertragung von den zu kühlenden Bereichen auf die Wärmeleitelemente (Heatpipes) oft unzureichend.
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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein elektrisches Bauteil sowie einen Wärmeaufnehmer für ein elektrisches Bauteil anzugeben, welche eine bestmögliche Kühlung zu kühlender Bereiche bei gleichzeitig geringen Kosten ermöglichen.
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Diese Aufgabe wird durch ein elektrisches Bauteil, insbesondere einen Transformator oder eine Drossel, nach Anspruch 1 sowie durch einen Wärmeaufnehmer für ein elektrisches Bauteil nach Anspruch 13 gelöst. Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie der Beschreibung und den beigefügten Figuren.
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Erfindungsgemäß ist ein elektrisches Bauteil, insbesondere ein Transformator oder eine Drossel, vorgesehen, wobei das Bauteil eine Wärmequelle sowie zumindest ein Wärmeleitelement aufweist, welches ausgelegt ist, einen Wärmestrom von der Wärmequelle außerhalb des Bauteils zu führen, wobei die Wärmequelle ein Eisenkern und/oder zumindest eine Wicklung ist, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Wärmeleitelement und die Wärmequelle über einen Wärmeaufnehmer verbunden sind. Ein Transformator ist ein elektrisches Bauelement. Er besteht aus einem magnetischen Kreis – meist einem Ferrit- oder Eisenkern –, um den die Leiter mindestens zweier verschiedener Stromkreise derart gewickelt sind, dass der Strom jedes Stromkreises mehrfach um einen Kern herumgeführt wird. Wird an einer dieser Wicklungen, auch Transformator-Spule genannt, eine Wechselspannung angelegt, so stellt sich an der zweiten (und den evtl. weiteren vorhandenen) Wicklung(en) eine Wechselspannung ein, deren Höhe sich (im Leerlauffall) zu der ursprünglichen angelegten Spannung so verhält, wie das Verhältnis der Windungszahlen der entsprechenden Wicklungen zueinander. Die Wicklung bzw. Wicklungen können dabei zweckmäßigerweise mit Tränk- oder Gießharz fixiert sein. Dadurch verbessern sich die Isolation, die Wärmeableitung sowie die mechanische Festigkeit. Zudem wird das Geräuschverhalten optimiert. Dem gegenüber sind Drosseln niederomige Spulen zur Reduzierung hochfrequenter Ströme auf elektrischen Leitungen. Sie werden im Bereich der Stromversorgung elektrischer und elektronischer Geräte in der Leistungselektronik und in der Hochfrequenztechnik eingesetzt. Hierbei wird der gesamte Wickelraum eines Eisenkerns nur für eine/n Wicklung/Strang genutzt. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform handelt es sich bei dem elektrischen Bauteil um einen Transformator, insbesondere um einen 1-Phasen-Transformator. Die Wärmequelle kann z. B. der Eisenkern oder zumindest eine Wicklung sein. Es versteht sich also, dass das elektrische Bauteil zumindest eine, also auch eine Vielzahl von Wärmequellen aufweisen kann, beispielsweise 2, 3, 4, 5 etc. Bevorzugt handelt es bei dem Wärmeleitelement um ein rohrförmiges und/oder stabförmiges Element. Das Wärmeleitelement kann also zumindest bereichsweise hohl sein bzw. zumindest bereichsweise gerade nicht. Bevorzugt ist das Wärmeleitelement zumindest bereichsweise starr ausgebildet. Zweckmäßigerweise kann das Wärmeleitelement aber zumindest bereichsweise auch biegeweich ausgeführt sein. Es versteht sich, dass zum Zwecke einer optimalen Wärmeübertragung eine Außenwand des Wärmeleitelements mit Vorteil Rillen, Erhebungen, Vertiefungen und dergleichen aufweisen kann, wodurch eine wärmeübertragende Oberfläche des Wärmeleitelements erhöht werden kann. Ebenfalls bevorzugt ist das Wärmeleitelement aber auch ganz oder zumindest bereichsweise an seiner Außenwand glatt ausgeführt. Mit Vorteil wird dadurch die Anordnung im Wärmeaufnehmer erleichtert. Der äußere Querschnitt ist vorteilhafterweise rund, insbesondere kreisrund. Auch ovale oder eckige Querschnittsformen sind vorteilhaft. Dabei muss im Falle eines hohlen Wärmeleitelements ein Innenquerschnitt nicht die gleiche Geometrie aufweisen wie der äußere Querschnitt. Selbstverständlich sind auch für den Innenquerschnitt die gleichen Geometrien möglich wie für den äußeren Querschnitt. Als Material kommt für das Wärmeleitelement bevorzugt ein metallischer Werkstoff mit einer guten Wärmeleitfähigkeit, beispielsweise Kupfer oder Aluminium, zum Einsatz. Für den Fall, dass das Wärmeleitelement zumindest bereichsweise hohl ausgeführt ist, kann das Wärmeleitelement mit Vorteil auch zur Erhöhung der Wärmeleitung mit einem Kühlmedium, beispielsweise Luft, Wasser oder einer speziellen Kühlflüssigkeit, durchspült sein. Die genannten Formen und Geometrien für die Wärmeleitelemente können auch miteinander kombiniert werden. Es versteht sich, dass das Wärmeleitelement nicht vom Wärmeaufnehmer bis zur Wärmesenke einteilig geführt sein muss. Mehrere Wärmeelemente können auch aneinander über ein Verbindungssystem form- und/oder kraftschlüssig verbunden sein. Das Verbindungssystem kann mit Vorteil als Gewinde- oder Stecksystem ausgebildet sein. Des Weiteren können in einem Wärmeaufnehmer Wärmeleitelemente mit unterschiedlichen Geometrien und Formen verwendet werden. Mit Vorteil dient das Wärmeleitelement dazu, den Wärmestrom von der Wärmequelle außerhalb des Bauteils zu führen. Dabei ist das Wärmeleitelement bevorzugt mit einer Wärmesenke beispielsweise einem Kühlkörper, verbunden. Bevorzugt ist der Kühlkörper, welcher für eine optimale Kühlung zweckmäßigerweise mit Kühlrippen versehen ist oder seinerseits durch ein Kühlmedium gekühlt wird, außerhalb des Bauteiles angeordnet. Mit großem Vorteil ist dadurch ein hoher Temperaturgradient zwischen der Wärmequelle und der Wärmesenke erzielbar, wodurch der Wärmestrom, der von der Wärmequelle abführbar ist, maximierbar ist. Um die in und/oder an der Wärmequelle entstehende Wärme auf das Wärmeleitelement zu übertragen, ist mit Vorteil der Wärmeaufnehmer vorgesehen. Es versteht sich, dass auch eine Vielzahl, also 2, 3, 4, 5 und mehr Wärmeaufnehmer vorgesehen sein können. Zweckmäßigerweise ist das Wärmeleitelement bzw. ist zumindest ein Wärmeleitelement in dem Wärmeaufnehmer angeordnet. Zweckmäßigerweise ist der Wärmeaufnehmer in die Wärmequelle zumindest bereichsweise formschlüssig eingebettet. Eine wärmeübertragende Außenfläche des Wärmeleitelements ist dadurch vergrößerbar dass ein Formschluss mit dem umgebenden Material gegeben ist. Mit anderen Worten ist also die Außenfläche des Wärmeleitelements optimal an das umgebende Material angepasst. Die Außenfläche kann folglich mit Vorteil zumindest bereichsweise glatt, gerillt, gewellt, gefurcht, aufgerauht, etc. sein. Mit Vorteil ist der Wärmeaufnehmer auch mit Vertiefungen oder Rippen versehen, innerhalb derer die Drähte der Wicklungen eingebettet sein können. Mit Vorteil verlaufen also die Rillen oder Vertiefungen entlang der Drähte der Wicklungen bzw. entlang der Wicklungen. Bevorzugt ist der Wärmeaufnehmer aus einem metallischen Werkstoff mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit, insbesondere Aluminium. Bevorzugt ist der Wärmeaufnehmer auch aus einem Werkstoff mit geringer Festigkeit gefertigt, so dass ohne großen Aufwand die formschlüssige Verbindung mit der Wärmequelle, beispielsweise also mit den Drähten der Wicklungen, möglich ist. Vorteilhafterweise ist der Werkstoff des Wärmeaufnehmers also weicher als der Werkstoff der Wärmequelle.
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Vorteilhafterweise ist das elektrische Bauteil dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeaufnehmer zwischen dem Eisenkern und der zumindest einen Wicklung und/oder zwischen zwei Wicklungen und/oder außen an einer äußersten Wicklung oder innerhalb einer Wicklung angeordnet ist. Vorteilhafterweise können also mehrere Wärmeaufnehmer vorgesehen sein, welche an den bereits genannten Orten positioniert sein können. Mit Vorteil kann aber auch ein Wärmeaufnehmer derart ausgebildet sein, dass er ausgelegt ist, zumindest zwei der genannten Orte bzw. Bereiche abzudecken. Dies wird beispielsweise dadurch bewerkstelligt, dass der Wärmeaufnehmer mit Stegen und Fortsätzen ausgebildet ist, welche ausgelegt sind, zumindest zwei Bereiche oder Orte miteinander zu verbinden.
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Zweckmäßigerweise ist das elektrische Bauteil dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeaufnehmer flächig ausgebildet ist. Weiter vorzugsweise ist das elektrische Bauteil dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeaufnehmer eine Längsrichtung aufweist, die im Wesentlichen quer zur einer Stromrichtung der zumindest einen Wicklung und im Wesentlichen entlang des von der Wicklung umschlossenen Eisenkerns gerichtet ist. Die flächige Ausbildung des Wärmeaufnehmers ist also so zu verstehen, dass sich der Wärmeaufnehmer bevorzugt im Wesentlichen zumindest bereichsweise entlang der Stromrichtung und entlang der Längsrichtung erstreckt. Der Wärmeaufnehmer ist also mit Vorteil parallel zu einer Ebene ausgerichtet, die von der Stromrichtung und der Längsrichtung aufgespannt wird. In der Draufsicht auf die Ebene kann der Wärmeaufnehmer die unterschiedlichsten Geometrien aufweisen, ausgelegt auf eine bestmögliche Wärmeübertragung und Wärmeableitung von der oder den Wärmesenken: beispielsweise rund, kreisrund, oval, polygonförmig, H-förmig etc. Eine besonders bevorzugte Ausführungsform des Wärmeaufnehmers parallel zur Ebene gesehen weist die Form eines Quadrats oder eines Rechtecks auf. Alternativ bevorzugt kann der Wärmeaufnehmer ebenfalls im Wesentlichen länglich und/oder rohrförmig ausgebildet sein. Besonders bevorzugt wird aber gerade durch die flächige Ausbildung eine große wärmeübertragende Außenfläche zur Verfügung gestellt. Des Weiteren ist es durch die flächige Ausbildung des Wärmeaufnehmers möglich, eine Vielzahl von Wärmeleitelementen in dem Wärmeaufnehmer anzuordnen.
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Zweckmäßigerweise ist das elektrische Bauteil dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeaufnehmer zumindest einen Kanal aufweist und dass in dem zumindest einen Kanal das zumindest eine Wärmeleitelement angeordnet ist, wobei der zumindest eine Kanal parallel zur Längsrichtung orientiert ist. Bevorzugt sind wenigstens zwei Kanäle vorgesehen, die im Wesentlichen entlang der Längsrichtung orientiert sind. Vorteilhafterweise sind die beiden Kanäle auch durch zumindest einen weiteren Kanal (siehe später auch: Verbindungskanal), der im Wesentlichen entlang der Stromrichtung orientiert ist, verbunden. Es versteht sich, dass der bzw. die Kanäle dazu vorgesehen sind, die Wärmeleitelemente darin anzuordnen. Ebenfalls bevorzugt ist aber auch kein Wärmeleitelement in dem Wärmeaufnehmer angeordnet. Mit Vorteil ist dadurch das Temperaturniveau bzw. die Temperaturverteilung in dem elektrischen Bauteil bzw. in dem Wärmeaufnehmer gezielt anpassbar, da die Wärmeabfuhr über die Zahl der verwendeten Wärmeleitelemente mit Vorteil gesteuert werden kann. Dabei kann ein Kanal auch derart ausgebildet sein, dass er von außen nicht zugänglich ist. Der Kanal kann also auch nicht durchgängig gestaltet sein. Während der Kanal zweckmäßigerweise dünn ist, im Vergleich zu seiner Länge im Wesentlichen also einen kleinen Querschnitt aufweist, kann er alternativ bevorzugt dazu auch als Hohlraum oder als Ausnehmung ausgebildet sein, welcher bzw. welche vorteilhafterweise an zumindest eine Stelle im Wärmeaufnehmer vorhanden ist. Bevorzugt sind dadurch die wärmeübertragenden Eigenschaften wie wärmeübertragende Oberfläche, Masse (in Kombination mit der spezifischen Wärmekapazität) etc. des Wärmeaufnehmers anpassbar.
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Zweckmäßigerweise ist das elektrische Bauteil dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeaufnehmer eine Vielzahl von Kanälen aufweist, welche zumindest teilweise miteinander verbunden sind. Mit Vorteil sind die Kanäle durch sogenannte Verbindungskanäle verbunden, in welchen ebenfalls bevorzugt ein Wärmeleitelement oder ein anderes wärmeleitfähiges Material angeordnet ist. Dadurch ist eine optimale Temperaturverteilung bzw. ein optimaler Transport des Wärmestroms aus allen Bereichen des Wärmeaufnehmers gewährleistet. Dabei sei klargestellt, dass es hinsichtlich der technischen Eigenschaften und Vorteile grundsätzlich keinen Unterschied zwischen einem Kanal und einem Verbindungskanal gibt. Der Begriff "Verbindungskanal" soll lediglich kennzeichnen, dass es sich dabei um einen Kanal handelt, der zwei andere Kanäle miteinander verbindet.
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Vorteilhafterweise kann durch die (flächige) Form bzw. Ausgestaltung des Wärmeaufnehmers in Kombination mit der Verwendung zumindest eines Wärmeleitelements mit großem Vorteil die in der oder den Wärmequellen entstehende Wärme ähnlich wie bei aus dem Stand der Technik bekannten Wärmetauschern übertragen und abgeführt werden. D. h. die Kanäle und Wärmeleitelemente können zweckmäßigerweise derart angeordnet werden, wie es in ähnlicher Weise von Gegenstrom-, Gleichstrom- oder Kreuzstromwärmetauschern bekannt ist. Hinsichtlich der genauen Ausgestaltung sei in diesem Zusammenhang auf die Figurenbeschreibung, insbesondere auf die 10a bis e verwiesen.
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Mit Vorteil ist das elektrische Bauteil dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmeleitelement entlang der Längsrichtung und/oder im Wesentlichen schräg oder quer dazu außerhalb des Bauteils geführt ist bzw. sich erstreckt. Das Wärmelement bzw. die Wärmelemente müssen also nicht entlang der Längsrichtung parallel beispielsweise zu dem Eisenkern aus dem Bauteil geführt werden. Sie können sozusagen auch durch die Wicklung(en) hindurch ragen. Dabei können sie innerhalb des Wärmeaufnehmers, also innerhalb eines Kanals angeordnet sein, alternativ bevorzugt kann das Wärmeleitelement aber auch direkt durch die Wicklung(en) geführt werden, wobei es von dem Wärmeaufnehmer umschlossen sein kann oder auch nicht.
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Zweckmäßigerweise ist das elektrische Bauteil dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeaufnehmer eine Isolationsschicht aufweist, welche zwei Wicklungen zueinander isoliert. Vorteilhafterweise weist die Isolationsschicht eine hohe elektrische Isoliereigenschaft auf. Weiter vorzugsweise weist die Isolationsschicht eine hohe thermische Leitfähigkeit auf. Mit Vorteil handelt es sich bei der Isolationsschicht um eine Wärmeleitfolie. Vorteilhafterweise ist die Isolationsschicht zwischen dem Wärmeaufnehmer und dem Eisenkern und/oder der Wicklung angeordnet. Mit Vorteil ist die Isolationsschicht form- und/oder kraftschlüssig mit dem Wärmeaufnehmer verbunden.
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Bevorzugterweise ist das elektrische Bauteil dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeaufnehmer die Wärmequelle im Wesentlichen quer zur Längsrichtung zumindest teilweise umschließt und/oder umfasst. Mit Vorteil ist der Wärmeaufnehmer also nicht nur lokal flächig ausgebildet, wie bereits beschrieben, sondern er umfasst auch die Wärmequelle bzw. die Wärmequellen über einen größeren Bereich, beispielsweise entlang der Stromrichtung. Wie bereits angedeutet kann sich der Wärmeaufnehmer bzw. können sich Bereiche des Wärmeaufnehmers mit Vorteil auch im Wesentlichen senkrecht von der Ebene, die von der Stromrichtung und der Längsrichtung aufgespannt wird, weg erstrecken.
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Mit Vorteil ist das elektrische Bauteil dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeaufnehmer aus einem Werkstoff mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit ausgebildet ist, insbesondere Aluminium. Mit Vorteil weist der verwendete Werkstoff auch die Eigenschaft auf, dass er sich beispielsweise bei einer bestimmen Temperatur verfärbt (z. B. ähnlich den bekannten Anlassfarben von Metallen). Die bestimmte Temperatur kann zweckmäßigerweise ein Temperaturschwellwert sein, d. h. ab diesem Temperaturschwellwert werden kritische Temperaturbereiche (für das elektrische Bauteil) überschritten. Nach Überschreiten des Temperaturschwellwerts behält der Wärmeaufnehmer mit Vorteil die Verfärbung, so dass ein Verwender des elektrischen Bauteils vorteilhafterweise daran erkennen kann, dass eine zulässige Temperatur überschritten wurde.
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Zweckmäßigerweise ist das elektrische Bauteil dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeaufnehmer von außerhalb des Bauteils zugänglich ist. Mit Vorteil sind dadurch die Wärmeleitelemente jederzeit leicht zugänglich und daher austauschbar. Vorteilhafterweise kann durch die Anzahl der verwendeten Wärmeübertragungselemente das Wärmeübertragungsverhalten bzw. die Wärmeabfuhr gezielt gesteuert werden. Mit Vorteil kann sozusagen ein und derselbe Wärmeaufnehmer, welcher die entsprechende Anzahl von Kanälen vorhält, mit unterschiedlich vielen Wärmeleitelementen bestückt werden, wodurch ein und derselbe Wärmeaufnehmer an die unterschiedlichsten Leistungsstufen des elektrischen Bauteils anpassbar ist. Variantenvielfalt und Produktionskosten sind damit vorteilhafterweise verringerbar, ebenso wie die Materialkosten, da nur so viele Wärmeleitelemente eingesetzt werden müssen, wie unbedingt notwendig. Die Zugänglichkeit von außerhalb ermöglicht auch einen schnellen Austausch bei Verschleiß des Wärmeleitelements etc. Mit Vorteil ist der Wärmeaufnehmer auch austauschbar und kann gewechselt werden. Vorteilhafterweise können in einem elektrischen Bauteil auch Wärmeaufnehmer aus unterschiedlichen Werkstoffen und/oder mit unterschiedlichen Wärmeleitfähigkeiten verwendet sein.
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Zweckmäßigerweise ist das elektrische Bauteil dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeaufnehmer aus zumindest zwei Werkstoffen besteht, wobei der zweite Werkstoff weicher ist als der erste Werkstoff und um den ersten Werkstoff herum angeordnet ist. Mit Vorteil kann durch den zweiten Werkstoff der Formschluss des Wärmeaufnehmers mit der Wärmequelle sowohl erleichtert als auch optimiert werden. Mit Vorteil werden die bereits genannten Vertiefungen oder Rippen, welche der Wärmeaufnehmer für die Optimierung der Wärmeübertragung (über seine Außenfläche) aufweist, bei der Herstellung des elektrischen Bauteils eingebracht, wobei die Vertiefungen bzw. Rippen durch die Wicklung selbst in den Wärmeaufnehmer einbringbar sind, dadurch dass der zweite Werkstoff weicher ist als beispielsweise die Drähte der Wicklung. Mit Vorteil unterscheiden sich auch der erste und der zweite Werkstoff in ihrer Wärmeleitfähigkeit. Vorteilhafterweise kann damit ein optimaler Temperaturgradient eingestellt werden. Der optimale Temperaturgradient bezieht sich dabei auf eine möglichst gute Wärmeabfuhr von der Wärmequelle hin zum Wärmeleitelement.
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Vorzugsweise ist das elektrische Bauteil dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeaufnehmer zumindest zweiteilig ausgebildet ist und dass der erste Werkstoff einem ersten Teil und der zweite Werkstoff einem zweiten Teil zugeordnet ist. Zweckmäßigerweise ist der erste Teil formschlüssig und austauschbar im oder am zweiten Teil angeordnet ist. Mit Vorteil unterscheiden sich der erste und der zweite Werkstoff auch in ihrer Wärmeleitfähigkeit. Besonders bevorzugt ist es dabei, dass der erste Teil innerhalb des zweiten Teils anordenbar ist, wobei eine Gesamtwärmeleitfähigkeit des Wärmeaufnehmers dadurch einstellbar ist, dadurch, dass unterschiedliche Werkstoffe bzw. unterschiedliche Teile kombinierbar sind.
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Erfindungsgemäß ist ein Wärmeaufnehmer für ein elektrisches Bauteil dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeaufnehmer ein Wärmeleitelement umfasst, welches ausgelegt ist, einen Wärmestrom von einer Wärmequelle wegzuführen. Sämtliche Vorteile und Merkmale des elektrischen Bauteils gelten in gleicher Weise für den Wärmeaufnehmer und umgekehrt und werden um Wiederholungen zu vermeiden an dieser Stelle nicht nochmals erwähnt.
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Erfindungsgemäß ist eine Verwendung eines Wärmeaufnehmers in einem elektrischen Bauteil vorgesehen. In gleicher Weise gelten auch hier sämtliche Vorteile und Merkmale des erfindungsgemäßen elektrischen Bauteils sowie des erfindungsgemäßen Wärmeaufnehmers und umgekehrt.
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Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen des erfindungsgemäßen elektrischen Bauteils sowie des erfindungsgemäßen Wärmeaufnehmers mit Bezug auf die beigefügten Figuren. Einzelne Merkmale der einzelnen Ausführungsformen können dabei im Rahmen der Erfindung miteinander kombiniert werden.
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Es zeigen:
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1: eine perspektivische Ansicht einer bevorzugten Ausführungsform eines elektrischen Bauteils;
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2: eine perspektivische Ansicht einer bevorzugten Ausführungsform eines zwischen zwei Wicklungen umlaufend angeordneten Wärmeaufnehmers;
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3: eine bevorzugte Ausführungsform eines Wärmeaufnehmers bestehend aus einem ersten und einem zweiten Teil;
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4: eine bevorzugte Ausführungsform einer möglichen Gestaltung des Wärmeleitelements;
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5: eine Prinzipdarstellung einer bevorzugten Ausführungsform eines Verbindungssystems;
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6a: eine bevorzugte Ausführungsform eines Wärmeleitelements, angeordnet zwischen zwei Wicklungen;
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6b: eine weitere bevorzugte Ausführungsform eines Wärmeleitelements, angeordnet zwischen zwei Wicklungen;
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7: eine weitere bevorzugte Ausführungsform eines Wärmeleitelements mit Querrillen;
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8: eine weitere bevorzugte Ausführungsform eines Wärmeleitelements, angeordnet in einem Wärmeaufnehmer;
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9: eine weitere bevorzugte Ausführungsform eines Wärmeleitelements sowie eines Wärmeaufnehmers, im Wesentlichen quer zu einer Stromrichtung gesehen;
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10a–e: bevorzugte Ausführungsformen von Wärmeaufnehmern mit unterschiedlich angeordneten Wärmeleitelementen.
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1 zeigt in einer perspektivischen Darstellung eine bevorzugte Ausführungsform eines elektrischen Bauteils, insbesondere eines Transformators. Insbesondere handelt es sich um einen 1-Phasen-Transformator. Der obere Teil des elektrischen Bauteils bzw. des Transformators ist aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt. Zu sehen ist also ein Dreischenkelkern, bestehend aus drei Eisenkernen 12 in einer Draufsicht. Der mittlere Eisenkern 12 ist umgeben von zwei Wicklungen 14. Zwischen den beiden Wicklungen 14 ist gegenüberliegend je ein Wärmeaufnehmer 60 angeordnet. Jeder der Wärmeaufnehmer 60 weist zwei Kanäle 42 auf, welche sich im Wesentlichen entlang einer Längsrichtung LR des Wärmeaufnehmers 60 bzw. des gesamten Aufbaus erstrecken. Beispielhaft dargestellt ist, dass in dem Kanal 42 des oberen Wärmeaufnehmers 60 ein Wärmeleitelement 40 angeordnet ist. Die zwischen den Wicklungen 14 angeordneten Wärmeaufnehmer 60 sind an ihren Grenzflächen zu den Wicklungen 14 jeweils mit einer Isolationsschicht 64 versehen, welche allerdings aufgrund ihrer geringen Ausdehnung in der 1 nicht erkennbar ist. Dargestellt ist weiter skizzenhaft eine Stromrichtung SR, welche sich im Wesentlichen entlang der Wicklungen 14 richtet. Die Stromrichtung SR und die Längsrichtung LR spannen eine Ebene E auf. Sowohl der Eisenkern 12 bzw. die Eisenkerne 12 als auch die Wicklungen 14 stellen Wärmequellen 10 dar. Das gesamte elektrische Bauteil ist auf einer Platte 8 angeordnet.
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2 zeigt skizzenhaft und in einer perspektivischen Darstellung einen Eisenkern 12, welcher von zwei Wicklungen 14 umgeben ist. Der Eisenkern könnte ein Teil eines elektrischen Bauteils, beispielsweise eines Transformators, sein, der in 2 allerdings nicht dargestellt ist. Zwischen den beiden Wicklungen 14 ist umlaufend um den Eisenkern 12 und zwischen den Wicklungen 14 ein Wärmeaufnehmer 60 angeordnet. Kanäle 42 bzw. Wärmeleitelemente 40 sind in 2 der Einfachheit halber nicht dargestellt. Der gezeigte Aufbau erstreckt sich entlang einer Längsrichtung LR. Im Wesentlichen quer zur Längsrichtung LR ergeben sich Stromrichtungen SR, welche sich jeweils entlang der Wicklungen 14 orientieren.
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3 zeigt in einer perspektivischen Darstellung eine bevorzugte Ausführungsform eines Wärmeaufnehmers 60, welcher aus einem ersten Teil 71 und einem zweiten Teil 72 besteht. Dem ersten Teil 71 ist ein erster Werkstoff 61 zugewiesen, wobei der zweite Teil 72 aus einem zweiten Werkstoff 62 besteht. Der erste Teil 71 umfasst vier Kanäle 42, wobei in einem der Kanäle 42 ein Wärmeleiterelement 40 angeordnet ist. Das Wärmeleitelement 40 erstreckt sich im Wesentlichen entlang einer Längsrichtung LR.
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4 zeigt eine weitere bevorzugte Ausführungsform eines Wärmeleitelements 40 in einer Schnittdarstellung (auf eine Schraffur wurde der Übersichtlichkeit wegen verzichtet). 4 zeigt eine Ansicht zweier Wicklungen 14 und eines Eisenkerns 12 entlang einer Stromrichtung SR. Zwischen den beiden Wicklungen 14 und zwischen der rechten der beiden Wicklungen 14 und dem Eisenkern 12 ist je ein Wärmeaufnehmer 60 angeordnet. In den Wärmeaufnehmern 60 ist je ein Wärmeleitelement 40 angeordnet, welche sich außerhalb der Wicklungen 14 bzw. des Eisenkerns 12 zu einem Wärmeleitelement 40 vereinigen.
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5 zeigt in einer Prinzipdarstellung die Anordnung eines Wärmeaufnehmers 60 zwischen zwei Wicklungen 14. Zwei Wärmeleitelemente 40 sind hier über ein Verbindungssystem 44, welches skizzenhaft als Strichpunktlinie dargestellt ist, verbunden. Bevorzugterweise kann das Verbindungssystem 44 als Stecksystem oder als Schraubsystem ausgeführt sein. Weiter angedeutet ist ein Eisenkern 12, welcher wie die Wicklungen 14 als Wärmequelle 10 angesehen werden kann.
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6a und 6b zeigen jeweils zwei Schnittdarstellungen quer zu einer Stromrichtung SR zweier Wicklungen 14 und eines Eisenkerns 12, wobei die Wicklungen 14 und der Eisenkern 12 die bekannten Wärmequellen 10 darstellen. Zu sehen ist ein Wärmeleitelement 40, welches in einem Wärmeaufnehmer 60 angeordnet ist, wobei sowohl der Wärmeaufnehmer 60 als auch das Wärmeleitelement 40 derart ausgebildet sind, dass sie sich bereichsweise im Wesentlichen quer zur Stromrichtung SR und einer Längsrichtung LR erstrecken.
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7 zeigt eine weitere bevorzugte Ausführungsform eines Wärmeaufnehmers 60 in einer Schnittdarstellung im Wesentlichen quer zu einer Stromrichtung SR. Zwischen zwei Wicklungen 14, welche als Wärmequellen 10 anzusehen sind, ist der Wärmeaufnehmer 60 angeordnet. In dem Wärmeaufnehmer 60 ist ein Wärmeleitelement 40 angeordnet, welches an seinem oberen Ende über ein Verbindungssystem 44 mit einem weiteren Wärmeleitelement 40 verbunden ist. Das obere Wärmeleitelement 40 kann beispielsweise über ein Verbindungssystem 44 mit einem weiteren Wärmeleitelement 40 verbunden sein. Das obere Wärmeleitelement 40 kann beispielsweise mit Vorteil zu einer Wärmesenke, beispielsweise einem Kühlelement, führen. Dargestellt ist in 7 eine Ausführungsform eines Wärmeleitelements 40 mit einer gerippten bzw. gewellten Außenkontur, welche dazu dient, die Wärmeübertragungsfläche zu erhöhen. In ähnlicher Weise könnte eine Außenfläche des Wärmeaufnehmers 60 mit einer derartigen Kontur versehen sein, um dessen wärmeübertragende Fläche zu vergrößern.
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8 zeigt in einer Schnittdarstellung im Wesentlichen quer zu einer Stromrichtung SR zwei Wicklungen 14, welche Wärmequellen 10 darstellen. Zu sehen ist, dass ein Wärmeleitelement 40, welches in einem Wärmeaufnehmer 60 angeordnet ist, nicht durchgängig gestaltet ist. Der Wärmeaufnehmer 60 ist also an einem Ende verschlossen bzw. ein Kanal (hier ohne Bezugszeichen), in welchem das Wärmeleitelement 40 angeordnet ist, ist nicht durchgängig durch den Wärmeaufnehmer 60 ausgebildet.
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9 zeigt in einer Schnittdarstellung im Wesentlichen parallel zu einer Stromrichtung SR einen Wärmeaufnehmer 60, in welchem ein Wärmeleitelement 40 mit einer verzweigten Struktur ausgebildet ist. Mit Vorteil dient eine derartige Anordnung dazu, eine wärmeübertragende Fläche zwischen dem Wärmeaufnehmer 60 und dem Wärmeleitelement 40 noch weiter zu vergrößern bzw. die Temperaturen innerhalb des Wärmeaufnehmers 60 noch besser zu verteilen.
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Die in den 1 bis 9 dargestellten Wärmeleitelemente 40 können sowohl aus Vollmaterial gebildet sein, alternativ bevorzugt können sie auch hohl sein, was den Durchfluss mit einem Kühlmedium ermöglicht. Die unterschiedlichen Typen können auch kombiniert werden.
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Die 10a–e zeigen bevorzugte Ausführungsformen von Wärmeaufnehmern 60 mit unterschiedlich angeordneten Wärmeleitelementen 40. Es handelt sich dabei lediglich um Prinzipdarstellungen. Die hier verwendeten Wärmeleitelemente 40 sind mit Vorteil hohl ausgebildet und werden von einem Medium, insbesondere einem Kühlmedium wie beispielsweise Luft, Wasser oder einer speziellen Kühlflüssigkeit, durchflossen. Die Pfeile auf den Wärmeleitelementen 40 geben die Strömungsrichtungen des Mediums an. Es versteht sich, dass die Wärmeleitelemente 40 in beliebigen Richtungen durchflossen werden können.
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10e zeigt insbesondere, wie mehrere Wärmeleitelemente 40 parallel zueinander in zwei Ebenen E angeordnet sein können. Auf Pfeile für die Strömungsrichtungen des Mediums wurde verzichtet, da die Wärmeleitelemente 40 in beliebigen Strömungsrichtungen durchflossen werden können.
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Bezugszeichenliste
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- 8
- Platte
- 10
- Wärmequelle
- 12
- Eisenkern
- 14
- Wicklung
- 40
- Wärmeleitelement
- 42
- Kanal
- 44
- Verbindungssystem
- 60
- Wärmeaufnehmer
- 61
- erster Werkstoff
- 62
- zweiter Werkstoff
- 64
- Isolationsschicht
- 71
- erster Teil
- 72
- zweiter Teil
- E
- Ebene
- LR
- Längsrichtung
- SR
- Stromrichtung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 19814896 A1 [0002]
- DE 102011013684 A1 [0002]