DE4222172A1 - Electrically insulating heat coupling for capacitors - made of metal foil and plastic film contacting capacitor body and cooler - Google Patents
Electrically insulating heat coupling for capacitors - made of metal foil and plastic film contacting capacitor body and coolerInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine elektrisch isolierende Wärme kopplung für zwangsgekühlte elektrische Kondensatoren, insbesondere Aluminium-Elektrolytkondensatoren, die zwi schen einem metallischen Kondensatorgehäuse und einem Kühlkörper angeordnet ist.The invention relates to an electrically insulating heat coupling for forced-cooled electrical capacitors, especially aluminum electrolytic capacitors, the zwi a metallic capacitor housing and a Heat sink is arranged.
Bei Wechselstrombelastung von Kondensatoren, insbesondere Aluminium-Elektrolytkondensatoren entsteht Wärme, die abgeleitet werden muß, um den Kondensator nicht zu schädigen.When AC capacitors, in particular Aluminum electrolytic capacitors generate heat that must be derived to avoid the capacitor damage.
Bei Zwangskühlung erfolgt dies vorzugsweise durch eine direkte Montage auf ein Kühlblech (z. B. Zapfenmontage). Da bei Elektrolytkondensatoren im allgemeinen die Katode nicht gegen das metallische Gehäuse isoliert ist, müssen Kondensatorgehäuse und Kühlblech elektrisch gegeneinander isoliert werden.In the case of forced cooling, this is preferably done by a direct mounting on a cooling plate (e.g. pin mounting). Since in the case of electrolytic capacitors in general the cathode is not insulated against the metallic housing Condenser housing and heat sink electrically against each other be isolated.
Es ist bekannt, bei der Zapfenmontage Isolierscheiben ein zusetzen, die zwischen dem metallischen Kondensatorgehäuse und dem Kühlkörper angeordnet werden. Derartige Isolier scheiben sind beispielsweise aus dem "Siemens-Datenbuch 1989/90, Aluminium- und Tantal-Elektrolyt-Kondensatoren", Seiten 260 bis 262 bekannt.It is known to use insulating washers in the peg assembly clog that between the metallic capacitor housing and the heat sink are arranged. Such insulation disks are, for example, from the "Siemens data book 1989/90, aluminum and tantalum electrolytic capacitors ", Pages 260 to 262 known.
Diese mindestens 1,5 mm dicken Kunststoffscheiben bilden jedoch einen hohen thermischen Widerstand, wobei zusätz lich ins Gewicht fällt, daß der Boden des Kondensatorge häuses im allgemeinen nicht plan ist, so daß zusätzliche Wärmeübergangswiderstände resultieren. Form these at least 1.5 mm thick plastic discs however, a high thermal resistance, with additional Lich weight that the bottom of the capacitor house is generally not plan, so additional Heat transfer resistances result.
Aus der EP 0 476 164 A1 ist eine Isolierscheibe mit guter Wärmekopplung für zwangsgekühlte Kondensatoren bekannt, die die vorstehend aufgezeigten Schwierigkeiten behebt. Insbesondere kann eine mangelhafte Planheit des Gehäuse bodens durch die bekannte Isolierscheibe ausgeglichen werden. Diese besteht aus mindestens zwei an den Rändern zusammengeschweißten Folien, zwischen denen eine thermisch leitfähige Masse angeordnet ist, wobei mindestens eine der Folien eine Isolationsfolie ist. Der Herstellungsaufwand der bekannten Isolierscheibe ist allerdings hoch, so daß das Bauteil relativ teuer ist.From EP 0 476 164 A1 an insulating washer with good Heat coupling for positively cooled capacitors known that overcomes the difficulties outlined above. In particular, a poor flatness of the housing balanced by the well-known insulating washer become. This consists of at least two on the edges welded foils, between which a thermal conductive mass is arranged, at least one of the Foil is an insulation foil. The manufacturing effort the known insulating washer is high, so that the component is relatively expensive.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine elektrisch isolierende Wärmekopplung mit guter thermischer Leitfähigkeit anzu geben, die wie die bekannte Isolierscheibe im Stande ist, Unebenheiten im Boden des Kondensatorgehäuses auszuglei chen, und die preisgünstig herzustellen ist.The object of the invention is an electrically insulating Heat coupling with good thermal conductivity which, like the well-known insulating washer, is capable of Compensate for unevenness in the bottom of the capacitor housing chen, and which is inexpensive to manufacture.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die eingangs genannte Wärmekopplung aus zwei Metallfolien und zumindest einer zwischen den Metallfolien angeordneten Iso lationsfolie besteht, und daß sie einen im wesentlichen kammartigen Aufbau besitzt, derart, daß die Stirnseiten der einen Metallfolie in Kontakt mit dem Kondensatorgehäu se und die Stirnseiten der anderen Metallfolie in Kontakt mit dem Kühlkörper stehen.This object is achieved in that the heat coupling made of two metal foils and at least one Iso arranged between the metal foils lation film exists, and that they are essentially has comb-like structure, such that the end faces the one metal foil in contact with the capacitor housing se and the end faces of the other metal foil in contact stand with the heat sink.
Die Wärmekopplung kann aus jeweils zwei miteinander ver wickelten Metall- und Isolationsfolien bestehen, wobei die Metallfolien versetzt gegeneinander angeordnet sind, so daß jeweils eine ihrer Stirnseiten über die Isolationsfo lien übersteht.The heat coupling can consist of two ver wrapped metal and insulation foils exist, the Metal foils are staggered, so that one of their end faces over the Isolationsfo lien survived.
Ferner kann die Wärmekopplung aus zwei Metallfolien und einer Isolationsfolie bestehen, die mäanderartig gefaltet sind, so daß Stirnflächen entstehen, die auf unterschied lichen Seiten durch jeweils eine der Metallfolien gebildet sind. Hierbei ist es zweckmäßig, daß die Isolationsfolie breiter als die Metallfolien ist.Furthermore, the heat coupling from two metal foils and an insulation film, which folded like a meander are, so that end faces arise that differ on Lichen sides formed by one of the metal foils are. It is expedient that the insulation film is wider than the metal foils.
Die Metallfolien bestehen vorteilhaft aus Aluminium oder Kupfer, während die Isolationsfolien aus Polypropylen bestehen.The metal foils are advantageously made of aluminum or Copper, while the insulation films made of polypropylene consist.
Der Gegenstand der Erfindung wird anhand der folgenden Ausführungsbeispiele erläutert.The object of the invention will become apparent from the following Exemplary embodiments explained.
In der dazugehörenden Zeichnung zeigen:The accompanying drawing shows:
Fig. 1 den prinzipiellen Aufbau einer Wärmekopplung, Fig. 1 shows the basic construction of a heat and power,
Fig. 2 eine gewickelte Wärmekopplung und Fig. 2 is a wound heat coupling and
Fig. 3 eine gefaltete Wärmekopplung. Fig. 3 shows a folded heat coupling.
In der Fig. 1 ist im Prinzip eine Wärmekopplung 1 darge stellt, die zwischen einem Wärmestrom W und einer Wärme senke S angeordnet ist. Die Wärmekopplung 1 besteht aus einem ersten thermischen Leiter 2 und einem zweiten ther mischen Leiter 3 zwischen denen ein elektrischer Isolator 4 angeordnet ist. Durch den "kammartigen" Aufbau der Wärme kopplung findet eine Vergrößerung des für den Wärmestrom wirksamen Querschnitts statt, so daß der thermische Wider stand verringert wird. Dies wird dadurch erreicht, daß durch die zum elektrischen Isolator vergrößerte Oberfläche der thermischen "Pole" der thermische Widerstand der Wär mekopplung 1 verringert wird, ohne die Spannungsfestigkeit zu verschlechtern.In Fig. 1 in principle a thermal coupling 1 is Darge is disposed between a heat flow W and a heat sink S is arranged. The heat coupling 1 consists of a first thermal conductor 2 and a second thermal conductor 3 between which an electrical insulator 4 is arranged. Due to the "comb-like" structure of the heat coupling there is an increase in the effective cross-section for the heat flow, so that the thermal resistance was reduced. This is achieved in that the thermal resistance of the heat coupling 1 is reduced by the enlarged surface of the electrical "insulator" of the thermal "poles" without deteriorating the dielectric strength.
In der Fig. 2 ist eine Wärmekopplung 5 dargestellt, die da durch erhalten wird, daß jeweils zwei Metallfolien 6, 7 mit zwei Isolationsfolien 8, 9 so um einen in der Figur nicht dargestellten Dorn gewickelt werden, daß jeweils eine Metallfolie 6 bzw. 7 zu einer Stirnfläche 10 bzw. 11 weist. An der Stirnfläche 10 befindet sich der Boden des Kondensatorgehäuses und an der Stirnfläche 11 der Kühl körper. Durch die Isolationsfolien 8, 9 werden die zwei Metallfolien 6, 7 elektrisch zueinander isoliert.In FIG. 2, a thermal coupling 5 is shown, which is as obtained by that two metal foils 6, 7 with two insulating foils 8, 9 are wound around a not shown in the figure mandrel, that a respective metal foil 6 and 7 faces an end face 10 or 11 . On the end face 10 is the bottom of the capacitor housing and on the end face 11 of the cooling body. The two metal foils 6 , 7 are electrically insulated from one another by the insulation foils 8 , 9 .
In der Grundausführung wird dieser scheibenförmige Wickel 5 zwischen den Kondensatorboden und den Kühlkörper ge spannt. Die überstehenden Metallfolien 6, 7 werden hierbei etwas zusammengedrückt und können sich der Oberflächengeo metrie des Kondensatorbodens und des Kühlkörpers anpassen. Um den Kriechstrom zu minimieren, können die Hohlräume mit einem elektrischen Isolator vergossen werden.In the basic version, this disk-shaped winding 5 is stretched between the capacitor bottom and the heat sink. The protruding metal foils 6 , 7 are pressed together somewhat and can adapt to the surface geometry of the capacitor base and the heat sink. To minimize leakage current, the cavities can be potted with an electrical insulator.
Der minimale thermische Widerstand wird erreicht, wenn die Isolationsfolie die gleiche Dicke (di) wie die Metallfolie (dm) besitzt und folgende Beziehung gilt:The minimum thermal resistance is achieved if the insulation foil has the same thickness (d i ) as the metal foil (d m ) and the following relationship applies:
(bi/di)2 = λm/λi,(b i / d i ) 2 = λ m / λ i ,
wobei bi die wirksame Breite der Isolationsfolie, λm die Wärmeleitzahl für das Metall der Metallfolie und λi die Wärmeleitzahl für die Isolationsfolie bedeutet. Für die Kombination von Metallfolien aus Aluminium bzw. Kupfer und Isolationsfolien aus Polypropylen ergibt die oben angeführ te Gleichung den numerischen Wert von ca. 1000.where b i is the effective width of the insulation film, λ m is the coefficient of thermal conductivity for the metal of the metal foil and λ i is the coefficient of thermal conductivity for the insulation film. For the combination of metal foils made of aluminum or copper and insulation foils made of polypropylene, the equation given above gives the numerical value of approx. 1000.
In der Fig. 3 ist eine Wärmekopplung 12 dargestellt, die dadurch erhalten wurde, daß zwei Metallfolien 13, 14 und eine dazwischen angeordnete Isolationsfolie 15 mäanderar tig gefaltet sind. Hierdurch wird erreicht, daß die Metall folie 13 an der Stirnfläche 16 anliegt, die durch den Kon densatorboden gebildet wird, während die Metallfolie 14 an der durch den Kühlkörper gebildeten Stirnfläche 17 an liegt. In Fig. 3, a heat coupling 12 is shown, which was obtained in that two metal foils 13 , 14 and an intermediate insulating film 15 are folded meandering term. This ensures that the metal foil 13 rests on the end face 16 , which is formed by the capacitor bottom Kon, while the metal foil 14 lies on the end face 17 formed by the heat sink.
Bei der Wärmekopplung 12 ist es zweckmäßig, wenn die Iso lationsfolie 15 breiter als die Metallfolien 13, 14 ist, damit unerwünschte Kurzschlüsse zwischen den Metallfolien 13, 14 vermieden werden.In the heat coupling 12 , it is advantageous if the insulation film 15 is wider than the metal foils 13 , 14 , so that undesired short circuits between the metal foils 13 , 14 are avoided.
Die Wärmekopplung nach dem in Fig. 3 dargestellten Ausfüh rungsbeispiel besitzt gegenüber dem in der Fig. 2 darge stellten Ausführungsbeispiel den Vorteil, daß keine Kriech ströme fließen können und daß die Wärmekopplung 15 in einer Richtung biegsam ist, also auch zum Kühlen zylind rischer Körper ( Wandungen des Kondensatorgehäuses) geeig net ist.The heat coupling according to the embodiment shown in FIG. 3 has the advantage over the embodiment shown in FIG. 2 Darge that no leakage currents can flow and that the heat coupling 15 is flexible in one direction, so also for cooling cylindrical body ( Walls of the capacitor housing) is net.
Es wurden an unterschiedlichen Wärmekopplungen das Tempe raturgefälle bei einem Wärmestrom von 1 W /cm2 gemessen, wobei das Temperaturgefälle ein Maß für den thermischen Widerstand ist. Hohe Temperaturunterschiede bedeuten dabei einen hohen thermischen Widerstand, wogegen geringe Tempe raturunterschiede auf einen geringen thermischen Wider stand hinweisen.The temperature gradient at a heat flow of 1 W / cm 2 was measured at different heat couplings, the temperature gradient being a measure of the thermal resistance. High temperature differences mean high thermal resistance, whereas small temperature differences indicate low thermal resistance.
Die aus dem Stand der Technik bekannte Polypropylen-Iso lierscheibe mit einer Dicke von 0,2 mm (Spannungsfestig keit 14 kV) besitzt ein Temperaturgefälle von 5,0 K. Eine handelsübliche Wärmeleitfolie von 0,3 mm Dicke (Spannungs festigkeit 4 kV) besaß ein Temperaturgefälle von 2,5 K wogegen eine Wärmekopplung nach der Erfindung von 6 mm Dicke (Spannungsfestigkeit 14 kV) ein Temperaturgefälle von nur 1,1 K aufwies.The polypropylene iso known from the prior art washer with a thickness of 0.2 mm (dielectric strength 14 kV) has a temperature gradient of 5.0 K. A commercially available heat-conducting foil with a thickness of 0.3 mm (voltage strength 4 kV) had a temperature gradient of 2.5 K. whereas a heat coupling according to the invention of 6 mm Thickness (dielectric strength 14 kV) a temperature gradient of only 1.1 K.
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