Titel

Umhülltes Bauteil und Verfahren zu seiner Herstellung

Die vorliegende Erfindung betrifft ein umhülltes Bauteil. Weiterhin betrifft sie ein Verfahren zur Herstellung des umhüllten Bauteils.

Stand der Technik

Bei Anwendungen in der Leistungselektronik und in elektrischen Maschinen, in denen Verlustwärme abgeführt werden muss, werden häufig wärmeleitfähige Umhüllmassen verwendet, um elektrisch leitfähige Elemente teilweise zu umhül len. In der Regel besitzen diese Umhüllmassen einen anderen Wärmeausdeh nungskoeffizienten als die zu umhüllenden und sich erwärmenden Elemente, die beispielsweise aus Kupfer bestehen können. Dies kann bei einer thermischen Zyklierung zu einer Ablösung der Umhüllmasse von den elektrisch leitfähigen Elementen oder zu Rissen führen, was die Abführung der Wärme deutlich ver schlechtert.

Offenbarung der Erfindung

Das umhüllte Bauteil weist ein wärmeleitfähiges Element und eine wärmeleitfä hige Umhüllmasse auf, die einen Innenbereich des Elements ausfüllt. Dabei wird unter einem Innenbereich ein Bereich verstanden, der zumindest teilweise von dem Element umschlossen wird. Es ist hingegen nicht erforderlich, dass das Ele ment den Innenbereich vollständig einschließt.

Vorzugsweise enthält die Umhüllmasse mindestens 25 Volumenprozent kerami sche Partikel bezogen auf 100 Volumenprozent der Umhüllmasse, um eine gute Wärmeleitfähigkeit der Umhüllmasse zu gewährleisten. Die keramischen Partikel sind insbesondere ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Aluminiumnitrid, Bornitrid, Aluminiumoxid, Siliziumnitrid und Gemischen daraus. Das Matrixmate rial der Umhüllmasse, in welches die Partikel eingebettet sind, kann beliebig ge wählt werden. Beispielsweise kann es sich um eine Zementmatrix oder um eine Polymermatrix handeln.

Das Element weist mehrere Öffnungen auf, die seinen Innenbereich mit einem Außenbereich des Elements verbinden. Dabei füllt die Umhüllmasse die Öffnun gen aus. Indem die Umhüllmasse die Struktur des Elements durchfließt und von allen Seiten umschließt oder zumindest in die Öffnungen eindringt, bleibt der Kontakt zwischen der Umhüllmasse und dem Element auch bei Thermozyklie- rung bestehen. Wärme kann dann von einer Wärmequelle über die Umhüllmasse zur Wärmeabfuhr an das Element weitergeleitet werden. Bei dem Element kann es sich beispielsweise um einen Spulentopf, einen Modulrahmen oder um eine Leistungsstromschiene handeln, wie sie in der Leistungselektronik verwendet werden. Besonders gut kann das umhüllte Bauteil auf der Grundlage eines Spu lentopfes gefertigt werden, da in diesen einfach eine Vielzahl von Öffnungen ein gebracht werden kann, ohne seine Funktion zu beeinträchtigen. Der Spulentopf kann auch als Spulenbecher verstanden werden. Hierbei ist im Rahmen der vor liegenden Erfindung unter dem Begriff Spulentopf eine topfförmige Spule bzw. unter dem Begriff Spulenbecher eine becherförmige Spule zu verstehen.

Die Wärmequelle ist vorzugsweise zumindest teilweise und besonders bevorzugt vollständig von dem Element umgeben. Weiterhin ist die Wärmequelle vorzugs weise vollständig von der Umhüllmasse umgeben. Beispielsweise kann es sich bei der Wärmequelle um einen gewickelten Magnetkern handeln. Dieser kann insbesondere in einem Bauteil in Form eines Spulentopfes angeordnet sein, wo bei der Spulentopf zum Wärmeaustausch mit dem Magnetkern mit der Umhüll masse gefüllt ist.

In einer Ausführungsform des Bauteils ist das Element als Drahtgeflecht ausge führt. Hierdurch weist es automatisch eine Vielzahl von Öffnungen auf, deren Größe durch die Dichte des Drahtgeflechts eingestellt werden kann. In einer anderen Ausführungsform des Bauteils sind die Öffnungen als Bohrun gen in einem Blech ausgeführt. Dieses Blech kann beispielsweise die Mantelflä che eines zylinderförmigen Spulentopfes bilden. Die Ausführung der Öffnungen als Bohrungen in einem Blech hat den Vorteil, dass die Öffnungen bedarfsge recht mit den unterschiedlichsten Geometrien ausgeführt werden können.

In einer Ausführungsform des umhüllten Bauteils ist die Umhüllmasse weiterhin in dem Außenbereich angeordnet. Die Umhüllmasse im Innenbereich und die Umhüllmasse im Außenbereich werden dann durch die Umhüllmasse in den Öff nungen miteinander verbunden. Hierdurch wird sie von beiden Seiten an das Ele ment herangedrückt, was die Bildung von Spalten und Rissen verhindert. Diese Ausführungsform des umhüllten Bauteils kann unabhängig von der Form der Öff nungen allein dadurch hergestellt werden, dass eine entsprechende Anordnung der Umhüllmasse erfolgt.

In einer anderen Ausführungsform des umhüllten Bauteils, in der die Öffnungen als Bohrungen in einem Blech ausgeführt sind, weisen sie an ihrem dem Außen bereich zugewandten Ende jeweils eine Senkung auf. Hierdurch wird die Umhüll masse so in dem Element verankert, dass sie sich auch dann nicht von diesem ablösen kann, wenn sie lediglich in den Öffnungen und im Innenbereich des Ele ments nicht jedoch im Außenbereich angeordnet ist.

In dem Verfahren zur Herstellung des umhüllten Bauteils wird zunächst ein wär meleitfähiges Element bereitgestellt, das mehrere Öffnungen aufweist. In diesem wird mindestens eine Wärmequelle angeordnet. Anschließend wird das Bauteil mit der Umhüllmasse in flüssiger Form befüllt, sodass diese in die Öffnungen ein- dringen kann. Nach Erhärten der Umhüllmasse, wird das umhüllte Bauteil erhal ten. Das Erhärten kann dabei je nach Zusammensetzung der Umhüllmasse in unterschiedlichen Prozessen folgen. Wird als Umhüllmasse eine Zementmasse verwendet, so kann diese beispielsweise durch hydraulisches Abbinden erhärten. Handelt es sich bei der Umhüllmasse hingegen um eine Polymermasse, so kann diese beispielsweise durch wärmeinduzierte oder fotoinduzierte Quervernetzung erhärten. Wenn ein umhülltes Bauteil hergestellt werden soll, in dem die Umhüllmasse nicht nur im Innenbereich und in den Öffnungen, sondern auch im Außenbereich des Elements angeordnet ist, so kann dies in einer Ausführungsform des Verfah rens realisiert werden, indem das Element in einer Form angeordnet wird und die Form anschließend so mit der Umhüllmasse gefüllt wird, dass diese den Außen bereich des Elements mit einer vorgebbaren Dicke bedeckt. Diese Dicke, um welche die Umhüllmasse über das Element hinaussteht, kann in Abhängigkeit unterschiedlicher Parameter vorgegeben werden wie insbesondere dem thermi schen Ausdehnungskoeffizienten der Umhüllmasse und des Elements, der Fes tigkeit und der Elastizität der Umhüllmasse und der Dicke des zu umhüllenden Elements. Falls es sich bei dem Element um ein Drahtgeflecht handelt, so ent spricht diese beispielsweise der Drahtdicke.

Wenn das Verfahren hingegen zur Herstellung eines umhüllten Bauteils verwen det werden soll, indem die Öffnungen an ihrem dem Außenbereich zugewandten Ende jeweils eine Senkung aufweisen, so ist in einer Ausführungsform des Ver fahrens vorgesehen, dass die Öffnungen im Außenbereich zunächst mittels einer Abdeckung abgedeckt werden. Bei dieser Abdeckung kann es sich insbesondere um ein Klebeband handeln. Die flüssige Umhüllmasse wird anschließend in den Innenbereich des Elements eingefüllt, sodass sie in die Öffnungen hineinfließen kann aufgrund der Abdeckung jedoch nicht aus diesen herausfließen kann. Nach Erhärten der Umhüllmasse im Innenbereich und in den Öffnungen, kann die Ab deckung dann wieder entfernt werden.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.

Figur 1 zeigt eine Querschnittsdarstellung eines wärmeleitfähigen Elements mit einer Umhüllmasse gemäß dem Stand der Technik.

Figur 2 zeigt einen Spulentopf, welcher in einem Ausführungsbeispiel des erfin dungsgemäßen Verfahrens mit einer Umhüllmasse umhüllt werden kann, um ein erfindungsgemäß umhülltes Bauteil zu erhalten. Figur 3 zeigt in einer Querschnittsdarstellung die Herstellung eines umhüllten Bauteils in einem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Figur 4 zeigt in einer Querschnittsdarstellung die Herstellung eines umhüllten Bauteils in einem anderen Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfah rens.

Figur 5 zeigt eine isometrische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines um hüllten Bauteils gemäß der Erfindung.

Ausführungsbeispiel der Erfindung

In Figur 1 ist ein herkömmliches Bauteil 10 für die Leistungselektronik hergestellt, welches ein wärmeleitfähiges Element 20 in Form eines Spulentopfes aufweist. Der Innenbereich des Elements 20 ist mit einer Umhüllmasse 30 befüllt, bei wel cher es sich vorliegend um eine Zementmasse auf Basis von Tonerdezement handelt, die 50 Volumenprozent Aluminiumoxidpartikel enthält. Es ist erkennbar, dass sich durch Thermozyklierung ein Spalt 40 zwischen der Umhüllmasse 30 und dem Element 20 gebildet hat. Eine zuverlässige Wärmeübertragung zwi schen einem gewickelten Magnetkern als Wärmequelle 50 über die Umhüll masse 30 auf das Element 20 ist damit nicht mehr gewährleistet.

Figur 2 zeigt ein wärmeleitfähiges Element 20 in Form eines Spulentopfes, der zur Herstellung eines umhüllten Bauteils 10 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung geeignet ist. Er hat die Form eines an einem Ende offenen Kreiszy linders. Seine Mantelfläche wird durch ein Kupferblech gebildet, in welchem Öff nungen 21 in Form von im Wesentlichen kreiszylinderförmigen Bohrungen gebil det sind.

Figur 3 zeigt, wie der im Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfah rens aus diesem Spulentopf ein umhülltes Bauteil 10 gemäß einem ersten Aus führungsbeispiel der Erfindung hergestellt werden kann. Nachdem die in Figur 3 nicht dargestellte Wärmequelle 50 im Spulentopf fixiert wurde, wird der Spulen- topf so in einer Form 60 aus Silikon platziert, dass seine Mantelfläche überall ei nen gleichen Abstand d von der Innenwand der Form 60 aufweist. Durch nicht dargestellte Abstandshalter wird gewährleistet, dass auch der Abstand des Bo dens des Spulentopfes vom Boden der Form 60 dem Abstand d entspricht. An schließend wird eine flüssige Zementmasse, welche der Zementmasse gemäß Figur 1 entspricht, in den Spulentopf eingefüllt. Sie fließt aus seinem Innenraum durch die Öffnungen 21 heraus und füllt damit auch den gesamten Außenbereich zwischen dem Spulentopf und der Form 60 aus. Nach Erhärten der Zement masse bildet diese eine Umhüllmasse 30, die den Innenbereich des Elements 20 ausfüllt und die Wärmequelle 50 thermisch mit dem Spulentopf verbindet. Sie umgibt den Spulentopf mit einer äußeren Schicht der Dicke d, die durch die Öff nungen 21 mit der Umhüllmasse 30 im Inneren des Spulentopfes verbunden ist. Dadurch wird die Umhüllmasse 30 innen und außen so am Spulentopf verankert, dass eine Ablösung oder Rissbildung bei Thermozyklierung ausgeschlossen ist.

Figur 4 zeigt die Herstellung eines umhüllten Bauteils 10 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung in einem zweiten Ausführungsbeispiel des er findungsgemäßen Verfahrens. Hierzu wird ein wärmeleitfähiges Element 20 in Form eines Spulentopfes verwendet, dessen Öffnungen 21 sich von den Öffnun gen 21 des Spulentopfes gemäß Figur 2 unterscheiden. Während die Öffnungen 21 im ersten Ausführungsbeispiel im Wesentlichen kreiszylinderförmige Bohrun gen sind, weisen die Öffnungen im zweiten Ausführungsbeispiel an ihrem dem Innenbereich des Elements 20 zugewandten Ende ebenfalls ein kreiszylinderför migen Teil auf, der an dem Außenbereich zugwandten Ende jedoch in eine Sen kung 22 übergeht. Dies bedeutet, dass sich der Querschnitt jeder Öffnung 21 im Bereich der Senkung 22 von innen nach außen hin vergrößert. Alle Öffnungen 21 sind von außen mittels einer Abdeckung 70 in Form von Klebebändern ver schlossen. Wie im ersten Ausführungsbeispiel, wird die flüssige Zementmasse in den Innenraum des Elements 20 eingefüllt. Sie läuft ebenfalls in die Öffnungen 21 hinein, kann jedoch aufgrund der Abdeckung 70 nicht aus diesen herauslau fen. Nach dem hydraulischen Abbinden und damit Erhärten der Zementmasse bildet diese eine Umhüllmasse 30 im Innenbereich und in den Öffnungen 21 des Elements 20. Die Abdeckung 70 kann nun entfernt werden. Auch in diesem Aus führungsbeispiel ist die Bildung von Spalten und Rissen durch Thermozyklierung ausgeschlossen, da die Umhüllmasse 30 in den Öffnungen 21 im Bereich der Senkungen 22 jeweils im Element 20 verankert ist.

Ein drittes Ausführungsbeispiel eines umhüllten Bauteils 10 gemäß der Erfindung ist in Figur 5 dargestellt. In diesem ist das Element 20 als Spulentopf in Form ei nes Drahtgeflechts ausgeführt, der vorliegend aus Kupferdraht besteht. Die Ma schen des Drahtgeflechtes bilden hierbei Öffnungen 21 im Element 20. Ein Spu lenkern als Wärmequelle 50 ist im Element 20 angeordnet und dieses ist innen und außen mit einer Umhüllmasse 30 umgossen, die sich durch die Öffnungen 21 hindurch erstreckt. Die Herstellung dieses Ausführungsbeispiels des umhüll ten Bauteils 10 kann analog der Herstellungsweise im ersten Ausführungsbei spiel in einer Form erfolgen.