DE102014105269A1

DE102014105269A1 - Vorrichtung zur Kühlung einer Leistungselektronik mittels eines Kühlmediums und Verfahren zur Herstellung der Vorrichtung

Info

Publication number: DE102014105269A1
Application number: DE102014105269.2A
Authority: DE
Inventors: Frank Ströwer
Original assignee: Hella KGaA Huek and Co
Current assignee: Hella GmbH and Co KGaA
Priority date: 2014-04-14
Filing date: 2014-04-14
Publication date: 2015-10-15
Also published as: CN105108335A; US20150296660A1; CN105108335B

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (1) zur Kühlung einer Leistungselektronik (2) mittels eines Kühlmediums, wobei die Leistungselektronik (2) in einem Gehäuse (3) angeordnet ist und Verfahren zur Herstellung der Vorrichtung (1).

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Kühlung einer Leistungselektronik mittels eines Kühlmediums und Verfahren zur Herstellung der Vorrichtung.
Aus dem Stand der Technik sind Wasserkühlungen für Leistungselektroniken bekannt. Für die Wasserkühlungen werden Gehäuse aus Druckguss gefertigt, deren Herstellung relativ teuer ist. Bei der Verwendung von Druckgussgehäusen treten relativ hohe Verlustleistungen auf. Ferner sind Gehäuse aus Blech bekannt, die kompliziert gelötet werden müssen, um ein dichtes Gehäuse zu erhalten.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Nachteile aus dem Stand der Technik zu überwinden und eine Vorrichtung zur Kühlung einer Leistungselektronik zu schaffen, die kostengünstig herstellbar ist und ein Verfahren zur Herstellung der Vorrichtung zu schaffen, um die Vorrichtung auf einfache Weise herzustellen.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist gemäß Patentanspruchs 1 eine Vorrichtung zur Kühlung einer Leistungselektronik mittels eines Kühlmediums vorgesehen, wobei die Leistungselektronik in einem Gehäuse angeordnet ist und wobei die Vorrichtung einen Gehäuseaufsatz aufweist, der so am Gehäuse angeordnet ist, dass der Gehäuseaufsatz mit dem Gehäuse einen Raum zur Aufnahme des Kühlmediums ausbildet, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse wenigstens ein Gehäuseunterteil und ein Gehäuseoberteil aufweist, wobei beide Gehäuseteile eingerichtet sind, mittels eines Laserschweißverfahrens miteinander verbunden sind, wobei der Gehäuseaufsatz und das Gehäuse eingerichtet sind, mittels eines Laserschweißverfahrens miteinander verbunden sind und wobei das Gehäuse und der Gehäuseaufsatz als Material Aluminium aufweisen.
Der besondere Vorteil der Erfindung besteht darin, dass durch ein Vorsehen des Gehäuseaufsatzes, der direkt am Gehäuse angeordnet ist, Verlustleistungen durch eine erzwungene Konvektion mittles des Kühlmediums abführbar sind.
Da das Gehäuse das Gehäuseunterteil und das Gehäuseoberteil aufweist, lässt sich das Gehäuse einfach zusammenbauen.
Die Verwendung von Aluminium hat den Vorteil, dass die Vorrichtung ein geringes Gewicht aufweist. Ferner lassen sich mittels des Laserschweißverfahrens die Komponenten Gehäuseunterteil und Gehäuseoberteil sowie Gehäuseoberteil und Gehäuseaufsatz miteinander verbinden. Ferner weist Aluminium eine hohe Korrosionsbeständigkeit auf.
Vorzugsweise bezeichnet die Leistungselektronik ein Teilgebiet der Elektrotechnik, welches die Umformung elektrische Energie mit elektronischen Bauelementen zur Aufgabe hat. Typische Anwendungen sind Umrichter oder Frequenzumrichter im Bereich der elektrischen Antriebstechnik.
Bevorzugt ist die Leistungselektronik eine Kfz-Leistungselektronik.
Besonders bevorzugt wird die Leistungselektronik für DC/DC Wandler (= Gleichspannungswandler) zur Versorgung eines Bordnetzes aus einer Batterie verwendet.
Vorzugsweise ist das Kühlmedium Wasser, Luft, Alkohole, Öle oder eine Mischung hiervon.
Bevorzugt ist das Kühlmedium ein Kältemittel. Besonders bevorzugt erfolgt die Kühlung mittels eines Wasser/Glykol-Gemisches.
Bevorzugt ist der Raum als Kühlmediumbehältnis ausgestaltet.
Besonders bevorzugt ist der Gehäuseaufsatz mit dem Gehäuseoberteil und/oder mit dem Gehäuseunterteil verbindbar.
Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Unteransprüchen.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung bestehen das Gehäuse und der Gehäuseaufsatz aus einer Aluminiumlegierung oder aus 99,5 % Aluminium.
Damit lassen sich das Gehäuseunterteil, das Gehäuseoberteil sowie der Gehäuseaufsatz zügig mit dem Laserschweißverfahren verbinden.
Bevorzugt bestehen das Gehäuse und der Gehäuseaufsatz aus einer Messinglegierung oder aus Messing.
Bevorzugt ist das Gehäuse wasser- und luftdicht ausgebildet.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung sind das Gehäuseunterteil und das Gehäuseoberteil tiefgezogen, gestanzt oder tiefgepresst.
Auf diese Weise stehen einfache Umformungsverfahren zur Herstellung des Gehäuseunterteils und des Gehäuseoberteils zur Verfügung.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung weisen das Gehäuseunterteil eine Krempe und das Gehäuseoberteil eine Krempe auf, wobei eine Verbindung beider Gehäuseteile über die Krempen erfolgt.
Die beiden Gehäuseteile sind mittels des Laserschweißverfahrens über die Krempen miteinander verbindbar.
Vorzugsweise ist jede Krempe als Kante oder Falz ausgebildet.
Beim Laserschweißen schmilzt eine der Krempen derart, dass eine feste Verbindung zwischen dem Gehäuseunterteil und dem Gehäuseoberteil entsteht.
Somit ist eine feste Verbindung des Gehäuseunterteils mit dem Gehäuseoberteil erzielbar.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist der Gehäuseaufsatz tiefgezogen, gestanzt oder tiefgepresst.
Auf diese Weise steht ein einfaches Umformungsverfahren zur Herstellung des Gehäuseaufsatzes zur Verfügung.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung weist der Gehäuseaufsatz eine Krempe auf, wobei der Gehäuseaufsatz mittels der Krempe am Gehäuse anbringbar ist.
Vorzugsweise ist die Krempe als Kante oder Falz ausgebildet.
Beim Laserschweißen schmilzt die Krempe derart, dass eine feste Verbindung mit dem Gehäuse entsteht.
Somit ist eine feste Verbindung des Gehäuseaufsatzes mit dem Gehäuse erzielbar.
Bevorzugt bildet der Gehäuseaufsatz mit dem Gehäuse ein weiteres Gehäuse aus, das den Raum zur Aufnahme des Kühlmediums umgibt.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung weist der Gehäuseaufsatz mindestens einen Einlass und mindestens einen Auslass für das Kühlmedium auf.
Auf diese Weise kann das Kühlmedium vom Einlass über den Raum, der vom ersten Gehäuse und dem Gehäuseaufsatz ausgebildet wird, zum Auslass strömen und Wärme abtransportieren.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung sind der Einlass und der Auslass mittels eines Laserschweißverfahrens an Ausnehmungen am Gehäuseaufsatz anbringbar.
Auf diese Weise ist eine einfach ausführbare Verbindung herstellbar.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist gemäß Patentanspruchs 9 ein Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung zur Kühlung einer Leistungselektronik vorgesehen, umfassend die folgenden Schritte:

– Verbinden eines Gehäuseunterteils mit einem Gehäuseoberteil zu einem Gehäuse mittels eines Laserschweißverfahrens, wobei die Leistungselektronik im Gehäuse angeordnet ist und
– Verbinden des Gehäuses mit einem Gehäuseaufsatz mittels eines Laserschweißverfahrens, wobei der Gehäuseaufsatz mit dem Gehäuse einen Raum zur Aufnahme eines Kühlmediums ausbildet und wobei das Gehäuse und der Gehäuseaufsatz als Material Aluminium aufweisen.

Bevorzugt wird das Gehäuseoberteil des Gehäuses mit dem Gehäuseaufsatz verbunden.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist gemäß Patentanspruchs 10 ferner ein Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung zur Kühlung einer Leistungselektronik vorgesehen, umfassend die folgenden Schritte:

– Verbinden eines Gehäuseoberteils mit einem Gehäuseaufsatz mittels eines Laserschweißverfahrens, wobei der Gehäuseaufsatz mit dem Gehäuseoberteil einen Raum zur Aufnahme eines Kühlmediums ausbildet und
– Verbinden eines Gehäuseunterteils mit dem Gehäuseoberteil zu einem Gehäuse mittels eines Laserschweißverfahrens, wobei die Leistungselektronik im Gehäuse angeordnet ist und wobei das Gehäuse und der Gehäuseaufsatz als Material Aluminium aufweisen.

Vorzugsweise ist der Raum zur Aufnahme des Kühlmediums außerhalb des Gehäuses angeordnet. Bevorzugt bildet der Gehäuseaufsatz mit dem Gehäuse ein weiteres Gehäuse aus, das den Raum zur Aufnahme des Kühlmediums umgibt.
Vorzugsweise sind wenigstens ein Einlass und ein Auslass in Ausnehmungen am Gehäuseaufsatz vorgesehen, um das Kühlmedium in und aus dem Raum zu fördern.
Bevorzugt sind der Einlass und der Auslass als Stutzen ausgebildet.
Besonders bevorzugt erfolgt ein Befestigen des Einlasses und des Auslasses mittels eines Laserschweißverfahrens.
Bevorzugt weist die Krempe des Gehäuseoberteils und die Krempe des Gehäuseaufsatzes einen Biegewinkel auf, der größer als 90° ist, der besonders bevorzugt 92° ist. Damit hängen die Krempen nicht in der Luft.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung erfolgt das Laserschweißen mit einer Geschwindigkeit von 10 bis 30 m/min.
Auf diese Weise ist ein Verbinden sämtlicher Bauteile der Vorrichtung zügig zu bewerkstelligen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:
1 eine schematische Perspektivansicht auf die erfindungsgemäße Vorrichtung und
2 eine schematische Detailansicht eines Schnitts A-A durch die erfindungsgemäße Vorrichtung aus 1.
1 zeigt eine schematische perspektivische Ansicht auf die erfindungsgemäße Vorrichtung.
Die Vorrichtung ist eine Vorrichtung 1 zur Kühlung einer Leistungselektronik 2 mittels eines Kühlmediums. Die Leistungselektronik 2 ist in einem Gehäuse 3 der Vorrichtung angeordnet (siehe 2).
Die Vorrichtung 1 weist einen Gehäuseaufsatz 6 auf, der direkt am Gehäuse 3 angeordnet ist. Der Gehäuseaufsatz 6 bildet mit dem Gehäuse 3 einen Raum 7 (siehe 2) zur Aufnahme des Kühlmediums aus.
Der Gehäuseaufsatz 6 weist mindestens einen Einlass 8 und mindestens einen Auslass 9 für das Kühlmedium auf. Der Einlass 8 und der Auslass 9 sind als Stutzen ausgebildet.
Ein Pfeil 14 stellt die Fließrichtung des Kühlmediums in den Einlass 8 dar. Ein Pfeil 16 stellt die Fließrichtung des Kühlmediums aus dem Auslass 9 dar.
Sowohl das Gehäuse 3 als auch der Gehäuseaufsatz 6 bestehen aus 99,5 % Aluminium oder einer Al-Legierung. Das Gehäuse 3 und der Gehäuseaufsatz 6 sind mittels eines Laserschweißverfahrens miteinander verbunden.
Ferner weist das Gehäuse 3 noch mehrere Anschlussverbindungen 13 zur Stromversorgung der Leistungselektronik 2 auf.
2 zeigt eine schematische Detailansicht eines Schnitts A-A durch die erfindungsgemäße Vorrichtung aus 1.
Die Leistungselektronik 2 ist in dem Gehäuse 3 der Vorrichtung 1 angeordnet.
Die Vorrichtung 1 weist, wie oben beschrieben, den Gehäuseaufsatz 6 auf. Der Gehäuseaufsatz 6 ist direkt an dem Gehäuse 3 angeordnet. Der Gehäuseaufsatz 6 bildet mit dem Gehäuse 3 einen Raum 7 zur Aufnahme des Kühlmediums aus. Der Raum 7 ist als Flüssigkeitsbehältnis ausgebildet.
Der Raum 7 befindet sich zwischen dem Gehäuseaufsatz 6 und einem Gehäuseoberteil 5 des Gehäuses 3. Ein Pfeil 15 stellt die Fließrichtung des Kühlmediums im Raum 7 dar. Das Kühlmedium durchströmt den Raum 7 gemäß dem Pfeil 14, 15 sowie 16 (gemäß 1).
Das Kühlmedium nimmt über das Gehäuseoberteil 5 abgegebene Wärme auf, so dass sich durch ein erzwungen Konvektion ein Kühleffekt im Gehäuse 3, wo die Leistungselektronik 2 angeordnet ist, ergibt.
Das Gehäuse 3 weist ein Gehäuseunterteil 4 und das Gehäuseoberteil 5 auf.
Das Gehäuseunterteil 4 und das Gehäuseoberteil 5 wurden mittels eines Tiefziehverfahrens tiefgezogen. Das Gehäuseoberteil 5 weist an seinem Randbereich eine durchgängige Krempe 10 auf. Das Gehäuseunterteil weist eine Krempe 11 auf. Dabei weist die Krempe 10 des Gehäuseoberteils 5 einen Biegewinkel 20 auf, der etwa 92° beträgt.
Das Gehäuseunterteil 4 und das Gehäuseoberteil 5 sind mittels eines Laserschweißverfahrens über die Krempen 10, 11 miteinander verbunden (Laserschweißbereich 17).
Der Gehäuseaufsatz 6 wurde ebenfalls mittels eines Tiefziehverfahrens tiefgezogen. Der Gehäuseaufsatz 6 weist eine Krempe 12 auf. Dabei weist die Krempe 12 des Gehäuseaufsatzes 6 einen Biegewinkel 21 auf, der etwa 92° beträgt.
Das Gehäuseoberteil 5 des Gehäuses 3 und der Gehäuseaufsatz 6 sind mittels eines Laserschweißverfahrens miteinander verbunden (Laserschweißbereich 18). Die Verbindung erfolgt über die Krempe 12.
Der Einlass 8 wird ebenfalls mittels eines Laserschweißverfahrens am Gehäuseaufsatz 6 angebracht (Laserschweißbereich 19).
Ein Verfahren zur Herstellung der Vorrichtung 1 zur Kühlung der Leistungselektronik 2 mittels eines Kühlmediums, lässt sich wie folgt zusammenfassen:
Zunächst erfolgt ein Verbinden des Gehäuseunterteils 4 mit dem Gehäuseoberteil 5 zu dem Gehäuse 3 mittels eines Laserschweißverfahrens, wobei die Leistungselektronik 2 zuvor im Gehäuse 3 untergebracht wurde.
Danach erfolgt ein Verbinden des Gehäuses 3 mit dem Gehäuseaufsatz 6, wobei der Gehäuseaufsatz 6 mit dem Gehäuse 3 den Raum 7 zur Aufnahme des Kühlmediums ausbilden und wobei der Gehäuseaufsatz 6 den Einlasse 8 und den Auslass 9 aufweist, um das Kühlmedium in und aus dem Raum 7 zu fördern. Dabei sind der Einlass (Stutzen) 8 und der Auslass (Stutzen) 9 mittels des Laserschweißverfahrens am Gehäuseaufsatz 6 angebracht.
Alternativ kann zunächst ein Verbinden des Gehäuseoberteils 5 mit dem Gehäuseaufsatz 6 mittels eines Laserschweißverfahrens erfolgen, wobei der Gehäuseaufsatz 6 mit dem Gehäuseoberteil 5 den Raum 7 zur Aufnahme des Kühlmediums ausbildet.
Dies hat den Vorteil, dass das aus dem Gehäuseaufsatz 6 und dem Gehäuseoberteil 5 hergstellte Bauteil (= Gehäuse) mit dem Raum 7 dann einer Druckprüfung unterzogen werden kann, um die Dichtheit des hergstellten Bauteils festzustellen.
Danach erfolgt ein Verbinden des Gehäuseunterteils 4 mit dem Gehäuseoberteil 5 zu einem Gehäuse 3 mittels eines Laserschweißverfahrens, wobei die Leistungselektronik 2 im Gehäuse 3 angeordnet ist. Der Raum 7 befindet sich dabei außerhalb des Gehäuses 3.
Mittels des Laserschweißverfahrens lassen sich die Komponenten Gehäuseunterteil und Gehäuseoberteil sowie Gehäuseoberteil und Gehäuseaufsatz, die aus 99,5 % Aluminium oder einer Al-Legierung bestehen, miteinander auf einfache Weise verbinden.
Bezugszeichenliste

1: Vorrichtung
2: Leistungselektronik
3: Gehäuse
4: Gehäuseunterteil
5: Gehäuseoberteil
6: Raum
7: Gehäuseaufsatz
8: Einlass (Stutzen)
9: Auslass (Stutzen)
10: Krempe
11: Krempe
12: Krempe
13: Anschlussverbindung
14: Pfeil
15: Pfeil
16: Pfeil
17: Laserschweißbereich
18: Laserschweißbereich
19: Laserschweißbereich
20: Biegewinkel
21: Biegewinkel

Claims

Vorrichtung (1) zur Kühlung einer Leistungselektronik (2) mittels eines Kühlmediums, wobei die Leistungselektronik (2) in einem Gehäuse (3) angeordnet ist und wobei die Vorrichtung (1) einen Gehäuseaufsatz (6) aufweist, der so am Gehäuse (3) angeordnet ist, dass der Gehäuseaufsatz (6) mit dem Gehäuse (3) einen Raum (7) zur Aufnahme des Kühlmediums ausbildet, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (3) wenigstens ein Gehäuseunterteil (4) und ein Gehäuseoberteil (5) aufweist, wobei beide Gehäuseteile (4, 5) eingerichtet sind, mittels eines Laserschweißverfahrens miteinander verbunden sind, wobei der Gehäuseaufsatz (6) und das Gehäuse (3) eingerichtet sind, mittels eines Laserschweißverfahrens miteinander verbunden sind und wobei das Gehäuse (3) und der Gehäuseaufsatz (6) als Material Aluminium aufweisen.
Vorrichtung (1) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (3) und der Gehäuseaufsatz (6) aus einer Aluminiumlegierung oder aus 99,5 % Aluminium bestehen.
Vorrichtung (1) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuseunterteil (4) und das Gehäuseoberteil (5) tiefgezogen, gestanzt oder tiefgepresst sind.
Vorrichtung (1) gemäß Anspruch einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Gehäuseunterteil (4) eine Krempe (10) und das Gehäuseoberteil (5) eine Krempe (11) aufweisen, wobei eine Verbindung beider Gehäuseteile (4, 5) über die Krempen (10, 11) erfolgt.
Vorrichtung (1) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Gehäuseaufsatz (6) tiefgezogen, gestanzt oder tiefgepresst ist.
Vorrichtung (1) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Gehäuseaufsatz (6) eine Krempe (12) aufweist, wobei der Gehäuseaufsatz (6) mittels der Krempe (12) am Gehäuse (3) anbringbar ist.
Vorrichtung (1) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das der Gehäuseaufsatz (6) mindestens einen Einlass (8) und mindestens einen Auslass (9) für das Kühlmedium aufweist.
Vorrichtung (1) gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Einlass (8) und der Auslass (9) mittels eines Laserschweißverfahrens an Ausnehmungen am Gehäuseaufsatz (6) anbringbar sind.
Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung (1) zur Kühlung einer Leistungselektronik (2), umfassend die folgenden Schritte: – Verbinden eines Gehäuseunterteils (4) mit einem Gehäuseoberteil (5) zu einem Gehäuse (3) mittels eines Laserschweißverfahrens, wobei die Leistungselektronik (2) im Gehäuse (3) angeordnet ist und – Verbinden des Gehäuses (3) mit einem Gehäuseaufsatz (6) mittels eines Laserschweißverfahrens, wobei der Gehäuseaufsatz (6) mit dem Gehäuse (3) einen Raum (7) zur Aufnahme eines Kühlmediums ausbildet und wobei das Gehäuse (3) und der Gehäuseaufsatz (6) als Material Aluminium aufweisen.
Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung (1) zur Kühlung einer Leistungselektronik (2), umfassend die folgenden Schritte: – Verbinden eines Gehäuseoberteils (5) mit einem Gehäuseaufsatz (6) mittels eines Laserschweißverfahrens, wobei der Gehäuseaufsatz (6) mit dem Gehäuseoberteil (5) einen Raum (7) zur Aufnahme eines Kühlmediums ausbildet und – Verbinden eines Gehäuseunterteils (4) mit dem Gehäuseoberteil (5) zu einem Gehäuse (3) mittels eines Laserschweißverfahrens, wobei die Leistungselektronik (2) im Gehäuse (3) angeordnet ist und wobei das Gehäuse (3) und der Gehäuseaufsatz (6) als Material Aluminium aufweisen.