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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Bauteils mit einem externen Kühlkanal sowie ein Bauteil, insbesondere ein elektrisches Bauteil oder Bauelement.
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Bauteile, die Wärme erzeugen, insbesondere leistungselektronische Komponenten, wie Leistungshalbleiter, Induktivitäten oder Transformatoren (beispielsweise von Steuergeräten) müssen im Betrieb konditioniert, insbesondere gekühlt, werden. Möglich ist beispielsweise das Vorsehen von Kühlkanälen innerhalb von Gehäuseteilen aus Aluminiumdruckguss oder Blechstanzteilen. In derartige Gehäuseteile wird die zu kühlende Komponente eingesetzt und vergossen, um eine gute thermische Anbindung sicherzustellen. Nachteilig daran sind der große benötigte Bauraum und das zusätzliche Gewicht. Des Weiteren ermöglichen der Werkstoff Aluminium bzw. die Verwendung von Blechmaterial aufgrund der guten elektrischen Leitfähigkeit parasitäre Ströme, welche die elektromagnetische Verträglichkeit der Komponente(n) verschlechtern können.
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Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Herstellen eines Bauteils mit einem Konditionierelement sowie ein entsprechendes Bauteil anzugeben, welche die vorgenannten Nachteile beseitigen und dabei kostengünstig zu realisieren sind.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 sowie durch ein Bauteil gemäß Anspruch 10 gelöst. Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie der Beschreibung und den beigefügten Figuren.
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Erfindungsgemäß umfasst ein Verfahren zum Herstellen eines Bauteils oder Bauelements mit einem externen Konditionierelement, insbesondere Kühlkanal, die Schritte:
- - Bereitstellen eines Bauteils bzw. Bauelements, wie beispielsweise eines Transformators, wie beispielsweise eines Steuergeräts;
- - Bereitstellen eines zumindest bereichsweise flexiblen Konditionierelements, insbesondere Kühlkanals;
- - Anordnen des Bauteils und des Konditionierelements derart aneinander, dass durch eine zumindest bereichsweise Formänderung des Konditionierelements das Bauteil und das Konditionierelement zueinander verspannt werden;
- - Einstellen einer Druckdifferenz zwischen der Umgebung und einem Inneren des Konditionierelements zur zumindest bereichsweisen Formänderung des Konditionierelements.
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Bei dem Konditionierelement handelt es sich bevorzugt um einen Kühlkanal oder einen Kühlschlauch. Dieser ist bevorzugt flexibel ausgebildet. Insbesondere ist eine Wandung des Konditionierelements bzw. des Rohr- oder Schlauchelements flexibel ausgebildet. Das Konditionierelement ist insbesondere ausgelegt, ein Fluid zu transportieren oder zu leiten, wobei es sich dabei gemäß einer bevorzugten Ausführungsform um eine Kühlflüssigkeit handelt. Die Flexibilität ermöglicht mit Vorteil eine, zumindest bereichs- oder abschnittsweise, Volumenvergrößerung, insbesondere beispielsweise ein Aufweiten des Konditionierelements. Daneben kann die Flexibilität aber auch ermöglichen, dass zumindest bereichs- oder abschnittsweise beispielsweise ein Biegen, Knicken oder dergleichen des Konditionierelements möglich ist. Die Flexibilität umfasst auch eine Nachgiebigkeit der Wandung des Konditionierelements, wodurch ermöglicht ist, dass sich die Form des Konditionierelements, zumindest bereichs- oder abschnittsweise, einem anderen Gegenstand anpassen kann.
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Der große Vorteil besteht vorliegend darin, dass durch die Formänderung des Konditionierelements eine automatische Anordnung des Bauelements sowie des Konditionierelements aneinander bzw. zueinander erfolgen kann. Das Konditionierelement bzw. der Kühlschlauch muss nicht in einem separaten Gehäuse oder Gehäuseteil etc. vorgesehen werden. Stattdessen liegt das Konditionierelement mit Vorteil unmittelbar und direkt am zu konditionierenden bzw. zu temperierenden, insbesondere zu kühlenden, Bauteil an. Mit Vorteil wirkt dabei zwischen dem Konditionierelement und dem zu kühlenden Bauteil ein Flächenkontakt. Durch die Flexibilität des Konditionierelements ist gewährleistet, dass sich dieses optimal der Form des Bauteils anpasst, insbesondere anschmiegt, wodurch zwischen dem Bauteil und dem Konditionierelement eine große wärmeübertragende Fläche realisiert werden kann. Dabei erfolgt die Formänderung unkompliziert über das Einstellen einer Druckdifferenz zwischen einem Inneren des Konditionierelements und der Umgebung.
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Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Verfahren den Schritt:
- - Umspritzen oder Vergießen des Bauteils und des Konditionierelements in einem Werkzeug.
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Gemäß bevorzugter Ausführungsformen erfolgt das Umspritzen im Spritzguss oder das Vergießen insbesondere in einer Vergussanlage, wie beispielsweise in einer Vorrichtung zum Vakuumdruckgelieren. Zum Verguss oder Umspritzen werden gemäß einer Ausführungsform Duroplaste, wie Gießharze, verwendet. Bevorzugt ist das Umguss- oder Vergussmaterial ausgelegt, eine elektrische Isolationswirkung bereitzustellen und die Anordnung mechanisch zu stabilisieren.
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Gemäß einer Ausführungsform ist das Konditionierelement rohr-, schlauch- oder kanalförmig. Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Verfahren den Schritt:
- - Umwickeln des Bauteils mit dem Konditionierelement.
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Mit Vorteil erfolgt die Anordnung, insbesondere vorliegend das Umwickeln, derart, dass das Bauteil und das Konditionierelement zueinander verspannt werden, wenn die zumindest bereichsweise Formänderung aufgebracht wird. Gemäß einer Ausführungsform wird das Konditionierelement nach dem Umwickeln in geeigneter Weise vorfixiert, beispielsweise durch das Anbringen geeigneter Halteelemente etc.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Verfahren die Schritte:
- - Formen oder Erzeugen des Konditionierelements derart, dass ein Anordnungsraum für das Bauteil gebildet wird oder ist;
- - Anordnen des Bauteils in dem Anordnungsraum.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist das Konditionierelement eine spiralförmige oder wendelförmige Ausgestaltung auf, innerhalb derer das Bauteil anordenbar ist oder angeordnet ist. Das Konditionierelement weist bei dieser Ausführungsform bereits im Wesentlichen seine Endform auf, bevor das Bauteil angeordnet ist.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Verfahren die Schritte:
- - Einlegen des Bauteils, umfassend das Konditionierelement, in eine Kavität des Werkzeugs;
- - Einstellen der Druckdifferenz zwischen der Kavität und dem inneren des Konditionierelements.
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Mit Vorteil wird also der beim Vergießen oder Umspritzen ohnehin einzustellende Druck, insbesondere Unterdruck, ggf. auch ein Vakuum, dazu genutzt, um die Druckdifferenz aufzubauen.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Verfahren die Schritte:
- - Einstellen eines ersten Drucks in dem Konditionierelement und Abdichten des Konditionierelements;
- - Evakuieren der Kavität auf einen zweiten Druck.
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Grundsätzlich gilt, dass das Konditionierelement zweckmäßigerweise einen Einlass und einen Auslass aufweist. Wie bereits erwähnt, ist das Konditionierelement ausgelegt, ein Fluid, insbesondere eine Kühlflüssigkeit, zu leiten/transportieren. Zweckmäßigerweise wird das Konditionierelement mit dem definierten ersten Druck abgedichtet. Nachfolgend erfolgt ein Evakuieren der Kavität auf einen zweiten Druck, wobei der zweite Druck kleiner ist als der erste Druck. Beim Vakuumdruckgelieren erreicht der zweite Druck beispielsweise den Wert 0 oder zumindest nahe 0. Dabei dehnt sich zweckmäßigerweise das Konditionierelement aus und schmiegt sich in optimaler Weise an das Bauteil an.
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Gemäß einer alternativen Ausführungsform umfasst das Verfahren den Schritt:
- - Einstellen der Druckdifferenz durch Erhöhen des Drucks in dem Konditionierelement.
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Auch damit ist es möglich, die Formänderung des Konditionierelements zu bewirken, welche zu deren Anlage am Bauteil führt.
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Alternativ weist das Bauteil eine Öffnung oder Ausnehmung auf, in welcher das Konditionierelement angeordnet wird oder ist. Mit anderen Worten formt das Bauteil einen Anordnungsraum für das Konditionierelement bzw. mehrere. Die Öffnung oder Ausnehmung ist gemäß einer Ausführungsform als Kanal ausgebildet. In den Kanal wir das beispielsweise schlauchförmige Konditionierelement eingeschoben. Durch ein Aufweiten des Konditionierelements, wie vorher beschreiben, legt sich dieses bevorzugt vollflächig an die innere Kanalwandung an.
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Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Verfahren den Schritt:
- - Herstellen des Konditionierelements mittels eines additiven Fertigungsverfahrens.
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Die Wahl des Fertigungsverfahrens ist insbesondere von der Komplexität der Geometrie des Konditionierelements abhängig. Bevorzugte weitere Fertigungsverfahren sind beispielsweise Spritzgussverfahren. Wenn das Konditionierelement nicht vorgeformt wird, sondern die Anordnung am Bauteil beispielsweise in Art des vorgenannten „Umwickelns“ erfolgt, können auch beliebig andere Fertigungsverfahren verwendet werden, welche geeignet sind, einen schlauch-, kanal- oder rohrförmigen Körper zu erstellen.
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Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Konditionierelement Mittel zum Lenken des Fluids im Inneren, beispielsweise geeignet ausgebildet Finnen oder dergleichen, welche es erlauben, dem Fuid im Inneren des Konditionierelements eine Strömungsrichtung vorzugeben
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist das Konditionierelement aus einem flexiblen Material gebildet, insbesondere aus einem nicht-metallischen Material, wie beispielsweise einem Kunststoff. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist das Konditionierelement aus Silikon gebildet oder umfasst Silikon.
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Die Erfindung betrifft auch ein Bauteil, insbesondere ein elektrisches Bauteil oder Bauelement, wie einen Transformator (beispielsweise eines Steuergeräts), wobei das Bauteil zumindest ein Konditionierelement aufweist, welches kraftschlüssig am Bauteil anliegt.
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Bevorzugt ist das Bauteil zumindest bereichsweise von dem Konditionierelement, insbesondere von einem Kühlkanal, umgeben oder umhüllt. Die im Zusammenhang mit dem Verfahren erwähnten Vorteile und Merkmale gelten analog und entsprechend für das Bauteil sowie umgekehrt. Besonders bevorzugt sind das Bauteil und das Konditionierelement umspritzt oder umgossen.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist das Bauteil eine Kraftfahrzeugkomponente bzw. eine Komponente, ein Bauteil oder ein Bauelement für ein Kraftfahrzeug bzw. im Bereich der Fahrzeugelektronik.
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Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsformen von Bauteilen mit Bezug auf die beigefügten Figuren.
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Es zeigen:
- 1: eine schematische Ansicht zum Erklären des Grundprinzips;
- 2: eine Ausführungsform eines Konditionierelements zur Verwendung in dem erfindungsgemäßen Verfahren;
- 3 eine weitere Ausführungsform eines Konditionierelements.
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1 zeigt in einer schematischen Ansicht in ihrer linken Bildhälfte ein als Viereck dargestelltes Bauteil 10. Um dieses herum ist ein Konditionierelement 20 ausgebildet. Angedeutet ist, dass dieses einen Einlass 24 aufweist. Das Konditionierelement 20 ist zum Leiten bzw. Transportieren eines Fluids, wie einer Kühlflüssigkeit, vorgesehen. Schematisch ist dargestellt, dass zwischen dem Bauteil 10 und dem Konditionierelement 20 ein Spalt 12 gebildet ist. Mit anderen Worten liegt das Konditionierelement 20 nicht vollständig oder flächig am Bauteil 10 an. Dieser Spalt 12 dient insbesondere der Erklärung des Grundprinzips und muss in der Realität so nicht vorliegen. So besteht das Grundprinzip darin, dass durch eine Formänderung des Konditionierelements 20, wobei diese Formänderung insbesondere ein Aufweiten oder eine Volumenvergrößerung umfasst, ein Verspannen des Bauteils 10 und des Konditionierelements 20 zueinander erfolgt. Hierzu ist das Konditionierelement 20 mit Vorteil flexibel oder zumindest bereichsweise flexibel ausgebildet. Die Formänderung wird mit Vorteil durch das Einstellen einer Druckdifferenz zwischen einem Inneren des Konditionierelements 20 und der Umgebung bewirkt. Diese führt dazu, dass sich das Konditionierelement ausdehnt und dabei in optimaler Weise an das Bauteil 10 anschmiegt. Dieses Ausdehnen in Richtung des Bauteils 10 ist schematisch durch die vier Pfeile skizziert, vgl. die rechte Bildhälfte.
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2 zeigt in einer perspektivischen Darstellung eine Ausführungsform eines Konditionierelements 20 zur Verwendung in dem erfindungsgemäßen Verfahren. Das Konditionierelement 20 weist einen Einlass 24 sowie einen Auslass 26 auf. Der Einlass 24 sowie der Auslass 26 sind beispielsweise vorgesehen, das Konditionierelement 20 mit dem Flüssigkeitskühlungssystem eines Steuergeräts zu verbinden. Das Konditionierelement 20 weist eine wendel- oder spiralförmige Struktur auf, wobei insbesondere diese Struktur einen Anordnungsraum 22 formt, welcher zur Anordnung eines Bauteils oder Bauelements, wie beispielsweise eines Transformators bzw. allgemein einer zu kühlenden Komponente vorgesehen ist. Zweckmäßigerweise wird die Komponente in dem Anordnungsraum 22 angeordnet, beispielsweise eingeschoben. Im Anschluss wird die Anordnung, umfassend das Konditionierelement 20 und das Bauteil, in einem Werkzeug zum Verspritzen oder Vergießen angeordnet. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform erfolgt ein Vergießen mittels Vakuumdruckgelieren. Nach einem Aufbringen des Vakuums dehnt sich das Konditionierelement aus und schmiegt sich an die Komponente bzw. an das Bauteil an. Abschließend folgt das eigentliche Vergießen der gesamten Anordnung.
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3 zeigt in einer perspektivischen Darstellung eine weitere Ausführungsform eines Konditionierelements 20 zur Verwendung in dem erfindungsgemäßen Verfahren. Das Konditionierelement 20 weist einen Einlass 24 sowie einen Auslass 26 auf. In der hier dargestellten Ausführungsform bildet das Konditionierelement 20 einen als Tasche geformten Anordnungsraum 22, in welchem ein Bauteil oder Bauteilelement angeordnet werden kann. Zur gezielten Fluidleitung weist das Konditionierelement Mittel zum Lenken des Fluids im Inneren auf. Zweckmäßigerweise umfasst das Konditionierelement 20 geeignet ausgebildet Finnen oder dergleichen, welche es erlauben, dem Fuid im Inneren eine Strömungsrichtung vorzugeben.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Bauteil
- 12
- Spalt
- 20
- Konditionierelement
- 22
- Anordnungsraum
- 24
- Einlass
- 26
- Auslass
