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GEBIET DER
ERFINDUNG
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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Leitungsdurchführung eines
elektrischen Leitungselements durch ein Wandelement, eine auf diese
Weise hergestellte Leitungsdurchführung, sowie die Verwendung
einer solchen Leitungsdurchführung
im Gehäuse
einer Leistungselektronikeinheit.
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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Auf
verschiedenen Gebieten der Elektrotechnik, insbesondere in der Leistungselektronik,
stellt sich allgemein die Aufgabe, elektrische Leitungen durch Gehäuse zu führen. Da
die genannten Gehäuse
häufig
der Kapselung der darin befindlichen Elektronik dienen, hat eine
solche Leitungsdurchführung – je nach
Einsatzzweck der Elektronik – Schutz
vor dem Eindringen von Schmutz oder Spritzwasser in das Innere des
Gehäuses
zu bieten. Bei verschiedenen Anwendungen, z.B. bei einer Siedebadkühlung der
im Gehäuse
befindlichen Elektronik, ist eine ausreichende Dichtwirkung zur
Aufrechterhaltung einer Druckdifferenz zwischen dem Inneren und Äußeren des
Gehäuses
gewünscht.
Bei verschiedenen Anwendungsfällen
ist das betreffende Gehäuse
elektrisch leitend (z.B. aus Metall) ausgebildet, so daß die Leitungsdurchführung neben
ihrer genannten Schutz- oder Dichtfunktion auch für eine elektrische
Isolierung zwischen der durchgeführten
Leitung und dem Gehäuse
zu sorgen hat.
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Eine
Leitungsdurchführung
für ein
Gehäuse,
das nach außen
geführte
Leitungen aufweist, ist in der US-Patentschrift Nr. 4,678,868 offenbart.
Es handelt sich dort um ein implantierbares Gehäuse für Herzschrittmacher. Ein metallischer
Stift ist in einer Hülse
fixiert, die wiederum in ein metallisches Wandelement eingeschweißt ist.
Ein Saphirring ist mit der Hülse
aus Al2O3 verlötet und
der Drahtstift ist in den Saphirring eingelötet, ohne dass er die Hülse berührt. Der
Saphirring isoliert dabei den Stift gegen die Hülse und damit gegen das Gehäuse und
positioniert den Stift in der Hülse.
Die Bauteile sind hier über
die Lötstellen
zwischen Hülse und
Saphirring bzw. zwischen Drahtstift und Saphirring fixiert und eingedichtet.
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Es
ist auch bekannt, Leitungsdurchführungen
durch metallische Gehäuse über elastische
Kunststoffdichtungen oder Manschetten zu realisieren. Eine solche
Leitungsdurchführung
ist beispielsweise aus der
DE 34
08 835 A1 bekannt. Elastische Dichtungen können jedoch üblicherweise
nur in relativ engen Temperatur- und
Druckbereichen befriedigend eingesetzt werden. Außerdem verändern sich
ihre elastischen Eigenschaften mit der Zeit.
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Es
ist ebenfalls bekannt, dass eloxierte Bauteile aus Aluminiumwerkstoffen über die
auf ihrer Oberfläche
gebildete Oxidschicht elektrisch isoliert sind (siehe FALBE, Jürgen u.a.:
Römpp Lexikon
Chemie, 10. Auflage, Stuttgart: Georg Thieme Verlag, 1997, Seite
1141, ISBN 3-13-107830-8). Diese Eigenschaft wird auch in
DE 41 30 208 A1 offenbart,
bei der ein elektrisches Temperaturmesselement an der Innenwandung
eines eloxierten Aluminiumgehäuses
anliegt und so einen guten thermischen Kontakt zur Außenwandung
des Gehäuses
aufweist, ohne jedoch mit diesem elektrisch verbunden zu sein. Die
Fixierung des Temperaturmesselements im Gehäuse und die Abdichtung nach
außen
erfolgt hier über
eine Keramikmasse, die das Gehäuse vollständig ausfüllt. So
eingebettete Bauteile sind nicht mehr zugänglich. Bei aktiven Bauelementen,
die im Betrieb Wärme
abgeben, behindert die Keramikmasse zudem die Wärmeabfuhr.
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Aus
dem US-Patent 2,647,079 ist eine isolierte Kondensatorelektrode
bekannt, bei der die Isolierschicht aus einem Harz getränkten porösen Oxidfilm
gebildet wird. Darüber
hinaus betrifft
DE
2 166 034 B2 eine an einem Leiter ausgebildete Oxidschicht,
die dazu dient, den Wärmeausdehnungskoeffizienten
des Leiters dem eines glasartigen Isolierstoffs anzupassen, in den
der Leiter mit der Oxidschicht eingeschmolzen ist.
DE 71 16 225 U betrifft die
Anordnung eines Isolators zwischen einer als Leitungsdurchführung dienenden
Metallhülse
und einer Metallplatte, in der die Leitungsdurchführung angeordnet
ist, um eine galvanische Korrosion zwischen Leitungsdurchführung und
Metallplatte zu verhindern.
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Aus
der
DE 26 03 360 B1 ist
eine elektrisch isolierte Durchführung
eines Durchführungsteils
durch eine Öffnung
bekannt, wobei die Isolierschicht aus durch anodische Oxidation
gebildetem Aluminiumoxid besteht.
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Ausgehend
von der
DE 26 03 360
B1 besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin,
ein Verfahren zur Herstellung einer Leitungsdurchführung sowie
eine so hergestellte Leitungsdurchführung anzugeben, die gute Dichteigenschaften
(auch bei höheren
Drücken)
und Alterungsbeständigkeit
aufweist.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Leitungsdurchführung eines
elektrischen Leitungselements durch ein Wandelement mit einer Öffnung.
Das Verfahren umfaßt:
Einsetzen und Ausrichten des Leitungselements in der Öffnung,
so dass zwischen Leitungselement und Wandelement ein Ringspalt ausgebildet
wird, und Ausbilden einer isolierenden Zwischenschicht im Ringspalt
zwischen Leitungs- und Wandelement durch Anodisieren.
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Ein
weiterer Aspekt betrifft eine nach diesem Verfahren hergestellte
Leitungsdurchführung
für ein
elektrisches Leitungselement. Das Leitungselement verläuft in einer
ein Wandelement von einer zur anderen Seite durchsetzenden Öffnung,
wobei in einem zwischen Wandelement und Leitungselement (5)
verlaufenden Ringspalt eine elektrisch isolierende Zwischenschicht
ausgebildet ist.
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Ein
weiterer Aspekt ist schließlich
die Verwendung einer solchen Leistungsdurchführung im Gehäuse einer
Leistungselektronikeinheit.
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Weitere
Merkmale sind den offenbarten Gegenständen und Verfahren entnehmbar
oder sind für
den Fachmann aus der folgenden detaillierten Beschreibung und den
angefügten
Zeichnungen ersichtlich.
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BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Ausführungsformen
der Erfindung werden nun beispielhaft und anhand der angefügten Zeichnung
beschrieben, in der:
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1 eine
Ausführungsform
einer Leitungsdurchführung
mit zylindrischem Ringspalt zeigt;
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2 eine
Ausführungsform
in zwei Varianten mit sich konisch erweiterndem Ringspalt zeigt;
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3 eine
Ausführungsform
in zwei Varianten zeigt, bei welchen das Leitungselement bzw. die Öffnung zwei
geneigte Abschnitte aufweist;
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4 eine
Ausführungsform
in zwei Varianten zeigt, bei der das Leitungselement bzw. die Öffnung konvex
gewölbt
ausgeführt
ist;
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5 eine
Ausführungsform ähnlich 2 zeigt,
bei der die konische Ausbildung des Leitungselements über den Öffnungsbereich
hinaus reicht;
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6 eine
Ausführungsform
zeigt, bei der das Leitungselement und die Öffnung relativ zueinander geneigt
sind;
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7 ein
Ablaufdiagramm für
ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen Leitungsdurchführung zeigt;
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8 eine
Leistungselektronikeinheit zeigt, deren Gehäuse derartige Leitungsdurchführungen
aufweist;
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9 eine
Schemaskizze eines Kraftfahrzeug-Antriebssystems ist, welches mit
der Leistungselektronikeinheit von 8 ausgerüstet ist.
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Bei
den Figuren handelt es sich um schematische, unmaßstäbliche Darstellungen.
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BESCHREIBUNG
DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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1 veranschaulicht
die Struktur einer Leitungsdurchführung, in der ein Leitungselement über eine Zwischenschicht
in einem Wandelement fixiert ist. Zunächst folgen einige Anmerkungen
zu den Ausführungsformen.
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Das
Anodisieren (anodische Oxidation, Eloxieren) von Metallen, insbesondere
von Aluminium ist ein Verfahren zur Oberflächenbehandlung, bei dem elektrolytisch
eine Oxidschicht auf der Aluminumoberfläche erzeugt wird. Hierbei wird
eine gegenüber
der natürlich
gebildeten Oxidschicht vielfach verstärkte Schicht ausgebildet. Die
anodisch erzeugten Oxidschichten werden aus dem Grundmetall gebildet
und sind mit diesem strukturell verbunden. Sie erhöhen die
Korrosionsbeständigkeit
und sind hart und abriebfest. Die erzeugten Oxidschichten haben
eine nahezu porenfreie dielektrische Grundschicht (Sperrschicht)
am Grundmetall und eine darüberliegende
feinporige Deckschicht. Die Deckschicht enthält Faserbündel, die im wesentlichen senkrecht
zur Metalloberfläche
verlaufen. Je nach Verfahren wachsen die beim Anodisieren erzeugten
Oxidschichten im Verhältnis
ein Drittel aus dem Ursprungsmaterial heraus und zwei Drittel ins
Metall hinein bzw. bis zur Hälfte
aus dem Material heraus und in das Material hinein. Bei Standardverfahren
beträgt
die Schichtdicke zwischen 5 und ca. 20 μm. Höhere Schichtdicken von ca.
25-150 μm
sind mit Hart-Anodisationsverfahren erreichbar. Bei der anodischen
Oxidation in wässrigen,
schwefelsäurehaltigen
Elektrolyten laufen folgende chemische Reaktionen ab (vereinfachte
Darstellung aus "Aluminium-Taschenbuch, 14.
Auflage, 1983, S. 717):
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Eine
anschließende
fakultative Verdichtungsbehandlung, die nach folgender Reaktion
abläuft:
| Al2O3 + H2O | 2AlO(OH)
Böhmit |
bewirkt einen Porenverschluß durch die Umwandlung des
Oxids in Böhmit,
bei der eine Volumenvergrößerung stattfindet.
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Die
elektrische Isolierfähigkeit
ist temperaturabhängig
und steigt proportional mit der Schichtdicke. Die Dielektrizitätskonstante
der Oxidschicht liegt je nach dem verwendeten Anodisierungsverfahren
zwischen ε = 7
und 8; damit sind elektrische Durchschlagsfestigkeiten je nach Oxidschichtdicke
und Grundwerkstoff bis zu 5000 V und mehr erreichbar (20-30 V pro μm). Weitere
Einzelheiten zu Anodisierverfahren und den Eigenschaften der so
erzeugten Oxidschichten sind beispielsweise dem Kapitel 11.3 Anodische
Oxidation des genannten Aluminiumtaschenbuch, S. 711-733 zu entnehmen.
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Bei
der Gestaltung von Bauteilen mit zu anodisierenden Flächen sollte
berücksichtigt
werden, dass scharfe Kanten und Ecken an den Übergängen zwischen Flächenabschnitten
zu ungleichmäßigen Schichtdickenverteilungen
führen
können.
Dieser sog. Hundeknocheneffekt wird durch die erhöhte Stromdichte
und das dadurch verursachte, verstärkte Schichtdickenwachstum
in diesen Eck- und Kantenbereichen verursacht. Daher wird empfohlen,
um gleichmäßige Oxidschichten
zu erhalten, enge Spalten und scharfe Kanten bzw. Ecken konstruktiv
zu vermeiden (z.B. Karl-Heinz Bode, Konstruktionsatlas 3. Auflage,
Darmstadt 1984, S. 128, S.140-142).
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Bei
den Ausführungsformen
wird eine elektrisch isolierende Zwischenschicht in einem zwischen
einem Wandelement und einem Leitungselement verlaufenden Ringspalt
durch Anodisierung ausgebildet. Hierdurch wird das Leitungselement
gegenüber
dem Wandelement isoliert, ohne daß ein zusätzliches isolierendes Bauelement
erforderlich wäre.
Gleichzeitig erfolgt hiermit eine mechanische Verbindung und Fixierung
von Leitungselement und Wandelement.
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Bei
den Ausführungsformen
verschließt
die Zwischenschicht den Ringspalt vollständig. Sie ist dabei so ausgebildet,
daß sie
die auf den beiden Seiten des Wandelements liegenden Bereiche gegeneinander
abdichtet.
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Bei
einigen der Ausführungsformen
ist der von der Zwischenschicht ausgefüllte Ringspalt zylindrisch, d.h.
er hat durch die gesamte Durchführung
hindurch eine gleichbleibende Querschnittsform und -fläche. Bereits
bei solchen zylindrischen Ringspalten füllt die Zwischenschicht nach
dem Anodisieren den Ringspalt vollständig (d.h. hohlraumlos) aus.
Bei bestimmten Ringspaltgeometrien (z.B. bei relativ engem oder
langem Ringspalt) kann es jedoch vorkommen, daß die Zwischenschicht im Verlauf
der Anodisierung an den Eintrittsbereichen so stark anwächst, daß im inneren
Ringspaltbereich der Elektrolytaustausch so stark eingeschränkt wird,
dass kein weiteres Schichtwachstum mehr stattfindet, und somit ein
Hohlraum verbleibt. In solchen Fällen ist
ein zylindrischer Ringspalt nicht optimal. Um auch in solchen Fällen ein
vollständiges
Ausfüllen
des Ringspalts mit der durch Anodisierung gebildeten Zwischenschicht
sicherzustellen, ist bei einigen Ausführungsformen die Spaltbreite
des Ringspalts zu einer oder beiden Seiten des Wandelements hin
aufgeweitet ausgebildet. Diese Aufweitung ist bei manchen Ausführungsformen
dadurch erzielt, daß das
elektrische Leitungselement oder die Öffnung (oder beide) sich zu
der oder den Seiten hin verjüngend
bzw. erweiternd ausgeführt
ist. Die Verjüngung
bzw. Erweiterung kann beispielsweise in einem Querschnitt gemäß 1 bis 6 durch
geneigte Geraden (2 und 5) oder
konvex oder konkav gekrümmte
Kurven erzielt sein. Bei manchen Ausführungsformen liegt die engste
Stelle des Ringspalts (genannt "Engstelle") in der Mitte zwischen
den beiden Wandseiten; dies wird beispielsweise durch zusammengesetzte
geneigte Geraden (3) oder zusammengesetzte konvex
oder konkav gekrümmte
Kurven, oder eine konvexe Kurve (4) erzielt.
Bei einer Sonderform (6) sind sowohl das Leitungselement
als auch die Öffnung
zylindrisch ausgeführt;
eine effektive Aufweitung des Ringspalts wird hier durch eine geneigte
Anordnung des Leitungselements relativ zur Öffnung erreicht. Bei all diesen
verschiedenen Möglichkeiten
erleichtert die aufgeweitete Gestaltung des Ringspalts das Anwachsen
der Zwischenschicht beim Anodisierungsvorgang. Beim Anwachsen werden
nämlich
zunächst
die Bereiche des Ringspalts mit geringerer Ringspaltdicke geschlossen,
so daß ein
Zuwachsen des Ringspalts aus den inneren Bereichen mit geringerer
Spaltdicke zu den äußeren Bereichen
mit größerer Spaltdicke
hin erfolgt. Dies stellt ein vollständiges Ausfüllen des Ringspalts mit der
Zwischenschicht, ohne etwa verbleibende Hohlräume, sicher.
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Bei
den Ausführungsformen
sind das Wandelement und/oder das Leitungselement aus einem Aluminiumwerkstoff,
z.B. Aluminium oder einer Aluminiumlegierung ausgebildet.
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Bei
manchen Ausführungsformen
wird nach dem Anodisieren die Zwischenschicht verdichtet, beispielsweise
durch die oben genannte Verdichtungsbehandlung.
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Insbesondere
findet die beschriebene Leitungsdurchführung Einsatz in Gehäusen von
Leistungselektronikeinheiten. Hierbei sind in der Regel Leitungselemente
mit relativ großem
Querschnitt durch das Gehäuse zu
führen,
wobei die Leitungsdurchführung
aufgrund wechselnden Anfalls von Verlustwärme i.a. thermisch belastet
sind. Bei einer beispielhaften Ausführungsform handelt es sich
bei der Leistungselektronikeinheit um einen Wechselrichter für eine elektrische
Mehrphasenmaschine in einem Kraftfahrzeug, beispielsweise einem Startergenerator,
der in der WO 97/08456 beschriebenen Art. Eine solche Leistungselektronikeinheit
ist üblicherweise
im Motorraum des Kraftfahrzeugs angeordnet, z.B. am Fahrzeugchassis
oder direkt am Verbrennungsmotor. In einer solchen Umgebung herrschen
große
mechanische Rüttelbelastungen,
hohe Temperaturschwankungen sowie eine große Gefahr des Eindringens von Öl, Schmutz,
Staub, etc. Die beschriebenen Ausführungsformen der Leitungsdurchführung stellen
auch für
derartige Anwendungen unter Extrembedingungen eine robuste, mechanisch,
thermisch und elektrisch stabile Leitungsdurchführung bereit.
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Nun
zurückkehrend
zur Zeichnung zeigt 1 eine Schnittdarstellung durch
ein Wandelement 1 aus Aluminium mit einer Öffnung 2,
welche das Wandelement 1 von einer Seite 3 zu
einer anderen Seite 4 durchsetzt. In der Öffnung 2 ist
ein Leitungselement 5, beispielsweise ein massiver einstückiger Stromleiter,
ebenfalls aus Aluminium, so angeordnet, dass zwischen dessen Oberfläche 6 und
der Innenfläche 7 der Öffnung 2 ein
Ringspalt 8 vorliegt, in dem eine durch Anodisierung ausgebildete
Zwischenschicht 9 angeordnet ist. Die Querschnittsformen
von Öffnung 2 und
Leitungselement 5 sind beispielsweise kreisförmig, so
daß der
Ringspalt 8 bei konzentrischer Anordnung einen kreisringförmigen Querschnitt
hat. Die Übergangskanten 10 zwischen
der Innenfläche 7 und
den Außenflächen 11 des
Wandelements 1 sind dabei vorzugsweise abgerundet bzw.
angefast ausgeführt.
Bei geeigneten Abmessungen und ev. unterstützt durch die Abrundungen wachsen die
sich gleichmäßig am Wandelement 1 und
dem Leitungselement 5 beim Anodisieren aufbauenden Oxidschichten
aufeinander zu, und bilden schließlich die Zwischenschicht 9.
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Die
Zwischenschicht 9 füllt
den Ringspalt 8 vollständig
(d.h. hohlraumlos) aus. Sie verschließt somit den Ringspalt 8 und
dichtet die beiden Wandseiten 3, 4 gegeneinander
ab. Eine Erhöhung
der Dichtwirkung wird durch die oben genannte Verdichtung der aufgebrachten
Oxidschicht (Zwischenschicht 9) erzielt. Druckdifferenzen
von beispielsweise 4 bar sind hiermit abdichtbar.
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Die
Wandstärke
des Wandelements 1 liegt beispielsweise im Bereich von
1 bis 10 mm. Ein Leitungselement 5 hat einen Durchmesser
im Bereich von 2 bis 10 mm, wobei die Breite des Ringspaltes 8 vor
dem Anodisieren z.B. 10 bis 200 μm
beträgt.
Geeignete Werkstoffe für
Wandelement 1 und Leitungselement 5 sind z.B.
Aluminiumwerkstoffe, wie sie beispielsweise in der DIN 1725 und
DIN 1712 angegeben sind, oder andere geeignete Werkstoffe. Diese
Angaben gelten entsprechend auch für die Ausführungsformen der 2 bis 6.
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Während bei
der Ausführungsform
der 1 der Ringspalt 8 zylindrisch ist (d.h. über die
gesamte Längserstreckung
der Öffnung 2 gleichbleibende
Quer schnittsform und -fläche
aufweist), zeigen die folgenden 2-6 Ausführungsformen,
bei denen sich der Ringspalt 8 zu wenigstens einer Wandseite 3, 4 hin
aufweitet. Eine solche Ausführung
begünstigt
eine gleichmäßige und
durchgängige
Ausbildung der Zwischenschicht beim Anodisieren. Die Engstelle,
von der ausgehend der Ringspalt 8 sich aufweitet, kann
dabei an einer Wandseite angeordnet sein oder auch zwischen den
Wandseiten 3, 4 im mittleren Bereich des Ringspalts (eine
Sonderform zeigt 6, bei der eine Engstelle für nur einen
Teil des Umfangs des Ringspalts an einer Wandseite (z.B. Wandseite 3)
liegt, während
eine andere Engstelle für
den anderen Teil des Umfangs an der anderen Wandseite (z.B. Wandseite 4)
liegt). Beim Anodisieren bildet sich zunächst eine den Ringspalt 8 an der
Engstelle verschließende
Zwischenschicht aus. Diese wandert dann bei fortgesetzter Anodisierung
entlang des sich aufweitenden Spaltes und verschließt diesen
schließlich
vollständig.
Dieses gerichtete Wachstum verringert eine mögliche Neigung zur Bildung
unerwünschter
Hohlräume
im mittleren Bereich des Ringspalts.
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2 zeigt – in einer
Figur dargestellt – Ausführungsvarianten
A und B, bei denen sich die Spaltbreite des Ringspaltes 8 von
der einen Seite 3 zur anderen Seite 4 des Wandelements 1 aufweitet.
Bei der oberen Variante A geschieht dies dadurch, dass das Leitungselement 5 einen
zur Längsachse 13 geneigten
Flächenabschnitt 12 aufweist.
Bei einem runden Querschnitt des Leitungselementes 5 hat
der Flächenabschnitt 12 damit
die Gestalt eines Kegelstumpfs. Beim Anodisieren wird der Ringspalt 8 von
der einen Seite 3 her mit der Zwischenschicht 9 ausgefüllt. An
der Innenfläche 7' der Öffnung 2 und
dem Leitungselement 5 bilden sich Oxidschichten aus, die
durch ihr Anwachsen ausgehend von der Kante 10 der Öffnung 2 und
der Übergangskante 14 am
Leitungselement 5 den Ringspalt 8 verschließen. Bei
fortgesetztem Anodisieren wandert der Verschluß bis zur anderen Seite 4 des
Wandelements 1, so dass die Zwischenschicht 9 den
Ringspalt 8 schließlich vollständig hohlraumlos
verschließt.
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Ähnliches
gilt für
die untere Variante B, bei der die ausgeweitete Gestaltung des Ringspaltes
jedoch nicht durch eine besondere Gestaltung des Leitungselements 5 erreicht
wird, sondern durch eine – ausgehend von
einem runden Querschnitt – konische
Ausführung
der Öffnung 2.
Hier definiert eine ebenfalls kegelstumpfförmige Innenfläche 7' den sich von
der Seite 3 zur Seite 4 aufweitenden Ringspalt 8.
Wie oben beschrieben, bildet sich auch hier der Verschluß durch
die Zwischenschicht 9 ausgehend von der engen Öffnung an
der Kante 10' zur
weiteren Öffnung
hin an der Kante 10'' aus. Beide
Varianten A und B begünstigen
ein definiertes Zwischenschichtwachstum im Ringspalt 8 in
Achsrichtung (B) dergestalt, dass unerwünschte Hohlräume (in denen
möglicherweise
Elektrolytflüssigkeit
eingeschlossen würde),
vermieden werden.
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Bei
den weiteren Ausführungen
gemäß 3 und 4 sind
die den Ringspalt definierenden Flächen im Öffnungsbereich so ausgebildet,
daß die
Engstelle im mittleren Bereich des Ringspalts 8 liegt.
Es sind wiederum jeweils Varianten A und B dargestellt, bei denen
der Leiter bzw. die Öffnung
die konvexe bzw. konkave Form haben.
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In 3 bewirkt
eine definierte Engstelle im mittleren Bereich des Ringspalts 8,
daß von
dort der Verschluß durch
die Zwischenschichtbildung ausgeht und nach außen zu den beiden Seiten 3 und 4 fortschreitet. Bei
der unteren Variante B hat die Öffnung 2 geneigt
zueinander ausgebildete Innenflächen 7', die an ihrer Stoßstelle 15 die
Engstelle des Ringspalts 8 bilden, welcher sich von dort
ausgehend zu beiden Seiten 3, 4 aufweitet. Bei
der oberen Variante A hat das Leitungselement zwei geneigte Flächenabschnitte 12', die an ihrer Stoßstelle 16 in
entsprechender Weise die Engstelle des Ringspaltes 8 und
damit den Ausgangspunkt des Verschlusses durch die Zwischenschichtbildung
bilden.
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4 entspricht 3,
jedoch ist am Wandelement 1 bzw. am Leitungselement 5 statt
der Kegelflächen 7' bzw. 12' mit gratförmiger Stoßstelle 15 bzw. 16 eine
im Querschnitt gemäß 4 konvex
gekrümmte Kurve
vorgesehen, die den Flächenabschnitt 7'' an der Öffnung 2 (Variante
B) bzw. 12'' am Leitungselement 5 (Variante
A) definiert. Dieser bildet eine Engstelle des Rinspalts 8,
wie in 3.
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Neben
den dargestellten Beispielen und Varianten gibt es weitere Ausführungsformen
mit Ringspalterweiterung, so zum Beispiel mit konkaven, konvexen
und und/oder geneigten Flächen
oder aus solchen Flächenabschnitten
zusammengesetzte Flächen.
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5 zeigt
ein Ausführungsbeispiel ähnlich 2A, bei der der kegelstumpfförmige Flächenabschnitt 12 auf
dem Leitungselement 5 in Achsrichtung jeweils über die Übergangskanten 10 hinaussteht.
Diese Ausführung
erlaubt, den Ringspalt 8 vor dem Anodisieren einzustellen.
Und zwar kann die Spaltbreite dann in einfacher Weise über eine
Axialbewegung B des Leitungselements 5 in der Öffnung 2 variiert
werden.
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6 zeigt
ein Ausführungsbeispiel,
bei dem das Leitungselement 5 in der Öffnung 2 geneigt ist.
Das heißt,
die Achse 13 des Leitungselements 5 ist zu einer
Achse 17 der Öffnung 2 um
einen Winkel α geneigt. Diese
Geometrie definiert – bei
kreisförmigem
Querschnitt von Leitungselement 5 und Öffnung 2 – zwei Engstellen 18,
von denen ausgehend die Zwischenschichtbildung erfolgt. Dabei wachsen
die sich aufbauenden Zwischenschichten entgegen und treffen sich
etwa am Schnittpunkt 19 der Achsen 13 und 17 und
zwar aus entgegengesetzten Umfangsrichtungen (von unten und von
oben in der in 4 gezeigten Darstellung). Von dort
ausgehend wird dann der von der Zwischenschicht 9 verschlossene
Ringspalt zu den weiten Öffnungsabschnitten
hin weiter aufgefüllt.
Die Wachstumsrichtung in der oberen und unteren Hälfte ist
durch die Pfeile 20 und 21 angegeben.
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7 zeigt
ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zur Herstellung einer Leitungsdurchführung der oben
beschriebenen Art. Bei S1 wird das Leitungselement in eine Öffnung des
Wandelements eingesetzt. Bei S2 wird das Leitungselement so in und
zur Öffnung
ausgerichtet, dass ein geeigneter Ringspalt 8 zwischen Leitungs- und Wandelement
eingerichtet wird. S1 und S2 können
natürlich
zu einem Vormontagevorgang zusammengefasst werden, bei dem das Einsetzen
und Ausrichten des Leitungselements in einem Arbeitsgang erfolgt.
Bei S3 wird die Zwischenschicht 9 im Ringspalt 8 durch
Anodisieren ausgebildet. S3 erfolgt in einer Anodisierzelle, beispielsweise
nach dem Gleichstrom-Schwefelsäure-Verfahren,
dem Gleichstrom-Schwefelsäure-Oxalsäure-Verfahren,
oder dem Chromsäure-(Bengough)-Verfahren (weitere
geeignete Anodisierverfahren sind im Aluminium-Taschenbuch, S. 724
angegeben). Beispiele für
geeignete Vor- und Nachbehandlungen der zu anodisierenden Teile
sind im Aluminium-Taschenbuch auf Seite 718, Bild 11.9 angegeben.
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In
S4 wird die so hergestellte Zwischenschicht 9 fakultativ
verdichtet. Hierbei werden in der Zwischenschicht 9 vorhandene
Mikroporen verschlossen oder mindestens verkleinert. Gleichzeitig
nimmt das Volumen der Zwischenschicht 9 zu, so dass die
mechanische Festigkeit und die Dichtwirkung erhöht wird.
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Das
anhand von 7 erläuterte Verfahren kann sowohl
für einzelne
Wandelemente mit entsprechenden Leitungsdurchführungen als auch – bei geeigneter
Größe der Anodisierzelle – für ganze
Gehäuse,
welche Wandelemente mit entsprechenden Leitungsdurchführungen
aufweisen, durchgeführt
werden.
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Bei
einem nicht erfindungsgemäßen Beispiel überzieht
man vor dem Einsetzen und Ausrichten des Leitungselements 5 in
das Wandelement 1 beide Teile mit einer Anodisierungsschicht;
das Wandelement wird dann passgenau in die entsprechende Öffnung eingesetzt,
und die fixierende Fügung
zwischen beiden Elementen erfolgt anschließend durch das Verdichten und
die damit verbundene Volumenzunahme der zweistückig hergestellten Anodisierungsschicht.
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Die
beschriebenen Leitungsdurchführungen
sind beispielsweise geeignet, bei den Leistungselektronikeinheiten
den Leistungsstrom durch das Gehäuse
der Einheit zu führen. 8 und 9 zeigen
beispielhaft eine Leistungselektronikeinheit 30 zur Stromversorgung
eines Kraftfahrzeug-Starters oder -Starter/Generators 40 mit
Mehrphasenwechselstrom. Die Leistungselektronikeinheit 30 weist
ein Gehäuse 32,
einen zweipoligen Gleichstromanschluß 34 und einen z.B.
dreipoligen Wechselstromanschluß 36 auf.
Im Innern des Gehäuses 32 weist
die Leistungselektronikeinheit (nicht dargestellte) elektronische
Leistungshalbleiter auf, die aus dem zugeführten Gleichstrom den zum Betrieb
des elektrischen Starters erforderlichen Mehrphasen-Wechselstrom geeigneter
Frequenz, Amplitude und Phase erzeugt. Wird ein Starter/Generator
im Generatorbetrieb fahren – also
als Lichtmaschine – wandeln
die entsprechenden Bauteile den aufgenommenen Mehrphasen-Wechselstrom in entsprechenden
Gleichstrom um, mit dem eine nicht-dargestellte Batterie aufgeladen
wird. Die Anschlüsse 34 und 36 durchsetzen
das Gehäuse 32 in
Form von Leitungsdurchführungen
der oben beschrieben Art, sind also durch eine anodisierte Zwischenschicht 9 elektrisch
gegen das Gehäuse 32 isoliert.
Gleichzeitig dichtet die Zwischenschicht 9 den Gehäuseinnenraum
gegen die Umgebung ab. Die Verlustwärme der Bauelemente und Leiter
der Leistungselektronikeinheit ist i.a. durch eine Kühlung abführbar. Dies
kann eine direkte Kühlung
sein, bei der die zu kühlenden
Bauelemente ihre Wärme
direkt an ein Kühlfluid
(Flüssigkeit
oder Gas) abgeben, wobei es bei manchen Ausführungsformen zu einem Phasenübergang
kommt (sog. Siedebadkühlung).
Alternativ kann die Abfuhr der Wärme
zunächst über Wärmeleitung
(z.B. durch Kühlschienen)
erfolgen, welche ihrerseits gekühlt sind.
Zur Abfuhr der Verlustwärme
ist das Gehäuse
mit einem Kühlwasservorlaufanschluß 38 und
einem Kühlwasserrücklaufanschluß 39 versehen.
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9 zeigt
schematisch ein Antriebssystem eines Kraftfahrzeugs mit einem derartigen
Starter/Generator 40. Dieser sitzt beispielsweise ohne
eigenes Lager auf der Kurbelwelle 42 des Verbrennungsmotors 41, und
ersetzt das herkömmlicherweise
zwischen Verbrennungsmotor und Kupplung vorhandene Schwungrad. Der
Starter/Generator 40 ist beispielsweise eine Mehrphasen-Wechselstrommaschine
mit einem Kurzschlußläufer 43 und
einem mit einer Wicklung ausgerüsteten
Ständer 44.
Der Läufer 43 ist
bei manchen Ausführungsformen
permanent drehfest mit der Kurbelwelle 42 verbunden. Abtriebsseitig
folgen z.B. eine Kupplung 45, ein Getriebe 46,
von dem das Antriebsmoment weiter auf Antriebsräder 47 übertragen
wird. Die Leistungselektronikeinheit 30 ist am Motorblock
des Verbrennungsmotors 41 montiert. Sie weist die genannten
Mehrphasen-Wechselstromanschlüsse 36 auf,
welche z.B. als starre Leiterschienen am Ort des äußeren Umfangs
des Ständers
aus dem Gehäuse 30 herausgeführt und
mit der im Ständer 44 befindlichen
Wicklung verbunden sind. Der Gleichstromanschluß 34 ist mit einer
Starterbatterie 48 verbunden.
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Die
beschriebenen Ausführungsformen
stellen somit eine in mechanischer, thermischer und elektrischer
Hinsicht robuste Leitungsdurchführungen
bereit, die beispielsweise in Leistungselektronikeinheiten im Motorraum
von Kraftfahrzeugen den dort herrschenden mechanischen Rüttelbelastungen,
Temperaturschwankungen (auch durch wechselnde Verlustwärmen) sowie Öl-, Schmutz-
und Staubexposition gewachsen sind.