DE102015202196B4

DE102015202196B4 - Verfahren zur Herstellung eines Kühlkörpers für einen Frequenzumrichter und Frequenzumrichter

Info

Publication number: DE102015202196B4
Application number: DE102015202196.3A
Authority: DE
Inventors: Dieter Tanner; Beat Heim
Original assignee: Schmidhauser AG
Current assignee: Lenze Swiss AG
Priority date: 2015-02-06
Filing date: 2015-02-06
Publication date: 2021-03-25
Anticipated expiration: 2035-02-07
Also published as: DE102015202196A1

Abstract

Verfahren zur Herstellung eines Kühlkörpers (1) für einen Frequenzumrichter (7), wobei der Kühlkörper (1) aufweist:- einen Grundkörper (2) mit einem Kühlluftkanal (3) und- eine Anzahl von Kühlrippen (4), wobei die Kühlrippen (4) in dem Kühlluftkanal (3) angeordnet sind, wobei das Verfahren die Schritte aufweist:- Herstellen der Kühlrippen (4),- Einlegen der Kühlrippen (4) in ein Gießwerkzeug (5), wobei das Gießwerkzeug (5) die Form des Grundkörpers (2) definiert, und- Einbringen einer Metallschmelze in das Gießwerkzeug (5) zum Herstellen des Grundkörpers (2) und zum Erzeugen einer stoffschlüssigen Verbindung zwischen dem Grundkörper (2) und den Kühlrippen (4).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Kühlkörpers für einen Frequenzumrichter und einen Frequenzumrichter.
Die DE 10 2007 046 684 B3 zeigt ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Herstellen eines Flachprofils, insbesondere eines Kühlkörpers für Halbleiterelemente.
Die DE 296 07 354 U1 zeigt ein elektrisches Gerät mit einem zu kühlenden elektrischen Leistungsbauelement.
Die DE 199 04 279 B4 zeigt eine Halbleitervorrichtung mit einem Kühlkörper.
Die DE 698 19 018 T2 zeigt ein Herstellungsverfahren für ein Kühlelement und ein Kühlelement. Bei dem Verfahren zum Herstellen des Kühlelements wird ein sogenanntes Einsatzpaket aus Lamellen durch Zusammenpressen mehrerer Lamellen nebeneinander derart angefertigt, dass ein Luftschlitz zwischen den Lamellen verbleibt, das Einsatzpaket in einer Ausnehmung in einem Kernteil einer Gießform angeordnet und geschmolzenes Metall in die geschlossene Gießform zugeführt wird, wobei die Gießform den Kernteil und ein Formteil aufweist.
Die DE 100 53 240 A1 zeigt einen Kühlkörper für Halbleiterelemente, ein Verfahren zu seiner Herstellung sowie ein Formwerkzeug dafür. Das Formwerkzeug ist als Gießkokille mit einem Formraum für eine Grundplatte ausgebildet, wobei dieser Formraum einen Bereich zur Aufnahme von Sockelstreifen von Kühlrippen aufweist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eines Kühlkörpers für einen Frequenzumrichter und einen Frequenzumrichter zur Verfügung zu stellen, die eine hohe Leistungsdichte und eine einfache Fertigbarkeit des Frequenzumrichters ermöglichen.
Die Erfindung löst diese Aufgabe durch ein Verfahren zur Herstellung eines Kühlkörpers für einen Frequenzumrichter nach Anspruch 1 und einen Frequenzumrichter nach Anspruch 9.
Das erfindungsgemäße Verfahren dient zur Herstellung bzw. Fertigung eines Kühlkörpers für einen Frequenzumrichter.
Der Kühlkörper weist einen, insbesondere metallischen, Grundkörper mit einem Kühlluftkanal und eine Anzahl von Kühlrippen oder Kühlfinnen auf, wobei die Kühlrippen in dem Kühlluftkanal, insbesondere in Längsrichtung des Kühlluftkanals, angeordnet sind. Der Kühlluftkanal kann eine nach oben offene U-Form aufweisen.
Das Verfahren weist folgende Schritte auf.
Die Kühlrippen werden getrennt von dem Grundkörper hergestellt bzw. gefertigt.
Die Kühlrippen werden anschließend in ein Gießwerkzeug bzw. in ein hierfür ausgestaltetes Element eines mehrelementigen Gießwerkzeugs eingelegt bzw. eingesetzt, wobei das Gießwerkzeug bzw. dessen geometrische Gestaltung die Form des Grundkörpers definiert.
Nach dem Einlegen der Kühlrippen wird Metallschmelze in das Gießwerkzeug, gegebenenfalls unter hohem Druck, eingeleitet, wodurch der Grundkörper erzeugt wird. Gleichzeitig wird eine stoffschlüssige Verbindung zwischen dem Grundkörper und den Kühlrippen hergestellt. Das Gießwerkzeug kann derart ausgestaltet sein, dass die stoffschlüssige Verbindung zwischen dem Grundkörper und den Kühlrippen nur in bestimmten Bereichen der Kühlrippen bewirkt wird, beispielsweise in Bereichen der Kühlrippen, die dem Kühlluftkanal am nächsten liegen.
Die Kühlrippen können mittels Strangpressen hergestellt werden. Beispielsweise können aus stranggepressten flachen Endlosprofilen mittels Stanzen die Kühlrippen formgebend vereinzelt werden, wobei mittels geeigneter Stanzwerkzeuge gewünschte Umrisse herstellbar sind.
Die Kühlrippen können derart in das Gießwerkzeug eingelegt werden, dass sich die Kühlrippen in einer Längsrichtung des Kühlkanals erstrecken.
Die Kühlrippen können parallel zueinander und hochkant in das Gießwerkzeug eingelegt werden, wobei ein Abstand zwischen benachbarten Kühlrippen in einem Bereich zwischen 3 mm und 7 mm liegt. Der Abstand kann genau 5 mm betragen.
Die Kühlrippen können eine Dicke in einem Bereich zwischen 1 mm und 1,4 mm aufweisen. Die Dicke kann genau 1,2 mm betragen.
Die Kühlrippen können eine (maximale) Höhe in einem Bereich zwischen 40 mm und 60 mm aufweisen, wobei die Kühlrippen ein Höhenprofil aufweisen können.
Die Kühlrippen können eine Länge in einem Bereich zwischen 160 mm und 200 mm aufweisen. Die Länge kann genau 180 mm betragen.
Die Anzahl der Kühlrippen kann in einem Bereich zwischen 8 und 12 liegen.
Das Werkzeug kann derart ausgebildet sein, dass der Grundkörper eine Kontaktfläche aufweist, die zur wärmeleitenden Kopplung mit einem Leistungshalbleiterbauelement des Frequenzumrichters vorgesehen ist.
Der erfindungsgemäße Frequenzumrichter weist mindestens ein wärmeerzeugendes Leistungshalbleiterbauelement auf, beispielsweise in Form eines oder mehrerer insulated-gate bipolar Transistor (IGBT)-Module.
Der Frequenzumrichter weist weiter einen Kühlkörper zum Kühlen des Leistungshalbleiterbauelements auf, wobei der Kühlkörper mit einem oben beschriebenen Verfahren hergestellt ist.
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen detailliert beschrieben. Hierbei zeigen:

1 einen Frequenzumrichter in perspektivischer Darstellung,
2 einen Kühlkörper des in 1 gezeigten Frequenzumrichters in perspektivischer Explosionsdarstellung,
3 den in 2 gezeigten Frequenzumrichters in perspektivischer Darstellung nach einem Gießvorgang,
4 einen Teil eines Gießwerkzeugs, das zur Herstellung des in 3 gezeigten Kühlkörpers vorgesehen ist, und
5 den in 3 gezeigten Kühlkörper in perspektivischer Darstellung aus einer weiteren Perspektive.

1 zeigt einen Frequenzumrichter 7 in perspektivischer Darstellung. Der Frequenzumrichter 7 dient herkömmlich zur Ansteuerung eines nicht dargestellten Drehstrom-Elektromotors.
2 zeigt einen Kühlkörper 1 des in 1 gezeigten Frequenzumrichters 7 in perspektivischer Explosionsdarstellung. Der Kühlkörper 1 kann beispielsweise vollständig aus Aluminium bestehen.
Der Kühlkörper 1 weist einen Grundkörper 2 mit einem Kühlluftkanal 3 auf. Der Kühlkörper 1 weist weiter eine Anzahl von elf Kühlrippen 4 auf, wobei die Kühlrippen 4 in dem Kühlluftkanal 3 in Längsrichtung, parallel zueinander, äquidistant angeordnet sind. Aufgrund der schematischen Explosionsdarstellung sind die Kühlrippen 4 oberhalb des Kühlluftkanals 3 dargestellt. In einem Funktionszustand des Kühlkörpers 1 sind die Kühlrippen 4 mit einer Oberfläche des Kühlluftkanals 3 stoffschlüssig verbunden, wie dies in 3 gezeigt ist.
Die Kühlrippen 4 sind mittels Alu-Strangpressen hergestellt und der Grundkörper 2 ist mittels eines Alu-Gießverfahrens hergestellt, wobei während des Gießens eine stoffschlüssige Verbindung zwischen den Kühlrippen 4 und dem Grundkörper 2 bewirkt wird, indem die Kühlrippen 4 teilweise umgossen werden.
Bezugnehmend auf 4 werden hierzu die Kühlrippen 4 derart parallel zueinander in ein Gießwerkzeug 5 (das Gießwerkzeug 5 ist vorliegend nur ausschnittsweise dargestellt) eingelegt, dass diese sich in einer Längsrichtung des Kühlkanals 3 erstrecken, wobei ein Abstand A (siehe 2) zwischen benachbarten Kühlrippen 4 ca. 5 mm beträgt. Die Kühlrippen 4 weisen jeweils eine Dicke D von ca. 1,24 mm und jeweils eine maximale Höhe H von 50 mm auf. Die Kühlrippen sind an ihrer dem Grundkörper 2 zugewandten Seite in Längsrichtung profiliert.
Beim Gießen ergibt sich aufgrund der Ausgestaltung des Gießwerkzeugs 5 eine stoffschlüssige Verbindung zwischen den Kühlrippen 4 und dem entstehenden Grundkörper 2.
Bezugnehmend auf 5 weist der Grundkörper 2 eine Kontaktfläche 6 auf, die zur wärmeleitenden Kopplung mit einem nicht näher dargestellten Leistungshalbleiterbauelement des Frequenzumrichters 7 vorgesehen ist.
Der erfindungsgemäße Kühlkörper weist mit seinen Kühlrippen 4, die fein strukturiert und eng benachbart angeordnet sind, eine hohe Kühlleistung auf, wodurch hohe Leistungsdichten möglich sind. Derart fein strukturierte und eng benachbart angeordnete Kühlrippen 4 sind mittels eines herkömmlichen Gießverfahrens jedoch nicht herstellbar. Das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren ermöglicht es, den Grundkörper 2 in einfacher Weise und kostengünstig mittels Gießen herzustellen, wobei durch das Vorfertigen der Kühlrippen 4 und das Einsetzen der Kühlrippen 4 in das Gießwerkzeug die erforderliche Strukturierung erreicht werden kann. Durch die erfindungsgemäße Kombination von zwei Herstellungsverfahren kann ein optimaler Kompromiss zwischen Kühlleistung einerseits und Herstellungskosten andererseits erzielt werden.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Kühlkörpers (1) für einen Frequenzumrichter (7), wobei der Kühlkörper (1) aufweist: - einen Grundkörper (2) mit einem Kühlluftkanal (3) und - eine Anzahl von Kühlrippen (4), wobei die Kühlrippen (4) in dem Kühlluftkanal (3) angeordnet sind, wobei das Verfahren die Schritte aufweist: - Herstellen der Kühlrippen (4), - Einlegen der Kühlrippen (4) in ein Gießwerkzeug (5), wobei das Gießwerkzeug (5) die Form des Grundkörpers (2) definiert, und - Einbringen einer Metallschmelze in das Gießwerkzeug (5) zum Herstellen des Grundkörpers (2) und zum Erzeugen einer stoffschlüssigen Verbindung zwischen dem Grundkörper (2) und den Kühlrippen (4).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass - die Kühlrippen (4) mittels Strangpressen hergestellt werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass - die Kühlrippen (4) derart in das Gießwerkzeug (5) eingelegt werden, dass diese sich in einer Längsrichtung des Kühlkanals (3) erstrecken.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass - die Kühlrippen (4) parallel zueinander in das Gießwerkzeug (5) eingelegt werden, wobei ein Abstand (A) zwischen benachbarten Kühlrippen (4) in einem Bereich zwischen 3 mm und 7 mm liegt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass - die Kühlrippen (4) eine jeweilige Dicke (D) in einem Bereich zwischen 1 mm und 1,4 mm aufweisen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass - die Kühlrippen (4) eine jeweilige Höhe (H) in einem Bereich zwischen 40 mm und 60 mm aufweisen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass - die Anzahl der Kühlrippen (4) in einem Bereich zwischen 8 und 12 liegt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass - das Werkzeug derart ausgebildet wird, dass der Grundkörper (2) eine Kontaktfläche (6) aufweist, die zur wärmeleitenden Kopplung mit einem Leistungshalbleiterbauelement vorgesehen ist.
Frequenzumrichter (7), aufweisend: - mindestens ein wärmeerzeugendes Leistungshalbleiterbauelement und - einen Kühlkörper (1) zum Kühlen des Leistungshalbleiterbauelements, wobei der Kühlkörper (1) mit einem Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche hergestellt ist.