DE102022111476A1

DE102022111476A1 - Kondensatorbauteil, Verwendung eines Kondensatorbauteils und Verfahren zur Herstellung

Info

Publication number: DE102022111476A1
Application number: DE102022111476.7A
Authority: DE
Inventors: Fabio Augusto Bueno de Camargo Mello; Róbert Bösze; Balázs Császár
Original assignee: TDK Electronics AG
Current assignee: TDK Electronics AG
Priority date: 2022-05-09
Filing date: 2022-05-09
Publication date: 2023-11-09
Also published as: CN119173969A; US20250292972A1; JP2025515685A; WO2023217701A1

Abstract

Ein verbessertes Kondensatorbauteil wird bereitgestellt. Das Kondensatorbauteil umfasst eine Wärmesenke und eine Wicklung in direktem thermischen Kontakt mit der Wärmesenke.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Kondensatorbauteile, auf Verwendungsfälle von Kondensatorbauteilen und auf entsprechende Verfahren zur Herstellung von Kondensatorbauteilen.
Kondensatorbauteile stellen physikalische Verkörperungen von kapazitiven Komponenten in elektrischen Schaltungen dar. Im Allgemeinen sollten Kondensatorbauteile gute elektrische und mechanische Eigenschaften aufweisen, wie zum Beispiel eine hohe Kapazität, kleine räumliche Abmessungen und mechanische Robustheit. Außerdem ist es wünschenswert, dass Kondensatorbauteile hohen Stromdichten standhalten.
Kondensatorbauteile können in Zwischenkreisanwendungen eingesetzt werden, zum Beispiel in Hybrid- oder Elektrofahrzeugen, wo elektrische Energie in einer Batterie gespeichert und von einem Elektromotor benötigt wird, sowie in Zwischenkreisanwendungen an Stromversorgungen. Ein Wechselrichter wandelt die gespeicherte elektrische Gleichstromenergie aus der Batterie oder zum Beispiel aus einem Gleichrichter in die entsprechenden Spannungen und Ströme um, die der Elektromotor benötigt. Während des Betriebs eines solchen Wechselrichters kann es jedoch zu Spannungs- und/oder Stromspitzen kommen. Entsprechende Kondensatorbauteile tragen dazu bei, die nachteiligen Auswirkungen der Spitzen und Restwelligkeit zu verringern.
Aus WO 2013/026645 A2 oder aus WO 2018/122044 A1 sind Kondensatorsysteme bekannt.
Es besteht jedoch der Wunsch nach Kondensatorbauteilen mit verbesserten elektrischen und mechanischen Eigenschaften. Speziell wird ein Kondensatorbauteil mit verbessertem thermischen Verhalten und verbesserter elektrischer Integration in die Schaltungsumgebung gewünscht. Außerdem soll das Kondensatorbauteil eine verringerte System-Eigeninduktivität und geringere räumliche Abmessungen haben und gleichzeitig ein gewisses Maß an mechanischer Stabilität beibehalten. Des Weiteren wird ein Kondensatorbauteil mit erhöhter Vibrationsfestigkeit benötigt und ein Kondensatorbauteil, das eine kontrollierte Gasdiffusion ermöglicht, um einen Überdruck in einer Kammer zu verhindern.
Ferner soll ein solches Kondensatorbauteil mit den üblichen Spannungs- oder Strom- oder Stromdichteanforderungen in Zwischenkreisen, zum Beispiel von Elektrofahrzeugen, kompatibel sein. Zu diesem Zweck wird ein Kondensatorbauteil gemäß dem unabhängigen Anspruch bereitgestellt. Die abhängigen Ansprüche stellen bevorzugte Ausführungsformen bereit.
Das Kondensatorbauteil weist ein erstes Wicklungselement und eine Wärmesenke auf. Das erste Wicklungselement steht in direktem thermischen Kontakt mit der Wärmesenke.
Ein solches Kondensatorbauteil stellt eine verbesserte thermische Leistung im Vergleich zu konventionellen Kondensatorbauteilen bereit, bei denen die Wickelung in einem zusätzlichen Spaltrohr, zum Beispiel einem Aluminiumspaltrohr, untergebracht ist, das ein weiteres wärmeleitendes Widerstandselement darstellt, wenn Wärme vom Wicklungselement eines Kondensatorbauteils an seine Umgebung, zum Beispiel einer externen Wärmesenke, abgeleitet werden soll.
Die direkte Integration des ersten Wicklungselements des Kondensatorbauteils in die Wärmesenke und die damit verbundene monolithische Integration erhöht zudem die mechanische Stabilität und reduziert die räumlichen Abmessungen. Die Wärmesenke fungiert im Wesentlichen als Gehäuse für das erste Wicklungselement des Kondensatorbauteils.
Es ist möglich, dass das Kondensatorbauteil ein oder mehrere zusätzliche Wicklungselemente aufweist, die ebenfalls vorgesehen und geeignet sind, in direktem thermischen Kontakt mit dem Wärmesenke zu stehen. Die zwei oder mehr Wicklungselemente des Kondensatorbauteils können elektrisch parallel geschaltet werden, um eine erhöhte Kapazität und eine erhöhte Stromdichte des Kondensatorbauteils bereitzustellen.
Jedes der Wicklungselemente kann eine Kathodenfolie und eine Anodenfolie sowie eine elektrische Isolierung zwischen den beiden Folien aufweisen. Jede der beiden Folien kann mit einer der beiden Elektroden des Kondensatorbauteils elektrisch verbunden sein. Insbesondere können die beiden Elektroden des Kondensatorbauteils galvanisch voneinander getrennt sein.
Es ist möglich, dass eines oder mehrere der Wicklungselemente aus zylindrischen Wicklungen und flachen Wicklungselementen ausgewählt sind. Zylindrische Wicklungen können durch Stapeln der Folien und des Isolators zwischen den Folien und durch Aufwickeln in eine zylindrische Form erhalten werden. Ein flaches Wicklungselement kann zum Beispiel durch Wickeln der entsprechenden Folien und des Isolators um einen flachen Gegenstand wie eine rechteckige Platte, aus einer gepressten runden Wicklung oder durch Stapeln der Materialien erhalten werden, um ein Wicklungselement zu erhalten, das eine wesentlich längere Erstreckung in zwei orthogonale seitliche Richtungen hat, die senkrecht zur Wickelachse stehen.
Es ist möglich, dass das erste Wicklungselement zwei Elektroden hat, wobei eine Elektrode in direktem elektrischen Kontakt mit dem Wärmesenke stehen kann.
Eine solche Konfiguration ermöglicht kleine räumliche Abmessungen und eine gute thermische Kopplung zwischen dem Wicklungselement und der Wärmesenke. Außerdem ermöglicht der direkte Kontakt eine hohe Stromdichte des Kondensatorbauteils.
Dann kann die Wärmesenke als eine der Elektroden des Kondensatorbauteils fungieren. Speziell kann die Wärmesenke als Kathode des Kondensatorbauteils fungieren.
Es ist möglich, dass das Kondensatorbauteil weiterhin eine Abdichtung zur Abtrennung des Wicklungselements von der äußeren Umgebung aufweist.
Die Abdichtung kann eine Abdeckung umfassen. Die Abdeckung kann ein Material aufweisen oder daraus bestehen, das aus einem Metall, einem Glas, einem Hartpapier oder einer Gummischicht ausgewählt ist.
Die Wärmesenke kann einen Hohlraum und eine Öffnung aufweisen, so dass bei der Herstellung das Wicklungselement durch die Öffnung in den Hohlraum eingeführt wird. Nach einem Einsetzen des Wicklungselements in den Hohlraum wird die jeweilige Öffnung in einem Abdichtungsprozess unter Verwendung der Abdeckung verschlossen.
Es ist auch möglich, dass die Abdeckung einen Einsatz oder einen Ring aufweisend oder bestehend aus Gummi aufweist. Ein solcher Einsatz oder Ring ermöglicht es, den Hohlraum mit dem darin befindlichen Wicklungselement auf einfache Weise so abzudichten, dass eine im Wesentlichen hermetische Abdichtung erreicht wird.
Es ist möglich, dass das Kondensatorelement außerdem ein Stabilisierungselement aufweist. Das Stabilisierungselement kann aus einem schwingungsdämpfenden Element, einem Vergusselement, einer mechanischen Verriegelung, einer Rippe und einem Stift ausgewählt sein.
Das Stabilisierungselement kann monolithisch in das Material der Wärmesenke integriert sein. Ferner ist es möglich, dass das Stabilisierungselement das Wicklungselement radial oder axial zusammendrückt.
In einer solchen Konfiguration schützt das Stabilisierungselement das Kondensatorbauteil und seine Bestandteile während Phasen starker Beschleunigung, wie zum Beispiel einer mechanischen Resonanz. Darüber hinaus kann das Stabilisierungselement verwendet werden, um eine gewisse Kraft auszuüben, so dass das Wicklungselement im Wesentlichen in seiner stabilen Position fixiert ist. Dann ist die Anordnung des Wicklungselements so, dass das Wicklungselement seine Position relativ zum Wärmesenke nicht verändern kann, so dass die mechanische Stabilität erhöht wird. Ferner wird eine zusätzliche Verbesserung der thermischen Ankopplung des Wicklungselements an die Wärmesenke erreicht und ungefüllte Räume innerhalb der Wärmesenke werden verhindert, so dass die Integrationsdichte, die Kapazität pro Volumeneinheit und die Stromdichte pro Volumeneinheit des Kondensatorbauteils erhöht werden.
Es ist möglich, dass das Kondensatorbauteil eine entsprechende Öffnungsseite und eine Bodenseite aufweist. An der Öffnungsseite ist die Öffnung zum Hohlraum hin angeordnet. Die Bodenseite kann gegenüber der Öffnungsseite der Wärmesenke angeordnet sein. Die Ausnehmung in der Bodenseite der Wärmesenke ermöglicht die Anordnung des entsprechenden Anschluss an eine der beiden Folien, zum Beispiel einen Zugang zur Kathode. Das Vorhandensein der Ausnehmung vereinfacht den Anschluss der Kathode bei gleichzeitig guter Stabilität und Integrationsdichte.
Es ist möglich, dass die elektrische Kopplung zwischen dem Wicklungselement und der Wärmesenke so ist, dass der ohmsche Widerstand zwischen dem Wicklungselement und der Wärmesenke 0,6 mQ oder weniger ist, verglichen mit einem Einzelwicklungselement-Kondensatorbauteil, das mit einer negativen Stromschiene verschweißt ist zum Beispiel durch ein Lötstern-Element.
Außerdem ist es möglich, dass das Kondensatorbauteil ein Druckentlastungselement enthält.
Das Druckentlastungselement kann als Diffusionsmembran ausgeführt sein, die eine Druckentlastung vom Inneren der Wärmesenke zur äußeren Umgebung ermöglicht.
Ein solches Druckentlastungselement kann als Schutzelement dienen, das einen Überdruck während des Betriebs des Kondensatorbauteils verhindert.
Es ist möglich, dass die Kathodenfolie direkt mit der Wärmesenke verschweißt ist. Die direkte Verschweißung ermöglicht daher eine gute thermische und elektrische Kopplung zwischen dem Wicklungselement und der Wärmesenke, so dass gute thermische und elektrische Eigenschaften, insbesondere eine hohe Stromdichte, erreicht werden.
Es ist möglich, dass die Wärmesenke ein Material umfasst oder daraus besteht, das aus Aluminium und/oder Kupfer ausgewählt ist.
Ferner ist es möglich, dass das erste Wicklungselement Elektroden aufweist, die ein Material aufweisen oder daraus bestehen, das ausgewählt aus Aluminium und/oder Titan und/oder Kohlenstoff ist.
Ferner ist es möglich, dass das erste Wicklungselement ein Trennmaterial zwischen den Elektroden aufweist, wenn das Trennmaterial ein Material aufweist oder daraus besteht, das aus Papier oder synthetischem Fasergewebe oder einer Kombination aus beiden ausgewählt ist, und das gesamte Wicklungselement mit einem flüssigen Elektrolyt imprägniert werden kann oder mit einer Polymerdispersion imprägniert/beschichtet werden kann oder einer Kombination aus beiden.
Ferner ist es möglich, dass die Wärmesenke eine Anschlussklemme zur mechanischen Befestigung und elektrischen Anschluss der Wärmesenke mit einer externen Schaltungsumgebung umfasst.
Speziell ist es möglich, dass die Anschlussklemme dazu geeignet und vorgesehen ist, mechanisch befestigt und elektrisch mit einer Stromschiene verbunden zu werden, zum Beispiel eine Stromschiene eines Zwischenkreises zwischen einem Wechselrichter und einer Energiequelle, zum Beispiel einer Batterie.
Das Kondensatorbauteil kann eine Längserstreckung L, eine erste seitliche Erstreckung W und eine zweite seitliche Erstreckung H haben. Die Längserstreckung L ist senkrecht zu einer Längsebene. Die erste seitliche Erstreckung W ist senkrecht zu einer Querebene. Die zweite seitliche Erstreckung H ist senkrecht zu einer Frontalebene. Die Längserstreckung L kann 10 mm oder größer und 400 mm oder kleiner sein. Die erste seitliche Erstreckung W kann 10 mm oder größer und 150 mm oder kleiner sein. Die dritte seitliche Erstreckung H kann 10 mm oder größer und 150 mm oder kleiner sein.
Speziell ist es möglich, dass das Kondensatorbauteil so angepasst werden kann, dass es in einen entsprechenden Quader mit den angegebenen Abmessungen passt.
Wie oben erwähnt, kann das Kondensatorbauteil als Zwischenkreiskondensator verwendet werden, zum Beispiel in einem Elektrofahrzeug, Hybridfahrzeug oder Stromversorgung.
Ein Verfahren zur Herstellung eines Kondensatorbauteils wie oben beschrieben kann die folgenden Schritte aufweisen:

- Bereitstellen einer Wärmesenke und eines ersten Wicklungselements,
- Einsetzen des Wicklungselements in die Wärmesenke, so dass das erste Wicklungselement in direktem thermischen Kontakt mit der Wärmesenke steht,
- Abdichten des ersten Wicklungselements in der Wärmesenke.

Weiterhin ist es möglich, dass der direkte thermische Kontakt durch ein Schweißverfahren hergestellt wird, bei dem das erste Wicklungselement oder eine Elektrodenfolie des ersten Wicklungselements mit der Wärmesenke verschweißt wird.
Das Kondensatorbauteil kann ein Aluminiumkondensator, ein Polymerelektrolytkondensator oder ein hybrider Polymerelektrolytkondensator sein.
Der Wärmesenke kann insbesondere als Kathodenanschluss für das Kondensatorbauteil dienen.
Das Kondensatorbauteil kann mit Kundenanwendungen wie 48-Volt-Wechselrichtern, On-Board-Ladegeräten, Stromversorgungen und dergleichen kompatibel sein. Das Bauteil kann jedoch auch für Hochspannungsanwendungen verwendet werden. Die Kapazität des Kondensatorbauteils kann zwischen 100 und 20000 pF liegen, zum Beispiel 3000 µF. Die Wärmesenke kann Kühlrippen oder Schnittstellen zur elektrischen und thermischen Kopplung der Wärmesenke zu einem Kühlkreislauf aufweisen. Weiterhin kann die Wärmesenke an ein Peltier-Bauteil oder an einen Lüfter angeschlossen sein, der geeignet und eingerichtet dazu ist, dass er Luft auf die Wärmesenke bläst.
Für die Herstellung des Kondensatorbauteils sind verschiedene Optionen möglich. Speziell ist es möglich, dass ein einzelnes axiales Wicklungselement aus einer Kathodenfolie, einer Anodenfolie und einem Papierseparator aufgebaut ist. Oberhalb und unterhalb der Kathodenfolie zum Erreichen einer zylindrische Form des Wicklungselementes. Zur mechanischen Fixierung des Wicklungselements innerhalb der Wärmesenke kann Vergussmaterial verwendet werden.
Ein Rollwerkzeug zum Abdichten eines Kondensatorbauteils, wie oben beschrieben, hat eine aktive Seite, um eine Abdeckung in den Hohlraum zu drücken und gleichzeitig die Kante der Wärmesenke in Richtung der Abdeckung zu rollen, um den Hohlraum abzudichten.
Speziell ist die aktive Seite des Werkzeugs so strukturiert, dass ein Teil der aktiven Seite im Wesentlichen parallel zur Abdeckung ist, während ein anderer Teil der aktiven Seite in einem Winkel zur Kante der Wärmesenke oder einem Segment der Kante der Wärmesenke bereitgestellt ist, so dass die Kante der Wärmesenke oder das Kantenelement der Wärmesenke, das zunächst zum Werkzeug hin zeigt, zur Abdeckung hin gebogen wird, um den Hohlraum dauerhaft abzudichten. Die gebogene Kante oder das gebogene Kantenelement drückt dann - von der Außenseite des Hohlraums - die Abdeckung dauerhaft in Richtung des Hohlraums.
Zentrale Funktionsprinzipien und Details der bevorzugten Ausführungsformen sind in den beigefügten schematischen Figuren gezeigt. In den Figuren:

1 und 2 zeigen zur besseren Veranschaulichung perspektivische Ansichten von aufgeschnittenen Kondensatorbauteilen und ein mögliches Rollwerkzeug.
3 und 4 illustrieren mögliche Anordnungen der Folien und der entsprechenden Anschlusslaschen, wobei mehrere Laschen pro Folie möglich sind.
5 veranschaulicht Elemente eines Kondensatorbauteils vor der Abdichtung des Hohlraums.
6 bis 8 illustrieren entsprechend abgedichtete Hohlräume.
In ähnlicher Weise zeigen 9 und 11 Elemente des Kondensatorbauteils vor der Abdichtung, während die entsprechenden 10, 12 und 13 die abgedichteten Bauteile zeigen.
14 veranschaulicht Kondensatorbauteile mit vier einzelnen Wicklungselementen beziehungsweise einem entsprechenden flachen Einzelwicklungselement.
15 veranschaulicht eine Möglichkeit, das Kondensatorbauteil an eine Stromschiene anzuschließen.
16 bis 21 illustrieren weitere Möglichkeiten der Befestigung und des elektrischen Anschlusses des Kondensatorbauteils an eine äußere Umgebung, zum Beispiel eine Stromschiene.

1 zeigt eine perspektivische Ansicht auf vier kapazitive Elemente, WI, die in einem gemeinsamen Hohlraum einer Wärmesenke HS enthalten sind. Die Wärmesenke HS weist Befestigungslöcher MH auf, um die Wärmesenke HS mechanisch und elektrisch mit einer externen Schaltungsumgebung zu verbinden. An der Unterseite der Wärmesenke HS weist die Wärmesenke HS ferner Ausnehmungen RE auf. Speziell gibt es für jedes Wicklungselement WI eine Ausnehmung RE, die die Zuführung der Kathodenelektrode zur Wärmesenke HS des Kondensatorbauteils CC vereinfacht. Ferner ist an der Öffnung des Hohlraums der Wärmesenke HS ein Abdichtungselement SE angeordnet. Für jedes der vier Wicklungselemente WI gibt es ein gemeinsames Abdichtungselement SE. Das Abdichtungselement SE enthält vier Löcher, über die die elektrischen Kontakte EC zur Außenseite des Kondensatorbauteils CC geführt werden können.
Zusätzlich ist in 1 ein mögliches Werkzeug zum Abdichten des Hohlraums des Kondensatorbauteils CC veranschaulicht. Mit dem Werkzeug TO kann die Abdichtung SE in eine Position oberhalb der Wicklungselemente WI gepresst werden, so dass die Abdichtung SE in seitlicher Richtung durch einen Hals NE der Wärmesenke HS eingebettet wird.
2 veranschaulicht eine ähnliche Konfiguration, bei der die Befestigungslöcher MH in einer anderen Form bereitgestellt sind. Außerdem zeigt 2 einen Querschnitt durch das mögliche Abdichtungsszenario SE, so dass die Durchgangslöcher, die den Anschluss zu den externen Kontakten EC herstellen, sichtbar sind.
3 und 4 zeigen den inneren Aufbau eines entsprechenden Wicklungselements WI. Das Wicklungselement weist eine Kathodenfolie CF und eine Anodenfolie AF und eine entsprechenden Papierbogen PA auf, der zwischen den beiden Folien CF, AF angeordnet ist. Ferner ist ein zusätzlicher Papierbogen PA „hinter“ der Kathodenfolie CF angeordnet. Ferner weist das Wicklungselement Anschlusslaschen CT (einfach oder mehrfach pro Folie) zur Kontaktierung einer äußeren Umgebung auf. Speziell kann die Kathodenfolie CF mit der Wärmesenke HS elektrisch verbunden sein, während die Anodenfolie AF über die Anschlusslaschen, die durch die Abdichtung SE hindurch angeordnet sein können, elektrisch verbunden sein kann. Ferner können die Anschlusslaschen CT und die entsprechenden Folien CF, AF über Schweißpunkte WS elektrisch und mechanisch verbunden sein. Das Verschweißen kann durch Kaltpressschweißen erfolgen.
4 veranschaulicht eine ähnliche Konfiguration. Allerdings sind beide Anschlusslaschen CT auf der gleichen Seite des Wicklungselements angeordnet.
So zeigt 3 ein einzelnes axiales Wicklungselement und 4 ein Snap-in-Wicklungselement, das durch Aufwickeln der entsprechenden Folien zusammengesetzt ist. Innerhalb des Kondensatorbauteils können die Wicklungselemente mechanisch fixiert sein, zum Beispiel durch Verschweißen der Anschlusslaschen mit der Wärmesenke bei axialen Wicklungselementen oder durch Verwendung eines Vergussmaterials zur Fixierung.
5 und 6 verdeutlichen eine Möglichkeit zur Abdichtung des Hohlraums gegenüber der äußeren Umgebung des Kondensatorbauteils. 5 veranschaulicht eine Abdichtung SE aufweisend Glas, Gummi oder einer Kunststoffisolierung. In der Mitte der Abdichtung SE ist eine Anodenniete angeordnet. Über den Anodenanschluss AC ist die Anode des Wicklungselements von einer äußeren Schaltungsumgebung aus zugänglich. Die Wärmesenke HS stellt in diesem Fall den Kathodenanschluss her.
Ferner ist optional eine Diffusionsmembran DM bereitgestellt, damit ein Überdruck abgebaut werden kann.
Schweißpunkte WP können dazu verwendet werden die Anschlusslaschen des Wicklungselements mit dem externen Anodenanschluss AC zu verbinden.
Entsprechend zeigt 6 die zuvor beschriebene Konfiguration in einem abgedichteten Zustand, in dem die Abdichtung im Wesentlichen bündig mit der Oberseite der Wärmesenke HS angeordnet ist. Optional stabilisiert ein Vergussmaterial PO den unteren Abschnitt des Wicklungselements innerhalb der Wärmesenke HS mechanisch. Die Abdeckung CO kann mit der Wärmesenke verschweißt sein, um eine im Wesentlichen hermetische Abdichtung herzustellen.
Während 5 und 6 im Wesentlichen Kondensatorbauteile mit einem einzelnen Wicklungselement verdeutlichen, verdeutlichen 7 und 8 Kondensatorbauteile mit mehreren Wicklungselementen, zum Beispiel vier Wicklungselementen. In 7 weist das Kondensatorbauteil eine flache gemeinsame Anode AN auf, während in der Konfiguration gemäß 8 jedes der vier Wicklungselemente einen eigenen Anodenanschluss zur Schaltungsumgebung hat.
Die unteren Teile der 7 und 8 verdeutlichen die Möglichkeit, individuelle Trennungen zwischen den Wicklungselementen in den einzelnen Hohlräumen der Wärmesenke bereitzustellen.
9 und 10 verdeutlichen eine offene und eine geschlossene Version eines Einzelwicklungs-Kondensatorbauteils, bei dem im geschlossenen Zustand eine Kante der Wärmesenke HSE auf die Oberseite der Abdeckung gerollt ist, um die Abdichtung zu sichern.
Speziell kann ein Rollwerkzeug TO, wie in den 1 und 2 gezeigt, zum Verschließen des Hohlraums verwendet werden. Das Werkzeug TO hat eine aktive Seite, die dem Kondensatorbauteil zugewandt ist. Das Werkzeug TO ist dazu verwendbar, die Abdeckung in den oberen Teil des Hohlraums zu drücken und gleichzeitig die Kante der Wärmesenke HSE in Richtung der Abdeckung CO zu rollen, um den Hohlraum CV zu abzudichten. Die aktive Seite des Werkzeugs ist so strukturiert, dass ein Teil der aktiven Seite im Wesentlichen parallel zur Abdeckung ist, während ein anderer Teil der aktiven Seite in einem Winkel zum Kantensegment der Wärmesenke bereitgestellt ist, so dass das Kantensegment der Wärmesenke, das zunächst zum Werkzeug hin zeigt, zur Abdeckung gebogen wird, um den Hohlraum dauerhaft abzudichten. Die gebogene Kante oder das Kantenelement drückt dann dauerhaft - von der Außenseite des Hohlraums - die Abdeckung in Richtung des Hohlraums.
11 und 12 zeigen die Möglichkeit die Abdeckung in Form eines Hartpapiers mit einer Gummischicht bereitzustellen, und die Option eine mit der Gehäusewand gewellte innere Schutzschicht bereitzustellen.
13 zeigt die entsprechende Abdichtungsmethode unter Verwendung von Hartpapier in einer Version des Kondensatorbauteils mit einer Vielzahl von vier Wicklungselementen, die in dem gemeinsamen Hohlraum der Wärmesenke HS enthalten sind.
14 veranschaulicht die Möglichkeiten der Anordnung mehrerer zylindrischer Wicklungselemente, die eine Anschlusslasche CT haben, und die Möglichkeit der Anordnung eines einzelnen flachen Wicklungselements im Hohlraum der Wärmesenke HS. Im Falle der Anordnung eines einzelnen flachen Wicklungselements im Hohlraum der Wärmesenke kann das flache Wicklungselement mehrere Anschlusslaschen haben, die an der Oberseite der Wärmesenke HS angeordnet sind. Auch mehrere flache Wicklungselemente sind in ähnlicher Konfiguration möglich.
15 veranschaulicht eine Möglichkeit der Befestigung des im Wesentlichen durch die Wärmesenke HS realisierten Körpers des Kondensatorbauteils an einer äußeren Schaltungsumgebung, insbesondere der Stromschiene BB. Der Anschluss wird über einen Anschlusseinsatz CI, zum Beispiel einen Kupfereinsatz, in der Stromschiene BB hergestellt, wobei der Kupfereinsatz in die Wärmesenke, zum Beispiel in den Aluminiumkörper der Wärmesenke, eingeschraubt wird.
Demgegenüber zeigt 16 die Möglichkeit, eine Kontaktplatte CP an der Stromschiene BB bereitzustelle, so dass ein entsprechender Anschlussbereich der Wärmesenke HS mit der Anschlussplatte CP der Stromschiene BB verschweißt werden kann.
17 zeigt eine weitere Möglichkeit der Befestigung der Wärmesenke HS an der Stromschiene BB: Jede Längsseite der Wärmesenke HS kann an entsprechenden Befestigungsflächen gesichert werden, zum Beispiel über zwei Schrauben SC.
18 veranschaulicht weitere perspektivische Ansichten des in 17 dargestellten Befestigungsverfahrens. Speziell zeigt 18 die Möglichkeit, einen Kragen COL an der Oberseite an der Abdichtung der Wärmesenke HS anzubringen, so dass der Kragen COL einen Anschlussbereich für den Anschluss an die Stromschiene bietet.
19 zeigt eine weitere Möglichkeit der Befestigung der Wärmesenke HS an der Stromschiene BB: Die Wärmesenke HS weist L-förmige Anschlussbereiche LSCA auf, so dass die Stromschiene BB mit den vertikalen Abschnitten der L-förmigen Anschlussbereiche verschweißt ist. Die Anzahl der Schweißpunkte kann ein, zwei, drei, vier oder mehr betragen. Speziell ist eine Mehrzahl von zwei oder mehr bevorzugt, um die Befestigungsbereiche gegen Drehmomentkräfte zu stabilisieren.
Die 20 und 21 veranschaulichen weitere Stufen der Integration des Kondensatorbauteils in externe Systeme wie den Systemkühlkreislauf (zum Beispiel Wasserkühlung, Luftkühlung) und Halbleiter.
Das Kondensatorbauteil ist nicht durch die oben beschriebenen oder in den Figuren dargestellten technischen Merkmale beschränkt. Das Kondensatorbauteil kann weitere Montageanschlüsse und elektrische Anschlüsse aufweisen, um das Kondensatorbauteil elektrisch und mechanisch weiter in eine äußere Umgebung zu integrieren und zu verbinden.
Liste der Bezugszeichen

AC: Anodenanschluss
ACT: Anodenanschlusslasche
AF: Anodenfolie
BB: Stromschiene
CC: Kondensatorbauteil
CF: Kathodenfolie
CI: Anschlusseinsatz
CO: Abdeckung
COL: Kragen
CP: Anschlussplatte
CT: Anschlusslasche
CV: Hohlraum
DM: Diffusionsmembran
EC: externer Kontakt
HS: Wärmesenke
HSE: Wärmesenkerand
LSCA: L-förmiger Anschlussbereich
MH: Befestigungsloch
NE: Hals
PA: Papier
PO: Vergusss
RE: Ausnehmung
SE: Abdichtung
TC: thermischer Anschluss
TO: Abdichtungswerkzeug
WI: Wicklungselement
WS: Schweißpunkt

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

WO 2013026645 A2 [0004]
WO 2018122044 A1 [0004]

Claims

Kondensatorbauteil aufweisend - ein erstes Wicklungselement und eine Wärmesenke, wobei - das erste Wicklungselement in direktem thermischen Kontakt mit der Wärmesenke steht.
Kondensatorbauteil nach dem vorhergehenden Anspruch, aufweisend eine oder mehrere zusätzliche Wicklungselemente in direktem thermischen Kontakt mit der Wärmesenke.
Kondensatorbauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein oder mehrere Wicklungselemente aus zylindrischen Wicklungen und/oder Flachwicklungen und/oder Stapeln ausgewählt sind.
Kondensatorbauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das erste Wicklungselement zwei Elektroden aufweist und eine Elektrode in direktem elektrischen Kontakt mit der Wärmesenke steht.
Kondensatorbauteil nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Wärmesenke einen Außenkontakt des Kondensatorbauteils herstellt.
Kondensatorbauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner aufweisend eine Abdichtung zur Abtrennung des Wicklungselements von der äußeren Umgebung.
Kondensatorbauteil nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Abdichtung eine Abdeckung aufweist, die aufweist bestehet aus einem Material, das aus einem Metall, einem Glas, einem Hartpapier, einer Gummischicht oder einer Kombination davon ausgewählt ist.
Kondensatorbauteil nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Abdeckung ferner einen Einsatz oder einen Ring aufweist, der Gummi, Kunststoff oder Glas aufweist oder daraus besteht.
Kondensatorbauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner aufweisend ein Stabilisierungselement, das ausgewählt ist aus einem schwingungsdämpfenden Element, einem Vergusselement, einer mechanischen Verriegelung, einer Rippe, einem Stift.
Kondensatorbauteil nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei das Stabilisierungselement monolithisch in das Material der Wärmesenke integriert ist und/oder das Wicklungselement radial oder axial zusammendrückt.
Kondensatorbauteil nach dem vorhergehenden Anspruch, umfassend eine Öffnungsseite und eine Bodenseite und eine Ausnehmung in der Bodenseite.
Kondensatorbauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein ohmscher Widerstand zwischen dem Wicklungselement und der negativen Stromschiene 0,6 mQ oder weniger ist.
Kondensatorbauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner aufweisend ein Druckentlastungselement.
Kondensatorbauteil nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei das Druckentlastungselement eine Diffusionsmembran ist, die eine Druckentlastung vom Inneren der Wärmesenke zu der äußeren Umgebung ermöglicht.
Kondensatorbauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Kathodenfolie direkt mit der Wärmesenke verschweißt ist.
Kondensatorbauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei - die Wärmesenke ein Material aufweist oder daraus besteht, das aus Cu und/oder Al ausgewählt ist, - das erste Wicklungselement Elektroden aufweist, die ein Material, das ausgewählt aus Al, Ti, Kohlenstoff und/oder einer Kombination davon, aufweisen oder daraus bestehen, - das erste Wicklungselement ein Trennmaterial zwischen den Elektroden aufweist, wobei das Trennmaterial ein Material aufweist oder daraus besteht, das aus Papier oder synthetischem Fasergewebe oder einer Kombination aus beiden ausgewählt ist, und das gesamte Wicklungselement mit einem flüssigen Elektrolyten imprägniert oder mit einer Polymerdispersion imprägniert/beschichtet sein kann oder eine Kombination aus beidem.
Kondensatorbauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Wärmesenke eine Anschlussklemme zur mechanischen Befestigung und elektrischen Anschluss der Wärmesenke mit einer externen Schaltungsumgebung aufweist.
Kondensatorbauteil nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei eine Anschlussklemme zur mechanischen Befestigung und elektrischen Anschluss mit einer Stromschiene geeignet und vorgesehen ist.
Kondensatorbauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit - einer Längserstreckung L senkrecht zu einer Längsebene, - eine erste seitliche Erstreckung W senkrecht zu einer Querebene und - eine zweite seitliche Erstreckung H senkrecht zu einer Frontalebene mit 10 mm ≤ L ≤ 450 mm, 10 mm ≤ B ≤ 100 mm, 10 mm ≤ H ≤ 100 mm.
Kondensatorbauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche - verwendend ein Abdichtungselement (Abdeckscheibe) aufweisend eine Gummischicht, wobei das Abdichtungselement (Abdeckscheibe) eine nicht zylindrische Form aufweist und das offene Ende der Wärmesenke entlang des Umfangs des nicht zylindrischen Abdichtungselements (Abdeckscheibe) formschlüssig in die Gummischicht der Abdeckscheibe eingedrückt ist, - bereitstellend eine dichte Abdichtung der Wicklungselemente innerhalb der Wärmesenke und eine mechanischen Fixierung der Wicklungselemente durch Anpressen der Wicklungselemente an den Boden der Wärmesenke - steuernd die Anpresskraft zur Fixierung der Wicklungselemente durch einen festen Abstand zwischen dem Abdichtungselement (Abdeckscheibe) und dem Boden der Wärmesenke (nach dem Verschließen/Dichten des Kondensatorelements).
Kondensatorbauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner aufweisend einen Anschluss zwischen der Kondensator-Aluminiumwärmesenke und einer Kupferstromschiene unter Verwendung eines der folgenden Verfahren: - über einen Schraubanschluss mit einem Unterlegscheibenelement, die Unterlegscheibe kann aus einem Kupfer-Aluminium-überzogenen Material hergestellt sein und die Unterlegscheibe ist so platziert, dass der Kupferteil in Kontakt mit der Kupferstromschiene und der Aluteil in Kontakt mit der Wärmesenke ist, - über einen direkten Schweißkontakt der Kupferstromschiene auf der Wärmesenke durch Rührreibschweißen, - über ein Kupferkontaktelement (Band/Platte), das mit der Wärmesenke verschweißt ist; die Kupferstromschiene ist dann mit dem Kupferkontaktelement verbunden, - über ein Kupferkontaktelement (Einsatz), das durch Drehen und Drücken fest in ein Loch in der Wärmesenke eingepasst ist; die Kupferstromschiene ist auf dem Kupferkontaktelement (Einsatz) verbunden; - über ein kupferüberzogenes Kontaktelement (Zweistoffstreifen/Platte/Stromschiene), das mit der Wärmesenke verbunden ist, so dass sein Al-Teil mit der Wärmesenke verbunden ist und sein Kupferteil frei ist, um es mit einer Kupferstromschiene zu verbinden.
Kondensatorbauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein thermischer Kontakt zwischen der Oberfläche der kapazitiven Elemente und der Wärmesenke mit thermischem Kontaktwiderstand weniger als 6 K/W.
Verwendung des Kondensatorbauteils nach einem der vorhergehenden Ansprüche als Zwischenkreiskondensator.
Verfahren zur Herstellung eines Kondensatorbauteils nach einem der Ansprüche 1 bis 19, das die folgenden Schritte aufweist: - Bereitstellen einer Wärmesenke und eines ersten Wicklungselements, - Einsetzen des Wicklungselements in die Wärmesenke, so dass das erste Wicklungselement in direktem thermischen Kontakt mit der Wärmesenke steht, - Abdichten des ersten Wicklungselements in der Wärmesenke.
Rollwerkzeug zum Abdichten eines Kondensatorbauteils nach einem der Ansprüche 1 bis 19 und 22, aufweisend - eine aktive Seite zum Drücken einer Abdeckung in den Hohlraum und - gleichzeitigem Rollen der Kante der Wärmesenke in Richtung der Abdeckung, um den Hohlraum abzudichten.