CN108668500A - 用于电子模块的保护壳体和组装方法 - Google Patents

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Abstract

用于电子模块的保护壳体和组装方法。本发明涉及用于电子模块的保护壳体和相应的将保护壳体与电子模块组装的方法。保护壳体包括：壳，其限定用于容纳电子功能组件的内室；冷却元件，其包括盖板、第一侧板和第二侧板，第一侧板和第二侧板从盖板延伸并且彼此面对，从而形成冷却元件的内表面、外表面和边缘，冷却元件的所述内表面的至少一部分覆盖壳以形成内室的覆盖件；至少一个切口，其为盖板的用于利用电绝缘材料填充内室的部分；至少一个第一通道，其部分地形成盖板，其中第一通道连接冷却元件的相反的边缘并增大内室的容积，并且所述内室以在所述第一通道的至少一部分留有空隙的方式填充有电绝缘材料。

Description

用于电子模块的保护壳体和组装方法
技术领域
本发明涉及用于电子模块的保护壳体和相应的将保护壳体与电子模块组装的方法。
背景技术
电力电子设备借助于诸如固态电子设备等电子功能组件控制和转换电力。这对于电力电子设备被紧凑地组装的特定应用(例如为便携式装置充电)是必要的。这一方面导致紧密包装的电子设备需要电绝缘保护的事实，另一方面，冷却构思尤其重要。
此外，对于潜在的户外应用，电力电子设备需要在多尘和潮湿的环境中安全运行。这里，必须遵守IP6x和IPx7的防护等级。
如通常所知的，所谓的IP规范(侵入保护)涉及防止固体颗粒和液体侵入。根据标准DIN EN 60529[DIN EN 60529(VDE 0470-1):2014-09壳体防护等级(IP-规范)(IEC60529:1989+A1:1999+A2:2013)；德文版EN 60529:1991+A1:2000+A2:2013.VDE-Verlag，Berlin]，壳体能够防尘(IP6x)并提供暂时性浸没防护(IPx7)。
为了按照防护等级IPx6和IPx7密封电力电子设备的壳体，从欧洲专利EP 2 227929 B1中已知的是，用于容纳电子单元的杯状元件填充有填充材料并且覆盖有冷却元件。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于电子模块的保护壳体及其相关的制造方法，其一方面允许遵守适于在潮湿和多尘区域中操作的防护等级，另一方面，通过设置具有改进的冷却构思的紧凑设计的壳体允许大幅降低制造成本和复杂度。
该目的通过独立方案的主题得到了解决。本发明的有利实施方式是从属方案的主题。
本发明基于以下构思：用于电子模块的保护壳体包括壳，该壳限定了用于容纳电子功能组件的内室。在有利的实施方式中，壳可以由例如塑料的电绝缘材料制成。因此，壳本身与电子功能组件绝缘。此外，这种壳能够由轻质材料制造。
根据本发明，保护壳体还包括具有盖板、第一侧板和第二侧板的冷却元件，第一侧板和第二侧板从盖板延伸并且彼此面对，从而形成冷却元件的内表面、外表面和边缘，其中冷却元件的所述内表面的至少一部分覆盖壳以形成内室的覆盖件。
除了盖板之外，冷却元件还包括两个侧板。因此，冷却元件的用于向外部辐射热的表面增大。结果，能够更有效地冷却电力电子单元，因而能够增加电子功能组件的寿命。
保护壳体还包括作为盖板的一部分的至少一个切口以及部分形成盖板的至少一个第一通道，其中第一通道连接冷却元件的相反的边缘并且增大内室的容积。
在组装好的状态下，保护壳体具有内室，利用电绝缘填充材料通过切口填充内室。因此，电子功能组件被密封并且电绝缘。因此，电子组件能够被更紧密地包装。此外，保护壳体是防水的并且不受外部颠簸、振动和冲击的影响。有利地，填充材料是阻燃的并且符合适用的例如根据UL94V0的标准规定。
通过通道，能够使内室在填充过程中通风。因此，改善了填充过程并且避免了气穴。另外，当填充材料固化并且保护壳体被组装好时，可以将通道中的空隙连接到冷却流体，因而能够进一步提高冷却效率。
有利地，保护壳体还包括传热元件和连接至电子功能组件的热耦合元件，其中传热元件连接热耦合元件和冷却元件。因此，将热更有效地从产热电子设备传递到热辐射冷却元件。
制造壳的特别经济的方式是通过注射成型制造。有利地，壳具有底部和从底部延伸的至少一个侧壁。
根据有利的实施方式，壳包括配置于底部的外周缘处的至少一个凹槽，其中冷却元件的第一侧板和第二侧板中的至少一者至少部分地***凹槽。这样的凹槽简化了安装过程。
壳的侧壁的至少一个第一部分可以进一步包括用于第一电缆的至少一个第一馈通件。另外，侧壁的至少第二部分可以进一步包括用于第二电缆的第二馈通件。
根据本发明的有利实施方式，第一通道与第一侧板邻接。优选地，保护壳体可以包括部分形成盖板的第二通道，其中第二通道连接冷却元件的相反的边缘，增大了内室的容积并且与第二侧板邻接。这种邻接的通道使得侧壁能够至少部分地延伸到第一通道和/或第二通道中，因而改善了组装过程。
制造冷却元件的特别经济的方式是通过冲压并弯曲单件式金属片制造。然而，对于本领域技术人员而言清楚的是，可以通过任意其它工艺(例如铸造)来制造冷却元件。此外，材料不限于诸如铝的金属。任意具有高热导率的材料都可以用于使热有效地分布于冷却元件。有利地，冷却元件涂覆有辐射增强材料层。这种涂层可以是黑色涂料或黑色漆。因此，能够增大散热率。对于本领域的技术人员而言清楚的是，通过增大冷却元件的表面提高了冷却效率。例如，形成于冷却元件的肋和/或具有颗粒的涂层能够进一步增大表面，从而增大散热率。
本发明还涉及一种组装电子模块的方法，该方法包括以下步骤：
设置壳，其限定用于容纳电子功能组件的内室；
将功能组件***所述内室；
设置冷却元件，冷却元件包括盖板、第一侧板和第二侧板，第一侧板和第二侧板从盖板延伸并且彼此面对，从而形成冷却元件的内表面、外表面和边缘；
利用冷却元件的内表面的至少一部分覆盖壳以形成内室的盖板；
将盖板的至少一部分切除；
在盖板中形成至少一个第一通道，其中第一通道连接冷却元件的相反的边缘并且增大内室的容积；以及
以在第一通道的至少一部分留有空隙的方式利用电绝缘材料填充内室。
有利地，根据本发明的组装方法还包括设置连接至电子功能组件的传热元件和热耦合元件，其中传热元件连接热耦合元件和冷却元件。
由于封闭在内室中的空气能够通过通道逸出，所以该组装方法是特别有利的。此外，避免了在填充物中混入气泡。
附图说明
附图并入说明书中并形成说明书的一部分以图示本发明的若干实施方式。这些附图与说明一起用于解释本发明的原理。这些附图仅是为了图示如何做出并使用本发明的优选和可选的示例的目的，而不被解释成将本发明限制为图示的和所说明的实施方式。此外，实施方式的若干方案可以单独或以不同组合地形成根据本发明的解决方案。因此，能够单独理解或以其任意组合的方式理解以下说明的实施方式。如附图所示，其他特征和优点将从以下本发明的各种实施方式的更具体的说明中变得显而易见，其中用相同的附图标记指代相同的元件，其中：
图1是根据本发明的电力电子单元的示意性分解图；
图2示出了根据本发明的安装好的电力电子单元的立体图；
图3示出了沿着图4的线III-III的截面图；
图4示出了图2的俯视平面图；
图5示出了沿着图3的线V-V的截面图；
图6示出了图5的细节VI。
具体实施方式
现在将参照附图更详细地说明本发明，首先参照图1，图1示出了能够得益于根据本发明的创意的电力电子单元100的示意性分解图。
将诸如二极管和晶体管等有源电子装置组装于电路载体、优选地组装于印刷电路板(PCB)140，以形成电子功能组件104。电子功能组件104可以是任何类型的电力转换***，诸如用于将输入功率转换成输出功率的转换器(例如DC-到-DC或AC-到-AC)或整流器(例如AC-到-DC或DC-到-AC)。电子功能组件104包括能够连接到输入端子的主级侧输入电缆(primary sided input cable)142。在次级侧，能够经由输出电缆144将用电设备连接到电子功能组件104。图1示出那些电缆142、144设置有扭结(kink)保护元件。这些扭结保护元件防止电缆142、144在馈通件(feed-through)134、136处太急地弯曲。
根据本发明，电子功能组件104容纳在壳102内。有利地，通过将电绝缘塑料材料注射成型为一侧开放的盒来形成壳102。如图1所示，壳102可以具有底部128和侧壁130。底部128具有基本上为矩形的截面，底部128与侧壁130限定用于接收电子功能组件104的内室103。当然，还能够为底部128选择任意其他适合的截面，例如圆形截面、椭圆形截面或任意其他多边形截面。有利地，壳102形成几乎完全封闭的一侧开放的盒，其中壳102在其第一端部处和第二端部处具有第一开口146和第二开口148。
借助于包括安装到电子功能组件104的第一馈通件134和第二馈通件136的插头使这些开口146、148封闭。第一馈通件134和第二馈通件136包括输入电缆142和输出电缆144。另外，各插头均可以具有适合开口146、148的轮廓形状。在图1所示的实施方式中，插头由电绝缘的柔性材料、优选地由塑料材料形成，并且具有一侧为圆形的矩形的形状。有利地，插头设置有扭结保护元件。当然，还能够为插头选择任意其他适合的截面，例如圆形截面、椭圆形截面或任意其他多边形截面。有利地，插头具有用于部分地接收侧壁130的凹槽。
如将从图5中变得更明显地，壳102还包括凹槽132。如图1所示，凹槽132配置于壳102的外周缘。有利地，凹槽132沿着底部128和侧壁130的边缘延伸。这些凹槽132用于将冷却元件106的侧板110、112安装到壳102。
冷却元件106形成壳102的覆盖件。有利地，通过冲压并弯曲单件式金属片来制造冷却元件106。如图1所示，冷却元件106具有利用盖板108、第一侧板110和第二侧板112(在图1中被隐藏)形成的U形截面。有利地，冷却元件106由例如铝的具有高热导率的轻质材料制成。在图1中未示出的是，冷却元件106还可以包括增大冷却元件106的热辐射功率的涂层。这种涂层可以是例如任意黑色涂料或黑色漆。
根据本发明的冷却元件106在盖板108与侧板110、112之间的边缘处形成两个通道122、138。如图1所示，通道122、138连接盖板108的相反的边缘。如将从图5和图6中变得更明显地，通道122、138是盖板中的凸起，其中由冷却元件106的侧板110、112形成通道122、138的一侧。当然，本发明不限于两个通道。还可以在盖板108中形成单个通道或任意其它数量的通道，以连接盖板108的相反的边缘118。此外，通道不必平行于侧板110、112。例如，通道可以在盖板108中形成对角连接。
盖板108具有至少一个、优选地两个切口120。例如如图2所示，利用填充材料通过切口120填充组装好的保护壳体。
如图1所示，根据本发明的一个实施方式的盖板108包括用于紧固构件的孔150。附加地，为了将盖板108机械地安装到壳102的侧壁130，可以将紧固板152安装到盖板108。
根据本发明的电力电子单元100的组装好的构造将从图2的立体图中变得更明显。冷却元件106覆盖壳102。第一侧板110和第二侧板112(在图2中被隐藏)的端部区域被接收在壳102的凹槽132中，并且优选地与壳102夹紧。附加地或可选地，通过穿过盖板108的紧固构件151将冷却元件106安装到壳102的底部128。可以将冷却元件106的紧固板152例如粘附地安装到壳102的侧壁130。
由具有高热导率的材料制成的冷却元件106的侧板110、112覆盖由电绝缘材料制成的壳102的侧壁130。侧板110、112与盖板108热连接，因而，增大了冷却元件106的用于散热的表面。结果，能够通过冷却元件106更有效地冷却电力电子单元100。
图4示出了组装好的电力电子单元100的俯视图，图3示出了图4的截面图。在组装状态下，电子功能组件104被置于壳102的底部128上。壳102被冷却元件106的盖板108覆盖。剩余的内室103通过切口120填充有电绝缘填充材料。优选地，填充材料由电绝缘的防火铸塑树脂(flame protective casting resin)形成。填充材料可以包括任意适合的铸塑树脂，例如环氧树脂或硅材料。
图5示出了组装好的电力电子单元100的第二截面。根据本发明的壳102包括从底部128延伸的侧壁130。壳102的底部128在外周缘处包括凹槽132。冷却元件106的侧板110、112被部分***到凹槽132中。壳102的侧壁130被部分***到形成于冷却元件106的通道122、138中。
根据本发明的一个有利实施方式，电子功能组件104包括热耦合元件126。热耦合元件126通过传热元件124与冷却元件106热连接。传热元件124由具有高热导率的材料制成，例如由如铝的金属制成。通常，传热元件124的热导率比填充材料的热导率和壳102的热导率高。因此，由电子功能组件104产生的热能够被有效地传递到冷却元件106、有效地分布于冷却元件106并有效地从冷却元件106向外部消散，其中冷却元件106有利地也由具有高热导率的材料制成，并且冷却元件106有利地具有辐射增强材料的涂层。
图6示出了图5的细节。两条点划线表示填充高度a和b。这些填充高度和通道122的内表面限制下通道空间154和上通道空间156。在组装状态下，电力电子单元100的内室103填充有填充材料，在通道122、138中留有空隙154、156。这在图5和图6中与填充高度a相对应。
在替代实施方式中，除了内室103外，通道122、138部分地填充有填充材料。这在图5和图6中与填充高度b相对应。在通道122、138中留有空隙156。
参照图1至图6，以下将说明根据本发明的电力电子单元100的组装过程。
在第一步骤中，印刷电路板(PCB)140与用于转换或控制电力的电子组件组装在一起以形成变压器单元。壳102有利地具有底部128并且从底部128延伸至少一个侧壁130，壳102优选地由电绝缘塑料材料通过注射成型制造。壳102的侧壁130还可以包括用于接收至少一个馈通件的至少一个开口。
下面，将优选地具有插头的至少一个馈通件134、136组装在变压器单元104处。馈通件134、136包括连接至PCB的电缆142、144。变压器单元104被***壳102中并且连接至电绝缘的底部128。优选地，插头形成侧壁130的一部分，使得壳102具有基本一侧开放的盒的几何形状。
在接下来的步骤中，将冷却元件106安装到形成内室103的壳102，冷却元件106优选地通过冲压并弯曲单件式金属片制造。
在优选的实施方式中，传热元件124被***安装到热耦合元件126和冷却元件106。例如，传热元件124被夹紧、焊接或粘接到热耦合元件126和冷却元件106。
在一个实施方式中，通过例如螺钉的紧固构件151将冷却元件106的盖板108安装到壳102的底部128。附加地或替代地，至少一个紧固板152连接至盖板108。能够将紧固板152例如粘接或通过紧固构件安装到壳102的侧壁130。
在最后的步骤中，通过切口120将填充材料填充到内室103中。图5和图6中的点划线a表示填充高度。封闭在内室103中的空气经由通道122、138逸出。当填充材料固化时，内室103被电绝缘材料密封，在通道122、138中留有空隙154、156。因此，变压器单元104被密封地且机械地固定到壳102。
在一个可选实施方式中，在没有紧固构件的情况下，电力电子单元100在最后的填充步骤期间被夹紧。冷却元件106被安装到壳102。如参照图3所示，力F1和力F2施加于紧固板152，力F3沿与力F1和力F2相反的方向施加于底部128。因此，壳102和冷却元件106被夹紧。
可选地或附加地，冷却元件106的至少一个侧板110、112部分地延伸到形成于底部128的外周缘处的至少一个凹槽132中。因此，优选地，冷却元件106被夹紧到壳102。
最后，通过切口120将填充材料填充到内室103中。图5和图6中的点划线b表示填充水平。封闭在内室103中的空气经由通道122、138逸出。当填充材料被固化时，内室103和部分通道122、138被电绝缘材料密封，在通道122、138中留有空隙156。即使不再施加力F1、力F2和力F3，固化后的填充材料也将冷却元件106粘附地连接到壳102。因此，能够避免额外的紧固。然而，对于本领域技术人员而言清楚的是，能够额外地使用如上所述的紧固构件。因此，可以提高组装好的电力电子单元100的稳定性。
根据本发明的电力电子单元被密封以防水和防尘，因而满足IP67和所有相关的电气安全标准的要求。此外，能够紧密地包装电子功能组件并且通过本发明的壳体使产生的热有效地消散。这有利于稳健性、重量和振动特性。
尽管以上的附图中仅示出了电力电子单元具有矩形几何形状的实施方式，但对于本领域技术人员而言清楚的是，当为壳体提供任意其他几何形状时，也可以使用根据本发明的构思。此外，可以以不同方式配置以上所示的馈通件。
附图标记说明
100 电力电子单元
102 壳
103 内室
104 电子功能组件
106 冷却元件
108 盖板
110 第一侧板
112 第二侧板
118 边缘
120 切口
122 第一通道
124 传热元件
126 热耦合元件
128 底部
130 侧壁
132 凹槽
134 第一馈通件
136 第二馈通件
138 第二通道
140 印刷电路板
142 第一电缆
144 第二电缆
146 第一壳开口
148 第二壳开口
150 孔
151 紧固构件
152 紧固板
154 下通道空间
156 上通道空间

Claims (15)

1.一种用于电子模块的保护壳体，所述保护壳体包括：
壳(102)，其限定用于容纳电子功能组件(104)的内室(103)；
冷却元件(106)，其包括盖板(108)、第一侧板(110)和第二侧板(112)，所述第一侧板(110)和所述第二侧板(112)从所述盖板(108)延伸并且彼此面对，从而形成所述冷却元件的内表面、外表面和边缘(118)，
其中，所述冷却元件(106)的所述内表面的至少一部分覆盖所述壳(102)以形成所述内室(103)的覆盖件；
至少一个切口(120)，其为所述盖板(108)的用于利用电绝缘材料填充所述内室(103)的部分；
至少一个第一通道(122)，其部分地形成所述盖板(108)，其中所述第一通道连接所述冷却元件(106)的相反的边缘(118)并增大所述内室(103)的容积，并且
所述内室(103)以在所述第一通道(122)的至少一部分留有空隙(154，156)的方式填充有所述电绝缘材料。
2.根据权利要求1所述的保护壳体，其特征在于，所述保护壳体还包括传热元件(124)和连接至所述电子功能组件(104)的热耦合元件(126)，所述传热元件(124)连接所述热耦合元件(126)和所述冷却元件(106)。
3.根据权利要求1或2所述的保护壳体，其特征在于，所述壳(102)具有底部(128)和从所述底部(128)延伸的至少一个侧壁(130)。
4.根据权利要求3所述的保护壳体，其特征在于，所述保护壳体还包括配置于所述底部(128)的外周缘处的至少一个凹槽(132)，所述第一侧板(110)和所述第二侧板(112)中的至少一者至少部分地***所述凹槽(132)。
5.根据权利要求3或4所述的保护壳体，其特征在于，所述侧壁(130)的至少一部分能够接收用于连接第一电缆(142)的至少一个第一馈通件(134)。
6.根据权利要求5所述的保护壳体，其特征在于，所述侧壁(130)的至少一部分能够接收用于第二电缆(144)的第二馈通件(136)。
7.根据前述权利要求中任一项所述的保护壳体，其特征在于，所述第一通道(122)与所述第一侧板(110)邻接。
8.根据前述权利要求中任一项所述的保护壳体，其特征在于，所述保护壳体还包括部分地形成所述盖板(108)的第二通道(138)，所述第二通道(138)连接所述冷却元件(106)的相反的边缘(118)，增大所述内室(103)的容积并且与所述第二侧板(112)邻接。
9.根据权利要求7或8所述的保护壳体，其特征在于，所述侧壁(130)至少部分地延伸到所述第一通道(122)和/或所述第二通道(138)中。
10.根据前述权利要求中任一项所述的保护壳体，其特征在于，所述冷却元件(106)由具有高热导率的材料制成。
11.根据前述权利要求中任一项所述的保护壳体，其特征在于，所述冷却元件(106)涂覆有辐射增强材料层。
12.根据前述权利要求中任一项所述的保护壳体，其特征在于，所述冷却元件(106)通过冲压并弯曲单件式金属片制造。
13.根据前述权利要求中任一项所述的保护壳体，其特征在于，所述壳(102)由电绝缘材料通过注射成型制造。
14.一种组装电子模块的方法，所述方法包括以下步骤：
设置壳(102)，其限定用于容纳电子功能组件(104)的内室(103)；
将所述功能组件(104)***所述内室(103)；
设置冷却元件(106)，所述冷却元件(106)包括盖板(108)、第一侧板(110)和第二侧板(112)，所述第一侧板(110)和所述第二侧板(112)从所述盖板(108)延伸并且彼此面对，从而形成所述冷却元件的内表面、外表面和边缘(118)；
利用所述冷却元件(106)的所述内表面的至少一部分覆盖所述壳(102)以形成所述内室(103)的覆盖件；
为了填充所述内室(103)，将所述盖板(108)的至少一部分切除；
在所述盖板(108)中形成至少一个第一通道(122)，其中所述第一通道(122)连接所述冷却元件(106)的相反的边缘(118)并且增大所述内室(103)的容积；以及
以在所述第一通道(122)的至少一部分留有空隙的方式利用电绝缘材料填充所述内室(103)。
15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，所述方法还包括设置传热元件(124)和连接至所述电子功能组件(104)的热耦合元件(126)，其中所述传热元件(124)连接所述热耦合元件(126)和所述冷却元件(106)。
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