AT528012A4 - Kühlvorrichtung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Kühlvorrichtung (1) zum Kühlen von Bauteilen (2) umfassend ein Basiselement (4) mit einer ersten Oberfläche (5) und mit einer Basiselementhöhe (9), eine Kühlstruktur mit Kühlelementen (6), die auf dem Basiselement (4) die erste Oberfläche (5) überragend angeordnet ist, wobei die Kühlelemente (6) eine Kühlelementhöhe (8) aufweisen. Das Basiselements (4) weist eine variierende Basiselementhöhe (9) auf, weiter sind Kühlelemente (6) mit variierenden Kühlelementhöhen (8) angeordnet, wobei die Summe aus Basiselementhöhe (9) und Kühlelementhöhe (8) in allen Bereichen des Basiselementes (4), in denen Kühlelemente (6) angeordnet sind, gleich groß ist.

Description

aufweisen.

Weiter betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Kühlvorrichtung umfassend die Schritte Herstellung eines Basiselements mit einer ersten Oberfläche, Herstellung einer Kühlelemente aufweisenden Kühlstruktur auf der ersten Oberfläche des Basiselements, wobei das Basiselement mit einer Basiselementhöhe hergestellt wird und die Kühlelemente mit einer Kühlelementhöhe hergestellt

werden.

Sogenannte Leistungselektronikbauteile, wie Leistungshalbleiter, sind aus dem Stand der Technik hinreichend bekannt. Derartige Bauteile werden häufig eingesetzt, beispielsweise auch in Kraftfahrzeugen. Es ist weiter bekannt, dass diese Bauteile im Betrieb größere Mengen an Wärme erzeugen, die oft mit Hilfe eines Kühlmediums abgeführt werden müssen. Für diesen Zweck sind im Stand der Technik unterschiedlichste Kühler bekannt, unter andere auch sogenannte Pin Fin Kühlkörper, die von einem Kühlmedium umspült werden und so die Wärme von den Pins auf das Kühlmedium übertragen. Z.B. beschreibt die DE 10 2019 108 106 A1 einen Kühler für einen Leistungshalbleiter in einem Inverter, wobei der Kühler zweiteilig ausgestaltet ist und umfasst: eine Bodenplatte als erstes Teil, die wärmleitend an den Leistungshalbleiter anbindbar ist; einen Kühlkörper als zwei-

tes Teil, der an der Bodenplatte angeordnet ist, wobei der Kühlkörper mindestens

A2024/89790-AT

chemischer Reduktion schützt.

Aus der DE 10 2018 216 859 A1 ist eine Vorrichtung zur Kühlung von Bauteilen bekannt, aufweisend: einen ersten und einen zweiten Grundkörper; in dem ersten Grundkörper ausgebildete zylinder- und/oder kegelförmige erste Kühlrippen, die von einem Kühlmittel umströmbar sind, und in dem zweiten Grundkörper ausgebildete zylinder- und/oder kegelförmige zweite Kühlrippen, die von dem Kühlmittel umströmbar sind, wobei der zweite mit dem ersten Grundkörper derart zusammengefügt ist, dass die zweiten Kühlrippen zwischen den ersten Kühlrippen zu lie-

gen kommen ohne den ersten Grundkörper zu berühren.

Die AT 526 330 A4 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung einer Kühlvorrichtung umfassend die Schritte Bereitstellung eines Werkstoffes und Ausbildung einer Kühlstruktur aus dem Werkstoff, wobei als Werkstoff ein Sinterpulver verwendet wird, aus dem durch Pressen ein Grünling hergestellt wird, der zu einem Vorformling gesintert wird, und aus dem Vorformling die Kühlstruktur in Form von Kühlelementen durch Umformung hergestellt wird, wozu ein Teil des Vorformlings durch

ein Formwerkzeug gepresst wird.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Kühlvorrichtung für

Bauteile mit einer verbesserten Kühlleistung bereitzustellen.

Die Aufgabe der Erfindung wird bei der eingangs genannten Kühlvorrichtung dadurch gelöst, dass das Basiselements eine variierende Basiselementhöhe aufweist, dass weiter Kühlelemente mit varlierenden Kühlelementhöhen angeordnet sind, wobei die Summe aus Basiselementhöhe und Kühlelementhöhe in allen Bereichen des Basiselementes, in denen Kühlelemente angeordnet sind, gleich groß

ist.

A2024/89790-AT

groß ausgebildet wird.

Von Vorteil ist dabei, dass durch die bereichsweise Verringerung der Basiselementhöhe die Kühlwirkung der Kühlvorrichtung durch Vergrößerung der Elementhöhen der Kühlelemente verbessert werden kann, ohne dass dazu die Gesamthöhe der Kühlvorrichtung verändert wird. Die Veränderung der Relation von Kühlelementhöhe zur Basiselementhöhe wird dabei insbesondere in jenen Bereichen vorgenommen, die für die Anlage an einem zu kühlenden Bauteil vorgesehen sind, sodass der Wärmestrom in diesem Bereich erhöht werden kann. Dieser Bereich ist je nach zu kühlendem Bauteil, d.h. insbesondere der Größe von dessen Anlagefläche, entsprechend adaptierbar. Neben der verbesserten Kühlleistung de Kühlvorrichtung kann mit der erfindungsgemäßen Ausbildung auch der damit verursachte Druckverlust im Kühlsystem reduziert werden. Darüber hinaus wird auch

Material für die Herstellung der Kühlvorrichtung eingespart.

Vorzugsweise kann nach einer Ausführungsvariante der Erfindung vorgesehen sein, dass das das Basiselement zur Reduktion der Basiselementhöhe zumindest eine muldenförmige Vertiefung aufweist. Durch diese muldenförmige Vertiefung kann eine gerichtete Umströmung der darin angeordneten Kühlelemente mit einem Kühlfluid bis in den Anschlussbereich an das Basiselement verbessert wer-

den, womit die Kühleffizienz der Kühlvorrichtung weiter verbessert werden kann.

Um bessere Strömungsbedingungen für das Kühlfluid zu schaffen, kann nach einer weiteren Ausführungsvariante dazu vorgesehen sein, dass Seitenflächen der

muldenförmigen Vertiefung schräg zur Horizontalen verlaufend ausgebildet sind.

Bevorzugt kann dabei nach einer weiteren Ausführungsvariante der Erfindung vor-

gesehen sein, dass auch auf den schräg zur Horizontalen verlaufenden Seitenflä-

A2024/89790-AT

tenflächen wird wiederum die Kühlleistung der Kühlvorrichtung nicht reduziert.

Nach einer anderen Ausführungsvariante der Erfindung kann vorgesehen sein, dass eine Rückseite des Basiselements mit einer ebenen Oberfläche ausgebildet ist, womit die Anlage des Basiselementes einerseits beim Umformen an einen Stempel und andererseits an ein zu kühlendes Bauteil im Betrieb der Kühlvorrichtung verbessert werden kann. Die verbesserte Anlage an den Stempel ermöglicht dabei eine, über die erste Oberfläche der Kühlvorrichtung betrachtet, an der die Kühlelemente ausgebildet werden, gleichmäßigere Umformung. Dies wiederum verbessert den Prozess der Ausbildung von unterschiedlich hohen Kühlelementen

durch Umformung.

Zur weiteren Verbesserung der voranstehend genannten Effekte, insbesondere

der Kühlleistung der Kühlvorrichtung kann entsprechen einer Ausführungsvariante der Erfindung vorgesehen sein, dass die Basiselementhöhe des Basiselements in Bereichen mit reduzierter Basiselementhöhe um zumindest 30 % reduziert ist, be-

zogen auf die maximale Basiselementhöhe des Basiselements.

Eine einfachere Herstellbarkeit des Kühlelementes kann erreicht werden, wenn

das Basiselement und die Kühlelemente aus einem Sinterwerkstoff bestehen.

Die Kühlelemente können, wie bereits erwähnt, durch Umformung aus dem Werkstoff des Basiselements hergestellt sein bzw. werden. Von Vorteil ist dabei, dass durch die Umformung des Basiselements zu den Kühlelementen für deren Herstellung kein Abfallmaterial anfällt, wie dies beispielsweise bei einer spanenden Bearbeitung der Fall ist. Zudem können alle Kühlelemente der Kühlvorrichtung gleichzeitig hergestellt werden, womit eine entsprechende Erhöhung der Produktivität

erreicht werden kann.

A2024/89790-AT

höhe weiter erhöht werden kann.

Zum besseren Verständnis der Erfindung wird diese anhand der nachfolgenden

Figuren näher erläutert.

Es zeigen jeweils in vereinfachter, schematischer Darstellung:

Fig. 1 eine Kühlvorrichtung mit zu kühlendem Bauteil in Seitenansicht;

Fig. 2 eine Kühlvorrichtung in Schrägansicht;

Fig. 3 eine Ausführungsvariante eines Vorformlings;

Fig. 4 eine Ausführungsvariante eines Werkzeugs zur Herstellung der Kühlvorrichtung.

Einführend sei festgehalten, dass in den unterschiedlich beschriebenen Ausführungsformen gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen bzw. gleichen Bauteilbezeichnungen versehen werden, wobei die in der gesamten Beschreibung enthaltenen Offenbarungen sinngemäß auf gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen bzw. gleichen Bauteilbezeichnungen übertragen werden können. Auch sind die in der Beschreibung gewählten Lageangaben, wie z.B. oben, unten, seitlich usw. auf die unmittelbar beschriebene sowie dargestellte Figur bezogen und sind diese Lage-

angaben bei einer Lageänderung sinngemäß auf die neue Lage zu übertragen. In Fig. 1 ist eine Kühlvorrichtung 1 in Seitenansicht dargestellt.

Die Kühlvorrichtung 1 dient der Kühlung eines Bauteils 2 oder mehrerer Bauteile 2

bzw. einer Baugruppe. Dazu liegt die Kühlvorrichtung 1 mit einer Rückseite 3 an

A2024/89790-AT

etc., sein/werden.

Das Bauteil 2 ist bevorzugt ein Elektronikbauteil, insbesondere ein sogenanntes Leistungselektronikbauteil bzw. Hochleistungselektronikbauteil oder ein Leistungshalbleiter bzw. Hochleistungshalbleiter. Insbesondere können derartige Bauteile 2 bzw. Baugruppen aus/mit diesen Bauteilen 2 für eine Leistung im Bereich von mehreren kW bis zu MW vorgesehen sein. Derartige Bauteile 2 dienen z.B. der Umformung elektrischer Energie mit schaltenden elektronischen Bauelementen. Typische Anwendungen sind Umrichter oder Frequenzumrichter im Bereich der elektrischen Antriebstechnik, Solarwechselrichter und Umrichter für Windkraftanlagen zur Netzeinspeisung regenerativ erzeugter Energie oder Schaltnetzteile, generell die Umrichtung von Wechselspannung in Gleichspannung durch Gleichrichter, die Umrichtung von Gleichspannung in Wechselspannung durch Wechselrichter, Steuerungen, beispielsweise in der Antriebs-technik eines Elektroantriebs in Elektrofahrzeugen bzw. Hybridfahrzeugen, Batteriemanagementsysteme, etc. Ein Leistungselektronikbauteil kann beispielsweise ein Halbleiter sein, insbesondere

ein so genannter Leistungshalbleiter, z.B. ein IGBT.

Da derartige Bauteile 2 an sich aus dem einschlägigen Stand der Technik bekannt

sind, sei bzgl. Einzelheiten dazu auf diesen Stand der Technik verwiesen.

Die Kühlvorrichtung 1 umfasst ein Basiselement 4, das auch die Rückseite 3 der Kühlvorrichtung 1 bildet, und das auf einer ersten Oberfläche 5 eine Kühlstruktur aufweist, bzw. besteht aus dem Basiselement 4 und der Kühlstruktur. Die Kühlstruktur wird durch Kühlelemente 6 gebildet (bzw. umfasst diese), die über die erste Oberfläche 5 vorragend an dem Basiselement 4 angeordnet und damit vorzugsweise einstückig verbunden sind, wie dies auch aus Fig. 2 ersichtlich ist. Mit anderen Worten ausgedrückt ist die Kühlvorrichtung 1 in der bevorzugten Ausfüh-

rungsvariante nur durch ein einziges Teil gebildet. Ungeachtet dieser Einteiligkeit

A2024/89790-AT

gruppe aus/mit zumindest einem derartigen Bauteil 2 mehrere Kühlvorrichtungen 1 entsprechend der Erfindung miteinander zur einer Kühlvorrichtungsgruppe kombiniert sein können. Insbesondere können die Kühlvorrichtungen 1 also auch modu-

lar zu einer Kühlvorrichtungsgruppe zusammengesetzt werden/sein.

Das Basiselement 4 und die Kühlelemente 6 sind bevorzugt aus einem Sinterwerkstoff hergestellt bzw. bestehen daraus. Weiter sind die Kühlelemente 6 bevorzugt durch Umformung aus dem Basiselement 4, d.h. aus dem Werkstoff des Basiselements 4, bzw. einem Vorformling für die Herstellung des Basiselements 4

hergestellt.

In der bevorzugten Ausführungsvariante weisen das Basiselement 4 und die Kühlelemente 6 eine Dichte von zumindest 98 %, insbesondere zumindest 98,5 %,

vorzugsweise zumindest 99 %, der Volldichte des eingesetzten Werkstoffes auf.

Die Volldichte bezieht sich dabei auf die Dichte einer schmelzmetallurgisch hergestellten Kühlvorrichtung aus dem gleichen Werkstoff, also ein Bauteil aus einem Vollwerkstoff. Mit Vollwerkstoff ist dabei ein metallischer Werkstoff gemeint, der — mit Ausnahme von Fehlstellen - keine Poren aufweist, wie diese bei Sinterbautei-

len üblicherweise vorhanden sind.

Das Basiselement 4 und die Kühlelemente 6 können auch mit einem anderen oder mit anderen Verfahren hergestellt sein, beispielsweise mittels eines sogenannten Additiven Verfahren.

Die Kühlelemente 6 sind dafür vorgesehen, um von einem Kühlfluid, beispielsweise Wasser, umströmt zu werden, sodass die von der Kühlvorrichtung 1 aufgenommene Wärme über dieses Kühlfluid abtransportiert wird. Bevorzugt ist die

Kühlvorrichtung 1 eine sogenannte Pin Fin Kühlvorrichtung.

Die Kühlelemente 6 der dargestellten Ausführungsvariante sind zylindrisch aus-

gebildet. Sie können aber auch einen andere Form aufweisen, beispielsweise eine

A2024/89790-AT

spielsweise eine pyramidenstumpfförmige Form.

Der Querschnitt der Kühlelemente 6 kann kreisrund, oval, rautenförmig, quadra-

tisch, etc. sein.

Weiter können alle Kühlelemente 6 gleich ausgebildet sein. Es ist aber auch möglich auf einem Basiselement 4 Kühlelemente 6 mit unterschiedlicher Form anzu-

ordnen bzw. zu kombinieren.

Die Kühlelemente 6 weisen eine Kühlelementhöhe 8 auf, gemessen von der ersten Oberfläche 5 des Basiselements 4 aus. Die Kühlelementhöhe 8 kann beispielsweise zwischen 2 mm und 30 mm, insbesondere zwischen 3 mm und 15

mm, betragen.

Das Basiselement 4 weist eine Basiselementhöhe 9 auf. Die Basiselementhöhe 9 kann beispielsweise zwischen 1 mm und 5 mm betragen. Gemessen wird die Basiselementhöhe 9 des (plattenförmigen) Basiselements 4 zwischen der Rückseite 3 und der ersten Oberfläche 5.

Es kann vorgesehen sein, dass pro dm? erste Oberfläche 5 zwischen 300 und 1300, insbesondere zwischen 300 und 1000, beispielsweise zwischen 300 und

750, Kühlelemente 6 angeordnet bzw. ausgebildet sind.

Wie aus Fig. 1 ersichtlich ist, kann gemäß einer Ausführungsvariante der Kühlvorrichtung 1 vorgesehen sein, dass die Rückseite 3 des Basiselements 4 mit einer

ebenen Oberfläche ausgebildet ist.

Es ist vorgesehen, dass das Basiselements 4 eine variierende Basiselementhöhe 9 aufweist und dass die Kühlelemente 6 variierende Kühlelementhöhen 8 aufwei-

sen.

„Variierende Basiselementhöhe 9“ bedeutet in dieser Beschreibung, dass die Basiselementhöhe 9 in zumindest einem Bereich bzw. Abschnitt des Basiselements 4

geringer ist als in den restlichen Bereichen bzw. Abschnitten des Basiselements 4.

A2024/89790-AT

hen sein, die diese Bedingung erfüllen.

„Variierende Kühlelementhöhen 8* bedeutet in dieser Beschreibung, dass zumindest einzelne der Kühlelemente 6 eine Kühlelementhöhe 8 aufweisen, die zu der Kühlelementhöhe 8 der restlichen Kühlelemente 6 unterschiedlich ist. Die Kühlelemente 8 einer Kühlvorrichtung 1 können auch mehrere unterschiedliche Kühlelementhöhen 8 aufweisen. Weiter ist es möglich, dass die Kühlelementhöhe 8 be-

reits im jeweiligen Kühlelement 6 selbst variiert.

Es ist weiter vorgesehen, dass die Summe aus Basiselementhöhe 9 und Kühlelementhöhe 8 in allen Bereichen des Basiselementes 4, in denen Kühlelemente 6 angeordnet sind, gleich groß ist. Zur Veranschaulichung dieser Bedingung sei auf

die Fig. 1 verwiesen.

Wie aus Fig. 1 zu ersehen ist, weist das Basiselement 4 dieser Ausführungsvariante in der ersten Oberfläche 5, d.h. in der Vorderseite, an der die Kühlelemente 6 angeordnet sind, eine muldenförmige Vertiefung 10 auf, in der die Basiselementhöhe 9 im Vergleich zu den Randbereichen bzw. Randabschnitten des Basiselements 4 reduziert ist. Die in dieser Vertiefung 10 angeordneten Kühlelemente 6 sind verglichen mit den in den Randbereichen bzw. Randabschnitten des Basiselements 4 angeordneten Kühlelementen 6 höher, weisen also eine größere Kühlelementhöhe 8 auf. Dadurch dass die Summe aus Basiselementhöhe 9 und Kühlelementhöhe 8 entsprechend voranstehenden Ausführungen aber für alle Bereiche, in denen Kühlelemente angeordnet sind, gleich groß ist, befinden sich somit

alle Kühlelementköpfe 7 auf gleicher Höhe, wie dies in Fig. 1 dargestellt ist.

Die muldenförmige Vertiefung 10 ist an der Vorderseite des Basiselements 4 bevorzugt in jenen Abschnitt der Kühlvorrichtung 1 angeordnet bzw. ausgebildet, der für die Anlage an das Bauteil 2 vorgesehen ist, d.h. dem Abschnitt, dessen Rückseite 3 für die Anlage an das Bauteil 2 vorgesehen ist. Sofern die Kühlvorrichtung 1 für die Anlage mit der Rückseite 3 an mehrere Bauteile 2 vorgesehen ist, können

mehrere derartige Vertiefungen 10 in der Vorderseite vorgesehen sein bzw. kann

A2024/89790-AT

eine Vertiefung 10 sich auch über mehrere an der Rückseite 3 anliegende Bauteile

2 vorgesehen sein.

Die muldenförmige Vertiefung 10 kann eine Breite in Richtung einer Vorrichtungsbreite 11 (siehe Fig. 2) aufweisen, die kleiner oder gleich groß ist als diese Vorrichtungsbreite 11 der Kühlvorrichtung 1. Es können in Richtung der Vorrichtungs-

breite 11 auch mehrere Vertiefungen 10 nebeneinander angeordnet sein.

Generell kann sich bei mehreren Vertiefungen 10 im Basiselement 4 die Basiselementhöhe 9 zwischen den Vertiefungen 10 wieder auf den Maximalwert der Basiselementhöhe 9 des Basiselements 4 erhöhen oder auf einen Wert, der im Bereich zwischen dieser Maximalhöhe und der Minimalhöhe in zumindest einer der Vertiefungen 10 liegt. Die Maximalhöhe ist normalerweise in den Randabschnitten

des Basiselements 4 ausgebildet.

Es kann auch sein, dass sie Vertiefung 10 eine Länge aufweist, die einer Vorrichtungslänge 12 der Kühlvorrichtung 1 (siehe Fig. 2) entspricht oder kleiner ist. Die voranstehenden Ausführungen zur Breite der Vertiefung 10 können entsprechend

adaptiert auf die Länge der Vertiefung übertragen werden.

Weiter ist es möglich, dass die Vertiefung 10 eine Länge aufweist, die gleich der Vorrichtungslänge 12 ist, und eine Breite aufweist, die gleich der Vorrichtungsbreite 11 ist, solange die minimale Basiselementhöhe 9 nur in einem Teilbereich des Basiselements 4 ausgebildet ist. In Fig. 1 ist diese Ausführungsvariante strichliert angedeutet, bei der sich die Vertiefung 10 bis in die Kanten zu den Seiten-

wänden des Basiselements 4 erstreckt.

Die Form der Vertiefung 10 kann der Form des Bauteils 2 (jeweils in Draufsicht betrachtet) angepasst sein. Die Vertiefung 10 kann aber auch eine größere Oberfläche einnehmen, wie dies bereits voranstehend ausgeführt wurde. Zudem kann die Vertiefung aber auch eine kleinere Oberfläche in der Vorderseite des Basiselements 4 einnehmen, sodass das Bauteil 2 in der Draufsicht auf die Kühlvorrich-

tung 1 die Vertiefung 10 seitlich zumindest abschnittsweise überragt.

A2024/89790-AT

Nur beispielsweise sei angeführt, dass die Vertiefung 10 in der Draufsicht eine kreisförmig, ein oval, eine viereckige, bzw. generell eine polygonale Form aufwei-

sen kann.

Gemäß einer Ausführungsvariante der Kühlvorrichtung 1 sind Seitenwände 13 der muldenförmigen Vertiefung 10 schräg zur Horizontalen verlaufend ausgebildet, wie dies aus Fig. 1 zu ersehen ist. Ein Winkel 14 der Seitenwände 13 zur Horizon-

talen kann dabei zwischen 5 ° und 50 ° ausgewählt sein.

Nach einer weiteren und auch in Fig. 1 dargestellten Ausführungsvariante können auf diesen schrägen Seitenwände 13 ebenfalls Kühlelemente 6 angeordnet sein, womit die voranstehend genannte Ausführungsvariante mit variierender Kühlele-

menthöhe 8 in Kühlelement 6 selbst erhalten werden kann.

Es ist auch möglich, dass die Vertiefung 10 mit senkrecht verlaufenden Seitenwänden 13 ausgebildet sind, der voranstehend genannte Winkel 14 zur Horizonta-

len also 90 ° beträgt.

Die Seitenwände 13 können ebenflächig sein oder mit einer Krümmung bzw. Run-

dung versehen sein.

Die Basiselementhöhe 9 des Basiselements 4 kann in Bereichen mit reduzierter Basiselementhöhe 9 um zumindest 15 %, insbesondere zumindest 25 %, reduziert sein, bezogen auf die maximale Basiselementhöhe 9 des Basiselements 4. Eine

minimale Basiselementhöhe 9 von 1 mm sollte jedoch nicht unterschritten werden.

Wie aus Fig. 2 erkannt werden kann, kann die Kühlvorrichtung 1 auf der ersten Oberfläche 5 des Basiselements 4 zumindest ein Versteifungselement 15 aufweisen. Das Versteifungselement 15 ist in der dargestellten Ausführungsvariante rippenförmig ausgebildet, kann aber auch eine andere Form aufweisen. Da dieses Versteifungselement 15 oder diese Versteifungselemente am Wärmeaustausch teilnehmen kann/können, gelten hinsichtlich deren Höhe die voranstehenden Ausführungen für die Kühlelementhöhe 8, sodass Versteifungselement-Endflächen 16

auf gleicher Höhe wie Kühlelement-Endflächen 17 angeordnet sind.

A2024/89790-AT

Es ist weiter möglich, dass das zumindest eine Versteifungselement 15 bzw. ein Versteifungselement 15 auf der Rückseite 3 des Basiselements 4 angeordnet ist (in Fig. 2 strichliert angedeutet), insbesondere wenn die Kühlvorrichtung 1 eine größere Flächenausdehnung aufweist, als das Bauteil 2, sodass auch in diesem Fall das Bauteil 2 großflächig (ebenflächig) zur Anlage an die Kühlvorrichtung 1 gelangen kann. Beispielsweise kann in dieser Ausführungsvariante das Bauteil 2

zwischen Versteifungselementen 15 angeordnet werden.

Weiter besteht die Möglichkeit, dass das zumindest eine Versteifungselement 15 flächenbündig mit der Rückseite 3 oder der ersten Oberfläche 5 abschließt und

aus einem anderen, steiferen Werkstoff besteht als der Rest des Basiselements 4.

Bei mehreren angeordneten Versteifungselementen 15 können alle mit gleicher oder unterschiedlicher Form und/oder Länge und/oder Größe bzw. Ausprägung

(auf der ersten Oberfläche 5) vorgesehen werden.

Das Versteifungselement 15 kann beispielswiese eine dreieckförmige oder rechteckförmige oder trapezförmige Querschnittsform aufweisen, wobei auch andere

Querschnittsformen möglich sind.

Nach einer Ausführungsvariante kann zwischen den Stirnseiten und den Kühlelementen 6 entlang der Breitseiten des Basiselementes 4 jeweils ein Versteifungselement 15 vorgesehen sein. Das Versteifungselement 15 kann aber auch umlau-

fend am Umfang des Basiselements 4 durchgehend angeordnet sein.

Das/ein Versteifungselement 15 kann zwischen dem Rand des Basiselements und

den Kühlelementen 6 und/oder zwischen den Kühlelementen 6 angeordnet sein.

Das Versteifungselement 15 kann einen geradlinigen Verlauf oder nach einer Ausführungsvariante auch einen nicht geradlinigen, insbesondere wellenförmigen, Verlauf aufweisen. Dabei kann nach einer weiteren Ausführungsvariante auch vorgesehen sein, dass das/die Versteifungselement(e) 15 mit einer Längserstreckung zumindest annähernd in einer Strömungsrichtung für ein Kühlfluid durch die Kühl-

vorrichtung 1 angeordnet ist/sind.

A2024/89790-AT

Prinzipiell kann das Versteifungselement 15 nachträglich auf dem Basiselement 4 angebracht werden, beispielsweise nach der Ausformung der Kühlelemente 6. Nach einer Ausführungsvariante kann jedoch das Versteifungselement 15 beim Pressen eines Vorformlings für die Herstellung des Kühlvorrichtung 1 aus einem Sinterwerkstoff mitgepresst bzw. pulvermetallurgisch hergestellt werden. Nach einer anderen Ausführungsvariante kann das Versteifungselement 15 aus dem Sinterwerkstoff durch Umformung aus dem Werkstoff des Basiselements 4 hergestellt werden, vorzugsweise gleichzeitig mit der Herstellung der Kühlelemente 6 aus dem Vorformling. Das Versteifungselement 11 bzw. die Versteifungselemente 11 sind daher bevorzugt einstückig mit dem Basiselement 4 und den Kühlelementen

6 ausgebildet.

Wie weiter aus Fig. 2 zu ersehen ist, kann das Basiselement 4 einen umlaufenden, stegförmigen Rand aufweisen. Wie strichliert angedeutet ist, kann der Bereich der Kühlelemente 6 auch gegenüber diesem Rand vertieft ausgebildet sein, d.h. die Vertiefung 10 kann vollumfänglich von Seitenwänden 13 begrenzt sein. Bei der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsvariante der Kühlvorrichtung 1 ist dieser Rand nicht vorhanden, sodass also die Vertiefung 10 nur an zwei einander gegenüberliegenden Abschnitten mit den Seitenwänden 13 versehen ist. Mit anderen Worten ausgedrückt kann sich die Vertiefung 10 über die gesamte Vorrichtungs-

breite 11 oder nur einen Abschnitt davon erstrecken.

Zur Herstellung der Kühlvorrichtung 1 wird in der bevorzugten Ausführungsvariante ein Sinterpulver bzw. ein in der Pulvermetallurgie eingesetztes, insbesondere metallisches, Pulver verwendet. Bevorzugt wird ein Sinterpulver eingesetzt, das eine entsprechend gute Wärmeleitfähigkeit aufweist. Insbesondere wird ein Sinterpulver auf Basis von Aluminium bzw. einer Aluminiumlegierung oder auf Basis von Kupfer bzw. einer Kupferlegierung oder ein MMC-Pulver (Metal-Matrix-Composite)

eingesetzt.

Die Herstellung der Kühlvorrichtung 1 erfolgt bevorzugt auf pulvermetallurgischem Weg nach einem pulvermetallurgischem Verfahren, die Kühlvorrichtung 1 ist also

bevorzugt ein Sinterbauteil. Dazu wird aus einem Sinterpulver, das aus den einzel-

A2024/89790-AT

nen (metallischen) Pulvern durch Mischen hergestellt werden kann, wobei die Pulver gegebenenfalls vorlegiert eingesetzt werden können, ein Grünling in einer entsprechenden Pressform (Matrize) hergestellt. Vorzugsweise weist der Grünling

eine Dichte von zumindest 80 %, insbesondere zwischen 80 % und 96 %, der Voll-

dichte des Materials auf.

Der Grünling kann in der Folge bei üblichen Temperaturen entwachst und einoder zweistufig bzw. mehrstufig gesintert und danach vorzugsweise auf Raumtemperatur abgekühlt werden. Das Sintern kann beispielsweise bei einer Temperatur zwischen 500°C und 1300 °C erfolgen.

Da diese Verfahrensweisen und die dabei verwendeten Verfahrensparameter aus dem Stand der Technik bekannt sind, sei diesbezüglich zur Vermeidung von Wie-

derholungen auf den einschlägigen Stand der Technik verwiesen.

Durch das Sintern entsteht aus dem Grünling ein Vorformling 18, wie er beispielhaft in Fig. 3 dargestellt ist. Der Vorformling 18 kann als flache Platte ausgebildet sein, sodass also die Rückseite 3 und die erste Oberfläche 5 zueinander parallel

verlaufen können.

Nach einer Ausführungsvariante kann vorgesehen sein, dass die erste Oberfläche 5 des Vorformlings 18, auf der die Kühlstruktur und gegebenenfalls zumindest ein Versteifungselement 15 ausgebildet werden, zumindest in Abschnitten gewölbt hergestellt wird. Andere Formen der ersten Oberfläche 5 des Vorformlings 18 sind in Hinblick auf eine verbesserte Umformbarkeit des Vorformlings 18 möglich. So können bereits erste Pin Fin Ansätze bzw. Kühlelementansätze (kreis-rund, oval, ellipsenförmig, etc.) mit einer Höhe zwischen 0,1 mm und 2,0 mm vorgeformt werden. Ebenso können gegebenenfalls bereits Ansätze zumindest eines Verstei-

fungselementes 15 vorgesehen werden.

Der Vorformling 18 kann in weiterer Folge nachverdichtet werden. Die Nachverdichtung kann gleichzeitig mit der Umformung des Vorformlings 18 zu den Küh-

lelementen 6 und gegebenenfalls dem/den Versteifungselemente(en) 15 erfolgen.

A2024/89790-AT

Die Umformung des Vorformlings 18 erfolgt in einem Formwerkzeug 19. Dazu wird der Vorformling 18 in das Formwerkzeug 19 eingelegt oder an dieses angelegt. Im einfachsten Fall ist das Formwerkzeug 19 für die Herstellung der Kühlelemente 6 durch eine Lochplatte 20 gebildet. Die Lochplatte 20 weist Ausnehmungen 21, insbesondere Durchbrüche, auf, in die bzw. durch die ein Teil des Materials des Vorformlings 18 gedrückt wird, wodurch die Kühlelemente 6 gebildet werden. Für die Ausbildung des Versteifungselements 15 bzw. der Versteifungselemente 15 können je nach deren Form in der Lochplatte 20 entsprechende längliche oder wellen-

förmige Ausnehmungen bzw. Durchbrüche vorgesehen werden.

Der Rest des Materials des Vorformlings 18, der nicht in oder durch das Form-

werkzeug 19 gedrückt wird, bildet das Basiselement 4.

Die Ausnehmungen 21, d.h. deren Querschnitt, ist an den Querschnitt der her-zu-

stellenden Kühlelemente 6 entsprechend angepasst.

Das Formwerkzeug 19 kann auch anders aussehen, muss also nicht zwingend eine Lochplatte 19 sein. Insbesondere kann das Formwerkzeug 19 „topfförmig“ als

Matrize ausgebildet sein.

Für die Umformung wird an die Rückseite 3 des Vorformlings 18, die auch die Rückseite 3 des Basiselements 4 bildet, ein Stempel 22 angelegt und mit einem vorbestimmbaren Druck auf den Vorformling 18 gedrückt werden. Die Umformung kann beispielsweise bei einem Druck zwischen 700 MPa und 1600 MPa erfolgen. Weiter kann die Umformung während einer Zeit von bis zu 10 Sekunden, insbesondere zwischen 0,1 Sekunden und 10 Sekunden, erfolgen. Weiter erfolgt die Umformung bevorzugt bei Raumtemperatur (20 °C), d.h. kalt, bzw. kann die Umformung auch nach einer Vorerwärmung des Vorformlings 18 auf eine Temperatur zwischen 50 °C und 300 °C, beispielsweise zwischen 50 °C und 150 °C, und/oder in/mit einem auf eine Temperatur zwischen 50 °C und 300 °C, beispielsweise zwi-

schen 50 °C und 150 °C, erwärmten Formwerkzeug 18 erfolgen.

A2024/89790-AT

Nach der Formgebung, d.h. der Umformung des Vorformlings 18, kann die Kühlvorrichtung 1 fertig sein. Es besteht aber auch die Möglichkeit einer Nachbearbeitung der Kühlvorrichtung 1. Beispielsweise können die Kühlelemente 6 und/oder das/die Versteifungselement(e) 15 zumindest bereichsweise nachverdichtet wer-

den, beispielsweise in den freien Enden.

Die Umformung des Vorformlings 18 kann ein- oder mehrstufig durchgeführt werden, sodass also die Kühlelemente 6 und/oder das/die Versteifungselement(e) 15

in einem oder in mehreren Schritten gebildet werden können.

Zur Ausbildung der zumindest einen Vertiefung 10 im Basiselement kann das Formwerkzeug 19 an der Oberfläche, die zur Anlage an die erste Oberfläche 5 des Basiselements 4 gelangt, mit einem entsprechenden Vorsprung 23 ausgebildet sein. Es ist damit eine nachträgliche spanende Bearbeitung zur Ausbildung der

Vertiefung 10 vermeidbar.

Weiter besteht die Möglichkeit, dass die Kühlelemente 6 und/oder das/die Versteifungselement(e) 15 mit einer, insbesondere korrosionsbeständigen, Beschichtung

versehen werden.

Wie voranstehend ausgeführt, kann die Kühlvorrichtung 1 auch nach einem ande-

ren Verfahren hergestellt werden, beispielsweise einem additiven Verfahren.

Die Ausführungsbeispiele zeigen mögliche Ausführungsvarianten, wobei an dieser Stelle bemerkt sei, dass auch Kombinationen der einzelnen Ausführungsvarianten

untereinander möglich sind.

Der Ordnung halber sei abschließend darauf hingewiesen, dass zum besseren Verständnis des Aufbaus der Kühlvorrichtung 1 bzw. des Formwerkzeugs 19 die-

se nicht notwendigerweise maßstäblich dargestellt sind.

A2024/89790-AT

17 18 19 20 21 22 23

17

Bezugszeichenliste

Kühlvorrichtung Bauteil

Rückseite Basiselement Oberfläche Kühlelement Kühlelementkopf Kühlelementhöhe Basiselementhöhe Vertiefung Vorrichtungsbreite Vorrichtungslänge Seitenwand

Winkel Versteifungselement Versteifungselement-Endfläche Kühlelement-Endfläche Vorformling Formwerkzeug Lochplatte Ausnehmung Stempel

Vorsprung

A2024/89790-AT

Claims (10)

Patentansprüche

1. Kühlvorrichtung (1) zum Kühlen von Bauteilen (2) umfassend ein Basiselement (4) mit einer ersten Oberfläche (5) und mit einer Basiselementhöhe (9), eine Kühlstruktur mit Kühlelementen (6), die auf dem Basiselement (4) die erste Oberfläche (5) überragend angeordnet ist, wobei die Kühlelemente (6) eine Kühlelementhöhe (8) aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass das Basiselements (4) eine varlierende Basiselementhöhe (9) aufweist, dass weiter Kühlelemente (6) mit varlierenden Kühlelementhöhen (8) angeordnet sind, wobei die Summe aus Basiselementhöhe (9) und Kühlelementhöhe (8) in allen Bereichen des Basiselemen-

tes (4), in denen Kühlelemente (6) angeordnet sind, gleich groß ist.

2. Kühlvorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Basiselement (4) in der die Kühlelemente (6) aufweisenden Vorderseite zu-

mindest eine muldenförmige Vertiefung (10) aufweist.

3. Kühlvorrichtung (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass Seitenwände (13) der muldenförmigen Vertiefung (10) schräg zur Horizontalen

verlaufend ausgebildet sind.

4. Kühlvorrichtung (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass auf den schräg zur Horizontalen verlaufenden Seitenwände (13) Kühlelemente (6)

angeordnet sind.

5. Kühlvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Rückseite (3) des Basiselements (4) mit einer ebenen

Oberfläche ausgebildet ist.

6. Kühlvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch ge-

kennzeichnet, dass die Basiselementhöhe (9) des Basiselements (4) in Bereichen

A2024/89790-AT

mit reduzierter Basiselementhöhe (9) um zumindest 30 % reduziert ist, bezogen

auf die maximale Basiselementhöhe (9) des Basiselements (4).

7. Kühlvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Basiselement (4) und die Kühlelemente (6) aus einem

Sinterwerkstoff bestehen.

8. Kühlvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlelemente (6) durch Umformung aus dem Werkstoff

des Basiselements (4) hergestellt sind.

9. Kühlvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem Basiselement (4) zumindest ein Versteifungselement

(15) angeordnet ist, insbesondere auf der ersten Oberfläche (5).

10. Verfahren zur Herstellung einer Kühlvorrichtung (1) umfassend die Schritte Herstellung eines Basiselements (4) mit einer ersten Oberfläche (5), Herstellung einer Kühlelemente (6) aufweisenden Kühlstruktur auf der ersten Oberfläche (5) des Basiselements (4), wobei das Basiselement (4) mit einer Basiselementhöhe (9) hergestellt wird und die Kühlelemente (6) mit einer Kühlelementhöhe (8) hergestellt werden, dadurch gekennzeichnet, dass das Basiselements (4) mit einer variierenden Basiselementhöhe (9) hergestellt wird, dass weiter Kühlelemente (6) mit variierenden Kühlelementhöhen (8) hergestellt werden, wobei die Summe aus Basiselementhöhe (9) und Kühlelementhöhe (8) in allen Bereichen des Basiselementes (4), in denen Kühlelemente (6) angeordnet sind, gleich groß

ausgebildet wird.

A2024/89790-AT