CN110248749B - 用于制造冷却装置的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于制造冷却装置(10)的方法，该冷却装置包括至少一个由导热良好的第一材料制成的空心体(30)和由导热良好的第二材料制成的基体(20)。本发明还涉及一种用于制造冷却装置的半成品(10)、用于电气组件的冷却装置(10)和具有这种冷却装置的电气组件。在本发明中：空心体(30)在外部涂覆第三材料并且在内部通过第三材料填充，第三材料具有低于第一材料和第二材料的熔化温度；其中填充物填充空心体然后被冷却；其中经填充的空心体(30)被放置到铸造模具中；其中第二材料作为压铸件以第一温度注入铸造模具中，并且至少部分地包围空心体(30)流动；其中压铸件使表面涂层(36)的第三材料熔化并且熔接空心体(30)的第一材料，以便在构成基体(20)的第二材料的压铸件和空心体的第一材料之间至少局部地形成材料连接；其中第二材料的压铸件凝固并且变为固态；其中在凝固阶段期间，第二材料的压铸件加热空心体(30)的内部中由第三材料制成的填充物(5)直到达到熔化温度；并且其中熔化的第三材料在压力下从空心体(30)中被移除。

Description

用于制造冷却装置的方法
技术领域
本发明涉及一种用于制造冷却装置的方法。本发明的主题还涉及一种用于制造冷却装置的半成品、用于电气组件的冷却装置以及具有这种冷却装置的电气组件。
背景技术
在现有技术中，浇注管道插件通常也是用于汽车组件的常用方法，例如压铸冷却器中的冷却盘管、变速箱中的油管等。特别是在铝压铸件的制造中(铝管被插入该铝压铸件中)，应该在铸造工艺中保持铝管插入件的稳定性。铝压铸件较高的熔化温度和压力对于铝管插入件而言尤其关键。因此，从现有技术中已知通过盐芯或砂芯填充铝管插入件，以确保在铸造工艺中管的稳定性。在浇注插入件之后，通过另外的冲洗工艺去除盐芯或砂芯填充物以确保管的连通性。
DE 10 2008 039 208 A1公开了具有芯的铝压铸件的制造，该芯用于在铝部件中形成空腔，并且该芯具有金属或金属合金的表面层，特别是铜、镍、锌、锡、铋、硅、铜锡基合金、铜镍基合金、铜锌基合金，上述材料由于成本原因在铸造工艺之后依然残留在铸造件中。表面涂层用作熔体和芯壳之间的粘合层，并且针对性地影响铸件中残留的芯壳部分的功能，特别是关于成品部件的铸壁与随后填充有冷却介质的铸件的空腔之间的导热性。
从DE 10 2011 076 312 A1中已知一种用于壳体的冷却装置，在该壳体中容纳有电力电子器件的至少一个部件。待封装的中空冷却结构代表壳体的冷却表面。在壳体的制造过程中，待封装的冷却结构由介质支撑，该介质作用在待封装的冷却结构上。在该文献中，待封装的冷却结构由铝或铝合金制成，并且弯曲地延伸或从介质的流入到介质的流出呈U形。
发明内容
用于制造根据本发明的冷却装置的方法具有以下优点：涂覆和填充至少一个空心体被组合在一个制造工艺中，并且不需要额外的运输。替代额外的冲洗工艺，由于热的和液态下的材料特性，由第三材料制成的填充物直接在浇注之后以有利的方式快速且低成本地被移除。由于涂层材料同时用于填充空心体，所以可以减少组件中的材料数量，因为不需要额外的填充材料(例如盐或沙子)来确保空心体在铸造工艺期间的稳定性。另外，在对空心体后续加工之前，第三材料制成的表面涂层能够保护空心体的表面免于氧化。有利地，由于第二材料的压铸件的较高温度(高于第三材料的熔点)，表面涂层被熔化并从空心体的第一材料上冲洗掉，使得空心体的第一材料与压铸件的第二材料(或者基体)之间能够至少局部地形成材料连接。
本发明的实施例提出一种用于制造冷却装置的方法，该冷却装置包括至少一个由导热良好的第一材料制成的空心体和由导热良好的第二材料制成的基体。在此，空心体在外部涂覆有第三材料，并且在内部通过第三材料填充，第三材料的熔化温度低于第一材料和第二材料的熔化温度。填充物填充空心体然后被冷却。经填充的空心体被放置到压铸模具中。随后，将第二材料作为压铸件以第一温度注入压铸模具中，并且至少部分地围绕空心体流动，其中该压铸件使表面涂层的第三材料熔化并且熔接空心体的第一材料，从而在构成基体的第二材料的压铸件和空心体的第一材料之间至少局部地形成材料连接。然后，第二材料的压铸件凝固并且变为固态，其中在凝固阶段期间，第二材料的压铸件加热空心体的内部中由第三材料构成的填充物直到达到熔化温度，并且其中熔化的第三材料在压力下从空心体中被移除。
此外，本发明提出一种用于制造冷却装置的半成品。该半成品包括由导热良好的第一材料制成的管状空心体。在此，未弯曲的空心体在其外侧具有表面涂层以及由导热良好的第三材料制成的填充物，第三材料具有比第一材料低的熔点。填充物完全填充空心体。在涂覆和填充时，处理未弯曲的空心体比已经弯曲的空心体更容易。
此外，本发明的实施例提出一种用于电气组件的冷却装置。这种冷却装置包括至少一个由导热良好的第一材料制成的空心体，该空心体嵌入由导热良好的第二材料制成的基体中。在此，在至少一个空心体的外侧上，在至少一个空心体的第一材料和基体的第二材料之间至少局部地形成材料连接。此外，空心体在其内侧具有由导热良好的第三材料制成的表面涂层，第三材料具有比空心体的导热良好的第一材料和基体的导热良好的第二材料更低的熔化温度。由于空心体在基体中的材料连接和集成，可以实现基体和空心体之间的低热阻，从而以有利的方式省去用于改善基体和空心体之间的导热性的其他措施，例如施加热粘合剂。另外，空心体内侧的表面涂层的优点是，防止空心体表面氧化，从而能够在空心体和流过空心体的冷却介质之间实现良好的热传递。
这种冷却装置可以用在电气组件中，以用于冷却至少一个电力部件。
通过下文中记载的措施和改进，能够有利地改进根据本发明的用于制造冷却装置的方法、用于制造冷却装置的半成品、用于电气组件的冷却装置以及电气组件。
特别有利的是，空心体的第一材料可以是铝或铝合金。基体的第二材料也可以是铝或铝合金。通过使用铝或铝合金，可以低成本且容易地实现轻量化设计和良好的导热性，因为可以在制造过程中使用可靠的方法和工艺。空心体的表面涂层的第三材料例如可以是锌或锌合金，或者是锡或锡合金。锡或锌材料具有比盐或沙子显著更高的导热率，这意味着，在铸造工艺中它们不仅提供机械辅助而且提供热力学辅助。另外，较低熔化温度(锡(231℃)、锌(419℃))使得能够简单且快速地涂覆或填充铝制的空心体，铝具有显著更高的熔化温度(660℃)，其中粘性铝压铸件的最高温度约为560至580℃。通过使用各种合金可以进一步降低表面涂层的熔点，以便通过铝压铸件来帮助熔化空心体的表面涂层。在铸造期间，空心体中的填充物的锡或锌材料仍然是固态的，即空心体保持稳定。在非常短的时间(约1秒)后，压铸件凝固并且变为固态。同时，锡或锌材料在空心体中被加热达到或超过其熔点。从这时起，可以利用高压从空心体中除去熔化的锡或锌材料，例如通过注入气体。从空心体中移除的锡或锌材料可以被收集和再利用(再循环)。
在该方法的有利实施例中，可以在涂覆和填充之前通过锌酸盐工艺处理空心体。因此，特别是当使用铝作为第一材料时，在通过表面涂层(优选锡或锌材料)保护空心体的表面免于再次氧化之前，可以去除空心体表面上的氧化物层。
在该方法的另一有利实施例中，可以在涂覆池中通过第三材料涂覆并用填充空心体。借助于这种涂覆池，可以在一个工艺步骤中用第三材料涂覆和填充空心体。另外，用熔化的液态的第三材料填充空心体比用盐或沙子填充更快且成本更低。
在该方法的另一有利实施例中，可以将经填充和冷却的空心体切割并弯曲成所需的形状。弯曲和切割具有填充和涂覆的空心体的半成品比首先弯曲和切割空心体然后涂覆和填充更容易。
在该方法的另一有利实施例中，在凝固阶段期间，可以在空心体的端部处确定填充物的温度。因此，当填充物的温度达到和/或超过预定的阈值时，可以将用于移除填充物的压力施加到空心体上。预定的温度阈值可以被选择为，使得填充物的第三材料已经超过其熔点并且变为液体。为了最佳地且独立于产品地识别该时间窗口，可以在空心体的端部布置温度传感器。然后可以通过温度传感器的测量值来控制排净空心体的压力。
在半成品的有利实施例中，经涂覆和填充的管状空心体可以在冷却后直接被弯曲并切割成所需的形状。
在电气组件的有利实施例中，冷却装置可以例如用作电气组件的基板和/或用作电气组件的壳体的一部分。在该基板或壳体部分上，可以布置待冷却的电力部件。这里，冷却装置可以用作气体冷却器，其中用于导热的气体被引导通过空心体，或者冷却装置可以用作液体冷却器，其中用于导热的液体被引导通过空心体。
在附图中示出了本发明的实施例，并且在以下描述中更详细地解释了本发明的实施例。在附图中，相同的附图标记表示执行相同或类似功能的组件或元件。
附图说明
图1示出了根据本发明的用于电气组件的冷却装置的实施例的纵向剖视图。
图2示出了根据本发明的用于图1的电气组件的冷却装置的实施例的横向剖视图。
图3示出了根据本发明的用于制造冷却装置的方法的实施例的示意性流程图。
图4示出了具有根据本发明的用于制造冷却装置的半成品的实施例的涂覆池的示意图。
图5示出了特性曲线图，该特性曲线图表示在制造根据本发明的用于电气组件的冷却装置期间，压铸件的温度曲线的第一特性曲线以及空心体的填充物的温度曲线的第二特性曲线。
具体实施方式
从图1和图2中可以看出，用于电气组件的冷却装置10的所示实施例包括至少一个由导热良好的第一材料制成的空心体30，该空心体嵌入由导热良好的第二材料制成的基体20中。在此，在至少一个空心体30的外侧34上，在至少一个空心体30的第一材料和基体20的第二材料之间至少局部地形成材料连接。此外，空心体30在其内侧32上具有由导热良好的第三材料制成的表面涂层36，第三材料具有比空心体30的导热良好的第一材料和基体20的导热良好的第二材料更低的熔化温度。
在冷却装置10的所示实施例中，空心体30的第一材料是锻造铝合金，而基体20的第二材料是压铸铝。在所示实施例中，空心体30的表面涂层36的第三材料是锌。当然，可以考虑其他材料组合，空心体30例如可以由铜或铜合金或其他合适的导热良好的金属或金属合金制成。空心体30的表面涂层36例如也可以是锌合金或锡或锡合金。在所示实施例中，空心体30被构造为具有圆形横截面的弯曲管。当然，空心体30也可以具有其他形状和横截面，并且也可以被构造为例如具有多边形横截面的U形弯管。
根据本发明的冷却装置10的实施例优选地用于冷却(未示出的)电气组件中的至少一个电力部件，该电气组件例如被设计为控制器。因此，冷却装置10例如可以用作电气组件的基板和/或作为控制器的壳体的一部分。在该基板或壳体部分上，可以布置待冷却的电力部件。在此，冷却装置10可以用作气体冷却器，其中用于导热的气体被引导通过空心体30，或者冷却装置可以用作液体冷却器，其中用于导热的液体被引导通过空心体30。
从图3和图4中可以看出，根据本发明的用于制造冷却装置10(包括至少一个由导热良好的第一材料制成的空心体30和由导热良好的第二材料制成的基体20)的方法1的所示实施例包括以下步骤：
在步骤S100中，空心体30在外部涂覆第三材料并且在内部填充第三材料，第三材料具有比空心体30的第一材料和基体20的第二材料更低的熔化温度。填充物5填充空心体30。随后，在步骤S110中冷却经填充的空心体，并且在步骤S120中将经填充的空心体30放置到压铸模具中。在步骤S130中，将第二材料作为压铸件以第一温度注入压铸模具中，并且至少部分地围绕空心体30流动。在此，压铸件使表面涂层36的第三材料熔化并且熔接空心体30的第一材料，以便在构成基体20的第二材料的压铸件和空心体30的第一材料之间至少局部地形成材料连接。在步骤S140中，第二材料的压铸件凝固并且变为固态，其中在步骤S140中的凝固阶段期间，第二材料的压铸件加热空心体30的内部中由第三材料构成的填充物5直到达到熔化温度。在步骤S150中，熔化的第三材料在压力下从空心体30中被移除。
在根据本发明的方法1的所示实施例中，使用铝或铝合金用作为空心体30的第一材料以及基体20的第二材料。使用锌或锌合金作为空心体30的表面涂层36和填充物5的第三材料。当然，可以考虑其他材料组合，因此空心体30例如可以由铜或铜合金或其他合适的高导热金属或金属合金制成。空心体30的表面涂层36例如也可以是锡或锡合金。
从图3中还可以看出，在涂覆和填充之前，可以在可选步骤S50(以虚线示出)中通过锌酸盐工艺处理空心体30，以去除空心体30的表面上的氧化物层。
从图4中可以进一步看出，在步骤S50中的锌酸盐处理之后，空心体30作为半成品3(未弯曲，长度为约6m)在步骤S100中，在涂覆池9中被第三材料涂覆并完全填充。从图4中可以看出，空心体30倾斜地浸入涂覆池9中并在涂覆和填充期间保持该位置，使得空心体30完全由第三材料(此处为锌)填充，并且空气7可以从空心体30中逸出。当从涂覆池9中提起空心体30时，空心体30的下端紧密地闭合。在这种状态下，空心体30被冷却，使得仍处于液态的第三材料不能流出。
从图3中还可以看出，经填充和冷却的空心体30或半成品3可以在虚线所示的可选步骤S115中被弯曲并切割成所需形状。填充物5在弯曲工艺或机械加工期间已经增加了空心体30的稳定性。
为了检测从空心体30中移除填充物5的最佳时间窗口，在步骤S140中的凝固阶段期间，可以在空心体30的端部处确定填充物5的温度。在步骤S150中，当填充物5的温度达到和/或超过预定阈值时，可以将移除填充物5的压力施加到空心体30上。预定的温度阈值可以被选择为，使得填充物5的第三材料已经超过其熔点并且变为液体。为了最佳地且独立于产品地识别该时间窗口，可以在空心体30的端部处布置温度传感器。然后可以通过温度传感器的测量值来控制排净空心体30的压力。当使用锌填充空心体30时，例如当填充物5的温度高于450℃时可以激活压力。如果温度降至420℃以下，可以再次解除压力。当使用锡作为空心体30的填充物5时，例如当填充物5的温度高于250℃时可以激活压力。如果温度降至235℃以下，可以再次解除压力。在此过程中，可以测量压力损失，从而可以控制或检查空心体30的连通性。例如，温度传感器可以布置在空心体30的端部的位置处。从空心体30移除的填充物5的第三材料可以被收集和再次使用(再循环)。
从图5中可以看出，在所示实施例中使用的铝直到时间t1都具有固态的第一状态Z1，该铝在步骤S130中作为压铸件注入到压铸模具中并且其温度曲线示出第一特性曲线K1。在时间t1和第二时间t2之间的第一时间窗口tF(Al)期间，引入的铝压铸件具有液态或粘性状态Z2并且温度在400至580℃的范围内。从时间t2开始，铝压铸件开始固化并再次具有固态的第一状态Z1。如第一特性曲线K1所示，铝压铸件缓慢冷却。
从图5中还可以看出，空心体30的填充物5(其温度曲线显示出第二特性曲线K2)在压铸期间仍然具有固态的第一状态Z1，即空心体30保持稳定。在非常短(约1秒)的第一时间窗口tF(Al)之后，压铸件凝固并且变为固态。同时，通过热的压铸件加热空心体30中的填充物5，并且达到或超过填充物5的熔化温度。当使用锡时，填充物5在第三时间t3达到熔化温度，并在第二时间窗口tF(Zn)的持续时间内变为液体或粘性状态Z2。当使用锌时，填充物5在第四时间t4达到熔化温度，并在第三时间窗口tF(Sn)的持续时间内变为液体或粘性状态Z2。从第五时间点t5开始，填充物5再次凝固并且具有固态的第一状态Z1。因此，当使用锡时，熔化的填充物5可以在第二时间窗口tF(Zn)期间在高压下从空心体30中被移除。当使用锌时，熔化的填充物5可以在第三时间窗口tF(Sn)期间在高压下从空心体30中被移除，其中第三时间窗口tF(Sn)比第二时间窗口tF(Zn)明显更短，由于曲线的比例，第三时间窗口的结束和转变到固态的第一状态在图中不可见。

Claims (10)

1.一种用于制造冷却装置(10)的方法(1)，所述冷却装置(10)包括至少一个由导热良好的第一材料制成的空心体(30)和由导热良好的第二材料制成的基体(20)，
其特征在于，
所述空心体(30)在外部被第三材料涂覆并且在内部被所述第三材料填充，所述第三材料具有低于所述第一材料和第二材料的熔化温度；
其中填充物(5)填充所述空心体然后被冷却；
其中经填充的所述空心体(30)被放置到压铸模具中；
其中所述第二材料作为压铸件以第一温度注入所述压铸模具中，并且至少部分地围绕所述空心体(30)流动；
其中所述压铸件使表面涂层(36)的第三材料熔化并且熔接所述空心体(30)的第一材料，使得在构成所述基体(20)的第二材料的所述压铸件和所述空心体(30)的第一材料之间至少局部地形成材料连接；
其中第二材料的所述压铸件凝固并且变为固态；
其中在凝固阶段期间，第二材料的所述压铸件加热所述空心体(30)的内部中由第三材料构成的所述填充物(5)直到达到熔化温度；并且
其中熔化的第三材料在压力下从所述空心体(30)中被移除。
2.根据权利要求1所述的方法(1)，
其特征在于，
所述空心体(30)的第一材料和/或所述基体(20)的第二材料是铝或铝合金，并且
所述空心体(30)的所述表面涂层(36)的第三材料是锌或锌合金，或者是锡或锡合金。
3.根据权利要求1或2所述的方法(1)，其特征在于，在涂覆和填充之前，通过锌酸盐工艺处理所述空心体(30)。
4.根据权利要求1或2所述的方法(1)，其特征在于，所述空心体(30)在涂覆池(9)中以第三材料涂覆和填充。
5.根据权利要求1或2所述的方法(1)，其特征在于，经填充和冷却的所述空心体(30)被弯曲并切割成所需的形状。
6.根据权利要求1或2所述的方法(1)，其特征在于，在所述凝固阶段期间，在所述空心体(30)的端部处确定所述填充物(5)的温度。
7.根据权利要求6所述的方法(1)，其特征在于，当所述填充物(5)的温度达到和/或超过预定的阈值时，用于移除所述填充物(5)的压力被施加到所述空心体(30)上。
8.一种用于电气组件的冷却装置(10)，其特征在于，所述冷却装置(10)根据权利要求1至7中任一项所述的方法来制造。
9.一种电气组件，具有至少一个电力部件和冷却装置(10)，所述冷却装置(10)使所述至少一个电力部件冷却，其特征在于，所述冷却装置(10)是根据权利要求8设计的。
10.根据权利要求9所述的电气组件，其特征在于，所述冷却装置(10)集成在所述电气组件的壳体中和/或构成所述电气组件的基板。
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