DE10036475A1

DE10036475A1 - Verfahren zum Herstellen einer wärmeleitenden Verbindung zwischen zwei mechanischen Bauteilen

Info

Publication number: DE10036475A1
Application number: DE2000136475
Authority: DE
Original assignee: PEPATECL GmbH
Current assignee: PEPATECL GmbH
Priority date: 2000-07-26
Filing date: 2000-07-26
Publication date: 2002-02-14

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer wärmeleitenden Verbindung zwischen zwei mechanischen Bauteilen einer Vorrichtung zum Temperieren einer Fläche oder eines Volumens, bei dem das technische Problem, eine zuverlässige wärmeleitende Verbindung herzustellen, gelöst ist durch ein Verfahren, bei dem die miteinander zu verbindenden Oberflächen der beiden Bauteile durch eine erste grobe mechanische Bearbeitung hergestellt werden, bei dem die Oberflächen durch eine zweite feine Bearbeitung geebnet werden, bei dem die Oberflächen durch eine dritte Bearbeitung aufgerauht werden, bei dem mindestens eine der Oberflächen mit einer wärmeleitenden Paste versehen wird, bei dem die beiden mechanischen Bauteile unter Druck in Anlage miteinander gebracht und gegeneinander verschoben werden und bei dem die beiden Bauteile in ihrer Anlageposition zueinander fixiert werden. DOLLAR A Die Erfindung betrifft ebenfalls eine entsprechende Vorrichtung zum Temperieren einer Fläche oder eines Volumens sowie einen Kühlbehälter.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer wärmeleitenden Verbindung zwischen zwei mechanischen Bau teilen einer Vorrichtung zum Temperieren einer Fläche oder eines Volumens mit den gattungsgemäßen Merkmalen des Anspruches 1 sowie eine Vorrichtung zum Temperieren einer Fläche oder eines Volumens selbst mit den Merkmalen des Oberbegriffes des Anspruches 6.

Aus dem Stand der Technik sind eine gattungsgemäße Vor richtung und ein Verfahren zu dessen Herstellung bekannt, bei dem die mechanischen Bauteile ohne eine genaue Aus richtung und Vorbehandlung zusammengebaut werden. Der wärmeleitende Kontakt zwischen den relevanten Oberflächen entsteht dabei zufällig zwischen den hervorstehenden Ab schnitten der Oberflächen, so daß nur ein geringer Bruch teil der Oberflächen zur Wärmeleitfähigkeit beiträgt. Denn wenn auch zur Kontaktbildung zwischen den Oberflä chen eine wärmeleitende Paste verwendet wird, so ist de ren Wärmeübertragungskoeffizient erheblich geringer als es bei einem direkten Kontakt zwischen den metallenen Oberflächen der Bauteile selbst der Fall ist. Reichen da her bei der bisher bekannten Zusammenbauweise die Anzahl der echten Kontaktstellen nicht aus, so wird eine nicht brauchbare wärmeleitende Verbindung zwischen zwei Bautei len erzeugt. Der Anteil an Ausschußware ist daher teil weise beträchtlich.

Zudem treten beim Erwärmen oder beim Abkühlen der Bautei le unterschiedliche Wärmeausdehnungen auf, die zu mechanischen Spannungen und durchaus zu Verformungen der Bau teile führen. Der bei Raumtemperatur herrschende mechani sche Kontakt zwischen den Oberflächen kann somit teilwei se während des Betriebes wieder aufgehoben werden.

Der Erfindung liegt daher das technische Problem zugrun de, ein Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben, bei de nen die zuvor aufgezeigten Nachteile behoben werden, so daß eine zuverlässige wärmeleitende Verbindung, insbeson dere bei Vorrichtungen zum Temperieren einer Fläche oder eines Volumens hergestellt werden kann.

Das zuvor aufgezeigte technische Problem wird gemäß einer ersten Lehre der vorliegenden Erfindung durch ein Verfah ren mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst, bei dem die miteinander zu verbindenden Oberflächen der beiden Bauteile durch eine erste grobe mechanische Bearbeitung hergestellt werden, bei dem die Oberflächen durch eine zweite feine Bearbeitung geebnet werden, bei dem die Oberflächen durch eine dritte Bearbeitung aufgerauht wer den, bei dem mindestens eine der Oberflächen mit einer wärmeleitenden Paste versehen wird, bei dem die beiden mechanischen Bauteile unter Druck in Anlage miteinander gebracht und gegeneinander verschoben werden und bei dem die beiden Bauteile in ihrer Anlageposition zueinander fixiert werden.

In bevorzugter Weise wird als erste grobe mechanische Be arbeitung Fräsen oder Sägen angewendet. Dadurch wird zu nächst eine grob strukturierte Oberfläche erzeugt, deren Oberfläche noch so uneben ist, daß die Oberflächen nicht in ausreichendem Maß miteinander in Kontakt gebracht wer den können. Daher wird vorzugsweise als zweite feine me chanische Bearbeitung Schleifen oder Polieren angewendet.

Dadurch können im Prinzip die Oberflächen über große Flä chenbereiche aneinander anliegen, jedoch hat die Praxis gezeigt, daß die genaue Oberflächenstruktur letztlich doch zu uneben ist und weite Bereiche der Oberflächen be abstandet zueinander angeordnet sind. Daher werden wäh rend der dritten mechanischen Bearbeitung die Oberflächen mit Sand bestrahlt. Es wird also der zuvor eben ausgebil deten Oberfläche eine definierte Rauhigkeit hinzugefügt, die beim nachfolgenden Aneinanderdrücken und Verschieben zu einer Verzahnung und Ineinandergreifen der - ggf. so gar atomaren - Strukturen der Oberflächen führt. Ein er heblicher Anteil an echten mechanischen Kontakten zwi schen den metallenen Oberflächen ist das Ergebnis. Nach dem Verschieben und Andrücken der beiden Bauteile ist es erforderlich, diese miteinander fest zu verbinden, damit das Ineinandergreifen der Oberflächenstrukturen gesichert wird.

In weiter bevorzugter Weise wird während des gegenseiti gen Verschiebens der beiden Bauteile eine im wesentlichen kreisförmige Bewegung oder eine Hin- und Herbewegung durchgeführt. Dieses hat den Vorteil, daß die beiden Bau teile zunächst in der Position aufeinander gesetzt werden können, in der sie nach dem Verschieben fixiert werden sollen. Zudem kann das Verschieben mehrfach durchgeführt werden, ohne daß die Ausgangsposition zu weit verlassen würde.

Erfindungsgemäß ist also erkannt worden, daß durch eine sorgfältige Vorbehandlung der zu verbindenden Oberflächen das Ausmaß der echten Kontakte zwischen den Metallen der zu verbindenden Bauteile erheblich vergrößert werden kann. Somit wird nicht nur die Effektivität der Wärme übertragung vergrößert, sondern der Anteil des bei der Herstellung anfallenden Ausschusses wird erheblich ver ringert.

Das oben aufgezeigte technische Problem wird zudem erfin dungsgemäß nach einer zweiten Lehre der Erfindung durch Vorrichtung zum Temperieren einer Fläche oder eines Volu mens mit den Merkmalen des Anspruches 6 gelöst. Weitere Merkmale sind in den Unteransprüchen 7 bis 11 dargelegt.

Eine Anwendung der vorliegenden Erfindung ergibt sich durch einen Kühlbehälter nach einem der Ansprüche 12 bis 14, bei dem die Kühlfläche zumindest einen Teil des Bo dens des Innenraumes bildet. Diese Lösung hat unabhängig von der bisher erläuterten Erfindung einen selbständigen erfinderischen Charakter.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungs beispielen näher erläutert, wozu auf die beigefügte Zeichnung bezug genommen wird. In der Zeichnung zeigen

Fig. 1 eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Temperie ren einer Fläche oder eines Volumens im Teil querschnitt,

Fig. 2 eine Vorrichtung zum Temperieren einer Fläche oder eines Volumens im Überblick im Querschnitt,

Fig. 3 die in Fig. 2 dargestellte Vorrichtung in einer Draufsicht,

Fig. 4 einen erfindungsgemäßen Kühlbehälter in einer Vorderansicht und

Fig. 5 den in Fig. 4 dargestellten Kühlbehälter im Querschnitt von der Seite.

Die Fig. 1 bis 3 zeigen ein Ausführungsbeispiel der vor liegenden Erfindung im Detail.

Die Fig. 2 und 3 zeigen im Überblick eine Temperiervor richtung 12, mit der eine Fläche gekühlt oder erwärmt werden kann. Die Temperiervorrichtung 12 weist ein Gehäu se 14 mit einer Bodenplatte 16, Seitenplatten 18 sowie Eckelemente 20 auf, die als Standbeine dienen. Mit der Bodenplatte 16 sind vier Wärmetauscher 2 verbunden, die einen Freiraum zwischen sich freilassen. In diesem Frei raum sind auf der Bodenplatte 16 zwei Ventilatoren 22 an geordnet, die Luft durch jeweils eine Öffnung 24 in der Bodenplatte 16 ansaugen und radial nach außen abgeben.

Die somit erzeugte Luftströmung strömt von den Seiten platten 18 eingeschlossen in Richtung der Eintrittsöff nungen 8 der Wärmetauscher 2, so daß ein Luftstrom durch die von den Rippen 6 der Wärmetauscher 2 gebildeten Strö mungskanäle hindurch strömt und einen Wärmeaustausch er möglicht. Die Wärmetauscher 2 sowie die Ventilatoren 22 sind nach oben hin durch eine Abdeckplatte 26 zum größten Teil abgedeckt. Lediglich im Bereich separater Öffnungen 28 sind Peltierelemente 30 vorgesehen, die wärmeleitend mit den Wärmetauscher 2 über das dem Peltierelement 30 zugewandte Wandelement 4 verbunden sind.

Über ein weiteres Wärmeleitelement 32 sind die Peltiere lemente 30 jeweils mit einer Temperierfläche 34 verbun den, die somit wärmeleitend mit den Peltierelementen 30 verbunden ist. Somit wird bei dem in den Fig. 2 und 3 dargestellten Ausführungsbeispiel die Temperierfläche 34 an vier verschiedenen Flächenabschnitten gekühlt oder er wärmt. Die Funktionsweise als Kühlelement bzw. als Wär meelement wird durch eine entsprechende elektrische An steuerung der Peltierelemente 30 in bekannter Weise er reicht.

Fig. 1 zeigt nun im Detail, wie die Oberflächen der ein zelnen Bauteile der zuvor beschriebenen Vorrichtung mit einander in Eingriff stehen. Erfindungsgemäß sind die an einander anliegenden Oberflächen mindestens eines der Paare von aneinander angrenzenden Bauteilen, wie im fol genden erläutert wird, im wesentlichen eben und aufge rauht, nämlich insbesondere nach einem Verfahren nach ei nem der Ansprüche 1 bis 5 hergestellt.

Weiterhin sind die Oberflächen des Peltierelements 30 und des Wärmeleitelementes 32 im wesentlichen eben und aufge rauht, vorzugsweise nach einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5 hergestellt.

Das Wärmeleitelement 32 ist mit dem Wärmetauscher 2 ver bunden und klemmt das Peltierelement 30 zwischen sich und dem Wärmetauscher 2 ein. Dazu sind Schrauben 40 vorgese hen, die in Senkbohrungen 42 mit dem Wärmeleitelement 32 einerseits und mit ihrem Gewinde mit Gewindebohrungen im Wärmetauscher 2 andererseits in Eingriff stehen. In dem durch die Höhe des Peltierelementes 30 vorgegebenen Zwi schenraum zwischen dem Wärmetauscher 2 und dem Wärmelei telement 32 ist für jede Schraube 40 ein elastischer Ring 44, vorzugsweise aus Gummi, angeordnet. Der Ring 44 dient dabei einem Auffangen von mechanischen Spannungen, die durch unterschiedliche Wärmeausdehnungen des Wärmetau schers 2, des Peltiereiementes 30 und des Wärmeleitele mentes 32 hervorgerufen werden. Somit kann der Druck auf das Peltierelement 30 weitgehend konstant gehalten werden und die wärmeleitenden Kontakte zwischen den Oberflächen des Wärmetauschers 2 und dem Peltierelement 30 sowie zwi schen dem Wärmeleitelement 32 und dem Peltierelement 30 bleiben weitgehend unbeeinflußt von diesen mechanischen Spannungen.

Weiterhin ist das Wärmeleitelement 32 mit der Temperier fläche 34 verbunden, wozu Schrauben 50 vorgesehen sind, die einerseits an der dem Peltierelement 30 zugewandten Seite des Wärmeleitelementes 32 anliegen und mit einer Gewindebohrung 52 in der Temperierfläche 34 in Eingriff stehen. Die Schrauben 50 sind weiterhin gegenüber dem Wärmeleitelement 32 über elastische Unterlegscheiben 54 abgestützt, so daß auch hier unterschiedliche Temperatur ausdehnungen der beiden verbundenen Elemente ausgeglichen werden können.

Für eine Regelung der Temperierleistung der Temperiervor richtung kann eine Steuerung vorgesehen sein, die eine Regelung der Vorsorungsspannung des Peltierelementes in Abhängigkeit von der Temperatur vornimmt.

Als Beispiele für die in den Fig. 2 und 3 dargestellte Vorrichtung kann eine Wärmeplatte oder ein Warmhaltebe hälter angegeben werden. Andererseits kann die Vorrich tung als Kühlplatte oder als Kühlbehälter ausgebildet sein.

In den Fig. 4 und 5 ist ein erfindungsgemäßer Kühlbehäl ter dargestellt. Dieser weist ein Kühlgehäuse 60 auf, wo bei eine Kühlfläche 62 einen Teil der Innenwandung des Kühlgehäuses 60 bildet. Die Kühlfläche 62 bildet erfin dungsgemäß zumindest einen Teil des Bodens 64 des Kühlgehäuses 60. Weiterhin weist die Kühlvorrichtung eine eine Kühlfläche 66 auf, die zumindest eine Teil der Rückwand 68 bildet. Dabei ist die Kühlfläche 62 mit der Kühlfläche 66 wärmeleitend verbunden, vorzugsweise einstückig ausge bildet.

Dadurch wird die folgende vorteilhafte Wirkung erzielt. Häufig treten gerade bei kleinen Kühlvorrichtungen Pro bleme auf, wenn durch ein Öffnen der Tür nahezu die ge samte Luft innerhalb des Kühlvolumens ausgetauscht wird. Herkömmliche Kühlvorrichtungen, die nur an der Rückwand eine Kühlfläche aufweisen, benötigen daher eine große Zeitdauer, um die Luft im Kühlvolumen wieder auf die ge wünschte niedrige Temperatur herabzukühlen.

Ist jedoch der Boden 64 der Kühlvorrichtung zumindest teilweise als Kühlfläche 62 ausgebildet, wie es die Er findung vorschlägt, so können durch direkten Wärmekontakt mit der Kühlfläche die Lebensmittelbehälter, wie Flaschen oder Kartons, die darin enthaltene Ware gekühlt werden, ohne daß die Luft in dem Kühlgehäuse 60 notwendigerweise auf die niedrige Temperatur abgesenkt worden ist. Dieser Effekt tritt insbesondere wegen der großen Wärmekapazität der Kühlfläche 62 auf, die sich auch durch ein längeres Öffnen des Kühlbehälters nicht wesentlich erwärmt.

Wie Fig. 5 weiterhin zeigt, ist die Kühlfläche 66 mit ei nem Wärmeleitelement 32, einem Peltierelement 30 und ei nem Wärmetauscher 2 in der Art verbunden, wie sie zuvor ausführlich dargelegt worden ist.

Claims

1. Verfahren zum Herstellen einer wärmeleitenden Ver bindung zwischen zwei mechanischen Bauteilen einer Vorrichtung zum Temperieren einer Fläche oder eines Volumens,
bei dem die miteinander zu verbindenden Oberflächen der beiden Bauteile durch eine erste grobe mechani sche Bearbeitung hergestellt werden,
bei dem die Oberflächen durch eine zweite feine Be arbeitung geebnet werden,
bei dem die Oberflächen durch eine dritte Bearbei tung aufgerauht werden,
bei dem mindestens eine der Oberflächen mit einer wärmeleitenden Paste versehen wird,
bei dem die beiden mechanischen Bauteile unter Druck in Anlage miteinander gebracht und gegeneinander verschoben werden und
bei dem die beiden Bauteile in ihrer Anlageposition zueinander fixiert werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem als erste grobe mechanische Bearbeitung Frä sen oder Sägen angewendet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem als zweite feine mechanische Bearbeitung Schleifen oder Polieren angewendet wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem als dritte mechanische Bearbeitung Sand strahlen angewendet wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem während des gegenseitigen Verschiebens der beiden Bauteile eine im wesentlichen kreisförmige Bewegung oder eine Hin- und Herbewegung durchgeführt wird.

6. Vorrichtung zum Temperieren einer Fläche oder eines Volumens
mit mindestens einem Wärmetauscher (2),
mit mindestens einem Mittel (22) zum Erzeugen eines Kühlmittelstromes durch den Wärmetauscher (2),
mit mindestens einem mit jedem Wärmetauscher (2) wärmeleitend verbunden Temperierelement (30) und
mit mindestens einer mit dem Temperierelement (30) wärmeleitend verbundenen Temperierfläche (34),
dadurch gekennzeichnet,
daß die aneinander anliegenden Oberflächen minde stens eines der Paare von aneinander angrenzenden Bauteilen (2, 30; 30,34) im wesentlichen eben und auf gerauht sind.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die wärmeleitfähige Verbindung zwischen minde stens einem der Paare von aneinander angrenzenden Bauteilen (2, 30; 30, 34) nach einem Verfahren nach ei nem der Ansprüche 1 bis 5 hergestellt ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein Wärmeleitelement (32) vorgesehen ist, das mit dem Wärmetauscher (2) verbunden ist und das Tem perierelement (30) zwischen sich und dem Wärmetau scher (2) einklemmt, und daß die an dem Temperierelement (30) anliegende Oberfläche des Wärmeleitele mentes (32) und die Oberfläche des Temperierelemen tes (30) im wesentlichen eben und aufgerauht ist, vorzugsweise nach einem Verfahren nach einem der An sprüche 1 bis 5 hergestellt ist.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein elastisches Element (44) zum Auffangen me chanischer Spannungen zwischen dem Wärmeleitelement (32) und dem Wärmetauscher (2) angeordnet ist.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Wärmeleitelement (32) und die Temperierflä che (34) miteinander verbunden sind und daß ein ela stisches Element (54) zum Auffangen mechanischer Spannungen zwischen dem Wärmeleitelement (32) und der Temperierfläche (34) angeordnet ist.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Temperierelement (30) als Peltierelement ausgebildet ist.

12. Kühlbehälter
mit einem Kühlgehäuse (60),
mit einer Kühlfläche (62), die einen Teil der Innen wandung des Kühlgehäuses (60) bildet,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Kühlfläche (62) zumindest einen Teil des Bo dens (64) des Kühlgehäuses (60) bildet.

13. Kühlbehälter nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlgehäuse (60) eine Kühlfläche (66) auf weist, die zumindest eine Teil der Rückwand (68) bildet.

14. Kühlbehälter nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlfläche (62) mit der Kühlfläche (66) wär meleitend verbunden, vorzugsweise einstückig ausge bildet ist.