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Die Erfindung betrifft ein Kühlbauteil, umfassend einen Grundkörper, wobei an wenigstens einer Fläche des Grundkörpers wenigstens ein zellularer Schaumkörper angeordnet ist.
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Es ist bekannt, elektrischen Komponenten entsprechende Kühlbauteile zuzuordnen, um die während des Betriebs der Komponenten entstehende Verlustwärme abzuführen. Derart kann die Betriebssicherheit entsprechender Komponenten sichergestellt werden, da das Überschreiten einer maximal zulässigen Betriebstemperatur derart in der Regel verhindert wird.
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Typischerweise wird bei entsprechenden Kühlbauteilen versucht, ein mit dem zu kühlenden Bauteil in thermischen Kontakt stehendes und insofern aufgeheiztes Kühlmedium zum Zwecke des Wärmeaustausches durch das Kühlbauteil zu führen. Hierbei sind große Oberflächenstrukturen angestrebt, welche bekanntermaßen den Wärmeaustausch begünstigen.
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Zur Verbesserung entsprechender Kühlbauteile wurde vorgeschlagen, diese an entsprechenden Flächen, insbesondere im Bereich des Wärmeeintrags in das Kühlbauteil, mit Schaumkörpern zu versehen, welche aufgrund ihrer, auf deren zellulare Struktur zurückzuführenden, großen spezifischen Oberflächen ein hohes Wärmeaustauschpotential aufweisen.
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Im Allgemeinen ist jedoch die Durchströmung einer Schaumstruktur mit einem entsprechenden gasförmigen oder flüssigen Kühlmittel aufgrund dessen zellularen Aufbaus häufig nicht zufriedenstellend. Mithin sind die Kühleigenschaften entsprechender mit Schaumkörpern versehener Kühlbauteile nicht ausreichend.
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Dieses Problem verstärkt sich insbesondere bei ansonsten vornehmlich aufgrund von Kostenvorteilen interessanten geschlossenzelligen Schaumstrukturen, welche insofern in oder als Kühlbauteile kaum eingesetzt werden.
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Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, ein entsprechendes Kühlbauteil mit verbesserten Kühleigenschaften anzugeben.
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Das Problem wird erfindungsgemäß durch ein Kühlbauteil der eingangs genannten Art gelöst, welches sich dadurch auszeichnet, dass der Schaumkörper wenigstens einen, diesen vollständig durchsetzenden, mehrere Zellwände des Schaumkörpers durchtrennenden, Kanal aufweist.
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Das erfindungsgemäße Prinzip ermöglicht sonach eine definierte Durchströmung eines entsprechenden zellularen Schaumkörpers durch die Einbringung entsprechender Kanäle. Die als Durchtrittskanäle zu erachtenden Kanäle durchsetzen den Schaumkörper vollständig, das heißt erstrecken sich zwischen entsprechenden Rändern bzw. Seitenflächen des Schaumkörpers, so dass ein entsprechendes Kühlmittel wie zum Beispiel Luft oder Wasser im Wesentlichen ungehindert bzw. in Abhängigkeit der Geometrie, Lage und Orientierung der Kanäle gezielt durch den Schaumkörper strömen und die naturgemäß große Oberfläche des Schaummaterials für den Wärmeübergang nutzbar gemacht werden kann.
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Dabei bezieht sich ein entsprechender Kanal insofern nicht allein auf lineare, das heißt gerade Formen, sondern dieser kann gleichermaßen auch gebogen, insbesondere mäanderförmig, durch den Schaumkörper geführt werden, um einen möglichst langen Strömungsweg des Kühlmediums und somit einen großen Wärmeaustauschbereich mit dem Schaumkörper zu realisieren. Die querschnittliche Form der Kanäle ist bevorzugt rund, jedoch sind selbstverständlich auch andere querschnittliche Formen entsprechender Kanäle wie etwas eckig oder oval, denkbar.
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Durch die Einstellung entsprechender Durchmesser sowie die Anzahl der den Schaumkörper durchsetzenden Kanäle können Kühlbauteile mit unterschiedlichen Kühleigenschaften erhalten werden, so dass die erfindungsgemäßen Kühlbauteile für konkrete Anwendungsfälle maßgeschneidert bereitgestellt werden können.
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Die erfindungsgemäße Lehre ermöglicht sonach ein entsprechend verbessertes Wärmeaustauschverhalten zwischen einem Kühlmedium und dem Schaumkörper und somit verbesserte Kühleigenschaften des Kühlbauteils insgesamt sowohl bei offenzelligen als auch geschlossenzelligen Schaumkörpern, wobei die Wirkung bei geschlossenzelligen Schaumkörpern regelmäßig deutlicher hervortritt. Somit sind mit dem erfindungsgemäßen Prinzip auch geschlossenzellige Schaumkörper für die Anwendung an entsprechende Flächen eines Grundkörpers eines Kühlbauteils einsetzbar.
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Bevorzugt handelt es sich bei dem Schaumkörper um einen Metallschaumkörper. Dieser kann beispielsweise aus einem Aluminium-, Magnesium- oder Kupferschaum gebildet sein. Denkbar ist es jedoch auch, den Schaumkörper aus einem, insbesondere mit entsprechenden thermisch leitfähigen Partikeln versehenen, Kunststoff- oder Keramikschaum auszubilden.
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Vorteilhaft entspricht der Durchmesser des Kanals wenigstens abschnittsweise dem ein- bis zweifachen der mittleren Zellgröße der Zellen des Schaumkörpers. Unter der mittleren Zellgröße ist im Allgemeinen der Quotient aus der Summe der einzelnen Zellgrößen der in einem gegebenen oder dem gesamten Volumen befindlichen Zellen eines Schaumkörpers und der Anzahl der in dem jeweiligen Volumen befindlichen Zellen des Schaumkörpers zu verstehen. Mithin läge der Durchmesser der Kanäle bei einer mittleren Zellgröße von ca. 3 mm im Bereich von ca. 3 bis 6 mm. Es hat sich hierbei erwiesen, dass entsprechende Verhältnisse von mittlerer Zellgröße zu Durchmesser der jeweiligen Kanäle bezüglich der Kühleigenschaften des mit dem Kühlmedium durchströmten Kühlbauteils gute Ergebnisse zeigen. Selbstverständlich sind Ausnahmen denkbar.
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Bei mehreren Kanälen ist es vorteilhaft, wenn diese einen Abstand zu einander im Bereich des zwei- bis vierfachen der mittleren Zellgröße der Zellen des Schaumkörpers aufweisen. Auch hier können selbstverständlich Ausnahmen möglich sein.
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Die Anordnung mehrerer Kanäle betreffend kann es sein, dass diese wenigstens teilweise in regelmäßiger oder teilweise in unregelmäßiger Anordnung relativ zueinander angeordnet sind. Mithin können die Kanäle bedarfsgerecht über das Volumen des Schaumkörpers verteilt angeordnet sein. Regelmäßige Anordnungen können gegebenenfalls fertigungstechnische Vorteile aufweisen, da sich diese über entsprechende Mehrfachwerkzeuge schnell und einfach in den Schaumkörper einbringen lassen.
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Es ist hierbei möglich, dass mehrere Kanäle in mehreren übereinanderliegenden Reihen angeordnet sind, wobei die entsprechenden Kanäle unterschiedlicher Reihen direkt übereinander oder versetzt zueinander angeordnet sind. Demzufolge sind bezogen auf eine Seitenansicht eines Schaumkörpers entsprechende kubische beziehungsweise hexagonal angeordnete Kanäle möglich.
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Der Schaumkörper kann beispielsweise durch Löten mit der jeweiligen Fläche des Grundkörpers verbunden sein oder integral mit der Fläche des Grundkörpers ausgebildet sein. Im ersten Fall ist eine metallische Verbindung des Schaumkörpers mit dem Grundkörper gegeben, welche gleichermaßen mechanisch stabil als auch thermisch leitfähig ist. Im zweiten Fall kann der Schaumkörper integral aus der jeweiligen Fläche des Grundkörpers ausgebildet sein, das heißt, die jeweilige Fläche des Grundkörpers weist einen Dichtegradienten mit abnehmender Dichte von außen nach innen auf, so dass sich an einen kompakten, die Fläche bildenden Randbereich ein zellularer beziehungsweise poröser, den Schaumkörper bildender Bereich anschließt. Der Übergang zwischen den kompakten und dem zellularen, das heißt geschäumten Bereich ist vorteilhaft kontinuierlich. Die letztgenannte Ausführungsform ist insbesondere bei der Verwendung von geschlossenzelligen Schaumkörpern bevorzugt.
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Die Kanäle können auf einfache Weise durch mechanische Verfahren, das heißt insbesondere Bohren, Laserstrahlschneiden, Wasserstrahlschneiden etc. in den Schaumkörper eingebracht werden. Denkbar ist ferner die Ausbildung entsprechender Kanäle durch andere materialabtragende Verfahren wie z. B. Ätzen oder Erodieren.
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Der Grundkörper ist vorteilhaft als ein Innenvolumen begrenzendes Gehäuseteil ausgebildet, wobei der Schaumkörper innerhalb des Gehäuseteils angeordnet ist. Dabei füllt der Schaumkörper bevorzugt den Innenraum beziehungsweise das Innenvolumen des Gehäuseteils vollkommen aus. Das Gehäuseteil, welches beispielsweise eine rechteckige Querschnittsform aufweist, kann gegebenenfalls entsprechende Anschlussmittel zum Anschließen eines ein Kühlmittel befördernden Leitungsmittels umfassen. Dabei sind die Anschlussmittel selbstverständlich im Bereich der Kanäle angeordnet, so dass ein Kühlmittel direkt über das Anschlussmittel in die entsprechenden Kanäle geführt werden kann.
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Neben der Ausführung des Grundkörpers als Gehäuseteil, ist beispielsweise auch eine Ausführung des Grundkörpers als im wesentlichen zweidimensionale Kühlplatte denkbar, auf dessen Ober- und/oder Unterseite ein entsprechender Schaumkörper angeordnet ist.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:
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1 eine Prinzipdarstellung eines erfindungsgemäßen Kühlbauteils in einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung,
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2 eine Prinzipdarstellung eines erfindungsgemäßen Kühlbauteils in einer weiteren beispielhaften Ausführungsform der Erfindung,
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3 eine Prinzipdarstellung eines Ausschnitts aus einem erfindungsgemäßen Schaumkörper in einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung, und
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4 eine Prinzipdarstellung eines Ausschnitts aus einem erfindungsgemäßen Schaumkörper in einer weiteren beispielhaften Ausführungsform der Erfindung.
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1 zeigt eine Prinzipdarstellung eines erfindungsgemäßen Kühlbauteils 1 in einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung. Das Kühlbauteil 1 weist einen Grundkörper 2 in Form eines querschnittlich rechteckigen Gehäuseteils auf. Der Grundkörper 2 ist aus entsprechenden miteinander verbundenen plattenartigen Flächen 3 gebildet, so dass der Grundkörper 2 respektive das Gehäuseteil ein Innenvolumen begrenzen. Das Kühlbauteil 1 findet beispielsweise in Wärmetauschern oder als integraler Bestandteil beliebiger zu kühlender Vorrichtungen oder Teilen entsprechender Vorrichtungen Verwendung.
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Innerhalb des Grundkörpers 2 ist ein Schaumkörper 4 angeordnet, das heißt die Randbereiche des Schaumkörpers 4 sind etwa über Lötverbindungen mit den Flächen 3 des Grundkörpers 2 verbunden, so dass sich eine stabile und thermisch leitfähige Verbindung des Schaumkörpers 4 mit den Flächen 3 des Grundkörpers 2 ergibt. Ersichtlich füllt der Schaumkörper 4 das Innenvolumen des Grundkörpers 2 vollständig aus.
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Der Schaumkörper 4 ist aus einem geschlossenzelligen Metallschaum, wie etwa einem Aluminiumschaum gebildet. Entsprechend kommunizieren die einzelnen durch Zellwände 5 begrenzten Zellen 6 des Schaumkörpers 4 nicht miteinander, sondern stellen für sich jeweils abgeschlossene Zellvolumina dar. Die Zellwände 5 und Zellen 6 des Schaumkörpers 4 sind in den 3, 4 näher gezeigt.
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Die Durchströmung des Schaumkörpers 4 mit einem Kühlmedium wie z. B. Wasser oder Luft wird erfindungsgemäß durch die Einbringung mehrerer Kanäle 7 in den Schaumkörper 4 ermöglicht. Die Kanäle 7 durchsetzen den Schaumkörper 4 vollständig und sind insofern als Durchtrittspfade für ein entsprechendes gasförmiges oder flüssiges Kühlmedium zu verstehen. Dabei durchtrennen die Kanäle 7 mehrere Zellwände 5 des Schaumkörpers 4. Ersichtlich erstrecken sich die Kanäle 7 zwischen zwei gegenüberliegenden Randbereichen bzw. Seitenflächen des Schaumkörpers 4. An den entsprechenden Flächen 3 des Grundkörpers 2 sind Öffnungen im Sinne von Anschlussmitteln 8 vorgesehen, durch welche das Kühlmedium ein- beziehungsweise austreten kann.
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Die Kanäle 7 können zum Beispiel durch Einbringen von Bohrungen in den Schaumkörper 4 oder Wasserstrahlschneiden in den Schaumkörper 4 eingebracht sein. Mithin erlaubt das erfindungsgemäße Prinzip durch die einfache, insbesondere mechanische, Bearbeitung des Schaumkörpers 4, das heißt die Einbringung entsprechender Kanäle 7 in den Schaumkörper 4, die Verwendung von von Natur aus aufgrund deren geschlossenzelliger Struktur für Anwendungen als oder in Kühlbauteilen 1 wenig geeigneten geschlossenzelligen Schäumen. Demzufolge kann mit einem vergleichsweise kostengünstigen Material eine gute Wärmeübergangscharakteristik des Kühlbauteils 1 erzeugt werden.
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2 zeigt eine Prinzipdarstellung eines erfindungsgemäßen Kühlbauteils 1 in einer weiteren beispielhaften Ausführungsform der Erfindung. Der wesentliche Unterschied zu der in 1 gezeigten Ausführungsform besteht in der Form des Grundkörpers 2, welcher hier nicht als Gehäuseteil, sondern als ebene Platte vorliegt. Gleichermaßen ist auf einer Fläche 3 des Grundkörpers 2 ein Schaumkörper 4 vorgesehen. Dieser liegt jedoch nicht als separates Teil zu dem Grundkörper 2 vor, sondern ist integral mit diesem ausgeführt. Das heißt, der Schaumkörper 4 ist integral mit der entsprechenden Fläche 3 des Grundkörpers 2 verbunden, was z. B. dadurch möglich ist, dass im Bereich der Fläche 3 im Rahmen der Herstellung des Grundkörpers 2 ein Lüftungshub durchgeführt wird. Der Lüftungshub ermöglicht bei Herstellung des Grundkörpers 2 durch geeignete formgebende Verfahren, wie etwa Spritzgießverfahren, mit einer mit einem Treibmittel beladenen Metall- oder Kunststoffschmelze ein Aufschäumen des Materials im Bereich der Fläche 3 und so die integrale Ausbildung einer den Schaumkörper 4 bildenden zellularen Schaumstruktur.
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Alternativ ist auch eine Anordnung eines Schaumkörpers 4 zwischen wenigstens zwei übereinanderliegenden beziehungsweise parallel angeordneten plattenartigen Flächen 3 eines entsprechend ebenso plattenartigen Grundkörpers 2 denkbar, wodurch sich eine Art Sandwichaufbau ergibt. Die Flächen 3 des Grundkörpers 2 können auf den Schaumkörper 4 auflaminiert werden.
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3 zeigt eine Prinzipdarstellung eines Ausschnitts aus einem erfindungsgemäßen Schaumkörper 4 in einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung. Ersichtlich sind hier mehrere Kanäle 7 vorgesehen, welche in regelmäßiger Anordnung relativ zueinander angeordnet sind. Die Kanäle 7 sind in mehreren übereinanderliegenden Reihen angeordnet. Die Kanäle 7 der einzelnen Reihen befinden sich in direkt übereinander liegender Anordnung. Die Anordnung der Kanäle 7 lässt sich insofern als kubisch bezeichnen.
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Aus 3 ist ferner ersichtlich, dass der Durchmesser d eines Kanals 7 dem Ein- bis Zweifachen der mittleren Zellgröße der Zellen 6 des Schaumkörpers 4 entspricht. Entsprechend läge der Durchmesser der Kanäle 7 bei einem Schaummaterial mit einer mittleren Zellgröße von ca. 3 mm im Bereich von ca. 3–6 mm. Gleichermaßen ist zu erkennen, dass der Abstand entsprechender in einer Reihe angeordneter Kanäle 7 im Bereich des zwei- bis vierfachen der mittleren Zellgröße der Zellen 6 des Schaumkörpers 4 liegt. Für das Beispiel einer mittleren Zellgröße von ca. 3 mm beträgt der Abstand entsprechender Kanäle 7 sonach ca. 6–12 mm.
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4 zeigt eine Prinzipdarstellung eines Ausschnitts aus einem erfindungsgemäßen Schaumkörper 4 in einer weiteren beispielhaften Ausführungsform der Erfindung. Der wesentliche Unterschied zu der in 3 gezeigten Anordnung der Kanäle 7 besteht hier darin, dass diese zwar ebenso in mehreren übereinanderliegenden Reihen angeordnet sind, allerdings sind die entsprechenden Kanäle 7 unterschiedlicher Reihen versetzt zueinander angeordnet. Die Kanäle 7 liegen demzufolge in einer Art hexagonalen Anordnung vor.
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Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
