DE102012102959B4

DE102012102959B4 - Umgossene Heat-Pipe

Info

Publication number: DE102012102959B4
Application number: DE102012102959.8A
Authority: DE
Inventors: Torsten Söderberg; Alexander Janzen
Original assignee: SMA Solar Technology AG
Current assignee: SMA Solar Technology AG
Priority date: 2012-04-04
Filing date: 2012-04-04
Publication date: 2015-07-30
Anticipated expiration: 2032-04-05
Also published as: WO2013149955A1; CN204524228U; DE102012102959A1

Abstract

Verfahren zur Integration einer Heat-Pipe (2) in eine Wandung (1) aus einer Druckgusslegierung (9), – wobei die flüssige Druckgusslegierung an einen in einer Druckgussform (18) angeordneten abgedichteten Hohlkörper (3) der Heat-Pipe (2) angegossen wird und – wobei ein Innenraum (4) des Hohlkörpers (3) mit einem Arbeitsmedium (5) befüllt und hermetisch abgedichtet wird, dadurch gekennzeichnet, – dass der Innenraum (4) vor dem Einbringen des Hohlkörpers (3) in die Druckgussform (18) mit dem Arbeitsmedium (5) befüllt und hermetisch abgedichtet wird und – dass ein Abdichtbereich des Hohlkörpers (3) in der Druckgussform (18) mit der Druckgusslegierung (9) umgossen wird.

Description

TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Integration einer Heat-Pipe in eine Wandung aus einer Druckgusslegierung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des unabhängigen Patentanspruchs 1 sowie eine nach diesem Verfahren herstellbare Wandung aus einer Druckgusslegierung mit einer integrierten Heat-Pipe und den Merkmalen des Oberbegriffs des unabhängigen Patentanspruchs 10. Letztlich befasst sich die Erfindung auch mit einem Gehäuse, das eine solche Wandung mit einer integrierten Heat-Pipe aufweist.
Unter einer Heat-Pipe ist ein in seinem Innenraum mit einem Arbeitsmedium befüllter, hermetisch abgedichteter, häufig langgestreckter Hohlkörper zu verstehen, der sich im Betrieb von einer unten liegenden Wärmequelle zu einer weiter oben liegenden Wärmesenke erstreckt. Im Bereich der Wärmequelle erfolgt eine Verdampfung des flüssigen Arbeitsmediums, wodurch Verdampfungswärme auf das Arbeitsmedium übertragen wird. Diese Verdampfungswärme gelangt mit dem dampfförmigen Arbeitsmedium nach oben zu der Wärmesenke und wird an dieser durch Kondensation des Arbeitsmediums als Kondensationswärme an die Wärmesenke abgegeben. Das wieder verflüssigte Arbeitsmedium fließt nach unten zu der Wärmequelle zurück. Dieser Betrieb einer Heat-Pipe ermöglicht es, größere Wärmemengen über kleinere Temperaturdifferenzen zwischen der Wärmequelle und der Wärmesenke zu übertragen, als dies selbst durch feste, flüssige oder gasförmige Wärmeleiter mit hoher thermischer Leitfähigkeit möglich ist, die keine Phasenänderung durchlaufen und die im Falle der flüssigen oder gasförmigen Wärmeleiter nicht aktiv umgewälzt werden. Eine Heat-Pipe ist eine rein passiv arbeitende Wärmeübertragungsvorrichtung, ohne irgendwelche zur Umwälzung des Arbeitsmediums bewegte mechanische Bestandteile.
Viele Gehäuse, z. B. von elektrischen und elektronischen Geräten, werden nicht nur zum Schutz ihres Inhalts, sondern auch zur Abfuhr von in ihrem Inneren anfallender Verlustwärme verwendet. Zu diesem Zweck werden zum Teil elektronische Bauteile, die eine hohe Verlustwärme generieren, direkt thermisch an ein metallisches Gehäuse angekoppelt, um diese Verlustwärme auf das Gehäuse zu übertragen und von dort aus in die Umgebung zu dissipieren. Dabei kann schnell der Fall auftreten, dass das Gehäuse im Bereich der thermischen Ankopplung des Bauelements lokal dauerhaft eine höhere Temperatur aufweist als außerhalb der thermischen Ankopplung des Bauelements. Dem kann dadurch begegnet werden, dass auf der Rückseite des Gehäuses im Bereich der thermischen Ankopplung eine Wärmesenke durch Ausformung von Kühlrippen oder dgl. ausgebildet wird. Häufig würde jedoch bereits das Gehäuse selbst als Wärmesenke ausreichen, wenn die Verlustwärme über einen größeren Bereich des Gehäuses verteilt werden könnte, beispielsweise in Bereiche, an die keine elektrischen oder elektronischen Bauteile angekoppelt sind. Z. B. zu diesem Zweck ist es von Interesse, eine Heat-Pipe in eine Wandung eines Gehäuses zu integrieren, die eine derartige Verteilung von Wärme über die Fläche des Gehäuses bewirkt.
STAND DER TECHNIK
Ein Verfahren zur Integration einer Heat-Pipe in eine Wandung eines Radiators mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1 ist aus der US 6,085,830 bekannt. Primär beschäftigt sich dieses Dokument mit der Ausbildung einer Wärmesenke durch ein Druckgussverfahren, wobei die Kühlrippen als fertige Teile in eine Druckgussform eingebracht werden, bevor eine flüssige Druckgusslegierung angegossen wird, in der die Kühlrippen einseitig verankert werden. Auch beschrieben wird die Herstellung einer Wärmesenke mit einer Heat-Pipe in ihrer Basis. Dazu wird ein Hohlkörper in Form eines flachen Stumpfs einer quadratischen Pyramide aus Kupfer, von dessen Basis seitlich ein Befüllanschluss abgeht, so in der Druckgussform angeordnet, dass der Befüllanschluss in einer Ausnehmung in der Wandung der Druckgussform endet. Dann wird die Druckgusslegierung an den Hohlkörper angegossen und der Hohlkörper so in die Druckgusslegierung eingebettet, wobei der Befüllanschluss frei bleibt. Nach dem Entnehmen des derart hergestellten Bauteils aus der Druckgussform wird der Innenraum des Hohlraums über den Befüllanschluss mit Wasser als Arbeitsmedium befüllt. Bevor der Innenraum durch Verschließen des Befüllanschlusses hermetisch abgedichtet wird, wird über dem Arbeitsmedium verbleibende Luft durch Verdampfen eines Teils des Arbeitsmediums ausgetrieben. Dazu muss das ganze Bauteil mit der umgossenen Heat-Pipe erhitzt werden. Die thermische Ankopplung einer Wärmequelle an die Heat-Pipe ist über einen hier gezielt dünnwandigen Bereich der Druckgusslegierung hinweg an der Spitze des Pyramidenstumpfs vorgesehen.
Ein weiteres Verfahren zur Integration einer Heat-Pipe in eine Wandung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des unabhängigen Patentanspruchs 1 ist aus der US 6,321,452 B1 bekannt. Bei diesem Verfahren wird ein Kupferrohr in eine Nut einer Druckgussform eingelegt. Dann wird das Kupferrohr mit einer Druckgusslegierung umgossen, um eine Wärmesenke auszubilden, wobei mindestens ein offenes Ende des Kupferrohrs aus der Wärmesenke herausragt. Über dieses offene Ende wird später der Innenraum des Kupferrohrs mit dem Arbeitsmedium der Heat-Pipe befüllt und dann nach Verdrängen von über dem Arbeitsmedium stehender Luft hermetisch abgedichtet. Auch dazu muss das gesamte Bauteil mit der umgossenen Heat-Pipe erhitzt werden.
Weitere Verfahren zur Integration einer Heat-Pipe in eine Wandung oder einen Radiator, mit denen eine besonders gute thermische Ankopplung der Heat-Pipe an diese Wandung bzw. den Radiator erreicht wird, sind aus der US 2001/0047590 A1 und der US 2004/0074633 A1 bekannt. Auch hier wird der Innenraum der Heat-Pipe nach dem Umgießen des Hohlkörpers der Heat-Pipe mit einer Druckgusslegierung mit dem Arbeitsmedium der Heat-Pipe befüllt und hermetisch abgedichtet. In diesem Zusammenhang ist in der US 2001/0047590 A1 ausgeführt, das ein ernstes Risiko von Beschädigungen einer Heat-Pipe während des Druckgießens besteht, da, falls ihr Hohlkörper hierbei Risse bekommt oder aufbricht, das Arbeitsmedium austritt und die Heat-Pipe entsprechend nicht ordnungsgemäß funktioniert.
Aus der DE 30 14 456 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung eines metallischen Spritzgussprodukts bekannt, in das ein Hohlkörper eingebettet ist. Dabei wird geschmolzenes Metall in einen zwischen zwei metallischen Gussformen gebildeten Hohlraum eingespritzt, in dem der Hohlkörper angeordnet ist. In den Hohlkörper wird ein druckresistentes Medium eingebracht, und der Hohlkörper wird vor dem Einspritzen des geschmolzenen Metalls dicht verschlossen, um zu verhindern, dass der Hohlkörper infolge des hohen Außendrucks des geschmolzenen Materials zusammengedrückt wird. Der Hohlkörper wird an einem offenen Ende, das außerhalb des zwischen den beiden metallischen Gussformen gebildeten Hohlraum liegt und so nicht umspritzt wird, mit einem Dichtungsstöpsel verschlossen, der vorzugsweise beweglich abgestützt ist, um einen konstanten Innendruck in dem Hohlraum zu erzeugen. Das druckresistente Medium kann eine Flüssigkeit sein, die zusammen mit einem Gas in das Innere des Hohlkörpers eingebracht wird. Das druckresistente Medium wird nach dem Entfernen des Spritzgussprodukts aus den Gussformen and nach Entfernen des Dichtungsstöpsel aus dem Hohlkörper abgelassen.
AUFGABE DER ERFINDUNG
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Integration einer Heat-Pipe in eine Wandung aufzuzeigen, das besonders kosteneffizient durchführbar ist und eine noch weitergehende Integration einer Heat-Pipe in eine Wandung aus einer Druckgusslegierung als bislang erlaubt.
LÖSUNG
Die Aufgabe der Erfindung wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen des neuen Verfahrens sind in den abhängigen Patentansprüchen 2 bis 9 beschrieben. Der unabhängige Patentanspruch 10 ist auf eine ihrerseits erfindungsgemäße und durch das erfindungsgemäße Verfahren herstellbare Wandung aus einer Druckgusslegierung mit einer integrierten Heat-Pipe gerichtet. Die abhängigen Patentansprüche 11 bis 16 betreffen bevorzugte Ausführungsformen, der erfindungsgemäßen Wandung. Die Patentansprüche 17 bis 19 sind auf ein Gehäuse mit einer erfindungsgemäßen Wandung gerichtet.
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Integration einer Heat-Pipe in eine Wandung aus einer Druckgusslegierung wird als erstes ein Innenraum eines Hohlkörpers der Heat-Pipe mit einem Arbeitsmedium befüllt und hermetisch abgedichtet. Dies schließt ein, dass etwaige Luft durch Erhitzen des Arbeitsmediums oder Setzen des Arbeitsmediums unter Unterdruck, um das Arbeitsmedium partiell zu verdampfen, aus dem Innenraum verdrängt wird. Hierzu muss nur der Hohlkörper mit dem darin angeordneten Arbeitsmedium erhitzt bzw. unter Unterdruck gesetzt werden. Erst der bereits hermetisch abgedichtete Hohlkörper wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren in einer Druckgussform angeordnet. Anschließend wird die flüssige Druckgusslegierung an den bereits mit dem Arbeitsmedium befüllten und hermetisch abgedichteten Hohlkörper angegossen. Dabei kann der für ein Druckgussverfahren typische Prozessdruck von mehreren 10 Megapascal bereits beim Angießen, also dann, wenn der Hohlkörper und das darin angeordnete Arbeitsmedium der Heat-Pipe auf die Temperatur der flüssigen Druckgusslegierung gebracht werden, aufgebracht werden oder erst anschließend. In jedem Fall ist es überraschender Weise leicht möglich, den Hohlkörper und seine hermetische Abdichtung so auszulegen, dass sie der maximal über sie auftretenden Druckdifferenz standhalten.
Diese maximale Druckdifferenz wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren vielfach durch den Innendruck bestimmt, der sich in dem Innenraum des Hohlkörpers bei der Temperatur der flüssigen Druckgusslegierung einstellt und der maximal gegenüber dem Normaldruck bzw. Atmosphärendruck in der Umgebung der Druckgussform auftritt. Diesem Druck muss der Hohlkörper und muss die hermetische Abdichtung des Hohlkörpers bei der Temperatur der flüssigen Druckgusslegierung standhalten.
Damit die Heat-Pipe dem während des Umgießens entstehenden Innendruck standhält, ist eine geeignete Dimensionierung des Hohlkörpers und des darin eingeschlossenen Arbeitsmediums erforderlich. Aufgrund der relativ hohen Temperatur der Druckgusslegierung (typischerweise 670°C bei Verwendung von Aluminiumdruckgußlegierung) wird bei dem Vergießen im Allgemeinen der kritische Punkt des Arbeitsmediums überschritten. Der bei der Temperatur der Druckgusslegierung entstehende Innendruck der Heat-Pipe hängt daher im Wesentlich von der Art und der relativen Menge des verwendeten Arbeitsmediums ab. Hier ist insbesondere das Verhältnis der Stoffmenge des Arbeitsmediums (beispielsweise ausgedrückt als seine Molzahl n_AM) zum Innenvolumen V_HK des Hohlkörpers relevant. Je größer die eingeschlossene Stoffmenge ist, desto größer ist auch der entstehende Innendruck. Bei einem gegebenen Innenvolumen V_HK lässt sich daher der maximal entstehende Innendruck über die von dem Hohlkörper eingeschlossene Stoffmenge n_AM des Arbeitsmediums einstellen. Insbesondere können die Stoffmenge des Arbeitsmediums n_AM und die Wandstärke des Hohlkörpers auf einfache Art und Weise aufeinander abgestimmt werden. Das Ergebnis dieser Dimensionierung lässt sich in einem einfachen Test verifizieren. Beispielsweise kann eine vollständig konfektionierte Heat-Pipe einer Temperaturlagerung bei der Temperatur der Druckgusslegierung auch vor dem Verguß – also im unvergossenen Zustand – ausgesetzt und danach auf etwaige Schäden untersucht werden. Insbesondere darf eine korrekt dimensionierte Heat-Pipe bei der entsprechenden Temperaturlagerung keinen Schaden erleiden, weder an der Wandung des Hohlkörpers (beispielsweise durch großflächiges Aufplatzen oder durch entstehende Mikrorisse), noch an den Abdichtungen des Hohlkörpers. Geringfügige Verformungen der Heat Pipe während des Tests können, solange sie keine Undichtigkeiten der Heat-Pipe verursachen, gegebenenfalls toleriert werden.
Bei typischen Randbedingungen (Innenvolumen des Hohlkörpers V_HK = 19,2 ml; Arbeitsmedium = Wasser; Molzahl des Arbeitsmediums n_AM = 0,118 Mol) kann der entstehende Innendruck durchaus einige 10 MPa (einige 100 bar) betragen. Beispielsweise liegt der Innendruck bei Wasser als Arbeitsmedium unter den genannten Randbedingungen und einer typischen Prozesstemperatur beim Druckgießen von 670°C bei ca. 42 MPa. Er liegt damit jedoch nicht signifikant höher als der typische Prozessdruck beim Druckgießen von 37 MPa, dem auch ein noch nicht hermetisch abgedichteter Hohlkörper einer Heat-Pipe beim Druckgießen von außen ausgesetzt wird. Praktisch reicht es daher aus, die Wandstärke des Hohlkörpers etwas über den üblichen Maßen von integrierten Heat-Pipes zu dimensionieren und auch die hermetische Abdichtung des Hohlkörpers entsprechend auszulegen, um das erfindungsgemäße Verfahren ohne Probleme aufgrund des beim Druckgießen resultierenden hohen Innendrucks im Innenraum des Hohlkörpers der Heat-Pipe durchführen zu können. Bei einer ausreichenden Dimensionierung der Wandstärke des Hohlkörpers und der hermetischen Abdichtung seines Innenraums besteht insbesondere keine Gefahr einer Beschädigung des Hohlkörpers oder der hermetischen Abdichtung während des Druckgießens, die die spätere Funktion der Heat-Pipe gefährden.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren entfällt die Notwendigkeit, das gesamte durch das Druckgießen hergestellte, die Wandung mit der integrierten Heat-Pipe aufweisende Bauteil für das ordnungsgemäße Befüllen des Innenraums des Hohlkörpers der Heat-Pipe mit dem Arbeitsmedium zu erwärmen oder unter Unterdruck zu setzen. Zudem kann die Druckgussform einfacher aufgebaut sein, weil der Hohlkörper der Heat-Pipe vollständig in die Druckgussform eingebracht werden kann und kein Befüllanschluss oder Rohrende aus der Kavität der Druckgussform herausgeführt werden muss, um das Eintreten von Druckgusslegierung in den Innenraum des Hohlkörpers zu verhindern.
Bei dem neuen Verfahren wird auch der Abdichtbereich des Hohlkörpers in der Druckgussform mit der Druckgusslegierung umgossen und damit dauerhaft vor Beschädigungen geschützt. Bei Heat-Pipes ist es auch nicht unüblich, dass sie ihren Abdichtbereich am tiefsten oder höchsten Punkt aufweisen, also dort, wo sie im Betrieb an eine Wärmequelle oder Wärmesenke thermisch angekoppelt werden. Diese thermische Ankopplung wird durch das Umgießen des Abdichtbereichs unter Ausbildung einer definierten Anlagefläche für die Wärmequelle oder Wärmesenke erleichtert.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren tritt typischerweise kein Bereich des Hohlkörpers der Heat-Pipe aus der Kavität einer Druckgussform heraus, weil nicht verhindert werden muss, dass Druckgusslegierung in den noch offenen Innenraum des Hohlkörpers gelangt, da dieser bereits hermetisch abgedichtet ist. Um den Hohlkörper dennoch gegenüber der Druckgussform definiert zu positionieren und damit auch die Lage der Heat-Pipe in der in der Druckgussform hergestellten Wandung zu definieren, kann der Hohlkörper an Abstützbereichen der Druckgussform in der Druckgussform ausgerichtet werden. In diesen Abstützbereichen kann unmittelbar der Hohlkörper bis an die Oberfläche der in der Druckgussform hergestellten Wandung reichen. Es können aber auch Abstützelemente an dem Hohlkörper fest angebracht werden, über die der Hohlkörper an den Abstützbereichen in der Druckgussform ausgerichtet wird. Der Hohlkörper selbst kann dann bis auf die Anbringungsbereiche der Abstützelemente vollständig mit der Druckgusslegierung umgossen werden. Dieses vollständige Umgießen des Hohlkörpers ist aber nicht zwingend. Vielmehr können auch gezielt Bereiche des Hohlkörpers an der Oberfläche der in der Druckgussform hergestellten Wandung freibleiben.
Bei einem rohrabschnittförmigen Hohlkörpers können seine beiden Endbereiche in der Druckgussform mit der Druckgusslegierung umgossen werden.
Wenn der Hohlkörper aus einer Kupferlegierung besteht und mit einer Aluminiumdruckgusslegierung in der Druckgussform umgossen wird, wird leicht eine vollflächige Anbindung der Druckgusslegierung an den Hohlkörper ohne Lufteinschlüsse sichergestellt, da Aluminium und Kupfer sehr gut mischbar sind und die Aluminiumdruckgusslegierung den Hohlkörper aus der Kupferlegierung entsprechend gut benetzt. Durch seine Ausbildung aus Kupfer weist der Hohlkörper eine bessere Wärmeleitfähigkeit als übliche Druckgusslegierungen auf, auch als bereits gut wärmeleitfähige Aluminiumdruckgusslegierungen. Aus diesem Grund ist eine vergleichsweise große Wandstärke des Hohlkörpers der Heat-Pipe kein Nachteil bezüglich der thermischen Anbindung der Heat-Pipe. Bei einer gleich dicken Materialstärke zwischen dem Innenraum der Heat-Pipe und einer Wärmequelle oder Wärmesenke ist die thermische Anbindung sogar umso besser, je mehr von dem Material zwischen dem Innenraum und der Wärmequelle oder Wärmesenke Kupfer ist und je weniger aus Aluminium oder einer anderen Druckgusslegierung besteht. In einer weiteren Ausführungsform ist auch die Verwendung einer Zink- oder Magnesiumdruckgusslegierung in Verbindung mit einem Hohlkörper aus einer Kupferlegierung denkbar. Die Druckgusslegierung kann weiterhin auch eine Kupferdruckguss- oder Siliziumtombakdruckgusslegierung sein.
Wie bereits oben durch Zahlen belegt wurde, ist Wasser als Arbeitsmedium der Heat-Pipe bei dem erfindungsgemäßen Verfahren unkritisch, da der dann resultierende maximale Innendruck der Heat-Pipe bei der Prozesstemperatur des Druckgusses nicht signifikant über den Prozessdruck des Druckgusses hinaus geht. Als Arbeitsmedium kann aber zum Beispiel auch Ammoniak verwendet werden. Dessen Druck liegt bei gleicher Prozesstemperatur und gleichem Verhältnis der Molzahl des Arbeitsmediums zum Innenvolumen des Hohlkörpers zwar etwa 10 MPa höher, ist damit aber immer noch problemlos durch eine angemessene Dimensionierung der Wandstärke des Hohlkörpers und der hermetischen Abdichtung des Innenraums der Heat-Pipe beherrschbar.
Bei einer erfindungsgemäßen Wandung aus einer Druckgusslegierung mit einer integrierten Heat-Pipe, die zumindest teilweise in der Druckgusslegierung eingebettet ist, wobei die Heat-Pipe einen Hohlkörper aufweist, dessen hermetisch abgedichteter Innenraum mit einem Arbeitsmedium befüllt ist, ist ein Abdichtbereich des Hohlkörpers mit der Druckgusslegierung umgossen. Im Falle eines rohrabschnittförmigen Hohlkörpers sind dann typischerweise dessen beiden Endbereiche mit der Druckgusslegierung umgossen.
Der Hohlkörper selbst oder von ihm abstehende Abstützbereiche können bis an die Oberfläche der Wandlung reichen. Der Hohlkörper besteht vorzugsweise aus einer Kupferlegierung, während die Druckgusslegierung typischerweise eine Aluminiumdruckgusslegierung ist. Das Arbeitsmedium der Heat-Pipe ist beispielsweise Ammoniak oder Wasser. Eine Wandstärke eines rohrabschnittförmigen Hohlkörpers mit einem Außendurchmesser von bis zu etwa 13 mm beträgt bei dem oben angegebenen Verhältnis der Molzahl des Arbeitsmediums Wasser zum Innenvolumen des Hohlkörpers vorzugsweise mindestens 2,0 mm, noch mehr bevorzugt mindestens 3,0 mm, wobei es darauf ankommt, auf welche Zehntelmillimeterangabe die tatsächliche Wandstärke gerundet wird. Zudem beziehen sich diese Abmessungen auf die Wandstärke eines rohrabschnittförmigen Hohlkörpers aus technischem Kupfer, eine Prozesstemperatur von 670°C und einen Prozessdruck von 37 MPa beim Druckgießen. Bei anderen Materialien, anderen Formen des Hohlkörpers, anderem Arbeitsmedium, anderem Verhältnis der Molzahl des Arbeitsmediums zum Innenvolumen des Hohlkörpers oder anderen Prozessparametern beim Druckgießen ist sie entsprechend anzupassen.
Ein Gehäuse mit einer erfindungsgemäßen Wandung, in die eine Heat-Pipe integriert ist, kann insbesondere für elektrische und elektronische Geräte vorgesehen sein, wobei in einem unteren Bereich der Heat-Pipe eine Wärmequelle an die Wandung thermisch angekoppelt ist und wobei in einem oberen Bereich der Heat-Pipe eine Wärmesenke an der Wandung ausgebildet ist oder an die Wandung angekoppelt ist. Eine derartige ausgeprägte Wärmesenke ist aber kein zwingendes Merkmal des erfindungsgemäßen Gehäuses. Vielmehr kann es ausreichend sein, wenn die Wärmeenergie mit der Heat-Pipe über die Fläche des Gehäuses verteilt wird, wobei dieses dann selbst als flächige Wärmesenke dient.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Patentansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Die in der Beschreibungseinleitung genannten Vorteile von Merkmalen und von Kombinationen mehrerer Merkmale sind lediglich beispielhaft und können alternativ oder kumulativ zur Wirkung kommen, ohne dass die Vorteile zwingend von erfindungsgemäßen Ausführungsformen erzielt werden müssen. Ohne dass hierdurch der Gegenstand der beigefügten Patentansprüche verändert wird, gilt hinsichtlich des Offenbarungsgehalts der ursprünglichen Anmeldungsunterlagen und des Patents Folgendes: weitere Merkmale sind den Zeichnungen – insbesondere den dargestellten Geometrien und den relativen Abmessungen mehrerer Bauteile zueinander sowie deren relativer Anordnung und Wirkverbindung – zu entnehmen. Die Kombination von Merkmalen unterschiedlicher Ausführungsformen der Erfindung oder von Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche ist ebenfalls abweichend von den gewählten Rückbeziehungen der Patentansprüche möglich und wird hiermit angeregt. Dies betrifft auch solche Merkmale, die in separaten Zeichnungen dargestellt sind oder bei deren Beschreibung genannt werden. Diese Merkmale können auch mit Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche kombiniert werden. Ebenso können in den abhängigen Patentansprüchen aufgeführte Merkmale für weitere Ausführungsformen der Erfindung entfallen. Alle Merkmale können durch andere Merkmale ergänzt werden oder die einzigen Schritte definieren, die das erfindungsgemäße Verfahren aufweist, bzw. die einzigen Bestandteile definieren, aus denen die erfindungsgemäße Wandung besteht.
KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN
Im Folgenden wird die Erfindung anhand in den Figuren dargestellter bevorzugter Ausführungsbeispiele weiter erläutert und beschrieben.
1 zeigt einen Bereich einer Wandung mit einer integrierten Heat-Pipe in einer Draufsicht.
2 ist ein Vertikalschnitt durch den Bereich der Wandung gemäß 1.
3 zeigt einen Bereich einer anderen erfindungsgemäßen Wandung mit einer integrierten Heat-Pipe.
4 zeigt einen Vertikalschnitt durch einen Ast der Heat-Pipe der Wandung gemäß 3.
5 illustriert die Materialien zwischen dem Innenraum der Heat-Pipe und einer Oberfläche der Wandung gemäß 3 und 4 in vergrößerter Darstellung.
6 zeigt eine alternative Materialverteilung zwischen dem Innenraum und der Oberfläche; und
7 illustriert die Anordnung einer Heat-Pipe innerhalb eines Druckgusswerkzeugs vor dem Umgießen derselben mit einer Druckgusslegierung.
FIGURENBESCHREIBUNG
In den 1 und 2 ist ein Ausschnitt aus einer Wandung 1 gezeigt, in dem eine Heat-Pipe 2 in die Wandung 1 integriert ist. Die Heat-Pipe 2 weist einen rohrabschnittförmigen Hohlkörper 3 auf, dessen Innenraum 4 mit einem Arbeitsmedium 5 befüllt ist und hermetisch abgedichtet ist. Dabei ist das Arbeitsmedium 5 eine Substanz, wie insbesondere Wasser oder Ammoniak, die im Temperaturbetriebsbereich der Heat-Pipe 2 unter Normaldruck eine Flüssigkeit 6 ist. Diese Flüssigkeit 6 befindet sich aber nur im unteren Bereich des Hohlkörpers 3, während der obere Bereich des Hohlkörpers 3 mit Dampf 7 des Arbeitsmediums 5 ausgefüllt ist. Dabei herrscht in dem Innenraum 3 im normalen Temperaturbereich der Heat-Pipe 2 ein Unterdruck verglichen mit dem Normaldruck in der Umgebung 8.
Die Heat-Pipe 2 ist hier in die Wandung 1 integriert, indem der Hohlkörper 3 mit einer Druckgusslegierung 9 umgossen ist. Die Druckgusslegierung 9 bildet die wesentliche Struktur der Wandung 1 aus und umschließt den Hohlkörper 3 hier im Wesentlichen allseitig. Die Druckgusslegierung 9 ist insbesondere eine Aluminiumdruckgusslegierung, während der Hohlkörper 3 der Heat-Pipe 2 regelmäßig aus einer Kupferlegierung, wie beispielsweise technischem Kupfer ausgebildet ist. Kupfer weist eine noch bessere Wärmeleitfähigkeit als Aluminium auf und geht mit Aluminium eine stoffschlüssige Verbindung an der Grenzfläche ein. Insbesondere werden aufgrund der guten Mischbarkeit und der damit verbundenen guten Benetzung beider Materialien miteinander Lufteinschlüsse an der Grenzfläche, die zu einer Verschlechterung des Wärmeübergangs zwischen Heat Pipe 2 und Druckgusslegierung 9 führen können, vermieden. Nicht allseitig umschlossen von der Druckgusslegierung 9 sind Abstützelemente 10, die von dem Hohlkörper 3 bis an eine Oberfläche 11 der Wandung 1 vorstehen und die beim Ausbilden der Wandung 1 in einer Druckgussform zur Ausrichtung des Hohlkörpers 3 in der Druckgussform dienten. Diese Abstützelemente wurden vorher mit dem Hohlkörper 3 fest verbunden. Hierbei kann die Verbindung zwischen den Abstützelementen 10 und dem Hohlkörper 3 entweder kraftschlüssig – beispielsweise über eine den Hohlkörper 3 aufnehmende und zumindest teilweise umschliessende Metallfeder – oder aber stoffschlüssig – beispielsweise über eine Lötverbindung – erfolgen.
Der rohrabschnittförmige Hohlkörper 3 ist hier auch in seinen beiden Endbereichen 12 mit Druckgusslegierung 9 umschlossen. Da der Innenraum 4 zumindest in einem der Endbereiche 12 erst nach seinem Befüllen mit dem Arbeitsmedium 5 abgedichtet wird, ist dies nur dadurch zu erreichen, dass der Innenraum 4 bereits vor der Ausbildung der Wandung 1 in dem Druckgusswerkzeug mit dem Arbeitsmedium 5 befüllt und hermetisch abgedichtet wird. Dies ist wiederum gleichbedeutend damit, dass der Hohlkörper 3 einschließlich seiner hermetischen Abdichtung so ausgelegt werden muss, dass er dem bei der Prozesstemperatur des Druckgießens entstehenden Innendruck in dem Innenraum 4 aufgrund des typischerweise bis über seinen kritischen Punkt erhitzten Arbeitsmediums 5 ebenso standhält, wie dem Prozessdruck des Druckgießens.
Die Heat-Pipe 2 in der Wandung 1 ist insbesondere dazu geeignet, Wärme von einer in der Nähe ihres unteren Endbereichs 12 an die Oberfläche 11 oder die gegenüberliegende Oberfläche 13 angebundenen Wärmequelle über die Fläche der Wandung 1 oder zu einer in der Nähe ihres oberen Endbereichs 12 an der Wandung 1 ausgebildeten oder an die Wandung 1 angekoppelten Wärmesenke zu übertragen.
Die in den 3 und 4 abschnittsweise dargestellte Wandung 1 weist ebenfalls eine integrierte Heat-Pipe 2 auf. Der Hohlkörper 3 dieser Heat-Pipe ist zwar auch rohrabschnittförmig, dabei aber U-förmig gebogen, wobei seine beiden Endbereiche 12 oben liegen. Diese beiden Endbereiche 12 sind auch hier ganz mit der Druckgusslegierung 9 umgossen, ebenso wie ein unterer Mittelbereich 14 des Hohlkörpers 3. Dazwischen liegt der Hohlkörper 3 an der Oberfläche 11 der Wandung 1 frei. Dies kann genutzt werden, um den Hohlkörper 3 in einer Druckgussform für die Wandung 1 auszurichten. Darüber hinaus zeigen die 3 und 4 eine oberhalb des unteren Mittelbereichs 14 des Hohlkörpers ausgebildete Ankoppelfläche 15 für eine hier nicht dargestellte Wärmequelle und eine durch Kühlrippen 16, die von der gegenüberliegenden Oberfläche 13 der Wandung 1 abstehen, ausgebildete Wärmesenke 17, um die von der Heat-Pipe 2 von der Wärmequelle abgeführte Wärme in die Umgebung 8 zu dissipieren.
Die 5 und 6 erläutern verschiedene Verteilungen von Materialien zwischen dem Innenraum 4, der hier nur ausschnittsweise dargestellten Heat-Pipe 2 und der Ankoppelfläche 15 für eine Wärmesenke. In 4 besteht das Material zwischen dem Innenraum und der Ankoppelfläche 15 zur Hälfte aus dem Kupfer des Hohlkörpers 3 und zur anderen Hälfte aus der Druckgusslegierung 9 der Wandung 1. Diese Verteilung kann sich durch eine vergleichsweise große Wandstärke des Hohlkörpers 3 ergeben, wie sie benötigt wird, damit der Hohlkörper 2 die bei der Herstellung der Wandung 1 auftretenden Drücke aushält. 6 skizziert hingegen bei gleicher Gesamtdicke des Materials zwischen dem Innenraum 4 und der Ankoppelfläche 15 einen Hohlkörper 3 aus Kupfer mit einer geringeren Wandstärke und eine entsprechend größere Dicke der Druckgusslegierung 9. Diese Verhältnisse können sich ergeben, wenn nach dem Stand der Technik ein noch nicht befüllter Hohlkörper bis auf einen Befüllanschluss mit der Druckgusslegierung 9 zur Herstellung der Wandung 1 umgossen wird und entsprechend nicht so hohen Drücken standhalten muss. Hierbei ist die Wärmeleitfähigkeit zwischen dem Innenraum 4 und der Ankoppelfläche 15 gemäß 6 noch schlechter als die entsprechende Wärmeleitfähigkeit gemäß 5, da das Kupfer des Hohlkörpers 3 eine höhere Wärmeleitfähigkeit aufweist als die Druckgusslegierung 9. D. h., die zur Stabilisierung der Heat-Pipe 2 während des Umgießens mit der Aluminiumdruckgusslegierung benötigte höhere Wandstärke des Hohlkörpers 3 ist kein Nachteil, sondern sorgt vielmehr noch für eine bessere Wärmeankoppelung der Ankoppelfläche 15 an den Innenraum 4 der Heat-Pipe 2.
7 skizziert die Anordnung der Heat-Pipe 2, d. h. des bereits mit Arbeitsmedium 5 befüllten und abgedichteten Hohlkörpers 3 in einem Druckgusswerkzeug 18 mit zwei Formhälften 19 und 20. Der Hohlkörper 3 ist über die fest an ihm angebrachten Abstützelemente 10, die in entsprechende Vertiefungen 23 in der Formfläche 19 eingreifen können und durch einen Abstützbereich 21 an der Formhälfte 20 definiert in der Kavität 22 des Druckgusswerkzeugs 18 ausgerichtet und wird so beim Einpressen von flüssiger Druckgusslegierung 9 in die Kavität 22 in der durch Aushärten der Druckgusslegierung 9 entstehenden Wandung 1 definiert angeordnet.
Bei einem Außendurchmesser des rohrabschnittförmigen Hohlkörpers 3 von 12,7 mm und einer maximalen Prozesstemperatur beim Druckgießen von 670°C und unter den weiteren Randbedingungen eines Hohlraumvolumens V_HK = 19,2 ml und einer Molzahl des Arbeitsmediums n_AM = 0,118 Mol resultiert bei dem Arbeitsmedium Wasser ein Innendruck von 42 MPa. Bei Verwendung von technischem Kupfer für den Hohlkörper 2 mit einem Festigkeitskennwert von 125 N/mm², einem Sicherheitsbeiwert von 1,1, sowie einem Ausnutzungsfaktor im Bereich von Schweißnähten von 1 ergibt sich eine benötigte Wandstärke des Hohlkörpers von 2,0 mm, um dem Innendruck von 42 MPa bei der Temperatur von 670°C standzuhalten. Dabei ist diese Dimensionierung der Wandstärke nur wenig größer als diejenige, die benötigt wird, um den Prozessdruck beim Druckgießen von 37 MPa standzuhalten.
Bezugszeichenliste

1: Wandung
2: Heat-Pipe
3: Hohlkörper
4: Innenraum
5: Arbeitsmedium
6: Flüssigkeit
7: Dampf
8: Umgebung
9: Druckgusslegierung
10: Abstützelement
11: Oberfläche
12: Endbereich
13: Oberfläche
14: Mittelbereich
15: Ankoppelfläche
16: Kühlrippe
17: Wärmesenke
18: Druckgussform
19: Formhälfte
20: Formhälfte
21: Abstützbereich
22: Kavität
23: Vertiefungen

Claims

Verfahren zur Integration einer Heat-Pipe (2) in eine Wandung (1) aus einer Druckgusslegierung (9), – wobei die flüssige Druckgusslegierung an einen in einer Druckgussform (18) angeordneten abgedichteten Hohlkörper (3) der Heat-Pipe (2) angegossen wird und – wobei ein Innenraum (4) des Hohlkörpers (3) mit einem Arbeitsmedium (5) befüllt und hermetisch abgedichtet wird, dadurch gekennzeichnet, – dass der Innenraum (4) vor dem Einbringen des Hohlkörpers (3) in die Druckgussform (18) mit dem Arbeitsmedium (5) befüllt und hermetisch abgedichtet wird und – dass ein Abdichtbereich des Hohlkörpers (3) in der Druckgussform (18) mit der Druckgusslegierung (9) umgossen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlkörper (3) vollständig in die Druckgussform (18) eingebracht wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlkörper (3) an Abstützbereichen (21) der Druckgussform (18) in der Druckgussform (18) ausgerichtet wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Hohlkörper (3) Abstützelemente (10) angebracht werden, über die er in der Druckgussform (18) ausgerichtet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass beide Endbereiche (12) eines rohrabschnittförmigen Hohlkörpers (3) in der Druckgussform (18) mit der Druckgusslegierung (9) umgossen werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlkörper (3) in der Druckgussform (18) nicht vollständig mit der Druckgusslegierung (9) umgossen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlkörper (3) aus einer Kupferlegierung mit einer Aluminiumdruckgusslegierung, einer Zinkdruckgusslegierung oder einer Magnesiumdruckgusslegierung in der Druckgussform (18) umgossen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenraum (4) mit Ammoniak oder Wasser als Arbeitsmedium (5) befüllt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Wandstärke des Hohlkörpers (3), die hermetische Abdichtung seines Innenraums (4), sein Innenvolumen und die Menge des in ihm eingeschlossenen Arbeitsmediums (5) so aufeinander abgestimmt werden, dass der Hohlkörper (3) und die hermetische Abdichtung bei der Maximaltemperatur der flüssigen Druckgusslegierung (9) einem Differenzdruck von der Größe des Drucks des eingeschlossenen Arbeitsmediums (5) bei dieser Maximaltemperatur standhalten.
Wandung (1) aus einer Druckgusslegierung (9) mit einer integrierten Heat-Pipe (2), die zumindest teilweise in der Druckgusslegierung (9) eingebettet ist, wobei die Heat-Pipe (2) einen Hohlkörper (3) aufweist, dessen hermetisch abgedichteter Innenraum (4) mit einem Arbeitsmedium (5) befüllt ist, dadurch gekennzeichnet, dass ein Abdichtbereich des Hohlkörpers (3) mit der Druckgusslegierung (9) umgossen ist.
Wandung (1) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass beide Endbereiche (12) eines rohrabschnittförmigen Hohlkörpers (3) mit der Druckgusslegierung (9) umgossen sind.
Wandung (1) nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass von dem Hohlkörper (3) abstehende Abstützelemente (10) durch die Druckgusslegierung (9) bis an eine Oberfläche (11) der Wandung (1) reichen.
Wandung (1) nach Anspruch 10, 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlkörper (3) nicht vollständig mit der Druckgusslegierung (9) umgossen ist.
Wandung (1) nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlkörper (3) aus einer Kupferlegierung mit einer Aluminiumdruckgusslegierung, einer Zinkdruckgusslegierung oder einer Magnesiumdruckgusslegierung umgossen ist.
Wandung (1) nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenraum (4) mit Ammoniak oder Wasser als Arbeitsmedium (5) befüllt ist
Wandung (1) nach einem der Ansprüche 10 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass eine Wandstärke des Hohlkörpers (3) mindestens 2,0 mm, vorzugsweise mindestens 3,0 mm beträgt.
Gehäuse mit einer Wandung (1) nach einem der Ansprüche 10 bis 16.
Gehäuse nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass in einem unteren Bereich der Heat-Pipe (2) eine Wärmequelle an die Wandung (1) thermisch angekoppelt ist.
Gehäuse nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass in einem oberen Bereich der Heat-Pipe (2) eine Wärmesenke (17) an der Wandung (1) ausgebildet oder an die Wandung (1) angekoppelt ist.