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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft eine Temperiereinrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung der Temperiereinrichtung und eine Anordnung mit einer erfindungsgemäßen Temperiereinrichtung.
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Eine Temperiereinrichtung für wenigstens ein Bauteil nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ist aus der Praxis bereits bekannt und besteht aus zwei miteinander verbundenen und jeweils aus Metall bestehenden plattenförmigen Elementen, die zusammen einen Temperierkörper ausbilden. Wesentlich dabei ist, dass die Teilungsebene zwischen den beiden Elementen, in denen diese zusammengefügt werden, im Bereich wenigstens eines Medien- bzw. Kühlkanals angeordnet ist. Dadurch lässt sich der Querschnitt des Kanals auf relativ einfache Art und Weise durch spanende bzw. spanlose Fertigungsverfahren in den beiden Elementen des Temperierkörpers ausbilden. Nachteilig dabei ist, dass man die beiden Elemente des Temperierkörpers zur Vermeidung von Undichtigkeiten, über die das insbesondere flüssige Temperiermedium austreten könnte, in deren Teilungsebene dicht miteinander verbinden muss. Dies erfolgt beispielsweise mittels einer Dichtung und Schrauben oder über eine Klebeverbindung zwischen den beiden Elementen des Temperierkörpers.
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Aus der
DE 10 2011 101 302 A1 ist es darüber hinaus bekannt, einen Temperierkörper, bei dem die zu temperierenden Bauteile innerhalb von Kanälen des Temperierkörpers angeordnet sind, mittels eines generativen Herstellverfahrens auszubilden. Insbesondere wird der Temperierkörper durch schichtweisen Aufbau aus metallischem Pulver hergestellt. Ein derartiges Herstellverfahren ist auch als „3D-ADM“(three dimensional additive manufacturing)-Verfahren bekannt. Das zur Anwendung gelangende metallische Sintermaterial hat jedoch den Nachteil, dass es im Gegensatz zu einem Element aus einem metallischen Vollmaterial eine schlechtere Wärmeleitfähigkeit aufweist und daher die Wirkung einer derartigen Temperiereinrichtung für den Fall, dass die zu temperierenden Bauteile nicht innerhalb des Querschnitts des wenigstens einen Kanals angeordnet ist, sondern sich an einer Außenfläche der Temperiereinrichtung befinden, beschränkt ist. Darüber hinaus benötigt die Herstellung einer derartigen Temperiereinrichtung, wenn diese eine größere Baugröße aufweist, aufgrund des Herstellverfahrens eine relativ lange Zeit und ist daher entsprechend teuer.
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Offenbarung der Erfindung
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Ausgehend von dem dargestellten Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Temperiereinrichtung für wenigstens ein Bauteil nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 derart weiterzubilden, dass bei relativ geringen Herstellkosten ein hoher Wirkungsgrad auch für den Fall erzielt wird, dass ein zu temperierendes Bauteil nicht im Querschnitt des Kanals und somit in unmittelbarer Wirkverbindung mit dem Temperiermedium angeordnet ist. Die geringen Herstellkosten sollen dabei insbesondere durch eine relativ kurze benötigte Produktionszeit ermöglicht werden. Darüber hinaus soll auf besonders einfache Art und Weise auch eine hinreichend hohe Dichtigkeit der Temperiereinrichtung des aus zwei Elementen bestehenden Temperierkörpers erzielt werden.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einer Temperiereinrichtung für wenigstens ein Bauteil mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 dadurch gelöst, dass eines der wenigstens zwei Elemente des Temperierkörpers an einer Fläche zu dem aus Metall bestehenden Element im Bereich des wenigstens einen Kanals durch ein generatives Herstellverfahren ausgebildet ist.
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Unter einem generativen Herstellverfahren im Rahmen der Erfindung wird ein Herstellverfahren verstanden, bei dem das betreffende Element durch einen schichtweisen Aufbau ausgebildet wird. Die erfindungsgemäße Temperiereinrichtung ist damit vorzugsweise lediglich im Bereich des wenigstens einen Kanals mit einem zweiten Element versehen, welches durch ein generatives Herstellverfahren ausgebildet ist. Dadurch wird die Produktionszeit gegenüber der eingangs erwähnten
DE 10 2011 101 302 A1 wesentlich verkürzt. Darüber hinaus bietet es den Vorteil, dass das erste Element aus einem Material bestehen kann, dessen Auswahl insbesondere mit Blick auf eine gute Wärmeleitfähigkeit erfolgt. Gemeint ist dabei beispielsweise, und nicht einschränkend, Aluminium. Damit findet eine effektive Temperierung eines an der Außenfläche der Temperiereinrichtung im Bereich des ersten Elements des Temperierkörpers angeordneten Bauteils statt. Dies wiederum hat zur Folge, dass die Temperiereinrichtung für eine bestimmte Temperierleistung relativ klein gebaut werden kann, wodurch wiederum ein relativ geringer Materialeinsatz bei geringem Platzbedarf und relativ geringem Gewicht resultieren. Dies ermöglicht insbesondere einen vorteilhaften Einsatz einer derartigen Temperiereinrichtung in Kraftfahrzeugen, beispielsweise zur Kühlung oder Erwärmung von elektrischen oder elektronischen Bauteilen, wie sie beispielsweise bei Hybrid- oder Elektrofahrzeugen erforderlich ist. Im Gegensatz hierzu ist man bei der Verwendung des eingangs erwähnten 3D-ADM-Herstellverfahrens derzeit auf wenige metallische Materialien beschränkt, die sich alle durch eine relativ geringe Wärmeleitfähigkeit auszeichnen.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Temperiereinrichtung für wenigstens ein Bauteil sind in den Unteransprüchen angegeben.
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In einer ersten erfindungsgemäßen Variante ist es vorgesehen, dass in dem aus Metall bestehenden Element ein Teil des Querschnitts des wenigstens einen Kanals durch einen spanenden oder spanlosen Herstellschritt ausgebildet ist. Alternativ hierzu ist es jedoch auch möglich, das durch das generative Herstellverfahren ausgebildete Element aus Kunststoff besteht, und dass der wenigstens eine Kanal in dem aus Kunststoff bestehenden Element ausgebildet ist, wobei das aus Metall bestehende Element im Bereich des wenigstens einen Kanals vorzugsweise eben ausgebildet ist. Mit anderen Worten gesagt bedeutet dies, dass der Querschnitt des Kanal im Wesentlichen durch eine entsprechende Gestaltung bzw. Formgebung des aus Kunststoff bestehenden Elements erzielt wird, wobei der Querschnitt des Kanals dann zu dem aus Metall bestehenden Element offen ausgebildet ist und von der Fläche des aus Metall bestehenden Elements abgedeckt wird. Eine derartige Ausführungsform ermöglicht es beispielsweise, in Bezug auf den Kanal unbearbeitete bzw. quaderförmige Elemente aus Metall zu verwenden. Die Verwendung von Kunststoff für das zweite Element des Temperierkörpers hat darüber hinaus den Vorteil, dass das Gewicht des Temperierkörpers zusätzlich reduziert werden kann, insbesondere wenn das zweite Element lediglich der Ausbildung des Kanals für das Temperiermedium dient und nicht in unmittelbarer Wirkverbindung mit dem zu temperierenden Bauteil steht.
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Der Materialbedarf für das zweite Element des Temperierkörpers lässt sich darüber hinaus reduzieren, wenn das wenigstens eine zweite Element einen ersten Abschnitt zur Bildung der Wand des wenigstens einen Kanals und einen zweiten Abschnitt aufweist, der mit dem ersten Element des Temperierkörpers verbunden ist, wobei der erste Abschnitt im Querschnitt gewölbt ausgebildet ist. Mit anderen Worten gesagt bedeutet dies, dass das zweite Element lediglich im Bereich des Kanals ausgebildet bzw. in einem den Kanal umgebenden, eine geringe Größe aufweisenden Bereich angeordnet ist, um das zweite Element des Temperierkörpers mit dem ersten Element verbinden zu können. Darüber hinaus wird durch die im Querschnitt gewölbte Ausbildung des ersten Abschnitts des zweiten Elements eine hohe mechanische und hydraulische Druckfestigkeit des zweiten Elements bei geringem Materialbedarf ermöglicht.
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In Weiterbildung des zuletzt gemachten Vorschlags kann es insbesondere vorgesehen sein, dass die Wölbung des ersten Abschnitts durch wenigstens zwei, vorzugsweise jeweils eben ausgebildete und in einem Winkel von insbesondere zwischen 30° und 60° zueinander angeordnete Teilabschnitte gebildet ist.
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Eine besonders hohe Festigkeit im Verbindungsbereich zwischen den beiden Elementen des Temperierkörpers sowie die Möglichkeit, den Materialeinsatz für das zweite Element des Temperierkörpers im Verbindungsbereich reduzieren zu können, wird erzielt, wenn das erste Element des Temperierkörpers im Verbindungsbereich mit dem wenigstens einen zweiten Element mit einer Oberflächenstrukturierung zur Erhöhung der Haftfähigkeit des wenigstens einen zweiten Elements ausgestattet ist. Eine derartige Oberflächenstrukturierung kann beispielsweise in einer Oberflächenstrukturierung durch einen Laserstrahl mittels einer Laserstrahleinrichtung bestehen, welche Vertiefungen oder ähnliche geometrische Formen im Verbindungsbereich mit dem zweiten Element ausbildet und dadurch eine vergrößerte Kontakt- bzw. Verbindungsfläche mit dem zweiten Element des Temperierkörpers ermöglicht.
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Eine weitere Verbesserung der Kühl- bzw. Heizwirkung der Temperiereinrichtung wird erzielt, wenn im Querschnitt des wenigstens einen Kanals wenigstens ein den Querschnitt der Kanals veränderndes Strömungselement angeordnet ist. Dadurch lassen sich beispielsweise Strömungsverengungen, Verwirbelungen, Turbulenzen o.ä. für das Temperiermedium erzielen, die sich beispielhaft in unterschiedlichen Strömungsgeschwindigkeiten oder ähnlichem äußern. Durch eine höhere Strömungsgeschwindigkeit oder ähnliche Effekte lässt sich beispielsweise eine bessere Wärmeabfuhr bzw. Heizwirkung des Temperiermediums erzielen und somit der Wirkungsgrad der Temperiereinrichtung erhöhen. Insbesondere können derartige, den Querschnitt des Kanals verengende Elemente in einem Bereich des Kanals angeordnet sein, in dem das Temperiermedium bereits beispielsweise durch ein wärmeabgebendes Bauteil erwärmt wurde, um die gegenüber einem noch nicht erwärmten Temperiermediums zumindest teilweise auszugleichen.
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In Weiterbildung des zuletzt gemachten Vorschlags kann es vorgesehen sein, dass das wenigstens eine Strömungselement durch ein generatives Herstellverfahren ausgebildet ist. Ein derartiges Vorgehen hat den Vorteil, dass ein und dasselbe standardisierte, aus Metall bestehende Element des Temperierkörpers verwendet und für unterschiedlichste Anwendungen bzw. Anordnungen von zu temperierenden Bauteilen auf relativ einfache Art und Weise angepasst werden kann.
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Um insbesondere bei höheren Temperaturen, wie sie beispielsweise im Motorraum eines Kraftfahrzeugs oder bei Verwendung eines der Erwärmung von Bauteilen verwendeten Mediums vorkommen können, Dichtheits- bzw. Festigkeitsprobleme zu vermeiden, ist es darüber hinaus besonders vorteilhaft, wenn der Kunststoff zur Ausbildung des wenigstens einen zweiten Elements des Temperierkörpers ein Duroplast ist, wobei das wenigstens eine zweite Element durch ein Jetverfahren ausgebildet ist. Bei einem Jetverfahren wird das (verflüssigte) Duroplast mittels einer Jetauftragsdüse schichtweise aufgebracht bzw. dosiert, um das wenigstens eine zweite Element auszubilden.
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Um einen hohen Wirkungsgrad ein geringem Gewicht der Temperiereinrichtung sowie geringen Herstellkosten zu ermöglichen, ist es darüber hinaus von Vorteil, wenn das erste Element des Temperierkörpers aus Aluminium besteht und zusammen mit dem im Bereich des ersten Elements ausgebildeten Querschnittbereichs des Kanals im Druckguss- oder Schmiedeverfahren hergestellt ist.
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Die Erfindung umfasst auch Verfahren zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Temperiereinrichtung sowie eine Anordnung mit einer soweit beschriebenen erfindungsgemäßen Temperiereinrichtung und wenigstens einem zu temperierenden Bauteil, wobei das wenigstens eine zu temperierende Bauteil thermisch mit dem ersten Element des Temperierkörpers verbunden ist. Insbesondere sind dabei Anwendungen vorgesehen, bei denen das zu temperierende Bauteil an einer Außenfläche des ersten Elements des Temperierkörpers und somit nicht im Bereich des Querschnitts des Kanals angeordnet ist. Dadurch wird insbesondere die Temperierung bzw. Kühlung elektrischer bzw. elektronischer Bauteile ermöglicht.
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Zur Optimierung der Temperierwirkung der Temperiereinrichtung ist es darüber hinaus von Vorteil, wenn das wenigstens eine zu temperierende Bauteil in Überdeckung mit dem wenigstens einen Kanal angeordnet ist. Dadurch werden relativ kurze Wärmeübertragungsstrecken zwischen dem Kanal und dem zu temperierenden Bauteil ermöglicht.
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Zur thermischen Kopplung des wenigstens einen zu temperierenden Bauteils, insbesondere wenn dieses als elektronisches Bauteil ausgebildet ist, ist es darüber hinaus vorgesehen, dass das Bauteil mittels eines Wärmeleitelements, beispielhaft und nicht einschränkend durch einen Wärmeleitkleber, eine Wärmeleitpaste, eine Wärmeleitfolie oder durch eine metallische Anbindung, beispielsweise eine Lötverbindung, mit dem ersten Element des Temperierkörpers verbunden ist. Zusätzlich können mechanische Fixierungen zur Sicherstellung der Anbindung des Bauteils an das erste Element vorgesehen sein.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung.
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Diese zeigt in:
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1 einen Querschnitt durch einen Teilbereich einer erfindungsgemäßen Temperiereinrichtung für wenigstens ein Bauteil und
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2 eine Ansicht in der Ebene II-II der 1. Gleiche Elemente bzw. Elemente mit gleicher Funktion sind in den Figuren mit den gleichen Bezugsziffern versehen.
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Die in den Figuren dargestellte Anordnung 100 mit einer Temperiereinrichtung 10 dient vorzugsweise, jedoch nicht einschränkend, der Kühlung von elektrischen bzw. elektronischen Bauteilen 1. Insbesondere findet die Temperiereinrichtung 10 Verwendung in der Kraftfahrzeugtechnik, insbesondere bei Hybrid- oder Elektrofahrzeugen. Die Verwendung der Temperiereinrichtung 10 soll jedoch nicht auf die Kühlung von Bauteilen 1 oder den Einsatz in der Kraftfahrzeugtechnik beschränkt sein. Vielmehr kann die Temperiereinrichtung 10 auch zur Erwärmung von Bauteilen 1 dienen, oder aber zunächst zur Erwärmung und anschließend zur Kühlung von Bauteilen 1.
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Hierzu verwendet die Temperiereinrichtung 10 ein vorzugsweise flüssiges, in den Figuren nicht gezeigtes (Temperier-)Medium wie Wasser, das innerhalb der Temperiereinrichtung 10 durch wenigstens einen Kanal 11 geführt bzw. umgewälzt wird. Beispielhaft ist anhand der 2 erkennbar, dass der Kanal 11 im dargestellten Bereich der Temperiereinrichtung 10 einen Eintrittsbereich 12 und einen Austrittsbereich 13 aufweist, wobei das Medium in Richtung der Pfeile 14 vom Eintrittsbereich 12 in Richtung des Austrittsbereich 13 strömt. Die Strömung des Mediums wird in üblicher Art und Weise beispielsweise durch eine Umwälzpumpe oder ähnliches erzielt.
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Die Temperiereinrichtung 10 umfasst einen Temperierkörper 15, der ein erstes Element 16 und wenigstens ein zweites Element 17a, 17b aufweist. Das erste Element 16 ist lediglich beispielhaft in Form einer Platte ausgebildet und besteht vorzugsweise aus Aluminium oder einem anderen Metall. Insbesondere ist es vorgesehen, dass das erste Element 16 durch einen spanlosen Herstellprozess ausgebildet ist, beispielsweise durch ein Druckgußverfahren, oder durch Schmieden. Selbstverständlich liegt es auch im Rahmen der Erfindung, dass das erste Element 16 des Temperierkörpers 15 durch einen spanenden Herstellprozess, insbesondere durch Fräsen, ausgebildet wird. Der Kanal 11 ist an einer Oberfläche des ersten Elements 16 in Form einer Vertiefung ausgebildet und weist im dargestellten Ausführungsbeispiel einen in etwa halbkreisförmig ausgebildeten Querschnitt im Bereich des ersten Elements 16 auf. Die Herstellung des Kanals 11 erfolgt ebenfalls vorzugsweise bereits beim Ausbilden des ersten Elements 16 im Gussverfahren bzw. durch Schmieden.
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Darüber hinaus erkennt man im Bereich eines Verbindungsabschnitts 19, der in etwa zwischen dem Eintrittsbereich 12 und dem Austrittsbereich 13 des Kanals 11 ausgebildet ist und die entsprechenden Bereiche miteinander verbindet, sowie nahe des Austrittsbereichs 13 Strömungselemente 21, 22. Die Strömungselemente 21, 22 bewirken eine zumindest teilweise Verengung des Querschnitts des Kanals 11. Während das Strömungselement 21 den Querschnitt des Kanals 11 im Bereich des Verbindungsabschnitts 19 vollständig verschließt und somit eine Zwangsführung des Mediums vom Eintrittsbereich 12 in Richtung des Austrittsbereichs 13 bewirkt, ist das beispielhaft zweigeteilte Strömungselement 22, wie insbesondere anhand der 1 erkennbar ist, lediglich über einen Teilbereich des Querschnitts des Kanals 11 ausgebildet und bewirkt eine Verengung bzw. Verringerung des Strömungsquerschnitts des Kanals 11. Dadurch wird das Medium beim Passieren des Strömungselements 22 in seiner Strömung beschleunigt, verwirbelt oder auf sonstige Art und Weise in seiner Strömung beeinflusst.
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Die Strömungselemente 21, 22 sind vorzugsweise, und nicht einschränkend, durch eine generatives Herstellverfahren hergestellt bzw. ausgebildet. Dies ist insbesondere bei relativ geringen Stückzahlen oder einer Vielzahl unterschiedlicher kundenspezifischer Strömungselemente 21, 22 zur Reduzierung von Werkzeugkosten vorteilhaft. Alternativ hierzu können Sie jedoch auch bereits bei der Ausbildung der Kanäle 11 im Rahmen der Herstellung des ersten Elements 16 ausgebildet werden.
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Die Bauteile 1 sind im Überdeckungsbereich mit dem Kanal 11 bzw. fluchtend zu diesem auf einer Außenseite 23 des ersten Elements 16 mittels eines Wärmeleitelements, beispielhaft mittels eines Wärmeleitklebers 24 mit dem ersten Element 16 verbunden. Dabei ist das eine Bauteil 1 nahe des Eintrittsbereichs 12 des Kanals 11 angeordnet, während sich das andere Bauteil 1 nahe des Austrittsbereichs 13, in Strömungsrichtung des Mediums betrachtet nach dem zweiten Strömungselement 22 befindet.
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Auf der den Bauteilen 1 abgewandten Seite des ersten Elements 16 ist das wenigstens eine zweite Element 17a, 17b angeordnet. Das zweite Element 17a, 17b überdeckt den Querschnitt der Ausnehmung im ersten Element 16, der zur Bildung des Kanals 11 dient, vollständig. Das zweite Element 17a, 17b besteht aus einem Kunststoff, insbesondere aus Duroplast, und ist durch ein generatives Herstellverfahren ausgebildet. Insbesondere wird das zweite Element 17a, 17b im Jetverfahren ausgebildet, bei dem der Querschnitt des zweiten Elements 17a, 17b schichtweise erzeugt wird.
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Das zweite Element 17a, 17b weist beispielhaft einen im Querschnitt dreiecksförmig ausgebildeten ersten Abschnitt 26 auf, der durch zwei eben ausgebildete und in einem Winkel α zwischen vorzugsweise 30° und 60° zueinander angeordnete Teilabschnitte 27, 28 gebildet ist. Der erste Abschnitt 26 des zweiten Elements 17a, 17b bildet zusammen mit der im ersten Element 16 des Temperierkörpers 15 ausgebildeten Ausnehmung den Querschnitt des Kanals 11 aus. Darüber hinaus weist das zweite Element 17a, 17b auf einander abgewandten Bereichen der Teilabschnitte 27, 28 einen zweiten, aus zwei streifenförmigen Bereichen bestehenden Abschnitt 29 auf, der der Verbindung des zweiten Elements 17a, 17b mit der Oberfläche 30 des ersten Elements 16 in dem den Kanal 11 unmittelbar begrenzenden Bereich dient. Das zweite Element 17a, 17a ist somit lediglich in dem Bereich des Kanals 11 ausgebildet bzw. mit dem ersten Element 16 verbunden.
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Während bei dem einen zweiten Element 17a die Oberfläche 30 des ersten Elements 16 beispielsweise unbearbeitet bzw. glatt ist, ist die Oberfläche 30 im Bereich des zweiten Elements 17b mit einer Oberflächenstrukturierung 31 versehen, die beispielsweise durch eine Laserstrahleinrichtung oder einen anderen Herstellungsprozess ausgebildet wird. Die Oberflächenstrukturierung 31 dient der besseren Verbindung des zweiten Teilabschnitts 29 des zweiten Elements 17b mit der Oberfläche 30 des ersten Elements 16 durch Erzeugung einer gezielten Rauigkeit bzw. durch Ausbildung von Vertiefungen, Hinterschnitten oder ähnlichen geometrischen Formen. Anstelle oder zusätzlich zu einer Oberflächenstrukturierung 31 kann auch eine Oberflächenbehandlung stattfinden, um die Oberfläche 30 durch Abtragen von Fremdschichten o.ä. im Sinne einer verbesserten Haftung zu aktivieren bzw. zu verändern.
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Die soweit beschriebene Temperiereinrichtung 10 kann in vielfältiger Art und Weise abgewandelt bzw. modifiziert werden, ohne vom Erfindungsgedanken abzuweichen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102011101302 A1 [0003, 0006]
