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Die Erfindung betrifft ein Kühlelement zur Kühlung eines wärmeentwickelnden Bauteils sowie ein wärmeentwickelndes Bauteil mit einem solchen Kühlelement und zwei Verfahren zur Herstellung eines solchen Kühlelements.
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Beispielsweise offenbart die
DE 102 49 331 A1 eine Kühlvorrichtung zum Kühlen elektrischer Bauteile. Die Kühlvorrichtung weist einen einstückigen Kühlkörper auf, der von einem Kontaktelement zur Befestigung auf dem Bauteil und einem Kühlelement zur Wärmeabgabe gebildet ist. Das Kontaktelement besteht aus Kupfer und das Kühlelement besteht aus einem Metall, das nicht Kupfer ist. Das Kupfer-Kontaktelement weist gute Wärmeverteilungseigenschaften auf, während das Metall-Kühlelement gute Verformungseigenschaften aufweist. Zur Vergrößerung der Oberfläche des Kühlelements weist das Kühlelement Kühlrippen und/oder Kühlnadeln auf. Dadurch können große Wärmemengen schnell abgeführt werden.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein alternatives Kühlelement zur Kühlung eines wärmeentwickelnden Bauteils sowie ein wärmeentwickelndes Bauteil mit einem solchen Kühlelement zu schaffen, wobei insbesondere die Herstellung erleichtert und die Wärmeabfuhr mittels des Kühlelements erhöht werden soll. Ferner soll auch ein schnelles und kostengünstiges Verfahren zur Herstellung eines Kühlelements vorgeschlagen werden. Die Aufgabe wird gelöst durch den Gegenstand der Patentansprüche 1, 8, 9 und 10. Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche 2 bis 7.
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Ein erfindungsgemäßes Kühlelement zur Kühlung eines wärmeentwickelnden Bauteils ist monolithisch aus einer Platte mit einer ersten und zweiten Oberfläche sowie einer Vielzahl von Nadeln an der ersten Oberfläche ausgebildet, wobei das Kühlelement dazu eingerichtet ist, mit der zweiten Oberfläche, die entgegengesetzt zur ersten Oberfläche ausgebildet ist, an dem wärmeentwickelnden Bauteil zumindest mittelbar zur Anlage zu kommen, wobei ferner die Nadeln mindestens zehnmal so hoch wie breit sind, und wobei die Nadeln dazu eingerichtet sind, Wärme aus der Platte durch Konvektion an die Umgebungsluft abzuführen.
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Mithin ist das Kühlelement einteilig aus einem einzigen Material bzw. Werkstoff ausgebildet, wobei die Platte somit mit jeder Nadel einteilig verbunden ist. Insbesondere erstrecken sich die Nadeln senkrecht zur ersten Oberfläche der Platte und weisen abgestumpfte Spitzen auf. Insbesondere sind die beiden Oberflächen der Platte parallel zueinander ausgebildet, wobei eine Oberfläche an dem wärmeentwickelnden Bauteil, an der das Kühlelement angeordnet werden soll, ebenfalls parallel zu den beiden Oberflächen der Platte ausgebildet ist. Insbesondere wird das Kühlelement stoffschlüssig, beispielsweise durch kleben oder schweißen, und/oder formschlüssig, beispielsweise durch eine Verschraubung, mit dem wärmeentwickelnden Bauteil verbunden.
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Unter einer Platte ist ein flaches Bauteil zu verstehen, dessen Dicke im Vergleich zur Länge und Breite vernachlässigbar klein ist. Die Platte kann eben oder gewölbt ausgebildet sein, um sich an die Oberfläche des wärmeentwickelnden Bauteils anzuschmiegen und einen zumindest mittelbaren vollflächigen Kontakt herzustellen.
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Unter einer Nadel ist eine Ausprägung an der ersten Oberfläche der Platte zu verstehen, die dazu vorgesehen ist, die erste Oberfläche der Platte um ein Vielfaches zu vergrößern und dadurch die Wärmeabfuhr durch Konvektion an die Umgebungsluft zu erhöhen. Dadurch, dass die Nadeln mindestens zehnmal so hoch wie breit sind, ergibt sich eine besonders hohe Wärmeabfuhr durch Konvektion, wobei die Einleitung der kühlenden Umgebungsluft durch die Nadeln im Vergleich zu gerichteten Rippen richtungsunabhängig erfolgen kann, sodass die Wärmeabfuhr durch Konvektion weiter verbessert wird. Insbesondere sind alle Nadeln identisch ausgebildet, wobei die Nadeln identische Abstände zueinander aufweisen, und wobei der Abstand zwischen zwei Nadeln zumindest eine Nadelbreite bzw. ein Nadeldurchmesser beträgt.
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Vorzugsweise ist die Oberfläche aller Nadeln zumindest zehnmal so groß wie die erste Oberfläche der Platte. Mit anderen Worten wird die erste Oberfläche der Platte um zumindest den Faktor zehn vergrößert. Insbesondere ist die Oberfläche aller Nadeln zumindest dreißigmal so groß wie die erste Oberfläche der Platte.
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Vorteilhafterweise ist an der zweiten Oberfläche der Platte ein wärmeleitfähiges Mittel zur thermischen Kopplung zwischen dem wärmeentwickelnden Bauteil und dem Kühlelement angeordnet. Beispielsweise umfasst das wärmeleitfähige Mittel Graphit. Insbesondere ist das wärmeleitfähige Mittel als Pad bzw. Kissen oder Paste ausgebildet, und dazu eingerichtet Umgebungsluft bzw. Luftbläschen zwischen der Platte und dem wärmeentwickelnden Bauteil zu verdrängen, um die thermische Kopplung zwischen dem wärmeentwickelnden Bauteil und dem Kühlelement zu verbessern. Denn Umgebungsluft bzw. Luftbläschen zwischen der Platte und dem wärmeentwickelnden Bauteil beeinträchtigen die Wärmeleitfähigkeit von dem wärmeentwickelnden Bauteil zu dem Kühlelement.
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Bevorzugt weisen die Nadeln eine kreisförmige bzw. runde Querschnittsfläche auf. Alternativ kann die Querschnittsfläche der Nadeln auch mehreckig ausgebildet sein oder eine andere Form aufweisen.
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Vorzugsweise ist das Kühlelement aus einem metallischen Werkstoff hergestellt. Insbesondere ist das Kühlelement aus einem metallischen Werkstoff mit einer relativ hohen Wärmeleitfähigkeit λ von zumindest 100 W/(m*K) ausgebildet. Beispielsweise ist das Kühlelement aus einer Silberlegierung, Kupferlegierung oder Aluminiumlegierung hergestellt. Aluminium ist ein bevorzugter Werkstoff aufgrund der relativ hohen Wärmeleitfähigkeit sowie der relativ geringen Dichte und dem daraus zusätzlich erwachsenden Gewichtsvorteil des Kühlelements.
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Insbesondere ist das Kühlelement aus einem Leichtmetall hergestellt. Bevorzugte Leichtmetalle sind Aluminiumlegierungen und Magnesiumlegierungen.
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Zur weiteren Erhöhung der Wärmeabfuhr am Kühlelement weisen zumindest die Nadeln eine Graphit-Beschichtung auf. Insbesondere ist auch die erste Oberfläche des Kühlelements mit Graphit beschichtet. Unter einer Graphitbeschichtung ist eine Kohlenstoffbeschichtung zu verstehen.
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Ferner betrifft die Erfindung ein wärmeentwickelndes Bauteil umfassend ein Kühlelement zur Kühlung des wärmeentwickelnden Bauteils, wobei das Kühlelement monolithisch aus einer Platte mit einer ersten und zweiten Oberfläche sowie einer Vielzahl von Nadeln an der ersten Oberfläche ausgebildet ist, wobei das Kühlelement mit der zweiten Oberfläche, die entgegengesetzt zur ersten Oberfläche ausgebildet ist, an dem wärmeentwickelnden Bauteil zumindest mittelbar angeordnet ist, wobei ferner die Nadeln mindestens zehnmal so hoch wie breit sind, und wobei die Nadeln dazu eingerichtet sind, Wärme aus der Platte durch Konvektion an die Umgebungsluft abzuführen.
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Unter einem wärmeentwickelnden Bauteil ist eine Vorrichtung zu verstehen, die durch Bestromung, Verbrennung, Zuführung von mechanischer Energie oder anderen Arten von Energiezufuhr sowie Energieumwandlung Wärme bzw. thermische Energie generiert und einer Kühlung bedarf, um effizient betrieben werden zu können. Beispielsweise ist das wärmeentwickelnde Bauteil als Antriebsmotor, vorzugsweise als elektrische Maschine ausgebildet. Alternativ kann das wärmeentwickelnde Bauteil auch als Getriebe oder Brennkraftmaschine ausgebildet sein. Insbesondere umfasst das wärmeentwickelnden Bauteil ein Gehäuse, vorzugsweise ein Aluminiumgehäuse, an dem das Kühlelement zur Kühlung angeordnet ist, wobei das Kühlelement vorzugsweise stoffschlüssig und/oder formschlüssig mit dem Gehäuse verbunden ist, und wobei zwischen dem Kühlelement und dem Gehäuse ein wärmeleitfähiges Mittel zur thermischen Kopplung angeordnet ist, sodass das Kühlelement mittelbar über das wärmeleitfähige Mittel an dem Gehäuse zur Anlage kommt.
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Gemäß einem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen Kühlelements wird die Platte zumindest teilweise durch eine Matrize gepresst, um die Vielzahl von Nadeln an der ersten Oberfläche der Platte auszubilden. Die Ausnehmungen in der Matrize sind für die Ausformung der Nadeln eingerichtet. Insbesondere wird die Platte vor dem Durchpressen erwärmt, um eine Ausformung der Nadeln aus der Platte zu erleichtern. Insbesondere ist die Platte aus einer Aluminiumlegierung hergestellt. Die Platte und die Nadeln werden dabei monolithisch ausgebildet, wobei die Nadeln mindestens zehnmal so hoch wie breit ausgeformt werden. Vorzugsweise wird die Oberfläche aller Nadeln zumindest zehnmal so groß wie die erste Oberfläche der Platte ausgebildet. Bevorzugt wird vor dem Anordnen des Kühlelements an einer zu kühlenden Oberfläche des wärmeentwickelnden Bauteils an der zweiten Oberfläche der Platte ein wärmeleitfähiges Mittel zur thermischen Kopplung zwischen dem wärmeentwickelnden Bauteil und dem Kühlelement angeordnet.
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Gemäß einem alternativen erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen Kühlelements werden die Platte und die Vielzahl von Nadeln an der ersten Oberfläche der Platte additiv hergestellt. Insbesondere wir das Kühlelement in einem 3D-Druckverfahren aus einer Aluminiumlegierung hergestellt. Die Platte und die Nadeln werden dabei monolithisch ausgebildet, wobei die Nadeln mindestens zehnmal so hoch wie breit ausgeformt werden. Vorzugsweise wird die Oberfläche aller Nadeln zumindest zehnmal so groß wie die erste Oberfläche der Platte ausgebildet. Bevorzugt wird vor dem Anordnen des Kühlelements an einer zu kühlenden Oberfläche des wärmeentwickelnden Bauteils an der zweiten Oberfläche der Platte ein wärmeleitfähiges Mittel zur thermischen Kopplung zwischen dem wärmeentwickelnden Bauteil und dem Kühlelement angeordnet.
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Im Folgenden wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Hierbei zeigt
- 1 eine stark vereinfachte schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen wärmeentwickelnden Bauteils mit zwei Kühlelementen, und
- 2 eine schematische Perspektivdarstellung eines erfindungsgemäßen Kühlelements.
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Gemäß 1 umfasst ein erfindungsgemäßes wärmeentwickelndes Bauteil 2, das vorliegend als elektrische Maschine ausgebildet ist und ein Aluminiumgehäuse 6 aufweist, zwei Kühlelemente 1a, 1b zur Kühlung des wärmeentwickelnden Bauteils 2. Das Kühlelement 1a, das an einer gewölbten Oberfläche des Aluminiumgehäuses 6 angeordnet ist, ist entsprechend der gewölbten Oberfläche des Aluminiumgehäuses 6 ebenfalls gewölbt ausgebildet, wobei das Kühlelement 1b, das an einer ebenen Oberfläche des Aluminiumgehäuses 6 angeordnet ist, entsprechend der ebenen Oberfläche des Aluminiumgehäuses 6 ebenfalls eben ausgebildet ist. Bis auf die gewölbte bzw. ebene Gestalt sind die beiden Kühlelemente 1a, 1b identisch ausgebildet.
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Das jeweilige Kühlelement 1a, 1b ist monolithisch aus einer Platte 3 mit einer ersten und zweiten Oberfläche 4a, 4b sowie einer Vielzahl von Nadeln 5 an der ersten Oberfläche 4a ausgebildet. Ferner ist das jeweilige Kühlelement 1a, 1b mit der zweiten Oberfläche 4b, die entgegengesetzt zur ersten Oberfläche 4a ausgebildet ist, an dem Aluminiumgehäuse 6 des wärmeentwickelnden Bauteils 2 angeordnet. Die Nadeln 5 sind zehnmal so hoch wie breit und dazu eingerichtet, Wärme aus der Platte 3 durch Konvektion an die Umgebungsluft abzuführen. Dazu zieht die Platte 3 des jeweiligen Kühlelements 1a, 1b aufgrund der thermischen Kopplung mit dem Aluminiumgehäuse 6 die Wärme aus dem wärmeentwickelnden Bauteil 2 heraus, sodass dieses mittels der beiden Kühlelemente 1a, 1b effizient gekühlt wird.
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2 zeigt exemplarisch ein erfindungsgemäßes Kühlelement 1 aus Aluminium. Das Kühlelement 1 ist monolithisch aus einer Platte 3 mit einer ersten und zweiten Oberfläche 4a, 4b sowie einer Vielzahl von Nadeln 5 an der ersten Oberfläche 4a ausgebildet. Das Kühlelement 1 ist dazu vorgesehen, mit der zweiten Oberfläche 4b, die entgegengesetzt zur ersten Oberfläche 4a ausgebildet ist, an einem wärmeentwickelnden Bauteil 2 mittelbar zur Anlage zu kommen. An der zweiten Oberfläche 4b der Platte 3 ist nämlich ein wärmeleitfähiges Mittel zur thermischen Kopplung zwischen dem wärmeentwickelnden Bauteil 2 und dem Kühlelement 1 angeordnet, wobei aufgrund der Perspektivdarstellung dieses vorliegend nicht sichtbar ist.
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Die Nadeln 5 sind zehnmal so hoch wie breit und dazu eingerichtet, Wärme aus der Platte 3 durch Konvektion an die Umgebungsluft abzuführen. Die Oberfläche aller Nadeln 5 ist vorliegend dreißigmal so groß wie die erste Oberfläche 4a der Platte 3. Vorliegend sind die Nadeln 5 stumpf ausgebildet und weisen eine kreisförmige Querschnittsfläche auf. Die Nadeln 5 und die erste Oberfläche 4a der Platte 3 weisen zur Erhöhung der Wärmeleitfähigkeit eine Graphit-Beschichtung auf.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Kühlelement
- 1a
- Kühlelement
- 1b
- Kühlelement
- 2
- wärmeentwickelndes Bauteil
- 3
- Platte
- 4a
- erste Oberfläche
- 4b
- zweite Oberfläche
- 5
- Nadel
- 6
- Aluminiumgehäuse
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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