DE102022127813B3 - Verfahren zur Herstellung eines Kühlkörpers aus Metall - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Kühlkörpers aus Metall, wobei zumindest große Bereiche dessen Oberfläche gebeizt werden, so dass sie eine Rauheit von mindestens RZ10 µm aufweisen, um eine Verbesserung der Kühlwirkung zu erreichen, weil hierdurch die zur Wärmeübertragung beitragende Fläche erheblich vergrößert ist.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß Oberbegriff des Anspruches 1.
• Im Stand der Technik sind solche Kühlkörper vielfach im Einsatz, beispielsweise zur Kühlung von Elektronikbauteilen oder anderen mit Kühlkörpern kombinierten Bauteilen. Es ist bekannt, dass die Effizienz beziehungsweise die Leistungsfähigkeit eines Kühlkörpers durch die Material- beziehungsweise Legierungsauswahl, durch dessen Geometrie sowie durch den Oberflächenzustand beeinflusst werden kann. Ein Maß für die Leistungsfähigkeit ist der Wärmewiderstand Rt_h[K/W] als Kenngröße für einen konkreten Kühlkörper. Als Material werden aus Kosten- Nutzen- Erwägungen und je nach Fertigungsart größtenteils Aluminium und spezielle Aluminiumlegierungen eingesetzt. Die Geometrie eines Kühlkörpers wird im Wesentlichen durch den Anwendungsfall festgelegt. Bestimmte Klassifizierungen gibt es hierbei nicht. Die Oberfläche eines Kühlkörpers wird im häufigsten Fall aus ästhetischen Gründen, wie Optik oder Haptik, behandelt. Je nach Anwendungsfall spielen auch Korrosionsfestigkeit oder der Emissionsgrad eine Rolle.
• Ein höherer Emissionsgrad, welcher z.B. durch schwarz Eloxieren zu erzielen ist, verbessert den Strahlungspfad und somit den Wärmewiderstand des Kühlkörpers. Bei der geläufigsten Kühlkörperbauform, dem Rippenkühlkörper, strahlen sich die inneren Rippen gegenseitig an, sodass im Wesentlichen nur die Außenflächen zur Wärmeabstrahlung beitragen.
• Bei erzwungener Konvektion, welche im Normalfall mit einem vor den Kühlkörper montierten Lüfter realisiert wird, ist der Anteil der Konvektion an der Wärmeübertragung wesentlich größer als der der Emission, sodass eine gezielte Beschichtung aus diesem Grund ökonomisch nicht sinnvoll ist.
• Aus der WO 2022/110357 A1 ist ein Verfahren dieser Art bekannt.
• Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren zur Herstellung eines Kühlkörpers zu schaffen, mit dem in einfacher Weise eine deutliche Verbesserung der Kühlwirkung des Kühlkörpers ermöglicht wird.
• Zur Lösung dieser Aufgabe wird vorgeschlagen, dass der Kühlkörper in eine Beizlösung, bestehend aus 18% iger Salzsäure, mindestens 20 Minuten bei einer Temperatur von 20°C getaucht wird.
• Gemäß der Erfindung werden die Kühlkörper mit Oberflächenstrukturen ausgestattet, die die zur Wärmeübertragung beitragende Fläche erheblich vergrößern, was dadurch erreicht wird, dass große Bereiche der Oberfläche eine entsprechende Rauheit aufweisen. Hierdurch wird erreicht, dass die umströmende Luft in der Lage ist, eine größere Wärmemenge vom Kühlkörper aufzunehmen.
• Bevorzugt ist dabei vorgesehen, dass der Kühlkörper aus Aluminium oder Aluminiumlegierungen besteht.
• Eine solche Ausgestaltung ist an sich im Stand der Technik bekannt.
• Des Weiteren ist bevorzugt, dass der Kühlkörper aus einem Pressprofil besteht.
• Auch dies ist an sich im Stand der Technik bekannt. Auch ist bevorzugt, dass der Kühlkörper aus einem Strangpressprofil- Abschnitt besteht, auch dies ist im Stand der Technik an sich bekannt.
• Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass der Kühlkörper auf mindestens einer Außenfläche Kühlrippen aufweist.
• Weiterhin ist bevorzugt vorgesehen, dass der Kühlkörper ein Hohlkörper ist, der vor allem auf den Innenflächen Kühlrippen aufweist.
• Zudem ist bevorzugt vorgesehen, dass alle zur Wärmeübertragung beitragenden Flächen und Schnittkanten die angegebene Rauheit aufweisen.
• Auch ist bevorzugt vorgesehen, dass die Rauheit R_Z mindestens 10 µm beträgt.
• Bevorzugte Verfahrensmerkmale sind in den Ansprüchen 2 bis 13 angegeben.
• Das erfindungsgemäße Verfahren unterscheidet sich wesentlich von einem Beizverfahren, welches zur Vorbereitung des Eloxierens an sich bekannt ist und dazu dient, das Werkstück zu reinigen und zu mattieren. Dieses mattierende Beizen hat nur geringen Einfluss auf die Rautiefe. Die Rauheit bei dem erfindungsgemäßen Verfahren liegt um den Faktor 10 höher als bei normalem reinigendem und mattierendem Beizen.
• Bei der erfindungsgemäßen Rautiefenbezeichnung „R_Z“ handelt es sich um den Mittelwert aus Einzelrautiefen von fünf aufeinanderfolgenden Einzelmessstrecken im Rauheitsprofil. In jedem Messabschnitt werden die Extremwerte zu einer Spannweite addiert und durch die Anzahl der Messabschnitte dividiert. Die Berechnung der Rautiefe R_Z erfolgt nach folgender Gleichung: $$R_z=\frac{1}{5}\cdot \left(R_{z1}+R_{z2}+R_{z3}+R_{z4}+R_{z5}\right)$$

  
• Die Angaben von Rz sind genauer als die auch üblichen Angaben von R_a, da auch Ausreißer berücksichtigt werden. R_a wirkt durch die Integrierung glättend.
• Das erfindungsgemäße Verfahren lässt sich insbesondere gut bei komplizierten Formen, Rippen oder Hohlformen des Kühlkörpers einsetzen, da mit der Beizlösung alle Flächen und Kanten erreicht werden. Eine mechanische Bearbeitung, beispielsweise mittels Fräsmaschinen ist zwar stellenweise an größeren Flächen möglich, jedoch nicht im Bereich von Kühlrippen oder dergleichen.
• Da der Beizvorgang und auch der gegebenenfalls vorgenommene nachfolgende Eloxierprozess im Tauchverfahren durchgeführt wird, wird er vollflächig durchgeführt. Durch ein nachfolgendes Eloxieren bildet sich eine teils nach innen und teils nach außen wachsende, der Kontur folgende Schicht, welche die Rautiefe kaum beziehungsweise nur minimal beeinflusst.
• Entgegen der Vorbehandlung des Eloxierens dienenden Reinigung und Mattierung durch Beizen, die nur wenige Sekunden erfolgt, erfolgt die Beizung nach dem erfindungsgemäßen Verfahren mindestens 20 Minuten, um die gewünschte Rauigkeit zu erreichen.
• Bei dem Beizen mit Salzsäure werden starke zackige Löcher gebildet, die erheblich zur Vergrößerung der Oberfläche führen und damit die Kühlkörpereffizienzsteigerung bewirken.
• Bei Versuchung konnte festgestellt werden, dass sich abhängig von den Parametern Verlustleistung, Umgebungstemperatur, Luftgeschwindigkeit, sowie der grundsätzlichen Geometrie des Kühlkörper der Wärmewiderstand im Bereich von mindestens 5% bis über 30% verbessert wird.
• Zur Erläuterung der Erfindung wird auf anliegende Zeichnungsfiguren verwiesen. Die 1 zeigt einen Kühlkörper mit Rippenstruktur in Schrägansicht. 2 zeigt den gleichen Kühlkörper von schräg unten gesehen.
• In 1 ist der Kühlkörper mit Rippen 1 für den Wärmeaustausch mit umgebenem Medium dargestellt. Die Oberflächenstruktur ist hierbei erfindungsgemäß ausgebildet.
• Auch die Außenseite 2 des Kühlkörpers ist mit entsprechender optimierter Oberflächenstruktur ausgestattet, also gebeizt. Ebenso sind die Schnittflächen 3 des Kühlkörpers für den Wärmeaustausch mit dem umgebenen Medium, z.B. Luft, für eine optimierte Oberflächenstruktur gebeizt.
• In 2 ist ersichtlich, dass eine Tasche 4 vorgesehen ist, die dazu dient, einen Wärmeaustausch mit anliegenden, meist elektronischen Bauteilen zu bilden, wobei die Oberflächenstruktur optimiert ist, beispielsweise plangefräst ist.
• In der oberen linken Ecke des Kühlkörpers ist ein Plateau 5 ausgebildet, welches ebenfalls mit für den Wärmeaustausch mit anliegenden zumeist elektronischen Bauteilen mit optimierter Oberflächenstruktur ausgebildet ist, z.B. plangefräst ist.
• Montagesockel 6 sind in den Eckbereichen des Kühlkörpers vorgesehen, die zur Montage des Kühlkörpers am dazu bestimmten Ort dienen sollen.
• Die in den Zeichnungen dargestellte Ausführungsform ist nur eine von unendlich vielen Möglichkeiten, beschränkt also den Erfindungsumfang nicht.

Claims (13)

1. Verfahren zur Herstellung eines Kühlkörpers aus Aluminium oder Aluminiumlegierungen, wobei der Kühlköper im Wege des Strangpressens hergestellt wird und nachfolgend in Abschnitte aufgeteilt wird, die den Kühlkörper bilden, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkörper in eine Beizlösung, bestehend aus 18% iger Salzsäure, mindestens 20 Minuten bei einer Temperatur von 20°C getaucht wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur während des Beizvorganges konstant gehalten wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkörper nach dem Beizen getrocknet wird.
4. Verfahren nach einen der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkörper nach dem Beizen eloxiert wird.
5. Verfahren nach einen der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkörper nach dem Eloxieren eingefärbt wird.
6. Verfahren nach einen der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkörper nach dem Beizen eingefärbt wird.
7. Verfahren nach einen der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkörper nach dem Beizen chromatiert wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens große Bereiche der Oberfläche des Kühlkörpers eine Rauheit von mindestens Rz 10 µm aufweisen.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass auf mindestens einer Außenfläche des Kühlkörpers Kühlrippen (1) ausgebildet werden.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkörper als Hohlkörper gebildet wird, der vor allem auf den Innenflächen Kühlrippen (1) aufweist.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkörper als Hohlkörper gebildet wird, der vor allem auf den Außenflächen Kühlrippen (1) aufweist.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass alle zur Wärmeübertragung an die Umgebung beitragenden Flächen (2) und Schnittkanten (3) mit der angegebenen Rauheit gebildet werden.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Beizlösung eine Rauheit R_Z von mindestens 10 um erzeugt wird.

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