DE10240848B4

DE10240848B4 - Kühlkörper aus Leichtmetall in Blockform und Verfahren zu dessen Herstellung

Info

Publication number: DE10240848B4
Application number: DE2002140848
Authority: DE
Inventors: Hermann Janssen
Original assignee: Seifert Electronic & Co K GmbH; Seifert Electronic & Co KG GmbH
Current assignee: Seifert Electronic & Co K GmbH; Seifert Electronic & Co KG GmbH
Priority date: 2002-09-04
Filing date: 2002-09-04
Publication date: 2004-07-22
Anticipated expiration: 2022-09-05
Also published as: DE10240848A1

Abstract

Kühlkörper aus Leichtmetall in Blockform mit Wärmekoppelfläche und einer Vielzahl von Einzellamellen sowie zwischen den Lamellen ausgebildeten Strömungskanälen, dadurch gekennzeichnet, dass die Einzellamellen im Kopf- und Fußbereich ein, bezogen auf die übrige Lamellenbreite, querschnittsvergrößertes Nut- und/oder Federprofil aufweisen, welches jeweils mit dem Profil einer Nachbarlamelle korrespondiert, um mittels formschlüssigem Fügen einer Menge von geschichteten oder gestapelten Einzellamellen durch einen einzigen Preßvorgang den Kühlkörperblock zu erhalten, wobei das Nutprofil einen im wesentlichen V-förmigen Querschnitt besitzt, die beiden Schenkel der V-Form jeweils eine Nut bilden und einen vorgegebenen Nutwinkel einschließen, wobei weiterhin das Federprofil einen mit dem Nutprofil korrespondierenden, im wesentlichen V-förmigen Querschnitt aufweist, die beiden Schenkel der V-Form jeweils eine Feder bilden, die Schenkelbreite im wesentlichen gleich der Breite der korrespondierenden Nut ist und die Schenkel einen Schenkelwinkel einschließen.

Description

Die Erfindung betrifft einen Kühlkörper aus Leichtmetall in Blockform mit Wärmekoppelfläche und einer Vielzahl von Lamellen sowie zwischen den Lamellen ausgebildeten Strömungskanälen gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und ein Verfahren zu dessen Herstellung.
Kühlkörper aus Leichtmetall in Blockform gehören seit vielen Jahren zum Stand der Technik.
Bei derartigen Kühlkörpern wird bevorzugt eine Lamellenform gewählt, um eine optimale Wärmeabführung an die Umgebung durch Konvektion bzw. Strahlung zu erreichen. Ein bevorzugtes Herstellungsverfahren von Kühlkörpern aus Leichtmetall ist das Strangpressen. Hierbei findet ein Umformvorgang statt, in dessen Ergebnis ein Lamellen-Kühlkörper entsteht, der dann auf Länge geschnitten bzw. konfektioniert werden kann.
Mit konventionellen Herstellungsverfahren, insbesondere dem Strangpressen, kann im Regelfall nur ein Seitenverhältnis, d.h. ein Verhältnis von Lamellenhöhe zu Lamellenabstand von < 10:1 erzielt werden. Eine wirksame Vergrößerung der Kühloberfläche ist daher nur über eine Zunahme der Kühlkörper-Außenabmessungen erreichbar.
Mit zunehmender Miniaturisierung und steigendem Integrationsgrad bei der Herstellung von Halbleiter-Schaltkreisen besteht die Aufgabe, die auf relativ kleiner Fläche entstandene Wärme zuverlässig an die Umgebung abzuführen, ohne daß die Lebensdauer und damit das Leistungsvermögen der entsprechenden elektronischen Schaltung reduziert ist. Dabei muß weiterhin dafür Sorge getragen werden, daß der eigentliche Kühlkörper möglichst kompakt und klein ausführbar ist, um die Gesamtabmessungen eines elektronischen Geräts nicht allein bedingt durch die notwendigen Bauräume für die Kühlmittel zu erhöhen.
Letztendlich müssen die Kosten für die Herstellung und Montage von Kühlkörpern gering gehalten werden, da diese Bauteile trotz ihrer wesentlichen Bedeutung für die Funktionsweise einer komplexen elektronischen Baugruppe nur einen geringen Wertfaktor ausmachen.

Aus der DE 100 56 387 A1 ist eine Kühlvorrichtung und ein Verfahren zu deren Herstellung vorbekannt. Gemäß der dortigen Lösung muss grundsätzlich ein Werkzeug zwischen Kühlrippen eingebracht werden, um die notwendige Verformung bezogen auf eine dort vorgesehene Verbindungsfläche zu gewährleisten. Konkret ist gemäß DE 100 56 387 A1 eine Grundplatte vorgesehen, die eine Vielzahl von Längsrillen oder Nuten besitzt. Die Grundplatte kann zum Beispiel stranggepresst sein. In diese Grundplatte bzw. in dort vorgesehenen Nuten werden Seitenwände eingesetzt. Nach dem diese Seitenwände oder Kühlrippen eingesetzt wurden, wird das erwähnte Verformungswerkzeug von oben auf die Verbindungsfläche geführt und gedrückt, so dass sich die notwendige Verformung einstellt und die eingesetzten Seitenwände und Kühlrippen in Presssitz gelangen. Um überhaupt ein Werkzeug einzuführen, dass die vorerwähnte Verformung bewirkt, muss aber die Möglichkeit bestehen, in die vorgesehenen Zwischenräume von oben eindringen zu können.

Ein ähnliches Prinzip des Befestigens von Einführlamellen auf einer Grundplatte zeigen die Druckschriften DE 198 42 977 A1 und DE 198 41 911 A1 .

Aus dem Vorgenannten ist es daher Aufgabe der Erfindung, einen weiterentwickelten Kühlkörper aus Leichtmetall in Blockform anzugeben, der aus einer Vielzahl von Lamellen und zwischen den Lamellen ausgebildeten Strömungskanälen besteht, wobei der Kühlkörper über eine optimale Kühloberfläche bei möglichst geringen Kühlkörper-Außenabmessungen verfügen soll.

Insbesondere gilt es aufgabengemäß einen Kühlkörper anzugeben, der ein Seitenverhältnis, d.h. ein Verhältnis von Lamellenhöhe zu Lamellenabstand von > 10:1 ermöglicht.

Aufgabe der Erfindung ist ebenfalls die Schaffung eines Verfahrens zur Herstellung eines neuartigen Kühlkörpers aus Leichtmetall, welches einerseits das Realisieren ganz unterschiedlicher Kühlkörper-Abmessungen ermöglicht und das andererseits auf möglichst standardisierte Bauteile in Form von Einzellamellen zurückgreifen kann.

Die Lösung der Aufgabe der Erfindung erfolgt durch einen Kühlkörper aus Leichtmetall in Blockform gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie verfahrensseitig mit einer Lösung in Definition nach Patentanspruch 16, wobei die Unteransprüche zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung umfassen.

Erfindungsgemäß wird demnach davon ausgegangen, bevorzugt stranggepreßte Einzellamellen einzusetzen, die durch ein formschlüssiges Fügeverfahren zu dem gewünschten Kühlkörper zusammensetzbar sind, um ein Seitenverhältnis von > 10:1 zu erreichen.

Die einzelnen Lamellen werden mit Hilfe einer speziellen Nut- und Federgeometrie verbunden, wobei hier abwechselnd Nut- und Federlamellen durch Druck gefügt werden.

Die Nut- und Federlamellen werden entsprechend den gewünschten Außenmaßen des Kühlkörpers kassetiert und vorfixiert.

Die derartig kassetierten Lamellen werden dann einem Fügeschritt mit Hilfe einer Presse unterworfen. Durch spezielle unterschiedliche Winkel zwischen Nut und Feder verformen sich die Federn im Laufe des Preßvorgangs und gleiten vollständig in die Nuten.

Am Ende des Preßvorgangs bewirken Verpreßnasen eine Schließung verbliebener Hohlräume, so daß das Nut- und Federmaterial einem festen Halt unterliegt und eine Trennung der Profile entgegen der Preßrichtung bzw. der Nutrichtung nicht mehr möglich ist.

Mit Hilfe der vorstehend kurz beschriebenen Technologie ist eine sehr hohe Anzahl von Kühllamellen bei minimierten Außenabmessungen des Kühlkörpers erzielbar, mit der Folge, daß eine große Kühloberfläche entsteht, die optimal zur Abfuhr von Verlustwärme elektrischer Bauteile geeignet ist.

Es besitzen also die Einzellamellen im Kopf- und Fußbereich ein, bezogen auf die übrige Lamellenbreite, querschnittsvergrößertes Nut- und/oder Federprofil. Dieses Profil korrespondiert jeweils mit dem Profil einer Nachbarlamelle, um mittels formschlüssigen Fügen einer Menge von geschichteten oder gestapelten Einzellamellen durch den oben erwähnten einzigen Preßvorgang den Kühlkörperblock zu erhalten.

Das Nutprofil besitzt einen im wesentlichen V-förmigen Querschnitt, wobei die beiden Schenkel der V-Form jeweils eine Nut bilden und einen vorgegebenen Nutwinkel einschließen.

Auch das Federprofil besitzt einen im wesentlichen V-förmigen Querschnitt, wobei die beiden Schenkel der V-Form jeweils eine Feder bilden, die Schenkelbreite im wesentlichen gleich der Breite der korrespondierenden Nut ist und die Schenkel einen Schenkelwinkel einschließen.

Durch die unterschiedliche Wahl von Nut- und Schenkelwinkel sind Verformungskräfte beim Preßvorgang zum Erhalt des Kühlkörperblocks notwendig, die zu einem optimalen Halt und einer hohen Festigkeit führen.

Bevorzugt ist der Schenkelwinkel kleiner als der Nutwinkel gewählt, so daß sich die Schenkel, d.h. die Federn der Nutform bzw. dem Nutwinkel beim Preßvorgang anpassen.

Den Schenkeln seitlich benachbart ist mindestens je ein Vorsprung oder eine Nase, die als die oben beschriebenen Preßnasen wirken, angeordnet.

Die Vorsprünge oder Nasen befinden sich jeweils rechts- und linksseitig der V-Form des jeweiligen Schenkels.

In einer Ausführungsform der Erfindung können mehrere Nut- und/oder Federprofile nebeneinander in Richtung der Lamellenhöhe vorgesehen sein.

Ausgestaltend ist im Kopf- und Fußbereich einer Einzellamelle beidseitig jeweils ein Nutprofil ausgebildet. Ebenso ist es aber auch denkbar, beidseitig jeweils ein Federprofil vorzusehen.

Auch besteht die Möglichkeit, alternierend bezogen auf eine Einzellamelle auf der einen Seite ein Nutprofil und auf der gegenüber liegenden Seite ein Federprofil zu formen.

Für den seitlichen Abschluß eines Kühlkörperblocks besteht die Möglichkeit, seitliche Endlamellen einzusetzen, die nur auf einer Seite im Kopf- und Fußbereich Nut- und/oder Federprofile aufweisen.

Die vorerwähnten mehreren, benachbarten Nut- oder Federprofile können jeweils bevorzugt im Bereich der zu bildenden Wärmekoppelfläche angeordnet werden, um hier eine Wärmesenke zu bilden.

Über die Querschnittsvergrößerung im Kopf- und Fußbereich läßt sich bezogen auf den Endmontagezustand der Abstand der Einzellamellen im Blockverbund vorgeben.

Die Erfindung soll nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels sowie unter Zuhilfenahme von Figuren näher erläutert werden.

Hierbei zeigen:
1 einen Schnitt durch jeweils eine Einzellamelle, einmal mit einem Nutprofil und zum anderen mit einem Federprofil;
2 einen Querschnitt durch einen Lamellenkühlkörper nach Abschluß des Preß- und Fügevorgangs im Maßstab von annähernd 1:1 und
3 eine Abfolge der Fügeprozedur am Beispiel von zwei Einzellamellen mit einmal Nut- und zum anderen Federprofil.
Die erfindungsgemäßen Lamellen 1 weisen eine Wellstruktur-Oberfläche 2 zur Schaffung eines optimalen Wärmeübergangs zum umgebenden strömenden Medium auf.
Im Kopfbereich 3, aber auch im Fußbereich 4 besitzt die in 1 linksseitig gezeigte Lamelle 1 ein Nutprofil 5 in V-Form.
Das Nutprofil 5 ist jeweils beidseitig sowohl im Kopfbereich 3 als auch im Fußbereich 4 ausgebildet.
Die jeweils auf einer Seite befindlichen Nuten des Nutprofils 5 schließen einen Nutwinkel NW (siehe auch 3) ein.
Die in 1 rechtsseitig gezeigte Lamelle 1 weist ein Federprofil 6, ebenfalls in V-Form auf.
Dieses Federprofil 6 ist ebenfalls beidseitig sowohl im Kopfbereich als auch im Fußbereich 3, 4 der Lamelle 1 angeformt. Die beiden Schenkel 7 des Federprofils 6 schließen einen Schenkelwinkel SW ein (siehe auch 3), der sich vom Nutwinkel NW unterscheidet.
Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist im Fußbereich 4 eine doppelte Ausbildung entweder des Nutprofils 5 bzw. des Federprofils 6 vorgesehen, wobei dieser Fußbereich 4 eine Wärmekoppelfläche hin zu einem zu kühlenden elektronischen Bauelement bilden kann. Selbstverständlich können auch mehrere, über die Zahl zwei hinausgehende Profile vorhanden sein, wenn dies aus Stabilitätsgründen oder unter dem Aspekt der Ausbildung einer Wärmesenke mit größerer Wärmekapazität erforderlich ist.
Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 3 wird deutlich, daß der Schenkelwinkel SW kleiner als der Nutwinkel NW gewählt wurde.
Beidseitig der jeweiligen Schenkel 7 sind, wie in 1 rechtsseitig und in 3 ersichtlich, Preßnasen 8 oder entsprechende Vorsprünge vorhanden, die sich in Richtung der gegenüber liegenden Lamelle bzw. des gegenüber liegenden Fußbereichs 4 oder Kopfbereichs 3 erstrecken.
Bei den figürlichen Darstellungen wird von einer symmetrischen Konfiguration der Anordnung der Nutprofile 5 und der Federprofile 6 bezogen auf eine jeweilige Lamelle 1 ausgegangen.
Es ist jedoch auch möglich, abwechselnd respektive wechselseitig verschiedene Profile anzuformen, ohne den Grundgedanken der Erfindung zu verlassen.
Mit Hilfe der 3 soll nun der eigentliche Fügevorgang zur Bildung des Lamellenblocks bzw. des Kühlkörpers in Blockform näher erläutert werden.
Die Darstellung 1 gemäß 3 zeigt den Ausgangszustand von zwei Kopfbereichen 3 einer Lamelle mit Nutprofil 5 und einer Lamelle mit Federprofil 6. Im Schnitt nach Darstellung 2 gemäß 3 werden die Nut- und Federlamellen entsprechend den gewünschten Außenmaßen des Kühlkörpers kassetiert und vorfixiert.
Hierbei dringen die Schenkel 7 in das jeweilige Nutprofil 5 teilweise ein und werden bereits leicht gehalten.
Mit dem eigentlichen Preßvorgang erfolgt das Umformen der Schenkel 7 unter Anpassung des Schenkelwinkels SW an den Nutwinkel NW bzw. die Form der Nutprofile 5.
Letztendlich bewirken die Preßnasen 8 eine Schließung verbliebener Hohlräume und ein Optimieren des formschlüssigen Halts bzw. der Verbindung der Einzellamellen.
Eine Trennung der Profile entgegen der Preßrichtung sowie Nutrichtung ist zerstörungsfrei nicht mehr möglich.
Die Darstellung nach 2 in einem circa-Maßstab von 1:1 macht deutlich, wie bei einem geringen Lamellenabstand eine sehr hohe Lamellenhöhe und damit ein optimiertes Seitenverhältnis von > 10:1 erhalten werden kann, indem stranggepreßte Einzellamellen verwendet werden, die durch Fügen zu einem Kühlkörper in Blockform verbunden sind.
Über die Querschnittsvergrößerung der Lamellen 1 im Kopfbereich 3 bzw. im Fußbereich 4 läßt sich im übrigen der Abstand der Einzellamellen (siehe 2) im Blockverbund vorgeben oder einstellen.
Alles in allem gelingt es mit der vorstehend beschriebenen beispielhaften Ausführungsform der Erfindung, einen Kühlkörper aus Leichtmetall, insbesondere Aluminium, mit einem Seitenverhältnis von > 10:1 anzugeben, der in kostengünstiger Weise herstellbar ist und welcher nur geringe Bauraum-Abmessungen im Vergleich zum Stand der Technik einnimmt. Es kann also durch die Verwendung von bezogen auf die Einzelabmessungen der Lamellen in optimaler Weise stranggepreßten Einzellamellen durch das formschlüssige Fügeverfahren ein Kühlkörper geschaffen werden, der ein Verhältnis von Lamellenhöhe zu Lamellenabstand besitzt, das wiederum neue Anwendungen zur Kühlung elektronischer Bauelemente oder Baugruppen gestattet. Dadurch, daß die Einzellamellen als standardisierte Bauteile ausführbar sind, kann über den Schritt der Kassetierung und des Vorfixierens je nach Anwendungsaufgabe ein Block-Kühlkörper gefertigt werden, ohne daß eine umfassende Vorratshaltung erforderlich ist.

1: Lamellen
2: Wellstruktur-Oberfläche
3: Kopfbereich
4: Fußbereich
5: Nutprofil
NW: Nutwinkel
6: Federprofil
7: Schenkel
SW: Schenkelwinkel
8: Preßnasen

Claims

Kühlkörper aus Leichtmetall in Blockform mit Wärmekoppelfläche und einer Vielzahl von Einzellamellen sowie zwischen den Lamellen ausgebildeten Strömungskanälen, dadurch gekennzeichnet, dass die Einzellamellen im Kopf- und Fußbereich ein, bezogen auf die übrige Lamellenbreite, querschnittsvergrößertes Nut- und/oder Federprofil aufweisen, welches jeweils mit dem Profil einer Nachbarlamelle korrespondiert, um mittels formschlüssigem Fügen einer Menge von geschichteten oder gestapelten Einzellamellen durch einen einzigen Preßvorgang den Kühlkörperblock zu erhalten, wobei das Nutprofil einen im wesentlichen V-förmigen Querschnitt besitzt, die beiden Schenkel der V-Form jeweils eine Nut bilden und einen vorgegebenen Nutwinkel einschließen, wobei weiterhin das Federprofil einen mit dem Nutprofil korrespondierenden, im wesentlichen V-förmigen Querschnitt aufweist, die beiden Schenkel der V-Form jeweils eine Feder bilden, die Schenkelbreite im wesentlichen gleich der Breite der korrespondierenden Nut ist und die Schenkel einen Schenkelwinkel einschließen.
Kühlkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Nut- und Schenkelwinkel unterschiedlich gewählt sind.
Kühlkörper nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Schenkelwinkel kleiner als der Nutwinkel ist.
Kühlkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass den Schenkeln seitlich benachbart mindestens ein Vorsprung oder eine Nase angeordnet ist.
Kühlkörper nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorsprünge oder Nasen rechts- und linksseitig der V-Form des jeweiligen Schenkels befindlich sind.
Kühlkörper nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Nut- und/oder Federprofile nebeneinander in Richtung der Lamellenhöhe vorgesehen sind.
Kühlkörper nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Kopf- und Fußbereich einer Einzellamelle beidseitig jeweils ein Nutprofil ausgebildet ist.
Kühlkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass im Kopf- und Fußbereich einer Einzellamelle beidseitig jeweils ein Federprofil ausgebildet ist.
Kühlkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass im Kopf- und Fußbereich einer Einzellamelle auf einer Seite ein Nutprofil und auf der gegenüber liegenden Seite ein Federprofil geformt ist.
Kühlkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass im Kopfbereich einer Einzellamelle beidseitig ein Nutprofil und im Fußbereich beidseitig ein Federprofil oder umgekehrt ausgebildet ist.
Kühlkörper nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass seitliche Abschluß- oder Endlamellen nur auf einer Seite im Kopf- und Fußbereich Nut- und/oder Federprofile aufweisen.
Kühlkörper nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die mehreren benachbarten Nut- oder Federprofile im Bereich der zu bildenden Wärmekoppelfläche angeordnet sind.
Kühlkörper nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einzellamellen inklusive Nut- oder Federprofil durch Strangpressen geformt sind.
Kühlkörper nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass über die Querschnittsvergrößerung im Kopf- und Fußbereich der Abstand der Einzellamellen im Blockverbund vorgebbar ist.
Kühlkörper nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis von Lamellenhöhe zu Lamellenabstand im Blockverbund > 10:1 ist.
Verfahren zur Herstellung eines Kühlkörpers aus Leichtmetall im Blockverbund nach den vorangegangenen Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass – die mit den Nut- und/oder Federprofilen durch Strangpressen realisierten Einzellamellen je nach den gewünschten Außenmaßen des Blocks unter Beachtung der jeweiligen Nut-Federpaarungen kassetiert und vorfixiert werden, – die kassetierten Lamellen unter einer Presse gefügt werden, wobei sich durch die unterschiedlichen Winkel von Nut- und Federprofil die Federn im Verlauf des Preßvorgangs umformen und vollständig in die Nuten gleiten und – mit Abschluß des Preßvorgangs die Vorsprünge oder Nasen eine Schließung verbliebener Hohlräume bewirken, so dass die Profile fest und unverschieblich verbunden sind.