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GEBIET DER
ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines
Wärmeübertragungselementes,
wobei in einem ersten Schritt ein Werkstück hergestellt wird, das einen
gekrümmten
Basisabschnitt mit einer äußeren Oberfläche und
einer inneren Oberfläche
und einer Anzahl an Flanschen umfasst, die von der äußeren Oberfläche des
Basisabschnitts vorstehen, und in einem zweiten Schritt das Wärmeübertragungselement
durch Begradigen des Basisabschnitts gebildet wird, so dass er im
Wesentlichen eben wird.
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Die
Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zum Herstellen eines Werkstücks für ein Wärmeübertragungselement,
wobei die Vorrichtung dazu geeignet ist, dass ein erstarrbares Material
zu einer in der Vorrichtung vorgesehenen Öffnung zugeführt wird, wobei
das Design der Öffnung
den Querschnitt des Werkstücks
definiert, wobei die Öffnung
einen gekrümmten Öffnungsabschnitt
mit einer äußeren Oberfläche und
einer inneren Oberfläche
und einer Anzahl von Aussparungen aufweist, die nach außen von
der äußeren Oberfläche vorstehen.
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Weiter
betrifft die Erfindung ein Werkstück, das in ein Wärmeübertragungselement
geformt werden soll, wobei das Werkstück einen gekrümmten Basisabschnitt
mit einer äußeren Oberfläche und
einer inneren Oberfläche
und einer Anzahl von Flanschen umfasst, die von der äußeren Oberfläche des Basisabschnitts
vorstehen.
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Wärmeübertragungsvorrichtungen
werden zum Kühlen
oder Erwärmen
eines Gegenstandes verwendet. Das Gebiet der Erfindung umfasst Wärmeübertragungsvorrichtungen
für mehrere
Anwendungsgebiete, wie etwa zum Kühlen von Halbleitern.
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STAND DER
TECHNIK
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Das
Wärmeübertragungselement
ist aus einer Basis und einer Anzahl von Flanschen ausgebildet,
die nach dem Stand der Technik von dieser vorstehen. Die Basis und
die Flansche können
entsprechend dem gewünschten
Grad der Wärmeübertragung,
dem Design des Gegenstandes, auf den die Wärme übertragen werden soll, dem
verfügbaren Raum
und so weiter auf viele unterschiedliche Arten ausgebildet sein.
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Das
Wärmeübertragungselement
ist so angeordnet, dass die den Flanschen abgewandte Seite der Basis
zu dem zu kühlenden
Gegenstand gerichtet ist. Die Wärmeübertragung
erfolgt, wenn die Flansche einem Kühlmittel in der Form beispielsweise von
Luft oder Wasser ausgesetzt werden, in dem Wärme von dem Gegenstand durch
die Vorrichtung und zu dem Kühlmittel
geleitet wird.
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Wärmeübertragungselemente
werden vorzugsweise aus einem Material mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit
hergestellt. Solche Materialien sind beispielsweise Gold, Kupfer
und Aluminium, sowie verschiedene Legierungen daraus. Aluminium
und Aluminiumlegierungen sind Materialien, die aufgrund ihrer hohen
Leitfähigkeit,
guten Verformbarkeit und der Tatsache, dass sie relativ preisgünstig sind,
sehr gut zur Verwendung in Wärmeaustauschvorrichtungen
geeignet sind. Gemäß den Herstellungsverfahren
nach dem Stand der Technik wird Aluminium spritzgegossen oder bei
einer erhöhten
Temperatur durch ein Werkzeug extrudiert und zu einem bestimmten
Design verfestigt. Das sogenannte Aluminiumprofil wird im Spritzgussverfahren
oder durch Extrusion ausgebildet. Das Aluminiumprofil kann danach
für die
entsprechende Anwendung in Stücke geschnitten
werden.
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Um
eine gute Kühlleistung
der Vorrichtung zu erhalten, sollte die Vorrichtung mit einer möglichst großen Fläche zur
Abgabe von Wärme
wie auch zum Absorbieren von Kälte
ausgestattet sein. Die Flansche sollten deshalb mit einer großen Höhe und kleinen
Abständen
zwischen benachbarten Flanschen ausgebildet sein. Die Höhe der Flansche
und der Abstand zwischen benachbarten Flanschen sind entsprechend
vorhandener bekannter Herstellungsverfahren durch Werkzeuge begrenzt,
die für
die Herstellung verwendet werden. Das Werkzeug, durch das das Material
spritzgegossen oder extrudiert wird, wird mit länglichen Elementen entsprechend
den Abständen
zwischen den Flanschen in dem hergestellten Profil ausgebildet.
Das Werkzeug wird während der
Herstellung hohen Lasten ausgesetzt, da Material mit einer relativ
hohen Temperatur durch dieses hindurchgedrückt wird. Die länglichen
Elemente können
verformt werden oder brechen, wenn sie im Vergleich zu ihrer Breite
zu hoch sind.
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Eine
Lösung
dieser Aufgabe ist aus der US-Patentschrift Nr. 4,187,711 bekannt.
Das Wärmeübertragungselement
wird in zwei Schritten hergestellt. In einem ersten Schritt wird
ein Werkstück
mit einem gekrümmten
Basisabschnitt mit einer äußeren Oberfläche und
einer inneren Oberfläche
und einer Anzahl von Flanschen hergestellt, die von der äußeren Oberfläche vorstehen,
und in einem zweiten Schritt wird das Wärmeübertragungselement durch Begradigen
des Basisabschnitts gebildet, so dass es im Wesentlichen eben wird.
Die Enden des Basisabschnitts sind mit Greifmitteln versehen, die
mit einigen Ziehwerkzeugen zum Begradigen des Basisabschnittes zusammen
passen. Die Greifmittel sind entlang der Verlängerung des Basisabschnitts
und senkrecht zu den Flanschen angeordnet. Während des Begradigens des gekrümmten Basisabschnitts
wird das Werkstück
um eine Achse angeordnet, wodurch eines der Greifmittel an der Achse
und das andere Greifmittel an dem Ziehwerkzeug befestigt wird. Der Basisabschnitt
wird durch eine Zugkraft begradigt, die von den Ziehwerkzeugen auf
ein Ende des Basisabschnitts aufgebracht wird, wodurch die Achse eine
Gegenkraft auf das andere Ende des Basisabschnitts ausübt.
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Um
eine Wärmeübertragung
zu erhalten, wird das Wärmeübertragungselement
so angeordnet, dass die Seite der Basis, die den Flanschen abgewandt
ist, zu dem zu kühlenden
oder zu erwärmenden
Gegenstand weist. In der Regel ist die Oberfläche, die gegen das Wärmeübertragungselement
angelegt werden soll, eben. Für
eine möglichst
gute Wärmeübertragung
bei einer solchen Anwendung ist es wichtig, dass der Basisabschnitt
vollständig
eben ist. Ein Problem bei diesem Herstellungsverfahren besteht darin,
dass der Basisabschnitt nicht vollständig begradigt werden kann.
Nach dem Begradigen ist der Basisabschnitt weiter leicht gekrümmt, was
danach bearbeitet werden muss, um ihn eben zu machen. Diese Bearbeitung
könnte
beispielsweise die Aufbringung einer Schlagkraft gegen den Basisabschnitt
mit beliebigen Schlagapparaten sein. Dieses Verfahren ist zeitaufwändig und
zur Herstellung großer
Serien ungeeignet.
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Eine
Möglichkeit,
diese Aufgabe wenigstens teilweise zu lösen, wird in WO-A-98/51430 beschrieben,
die die Grundlage für
den Oberbegriff der unabhängigen
Ansprüche
1, 5 und 8 bildet. Durch Anordnen von Wirkelementen innerhalb des
Basisabschnitts wird ein Momentabstand zwischen dem Basisabschnitt
und dem Zugpunkt erhalten. Dank dieses Momentabstandes lässt sich
der Basisabschnitt vollständig
begradigen, wenn eine Zugkraft auf die Wirkelemente in einer Richtung
im Wesentlichen parallel zu der Längsachse des Basisabschnitts
aufgebracht wird. Ein Problem bei diesem Herstellungsverfahren besteht
darin, dass der Basisabschnitt nach dem Begradigen immer noch nicht
vollständig
eben ist. Während
des Begradigens kommt es zu einer Verformung des Materials in dem
Basisabschnitt, was bedeutet, dass das Material in dem inneren Teil des
gekrümmten
Grundabschnitts gestreckt und das Material in dem äußeren Teil
zusammengezogen wird. Während
des Ziehens wird Material in dem inneren Teil stärker gestreckt als das Material
in dem äußeren Teil
zusammengezogen wird, woraus folgt, dass es zu einer Überkrümmung des
Basisabschnitts kommt, so dass die Mitte des Basisabschnitts leicht zusammengedrückt wird.
Um ein vollständig
ebenes Wärmeübertragungselement
zu erhalten, ist eine nachfolgende Bearbeitung erforderlich, beispielsweise
durch Aufbringen einer Schlagkraft gegen die Basis.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren
zum Herstellen eines Wärmeübertragungselementes
zu erhalten, das keine nachfolgende Bearbeitung erforderlich macht,
da das Wärmeübertragungselement
ausreichend eben ist, um direkt nach dessen Begradigung verwendet
werden zu können.
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Eine
weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung
zum Herstellen eines Werkstücks
für ein
Wärmeaustauschelement und
ein Werkstück
zu erhalten, das in ein Wärmeübertragungselement
geformt werden soll, die es beide ermöglichen, das genannte Verfahren
einzusetzen, das keine nachfolgende Bearbeitung erforderlich macht.
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Die
Merkmale eines der Erfindung zugrundeliegenden Verfahrens, einer
Vorrichtung und eines Werkstücks
wird anhand der beiliegenden Ansprüche deutlich.
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Die
Aufgabe des der Erfindung zugrundeliegenden Verfahrens wird dadurch
gelöst,
dass das Werkstück
in einem ersten Schritt hergestellt wird, so dass der Abstand zwischen
der äußeren und
der inneren Oberfläche
des Basisabschnitts von seinen Enden zu seinem mittleren Teil zunimmt.
Beim Begradigen beginnt die Verformung in der Mitte des gekrümmten Basisabschnitts,
wo der Momentabstand am größten ist.
Sobald die Verformung in dem Material beginnt, wird auf jeder Seite
der Mitte des Basisabschnitts eine Momentachse ausgebildet. Das Krümmungsmoment
ist an der Momentachse am größten. Die Überkrümmung, die
sich aus dem bekannten Verfahren ergibt, hängt von der Tatsache ab, dass
das Material in dem inneren Radius des Basisabschnitts stärker begradigt
wird als das Material in dem äußeren Radius
des Basisabschnitts zusammengezogen wird. Das bedeutet, dass der
Krümmungswiderstand
in bereits begradigtem Material niedriger ist als in dem noch zu
begradigenden Material, was zu einer Überkrümmung führt. Durch Ausbilden des Basisabschnitts
des Werkstücks
mit einer Dicke, die von dem Mittelteil zu den Enden abnimmt, hat
bereits begradigtes Material denselben oder einen höheren Krümmungswiderstand
wie bzw. als das zu begradigende Material. Dadurch wird eine Überkrümmung verhindert
und der Basisabschnitt ist eben, wenn die Begradigung abgeschlossen
ist.
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Die
Aufgabe wird weiter durch die anfänglich genannte Vorrichtung
zum Herstellen eines Werkstücks
für ein
Wärmeübertragungselement
gelöst, die
dadurch gekennzeichnet ist, dass der Abstand zwischen der äußeren und
der inneren Oberfläche des Öffnungsabschnitts
von ihren Enden zu ihrem Mittelteil zunimmt.
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Damit
im Wesentlichen derselbe Krümmungswiderstand
in bereits begradigtem Material erhalten wird wie in zu begradigendem
Material, sollte der Unterschied des Abstandes zwischen der äußeren und
der inneren Oberfläche
des Basisabschnitts seiner Enden und seines Mittelteils vorzugsweise zwischen
1 – 5
% betragen.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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In
den beiliegenden Zeichnungen werden die bevorzugten Ausführungsformen
beispielhaft genauer beschrieben.
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1 ist
eine Seitenansicht einer bevorzugten Ausführungsform eines Werkstücks, das
in ein Wärmeübertragungselement
geformt werden soll.
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2 ist
ein Querschnitt durch eine bevorzugte Ausführungsform einer Vorrichtung
zum Herstellen eines Werkstücks
für ein
Wärmeübertragungselement.
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3a – 3d zeigen
in einer Reihe von Schritten, wie das Werkstück begradigt und in ein Wärmeübertragungselement
geformt wird.
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AUSFÜHRLICHE
BESCHREIBUNG VON BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN DER ERFINDUNG
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1 zeigt
ein Werkstück 1,
das in einem ersten Schritt geformt wird und in einem zweiten Schritt
eines der Erfindung zugrundeliegenden Verfahrens in ein Wärmeübertragungselement
geformt werden soll. Das Werkstück 1 ist
mit einem gekrümmten
Basisabschnitt 2 mit einer äußeren Oberfläche 3 und
einer inneren Oberfläche 4 ausgestattet. Von
der äußeren Oberfläche des
Basisabschnitts steht eine Anzahl von Flanschen 5 vor.
Die äußere Oberfläche 3 des
Basisabschnitts umfasst einen Bogen mit einem Radius R und einem
Mittelpunkt C1, und die innere Oberfläche 4 umfasst einen
Bogen mit einem Radius r und einem Mittelpunkt C2. Die Mittelpunkte
C1 und C2 sind leicht zueinander versetzt, wodurch der Abstand zwischen
der äußeren und
der inneren Oberfläche
von dem Mittelteil zu den Enden allmählich abnimmt. Der Abstand
zwischen der äußeren und
der inneren Oberfläche
in dem Mittelteil des Basisabschnitts b ist größer als der Abstand zwischen
der äußeren und
der inneren Oberfläche
a an ihren Enden. In einer bevorzugten Ausführungsform beträgt der Unterschied
der Dicke zwischen dem Mittelteil und den Enden des Basisabschnitts
1 – 5
%, vorzugsweise 3,4 %.
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Das
Werkstück
umfasst auch zwei Greifmittel 6a und 6b, die von
der inneren Oberfläche 4 des Basisabschnitts
in eine Richtung entgegengesetzt zu den Flanschen 5 vorstehen.
Die Wirkelemente 6a und 6b sind bei dieser Ausführungsform
hakenförmig ausgebildet.
Die Wirkelemente werden vorzugsweise einstückig mit dem Basisabschnitt 2 in
dem ersten Schritt hergestellt. Die Wirkelemente 6a und 6b sind vorgesehen,
damit sie im zweiten Schritt beeinflusst werden, um den Basisabschnitt 2 zu
verformen, so dass er im Wesentlichen eben wird und die Flansche 5 in
eine gegenseitige Beziehung gebracht werden, in der sie im Wesentlichen
parallel zueinander liegen. Die Wirkelemente 6a und 6b sollen
nach dem Verformen von dem Basisabschnitt entfernt werden. Der Gegenstand,
der der Wärmeübertragung
durch das Wärmeübertragungselement
ausgesetzt werden soll, soll gegen die innere Oberfläche 4 des
Basisabschnitts angeordnet werden.
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Das
Herstellen des Werkstücks
in dem ersten Schritt des der Erfindung zugrundeliegenden Verfahrens
erfolgt vorzugsweise durch Beschicken eines Formwerkzeugs mit Material
in flüssigem
oder mindestens formbarem Zustand. Zum Extrudieren ist dieses Formwerkzeug
mit einer Öffnung
ausgestattet, die durch dieses hindurchläuft, wobei das Material durch
die Öffnung
gedrückt
wird und eine Querschnittform erhält, die durch das Design der Öffnung bestimmt
wird. 2 zeigt ein Formwerkzeug 7 gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung, das mit einer Öffnung 8 ausgestattet
ist, die einen gekrümmten Öffnungsabschnitt 9 mit
einer äußeren Oberfläche 10 und
einer inneren Oberfläche 11 und
eine Anzahl von Aussparungen 12 umfasst, die von der äußeren Oberfläche 10 nach
außen
vorstehen. Der Abstand zwischen der äußeren und der inneren Oberfläche des Öffnungsabschnitts
nimmt von seinen Enden zu seinem Mittelteil zu.
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Ein
sogenanntes Profil wird durch die Extrusion ausgebildet, wobei das
Profil einen gleichbleibenden Querschnitt aufweist. 1 zeigt
eine Seitenansicht eines solchen extrudierten Profils. Das Profil
erstreckt sich senkrecht zur Zeichnungsebene und durch Ablängen des
Profils vor oder nach dem zweiten Schritt des Verfahrens sind geeignete
Längen
der Vorrichtung für
die beabsichtigte Anwendung herstellbar.
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Im
Rahmen der der Erfindung zugrundeliegenden Ansprüche ist auch die Herstellung
des Werkstücks
eingeschlossen, indem das Material einem Raum innerhalb des Formwerkzeugs
zugeführt wird,
wobei das Design des Raums das Design des Werkstücks bestimmt.
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Das
zum Erhalten des Werkstücks
verwendete Material ist vorzugsweise Aluminium oder eine Aluminiumlegierung.
Es ist aber auch möglich,
eine andere Metalllegierung, Kunststoffe, Keramiken oder Verbundwerkstoffe
zu verwenden.
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In
einem ersten Schritt des Verfahrens zum Herstellen eines erfindungsgemäßen Wärmeübertragungselementes
wird das Werkstück
durch ein beliebiges Formverfahren hergestellt. 3a bis 3d zeigen,
wie ein Werkstück
in einem zweiten Schritt begradigt wird, bis es ein Wärmeübertragungselement
mit einem im Wesentlichen ebenen Basisabschnitt gebildet hat. 3a zeigt,
wie zwei Zugelemente 14a und 14b gegen die Wirkelemente 6a und 6b angelegt
werden und in entgegengesetzten Richtungen mit einer Kraft F nach
außen
bewegt werden, die auf einen Momentabstand Ma zwischen dem Basisabschnitt
und der Kontaktoberfläche
zwischen dem Zugelement und den Wirkelementen wirkt. Wenn die Zugelemente
nach außen
bewegt werden, wird eine Krümmungskraft
durch die Wirkelemente auf den Basisabschnitt 2 aufgebracht.
Das Werkstück
hat eine Mittellinie 15, die den Mittelpunkt des Basisabschnitts
schneidet und senkrecht zu seinen inneren und äußeren Oberflächen steht.
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Da
der Momentabstand Ma in der Mitte des Basisabschnitts am längsten ist,
beginnt die Verformung des Materials um eine Momentachse, die mit der
Mittellinie 15 zusammenfällt. Sobald die Verformung
des Materials beginnt, entsteht eine Momentachse 16a auf
einer Seite der Mittellinie, und eine andere Momentachse 16a entsteht
auf der anderen Seite der Mittellinie 15, wie es in 3b gezeigt
wird. Das Krümmungsmoment
ist an der Momentachse am höchsten.
Da die Dicke des Basisabschnitts von seinen Mittelteilen zu seinen
Enden abnimmt, ist der Krümmungswiderstand
bei bereits begradigtem Material gleich oder größer wie bzw. als bei dem Material,
das noch nicht begradigt wurde, so dass eine Überkrümmung verhindert wird.
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3c zeigt
ein Wärmeübertragungselement
mit einem vollständig
begradigten Basisabschnitt. 3c zeigt,
dass die Anordnung der Wirkelemente gegenüber dem Basisabschnitt bewirkt, dass
es weiter einen Momentabstand Ma zwischen dem Basisabschnitt und
der Kontaktoberfläche
zwischen dem Zugwerkzeug und den Wirkelementen im letzten Stadium
des Begradigens gibt. Dieser verbleibende Momentabstand ermöglicht die
Begradigung des Wärmeübertragungselementes,
bis es eben ist, ohne dass eine Krümmung des Basisabschnitts zurückbleibt.
Nachdem das Begradigen beendet ist, werden die Zugwerkzeuge entfernt. 3d zeigt
das fertiggestellte Wärmeübertragungselement 17,
das mit einem im Wesentlichen rechteckigen Basisabschnitt und Flanschen
ausgestattet ist, die im Wesentlichen parallel zueinander stehen.
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(Anmerkung
des Übersetzers:
der englische Begriff "momentum" wurde als "moment" verstanden und mit "Moment" übersetzt, da offensichtlich
nur dieser Begriff richtig ist und der Begriff "Impuls" keinen Sinn ergäbe.)