EP3700697A1 - Verfahren zur herstellung von gussteilen mit mikrokanälen - Google Patents

Verfahren zur herstellung von gussteilen mit mikrokanälen

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Publication number
EP3700697A1
EP3700697A1 EP18803559.6A EP18803559A EP3700697A1 EP 3700697 A1 EP3700697 A1 EP 3700697A1 EP 18803559 A EP18803559 A EP 18803559A EP 3700697 A1 EP3700697 A1 EP 3700697A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
fiber
casting
cavity
manufacturing
microchannel
Prior art date
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Granted
Application number
EP18803559.6A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP3700697B1 (de
Inventor
Franz-Josef Wöstmann
Jonas KLEI
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Original Assignee
Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV filed Critical Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Publication of EP3700697A1 publication Critical patent/EP3700697A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP3700697B1 publication Critical patent/EP3700697B1/de
Not-in-force legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

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Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D19/00—Casting in, on, or around objects which form part of the product
    • B22D19/0072—Casting in, on, or around objects which form part of the product for making objects with integrated channels
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F2255/00—Heat exchanger elements made of materials having special features or resulting from particular manufacturing processes
    • F28F2255/14—Heat exchanger elements made of materials having special features or resulting from particular manufacturing processes molded

Definitions

  • the invention relates to a method for the production of castings with microchannels. Likewise, the invention relates to castings produced by the method, in particular coils comprising a cooling channel and their use.
  • Cooling media which is why this is classified as less efficient.
  • the same problems arise in the application for cooling / tempering for batteries and other electronic components.
  • the available space complicates the implementation of conventional cooling / Temperiereauen with tempering.
  • Cooling channels can be formed by assembling a housing of several parts. In one half of the housing while the exposed structure of the cooling channels is shown, the other housing half closes the cooling channels, or modifications of this construction described.
  • cooling channels can be created by means of cores, cast-in pipes or in a subsequent processing step. All variants are subject to geometric constraints, such that cooling channels are subject to a restriction in length-to-diameter ratio and shape complexity.
  • lost cores can furthermore be used in order to produce casting structures with complex hollow structures. Due to their low strength, the cores are subject to geometric restrictions. Thus, no arbitrary ratio between length, diameter and complexity of the cavity can be set within the cast component.
  • Battery systems for electrically driven vehicles require a controllable cooling system, which is additionally implemented by the cooling system. brought weight at the expense of the range of the vehicle goes and should be minimized.
  • cooling manifolds are formed between individual laminations of a stator core.
  • DE 11 2012 003 041 describes the production of microchannels by means of diffusion welding and / or brazing, whereby a complete channel separation and the resistance to the prevailing operating pressure is achieved.
  • DE 10 2011 056 905 Al microchannels are applied in metallic surfaces and sealed by deposition.
  • DE 11 2006 0000 160 describes the formation of microchannels by employing an ablation method and arrangement of several layers.
  • Object of the present invention is to enable the most efficient cooling of components, component size and weight should be kept as low as possible. Furthermore, the mentioned disadvantages of
  • the object is achieved by a production method for a casting having the features of independent claim 1.
  • the object is achieved by a casting according to the independent claim 10 and by a
  • Cooling element or heat exchanger to size smaller than is possible according to the prior art.
  • the production of the microchannels and their geometric design and positioning is part of the invention.
  • a manufacturing method is therefore directed according to this application to the production of the component as a casting with at least one microchannel.
  • at least one fiber is fixed in a cavity of a casting tool.
  • the fiber extends in the cavity and is at a distance from a wall of the cavity, wherein at least one end of the at least one fiber is outside the cavity.
  • a casting material is introduced into the cavity and the at least one fiber is encapsulated by the casting material.
  • a casting formed from the casting material is removed from the cavity, with the end of the at least one fiber protruding from the cavity protruding from the casting.
  • the at least one fiber is pulled out of the casting at the end protruding from the casting so that where the fiber has run in the casting, a cavity forming the microchannel remains.
  • the microchannel By using a fiber for the production of the microchannel, it is possible to design the microchannel with a complex profile, that is, for example, to generate one or more bends in the microchannel. Due to the flexibility of the fiber, it can be pulled even if it contains one or more bends or bends. Furthermore, a diameter of the channel can be kept particularly low. In the component available space can be optimally utilized.
  • the at least one fiber may, for example, have a diameter which is about 5 ⁇ m. The diameter can also be more than 5 ⁇ and For example, be at most a few hundred ⁇ , about 500 ⁇ maximum.
  • the at least one fiber is typically at least 1 mm long. It may be that the length of the at least one fiber is at most a few hundred mm, about 500 mm at most, in order to be able to remove the fiber still well.
  • a bending radius of the at least one fiber, when arranged in the cavity is at least ten times the diameter of the fiber.
  • 0.5 mm may be provided as the smallest bending radius. By such bending radii, the tearing off of the at least one fiber can be prevented.
  • This smallest bending radius is then reflected in the casting to be produced as the smallest bending radius of the at least one microchannel located therein.
  • a melting point of the at least one fiber is typically at least 1000 ° C, for example at about 1200 ° C.
  • the fiber is typically chosen so that its temperature resistance is at least 750 ° C.
  • the at least one fiber can be clamped in a frame, for example.
  • the frame can be positioned in the casting tool.
  • the frame may then approximately define the cavity so that the casting material is introduced into an interior of the frame.
  • aluminum casting such as Anticorodal AC 70, is preferably used as the casting material.
  • casting material which contains, for example, aluminum and / or magnesium and / or zinc and / or lead and / or copper. So there are about alloys of the materials mentioned in question.
  • casting materials are used with melting point below 700 ° C, preferably below 600 ° C.
  • a low-pressure or gravity casting can be used.
  • the fibers remain when filling the casting material at the intended position and also do not enter into a cohesive connection with the casting material.
  • the at least one fiber may be formed, for example, as glass fiber, such as S-glass or E-glass, carbon fiber, aramid fiber, mineral fiber or metallic fiber. These materials have been found to be particularly suitable to avoid the cohesive connection with the casting material.
  • a tensile force for pulling out the at least one fiber can be controlled or regulated.
  • the force can thus be varied in particular during extraction to avoid tearing off the at least one fiber. This may be indicated, for example, when the fiber has a curved or angled course.
  • the at least one fiber comprises a plurality of fibers which are provided as yarn, hybrid yarn, fiber bundles, rovings or braid.
  • a micro-channel with accordingly larger diameter can be achieved and, on the other hand, extraction can be simplified because the elements mentioned can be compressible compared to single fibers.
  • hybrid yarns with outer sheath of glass fibers and a temperature-stable core of steel filaments can be used.
  • the properties of the fibers can be adapted to the casting process and to the requirements of the microchannels to be created.
  • At least one core mark can be provided in the cavity, wherein at least one of the at least one fiber is deflected by means of the at least one core mark.
  • a further step for removing the at least one core mark from the casting can be provided in the method.
  • the core mark may be connected to the casting tool so that the core mark is removed from the tool when the casting is removed. Holes in the casting caused by the at least one core mark can then be closed, for example, before the removal of the at least one core mark, for example by introducing casting material into the holes.
  • At least one wire for fixing and / or deflecting the fiber may be provided in the cavity, wherein the at least one wire is formed of aluminum or of a material which is suitable for entering into a cohesive connection with the casting material used or in Solution to go.
  • the wire designed in this way then connects with the casting material introduced into the cavity in a solid and media-tight manner and does not have to be removed. If the Wire is not completely in solution with the casting material, it may remain in some embodiments as a foreign body in the casting without significantly affect its performance or lead to a structural weakening of the casting.
  • the at least one wire may be formed, for example, as a thin wire. It can be prepared inside the tool or in a tenter outside the tool.
  • the at least one fiber is infiltrate with a temperature-stable matrix material, preferably water glass or silicate adhesive.
  • the at least one fiber is typically introduced into a forming tool in an upstream process and infiltrated with the temperature-stable matrix material in order to produce prefabricated preforms which can assume a maximally complex shape.
  • the fiber produced in this way is dimensionally stable and may have a curved or angled course. It may then be provided in the cavity, with the advantage that no wires or core marks or at least fewer wires and core marks are needed for the bent or angled barrel than for flexible fibers.
  • the fiber can then be fixed only by means of a frame or only by means of wires or core marks.
  • One degree of infiltration is chosen so that on the one hand sufficient dimensional stability exists and on the other hand the removal of the infiltrated fiber or fibers is possible by pulling out of the casting.
  • the invention also relates to a component, in particular cast part, with which the efficient cooling can be made possible.
  • the casting has at least one microchannel made in the manner described above.
  • the casting may be formed, for example, as a coil or as a housing of a battery or an electric motor. It can also be a component of a machine tool, for example for a high-speed application, a component a power electronics, a gas turbine, a compressor, a turbine blade, a heat exchanger or a burner act.
  • the invention relates to the use of the casting described herein.
  • the design of the channels made in the manner described, in particular their small diameter and typically complex shape may result in certain types of use being advantageous.
  • cooling media may be used that have a low boiling point and that flow through the microchannels in a gaseous manner, at least during part of the use.
  • Liquid media suffer a considerable pressure loss in channels of small cross-section and therefore require correspondingly higher pressures, pump capacities and, consequently, a higher energy consumption when used in microchannels. This reduces the overall system in terms of efficiency and cost-effectiveness.
  • the cooling medium can be selected according to the application temperatures relevant to the application.
  • the cooling medium is typically at a low pre-pressure at the entrance of the microchannels.
  • a cooling medium can be introduced, for example, in the liquid state of matter into the at least one microchannel.
  • the cooling medium changes its state of aggregation from liquid to gaseous upon heating of the component or of the cooling jacket.
  • cooling media currently used refrigerants can be used.
  • R123a or ammonia can be used.
  • the boiling point of the coolant can be selectively influenced by the form.
  • refrigerants can be used for high efficiency, easy detectability, avoidance of ozone damage, etc. to be selected.
  • the possible transition into the gaseous phase results in a high enthalpy absorption and thus a high cooling capacity.
  • the transition to the gaseous state results in an increase in volume, which results in an increase in pressure in the system.
  • the gaseous cooling medium is thus driven through the cooling channel without an increase in the admission pressure.
  • the cooling process can also take place, for example, according to the thermosiphon or heat pipe principle or according to the principle of a refrigeration machine.
  • FIG. 1 shows schematically a casting tool, with a cavity in which a
  • Fiber is arranged
  • Figure 2 shows a casting with a microchannel made with the
  • FIG. 3 shows a side view and a section of the casting from FIG. 2,
  • FIG. 4 shows an oblique view and a section of a casting designed as a coil with a microchannel
  • FIG. 5 shows a casting tool in which a frame with clamped
  • Fibers is positioned
  • FIG. 6 shows a casting produced with the casting tool from FIG. 5,
  • FIG. 7 shows a casting tool with a cavity and arranged therein
  • FIG. 1 shows at the top a schematic representation of a fiber 2 which is positioned in a casting mold 1 shown below in the figure before a casting process.
  • the fiber 2 formed fiber material is introduced into a cavity 1.3 of the tool, wherein a bending of the fiber 2 follows a course of the cavity 1.3.
  • the fiber 2 can be arranged substantially centrally in the cavity 1.3, so that it extends from a wall of the cavity 1.3 spaced.
  • the fiber 2 is fixed in the cavity of the casting tool so that its ends protrude from the cavity.
  • aluminum melt for example Anticorodal AC 70
  • the fiber 2 i. a portion of the fiber which lies in the cavity 1.3, is poured around the casting material.
  • the casting material may contain magnesium and / or zinc and / or lead and / or copper instead of or in addition to aluminum.
  • the fiber 2 is formed as a glass fiber, for example made of S-glass or E-glass. In other embodiments, it can also be chosen as carbon fiber, aramid fiber, mineral fiber or metallic fiber.
  • the fiber 2 has been introduced into a forming tool in an upstream process and infiltrated with a temperature-stable matrix material (for example, water glass, silicate adhesive, etc.).
  • a temperature-stable matrix material for example, water glass, silicate adhesive, etc.
  • Prefabricated preforms resulting in this way can assume a maximum complex shape and are then inserted into the casting tool. Due to the selected degree of infiltration dimensional stability of the preforms and Entform availability are achieved from the casting.
  • the fiber 2 has a diameter of between 5 ⁇ uno! 500 ⁇ a length of at least 1 mm and at most 500 mm.
  • a bending radius of the fiber 2 is at least ten times the diameter of the fiber and at least 0.5 mm.
  • a melting point of the fiber is above 1200 ° C and a temperature resistance above 750 ° C. There is a non-wetting between fiber 2 and aluminum melt
  • Micro channel is formed (see also Figures 2 and 3).
  • the casting is removed from the cavity and the fiber is pulled out of the casting member in a machine-aided and controlled process to prevent tearing within the component.
  • FIG. 2 shows a schematic representation of the thin-walled cast part 5 with microchannel 6, the production of which was described in connection with FIG. It has the curved or curved course of the cavity 1.3 shown in FIG.
  • the casting 5 formed from the casting material was removed from the cavity 1.3, wherein at opposite ends of the casting 5, the fiber 2 protrudes.
  • One of the ends of the fiber 2 is gripped and pulled out of the casting 5 using the machine-assisted and controlled process described above.
  • Figure 3 shows a schematic representation of the thin-walled casting 5 with microchannel 6 of Figure 2 in a side view (top) and in a sectional view (bottom).
  • Microchannel 6 can be seen, which has an identical and uniform length over the length to parallel curved outer sides of the casting 5 and extends over a complete length of the casting 5 and emerges at opposite ends of the casting 5.
  • This embodiment of the microchannel 6 is made possible by the manufacturing method described in connection with FIGS. 1 and 2.
  • FIG. 4 shows a casting 5 with two microchannels, which was produced by the method described above using fibers 2. On the left, the casting 5 is shown in a perspective view and on the right in a lateral sectional view, so that the microchannels 6 are visible.
  • the casting 5 is formed as a coil, whose turns are formed of cast aluminum wire with a flattened rectangular cross-sectional profile.
  • Such flat configured coils are suitable to take advantage of available space particularly well. In operation, such
  • microchannels can be introduced for the internal cooling of the individual windings with the technique described here.
  • the microchannels shown do not require any additional components.
  • the channels may extend along turns sections. In the example shown, two channels 6 extend parallel to each other between two opposite sides of the coil along two turns sections.
  • cooling media which have a low boiling point and which flow through the microchannels in gaseous form.
  • Liquid media suffer a considerable pressure loss in channels of small cross-section and therefore require correspondingly higher pressures, pump capacities and, consequently, a higher energy consumption when used in microchannels. This reduces the overall system in terms of efficiency and cost-effectiveness.
  • the liquid cooling medium is selected according to the application's relevant operating temperatures.
  • the cooling medium is at a low pre-pressure at the entrance of the microchannels. When heating the component or the cooling jacket, the cooling medium changes its state of matter from liquid to gaseous.
  • refrigerants for example R123a, ammonia
  • the boiling point of which can be selectively influenced by the form.
  • refrigerants can be used for high efficiency, easy detectability, avoidance of ozone damage, etc.
  • other cast components can be provided with the shown microchannels in the manner described and then cooled in their use in the manner described. These other cast components may, for example, be a housing of a battery or of an electric motor or else a component of a machine tool, in particular for high-speed applications. It can also be a component of a power electronics, a gas turbine, a compressor, a turbine blade, a heat exchanger or a burner.
  • FIG. 5 shows the use of a frame 3 with clamped fibers 2 for producing the cast parts 5 with microchannels 6.
  • the fibers 2 are clamped in a frame 3 outside the tool (left in the figure).
  • the frame 3 is inserted into the tool 1 (on the right in the figure) and the fibers 2 are encapsulated.
  • FIG. 5 shows how the frame 3 is positioned on a lower tool half 1.1, so that the frame itself lies outside the cavity 1.3 of the casting tool, but the fibers 2 clamped therein run through the cavity 1.3.
  • the casting tool can then be closed by means of an upper mold half.
  • the fibers will be lapped with melt, which is passed into the cavity 1.3.
  • the frame and portions of the fibers 2 are outside the casting.
  • the frame can then be removed and the fibers pulled out. This can be done again in the machine-aided controlled process.
  • the fibers may be formed not only as glass fibers but also as carbon fibers, aramid fibers, mineral fibers or metallic fibers.
  • FIG. 6 shows the casting 5 with a plurality of microchannels, the production of which has been described in connection with FIG.
  • the frame was removed and the glass fibers 2 were pulled out of the casting, so that where the fibers 2 have run, the microchannels 6 arise.
  • FIG. 7 shows a lower tool half 1.1 for producing a casting 5 mi with a microchannel, wherein core marks 4 within the tool serve as fixing or deflection points for the fiber 2 or fibers within the cavity 1.3 of the tool. The fibers are clamped outside the cavity in the tool.
  • the frame shown in FIG. 5 can also be used for this purpose.
  • the fiber 2 or a textile semifinished product can, by being stretched around the core marks 4 in the tool, image the complex path shown.
  • the fiber is deflected three times.
  • a bending radius of the fiber 2 steered around the core marks is at least ten times the diameter of the fiber and at least 0.5 mm.
  • the core marks 4 are formed so that they do not come into contact with the molten aluminum introduced and can be removed from the component after casting, or the core marks 4 can be connected to the tool so that they are removed from the casting when the casting is removed to be pulled.
  • the wires may be formed of aluminum or of a material that is suitable with aluminum melt in Solution to go.
  • the fibers 2 are prepared by means of the, preferably thin, wires inside the tool or by means of an additional optional tenter outside the tool.
  • the wires are poured in so that they form a solid and media-tight connection with the aluminum.
  • the wires remain in the casting, while the fibers can be pulled out after the casting process.
  • FIG. 8 shows the casting 5, which was produced with the casting tool with core marks 4 shown in FIG. After the casting process, voids remain within the cast component 5 at the locations where the core marks were located. 4.
  • the holes are then sealed, for example by filling in additional melt. This is typically done before pulling out the fiber 2, wherein the withdrawal is advantageously regulated again, since the risk of tearing in such a bent fibers 2 may be reinforced.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Casting Or Compression Moulding Of Plastics Or The Like (AREA)
  • Manufacture Of Alloys Or Alloy Compounds (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Herstellungsverfahren für ein Gussteil (5) mit mindestens einem Mikrokanal (6), wobei mindestens eine Faser (2) in einer Kavität (1.3) eines Gießwerkzeugs (1) fixiert wird, so dass die mindestens eine Faser (2) sich in der Kavität (1.3) von einer Umwandung der Kavität (1.3) beabstandet erstreckt und mindestens ein Ende der mindestens einen Faser (2) außerhalb der Kavität (1.3) liegt. Ein Gussmaterial wird in die Kavität (1.3) eingeleitet und die mindestens eine Faser (2) von dem Gussmaterial umgössen. Ein aus dem Gussmaterial gebildetes Gussteil (5) wird aus der Kavität (1.3) entnommen, wobei aus dem Gussteil (5) das mindestens eine Ende der mindestens einen Faser (2) hervorsteht. Die mindestens eine Faser (2) wird aus dem Gussteil (5) herausgezogen. Die Erfindung bezieht sich außerdem auf das Gussteil (5) mit dem mindestens einen Mikrokanal (6), das mit dem Herstellungsverfahren hergestellt wurde, sowie auf ein Verfahren zur Verwendung des Gussteils (5), wobei ein Kühlmedium in den mindestens einen Mikrokanal (6) eingeleitet wird.

Description

Verfahren zur Herstellung von Gussteilen mit Mikrokanälen
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Gussteilen mit Mikrokanälen. Ebenso bezieht sich die Erfindung auf mit dem Verfahren hergestellte Gussteile, insbesondere Spulen, die einen Kühlkanal umfassen sowie deren Verwendung.
In verschiedensten technischen Prozessen, Anwendungen und Bauteilen ist es notwendig, überschüssige Wärme abzuführen und Bauteile vor einer Überhitzung zu schützen oder gezielt zu temperieren. Bei vielen Anwendungen wie beispielsweise Spulen in elektrischen Maschinen oder Kühlelementen in Batterien ist neben dem zu gewährleistenden Wärmeaustausch- und Abtransport der zur Verfügung stehenden Bauraum für die Bauteiltemperierung sowie der Bedarf möglichst dicht an die zu temperierenden Komponenten heran zu kommen von entscheidender Bedeutung. Bei Spulen in E-Maschinen wird die Kühlung heutzutage beispielsweise über eine gerichtete Zwangsbelüftung mittels Anströmen mit Luft erreicht. Nachteilig dabei ist, dass der Motor mit Luft durchströmt werden muss, wodurch Verschmutzungen in den Motor eingetragen werden können, welche zum Ausfall führen, beziehungsweise Wartungsmaßnahmen erfordern oder zusätzliche Versorgungsmöglichkeiten und Komponenten des Motors notwendig machen. Weiterhin ist die Wärmeleitfähigkeit und Wärmekapazität von Luft geringer als die anderer
Kühlmedien, weshalb diese als wenig effizient einzustufen ist. Die gleichen Problemstellungen ergeben sich bei der Anwendung für Kühl- /Temperierelemente für Batterien und weitere elektronische Komponenten. Insbesondere der zur Verfügung stehende Bauraum erschwert die Umsetzung von konventionellen Kühl-/Temperierkonzepten mit Temperiermedien.
Kühlkanäle können durch das Zusammensetzen eines Gehäuses aus mehreren Teilen gebildet werden. In einer Gehäusehälfte wird dabei die offen liegende Struktur der Kühlkanäle abgebildet, die andere Gehäusehälfte verschließt die Kühlkanäle, beziehungsweise Abwandlungen dieser beschriebenen Bauweise. In Gussbauteilen können Kühlkanäle mittels Kernen, eingegossenen Rohren oder in einem nachträglichen Bearbeitungsschritt erzeugt werden. Alle Varianten unterliegen geometrischen Beschränkungen, sodass Kühlkanäle einer Beschränkung im Verhältnis von Länge zu Durchmesser und der Komplexität der Form unterliegen.
Nach dem Stand der Technik können weiterhin verlorene Kerne eingesetzt werden, um gießtechnisch komplexe Hohlstrukturen zu erzeugen. Dabei unterliegen die Kerne aufgrund der geringen Festigkeit geometrischen Beschränkungen. So kann kein beliebiges Verhältnis zwischen Länge, Durch- messer und Komplexität des Hohlraumes innerhalb des Gussbauteils eingestellt werden.
Bekannt sind außerdem nachträglich in ein Gussbauteil eingebrachte Hohlstrukturen. Diese unterliegen starken geometrischen Beschränkungen in Bezug auf das Verhältnis von Länge zu Breite und Komplexität. Ebenfalls können ungewollte Verformungen innerhalb des Bauteils durch den Abbau von Eigenspannung bei der Einbringung der Hohlstrukturen entstehen.
Batterie-Systeme für elektrisch angetriebene Fahrzeuge benötigen ein regelbares Kühlsystem, wobei das zusätzlich durch das Kühlsystem einge- brachte Gewicht zu Lasten der Reichweite des Fahrzeuges geht und minimiert werden soll.
Gemäß DE 11 2014 001 340 werden Kühlsammelleitungen zwischen einzel- nen Lamellen eines Statorkerns gebildet.
DE 11 2012 003 041 beschreibt die Herstellung von Mikrokanälen mittels Diffusionsschweißen und/oder Hartlöten, wodurch eine vollständige Kanaltrennung und die Beständigkeit gegen den herrschenden Betriebsdruck erreicht wird.
DE 10 2014 102 954 AI beschreibt ein Mikrokanal-Kühlrippe gebildet aus einer Metallplattenbaugruppe zur Kühlung von Batteriemodulen für elektrisch angetriebene Fahrzeuge.
Gemäß DE 10 2005 033 150 AI erfolgt die Kühlung elektrischer Bauelemente mittels Grundplatte und metallischer Folien, welche stoffschlüssig miteinander verbunden werden, sodass Kanäle mit einer Breite von 100 bis 350 μιη und einer Tiefe von 30 bis 150 μιη entstehen. Der Mittlere Abstand zwischen den Kanälen beträgt 30 bis 300 μιη.
In der DE 10 2011 056 905 AI werden Mikrokanäle in metallische Oberflächen aufgebracht und durch Aufbauabscheidung verschlossen. DE 11 2006 0000 160 beschreibt die Bildung von Mikrokanälen durch Einsatz eines abtragenden Verfahrens und Anordnung mehrerer Lagen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine möglichst effiziente Kühlung von Bauteilen zu ermöglichen, wobei Bauteilgröße und -gewicht möglichst gering gehalten werden sollen. Weiterhin sollen die genannten Nachteile von
Kühlsystemen gemäß Stand der Technik vermieden werden.
Die Aufgabe wird durch einen Herstellungsverfahren für ein Gussteil mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Außerdem wird die Aufgabe durch ein Gussteil gemäß dem Nebenanspruch 10 sowie durch ein
Verfahren zur Verwendung eines Gussteils gemäß dem Nebenanspruch 11 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Unteransprüchen sowie aus der Beschreibung und den Figuren.
Bei der vorliegenden Erfindung kann es insbesondere vorgesehen sein, eine Kühlung direkt in Bauteile mittels Mikrokanäle zu integrieren oder ein
Kühlelement bzw. Wärmetauscher kleiner zu dimensionieren, als es nach dem Stand der Technik möglich ist. Dabei ist insbesondere die Herstellung der Mikrokanäle und deren geometrische Gestaltung und Positionierung Teil der Erfindung. Mit der Erfindung soll es möglich werden, komplexe Kanäle in Gussbauteilen zu erzeugen, wobei diese ein großes Verhältnis zwischen Länge und Durchmesser aufweisen.
Ein Herstellungsverfahren ist gemäß dieser Anmeldung also auf die Herstellung des Bauteils als Gussteil mit mindestens einem Mikrokanal gerichtet. Dabei wird mindestens eine Faser in einer Kavität eines Gießwerkzeugs fixiert. Die Faser erstreckt sich in der Kavität und ist dabei von einer Umwandung der Kavität beabstandet, wobei mindestens ein Ende der mindestens einen Faser außerhalb der Kavität liegt. Ein Gussmaterial wird in die Kavität eingeleitet und die mindestens eine Faser von dem Gussmaterial umgössen. Ein aus dem Gussmaterial gebildetes Gussteil wird aus der Kavität entnommen, wobei das aus der Kavität herausragende Ende der mindestens einen Faser aus dem Gussteil hervorsteht. Die mindestens eine Faser wird an dem aus dem Gussteil herausragenden Ende aus dem Gussteil herausgezogen sodass dort, wo die Faser in dem Gussteil verlaufen ist, ein den Mikrokanal bildender Hohlraum verbleibt.
Durch die Verwendung einer Faser zur Herstellung des Mikrokanals wird es ermöglicht, den Mikrokanal mit einem komplexen Verlauf auszugestalten, also beispielsweise eine oder auch mehrere Biegungen in dem Mikrokanal zu erzeugen. Durch die Flexibilität der Faser kann diese auch dann gezogen werden, wenn sie eine oder mehrere Krümmungen oder Biegungen enthält. Ferner kann ein Durchmesser des Kanals besonders gering gehalten werden. Im Bauteil zur Verfügung stehender Platz kann so optimal ausgenutzt werden. Die mindestens eine Faser kann beispielsweise einen Durchmesser haben, der etwa 5 μιη beträgt. Der Durchmesser kann auch mehr als 5 μιη betragen und beispielsweise höchstens einige hundert μιη, etwa höchstens 500 μιη betragen.
Die mindestens eine Faser ist typischerweise mindestens 1 mm lang. Es kann sein, dass die Länge der mindestens einen Faser höchstens einige hundert mm beträgt, etwa höchstens 500 mm, um die Faser noch gut entfernen zu können.
Ebenfalls mit Blick auf das Entfernen der Faser kann es vorgesehen sein, dass ein Biegeradius der mindestens einen Faser, wenn sie in der Kavität angeordnet ist, mindestens ein Zehnfaches des Durchmessers der Faser beträgt.
Alternativ oder zusätzlich kann als kleinster Biegeradius 0,5 mm vorgesehen sein. Durch solche Biegeradien kann das Abreißen der mindestens einen Faser verhindert werden.
Dieser kleinste Biegeradius spiegelt sich dann in dem herzustellenden Gussteil als kleinster Biegeradius des darin befindlichen mindestens einen Mikrokanals wieder.
Ein Schmelzpunkt der mindestens einen Faser liegt typischerweise bei mindestens 1000°C, beispielsweise bei ca. 1200°C. Alternativ oder zusätzlich wird die Faser typischerweise so gewählt, dass ihre Temperaturbeständigkeit mindestens 750°C beträgt.
Bei dem Verfahren kann die mindestens eine Faser zum Beispiel in einem Rahmen eingespannt werden. Der Rahmen kann in dem Gießwerkzeug positioniert werden. Der Rahmen kann dann etwa die Kavität begrenzen, so dass das Gussmaterial in ein Inneres des Rahmens eingeleitet wird.
Bei dem Herstellungsverfahren wird als Gussmaterial vorzugsweise Aluminiumschmelze, etwa Anticorodal AC 70, verwendet.
Es kann aber auch sein, dass ein anderes Gussmaterial verwendet wird, das beispielsweise Aluminium und/oder Magnesium und/oder Zink und/oder Blei und/oder Kupfer enthält. Es kommen also etwa Legierungen der genannten Materialien in Frage. Dabei werden beispielsweise Gussmaterialien verwendet mit Schmelzpunkt unter 700° C, vorzugsweise unter 600° C. Als Gießverfahren können beispielsweise ein Niederdruck- oder Schwerkraftgießverfahren zum Einsatz kommen. Hiermit kann vorteilhaft erreicht werden, dass die Fasern beim Einfüllen des Gussmaterials an der vorgesehenen Position verbleiben und außerdem keine stoffschlüssige Verbindung mit dem Gussmaterial eingehen.
Es können aber auch Druckguss-, Feinguss- oder Lost Foam -Verfahren verwendet werden.
Für das Gießwerkzeug können sowohl Dauerformen als auch verlorene Formen verwendet werden.
Die mindestens eine Faser kann zum Beispiel als Glasfaser, etwa aus S-Glas oder E-Glas, als Kohlenstofffaser, Aramidfaser, mineralische Faser oder metallische Faser ausgebildet sein. Diese Materialien haben sich als besonders geeignet herausgestellt, um die stoffschlüssige Verbindung mit dem Gussmaterial zu vermeiden.
Die genannten optionalen Weiterentwicklungen können jeweils für sich genommen oder in Kombination dazu beitragen, dass die Fasern sich mit geringem Kraftaufwand aus dem Gussbauteil herausziehen lassen.
Beim Entfernen der mindestens einen Faser aus dem Gussbauteil zur Erzeugung des mindestens einen Mikrokanals kann eine Zugkraft zum Herausziehen der mindestens einen Faser gesteuert oder geregelt werden. Die Kraft kann also insbesondere während des Herausziehens variiert werden, um ein Abreißen der mindestens einen Faser zu vermeiden. Das kann beispielsweise dann angezeigt sein, wenn die Faser einen gekrümmten oder abgewinkelten Verlauf aufweist.
Es kann in möglichen Ausführungen auch vorgesehen sein, dass als Fasern dicke Einzelfasern zum Einsatz kommen. Es kann aber auch vorgesehen sein, dass die mindestens eine Faser eine Vielzahl Fasern umfasst, die als Garn, Hybridgarn, Faserbündel, Rovings oder Geflecht bereitgestellt werden.
Dadurch kann beispielsweise einerseits einen Mikrokanal mit entsprechend größerem Durchmesser erzielt werden und andererseites das Herausziehen vereinfacht werden, da die genannten Elemente im Vergleich zu Einzelfasern kompressibel sein können.
Dabei ist es auch möglich, dass die genannten mehrere Fasern umfassenden Garne, Hybridgarne, Faserbündel, Rovings oder Geflechte entfernt werden, indem die darin enthaltenen Fasern einzeln herausgezogen werden.
Weiterhin können Hybridgarne mit Außenmantel aus Glasfasern und einem temperaturstabilen Kern aus Stahlfilamenten eingesetzt werden.
Auf diese Weise können die Eigenschaften der Fasern an den Gießprozess und an die Anforderungen der zu schaffenden Mikrokanäle angepasst werden.
Im Folgenden wird erläutert, wie, sofern vorgesehen, ein komplexer Verlauf für die Fasern hergestellt werden kann.
In einer möglichen Ausführung kann in der Kavität mindestens eine Kernmarke bereitgestellt werden wobei zumindest eine der mindestens einen Faser mittels der mindestens einen Kernmarke umgelenkt wird.
Dabei kann in dem Verfahren ein weiterer Schritt zum Entfernen der mindestens einen Kernmarke aus dem Gussteil vorgesehen sein. Die Kernmarke kann mit dem Gießwerkzeug verbunden sein, so dass die Kernmarke beim Entnehmen des Gussteils aus dem Werkzeug entfernt wird. Durch die mindestens eine Kernmarke verursachte Löcher in dem Gussteil können dann, beispielsweise vor dem Entfernen der mindestens einen Kernmarke, geschlossen werden, etwa durch Einbringen von Gussmaterial in die Löcher.
Alternativ oder zusätzlich kann in der Kavität mindestens ein Draht zur Fixierung und/oder zum Umlenken der Faser bereitgestellt werden, wobei der mindestens eine Draht aus Aluminium gebildet ist oder aus einem Material, das geeignet ist, mit dem verwendeten Gussmaterial eine Stoffschlüssige Verbindung einzugehen oder in Lösung zu gehen. Der so ausgestaltete Draht verbindet sich dann mit dem in die Kavität eingeleiteten Gussmaterial auf feste und für Medien dichte weise und muss nicht entfernt werden. Wenn der Draht nicht vollständig mit dem Gussmaterial in Lösung geht, kann er in manchen Ausführungen als Fremdkörper im Gussteil verbleiben ohne dessen Leistungsfähigkeit wesentlich zu beeinträchtigen oder zu einer strukturellen Schwächung des Gussteils zu führen. Der mindestens eine Draht kann beispielsweise als dünner Draht ausgebildet sein. Er kann innerhalb des Werkzeuges oder in einem Spannrahmen außerhalb des Werkzeuges vorbereitet werden.
Weiterhin ist es alternativ oder zusätzlich auch möglich, die mindestens eine Faser mit einem temperaturstabilen Matrix-Werkstoff, vorzugsweise Wasserglas oder Silikatklebstoff, zu infiltrieren. Die mindestens eine Faser wird typischerweise in einem vorgeschalteten Prozess in ein Formgebendes Werkzeug eingebracht und mit dem temperaturstabilen Matrix-Werkstoff infiltriert um vorkonfektionierte Preforms zu erzeugen, die eine maximal komplexe Gestalt annehmen können. Die auf diese Weise hergestellte Faser ist formstabil und kann einen gebogenen oder abgewinkelten Verlauf aufweisen. Sie kann dann in der Kavität bereitgestellt werden, wobei ein Vorteil darin liegt, dass für den gebogenen oder abgewinkelten Lauf keine Drähte oder Kernmarken oder zumindest weniger Drähte und Kernmarken benötigt werden als bei flexiblen Fasern. Beispielsweise kann die Faser dann nur mittels eines Rahmens oder nur mittels Drähten oder Kernmarken fixiert werden.
Ein Grad der Infiltration ist so gewählt, dass einerseits ausreichende Formstabilität besteht und andererseits die Entfernung der infiltrierten Faser oder Fasern durch Herausziehen aus dem Gussteil möglich ist.
Die Erfindung bezieht sich auch auf ein Bauteil, insbesondere Gussteil, mit dem die effiziente Kühlung ermöglicht werden kann.
Das Gussteil weist mindestens einen Mikrokanal auf, der auf die oben beschriebene Weise hergestellt ist. Das Gussteil kann dabei beispielsweise als Spule ausgebildet sein oder als Gehäuse einer Batterie oder eines Elektromotors. Ebenso kann es sich um eine Komponente einer Werkzeugmaschine, beispielsweise für eine Hochgeschwindigkeitsanwendung, eine Komponente einer Leistungselektronik, einer Gasturbine, eines Verdichters, einer Turbinenschaufel, eines Wärmetauschers oder eines Brenners handeln.
Außerdem bezieht sich die Erfindung auf die Verwendung des hier beschriebenen Gussteils. Die Ausgestaltung der auf die beschriebene Weise gefertigten Kanäle, insbesondere ihr geringer Durchmesser und typischerweise komplexe Form kann zur Folge haben, dass bestimmte Arten der Verwendung vorteilhaft sind.
Beispielsweise können in Verfahren zur Verwendung des Gussteils Kühlmedien eingesetzt werden, die einen niedrigen Siedepunkt aufweisen und die Mikrokanäle zumindest während eines Teils der Verwendung gasförmig durchströmen. Flüssige Medien erleiden in Kanälen geringem Querschnitt einen erheblichen Druckverlust und benötigen daher bei Einsatz in Mikrokanä- len entsprechend höhere Drücke, Pumpenleistungen und in Folge dessen einen höheren Energieaufwand. Dadurch wird das Gesamtsystem im Wirkungsgrad und der Wirtschaftlichkeit reduziert.
Im Fall der hier gezeigten Mikrokanäle kann das Kühlmedium entsprechend der für die Anwendung relevanten Einsatztemperaturen ausgewählt werden.
Das Kühlmedium steht typischerweise mit einem geringen Vordruck am Eintritt der Mikrokanäle an.
Ein Kühlmedium kann beispielsweise in flüssigem Aggregatzustand in den mindestens einen Mikrokanal eingeleitet werden.
Es kann vorgesehen sein, dass das Kühlmedium bei Erwärmung des Bauteils bzw. des Kühlmantels seinen Aggregatzustand von flüssig zu gasförmig ändert.
Als mögliche Kühlmedien können aktuell eingesetzte Kältemittel verwendet werden. Beispielsweise können R123a oder Ammoniak verwendet werden.
Der Siedepunkt der Kühlmittel kann durch den Vordruck gezielt beeinflusst werden kann. Entsprechend der Anwendung können Kältemittel für eine hohe Effizienz, leichte Detektierbarkeit, Vermeidung von Ozonschäden usw. ausgewählt werden. Durch den möglichen Übergang in die gasförmige Phase resultieren eine hohe Enthalpie-Aufnahme und damit eine hohe Kühlleistung. Gleichzeitig entsteht durch den Übergang in den gasförmigen Zustand ein Volumenanstieg, woraus ein Druckanstieg im System resultiert. Das gasförmige Kühlmedium wird so ohne einen Anstieg des Vordruckes durch den Kühlkanal getrieben.
Der Kühlprozess kann beispielsweise auch nach dem Thermosiphon- oder Heatpipe-Prinzip oder nach dem Prinzip einer Kältemaschine erfolgen.
Beispielhafte Ausführungen der Erfindung werden anhand der angehängten Figuren erläutert.
Darin zeigen
Figur 1 schematisch ein Gießwerkzeug, mit einer Kavität, in der eine
Faser angeordnet wird,
Figur 2 ein Gussteil mit einem Mikrokanal, hergestellt mit dem
Gießwerkzeug aus Figur 1,
Figur 3 eine Seitenansicht und einen Schnitt des Gussteils aus Figur 2,
Figur 4 eine Schrägansicht und einen Schnitt eines als Spule ausgebildeten Gussteils mit einem Mikrokanal,
Figur 5 ein Gießwerkzeug, in dem ein Rahmen mit eingespannten
Fasern positioniert wird,
Figur 6 ein mit dem Gießwerkzeug aus Figur 5 hergestelltes Gussteil,
Figur 7 ein Gießwerkzeug mit einer Kavität und darin angeordneten
Kernmarken zum Umlenken einer in der Kavität verlaufenden Faser, und Figur 8 einen Schnitt durch ein mit dem Gießwerkzeug aus Figur 7 hergestelltes Gussteil, mit einem Mikrokanal und durch die Kernmarken verursachten Löchern. Figur 1 zeigt oben eine schematische Darstellung einer Faser 2, welche vor einem Gießprozess in einem in der Figur unten dargestellten Gießwerkzeug 1 positioniert wird. In der Figur 1 ist durch einen Pfeil angedeutet, wie die aus Fasermaterial gebildete Faser 2 in eine Kavität 1.3 des Werkzeugs eingebracht wird, wobei eine Biegung der Faser 2 einem Verlauf der Kavität 1.3 folgt. So kann die Faser 2 im Wesentlichen zentral in der Kavität 1.3 angeordnet werden, so dass sie sich von einer Umwandung der Kavität 1.3 beabstandet erstreckt.
Die Faser 2 wird in der Kavität des Gießwerkzeugs so fixiert, dass ihre Enden aus der Kavität herausragen.
Anschließend wird Aluminiumschmelze, beispielsweise Anticorodal AC 70, als Gussmaterial in die Kavität 1.3 eingeleitet, so dass die Faser 2, d.h. ein Bereich der Faser, der in der Kavität 1.3 liegt, von dem Gussmaterial umgössen wird.
In anderen Ausführungen kann das Gussmaterial anstatt oder neben Aluminium auch Magnesium und/oder Zink und/oder Blei und/oder Kupfer enthalten.
Die Faser 2 ist als Glasfaser, beispielsweise aus S-Glas oder E-Glas ausgebildet. In anderen Ausführungen kann sie auch als Kohlenstofffaser, Aramidfaser, mineralische Faser oder metallische Faser gewählt werden.
Im gezeigten Beispiel ist die Faser 2 in einem vorgeschalteten Prozess in ein Formgebendes Werkzeug eingebracht und mit einem temperaturstabilen Matrix-Werkstoff (beispielsweise Wasserglas, Silikatklebstoff usw.) infiltriert worden. So entstehende vorkonfektionierte Preforms können eine maximale komplexe Gestalt annehmen und werden anschließend in das Gießwerkzeug eingelegt. Durch den gewählten Grad der Infiltration werden Formstabilität der Preforms und Entform barkeit aus dem Gußteil erreicht. Die Faser 2 hat einen Durchmesser von zwischen 5 μιη uno!500 μιη eine Länge von mindestens 1 mm und höchstens 500 mm.
Ein Biegeradius der Faser 2 beträgt mindestens ein Zehnfaches des Durchmes- sers der Faser und mindestens 0,5 mm.
Ein Schmelzpunkt der Faser liegt bei über 1200°C und eine Temperaturbeständigkeit bei über 750°C. Zwischen Faser 2 und Aluminiumschmelze besteht ein nicht-benetzendes
System. Dadurch werden in verschiedenen Gießverfahren eingegossene Fasern, Gewebe, Gelege und andere Faserhalbzeuge nicht benetzt und gehen keine stoffschlüssige Verbindung mit dem Aluminium ein. So können Fasern gezielt in den Gießprozess eingebracht, umgössen und anschließend wieder aus dem Bauteil herausgezogen werden. In einem nachgeschalteten Prozessschritt werden die Fasern aus dem Gussbauteil gezogen, wodurch ein
Mikrokanal entsteht (siehe auch Figuren 2 und 3).
Versuche haben beispielsweise gezeigt, dass Glasfasern (S-Glas, E-Glas) und Aluminium (Anticorodal AC 70) im Niederdruck- und Schwerkraftgießprozess keine Verbindung miteinander eingehen. So können die Fasern mit einer Zugprüfmaschine anschließend mit geringem Kraftaufwand aus dem Gussbauteil herausgezogen werden. Es ist aber auch möglich, Druckguss-, Feinguss- oder Lost Foam-Verfahren zu verwenden.
Zum Entfernen der Faser aus dem Gussbauteil zur Erzeugung eines Mikroka- nals wird das Gussteil aus der Kavität entnommen und die Faser in einem maschinengestützten und geregelten Prozess aus dem Gussbauteil herausgezogen, um ein Abreißen innerhalb des Bauteils zu verhindern.
Die Verwendung von Faserbündeln oder Rovings oder Garnen oder Fasergarnen oder Geflechten ist ebenfalls möglich. Weiterhin können Hybridgarnen mit Außenmantel aus Glasfasern und einem temperaturstabilen Kern aus
Stahlfilamenten eingesetzt werden. Figur 2 zeigt eine schematische Darstellung des dünnwandig ausgebildeten Gussteils 5 mit Mikrokanal 6, dessen Herstellung im Zusammenhang mit Figur 1 beschrieben wurde. Es weist den gebogenen bzw. geschwungenen Verlauf der in der Figur 1 gezeigten Kavität 1.3 auf.
Das aus dem Gussmaterial gebildete Gussteil 5 wurde aus der Kavität 1.3 entnommen, wobei an entgegengesetzten Enden des Gussteil 5 die Faser 2 hervorsteht.
Eines der Enden der Faser 2 wird gegriffen und aus dem Gussteil 5 herausgezogen, wobei der oben beschriebene maschinengestütze und geregelte Prozess verwendet wird.
Figur 3 zeigt eine schematische Darstellung des dünnwandigen Gussteils 5 mit Mikrokanal 6 aus Figur 2 in einer Seitenansicht (oben) und in einer Schnittdarstellung (unten).
In der Schnittdarstellung ist der zentral in dem Gussteil 5 verlaufende
Mikrokanal 6 zu erkennen, der einen identischen und über die Länge gleichbleibenden Abstand zu parallel verlaufenden geschwungenen Außenseiten des Gussteils 5 aufweist und sich über eine komplette Länge des Gussteils 5 erstreckt und an entgegengesetzten Enden aus dem Gussteil 5 hervortritt. Diese Ausgestaltung des Mikrokanals 6 wird durch die in im Zusammenhang mit Figuren 1 und 2 beschriebene Herstellungsmethode ermöglicht.
Figur 4 zeigt ein Gussteil 5 mit zwei Mikrokanälen, welches mit der oben beschriebenen Methode, unter Einsatz von Fasern 2 hergestellt wurde. Links ist das Gussteil 5 in einer perspektivischen Ansicht und rechts in einer seitlichen Schnittansicht gezeigt, sodass die Mikrokanäle 6 sichtbar sind.
Das Gussteil 5 ist als Spule ausgebildet, deren Windungen aus gegossenem Aluminiumdraht mit abgeflachtem rechteckigem Querschnittsprofil geformt werden. Derartige flach ausgestaltete Spulen sind geeignet, zur Verfügung stehenden Bauraum besonders gut auszunutzen. Im Betrieb können solche
Spulen dadurch auch besonders heiß werden, sodass eine Kühlung notwendig sein kann. Kühlvorrichtungen gemäß Stand der Technik würden diesem Ziel entgegenlaufen. In solchen gegossenen Spulen für elektrische Maschinen können mit der hier beschriebenen Technik Mikrokanäle zur innenliegenden Kühlung der einzelnen Windungen eingebracht werden. Durch die gezeigten Mikrokanäle müssen keine zusätzlichen Komponenten bereitgestellt werden. Die Kanäle können sich entlang von Windungsabschnitten erstrecken. Im gezeigten Beispiel erstrecken sich zwei Kanäle 6 parallel zueinander zwischen zwei gegenüberliegenden Seiten der Spule entlang zweier Windungsabschnitte.
Beim Betrieb von Bauteilen mit mindestens einem Mikrokanal, insbesondere beispielsweise beim Betrieb der gezeigten Spule, können diese auf die im Folgenden beschriebene Weise vorteilhaft gekühlt werden.
Vorteilhaft ist der Einsatz von Kühlmedien, die einen niedrigen Siedepunkt aufweisen und die Mikrokanäle gasförmig durchströmen. Flüssige Medien erleiden in Kanälen geringem Querschnitt einen erheblichen Druckverlust und benötigen daher bei Einsatz in Mikrokanälen entsprechend höhere Drücke, Pumpenleistungen und in Folge dessen einen höheren Energieaufwand. Dadurch wird das Gesamtsystem im Wirkungsgrad und der Wirtschaftlichkeit reduziert. In Kombination mit Mikrokanälen wird das flüssige Kühlmedium entsprechend der Anwendung relevanten Einsatztemperaturen ausgewählt. Das Kühlmedium steht mit einem geringen Vordruck am Eintritt der Mikrokanäle an. Bei Erwärmung des Bauteils bzw. des Kühlmantels ändert das Kühlmedium seinen Aggregatzustand von flüssig zu gasförmig. Als mögliche Kühlmedien können aktuell eingesetzte Kältemittel (z.B. R123a, Ammoniak) verwendet werden, deren Siedepunkt durch den Vordruck gezielt beeinflusst werden kann. Entsprechend der Anwendung können Kältemittel für eine hohe Effizienz, leichte Detektierbarkeit, Vermeidung von Ozonschäden usw.
ausgewählt werden. Durch den Übergang in die gasförmige Phase resultieren eine hohe Enthalpie-Aufnahme und damit eine hohe Kühlleistung. Gleichzeitig entsteht durch den Übergang in den gasförmigen Zustand ein Volumenanstieg, woraus ein Druckanstieg im System resultiert. Das gasförmige Kühlmedium wird so ohne einen Anstieg des Vordruckes durch den Kühlkanal getrieben. Außer Spulen können auf die beschriebene Weise auch andere gegossene Bauteile mit den gezeigten Mikrokanälen versehen und dann bei ihrer Verwendung auf die beschriebene Weise gekühlt werden. Bei diesen anderen gegossenen Bauteilen kann es sich beispielsweise um ein Gehäuse einer Batterie oder eines Elektromotors handeln oder auch um eine Komponente einer Werkzeugmaschine, insbesondere für Hochgeschwindigkeitsanwendungen. Es kann sich auch um eine Komponente einer Leistungselektronik, einer Gasturbine, eines Verdichters, einer Turbinenschaufel, eines Wärmetauschers oder eines Brenners handeln.
Figur 5 zeigt die Verwendung eines Rahmens 3 mit eingespannten Fasern 2 zur Herstellung der Gussteile 5 mit Mikrokanälen 6.
Die Fasern 2 werden in einem Rahmen 3 außerhalb des Werkzeuges verspannt (links in der Figur). Im Gießprozess wird der Rahmen 3 in das Werkzeug 1 eingelegt (rechts in der Figur) und die Fasern 2 werden umgössen.
In der Figur 5 ist gezeigt, wie der Rahmen 3 auf einer unteren Werkzeughälfte 1.1 positioniert wird, so dass sich der Rahmen selbst außerhalb der Kavität 1.3 des Gießwerkzeugs liegt, die darin eingespannten Fasern 2 aber durch die Kavität 1.3 verlaufen. Das Gießwerkzeug kann dann mittels einer oberen Werkzeughälfte verschlossen werden. Im Gießprozess, der als Niederdruckoder Schwerkraftgießverfahren ausgeführt wird, wird werden die Fasern mit Schmelze, die in die Kavität 1.3 geleitet wird, umspült.
Nach Entnehmen des aus der Schmelze gebildeten Gussteils 5 liegen der Rahmen und Abschnitte der Fasern 2 außerhalb des Gussteils. Der Rahmen kann dann entfernt und die Fasern herausgezogen werden. Das ziehen kann wieder in dem maschinengestützten geregelten Prozess erfolgen.
Auch hier können die Fasern nicht nur als Glasfasern sondern auch als Kohlenstofffasern, Aramidfasern, mineralische Fasern oder metallische Fasern ausgebildet sein.
Figur 6 zeigt das Gussteil 5 mit mehreren Mikrokanälen, dessen Herstellung im Zusammenhang mit Figur 5 beschrieben wurde. In einem dem Gießen nachgeschalteten Prozessschritt wurde der Rahmen entfernt und die Glasfasern 2 wurden aus dem Gußteil gezogen, sodass dort, wo die Fasern 2 verlaufen sind, die Mikrokanäle 6 entstehen.
Figur 7 zeigt eine untere Werkzeughälfte 1.1 zur Herstellung eines Gussteils 5 mi einem Mikrokanal, wobei Kernmarken 4 innerhalb des Werkzeuges als Fixierungs- oder Umlenkungspunkte für die Faser 2 bzw. Fasern innerhalb der Kavität 1.3 des Werkzeuges dienen. Die Fasern werden außerhalb der Kavität im Werkzeug verspannt. Dafür kann optional auch der in Figur 5 gezeigte Rahmen verwendet werden.
Die Faser 2 bzw. ein textiles Halbzeug kann dadurch, dass es um die Kernmarken 4 im Werkzeug gespannt ist den gezeigten komplexen Pfad abbilden. In der Figur 7 wird die Faser drei Mal umgelenkt. Ein Biegeradius der um die Kernmarken gelenkten Faser 2 beträgt mindestens ein Zehnfaches des Durchmessers der Faser und mindestens 0,5 mm.
Die Kernmarken 4 sind so ausgebildet, dass die mit der eingeleiteten Aluminiumschmelze nicht in Verbindung gehen und sich nach dem Gießen aus dem Bauteil entfernen lassen, bzw. können die Kernmarken 4 mit dem Werkzeug verbunden sein, so dass sie beim Entnehmen des Gussteils aus dem Gussteil gezogen werden.
Alternativ ist es auch möglich, in der Kavität Drähte zur Fixierung und/oder zum Umlenken der Faser bereitzustellen, beispielsweise genau an den Orten der gezeigten Kernmarken 4. Die Drähte können aus Aluminium gebildet sein oder aus einem Material, das geeignet ist, mit Aluminiumschmelze in Lösung zu gehen.
Die Fasern 2 werden mittels der, vorzugsweise dünnen, Drähte innerhalb des Werkzeuges oder mittels einem zusätzlichen optionalen Spannrahmen außerhalb des Werkzeuges vorbereitet. Im Gießprozess werden die Drähte mit eingegossen, sodass sie eine feste und für Medien dichte Verbindung mit dem Aluminium eingehen. Die Drähte verbleiben im Gußteil, während die Fasern nach dem Gießprozess herausgezogen werden können. Figur 8 zeigt das Gussteil 5, das mit dem in der Figur 7 gezeigten Gießwerkzeug mit Kernmarken 4 hergestellt wurde. Nach dem Gießprozess verbleiben Leerstellen innerhalb des Gussbauteils 5 an den Orten, an denen sich die Kernmarken befunden haben 4. Die Löcher werden anschließend verschlossen, beispielsweise durch Einfüllen von weiterer Schmelze. Dies geschieht typischerweise vor dem Herausziehen der Faser 2, wobei das Herausziehen vorteilhaft wieder geregelt wird, da die Gefahr des Abreißens bei derartig gebogenen Fasern 2 verstärkt gegeben sein kann.
Bezugszeichenliste
1 Gießwerkzeug
1.1 Untere Werkzeughälfte
1.3 Kavität
2 Faser
3 Rahmen
4 Kernmarke
5 Gussteil
6 Mikrokanal
7 Loch

Claims

FRAUNHOFER-GESELLSCHAFT...e.V.
187PCT 2819
Patentansprüche
Herstellungsverfahren für ein Gussteil (5) mit mindestens einem Mikrokanal (6), wobei
mindestens eine Faser (2) in einer Kavität (1.3) eines Gießwerkzeugs (1) fixiert wird, so dass die mindestens eine Faser (2) sich in der Kavität (1.3) von einer Umwandung der Kavität (1.3) beabstandet erstreckt und mindestens ein Ende der mindestens einen Faser (2) außerhalb der Kavität (1.3) liegt,
ein Gussmaterial in die Kavität (1.3) eingeleitet und die mindestens eine Faser (2) von dem Gussmaterial umgössen wird,
ein aus dem Gussmaterial gebildetes Gussteil (5) aus der Kavität (1.3) entnommen wird, wobei aus dem Gussteil (5) das mindestens eine Ende der mindestens einen Faser (2) hervorsteht,
die mindestens eine Faser (2) aus dem Gussteil (5) herausgezogen wird.
Herstellungsverfahren gemäß Anspruch 1, wobei die mindestens eine Faser (2) einen Durchmesser von mindestens 5 μιη und/oder höchstens 1000 μιη aufweist.
Herstellungsverfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die mindestens eine Faser (2) eine Länge von mindestens 1 mm und/oder höchstens 500 mm aufweist.
Herstellungsverfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Biegeradius der mindestens einen Faser (2) mindestens ein Zehnfaches des Durchmessers der Faser und/oder mindestens 0,5 mm beträgt.
Herstellungsverfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Schmelzpunkt der mindestens einen Faser (2) bei mindestens 1000°C liegt und/oder eine Temperaturbeständigkeit der mindestens einen Faser bei mindestens 750°C liegt. Herstellungsverfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche wobei das Gussmaterial Aluminiumschmelze ist, vorzugsweise
Anticorodal AC 70, oder das Gussmaterial Aluminium und/oder Magnesium und/oder Zink und/oder Blei und/oder Kupfer enthält.
Herstellungsverfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei als Gießverfahren ein Niederdruck- oder Schwerkraftgießverfahren verwendet wird oder wobei ein Druckguss-, Feinguss- oder Lost Foam -Verfahren verwendet wird.
Herstellungsverfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die mindestens eine Faser (2) als Glasfaser, Kohlenstofffaser, Aramidfaser, mineralische Faser oder metallische Faser gewählt wird.
Herstellungsverfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die mindestens eine Faser (2) eine Vielzahl Fasern umfasst, die als Garn, Hybridgarn, Roving, Faserbündel oder Geflecht ausgestaltet sind.
Herstellungsverfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in der Kavität (1.3) mindestens eine Kernmarke (4) bereitgestellt wird und zumindest eine der Fasern (2) mittels der mindestens einen Kernmarke (4) umgelenkt wird.
Herstellungsverfahren gemäß Anspruch 10, wobei das Verfahren weiterhin einen Schritt zum Verschließen von durch die mindestens eine Kernmarke (4) verursachten Löchern (7) in dem Gussteil (5) umfasst.
Herstellungsverfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in der Kavität (1.3) mindestens ein Draht zur Fixierung und/oder zum Umlenken der Faser (2) bereitgestellt wird, wobei der mindestens eine Draht aus Aluminium gebildet ist oder aus einem Material, das geeignet ist, sich mit dem Gussmaterial stoffschlüssig zu verbinden oder mit dem Gussmaterial in Lösung zu gehen.
13. Herstellungsverfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die mindestens eine Faser (2) mit einem temperaturstabilen Matrix-Werkstoff, vorzugsweise Wasserglas oder Silikatklebstoff, infiltriert wird, zum Herstellen einer Formstabilität für die Faser (2) mit gebogenem oder abgewinkeltem Verlauf.
Herstellungsverfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die mindestens eine Faser (2) in einem Rahmen (3) eingespannt wird und der Rahmen (3) in dem Gießwerkzeug (1) positioniert wird.
Herstellungsverfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Zugkraft zum Herausziehen der mindestens einen Faser (2) gesteuert oder geregelt wird.
Gussteil (5) mit mindestens einem Mikrokanal (6), hergestellt nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, vorzugsweise ausgebildet als Spule oder als Gehäuse einer Batterie oder eines Elektromotors, oder als Komponente einer Werkzeugmaschine, einer Leistungselektronik, einer Gasturbine, eines Verdichters, einer Turbinenschaufel, eines Wärmetauschers oder eines Brenners.
Verfahren zur Verwendung eines Gussteils (5) gemäß Anspruch 16, wobei ein Kühlmedium in den mindestens einen Mikrokanal (6) eingeleitet wird.
Verfahren gemäß Anspruch 17, wobei das Kühlmedium in flüssigem Aggregatzustand in den mindestens einen Mikrokanal (6) eingeleitet wird.
Verfahren gemäß Anspruch 18, wobei das Kühlmedium in dem
Kühlkanal seinen Aggregatzustand von flüssig zu gasförmig ändert.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 17 bis 19, wobei das Kühlmedium mit einem Vordruck an einem Eintritt des mindestens einen Kühlmediums anliegt.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 17 bis 20, wobei als Kühlmittel R123a oder Ammoniak verwendet wird.
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