FI103021B - Menetelmä jäähdytyselementin valmistamiseksi ja jäähdytyselementti - Google Patents

Description

103021

Menetelmä jäähdytyselementin valmistamiseksi ja jäähdy-tyselementti 5 Tämän keksinnön kohteena on patenttivaatimuksen l johdannon mukainen menetelmä tehoelektroniikkakomponenttien ja muiden sähkölaitteiden jäähdytyselementtien valmistamiseksi.

Keksinnön kohteena on myös menetelmän mukaan valmistettu 10 jäähdytinelementti.

Sähkölaitteiden jäähdytyselementit valmistetaan yleisimmin pitkästä pursotetusta alumiiniprofiilista, josta katkaistaan sopiva kappale. Pursottamalla voidaan valmistaa hel-15 posti monenlaisia profiileja, joten eri käyttötarkoituksiin on yksinkertaista valmistaa sopivaa profiilia ja tällä tavoin saadaan valmistettua suuri määrä erityyppisiä jääh-dytyselementtejä. Pursoteprofiilista valmistetuilla elementeillä on kuitenkin useita heikkouksia, jotka liittyvät 20 erityisesti tehoelektroniikkakomponenttien jäähdytykseen.

Nykyisin käytössä olevilla komponenteilla pystytään käsittelemään suhteellisen pienikokoisilla laitteilla varsin suuria sähkötehoja. Kun suuri teho johdetaan puolijohdekomponentin läpi, syntyy luonnollisesti tehohäviö, joka läm-25 mittää komponenttia. Tämä lämpö syntyy pienellä alueella ja : sen poistamiseen käytetään yleisimmin ilmajäähdytystä.

Ilmajäähdytteisen jäähdytyskomponentin lämmönsiirtokyky riippuu erityisesti jäähdyttävän pinnan pinta-alasta ja lämmönlähteen etäisyydestä pinnasta eli johtumismatkasta.

30 Koska elementin koko on lähes aina rakennesyistä rajoitet- 2 103021 tu, tietyn kokoisen jäähdyttimen jäähdytysteho riippuu siitä, kuinka suuri jäähdyttävä pinta-ala saadaan pakattua määrättyyn tilavuuteen. Jäähdytystehoa voidaan oleellisesti kasvattaa pakotetun ilman virtauksen avulla, mutta tällöin 5 elementti on suunniteltava siten, että se ei estä jäähdy-tysilman virtausta muihin elementteihin.

Jäähdytyselementtejä valmistetaan myös valamalla. Esimerkiksi painevalulla voidaan valmistaa tehokkaasti ja edulli-10 sesti suuria määriä jäähdytinelementtejä ja se onkin edullinen menetelmä suurissa sarjoissa tarvittavien samanlaisten elementtien valmistamiseksi. Valukappale voidaan muotoilla vapaammin kuin pursotettu profiili, mutta koska jäähdytinelementin rivat täytyy muotoilla muotin ja muot-15 tiin asetettavien keernojen avulla, suurin mahdollinen ripatiheys ja ripojen paksuus on rajattu. Kaikilla kappaleen osilla on oltava tietty poikkipinta, jotta muotin täyttäminen olisi mahdollista ja valun jähmettyessä tapahtuvat muodonmuutokset eivät tuhoa kappaletta. Muottityökalun 20 on kestettävä useita valuja ja kuumaa valuseosta, joten muotissa ei voi olla kovin ohuita pintoja, jotka kuluvat nopeasti muotin rasitusten vaikutuksesta. Näin ollen nykyisillä valumenetelmillä ei voida valmistaa jäähdytinkappaleita, joiden ripatiheys on suuri.

25 . Jäähdytinelementin on oltava hyvin lämpöä johtavaa materiaalia. Kupari olisikin hyvä jäähdytinelementtien materiaali, mutta se on kallista ja painavaa, joten tavallisesti jäähdytinelementit valmistetaan 30 alumiinipohjäisistä kevytmetalliseoksista.

3 103021

Kevytmetalliseokset ovat yleensä hyvin valettavia ja soveltuvat erityisesti painevalumenetelmiin.

Tämän keksinnön tarkoituksena on saada aikaan menetelmä, 5 jonka avulla voidaan painevalutekniikkaa hyväksi käyttäen valmistaa jäähdytinelementtejä, joiden ripatiheys on suuri.

Keksintö perustuu siihen, että valutyökalun keernaan asetetaan lamelleista koottu insertti ja jäähdytinelementin 10 runko valetaan painevaluna kiinni lamellipakettiin, jolloin muodostuu yhtenäinen rungon ja jäähdytysrivaston muodostama elementti.

Täsmällisemmin sanottuna keksinnön mukaiselle menetelmälle 15 on tunnusomaista se, mitä on esitetty patenttivaatimuksen 1 tunnusmerkkiosassa.

Keksinnön avulla saavutetaan huomattavia etuja.

20 Elementin jäähdytysrivastosta voidaan valmistaa huomattavasti tiheämpi keksinnön mukaisella menetelmällä kuin tavallisessa painevalussa. Tämä on erittäin tärkeää, koska tehoelektroniikkakomponenttien käsittelemän tehon suhde komponenttien kokoon kasvaa jatkuvasti, joten pieneen ti-25 laan on saatava suuri jäähdytyskapasiteetti. Elementin runko tarttuu tiiviisti lamellipakettiin, joten rungon ja lamellipaketin välille ei pääse muodostumaan lämmön siirtymistä haittaavaa ilmarakoa. Edullisissa olosuhteissa lamellipaketin pintaa voidaan sulattaa valumateriaalin avulla, 30 jolloin muodostuu täydellisen saumaton kappale. Insertti ja 4 103021 valumateriaali ovat samaa materiaalia tai ainakin oleellisesti samantyyppistä seosta, joten kappaleeseen ei synny käytön aikana materiaalien erilaisesta lämpölaajenemisesta johtuvia jännityksiä. Valmistusmenetelmä on helposti auto- 5 matisoitavissa.

Keksintöä selitetään seuraavassa tarkemmin oheisten piirustusten avulla.

10 Kuvio 1 on perspektiivikuva keksinnön mukaisesta jäähdy-tinelementistä.

Kuvio 2 esittää kuvion 1 kappaletta ylhäältä.

15 Kuvio 3 esittää yksittäistä jäähdytinripaa.

Kuvio 4 esittää halkileikkauksena elementin valmistuksessa käytettävä muotin keernaosaa, johon on asetettu kuvion 1 mukaisista rivoista koostuva inserttipaketti.

20

Kuvio 5 on perspektiivikuva kuvion 4 keernaosasta.

Kuvioissa 1 ja 2 esitetty jäähdytinelementti koostuu runko-osasta 1 ja siihen kiinteästi valamalla liitetystä insert-25 tipaketista 2, joka muodostaa elementin jäähdytysrivat.

. Jäähdytinelementti on kotelomainen kappale, jonka runko- osan 1 reunoja kiertää kotelon seinämät muodostava helma 3. Inserttipaketti 2 on kotelon keskellä ja paketin 2 yläpinta on likimain helman 3 reunojen korkeudella. Helmaosassa 3 on 30 aukko 4 jäähdytysilman kieroa varten. Koska keksintö ei 5 103021 liity jäähdytyselementin ulkoiseen muotoon, tässä esitetään esimerkkinä vain yksi mahdollinen rakenne. On selvää, että keksintöä voidaan soveltaa muodoltaan hyvin monenkaltaisiin j äähdytinelementteihin.

5

Keksintö perustuu esivalmistetun inserttipaketin 2 liittämiseen valamalla kiinni samaa tai oleellisesti samaa materiaalia olevaan runko-osaan 1. Insert-tipaketti 2 valmistetaan puristamalla puristetusta alu-10 miiniprofiilista valmistettuja lamelleja 5 puristusliitok-sella kiinni toisiinsa yhtenäiseksi kappaleeksi. Kuviossa 3 on esitetty yksi lamellirakenne. Tässä lamellissa 5 on sen molemmilla sivuilla hammastus 6, 7, 8, joka on muotoiltu siten, että lamellin 5 vastakkaisilla puolilla olevat ham-15 mastukset lomittuvat keskenään, jolloin lamellikappaleet • voidaan asettaa vierekkäin ja rinnakkaisten lamellien 5 hampaat osuvat viereisen lamellin 5 hampaiden välisiin aukkoihin. Pisin hammastus 6 on inserttipaketin 2 pohjan 9 muodostavassa reunassa ja sen lisäksi lamellin 5 keskellä 20 ja vastakkaisessa reunassa on lyhyet hammastukset 7, 8.

Näistä laitelleista 5 valmistetaan inserttipaketti 2 puristamalla haluttu määrä lamelleja 5 rinnakkain yhteen, jolloin ne kiinnittyvät toisiinsa puristusliitoksella. Liittämisen jälkeen lamellipaketti ja erityisesti sen pohja 9 25 koneistetaan tarkasti valumuotin keernaosaan 10 sopivaksi.

Keernaosa 10 on esitetty halkileikkauksena kuviossa 4 ja perspektiivikuvana kuviossa 5. Oleellista elementin valussa on keernaosan 10 ja inserttipaketin välisen sauman tiivis-30 täminen siten, että sulaa valumetallia ei pääse virtaamaan 6 103021 inserttipaketin 2 syvennykseen 11 ja jäähdystyslamellien väliin. Esitetyssä keernaosassa 10 tiivistys on toteutettu kolmivaiheisesti. Inserttipaketin lamelliosa 12 on koneistettu hieman kartiomaiseksi, jolloin se puristuu tiivisti 5 suorakulmaiseen syvennykseen. Kartiokulman on oltava pieni ettei se haittaa valmiin kappaleen irrottamista ja pienikin kulma riittää hyvän tiivistysvaikutuksen aikaansaamiseen. Tässä esimerkissä kartiokulma a on 1,0°. Inserttipaketin pohja 9 on koneistettu portaittaiseksi siten, että siinä on 10 lamelliosaa 2 leveämpi reunus. Keernaosassa 10 on vastaavan muotoinen porrasmainen syvennys, johon inserttipaketin 2 koneistettu pohjaosa 9 sopii tarkasti. Keernaosan 10 syvennyksen uloin reuna on viistottu, jolloin pohjaosan 9 ulkoreuna muodostaa tiiviin kartioliitoksen myös tähän 15 saumaan. Tässä kartiokulman β on oltava pieni, koska inserttipaketin pohjan 9 ja keernaosan 10 välille ei saa muodostua rakoa, johon metallisula voisi tunkeutua. Pohjaosassa on vielä sulan tulopuolella viistottu reuna 14, joka helpottaa muotin täyttymistä ja sulan virtaamista, tässä 20 esimerkissä sula virtaa nuolen A suunnasta.

Jäähdytinelementin valu tapahtuu siten, että muottiin asetetaan insertti, joka tiivistyy tarkasti keernaosaan 2. Varsinaista muottiosaa ei ole tässä esitetty, mutta se muo-25 dostuu ontelosta, joka on muotoiltu valmistettavan kappa-leen ulkopinnan mukaiseksi ja joka sijoitetaan keernaosan 10 ympärille. Ennen valua muotti lämmitetään 200°C lämpötilaan ja suljetaan, minkä jälkeen muotti täytetään insertin materiaalia vastaavalla sulalla materiaalilla. Valettavan 30 sulan lämpötila on noin 630°C ja valun nopeus 25 m/s.

7 103021

Insertin pohja 9 on edullisesti melko paksu ja massiivinen, koska sen tulee kestää sulamatta kokonaan sulan valumassan lämpövaikutus. Edellä kuvatussa jäähdytinelementissä pohjaosan paksuus on 21 mm ja pohjaosan ja suljetun muotin 5 seinämän väliin jää noin 3 mm rako. Tällöin pohjan 9 ja valumateriaalin massoissa on niin suuri massaero, että pohjan 9 läpisulamisen vaaraa ei ole. Edullisesti sulan ja muotin lämpötila nostetaan niin korkeaksi, että ainakin insertin pohjaosan 9 pinta sulaa, jolloin sulan jäähtyessä 10 insertti jähmettyy osaksi valua. Kuitenkin hyvä liitos saadaan aikaan myös silloinkin kuin oleellista insertin sulamista ei tapahdu.

On selvää, että jäähdytinelementin, keernaosan, insertin ja 15 muotin muoto vaihtelee valmistettavan kappaleen mukaan. Valumetalliseos ja insertin materiaali voivat vaihdella, mutta edullisinta on, että materiaalit vastaavat siten toisiaan, että niiden sulamispisteet ja seossuhteet ovat lähellä toisiaan, jolloin insertin liittäminen valuun sulat-20 tamalla insertin pinta on mahdollista. Muotin esilämmitys-lämpötila ja sulan valulämpötila vaihtelevat valettavan materiaalin mukaan, mutta edullisesti alumiiniseoksilla muotin lämpötilan tulisi olla ainakin 200°C ja valuseoksen lämpötilan 630°C. Korkeammilla lämpötiloilla varmistetaan 25 insertin sulaminen, mutta vastaavasti muotin kuluminen ja muut korkeisiin valulämpötiloihin liittyvät ongelmat lisääntyvät. Alumiiniseosten lisäksi voidaan käyttää esimerkiksi magnesiumseoksia, mutta valuseoksen ja insertin perusmetallin on oltava aina sama.

30 8 103021

Insertin ja keernaosan välillä ei välttämättä tarvita edellä kuvattua kolmivaiheista tiivistystä, jos yhdellä tiivis-tystavalla savutettaan riittävä tiiviys. Tiivistyspinnan rakenne riippuu huomattavasti valmistettavan elementin 5 rakenteesta.

Keksinnön mukaan voidaan insertti asentaa ylösalaisin muottikoteloon. Simulointien perusteella näyttäisi tällöin ohuemman inserttipään lämpötila nousevan n. 150°C 10 korkeammaksi kuin paksumman inserttipään lämpötila.

Simuloinnin perusteella ei insertin/valun rajapinta sulanut voimakkaasti.

Claims (8)

9 103021

1. Menetelmä tehoelektroniikkakomponenttien ja muiden sähkölaitteiden jäähdytyselementtien valmistamiseksi/ jossa 5 menetelmässä: - valmistetaan ainakin oleellisesti valettavaa materiaalia vastaavasta materiaalista valmistetuista lamelleista (5) inserttipaketti (2) puristamalla 10 useita lamelleja (5) rinnakkain yhteen niin, että lamellien välille jää ilmarako, - asetetaan inserttipaketti muottiin, ja 15. suljettuun keernaosan (10) ja muottiosan käsittävään muottiin syötetään metallisulaa, jonka annetaan jähmettyä ja valmis kappale poistetaan muotista, 20 tunnettu siitä, että - inserttipaketti (2) koneistetaan ennen muottiin • ·· asettamista siten, että se sopii keernaosassa (10) 25 olevaan onteloon (11) ja ainakin yksi paketin (2) koneistettu pinta muodostaa tiiviin liitoksen keernaosan (10) ja insertin välille, ja : - inserttipaketti (2) sijoitetaan keernaosan onte- 30 loon (11) ennen muotin sulkemista, jolloin paketti kiinnittyy muotin täytyttyä valuun.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnet- 10 103021 t u siitä, että muotti lämmitetään ainakin 200°C lämpötilaan ja sulan valulämpötila on ainakin 630°C.

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen menetelmä, 5 tunnettu siitä, että inserttipaketin (2) sulan valumateriaalin kanssa kosketukseen joutuvan osa valmistetaan massiivisemmaksi kuin sitä ympäröivä valettava osa inserttipaketin läpisulamisen estämiseksi.

4. Patenttivaatimuksen 1, 2 tai 3 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että inserttipaketti ja valettava metalliseos ovat alumiiniseoksia.

5. Jonkin edellä olevan patenttivaatimuksen mukainen mene-15 telmä, tunnettu siitä, että inserttipaketti (2) valmistetaan alumiiniprofiilista valmistetuista lamelleista (5) , joissa lamelleissa (5) on molemmilla sivuilla hammas-tus (6, 7, 8), joka on muotoiltu siten, että lamellin (5) vastakkaisilla puolilla olevat hammastukset lomittuvat 20 keskenään, jolloin lamellit voidaan asettaa vierekkäin ja rinnakkaisten lamellien (5) hampaat (6, 7, 8) osuvat viereisen lamellin (5) hampaiden (6, 7, 8) välisiin aukkoihin.

6. Jäähdytyselementti, joka käsittää 25 - muottiin valetun runko-osan (1), - runko-osaan (1) kiinnitetyn jäähdytinlamelleista (5) muodostuvan inserttipaketin (2), joka koostuu 30 ainakin oleellisesti runko-osan (1) materiaalia vastaavasta materiaalista valmistetuista lamelleista (5), joista on koottu inserttipaketti (2) puristamalla useita lamelleja (5) rinnakkain 11 103021 yhteen niin, että lamellien välille jää ilmarako, ja - jossa runko-osa (1) on valettu inserttipaketin 5 ympärille siten, että se sulkee ainakin osan inserttipaketista sisäänsä, tunnettu 10. ainakin yhdestä inserttipakettiin (2) koneistetusta pinnasta (9, 12),joka on mitoitettu siten, että se sopii valumuotin keernaosassa (10) olevaan onteloon (11), jolloin ainakin yksi paketin (2) koneistettu pinta muodostaa tiiviin 15 liitoksen keernaosan (10) ja insertin välille ja inserttipaketti (2) on sijoitettavissa keernaosan onteloon (11) ennen muotin sulkemista, jolloin paketti kiinnittyy muotin täytyttyä valuun.

7. Patenttivaatimuksen 6 mukainen jäähdytyselementti, tunnettu siitä, että inserttipaketti (2) koostuu alumiiniprofiilista valmistetuista lamelleista (5), joissa lamelleissa (5) on molemmilla sivuilla hammastus (6, 7, 8), • f joka on muotoiltu siten, että lamellin (5) vastakkaisilla 25 puolilla olevat hammastukset lomittuvat keskenään, jolloin lamellit voidaan asettaa vierekkäin ja rinnakkaisten lamellien (5) hampaat (6, 7, 8) osuvat viereisen lamellin (5) hampaiden (6, 7, 8) välisiin aukkoihin. »

8. Patenttivaatimuksen 6 tai 7 mukainen jäähdytyselementti, tunnettu siitä, että inserttipaketti (2) ja runko-osa (1) ovat alumiiniseosta. 12 103021