AT527909B1 - Kühlvorrichtung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Kühlvorrichtung (1) zum Kühlen von einem Bauteil (2) umfassend ein Basiselement (4) mit einer ersten Oberfläche (5) und einer der ersten Oberfläche (5) gegenüberliegenden, eine Rückseite bildenden zweiten Oberfläche (3), und mit einer Kühlelemente (6) aufweisenden Kühlstruktur, die auf dem Basiselement (4) die erste Oberfläche (5) überragend angeordnet ist. Die Rückseite des Basiselements (3) ist mit einer Krümmung ausgebildet und weist eine Vorspannung auf.

Description

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Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft eine Kühlvorrichtung zum Kühlen von Bauteilen umfassend ein Basiselement mit einer ersten Oberfläche und einer der ersten Oberfläche gegenüberliegenden, eine Rückseite bildenden zweiten Oberfläche, und mit einer Kühlelemente aufweisenden Kühlstruktur, die auf dem Basiselement die erste Oberfläche überragend angeordnet ist.

[0002] Weiter betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Kühlvorrichtung umfassend die Schritte Bereitstellung eines Werkstoffes und Ausbildung einer Kühlstruktur aus dem Werkstoff.

[0003] Sogenannte Leistungselektronikbauteile, wie Leistungshalbleiter, sind aus dem Stand der Technik hinreichend bekannt. Derartige Bauteile werden häufig eingesetzt, beispielsweise auch in Kraftfahrzeugen. Es ist weiter bekannt, dass diese Bauteile im Betrieb größere Mengen an Wärme erzeugen, die oft mit Hilfe eines Kühlmediums abgeführt werden müssen. Für diesen Zweck sind im Stand der Technik unterschiedlichste Kühler bekannt, unter anderem auch sogenannte Pin Fin Kühlkörper, die von einem Kühlmedium umspült werden und so die Wärme von den Pins auf das Kühlmedium übertragen. Z.B. beschreibt die DE 10 2019 108 106 A1 einen Kühler für einen Leistungshalbleiter in einem Inverter, wobei der Kühler zweiteilig ausgestaltet ist und umfasst: eine Bodenplatte als erstes Teil, die wärmeleitend an den Leistungshalbleiter anbindbar ist; einen Kühlkörper als zweites Teil, der an der Bodenplatte angeordnet ist, wobei der Kühlkörper mindestens eine wellenförmige Ausnehmung aufweist, die durchgängig von einer der Bodenplatte abgewandten Seite des Kühlkörpers bis zu einer dem Kühlkörper zugewandten Seite ausgebildet ist; wobei das erste und zweite Teil miteinander verbunden sind und mittels einer Schicht überzogen sind, die beide Teile vor elektrochemischer Reduktion schützt.

[0004] Aus der DE 10 2018 216 859 A1 ist eine Vorrichtung zur Kühlung von Bauteilen bekannt, aufweisend: einen ersten und einen zweiten Grundkörper; in dem ersten Grundkörper ausgebildete zylinder- und/oder kegelförmige erste Kühlrippen, die von einem Kühlmittel umströmbar sind, und in dem zweiten Grundkörper ausgebildete zylinder- und/oder kegelförmige zweite Kühlrippen, die von dem Kühlmittel umströmbar sind, wobei der zweite mit dem ersten Grundkörper derart zusammengefügt ist, dass die zweiten Kühlrippen zwischen den ersten Kühlrippen zu liegen kommen ohne den ersten Grundkörper zu berühren.

[0005] Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, die stoffschlüssige Anbindung einer Kühlvorrichtung an zu kühlende Bauteile zu verbessern.

[0006] Die Aufgabe der Erfindung wird bei der eingangs genannten Kühlvorrichtung dadurch gelöst, dass die Rückseite des Basiselements mit einer Krümmung ausgebildet ist, sodass das Basiselement eine Vorspannung aufweist.

[0007] Weiter wird die Aufgabe der Erfindung mit dem eingangs genannten Verfahren gelöst, wonach vorgesehen ist, dass als Werkstoff ein Sinterpulver verwendet wird, aus dem durch Pressen ein Grünling hergestellt wird, dass der Grünling zu einem Vorformling gesintert wird, und aus dem Vorformling die Kühlstruktur in Form von Kühlelementen durch Umformung hergestellt wird, wOzu ein Teil des Vorformlings durch ein Formwerkzeug gepresst wird, und dass eine Rückseite des Basiselements mit einer Krümmung vorgespannt ausgebildet hergestellt wird.

[0008] Von Vorteil ist dabei, dass durch die Vorspannung bzw. Krümmung des Basiselements ein unter Umständen bei einem Lötprozess auftretender Verzug der Leistungselektronik bzw. des mit der Kühlvorrichtung zu verbindenden Bauteils oder umgekehrt eine dabei in Folge Temperatureinwirkung verursachte Deformation bzw. Verspannungen der Kühlvorrichtung vermieden werden kann. Damit kann eine Verringerung Kontaktfläche zwischen der Kühlvorrichtung und Leistungselektronik bzw. des Bauteils und ein damit verbundener Performanceabfall vermieden werden. Im Vergleich zu anderen Verfahren kann die Ausbildung der Krümmung in die bestehenden Prozessschritte einfach eingebunden werden, sodass für deren Herstellung kein extra Prozessschritt erforderlich ist, wie z.B. eine maschinelle Bearbeitung der Kontaktfläche des Basiselements zur Leistungselektronik bzw. des Bauteils.

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[0009] Gemäß einer Ausführungsvariante der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Krümmung eine in Bezug auf die Kühlelemente konkave Krümmung des Basiselements ist, insbesondere das Basiselement plankonkav ausgebildet ist. Es kann damit die Auflage der Kühlvorrichtung auf dem zu kühlenden Bauteil für die Ausbildung der stoffschlüssigen Verbindung einfacher gestaltet werden, womit in weiterer Folge der Verbindungsprozess an sich vereinfacht werden kann.

[0010] Nach einer Ausführungsvariante dazu kann vorgesehen werden, dass die konkave Krümmung mehrere unterschiedliche Krümmungsradien aufweist, sodass die Kühlvorrichtung besser auf unterschiedliche Stoffschlussverbindungsverfahren anpassbar ist. Gleichzeitig kann damit die Kühlvorrichtung auch nur in Abschnitten (höher) vorgespannt werden, womit der Einfluss der Vorbiegung auf den Werkstoff der Kühlvorrichtung reduziert werden kann.

[0011] Für die Ausbildung einer gleichmäßigen Schichtdicke eines Zusatzwerkstoffes zur Herstellung der stoffschlüssigen Verbindung ist es entsprechend einer weiteren Ausführungsvariante der Erfindung von Vorteil, wenn das Basiselement in einander gegenüberliegenden Randbereichen die Krümmung mit dem kleinsten Krümmungsradius aufweist.

[0012] Es kann vorgesehen werden, dass auf der Rückseite zumindest ein Hilfselement für die Herstellung einer stoffschlüssigen Verbindung zwischen der Kühlvorrichtung und dem Bauteil angeordnet ist, wobei das Hilfselemente in Form einer Vertiefung in der zweiten Oberfläche zur Aufnahme eines Zusatzwerkstoffes ausgebildet ist oder in Form eines Vorsprunges auf der zweiten Oberfläche zur Ausbildung eines Spaltes zwischen der Kühlvorrichtung und dem Bauteil, sodass der Zusatzwerkstoff über die Verbindungsfläche mit einer zumindest annähernd gleichmäBigen Schichtdicke ausgebildet wird, ausgebildet ist. Mit Hilfe des zumindest einen Hilfselements kann die Ausbildung der stoffschlüssigen Verbindung besser definiert werden, womit ebenfalls eine vollflächige Anlage der Kühlvorrichtung an der Leistungselektronik bzw. dem Bauteil und damit eine verbesserte Wärmeabfuhr einfacher erreicht werden kann. Die Vertiefung kann als „Fänger“ für den flüssigen Zusatzwerkstoff während der Herstellung der Stoffschlussverbindung wirken, sodass ein übermäßiges Verrinnen des Zusatzwerkstoffes verringert bzw. verhindert werden kann. Gegebenenfalls kann damit die Stoffschlussverbindung auf diskrete Bereiche der Kühlvorrichtung bzw. des zu kühlenden Bauteils beschränkt werden.

[0013] Zur Verbesserung dieser Effekte kann nach einer Ausführungsvariante dazu vorgesehen sein, dass das als Vertiefung ausgebildete Hilfselement eine maximale Tiefe zwischen 0,05 mm und 0,5 mm aufweist. Unterhalb von 0,05 mm ist die Ausbildung der Vertiefung anfälliger auf Fehler in der Verbindungsbildung, da die Vertiefung gegebenenfalls nicht mit dem Zusatzwerkstoff gefüllt wird/ist. Mit einer Tiefe von mehr als 0,5 mm wird unter Umständen der Spalt zwischen der Kühlvorrichtung und dem Bauteil, in dem die Stoffschlussverbindung ausgebildet wird, zu sehr verändert, sodass u.U. keine gleichmäßige Verbindungsschicht gebildet wird.

[0014] Gemäß einer anderen Ausführungsvariante kann es von Vorteil sein, wenn das als Vorsprung ausgebildete Hilfselement eine maximale Höhe zwischen 0,05 mm und 0,5 mm aufweist. Wie bei der Vertiefung kann eine Höhe von weniger als 0,05 mm die Spaltdicke für die Ausbildung einer gleichmäßigen Verbindungsschicht zu gering sein. Andererseits kann mit einer Höhe von mehr als 0,5 mm die Verbindungsschicht zu dick ausgebildet werden, womit gegebenenfalls die Wärmeabfuhr verschlechtert wird. Zudem kann bei einer Spaltdicke von mehr als 0,5 mm der flüssige Zusatzwerkstoff u.U. aus dem Verbindungsbereich ausfließen, womit die Gefahr der Ausbildung einer ungleichen Verbindungsschicht besteht.

[0015] Gemäß einer weiteren Ausführungsvariante der Erfindung kann vorgesehen sein, dass das Basiselement und die Kühlelemente aus einem Sinterwerkstoff bestehen und dass die Kühlelemente durch Umformung aus dem Werkstoff des Basiselements hergestellt sind. Von Vorteil ist dabei, dass durch die Umformung des Basiselements zu den Kühlelementen für deren Herstellung kein Abfallmaterial anfällt, wie dies beispielsweise bei einer spanenden Bearbeitung der Fall ist. Zudem können alle Kühlelemente der Kühlvorrichtung gleichzeitig hergestellt werden, womit eine entsprechende Erhöhung der Produktivität erreicht werden kann. Für die Umformung ist dabei von Vorteil, dass der Vorformling, obwohl er durch das Sintern bereits eine entsprechende Festigkeit aufweist, aufgrund von Poren im Vergleich zu einem Vollmaterial einfacher

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umformbar ist.

[0016] Aus den gleichen Gründen ist es von Vorteil, wenn nach einer weiteren Ausführungsvariante der Erfindung das Hilfselement bzw. die Hilfselemente pulvermetallurgisch einstückig mit dem Basiselement hergestellt ist/’sind. Es sind damit keine weiteren Prozessschritte für dessen/deren Ausbildung erforderlich.

[0017] Entsprechend einer Ausführungsvariante der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Kühlelemente nach der Umformung des Vorformlings höhenkalibriert werden. Es ist damit mit einem einfachen Verfahrensschritt möglich eine Krümmung der Anlagefläche des Basiselements an das Bauteil zu berücksichtigen, insbesondere die Verringerung der Krümmung durch einen Spannungsabbau während der Herstellung der Stoffschlussverbindung und die Auswirkung davon auf das Höhenprofil der Kühlstruktur.

[0018] Zur Verfahrensvereinfachung und insbesondere zur Vermeidung einer spanenden Bearbeitung des Basiselements kann nach Ausführungsvarianten der Erfindung vorgesehen sein, dass die Krümmung der Rückseite des Basiselements während der Höhenkalibrierung ausgebildet wird und/oder dass das Hilfselement auf der Rückseite des Basiselements für die Herstellung einer stoffschlüssigen Verbindung während der Umformung des Vorformlings ausgebildet wird. Mit letzterer Ausführungsvariante kann zudem der Schritt des Höhenkalibrierens vereinfacht werden, da keine Gefahr des Verdrückens einer bereits bestehenden Struktur für das Hilfselement besteht.

[0019] Zum besseren Verständnis der Erfindung wird diese anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert.

[0020] Es zeigen jeweils in stark vereinfachter, schematischer Darstellung: [0021] Fig. 1 eine Kühlvorrichtung mit zu kühlendem Bauteil in Seitenansicht;

[0022] Fig. 2 eine Kühlvorrichtung in Schrägansicht;

[0023] Fig. 3 eine Ausführungsvariante einer Kühlvorrichtung in Seitenansicht;

[0024] Fig. 4 eine weitere Ausführungsvariante einer Kühlvorrichtung in Ansicht von unten;

[0025] Fig. 5 eine andere Ausführungsvariante einer Kühlvorrichtung in Schrägansicht von unten;

[0026] Fig. 6 eine Ausführungsvariante eines Vorformlings;

[0027] Fig. 7 eine Ausführungsvariante eines Werkzeugs zur Herstellung der Kühlvorrichtung.

[0028] Einführend sei festgehalten, dass in den unterschiedlich beschriebenen Ausführungsformen gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen bzw. gleichen Bauteilbezeichnungen versehen werden, wobei die in der gesamten Beschreibung enthaltenen Offenbarungen sinngemäß auf gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen bzw. gleichen Bauteilbezeichnungen übertragen werden können. Auch sind die in der Beschreibung gewählten Lageangaben, wie z.B. oben, unten, seitlich usw. auf die unmittelbar beschriebene sowie dargestellte Figur bezogen und sind diese Lageangaben bei einer Lageänderung sinngemäß auf die neue Lage zu übertragen.

[0029] In Fig. 1 ist eine Kühlvorrichtung 1 in Seitenansicht dargestellt.

[0030] Die Kühlvorrichtung 1 dient der Kühlung eines Bauteils 2 oder mehrerer Bauteile 2 bzw. einer Baugruppe. Dazu liegt die Kühlvorrichtung mit einer die Rückseite bildenden zweiten Oberfläche 3 an dem zumindest einen Bauteil 2 an, insbesondere unmittelbar, ist also zum Wärmeaustausch bevorzugt in direktem Kontakt mit dem Bauteil 2.

[0031] Das Bauteil 2 ist bevorzugt ein Elektronikbauteil, insbesondere ein sogenanntes Leistungselektronikbauteil bzw. Hochleistungselektronikbauteil oder ein Leistungshalbleiter bzw. Hochleistungshalbleiter. Insbesondere können derartige Bauteile 2 bzw. Baugruppen aus/mit diesen Bauteilen 2 für eine Leistung im Bereich von mehreren kW bis zu MW vorgesehen sein.

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Derartige Bauteile 2 dienen z.B. der Umformung elektrischer Energie mit schaltenden elektronischen Bauelementen. Typische Anwendungen sind Umrichter oder Frequenzumrichter im Bereich der elektrischen Antriebstechnik, Solarwechselrichter und Umrichter für Windkraftanlagen zur Netzeinspeisung regenerativ erzeugter Energie oder Schaltnetzteile, generell die Umrichtung von Wechselspannung in Gleichspannung durch Gleichrichter, die Umrichtung von Gleichspannung in Wechselspannung durch Wechselrichter, Steuerungen, beispielsweise in der Antriebstechnik eines Elektroantriebs in Elektrofahrzeugen bzw. Hybridfahrzeugen, Batteriemanagementsysteme, etc. Ein Leistungselektronikbauteil kann beispielsweise ein Halbleiter, insbesondere ein so genannter Leistungshalbleiter, z.B. ein IGBT, sein.

[0032] Da derartige Bauteile 2 an sich aus dem einschlägigen Stand der Technik bekannt sind, sei zur Vermeidung von Wiederholungen bzgl. Einzelheiten dazu auf diesen Stand der Technik verwiesen.

[0033] Die Kühlvorrichtung 1 umfasst ein Basiselement 4, das auch die Rückseite der Kühlvorrichtung 1 bildet, und das auf einer ersten Oberfläche 5 eine Kühlstruktur aufweist, bzw. besteht aus dem Basiselement 4 und der Kühlstruktur. Die Kühlstruktur wird durch Kühlelemente 6 gebildet, die über die erste Oberfläche 5 vorragend an dem Basiselement 4 angeordnet und damit einstückig verbunden sind, wie dies auch aus Fig. 2 ersichtlich ist. Mit anderen Worten ausgedrückt ist die Kühlvorrichtung 1 in der bevorzugten Ausführungsvariante nur durch ein einziges Teil gebildet. Ungeachtet dieser Einteiligkeit besteht im Rahmen der Erfindung die Möglichkeit, dass pro Bauteil 2 bzw. Baugruppe aus/mit zumindest einem derartigen Bauteil 2 mehrere Kühlvorrichtungen 1 entsprechend der Erfindung miteinander zur einer Kühlvorrichtungsgruppe kombiniert sein können. Insbesondere können die Kühlvorrichtungen 1 also auch modular zu einer Kühlvorrichtungsgruppe zusammengesetzt werden/sein.

[0034] Das Basiselement 4 und die Kühlelemente 6 sind aus einem Sinterwerkstoff hergestellt bzw. bestehen daraus. Weiter sind die Kühlelemente 6 durch Umformung aus dem Basiselement 4 hergestellt.

[0035] In der bevorzugten Ausführungsvariante weisen das Basiselement 4 und die Kühlelemente 6 eine Dichte von zumindest 98 %, insbesondere zumindest 98,5 %, vorzugsweise zumindest 99 %, der Volldichte des eingesetzten Werkstoffes auf.

[0036] Die Volldichte bezieht sich dabei auf die Dichte einer schmelzmetallurgisch hergestellten Kühlvorrichtung aus dem gleichen Werkstoff, also ein Bauteil aus einem Vollwerkstoff. Mit Vollwerkstoff ist dabei ein metallischer Werkstoff gemeint, der - mit Ausnahme von Fehlstellen - keine Poren aufweist, wie diese bei Sinterbauteilen üblicherweise vorhanden sind.

[0037] Die Kühlelemente 6 sind dafür vorgesehen, um von einem Kühlfluid, beispielsweise Wasser, umströmt zu werden, sodass die von der Kühlvorrichtung 1 aufgenommene Wärme über dieses Kühlfluid abtransportiert wird. Bevorzugt ist die Kühlvorrichtung 1 eine sogenannte Pin Fin Kühlvorrichtung.

[0038] Die Kühlelemente 6 der dargestellten Ausführungsvariante sind zylindrisch ausgebildet. Sie können aber auch einen andere Form aufweisen, beispielsweise eine kegelstumpfförmige bzw. generell eine mit einem in Richtung auf einen Kühlelementkopf 7 sich verjüngendem Querschnitt, beispielsweise eine pyramidenstumpfförmige. Die Kühlelemente 6 können auch einen sich in Richtung auf den Kühlelementkopf 7 erweiternden Querschnitt aufweisen, beispielsweise pilzförmig ausgebildet sein. Dies kann spanlos erreicht werden, indem nach der Bildung der Kühlelemente 6 auf die Kühlelementköpfe 7 gedrückt wird, beispielsweise im Zuge einer Höhenkalibrierung der Kühlelemente 6.

[0039] Der Querschnitt der Kühlelemente 6 kann kreisrund, oval, rautenförmig, quadratisch, etc. sein.

[0040] Weiter können alle Kühlelemente 6 gleich ausgebildet sein. Es ist aber auch möglich auf einem Basiselement 4 Kühlelemente 6 mit unterschiedlicher Form anzuordnen bzw. zu kombinieren.

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[0041] Die Kühlelemente 6 können bevorzugt eine Höhe 8 über der ersten Oberfläche 5 des Basiselements 4 aufweisen, die zwischen 2 mm und 20 mm beträgt.

[0042] In der einfachsten Ausgestaltung der Kühlvorrichtung 1 weisen sämtliche Kühlelemente 6 der Kühlvorrichtung 1 im Rahmen der Toleranzen die gleiche Höhe 8 auf. Es besteht aber im Rahmen der Erfindung die Möglichkeit, dass ein Teil der Kühlelemente 6 eine geringere Höhe aufweist als die restlichen Kühlelemente 6.

[0043] Weiter kann vorgesehen sein, dass pro dm? erste Oberfläche zwischen 300 und 1300, insbesondere zwischen 300 und 1000, beispielsweise zwischen 300 und 750, Kühlelemente 6 angeordnet bzw. ausgebildet sind. Insbesondere diese Anzahl hat sich in Hinblick auf die Herstellung der Kühlvorrichtung 1, d.h. der Umformung des Basiselements 4 zu den Kühlelementen 6, als vorteilhaft herausgestellt, da damit Beschädigungen der Kühlelemente 6 bzw. unvollständig ausgebildete Kühlelemente 6 vermieden bzw. reduziert werden können.

[0044] In Fig. 3 ist eine Kühlvorrichtung 1 in Seitenansicht gezeigt. Diese weist wieder das Basiselement 4 auf, auf dessen erster Oberfläche 5 die Kühlstruktur mit den Kühlelementen 6 angeordnet ist.

[0045] Die Rückseite des Basiselements 4, d.h. die zweite Oberfläche 3, ist mit einer Krümmung versehen, wobei durch die Herstellung der Krümmung das Basiselement 4 vorgespannt ist.

[0046] In der dargestellten Ausführungsvariante ist die Krümmung in Bezug auf die Kühlelemente 6 mit einem konkaven Verlauf ausgebildet. Insbesondere kann das Basiselement 4 plankonkav ausgebildet sein. Wie anhand der strichlierten Linie in Fig. 3 für die erste Oberfläche 5 zu ersehen ist, kann aber auch die erste Oberfläche zumindest annähend dem Verlauf der zweiten Oberfläche 3 (der Rückseite des Basiselements 4) folgend ausgebildet sein.

[0047] Wie in Fig. 3 weiter strichliert angedeutet ist, kann zumindest die zweite Oberfläche 3 oder das gesamte Basiselement 4 eine in Bezug auf die Kühlelemente 6 konvexe Krümmung aufweisen.

[0048] Vorzugsweise ist die Krümmung im Verlauf einer Länge 10 (siehe Fig. 1) des Basiselements 4 ausgebildet. Sie kann aber auch im Verlauf einer Breite 11 des Basiselements 4 ausgebildet sein.

[0049] Die Krümmung kann mit einem über den gesamten Verlauf gleichbleibenden Krümmungsradius 12 ausgebildet sein. Nach einer anderen Ausführungsvariante kann vorgesehen sein, dass die Krümmung mehrere unterschiedliche Krümmungsradien 12 aufweist. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass das Basiselement 4 in einander gegenüberliegenden Randbereichen 13, 14 die Krümmung mit dem kleinsten Krümmungsradius 12 aufweist.

[0050] Vorzugsweise ist die Krümmung im Verlauf vom ersten Randbereich 13 bis zum zweiten Randbereich 14 symmetrisch ausgebildet. Sie kann aber auch mit einem asymmetrischen Verlauf ausgebildet sein.

[0051] Die Krümmung kann beispielsweise einen elliptischen, parabolischen, etc. Verlauf haben. Andere Verlaufsformen sind ebenfalls möglich.

[0052] Die Kühlelemente 6 können mit gleicher Orientierung auf dem gekrümmten Basiselement 4 angeordnet sein, wie dies die Fig. 3 in vollen Linien zeigt. Insbesondere kann dies der Fall sein, wenn das Basiselement 4 plankonkav ausgebildet ist. Die Orientierung der Kühlelemente 6 kann aber auch dem Verlauf der Krümmung des Basiselements 4 folgend ausgebildet sein, wie dies in Fig. 3 anhand eines im linken Bildabschnitt strichliert dargestellten Kühlelements 6 angedeutet ist. Diese Orientierung kann im Zuge der Ausbildung der Stoffschlussverbindung mit dem Bauteil 2 durch den Spannungsabbau im Basiselement 4 aufgrund der einwirkenden Wärme geändert werden, wenn das Basiselement 4 die Krümmung verringert und insbesondere zu einem ebenen Basiselement 4 ausgebildet wird. Dies ist in Fig. 3 links mit einem strichlierten Pfeil angedeutet.

[0053] Es besteht auch die Möglichkeit, dass die Höhen 8 der Kühlelemente 6 an den Krümmungsverlauf angepasst werden, sodass sich die Kühlelementköpfe 7 auf gleicher Höhe befin-

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den, wenn das Basiselement 4 die Krümmung aufweist.

[0054] Der Krümmungsradius 12 des Basiselements 4 kann ausgewählt sein aus einem Bereich von 250 mm bis 5000 mm, insbesondere 1000 mm bis 4000 mm. Es kann damit eine maximalen Durchbiegung von 1,25 mm auf 100 mm bzw. 200 mm Länge erreicht werden. Für den Fall, dass die Krümmung mehrere unterschiedliche Krümmungsradien 12 aufweist, sind sämtliche Krümmungsradien 12 vorzugsweise ebenfalls aus diesem Bereich ausgewählt.

[0055] In Fig. 4 ist eine weitere Ausführungsvariante der Kühlvorrichtung 1 in Ansicht von unten dargestellt.

[0056] In Fig. 4 ist die ebene zweite Oberfläche 3 der Rückseite des Basiselements 4 (siehe dazu auch Fig. 1) zu sehen, die mit der Krümmung versehen wird, wie dies voranstehend ausgeführt wurde. Auf dieser Rückseite ist zumindest ein Hilfselement 15 für die Herstellung einer stoffschlüssigen Verbindung zwischen der Kühlvorrichtung und dem Bauteil 2 angeordnet. In der konkret dargestellten Ausführungsvariante ist das Hilfselement 15 eine Vertiefung. Das Hilfselement 15 kann aber auch ein Vorsprung auf der zweiten Oberfläche 3 sein, wie dies die Ausführungsvariante nach Fig. 5 zeigt.

[0057] Die Vertiefung dient der Aufnahme des Zusatzwerkstoffes für den Stoffschluss und verhindert das Verlaufen/Auslaufen des schmelzflüssigen Zusatzwerkstoffes während der Ausbildung der Stoffschlussverbindung zwischen der Kühlvorrichtung 1 und dem Bauteil 2 (siehe Fig.

1).

[0058] Der Vorsprung dient hingegen der Ausbildung eines, insbesondere gleichmäßigen, Spaltes zwischen der Kühlvorrichtung 1 und dem Bauteil 2, sodass der Zusatzwerkstoff über die Verbindungsfläche (die Fläche, auf der der Zusatzwerkstoff aufgebracht wird) mit einer zumindest annähernd gleichmäßigen Schichtdicke ausgebildet wird, sodass möglichst keine Unterschiede im Wärmewiderstand zwischen der Kühlvorrichtung 1 und dem Bauteil 2 über die Verbindungsfläche existieren.

[0059] Es sei an dieser Stelle erwähnt, dass die Stoffschlussverbindung prinzipiell als Klebeverbindung ausgebildet werden kann. In der bevorzugten Ausführungsvariante der Erfindung ist diese jedoch ein Lötverbindung und der Zusatzwerkstoff ein Lot. Insbesondere wird die Kühlvorrichtung 1 mit dem Bauteil 2 aber nicht mit einem Sinterlotverfahren verbunden.

[0060] In Fig. 4 ist nur ein Hilfselement 15 dargestellt. Es kann aber auch mehr als ein Hilfselement 15 angeordnet werden, beispielsweise zwei, drei, vier, etc., wie dies aus Fig. 5 zu ersehen ist. Die in Fig. 5 konkret dargestellte Anzahl an Hilfselementen 15 ist aber für die Erfindung nicht beschränkend zu verstehen. Insbesondere kann sich deren Anzahl nach der Größe des Basiselements 4 richten.

[0061] Weiter sind die mehreren Hilfselemente 15 nicht auf Vorsprünge beschränkt. Es können auch mehrere diskrete, über die zweite Oberfläche 3 verteilt angeordnete Vertiefungen als Hilfselemente 15 vorgesehen werden.

[0062] Im Rahmen der Erfindung sind auch Kombinationen von Vertiefungen und Vorsprüngen als Hilfselemente 15 auf der zweiten Oberfläche 3 des Basiselements 4 möglich.

[0063] Die Vertiefungen können in Draufsicht betrachtet kreisförmig, elliptisch, oval, generell rund, dreieckig, viereckig, fünfeckig, etc., ausgebildet sein. Es sind auch komplexere Formen möglich, wie dies anhand des Beispiels einer Vertiefung in Fig. 4 zu ersehen ist.

[0064] Die Vertiefung kann aus voranstehenden Gründen eine maximale Tiefe zwischen 0,05 mm und 0,5 mm aufweisen.

[0065] Vorzugsweise sind bei mehreren Vertiefungen in der Rückseite des Basiselements 4 alle gleich ausgebildet. Es können aber auch mehrere unterschiedlich ausgebildete Vertiefungen vorgesehen werden.

[0066] Der zumindest eine Vorsprung kann aus voranstehenden Gründen eine maximale Höhe zwischen 0,05 mm und 0,5 mm aufweisen. Bei mehreren Vorsprüngen können alle gleich ausge-

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bildet sein. Ebenso können unterschiedlich ausgebildete Vorsprünge auf der zweiten Oberfläche 3 des Basiselements 4 vorgesehen werden.

[0067] Der Vorsprung kann bzw. die Vorsprünge können noppenförmig, stegförmig, etc. ausgebildet sein. Er kann/sie können z.B. in Draufsicht einen runden, ovalen, elliptisch, generell runden, dreieckigen, viereckig, etc., Querschnitt aufweisen.

[0068] Der Vorsprung kann eine Länge 16 zwischen 0,5 mm und der Gesamtlänge des Basiselements 4 aufweisen. Weiter kann der Vorsprung eine Breite 17 zwischen 0,5 mm bis zur Gesamtbreite des Basiselements 4 aufweisen.

[0069] Die Vertiefung kann oder die Vertiefungen können in Summe eine Flächenausdehnung zwischen 0,1 % und 50 % der Fläche der zweiten Oberfläche 3 des Basiselements 4 aufweisen.

[0070] Das Basiselement 4 kann eine Dicke zwischen 1 mm und 3 mm aufweisen, wobei auch größere Dicken bis 5 mm möglich sind.

[0071] Die Verbindungsschicht zwischen der Kühlvorrichtung 1 und dem Bauteil 2 kann eine Schichtstärke zwischen 0,01 mm und 0,5 mm aufweisen.

[0072] Gemäß einer weiteren Ausführungsvariante kann vorgesehen sein, dass das Basiselement 4 und die Kühlelemente 6 aus einem Sinterwerkstoff bestehen und dass die Kühlelemente 6 durch Umformung aus dem Werkstoff des Basiselements 4 hergestellt sind, wie dies nachfolgend beschrieben wird.

[0073] Das zumindest eine Hilfselement 15 kann ebenfalls pulvermetallurgisch hergestellt sein und einstückig mit dem Basiselement 4 ausgebildet sein.

[0074] Zur Herstellung der Kühlvorrichtung 1 wird ein Sinterpulver bzw. ein in der Pulvermetallurgie eingesetztes, insbesondere metallisches, Pulver verwendet. Bevorzugt wird ein Sinterpulver eingesetzt, das eine entsprechend gute Wärmeleitfähigkeit aufweist. Insbesondere wird ein Sinterpulver auf Basis von Aluminium bzw. einer Aluminiumlegierung oder auf Basis von Kupfer bzw. einer Kupferlegierung oder ein MMC-Pulver (Metal-Matrix-Composite) eingesetzt.

[0075] Die Herstellung der Kühlvorrichtung 1 erfolgt auf pulvermetallurgischem Weg nach einem pulvermetallurgischem Verfahren, die Kühlvorrichtung 1 ist also bevorzugt ein Sinterbauteil. Dazu wird aus einem Sinterpulver, das aus den einzelnen (metallischen) Pulvern durch Mischen hergestellt werden kann, wobei die Pulver gegebenenfalls vorlegiert eingesetzt werden können, ein Grünling in einer entsprechenden Pressform (Matrize) hergestellt. Vorzugsweise weist der Grünling eine Dichte von zumindest 80 %, insbesondere zwischen 80 % und 96 %, der Volldichte des Materials auf.

[0076] Der Grünling wird in der Folge bei üblichen Temperaturen entwachst und ein- oder zweistufig bzw. mehrstufig gesintert und danach vorzugsweise auf Raumtemperatur abgekühlt. Das Sintern kann beispielsweise bei einer Temperatur zwischen 500°C und 1300 °C erfolgen.

[0077] Da diese Verfahrensweisen und die dabei verwendeten Verfahrensparameter ebenfalls aus dem Stand der Technik bekannt sind, sei diesbezüglich zur Vermeidung von Wiederholungen auf den einschlägigen Stand der Technik verwiesen.

[0078] Durch das Sintern entsteht aus dem Grünling ein Vorformling 18, wie er beispielhaft in Fig. 6 dargestellt ist. Der Vorformling 18 kann als flache Platte ausgebildet sein, sodass also die zweite Oberfläche 3 und die erste Oberfläche 5 parallel zueinander parallel verlaufen.

[0079] Nach einer Ausführungsvariante des Verfahrens kann vorgesehen sein, dass die erste Oberfläche 5 des Vorformlings 18, auf der die Kühlstruktur ausgebildet wird, zumindest in Abschnitten gewölbt hergestellt wird, wie dies in Fig. 6 strichliert angedeutet ist. Andere Formen der ersten Oberfläche des Vorformlings 18 sind in Hinblick auf eine verbesserte Umformbarkeit des Vorformlings 18 möglich. So können bereits erste Pin Fin Ansätze bzw. Kühlelementansätze (kreisrund, oval, ellipsenförmig, etc.) mit einer Höhe zwischen 0,1 mm und 2,0 mm vorgeformt werden.

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[0080] Zusätzlich können in die erste Oberfläche 5 des Vorformlings 18 bewusst Strukturen eingebracht werden (Wellen, Rippen, etc.) um gegebenenfalls Verwirbelungen eines Kühlfluids zu erhöhen.

[0081] Der Vorformling 18 kann in weiterer Folge nachverdichtet werden. Bevorzugt erfolgt die Nachverdichtung aber gleichzeitig mit der Umformung des Vorformlings 18 zu den Kühlelementen 6.

[0082] Die Umformung des Vorformlings 18 erfolgt in einem Formwerkzeug 19. Dazu wird der Vorformling 18 in das Formwerkzeug 19 eingelegt oder an dieses angelegt. Im einfachsten Fall ist das Formwerkzeug 19 durch eine Lochplatte 20 gebildet. Die Lochplatte 20 weist Ausnehmungen 21, insbesondere Durchbrüche, auf, in die bzw. durch die ein Teil des Materials des Vorformlings 18 gedrückt wird, wodurch die Kühlelemente 6 gebildet werden. Der Rest des Materials des Vorformlings 18, der nicht in oder durch das Formwerkzeug 19 gedrückt wird, bildet das Basiselement 4.

[0083] Die Ausnehmungen 21, d.h. deren Querschnitt, sind an den Querschnitt der herzustellenden Kühlelemente 6 entsprechend angepasst.

[0084] Das Formwerkzeug 19 kann auch anders aussehen, muss also nicht zwingend eine einfache Lochplatte 20 sein. Insbesondere kann das Formwerkzeug 19 „topfförmig“ als Matrize ausgebildet sein.

[0085] Für die Umformung wird an die Rückseite (zweite Oberfläche 3) des Vorformlings 18, die auch die Rückseite des Basiselements 4 bildet, ein Stempel 22 angelegt und mit einem vorbestimmbaren Druck auf den Vorformling 18 gedrückt. Die Umformung kann beispielsweise bei einem Druck zwischen 700 MPa und 1600 MPa erfolgen. Weiter kann die Umformung während einer Zeit von bis zu 10 Sekunden, insbesondere zwischen 0,1 Sekunden und 10 Sekunden, erfolgen. Weiter erfolgt die Umformung bevorzugt bei Raumtemperatur (20 °C), d.h. kalt, bzw. kann die Umformung auch nach einer Vorerwärmung des Vorformlings 18 auf eine Temperatur zwischen 50 °C und 300 °C, beispielsweise zwischen 50 °C und 150 °C, und/oder in/mit einem auf eine Temperatur zwischen 50 °C und 300 °C, beispielsweise zwischen 50 °C und 150 °C, erwärmten Formwerkzeug 19 erfolgen.

[0086] Nach der Formgebung, d.h. der Umformung des Vorformlings 18, kann die Kühlvorrichtung 1 fertig sein. Es besteht aber auch die Möglichkeit einer Nachbearbeitung der Kühlvorrichtung 1. Beispielsweise können die Kühlelemente 6 höhenkalibriert oder generell nachverdichtet werden, wozu ebenfalls ein Stempel verwendet werden kann. Zudem können die erste Oberfläche 5 und die Kühlelemente 6 mit einer korrosionsresistenten Beschichtung versehen werden.

[0087] Das zumindest Hilfselement 15 kann ebenfalls im Zuge einer Nachbearbeitung hergestellt werden. Es kann auch bereits beim Pulverpressen vor dem Sintern hergestellt werden. In diesem Fall muss der Stempel 22 entsprechende Ausnehmungen bzw. Vorsprünge aufweisen, damit die Hilfselemente 15 beim Umformen des Vorformlings 18 nicht verdrückt werden.

[0088] In der bevorzugten Ausführungsvariante wird das zumindest eine Hilfselement 15 aber gleichzeitig mit der Umformung des Vorformlings 18 hergestellt. Dazu kann der Stempel 22 an einer an dem Vorformling 18 anlegbaren Anlagefläche 23 einen Vorsprung 24 zur Ausbildung der voranstehend beschriebenen Vertiefung in der zweiten Oberfläche 3 des Basiselements 4 und/oder eine Vertiefung 25 zur Ausbildung des voranstehend beschriebenen Vorsprungs auf der zweiten Oberfläche 3 des Basiselements 4 aufweisen. Die Anzahl an Vorsprüngen 24 und/oder Vertiefungen 25 auf dem Stempel 22 richtet sich nach der Anzahl an herzustellenden Hilfselementen 15.

[0089] Es kann weiter vorgesehen sein, dass die Herstellung des zumindest einen Hilfselements 15 im Zuge des Höhenkalibrierens der Kühlelemente 6 erfolgt. Dazu weist eine Stützfläche einer Form oder eines Spannelements, auf der das Basiselement 4 für das Höhenkalibrieren aufgelegt wird, die entsprechenden Vorsprünge 24 bzw. Vertiefungen 25 auf.

[0090] Es sei an dieser Stelle erwähnt, dass die Umformung des Vorformlings 18 ein- oder mehr-

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stufig erfolgen kann. In der mehrstufigen Ausführung werden die Kühlelemente 6 nicht in einem Schritt, sondern in mehreren Schritten geformt. Insbesondere in der mehrstufigen Ausführungsvariante kann es von Vorteil sein, wenn die Ausbildung des Hilfselements 15 im Zuge eines gegebenenfalls vorgesehenen Höhenkalibrierens der Kühlelemente 6 erfolgt.

[0091] Die voranstehend erläuterte Krümmung des Basiselements 4 kann ebenfalls im Zuge der Umformung des Vorformlings 18 oder im Zuge der gegebenenfalls durchzuführenden Höhenkalibrierung der Kühlelemente 6 erfolgen. Nur andeutungsweise ist dazu in Fig. 7 eine gekrümmte Anlagefläche 23 des Stempels 22 strichliert dargestellt. Die Krümmung der Anlagefläche 23 ist invers zur herzustellenden Krümmung des Basiselements 4. Es muss also keine spanende Bearbeitung für die Ausbildung der Krümmung des Basiselements 4 vorgenommen werden.

[0092] Der Ordnung halber sei abschließend darauf hingewiesen, dass zum besseren Verständnis des Aufbaus der Kühlvorrichtung 1 bzw. des Formwerkzeugs 19 diese nicht notwendigerweise maßstäblich dargestellt sind.

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8 N 8

BEZUGSZEICHENLISTE

1 Kühlvorrichtung 2 Bauteil

3 Oberfläche

4 Basiselement

5 Oberfläche

6 Kühlelement

7 Kühlelementkopf

8 Höhe

9 Strukturelement 10 Länge

11 Breite

12 Krümmungsradius 13 Randbereich 14 Randbereich 15 Hilfselement 16 Länge

17 Breite

18 Vorformling

19 Formwerkzeug 20 Lochplatte

21 Ausnehmung 22 Stempel

23 Anlagefläche 24 Vorsprung

25 Vertiefung

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Claims (14)

A ‚hes AT 527 909 B1 2025-08-15 Ss N Patentansprüche

1. Kühlvorrichtung (1) zum Kühlen von einem Bauteil (2) umfassend ein Basiselement (4) mit einer ersten Oberfläche (5) und einer der ersten Oberfläche (5) gegenüberliegenden, eine Rückseite bildenden zweiten Oberfläche (3), und mit einer Kühlelemente (6) aufweisenden Kühlstruktur, die auf dem Basiselement (4) die erste Oberfläche (5) überragend angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückseite des Basiselements (3) mit einer Krümmung ausgebildet ist und eine Vorspannung aufweist.

2. Kühlvorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Krümmung eine in Bezug auf die Kühlelemente (6) konkave Krümmung des Basiselements (4) ist, insbesondere das Basiselement (4) plankonkav ausgebildet ist.

3. Kühlvorrichtung (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die konkave Krümmung mehrere unterschiedliche Krümmungsradien (12) aufweist.

4. Kühlvorrichtung (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Basiselement (4) in einander gegenüberliegenden Randbereichen (13, 14) die Krümmung mit dem kleinsten Krümmungsradius (12) aufweist.

5. Kühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Rückseite zumindest ein Hilfselement (15) für die Herstellung einer stoffschlüssigen Verbindung zwischen der Kühlvorrichtung (1) und dem Bauteil (2) angeordnet ist, wobei das Hilfselemente (15) in Form einer Vertiefung in der zweiten Oberfläche (3) zur Aufnahme eines Zusatzwerkstoffes ausgebildet ist oder in Form eines Vorsprunges auf der zweiten Oberfläche (3) zur Ausbildung eines Spaltes zwischen der Kühlvorrichtung (1) und dem Bauteil (2), sodass der Zusatzwerkstoff über die Verbindungsfläche mit einer zumindest annähernd gleichmäßigen Schichtdicke ausgebildet wird, ausgebildet ist.

6. Kühlvorrichtung (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das als Vertiefung ausgebildete Hilfselement (15) eine maximale Tiefe zwischen 0,05 mm und 0,5 mm aufweist.

7. Kühlvorrichtung (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das als Vorsprung ausgebildete Hilfselement (15) eine maximale Höhe zwischen 0,05 mm und 0,5 mm aufweist.

8. Kühlvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Basiselement (4) und die Kühlelemente (6) aus einem Sinterwerkstoff bestehen und dass die Kühlelemente (6) durch Umformung aus dem Werkstoff des Basiselements (4) hergestellt sind.

9. Kühlvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Hilfselement (15) pulvermetallurgisch einstückig mit dem Basiselement (4) hergestellt ist.

10. Verfahren zur Herstellung einer Kühlvorrichtung (1) umfassend die Schritte Bereitstellung eines Werkstoffes und Ausbildung einer Kühlstruktur aus dem Werkstoff, dadurch gekennzeichnet, dass als Werkstoff ein Sinterpulver verwendet wird, aus dem durch Pressen ein Grünling hergestellt wird, dass der Grünling zu einem Vorformling (18) gesintert wird, und aus dem Vorformling (18) die Kühlstruktur in Form von Kühlelementen (6) durch Umformung hergestellt wird, wozu ein Teil des Vorformlings (18) durch ein Formwerkzeug (19) gepresst wird, und dass eine Rückseite des Basiselements (4) mit einer Krümmung vorgespannt ausgebildet hergestellt wird.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlelemente (6) nach der Umformung des Vorformlings (18) höhenkalibriert werden.

12. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Krümmung der Rückseite des Basiselements (4) während der Höhenkalibrierung ausgebildet wird.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Rückseite zumindest ein Hilfselement (15) für die Herstellung einer stoffschlüssigen Verbindung zwischen der Kühlvorrichtung (1) und einem Bauteil (2) angeordnet wird, wobei das Hilfselemente (15) in Form einer Vertiefung in der zweiten Oberfläche (3) zur Aufnahme ei-

nes Zusatzwerkstoffes ausgebildet wird oder in Form eines Vorsprunges auf der zweiten Oberfläche (3) zur Ausbildung eines Spaltes zwischen der Kühlvorrichtung (1) und dem Bauteil (2) ausgebildet wird, sodass der Zusatzwerkstoff über eine Verbindungsfläche mit einer zumindest annähernd gleichmäßigen Schichtdicke ausgebildet wird.

14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Hilfselement (15) auf der Rückseite des Basiselements (4) für die Herstellung einer stoffschlüssigen Verbindung während der Umformung des Vorformlings (18) ausgebildet wird.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen