AT527910A4

AT527910A4 - Kühlvorrichtung

Info

Publication number: AT527910A4
Application number: ATA50022/2024A
Authority: AT
Original assignee: Miba Sinter Austria Gmbh
Priority date: 2024-01-16
Filing date: 2024-01-16
Publication date: 2025-08-15
Also published as: CN120341193A; AT527910B1; DE102025101161A1; US20250230993A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Kühlvorrichtung (1) zum Kühlen von Bauteilen (2) umfassend ein Basiselement (4) mit einer ersten Oberfläche (5), und mit einer Kühlelemente (6) aufweisenden Kühlstruktur, die auf dem Basiselement (4) die erste Oberfläche (5) überragend angeordnet ist. Die Kühlelemente (6) bestehen aus einem Sinterwerkstoff und sind durch Umformung aus dem Werkstoff des Basiselements (4) hergestellt. Das Basiselement (4) weist eine Elementhöhe (10) von maximal 3 mm, insbesondere zwischen 1 mm und 2,5 mm, auf.

Description

angeordnet ist.

Weiter betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Kühlvorrichtung umfassend die Schritte Bereitstellung eines Werkstoffes und Ausbildung einer

Kühlstruktur aus dem Werkstoff.

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 andere 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 wärmleitend 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 elektro-

chemischer Reduktion schützt.

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gen kommen ohne den ersten Grundkörper zu berühren.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Kühlvorrichtung für

Bauteile mit einer verbesserten Kühlleistung bereitzustellen.

Die Aufgabe der Erfindung wird bei der eingangs genannten Kühlvorrichtung dadurch gelöst, dass das Basiselement eine Elementdicke von maximal 3 mm,

insbesondere zwischen 1 mm und 2,5 mm, aufweist.

Weiter wird die Aufgabe der Erfindung mit dem eingangs genannten Verfahren gelöst, wonach 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, wobei aus dem Vorformling ein Basiselement gebildet wird, auf dem die Kühlelemente ausgebildet sind. und wobei das Basiselement mit einer Elementdicke von maximal 3 mm, insbesondere zwischen 1 mm und 2,5 mm, her-

gestellt wird.

Von Vorteil ist dabei, dass durch die geringe Elementdicke (auch als Elementhöhe bezeichenbar) des Basiselements im Vergleich zu bekannten Kühlvorrichtungen der Wärmeaustausch durch einen geringeren Wärmewiderstand erhöht werden kann. Ein derart geringe Plattendicke ist mit herkömmlichen Technologien nicht bzw. nur unter großem Aufwand herstellbar, da herkömmliche Technologien spanende Verfahren einsetzen. Für das Spanen müssen allerdings die Kühlplatten eine gewisse Mindestdicke aufweisen, um gespannt werden zu können. Anderer-

seits weisen die in herkömmlichen Verfahren verwendeten Werkstoffe eine höhere

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erreicht werden kann.

Nach einer Ausführungsvariante der Erfindung kann zur Erhöhung der Biegefestigkeit des Basiselements zumindest ein Versteifungselement angeordnet werden. Dieses wird vorzugsweise auf der ersten Oberfläche des Basiselements angeordnet, auf der sich auch die Kühlelemente befinden. Dadurch kann der Zusatzeffekt erreicht werden, dass mit dem Versteifungselement die Kühlperformance der

Kühlvorrichtung weiter verbessert werden kann.

Vorzugsweise ist/wird das zumindest eine Versteifungselement nach einer Ausführungsvariante der Erfindung rippenförmig ausgebildet, womit das Versteifungselement besser vom Kühlmittel, das um die Kühlelemente strömt, beströmt werden

kann.

Um eine möglichst unbeeinträchtigte Kühlstruktur aus den Kühlelementen zu ermöglichen, kann entsprechend einer weiteren Ausführungsvariante der Erfindung vorgesehen sein, dass das Versteifungselement umlaufend am Umfang des Basiselements angeordnet ist. Die umlaufende Anordnung kann dabei auch zu Verwirbelungen im Kühlfluid führen, womit die Kühlleistung der Kühlvorrichtung verbes-

sert werden kann.

Nach einer anderen Ausführungsvariante der Erfindung kann auch vorgesehen sein, dass das Versteifungselement zwischen den Kühlelementen angeordnet ist, womit der Anteil an über das Versteifungselement abgeführter Wärme erhöht wer-

den kann.

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dass das Versteifungselement wellenförmig ausgebildet ist bzw. wird.

Dabei kann nach einer Ausführungsvariante dazu vorgesehen sein, dass mehrere wellenförmige Versteifungselemente die Kühlelemente bilden, womit die Herstel-

lung der Kühlvorrichtung vereinfacht werden kann.

Nach einer weiteren Ausführungsvariante der Erfindung kann vorgesehen sein, dass das Versteifungselement eine Höhe aufweist, die zwischen 20 % und 100 % einer maximalen Höhe in gleicher Richtung der Kühlelemente entspricht. Es kann damit die Ausformung bzw. eine gegebenenfalls erfolgende weitere, nicht spanende Bearbeitung, beispielsweise eine Verdichtung, der Kühlelemente verein-

facht werden.

Wie die Kühlelemente besteht auch das zumindest eine Versteifungselement gemäß einer Ausführungsvariante der Erfindung vorzugsweise aus einem Sinterwerkstoff und ist durch Umformung aus dem Werkstoff des Basiselements hergestellt, insbesondere gemäß einer Ausführungsvariante des Verfahrens mit der Umformung des Vorformlings auf dem Basiselement ausgebildet. Es können damit

die zu den Kühlelementen genannten Vorteile erreicht werden.

Für eine Verbesserung des Strömungsverhaltens der Kühlvorrichtung und damit für einen verbesserten Wärmeabtransport kann nach einer Ausführungsvariante der Erfindung vorgesehen sein, dass das Versteifungselement mit einer Längserstreckung in Strömungsrichtung für ein Kühlfluid durch die Kühlvorrichtung ange-

ordnet ist.

Zum besseren Verständnis der Erfindung wird diese anhand der nachfolgenden

Figuren näher erläutert. Es zeigen jeweils in stark vereinfachter, schematischer Darstellung:

Fig. 1 eine Kühlvorrichtung mit zu kühlendem Bauteil in Seitenansicht;

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richtung in Draufsicht;

Fig. 5 einen Ausschnitt aus einer anderen Ausführungsvariante einer Kühlvor-

richtung in Draufsicht;

Fig. 6 eine Ausführungsvariante eines Vorformlings; Fig. 7 eine Ausführungsvariante eines Werkzeugs zur Herstellung der Kühlvorrichtung.

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 Lage-

angaben bei einer Lageänderung sinngemäß auf die neue Lage zu übertragen. In Fig. 1 ist eine Kühlvorrichtung 1 in Seitenansicht dargestellt.

Die Kühlvorrichtung 1 dient der Kühlung eines Bauteils 2 oder mehrerer Bauteile 2 bzw. einer Baugruppe. Dazu liegt die Kühlvorrichtung 1 mit einer Rückseite 3 an dem zumindest einen Bauteil 2 an, insbesondere unmittelbar, ist also zum Wär-

meaustausch bevorzugt in direktem Kontakt mit dem Bauteil 2.

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. Derartige Bauteile 2 dienen z.B. der

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genannter Leistungshalbleiter, z.B. ein IGBT, sein.

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.

Die Kühlvorrichtung 1 umfasst ein Basiselement 4, das auch die Rückseite 3 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.

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 bzw. einem Vorformling hergestellt.

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vorzugsweise zumindest 99 %, der Volldichte des eingesetzten Werkstoffes auf.

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 Sinterbautei-

len üblicherweise vorhanden sind.

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.

Die Kühlelemente 6 der dargestellten Ausführungsvariante sind zylindrisch ausgebildet. Sie können aber auch einen andere Form aufweisen, beispielsweise eine kegelstumpfförmige, pilzförmige bzw. generell eine mit einem in Richtung auf einen Kühlelementkopf 7 sich erweiternden oder verjüngendem Querschnitt, bei-

spielsweise eine pyramidenstumpfförmige Form.

Der Querschnitt der Kühlelemente 6 kann kreisrund, oval, rautenförmig, quadra-

tisch, etc. sein.

Weiter können alle Kühlelemente 6 gleich ausgebildet sein. Es ist aber auch möglich auf einem Basiselement 4 Kühlelemente 6 mit unterschiedlicher Form anzu-

ordnen bzw. zu kombinieren.

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.

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, wie dies in Fig. 3 als

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von unterschiedlichen Höhen 8 sind im Rahmen der Erfindung möglich.

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 bzw. eines Vorformlings zu den Kühlelementen 6, als vorteilhaft herausgestellt, da damit Beschädigungen der Kühlelemente 6 bzw. unvollständig ausgebildete Kühlelemente 6 vermieden bzw. reduziert werden kön-

nen.

Wie insbesondere aus Fig. 1 ersichtlich ist, kann gemäß einer Ausführungsvariante der Kühlvorrichtung 1 vorgesehen sein, dass die Rückseite 3 des Basiselements 4 mit einer ebenen Oberfläche ausgebildet ist. Es besteht aber auch die Möglichkeit, dass die Rückseite 3 mit einer oder mehreren Vertiefungen 9 ausgebildet ist, in der ein Bauteil 2 zumindest teilweise aufgenommen ist. Es ist damit eine bessere Anbindung des Bauteils 2 an die Kühlvorrichtung 1 erreichbar. Genereil kann das Bauteil 2 mit der Kühlvorrichtung 1 z.B. verklebt oder verschraubt

oder verlötet oder versintert, etc., sein.

Die zumindest eine Vertiefung 9 kann im Rahmen der Herstellung der Kühlelemente 6 gleichzeitig mit diesen hergestellt werden. Über die zumindest eine Vertiefung 9 ist es auch möglich, Kühlelemente 6 herzustellen, deren Höhe 8 größer

ist als jene der restlichen Kühlelemente 6.

Es ist vorgesehen, dass das Basiselement 4 eine Elementhöhe 10 von maximal 3 mm aufweist. Insbesondere kann das Basiselement 4 eine Elementhöhe 10 zwischen 1 mm und 2,5 mm aufweisen. Gemessen wird die Elementhöhe 10 des

(plattenförmigen) Basiselements 4 zwischen deren Rückseite 3 und der ersten

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Elementhöhe 10 neben der Vertiefung 9 gemessen.

Wie aus Fig. 2 erkannt werden kann, kann die Kühlvorrichtung 1 auf der ersten Oberfläche 5 des Basiselements 4 zumindest ein Versteifungselement 11 aufweisen. Das Versteifungselement 11 ist in der dargestellten Ausführungsvariante rip-

penförmig ausgebildet, kann aber auch eine andere Form aufweisen.

Es ist weiter möglich, dass das zumindest eine Versteifungselement 11 bzw. ein Versteifungselement 11 auf der Rückseite 3 des Basiselements 4 angeordnet ist, insbesondere wenn die Kühlvorrichtung 1 eine größere Flächenausdehnung aufweist, das das Bauteil 2, sodass auch in diesem Fall das Bauteil 2 großflächig zur Anlage an die Kühlvorrichtung 1 gelangen kann. Beispielsweise kann in dieser Ausführungsvariante das Bauteil 2 zwischen den Versteifungselementen 11 ange-

ordnet werden.

Weiter besteht die Möglichkeit, dass das zumindest eine Versteifungselement 11 flächenbündig mit der Rückseite 3 oder der ersten Oberfläche 5 abschließt und

aus einem anderen, steiferen Werkstoff besteht als der Rest des Basiselements 4.

In Fig. 2 sind zwei Versteifungselemente 11 als Beispiel dargestellt, wobei sich eines am Rand des Basiselements 4 über einen Abschnitt einer Breite 12 des Basiselementes 4 erstreckt und das zweite mittig auf dem Basiselement 4 angeordnet ist. Diese Anordnungen sind nur als Ausführungsbeispiele zu verstehen. Einerseits kann auch nur ein einziges Versteifungselement 11 oder können mehr als zwei Versteifungselemente 11, beispielsweise drei oder vier oder fünf oder sechs, vorgesehen werden. Andererseits können auch Versteifungselemente 11 mit gleicher oder unterschiedlicher Form und/oder Länge und/oder Größe bzw. Ausprägung (auf der ersten Oberfläche 5) vorgesehen werden. Beispielsweise kann sich ein Versteifungselement 11 über zumindest 80 %, insbesondere zumindest 90 %, beispielsweise zwischen 90 % und 98 %, der Breite 12 des Basiselements 4 durchge-

hend erstrecken. Gleiches gilt für eine Länge 13 des Basiselements 4.

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In der bevorzugten Ausführungsvariante ist das Versteifungselement 11 bzw. sind die Versteifungselemente 11 ausschließlich auf der ersten Oberfläche 5 des Basi-

selements 4 angeordnet.

Wenn im Folgenden nur mehr auf ein Versteifungselement 11 eingegangen wird, dann können diese Ausführungen dazu auch auf mehrere oder alle Versteifungselemente 11 angewandt werden, die auf der ersten Oberfläche 5 des Basiselements 4 bzw. auf dem Basiselement 4 angeordnet sind, falls mehrere Verstei-

fungselemente 11 vorgesehen werden.

Das Versteifungselement 11 kann beispielswiese eine dreieckförmige oder rechteckförmige oder trapezförmige Querschnittsform aufweisen, wobei auch andere

Querschnittsformen möglich sind.

Bei der in Fig. 3 dargestellten Ausführungsvariante ist zwischen den Stirnseiten und den Kühlelementen 6 entlang der Breitseiten des Basiselementes 4 jeweils ein Versteifungselement 11 vorgesehen. Die Fig. 4 zeigt einen Ausschnitt aus einer Ausführungsvariante der Kühlvorrichtung 1 bei der das Versteifungselement

11 umlaufend am Umfang des Basiselements 4 durchgehend angeordnet ist. Wie aus dieser Fig. 4 weiter ersichtlich ist, kann das Versteifungselement 11 direkt am Rand des Basiselements 4 angeordnet sein. Aus den Fig. 2 und 3 ist ersichtlich, dass das Versteifungselement 11 auch beabstandet zum Rand des Basiselements

4 angeordnet sein kann.

Weiter ist in den Eckbereichen des Basiselements 4 das Versteifungselement 11 nach Fig. 4 gerundet ausgeführt. Es kann aber auch anders ausgeführt sein, beispielsweise mit einem schrägen Verlauf zum Rand oder den Ecken des Basisele-

ments 4 folgend.

In Fig. 4 ist das Versteifungselement 11 zwischen dem Rand und den Kühlele-

menten 6 angeordnet. Wie aus Fig. 1 ersichtlich ist, kann das Versteifungselement 11 bzw. können die Versteifungselemente 11 auch zwischen den Kühlelementen 6 angeordnet sein, beispielsweise auch ausschließlich zwischen den Kühlelementen

6. Betreffend die Versteifungselemente 11 ist aber auch eine Kombination der

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Ausführungsvarianten nach den Fig. 1 und 4 möglich, sodass also Versteifungselemente 11 entlang des Randes des Basiselementes 4 und zwischen den Küh-

lelementen 6 angeordnet sein können.

Das Versteifungselement 11 kann einen geradlinigen Verlauf, wie dies z.B. in Fig. 2 gezeigt ist, aufweisen, oder nach einer Ausführungsvariante auch einen nicht geradlinigen, insbesondere wellenförmigen, wie dies der Ausschnitt aus der Kühlvorrichtung 1 in Fig. 5 zeigt. Auch diese wellenförmig ausgebildeten Versteifungselemente 11 können zwischen den Kühlelementen 6 verlaufend angeordnet sein. Bei der in Fig. 5 gezeigten Ausführungsvariante bilden die wellenförmigen Versteifungselemente11 jedoch gleichzeitig die Kühlelemente 6 der Kühlvorrichtung 1. Dabei kann nach einer weiteren Ausführungsvariante auch vorgesehen sein, dass die Versteifungselemente 11 mit einer Längserstreckung zumindest annähernd in einer Strömungsrichtung 14 für ein Kühlfluid durch die Kühlvorrichtung 1 angeordnet sind. Dies kann auch in anderen Ausführungsvarianten der Kühlvorrichtung 1 vorgesehen werden, ist also nicht auf die Ausführungsvariante nach Fig. 5 beschränkt. Bei der in Fig. 5 dargestellten Ausführungsvariante sind zwischen den

Versteifungselementen 11 Kanäle 15 für das Kühlfluid ausgebildet.

Vorzugsweise sind die Versteifungselemente 11 niedriger als die Kühlelemente 6, insbesondere wenn sie nicht gleichzeitig auch die Kühlelemente 6 bilden. Dabei kann gemäß einer weiteren Ausführungsvariante vorgesehen sein, dass das Versteifungselement 11 eine Höhe 16 aufweist, die zwischen 20 und 100%, insbesondere 60 und 90%, der Höhe 8 bzw. bei unterschiedlich hohen Kühlelementen 6 der

maximalen Höhe 8 in gleicher Richtung der Kühlelemente 6 entspricht.

Eine (zur ersten Oberfläche 5 des Basiselementes 4 parallele) Breite des Verstei-

fungselementes 11 kann zwischen 0,5 mm und 4 mm betragen.

Prinzipiell kann das Versteifungselement 11 nachträglich auf dem Basiselement 4 angebracht werden, beispielsweise nach der Ausformung der Kühlelemente 6. Nach einer Ausführungsvariante kann jedoch das Versteifungselement 11 beim

Pressen eines Vorformlings für die Herstellung des Kühlvorrichtung 1 aus dem

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Sinterwerkstoff mitgepresst bzw. pulvermetallurgisch hergestellt werden. Nach ei-

ner anderen Ausführungsvariante kann das Versteifungselement 11 aus dem Sin-

terwerkstoff durch Umformung aus dem Werkstoff des Basiselements 4 hergestellt werden, vorzugsweise gleichzeitig mit der Herstellung der Kühlelemente 6 aus

dem Vorformling.

Das Versteifungselement 11 bzw. die Versteifungselemente 11 sind daher bevorzugt einstückig mit dem Basiselement 4 und den Kühlelementen 6 ausgebildet. Es ist weiter bevorzugt, wenn das Versteifungselement 11 bzw. die Versteifungsele-

mente 11 in net shape oder near net shape Qualität hergestellt werden bzw. sind.

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.

Die Herstellung der Kühlvorrichtung 1 erfolgt auf pulvermetallurgischem Weg nach einem pulvermetallurgischem Verfahren, 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.

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.

Da diese Verfahrensweisen und die dabei verwendeten Verfahrensparameter ebenfalls aus dem Stand der Technik bekannt sind, sei diesbezüglich zur Vermei-

dung von Wiederholungen auf den einschlägigen Stand der Technik verwiesen.

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Durch das Sintern entsteht aus dem Grünling ein Vorformling 17, wie er beispielhaft in Fig. 6 dargestellt ist. Der Vorformling 17 kann als flache Platte ausgebildet sein, sodass also die Rückseite 3 und die erste Oberfläche 5 zueinander parallel

verlaufen können.

Nach einer Ausführungsvariante kann vorgesehen sein, dass die erste Oberfläche 5 des Vorformlings 17, auf der die Kühlstruktur und insbesondere zumindest ein Versteifungselement 11 ausgebildet werden, zumindest in Abschnitten gewölbt hergestellt wird. Andere Formen der ersten Oberfläche 5 des Vorformlings 17 sind in Hinblick auf eine verbesserte Umformbarkeit des Vorformlings 17 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. Ebenso können gegebenenfalls bereits Ansätze zumindest eines Versteifungselementes 11 vorgesehen werden. Zusätzlich können in die erste Oberfläche 5 des Vorformlings 17 bewusst Strukturen eingebracht werden (Wellen, Rippen,

etc.) um gegebenenfalls Verwirbelungen eines Kühlfluids zu erhöhen.

Der Vorformling 17 kann in weiterer Folge nachverdichtet werden. Die Nachverdichtung kann gleichzeitig mit der Umformung des Vorformlings 17 zu den Küh-

lelementen 6 und dem/den Versteifungselemente(en) 11 erfolgen.

Die Umformung des Vorformlings 17 erfolgt in einem Formwerkzeug 18. Dazu wird der Vorformling 17 in das Formwerkzeug 18 eingelegt oder an dieses angelegt. Im einfachsten Fall ist das Formwerkzeug 18 für die Herstellung der Kühlelemente 6 durch eine Lochplatte 19 gebildet. Die Lochplatte 19 weist Ausnehmungen 20, insbesondere Durchbrüche, auf, in die bzw. durch die ein Teil des Materials des Vorformlings 17 gedrückt wird, wodurch die Kühlelemente 6 gebildet werden. Für die Ausbildung des Versteifungselements 11 bzw. der Versteifungselemente 11 können je nach deren Form in der Lochplatte 19 entsprechende längliche oder wellen-

förmige Ausnehmungen 21 bzw. Durchbrüche vorgesehen werden.

Der Rest des Materials des Vorformlings 17, der nicht in oder durch das Formwerkzeug 18 gedrückt wird, bildet das Basiselement 4. Dabei wird bereits am Vor-

formling 17 in Abhängigkeit von der durchzuführenden Umformung zur Bildung der

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Kühlelemente 6 und des Versteifungselements 11 bzw. der Versteifungselemente 11 die spätere gewünschte Elementhöhe 10 des Basiselements 4 von maximal 3

mm berücksichtigt.

Die Ausnehmungen 20, 21, d.h. deren Querschnitt, ist an den Querschnitt der herzustellenden Kühlelemente 6 bzw. Versteifungselemente 11 entsprechend ange-

passt.

Das Formwerkzeug 18 kann auch anders aussehen, muss also nicht zwingend eine Lochplatte 19 sein. Insbesondere kann das Formwerkzeug 18 „topfförmig“ als

Matrize ausgebildet sein.

Für die Umformung wird an die Rückseite 3 des Vorformlings 17, die auch die Rückseite 3 des Basiselements 4 bildet, ein Stempel 22 angelegt und mit einem vorbestimmbaren Druck auf den Vorformling 17 gedrückt werden. 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 17 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 zwi-

schen 50 °C und 150 °C, erwärmten Formwerkzeug 18 erfolgen.

Nach der Formgebung, d.h. der Umformung des Vorformlings 17, kann die Kühlvorrichtung 1 fertig sein. Es besteht aber auch die Möglichkeit einer Nachbearbeitung der Kühlvorrichtung 1. Beispielsweise können die Kühlelemente 6 und/oder das/die Versteifungselement(e) 11 zumindest bereichsweise nachverdichtet wer-

den, beispielsweise in den freien Enden.

Die Umformung des Vorformlings 17 kann ein- oder mehrstufig durchgeführt werden, sodass also die Kühlelemente 6 und/oder das/die Versteifungselement(e) 11

in einem oder in mehreren Schritten gebildet werden können.

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Weiter besteht die Möglichkeit, dass die Kühlelemente 6 und/oder das/die Versteifungselement(e) 11 mit einer, insbesondere korrosionsbeständigen, Beschichtung

versehen werden.

Die Ausführungsbeispiele zeigen mögliche Ausführungsvarianten, wobei an dieser Stelle bemerkt sei, dass auch Kombinationen der einzelnen Ausführungsvarianten

untereinander möglich sind.

Der Ordnung halber sei abschließend darauf hingewiesen, dass zum besseren Verständnis des Aufbaus der Kühlvorrichtung 1 bzw. des Formwerkzeugs 12 die-

se nicht notwendigerweise maßstäblich dargestellt sind.

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Bezugszeichenliste

Kühlvorrichtung Bauteil Rückseite Basiselement Oberfläche Kühlelement Kühlelementkopf Höhe

Vertiefung Elementhöhe Versteifungselement Breite

Länge Strömungsrichtung Kanal

Höhe Vorformling Formwerkzeug Lochplatte Ausnehmung Ausnehmung

Stempel

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Patentansprüche

1. Kühlvorrichtung (1) zum Kühlen von Bauteilen (2) umfassend ein Basiselement (4) mit einer ersten Oberfläche (5), und mit einer Kühlelemente (6) aufweisenden Kühlstruktur, die auf dem Basiselement (4) die erste Oberfläche (5) überragend angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlelemente (6) aus einem Sinterwerkstoff bestehen und dass die Kühlelemente (6) durch Umformung aus dem Werkstoff des Basiselements (4) hergestellt sind, und dass das Basiselement (4) eine Elementhöhe (10) von maximal 3 mm, insbesondere zwi-

schen 1 mm und 2,5 mm, aufweist.

2. Kühlvorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem Basiselement (4) zumindest ein Versteifungselement (11) angeordnet ist,

insbesondere auf der ersten Oberfläche (5).

3. Kühlvorrichtung (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass

das Versteifungselement (11) rippenförmig ausgebildet ist.

4. Kühlvorrichtung (1) nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Versteifungselement (11) umlaufend am Umfang des Basiselements (4)

angeordnet ist.

5. Kühlvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Versteifungselement (11) zwischen den Kühlelementen

(6) angeordnet ist.

6. Kühlvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch ge-

kennzeichnet, dass das Versteifungselement (11) wellenförmig ausgebildet ist.

7. Kühlvorrichtung (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass

mehrere wellenförmige Versteifungselemente (11) die Kühlelemente (6) bilden.

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8. Kühlvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Versteifungselement (11) eine Höhe (16) aufweist, die zwischen 20 % und 100 % einer maximalen Höhe (8) der Kühlelemente (6) ent-

spricht.

9. Kühlvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Versteifungselement (11) aus einem Sinterwerkstoff besteht und durch Umformung aus dem Werkstoff des Basiselements (4) hergestellt

ist.

10. Kühlvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Versteifungselement (11) mit einer Längserstreckung in

Strömungsrichtung für ein Kühlfluid durch die Kühlvorrichtung (1) angeordnet ist.

11. 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 (17) gesintert wird, und aus dem Vorformling (17) die Kühlstruktur in Form von Kühlelementen (6) durch Umformung hergestellt wird, wozu ein Teil des Vorformlings (6) durch ein Formwerkzeug (18) gepresst wird, wobei aus dem Vorformling (17) ein Basiselement (4) gebildet wird, auf dem die Kühlelemente (6) ausgebildet werden, und wobei das Basiselement (4) mit einer Elementhöhe (10) von maximal 3 mm, insbesondere zwischen 1 mm und 2,5 mm,

hergestellt wird.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass mit der Umformung des Vorformlings (17) zumindest ein Versteifungselement (11) auf

dem Basiselement (4) ausgebildet wird.

A2024/88773-AT

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Ver-

steifungselement (11) rippenförmig ausgebildet wird.

14. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass

das Versteifungselement (11) wellenförmig ausgebildet wird.

A2024/88773-AT

Claims

Patentansprüche

1. Kühlvorrichtung (1) zum Kühlen von Bauteilen (2) umfassend ein Basiselement (4) mit einer ersten Oberfläche (5), und mit einer Kühlelemente (6) aufweisenden Kühlstruktur, die auf dem Basiselement (4) die erste Oberfläche (5) überragend angeordnet ist, wobei die Kühlelemente (6) aus einem Sinterwerkstoff bestehen, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlelemente (6) aus dem Werkstoff des Basiselements (4) durch Umformung eines gesinterten Vorformlings (17) durch Pressen eines Teil des Vorformlings (17) durch ein Formwerkzeug (18) hergestellt sind, und dass das Basiselement (4) eine Elementhöhe (10) von maximal

3 mm, insbesondere zwischen 1 mm und 2,5 mm, aufweist.

2. Kühlvorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem Basiselement (4) zumindest ein Versteifungselement (11) angeordnet ist, insbesondere auf der ersten Oberfläche (5).

3. Kühlvorrichtung (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Versteifungselement (11) rippenförmig ausgebildet ist.

angeordnet ist.

(6) angeordnet ist.

6. Kühlvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Versteifungselement (11) wellenförmig ausgebildet ist.

A50022/2024 (UZ: A2024/88773-AT)

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7. Kühlvorrichtung (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere wellenförmige Versteifungselemente (11) die Kühlelemente (6) bilden.

8. Kühlvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Versteifungselement (11) eine Höhe (16) aufweist, die zwischen 20 % und 100 % einer maximalen Höhe (8) der Kühlelemente (6) entspricht.

9. Kühlvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Versteifungselement (11) aus einem Sinterwerkstoff besteht und durch Umformung aus dem Werkstoff des Basiselements (4) hergestellt ist.

10. Kühlvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Versteifungselement (11) mit einer Längserstreckung in Strömungsrichtung für ein Kühlfluid durch die Kühlvorrichtung (1) angeordnet ist.

11. Verfahren zur Herstellung einer Kühlvorrichtung (1) umfassend die Schritte Bereitstellung eines Werkstoffes und Ausbildung einer Kühlstruktur aus dem Werkstoff, wobei als Werkstoff ein Sinterpulver verwendet wird, aus dem durch Pressen ein Grünling hergestellt wird, dass der Grünling zu einem Vorformling (17) gesintert wird, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem Vorformling (17) die Kühlstruktur in Form von Kühlelementen (6) durch Umformung hergestellt wird, wozu ein Teil des Vorformlings (17) durch ein Formwerkzeug (18) gepresst wird, wobei aus dem Vorformling (17) ein Basiselement (4) gebildet wird, auf dem die Kühlelemente (6) ausgebildet werden, und wobei das Basiselement (4) mit einer Elementhöhe (10) von maximal 3 mm, insbesondere zwischen 1 mm und 2,5 mm,

hergestellt wird.

A50022/2024 (UZ: A2024/88773-AT)

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dem Basiselement (4) ausgebildet wird.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Versteifungselement (11) rippenförmig ausgebildet wird.

14. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass

das Versteifungselement (11) wellenförmig ausgebildet wird.

A50022/2024 (uZ: A2024/88773-AT)

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