AT527910B1 - Kühlvorrichtung - Google Patents

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 eines gesinterten Vorformlings (17) durch Pressen eines Teil des Vorformlings (17) durch ein Formwerkzeug (18) 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

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Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft eine Kühlvorrichtung zum Kühlen von Bauteilen umfassend ein Basiselement mit einer ersten Oberfläche, und mit einer Kühlelemente aufweisenden Kühlstruktur, die auf dem Basiselement die erste Oberfläche überragend angeordnet ist, wobei die Kühlelemente aus einem Sinterwerkstoff bestehen.

[0002] Weiter betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Kühlvorrichtung 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, der zu einem Vorformling gesintert wird.

[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 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 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] Aus der US 2001/008703 A1 ist ein nach einem MIM-Verfahren hergestellter Sinterpressling zur Verwendung in einem Wärmeakbleiter bekannt, wobei der Sinterpressling aus Metallpulvern geformt ist und mindestens ein Material aus der Gruppe, die Wolfram und Molybdän enthält, und 2 bis 50 Gew.-% Silber umfasst.

[0006] Die JP 2002-110874 A beschreibt einen Kühlkörper, der dadurch gekennzeichnet ist, dass ein Rippenabschnitt und ein Basisabschnitt aus Metallpulver mit guter Wärmeleitfähigkeit integral auf eine Seite eines wärmeleitenden Substrats aus einem Metall mit guter Wärmeleitfähigkeit, wie etwa Kupfer, gesintert sind, das mit einer Schaltungskomponente als Wärmequelle in Kontakt kommt.

[0007] Aus der US 2005/252637 A1 ist ein Kühlkörper bekannt, bestehend aus einer Basis; und einer Vielzahl von Kühlelementen, die von der Basis ausgehen, wobei die Basis und die Kühlelemente einstückig ausgebildet sind und ein oder mehrere gesinterte metallische Nanopulver umfassen.

[0008] Die US 2011/067841 A1 beschreibt eine Wärmesenke, umfassend eine thermisch leitfähige Abdeckung mit einem ersten Innenseitenabschnitt; eine erste Mehrzahl von Pin-artigen Finnen, welche integral mit und abstehend von dem ersten Innenseitenabschnitt sind; einen thermisch leitfähigen Gehäuseabschnitt mit einem zweiten Innenseitenabschnitt; und eine zweite Mehrzahl von Pin-artigen Finnen, welche integral mit und abstehend von dem zweiten Innenseitenabschnitt in eine Richtung zu dem ersten Innenseitenabschnitt sind.

[0009] Die JP 2009-253053 A offenbart einen Kühlkörper, der in einer Formmatrize mit einem 1713

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Hohlraum einer vorgegebenen Form aus einem Präpolymer aufgeschäumt wird, und der danach einer Wärmebehandlung, einem Entfetten und Sintern unterzogen wird.

[0010] Die GB 2549499 A beschreibt ein Verfahren zum Bilden einer Kühlkörperanordnung, wobei das Verfahren umfasst: Bereitstellen eines Substrats, das einen Wärmeverteiler aus einem ersten Material umfasst; Aufbringen eines metallischen Füllmaterials auf eine Oberfläche des Substrats; Anwenden eines Energiestrahls, um das metallische Füllmaterial auf mindestens eine Sintertemperatur zu erhitzen, um dadurch das metallische Füllmaterial mit dem Substrat zu verbinden und eine erste verbundene Schicht zu bilden; und Aufbringen mindestens einer weiteren Schicht aus metallischem Füllmaterial auf die verbundene Schicht und Anwenden eines Energiestrahls, um die weitere Schicht aus metallischem Füllmaterial zu erhitzen und einen Wärmetauscher zu bilden; und Montieren des verbundenen Wärmeverteilers und Wärmetauschers an einer zu kühlenden Komponente; wobei das erste Material ein anderes Material als das metallische Füllmaterial umfasst.

[0011] Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Kühlvorrichtung für Bauteile mit einer verbesserten Kühlleistung bereitzustellen.

[0012] Die Aufgabe der Erfindung wird bei der eingangs genannten Kühlvorrichtung dadurch gelöst, dass die Kühlelemente aus dem Werkstoff des Basiselements durch Umformung eines gesinterten Vorformlings durch Pressen eines Teil des Vorformlings durch ein Formwerkzeug hergestellt sind, und das Basiselement eine Elementdicke von maximal 3 mm, insbesondere zwischen 1 mm und 2,5 mm, aufweist.

[0013] Weiter wird die Aufgabe der Erfindung mit dem eingangs genannten Verfahren gelöst, wonach 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, hergestellt wird.

[0014] 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. Andererseits weisen die in herkömmlichen Verfahren verwendeten Werkstoffe eine höhere Steifigkeit verglichen mit Sinterwerkstoffen gleicher Zusammensetzung auf, die einer Umformung entgegenwirkt. Diese Beschränkungen können mit dem Verfahren nach der Erfindung vermieden werden, womit auch Kühlvorrichtungen mit geringer Elementstärke des Basiselements herstellbar sind. Von Vorteil ist auch, 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.

[0015] 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.

[0016] 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.

[0017] 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

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Anordnung kann dabei auch zu Verwirbelungen im Kühlfluid führen, womit die Kühlleistung der Kühlvorrichtung verbessert werden kann.

[0018] 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 werden kann.

[0019] Für die Beeinflussung des Strömungsverhaltens des zwischen den Kühlelementen strömenden Kühlfluids und damit auch für die Beeinflussung des Wärmeabtransports kann entsprechen einer Ausführungsvariante der Erfindung vorgesehen sein, dass das Versteifungselement wellenförmig ausgebildet ist bzw. wird.

[0020] Dabei kann nach einer Ausführungsvariante dazu vorgesehen sein, dass mehrere wellenförmige Versteifungselemente die Kühlelemente bilden, womit die Herstellung der Kühlvorrichtung vereinfacht werden kann.

[0021] 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 vereinfacht werden.

[0022] 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.

[0023] 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 angeordnet ist.

[0024] Zum besseren Verständnis der Erfindung wird diese anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert.

[0025] Es zeigen jeweils in stark vereinfachter, schematischer Darstellung:

[0026] Fig. 1 eine Kühlvorrichtung mit zu kühlendem Bauteil in Seitenansicht; [0027] Fig. 2 eine Kühlvorrichtung in Schrägansicht;

[0028] Fig. 3 eine Ausführungsvariante einer Kühlvorrichtung in Seitenansicht;

[0029] Fig. 4 einen Ausschnitt aus einer weiteren Ausführungsvariante einer Kühlvorrichtung in Draufsicht;

[0030] Fig. 5 einen Ausschnitt aus einer anderen Ausführungsvariante einer Kühlvorrichtung in Draufsicht;

[0031] Fig. 6 eine Ausführungsvariante eines Vorformlings;

[0032] Fig. 7 eine Ausführungsvariante eines Werkzeugs zur Herstellung der Kühlvorrichtung.

[0033] 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.

[0034] In Fig. 1 ist eine Kühlvorrichtung 1 in Seitenansicht dargestellt.

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[0035] 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 Wärmeaustausch bevorzugt in direktem Kontakt mit dem Bauteil 2.

[0036] 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 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.

[0037] 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.

[0038] 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.

[0039] 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.

[0040] 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.

[0041] 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.

[0042] 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.

[0043] 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, beispielsweise eine pyramidenstumpfförmige Form.

[0044] Der Querschnitt der Kühlelemente 6 kann kreisrund, oval, rautenförmig, quadratisch, etc. sein.

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[0045] 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.

[0046] 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.

[0047] 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 Beispiel dargestellt ist, dass ein Teil der Kühlelemente 6 eine geringere Höhe aufweist als die restlichen Kühlelemente 6. Beispielsweise können randständige Kühlelemente 6 höher sein als die restlichen bzw. können die Kühlelemente 6 mit einem Verlauf der Höhen 8 von niedriger oder höher in der Mitte der Kühlvorrichtung 1 bis höher oder niedriger am Rand der Kühlvorrichtung 1. Andere Ausführungen von unterschiedlichen Höhen 8 sind im Rahmen der Erfindung möglich.

[0048] Weiter kann vorgesehen sein, dass pro dm? erste Oberfläche 5 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 können.

[0049] 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. Generell kann das Bauteil 2 mit der Kühlvorrichtung 1 z.B. verklebt oder verschraubt oder verlötet oder versintert, etc., sein.

[0050] Die zumindest eine Vertiefung 9 kann im Rahmen der Herstellung der Kühlelemente 6 gleichzeitig mit diesen hergestellt werden. Uber die zumindest eine Vertiefung 9 ist es auch möglich, Kühlelemente 6 herzustellen, deren Höhe 8 größer ist als jene der restlichen Kühlelemente 6.

[0051] 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 Oberfläche 5. Sofern in der Rückseite 3 eine Vertiefung 9 vorgesehen ist, wird die Elementhöhe 10 neben der Vertiefung 9 gemessen.

[0052] 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 rippenförmig ausgebildet, kann aber auch eine andere Form aufweisen.

[0053] 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, als 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 angeordnet werden.

[0054] 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.

[0055] In Fig. 2 sind zwei Versteifungselemente 11 als Beispiel dargestellt, wobei sich eines am

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

[0056] In der bevorzugten Ausführungsvariante ist das Versteifungselement 11 bzw. sind die Versteifungselemente 11 ausschließlich auf der ersten Oberfläche 5 des Basiselements 4 angeordnet.

[0057] 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 Versteifungselemente 11 vorgesehen werden.

[0058] Das Versteifungselement 11 kann beispielswiese eine dreieckförmige oder rechteckförmige oder trapezförmige Querschnittsform aufweisen, wobei auch andere Querschnittsformen möglich sind.

[0059] 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.

[0060] 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 Basiselements 4 folgend.

[0061] In Fig. 4 ist das Versteifungselement 11 zwischen dem Rand und den Kühlelementen 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 Ausführungsvarianten nach den Fig. 1 und 4 möglich, sodass also Versteifungselemente 11 entlang des Randes des Basiselementes 4 und zwischen den Kühlelementen 6 angeordnet sein können.

[0062] 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.

[0063] Bei der in Fig. 5 gezeigten Ausführungsvariante bilden die wellenförmigen Versteifungselemente 11 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.

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[0064] 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.

[0065] Eine (zur ersten Oberfläche 5 des Basiselementes 4 parallele) Breite des Versteifungselementes 11 kann zwischen 0,5 mm und 4 mm betragen.

[0066] 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 17 für die Herstellung des Kühlvorrichtung 1 aus dem Sinterwerkstoff mitgepresst bzw. pulvermetallurgisch hergestellt werden. Nach einer anderen Ausführungsvariante kann das Versteifungselement 11 aus dem Sinterwerkstoff durch Umformung aus dem Werkstoff des Basiselements 4 hergestellt werden, vorzugsweise gleichzeitig mit der Herstellung der Kühlelemente 6 aus dem Vorformling.

[0067] 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 Versteifungselemente 11 in net shape oder near net shape Qualität hergestellt werden bzw. sind.

[0068] 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.

[0069] 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.

[0070] 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.

[0071] 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.

[0072] 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.

[0073] 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.

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[0074] Der Vorformling 17 kann in weiterer Folge nachverdichtet werden. Die Nachverdichtung kann gleichzeitig mit der Umformung des Vorformlings 17 zu den Kühlelementen 6 und dem/den Versteifungselemente(en) 11 erfolgen.

[0075] 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 wellenförmige Ausnehmungen 21 bzw. Durchbrüche vorgesehen werden.

[0076] 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 Vorformling 17 in Abhängigkeit von der durchzuführenden Umformung zur Bildung der Kühlelemente 6 und des Versteifungselements 11 bzw. der Versteifungselemente 11 die spätere gewünschte Elementhöhe 10 des Basiselements 4 von maximal 3 mm berücksichtigt.

[0077] Die Ausnehmungen 20, 21, d.h. deren Querschnitt, ist an den Querschnitt der herzustellenden Kühlelemente 6 bzw. Versteifungselemente 11 entsprechend angepasst.

[0078] 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.

[0079] 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 zwischen 50 °C und 150 °C, erwärmten Formwerkzeug 18 erfolgen.

[0080] 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 werden, beispielsweise in den freien Enden.

[0081] 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.

[0082] Weiter besteht die Möglichkeit, dass die Kühlelemente 6 und/oder das/die Versteifungselement(e) 11 mit einer, insbesondere korrosionsbeständigen, Beschichtung versehen werden.

[0083] Der Ordnung halber sei abschließend darauf hingewiesen, dass zum besseren Verständnis des Aufbaus der Kühlvorrichtung 1 bzw. des Formwerkzeugs 12 diese nicht notwendigerweise maßstäblich dargestellt sind.

A ‚hes AT 527 910 B1 2025-08-15

BEZUGSZEICHENLISTE

1 Kühlvorrichtung 2 Bauteil

3 Rückseite

4 Basiselement

5 Oberfläche

6 Kühlelement

7 Kühlelementkopf 8 Höhe

9 Vertiefung

10 Elementhöhe

11 Versteifungselement

12 Breite

13 Länge

14 Strömungsrichtung 15 Kanal

16 Höhe

17 VWVorformling

18 Formwerkzeug 19 Lochplatte

20 Ausnehmung 21 Ausnehmung 22 Stempel

Claims (14)

A ‚hes AT 527 910 B1 2025-08-15 Ss N 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.

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

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.

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

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

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