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Title:
METHOD FOR PRODUCING CAST PARTS HAVING MICROCHANNELS
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2019/081774
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a method for producing a cast part (5) having at least one microchannel (6), wherein at least one fibre (2) is secured in a cavity (1.3) of a casting tool (1), such that the at least one fibre (2) extends in the cavity (1.3) at a distance from a surrounding wall of the cavity (1.3) and at least one end of the at least one fibre (2) is outside the cavity (1.3). A casting material is introduced into the cavity (1.3) and the at least one fibre (2) is encapsulated by the casting material. A cast part (5) formed from the casting material is removed from the cavity (1.3), the at least one end of the at least one fibre (2) protruding from the cast part (5). The at least one fibre (2) is pulled out of the cast part (5). The invention also relates to the cast part (5), with the at least one microchannel (6), produced using said production method and to a method for using the cast part (5), wherein a cooling medium is introduced into the at least one microchannel (6).

Inventors:
WÖSTMANN, Franz-Josef (Steinbrede 62, Münster, 48163, DE)
KLEI, Jonas (An der Gete 15, Bremen, 28211, DE)
Application Number:
EP2018/079515
Publication Date:
May 02, 2019
Filing Date:
October 26, 2018
Export Citation:
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Assignee:
FRAUNHOFER-GESELLSCHAFT ZUR FÖRDERUNG DER ANGEWANDTEN FORSCHUNG E.V. (Hansastraße 27c, München, 80686, DE)
International Classes:
B22D19/00; F28F1/00
Foreign References:
US20030173720A12003-09-18
US5070606A1991-12-10
DE112014001340T52015-11-26
DE112012003041T52014-04-17
DE102014102954A12014-09-18
DE102005033150A12007-01-25
DE102011056905A12012-06-28
DE112006000016T52008-04-03
Other References:
S.G. KHEDKAR, P.R. PACHGHARE, ASHISH M. MAHALLE: "Effect of Working Fluid on Thermal Performance of Closed Loop Pulsating Heat Pipe: A Review", INTERNATIONAL JOURNAL OF EMERGING TECHNOLOGY AND ADVANCED ENGINEERING, vol. 2, no. 3, March 2012 (2012-03-01), XP002787662, ISSN: 2250-2459
Attorney, Agent or Firm:
PFENNING, MEINIG & PARTNER MBB (Joachimsthaler Straße 10-12, Berlin, 10719, DE)
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Claims:
FRAUNHOFER-GESELLSCHAFT...e.V.

187PCT 2819

Patentansprüche

Herstellungsverfahren für ein Gussteil (5) mit mindestens einem Mikrokanal (6), wobei

mindestens eine Faser (2) in einer Kavität (1.3) eines Gießwerkzeugs (1) fixiert wird, so dass die mindestens eine Faser (2) sich in der Kavität (1.3) von einer Umwandung der Kavität (1.3) beabstandet erstreckt und mindestens ein Ende der mindestens einen Faser (2) außerhalb der Kavität (1.3) liegt,

ein Gussmaterial in die Kavität (1.3) eingeleitet und die mindestens eine Faser (2) von dem Gussmaterial umgössen wird,

ein aus dem Gussmaterial gebildetes Gussteil (5) aus der Kavität (1.3) entnommen wird, wobei aus dem Gussteil (5) das mindestens eine Ende der mindestens einen Faser (2) hervorsteht,

die mindestens eine Faser (2) aus dem Gussteil (5) herausgezogen wird.

Herstellungsverfahren gemäß Anspruch 1, wobei die mindestens eine Faser (2) einen Durchmesser von mindestens 5 μιη und/oder höchstens 1000 μιη aufweist.

Herstellungsverfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die mindestens eine Faser (2) eine Länge von mindestens 1 mm und/oder höchstens 500 mm aufweist.

Herstellungsverfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Biegeradius der mindestens einen Faser (2) mindestens ein Zehnfaches des Durchmessers der Faser und/oder mindestens 0,5 mm beträgt.

Herstellungsverfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Schmelzpunkt der mindestens einen Faser (2) bei mindestens 1000°C liegt und/oder eine Temperaturbeständigkeit der mindestens einen Faser bei mindestens 750°C liegt. Herstellungsverfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche wobei das Gussmaterial Aluminiumschmelze ist, vorzugsweise

Anticorodal AC 70, oder das Gussmaterial Aluminium und/oder Magnesium und/oder Zink und/oder Blei und/oder Kupfer enthält.

Herstellungsverfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei als Gießverfahren ein Niederdruck- oder Schwerkraftgießverfahren verwendet wird oder wobei ein Druckguss-, Feinguss- oder Lost Foam -Verfahren verwendet wird.

Herstellungsverfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die mindestens eine Faser (2) als Glasfaser, Kohlenstofffaser, Aramidfaser, mineralische Faser oder metallische Faser gewählt wird.

Herstellungsverfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die mindestens eine Faser (2) eine Vielzahl Fasern umfasst, die als Garn, Hybridgarn, Roving, Faserbündel oder Geflecht ausgestaltet sind.

Herstellungsverfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in der Kavität (1.3) mindestens eine Kernmarke (4) bereitgestellt wird und zumindest eine der Fasern (2) mittels der mindestens einen Kernmarke (4) umgelenkt wird.

Herstellungsverfahren gemäß Anspruch 10, wobei das Verfahren weiterhin einen Schritt zum Verschließen von durch die mindestens eine Kernmarke (4) verursachten Löchern (7) in dem Gussteil (5) umfasst.

Herstellungsverfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in der Kavität (1.3) mindestens ein Draht zur Fixierung und/oder zum Umlenken der Faser (2) bereitgestellt wird, wobei der mindestens eine Draht aus Aluminium gebildet ist oder aus einem Material, das geeignet ist, sich mit dem Gussmaterial stoffschlüssig zu verbinden oder mit dem Gussmaterial in Lösung zu gehen.

13. Herstellungsverfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die mindestens eine Faser (2) mit einem temperaturstabilen Matrix-Werkstoff, vorzugsweise Wasserglas oder Silikatklebstoff, infiltriert wird, zum Herstellen einer Formstabilität für die Faser (2) mit gebogenem oder abgewinkeltem Verlauf.

Herstellungsverfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die mindestens eine Faser (2) in einem Rahmen (3) eingespannt wird und der Rahmen (3) in dem Gießwerkzeug (1) positioniert wird.

Herstellungsverfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Zugkraft zum Herausziehen der mindestens einen Faser (2) gesteuert oder geregelt wird.

Gussteil (5) mit mindestens einem Mikrokanal (6), hergestellt nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, vorzugsweise ausgebildet als Spule oder als Gehäuse einer Batterie oder eines Elektromotors, oder als Komponente einer Werkzeugmaschine, einer Leistungselektronik, einer Gasturbine, eines Verdichters, einer Turbinenschaufel, eines Wärmetauschers oder eines Brenners.

Verfahren zur Verwendung eines Gussteils (5) gemäß Anspruch 16, wobei ein Kühlmedium in den mindestens einen Mikrokanal (6) eingeleitet wird.

Verfahren gemäß Anspruch 17, wobei das Kühlmedium in flüssigem Aggregatzustand in den mindestens einen Mikrokanal (6) eingeleitet wird.

Verfahren gemäß Anspruch 18, wobei das Kühlmedium in dem

Kühlkanal seinen Aggregatzustand von flüssig zu gasförmig ändert.

Verfahren gemäß einem der Ansprüche 17 bis 19, wobei das Kühlmedium mit einem Vordruck an einem Eintritt des mindestens einen Kühlmediums anliegt.

Verfahren gemäß einem der Ansprüche 17 bis 20, wobei als Kühlmittel R123a oder Ammoniak verwendet wird.

Description:
Verfahren zur Herstellung von Gussteilen mit Mikrokanälen

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Gussteilen mit Mikrokanälen. Ebenso bezieht sich die Erfindung auf mit dem Verfahren hergestellte Gussteile, insbesondere Spulen, die einen Kühlkanal umfassen sowie deren Verwendung.

In verschiedensten technischen Prozessen, Anwendungen und Bauteilen ist es notwendig, überschüssige Wärme abzuführen und Bauteile vor einer Überhitzung zu schützen oder gezielt zu temperieren. Bei vielen Anwendungen wie beispielsweise Spulen in elektrischen Maschinen oder Kühlelementen in Batterien ist neben dem zu gewährleistenden Wärmeaustausch- und Abtransport der zur Verfügung stehenden Bauraum für die Bauteiltemperierung sowie der Bedarf möglichst dicht an die zu temperierenden Komponenten heran zu kommen von entscheidender Bedeutung. Bei Spulen in E-Maschinen wird die Kühlung heutzutage beispielsweise über eine gerichtete Zwangsbelüftung mittels Anströmen mit Luft erreicht. Nachteilig dabei ist, dass der Motor mit Luft durchströmt werden muss, wodurch Verschmutzungen in den Motor eingetragen werden können, welche zum Ausfall führen, beziehungsweise Wartungsmaßnahmen erfordern oder zusätzliche Versorgungsmöglichkeiten und Komponenten des Motors notwendig machen. Weiterhin ist die Wärmeleitfähigkeit und Wärmekapazität von Luft geringer als die anderer

Kühlmedien, weshalb diese als wenig effizient einzustufen ist. Die gleichen Problemstellungen ergeben sich bei der Anwendung für Kühl- /Temperierelemente für Batterien und weitere elektronische Komponenten. Insbesondere der zur Verfügung stehende Bauraum erschwert die Umsetzung von konventionellen Kühl-/Temperierkonzepten mit Temperiermedien.

Kühlkanäle können durch das Zusammensetzen eines Gehäuses aus mehreren Teilen gebildet werden. In einer Gehäusehälfte wird dabei die offen liegende Struktur der Kühlkanäle abgebildet, die andere Gehäusehälfte verschließt die Kühlkanäle, beziehungsweise Abwandlungen dieser beschriebenen Bauweise. In Gussbauteilen können Kühlkanäle mittels Kernen, eingegossenen Rohren oder in einem nachträglichen Bearbeitungsschritt erzeugt werden. Alle Varianten unterliegen geometrischen Beschränkungen, sodass Kühlkanäle einer Beschränkung im Verhältnis von Länge zu Durchmesser und der Komplexität der Form unterliegen.

Nach dem Stand der Technik können weiterhin verlorene Kerne eingesetzt werden, um gießtechnisch komplexe Hohlstrukturen zu erzeugen. Dabei unterliegen die Kerne aufgrund der geringen Festigkeit geometrischen Beschränkungen. So kann kein beliebiges Verhältnis zwischen Länge, Durch- messer und Komplexität des Hohlraumes innerhalb des Gussbauteils eingestellt werden.

Bekannt sind außerdem nachträglich in ein Gussbauteil eingebrachte Hohlstrukturen. Diese unterliegen starken geometrischen Beschränkungen in Bezug auf das Verhältnis von Länge zu Breite und Komplexität. Ebenfalls können ungewollte Verformungen innerhalb des Bauteils durch den Abbau von Eigenspannung bei der Einbringung der Hohlstrukturen entstehen.

Batterie-Systeme für elektrisch angetriebene Fahrzeuge benötigen ein regelbares Kühlsystem, wobei das zusätzlich durch das Kühlsystem einge- brachte Gewicht zu Lasten der Reichweite des Fahrzeuges geht und minimiert werden soll.

Gemäß DE 11 2014 001 340 werden Kühlsammelleitungen zwischen einzel- nen Lamellen eines Statorkerns gebildet.

DE 11 2012 003 041 beschreibt die Herstellung von Mikrokanälen mittels Diffusionsschweißen und/oder Hartlöten, wodurch eine vollständige Kanaltrennung und die Beständigkeit gegen den herrschenden Betriebsdruck erreicht wird.

DE 10 2014 102 954 AI beschreibt ein Mikrokanal-Kühlrippe gebildet aus einer Metallplattenbaugruppe zur Kühlung von Batteriemodulen für elektrisch angetriebene Fahrzeuge.

Gemäß DE 10 2005 033 150 AI erfolgt die Kühlung elektrischer Bauelemente mittels Grundplatte und metallischer Folien, welche stoffschlüssig miteinander verbunden werden, sodass Kanäle mit einer Breite von 100 bis 350 μιη und einer Tiefe von 30 bis 150 μιη entstehen. Der Mittlere Abstand zwischen den Kanälen beträgt 30 bis 300 μιη.

In der DE 10 2011 056 905 AI werden Mikrokanäle in metallische Oberflächen aufgebracht und durch Aufbauabscheidung verschlossen. DE 11 2006 0000 160 beschreibt die Bildung von Mikrokanälen durch Einsatz eines abtragenden Verfahrens und Anordnung mehrerer Lagen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine möglichst effiziente Kühlung von Bauteilen zu ermöglichen, wobei Bauteilgröße und -gewicht möglichst gering gehalten werden sollen. Weiterhin sollen die genannten Nachteile von

Kühlsystemen gemäß Stand der Technik vermieden werden.

Die Aufgabe wird durch einen Herstellungsverfahren für ein Gussteil mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Außerdem wird die Aufgabe durch ein Gussteil gemäß dem Nebenanspruch 10 sowie durch ein

Verfahren zur Verwendung eines Gussteils gemäß dem Nebenanspruch 11 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Unteransprüchen sowie aus der Beschreibung und den Figuren.

Bei der vorliegenden Erfindung kann es insbesondere vorgesehen sein, eine Kühlung direkt in Bauteile mittels Mikrokanäle zu integrieren oder ein

Kühlelement bzw. Wärmetauscher kleiner zu dimensionieren, als es nach dem Stand der Technik möglich ist. Dabei ist insbesondere die Herstellung der Mikrokanäle und deren geometrische Gestaltung und Positionierung Teil der Erfindung. Mit der Erfindung soll es möglich werden, komplexe Kanäle in Gussbauteilen zu erzeugen, wobei diese ein großes Verhältnis zwischen Länge und Durchmesser aufweisen.

Ein Herstellungsverfahren ist gemäß dieser Anmeldung also auf die Herstellung des Bauteils als Gussteil mit mindestens einem Mikrokanal gerichtet. Dabei wird mindestens eine Faser in einer Kavität eines Gießwerkzeugs fixiert. Die Faser erstreckt sich in der Kavität und ist dabei von einer Umwandung der Kavität beabstandet, wobei mindestens ein Ende der mindestens einen Faser außerhalb der Kavität liegt. Ein Gussmaterial wird in die Kavität eingeleitet und die mindestens eine Faser von dem Gussmaterial umgössen. Ein aus dem Gussmaterial gebildetes Gussteil wird aus der Kavität entnommen, wobei das aus der Kavität herausragende Ende der mindestens einen Faser aus dem Gussteil hervorsteht. Die mindestens eine Faser wird an dem aus dem Gussteil herausragenden Ende aus dem Gussteil herausgezogen sodass dort, wo die Faser in dem Gussteil verlaufen ist, ein den Mikrokanal bildender Hohlraum verbleibt.

Durch die Verwendung einer Faser zur Herstellung des Mikrokanals wird es ermöglicht, den Mikrokanal mit einem komplexen Verlauf auszugestalten, also beispielsweise eine oder auch mehrere Biegungen in dem Mikrokanal zu erzeugen. Durch die Flexibilität der Faser kann diese auch dann gezogen werden, wenn sie eine oder mehrere Krümmungen oder Biegungen enthält. Ferner kann ein Durchmesser des Kanals besonders gering gehalten werden. Im Bauteil zur Verfügung stehender Platz kann so optimal ausgenutzt werden. Die mindestens eine Faser kann beispielsweise einen Durchmesser haben, der etwa 5 μιη beträgt. Der Durchmesser kann auch mehr als 5 μιη betragen und beispielsweise höchstens einige hundert μιη, etwa höchstens 500 μιη betragen.

Die mindestens eine Faser ist typischerweise mindestens 1 mm lang. Es kann sein, dass die Länge der mindestens einen Faser höchstens einige hundert mm beträgt, etwa höchstens 500 mm, um die Faser noch gut entfernen zu können.

Ebenfalls mit Blick auf das Entfernen der Faser kann es vorgesehen sein, dass ein Biegeradius der mindestens einen Faser, wenn sie in der Kavität angeordnet ist, mindestens ein Zehnfaches des Durchmessers der Faser beträgt.

Alternativ oder zusätzlich kann als kleinster Biegeradius 0,5 mm vorgesehen sein. Durch solche Biegeradien kann das Abreißen der mindestens einen Faser verhindert werden.

Dieser kleinste Biegeradius spiegelt sich dann in dem herzustellenden Gussteil als kleinster Biegeradius des darin befindlichen mindestens einen Mikrokanals wieder.

Ein Schmelzpunkt der mindestens einen Faser liegt typischerweise bei mindestens 1000°C, beispielsweise bei ca. 1200°C. Alternativ oder zusätzlich wird die Faser typischerweise so gewählt, dass ihre Temperaturbeständigkeit mindestens 750°C beträgt.

Bei dem Verfahren kann die mindestens eine Faser zum Beispiel in einem Rahmen eingespannt werden. Der Rahmen kann in dem Gießwerkzeug positioniert werden. Der Rahmen kann dann etwa die Kavität begrenzen, so dass das Gussmaterial in ein Inneres des Rahmens eingeleitet wird.

Bei dem Herstellungsverfahren wird als Gussmaterial vorzugsweise Aluminiumschmelze, etwa Anticorodal AC 70, verwendet.

Es kann aber auch sein, dass ein anderes Gussmaterial verwendet wird, das beispielsweise Aluminium und/oder Magnesium und/oder Zink und/oder Blei und/oder Kupfer enthält. Es kommen also etwa Legierungen der genannten Materialien in Frage. Dabei werden beispielsweise Gussmaterialien verwendet mit Schmelzpunkt unter 700° C, vorzugsweise unter 600° C. Als Gießverfahren können beispielsweise ein Niederdruck- oder Schwerkraftgießverfahren zum Einsatz kommen. Hiermit kann vorteilhaft erreicht werden, dass die Fasern beim Einfüllen des Gussmaterials an der vorgesehenen Position verbleiben und außerdem keine stoffschlüssige Verbindung mit dem Gussmaterial eingehen.

Es können aber auch Druckguss-, Feinguss- oder Lost Foam -Verfahren verwendet werden.

Für das Gießwerkzeug können sowohl Dauerformen als auch verlorene Formen verwendet werden.

Die mindestens eine Faser kann zum Beispiel als Glasfaser, etwa aus S-Glas oder E-Glas, als Kohlenstofffaser, Aramidfaser, mineralische Faser oder metallische Faser ausgebildet sein. Diese Materialien haben sich als besonders geeignet herausgestellt, um die stoffschlüssige Verbindung mit dem Gussmaterial zu vermeiden.

Die genannten optionalen Weiterentwicklungen können jeweils für sich genommen oder in Kombination dazu beitragen, dass die Fasern sich mit geringem Kraftaufwand aus dem Gussbauteil herausziehen lassen.

Beim Entfernen der mindestens einen Faser aus dem Gussbauteil zur Erzeugung des mindestens einen Mikrokanals kann eine Zugkraft zum Herausziehen der mindestens einen Faser gesteuert oder geregelt werden. Die Kraft kann also insbesondere während des Herausziehens variiert werden, um ein Abreißen der mindestens einen Faser zu vermeiden. Das kann beispielsweise dann angezeigt sein, wenn die Faser einen gekrümmten oder abgewinkelten Verlauf aufweist.

Es kann in möglichen Ausführungen auch vorgesehen sein, dass als Fasern dicke Einzelfasern zum Einsatz kommen. Es kann aber auch vorgesehen sein, dass die mindestens eine Faser eine Vielzahl Fasern umfasst, die als Garn, Hybridgarn, Faserbündel, Rovings oder Geflecht bereitgestellt werden.

Dadurch kann beispielsweise einerseits einen Mikrokanal mit entsprechend größerem Durchmesser erzielt werden und andererseites das Herausziehen vereinfacht werden, da die genannten Elemente im Vergleich zu Einzelfasern kompressibel sein können.

Dabei ist es auch möglich, dass die genannten mehrere Fasern umfassenden Garne, Hybridgarne, Faserbündel, Rovings oder Geflechte entfernt werden, indem die darin enthaltenen Fasern einzeln herausgezogen werden.

Weiterhin können Hybridgarne mit Außenmantel aus Glasfasern und einem temperaturstabilen Kern aus Stahlfilamenten eingesetzt werden.

Auf diese Weise können die Eigenschaften der Fasern an den Gießprozess und an die Anforderungen der zu schaffenden Mikrokanäle angepasst werden.

Im Folgenden wird erläutert, wie, sofern vorgesehen, ein komplexer Verlauf für die Fasern hergestellt werden kann.

In einer möglichen Ausführung kann in der Kavität mindestens eine Kernmarke bereitgestellt werden wobei zumindest eine der mindestens einen Faser mittels der mindestens einen Kernmarke umgelenkt wird.

Dabei kann in dem Verfahren ein weiterer Schritt zum Entfernen der mindestens einen Kernmarke aus dem Gussteil vorgesehen sein. Die Kernmarke kann mit dem Gießwerkzeug verbunden sein, so dass die Kernmarke beim Entnehmen des Gussteils aus dem Werkzeug entfernt wird. Durch die mindestens eine Kernmarke verursachte Löcher in dem Gussteil können dann, beispielsweise vor dem Entfernen der mindestens einen Kernmarke, geschlossen werden, etwa durch Einbringen von Gussmaterial in die Löcher.

Alternativ oder zusätzlich kann in der Kavität mindestens ein Draht zur Fixierung und/oder zum Umlenken der Faser bereitgestellt werden, wobei der mindestens eine Draht aus Aluminium gebildet ist oder aus einem Material, das geeignet ist, mit dem verwendeten Gussmaterial eine Stoffschlüssige Verbindung einzugehen oder in Lösung zu gehen. Der so ausgestaltete Draht verbindet sich dann mit dem in die Kavität eingeleiteten Gussmaterial auf feste und für Medien dichte weise und muss nicht entfernt werden. Wenn der Draht nicht vollständig mit dem Gussmaterial in Lösung geht, kann er in manchen Ausführungen als Fremdkörper im Gussteil verbleiben ohne dessen Leistungsfähigkeit wesentlich zu beeinträchtigen oder zu einer strukturellen Schwächung des Gussteils zu führen. Der mindestens eine Draht kann beispielsweise als dünner Draht ausgebildet sein. Er kann innerhalb des Werkzeuges oder in einem Spannrahmen außerhalb des Werkzeuges vorbereitet werden.

Weiterhin ist es alternativ oder zusätzlich auch möglich, die mindestens eine Faser mit einem temperaturstabilen Matrix-Werkstoff, vorzugsweise Wasserglas oder Silikatklebstoff, zu infiltrieren. Die mindestens eine Faser wird typischerweise in einem vorgeschalteten Prozess in ein Formgebendes Werkzeug eingebracht und mit dem temperaturstabilen Matrix-Werkstoff infiltriert um vorkonfektionierte Preforms zu erzeugen, die eine maximal komplexe Gestalt annehmen können. Die auf diese Weise hergestellte Faser ist formstabil und kann einen gebogenen oder abgewinkelten Verlauf aufweisen. Sie kann dann in der Kavität bereitgestellt werden, wobei ein Vorteil darin liegt, dass für den gebogenen oder abgewinkelten Lauf keine Drähte oder Kernmarken oder zumindest weniger Drähte und Kernmarken benötigt werden als bei flexiblen Fasern. Beispielsweise kann die Faser dann nur mittels eines Rahmens oder nur mittels Drähten oder Kernmarken fixiert werden.

Ein Grad der Infiltration ist so gewählt, dass einerseits ausreichende Formstabilität besteht und andererseits die Entfernung der infiltrierten Faser oder Fasern durch Herausziehen aus dem Gussteil möglich ist.

Die Erfindung bezieht sich auch auf ein Bauteil, insbesondere Gussteil, mit dem die effiziente Kühlung ermöglicht werden kann.

Das Gussteil weist mindestens einen Mikrokanal auf, der auf die oben beschriebene Weise hergestellt ist. Das Gussteil kann dabei beispielsweise als Spule ausgebildet sein oder als Gehäuse einer Batterie oder eines Elektromotors. Ebenso kann es sich um eine Komponente einer Werkzeugmaschine, beispielsweise für eine Hochgeschwindigkeitsanwendung, eine Komponente einer Leistungselektronik, einer Gasturbine, eines Verdichters, einer Turbinenschaufel, eines Wärmetauschers oder eines Brenners handeln.

Außerdem bezieht sich die Erfindung auf die Verwendung des hier beschriebenen Gussteils. Die Ausgestaltung der auf die beschriebene Weise gefertigten Kanäle, insbesondere ihr geringer Durchmesser und typischerweise komplexe Form kann zur Folge haben, dass bestimmte Arten der Verwendung vorteilhaft sind.

Beispielsweise können in Verfahren zur Verwendung des Gussteils Kühlmedien eingesetzt werden, die einen niedrigen Siedepunkt aufweisen und die Mikrokanäle zumindest während eines Teils der Verwendung gasförmig durchströmen. Flüssige Medien erleiden in Kanälen geringem Querschnitt einen erheblichen Druckverlust und benötigen daher bei Einsatz in Mikrokanä- len entsprechend höhere Drücke, Pumpenleistungen und in Folge dessen einen höheren Energieaufwand. Dadurch wird das Gesamtsystem im Wirkungsgrad und der Wirtschaftlichkeit reduziert.

Im Fall der hier gezeigten Mikrokanäle kann das Kühlmedium entsprechend der für die Anwendung relevanten Einsatztemperaturen ausgewählt werden.

Das Kühlmedium steht typischerweise mit einem geringen Vordruck am Eintritt der Mikrokanäle an.

Ein Kühlmedium kann beispielsweise in flüssigem Aggregatzustand in den mindestens einen Mikrokanal eingeleitet werden.

Es kann vorgesehen sein, dass das Kühlmedium bei Erwärmung des Bauteils bzw. des Kühlmantels seinen Aggregatzustand von flüssig zu gasförmig ändert.

Als mögliche Kühlmedien können aktuell eingesetzte Kältemittel verwendet werden. Beispielsweise können R123a oder Ammoniak verwendet werden.

Der Siedepunkt der Kühlmittel kann durch den Vordruck gezielt beeinflusst werden kann. Entsprechend der Anwendung können Kältemittel für eine hohe Effizienz, leichte Detektierbarkeit, Vermeidung von Ozonschäden usw. ausgewählt werden. Durch den möglichen Übergang in die gasförmige Phase resultieren eine hohe Enthalpie-Aufnahme und damit eine hohe Kühlleistung. Gleichzeitig entsteht durch den Übergang in den gasförmigen Zustand ein Volumenanstieg, woraus ein Druckanstieg im System resultiert. Das gasförmige Kühlmedium wird so ohne einen Anstieg des Vordruckes durch den Kühlkanal getrieben.

Der Kühlprozess kann beispielsweise auch nach dem Thermosiphon- oder Heatpipe-Prinzip oder nach dem Prinzip einer Kältemaschine erfolgen.

Beispielhafte Ausführungen der Erfindung werden anhand der angehängten Figuren erläutert.

Darin zeigen

Figur 1 schematisch ein Gießwerkzeug, mit einer Kavität, in der eine

Faser angeordnet wird,

Figur 2 ein Gussteil mit einem Mikrokanal, hergestellt mit dem

Gießwerkzeug aus Figur 1,

Figur 3 eine Seitenansicht und einen Schnitt des Gussteils aus Figur 2,

Figur 4 eine Schrägansicht und einen Schnitt eines als Spule ausgebildeten Gussteils mit einem Mikrokanal,

Figur 5 ein Gießwerkzeug, in dem ein Rahmen mit eingespannten

Fasern positioniert wird,

Figur 6 ein mit dem Gießwerkzeug aus Figur 5 hergestelltes Gussteil,

Figur 7 ein Gießwerkzeug mit einer Kavität und darin angeordneten

Kernmarken zum Umlenken einer in der Kavität verlaufenden Faser, und Figur 8 einen Schnitt durch ein mit dem Gießwerkzeug aus Figur 7 hergestelltes Gussteil, mit einem Mikrokanal und durch die Kernmarken verursachten Löchern. Figur 1 zeigt oben eine schematische Darstellung einer Faser 2, welche vor einem Gießprozess in einem in der Figur unten dargestellten Gießwerkzeug 1 positioniert wird. In der Figur 1 ist durch einen Pfeil angedeutet, wie die aus Fasermaterial gebildete Faser 2 in eine Kavität 1.3 des Werkzeugs eingebracht wird, wobei eine Biegung der Faser 2 einem Verlauf der Kavität 1.3 folgt. So kann die Faser 2 im Wesentlichen zentral in der Kavität 1.3 angeordnet werden, so dass sie sich von einer Umwandung der Kavität 1.3 beabstandet erstreckt.

Die Faser 2 wird in der Kavität des Gießwerkzeugs so fixiert, dass ihre Enden aus der Kavität herausragen.

Anschließend wird Aluminiumschmelze, beispielsweise Anticorodal AC 70, als Gussmaterial in die Kavität 1.3 eingeleitet, so dass die Faser 2, d.h. ein Bereich der Faser, der in der Kavität 1.3 liegt, von dem Gussmaterial umgössen wird.

In anderen Ausführungen kann das Gussmaterial anstatt oder neben Aluminium auch Magnesium und/oder Zink und/oder Blei und/oder Kupfer enthalten.

Die Faser 2 ist als Glasfaser, beispielsweise aus S-Glas oder E-Glas ausgebildet. In anderen Ausführungen kann sie auch als Kohlenstofffaser, Aramidfaser, mineralische Faser oder metallische Faser gewählt werden.

Im gezeigten Beispiel ist die Faser 2 in einem vorgeschalteten Prozess in ein Formgebendes Werkzeug eingebracht und mit einem temperaturstabilen Matrix-Werkstoff (beispielsweise Wasserglas, Silikatklebstoff usw.) infiltriert worden. So entstehende vorkonfektionierte Preforms können eine maximale komplexe Gestalt annehmen und werden anschließend in das Gießwerkzeug eingelegt. Durch den gewählten Grad der Infiltration werden Formstabilität der Preforms und Entform barkeit aus dem Gußteil erreicht. Die Faser 2 hat einen Durchmesser von zwischen 5 μιη uno!500 μιη eine Länge von mindestens 1 mm und höchstens 500 mm.

Ein Biegeradius der Faser 2 beträgt mindestens ein Zehnfaches des Durchmes- sers der Faser und mindestens 0,5 mm.

Ein Schmelzpunkt der Faser liegt bei über 1200°C und eine Temperaturbeständigkeit bei über 750°C. Zwischen Faser 2 und Aluminiumschmelze besteht ein nicht-benetzendes

System. Dadurch werden in verschiedenen Gießverfahren eingegossene Fasern, Gewebe, Gelege und andere Faserhalbzeuge nicht benetzt und gehen keine stoffschlüssige Verbindung mit dem Aluminium ein. So können Fasern gezielt in den Gießprozess eingebracht, umgössen und anschließend wieder aus dem Bauteil herausgezogen werden. In einem nachgeschalteten Prozessschritt werden die Fasern aus dem Gussbauteil gezogen, wodurch ein

Mikrokanal entsteht (siehe auch Figuren 2 und 3).

Versuche haben beispielsweise gezeigt, dass Glasfasern (S-Glas, E-Glas) und Aluminium (Anticorodal AC 70) im Niederdruck- und Schwerkraftgießprozess keine Verbindung miteinander eingehen. So können die Fasern mit einer Zugprüfmaschine anschließend mit geringem Kraftaufwand aus dem Gussbauteil herausgezogen werden. Es ist aber auch möglich, Druckguss-, Feinguss- oder Lost Foam-Verfahren zu verwenden.

Zum Entfernen der Faser aus dem Gussbauteil zur Erzeugung eines Mikroka- nals wird das Gussteil aus der Kavität entnommen und die Faser in einem maschinengestützten und geregelten Prozess aus dem Gussbauteil herausgezogen, um ein Abreißen innerhalb des Bauteils zu verhindern.

Die Verwendung von Faserbündeln oder Rovings oder Garnen oder Fasergarnen oder Geflechten ist ebenfalls möglich. Weiterhin können Hybridgarnen mit Außenmantel aus Glasfasern und einem temperaturstabilen Kern aus

Stahlfilamenten eingesetzt werden. Figur 2 zeigt eine schematische Darstellung des dünnwandig ausgebildeten Gussteils 5 mit Mikrokanal 6, dessen Herstellung im Zusammenhang mit Figur 1 beschrieben wurde. Es weist den gebogenen bzw. geschwungenen Verlauf der in der Figur 1 gezeigten Kavität 1.3 auf.

Das aus dem Gussmaterial gebildete Gussteil 5 wurde aus der Kavität 1.3 entnommen, wobei an entgegengesetzten Enden des Gussteil 5 die Faser 2 hervorsteht.

Eines der Enden der Faser 2 wird gegriffen und aus dem Gussteil 5 herausgezogen, wobei der oben beschriebene maschinengestütze und geregelte Prozess verwendet wird.

Figur 3 zeigt eine schematische Darstellung des dünnwandigen Gussteils 5 mit Mikrokanal 6 aus Figur 2 in einer Seitenansicht (oben) und in einer Schnittdarstellung (unten).

In der Schnittdarstellung ist der zentral in dem Gussteil 5 verlaufende

Mikrokanal 6 zu erkennen, der einen identischen und über die Länge gleichbleibenden Abstand zu parallel verlaufenden geschwungenen Außenseiten des Gussteils 5 aufweist und sich über eine komplette Länge des Gussteils 5 erstreckt und an entgegengesetzten Enden aus dem Gussteil 5 hervortritt. Diese Ausgestaltung des Mikrokanals 6 wird durch die in im Zusammenhang mit Figuren 1 und 2 beschriebene Herstellungsmethode ermöglicht.

Figur 4 zeigt ein Gussteil 5 mit zwei Mikrokanälen, welches mit der oben beschriebenen Methode, unter Einsatz von Fasern 2 hergestellt wurde. Links ist das Gussteil 5 in einer perspektivischen Ansicht und rechts in einer seitlichen Schnittansicht gezeigt, sodass die Mikrokanäle 6 sichtbar sind.

Das Gussteil 5 ist als Spule ausgebildet, deren Windungen aus gegossenem Aluminiumdraht mit abgeflachtem rechteckigem Querschnittsprofil geformt werden. Derartige flach ausgestaltete Spulen sind geeignet, zur Verfügung stehenden Bauraum besonders gut auszunutzen. Im Betrieb können solche

Spulen dadurch auch besonders heiß werden, sodass eine Kühlung notwendig sein kann. Kühlvorrichtungen gemäß Stand der Technik würden diesem Ziel entgegenlaufen. In solchen gegossenen Spulen für elektrische Maschinen können mit der hier beschriebenen Technik Mikrokanäle zur innenliegenden Kühlung der einzelnen Windungen eingebracht werden. Durch die gezeigten Mikrokanäle müssen keine zusätzlichen Komponenten bereitgestellt werden. Die Kanäle können sich entlang von Windungsabschnitten erstrecken. Im gezeigten Beispiel erstrecken sich zwei Kanäle 6 parallel zueinander zwischen zwei gegenüberliegenden Seiten der Spule entlang zweier Windungsabschnitte.

Beim Betrieb von Bauteilen mit mindestens einem Mikrokanal, insbesondere beispielsweise beim Betrieb der gezeigten Spule, können diese auf die im Folgenden beschriebene Weise vorteilhaft gekühlt werden.

Vorteilhaft ist der Einsatz von Kühlmedien, die einen niedrigen Siedepunkt aufweisen und die Mikrokanäle gasförmig durchströmen. Flüssige Medien erleiden in Kanälen geringem Querschnitt einen erheblichen Druckverlust und benötigen daher bei Einsatz in Mikrokanälen entsprechend höhere Drücke, Pumpenleistungen und in Folge dessen einen höheren Energieaufwand. Dadurch wird das Gesamtsystem im Wirkungsgrad und der Wirtschaftlichkeit reduziert. In Kombination mit Mikrokanälen wird das flüssige Kühlmedium entsprechend der Anwendung relevanten Einsatztemperaturen ausgewählt. Das Kühlmedium steht mit einem geringen Vordruck am Eintritt der Mikrokanäle an. Bei Erwärmung des Bauteils bzw. des Kühlmantels ändert das Kühlmedium seinen Aggregatzustand von flüssig zu gasförmig. Als mögliche Kühlmedien können aktuell eingesetzte Kältemittel (z.B. R123a, Ammoniak) verwendet werden, deren Siedepunkt durch den Vordruck gezielt beeinflusst werden kann. Entsprechend der Anwendung können Kältemittel für eine hohe Effizienz, leichte Detektierbarkeit, Vermeidung von Ozonschäden usw.

ausgewählt werden. Durch den Übergang in die gasförmige Phase resultieren eine hohe Enthalpie-Aufnahme und damit eine hohe Kühlleistung. Gleichzeitig entsteht durch den Übergang in den gasförmigen Zustand ein Volumenanstieg, woraus ein Druckanstieg im System resultiert. Das gasförmige Kühlmedium wird so ohne einen Anstieg des Vordruckes durch den Kühlkanal getrieben. Außer Spulen können auf die beschriebene Weise auch andere gegossene Bauteile mit den gezeigten Mikrokanälen versehen und dann bei ihrer Verwendung auf die beschriebene Weise gekühlt werden. Bei diesen anderen gegossenen Bauteilen kann es sich beispielsweise um ein Gehäuse einer Batterie oder eines Elektromotors handeln oder auch um eine Komponente einer Werkzeugmaschine, insbesondere für Hochgeschwindigkeitsanwendungen. Es kann sich auch um eine Komponente einer Leistungselektronik, einer Gasturbine, eines Verdichters, einer Turbinenschaufel, eines Wärmetauschers oder eines Brenners handeln.

Figur 5 zeigt die Verwendung eines Rahmens 3 mit eingespannten Fasern 2 zur Herstellung der Gussteile 5 mit Mikrokanälen 6.

Die Fasern 2 werden in einem Rahmen 3 außerhalb des Werkzeuges verspannt (links in der Figur). Im Gießprozess wird der Rahmen 3 in das Werkzeug 1 eingelegt (rechts in der Figur) und die Fasern 2 werden umgössen.

In der Figur 5 ist gezeigt, wie der Rahmen 3 auf einer unteren Werkzeughälfte 1.1 positioniert wird, so dass sich der Rahmen selbst außerhalb der Kavität 1.3 des Gießwerkzeugs liegt, die darin eingespannten Fasern 2 aber durch die Kavität 1.3 verlaufen. Das Gießwerkzeug kann dann mittels einer oberen Werkzeughälfte verschlossen werden. Im Gießprozess, der als Niederdruckoder Schwerkraftgießverfahren ausgeführt wird, wird werden die Fasern mit Schmelze, die in die Kavität 1.3 geleitet wird, umspült.

Nach Entnehmen des aus der Schmelze gebildeten Gussteils 5 liegen der Rahmen und Abschnitte der Fasern 2 außerhalb des Gussteils. Der Rahmen kann dann entfernt und die Fasern herausgezogen werden. Das ziehen kann wieder in dem maschinengestützten geregelten Prozess erfolgen.

Auch hier können die Fasern nicht nur als Glasfasern sondern auch als Kohlenstofffasern, Aramidfasern, mineralische Fasern oder metallische Fasern ausgebildet sein.

Figur 6 zeigt das Gussteil 5 mit mehreren Mikrokanälen, dessen Herstellung im Zusammenhang mit Figur 5 beschrieben wurde. In einem dem Gießen nachgeschalteten Prozessschritt wurde der Rahmen entfernt und die Glasfasern 2 wurden aus dem Gußteil gezogen, sodass dort, wo die Fasern 2 verlaufen sind, die Mikrokanäle 6 entstehen.

Figur 7 zeigt eine untere Werkzeughälfte 1.1 zur Herstellung eines Gussteils 5 mi einem Mikrokanal, wobei Kernmarken 4 innerhalb des Werkzeuges als Fixierungs- oder Umlenkungspunkte für die Faser 2 bzw. Fasern innerhalb der Kavität 1.3 des Werkzeuges dienen. Die Fasern werden außerhalb der Kavität im Werkzeug verspannt. Dafür kann optional auch der in Figur 5 gezeigte Rahmen verwendet werden.

Die Faser 2 bzw. ein textiles Halbzeug kann dadurch, dass es um die Kernmarken 4 im Werkzeug gespannt ist den gezeigten komplexen Pfad abbilden. In der Figur 7 wird die Faser drei Mal umgelenkt. Ein Biegeradius der um die Kernmarken gelenkten Faser 2 beträgt mindestens ein Zehnfaches des Durchmessers der Faser und mindestens 0,5 mm.

Die Kernmarken 4 sind so ausgebildet, dass die mit der eingeleiteten Aluminiumschmelze nicht in Verbindung gehen und sich nach dem Gießen aus dem Bauteil entfernen lassen, bzw. können die Kernmarken 4 mit dem Werkzeug verbunden sein, so dass sie beim Entnehmen des Gussteils aus dem Gussteil gezogen werden.

Alternativ ist es auch möglich, in der Kavität Drähte zur Fixierung und/oder zum Umlenken der Faser bereitzustellen, beispielsweise genau an den Orten der gezeigten Kernmarken 4. Die Drähte können aus Aluminium gebildet sein oder aus einem Material, das geeignet ist, mit Aluminiumschmelze in Lösung zu gehen.

Die Fasern 2 werden mittels der, vorzugsweise dünnen, Drähte innerhalb des Werkzeuges oder mittels einem zusätzlichen optionalen Spannrahmen außerhalb des Werkzeuges vorbereitet. Im Gießprozess werden die Drähte mit eingegossen, sodass sie eine feste und für Medien dichte Verbindung mit dem Aluminium eingehen. Die Drähte verbleiben im Gußteil, während die Fasern nach dem Gießprozess herausgezogen werden können. Figur 8 zeigt das Gussteil 5, das mit dem in der Figur 7 gezeigten Gießwerkzeug mit Kernmarken 4 hergestellt wurde. Nach dem Gießprozess verbleiben Leerstellen innerhalb des Gussbauteils 5 an den Orten, an denen sich die Kernmarken befunden haben 4. Die Löcher werden anschließend verschlossen, beispielsweise durch Einfüllen von weiterer Schmelze. Dies geschieht typischerweise vor dem Herausziehen der Faser 2, wobei das Herausziehen vorteilhaft wieder geregelt wird, da die Gefahr des Abreißens bei derartig gebogenen Fasern 2 verstärkt gegeben sein kann.

Bezugszeichenliste

1 Gießwerkzeug

1.1 Untere Werkzeughälfte

1.3 Kavität

2 Faser

3 Rahmen

4 Kernmarke

5 Gussteil

6 Mikrokanal

7 Loch