DE19854642C2

DE19854642C2 - Bauelement mit verbesserter Wärmesenke

Info

Publication number: DE19854642C2
Application number: DE1998154642
Authority: DE
Inventors: Harald Hundt
Original assignee: Vacuumschmelze GmbH and Co KG
Current assignee: Vacuumschmelze GmbH and Co KG
Priority date: 1998-11-26
Filing date: 1998-11-26
Publication date: 2003-02-20
Anticipated expiration: 2018-11-27
Also published as: DE19854642A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Bauelement nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 bzw. 4.

Ein Bauelement mit einer Wärmesenke aus Kunststoff ist aus der DE 94 06 996 U1 be kannt. Bei dem bekannten Bauelement handelt es sich um einen Übertrager mit einem weichmagnetischen, mit elektrisch lei tenden Wicklungen umgebenen Ringkern, den in einem Gehäuse mit Gießharz vergossen ist. Das Gießharz dient dazu, die beim Betrieb des Übertragers entstehende Wärme an das Gehäuse ab zuführen. Von dort kann die beim Betrieb des Übertragers ent stehende Wärme weiter an die Umgebung abgegeben werden.

Ein Nachteil der bekannten Vorrichtung ist, daß die Wärmeab leitung der entstehenden Verlustwärme durch das Gießharz be hindert wird. Für derartige Zwecke verwendete Gießharze wei sen Wärmeleitkoeffizienten zwischen 0,3 und 0,4 W/mK auf. Der Wärmeleitkoeffizient von Gießharzen liegt somit um den Faktor 1000 unterhalb des Wärmeleitkoeffizienten von Kupfer, der et wa 260 W/mK beträgt.

Weiterhin ist aus der WO 95/22152 A1 ein für den Spritzguß geeigneter Polyamidwerkstoff bekannt, der ein metallisches Pulver und Kohlefasern enthält. Durch das metallische Pulver wird die Wärmeleitfähigkeit des Polyamidwerkstoffs verbes sert. Durch den Gehalt an metallischem Pulver und Kohlefasern wird der Polyamidwerkstoff außerdem elektrisch leitend.

Elektrisch leitende Werkstoffe eignen sich jedoch insbesonde re bei hohen Anforderungen an die Spannungsfestigkeit nicht für die Verwendung als Wärmesenke, da ansonsten die Gefahr von Durchschlägen besteht.

Aus der DE 35 22 084 geht ein Bauelement zur Verwendung elektrischer Schaltungen mit einer Wärmesenke aus Kunststoff hervor, bei dem in der Wärmesenke aus Kunststoff eine Viel zahl von eine Isolierschicht tragenden Metallteilchen enthal ten sind. Weitere Bauelemente mit Kühleinrichtungen sind bei spielsweise aus der DE 35 28 291 A1, DE 196 39 938 A1 und der DE 197 04 549 A1 bekannt.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Bauelement zur Verwendung in elek trischen Schaltungen zu schaffen, dessen aus Kunststoff ge fertigte Wärmesenke eine hohe Wärmeleitfähigkeit und Span nungsfestigkeit aufweist.

Diese Aufgabe wird durch ein Bauelement gemäß Patentanspruch 1 oder 4 gelöst.

Dadurch, daß die Metallteilchen eine Isolierschicht tragen, kann die Dichte der Metallteilchen in der Kunststoffmatrix bis an die Schüttdichte heranreichen, ohne daß die Wärmesenke elektrisch leitend wird. Durch die hohe Dichte der Metall teilchen in der Kunststoffmatrix weist die Wärmesenke jedoch einen hohen Wärmeleitkoeffizienten auf. Insofern wird bei ei nem Bauelement gemäß der Erfindung die entstehende Ver lustwärme auf wirksame Weise abgeführt.

Weitere Ausführungsformen und vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Querschnittsansicht durch ein bekanntes induktives Bau element;

Fig. 2 einen vergrößerten Ausschnitt der Darstellung aus Fig. 1;

Fig. 3 einen vergrößerten Ausschnitt der Darstellung aus Fig. 2;

Fig. 4 eine Querschnittsansicht durch ein abgewandeltes Ausführungsbeispiel des Bauelements aus Fig. 1;

Fig. 5 einen Querschnitt durch das Bauelement aus Fig. 4 entlang der Schnittlinie V-V in Fig. 4;

Fig. 6 einen Querschnitt durch ein weiteres induktives Bauelement, bei dem die Wicklung von einer Hülle umgeben ist;

Fig. 7 einen Querschnitt durch ein abgewandeltes Ausfüh rungsbeispiel des Bauelements aus Fig. 6, bei dem die Metallteilchen in Hüllen enthalten sind;

Fig. 8 ein Diagramm, in dem die Abhängigkeit des prozen tualen Metallfüllgrads vom Außendurchmesser von als Metallteilchen verwendeten Metallkugeln darge stellt ist;

Fig. 9 ein Diagramm, in dem die Abhängigkeit der Summe aller Beschichtungsdicken vom Metallfüllgrad dar gestellt ist; und

Fig. 10 ein Diagramm, in dem die Abhängigkeit der Span nungsfestigkeit vom Elektrodenabstand eines Kon densators dargestellt ist, dessen Zwischenraum mit isolierten Kupferkugeln gefüllt ist.

Fig. 1 zeigt eine Querschnittsansicht einer bekannten Ringkerndrossel 1, die einen aus einem weichmagnetischen Material gefertigten Ringkern 2 aufweist. Auf den Ringkern 2 sind zwei Drossel wicklungen 3 aus Kupferdrähten 4 aufgewickelt, die über An schlußleitungen 5 an eine elektrische Schaltung anschließbar sind. Sowohl ein Innenloch 6 des Ringkerns 2 als auch ein Au ßenraum 7 zwischen dem Ringkern 2 und einem Gehäuse 10 sind mit einer Kunststoffmatrix 8 gefüllt, in die eine Vielzahl von Metallkugeln 9 eingebettet ist.

Fig. 2 zeigt einen vergrößerten Ausschnitt eines hinsicht lich der Isolationsfestigkeit besonders kritischen Bereichs.

Zwischen den lackierten Kupferdrähten 4 der beiden Drossel wicklungen 3 bilden die Metallkugeln 9 eine in Teilstrecken leitfähige Verbindung.

In Fig. 3 sind wiederum in einer Vergrößerung der Fig. 2 die zwei Kupferdrähte 4 mit dem geringsten Abstand sowie die dazwischen zufällig entstandene Anordnung der Metallkugeln 9 dargestellt. Jede einzelne der Metallkugeln 9 weist eine dün ne Isolierschicht 11 auf ihre Oberfläche auf. Falls die Me tallkugeln 9 in Schüttdichte nebeneinander liegen, gibt es zwischen den beiden Kupferdrähten 4 eine Kette sich berühren der Metallkugeln 9. Durch die Isolierschichten 11 der einzel nen Metallkugeln 9 ist jedoch die Isolation der Kupferdrähte 4 gewährleistet.

Als Isolierschicht 11 kommen insbesondere Kunststoffbeschich tungen in Frage. Besonders günstig ist die Beschichtung der Metallkugeln 9 mit einem Lack in einem Tauchbad, da dadurch die lückenlose Abdeckung der Metallkugeln 9 durch die Iso lierschicht 11 gewährleistet ist. Es ist jedoch darauf zu achten, daß durch die Dicke der Isolierschicht 11 die Wärme leitung nicht zu stark beeinträchtigt wird. Auch Isolier schichten 11 aus einer nicht leitenden Metallverbindung eig nen sich als Isolierschicht 11. Derartige Isolierschichten 11 können durch eine chemische Umsetzung an der Metalloberfläche der Metallkugeln 9 erzielt werden. Neben der Bildung von Oxi den kommt auch die Ausbildung von Chloriden, Sulfaten oder Nitraten in Frage. Außerdem sich dafür Verfahren wie Patinie ren, Eloxieren oder Phosphatieren geeignet. Die Isolier schicht 11 kann auch aus Silan bestehen. Silanverbindungen eignen sich auch als Haftvermittler zwischen der Metallober fläche der Metallkugeln 9 und einer Isolierschicht 11 aus Kunststoff, die auf den Haftvermittler aufgebracht ist.

Anstelle der Metallkugeln 9 sind auch Metallteilchen mit an deren Geometrien verwendbar. Die bevorzugte Form ist jedoch die Kugelform, da die Schüttdichte von kugelförmigen Teilchen größer als die Schüttdichte von Teilchen mit anderen Geome trien ist. Außerdem besitzen kugelförmige Teilchen aus hoch spannungstechnischer Sicht die höchste Durchschlagsfestig keit, da es zu keinen Feldüberhöhungen kommt. Ferner weist Pulver aus kugelförmigen Teilchen mit entsprechender Körnung eine gute Rieselfähigkeit auf, so daß auch verwinkelte Hohl räume leicht zu füllen sind. Schließlich besteht bei kugel förmigen Teilchen eine geringere Gefahr als bei Teilchen mit anderen Geometrien, daß die Isolierschicht 11 im Verlauf von Schütt- und Füllvorgängen beschädigt wird.

Der für die Metallkugeln 9 verwendete Werkstoff sollte eine gute Wärmeleitfähigkeit besitzen sowie preiswert verfügbar sein und nicht zur Korrosion neigen. Hier kommen beispiels weise Metalle wie Kupfer, Aluminium oder diverse Bronzen in Frage. Aufgrund seiner hohen Wärmeleitfähigkeit ist Kupfer der bevorzugte Werkstoff bei hohen Anforderungen an die Wär meleitfähigkeit, während Aluminium aufgrund der etwas schlechteren Wärmeleitfähigkeit insbesondere dann in Frage kommt, wenn das Gewicht von Bedeutung ist.

Beim Einsatz in induktiven Bauelementen kommt es außerdem darauf an, daß der für die Metallkugeln 9 verwendete Werk stoff nicht ferromagnetisch ist, um eine Streuung des magne tischen Flusses zu verhindern.

Zur Verminderung auftretender Wirbelstromverluste bietet sich die Verwendung von Legierungen an, die einerseits eine gute Wärmeleitfähigkeit besitzen und andererseits einen hohen elektrischen Widerstand haben. Hier sind beispielsweise Le gierungen auf Kupfer-Nickel-Basis zu nennen.

Zur Herstellung der Kunststoffmatrix 8 eignen sich übliche Gießharze. Beim Füllen des Innenlochs 6 und des Außenraums 7 der Ringkerndrossel 1 kann auf unterschiedliche Art und Weise vorgegangen werden. Wenn es darauf ankommt, eine möglichst hohe Dichte der Metallkugeln 9 zu erzielen, ist es zweckmäßig, zunächst die Metallkugeln 9 in das Innenloch 6 und in den Außenraum 7 einzuschütten und dann das Gießharz in das Innenloch 6 und den Außenraum 7 einzugießen. Dabei kann es jedoch leicht zum Einschluß von Luftblasen kommen. Um dies zu vermeiden, ist es besser, zunächst das Gießharz mit den Me tallkugeln 9 zu verrühren, die Mischung zu entgasen und dann die Mischung in das Innenloch 6 und den Außenraum 7 einzugie ßen. Niedrige Dichten lassen sich schließlich auch dadurch erzielen, daß zunächst eine abgewogene Menge Gießharz in das Innenloch 6 und den Außenraum 7 der Ringkerndrossel 1 einge gossen wird und daß danach die Metallkugeln 9 im Gießharz versenkt werden. Während das Gießharz aushärtet, sinken die Metallkugeln 9 auf den Grund des Innenlochs 6 und des Außen raums 7 ab. Über eine geeignete Wahl der Viskosität und Aus härtzeit des Gießharzes ist es möglich, eine annähernde Gleichverteilung der Metallkugeln 9 in der Kunststoffmatrix 8 zu gewährleisten. Die bei dieser Vorgehensweise erzielte Se dimentationsdichte der Metallkugeln 9 liegt unter der Schütt dichte der Metallkugeln 9. Sie ist dennoch ausreichend, um eine gute Wärmeableitung vom Ringkern 2 zu dem Gehäuse 10 zu gewährleisten.

Die Metallkugeln 9 in der Kunststoffmatrix 8 bringen eine Reihe von Vorteilen mit sich. Durch das Einbringen der Me tallkugeln 9 in die Kunststoffmatrix 8 wird zum einen die Wärmeleitfähigkeit der als Wärmesenke dienenden Kunststoffma trix 8 wesentlich erhöht, so daß die im Ringkern 2 und den Drosselwicklungen 3 erzeugte Verlustwärme auf wirksame Weise abgeführt wird. Außerdem bewirkt die Füllung der Kunststoff matrix 8 mit den Metallkugeln 9 eine Absenkung des linearen Ausdehnungskoeffizienten der Kunststoffmatrix 8, was gerade bei größeren Bauteilen die Anfälligkeit gegen Ablösungen und die Bildung von Rissen erheblich vermindert. Trotz der ver besserten Wärmeleitfähigkeit ist jedoch aufgrund der Isolier schicht 11 keine Beeinträchtigung der Spannungsfestigkeit der Ringkerndrossel 1 zu befürchten.

Die Spannungsfestigkeit kann außerdem durch weitere Maßnahmen zusätzlich erhöht werden.

Bei dem in Fig. 4 dargestellten Ausführungsbeispiel der Ringkerndrossel 1 sind die Drosselwicklungen 3 durch eine zu sätzliche Trennwand 12 gegeneinander elektrisch isoliert. Die Trennwand 12 ist so ausgebildet, daß sie an freien Stellen zwischen den Drosselwicklungen 3 den Ringkern 2 eng um schließt, so daß nur Fugen 13 mit einer Weite s kleiner als der Durchmesser der Metallkugeln 9 zwischen dem Ringkern 2 und der Trennwand 12 vorhanden sind. Da in die Fugen 13 die Metallkugeln 9 nicht eindringen können, wird bereits durch die Trennwand 12 eine sichere Isolation der beiden Drossel spulen 3 erreicht. In diesem Fall kann die Isolierschicht 11 der Metallkugeln 9 sehr dünn gehalten werden. Eine Isolation durch eine Metalloxidschicht kann dann bereits ausreichend sein.

In Fig. 6 ist ein Querschnitt durch einen Transformator oder Übertrager 14 dargestellt. Der Transformator 14 weist eine auf den Ringkern 2 aufgewickelte Primärwicklung 15 auf. Der Ringkern 2 und die Primärwicklung 15 sind von einem Trog 16 umgeben, auf den eine Sekundärwicklung 17 aufgewickelt ist. Die Sekundärwicklung 17 ist schließlich von einem Gewebeband 18 umgeben, dessen Öffnungen so klein sind, daß sie zwar das die Kunststoffmatrix 8 bildende Gießharz hindurchlassen, die in der Kunststoffmatrix 8 eingebetteten Metallkugeln 9 jedoch zurückhalten. Durch das Gewebeband 18 wird das Eindringen der Metallkugeln 9 in den Bereich der Primärwicklung 15 und der Sekundärwicklung 17 verhindert. Andererseits durchdringt das Gießharz das Gewebeband 18 ohne Schwierigkeiten und dringt somit auch in das Innere des Transformators 14 ein. Bei die sem Ausführungsbeispiel können auch zwei Arten von Gießharz verwendet werden. Mit der einen Gießharzart kann der Innen raum des Trogs 16 gefüllt werden, während mit der anderen Gießharzart der restliche Innenraum des Gehäuses 10 gefüllt wird.

Fig. 7 zeigt ein abgewandeltes Ausführungsbeispiel des Transformators 14, bei dem zwischen Primärwicklung 15 und Se kundärwicklung 17 Isolierscheiben 19 eingebracht sind. Außer dem befinden sich die Metallkugeln 9 in geschlossenen Säcken 20 aus einem Gewebe, das wiederum das die Kunststoffmatrix 8 bildende Gießharz hindurchtreten läßt und die Metallkugeln 9 zurückhält.

Den in den Fig. 6 und 7 dargestellten Ausführungsbeispie len ist gemeinsam, daß die Isolierschicht 11 auf den Metall kugeln 9 auch sehr dünn ausgeführt werden kann, da die Me tallkugeln 9 mit den spannungsführenden Teilen des Transfor mators 14 nicht in Berührung kommen. Wenn dies sichergestellt ist, kann die Isolierschicht 11 sogar ganz entfallen.

Bei der Verwendung von Metallkugeln 9 mit einer Isolier schicht 11 besteht die Optimierung in einem Kompromiß zwi schen guter Wärmeleitfähigkeit durch eine hohe Packungsdichte der Metallkugeln 9 und somit durch einen hohen Volumenanteil an gutem Wärmeleitmaterial und einer gleichzeitig ausreichen den Spannungsfestigkeit, welche durch die Summe der Dicken der einzelnen Isolierschichten 11 sichergestellt wird.

Mit Hilfe einer Modellrechnung wurde der Zusammenhang zwi schen der Dicke der Isolierschicht 11 der Metallkugeln 9 und dem prozentualen Metallfüllgrad in der Kunststoffmatrix 8 er mittelt. Unter prozentualem Metallfüllgrad wird dabei der prozentuale Anteil der Summe der Kugelvolumina in einem Ge samtvolumen verstanden. In der Modellrechnung wurde für die Metallkugeln 9 ein Durchmesser von 0,1 mm angenommen. Außer dem wurde angenommen, daß sich die Metallkugeln 9 zwischen zwei Elektroden auf unterschiedlichen Potentialen im Abstand von 1 mm befinden.

Fig. 8 stellt den Zusammenhang zwischen dem prozentualen Me tallfüllgehalt V_M/V₀ in Abhängigkeit vom Außendurchmesser ∅_A der isolierten Metallkugeln 9 dar.

In einer weiteren Berechnung wurde unter gleichen Vorausset zungen die dabei entstehende Isolationsdicke d_s in mm in Ab hängigkeit vom prozentualen Metallfüllgrad ermittelt. Die Isolationsdicke ist dabei gleich der Summe der Isolierschich ten 11. Fig. 9 zeigt das Ergebnis dieser Berechnung.

Aus Fig. 8 geht hervor, daß mit unbeschichteten Metallkugeln 9 mit einem Außendurchmesser von 0,1 mm ein Maximalwert von 55% für den Metallfüllgrad erreichbar ist. Weiterhin geht aus Fig. 8 hervor, daß zur Erzielung von wärmetechnisch wirksamen Metallfüllungen in der Kunststoffmatrix 8 nur ge ringe Dicken der Isolierschicht 11 in Frage kommen. Zum Bei spiel führt eine 5 µm dicke Lackschicht auf Metallkugeln 9 mit einem Durchmesser von 0,1 mm zu einem Metallfüllgrad von etwa 47%. Die erreichte Isolationsdicke zur Sicherstellung der Spannungsfestigkeit beträgt dabei nur etwa 4,8% der Ent fernung zwischen den Elektroden. Eine Erhöhung der Dicke der Lackschicht hat jedoch erhebliche Auswirkungen auf die Wärme leitung. Eine 25 µm dicke Lackschicht auf Metallkugeln 9 mit einem Durchmesser von 0,1 mm führt zu einem Metallfüllgrad von nur noch 28%. Die erreichte Isolationsdicke zur Sicher stellung der Spannungsfestigkeit beträgt dann allerdings 20% der Entfernung zwischen den Elektroden.

Zur Überprüfung der Spannungsfestigkeit von verschieden iso lierten Metallkugeln 9 wurden Durchschlagsversuche zwischen zwei runden Metallplatten durchgeführt. Die als Isolier schicht 11 dienende Lackierung hatte eine mittlere Schicht dicke von ungefähr 1 bis 2 µm, allerdings mit blanken Stel len. Die ebenfalls als Isolierschicht 11 dienende Oxidations schicht wurde mit offener Flamme hergestellt, wobei die er reichte Dicke nicht bekannt ist.

Die durchgezogene Linie 21 in Fig. 10 stellt dabei den Zu sammenhang zwischen Spannungsfestigkeit U_D und Elektrodenab stand Δ_e für die lackierten Metallkugeln 9 dar, während die gestrichelte Linie 22 den Zusammenhang zwischen Spannungsfe stigkeit U_D und dem Elektrodenabstand Δ_e für die oxidierten Metallkugeln 9 darstellt. Die lackierten Metallkugeln 9 er zielen eine Spannungsfestigkeit von 2,2 kV/mm und die oxi dierten Metallkugeln 9 einen Wert von etwa 400 V/mm.

Claims

1. Bauelement zur Verwendung in elektrischen Schaltungen mit einer Wärmesenke (8) aus Kunststoff, die eine Vielzahl von eine Isolierschicht (11) tragende Metallteilchen (9) enthält, dadurch gekennzeichnet, daß elektrisch leitende Bereiche des Bauelements von den Me tallteilchen (9) durch wenigstens eine Hülle (18) mit einer Vielzahl von Öffnungen mit einer Öffnungsweite kleiner als der Durchmesser der Metallteilchen (9) voneinander getrennt sind.

2. Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrisch leitende Bereiche des Bauelements von der wenigstens einen Hülle (18) umgeben sind.

3. Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallteilchen (9) in der Wärmesenke (8) von der we nigstens einen Hülle (20) umgeben sind.

4. Bauelement zur Verwendung in elektrischen Schaltungen mit einer Wärmesenke (8) aus Kunststoff, die eine Vielzahl von eine Isolierschicht (11) tragende Metallteilchen (9) enthält, dadurch gekennzeichnet, daß das Bauelement eine Drossel mit mindestens zwei Wicklun gen (3), die um einen Kern (2) gewickelt sind, ist, wobei die Wicklungen (3) durch eine Trennwand (12) voneinander elek trisch isoliert sind, die derart angeordnet ist, daß Fugen (13) zwischen der Trennwand (12) und dem Kern (2) eine Weite aufweisen, die kleiner als der Durchmesser der Metallteilchen (9) ist.

5. Bauelement einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichte der Metallteilchen (9) zwischen Sedimentati onsdichte und Schüttdichte liegt.

6. Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallteilchen (9) eine Form von der Art einer Kugel aufweisen.

7. Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser der Metallteilchen (9) zwischen 0,02 und 0,5 mm liegt.

8. Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallteilchen (9) aus einem nicht ferromagnetischen Material gefertigt sind.

9. Bauelement nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallteilchen (9) aus Kupfer oder einer Kupferlegie rung hergestellt sind.

10. Bauelement nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallteilchen (9) aus Aluminium oder einer Alumini umlegierung hergestellt sind.

11. Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolierschicht von einer Kunststoffschicht (11) ge bildet ist.

12. Bauelement nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Kunststoffschicht (11) und den Metallteil chen (9) ein Haftvermittler vorgesehen ist.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolierschicht (11) von elektrisch nicht leitenden Metallverbindungen auf der Oberfläche der Metallteilchen ge bildet ist.

14. Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichtdicke der Isolierschicht (11) zwischen 1 µm und 10 µm liegt.

15. Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmesenke (8) aus einem Kunstharz hergestellt ist.