DE68923945T2 - Verkapselte elektrische oder elektronische Einrichtung. - Google Patents

Description

Hintergrund der Erfindung
• Die vorliegende Erfindung betrifft verkapselte elektrische und elektronische Vorrichtungen, insbesondere betrifft sie elektrische oder elektronische Vorrichtungen, die sowohl mit einem Isolierungsmaterial als auch mit einem thermisch leitenden Material eingekapselt sind.
• Spezielle Techniken für die Verkapselung von elektrischen und elektronischen Vorrichtungen sind bekannt, wie dies von Eickman et al. in der US-A-4 632 798 offenbart wird. Sie offenbaren auch, daß es übliche Praxis ist, in das Verkapselungsharz teilchenförmiges Füllstoffmaterial einzubauen, wie z.B. Siliciumoxid oder Alluminiumoxid, das dazu dient, die thermische Leitfähigkeit zu erhöhen.
• Die Marktbereiche für elektrische Vorrichtungen, wie z.B. Wicklungen für Motoren, Transformatoren und Magnetspulen, und elektronische Vorrichtungen, wie z.B. Mikrochips, bewegen sich zunehmend auf eine Miniaturisierung derartiger Vorrichtungen zu. Dies wiederum führt zu einem Anstieg der internen Gerätebetriebstemperatur, und damit nicht nur zu einem Bedürfnis für erhöhte Temperaturkenndaten der für diese Anwendungszwecke eingesetzten Isolierungsmaterialien, sondern auch zu einem Bedürfnis für Materialien mit verbesserten thermischen Leitfähigkeitseigenschaften, um die erzeugte Hitze schnell abzuleiten.
Zusammenfassung der Erfindung
• Um der Miniaturisierungsentwicklung derartiger elektrischer und elektronischer Vorrichtungen gerecht zu werden, wurde ein Fabrikationsgegenstand entwickelt, welcher eine elektrische Vorrichtung umfaßt, welche mit einem elektrisch isolierenden Material eingekapselt ist, welches seinerseits mit einein thermisch leitenden Material verkapselt ist, das die äußere Oberfläche des Gegenstandes bildet. Das thermisch leitende Material umfaßt 10 bis 70 Gewichtsprozent und vorzugsweise etwa 15 bis etwa 60% Kohlenstoffaser, wobei der Rest aus einem Harz oder einer Kombination aus einem Harz und einer alternierenden Faser oder Füllstoff besteht.
• Geeignete harzförmige Materialien, die als Harz eingesetzt werden können, umfassen, ohne darauf beschränkt zu sein, Polyethylenterephthalat, Teflon PFA von E. 1. du Pont de Nemours and Company (Du Pont), amorphe Copolyamide, wie sie in der US-A-4,681,411 beschrieben sind, und Hytrel 7246 von Du Pont sowie auch wärmehärtbare Harze.
• Die Kohlenstoffasern sind aus Mesophasenpech zentrifugenqesponnen, wie dies in der EP-A-0 306 033 (US Patent Anmeldung Nr. 092 217, eingereicht am 2. September 1987) beschrieben ist.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
• Die Zeichnung zeigt einen schematischen Querschnitt durch einen erfindungsgemäßen Transformator.
Detaillierte Beschreibung der erläuterten Ausführungsform
• Die zur Erläuterungszwecken ausgewählte Ausführungsform ist ein allgemein mit der Nummer 10 bezeichneter Fabrikationsgegenstand, der eine elektrische Vorrichtung umfaßt, welche aus einer Mehrzahl von elektrisch aktiven Drahtspulen 12, 14 besteht, die um eine Spulenform 16 herumgewickelt sind, welche auf einem Metallkern 18 angebracht ist. Die Spulen 12, 14 dienen als Primär- und Sekundärwicklungen eines Transformators mit (nicht dargestellten) Verbindungen, die zu externen Anschlüssen führen. Die elektrische Vorrichtung ist von einer Verkapselungsschicht 20 aus einem elektrisch isolierenden Material umgeben, welche ihrerseits mit einer thermisch leitenden Schicht 22 eingekapselt ist, die als Gehäuse für den Transformator dient.
• Wie aus Schrumpfungsdaten in den Richtungen der x-, y- und z-Koordinatenachsen, ausgehend von der Formgröße bis zum Endprodukt, geschlossen werden kann, weist die thermisch leitende Schicht 22 eine dreidimensionale Anordnung von Fasern innerhalb der Harzmatrix auf. Etwas genauer ausgedrückt, weist eine im wesentlichen gleichförmige Schrumpfung des fertigen Teils in der x-, y-, und z-Richtung auf eine dreidimensionale isotrope Faserverstärkung hin, während eine Schrumpfung des fertigen Teils, die um einige Größenordnung zwischen den Richtungen variiert, für hochorientierte Verstärkungsfasern spricht.
Beispiel
• In Stufe I wird ein nichtverkapselter Transformator in ein Stahlspritzgießwerkzeug eingeführt, das sich in einer Standardspritzgießmaschine befindet. Der Hohlraum der Spritzgießvorrichtung hat (1) eingeschnittene Aussparungen, damit die Transformatorleitungen aus dem den Transformator haltenden Hohlraum herausragen können, und (2) Positionierungsstifte, um den Transformator in seiner Stellung zu halten, so daß das eingespritzte Polymere vollständig um den Transformator herumfließen kann. Ein handelsübliches Polymeres, Du Pont Rynite FR-530 NC-10, welches ein mit 30 Gew.-% geschnittener Glasfaser verstärktes, flammverzögertes Polyethylenterephthalat-Polymeres ist, wird auf eine Schmelztemperatur von 280ºC erhitzt und in die den Transformator enthaltende Form eingespritzt. Nach zwei Minuten wird der Transformator aus der Originalstahlform entnommen. In Stufe II wird die erste Form in der Spritzgießmaschine durch eine zweite Stahlform mit ähnlichen Aussparungen und Positionierungsstiften ersetzt, welche etwa 1,27 cm (1/2") bis 1,9 cm (3/4") größere innere Gesamtabmessungen als die erste Form aufweist. Ein mit 50 Gew.- % Pechkohlenstoffasermatte verstärktes, flammverzögertes Polyethylenterephthalat-Polymeres, welches durch Formpressen von alternierenden Schichten flammverzögerter Polyethylenterephthalatpolymerfolie und Kohlenstoffasermatten gemäß der Offenbarung in der EP-A-0 306 033 hergestellt worden war, wurde zu 0,635 cm (1/4") Pellets geschnitten und in die Spritzgießmaschine geführt, wo es auf 280ºC erhitzt und in den den zuvor in Stufe 1 verkapselten Transformator enthaltenden Werkzeughohlraum eingespritzt wird. Dieser doppelt verkapselte Transformator wird nach 1 Minute und 40 Sekunden aus der Form entfernt. Ein zweistufig verkapselter Transformator wurde hinsichtlich der elektrischen Isolierungseigenschaften der inneren Schicht und hinsichtlich der thermischen Leitfähigkeitseigenschaften der äußeren Schicht untersucht, und zwar gemäß dem Underwriters Laboratories Standard Test UL 1585, Sektion 28, Nennsekundärstromtest, und 29, Nennhitzeabgabetest, und der Temperaturanstieg von 42ºC war wesentlich weniger als die in dem UL 1585 Standardtest spezifizierte Maximaltemperatur. Die Integrität der elektrischen Isolierung wurde aufrechterhalten.

Claims (2)

1. Verbesserter Fabrikationsgegenstand, umfassend: eine elektrische Vorrichtung mit elektrisch aktiven Komponenten, wobei die genannten Komponenten mit einer ersten Schicht 20 aus einem elektrisch isolierenden Material und einer zweiten Schicht 22 aus einem thermisch leitenden Material, welche die äußere Oberfläche des genannten Gegenstands bildet, eingekapselt sind, wobei die genannte zweite Schicht ein Harz umfaßt, welches durch eine dreidimensionale Anordnung von Kohlenstoffasern verstärkt ist, wobei die genannten Kohlenstoffasern zentrifugengesponnene Kohlenstoffasern auf der Basis von Mesophasenpech sind und eine lamellare Struktur, Querschnittsbreiten von 2 bis 12 Mikrometer und Längen von oberhalb 10 mm aufweisen.

2. Gegenstand nach Anspruch 1, bei welchem die genannte elektrische Vorrichtung mit Hilfe eines zweistufigen Spritzgießverfahrens eingekapselt worden ist, wobei das genannte Harz thermoplastisch ist.