DE102010017009B4

DE102010017009B4 - Verfahren zum Ausbilden einer Kohlenstoffpartikel enthaltenden Schicht und Wärmeübertragungselement

Info

Publication number: DE102010017009B4
Application number: DE102010017009.7A
Authority: DE
Inventors: Noritaka Miyamoto; Yoshihiko Tsuzuki; Tomoko Kozaki
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2009-05-19
Filing date: 2010-05-18
Publication date: 2015-03-05
Anticipated expiration: 2030-05-19
Also published as: US20100296253A1; DE102010017009A1; JP5146402B2; JP2010270349A; US8642132B2

Abstract

Verfahren zum Abscheiden einer Kohlenstoffpartikel enthaltenden Schicht (12), die Kohlenstoffpartikel (12b) enthält, umfassend: Herstellen einer Beschichtungsaufschlämmung durch Mischen von Flüssigkeit in Beschichtungspulver, das aus Kohlenstoffpartikeln gebildetes Kohlenstoffpulver enthält; und Abscheiden der Kohlenstoffpartikel enthaltenden Schicht durch Spritzen der Beschichtungsaufschlämmung auf eine Oberfläche (11a) eines Substrats (11), so dass die Flüssigkeit bei einer Temperatur verdampft wird, bei der die Beschichtungsaufschlämmung die Oberfläche des Substrats erreicht hat.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ausbilden einer Kohlenstoffpartikel enthaltenden Schicht, mit dem eine Schicht gebildet wird, die eine Zusammensetzung aus Metallpulver enthält, sowie ein Wärmeübertragungsmedium, das anhand des Verfahrens hergestellt wird, und genauer betrifft sie ein Verfahren zum Ausbilden einer Kohlenstoffpartikel enthaltenden Schicht, welches eine Schichtabscheidung bzw. eine Beschichtung auf kostengünstige und einfache Weise erlaubt, sowie ein Wärmeübertragungsmedium.
2. Beschreibung der verwandten Technik
Ein Leistungsmodul (Modul) 90 des einschlägigen Standes der Technik, das für einen Fahrzeug-Wechselrichter oder dergleichen verwendet wird, ist aus elektronischen Bauteilen gebildet, die in 9 dargestellt sind. Genauer weist das Leistungsmodul 90 zumindest eine Leistungsvorrichtung 91, ein Isolierelement (Aluminiumnitridmaterial) 93 und ein wärmeableitendes Element 94 auf. Die Leistungsvorrichtung 91 ist aus einer Silicium-Vorrichtung gebildet. Das Isolierelement 93 besteht aus Aluminiumnitrid, an dem die Leistungsvorrichtung 91 über eine Lotschicht 92 befestigt ist. Das wärmeableitende Element 94 besteht aus Aluminium. Ferner ist ein Pufferelement 95 aus Kupfer/Molybdän (Cu/Mo) oder Aluminium/Siliciumcarbid (Al/SiC) zwischen dem Isolierelement 93 und dem wärmeableitenden Element 94 angeordnet. Das Pufferelement 95 wird nicht nur verwendet, um Wärme, die von der Leistungsvorrichtung 91 erzeugt wird, zum wärmeableitenden Element 94 zu übertragen, damit die Wärme abgestrahlt wird, sondern es dämpft auch einen Unterschied in der Wärmeausdehnung zwischen dem Isolierelement 93 und dem wärmeableitenden Element 94. Das Pufferelement 95 wird durch die Lotschicht 96 am Isolierelement 93 befestigt und wird durch Siliciumschmiere 97 am wärmeableitenden Element 94 befestigt. Auf diese Weise bildet das Pufferelement 95 zusammen mit dem wärmeableitenden Element 94 ein Wärmeübertragungselement zum Abstrahlen von Wärme von der Leistungsvorrichtung 91.
Zur Verbesserung der Wärmeabstrahlung von der Leistungsvorrichtung 91 beschreibt beispielsweise die veröffentlichte japanische Patentanmeldung Nr. JP 2006-298687 A ein Verfahren, mit dem Kohlenstoffpartikel in ein Wärmeübertragungselement eingebracht werden. Wenn das genannte Verfahren angewendet wird, um das Pufferelement 95 herzustellen, werden zunächst Kohlenstoffpartikel gebrannt, um sie zu vernetzen und um dadurch einen porösen, gesinterten Presskörper herzustellen, und dann wird der poröse, gesinterte Presskörper mit Metall imprägniert.
Jedoch ist selbst bei Verwendung des genannten Pufferelements im Leistungsmodul 90 die Wärmeleitfähigkeit der Siliciumschmiere 97, mit der das Pufferelement 95 befestigt wird, niedriger als die der anderen Elemente, und daher wird die Siliciumschmiere 97 zu einem Hindernis bei der Wärmeübertragung von der Leistungsvorrichtung 91 auf das wärmeableitende Element 94.
Um das genannte Problem zu umgehen, kann beispielsweise Kohlenstoffpartikel enthaltendes Pulver direkt auf die Oberfläche des wärmeableitenden Elements 94 gespritzt werden, um das Pufferelement ohne Verwendung der Siliciumschmiere 97 auszubilden. Wenn jedoch versucht wird, Kohlenstoffpartikel aufzuspritzen, während Metall aufgeschmolzen wird, werden die Kohlenstoffpartikel während der Schichtabscheidung durch eine Oxidationsreaktion in den Gaszustand überführt und verbrannt, so dass es schwierig ist, Kohlenstoffpartikel in die Schicht einzubringen.
Vor diesem Hintergrund beschreibt beispielsweise die veröffentlichte japanische Patentanmeldung Nr. JP 2004-232035 A ein Verfahren zum Ausbilden einer Schicht als Pufferelement durch thermisches Aufspritzen von Pulver, das aus Pulverpartikeln besteht, bei denen Graphitpartikel (Kohlenstoffpartikel) mit Metall beschichtet sind, auf ein Substrat. Anhand des genannten Schichtabscheideverfahrens werden nur Metallschichten geschmolzen und dann thermisch verspritzt, so dass es möglich ist, Kohlenstoffpartikel in eine Schicht einzubringen.
Wenn das genannte Schichtabscheidungs- bzw. Beschichtungsverfahren angewendet wird, um eine Schicht auszubilden, ist es jedoch nötig, Kohlenstoffpartikel herzustellen, deren Oberflächen mit Metall überzogen sind, sowie Kohlenstoffpartikel enthaltendes Pulver, das während der Granulation einer Metallbeschichtungsbehandlung unterzogen wird. Falls Teile der Oberflächen der Kohlenstoffpartikel freiliegen, wird während des thermischen Spritzens bewirkt, dass die freiliegenden Oberflächen eine Oxidationsreaktion durchmachen, so dass Kohlenstoffpartikel möglicherweise verbrannt werden. Außerdem ist es anzustreben, dass die Oberflächen von Kohlenstoffpartikeln vollständig mit Metall bedeckt sind. Jedoch ist Pulver, das aus Partikeln besteht, die anhand des genannten Verfahrens hergestellt wurden, ziemlich teuer, und eine Aufbringung des Pulvers auf Automobilbauteile oder dergleichen ist nicht realistisch.
Verfahren zum Abscheiden einer Kohlenstoffpartikel enthaltenden Schicht, welche Kohlenstoffpartikel enthält, sind zudem aus der DD 49 872 B3 und der DE 861 288 B1 bekannt. Hierbei wird das Substrat nach dem Abscheiden der Kohlenstoffpartikel enthaltenden Beschichtungsaufschlämmung, welche den Kohlenstoffpartikel-enthaltenden Film ausbildet, getrocknet.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die Erfindung schafft ein Verfahren zum Ausbilden einer Kohlenstoffpartikel enthaltenden Schicht, das die Herstellung einer Kohlenstoffpartikel enthaltenden Schicht auf kostengünstigere Weise ermöglicht, sowie ein Wärmeübertragungselement.
Ein Aspekt der Erfindung betrifft, gemäß Anspruch 1, ein Verfahren zum Aufbringen einer Kohlenstoffpartikel enthaltenden Schicht, die Kohlenstoffpartikel enthält. Das Verfahren beinhaltet: Herstellen einer Schichtabscheidungs- bzw. Beschichtungsaufschlämmung durch Mischen von Flüssigkeit in Schichtabscheidungs- bzw. Beschichtungspulver, das aus Kohlenstoffpartikeln gebildetes Kohlenstoffpulver enthält; und Aufbringen der Kohlenstoffpartikel enthaltenden Schicht durch Aufspritzen der Beschichtungsaufschlämmung auf eine Substratoberfläche, so dass die Flüssigkeit bei einer Temperatur verdampft bei der die Beschichtungsaufschlämmung die Oberfläche des Substrats erreicht hat.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
Die genannten sowie weitere Ziele, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen mit Bezug auf die begleitende Zeichnung deutlich, wobei gleiche Bezugszahlen verwendet werden, um gleiche Elemente darzustellen, und worin:
1 eine schematische Darstellung eines Verfahrens zum Ausbilden einer Kohlenstoffpartikel enthaltenden Schicht (eines Verfahrens zur Herstellung eines Wärmeübertragungselements) gemäß einer Ausführungsform ist;
2 eine Darstellung eines Leistungsmoduls ist, auf welches das gemäß der vorliegenden Ausführungsform hergestellte Wärmeübertragungselement angewendet wird;
3 eine schematische Darstellung eines Fahrzeug-Wechselrichters, der mit dem Leistungsmodul gemäß der vorliegenden Ausführungsform versehen ist, und eines mit dem Fahrzeug-Wechselrichter versehenen Fahrzeugs ist;
4 eine Photographie des Querschnitts von Schichten der Beispiele 1, 2 und 3 und eines Vergleichsbeispiels 2 ist;
5 eine Darstellung eines Verfahrens zum Einstellen einer Eingangsspannung eines Wärmeübertragungsdrahts bei einer Wärmeübertragungsbeurteilung ist;
6 eine Darstellung eines Verfahrens für eine Wärmeübertragungsbeurteilung ist;
7 ein Graph der Ergebnisse der Wärmeübertragungsbeurteilung an Modulen ist;
8 ein Graph der Ergebnisse einer Wärmeübertragungsbeurteilung an Modulen ist; und
9 eine Darstellung eines Leistungsmoduls gemäß des einschlägigen Standes der Technik ist.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSFORMEN
Im Folgenden wird ein Verfahren zum Ausbilden einer Kohlenstoffpartikel enthaltenden Schicht gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ausführlich mit Bezug auf die begleitende Zeichnung beschrieben. 1 ist eine schematische Darstellung eines Verfahrens zum Ausbilden einer Kohlenstoffpartikel enthaltenden Schicht (eines Verfahrens zum Herstellen eines Wärmeübertragungselements) gemäß der vorliegenden Ausführungsform.
Ein Wärmeübertragungselement 10 gemäß der vorliegenden Ausführungsform wird auf solche Weise erhalten, dass Kohlenstoffpartikel enthaltendes Beschichtungspulver und Metallpartikel auf die Oberfläche eines Substrats 11 gespritzt werden, um eine Kohlenstoffpartikel enthaltende Metallschicht (eine Kohlenstoffpartikel enthaltende Schicht) 12 zu bilden. Das Wärmeübertragungselement 10 kann unter Verwendung eines Schichtabscheidungs- bzw. Beschichtungssystems 100, das in 1 dargestellt ist, hergestellt werden.
Das Schichtabscheidungssystem 100 weist eine Aufschlämmungserzeugungseinheit 20 und eine Sprüheinheit 30 auf. Die Aufschlämmungserzeugungseinheit 20 mischt das Beschichtungspulver mit Flüssigkeit, um eine Beschichtungsaufschlämmung zu erzeugen (herzustellen). Die Spritzeinheit 30 spritzt die von der Aufschlämmungserzeugungseinheit 20 erzeugte Beschichtungsaufschlämmung auf das Substrat 11. Die Aufschlämmungserzeugungseinheit 20 weist als Grundausführung einen Aufschlämmungstrichter 21, eine Aufschlämmungspumpe 22, eine Trägergas-Zufuhrquelle 23, ein Druckregulierungsventil 24 und eine Mischeinheit 25 auf. Hierbei ist die Beschichtungsaufschlämmung eine schlammige oder pastöse Mischung und bedeutet ein Fluid, das aus in Flüssigkeit aufgeschlämmten Beschichtungspulverpartikeln besteht. Pulver bedeutet eine Anhäufung von Partikeln. Kohlenstoffpulver beispielsweise bedeutet eine Anhäufung von Kohlenstoffpartikeln, und Metallpulver bedeutet eine Anhäufung von Metallpartikeln.
In der vorliegenden Ausführungsform weist der Aufschlämmungstrichter 21 in seinem Inneren einen Rührer 1a auf, und die Aufschlämmungspumpe 22 ist mit dem Aufschlämmungstrichter 21 verbunden. Die Aufschlämmungspumpe 22 ist eine typische Pumpe, wie eine Schneckenpumpe und eine Schlauchpumpe, die verwendet wird, wenn Beschichtungspulver von einer Beschichtungsaufschlämmung transportiert wird. Die Aufschlämmungspumpe 22 ist über ein Rohr mit der Mischeinheit 25 verbunden.
Die Trägergas-Zufuhrquelle 23 liefert unter Druck stehendes Gas zur Mischeinheit 25 und ist über das Druckregulierungsventil 24 mit der Mischeinheit 25 verbunden. Das Druckregulierungsventil 24 regelt den Druck des unter Druck stehenden bzw. verdichteten Gases. Außerdem kann die Trägergas-Zufuhrquelle 23 beispielsweise aus einem Zylinder, der mit Luft, Edelgas oder dergleichen gefüllt ist, und einem Luft verdichtenden Kompressor bestehen. Die Mischeinheit 25 mischt die Beschichtungsaufschlämmung mit Trägergas und ist derart mit einer Flammspritzpistole 31 verbunden, dass die Beschichtungsaufschlämmung durch Trägergas zur Flammspritzpistole transportiert werden kann. Auf diese Weise kann die von der Aufschlämmungserzeugungseinheit 20 erzeugte Beschichtungsaufschlämmung zur Spritzeinheit 30 transportiert werden.
Die Spritzeinheit 30 ist ein bekanntes Hochgeschwindigkeits-Flammspritzsystem. Die Spritzeinheit 30 weist als Grundausführung die Flammspritzpistole (HVOF-Flammspritzpistole) 31, eine Zufuhrquelle für entzündliches Gas 33 und ein Pistolenstellglied 34 auf. Die Flammspritzpistole 31 ist so gestaltet, dass sie von der Zufuhrquelle für entzündliches Gas 33 mit einem entzündlichen Gas (beispielsweise Sauerstoff oder Kohlenwasserstoffgas) beliefert werden kann. Das zur Flammspritzpistole gelieferte entzündliche Gas wird in einer (nicht dargestellten) Brennkammer verbrannt, und eine kontinuierliche Verbrennungsflamme wird von einer (nicht dargestellten) Düse gedrosselt, um eine Hochgeschwindigkeits-Stichflamme zu erzeugen.
Ferner ist die Flammspritzpistole 31 so gestaltet, dass sie eine Beschichtungsaufschlämmung von der Aufschlämmungserzeugungseinheit 20 zur erzeugten Stichflamme transportiert. Dadurch kann die Flammspritzpistole 31 die Beschichtungsaufschlämmung erwärmen, um die Beschichtungsaufschlämmung thermisch auf das Substrat 11 zu spritzen. Außerdem ist die Flammspritzpistole 31 mit dem Pistolenstellglied 34 verbunden. Durch Ansteuern bzw. Antreiben des Pistolenstellglieds 34 kann die Spritzpistole 31 auf einem vorgegebenen Weg bewegt werden.
Das solchermaßen gestaltete Beschichtungssystem 100 wird verwendet, um das Wärmeübertragungselement 10 auf folgende Weise herzustellen. In der vorliegenden Ausführungsform wird zuerst das Substrat 11 unter eine Maskierungsplatte 50 mit einer rechtwinkligen Öffnung 50a gelegt. Man beachte, dass die Öffnung 50a so ausgebildet ist, dass ihr Querschnitt einer vorgegebenen rechteckigen Beschichtungsregion auf einer Oberfläche 11a des Substrats 11 entspricht. Dann wird das Substrat 11 so angeordnet, dass die Öffnung 50a in einer Spritzrichtung d mit einer vorgegebenen Beschichtungsregion des Substrats 11 übereinstimmt.
Anschließend werden ein Kupferpulver (oder ein Aluminiumpulver), das als aus Metallpartikeln bestehendes Metallpulver dient, und aus Kohlenstoffpartikeln bestehendes Kohlenstoffpulver (beispielsweise Graphitpulver) in einem vorgegebenen Verhältnis gemischt, um ein Beschichtungspulver herzustellen, und dann werden das Beschichtungspulver und Wasser (oder Alkohol) in den Aufschlämmungstrichter 21 gegeben. Hierbei wird das vorbereitete Wasser oder der vorbereitete Alkohol mit Beschichtungspulver gemischt, um eine Beschichtungsaufschlämmung herzustellen, und es handelt sich dabei um eine Flüssigkeit, die verdampfen kann, wenn sie auf die Oberfläche des Substrats 11 gespritzt wird.
Dann werden das Beschichtungspulver und das Wasser, die in den Aufschlämmungstrichter 21 gegeben wurden, gerührt, um vom Rührer 21a verknetet zu werden, um eine Beschichtungsaufschlämmung herzustellen. Die hergestellte Beschichtungsaufschlämmung wird aufgrund ihres eigenen Gewichts der Aufschlämmungspumpe 22 zugeführt, die über ein Rohr mit dem Aufschlämmungstrichter 21 verbunden ist. Die zur Aufschlämmungspumpe 22 gelieferte Beschichtungsaufschlämmung wird durch die Aufschlämmungspumpe 22 zur Mischeinheit 25 transportiert.
In der Mischeinheit 25 wird die von der Aufschlämmungspumpe 22 transportierte Beschichtungsaufschlämmung mit Trägergas gemischt, das von der Trägergas-Zufuhrquelle 23 geliefert wird, und dessen Druck über das Druckregulierungsventil 24 geregelt wird. Die aus der Mischeinheit 25 abgegebene Beschichtungsaufschlämmung wird vom Trägergas zerdüst und zur Spritzeinheit 30 geliefert.
Danach wird entzündliches Gas zur Spritzeinheit geliefert und wird verbrannt, um eine Stichflamme zu erzeugen. Die Beschichtungsaufschlämmung wird zu einer (nicht dargestellten) Spritzdüse der Flammspritzpistole 31 geliefert und wird von der Stichflamme getragen, um die Beschichtungsaufschlämmung auf die Oberfläche des Substrats 11 zu spritzen.
Dabei wird das Kupferpulver in der Beschichtungsaufschlämmung von der Stichflamme erwärmt, so dass es schmilzt, während das Kohlenstoffpulver ebenfalls durch die Stichflamme erwärmt wird, jedoch haftet Wasser ringsum an den Kohlenstoffpartikel des Kohlenstoffpulvers (bildet einen Überzug auf den Kohlenstoffpartikel), so dass die Kohlenstoffpartikel kaum durch eine Oxidationsreaktion verbrannt werden können und die Oberfläche des Substrats 11 erreichen. Wasser wird bei einer Temperatur, mit der die Beschichtungsaufschlämmung die Oberfläche des Substrats erreicht hat (bei der Spritztemperatur, mit der die Beschichtungsaufschlämmung auf die Oberfläche des Substrats 11 gespritzt wird), (bei einer Flammentemperatur von 1500°C bis 2000°C) verdampft, so dass kein Wasser auf der Oberfläche des Substrats zurückbleibt. Damit keine Flüssigkeit in der Schicht zurückbleibt, wird Flüssigkeit, die in der Beschichtungsaufschlämmung enthalten ist, unter der Bedingung ausgewählt, dass die Flüssigkeit mindestens bei der genannten Temperatur verdampft. Wenn Metallpulver, wie Kupferpulver, verwendet wird, ist hierbei die Spritztemperatur an der Oberfläche des Substrats 11 eine Flammspritztemperatur des Metallpulvers.
Dann wird die Flammspritzpistole 31 in einer vorgegebenen Bewegungsrichtung linear bewegt, und dann wird die Flammspritzpistole 31 über eine Strecke, die einer Teilung entspricht, im rechten Winkel zur Bewegungsrichtung relativ zum Substrat 11 bewegt. Eine Reihe dieser Bewegungen wird wiederholt, um das geschmolzene Kupfer und Kohlenstoffpartikel (die Beschichtungsaufschlämmung, die auf Spritztemperatur erwärmt wurde) auf die vorgegebene Beschichtungsregion des Substrats zu spritzen, um dadurch eine Kohlenstoffpartikel enthaltende Schicht abzuscheiden. Deswegen enthält die Kohlenstoffpartikel enthaltende Schicht Kohlenstoffpartikel 12b. Diese Kohlenstoffpartikel 12b sind an Kupfer 12a gebunden.
2 ist eine Darstellung, die ein Leistungsmodul zeigt, auf welches das gemäß der vorliegenden Ausführungsform hergestellte Wärmeübertragungselement angewendet wird. Man beachte, dass gleiche Bezugszahlen Bauteile bezeichnen, die den Bauteilen ähneln, aus denen das in 9 dargestellte Leistungsmodul 90 besteht, und dass auf ihre ausführliche Beschreibung hier verzichtet wird.
Wie in 2 dargestellt, weist das Leistungsmodul 70 das Wärmeübertragungselement 10 auf, das anhand des oben beschriebenen Verfahrens hergestellt wurde. Das Aluminiumsubstrat (das wärmeableitende Element) 11, das Bestandteil des Wärmeübertragungselements ist, ist in einem wärmeableitenden Element enthalten, das Bestandteil des Leistungsmoduls 70 ist. Ferner enthält die Kohlenstoffpartikel enthaltende Schicht 12 die Kohlenstoffpartikel 12b und ist Bestandteil des Wärmeübertragungselements 10. Die Kohlenstoffpartikel enthaltende Schicht 12 ist als Pufferelement zwischen dem Aluminiumnitrid-Isolierelement (dem Aluminiumnitridmaterial) 93 und dem wärmeableitenden Element 11 angeordnet. Die Leistungsvorrichtung 91 ist am Isolierelement 93 befestigt.
Auf diese Weise wird die Kohlenstoffpartikel enthaltende Schicht 12 des Wärmeübertragungselements zwischen dem Isolierelement 93 und dem wärmeableitenden Element (Substrat) 11, die Bestandteile des Leistungsmoduls 70 sind, angeordnet. Somit muss für das Leistungsmodul 70 keine Siliciumschmiere verwendet werden, um die Wärmeleitung an der Oberfläche des wärmeableitenden Elements 11 zu blockieren. Das Leistungsmodul 70 ist in der Lage, Wärme durch das wärmeableitende Element 11 effektiv von der erwärmten Leistungsvorrichtung 91 weg zu leiten und die Wärme der Leistungsvorrichtung 91 abzustrahlen.
Außerdem enthält die Kohlenstoffpartikel enthaltende Schicht 12 die Kohlenstoffpartikel 12b, so dass es möglich ist, einen Unterschied in der Wärmeausdehnung zwischen dem Aluminiumnitridmaterial 93 und dem wärmeableitenden Element 11 abzupuffern, und außerdem die Wärmeleitfähigkeit verbessert werden kann. Infolgedessen kann das zuverlässige Leistungsmodul 70 erhalten werden, das eine Ablösung oder eine Rissbildung in der Schicht verhindert, um die Wärmeermüdungsbeständigkeit gegenüber dem Wärmezyklus zu verbessern.
3 ist eine schematische Darstellung eines Fahrzeug-Wechselrichters 42, der mit dem Leistungsmodul gemäß der vorliegenden Ausführungsform versehen ist, und eines mit dem Fahrzeug-Wechselrichter versehenen Fahrzeugs 200. In 3 ist der Fahrzeug-Wechselrichter 40 gemäß der vorliegenden Ausführungsform ein System für die Umwandlung elektrischer Leistung, das in einem Hybridfahrzeug, das einen Verbrennungsmotor und einen Elektromotor verwendet, in einem Elektrofahrzeug oder dergleichen verwendet wird, und das Gleichstrom in Wechselstrom umwandelt, um einen Wechselstromverbraucher, wie einen Induktionsmotor, mit elektrischer Leistung zu versorgen. Der Fahrzeug-Wechselrichter 42 beinhaltet als Grundausführung das Leistungsmodul gemäß der oben beschriebenen Ausführungsform, einen leistungsstarken Kondensator 41 oder dergleichen. Dann wird eine Gleichstromleistungsquelle 52, wie ein Batterie, mit dem Fahrzeug-Wechselrichter 42 verbunden, und drei UVW-Phasen-Wechselströme, die vom Fahrzeug-Wechselrichter 42 ausgegeben werden, werden beispielsweise an einen Induktionsmotor 53 geliefert, um den Induktionsmotor 53 anzutreiben. Außerdem wird, wenn der Induktionsmotor 53 angetrieben wird, ein Rad 54 des Fahrzeugs 200 gedreht, wodurch das Fahrzeug 200 fahren kann. Man beachte, dass der Fahrzeug-Wechselrichter 42 nicht auf das dargestellte Beispiel beschränkt ist; der Fahrzeug-Wechselrichter kann jede beliebige Form haben, solange er als Wechselrichter dient.
In dem solchermaßen aufgebauten Fahrzeug-Wechselrichter 40 wird, beispielsweise wenn die Leistungsvorrichtung 91 des in 2 dargestellten Leistungsmoduls 70 sich während des Betriebs auf hohe Temperaturen erwärmt, Wärme, die von der Leistungsvorrichtung 91 erzeugt wird, durch die Lotschicht 92 zum Aluminiumnitridmaterial (dem Isolierelement) 93 übertragen, auf dem die Leistungsvorrichtung 91 befestigt ist, und ferner wird die Wärme durch die Lotschicht 96 zur Kohlenstoffpartikel enthaltenden Schicht 12 übertragen und vom wärmeableitenden Element (dem Substrat) 11, das als wärmeableitendes Material dient, abgestrahlt. Dabei wird eine Schicht, die Kohlenstoffpartikel enthält, als die Kohlenstoffpartikel enthaltende Schicht 12 verwendet. Somit dient die Kohlenstoffpartikel enthaltende Schicht 12 als Puffermaterial, das einen Unterschied in der Wärmeausdehnung zwischen dem Aluminiumnitridmaterial 93 und dem wärmeableitenden Element 11 abpuffert und in der Lage ist, Wärme vorteilhafterweise von der Leistungsvorrichtung 91 zum wärmeableitende Element zu übertragen. Auf diese Weise kann der zuverlässige Fahrzeug-Wechselrichter 40 erhalten werden, der Ablösungen oder Rissbildungen an diesen Komponenten unterdrückt. Daher kann die Sicherheit des Fahrzeugs 200 verbessert werden.
Die vorliegende Erfindung wird anhand der folgenden Beispiele beschrieben. Um ein Wärmeübertragungselement gemäß Beispiel 1 herzustellen, wurde zuerst eine Aluminiumlegierung (JIS: A3003) mit einer Größe von 50 mm × 50 mm und einer Dicke von 5 mm als wärmeableitendes Element (Substrat) hergestellt, und dann wurde eine Oberfläche der Aluminiumlegierung, die beschichtet werden sollte, einem abrasiven Strahlen mit 100 μm-Graualuminiumpartikeln unterzogen.
Anschließend wurden reines Aluminiumpulver (gasverdöstes Pulver, das aus reinen Aluminiumpartikeln mit einem mittleren Partikeldurchmesser von 15 μm gebildet wurde) und Graphitpulver (Pulver, das aus kugeligen bzw. sphärischen Graphitpartikeln (Kohlenstoffpartikeln) mit einem mittleren Partikeldurchmesser von 20 μm gebildet wurde) in einem Volumenverhältnis von 50 zu 30 gemischt, um Mischpulver als Beschichtungspulver zu erzeugen. Das Beschichtungspulver wurde verwendet, um eine Schichtabscheidung bzw. Beschichtung gemäß der oben beschriebenen Ausführungsform durchzuführen.
Genauer wurde das Beschichtungspulver (Mischpulver) mit Wasser mit dem gleichen Volumen wie das Beschichtungspulver gemischt, und dann wurde die Mischung durch den Rührer des Aufschlämmungstrichters 10 Minuten lang gerührt, um eine Beschichtungsaufschlämmung zu erzeugen. Sauerstoffgas und Brenngas (Kerosin) wurden dem HVOF-Flammspritzsystem zugeführt und verbrannt, und dann wurde die Beschichtungsaufschlämmung durch die HVOF-Flammspritzpistole unter der in Tabelle 1 dargestellten Bedingung 1 auf das Substrat gespritzt, um die Aluminiumschicht mit einer Dicke von 1,5 mm abzuscheiden. Hierbei wurde ein System, das in der Lage ist, eine Beschichtungsaufschlämmung aus der Mitte von sechs in einem Kreis angeordneten Strahlen zu transportieren, als HVOF-Flammspritzsystem verwendet.
Ferner wurde reines Aluminiumpulver (Pulver, das aus gasverdüsten reinen Aluminiumpartikeln mit einem mittleren Partikeldurchmesser von 15 μm gebildet wurde) verwendet, um unter der in Tabelle 1 dargestellten Bedingung 1 ein HVOF-Flammspritzen auf die Oberfläche der Schicht durchzuführen, um dadurch eine 0,2 mm starke Aluminiumschicht abzuscheiden. Die Oberfläche der Aluminiumschicht wurde in einer abschließenden Behandlung auf einen Dickenbereich von 0,1 mm bis 0,15 mm geschliffen.
Ein DBA-Material (Aluminiumnitridmaterial) mit einer Dicke von 0,7 mm wurde unter Verwendung eines auf 600°C erwärmten Hartlöt-Füllmetalls (JIS: A4044) hartgelötet, um dadurch ein Modul (Modul ohne Leistungsvorrichtung) herzustellen.
Wie im Fall des Beispiels 1 wurde ein Modul als Beispiel 2 hergestellt. Beispiel 2 unterscheidet sich vom Beispiel 1 darin, dass zu Kügelchen geformtes Graphitpulver (Pulver, das aus Graphitpartikeln (Kohlenstoffpartikeln) mit einem mittleren Partikeldurchmesser von 40 μm gebildet wurde) als Graphitpulver für das Beschichtungspulver verwendet wurde.
Wie im Fall von Beispiel 1 wurde ein Modul als Beispiel 3 hergestellt. Beispiel 3 unterscheidet sich von Beispiel 1 darin, dass plättchenartiges Graphitpulver (Pulver, das aus Graphitpartikeln (Kohlenstoffpartikeln) mit einem mittleren Partikeldurchmesser von 50 μm gebildet wurde) als Graphitpulver für das Beschichtungspulver verwendet wurde.
Wie im Fall von Beispiel 1 wurde ein Modul als Beispiel 4 hergestellt. Beispiel 4 unterscheidet sich von Beispiel 1 darin, dass reines Kupferpulver (Pulver, das aus reinen Kupferpartikeln mit einem mittleren Partikeldurchmesser von 16 μm gebildet wurde) anstelle des reinen Aluminiumpulvers für das Beschichtungspulver verwendet wurde, dass reines Nickelpulver (Pulver, das aus reinen Nickelpartikeln mit einem mittleren Partikeldurchmesser von 15 μm gebildet wurde) für die Beschichtung verwendet wurde, statt eine Beschichtung unter Verwendung von reinem Aluminiumpulver auf der beschichteten Oberfläche durchzuführen, und dass Aluminiumnitridmaterial statt durch Hartlöten durch Löten von Lot (Sn-Ag-Cu) bei einer Rückflusslöttemperatur von 375°C gebunden wurde.
Wie im Fall von Beispiel 1 wurde ein Modul als Vergleichsbeispiel 1 hergestellt. Vergleichsbeispiel 1 unterscheidet sich von Beispiel 1 darin, dass eine Schicht durch Plasmaflammspritzen unter der in Tabelle 1 dargestellten Bedingung 2 in einem Zustand abgeschieden wurde, wo Beschichtungspulver nicht mit Wasser gemischt worden war (ohne Herstellung einer Beschichtungsaufschlämmung), sondern die Pulverform beibehielt.
Wie im Fall von Beispiel 1 wurde ein Modul als Vergleichsbeispiel 2 hergestellt. Vergleichsbeispiel 2 unterscheidet sich von Beispiel 1 darin, dass eine Schicht unter der in Tabelle 1 dargestellten Bedingung 1 in einem Zustand abgeschieden wurde, wo Beschichtungspulver nicht mit Wasser gemischt worden war (ohne Erzeugung einer Beschichtungsaufschlämmung), sondern die Pulverform beibehielt. Ferner unterscheidet sich das Vergleichsbeispiel 2 darin von Beispiel 1, dass die Beschichtung unter Verwendung von reinem Nickelpulver (Pulver, das aus reinen Nickelpartikeln mit einem mittleren Partikeldurchmesser von 15 μm gebildet wurde) auf der beschichteten Oberfläche durchgeführt wurde, statt eine Beschichtung unter Verwendung von reinem Aluminiumpulver anhand von HVOF-Flammspritzen durchzuführen, und dass Aluminiumnitridmaterial durch (Weich-)Löten statt durch Hartlöten gebunden wurde. Tabelle 1
Die Beispiele 1 bis 4 und die Vergleichsbeispiele 1 und 2 wurden dem folgenden Beurteilungstest unterzogen. In dem Stadium, in dem eine Aluminiumschicht, welche die Kohlenstoffpartikel enthielt, abgeschieden war, wurde der Querschnitt der Schicht unter einem Mikroskop betrachtet. Die Ergebnisse sind in Tabelle 4 dargestellt. Außerdem wurde gleichzeitig der Prozentanteil eines schwarzen Abschnitts durch das Mikroskopbild ermittelt und wurde als Prozentanteil der Graphitfläche betrachtet. Die Ergebnisse sind in Tabelle 2 dargestellt. Tabelle 2
Um eine Wärmeübertragungsbeurteilung durchzuführen, wurde ein Bezugsmodul hergestellt wie in 5 (und 9) dargestellt. Genauer wurde eine Aluminiumlegierung (JIS: A3003) mit einer Größe von 50 mm × 50 mm und einer Dicke von 5 mm als wärmeableitendes Element (Substrat) hergestellt, Cu/Mo-Material (Cu/Mo-Sintermaterial) mit einer Dicke von 3 mm wurde mit Siliciumschmiere aufgeklebt, und dann wurde Aluminiumnitridmaterial mit einer Dicke von 0,7 mm durch Hartlöt-Füllmetall, das auf 600°C erwärmt wurde, wie im Fall von Beispiel 1 hartgelötet.
Dann wurde das Modul aufgestellt wie folgt. Wie in 5 dargestellt, wurde die Oberfläche des wärmeableitenden Elements 94 in Kühlmittel W getaucht, ein Thermoelement 82 wurde über dem Aluminiumnitridmaterial 93 auf berührungsfreie Weise angeordnet, und eine Spannung, die an den Wärmeübertragungsdraht 81 angelegt wurde, wurde konstant so eingestellt, dass die Temperatur der Oberfläche des Aluminiumnitridmaterials 93 nach 10 Sekunden einen Messwert von 160°C des Wärmelements 82 erreicht.
Nachdem die Spannung eingestellt war, wurde, wie in 6 dargestellt (in der Zeichnung, die das Modul von Beispiel 1 darstellt), das Teststück (Modul) von Beispiel 1 anhand des gleichen Verfahrens durch einen Heizdraht 81 erwärmt und die Oberflächentemperatur des Aluminiumnitridmaterials 93 (die AlN-Oberflächentemperatur) wurde anhand des Thermoelements 82 gemessen. Man beachte, dass die Ergebnisse in 7 dargestellt sind.
Das anhand des oben beschriebenen Verfahrens hergestellte Modul wurde für eine Beurteilung der Wärmebeständigkeit 10.000 Zyklen von –20°C → 200°C → –20°C → 200°C (Erwärmen: 6,5 Sekunden, Kühlen: 3,5 Sekunden) unterzogen, wie im Falle der in 6 dargestellten Wärmeübertragungsbeurteilung. Ein in 6 dargestellter Erwärmungstest wurde bei 2.000, 4.000, 6.000 und 10.000 Zyklen durchgeführt, und dann wurde die Oberflächentemperatur des Aluminiumnitridmaterials 93 (die AlN-Oberflächentemperatur) gemessen. Außerdem wurde das in 4 dargestellte Modul ebenfalls den gleichen Tests unterzogen. Die Ergebnisse einschließlich der Ergebnisse für das oben genannte, in 5 dargestellte Modul, sind in 8 dargestellt (Rhombus Cu/Mo im Graphen). Außerdem wurde der Zustand der hartgelöteten Schicht (Lotschicht) 96 zwischen dem Aluminiumnitridmaterial 93 und der Schicht 12 nach einem Durchlauf durch 10.000 Zyklen betrachtet. Diese Ergebnisse sind in der folgenden Tabelle 3 dargestellt. Tabelle 3
Die Wärmeleitfähigkeit, der Young'sche Modul, die Dichte und der Wärmeausdehnungskoeffizient der Schicht wurden anhand bekannter, typischer Verfahren für die Messung physikalischer Werte gemessen. Genauer sind die Verfahren zum Messen des Young'schen Moduls, der Dichte und des Wärmeausdehnungskoeffizienten ein Ultraschallwellenverfahren, ein Archimedisches Verfahren bzw. eine thermo-mechanische Analyse. Die Ergebnisse sind in Tabelle 4 dargestellt. Man beachte, dass die Werte für Al und die Werte für Cu in Tabelle 4 ebenfalls dargestellt sind. Tabelle 4
Die mikroskopische Betrachtung ergab, dass, wie in 4 und Tabelle 2 dargestellt, jede der Schichten der Beispiele 1 bis 3 Kohlenstoffpartikel enthält, und dass keine der Schichten der Vergleichsbeispiele 1 und 2 Kohlenstoffpartikel enthält. Wie in Tabelle 2 dargestellt, ist der prozentuale Anteil der Graphitfläche jeder der Schichten der Beispiele 1 und 2 höher als der prozentuale Anteil der Graphitfläche der Schicht von Beispiel 3. Obwohl in 4 oder Tabelle 2 nicht dargestellt, wurde auch festgestellt, dass die Schicht von Beispiel 4 auch Kohlenstoffpartikel enthält und dass der prozentuale Anteil ihrer Graphitfläche im Wesentlichen dem von Beispiel 1 gleich ist.
Da in den Beispielen 1 bis 4 Beschichtungspulver unter Verwendung von Wasser aufgeschlämmt wurde, wird angenommen, dass Feuchtigkeit in die Oberfläche und in das Innere der Kohlenstoffpartikel eingedrungen ist und verhindert hat, dass der Graphit verbrennt. Außerdem brennen die kugeligen Graphitpartikel der Beispiele 1, 2 und 4 im Vergleich zu plättchenartigen Graphitpartikeln wahrscheinlich nur schwer.
Als Ergebnis der in 7 dargestellten Wärmeübertragungsbeurteilung hat jedes der Module der Beispiele 1, 2 und 4 eine höhere Wärmeabstrahlungsfähigkeit als Cu/Mo-Material. Außerdem hat jedes der Module der Vergleichsbeispiele 1 und 2 eine etwas höhere Wärmeabstrahlungsfähigkeit als diejenigen der Beispiele 1, 2 und 4.
Gemäß den Ergebnissen der Wärmebeständigkeitsbeurteilung findet in den Modulen der Beispiele 1, 2 und 4 auch bei zunehmender Anzahl der Zyklen fast kein Anstieg der Oberflächentemperatur des Aluminiumnitridmaterials statt; während in den Modulen der Vergleichsbeispiele 1 und 2 mit zunehmender Anzahl der Zyklen eine Zunahme der Oberflächentemperatur des Aluminiumnitridmaterials gegeben ist. Außerdem weist, wie in Tabelle 3 dargestellt, die hartgelötete Schicht oder die Lotschicht in keinem der Module, die Cu/Mo-Material verwenden, und in keinem der Module der Beispiele 1, 2 und 4 eine Abnormalität auf.
Das Modul von Vergleichsbeispiel 1 ist größer als die anderen, da die Komponenten verzogen sind. Wegen der Verziehung ist es wahrscheinlich, dass im Lot Risse entstehen, wenn das Modul von Vergleichsbeispiel 1 weich- und nicht hartgelötet wird.
Außerdem weist das Modul vom Vergleichsbeispiel 2 Risse in der Lotschicht auf. Das liegt wahrscheinlich daran, dass die Schicht im Fall von Vergleichsbeispiel 2 keine Kohlenstoffpartikel enthält. Das heißt, der Wärmeausdehnungskoeffizient von Vergleichsbeispiel 2 ist höher als derjenige der Beispiele 1, 2 und 4, wie in Tabelle 4 dargestellt, so dass die Lotschicht von Vergleichsbeispiel 2 vermutlich aufgrund der Spannung, die auf einen Unterschied in der Wärmeausdehnung zwischen dem Aluminiumnitridmaterial und der nur aus Kupfer bestehenden Kupferschicht, zurückgeht, Risse entwickelt hat. Infolgedessen ist anzunehmen, dass die Risse der Lotschicht von Vergleichsbeispiel 2 mit steigender Anzahl von Zyklen fortgeschritten sind, dass der Wärmefluss durch das Fortschreiten der Risse beeinträchtigt war, und dass die Temperatur an der Oberfläche des Aluminiumnitridmaterials mit zunehmender Anzahl der Zyklen stieg.
Auf diese Weise wird angenommen, dass jede der Schichten der Beispiele 1 bis 4 in der Lage ist, ihren Young'schen Modul zu senken, weil die Schicht Graphitpartikel (Kohlenstoffpartikel) enthält und daher die auf Unterschiede in der Wärmeausdehnung zurückgehende Wärmespannung absorbiert werden kann. Dann wird verständlich, dass die Wärmeleitfähigkeit jedes der Module der Beispiele 1 bis 4 im Vergleich zu dem Modul, das Cu/Mo-Material verwendet, verbessert ist, und dass dies außerdem im Hinblick auf den Wärmebeständigkeitszyklus von Vorteil ist.
Die oben genannte vorliegende Ausführungsform wird nachstehend umrissen.
Gemäß der vorliegenden Ausführungsform beinhaltet ein Verfahren zum Abscheiden einer Kohlenstoffpartikel enthaltenden Schicht, die Kohlenstoffpartikel enthält, Folgendes: Herstellen einer Beschichtungsaufschlämmung durch Mischen von Flüssigkeit in Beschichtungspulver, das aus den Kohlenstoffpartikeln gebildetes Kohlenstoffpulver enthält; und Abscheiden der Kohlenstoffpartikel enthaltenden Schicht durch Spritzen der Beschichtungsaufschlämmung auf eine Oberfläche eines Substrats, so dass die Flüssigkeit verdampft.
Im oben genannten Abscheide- bzw. Beschichtungsverfahren kann die Flüssigkeit bei oder oberhalb einer Spritztemperatur, mit der die Beschichtungsaufschlämmung auf die Oberfläche des Substrats aufgespritzt wird, verdampfen.
Mit der oben genannten Gestaltung wird Beschichtungspulver bei der Herstellung einer Beschichtungsaufschlämmung derart mit Flüssigkeit gemischt, dass die Flüssigkeit den Kohlenstoffpartikeln des in der Beschichtungsaufschlämmung enthaltenen Kohlenstoffpulvers gleichmäßig zugegeben wird. Dann verdampft die in der Aufschlämmung enthaltene Flüssigkeit spätestens an der Oberfläche des Substrats, wenn die Beschichtungsaufschlämmung bei der Spritztemperatur aufgespritzt wird, so dass die Kohlenstoffpartikel kaum verbrennen können und sich an der Oberfläche des Substrats ansammeln. Infolgedessen kann eine Kohlenstoffpartikel enthaltende Schicht zu im Vergleich zum Stand der Technik niedrigen Kosten abgeschieden werden. Außerdem kann, wenn das Beschichtungspulver aus Kohlenstoffpulver gebildet wird, eine Schicht aus nur den Kohlenstoffpartikeln abgeschieden werden. Außerdem ist bisher, wenn eine Metallschicht, die Kohlenstoffpartikel enthält, abgeschieden wird, der metallische Werkstoff auf einen metallischen Werkstoff beschränkt, der Kohlenstoffpartikel beschichten kann. Gemäß dem oben beschriebenen Beschichtungsverfahren kann jedoch auch ein metallischer Werkstoff wie Aluminium, der Kohlenstoffpartikel nur schlecht beschichten kann, leicht abgeschieden werden.
In dem Beschichtungsverfahren gemäß der vorliegenden Ausführungsform kann es sich bei der Flüssigkeit um Wasser oder Alkohol handeln. Mit der oben genannten Gestaltung bildet Wasser oder Alkohol bereitwillig eine Aufschlämmung mit Beschichtungspulver, daher ist es möglich, eine Schicht auf kostengünstige Weise abzuscheiden, ohne dass die Flüssigkeit in der Schicht zurückbleibt.
In dem Beschichtungsverfahren gemäß der vorliegenden Ausführungsform kann das Beschichtungspulver Pulver enthalten, das aus Metall gebildet wurde.
Mit der genannten Gestaltung kann Metallpulver (Metallpartikel) thermisch auf das Substrat gespritzt werden. Dann können dadurch, dass das Beschichtungspulver Metallpulver enthält, die Wärmeleitfähigkeit und die elektrische Leitfähigkeit der Schicht verbessert werden, und das Metall des Metallpulvers dient als Bindemittel, das die Partikel des Kohlenstoffpulvers an die Schicht bindet. Ferner hat das Metallpulver eine bessere Wärmeleitfähigkeit als andere Materialien, und die Schicht enthält Kohlenstoffpartikel. Somit kann der Young'sche Modul der abgeschiedenen Schicht niedriger sein als der Young'sche Modul der Schicht, die aus Metall besteht. Infolgedessen dient die Schicht als Spannungsdämpfungsmaterial mit einem hervorragenden Wärmebeständigkeitszyklus, wenn die Schicht zwischen dem Isolierelement und einem wärmeableitenden Element eines Leistungsmoduls angeordnet wird.
In dem Beschichtungsverfahren gemäß der vorliegenden Ausführungsform kann es sich bei dem Metallpulver um Kupfer oder Aluminium handeln. Mit der genannten Gestaltung kann durch Verwenden eines solchen Pulvers nicht nur die Wärmeleitfähigkeit der Schicht, sondern auch die elektrische Leitfähigkeit der Schicht verbessert werden.
In dem Beschichtungsverfahren gemäß der vorliegenden Ausführungsform können die Kohlenstoffpartikel kugelig bzw. sphärisch sein. Mit der genannten Gestaltung werden die Kohlenstoffpartikel während der Schichtabscheidung kaum verbrannt, und Kohlenstoffpartikel können auf effiziente Weise in die Schicht eingebracht werden.
Ein Wärmeübertragungselement, bei dem die Kohlenstoffpartikel enthaltende Schicht auf einer Oberfläche eines Substrats abgeschieden ist, kann anhand des oben beschriebenen Beschichtungsverfahrens hergestellt werden. Das Wärmeübertragungselement kann in einem. Leistungsmodul enthalten sein, das eine Leistungsvorrichtung und ein Isolierelement aufweist, an dem die Leistungsvorrichtung auf einer Seite, die einer Seite entgegengesetzt ist, auf der das Wärmeübertragungselement vorgesehen ist, angebracht ist, das Substrat kann als wärmeableitendes Element dienen, und die Kohlenstoffpartikel enthaltende Schicht kann zwischen dem Isolierelement und dem Substrat angeordnet sein.
Bei der genannten Gestaltung ist die Kohlenstoffpartikel enthaltende Schicht des Wärmeübertragungselements zwischen dem Isolierelement und dem wärmeableitenden Element, die Bestandteile des Leistungsmoduls sind, angeordnet. Somit muss das Leistungsmodul keine Silikonschmiere verwenden, um eine Wärmeleitung auf der Oberfläche des wärmeableitenden Elements zu blockieren. Das Leistungsmodul ist in der Lage, Wärme durch das wärmeableitende Element auf effiziente Weise von der erwärmten Leistungsvorrichtung zu übertragen. Ferner enthält die Kohlenstoffpartikel enthaltende Schicht die Kohlenstoffpartikel, so dass es möglich ist, einen Unterschied in der Wärmeausdehnung zwischen dem Isolierelement und dem wärmeableitenden Element abzupuffern, wie oben beschrieben. Infolgedessen kann das zuverlässige Leistungsmodul erhalten werden, das ein Ablösen oder eine Rissbildung der Schicht verhindert, um die Ermüdungsbeständigkeit gegenüber einem Wärmezyklus zu verbessern.
Das Leistungsmodul kann für einen Fahrzeug-Wechselrichter verwendet werden.
In der vorliegenden Ausführungsform wird Wasser oder Alkohol als die Flüssigkeit verwendet. Jedoch ist die Flüssigkeit nicht besonders beschränkt, solange die Flüssigkeit zwei Bedingungen erfüllt, nämlich dass die Flüssigkeit bei der Spritztemperatur verdampft, bei der die Beschichtungsaufschlämmung auf die Oberfläche des Substrats gespritzt wird, und dass beim Mischen der Flüssigkeit mit Beschichtungspulver die Flüssigkeit nicht mit dem Pulver reagiert und dass sich das Pulver und die Flüssigkeit nicht trennen, um eine Aufschlämmung zu bilden. Beispielsweise kann eine neutrale Flüssigkeit wie Wasser, Alkohol, Ether und Aceton, verwendet werden.
Außerdem kann es sich bei dem im Beschichtungspulver gemeinsam mit Kohlenstoffpulver enthaltenen Pulver außer um Metallpulver auch um Pulver wie Harzpulver und Keramikpulver handeln.
In der vorliegenden Ausführungsform wird gasverdöstes Pulver als Metallpulver verwendet; jedoch ist ein Herstellungsverfahren für Metallpulver nicht besonders beschränkt. Beispielsweise kann wasserverdüstes Pulver, elektrolytisches Pulver oder granuliertes Pulver aus diesen Arten von Pulvern als Metallpulver verwendet werden.
Außerdem können die in dem Beschichtungsverfahren gemäß der vorliegenden Ausführungsform verwendeten Kohlenstoffpartikel Graphitpartikel oder Rußpartikel sein.
In der vorliegenden Ausführungsform kann es sich bei einem Verfahren zum Sphäroidisieren von Kohlenstoffteilchen beispielsweise um ein chemisches Herstellungsverfahren handeln, in dem PMMA (Polymethylmethacrylat)/PDVB (Polydivinylbenzol) polymerisiert und dann carbonisiert wird, und um ein Verfahren, bei dem plättchenartige Partikel mechanisch in Kugelform gebogen werden. Solange die Kohlenstoffpartikel in Kugelform hergestellt werden können, ist das Herstellungsverfahren nicht besonders beschränkt.
Außerdem weist ein gemäß dem oben beschriebenen Beschichtungsverfahren hergestelltes Wärmeübertragungselement eine hohe Wärmeleitfähigkeit auf. Somit kann das Wärmeübertragungselement beispielsweise für Vorrichtungen verwendet werden, die eine Wärmeabstrahlungsstruktur aufweisen, wie Verbrennungsmotorkomponenten eines Fahrzeugs und eine CPU einer elektronischen Vorrichtung.
Das Substrat des Wärmeübertragungselements kann beispielsweise als wärmeableitendes Element eines Computers, eines akustischen Geräts oder dergleichen verwendet werden. Genauer kann die Schicht auf einem Teil der Oberfläche des wärmeableitenden Elements abgeschieden werden, auf einer Seite, auf der ein wärmeerzeugendes Element vorgesehen ist, gebunden werden. Außerdem kann die Schicht beispielsweise auf einem Kontaktabschnitt elektrischer Komponenten, einem Bindungsabschnitt zwischen Metallen unterschiedlicher Art oder dergleichen anhand des Beschichtungsverfahrens abgeschieden werden.
Beispielsweise wird in der vorliegenden Ausführungsform Kupferpulver verwendet; jedoch ist sie nicht beschränkt. Es kann Pulver aus Kupferlegierung, Pulver aus Chrom, Nickel oder Eisen oder Pulver aus einer Legierung dieser Metalle verwendet werden. Außerdem besteht das Substrat aus Aluminium. Solange die Haftung der Schicht gewährleistet werden kann, ist das Material des Substrats nicht besonders beschränkt.
Außerdem wird in der vorliegenden Ausführungsform die Schichtabscheidung anhand von thermischem HVOF- bzw. Hochgeschwindigkeits-Flammspritzen durchgeführt. Solange die Schicht gebildet werden kann, kann die Schichtabscheidung jedoch auch anhand eines thermischen Spritzens unter Verwendung von Elektrizität, wie Lichtbogenspritzen und Plasmaspritzen, oder eines thermischen Gasspritzens, wie Pulverflammspritzen und Detonationsspritzen, durchgeführt werden, oder die Schichtabscheidung kann durch Kaltspritzen durchgeführt werden.
Außerdem wird in dem Beschichtungsverfahren gemäß der vorliegenden Ausführungsform das Verfahren zur Herstellung eines Leistungsmoduls beschrieben. Das Beschichtungsverfahren kann jedoch auch angewendet werden, um einen abtragbaren, thermisch aufgespritzten Film abzuscheiden, der von dem anderen Material leicht abgetragen werden kann, wie im Falle eines auf ein Laufrad gerichteten Teils eines Kompressorgehäuses, in dem ein Fahrzeug-Turbolader untergebracht ist.
Eine Komponente, die anhand des Beschichtungsverfahrens gemäß diesem Aspekt der Erfindung abgeschieden wurde, weist eine hohe Wärmeleitfähigkeit auf, so dass die Komponente für das Wärmeübertragungselement verwendet werden kann. Außerdem kann das Beschichtungsverfahren angewendet werden, wenn eine Schicht auf einem Teil abgeschieden wird, der in einer anspruchsvollen thermischen Umgebung Wärme abstrahlen soll, wie eine Verbrennungsmotorkomponente, eine Computer-CPU, ein akustisches Gerät für ein Fahrzeug und ein elektrisches Haushaltsgerät. Außerdem kann das Abscheideverfahren für einen abtragbaren, thermisch aufgespritzten Film auf einem Kompressorgehäuse eines Fahrzeug-Turboladers verwendet werden.

Claims

Verfahren zum Abscheiden einer Kohlenstoffpartikel enthaltenden Schicht (12), die Kohlenstoffpartikel (12b) enthält, umfassend: Herstellen einer Beschichtungsaufschlämmung durch Mischen von Flüssigkeit in Beschichtungspulver, das aus Kohlenstoffpartikeln gebildetes Kohlenstoffpulver enthält; und Abscheiden der Kohlenstoffpartikel enthaltenden Schicht durch Spritzen der Beschichtungsaufschlämmung auf eine Oberfläche (11a) eines Substrats (11), so dass die Flüssigkeit bei einer Temperatur verdampft wird, bei der die Beschichtungsaufschlämmung die Oberfläche des Substrats erreicht hat.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Flüssigkeit Wasser oder Alkohol ist.
Verfahren nach einem Anspruch 1 oder 2, wobei das Beschichtungspulver aus Metall gebildetes Pulver enthält.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei die Beschichtungsaufschlämmung bei einer Temperatur, mit der das aus Metall gebildete Pulver thermisch verspritzt wird, auf die Oberfläche des Substrats gespritzt wird.
Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, wobei das Metall Kupfer oder Aluminium ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Kohlenstoffpartikel sphärisch sind.
Wärmeübertragungselement, in dem die Kohlenstoffpartikel enthaltende Schicht anhand des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6 auf einer Oberfläche eines Substrats abgeschieden wird.