DE102014202161A1

DE102014202161A1 - Temperierplatte, Verwendung einer Temperierplatte und Verfahren zur Herstellung einer Temperierplatte

Info

Publication number: DE102014202161A1
Application number: DE102014202161.8A
Authority: DE
Inventors: Stephan Geise
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2014-02-06
Filing date: 2014-02-06
Publication date: 2015-08-06
Anticipated expiration: 2034-02-07
Also published as: CN104835995B; DE102014202161B4; CN104835995A

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Temperierplatte, wobei mindestens ein zur Wärmeleitung vorgesehenen Abschnitt der Temperierplatte aus einem duroplastischen Bulk Molding Compound hergestellt ist, wobei das Bulk Molding Compound 50–70 % wärmeleitfähige Feststoffpartikel und 10–20 % wärmeleitende Metallfasern umfasst.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einer Temperierplatte nach Gattung des unabhängigen Anspruchs.
Aus der DE102011002415A1 ist eine Temperierplatte für eine oder mehrere galvanische Zellen bekannt. Um die Temperierung der Zellen zu verbessern sowie Kosten und Gewicht zu reduzieren, umfasst die Temperierplatte mindestens einen zur Wärmeableitung vorgesehenen Abschnitt, welcher aus einem Kunststoffcompound ausgebildet ist, der mindestens ein Additiv zur Erhöhung der Wärmeleitfähigkeit umfasst.
Offenbarung der Erfindung
Vorteile der Erfindung
Die erfindungsgemäße Temperierplatte weist demgegenüber den Vorteil auf, dass es durch die Zusammensetzung des für die Herstellung verwendeten Bulk Molding Compounds möglich ist, die Temperierplatte mit besonders dünnen und/oder verwinkelten Abschnitten herzustellen. Beispielsweise ist die Herstellung von Abschnitten mit einer Dicke < 0,5 mm möglich. Dies wird dadurch erreicht, dass das Material bei der Herstellung der Temperierplatte in einem Spritzgießwerkzeug eine geringe Viskosität aufweist. Hierdurch kann beispielsweise eine Temperierplatte mit Kühlrippen und -Pins gefertigt werden.
Dies wird dadurch erreicht, dass die erfindungsgemäße Temperierplatte mindestens einen zur Wärmeleitung vorgesehenen Abschnitt auf weist, der aus einem duroplastischen Bulk Molding Compound hergestellt ist, wobei das duroplastische Bulk Molding Compound 50–70 % wärmeleitfähige Feststoffpartikel und 10–20 % wärmeleitende Metallfasern umfasst.
Hierbei wurde der standardmäßig für duroplastische Bulk Molding Compounds verwendete Füllstoff Magnesiumdioxid durch wärmeleitfähige Feststoffpartikel ersetzt. Weiterhin wurden die ebenfalls standardmäßig eingesetzten Glasfasern teilweise durch wärmeleitfähige Metallfasern ersetzt.
Somit ergibt sich eine Zusammensetzung des mindestens einen zur Wärmeleitung vorgesehenen Abschnitt der Temperierplatte, die in den folgenden Bereichen liegt:
50–70 % wärmeleitfähige Feststoffpartikel
10–20 % wärmeleitende Metallfasern
5–10 % Glasfasern
20–40% Harze
1–5% Schrumpfkompensatoren (gelöste Thermoplaste, wie beispielsweise Polymethylmethacrylat)
1–3% Reaktionsmittel (Härter)
0–2% Trennmittel (Stearat)
Stabilisatoren < 0,1%
Bei den Angaben in Prozent handelt es sich um Gewichtsprozent. Die Zusammensetzung wird aus den oben angegebenen Bereichen so gewählt, dass sich in der Summe 100 % ergeben.
Der Bulk Molding Compound, aus dem der mindestens eine zur Wärmeleitung vorgesehene Abschnitt der erfindungsgemäße Temperierplatte hergestellt ist, umfasst dabei bevorzugt 55–65 % wärmeleitfähige Feststoffpartikel und 12–18 % wärmeleitende Metallfasern und besonders bevorzugt 58–62 % wärmeleitfähige Feststoffpartikel und 14–16 % wärmeleitende Metallfasern.
Der mindestens eine zur Wärmeleitung vorgesehenen Abschnitt der erfindungsgemäßen Temperierplatte mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs weist gegenüber der in der DE102011002415A1 offenbarten Zusammensetzung des zur Wärmeableitung vorgesehenen Abschnitts eine Zusammensetzung aus einem Kunststoffcompound und mindestens einem Additiv zur Erhöhung der Wärmeleitfähigkeit auf, die besondere technische Effekte und Vorteile zeigt.
Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Temperierplatte liegt darin, dass durch die oben aufgeführte Zusammensetzung die Herstellungskosten besonders gering ausfallen, da Bulk Molding Compound allgemein einen kostengünstigen Werkstoff darstellt.
Weiterhin führt das Material mit der oben aufgeführten Zusammensetzung dazu, dass für die Herstellung der Temperierplatte in dem Spritzgießwerkzeug so geringe Schließkräfte benötigt werden, dass ein Mehrkavitäten-Spritzgießwerkzeug verwendet werden kann. Hierdurch werden die Herstellungskosten weiter reduziert.
Besonders vorteilhaft ist es, dass das Materials mit der oben angegebenen Zusammensetzung in dem Spritzgießwerkzeug eine geringe Viskosität aufweist, obwohl gleichzeitig ein hoher Anteil an Füllstoffen enthalten ist. Der hohe Anteil an wärmeleitfähigen Feststoffpartikeln und wärmeleitenden Metallfasern führt dazu, dass die Temperierplatte in dem mindestens einen zur Wärmeleitung vorgesehenen Abschnitt eine besonders hohe Wärmeleitfähigkeit erreicht.
Weiterhin weist das angegebene Material den Vorteil auf, dass dieses eine besonders hohe Medienbeständigkeit besitzt. Insbesondere ist es beständig gegen Kühlmedien, die zum Wärmeabtransport in beziehungsweise an der Temperierplatte eingesetzt werden. Somit weist die erfindungsgemäße Temperierplatte eine besonders hohe Lebensdauer auf.
Die Medienbeständigkeit führt darüber hinaus zu einer besonders hohen Formbeständigkeit. Denn das Material mit der oben aufgeführten Zusammensetzung neigt ebenfalls nicht zur Aufnahme von Wasser. Somit wird eine Quellung der Temperierplatte vermieden und eine besonders gute Ebenheit erzielt. Hinsichtlich der Formbeständigkeit werden nach der Norm DIN EN ISO 178 beispielsweise eine Biegefestigkeit ≥ 100 MPa und ein E-Modul ≥ 12000 MPa erzielt. Hinsichtlich der Ebenheit wird beispielsweise bei einer Platte mit den Maßen Platte 200 mm × 100 mm eine Ebenheitstoleranz nach DIN EN 485-3 von ±0,2mm erzielt.
Auch weist das oben aufgeführte Material den Vorteil auf, dass es bei der Vernetzung in dem Spritzgießwerkzeug keine Schwindung oder eine positive Schwindung, das heißt eine Ausdehnung, aufweist. Dies führt zu einer Abformung ohne Verzug und ebenfalls zu einer besonders großen Ebenheit der abgeformten Flächen.
Die besonders gute und beständige Ebenheit der Temperierplatte führt in vorteilhafter Weise dazu, dass die Kontaktfläche zu dem zu temperierenden Objekt, bei dem es sich beispielsweise um eine Lithoum-Ionen-Zelle für ein Batteriesystem handeln kann, besonders groß ist und auch während der Verwendung der Temperierplatte bleibt.
Weiterhin weist die Temperierplatte durch die Verwendung eines Materials mit der oben aufgeführten Zusammensetzung eine besonders hohe Temperaturbeständigkeit auf. Es wird eine Temperaturbeständigkeit bei einer Kugeldruckprüfung nach der Norm DIN EN 60695-10-2:2013-12 von –60 °C bis 180 °C erreicht. Hierdurch wird ebenfalls die Lebensdauer der Temperierplatte erhöht und ein Einsatz auch bei erhöhten Temperaturen möglich.
Ein weiterer Vorteil der angegebenen Zusammensetzung ist, dass das Material ausreichend elektrisch isoliert, um beispielsweise bei einer Verwendung der erfindungsgemäßen Temperierplatte zur Temperierung einer Batteriezelle einen Kurzschluss zu vermeiden.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Hauptanspruch angegebenen Temperierplatte möglich.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn die wärmeleitfähigen Feststoffpartikel Partikel aus Bornitrid und/oder Aluminiumhydroxid und/oder Magnesiumhydroxid umfassen. Feststoffpartikel aus diesen Materialien führen zu einer besonders hohen Wärmeleitfähigkeit des zur Wärmeleitung vorgesehenen Abschnitts der Temperierplatte.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Temperierplatte umfassen die wärmeleitenden Metallfasern Fasern aus Kupfer und/oder Aluminium und/oder Silber. Diese tragen ebenfalls zu einer besonders hohen Wärmeleitfähigkeit des zur Wärmeleitung vorgesehenen Abschnitts der Temperierplatte bei.
Bei einer Verwendung einer erfindungsgemäßen Temperierplatte zur Temperierung mindestens einer galvanischen Zelle treten die Vorteile der erfindungsgemäßen Temperierplatte besonders deutlich hervor.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Temperierplatte weist den Vorteil auf, dass es dank des Einsatzes eines Mehrkavitäten-Spritzgießwerkzeugs besonders kostengünstig ist.
Ein Material, das die hier aufgeführten Vorteile besonders ausgeprägt aufweist, ergibt sich insbesondere bei einer Herstellung bei Temperaturen in dem Mehrkavitäten-Spritzgießwerkzeugs zwischen 140 °C und 170 °C und bei Forminnendrücken in dem Mehrkavitäten-Spritzgießwerkzeug zwischen 200 bar und 500 bar.
Ausführungsbeispiel
Zeichnungen
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und nachfolgend näher erläutert. Es zeigen:
1 eine Aufsicht auf die Unterseite einer erfindungsgemäßen Temperierplatte,
2 eine Ansicht eines Querschnitts einer erfindungsgemäßen Temperierplatte.
Beschreibung des Ausführungsbeispiels
Die erfindungsgemäße Temperierplatte kann prinzipiell zur Temperierung von beliebigen Objekten eingesetzt werden. Insbesondere ist die Temperierplatte nicht auf die Temperierung von ebenen Objekten begrenzt, sondern kann beispielsweise auch eine geschwungene Form oder eine Form mit Kanten aufweisen. Auch kann unter Temperierung prinzipiell sowohl eine Kühlung als auch eine Erwärmung verstanden werden.
Im Folgenden wird die erfindungsgemäße Temperierplatte exemplarisch als Temperierplatte zur Kühlung mindestens einer galvanischen Zelle beschrieben.
1 zeigt eine Aufsicht auf die Unterseite 4 einer erfindungsgemäßen Temperierplatte 1. Mit Unterseite 4 ist hierbei gemeint, dass diese Seite von dem zu kühlenden Objekt abgewandt ist. Bei dem zu kühlenden Objekt handelt es sich in diesem Fall um eine Lithium-Ionen-Zelle (nicht dargestellt), die wiederum von einer Zellhülle umgeben ist.
In diesem Ausführungsbeispiel ist die gesamte Temperierplatte 1 aus einem Material mit der oben aufgeführten Zusammensetzung hergestellt, d.h. die gesamte Temperierplatte 1 dient zum Abtransport der von der Lithium-Ionen-Zelle abgegebenen Wärme.
Die Temperierplatte 1 weist in diesem Ausführungsbeispiel Kühlpins 2 und Kühlrippen 3 auf. Diese sind einstückig mit den übrigen Abschnitten der Temperierplatte 1 gefertigt.
In 2 ist eine Ansicht eines Querschnitts der in 1 gezeigten erfindungsgemäßen Temperierplatte 1 dargestellt. Hier erkennt man sowohl die Unterseite 4 der Temperierplatte 1 als auch die Oberseite 5 der Temperierplatte 1. Die Oberseite 5 der Temperierplatte 1 dient in diesem Ausführungsbeispiel dazu, den mechanischen Kontakt zu der Zellhülle der Lithium-Ionen-Zelle herzustellen.
In 2 ist ebenfalls eine Kühlrippe 3 und ein Kühlpin 2 zu erkennen. Wie in 1 zu sehen, bilden die Kühlrippen 3 einen Kanal 6, in dem die Kühlpins 2 angeordnet sind. Der Kanal 6 ist auf der dem zu kühlenden Objekt abgewandten Seite mit einer Bodenplatte 7 mediendicht verschlossen, so dass ein dichter Temperierkanal 8 entsteht, durch den ein Kühlmittel fließen und zur Erhöhung des Wärmeabtransports von der Lithium-Ionen-Zelle beitragen kann.
Die Bodenplatte 7 ist beispielsweise aus konventionellem Bulk Molding Compound gefertigt, also Bulk Molding Compound, bei dem der Standardfüllstoff Magnesiumdioxid nicht durch wärmeleitfähige Feststoffpartikel ersetzt wurde und die standardmäßig eingesetzten Glasfasern nicht teilweise durch wärmeleitfähige Metallfasern ersetzt wurden. Die Bodenplatte 7 kann alternativ aber auch aus demselben Material hergestellt werden wie die Temperierplatte 1.
Im Folgenden sind Beispiele für mögliche Materialien angegeben, die als Einzelkomponenten des Bulk Molding Compounds zur Herstellung der erfindungsgemäßen Temperierplatte 1 eingesetzt werden können.
Wärmeleitfähige Feststoffpartikel: Als wärmeleitfähige Feststoffpartikel werden beispielsweise Partikel aus Bornitrid und/oder Aluminiumhydroxid und/oder Magnesiumhydroxid verwendet. Diese weisen beispielsweise Partikel mit Durchmessern von 10 bis 80 µm auf.
Wärmeleitende Metallfasern: Als wärmeleitenden Metallfasern werden beispielsweise Fasern aus Kupfer und/oder Aluminium und/oder Silber eingesetzt. Diese weisen beispielsweise einen Durchmesser von 20 bis 50 µm und eine Länge von 2 bis 7 mm auf.
Glasfasern: Die verwendeten Glasfasern weisen typischerweise einen Durchmesser von ca. 10 bis 30 µm und eine Länge von ca. 3 bis 10 mm auf.
Harze: Als Harz können beispielsweise ein und/oder mehrere ungesättigte Polyesterharze (UP-Harz) und/oder Vinylesterharze verwendet werden.
Schrumpfkompensatoren: Hierbei handelt es sich beispielsweise um gelöste Thermoplaste wie beispielsweise Polymethylmethacrylat (PMMA) oder Polysterol (PS).
Im Folgenden sind Beispiele für mögliche Zusammensetzungen des Bulk Molding Compounds zur Herstellung der Temperierplatte 1 angegeben.
Beispiel 1
Es wurde ein Bulk Molding Compound mit der folgenden Zusammensetzung zur Herstellung der Temperierplatte 1 verwendet:
22 % UP-Harz, 6% Glasfasern, 19% Bornitrid, 24% Magnesiumhydroxid, 13% Aluminiumhydroxid, 8% Cu-Fasern, 3% Ag-Fasern, 3% gelöst. PMMA, 1,5% Härter, 0,5% Stearat
Beispiel 2
Es wurde ein Bulk Molding Compound mit der folgenden Zusammensetzung zur Herstellung der Temperierplatte 1 verwendet:
21 % UP-Harz, 5% Glasfasern, 24% Bornitrid, 10% Aluminiumhydroxid, 18% Magnesiumhydroxid, 5% Cu-Fasern, 3% Al-Fasern, 5% Ag-Fasern, 5% gelöst. PMMA, 3% Härter, 1% Stearat
Beispiel 3
Es wurde ein Bulk Molding Compound mit der folgenden Zusammensetzung zur Herstellung der Temperierplatte 1 verwendet:
23 % UP-Harz, 5% Glasfasern, 25% Bornitrid, 15% Magnesiumhydroxid, 13% Aluminiumhydroxid, 6% Cu-Fasern, 3% Al-Fasern, 3% Ag-Fasern, 3% gelöst. PS, 2% Härter, 2% Stearat
Im Folgenden ist ein Beispiel für mögliche Bedingungen in dem Spritzgießwerkzeug bei der Herstellung der Temperierplatte 1 angegeben.
Es wurde eine Platte mit einer Größe von 200 mm × 100 mm × 2 mm hergestellt. Als Material wurde das Bulk Molding Compound aus dem oben aufgeführten Beispiel 1 verwendet. Die Werkzeugtemperatur betrug 170 °C und die Zylindertemperatur 40 °C. Die Masse wurde mit einer Einspritzgeschwindigkeit von 400 cm³/s und einem Nachdruck von 500 bar in das Spritzgießwerkzeug eingespritzt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102011002415 A1 [0002, 0009]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Norm DIN EN ISO 178 [0014]
DIN EN 485-3 [0014]
Norm DIN EN 60695-10-2:2013-12 [0017]

Claims

Temperierplatte (1), dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein zur Wärmeleitung vorgesehenen Abschnitt der Temperierplatte (1) aus einem duroplastischen Bulk Molding Compound hergestellt ist, wobei das Bulk Molding Compound 50–70 % wärmeleitfähige Feststoffpartikel und 10–20 % wärmeleitende Metallfasern umfasst.
Temperierplatte (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die wärmeleitfähigen Feststoffpartikel Partikel aus Bornitrid und/oder Aluminiumhydroxid und/oder Magnesiumhydroxid umfassen.
Temperierplatte (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die wärmeleitenden Metallfasern Fasern aus Kupfer und/oder Aluminium und/oder Silber umfassen.
Verwendung einer Temperierplatte (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur Temperierung mindestens einer galvanischen Zelle.
Verfahren zur Herstellung einer Temperierplatte (1) nach Anspruch 1–3, wobei die Temperierplatte (1) durch Spritzgießen in einem Mehrkavitäten-Spritzgießwerkzeug hergestellt wird.
Verfahren zur Herstellung einer Temperierplatte (1) nach Anspruch 5, wobei die Temperatur des Mehrkavitäten-Spritzgießwerkzeugs zwischen 140 °C und 170 °C beträgt.
Verfahren zur Herstellung einer Temperierplatte (1) nach Anspruch 5 oder 6, wobei der Forminnendruck in dem Mehrkavitäten-Spritzgießwerkzeug zwischen 200 bar und 500 bar beträgt.