DE102015210992A1

DE102015210992A1 - Screw and screw connection

Info

Publication number: DE102015210992A1
Application number: DE102015210992.5A
Authority: DE
Inventors: Klaus Lange
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2015-06-16
Filing date: 2015-06-16
Publication date: 2016-12-22

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Schraube (4) mit einem oberen Ende (10) und einem unteren Ende (12) zum Verbinden eines ersten Bauteils (2) mit einem zweiten Bauteil (3), wobei die Schraube (4) mindestens ein Längsteil (5) aufweist, das an mindestens einem Abschnitt entlang einer Längsrichtung (L) mit einem Gewinde (6) ausgebildet ist und einen Hohlraum aufweist, in dem ein Wärmerohr (13) angeordnet ist, wobei an dem oberen Ende (10) der Schraube (4) ein Schraubenkopf (7) angeordnet ist, der einstückig mit dem Längsteil (5) verbunden ist, sowie eine Schraubverbindung (1) mittels einer solchen Schraube (4).The invention relates to a screw (4) having an upper end (10) and a lower end (12) for connecting a first component (2) to a second component (3), wherein the screw (4) has at least one longitudinal part (5). formed on at least a portion along a longitudinal direction (L) with a thread (6) and having a cavity in which a heat pipe (13) is arranged, wherein at the upper end (10) of the screw (4) a Screw head (7) is arranged, which is integrally connected to the longitudinal part (5), and a screw connection (1) by means of such a screw (4).

Description

Die Erfindung betrifft eine Schraube und eine Schraubverbindung mit einer solchen Schraube. The invention relates to a screw and a screw connection with such a screw.

Schraubverbindungen werden vielfach zur mechanischen und gegebenenfalls elektrischen Verbindung von zwei Bauteilen eingesetzt. Dabei kann es auch je nach Anwendungsfall zu hohen Temperaturen in der Schraubverbindung kommen, sodass die Wärme abgeführt werden muss. Screw connections are often used for the mechanical and optionally electrical connection of two components. Depending on the application, it can also lead to high temperatures in the screw connection, so that the heat must be dissipated.

Aus der EP 1 979 632 B1 ist eine Schraube mit einem oberen Ende und einem unteren Ende zum Verbinden eines ersten Bauteils mit einem zweiten Bauteil bekannt. Die Schraube weist dabei ein Längsteil auf, das entlang seiner Längsrichtung ein Gewinde aufweist. In diese Gewindestange ist eine Bohrung eingebracht, in der ein Wärmerohr angeordnet ist. From the EP 1 979 632 B1 For example, a screw is known having an upper end and a lower end for connecting a first component to a second component. The screw has a longitudinal part which has a thread along its longitudinal direction. In this threaded rod a bore is introduced, in which a heat pipe is arranged.

Ein Wärmerohr ist ein Wärmeüberträger, der unter Nutzung von Verdampfungswärme eines Mediums eine hohe Wärmestromdichte erlaubt. Dabei wird zwischen zwei Bauformen unterschieden, nämlich der Heatpipe und dem Zwei-Phasen-Thermosiphon. Das grundlegende Funktionsprinzip ist bei beiden gleich, wobei der Unterschied nur im jeweils passiven Transport des Arbeitsmediums erfolgt. Bei der Heatpipe erfolgt der Rücktransport durch Kapillarkräfte und beim Thermosiphon durch Schwerkraft. Das Wärmerohr weist dabei zwei Seiten auf, nämlich einen Verdampfer (wo die Wärme aufgenommen wird) und einen Kondensator (wo die Wärme abgegeben wird). A heat pipe is a heat exchanger that allows a high heat flux density by using the heat of vaporization of a medium. A distinction is made between two types, namely the heat pipe and the two-phase thermosyphon. The basic operating principle is the same for both, with the difference occurring only in the respective passive transport of the working medium. In the case of the heat pipe, the return transport is effected by capillary forces and by the thermosyphon by gravity. The heat pipe has two sides, namely an evaporator (where the heat is absorbed) and a condenser (where the heat is dissipated).

Der Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, eine gattungsgemäße Schraube derart zu verbessern, dass diese vielfältiger einsetzbar ist, sowie eine Schraubverbindung weiterzuentwickeln. The invention is based on the technical problem of improving a generic screw in such a way that it can be used in a variety of applications, as well as to further develop a screw connection.

Die Lösung des technischen Problems ergibt sich durch eine Schraube mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie eine Schraubverbindung mit den Merkmalen des Anspruchs 7. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen. The solution of the technical problem results from a screw with the features of claim 1 and a screw with the features of claim 7. Further advantageous embodiments of the invention will become apparent from the dependent claims.

Hierzu weist die Schraube ein oberes Ende und ein unteres Ende zum Verbinden eines ersten Bauteils mit einem zweiten Bauteil auf, wobei die Schraube mindestens ein Längsteil aufweist, das an mindestens einem Abschnitt entlang einer Längsrichtung mit einem Gewinde ausgebildet ist und einen Hohlraum aufweist, in dem ein Wärmerohr angeordnet ist. An dem oberen Ende der Schraube ist ein Schraubenkopf angeordnet, der einstückig mit dem Längsteil verbunden ist. Hierdurch lässt sich eine Schraubverbindung herstellen, wobei das erste und zweite Bauteil stromführende Bauteile sind, die durch die Schraubverbindung elektrisch miteinander verbunden sind. Dem liegt die Erkenntnis zugrunde, dass insbesondere bei elektrischen Schraubverbindungen im Hochvoltbereich wie beispielsweise in der Leistungselektronik oder Elektromaschinen in Elektro- oder Hybridfahrzeugen starke Wärmeentwicklungen in der Schraube auftreten. Dabei ist die Wärmeentwicklung auch abhängig vom Übergangswiderstand zwischen dem ersten und zweiten Bauteil. Durch den Schraubenkopf werden dabei über einen größeren Bereich mit ausreichender Kraft die beiden Bauteile aufeinandergepresst. Der Hohlraum in der Schraube kann eine vom unteren zum oberen Ende durchgehende Öffnung sein. Es sind aber auch Ausführungen möglich, dass der Hohlraum entsprechend einem Sackloch nur einseitig offen ist. Dabei ist es auch möglich, nach Einführung des Wärmerohrs den Hohlraum zu verschließen, beispielsweise durch den Schraubenkopf, der beispielsweise formschlüssig mit dem Längsteil verbunden wird. For this purpose, the screw has an upper end and a lower end for connecting a first component to a second component, wherein the screw has at least one longitudinal part which is formed on at least one portion along a longitudinal direction with a thread and has a cavity in which a heat pipe is arranged. At the upper end of the screw, a screw head is arranged, which is integrally connected to the longitudinal part. This makes it possible to produce a screw connection, wherein the first and second components are current-carrying components which are electrically connected to one another by the screw connection. This is based on the finding that, in particular in electrical screw connections in the high-voltage range, such as in power electronics or electric machines in electric or hybrid vehicles, strong heat developments occur in the screw. The heat development is also dependent on the contact resistance between the first and second component. Through the screw head while the two components are pressed together over a larger area with sufficient force. The cavity in the screw may be an opening from the lower to the upper end. However, embodiments are also possible that the cavity is open according to a blind hole only on one side. It is also possible to close the cavity after introduction of the heat pipe, for example, by the screw head, which is for example positively connected to the longitudinal part.

In einer Ausführungsform sind jedoch Schraubenkopf und Längsteil einteilig ausgebildet, d.h. in einem Herstellungsverfahren zusammen ausgebildet, was kostengünstiger ist. In one embodiment, however, the screw head and longitudinal member are integrally formed, i. formed together in a manufacturing process, which is less expensive.

In einer weiteren Ausführungsform ist der Schraubenkopf mit oberflächenvergrößernden Strukturen ausgebildet, wobei der Kondensator des Wärmerohrs im Schraubenkopf angeordnet ist. Dadurch arbeitet der Schraubenkopf zusätzlich als Kühlkörper, der hilft, die am Kondensator entstehende Wärme schnell an die Umgebung abzuführen. Die oberflächenvergrößernden Strukturen können beispielsweise als Kühlrippen ausgebildet sein. In a further embodiment, the screw head is formed with surface-enlarging structures, wherein the condenser of the heat pipe is arranged in the screw head. As a result, the screw head also acts as a heat sink, which helps dissipate the heat generated at the condenser quickly to the environment. The surface-enlarging structures may be formed, for example, as cooling fins.

In einer alternativen Ausführungsform ist der Kondensator im unteren Ende der Schraube angeordnet. In an alternative embodiment, the capacitor is arranged in the lower end of the screw.

In einer weiteren Ausführungsform ist das Wärmerohr in die Schraube verlötet, eingeklebt oder verpresst. Hierdurch wird ein guter Wärmeübergang sichergestellt und gleichzeitig das Wärmerohr ausreichend mechanisch befestigt. In a further embodiment, the heat pipe is soldered, glued or pressed into the screw. As a result, a good heat transfer is ensured while the heat pipe sufficiently mechanically fastened.

In einer weiteren Ausführungsform sind Schraube und Wärmerohr aus Kupfer ausgebildet. Dies ist vorteilhaft, da Kupfer eine gute elektrische Leitfähigkeit und eine gute Wärmeleitfähigkeit hat, wo durch die Wahl gleicher Materialien es zu keinen thermischen Spannungen aufgrund unterschiedlichen Ausdehnungsverhaltens kommt. In another embodiment, screw and heat pipe are formed of copper. This is advantageous because copper has a good electrical conductivity and a good thermal conductivity, where the choice of the same materials, there are no thermal stresses due to different expansion behavior.

Die Schraubverbindung kann auch eine Mutter aufweisen, die auf das Gewinde der Schraube geschraubt ist. Hierdurch brauchen die Bauteile selbst keine Gewinde aufweisen. The screw connection can also have a nut which is screwed onto the thread of the screw. As a result, the components themselves need not have threads.

In einer weiteren Ausführungsform ist der Kondensator im unteren Ende der Schraube angeordnet, wobei die Mutter mit oberflächenvergrößernden Strukturen ausgebildet ist, die beispielsweise als Kühlrippen ausgebildet sind. In another embodiment, the condenser is in the lower end of the screw arranged, wherein the nut is formed with Oberflächenvergrößernden structures, which are formed for example as cooling fins.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele näher erläutert. Die Figuren zeigen: The invention will be explained in more detail below with reference to preferred embodiments. The figures show:

1 eine schematische Querschnittsdarstellung einer Schraubverbindung in einer ersten Ausführungsform und 1 a schematic cross-sectional view of a screw in a first embodiment and

2 eine schematische Querschnittsdarstellung einer Schraubverbindung in einer zweiten Ausführungsform. 2 a schematic cross-sectional view of a screw in a second embodiment.

In der 1 ist eine Schraubverbindung 1 zum Verbinden eines ersten Bauteils 2 mit einem zweiten Bauteil 3 mittels einer Schraube 4 dargestellt. Die Schraube 4 weist einen Längsteil 5 mit einer Längsrichtung L auf. Das Längsteil 5 weist an seinem äußeren Umfang ein Gewinde 6 auf. Weiter weist die Schraube 4 einen Schraubenkopf 7 auf, der aus einem Basisteil 8 und oberflächenvergrößernden Strukturen 9 in Form von Rippen besteht. Der Schraubenkopf 4 bildet dabei ein oberes Ende 10 und ein Schraubenfuß 11 ein unteres Ende 12 der Schraube 4 aus. Die Schraube 4 weist einen Hohlraum auf, in dem ein Wärmerohr 13 angeordnet ist. Das Wärmerohr 13 weist eine äußere Wandung 14 auf, die beispielsweise aus Kupfer besteht. Weiter weist das Wärmerohr einen Verdampfer 15 und einen Kondensator 16 auf. Hinsichtlich des konkreten Aufbaus und der Wirkungsweise eines Wärmerohrs 13 wird auf den Stand der Technik verwiesen. Das Wärmerohr 13 kann dabei vom oberen Ende 10 in den Hohlraum eingeführt werden und in diesem verlötet, verklebt oder gepresst sein. Dabei sei angemerkt, dass im dargestellten Ausführungsbeispiel der Schraubenfuß 11 geschlossen ist, was aber nicht zwingend ist. Der geschlossene Schraubenfuß 11 bildet jedoch vorzugsweise einen mechanischen Anschlag für das Wärmerohr 13 aus. Alternativ kann das Wärmerohr 13 auch vom unteren Ende 12 eingeführt werden, wobei dann der Schraubenkopf 7 oder die oberflächenvergrößernden Strukturen 9 den mechanischen Anschlag bilden. Schließlich kann auch eine Durchgangsbohrung vorgesehen sein, so dass das Wärmerohr 13 wahlweise vom oberen Ende 10 oder vom unteren Ende 12 eingesetzt werden kann Weiter sei angenommen dass das zweite Bauteil 3 ein Gewinde aufweist. Beim Verschrauben drückt dann das Basisteil 8 des Schraubenkopfes 7 das erste Bauteil 2 fest gegen das zweite Bauteil 3. In the 1 is a screw connection 1 for connecting a first component 2 with a second component 3 by means of a screw 4 shown. The screw 4 has a longitudinal part 5 with a longitudinal direction L on. The longitudinal part 5 has at its outer periphery a thread 6 on. Next points the screw 4 a screw head 7 on, from a base part 8th and surface enlarging structures 9 in the form of ribs. The screw head 4 forms an upper end 10 and a screw foot 11 a lower end 12 the screw 4 out. The screw 4 has a cavity in which a heat pipe 13 is arranged. The heat pipe 13 has an outer wall 14 on, which consists for example of copper. Next, the heat pipe has an evaporator 15 and a capacitor 16 on. With regard to the concrete structure and operation of a heat pipe 13 Reference is made to the prior art. The heat pipe 13 can from the top 10 be introduced into the cavity and soldered in this, glued or pressed. It should be noted that in the illustrated embodiment, the screw 11 is closed, which is not mandatory. The closed screw foot 11 However, preferably forms a mechanical stop for the heat pipe 13 out. Alternatively, the heat pipe 13 also from the lower end 12 are introduced, in which case the screw head 7 or the surface-enlarging structures 9 form the mechanical stop. Finally, a through hole may be provided so that the heat pipe 13 optionally from the upper end 10 or from the bottom 12 Let us assume that the second component 3 has a thread. When screwing then pushes the base 8th of the screw head 7 the first component 2 firmly against the second component 3 ,

Sind nun die beiden Bauteile 2, 3 elektrisch stromführend, so kommt es im Bereich der Verbindung zu einer Wärmeentwicklung aufgrund ohmscher Verluste. Diese Wärmeentwicklung führt zum Verdampfen des Mediums des Wärmerohrs 13 beim Verdampfer 15. Das gasförmige Medium gelangt dann zum Kondensator 16, kondensiert dort und gibt seine Kondensationswärme ab, die dann mittels der oberflächenvergrößernden Strukturen 9 effektiv abgeführt werden kann. Are now the two components 2 . 3 electrically energized, it comes in the area of the connection to a heat development due to ohmic losses. This heat development leads to the evaporation of the medium of the heat pipe 13 at the evaporator 15 , The gaseous medium then passes to the condenser 16 , condenses there and releases its heat of condensation, which then by means of the surface-enlarging structures 9 can be effectively dissipated.

In der 2 ist eine alternative Ausführungsform dargestellt, wobei gleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen sind. Im Unterschied zur Ausführungsform gemäß 1 ist der Kondensator 16 im Schraubenfuß 11 angeordnet. Daher können die oberflächenvergrößernden Strukturen 9 des Schraubenkopfes 7 entfallen. Dabei ist es ergänzend möglich, eine Mutter 17 auf das Gewinde 6 zu drehen, die dann oberflächenvergrößernde Strukturen 18 aufweisen kann. Ein weiterer Vorteil der Mutter 17 sind die verstärkten Kontaktkräfte zwischen den beiden Bauteilen 2, 3, wobei dann keines der beiden Bauteile 2, 3 zwingend selbst ein Gewinde aufweisen muss. Um das Wärmerohr in die Schraube 4 einzuführen, kann dann entweder der Schraubenfuß 11 oder der Schraubenkopf 7 eine nicht dargestellte Öffnung aufweisen. Es ist aber auch möglich, dass der Längsteil 5 einen Hohlraum aufweist, in den das Wärmerohr 13 eingesetzt wird, wobei anschließend der Schraubenkopf 7 mit dem Längsteil 5 verbunden wird (z.B. durch Hartlöten). In diesem Fall sind dann Längsteil 5 und Schraubenkopf 7 zwar einstückig, aber nicht einteilig ausgebildet. Weiter sei angemerkt, dass in der Darstellung der Verdampfer 15 im Schraubenkopf 7 liegt. Dieser kann aber auch im Längsteil 5 liegen, sodass das Wärmerohr 13 ausschließlich im Längsteil 5 liegt. Dabei sei abschließend klargestellt, dass bei der Ausführungsform mit dem Kondensator 16 im Schraubenfuß 11 eine Mutter 17 nicht zwingend ist und wenn eine Mutter eingesetzt wird, diese nicht zwingend die oberflächenvergrößernden Strukturen 18 aufweisen muss. In the 2 an alternative embodiment is shown, wherein like elements are provided with the same reference numerals. In contrast to the embodiment according to 1 is the capacitor 16 in the screw foot 11 arranged. Therefore, the surface enlarging structures 9 of the screw head 7 omitted. It is additionally possible, a mother 17 on the thread 6 to turn, then the surface enlarging structures 18 can have. Another advantage of the mother 17 are the increased contact forces between the two components 2 . 3 , in which case none of the two components 2 . 3 must necessarily have a thread itself. To the heat pipe in the screw 4 then introduce either the screw foot 11 or the screw head 7 have an opening, not shown. But it is also possible that the longitudinal part 5 has a cavity into which the heat pipe 13 is used, and then the screw head 7 with the longitudinal part 5 is connected (eg by brazing). In this case, then longitudinal part 5 and screw head 7 in one piece, but not in one piece. It should also be noted that in the illustration of the evaporator 15 in the screw head 7 lies. This can also be in the longitudinal part 5 lie, so the heat pipe 13 exclusively in the longitudinal part 5 lies. It should be finally clarified that in the embodiment with the capacitor 16 in the screw foot 11 A mother 17 is not mandatory and if a mother is used, this is not necessarily the surface enlarging structures 18 must have.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

EP 1979632 B1 [0003]

Claims

Screw ( 4 ) with an upper end ( 10 ) and a lower end ( 12 ) for connecting a first component ( 2 ) with a second component ( 3 ), whereby the screw ( 4 ) at least one longitudinal part ( 5 ), which at at least a portion along a longitudinal direction (L) with a thread ( 6 ) is formed and has a cavity in which a heat pipe ( 13 ), characterized in that at the upper end ( 10 ) of the screw ( 4 ) a screw head ( 7 ) is arranged, which integral with the longitudinal part ( 5 ) connected is.

Screw according to claim 1, characterized in that the screw head ( 7 ) and longitudinal part ( 5 ) are integrally formed.

Screw according to claim 1 or 2, characterized in that the screw head ( 7 ) with surface-enlarging structures ( 9 ), wherein the capacitor ( 16 ) of the heat pipe ( 13 ) in the screw head ( 7 ) is arranged.

Screw according to claim 1 or 2, characterized in that the capacitor ( 16 ) in the lower end ( 12 ) of the screw ( 4 ) is arranged.

Screw according to one of the preceding claims, characterized in that the heat pipe ( 13 ) in the screw ( 4 ) is soldered, glued or pressed.

Screw according to one of the preceding claims, characterized in that the screw ( 4 ) and the heat pipe ( 13 ) are made of copper.

Screw connection ( 1 ) with a screw ( 4 ) according to the features of claim 1, characterized in that the first component ( 2 ) and the second component ( 3 ) are current-carrying components, which by the screw ( 1 ) are electrically connected together.

Screw connection according to claim 7, characterized in that the screw connection ( 1 ) A mother ( 17 ), which on the thread ( 6 ) is screwed.

Screw connection according to claim 7 or 8, characterized in that the capacitor ( 16 ) in the lower end ( 12 ) of the screw ( 4 ) is arranged.

Screw connection according to claim 8 or 9, characterized in that the nut ( 17 ) with surface-enlarging structures ( 18 ) is trained.