DE102018111936A1 - Seal and method of manufacture of a gasket and use of a material as a gasket material - Google Patents

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Dichtung (6), durch die mindestens ein erstes Bauteil (4) in einer Einbaulage in mit mindestens einem zweiten Bauteil (5) in Kontakt steht und ungewollte Stoffübergänge zwischen den Bauteilen (4,5) verhindert werden. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen Dichtung (6) und die Verwendung eines Stoffs.Um eine Dichtung und ein entsprechendes Herstellungsverfahren sowie einen bestimmten Stoff zu schaffen, die neben einer guten Dichtigkeit bis in einem Bereich höherer Betriebstemperaturen hinein auch elektrisch isolierend und thermisch leitend wirkt, wird vorgeschlagen, dass die Dichtung (6) mindestens in einem Kontaktbereich mit dem ersten Bauteil (4) und/oder dem zweiten Bauteil (5) eine Beschichtung aus einem Precursor-Polymer aufweist, und das erste Bauteil (4) durch die Beschichtung elektrisch gut isolierend und thermisch gut leitend mit dem zweiten Bauteil (5) abdichtend verbunden ist.The present invention relates to a seal (6) by which at least one first component (4) in an installed position is in contact with at least one second component (5) and unwanted mass transfer between the components (4, 5) is prevented. Furthermore, the present invention relates to a method for producing such a seal (6) and the use of a Stoffs.Um to provide a seal and a corresponding manufacturing method and a particular substance, in addition to a good tightness into a range of higher operating temperatures also electrically insulating and thermally conductive, it is proposed that the seal (6) has a coating of a precursor polymer at least in a contact region with the first component (4) and / or the second component (5), and the first component (4) is electrically well insulated by the coating and good thermal conductivity with the second component (5) sealingly connected.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Dichtung, durch die mindestens ein erstes Bauteil mit mindestens mit einem zweiten Bauteil in einer Einbaulage in Kontakt steht und ungewollte Stoffübergänge zwischen den Bauteilen verhindert. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen Dichtung sowie die Verwendung eines Stoffs als Dichtungsmaterial.The present invention relates to a seal by which at least one first component is in contact with at least one second component in an installed position and prevents unwanted mass transfer between the components. Furthermore, the present invention relates to a method for producing such a seal and the use of a material as a sealing material.

Aus dem Stand der Technik sind zahllose Bauformen von Dichtungen der vorstehend genannten Art bekannt, bei denen sich in einer Einbausituation die einzelnen Elemente statisch berühren. Diese Dichtungen werden daher auch als Berührungsdichtungen bezeichnet und stellen innerhalb der Dichtungsbauformen die größte Gruppe dar. Wie bei allen Dichtungen besteht auch hier die Aufgabe vor allen Dingen darin, ungewollte Stoffübergänge von einem Raum in einem anderen Raum bzw. zwischen den beiden Bauteilen hindurch zu verhindern oder zumindest eng zu begrenzen.Numerous designs of seals of the aforementioned type are known from the prior art, in which the individual elements touch each other statically in a mounting situation. These seals are therefore also referred to as contact seals and represent the largest group within the seal designs. As with all seals, the task here is above all to prevent unwanted mass transfer from a room in another room or between the two components or at least narrow.

In vielen Anwendungen wird von einer Dichtung neben einer hohen Dichtwirkung aber auch eine thermische Leitfähigkeit und gleichzeitig eine hohe elektrische Isolation gefordert. So wird beispielsweise in Anwendungen der Elektrotechnik und hier insbesondere bei abgedichteten Schaltungs- und/oder Batteriegehäusen eine hohe Wärmeleitfähigkeit zwischen einem Deckel und einem Gehäusekörper gefordert, um Verlustwärme bzw. die Wärme beim Laden/Entladen einer Batterie abführen zu können. Zudem sollen die Teile auch elektrisch isoliert sein, um Kurzschlüsse, Kriechströme und ähnliches zu vermeiden.In many applications, a seal is required in addition to a high sealing effect but also a thermal conductivity and at the same time a high electrical insulation. For example, in applications of electrical engineering and in particular in sealed circuit and / or battery housings, a high thermal conductivity between a cover and a housing body is required in order to be able to dissipate heat loss during charging / discharging of a battery. In addition, the parts should also be electrically isolated to avoid short circuits, leakage currents and the like.

Bei jedem Metall, bei jedem Halbmetall und auch bei den meisten Nichtmetallen ist die thermische Leitfähigkeit proportional zu der elektrischen Leitfähigkeit. Unter Verwendung nur eines Werkstoffs für eine Dichtung sind diese Anforderungen also nicht zu erfüllen. Somit sind komplexe Systeme zur Realisierung der geforderten Eigenschaft notwendig, um Bauteile bei ausreichender Dichtigkeit elektrisch gegeneinander zu isolieren und über Wärmebrücken Hitze gezielt abzuführen. Hierbei können Gase oder Flüssigkeiten verwendet, da diese elektrisch isolierend sein können. Neben den zwei Einzelsystemen, welche bereits sehr komplex sind, muss das Wärmebrückensystem dann auch noch abgedichtet werden können.For each metal, every semi-metal, and also for most non-metals, the thermal conductivity is proportional to the electrical conductivity. Using only one material for a seal so these requirements are not met. Thus, complex systems for realizing the required property are necessary to electrically isolate components with sufficient tightness against each other and dissipate heat through thermal bridges targeted. In this case, gases or liquids can be used, since they can be electrically insulating. In addition to the two individual systems, which are already very complex, the thermal bridge system must then also be able to be sealed.

Somit sind drei Einzelsysteme notwendig für die gleichzeitig zu erfüllenden Teilaufgaben

  • - Abdichten,
  • - thermisch Leiten und
  • - elektrisch Isolieren.
Thus, three individual systems are necessary for the subtasks to be performed at the same time
  • - sealing,
  • - thermally conduct and
  • - Isolate electrically.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Dichtung und ein entsprechendes Herstellungsverfahren für eine Dichtung zu schaffen und einen entsprechenden Stoff bereitzustellen, um die vorstehend genannten Teilaufgaben auch bis in einem Bereich höherer Betriebstemperaturen hinein zu erfüllen.It is an object of the present invention to provide a seal and a corresponding manufacturing method for a gasket and to provide a corresponding substance in order to fulfill the abovementioned partial tasks also up to a range of higher operating temperatures.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der jeweiligen unabhängigen Ansprüche dadurch gelöst, dass die Dichtung mindestens in einem Kontaktbereich mit dem ersten Bauteil und/oder dem zweiten Bauteil eine Beschichtung aus einem Precursor-Polymer aufweist, durch die das erste Bauteil elektrisch gut isolierend und thermisch gut leitend mit dem zweiten Bauteil abdichtend verbunden ist. Ferner ist ein Herstellungsverfahren eine Lösung der vorstehenden Aufgabe, bei dem eine Beschichtung in einem Kontaktbereich des ersten Bauteils und/oder des zweiten Bauteils unter Verwendung eines Precursor-Polymers gebildet wird. Schließlich ist auch die Verwendung eines Precursor-Polymers als Dichtung und/oder dichtende Beschichtung eine Lösung dieser Aufgabe.This object is achieved by the features of the respective independent claims, characterized in that the seal has at least in a contact region with the first component and / or the second component, a coating of a precursor polymer through which the first component electrically good insulating and thermally good is conductively sealingly connected to the second component. Further, a manufacturing method is a solution of the above object, in which a coating is formed in a contact region of the first component and / or the second component using a precursor polymer. Finally, the use of a precursor polymer as a seal and / or sealing coating is a solution to this problem.

Precursor-Polymere sind mit unterschiedlichen Zusammensetzungen aus dem Stand der Technik hinlänglich bekannt. Unter dem Begriff eines Precursor-Polymers werden oligomere und polymere Verbindungen meist auf Basis von Silizium verstanden, die Vorstufen bei der Herstellung eines keramischen Werkstoffs bilden. Prozesstechnisch werden Precursor-Polymere aus einer monomeren Einheit durch Synthese gewonnen. Precursor-Polymere wandeln sich in einem Temperaturbereich von Raumtemperatur bis in einen höheren Temperaturbereich von ca. 500°C hinein in ein polymeres Netzwerk um. Precursor-Polymere sind damit in dem genannten Temperaturbereich stabile Stoffe, die die Kombination der drei geforderten Eigenschaften aufweisen. Somit sind keine Nebensysteme notwendig, um die vorstehend geforderten Eigenschaften zu realisieren. Erst oberhalb einer Temperatur von ca. 500°C findet eine Umwandlung in eine amorphe Keramik statt, auch als Präkeramik bezeichnet. Diese Präkeramik kann wiederum in einem thermischen Nachbehandlungsschritt ab einer Temperatur von ca. 1.450°C in eine kristalline Keramik umgewandelt werden. Erfindungsgemäß wird die Dichtung jedoch keiner sich fortschreitend bis auf über 1.450 °C erhöhende Temperatur mit entsprechenden Umwandlungsschritten ausgesetzt, sodass ein Precursor-Polymer als Dichtung in einem Kontaktbereich zwischen einem ersten Teil und einem zweiten Teil in seinem Ausgangszustand als plastisch verformbare, polymere Matrix dauerhaft bestehen bleibt. Eine stoffliche Umwandlung in einen keramischen Körper findet unterhalb einer Grenztemperatur dauerhaft nicht statt. In dem Ausgangszustand ist ein Precursor-Polymer somit immer in der Lage, sich auch mikroskopisch kleinen Unebenheiten anzupassen und sich damit an jegliche Oberflächenbeschaffenheit hochgenau zu adaptieren. Damit ist eine sehr gut abdichtende Anhaftung auf einem jeweiligen Substrat dauerhaft sichergestellt. Zudem weist ein Precursor-Polymer in dem genannten Temperaturbereich neben der Eigenschaft einer zuverlässigen elastomeren Abdichtung auch die geforderten Eigenschaften einer guten thermischen Leitfähigkeit bei zugleich hohem elektrischem Widerstand auf.Precursor polymers are well known with various prior art compositions. The term precursor polymer is understood to mean oligomeric and polymeric compounds mostly based on silicon, which form precursors in the production of a ceramic material. Processually, precursor polymers are obtained from a monomeric unit by synthesis. Precursor polymers transform in a temperature range from room temperature to a higher temperature range of about 500 ° C into a polymeric network. Precursor polymers are thus in the temperature range mentioned stable substances which have the combination of the three required properties. Thus, no ancillary systems are necessary to realize the above required properties. Only above a temperature of about 500 ° C is a conversion into an amorphous ceramic instead, also referred to as Präkeramik. This pre-ceramic can in turn be converted in a thermal post-treatment step from a temperature of about 1450 ° C in a crystalline ceramic. According to the invention, however, the seal is not progressively exposed to increasing temperature above 1450 ° C with corresponding conversion steps, so that a precursor polymer permanently exist as a seal in a contact area between a first part and a second part in its initial state as plastically deformable, polymeric matrix remains. A material transformation into a ceramic body does not take place permanently below a limit temperature. In the initial state, a precursor polymer is thus always able to be microscopic To adjust unevenness and adapt to any surface texture with high precision. Thus, a very good sealing adhesion to a respective substrate is permanently ensured. In addition, a precursor polymer in the temperature range mentioned in addition to the property of a reliable elastomeric seal on the required properties of a good thermal conductivity at the same time high electrical resistance.

Aus zahlreichen Veröffentlichungen sind Verwendungen von Precursor-Polymeren bzw. Polymer-Vorstufen-Keramiken als Beschichtung zur gezielten Ausrüstung von Oberflächen mit besonderen, multifunktionalen Eigenschaften bekannt. Diese Verwendungen beziehen sich jedoch nur auf einen amorph oder kristallin keramisierten Endzustand einer Beschichtung, der sich erst nach einer Temperierung auf deutlich über 1.450°C einstellt. Es geht jedoch hieraus keine Verwendung und Anpassung von Precursor-Polymeren auf den vorliegenden Anmeldungsfall hervor. Vorteilhafte Anwendungen von Precursor-Polymeren dauerhaft ohne den thermischen Schritt einer pyrolytischen Umwandlung zu einem keramischen Werkstoff sind in Verbindung mit Dichtungen also bislang ebenso wenig offenbart worden, wie Verfahren, die den vorstehend unter Bezug auf Beschichtungen beschriebene Anwendungen als positiven Dauereffekt innerhalb eines bis in erhöhte Temperaturbereiche hinein nutzen können. Diesen Temperaturbereichen sind durch das Einsetzen pyrolytischer Umwandlungen der Polymer-Vorstufen-Keramiken bzw. Vorläufer-Keramik zu einem keramischen Werkstoff Grenzen gesetzt. Diese thermische Grenze ist für ein jedes Precursor-Polymer spezifisch, wobei zahlreiche technische Anwendungen durch elektrische Bauteile und insbesondere durch Halbleiterelemente bedingte Maximaltemperaturen an Dichtungen aufweisen, die deutlich unter ca. 200°C liegen, vorzugsweise sogar unter 180°C. Eine Verwendung einer Schicht oder Beschichtung aus einem Precursor-Polymer zur Abdichtung zwischen einem ersten und einem zweiten Bauteil mit den Eigenschaften einer guten thermischen Leitfähigkeit bei zugleich hohem elektrischem Widerstand ist damit auch eine dauerhafte und zuverlässige Lösung der genannten Aufgabe.Numerous publications have disclosed uses of precursor polymers or polymer precursor ceramics as coatings for the targeted finishing of surfaces with special, multifunctional properties. However, these uses relate only to an amorphous or crystalline ceramized final state of a coating, which sets only after tempering to well above 1,450 ° C. However, it does not indicate the use and adaptation of precursor polymers to the present application. Advantageous applications of precursor polymers permanently without the thermal step of a pyrolytic conversion to a ceramic material have so far been disclosed in connection with seals as well as methods that the applications described above with respect to coatings within a positive lasting effect within a raised to Can use temperature ranges into it. These temperature ranges are limited by the onset of pyrolytic transformations of the polymer precursor ceramics or precursor ceramics to a ceramic material. This thermal limit is specific for each precursor polymer, with numerous technical applications by electrical components and in particular by semiconductor elements have maximum temperatures of seals which are well below about 200 ° C, preferably even below 180 ° C. A use of a layer or coating of a precursor polymer for sealing between a first and a second component with the properties of a good thermal conductivity and at the same time high electrical resistance is therefore also a permanent and reliable solution of the stated object.

Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche. Demnach beträgt eine Schichtdicke der Beschichtung aus dem Precursor-Polymer zwischen ca. 5 µm bis etwa 50 µm, vorzugsweise zwischen ca. 10 µm bis etwa 35 µm. Hier kommt es im Wesentlichen auf ein jeweils verwendetes Substrat an, genauer um dessen durch das Precursor-Polymer abdichtend auszugleichende maximale Rauheit bzw. Rautiefe und eine in einer Einbausituation in Kontakt damit stehende Oberfläche eines jeweiligen Gegenbauteils. Vorzugsweise ist die Beschichtung aber immer nur so dick aufgebracht, dass die Beschichtung die Unebenheiten der in einer Einbaulage angrenzenden Oberflächen der Bauteile mindestens ausgleicht. Eine für ein jedes Precursor-Polymer spezifische thermische Grenze liegt i.d.R. unter ca. 200°C.Advantageous developments are the subject of the dependent claims. Accordingly, a layer thickness of the coating of the precursor polymer is between about 5 μm to about 50 μm, preferably between about 10 μm to about 35 μm. This essentially depends on a particular substrate used, more precisely on the maximum roughness or roughness depth to be compensated for by the precursor polymer and a surface of a respective counterpart component which is in contact therewith in an installation situation. However, the coating is preferably only applied so thickly that the coating at least compensates for the unevenness of the surfaces of the components adjacent in an installed position. A thermal limit specific to each precursor polymer is i.d.R. below approx. 200 ° C.

In einer Ausführungsform der Erfindung ist die Beschichtung mindestens einseitig auf eine Dichtungslage in Form eines metallischen Trägers aufgetragen. Der Träger weist insbesondere die Form eines Blechs auf und ist insbesondere Produkt eines Stanz-Biege-Prozesses.In one embodiment of the invention, the coating is applied at least on one side to a sealing layer in the form of a metallic carrier. In particular, the carrier has the shape of a sheet and is in particular the product of a stamping and bending process.

Vorzugsweise ist das Material der Beschichtung ein Si-C-N-O Precursor-Polymer. Dieser Stoff ist mit hexagonalem Bornitrid, kurz hBN, aufgefüllt. Ein Anteil des Füllers bei ca. 5% etwa 50% liegt, vorzugsweise zwischen ca. 10% bis etwa 40%.Preferably, the material of the coating is a Si-C-N-O precursor polymer. This material is filled with hexagonal boron nitride, short hBN. A proportion of the filler at about 5% is about 50%, preferably between about 10% to about 40%.

In einer Weiterbildung der Erfindung wird in einem Verfahren zur Herstellung einer Dichtung eine derartige Beschichtung mit einem Precursor-Polymer in einem Sprühprozess, oder unter Anwendung eines Roll-Coat-Verfahrens auf ein jeweiliges Substrat oder mindestens auf einen in einer Einbaulage später ausgebildeten Kontaktbereich zwischen dem ersten Teil und dem zweiten Teil oder einen separaten Dichtungskörper aufgebracht. Die Beschichtung wird also unter Anwendung bekannter Beschichtungsverfahren von Sprühen, Drucken, Tauchen, Aufwalzen einer Schicht oder Anwendung eines Roll-Coat-Verfahrens über Tauchen bis Rakeln aufgetragen. Demnach wird die Dichtung in einer erfindungsgemäßen Ausführungsform also im Wesentlichen durch eine in einem Kontaktbereich des ersten Bauteils und des zweiten Bauteils oder eines Substrates vorgesehene Beschichtung aus einem Precursor-Polymer gebildet.In a further development of the invention, in a method for producing a seal, such a coating with a precursor polymer in a spraying process, or using a roll-coat method on a respective substrate or at least on a later formed in a mounting position contact area between the first part and the second part or a separate sealing body applied. The coating is thus applied using known coating methods of spraying, printing, dipping, rolling a layer or applying a roll-coat method on dipping to doctoring. Accordingly, in one embodiment according to the invention, the seal is thus essentially formed by a coating of a precursor polymer provided in a contact region of the first component and of the second component or of a substrate.

Als Precursor-Polymere im Sinne von Polymer-Vorstufen-Keramiken können im Rahmen der vorliegenden Erfindung u.a. Polysilane, Polycarbosilane, Polysiloxane und Polysilazane verwendet werden. Vorzugsweise ist das Material der Beschichtung eine Si-C-N-O Precursor-Polymer, welche mit hexagonalem Bornitrid, abgekürzt als hBN bezeichnet, aufgefüllt ist. Ein Anteil des hBN-Füllers liegt für eine abdichtende Beschichtung bei ca. 5% etwa 50%. Als weitere oder zusätzliche Füllstoffe kommen MoS, Graphit, C-Nanotubes, Graphen und/oder Si3N4 in Betracht.Polysilanes, polycarbosilanes, polysiloxanes and polysilazanes may be used in the context of the present invention as precursor polymers in the sense of polymer precursor ceramics. Preferably, the material of the coating is a Si-CNO precursor polymer filled with hexagonal boron nitride, abbreviated as hBN. A proportion of the hBN filler is about 50% for a sealing coating at about 5%. Suitable additional or additional fillers are MoS, graphite, C nanotubes, graphene and / or Si 3 N 4 .

Weiter wird die vorstehende Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung einer Dichtung der in verschiedenen Ausführungsformen vorstehend angegebenen Art, wobei die Beschichtung mit einem Precursor-Polymer in einem Sprühprozess oder unter Anwendung eines Roll-Coat-Verfahrens auf ein jeweiliges Substrat bzw. mindestens auf einen in einer Einbaulage später ausgebildeten Kontaktbereich zwischen dem erste Teil und dem zweiten Teil aufgebracht wird.Further, the above object is achieved by a method for producing a seal of the type specified above in various embodiments, wherein the coating with a precursor polymer in a spraying process or using a roll-coat method on a respective substrate or at least one in a mounting position later trained contact area is applied between the first part and the second part.

Das Precursor-Polymer kann in Dichtungsbereichen eines oder beider Dichtungspartner aufgetragen werden. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird es aber auf ein tragendes Substrat aufgetragen, wobei als tragendes Substrat ein Dichtelement aus einem unlegierten Stahl, einem Edelstahl, einer Nickelbasis- oder einer Aluminiumlegierung verwendet wird. Auf diesem tragenden Substrat wird eine Beschichtung mindestens einseitig aufgebracht.The precursor polymer can be applied in sealing areas of one or both sealing partners. In a preferred embodiment of the invention, however, it is applied to a supporting substrate, wherein a sealing element made of an unalloyed steel, a stainless steel, a nickel-based or an aluminum alloy is used as the supporting substrate. On this supporting substrate, a coating is applied at least on one side.

Die Beschichtung mit einem Precursor-Polymer wird vorteilhafterweise ohne pyrolytische Umwandlung getrocknet ausgeliefert und unter voller Nutzung der elastischen Eigenschaften des Precursor-Polymers verbaut. Zur Aufrechterhaltung der genannten positiven Eigenschaften wird die Beschichtung nur in einem Temperaturbereich von unter 500°C eingesetzt und verwendet, vorzugsweise unter ca. 200°C.The coating with a precursor polymer is advantageously delivered dried without pyrolytic conversion and installed with full utilization of the elastic properties of the precursor polymer. To maintain the aforementioned positive properties, the coating is used and used only in a temperature range of below 500 ° C, preferably below about 200 ° C.

Über die vorstehend angegebenen Ausführungsformen der Erfindung hinweg wurde eine nur „einseitige“ Beschichtung eines Dichtungspartners beschrieben. Vor dem Hintergrund einer hohen Fertigungsflexibilität bei geringen Herstellungskosten wird die Verwendung einer separaten Dichtungs-Zwischenlage bevorzugt, nämlich eines tragenden Substrats in Form eines metallischen Dichtelements. Dementsprechend ist in einer besonderen Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, dass eine Beschichtung beidseitig auf eine Dichtungslage in Form eines metallischen Trägers aufgetragen ist. Dabei ist der metallische Träger insbesondere in Form eines Stanz-Biegeteils aus Blech ausgeführt. Die Beschichtung mit einem Precursor-Polymer wird in einer Ausführungsform der Erfindung beidseitig auf ein Substrat in Form einer Metall-Sickendichtung aufgetragen. Eine Auswahl bezüglich der Beschichtung sowie der Mächtigkeit der jeweiligen Beschichtung kann weiterhin entsprechend der vorstehenden Beschreibung ausgewählt werden.Over the above-mentioned embodiments of the invention, a "single-sided" coating of a sealing partner has been described. Against the background of high manufacturing flexibility with low production costs, the use of a separate sealing intermediate layer is preferred, namely a supporting substrate in the form of a metallic sealing element. Accordingly, it is provided in a particular embodiment of the invention that a coating is applied on both sides to a gasket layer in the form of a metallic carrier. In this case, the metallic carrier is designed in particular in the form of a stamped and bent part made of sheet metal. In one embodiment of the invention, the coating with a precursor polymer is applied on both sides to a substrate in the form of a metal bead seal. A selection regarding the coating and the thickness of the respective coating can furthermore be selected as described above.

Nachfolgend werden weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung unter Bezugnahme auf ein Ausführungsbeispiel anhand der Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen in schematischer Darstellung:

  • 1: eine perspektivischen Ansicht eines Gehäuses einer Leistungselektronik
  • 2: eine teilweise geschnittene Seitenansicht des Gehäuses von 1 in einer Einbausituation und
  • 3: eine perspektivische Explosionsdarstellung des Gehäuses der 1 und 2.
Hereinafter, further features and advantages of the invention will be explained with reference to an embodiment with reference to the drawing. Therein show in a schematic representation:
  • 1 : A perspective view of a housing of a power electronics
  • 2 a partially sectioned side view of the housing of 1 in a mounting situation and
  • 3 : An exploded perspective view of the housing of 1 and 2 ,

Über die verschiedenen Abbildungen der Zeichnung hinweg werden für gleiche Elemente stets die gleichen Bezugszeichen verwendet. Die zusätzlichen Anforderungen einer guten elektrischen Isolierung bei gleichzeitiger guter Wärmeleitung an eine Dichtung sind insbesondere für Anwendungen im Umfeld der Leistungselektronik von Bedeutung. Nachfolgend wird daher ohne Beschränkung der Erfindung auf dieses Einsatzfeld nur auf Abdichtung einer Leistungselektronik für eine E-Mobil in einem metallischen Gehäuse eingegangen.Throughout the various figures of the drawing, the same reference numerals are always used for the same elements. The additional requirements of a good electrical insulation while good heat conduction to a seal are particularly important for applications in the field of power electronics. Therefore, without restricting the invention to this field of application, only sealing of power electronics for an electric vehicle in a metallic housing will be discussed below.

1 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Gehäuses 1 zur Aufnahme einer nicht weiter dargestellten Leistungselektronik, wie sie zur Verwendung an oder sogar in einem Gehäuse 2 eines elektrischen Antriebs eines Personen- und/oder Nutz-Kraftfahrzeugs vorgesehen ist. Gehäuse 1, welche eine Leistungselektronik z.B. zur Ansteuerung eines Elektromotors eines E-Fahrzeugs aufnehmen, muss eine darin durch elektrische Verluste entstehende Wärme der Komponenten und insbesondere der Halbleiterbauteile abführen können. Im einfachsten Fall geschieht dies über Kühlrippen 3 an Teilen des Gehäuses durch freie Konvektion. Dieser passive Ansatz funktioniert allerdings nur dann in ausreichender Weise, wenn das Gehäuse 1 und eine daran ausgebildete Kühlfläche mit Kühlrippen 3 ausreichend groß und die abzuführende Wärmemenge vergleichsweise klein sind. 1 shows a perspective view of a housing 1 for receiving a power electronics, not shown, as for use on or even in a housing 2 an electric drive of a passenger and / or utility motor vehicle is provided. casing 1 which receive a power electronics, for example for driving an electric motor of an electric vehicle, must be able to dissipate therein by electrical losses heat of the components and in particular of the semiconductor devices. In the simplest case, this is done via cooling fins 3 on parts of the housing by free convection. However, this passive approach only works adequately if the housing 1 and a cooling surface formed thereon with cooling fins 3 sufficiently large and the amount of heat to be dissipated are comparatively small.

Da aber solche Gehäuse 1 als Bauteile schon aus Gewichts- und Platzgründen möglichst klein dimensioniert werden, ist eine Kühlung mittels Kühlrippen 3 allein oft nicht ausreichend, und so wird das Gehäuse 1 und/oder eine darin befindliche Schaltung zusätzlich mittels Kühlwasser bedarfsgerecht gekühlt. Eine gute Wärmeübertragung zwischen allen Bestandteilen des Gehäuses 1, einem Gehäusekörper 4 und einem Gehäusedeckel 5, würde den Zeitpunkt, ab welchem eine externe Wasserkühlung notwendig ist, zeitlich nach hinten verschieben und damit eine Gesamt-Einsatzzeit der Wasserkühlung verringern. Somit ergibt sich ein höherer Wirkungsgrad, da eine Kühlmittelpumpe länger abgeschaltet werden könnte. Unter Ausblendung elektrischer Schnittstellen sowie der Anschlüsse für zu- und abfließendes Kühlfluid zeigt das Gehäuse 1 in 1 einen im Wesentlichen wannenförmigen Gehäusekörper 4 und einem Gehäusedeckel 5, an dem der Kühlkörper 3 angeordnet ist. Beide Teile des Gehäuses sind hier aus Aluminium gefertigt und damit thermisch wie elektrisch gut leitend. Zum Schutz vor Umwelteinflüssen, wie Schutz oder Feuchtigkeit, ist die Leistungselektronik-Schaltung in dem Gehäuse 1 durch eine Dichtung 6 zwischen dem Gehäusekörper 4 als erstes Bauteil und dem Gehäusedeckel 5 als zweites Bauteil abgedichtet. Nur für die Dichtungsfunktionalität alleine sind zahlreiche Bauformen von Dichtungen 6 bekannt. Alle bekannten Bauformen von Dichtungen haben aber die prinzipiellen Nachteile, dass sie z.B. als Metallsicken-Dichtungen gut elektrisch leitend und damit auch gut Wärmeübertragend sind, oder aber als Elastomer- oder Glasfaser-Dichtungen elektrisch isolierend sind und damit auch einen hohen Wärmewiderstand darstellen. Eine elektrische Entkopplung des i.d.R. mit der Leistungselektronik-Schaltung in der Funktion einer Sammel-Masse in elektrischem Kontakt stehenden Gehäusekörpers 4 von dem Deckel 5 wie auch einem das Gehäuse 1 tragenden metallischen Boden 6 ist aber in der Praxis häufig für eine störungsfreie elektrische Funktion erforderlich. Andererseits ist eine gute thermische Kopplung zwischen Gehäusekörper 4 und dem Gehäusedeckel 5 über die Dichtung 6 hinweg zu dem Kühlkörper 3 hin für eine hohe passive Abfuhr von interner Verlustwärme zwingend erforderlich.But there are such cases 1 As components are dimensioned as small as possible for weight and space reasons, is a cooling means of cooling fins 3 often alone is not enough, and so is the case 1 and / or a circuit therein additionally cooled according to demand by means of cooling water. Good heat transfer between all components of the housing 1 a housing body 4 and a housing cover 5 would postpone the time from which external water cooling is necessary, thus reducing the total time of water cooling. This results in a higher efficiency, since a coolant pump could be switched off longer. By blanking out electrical interfaces as well as the connections for incoming and outgoing cooling fluid, the housing shows 1 in 1 a substantially trough-shaped housing body 4 and a housing cover 5 to which the heat sink 3 is arranged. Both parts of the housing are made of aluminum here and thus good thermal and electrical conductivity. To protect against environmental influences, such as protection or moisture, the power electronics circuit is in the housing 1 through a seal 6 between the housing body 4 as the first component and the housing cover 5 sealed as a second component. Only for the sealing functionality alone are numerous types of seals 6 known. All known types of However, gaskets have the principal disadvantages that, for example as metal-bead gaskets, they are readily electrically conductive and therefore also good heat-transferring, or are electrically insulating as elastomer or glass-fiber gaskets, and thus also represent a high heat resistance. An electrical decoupling of the usually with the power electronics circuit in the function of a collecting mass in electrical contact housing body 4 from the lid 5 as well as the case 1 carrying metallic soil 6 but is often required in practice for a trouble-free electrical function. On the other hand, a good thermal coupling between the housing body 4 and the housing cover 5 about the seal 6 away to the heat sink 3 For a high passive dissipation of internal heat loss mandatory.

Dieser Zielkonflikt wird in dieser Einbausituation erst durch eine Dichtung 6 gelöst, die mindestens eine Schicht oder eine Beschichtung aus einem Precursor-Polymer umfasst. Ein Precursor-Polymer wirkt hinsichtlich seines Dichtungsvermögens wie ein Elastomer, das auch Unebenheiten an den Kontaktflächen des Gehäusekörpers 4 und des Gehäusedeckels 5 dauerhaft abdichtend ausgleicht. Andererseits zeichnet sich ein Precursor-Polymer bei hohem elektrischen Widerstand zugleich durch eine gut thermische Leitfähigkeit aus.This conflict of objectives is in this installation situation only by a seal 6 dissolved, which comprises at least one layer or a coating of a precursor polymer. A precursor polymer acts in terms of its sealing ability as an elastomer, which also bumps on the contact surfaces of the housing body 4 and the housing cover 5 permanent sealing compensates. On the other hand, a precursor polymer at high electrical resistance at the same time characterized by a good thermal conductivity.

2 stellt eine teilweise geschnittene Seitenansicht des Gehäuses 1 von 1 in einer Einbausituation dar. Demnach ist der Gehäusedeckel 5 durch metallische Schraubbolzen 7 an dem metallischen Boden fixiert, der selber Teil eines Metallgehäuses 2 ist. Der Gehäusedeckel 5 drückt dabei die Dichtung 6 auf den Gehäusekörper 4, um eine ausreichende Dichtkraft zu erzeugen. Die metallischen Schraubbolzen 7 überbrücken aber die elektrische Isolierung zwischen Gehäusekörper 4 und dem Gehäusedeckel 5 nicht, da sie in Aussparung 8 am Gehäusekörper 4 mit einem isolierenden Abstand von dem Gehäusedeckel 5 in den metallischen Boden 6 hinein verlaufen. Ggf. können hier auch noch isolierenden Kunststoff-Hülsen über den Schraubbolzen 7 vorgesehen werden, um jede elektrisch leitende Verbindung sicher ausschließen zu können. 2 represents a partially sectioned side view of the housing 1 from 1 in a mounting situation. Accordingly, the housing cover 5 by metallic bolts 7 fixed to the metallic floor, itself part of a metal housing 2 is. The housing cover 5 presses the seal 6 on the housing body 4 to produce a sufficient sealing force. The metallic bolts 7 but bridge the electrical insulation between the housing body 4 and the housing cover 5 not because they are in recess 8th on the housing body 4 with an insulating distance from the housing cover 5 in the metallic soil 6 into it. Possibly. Here you can also use insulating plastic sleeves over the bolt 7 be provided to safely exclude any electrically conductive connection can.

Ferner ist zwischen dem Gehäusekörper 4 und dem metallischen Boden des Gehäuses 2 eine weitere elektrische Isolierung 9 vorgesehen. Hierbei kann es sich z.B. um eine durch Tauchlackierung hergestellte Lackschicht des Gehäusekörpers 4 in einem Kontaktbereich mit dem Gehäuseboden 2 oder ein aufgeklebtes thermisch ausreichend stabiles Elastomer handeln. Damit ist sichergestellt, dass der Gehäusekörper 4 elektrisch gegenüber dem tragenden Gehäuse 2 sowie dem Deckel 5 isoliert ist. Die Isolierung 9 weist dabei vorzugsweise auch einen hohen thermischen Widerstand auf, um eine Einleitung von Verlustwärme z.B. von einem Elektromotor über das Gehäuse 2 in den Gehäusekörper 4 zu minimieren.Furthermore, between the housing body 4 and the metallic bottom of the housing 2 another electrical insulation 9 intended. This may be, for example, a paint layer of the housing body produced by dip painting 4 in a contact area with the housing bottom 2 or a bonded thermally stable enough elastomer. This ensures that the housing body 4 electrically opposite the supporting housing 2 as well as the lid 5 is isolated. The insulation 9 preferably also has a high thermal resistance to an introduction of heat loss eg from an electric motor via the housing 2 in the housing body 4 to minimize.

3 zeigt eine perspektivische Explosionsdarstellung des Aufbaus der 1 und 2. Hier ist die Dichtung 6 als eigenständiges Bauteil vorgesehen. In der Praxis wird die Dichtung 6 als ein Dichtelement aus einem unlegierten Stahl, einem Edelstahl, einer Nickelbasis- oder einer Aluminiumlegierung verwendet, die ein in einem Dichtungsbereich aufgetragenes Precursor-Polymer aufweist. Demnach ist hier eine Metallsickendichtung als ein tragendes Substrat für das Precursor-Polymer vorgesehen. Auf der Metallsickendichtung wird mindestens eine Beschichtung einseitig aufgebracht, vorzugsweise sind beidseitig Beschichtungen mit dem Precursor-Polymer vorgesehen. Die Beschichtung mit dem Precursor-Polymer wird in einem Sprühprozess oder unter Anwendung eines Roll-Coat-Verfahrens aufgebracht. 3 shows an exploded perspective view of the structure of 1 and 2 , Here is the seal 6 provided as an independent component. In practice, the seal 6 used as a sealing element made of a non-alloy steel, a stainless steel, a nickel-based or an aluminum alloy, which has a precursor polymer applied in a sealing area. Accordingly, here a metal bead seal is provided as a supporting substrate for the precursor polymer. At least one coating is applied on one side to the metal bead seal, preferably coatings with the precursor polymer are provided on both sides. The coating with the precursor polymer is applied in a spray process or using a roll coat process.

In einem nicht weiter dargestellten alternativen Ausführungsbeispiel ist eine Beschichtung mit dem Precursor-Polymer mindestens auf einen in einer Einbaulage später ausgebildeten Kontaktbereich zwischen dem Gehäusedeckel 5 als erstem Teil und dem Gehäusekörper 4 als zweitem Teil direkt aufgebracht. Es können auch beide Teile beschichtet werden. Hierzu kann auch ein Auftragen durch Siebdruck oder ähnliche Verfahren zum Einsatz kommen. Zwar wird hierdurch ein Bauteil eingespart, mit dem Gehäusedeckel 5 und/oder dem Gehäusekörper 4 werden jedoch Teile bewegt, die deutlich größer und auch schwerer als eine Metallsickendichtung sind.In an alternative embodiment, not shown, a coating with the precursor polymer is at least on a later formed in an installed position contact area between the housing cover 5 as the first part and the housing body 4 applied directly as a second part. It can also be coated both parts. For this purpose, application by screen printing or similar methods can be used. Although this saves a component, with the housing cover 5 and / or the housing body 4 However, parts are moved that are significantly larger and heavier than a metal bead seal.

In jedem Fall ist in einer dargestellten Einbaulage in einem Kontaktbereich ein Kontakt zwischen dem Deckel 5 und dem Gehäuseunterteil 4 durch die plastische Verformbarkeit der Dichtung 6 dadurch maximal intensiviert worden, dass die Dichtung 6 entweder selber als Beschichtung des Deckels 5 und/oder des Gehäuseunterteils 4 in einer Dichtungszone besteht, oder dass ein Dichtungselement 6 eine Beschichtung aufweist, die aus einem Precursor-Polymer besteht.In any case, in an installation position shown in a contact area, a contact between the lid 5 and the lower housing part 4 by the plastic deformability of the seal 6 This has maximally intensified that seal 6 either yourself as a coating of the lid 5 and / or the housing base 4 in a sealing zone, or that a sealing element 6 has a coating consisting of a precursor polymer.

Vorstehend sind vor allen Dingen Precursor-Polymere als weiche Schichten verwendet worden, da sie sich sehr gut einem jeweiligen Gegenbauteil anpassen können, um Unebenheiten durch plastische Verformungen auszugleichen bzw. auszufüllen. Unter dem Einfluss hoher Temperaturen ab ca. 500°C bis 1.450°C vollzieht sich eine Umwandlung der Beschichtungen aus einem Precursor-Polymer hin zu polymer-abgeleiteten Keramiken, englisch als. polymer-derived ceramic, kurz PDC bezeichnet. Eine vorstehend beschriebene formtreue Verbindung der Beschichtung zum metallischen Träger bliebe dabei zwar erhalten, die elastomeren Eigenschaften sowie die besondere thermische Leitfähigkeit gingen dabei aber verloren.Above all, precursor polymers have been used as soft layers, since they can adapt very well to a respective counterpart component to compensate for unevenness by plastic deformation or fill. Under the influence of high temperatures from about 500 ° C to 1450 ° C, a conversion of the coatings of a precursor polymer towards polymer-derived ceramics, English as. polymer-derived ceramic, abbreviated to PDC. Although a dimensionally faithful connection of the coating to the metallic carrier described above would be retained, the elastomeric properties and the particular thermal conductivity were lost.

Im Falle einer Verwendung der Beschichtung 3 als abdichtende Schicht ist ein Einsatz auf bzw. an allen Bauteilen denkbar. In case of using the coating 3 As a sealing layer is a use on or on all components conceivable.

Praktisch sinnvoll ist dies bis zu einem Einsatz-Temperaturbereich von ca. 180°C, was einer Temperatur der Verlustwärme erzeugenden elektrischen Bauteile von ca. 250°C entspricht. In diesem Betriebstemperaturbereich sind zwar auch andere Dichtungssysteme bei geringeren Kosten verfügbar, die aber nicht alle das vorstehend genannte technische Anforderungsprofil erfüllen, weil zumindest die Merkmale einer hohen thermischen Leitfähigkeit bei zugleich ausreichend guter elektrischer Isolationswirkung fehlen. Eine Verwendung einer Schicht oder Beschichtung aus einem Precursor-Polymer zur Abdichtung zwischen einem ersten und einem zweiten Bauteil ist daher sehr vorteilhaft.Practically, this makes sense up to a use temperature range of about 180 ° C, which corresponds to a temperature of the loss-heat-generating electrical components of about 250 ° C. In this operating temperature range, although other sealing systems are available at lower cost, but not all meet the above-mentioned technical requirements, because at least the features of a high thermal conductivity at the same time lacking sufficient electrical insulation effect. A use of a layer or coating of a precursor polymer for sealing between a first and a second component is therefore very advantageous.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11
Gehäuse für LeistungselektronikHousing for power electronics
22
Gehäuse eines elektrischen Antriebs als tragender metallischer Boden für das Gehäuse 1Housing of an electric drive as a supporting metallic bottom for the housing 1
33
Kühlkörperheatsink
44
wannenförmiger Gehäusekörpertrough-shaped housing body
55
Gehäusedeckelhousing cover
66
Dichtungpoetry
77
Schraubbolzenbolts
88th
Aussparung am Gehäusekörper 4 Recess on the housing body 4
99
weitere elektrische Isolierungfurther electrical insulation

Claims (10)

Dichtung (6), durch die mindestens ein erstes Bauteil (4) in einer Einbaulage in mit mindestens einem zweiten Bauteil (5) in Kontakt steht und ungewollte Stoffübergänge zwischen den Bauteilen (4,5) verhindert werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtung (6) mindestens in einem Kontaktbereich mit dem ersten Bauteil (4) und/oder dem zweiten Bauteil (5) eine Beschichtung aus einem Precursor-Polymer aufweist, und das erste Bauteil (4) durch die Beschichtung elektrisch gut isolierend und thermisch gut leitend mit dem zweiten Bauteil (5) abdichtend verbunden ist.Seal (6) by which at least one first component (4) in an installed position is in contact with at least one second component (5) and unwanted mass transfer between the components (4,5) are prevented, characterized in that the seal ( 6) at least in a contact region with the first component (4) and / or the second component (5) has a coating of a precursor polymer, and the first component (4) through the coating good electrical insulation and good thermal conductivity with the second component (5) is sealingly connected. Dichtung (6) nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass eine Schichtdicke der Beschichtung aus dem Precursor-Polymer zwischen ca. 5 µm bis etwa 50 µm beträgt, vorzugsweise zwischen ca. 10 µm bis etwa 35 µm.Seal (6) according to the preceding claim, characterized in that a layer thickness of the coating of the precursor polymer is between about 5 microns to about 50 microns, preferably between about 10 microns to about 35 microns. Dichtung (6) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Beschichtung aus dem Precursor-Polymer mindestens so dick aufgebracht ist, dass die Beschichtung die Unebenheiten der in einer Einbaulage angrenzenden Oberflächen der Bauteile (4, 5) ausgleicht, wobei eine für ein jedes Precursor-Polymer spezifische thermische Grenze unter ca. 200°C liegt.Seal (6) after Claim 1 , characterized in that a coating of the precursor polymer is applied at least so thick that the coating compensates for the unevennesses of the surfaces of the components (4, 5) adjoining in an installation position, a thermal limit specific to each precursor polymer being excluded about 200 ° C is located. Dichtung (6) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung mindestens einseitig auf eine Dichtungslage in Form eines metallischen Trägers aufgetragen ist, wobei der Träger insbesondere in Form eines Blechs aufweist.Seal (6) according to any one of the preceding claims, characterized in that the coating is applied at least on one side to a sealing layer in the form of a metallic carrier, wherein the carrier in particular in the form of a sheet. Dichtung (6) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Material der Beschichtung ein Si-C-N-O Precursor-Polymer ist, welche mit hexagonalem Bornitrid (hBN) aufgefüllt ist, wobei ein Anteil des Füllers bei ca. 5% etwa 50% liegt, vorzugsweise zwischen ca. 10% bis etwa 40%.Seal (6) according to one of the preceding claims, characterized in that the material of the coating is a Si-CNO precursor polymer, which is filled with hexagonal boron nitride (hBN), wherein a proportion of the filler at about 5% about 50% is preferably between about 10% to about 40%. Verfahren zur Herstellung einer Dichtung (6) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem mindestens ein erster Teil (4) mit mindestens einer Dichtung (6) versehen wird, wobei der erste Teil (4) in einer Einbaulage über die Dichtung (6) mit einem zweiten Teil (5) in Kontakt gebracht wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtung (6) als Beschichtung unter Verwendung eines Precursor-Polymers in einem Sprühprozess, oder unter Anwendung eines Roll-Coat-Verfahrens auf ein jeweiliges Substrat oder mindestens auf einen in einer Einbaulage später ausgebildeten Kontaktbereich zwischen dem ersten Teil (4) und dem zweiten Teil (5) oder einen separaten Dichtungskörper aufgebracht wird.Method for producing a seal (6) according to one of the preceding claims, in which at least one first part (4) is provided with at least one seal (6), wherein the first part (4) in an installed position via the seal (6) a second part (5) is brought into contact, characterized in that the seal (6) as a coating using a precursor polymer in a spraying process, or using a roll-coat method on a respective substrate or at least one in an installation position later formed contact area between the first part (4) and the second part (5) or a separate sealing body is applied. Verfahren nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Dichtungskörper und tragendes Substrat des Precursor-Polymers ein unlegierter Stahl, ein Edelstahl, eine Nickelbasis- oder eine Aluminiumlegierung verwendet wird, vorzugweise in Form eines Stanzteils aus Blech.Method according to one of the two preceding claims, characterized in that as a sealing body and supporting substrate of the precursor polymer, a non-alloy steel, a stainless steel, a nickel-based or an aluminum alloy is used, preferably in the form of a stamped part made of sheet metal. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung mit einem Precursor-Polymer ohne pyrolytische Umwandlung getrocknet ausgeliefert, verbaut und nur in einem Temperaturbereich von unter 500°C eingesetzt und verwendet wird, vorzugsweise unter ca. 200°C.Method according to Claim 6 , characterized in that the coating delivered dried with a precursor polymer without pyrolytic conversion, installed and used and used only in a temperature range of less than 500 ° C, preferably below about 200 ° C. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung mit einem Precursor-Polymer beidseitig auf ein Substrat in Form eines metallischen Trägers oder einer Metall-Sickendichtung aufgetragen wird.Method according to one of the preceding Claims 6 to 8th , characterized in that the coating is applied with a precursor polymer on both sides of a substrate in the form of a metallic carrier or a metal bead seal. Verwendung einer Schicht oder Beschichtung aus einem Precursor-Polymer zur Abdichtung zwischen einem ersten und einem zweiten Bauteil mit den Eigenschaften einer guten thermischen Leitfähigkeit bei zugleich hohem elektrischem Widerstand. Use of a layer or coating of a precursor polymer for sealing between a first and a second component with the properties of a good thermal conductivity at the same time high electrical resistance.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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