DE102023002134A1

DE102023002134A1 - Verfahren zur Herstellung einer Kühlplatte, die mit dem Verfahren hergestellte Kühlplatte, deren Verwendung sowie ein Trennmittel für die Kühlplatte

Info

Publication number: DE102023002134A1
Application number: DE102023002134.2A
Authority: DE
Inventors: Bernd Schietinger; Arnd Bressel; Diana Franz; Clemens Franz
Original assignee: Mercedes Benz Group AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2023-05-25
Filing date: 2023-05-25
Publication date: 2024-03-14

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Kühlplatte (100), umfassend die folgenden Schritte:(1) Aufbringen eines Trennmittels (40) auf zumindest einen ersten Bereich (12.1) einer ersten Metallplatte (10.1) und/oder auf zumindest einen ersten Bereich (12.2) einer zweiten Metallplatte (10.2), wobei das Trennmittel (40) keramische Mikrokugeln (45) aufweist, die in mindesten zwei Lagen (45.1, 45.2) auf dem ersten Bereich (12.1) der ersten Metallplatte (10.1) aufgebracht werden oder in mindestens einer Lage (45.1) auf dem ersten Bereich (12.1) der ersten Metallplatte (10.1) und in mindestens einer Lage (45.2) auf dem ersten Bereich (12.2) der zweiten Metallplatte (10.2) aufgebracht werden;(2) Herstellen einer mechanisch unlösbaren Verbindung zwischen zweiten Bereichen der ersten Metallplatte (10.1) und der zweiten Metallplatte (10.2) durch Rollbonding;(3) Ausbilden mindestens eines Kühlkanals (60) durch lokale Druckerhöhung unter Trennung der beiden Metallplatten (10.1, 10.2) in den ersten Bereichen (12.1, 12.2) und Erhalt einer Kühlplatte (100). Die Erfindung ist zeichnet sich dadurch aus, dass kein Graphit im Trennmittel (40) enthalten ist. Insbesondere wird ein neuartiges Trennmittel (40) bereitgestellt, das gegenüber der in der Kühlplatte (100) einzusetzenden Kühlflüssigkeit inert ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Kühlplatte, die mit dem Verfahren hergestellte Kühlplatte, deren Verwendung sowie ein Trennmittel für die Kühlplatte.
Zur Kühlung der in batterieelektrischen oder mit Hybridantrieb ausgestatteten Fahrzeugen verwendeten Batteriesysteme sind durch die zunehmende Kapazität der Antriebsbatterien größere und komplex gestaltete Kühlplatten notwendig. Diese werden bisher durch klassische Ofenlötverfahren durch Fügen von Aluminiumhalbzeugen, meist unter Verwendung von aluminiumhaltigen Flussmitteln auf Basis Kalium-Aluminium-Fluorid (KxAlyFz), hergestellt. Hierbei führt eine Erhöhung der Bauteildimensionen sowohl zu löttechnischen Problemen, wie einer ungenügenden Verlötung, einem Verzug, als auch zu negativen Einflüssen auf das eingesetzte Kühlmittel durch Eintrag sehr hoher Mengen der Flussmittel.
Bekannt geworden ist die Verwendung rollgebondeter Wärmetauscher, wie sie in der Kältetechnik, z. B. einem Kühlschrank, zum Einsatz kommen. Beim Rollbonding wird in einem ersten Schritt auf eine Aluminium-Grundplatte ein Trennmittel, in der Regel eine graphithaltige Paste, beispielweise durch Siebdruck, aufgetragen. Nach Fixierung des Trennmittels, die meist in einem Ofenprozess erfolgt, wird eine zweite Aluminium-Platte aufgelegt und mittels Walzprozess innig mit der Grundplatte verbunden. In dem mit Trennmittel versehenen Bereich findet dieser metallische Plattierungsprozess hierbei nicht oder nur sehr unvollständig statt, so dass dieser Bereich in einem nachfolgenden Prozess durch Druckbelastung, zumeist unter Anwendung von Pressluft, von der Grundplatte abgehoben und zu einer definierten Kanalstruktur geformt werden kann.
Die so hergestellten Aluminium-Kühlplatten weisen verfahrensbedingt Reste der Graphitbeschichtung auf beiden Oberflächen des ausgeformten Flüssigkeitskanals auf. Während diese Reste bei Verwendung mit nichtwässrigen Fluiden, z. B. typischen Kältemitteln im Kühlschrank, keine Interaktion mit Medium oder Werkstoff eingehen, kommt es bei Verwendung wasserhaltiger Fluide, wie einem typischen Fahrzeug-Kühlmittel auf Ethlylenglykol-Wasser-Basis, zu intensiver Korrosion des Aluminiums durch Ausbildung eines galvanischen Elementes mit dem Graphit. Ein Einsatz dieser Rollbondingkühler auf Basis eines Graphit-Trennmittels ist somit im Fahrzeugkreislauf aktuell technisch nicht günstig bzw. überhaupt nicht möglich.
Einige Vorschläge zu Rollbondingkühlern aus dem Stand der Technik sind bislang bekannt geworden:

So beschreibt die DE 10 2014 219 812 A1 eine Kühlplatte für einen elektrischen Energiespeicher, wobei die Kühlplatte mindestens zwei unlösbar miteinander verbundene Metallbleche und mindestens eine Kunststoffabdeckung aufweist, wobei die verbundenen Metallbleche mindestens einen mittels eines Trennmittels aufgeblasenen Kühlkanal umfassen. Die mechanisch unlösbare Verbindung zwischen den mindestens zwei Metallblechen wird mittels Rollbonding und/oder Verkleben hergestellt. Als Trennmittel werden Graphit, Öl, Wachs, Silikon und/oder Fett beschrieben.

Die EP 3 026 753 A1 bezieht sich auf eine Fahrzeugkühlvorrichtung, insbesondere für eine Fahrzeugantriebsbatterie, mit einer ein erstes und ein zweites Blech umfassenden Kühlplattenanordnung, wobei die beiden Bleche, vorzugsweise durch ein Rollbondverfahren, mit mindestens einem Klebebereich verklebt sind und mindestens ein Kühlfluidkanal als Hohlraum zwischen den beiden Blechen ausgebildet ist, wobei die beiden Bleche im Bereich des Kanals voneinander beabstandet sind, wobei die Kühlpaneelanordnung ein Verteilersystem aufweist, das ein Umlenkelement umfasst, das durch einen Klebebereich der beiden Bleche gebildet ist. Es wird ein Rollbonding-Verfahren verwendet, bei dem ein nicht weiter definiertes Trennmittel zum Einsatz kommt.
Die DE 10 2018 115 536 A1 bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung einer Kühlplatte. Dabei wird zunächst die örtliche Lage von Kühlkanälen auf der fertigen Kühlplatte festgelegt, dann werden ein erstes Metallblech und ein zweites Metallblech bereitgestellt, auf ersten Bereichen von Kontaktflächen der Metallbleche wird ein Trennmittel aufgebracht und die Metallbleche mittels eines Walzprozesses in zweiten Bereichen der Kontaktflächen unlösbar miteinander verbunden. Als Trennmittel werden Graphit, Öl, Wachs, Silikon und/oder Fett beschrieben.
Die DE 10 2019 110 870 A1 offenbart eine Kühlvorrichtung zum Kühlen einer Energiespeicher- und/oder Elektronikbaugruppe, mit einem vorzugsweise plattenförmigen Kühlkörper, in dessen Inneren zumindest ein Kühlmittelkanal ausgebildet ist, wobei der Kühlkörper zwei stoffschlüssig, flächig aufeinander gefügte Blechplatinen umfasst, wobei eine Blechplatine eine kanalförmige Auswölbung besitzt, die sich bei etwa gleichbleibender Wandstärke aus der Fügeebene der beiden Blechplatinen herauswölbt, nur randseitig mit der anderen Blechplatine verbunden ist und den Kühlmittelkanal bildet. Das Trennmittel kann ein Trennlack sein. Insbesondere wird Graphit als Trennmittel verwendet.
Aus der DE 10 2019 005 012 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung eines Kühlbauteils für einen Kraftwagen bekannt, bei welchem ein Trennmittel in einem Trennbereich zwischen Bauteilelementen des Kühlbauteils angeordnet wird und die Bauteilelemente anschließend durch ein Roll-Bond-Verfahren miteinander gefügt werden, wobei das Trennmittel Kunststoffpartikel und/oder Silikat-Mineralien umfasst. Erfindungsgemäß sollen bevorzugt keine Kunststoffpartikel und keine Silikat-Mineralien im Trennmittel vorliegen.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, die Nachteile des Standes der Technik zu überwinden und ein Verfahren zur Herstellung von Kühlplatten bereitzustellen, das keine graphithaltigen Trennmittel erfordert. Insbesondere soll ein Trennmittel vorliegen, das mit der in der Kühlplatte einzusetzenden Kühlflüssigkeit nicht reagiert, insbesondere gegenüber dieser inert ist.
Erfindungsgemäß wird die zuvor geschilderte Aufgabe durch ein Verfahren zur Herstellung einer Kühlplatte gelöst, umfassend folgende Schritte:

(1) Aufbringen eines Trennmittels auf zumindest einen ersten Bereich einer ersten Metallplatte und/oder auf zumindest einen ersten Bereich einer zweiten Metallplatte, wobei das Trennmittel keramische Mikrokugeln aufweist, die in mindesten zwei Lagen auf dem ersten Bereich der ersten Metallplatte aufgebracht werden oder in mindestens einer Lage auf dem ersten Bereich der ersten Metallplatte und in mindestens einer Lage auf dem ersten Bereich der zweiten Metallplatte aufgebracht werden;
(2) Herstellen einer mechanisch unlösbaren Verbindung zwischen zweiten Bereichen der ersten Metallplatte und der zweiten Metallplatte durch Rollbonding;
(3) Ausbilden mindestens eines Kühlkanals durch lokale Druckerhöhung unter Trennung der beiden Metallplatten im ersten Bereich und Erhalt einer Kühlplatte.

Das Verfahren der vorliegenden Erfindung soll nachfolgend im Einzelnen erläutert werden:

Vor Durchführung von Schritt (1) kann eine Vorbehandlung der ersten Metallplatte, die auch als Grundplatte bezeichnet werden kann, erfolgen. Dies kann beispielweise ein Ausrichten der ersten Metallplatte und gegebenenfalls ein Vorheizen sein. Insbesondere bei einem Einsatz der Kühlplatten zur Kühlung von Batterieanordnungen in Elektrofahrzeugen ist es vorteilhaft, wenn die Kühlplatten einstückig ausgeführt sind, um zusätzliche Fügeschritte zu vermeiden, den Batterieraum vollflächig abzuschließen und eine effektive Kühlung dort, wo die Batterieanordnung vorliegt, bereitzustellen. Die Kühlplatten haben daher bevorzugt, aber nicht ausschließlich, eine Länge von in etwa einem bis hin zu mehreren Metern. Aus diesem Grund kann es zweckmäßig sein, die erste Metallplatte in einem Vorbehandlungsschritt so auszurichten, dass Längenabweichungen für die herzustellenden Kühlkanäle möglichst vermieden werden.

Die erste und/oder zweite Metallplatte sind bevorzugt aus Aluminium, Aluminiumlegierungen, Kupfer, Kupferlegierungen, Eisen, Eisenlegierungen, unlegiertem Stahl, hochlegiertem Stahl, Nickel oder Nickellegierungen, beschichtetem Stahl, wie feuerlaminiertem Stahlblech oder verzinktem Stahlblech hergestellt.
Eine Metallplatte soll im Rahmen der Erfindung möglichst breit verstanden werden und ist hinsichtlich Form, Größe und Dicke nicht weiter beschränkt. Es kann auch ein Metallblech, Metallband oder einfach eine Metalllage sein.
In Schritt (1) des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt ein Aufbringen eines Trennmittels auf zumindest einen ersten Bereich einer ersten Metallplatte und/oder auf zumindest einen ersten Bereich einer zweiten Metallplatte, woraus eine Kühlkanalstruktur gebildet werden soll. Es versteht sich, dass die mit Trennmittel versehenen ersten Bereiche der beiden Metallplatten übereinander liegen sollen, um hieraus den Kühlkanal zu bilden. Der erste Bereich der ersten Metallplatte wird dann zusammen mit dem ersten Bereich der zweiten Metallplatte zum Kühlkanal ausgeformt. Das Trennmittel, umfassend keramische Mikrokugeln, wird entweder einseitig oder beidseitig aufgebracht. Beim einseitigen Aufbringen werden mindesten zwei übereinander liegende Lagen an keramischen Mikrokugeln auf dem ersten Bereich der ersten Metallplatte aufgebracht; beim zweiseitigen Auftrag werden mindestens eine Lage an keramischen Mikrokugeln auf dem ersten Bereich der ersten Metallplatte und mindestens eine Lage auf dem ersten Bereich der zweiten Metallplatte aufgebracht. Der Auftrag kann mit lokalen Beschichtungsverfahren durchgeführt werden, beispielweise durch ein Druckverfahren, wie ein Siebdruckverfahren, Drucken als keramische Tinte, beispielweise im Tintenstrahldruck, oder lokales Verteilen eines pastösen Systems mittels eines Dispensers auf der ersten Metallplatte und/oder der zweiten Metallplatte.
Das Trennmittel weist keramische Mikrokugeln auf. Der Begriff „keramisch“ bedeutet, dass die Mikrokugeln einen oder mehrere Keramik-Werkstoffe als Hauptanteil (beispielweise mehr als 60 Gew.-%) enthalten oder aus diesen bestehen. Der keramische Werkstoff ist nicht weiter beschränkt, insbesondere werden oxidische (auf Oxid-Basis), carbidische (auf Kohlenstoff-Basis) oder nitridische (auf Nitrid-Basis) Keramiken verwendet.
Bevorzugt sind die keramischen Mikrokugeln ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Zirkonoxid-Kugeln, Zirkonmischoxid-Kugeln, insbesondere Yttrium-stabilisierte (Yttriumoxid-stabilisierte) Zirkonoxid-Kugeln oder Cerium-stabilisierte (Ceriumoxidstabilisierte) Zirkonoxid-Kugeln, Zirkonsilikat-Kugeln, insbesondere gesinterte Zirkonsilikat-Kugeln, Aluminiumoxid-Kugeln, Steatit-Kugeln (auf Basis von Magnesiumsilikat) und Mischungen dieser. Beispielweise haben gesinterte Zirkoniumsilikat-Kugeln die folgende chemische Zusammensetzung: 60 Gew.-% (± 5 Gew.-%) ZrO2 und 37,5 Gew.-% SiO2 (± 2,5 Gew.-%) und sind dafür bekannt, dass diese viel härter, schwerer und abriebfester als Glaskugeln sind. Ein weiteres Beispiel sind Yttrium-stabilisierte Zirkonoxid-Kugeln, die auch als Yttriumoxid-stabilisierte Zirkonoxid-Kugeln bezeichnet werden, mit der folgenden chemischen Zusammensetzung: 95 Gew.-% (± 0,2 Gew.-%) ZrO2 und 5,0 Gew.-% Y2O3 (± 0,2 Gew.-%) mit einer bekannt hohen Härte und Beständigkeit gegen Abrieb.
Die eingesetzten keramischen Mikrokugeln haben einen bevorzugten Kugeldurchmesser im Bereich von 0,01 mm (10 µm) bis 4 mm, bevorzugter 0,05 bis 3,75 mm oder 0,07 bis 3,5 mm, noch bevorzugter 0,08 bis 3,0 mm oder 0,09 bis 2,5 mm, ganz besonders bevorzugt im Bereich von 0,1 bis 2 mm Die Bestimmung der Durchmesser kann hierbei z. B. über mikroskopische Verfahren (Lichtmikroskop, REM) oder Siebverfahren beispielsweise unter Verwendung eines Siebturms erfolgen.
Besonders bevorzugt weisen die keramischen Mikrokugeln im Trennmittel alle im Wesentlichen den gleichen Kugeldurchmesser auf, d.h. einen Kugeldurchmesser mit enger Größenverteilung, damit die aufgebrachte(n) Lage(n) der Mikrokugeln in etwa die gleiche Schichtstärke über den beschichteten Bereich aufweist(en). Besonders bevorzugt weisen die keramischen Mikrokugeln der Beschichtung alle dieselbe Zusammensetzung auf und sind aus einer Keramik-Verbindung ausgewählt.
Die keramischen Mikrokugeln weisen bevorzugt eine glatte Oberfläche auf und können in nahezu perfekter sphärischer Form mit enger Größenverteilung zur Verfügung gestellt werden. Die keramischen Mikrokugeln verfügen über eine hohe Dichte, wodurch das Material eine hohe Abriebbeständigkeit, hohe Bruchfestigkeit und Bruchstabilität aufweist. Das Keramikmaterial ist beständig gegen Oxidation und Korrosion und daher mit Wasser einsetz- und verwendbar. Generell werden als keramische Mikrokugeln keine Hohlkugeln verwendet, sondern Vollkugeln (massive Kugeln).

Es können im Handel erhältliche Keramik-Mikrokugeln eingesetzt werden. Beispielhaft einsetzbare Handelsprodukte sind:

ZYS-L	- Zirkonoxid (Yttrium-stab.) ZrO₂ 94,4 %
ZC-L	- Zirkonoxid (Cerium-stab.) ZrO₂ 84 %
ZS-LZ	- Zirkonsilikat ZrO₂ >57 %
ZYE-L	- Zirkonoxid (Yttrium-stab.) ZrO₂ 94,35 %
YTZ®	- Zirkonoxid (Yttrium-stab.) ZrO₂ 95 %
Zirmil®Y	- Zirkonoxid (Yttrium-stab.) ZrO₂ 93 %
Zirconox®	- Zirkonoxid (Cerium-stab.) ZrO₂ 83 %
Zirmil®CE	- Zirkonoxid (Cerium-stab.) ZrO₂ 82 %
SAZ	- Zirkonmischoxid ER 120 S ZrO₂ 68 %
Zircosil®	- Zirkonmischoxid ZrO₂ 60 %

RIMAX (ZS-R)	- Zirkonsilikat ZrO₂ 58 %
Aluminiumoxid-Mahlgranulat und -kugeln Al₂O₃ 90 %
Aluminiumoxid-Mahlkugeln Al₂O₃ 99,5 %
Steatit-Mahlgranulat und -kugeln
Steatit-Mahlkugeln und -zylinder
Aluminiumoxid-Mahlgranulat und -kugeln Al₂O₃ 92 %
Aluminiumoxid-Mahlkugeln Al₂O₃ 99,9 %.

Wahlweise kann vor Aufbringen des Trennmittels in Schritt (1) zunächst eine haftvermittelnde Schicht auf den oder die ersten Bereiche aufgebracht werden. Nachfolgend werden die Mikrokugeln dann dosiert und aufgebracht.
Nach Aufbringen des Trennmittels in Schritt (1) kann optional eine geeignete und gleichmäßige Schichtdicke eingestellt werden. Dies kann beispielweise durch ein Abstreifsystem erreicht werden.
Nach Aufbringen des Trennmittels in Schritt (1) und gegebenenfalls Einstellen einer geeigneten und gleichmäßigen Schichtdicke kann optional eine Fixierung des Trennmittels erfolgen. Das Verfahren der Fixierung hängt dabei von der Zusammensetzung des ausgewählten Trennmittels ab, das als feste, halbfeste bis flüssige Zusammensetzung vorliegen kann. Beispielweise kann das Trennmittel eine Dispersion, wie eine Tinte, oder eine Paste sein, die neben den Mikrokugeln einen oder mehrere Träger aufweist.
Der oder die Träger sind beispielweise ausgewählt aus einem oder mehreren Bindemitteln und/oder einem oder mehreren organischen Klebern sowie gegebenenfalls ein oder mehreren Lösungsmitteln.
Die ein oder mehreren Kleber sind beispielweise chemisch abbindende Klebstoffe oder Reaktionsklebstoffe. Dies sind Klebstoffe, die durch einen Vernetzungsprozess aushärten. Es handelt sich um flüssige bis pastöse oder auch filmförmige Substanzen, die durch einen Katalysator oder Härter, durch erhöhte Temperatur, durch Luftfeuchtigkeit oder durch Entzug von Sauerstoff abbinden. Dies sind z. B. Polymerisationsklebstoffe, Polyadditionsklebstoffe oder Polykondensationsklebstoffe. UV-Kleber härten unter UV-Licht aus. Es sind Ein- und Zweikomponentenkleber bekannt.
Die ein oder mehreren Bindemittel sind derartige Bindemittel, welche bei den Verfahrensbedingungen des Rollbondings eingesetzt werden können. Dies sind beispielweise härtbare Epoxidharze, die nicht zu den Klebern gehören.
Die Lösungsmittel sind nicht weiter beschränkt und können organische Lösungsmittel und Wasser umfassen.
Das Fixieren kann dann z. B. durch thermisches Verdampfen von Lösungsmittel, thermisches Aushärten eines organischen Klebstoffsystems, wie beispielweise eines Klebers auf Epoxid- und/oder Urethan-Basis, Aushärten über Luftfeuchtigkeit, beispielweise eines Klebers auf Cyanacrylat-Basis, oder besonders bevorzugt optische Aushärtung eines Klebstoffsystems, z. B. eines UV-empfindlichen Klebers auf Epoxid- oder Acrylat-Basis, über UV-Strahlung erfolgen.
Die optionale Fixierung des Trennmittels kann ggf. auch im Rahmen des Aufwärmens der Bauteile vor dem eigentlichen Rollbondingprozess in Schritt (2) erfolgen.
In Schritt (2) des erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine mechanisch unlösbare Verbindung zwischen dem zweiten Bereich der ersten Metallplatte und dem zweiten Bereich der zweiten Metallplatte durch Rollbonding hergestellt. Hierzu erfolgt zunächst die Zuführung der zweiten Metallplatte, wodurch eine Sandwich-Struktur gebildet wird, wobei sich das in den ersten Bereichen aufgebrachte Trennmittel zwischen den beiden Metallplatten befindet, wo ein Kühlkanal entstehen soll. Es versteht sich, dass die mit Trennmittel versehenen ersten Bereiche der beiden Metallplatten übereinander liegen sollen, um hieraus den Kühlkanal zu bilden. Nach Zuführen der zweiten Metallplatte kann die erhaltene Sandwich-Struktur vor Durchführen des Plattierungsvorgangs in Form des Rollbondings gegebenenfalls erwärmt werden. Das Erwärmen der Sandwich-Struktur kann auch zur gleichzeitigen Fixierung des Trennmittels eingesetzt werden.
Im Plattierungsvorgang in Form des Rollbonding wird dann eine Plattierungsverbindung zwischen den metallischen Werkstoffen erreicht. Beim Rollbonding werden die als Metallplatten ausgebildeten Bauteile durch Walzen bei großem Druck zusammengefügt, wobei Trennbereiche, in welchen keine Verbindung der Bauteile erfolgen soll, mit Trennmittel versehen werden. In dem mit Trennmittel versehenen ersten Bereich erfolgt hierdurch eine mechanische Einprägung der keramischen Kugeln in die Oberflächen der beiden Metallplatten, wobei bevorzugt eine komplette Umschließung der keramischen Mikrokugeln vermieden wird, da ansonsten das Trennmittel seine eigentliche Funktion, die Metallplatten an den gewünschten Stellen zu trennen, verlieren würde. Hierdurch wird sichergestellt, dass eine nicht-metallische Trennebene für die Darstellung der gewünschten Kanalstrukturen resultiert.
In Schritt (3) des Verfahrens wird durch lokale Druckerhöhung mindestens ein Kühlkanal ausgebildet, wobei eine Trennung der beiden Metallplatten im ersten Bereich erfolgt, und eine Kühlplatte erhalten wird. Die lokale Druckerhöhung kann beispielweise durch Zuführen von Pressluft zum ersten Bereich erreicht werden, wobei ein Kühlkanal dann durch ein- oder beidseitiges Aufblasen des ersten Bereichs ausgebildet wird, so dass ein Kühlmittel zur Wärmeaufnahme durch den Kühlkanal fließen kann.
Erfindungsgemäß wird auch ein Trennmittel zur Verwendung bei der Herstellung einer Kühlplatte mit einem Rollbonding-Verfahren bereitgestellt, umfassend keramische Mikrokugeln. Das Trennmittel wird in einer definierten Schicht aufgebracht, die mindestens 2 Lagen (ein- oder beidseitig aufgebracht) an Mikrokugeln aufweist. Bevorzugt kann der Kugeldurchmesser der Mikrokugeln und die daraus resultierende Schichtdicke der aufgebrachten Kugelschicht so gewählt werden, dass während des Rollbondingverfahrens die Kugellagen mechanisch in die Oberfläche der Metallbleche eingepresst und hierdurch dauerhaft fixiert werden. Somit kann eine gegenüber rein chemischen Bindersystemen verbesserte Dauerhaltbarkeit des Trennmittels erreicht werden.
Durch die definierte Schichtlage in Form von mindestens 2 Kugellagen, besonders bevorzugt genau 2 Kugellagen, von keramischen Mikrokugeln kann eine Plattierung im ersten Bereich der Metallplatten analog zu der im Stand der Technik verwendeten Graphitschicht verhindert und dennoch der klassische Bearbeitungsprozess verwendet werden. Hierbei kann die Lagenstärke durch die Verwendung bevorzugt sehr gleichmäßiger Körnungen der Mikrokugeln, d.h. Mikrokugeln mit den gleichen Kugeldurchmessern mit enger Größenverteilung, gewährleistet werden. Vorteilhafterweise sind keramische Mikrokugeln, vorzugsweise Yttrium- oder Cerium-stabilisierte Zirkonoxid-Kugeln oder Aluminiumoxid-Kugeln, in geeigneten Größen kommerziell verfügbar, die u.a. als Mahlkugeln für Perlmühlen eingesetzt werden und auf hohe Härte, thermische Beständigkeit und minimalen Abrieb optimiert sind.
Sollten im Herstellungsverfahren oder im Betrieb der Kühlplatte einzelne Mikrokugeln möglicherweise irgendwann abgelöst und damit freigesetzt werden, stellen diese durch die Kugelform ein deutlich geringeres Risiko für Beschädigungen dar und zeigen eine deutlich geringere abrasive Wirkung als die typischen scharfkantigen Hartstoffpartikel bekannter Trennmittel, wie beispielweise SiC. Weiterhin kann bei Verwendung der keramischen Mikrokugeln, insbesondere bei Aluminiumoxid-Kugeln, Yttrium- oder Cerstabilisierten Zirkonoxid-Kugeln, eine chemische Reaktion mit den eingesetzten Kühlmitteln generell ausgeschlossen werden. In Abhängigkeit des gewählten Mikrokugeldurchmessers, vorzugsweise im Bereich von 0,01 mm (10 µm) bis 4 mm, ganz besonders bevorzugt im Bereich von 0,1 - 2 mm, ist zudem die Verwendung von Sieben oder Filtern zum Schutz des Kühlkreislaufs gegen abgelöste Kugeln in einfacher Weise möglich.
Durch den hohen Schmelzpunkt und die hohe Härte der keramischen Mikrokugeln ist der Einsatz des Trennmittels im Rollbondingverfahren neben Aluminiumwerkstoffen auch für andere Metallplatten möglich, wie beispielweise aus Kupfer, Kupferlegierungen, Eisen, Eisenlegierungen, unlegiertem Stahl, hochlegiertem Stahl, Nickel oder Nickellegierungen, beschichtetem Stahl, wie feuerlaminiertem Stahlblech oder verzinktem Stahlblech oder dergleichen.
Gegenstand der Erfindung ist auch die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren herstellbare Kühlplatte für elektrische Energiespeicher, beispielsweise eine Batteriezelle.
Die Erfindung betrifft auch die Verwendung der erfindungsgemäßen Kühlplatte in einem Fahrzeug zum Kühlen mindestens eines elektrischen Energiespeichers, beispielsweise einer Lithium-Ionen-, Lithium-Schwefel-, Lithium-Luft-Batterie.
Die Erfindung bezieht sich auch auf ein Rollbondingkühlplatten-Trennmittel umfassend oder bestehend aus

- keramischen Mikrokugeln, bevorzugt ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Zirkonoxid-Kugeln, Zirkonmischoxid-Kugeln, insbesondere Yttrium-stabilisierte Zirkonoxid-Kugeln oder Cerium-stabilisierte Zirkonoxid-Kugeln, Zirkonsilikat-Kugeln,

- ein oder mehreren Trägern, ausgewählt aus

Das Verfahren der Erfindung wird anhand der nachfolgenden Ausführungsformen in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen detaillierter erläutert, wobei die beigefügten Figuren schematisch und nicht maßstabsgetreu gezeichnet sind, so dass keine Annahme über genaue geometrische Werte in Bezug auf die Originalgröße gemacht werden kann. Die Zeichnungen dienen zusammen mit der Beschreibung dazu, die Prinzipien der vorliegenden Offenbarung zu erläutern. Die gleichen Merkmale sind in den Figuren, wenn möglich, mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
Dabei zeigen die Figuren:

1: eine schematisch vereinfachte Schnittansicht der optionalen Vorbehandlung einer ersten Metallplatte gemäß einer erfindungsgemäßen Ausführungsform;
2A: eine schematisch vereinfachte Schnittansicht des Auftrags eines Trennmittels, umfassend keramische Mikrokugeln, durch ein lokales Beschichtungsverfahren in Verfahrensschritt (1) gemäß einer erfindungsgemäßen Ausführungsform;
2B: eine vergrößerte schematisch vereinfachte Schnittansicht des in 2A aufgetragenen Trennmittels, wobei das aufgetragene Trennmittel auf der ersten Metallplatte mit einer Lage der keramischen Mikrokugeln (bei beidseitigem Auftrag) gemäß einer erfindungsgemäßen Ausführungsform darstellt ist;
3A: eine schematisch vereinfachte Schnittansicht des Zuführens einer zweiten Metallplatte und Durchführung eines Rollbonding-Verfahrens nach optionalem Erwärmen der Metallplatten gemäß einer erfindungsgemäßen Ausführungsform;
3B einen vergrößerten schematisch vereinfachten Ausschnitt der in 3A erhaltenen Sandwich-Struktur, die das aufgetragene Trennmittel mit zwei Lagen der keramischen Mikrokugeln zwischen den beiden Metallplatten gemäß einer erfindungsgemäßen Ausführungsform darstellt; und
4: eine schematisch vereinfachte Schnittansicht einer Kühlplatte gemäß einer erfindungsgemäßen Ausführungsform, die die Kanalausformung in den mit Trennmittel beschichteten ersten Bereichen der Metallplatten durch lokale Druckerhöhung darstellt.

Die Figuren werden nachfolgend im Einzelnen erläutert:

1 veranschaulicht in einer schematisch vereinfachten Schnittansicht die optionale Vorbehandlung einer ersten Metallplatte 10.1 gemäß einer erfindungsgemäßen Ausführungsform, die vor Durchführung von Schritt (1) erfolgen kann. Hierbei wird die erste Metallplatte 10.1 kalibriert bzw. ausgerichtet und gegebenenfalls vorgeheizt, wenn dies erfolgen soll. Die Kalibrierung bzw. Ausrichtung bezieht sich beispielsweise auf die festgelegte örtliche Lage des zu bildenden Kühlkanals, wobei beispielweise die Längenabweichung von der Walzrichtung, hier schematisch anhand von zwei Walzen 20a und 20b veranschaulicht, zur Orientierung der Lage der Metallplatte 10.1 herangezogen werden kann. Das Vorheizen kann durch schematisch dargestellte Heizvorrichtungen 25.1 und 25.2 erfolgen (T steht für Temperatur).
2A zeigt eine schematisch vereinfachte Schnittansicht eines Auftrags von Trennmittel 40, umfassend keramische Mikrokugeln 45, durch ein lokales Beschichtungsverfahren in Schritt (1) gemäß einer erfindungsgemäßen Ausführungsform. Das Trennmittel 40 wird auf zumindest einem ersten Bereich 12.1 eines ersten Metallblechs 10.1 in der gezeigten Ausführungsform beidseitig, d.h. jeweils zumindest eine Lage an keramischen Mikrokugeln 45 auf dem erstem Metallblech 10.1 und zumindest eine Lage an keramischen Mikrokugeln 45 auf dem zweiten Metallblech (nicht dargestellt) aufgebracht. Der Auftrag kann mit lokalen Beschichtungsverfahren, beispielweise durch Siebdruck, erfolgen. Gemäß 2A wird in der gezeigten Ausführungsform ein pastöses Trennmittel 40 mittels eines Dispensers 30 in Form einer manuellen, halbautomatischen oder automatischen Dosiervorrichtung auf die erste Metallplatte 10.1 aufgebracht.

Vor Aufbringen des Trennmittels 40 in Schritt (1) kann auch zunächst eine haftvermittelnde Schicht auf den oder die ersten Bereiche aufgebracht werden (nicht gezeigt). Im Anschluss daran wird das Trennmittel 40 dann dosiert und aufgebracht.
2B veranschaulicht in einer vergrößerten schematisch vereinfachten Schnittansicht das in 2A aufgetragene Trennmittel 40 gemäß einer erfindungsgemäßen Ausführungsform. Das Trennmittel 40 ist bereits auf zumindest einen ersten Bereich 12.1 der ersten Metallplatte 10.1 aufgetragen worden, und umfasst einen Träger 42 und eine Lage 45.1 an keramischen Mikrokugeln 45 (bei beidseitigem Auftrag: jeweils zumindest eine Lage an keramischen Mikrokugeln auf jede Metallplatte).
Die keramischen Mikrokugeln 45 sind nicht weiter beschränkt, beispielweise werden Yttrium-stabilisierte Zirkonoxid-Kugeln, Cerium-stabilisierte Zirkonoxid-Kugeln und/oder Aluminiumoxid-Kugeln eingesetzt. Andere keramische Kugel-Materialien sind ebenfalls möglich. Der bevorzugte Kugeldurchmesser liegt im Bereich von 0,01 mm (10 µm) bis 4 mm, ganz besonders bevorzugt im Bereich von 0,1 bis 2 mm. Andere Kugeldurchmesser sind je nach Ausführungsform möglich.
Der Träger 42, in dem die keramischen Mikrokugeln 45 vorliegen, umfasst ein oder mehrere Bindemittel und/oder ein oder mehrere Kleber sowie gegebenenfalls ein oder mehrere Lösungsmittel.
Nach Aufbringen des Trennmittels 40 in Schritt (1) kann gegebenenfalls eine geeignete gleichmäßige Schichtdicke unter Verwendung einer entsprechenden Vorrichtung, beispielsweise eines Abstreifsystems, eingestellt werden (nicht gezeigt).
3A zeigt eine schematisch vereinfachte Schnittansicht nach Zuführen der zweiten Metallplatte 10.2., die auf dem Trennmittel 40 aufliegt, wobei ein Rollbonding-Verfahren gemäß einer erfindungsgemäßen Ausführungsform durchgeführt wird. Nach der Zuführung der zweiten Metallplatte 10.2 resultiert eine Sandwich-Struktur 55, wobei das Trennmittel 40 als Zwischenschicht 15 zwischen den beiden Metallplatten 10.1 und 10.2, in zumindest einem ersten Bereich 12.1 der ersten Metallplatte 10.1 und zumindest einem ersten Bereich 12.2 der zweiten Metallplatte 10.2 aufgebracht ist, wo ein Kühlkanal 100 gebildet werden soll. Die erhaltene Sandwich-Struktur 55 kann vor dem und/oder während des Durchführen/s des Plattierungsvorgangs in Form des Rollbonding-Verfahrens gegebenenfalls erwärmt werden. Dies ist in 3A mit den schematisch gezeigten Heizvorrichtungen 25.3 und 25.4 (T steht für Temperatur) veranschaulicht.
Das Erwärmen der Sandwich-Struktur 55 kann auch zur gleichzeitigen Fixierung des Trennmittels 40 eingesetzt werden. Das Fixieren kann beispielweise durch thermisches Verdampfen von Lösungsmittel, thermisches Aushärten eines organischen Klebers, beispielweise auf Epoxid- und/oder Urethan-Basis, oder Aushärten durch Luftfeuchtigkeit, beispielweise mit Klebern auf Cyanacrylat-Basis, erfolgen. Es besteht auch die Möglichkeit, einen Kleber über UV-Bestrahlung zu härten. Beispielhaft hierfür genannt seien Kleber auf Epoxid- oder Acrylat-Basis. Das Fixieren des Trennmittels 40 ist optional und wird bevorzugt zwischen Schritt (1) und (2) durchgeführt.
In 3A wird der Plattierungsvorgang in Form des Rollbonding schematisch anhand des Walzenpaars 20a und 20b gezeigt, wobei die Metallplatten 10.1 und 10.2 durch Walzen bei großem Druck zusammengefügt werden, wobei in dem mit Trennmittel 40 versehenen ersten Bereichen 12.1 und 12.2 eine mechanische Einprägung der keramischen Mikrokugeln 45 in die beiden Oberflächen der Metallplatten 10.1 und 10.2 jeweils so erfolgt, dass bevorzugt keine komplette Umschließung der keramischen Mikrokugeln 45 durch die Metallplatten 10.1 und 10.2 vorliegt. Das bedeutet, dass die keramischen Mikrokugeln 45 aus den beiden Oberflächen jeweils zumindest teilweise hervorragen.
3B veranschaulicht eine vergrößerte schematisch vereinfachte Schnittansicht der in 3A erhaltenen Sandwich-Struktur 55. Es ist das aufgetragene Trennmittel 40 mit zwei Lagen der keramischen Mikrokugeln 45, der ersten Lage 45.1 und der zweiten Lage 45.2, zwischen den beiden Metallplatten 10.1 und 10.2 gemäß einer erfindungsgemäßen Ausführungsform dargestellt. Die beiden Lagen 45.1 und 45.2 können aus einseitigem oder beidseitigem Auftrag auf die Metallplatten 10.1 und 10.2 resultieren.
4 zeigt eine schematisch vereinfachte Schnittansicht einer Kühlplatte 100, die die Kanalausformung in den mit Trennmittel 40 beschichteten ersten Bereichen durch lokale Druckerhöhung darstellt. In Schritt (3) des Verfahrens wird durch lokale Druckerhöhung mindestens ein Kühlkanal 60 ausgebildet, wobei eine Trennung der beiden Metallplatten 10.1 und 10.2 in den ersten Bereichen 12.1 und 12.2 erfolgt, und eine Kühlplatte 100 erhalten wird. Die lokale Druckerhöhung kann beispielweise durch Zuführen von Pressluft zu den ersten Bereichen 12.1 und 12.2 erreicht werden, wobei ein Kühlkanal 60 durch ein- oder beidseitiges Aufblasen ausgebildet wird, so dass ein Kühlmittel zur Wärmeaufnahme durch den Kühlkanal 60 fließen kann.
Die Vorteile der Erfindung sind mannigfaltig:

Es wird ein chemisch inertes und in wässrigen Lösungen nicht korrosiv wirkendes Trennmittel für eine Kühlplatte, die im Rollbondingprozesse hergestellt wird, bereitgestellt. Das erfindungsgemäße Trennmittel enthält kein Graphit. Hierdurch kann das Trennmittel auch mit Kühlmitteln eingesetzt werden, die in Verbindung mit elektrischen Energiespeichern zum Einsatz kommen, ohne dass Nachteile entstehen.

Durch mechanische Einbettung des Trennmittels in die Oberflächen der beiden Metallplatten ergeben sich keine Probleme mit ungenügender chemischer Beständigkeit der Bindersysteme - diese werden nur noch zur temporären Fixierung und nicht mehr zur dauerhaften Sicherstellung der Haftung eingesetzt.
Damit wird die Nutzung des Rollbondingverfahrens im Kontakt mit wässrigen Medien, insbesondere bei der Herstellung von Aluminiumwärmetauschern/Kühlplatten einer Antriebsbatterie, möglich.
Das erfindungsgemäße Verfahren stellt eine deutliche Kosteneinsparung im Vergleich zu klassischen Lötverfahren für Batteriekühlplatten dar, insbesondere auch für sehr großformatige Konstruktionen, die sehr große und damit nur bei wenigen Lieferanten überhaupt verfügbare Ofenanlagen benötigen.
Das Risiko von Verzug im bekannten Lötprozess bei der Herstellung von Kühlplatten wird vermieden.
Das erfindungsgemäße Verfahren kommt ohne Flussmittel aus. Ein Flussmittel-freies Verfahren bedeutet eine deutliche Verbesserung der Korrosions- und Frostschutzmittel-(KFM)-Kompatibilität im Gegensatz zu gelöteten Bauteilen.
Durch geringere Prozesstemperaturen und -zeiten des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die Verwendung höherfester Aluminium-Werkstoffe als erste Metallplatte oder Grundplatte möglich, die bisher bei einem klassischen Lötprozess wieder weichgeglüht wurden, was konstruktive Vorteile bietet.
Durch die hohe Härte, thermische und mechanische Beständigkeit der keramischen Mikrokugeln im Trennmittel ist dessen Anwendung für weitere Werkstoffe neben Aluminium, z. B. Kupfer- und Kupferbasiswerkstoffe, niedriglegierte und hochlegierte Stähle für Plattierprozesse möglich.
Durch Verwendung der keramischen Mikrokugeln als Hartstoff in globularer Form weist der Kühlkanal bei möglicher Auslösung der Mikrokugeln aus der Oberfläche eine im Vergleich zu typischen Hartstoffpartikeln weniger abrasive Wirkung auf.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102014219812 A1 [0005]
EP 3026753 A1 [0006]
DE 102018115536 A1 [0007]
DE 102019110870 A1 [0008]
DE 102019005012 A1 [0009]

Claims

Verfahren zur Herstellung einer Kühlplatte (100), umfassend die folgenden Schritte: (1) Aufbringen eines Trennmittels (40) auf zumindest einen ersten Bereich (12.1) einer ersten Metallplatte (10.1) und/oder auf zumindest einen ersten Bereich (12.2) einer zweiten Metallplatte (10.2), wobei das Trennmittel (40) keramische Mikrokugeln (45) aufweist, die in mindesten zwei Lagen (45.1, 45.2) auf dem ersten Bereich (12.1) der ersten Metallplatte (10.1) aufgebracht werden oder in mindestens einer Lage (45.1) auf dem ersten Bereich (12.1) der ersten Metallplatte (10.1) und in mindestens einer Lage (45.2) auf dem ersten Bereich (12.2) der zweiten Metallplatte (10.2) aufgebracht werden; (2) Herstellen einer mechanisch unlösbaren Verbindung zwischen zweiten Bereichen der ersten Metallplatte (10.1) und der zweiten Metallplatte (10.2) durch Rollbonding; (3) Ausbilden mindestens eines Kühlkanals (60) durch lokale Druckerhöhung unter Trennung der beiden Metallplatten (10.1, 10.2) in den ersten Bereichen (12.1, 12.2) und Erhalt einer Kühlplatte (100).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die keramischen Mikrokugeln (45) ausgewählt sind aus der Gruppe, bestehend aus Zirko-noxid-Kugeln, Zirkonmischoxid-Kugeln, insbesondere Yttrium-stabilisierten Zirkonoxid-Kugeln oder Cerium-stabiliserten Zirkonoxid-Kugeln, Zirkonsilikat-Kugeln, insbesondere gesinterten Zirkonsilikat-Kugeln, Aluminiumoxid-Kugeln, Steatit-Kugeln oder Mischungen dieser.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die keramische Mikrokugeln (45) einen Kugeldurchmesser im Bereich von 0,01 mm bis 4 mm, bevorzugter 0,05 bis 3,75 mm oder 0,07 bis 3,5 mm, noch bevorzugter 0,08 bis 3,0 mm oder 0,09 bis 2,5 mm, ganz besonders bevorzugt im Bereich von 0,1 bis 2 mm auf-weisen, wobei bevorzugt alle keramischen Mikrokugeln im Trennmittel so ausgewählt werden, dass diese denselben Kugeldurchmesser aufweisen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und/oder zweite Metallplatte (10.1, 10.2) ausgewählt werden aus Aluminium, Aluminiumlegierungen, Kupfer, Kupferlegierungen, Eisen, Eisenlegierungen, unlegiertem Stahl, hochlegiertem Stahl, Nickel oder Nickellegierungen, beschichtetem Stahl, wie feuer-laminiertem Stahlblech oder verzinktem Stahlblech.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine, mindestens zwei oder mehr der folgenden Bedingungen erfüllt werden: - vor Schritt (1) wird eine Vorbehandlung der ersten Metallplatte (10.1) durchgeführt, bei der ein Ausrichten der ersten Metallplatte (10.1) und optional ein Vorheizen erfolgt; - vor Aufbringen des Trennmittels (40) in Schritt (1) wird eine haftvermittelnde Schicht auf den oder die ersten Bereiche (12.1, 12.2) aufgebracht; - in Schritt (1) wird das Aufbringen des Trennmittels (40) mit einem Beschichtungsverfahren durchgeführt, insbesondere einem Siebdruckverfahren oder Tintenstrahldruck-verfahren, oder durch lokales Verteilen mittels eines Dispensers (30) auf der ersten Metall-platte (10.1) und/oder der zweiten Metallplatte (10.2); - nach Aufbringen des Trennmittels (40) in Schritt (1) wird die Schichtdicke, insbesondere unter Verwendung eines Abstreifsystems, eingestellt; und/oder - in Schritt (3) wird zur lokalen Druckerhöhung Pressluft eingesetzt.
Kühlplatte (100) für elektrische Energiespeicher hergestellt gemäß dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5.
Verwendung der Kühlplatte (100) nach Anspruch 6 in einem Fahrzeug zum Kühlen mindestens eines elektrischen Energiespeichers, insbesondere einer Lithium-Ionen-, Lithium-Schwefel-, oder Lithium-Luft-Batterie.
Trennmittel (40) zur Verwendung in einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5 oder zur Verwendung in einem Verfahren zur Herstellung einer Kühlplatte (100) im Rollbonding-Verfahren, dadurch gekennzeichnet, dass das Trennmittel (40) umfasst oder besteht aus - keramischen Mikrokugeln (45), die alle im Wesentlichen denselben Kugeldurchmesser aufweisen, - einem Träger (42), ausgewählt aus einem oder mehreren Bindemitteln und/oder einem oder mehreren Klebern und gegebenenfalls ein oder mehreren Lösungsmitteln.
Trennmittel (40) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die keramischen Mikrokugeln (45) ausgewählt sind aus der Gruppe, bestehend aus Zirkonoxid-Kugeln, Zirkonmischoxid-Kugeln, insbesondere Yttrium-stabiliserten Zirkonoxid-Kugeln oder Cerium-stabiliserten Zirkonoxid-Kugeln, Zirkonsilikat-Kugeln, insbesondere gesinterten Zirkonsilikat-Kugeln, Aluminiumoxid-Kugeln, Steatit-Kugeln oder Mischungen dieser.
Trennmittel (40) nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die keramischen Mikrokugeln (45) einen Kugeldurchmesser im Bereich von 0,01 mm bis 4 mm, bevorzugter 0,05 bis 3,75 mm oder 0,07 bis 3,5 mm, noch bevorzugter 0,08 bis 3,0 mm oder 0,09 bis 2,5 mm, ganz besonders bevorzugt im Bereich von 0,1 bis 2 mm aufweisen.