JP2024029163A - 被覆された構成部材およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】熱サイクルにおいて、導電性の部材からの被覆材の剥離または亀裂を招き、熱の導出を大幅に悪化させる恐れを回避する被覆された構成部材及び構成部材を製造する方法を提供する。
【解決手段】熱伝導性の部材（２０）と、この部材（２０）の内側領域を満たす熱伝導性の被覆材（３０）とを有する被覆された構成部材（１０）であって、部材（２０）は、部材（２０）の内側領域を外側領域に接続する複数の開口（２１）を有しており、この場合、被覆材（３０）が開口（２１）を満たしている。被覆された構成部材（１０）を製造する方法は、複数の開口（２１）を有する熱伝導性の部材（２０）の内側領域に、被覆材（３０）を、被覆材（３０）が開口（２１）に侵入するように充填する。
【選択図】図３

Description

本発明は、被覆された構成部材に関する。さらに本発明は、被覆された構成部材を製造する方法にも関する。

背景技術
損失熱が導出されねばならないパワーエレクトロニクスおよび電気機械における用途では、導電性の部材を部分的に被覆するために、熱伝導性の被覆材が用いられることが多い。通常、これらの被覆材は、例えば銅から成っていてもよい被覆・加熱されるべき部材とは異なる熱膨張係数を有している。このことは熱サイクルにおいて、導電性の部材からの被覆材の剥離または亀裂を招く恐れがあり、これは熱の導出を大幅に悪化させる。

発明の開示
被覆された構成部材は、熱伝導性の部材と、この部材の内側領域を満たす熱伝導性の被覆材とを有している。この場合、内側領域とは、部材により少なくとも部分的に包囲される領域を意味する。これに対して、部材が内側領域全体を包囲することは必要とされていない。

好適には、被覆材は、１００体積パーセントの被覆材に対して少なくとも２５体積パーセントのセラミック粒子を含んでおり、これにより、被覆材の良好な熱伝導性を保証することができる。セラミック粒子は、特に窒化アルミニウム、窒化ホウ素、酸化アルミニウム、窒化ケイ素およびこれらの混合物より成る群から選択されている。粒子が埋め込まれた被覆材のマトリックス材料は、任意に選択され得る。例えば、セメントマトリックスまたはポリママトリックスであってもよい。

部材は、部材の内側領域を部材の外側領域に接続する複数の開口を有している。この場合、被覆材が開口を満たしている。被覆材が部材の構造体を通流し、あらゆる側から包囲するかまたは少なくとも開口内に侵入することにより、熱サイクルに際しても被覆材と部材との間に接触が生じたままになる。この場合、熱は、熱源から放熱用の被覆材を介して部材に送られてもよい。部材は、パワーエレクトロニクスにおいて使用されるような、例えばコイルポット、モジュールフレームまたはパワーバスバーであってもよい。コイルポットに基づく被覆された構成部材が特に良好に製造され得る。コイルポットの機能を損なうことなく、コイルポットに簡単に多数の開口を形成することができるからである。コイルポットは、コイルカップと解されてもよい。この場合、本発明の枠内でコイルポットという用語は、ポット状のコイルを意味する、もしくはコイルカップという用語は、カップ状のコイルを意味する。

熱源は、部材により好適には少なくとも部分的に、特に好適には全体的に包囲されている。さらに熱源は、被覆材により好適には全体的に包囲されている。例えば熱源は、巻成された磁気コアであってもよい。磁気コアは、特にコイルポットの形態の構成部材内に配置されていてもよく、この場合、磁気コアを備えた熱交換用のコイルポットは被覆材で満たされている。

構成部材の１つの実施形態では、部材は金網として形成されている。これにより、部材は自動的に多数の開口を有しており、開口の大きさは、金網の密度により調整され得る。

構成部材の１つの別の実施形態では、開口は、金属薄板に孔として形成されている。この金属薄板は、例えば円筒形のコイルポットの周面を形成してもよい。金属薄板に孔として開口を形成することは、開口を、必要に応じて様々な幾何学形状に形成することができる、という利点を有している。

被覆された構成部材の１つの実施形態では、被覆材はさらに、外側領域にも配置されている。この場合、内側領域の被覆材と外側領域の被覆材とは、開口内の被覆材を介して互いに結合されている。これにより、開口内の被覆材が両側から部材に押し当てられることになり、このことが、空隙や亀裂の形成を防ぐ。被覆された構成部材のこの実施形態は、開口の形状に関係なく、被覆材の相応する配置が行われることのみにより製造され得る。

開口が孔として金属薄板に形成された、被覆された構成部材の１つの別の実施形態では、開口は、外側領域に面した端部に、それぞれ凹部を有している。これにより被覆材は、被覆材が部材の開口内と内側領域にのみ配置され、外側領域には配置されていない場合でも、部材から剥離することがないように、部材内に係止される。

被覆された構成部材を製造する方法では、まず複数の開口を有する熱伝導性の部材を準備する。この部材内に、少なくとも１つの熱源を配置する。次いで、被覆材が開口内に侵入することができるように、構成部材に液状の形態の被覆材を充填する。被覆材が硬化すると、被覆された構成部材が得られる。この場合、硬化は、被覆材の組成に応じて様々な過程において追うことができる。被覆材としてセメント材が使用される場合、セメント材は例えば液力学的な凝固により硬化し得る。これに対して被覆材がポリマ材料である場合、ポリマ材料は例えば熱誘発または光誘発された架橋により硬化し得る。

被覆材が部材の内側領域と開口内のみならず、部材の外側領域にも配置された、被覆された構成部材を製造しようとする場合、このことを実現する方法の１つの実施形態では、部材を型内に配置し、次いで部材の外側領域を被覆材が設定可能な厚さでもって被覆するように、被覆材を型に充填する。部材を越えて被覆材が張り出す前記厚さは、様々なパラメータ、特に被覆材および部材の熱膨張係数、被覆材の強度および弾性ならびに被覆されるべき部材の厚さ等に関連して設定され得る。部材が金網である場合、部材の厚さは例えば線材の太さに相当する。

これに対して、開口が、外側領域に面した端部にそれぞれ凹部を有している、被覆された構成部材を製造する方法を用いようとする場合、この方法の１つの実施形態では、開口を外側領域において、まずカバーにより覆うことが想定されている。このカバーは、特に接着テープであってもよい。次いで液状の被覆材を部材の内側領域に充填し、これにより被覆材は、開口内に流入することはできるが、カバーに基づき開口から流出することはできなくなる。次いで、内側領域および開口内の被覆材が硬化してから、カバーを再び除去することができる。

本発明の実施例を図示すると共に、以下の説明においてより詳しく説明する。
従来技術による被覆材を備えた熱伝導性の部材を示す横断面図である。 本発明による方法の１つの実施例において、本発明による被覆された構成部材を得るために被覆材により被覆され得るコイルポットを示す図である。 本発明による方法の１つの実施例における、被覆された構成部材の製造を示す横断面図である。 本発明による方法の別の実施例における、被覆された構成部材の製造を示す横断面図である。 本発明による被覆された構成部材の１つの実施例を示す等角投影図である。

発明の実施例
図１では、パワーエレクトロニクス用に製造された従来の構成部材１０が、コイルポットの形態の熱伝導性の部材２０を有している。部材２０の内側領域は、被覆材３０で満たされており、被覆材３０は、本実施例では５０体積パーセントの酸化アルミニウム粒子を含む、アルミナセメントを基礎としたセメント材である。熱サイクルにより、被覆材３０と部材２０との間に空隙４０が形成された、ということが認められる。これにより、熱源５０として巻成された磁気コアから被覆材３０を介して部材２０に確実に熱を伝達することは、最早保証されていない。

図２には、本発明の１つの実施例による被覆された構成部材１０の製造に適したコイルポットの形態の熱伝導性の部材２０が示されている。コイルポットは、一方の端部が開いた円筒の形状を有している。コイルポットの周面は銅板により形成され、銅板には複数の開口２１が、実質的に円筒状の孔の形態で形成されている。

図３には、本発明による方法の実施例において、前記コイルポットから本発明の第１の実施例による被覆された構成部材１０が製造可能な方法が示されている。コイルポット内に熱源５０（図３には図示せず）を固定してから、コイルポットをシリコーン製の型６０内に、コイルポットの周面がどこにおいても型６０の内壁から等距離ｄを有しているように配置する。スペーサ（図示せず）により、コイルポットの底部の、型６０の底部からの距離も、距離ｄに相当するということが保証される。次いで、図１に示したセメント材に相当する液状のセメント材をコイルポットに充填する。セメント材は、コイルポットの内室から開口２１を通って流出しひいてはコイルポットと型６０との間の外側領域全体をも満たす。セメント材の硬化後に、セメント材は被覆材３０を形成し、被覆材３０は、部材２０の内側領域を満たすと共に熱源５０をコイルポットに熱的に結合する。被覆材３０は、開口２１を介してコイルポットの内側の被覆材３０に結合された厚さｄの外層でもってコイルポットを包囲する。これにより、被覆材３０は内側と外側とにおいてコイルポットに係止され、その結果、熱サイクルにおける剥離または亀裂形成が排除されている。

図４には、本発明による方法の第２の実施例における、本発明の第２の実施例による被覆された構成部材１０の製造が示されている。このためには、その開口２１が図２に示したコイルポットの開口２１とは異なるコイルポットの形態の、熱伝導性の部材２０を用いる。第１の実施例における開口２１が実質的に円筒状の孔であるのに対し、第２の実施例における開口は、部材２０の内側領域に面した端部に同様に円筒状の部分を有しているが、ただしこの円筒状の部分は、外側領域に面した端部において凹部２２に移行している。つまり、各開口２１の横断面は、凹部２２の領域において、内側から外側に向かって拡径している。全ての開口２１は、接着テープの形態のカバー７０により外側から閉じられている。第１の実施例と同様に、液状のセメント材を部材２０の内室に充填する。セメント材は同様に開口２１内へ流入するが、ただしカバー７０に基づき開口２１から流出することはない。セメント材の液力学的な凝固ひいては硬化後に、セメント材は部材２０の内側領域と開口２１内とに被覆材３０を形成する。ここでカバー７０を除去してもよい。この実施例でも、熱サイクルによる空隙や亀裂の形成が排除されている。開口２１内の被覆材３０は、凹部２２の領域でそれぞれ部材２０に係止されているからである。

図５には、本発明による被覆された構成部材１０の第３の実施例が示されている。この実施例では、部材２０は金網の形態のコイルポットとして形成されており、金網は、本実施例では銅線から成っている。この場合、金網の網目が、部材２０における開口２１を形成している。熱源５０としてのコイルコアが部材２０内に配置されており、コイルコアの内側と外側とを包囲するように被覆材３０が流し込まれており、被覆材３０は、開口２１を通って延在している。この実施例の被覆された構成部材１０の製造は、第１の実施例の型内での製造法と同様に行うことができる。

Claims (10)

1. 熱伝導性の部材（２０）と、該部材（２０）の内側領域を満たす熱伝導性の被覆材（３０）とを有する、被覆された構成部材（１０）であって、
   前記部材（２０）は、該部材（２０）の前記内側領域を外側領域に接続する複数の開口（２１）を有しており、該開口（２１）を前記被覆材(３０)が満たしていることを特徴とする、被覆された構成部材（１０）。
2. 前記部材（２０）はコイルポットである、請求項１記載の被覆された構成部材（１０）。
3. 前記開口（２１）は、金属薄板に孔として形成されている、請求項１または２記載の被覆された構成部材（１０）。
4. 前記部材（２０）は、金網として形成されている、請求項１または２記載の被覆された構成部材（１０）。
5. 前記被覆材（３０）はさらに、前記外側領域にも配置されている、請求項１から４までのいずれか１項記載の被覆された構成部材（１０）。
6. 前記開口（２１）は、前記外側領域に面した端部に、それぞれ凹部（２２）を有している、請求項１から３までのいずれか１項記載の被覆された構成部材（１０）。
7. 前記被覆材（３０）により全体的に包囲された熱源（５０）を有している、請求項１から６までのいずれか１項記載の被覆された構成部材（１０）。
8. 請求項７記載の被覆された構成部材（１０）を製造する方法であって、複数の開口（２１）を有する熱伝導性の部材（２０）の内側領域に少なくとも１つの熱源（５０）を配置し、次いで前記開口（２１）に被覆材（３０）が侵入するように、該被覆材（３０）を前記部材（２０）に充填する、方法。
9. 前記部材（２０）を型（６０）内に配置し、次いで前記部材（２０）の外側領域を前記被覆材（３０）が設定可能な厚さ（ｄ）でもって被覆するように、前記被覆材（３０）を前記型（６０）に充填する、請求項８記載の方法。
10. 前記開口（２１）を外側領域においてカバー（７０）により覆い、前記内側領域および前記開口（２１）内の前記被覆材（３０）が硬化してから、前記カバー（７０）を再び除去する、請求項８記載の方法。

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