JP5964832B2 - Ｅｍｆ遮蔽されたプラスチック−有機シートハイブリッド構造部材 - Google Patents

Description

本発明は、ＥＭＦ遮蔽されたプラスチック−有機シートハイブリッド構造部材、好ましくはバッテリ筐体に関し、そして自動車において、好ましくは電気駆動自動車またはハイブリッド自動車においてのその使用に関する。この関連において、ＥＭＦは電磁場を意味する。

低周波電磁場（０Ｈｚより大きく１００ｋＨｚまで）は主に、工業用途によって引き起こされる。電流が流れる各々の導電体は磁場および電場によって囲まれている。日常的に重要であるのは主に、電源（５０Ｈｚ）および鉄道（１６ ２／３Ｈｚ）などの電化された交通システムによって発生される電磁場である。それらの物理的特性のために、電磁場は、低周波範囲において減結合された形態で存在している。

我々の日常生活において高周波電磁場（＞１００ｋＨｚ〜３００ＧＨｚ）（ＨＦ−ＥＭＦ）は主に、放送、テレビ、移動無線およびその他の通信技術において無線情報伝達のために使用される用途において生じる。他の重要な用途分野は、医療および多数の工業プロセスである。ＨＦ−ＥＭＦにおいて、電磁気部材は、波長によって決まる供給源からの距離において、互いに非常に近接して結合されている。したがって、非常に短い波長の場合、例えば、それらが人体に当たるときに生じる効果および作用を、２つの部材のうちの１つだけの作用を原因とすることはほとんどできない。

特に自動車分野で、近年および将来において必要とされるバッテリの出力が大きくなればなるほど、これらのバッテリが、それらの電磁場のために、車、特に自動車の搭載電子機器に影響を及ぼすことがあり、または情報の無線伝達に影響を及ぼすことがあり、かつそれら搭載電子機器または情報伝達電子機器を著しく破損させることがある。医療器具または電気通信もしくはナビゲーション装置などの他の用途分野も影響を受ける場合がある。

特許文献１には、金属繊維を添加した結果として高い導電率を有する、熱可塑性材料、すなわちポリプロピレンから構成された、例えば自動車のバッテリ用の筐体部品として使用する、電磁場（ＥＭＦ）を遮蔽するための射出成形構造部材が開示されている。

特許文献２には、金属繊維Ａと、Ａよりも融点が低く、鉛がその中に全く存在しない繊維状または円筒状の金属Ｂと、熱可塑性樹脂Ｃとから製造された被覆樹脂組成物から構成された射出成形物品が記載されている。

特開２００４−０８２１４１号公報 特開２００５−２６４０９７号公報

本発明の目的は、外からのＥＭＦに対して電気的部材を遮蔽することができると共に、機械的性質に関して一切の損失を被ることなく、この部材によって放射されたＥＭＦを減衰することができる、ＥＭＦ遮蔽された構造部材のコンセプトを詳細に論じることであった。

しかしながら、各々の構造部材は、現在の自動車構造体において要求される重量制限を同時に考慮に入れなければならないので、自動車での可能な限り軽い構造体が要求される。

本発明の目的、したがって主題の解決策は、ＡＳＴＭ Ｄ−４９３５−８９に従って１００ＭＨｚ〜１ＧＨｚの範囲の周波数で、＞５０ｄｂの遮蔽および減衰を確実にするＥＭＦ遮蔽されたハイブリッド構造部材、好ましくはバッテリ筐体であり、これが、
ａ）繊維充填材から製造された複数の層において織布またはレイドファブリックから順々に形成される有機シート部材であって、さらに、炭素繊維または金属繊維もまた混入され、この織布またはレイドファブリックが熱可塑性樹脂に埋め込まれる、有機シート部材からなり、
ｂ）さらに、高い導電率を有するさらなるプラスチック部材、好ましくは熱可塑性樹脂からなり、高い導電率は、さらなるプラスチック部材がＩＳＯ３９１５によって１０^３Ωｃｍまでの体積抵抗およびＩＥＣ６００９３によって１０^３Ωまでの表面抵抗を有することを意味する。

本発明によって使用される有機シート構造を示す。 上部部品（Ｂ）にねじで固定された、固定要素および（例えば電気および冷却のための）様々な接続部を設けられた下部部品（Ａ）を含む、ハイブリッド構造部材としてのバッテリ筐体を例として示す。 筐体上部部品（Ａ）と、２つの材料部材（Ｂ）および（Ｃ）を有する筐体下部部品と、シール（Ｅ）とを含む、本発明によるハイブリッド構造部材の断面の例を示す。 図２のバッテリ筐体を正面図において示す。 図４の断面Ａ−Ａが示され、（Ｂ）は電気導電性プラスチックからなり、（Ａ）は有機シートからなる。 図２のバッテリ筐体を側面図において示す。 図６の断面Ｂ−Ｂを示し、（Ｂ）は電気導電性プラスチックからなり、Ａ）は有機シートからなる。

本発明によれば、有機シート部材は、少なくとも１つ、好ましくは１つの有機シートからなる。

有機シートおよび自動車構造体におけるそれらの使用は従来技術である。

有機シートは、繊維強化熱可塑性樹脂から製造された、最初はプレート状の半製品を意味すると理解される。例えば、本発明によって使用される有機シートおよびそれらの製造方法は、独国特許出願公開第１０２００６０１３６８４号明細書または独国特許出願公開第１０２００４０６０００９号明細書に記載されている。繊維基材と、分離された点から実質的になるバインダーとから製造されたプリプレグ、すなわち有機シートの別の表現、が独国実用新案第２０２００４００８１２２号明細書に記載されている。

自動車構造体における中空の半組立品の形態で、このような有機シートを使用することが独国特許出願公開第１０２００６０３２８６７号明細書の主題である。

自動車分野における計器盤支持体として、有機シートを使用することが、独国特許出願公開第１０２３０４１０号明細書に記載されている。さらに、ボディシェル構造体における成形構造部材として、それらを使用することが、独国実用新案第２０２００６０１９３４１号明細書に記載されている。

独国特許出願公開第１０２００７０４７０１２号明細書には、独国特許出願公開第１０２００８０４８３３４号明細書および独国特許出願公開第１０２００８０６３６５１号明細書と同様、成形ボディの製造のために有機シートを使用することが記載されている。

車両運転台およびクロスメンバーの前壁として、このような有機シートを使用することが、独国特許出願公開第１０２００８０２１１０３号明細書の主題である。

本発明によって使用されるプレート状半製品／有機シートは熱可塑性母材から構成され、それは織布、レイドファブリックまたは一方向織布によって強化される。

好ましい織布は一方向織布である。織布は好ましくは、ガラス繊維、アラミドまたはこれらの構成成分の混合物からなる。本発明によって、ガラス繊維が特に好ましい。

本発明によって特に好ましいのは、熱可塑性樹脂の母材で囲まれているガラス繊維から製造された繊維織布または繊維フェルトである。ＥＭＦ遮蔽のために、有機シート部材において炭素または金属繊維がさらに使用される。有機シート部材中の炭素繊維または金属繊維の含有量は、全繊維含有量に基づいて０．１体積％〜３０体積％、好ましくは１０体積％〜３０体積％であり、全繊維含有量は、有機シートの１００体積％に基づいて３０体積％〜６０体積％の範囲にある。使用された金属繊維は好ましくは鋼繊維である。

バッテリ技術のために必要とされる電磁遮蔽作用を達成するために、炭素または金属繊維が有機シート部材に導入される。所望のＥＭ遮蔽特性を達成するために確実に必要である比率で、炭素または金属繊維が添加される。高純度ガラス繊維に基づいた従来の有機シートで、このような作用を達成することはできない。

半製品／有機シートはこの熱可塑性樹脂を十分に浸透させることで固められ、すなわち繊維はすでに可塑物で十分に湿潤されており、材料中に空気はなく、半製品は、短いサイクル時間での加熱と後続の加圧とによって三次元部材に造形されるにすぎない。造形の間、材料は一切の化学的変換を受けない。

繊維網目構造は、互いに任意の所望の角度において、１つの方向にだけまたは２つの方向に配向されてもよく、好ましくは互いに直角に配向される。

１つの好ましい実施形態において、繊維織布はプラスチック母材に埋め込まれ、その結果、それは高い配向レベルおよび高い繊維比率で（非常に）配向（伸長）される。

このような方法で製造され、かつ本発明によって使用される有機シートは、好ましくは０．３〜６ｍｍ、特に好ましくは０．５〜３ｍｍの厚さを有する。

熱可塑性樹脂が有機シートの製造のための機能性材料として適しており、ポリアミド、特に芳香族ポリアミド、例えばポリフタルアミド、ポリスルホン ＰＳＵ、ポリフェニレンスルフィド ＰＰＳ、ポリフタルアミド（ＰＰＡ）、ポリ（アリーレンエーテルスルホン）、例えばＰＥＳ、ＰＰＳＵまたはＰＥＩ、ポリエステル、好ましくはポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）またはポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリエチレン（ＰＥ）またはポリイミド樹脂（ＰＩ）が好ましい。さらなる変形形態が、独国特許出願公開第１０２００６０１３６８４号明細書に見出される。

同様に、熱可塑性樹脂は、プラスチック部材ｂ）において使用されるプラスチックのために好ましくは使用される。また、特に好ましくは、有機シート部材において上に挙げられた熱可塑性樹脂が使用される。特に非常に好ましい実施形態において、有機シート部材とプラスチック部材ｂ）との両方が同じ熱可塑性材料から製造される。

有機シート部材のこの繊維強化プラスチック母材は、本発明によって必要とされる機械的性質を実質的に実現する。固定、封止、液体媒体に対する保護等のさらなる機能は、とりわけ、さらなる部材ｂ）によって形成された幾何学的な複雑さによる。本発明によって、これは電気導電性熱可塑性樹脂から構成され、それはキャスティング、好ましくは射出成形によって形成され、有機シート部材に接続される。プロセスにおいて、上に記載されたように造形された有機シートは、適切に構成されたモールドキャビティを有する型、好ましくは射出成形型に挿入される。次に、プラスチック部材ｂ）を導入し、したがって適切な形状にもたらす。目的は、有機シート部材のプラスチックと部材ｂ）を構成するプラスチックとの間に一体接続部が形成されることである。良くても、このような一体接続部は、特に両方がポリアミド６をベースとしているとき、同じポリマーベースを有するそれらの２つのプラスチックによって達成される。さらに、溶融温度、および圧力などのプロセスパラメータもまた、役割を果たす。

部材ｂ）として使用されるプラスチックの高い導電率の結果として、ＥＭ遮蔽作用は、プロセス工学上の理由のために有機シートによって構成するのが難しいハイブリッド構造部材のそれらの幾何学形状領域においても達成可能であり、したがって、ＥＭ遮壁においての間隙（開口として公知である）を最小にする。このような領域の１つの例は、図３に示されるような筐体の封止外形である。例えば、予め定められた空間全体の結果として、小さな半径と短距離で後続する２つの屈曲部とが必要とされ、したがって、それらは有機シートによって完全には実現可能ではない。さらに、封止を有する複数部分筐体の場合のように、平らな封止面は有機シートの側面表面によって形成され得ない。さらなる実施例は、図２の筐体のプラグ領域（図５）であり、それはこの形態または類似したさらにより複雑な形態において、有機シートによって形成され得ない。最後に図７は、図２の筐体の固定くぎを示し、それは同じく有機シートによって構成するには適していない。したがって、このような幾何学的により複雑なまたは精巧な領域は、高い導電率を有する機能性材料、好ましくは熱可塑性樹脂によって形成される。このような材料を使用することにより、その加工性質の結果として、好ましくは射出成形において、より大きな形成上での自由度が得られる。

本発明によって、部材ｂ）として使用されるプラスチック、好ましくは熱可塑性樹脂の導電率は、炭素、金属繊維またはカーボンナノチューブを添加することによって達成される。そのために使用されるプラスチック部材または熱可塑性成形用化合物の全充填材含有量の１００体積％に基づいて、炭素、金属繊維またはカーボンナノチューブは０．１〜３０体積％の範囲で添加され、全充填材含有量は１００％のプラスチック部材に基づいて０．１〜５０体積％の範囲にある。

本発明の好ましい実施形態において、本発明によるプラスチック−有機シートハイブリッド構造部材は、シェルのような形または円筒または箱のような形を有する。しかしながら、このようなハイブリッド構造部材は好ましくは本発明によってバッテリ筐体として明確に使用され、そして将来、自動車のバッテリは異なった位置に配置される可能性があるので、形態もまた、車の幾何学的形状に個別に適合させることができる。

さらに、好ましくは本発明によってバッテリ筐体として使用されるプラスチック−有機シートハイブリッド構造部材にさらなる機能を導入することができ、それはバッテリ筐体、好ましくは統合冷却水路を有する冷却プレートまたは導熱プレートについて独国特許出願公開第１０２００８０５９９４７号明細書または独国特許出願公開第１０２００８０５９９５５号明細書から公知である。

本発明によるＥＭＦ遮蔽されたプラスチック−有機シートハイブリッド構造部材は、自動車のバッテリ筐体においての使用に特に適している。これらの材料は、以下の性質によって区別される。
−高純度プラスチック溶液、高純度金属変種と比較して、そして各々の場合の同じ重量を有するプラスチック−金属ハイブリッド変種に対してもかなり高めのエネルギー吸収があり、それは衝突の場合において、自動車のバッテリおよびその機能の安定性のためにかなり重要である。

−熱硬化性の長ガラス繊維強化材料と比較して、部材が再加工される必要がない。

−高純度金属シート変種およびプラスチック−金属ハイブリッドと比較して、シート造形用具のための投資が必要でない。

−プラスチック部材を上に溶接することができ、したがって、バッテリ筐体上で、さらなる機能を後者およびバッテリの機能と密接に関連させることができる。

本発明によって、プラスチック−有機シートハイブリッド材料は、十分なＥＭＦ作用を達成することができ、ＥＭ遮壁の開口が最小にされ得るように、第一に、有機シートに炭素または鋼繊維を特に使用することによって、第二に、さらなる部材ｂ）として電気導電性プラスチックを使用することによって設計されてもよい。したがって、材料はまた、自動車のバッテリ筐体の用途に適している。

本発明の意味で十分なＥＭＦ作用は、ＡＳＴＭ Ｄ−４９３５−８９によって１００ＭＨｚ〜１ＧＨｚの範囲の周波数において＞５０ｄｂの遮蔽または減衰を意味する。

また、他のプラスチック系溶液（例えば、電気導電性化合物、亜鉛めっきプラスチック部材、プラスチック−金属ハイブリッドなど）も、確かに（少なくとも理論的に）ＥＭＦ作用を生じさせることができる。しかしながら、比較すれば、本発明によるプラスチック−有機シートハイブリッド変種は、かなりの利点をもたらす。
−（プラスチック−金属ハイブリッド、金属シート、キャストアルミニウムと比較したとき）より低い重量
−（導電性、金属充填プラスチック、プラスチック−金属ハイブリッドと比較したとき）より良い機械的性質、より高いエネルギー吸収
−（亜鉛めっきまたは金属蒸着プラスチックと比較したとき）液体媒体、例えば、バッテリの電解液に対するより良い耐性。

したがって本発明はまた、
ａ）繊維充填材から製造された複数の層において織布またはレイドファブリックから順々に形成される有機シート部材であって、さらに、炭素繊維または金属繊維もまた混入され、この織布またはレイドファブリックが熱可塑性樹脂に埋め込まれる、有機シート部材からなり、
ｂ）さらに、ＩＳＯ３９１５によって１０^３Ωｃｍまでの体積抵抗およびＩＥＣ６００９３によって１０^３Ωまでの表面抵抗によって表わされる高い導電率を有するさらなるプラスチック部材、好ましくは熱可塑性樹脂であって、プラスチック部材の全充填材含有量の１００体積％に基づいて、炭素、金属繊維またはカーボンナノチューブが０．１〜３０体積％の範囲で添加され、全充填材含有量が１００％のプラスチック部材に基づいて０．１〜５０体積％の範囲にある、さらなるプラスチック部材からなる
ハイブリッド構造部材の、電磁場（ＥＭＦ）を遮蔽するための使用に関する。

本発明は好ましくは、車、好ましくは自動車においてＥＭＦ遮蔽ハイブリッド構造部材としての、本発明によるプラスチック−有機シートハイブリッド構造部材の使用に関する。

しかしながら、本出願の意味において好ましいＥＭＦ遮蔽プラスチック−有機シートハイブリッド構造部材は、バッテリ筐体の他にも、電子構成部品、好ましくはヒューズボックス、電気通信分野またはナビゲーション分野、およびその他からのデバイスを収納する他の筐体である。

好ましい実施形態において、有機シート部材において炭素繊維または金属繊維の他に、ガラス繊維もしくはアラミドまたはこれらの構成成分の混合物が非ＥＭＦ遮蔽繊維充填材として使用される。

明確にするために、全ての定義およびより一般的にまたは好ましい範囲において任意の望ましい組み合わせで記載、列挙されたパラメータは、本発明の範囲に含まれるということに留意しなければならない。

図１は、本発明によって使用される有機シート構造を示す。ここで、Ａは断面方向のガラス繊維織布を意味し、Ｂは断面方向に直角のガラス繊維織布を意味し、Ｃは断面方向に直角の金属または炭素繊維織布を意味する。

図２は、上部部品（Ｂ）にねじで固定された、固定要素および（例えば電気および冷却のための）様々な接続部を設けられた下部部品（Ａ）を含む、ハイブリッド構造部材としてのバッテリ筐体を例として示す。２つの部品は、スクリュー／フランジ領域においてシール（例えば丸いエラストマーシール）によって外からの影響に対して封止される。

図３は、筐体上部部品（Ａ）と、２つの材料部材（Ｂ）および（Ｃ）を有する筐体下部部品と、シール（Ｅ）とを含む、本発明によるハイブリッド構造部材の断面の例を示す。屈曲部の領域において、この筐体部品は、一緒に封止面（Ｄ）も形成された電気導電性プラスチック（Ｂ）からなる。この領域外では、下部部品もまた有機シート（Ｃ）からなる。

図４は、図２のバッテリ筐体を正面図において示す。

図５において図４の断面Ａ−Ａが示され、（Ｂ）は電気導電性プラスチックからなり、（Ａ）は有機シートからなる。

図６は、図２のバッテリ筐体を側面図において示す。

図７は図６の断面Ｂ−Ｂを示し、（Ｂ）は電気導電性プラスチックからなり、Ａ）は有機シートからなる。

Claims (11)

1. ＡＳＴＭ Ｄ−４９３５−８９に従って１００ＭＨｚ〜１ＧＨｚの範囲の周波数で、５０ｄｂを超える遮蔽および減衰を確実にするＥＭＦ遮蔽されたハイブリッド構造部材において、
   ａ）ガラス繊維から製造された複数の層の織布またはレイドファブリックから形成された有機シート部材であって、さらに、炭素繊維または金属繊維が混入され、前記織布またはレイドファブリックが熱可塑性樹脂に埋め込まれている、有機シート部材と、
   ｂ）ＩＳＯ３９１５によって１０^３Ωｃｍまでの体積抵抗およびＩＥＣ６００９３によって１０^３Ωまでの表面抵抗によって表わされる高い導電率を有するプラスチック部材であって、前記プラスチック部材の全充填材含有量の１００体積％に基づいて、カーボンナノチューブが０．１〜３０体積％の範囲で添加され、前記全充填材含有量が１００％のプラスチック部材に基づいて０．１〜５０体積％の範囲にある、プラスチック部材とからなり、前記有機シート部材（ａ）の一部と、前記プラスチック部材（ｂ）の一部とがキャスティングにより一体接続部を形成して接続されていることを特徴とするＥＭＦ遮蔽されたハイブリッド構造部材。
2. 前記キャスティングが射出成形で行われていることを特徴とする請求項１に記載のＥＭＦ遮蔽されたハイブリッド構造部材。
3. ＥＭＦ遮蔽されたハイブリッド構造部材がバッテリ筐体であることを特徴とする請求項１に記載のＥＭＦ遮蔽されたハイブリッド構造部材。
4. ｂ）の前記プラスチック部材が熱可塑性樹脂であることを特徴とする請求項１または２に記載のＥＭＦ遮蔽されたハイブリッド構造部材。
5. 前記有機シート部材中のガラス繊維から製造された複数の層の織布またはレイドファブリックの前記ガラス繊維が互いに直角に配向されていることを特徴とする請求項１または２に記載のＥＭＦ遮蔽されたハイブリッド構造部材。
6. 前記有機シート部材が、０．３ｍｍ〜６ｍｍの厚さを有する有機シートからなることを特徴とする請求項１または２に記載のＥＭＦ遮蔽されたハイブリッド構造部材。
7. ＥＭＦ遮蔽されたハイブリッド構造部材がシェル状または円筒状または箱状の形状を有することを特徴とする請求項１または２に記載のＥＭＦ遮蔽されたハイブリッド構造部材。
8. ハイブリッド構造部材を用いて電磁場（ＥＭＦ）を遮蔽する方法であって、前記ハイブリッド構造部材が、
   ａ）ガラス繊維から製造された複数の層において織布またはレイドファブリックから順々に形成される有機シート部材であって、さらに、炭素繊維または金属繊維もまた混入され、この織布またはレイドファブリックが熱可塑性樹脂に埋め込まれる、有機シート部材からなり、
   ｂ）さらに、ＩＳＯ３９１５によって１０^３Ωｃｍまでの体積抵抗およびＩＥＣ６００９３によって１０^３Ωまでの表面抵抗によって表わされる高い導電率を有するプラスチック部材であって、プラスチック部材の全充填材含有量の１００体積％に基づいて、カーボンナノチューブが０．１〜３０体積％の範囲で添加され、全充填材含有量が１００％のプラスチック部材に基づいて０．１〜５０体積％の範囲にある、プラスチック部材とからなり、前記有機シート部材（ａ）の一部と、前記プラスチック部材（ｂ）の一部とがキャスティングにより一体接続部を形成して接続したもので遮蔽する方法。
9. 前記キャスティングが射出成形で行われることを特徴とする請求項８に記載の方法。
10. 前記ＥＭＦ遮蔽が自動車において実施されることを特徴とする請求項８または９に記載の方法。
11. バッテリ筐体または電子部品パーツを収容するための筐体を含むことを特徴とする請求項１０に記載の方法。

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