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Dokumentenidentifikation DE19602606C1 17.07.1997
Titel Wärmeleitfähige Bauelemente
Anmelder Dornier GmbH, 88090 Immenstaad, DE
Erfinder Hauser, Armin, Dipl.-Ing., 88690 Uhldingen-Mühlhofen, DE;
Käppeler, Ernst, Dipl.-Ing., 88085 Langenargen, DE
Vertreter Landsmann, R., Dipl.-Ing., Pat.-Ass., 88677 Markdorf
DE-Anmeldedatum 25.01.1996
DE-Aktenzeichen 19602606
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 17.07.1997
Veröffentlichungstag im Patentblatt 17.07.1997
IPC-Hauptklasse F28F 21/02
IPC-Nebenklasse H05K 7/20   
Zusammenfassung Wärmeleitfähige Bauteile zur Verwendung im Temperaturbereich von ca. 100 K bis 400 K.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft wärmeleitfähige Bauteile zur Verwendung im Temperaturbereich von ca. 100 K bis 400 K.

Thermisch leitfähige Komponenten für technische und physikalische Geräte bestehen in der Regel aus metallischen Werkstoffen mit guter Wärmeleitfähigkeit wie Kupfer und Aluminium.

Wärmeleitende Bauelemente aus gebündelten Kohlefasern oder Pechfasern sind aus der US 5,111,359 bekannt. Die Wärme wird hier lateral mittels keilförmiger Elemente in die Fasern eingekoppelt und in Nähe der Stirnseite ebenfalls mittels keilförmiger Elemente aus dem Faserbündel ausgekoppelt.

Aufgabe der Erfindung ist es ein hoch wärmeleitfähiges Bauteil für den Wärmetransport von einer Wärmequelle zu einer Wärmesenke zu schaffen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des Patentanspruchs 1 gelöst, wobei die im Unteranspruch offenbarten Bauteile der erfindungsgemäßen Art darüberhinaus flexibel sind und die schwingungsfreie Übertragung von Wärme z. B. zwischen einem Sensor und einem mechanischen Kühler (Stirlingmaschine) ermöglichen.

Den Werkstofftabellen ist folgendes entnehmbar:



Kohlefasern mit hohem E-Modul (Pechfasern) haben in Faserrichtung eine sehr hohe Wärmeleitfähigkeit; etwa 2 bis 3 mal höher als die von Kupfer. Darüberhinaus ist die Dichte von solchen Fasern etwa 4 mal geringer als die von Kupfer.

Durch mechanische Verdichtung matrixfreier Fasern wird erfindungsgemäß der Faseranteil erhöht und damit die Wärmeleitfähigkeit pro Querschnitt im Vergleich zu üblichen Verbundwerkstoffen um mehr als 40% verbessert. Die Wärme wird stirnseitig mit geringem thermischen Widerstand in die Fasern eingeleitet (senkrecht zur Faserrichtung ist die Wärmeleitfähigkeit sehr gering).

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Fig. 1-4 näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 und 2 eine erfindungsgemäße thermische Komponente in Seitenansicht und Draufsicht und

Fig. 3 und 4 eine flexible thermische Komponente in Seitenansicht und Draufsicht.

Beim Gegenstand der Erfindung werden aus Pechfasern oder Kohlefasern 2, 4 ohne Harz (Binder) zwischen den einzelnen Fasern ein Faserbündel 6 oder Faserstränge 8 gebildet. Das Kohlefaserbündel 6 (der Kohlefaserstrang 8) ist kein Verbundwerkstoff, sondern zunächst ein loses Bündel oder ein loser Strang. Zum Beispiel mit Hilfe einer Wickelmaschine werden das Kohlefaserbündel 6 oder die Faserstränge 8 in die Bohrung 9 oder Nut 11 eines Aufnehmers 10, 12 eingebracht. Die geometrische Form der Bohrung oder Nut ist frei wählbar und wird dem Anwendungsfall angepaßt. Anschließend werden das Faserbündel 6 oder der Faserstrang 8 mittels eines Stempels 14, 16 unter Druck verdichtet. Der Stempel 14, 16 kann dann mit der Aufnahmeform mechanisch verbunden, z. B. verschweißt werden. Die so entstandenen Bauteile werden an den senkrecht zu den Fasern verlaufenden Schnittstellen 18, 20 mit Wärmequellen oder Wärmesenken verbunden.

Mit verschiedenen Kohlefasertypen wurden Muster hergestellt. Es konnten Packungsdichten bis 85% erreicht werden. Diese Packungsdichte liegt nahe dem für zylindrische Fasern theoretisch maximal möglichen Wert von 90,7%.

Mit dem Gegenstand der Erfindung können thermische Komponenten mit sehr hoher Wärmeleitfähigkeit bei geringem Gewicht hergestellt werden und mit anderen Bauteilen auf einfache Weise verbunden werden. Wegen des geringen Faserdurchmessers (ca. 5-10 µm) sind auch flexible, thermisch gut leitende Komponenten möglich (Fig. 3 und 4). Hochverdichtete Pechfasern können z. B. auch in der Neutronenphysik eingesetzt werden.

Abkürzungen, Maßeinheiten und Erläuterungen:

Wärmeleitfähigkeit Watt pro Meter und Kelvin

Thermal conductivity Watt per meter and Kelvin

µm. . . .micro meter. . . . . . .10-6m

Packungsdichte: Faseranteil pro Querschnitt

Kohlefasern:

carbon fibre aus 90%-100% Kohlenstoff bestehende Fasern, die z. B. aus Cellulose, Polyacrylnitridpolymeren (PAN) oder aus Pechen und Kohleextrakten hergestellt werden.

Pechfasern:

pitch fibre,

pitch based fibre,

pitch based carbon

fibre

Aus Pechen oder Kohleextrakten hergestellte Kohlefasern. Pechfasern haben in Faserrichtung eine sehr hohe Wärmeleitfähigkeit.


Anspruch[de]
  1. 1. Wärmeleitfähiges Bauelement aus matrixfreien gebündelten, im wesentlichen parallel zueinander verlaufenden Kohlefasern oder Pechfasern, dadurch gekennzeichnet, daß die Schnittstellen (18, 20) zur Einkopplung und Auskopplung der Wärme senkrecht zu den Fasern (2, 4) verlaufen und im Bereich der Schnittstellen jeweils ein metallischer Aufnehmer (10, 12) vorhanden ist, in dem die Fasern (2, 4) in Bohrungen (9) oder Nuten (11) des Aufnehmers (10) mittels eines Stempels (14, 16) verdichtet werden, wobei nach dem Verdichten der Stempel mit dem Aufnehmer (10) mechanisch verbindbar ist.
  2. 2. Wärmeleitfähiges Bauelement nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch mehrere Stränge (8) parallel verlaufender Faserbündel, die in Bohrungen (9) oder Nuten (11) des Aufnehmers (12) jeweils mittels eines Stempels (16) verdichtet werden, wobei der Stempel (16) nach dem Verdichten mit dem Aufnehmer mechanisch verbindbar ist.






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