EuroPäis amt II II II II II II II II IM II II III European Patent Office Office europeen des brevets (11) EP A1

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1 (19) (12) EuroPäis amt II II II II II II II II IM II II III European Patent Office Office europeen des brevets (11) EP A1 EUROPÄISCHE PATENTANMELDUNG (43) Veröffentlichungstag: igstag: (51) Int. Cl.6: F28F 13/00, H05K 7/ Patentblatt 1997/31 (21) Anmeldenummer: (22) Anmeldetag: (84) Benannte Vertragsstaaten: (72) Erfinder: BE FR NL Hauser, Armin, Dipl.-lng. (30) Prioritat: DE Uhldingen (DE). Kappeler, Ernst, Dipl.-lng. (71) Anmelder: DORNIER GmbH Langenargen (DE) D Friedrichshafen (DE) (74) Vertreter: Landsmann, Ralf, Dipl.-lng. Dornier GmbH LHG Friedrichshafen (DE) (54) Wärmeleitfähige Bauelemente (57) Wärmeleitfähgie Bauteile zur Verwendung im Temperaturbereich von ca. 100 K bis 400 K. < CT r»- o Q_ LU Printed by Rank Xerox (UK) Business Services /3.4

2 Beschreibung 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 metalli- 5 sehen Werkstoffen mit guter Wärmeleitfähigkeit wie Kupfer und Aluminium. Wärmeleitende Bauelemente aus gebündelten Kohlefasern oder Pechfasern sind aus der US 5,1 11,359 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 10 einer Wärmesenke zu schaffen. Diese Aufgabe wird erf indungsgemäss durch den Gegenstand der Patentansprüche 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: 15 Werkstoff Warmeleitfahig- Dichte keit Kupfer 390 W/m K 8.9 g/cm3 Aluminium 210 W/m K 2.7 g/cm3 Kohlefaser 1000 W/m K 2.2 g/cm3 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 30 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. näher erläutert. Es zeigen: 35 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 40 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 ver- 45 dichtet. Der Stempel 14, 16 kann dann mit der Aufnahmeform mechanisch verbunden, z.b. verschweißt werden. Die so entstandene 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 %. so Mit dem Gegenstand der Erfindung können thermische Komponenten mit sehr hoher Wärmeleitfähigkeit bei geringem Gewicht herstellt werden und mit anderen Bauteilen auf einfache Weise verbunden werden. Wegen des geringen Faserdurchmessers (ca um) 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: 55 Wärmeleitfähigkeit Watt pro Meter und Kelvin Thermal conduetivity Watt per meter and Kelvin um micro meter 10"6m Packungsdichte: Faseranteil pro Querschnitt 2

3 Kohlefasern: carbon f ibre 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 Warmeleitfahigkeit. Patentansprüche 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. 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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6 Europäisches EUROpXlsCHER RECHERCHENBERICHT Patentamt EP Kategorie EINSCHLAGIGE DOKUMENTE Kennzeichnung des Dokuments mit Angabe, soweit erforderlich, der maßgeblichen Teile US A (MARTORANA) * Spalte 5, Zeile 20 - Zeile 48; Abbildungen 4,5 * Betrifft Anspruch KLASSIFIKATION DER ANMELDUNG (Int.CI.6) 1,2 F28F13/0O HO5K7/20 A A A,D DE A (SIEMENS AG) 7. März 1985 US A (M0NTESAN0 MARK J) 5. Mai 1992 * Anspruch 1 * US A (V00RHES ET AL.) * Spalte 5, Zeile 15 - Zeile 23 * RECHERCHIERTE SACHGEBIETE (Int.CI.6) F28F H05K Oer vorliegende Recherchenbericht wurde für alle Patentansprüche erstellt Recherche «ort AbtchlaUatun der Recherche DEN HAAG 24. April 1997 Toussaint, F KATEGORIE DER GENANNTEN DOKUMENTE X: von besonderer Bedeutung allein betrachtet Y: von besonderer Bedeutung in Verbindung mit einer anderen Veröffentlichung derselben Kategorie A: technologischer Hintergrund O nichtschriftliche Offenbarung P : Zwischen Ii teratur T der Erfindung zugrunde liegende Theorien oder Grundsätze E : älteres Patentdokument, das jedoch erst am oder nach dem Anmeldedatum veröffentlicht worden ist D in der Anmeldung angeführtes Dokument L : aus andern Gründen angeführtes Dokument &: Mitglied der gleichen Patentfamilie, Übereinstimmendes Dokument 6