ТЕПЛОПРОВОДНЫЙ ИЗОЛЯТОР
HEAT CONDUCTING INSULATOR

Изобретение касается теплопроводного изолятора. Также изобретение касается системы охлаждения, имеющей по меньшей мере один такой теплопроводный изолятор.
В электрических проводниках и конструктивных элементах, в частности на силовых полупроводниках, а также в их местах контакта электрическая энергия преобразуется в мощность потерь и вместе с тем в тепло. Это тепло должно отводиться для предотвращения перегрева проводника либо конструктивного элемента или, соответственно, возникновения недопустимо высоких температур.
Если проводники, от которых должно отводиться тепло, такие как, например, токоведущая шина, и имеющийся в распоряжении теплоприемник, такой как, например, радиатор охлаждения, находятся на различном электрическом потенциале и оба обладают электрической проводимостью, то изолятор должен быть достаточно электроизолирующим. Помимо этого, хорошему отводу тепла способствует хорошая термическая проводимость.
Однако при этом едва ли известны материалы, которые в равной мере обладают хорошей теплопроводностью, а также хорошими электроизоляционными свойствами. В этой области составляют исключение керамики, которые, однако, из-за их хрупкости зачастую не могут применяться без ограничений. Более пригодными для этого были бы пластмассы, которые, однако, чаще всего обладают относительно плохой теплопроводностью.
Дополнительно к отводу тепла почти все механические конструктивные элементы должны механически крепиться на несущей структуре и при этом иметь возможность воспринимать силы, не подвергаясь из-за этого опасности повреждения.
Поэтому сегодня обычно электрические конструктивные элементы на различных потенциалах плоско соединяются с помощью относительно плохо проводящих тепло конструктивных элементов.
Если нужна большая степень охлаждения, то часто обращаются к конвективному, жидкостному отводу тепла, например, посредством воздуха или воды.
В основе изобретения лежит задача усовершенствовать изолятор в отношении его способности проводить тепло.
Задача решается с помощью теплопроводного изолятора, имеющего первую деталь, имеющую первые пластинки, которые расположены на по меньшей мере одной поверхности первой детали, и вторую деталь, имеющую вторые пластинки, которые расположены на по меньшей мере одной поверхности второй детали, при этом первые пластинки и вторые пластинки расположены, будучи вставлены друг в друга, при этом между первой деталью и второй деталью по меньшей мере в области пластинок расположен изоляционный слой. Также задача решается с помощью системы охлаждения, имеющей по меньшей мере один такой теплопроводный изолятор, при этом первая деталь соединена с источником тепла, а вторая деталь с теплоприемником.
Предпочтительные варианты осуществления изобретения указаны в зависимых пунктах формулы изобретения.
В основе изобретения лежит тот обнаруженный факт, что теплопроводность может значительно улучшаться за счет того, что изоляционный слой для электрической изоляции распространяется по большой поверхности, и теплопередача распределяется по этой поверхности. Геометрически изолятор предпочтительно выполнен так, что первая деталь и вторая деталь изолятора расположены, скрещиваясь своими пластинками друг в друге. Благодаря этому для теплопередача может использоваться заметно большая поверхность по сравнению с плоским контактированием. Кроме того, при соединениях с геометрическим замыканием или с замыканием посредством материала у изолятора достигаются существенно более высокие механические прочности, чем с помощью меньшей поверхности.
Скрещивание, то есть исполнение в виде гребня первой и второй детали, которые вставляются друг в друга, может осуществляться с помощью прямо ориентированных пластинок. Альтернативно или на некотором участке возможны и другие геометрии, такие как, например, концентрические окружности и пр. Последние дали бы отличающиеся механические нагрузочные способности.
При вставлении пластинок друг в друга на различную глубину из одинаковых основных компонентов могут получаться различные длины изолятора. Это возможно как при заливке, так и при спрессовывании первой и второй детали друг с другом.
Особенно предпочтительным оказалось, когда между первой деталью и второй деталью расположен электрический функциональный конструктивный элемент. Такая интеграция электрического функционального конструктивного элемента между проводящими компонентами возможна, например, для конденсаторов, сопротивлений или датчиков температуры с оптической или беспроводной связью. Тем самым может достигаться особенно компактная конструкция. Одновременно эти функциональные конструктивные элементы повышают теплопроводность межу первой деталью и второй деталью и вместе с этим улучшают способность изолятора проводить тепло при одновременном расширении функции изолятора.
Эта конструкция имеет множество преимуществ. Различные функции, такие как, например, теплопередача, механическая фиксация, виброизоляция, компенсация допусков реализуются одновременно с помощью только одного конструктивного элемента. При этом теплопередача существенно выше, чем при плоском соединении. Также выше механическая прочность. При этом исполнении изолятора возможны тонкие слои обладающего плохой термической проводимостью изолирующего материала в изоляционном слое, и при этом могут подаваться высокие электрические напряжения.
Больше не нужны никакие дополнительные, изолирующие конструктивные элементы для крепления, так как компоненты изолятора уже прочно соединены друг с другом. Сам изолятор может выполняться механически прочным. Тогда при монтаже также нет опасности разрушения, как, например, при промежуточных изолирующих пластинках из керамики. Помимо этого, получается преимущество возможности крепления компонентов посредством теплопроводного изолятора. Это особенно предпочтительно для крепления компонентов системы охлаждения.
В противоположность жидкостному охлаждению, дополнительно обеспечивается функция механической фиксации. Благодаря большой поверхности могут также находить применение более мягкие изолирующие материалы.
В случае применения системы охлаждения для охлаждения токоведущей шины становятся возможными существенно более высокие токи при одинаковом поперечном сечении шины. Это приводит к заметной экономии площади, материала и затрат. Таким образом становятся возможны более высокие плотности мощности, в частности у приборов с водяным охлаждением.
В одном из предпочтительных вариантов осуществления изобретения первая деталь и/или вторая деталь из металла. Металл, такой как, например, медь или алюминий, хорошо зарекомендовал себя для изготовления радиаторов охлаждения, имеющих высокую теплопроводность. Поэтому оказалось предпочтительным, применять для изготовления первой детали и/или второй детали металл. Таким образом, тогда первая деталь и/или вторая деталь состоит каждая из металла. Тогда изолирующее свойство достигается за счет одного только изоляционного слоя.
При этом для проводящих деталей, то есть первой и второй деталей, могут применяться различные материалы, в том числе, для улучшения отношения стоимости и полезности изолятора. Так, для стороны, которая предусмотрена для подключения источника тепла, оказалось особенно предпочтительным применение меди для обеспечения хорошего переноса тепла. Вторая деталь, которая вызывает большую потерю материала, например, при фрезерной обработке, могла бы изготавливаться из алюминия. При этом благодаря разделению изоляционным материалом пресекается образование электрохимического элемента, который может обусловливать коррозию.
Электропроводящие компоненты первой и второй детали при применении электропроводных материалов у первой и второй детали находятся на определенном расстоянии друг от друга для соблюдения необходимого изолирующего промежутка. Минимальное расстояние зависимо от изолируемого напряжения и изолирующего материала изоляционного слоя.
Отдельные компоненты изолятора соединены друг с другом с геометрическим, силовым замыканием или замыканием посредством материала для получения требуемой функции механической фиксации. Соединение может создаваться, например, за счет отверждения некоторого компонента, такого как, например, изолирующий материал, дополнительный припой или дополнительный клей, или спрессовывания узла.
В другом предпочтительном варианте осуществления изобретения первые пластинки и/или вторые пластинки включают в себя в каждом случае дополнительные пластинки. Преимущество этих дополнительных пластинок заключается в том, чтобы дополнительно увеличивать поверхность для теплопередачи между первой деталью и второй деталью. Благодаря снабжению пластинок дополнительными пластинками возникает так называемый елочный профиль, имеющий отчасти заметно увеличенную поверхность. Это улучшает термические свойства без ухудшения электрических свойств.
Чтобы наряду с предпочтительным увеличением поверхности также увеличивать адгезию, в качестве соединений между компонентами могут также вводиться вставки, такие как штифты и пр.
Для дальнейшего повышения адгезии отдельных компонентов друг с другом или простого увеличения поверхности поверхность компонентов может структурироваться, напр., путем травления, пескоструйной обработки, чистки щетками, тиснения или вспенивания. Тогда поверхность первых пластинок и/или поверхность вторых пластинок по меньшей мере в отдельных областях имеет структурирование.
Наряду со структурированием поверхностей между первой деталью и второй деталью изолятора могут также структурироваться направленные к источнику тепла или, соответственно, теплоприемнику поверхности изолятора для дальнейшего улучшения теплопередачи между источником тепла или, соответственно, теплоприемником и изолятором. Для этого на этой поверхности могут предусматриваться трапецеидальные, треугольные или закругленные пластинки. Тогда источник тепла или, соответственно, теплоприемник имеют соответственно ответные к ним поверхности. Благодаря этому контактная поверхность между источником тепла или, соответственно, теплоприемником и изолятором становится больше, чем в случае ровного, т.е. плоского, соединения. Благодаря этому может передаваться как больше тепла, так и более высокая механическая сила.
Пространство между электропроводными деталями заполнено изоляционным слоем. Для этого может, например, применяться пластиковая вставка (фасонная деталь) или пластиковая заливка. Особенно предпочтительным оказалось, когда пластиковая заливка обладает термической проводимостью. При этом возможно также литье под давлением. Возможна также керамическая вставка, которая запрессовывается, клеится или паяется, а также стекло или фарфор. При этом изолирующему материалу, как правило, по сравнению с воздушным зазором нужна заметно меньшая толщина для достаточного изолирования электрических потенциалов друг от друга.
Оказалось особенно предпочтительным, когда концы пластинок частично оттянуты назад. Благодаря этому они могут закрываться изолирующим материалом изоляционного слоя, при этом небольшое расстояние на концах не становится критическим воздушным промежутком.
Оттягивание назад сокращает поверхность, которая может использоваться для теплопередачи, поэтому оно должно быть небольшим. Внутренние пластинки полностью закрываются, поэтому они должны только немного оттягиваться назад. Наружные пластинки располагаются с большим оттягиванием назад, так как здесь за счет изолирующего материала соблюдается весь воздушный зазор или, соответственно, путь тока утечки.
При другом предпочтительном варианте осуществления изобретения изоляционный слой состоит из гибкого материала. Благодаря этому надежно предотвращаются механические напряжения в конструкции между закрепленным на одной стороне изолятора источником тепла и закрепленным на другой стороне изолятора теплоприемником. Изоляционный слой может при этом компенсировать различные расширения вследствие различной температуры и так устранять напряжения в изоляторе.
Помимо этого, при применении мягких изолирующих материалов для изоляционного слоя наряду с компенсацией мелких механических смещений возможна виброизоляция. Если применяется заливка, то электропроводящие компоненты могут заливаться, фиксируясь друг относительно друга. При этом могут соблюдаться целевые размеры изолятора, даже когда отдельные компоненты имеют более высокие допуски.
В другом предпочтительном варианте осуществления изобретения теплопроводный изолятор включает в себя тепловой буфер. В отдельные компоненты изолятора в качестве теплового буфера могут вводиться материалы, изменяющие агрегатное состояние, известные также как PCM (Phase Change Material). Например, введенный на стороне источника тепла PCM поглощал бы кратковременно вводимое «тепло удара». Тогда поглощенное тепло могло бы на протяжении большего периода времени передаваться через изолятор, хуже проводящий тепло. Помимо этого, возможна также интеграция PCM в изолирующий материал. Тем самым может надежно устраняться перегрев, даже если он возникает только локально.
В другом предпочтительном варианте осуществления изобретения теплоприемник выполнен в виде радиатора охлаждения, в частности в виде радиатора охлаждения с тепловыми трубками. При этом можно, в частности при применении тепловой трубки или тепловых диффузоров, обеспечить возможность эффективного переноса тепла даже на большие расстояния.
Далее изобретение описывается и поясняется подробнее с помощью изображенных на фигурах примеров осуществления. Показано:
фиг.1-фиг.3: примеры осуществления теплопроводного изолятора.
На фиг.1 показан двухмерный вид системы 2 охлаждения. Система 2 охлаждения включает в себя теплопроводный изолятор 1, источник тепла 41 и теплоприемник 42. Источник 41 тепла и теплоприемник электроизолированы друг от друга посредством теплопроводного изолятора 1, так как они при эксплуатации часто имеют различные электрические потенциалы. Это происходит, например, тогда, когда токоведущая шина закреплена на радиаторе охлаждения посредством теплопроводного изолятора 1.
Для изолирующего свойства между первыми пластинками 11 первой детали 10 теплопроводного изолятора 1 и вторыми пластинками 21 второй детали 20 теплопроводного изолятора 1 расположен изоляционный слой 30, который не обладает или обладает только очень низкой электрической проводимостью. Первые пластинки 11 и вторые пластинки 21 сформированы так, что они вставляются друг в друга, и между ними может помещаться достаточный для электрической изоляции изоляционный слой 30. За счет пластинок 11, 21 увеличивается поверхность между первой деталью и второй деталью. Это влияет на теплопроводность от первой детали ко второй детали в том отношении, что она заметно улучшается. В частности, улучшение имеет место тогда, когда материал изоляционного слоя 30 имеет плохую теплопроводность, как это часто происходит у материалов, которые имеют электроизолирующее действие.
На фиг.2 показано трехмерное изображение системы 2 охлаждения. Изображение источника тепла было опущено. Во избежание повторов ссылаемся на описание к фиг.1 и введенные там ссылочные обозначения. При этом варианте осуществления концы изображенных пластин частично оттянуты назад. При этом они могут именно в краевой области лучше закрываться изолирующим материалом, например, материалом изолирующего слоя 30. Соответствующий пример показан на фиг.3. При этом надежно предотвращается образование критических воздушных промежутков. Так как это оттягивание назад не способствует увеличению эффективной поверхности для теплопередачи, должно выбираться небольшое оттягивание назад (<10%).
Итак, изобретение касается теплопроводного изолятора. Для улучшения его способности проводить тепло предлагается оснастить теплопроводный изолятор первой деталью, имеющей первые пластинки, которые расположены на по меньшей мере одной поверхности первой детали, и второй деталью, имеющей вторые пластинки, которые расположены на по меньшей мере одной поверхности второй детали. При этом первые пластинки и вторые пластинки расположены, будучи вставлены друг в друга, при этом между первой деталью и второй деталью по меньшей мере в области пластинок расположен изоляционный слой. Изобретение касается также системы охлаждения, имеющей по меньшей мере один такой теплопроводный изолятор, при этом первая деталь соединена с источником тепла, а вторая деталь с теплоприемником.