DE112020000384T5 - Wärmeableitungselement - Google Patents

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inorganic porous
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less
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Megumi FUJISAKI
Takahiro Tomita
Yusuke Oshita
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NGK Insulators Ltd
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Abstract

Ein Wärmeableitungselement leitet Wärme ab, die an einer Wärmequelle erzeugt wird. Das Wärmeableitungselement kann ein Substrat mit einem Porositätsanteil von 5 Vol.-% oder weniger umfassen; und eine anorganische poröse Schicht, die auf einer Fläche des Substrats angeordnet ist, wobei die anorganische poröse Schicht einen Porositätsanteil von 25 Vol.-% oder mehr bis 85 Vol.-% oder weniger sowie eine niedrigere Wärmeleitfähigkeit als das Substrat haben kann. In diesem Wärmeableitungselement kann Aluminiumoxid 15 Masse-% oder mehr der Bestandteile der anorganischen porösen Schicht ausmachen.

Description

  • Technisches Gebiet
  • Die vorliegende Offenbarung betrifft eine Technik im Zusammenhang mit einem Wärmeableitungselement.
  • Stand der Technik
  • Die japanische Patentanmeldungsveröffentlichung Nr. 2016-28880 (die Patentdokument 1 genannt wird) beschreibt ein Wärmeableitungselement, bei dem eine wärmeisolierende Schicht auf einer Fläche einer Wärmeableitungsschicht (Substrat) angeordnet ist. In dem Wärmeableitungselement aus Patentdokument 1 ist insbesondere eine wärmeisolierende Schicht, die ein mit Siliciumdioxidaerosol imprägnierter Vliesstoff ist, mit einer Fläche einer Graphitschicht (Substrat) unter Verwendung einer Klebstoffschicht (Harz) verbunden. Ein Wärmeableitungselement mit einer solchen Struktur kann an einer Wärmequelle erzeugte Wärme ableiten und die Übertragung der an der Wärmequelle erzeugten Wärme an einen Raum um das Wärmeableitungselement herum reduzieren. Das bedeutet, dass das Wärmeableitungselement aus Patentdokument 1 an einer Wärmequelle erzeugte Wärme ableiten kann, ohne die Temperatur in einer Umgebung um die Wärmequelle herum zu erhöhen.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Technisches Problem
  • Das Wärmeableitungselement aus Patentdokument 1 wird in einem elektronischen Gerät, wie beispielsweise einem Smartphone oder dergleichen, verwendet. Eine Wärmequelle (elektronische Komponente) in dem elektronischen Gerät kann höchstens etwa 100 °C erreichen. Das Wärmeableitungselement aus Patentdokument 1 leitet die Wärme der Wärmequelle, die etwa 100 °C erreichen kann, ausreichend ab, wobei es jedoch schwierig ist, das Wärmeableitungselement für eine Wärmequelle zu verwenden, die eine höhere Temperatur erreichen kann. Würde das Wärmeableitungselement aus Patentdokument 1 beispielsweise für eine Wärmequelle verwendet werden, die 500 °C oder mehr erreicht, würde dies das Wärmeableitungselement selbst verschlechtern (Verschlechterung der Graphitschicht selbst, Ablösung der Graphitschicht von der wärmeisolierenden Schicht usw.) und es könnte seine Funktionen nicht ausreichend erfüllen. Das bedeutet, dass das Wärmeableitungselement aus Patentdokument 1 in seiner Verwendung eingeschränkt und nicht so vielseitig einsetzbar ist. Die vorliegende Offenbarung stellt ein äußert vielseitig einsetzbares Wärmeableitungselement bereit.
  • Lösung des technischen Problems
  • Ein hierin offenbartes Wärmeableitungselement ist so konfiguriert, dass es an einer Wärmequelle erzeugte Wärme ableitet. Dieses Wärmeableitungselement kann ein Substrat umfassen, das einen Porositätsanteil von 5 Vol.-% oder weniger hat, und eine anorganische poröse Schicht, die auf einer Fläche des Substrats angeordnet ist. Die anorganische poröse Schicht kann einen Porositätsanteil von 25 Vol.-% oder mehr bis 85 Vol.-% oder weniger und eine niedrigere Wärmeleitfähigkeit haben als das Substrat. Die anorganische poröse Schicht kann Keramikfasern umfassen und Aluminiumoxid kann 15 Masse-% oder mehr der Bestandteile der anorganischen porösen Schicht ausmachen.
  • Figurenliste
    • 1 zeigt eine Konfiguration eines Wärmeableitungselements in einer perspektivischen Ansicht;
    • 2 zeigt eine Querschnittsansicht des Wärmeableitungselements in einem Verwendungsbeispiel;
    • 3 zeigt eine Variante des Wärmeableitungselements in einer perspektivischen Ansicht;
    • 4 zeigt eine Variante des Wärmeableitungselements in einer perspektivischen Ansicht;
    • 5 zeigt eine Variante des Wärmeableitungselements in einer perspektivischen Ansicht;
    • 6 zeigt eine Variante des Wärmeableitungselements in einer perspektivischen Ansicht;
    • 7 zeigt eine Variante des Wärmeableitungselements in einer perspektivischen Ansicht;
    • 8 zeigt Mengen von Rohmaterialien, die in einem Experiment verwendet werden; und
    • 9 zeigt Ergebnisse eines experimentellen Beispiels.
  • Beschreibung von Ausführungsformen
  • Ein hierin offenbartes Wärmeableitungselement kann z. B. zur Ableitung von Wärme, die an einer Wärmequelle erzeugt wird, zu einer von der Wärmequelle entfernten Position verwendet werden. Das Wärmeableitungselement beinhaltet ein Substrat und eine anorganische poröse Schicht, die auf einer Fläche des Substrats angeordnet ist und eine niedrigere Wärmeleitfähigkeit als das Substrat aufweist. Das Substrat fungiert als Kühlplatte, die dazu eingerichtet ist, die an der Wärmequelle erzeugte Wärme abzuleiten, oder als ein Wärmeübertragungselement, das dazu eingerichtet ist, die an der Wärmequelle erzeugte Wärme an eine von der Wärmequelle entfernte Kühlplatte zu übertragen. Die anorganische poröse Schicht fungiert als Wärmeisolator, der dazu eingerichtet ist, die Wärmequelle von einem Raum um die Wärmequelle herum thermisch zu isolieren. Das hierin offenbarte Wärmeableitungselement umfasst die anorganische poröse Schicht auf der Fläche des Substrats und kann daher entsprechend für eine Wärmequelle verwendet werden, die eine hohe Temperatur von 1000 °C oder mehr erreicht.
  • Die Wärmeleitfähigkeit des Substrats kann jeden Wert haben, solange das Substrat Funktionen als Wärmeableiter erfüllen kann. Je nach geplanter Anwendung kann die Wärmeleitfähigkeit im Bereich von 10 W/mK oder mehr bis 400 W/mK oder weniger liegen. Die Wärmeleitfähigkeit des Substrats kann 50 W/mK oder mehr, 100 W/mK oder mehr, 150 W/mK oder mehr oder 200 W/mK oder mehr betragen. Die Wärmeleitfähigkeit des Substrats kann 350 W/mK oder weniger, 300 W/mK oder weniger, 250 W/mK oder weniger, 200 W/mK oder weniger oder 150 W/mK oder weniger betragen.
  • Um eine hohe Wärmeleitfähigkeit sicherzustellen, kann das Substrat eine dichte Struktur aufweisen, insbesondere einen Porositätsanteil von 5 Vol.-% oder weniger. Ein geringerer Porositätsanteil des Substrats ist bevorzugter. Der Porositätsanteil des Substrats kann 5 Vol.-% oder weniger, 3 Vol.-% oder weniger, 1 Vol.-% oder weniger oder im Wesentlichen 0 Vol.-% (bei einer Nachweisgrenze oder weniger) betragen.
  • Das Substrat kann aus einem Material mit einem relativ geringen Wärmeausdehnungskoeffizienten gebildet sein. Dies reduziert eine Dimensionsänderung (Ausdehnung, Schrumpfung) des Wärmeableitungselements (des Substrats) bei einer Temperaturänderung an der Wärmequelle und verbessert die Beständigkeit des Wärmeableitungselements. Das bedeutet, dass das Substrat mit geringem Wärmeausdehnungskoeffizienten die Verschlechterung des Substrats und/oder der anorganischen porösen Schicht, die mit der Dimensionsänderung einhergeht, und eine Ablösung des Substrats von der anorganischen porösen Schicht reduziert. Der Wärmeausdehnungskoeffizient des Substrats kann insbesondere 11 × 10-6/K oder weniger betragen. Der Wärmeausdehnungskoeffizient des Substrats kann entsprechend der Temperatur der Wärmequelle, für die das Wärmeableitungselement verwendet wird, und dem Wärmeausdehnungskoeffizienten der anorganischen porösen Schicht entsprechend gewählt werden. Der Wärmeausdehnungskoeffizient des Substrats kann beispielsweise 10×10-6/K oder weniger, 8×10-6/K oder weniger, 6×10-6/K oder weniger, 5,5×.10-6/K oder weniger, 5×10-6 /K oder weniger, 4,5 ×10-6/K oder weniger oder 4×10-6/K oder weniger betragen. Der Wärmeausdehnungskoeffizient des Substrats kann beispielsweise 1× 10-6 /K oder mehr betragen, wobei er von dem Wärmeausdehnungskoeffizienten der anorganischen porösen Schicht abhängt.
  • Ein Material des Substrats kann ein Metall, eine Legierung, Keramik und/oder dergleichen sein, wobei es nicht darauf beschränkt ist. Beispiele für das Metall sind Molybdän, Wolfram, Eisen und dergleichen. Beispiele für die Legierung sind Kovar, Invar, Kohlenstoffstahl, Chromstahl, Nickelstahl, rostfreier Stahl und dergleichen. Beispiele für Keramik sind AlN, SiC, SiO2, BN, Si3N4, MgO, BeO, Al2O3 und dergleichen. Wird Keramik als Material des Substrats verwendet, ist das Material des Substrats bevorzugt AlN, SiC oder Si3N4. Ein aus einem dieser Materialien gebildetes Substrat kann die vorstehend genannten Eigenschaften (eine Wärmeleitfähigkeit im Bereich von 10 W/mK oder mehr bis 400 W/mK oder weniger, einen Porositätsanteil von 5 Vol.-% oder weniger) erfüllen. Alle der vorstehend genannten Materialien haben einen Wärmeausdehnungskoeffizienten von 11 ×10-6/K oder weniger. So lange der Wärmeausdehnungskoeffizient 11×10-6 /K oder weniger beträgt, kann das Substrat ein Verbundmaterial aus einer Vielzahl der vorstehend genannten Materialien sein.
  • Die anorganische poröse Schicht kann nur auf einer Fläche (vordere Fläche) des Substrats oder auf jeder der zwei Flächen (vordere und hintere Fläche) des Substrats angeordnet sein. Die anorganische poröse Schicht kann Flächen von zwei einander zugewandten Substraten mit einem Abstand dazwischen überziehen. Anders ausgedrückt können Substrate (ein erstes Substrat und ein zweites Substrat) mit jeweils einer der beiden Flächen der anorganischen porösen Schicht verbunden werden. In diesem Fall ist es möglich, zu verhindern, dass an einem ersten Gerät, das sich auf der Seite des ersten Substrats befindet, erzeugte Wärme auf ein zweites Gerät einwirkt, das sich auf der Seite des zweiten Substrats befindet, und die an dem ersten Gerät erzeugte Hitze durch das erste Substrat freizusetzen. Auf ähnliche Weise ist es möglich, zu verhindern, dass Wärme des zweiten Geräts auf das erste Gerät einwirkt, und die an dem zweiten Gerät erzeugte Hitze durch das zweite Substrat freizusetzen. Das heißt, dass es durch Verbinden der Substrate mit jeweils einer der beiden Flächen einer anorganischen porösen Schicht möglich ist, nicht nur eine Funktion als Wärmeableitungselement für Geräte (Wärmequellen), sondern auch eine Funktion als Trennplatte zu erfüllen, die die Geräte thermisch voneinander isoliert.
  • Das Wärmeableitungselement (das Substrat) kann eine lineare Form (Drahtform) oder Plattenform (Blechform) aufweisen, wobei es nicht auf eine dieser Formen beschränkt ist. Im Fall eines Substrats mit linearer Form kann die anorganische poröse Schicht eine Außenfläche des Substrats überziehen. Im Fall eines plattenförmigen Substrats kann die anorganische poröse Schicht die gesamte freiliegende Fläche des Substrats überziehen, (eine) Stirnfläche(n) (Vorder-und/oder Rückseite) des Substrats in seiner Dickenrichtung überziehen, (eine) Stirnfläche(n) (Seitenfläche(n)) des Substrats in seiner Breitenrichtung überziehen oder kann Stirnfläche(n) des Substrats in seiner Längsrichtung überziehen. Im Fall des plattenförmigen Substrats kann die anorganische poröse Schicht sowohl eine Vorderseite eines ersten plattenförmigen Substrats (ein erstes Substrat) als auch eine Rückseite eines zweiten plattenförmigen Substrats (ein zweites Substrat) überziehen.
  • Die anorganische poröse Schicht kann die gesamte Oberfläche des Substrats überziehen oder kann einen Teil der Oberfläche des Substrats überziehen. Die anorganische poröse Schicht kann z. B. einen Teil des Substrats mit Ausnahme des/der Endes/Enden (ein Ende oder beide Enden) des Substrats überziehen. Überzieht die anorganische poröse Schicht die Vorder- und Rückseite (Seiten in der Dickenrichtung) des plattenförmigen Substrats, kann die anorganische poröse Schicht die Vorder- und Rückseite mit Ausnahme von Teilen davon (z. B. ein Ende oder beide Enden in der Längsrichtung) überziehen. Alternativ können sich ein oder mehrere von der anorganischen porösen Schicht überzogene Teile zwischen Vorder- und Rückseite unterscheiden; so kann etwa die Rückseite vollständig mit der anorganischen porösen Schicht überzogen sein und die Vorderseite kann mit Ausnahme ihrer beiden Enden in der Längsrichtung überzogen sein.
  • Die Wärmeleitfähigkeit der anorganischen porösen Schicht kann jeden Wert annehmen, solange die anorganische poröse Schicht Funktionen einer wärmeisolierenden Schicht erfüllen kann, die eine Wärmequelle (der Wärmequelle ausgesetztes Substrat) von einem Raum um die Wärmequelle herum thermisch isoliert. Die Wärmeleitfähigkeit der anorganischen porösen Schicht kann geringer sein als die des Substrats und kann z. B. in einem Bereich von 0,05 W/mK oder mehr bis 3 W/mK oder weniger liegen. Die Wärmeleitfähigkeit der anorganischen porösen Schicht kann 0,1 W/mK oder mehr, 0,2 W/mK oder mehr, 0,3 W/mK oder mehr, 0,5 W/mK oder mehr, 1 W/mK oder mehr oder 2 W/mK oder mehr betragen. Die Wärmeleitfähigkeit der anorganischen porösen Schicht kann 2 W/mK oder weniger, 1 W/mK oder weniger, 0,5 W/mK oder weniger, 0,3 W/mK oder weniger, 0,2 W/mK oder weniger oder 0,1 W/mK oder weniger betragen.
  • Wie beschrieben leitet das Wärmeableitungselement die an der Wärmequelle erzeugte Wärme durch das Substrat ab und isoliert die Wärmequelle (oder das Substrat) durch die anorganische poröse Schicht thermisch von dem Raum um die Wärmequelle herum. Somit ist es wünschenswert, dass ein Unterschied in der Wärmeleitfähigkeit zwischen dem Substrat und der anorganischen porösen Schicht groß ist. Die Wärmeleitfähigkeit des Substrats kann insbesondere 100 Mal oder mehr höher sein als die Wärmeleitfähigkeit der anorganischen porösen Schicht. Die Wärmeleitfähigkeit des Substrats kann 300 Mal oder mehr, 500 Mal oder mehr, 600 Mal oder mehr oder 1000 Mal oder mehr höher sein als die Wärmeleitfähigkeit der anorganischen porösen Schicht.
  • Die anorganische poröse Schicht kann in ihrer Dickenrichtung (in einem Bereich von der in Kontakt mit der Fläche des Substrats stehenden Seite bis zu der Seite, die einer Außenumgebung ausgesetzt ist) aus einem einzelnen Material gebildet sein. Das bedeutet, dass die anorganische poröse Schicht eine einzelne Schicht sein kann. Die anorganische poröse Schicht kann aus einer Vielzahl von Schichten mit unterschiedlichen Zusammensetzungen in der Dickenrichtung zusammengesetzt sein. Das bedeutet, dass die anorganische poröse Schicht eine mehrlagige Struktur haben kann, in der mehrere Schichten geschichtet sind. Alternativ kann die anorganische poröse Schicht eine Gradationsstruktur aufweisen, in der Zusammensetzungen in der Dickenrichtung allmählich variieren. Ist die anorganische poröse Schicht eine einzelne Schicht, erleichtert dies die Herstellung des Wärmeableitungselements (in einem Prozess, in dem die anorganische poröse Schicht auf der Substratfläche gebildet wird). Wenn die anorganische poröse Schicht eine mehrlagige oder Gradationsstruktur hat, kann die anorganische poröse Schicht in der Dickenrichtung in den Eigenschaften variieren. Die Struktur der anorganischen porösen Schicht (einzelne Schicht, mehrlagige Struktur, Gradationsstruktur) kann entsprechend der Umgebung, in der das Wärmeableitungselement verwendet wird, ausgewählt werden.
  • Die anorganische poröse Schicht kann Keramikfasern umfassen. Das bedeutet, dass die anorganische poröse Schicht aus einem Grundmaterial (Matrix) und Keramikfasern gebildet sein kann. Die Keramikfasern mäßigen eine Abnahme der Festigkeit (mechanische Festigkeit) der anorganischen porösen Schicht. Die die Keramikfasern umfassende anorganische poröse Schicht ermöglicht es ferner der anorganischen porösen Schicht selbst, den Einfluss eines Unterschieds in der Wärmeausdehnungsgeschwindigkeit zwischen dem Substrat und der anorganischen porösen Schicht zu reduzieren. Insbesondere kann die anorganische poröse Schicht ihre Form einer Dimensionsänderung (Wärmeausdehnung, Wärmeschrumpfung) des Substrats folgend ändern, wodurch eine Ablösung der anorganischen porösen Schicht von dem Substrat verhindert werden kann.
  • Die anorganische poröse Schicht kann 15 Masse-% oder mehr an Aluminiumoxidbestandteilen umfassen. Das bedeutet, dass Aluminiumoxidbestandteile 15 Masse-% oder mehr der Bestandteile der anorganischen porösen Schicht ausmachen können. Enthält die anorganische poröse Schicht 15 Masse-% oder mehr an Aluminiumoxidbestandteilen, kann die anorganische poröse Schicht einen hohen Schmelzpunkt aufweisen, wodurch das Wärmeableitungselement (die anorganische poröse Schicht) ihre Form sogar dann beibehalten kann, wenn die Temperatur der Wärmequelle hoch ist, und die Beständigkeit des Wärmeableitungselements kann verbessert werden. Da Aluminiumoxid einen relativ geringen Wärmeausdehnungskoeffizienten (7,2× 10-6/K) hat, reduziert die anorganische poröse Schicht mit 15 Masse-% oder mehr an Aluminiumoxidbestandteilen ferner die Dimensionsänderung des Wärmeableitungselements (der anorganischen porösen Schicht) bei der Temperaturänderung an der Wärmequelle und verbessert die Beständigkeit des Wärmeableitungselements. Die Aluminiumoxidbestandteile können 15 Masse-% oder mehr, 20 Masse-% oder mehr, 30 Masse-% oder mehr, 40 Masse-% oder mehr oder 50 Masse-% oder mehr der Bestandteile der anorganischen porösen Schicht ausmachen. Die Aluminiumoxidbestandteile können die Matrix der Keramikfasern (Aluminiumoxidfasern) bilden.
  • Die anorganische poröse Schicht kann als ihre Matrix ein Material mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten von weniger als 5×10-6/K umfassen. Beispiele für ein solches Material sind Mullit (Al6O13Si2), Siliciumdioxid (SiO2), Siliciumcarbid (SiC), Aluminiumnitrid (AIN), Glas mit geringer Wärmeausdehnung, Aluminumtitanat (TiO2 · Al2O3), Zirconiumphosphat, Spodumen (LiAlSi2O6), Eukryptit (LiAlSiO4) und dergleichen. Die anorganische poröse Schicht kann zumindest eines dieser Materialien als Matrix aufweisen. Der Wärmeausdehnungskoeffizient des in der Matrix der anorganischen porösen Schicht enthaltenen Materials kann weniger als 3×10-6/K oder weniger als 2×10-6/K betragen. Unter den vorstehend genannten Materialien ist Cordierit als Matrix der anorganischen porösen Schicht geeignet. Cordierit ist sehr wärmebeständig und hat einen geringen Wärmeausdehnungskoeffizienten (weniger als 0,1 × 10-6/K). Somit reduziert die Matrix mit dem Cordierit eine Dimensionsänderung des Wärmeableitungselements (der anorganischen porösen Schicht) bei einer Temperaturänderung an der Wärmequelle und verbessert die Beständigkeit des Wärmeableitungselements.
  • Das Material mit dem Wärmeausdehnungskoeffizienten von weniger als 5× 10-6/K (z. B. Cordierit) kann 30 Masse-% oder mehr, 40 Masse-% oder mehr, 50 Masse-% oder mehr, 60 Masse-% oder mehr, 70 Masse-% oder mehr oder 80 Masse-% oder mehr der gesamten anorganischen porösen Schicht (Keramikfasern + Matrix) ausmachen. Das Material mit dem Wärmeausdehnungskoeffizienten von weniger als 5× 10-6/K kann 60 Masse-% oder mehr, 70 Masse-% oder mehr, 80 Masse-% oder mehr, 90 Masse-% oder mehr oder 100 Masse-% oder mehr der Matrix der anorganischen porösen Schicht ausmachen. Das bedeutet, dass die anorganische poröse Schicht die Matrix sein kann, die das Material mit dem Wärmeausdehnungskoeffizienten von weniger als 5×10-6/K mit den darin enthaltenen Keramikfasern umfasst.
  • Der Porositätsanteil der anorganischen porösen Schicht kann im Bereich von 25 Vol.-% oder mehr bis 85 Vol.-% oder weniger liegen. Mit dem Porositätsanteil von 25 Vol.-% oder mehr kann die anorganische poröse Schicht ausreichend als wärmeisolierende Schicht fungieren. Mit dem Porositätsanteil von 85 Vol.-% oder weniger kann die Festigkeit der anorganischen porösen Schicht ausreichend sichergestellt werden und die Beständigkeit des Wärmeableitungselements (der anorganischen porösen Schicht) kann verbessert werden. Der Porositätsanteil der anorganischen porösen Schicht kann 30 Vol.-% oder mehr, 40 Vol.-% oder mehr, 50 Vol.-% oder mehr, 60 Vol.-% oder mehr, 62 Vol.-% oder mehr, 64 Vol.-% oder mehr, 68 Vol.-% oder mehr oder 70 Vol.-% oder mehr betragen. Der Porositätsanteil der anorganischen porösen Schicht kann ferner 80 Vol.-% oder weniger, 70 Vol.-% oder weniger, 68 Vol.-% oder weniger, 66 Vol.-% oder weniger, 64 Vol.-% oder weniger, 62 Vol.-% oder weniger oder 60 Vol.-% oder weniger betragen. Weist die anorganische poröse Schicht die mehrlagige Struktur oder die Gradationsstruktur auf, kann der Porositätsanteil der anorganischen porösen Schicht 25 Vol.-% oder mehr und 85 Vol.-% oder weniger als Ganzes betragen und der Porositätsanteil kann in der Dickenrichtung variieren. In diesem Fall kann die anorganische poröse Schicht einen Teil mit einem Porositätsanteil von weniger als 25 Vol.-% oder einen Teil mit einem Porositätsanteil von mehr als 85 Vol.-% umfassen.
  • Der Wärmeausdehnungskoeffizient der anorganischen porösen Schicht kann entsprechend dem Wärmeausdehnungskoeffizienten des Substrats eingestellt werden und kann im Bereich von 1 × 10-6/K oder mehr bis 6× 10-6/K oder weniger liegen, wobei er nicht auf diesen Bereich beschränkt ist. Mit einer anorganischen porösen Schicht mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten von 1 × 10-6 /K oder mehr kann der Einfluss des Unterschieds in der Wärmeausdehnungsgeschwindigkeit zwischen dem Substrat und der anorganischen porösen Schicht reduziert werden. Mit einer anorganischen porösen Schicht mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten von 6× 10-6/K oder weniger wird ferner eine Dimensionsänderung der anorganischen porösen Schicht bei einer Temperaturänderungen an der Wärmequelle reduziert und die Beständigkeit des Wärmeableitungselements wird verbessert. Der Wärmeausdehnungskoeffizient der anorganischen porösen Schicht kann 2× 10-6/K oder mehr, 3× 10-6/K oder mehr, 3,5 × 10-6/K oder mehr, 4× 10-6/K oder mehr, 4,5 × 10-6/K oder mehr, 5 × 10-6/K oder mehr oder 5,5 × 10-6/K oder mehr betragen. Der Wärmeausdehnungskoeffizient der anorganischen porösen Schicht kann ferner 5,5×10-6/K oder weniger, 5×10-6/K oder weniger, 4,5× 10-6/K oder weniger oder 4× 10-6/K oder weniger betragen.
  • Wie beschrieben kann durch Reduktion des Unterschieds in der Wärmeausdehnungsgeschwindigkeit zwischen dem Substrat und der anorganischen porösen Schicht eine Ablösung des Substrats von der anorganischen porösen Schicht sogar dann reduziert werden, wenn sich die Dimensionen des Wärmeableitungselements bei einer Temperaturänderung an der Wärmequelle ändern (Wärmeausdehnung, Wärmeschrumpfung). Die Wärmeausdehnungskoeffizienten der anorganischen porösen Schicht und des Substrats können daher so eingestellt werden, dass sie die folgende Formel 1 erfüllen, wobei α1 der Wärmeausdehnungskoeffizient der anorganischen porösen Schicht und α2 der Wärmeausdehnungskoeffizient des Substrats ist. Der Wert „α1/α2“ kann 0,55 oder mehr, 0,6 oder mehr, 0,7 oder mehr, 0,8 oder mehr, 0,9 oder mehr, 1 oder mehr oder 1,1 oder mehr betragen. Der Wert „α1/α2“ kann ferner 1,1 oder weniger, 1,0 oder weniger, 0,9 oder weniger, 0,8 oder weniger, 0,7 oder weniger oder 0,65 oder weniger betragen. 0,5 < α 1 / α 2 < 1,2
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  • Die Dicke der anorganischen porösen Schicht kann 1 mm oder mehr betragen, obwohl sie von der geplanten Verwendung (erforderliche Leistung) abhängt. Beträgt die Dicke der anorganischen porösen Schicht 1 mm oder mehr, kann die anorganische poröse Schicht die Wärmeisolierung vollständig ausüben. Es ist anzumerken, dass die anorganische poröse Schicht im Herstellungsprozess (z. B. in einem Brennprozess) schrumpfen würde, wenn keine Keramikfasern in der anorganischen porösen Schicht verwendet würden, wodurch es schwierig wäre, die Dicke auf 1 mm oder mehr zu halten. Da die hierin offenbarte anorganische poröse Schicht die Keramikfasern umfasst, wird die Schrumpfung im Herstellungsprozess verringert, wodurch die Dicke auf 1 mm oder mehr gehalten werden kann. Wäre die Dicke der anorganischen porösen Schicht zu groß, stünden Verbesserungen der Eigenschaften möglicherweise in keinem Verhältnis zu den Kosten (Herstellungs- und Materialkosten). Die Dicke der anorganischen porösen Schicht kann daher 30 mm oder weniger, 20 mm oder weniger, 15 mm oder weniger, 10 mm oder weniger oder 5 mm oder weniger betragen, obwohl sie nicht darauf beschränkt ist.
  • Die anorganische poröse Schicht kann granuläre Partikel umfassen, die in einem Bereich von 0,1 µm oder mehr bis 10 µm oder weniger liegen. Bei der Formung (Brennen) der anorganischen porösen Schicht werden die Keramikfasern über die granulären Partikel miteinander kombiniert, wodurch die resultierende anorganische poröse Schicht eine hohe Festigkeit hat.
  • Keramikpartikel können als Verbindungsmaterial verwendet werden, das Aggregationsmaterialien verbindet, die einen Rahmen der anorganischen porösen Schicht bilden, wie plattenförmige Keramikpartikel (die nachstehend beschrieben werden), die Keramikfasern und dergleichen. Die Keramikpartikel können granuläre Partikel in einem Bereich von 0,1 µm oder mehr bis 10 µm oder weniger sein. Der Durchmesser der Keramikpartikel kann mittels Sintern und/oder dergleichen im Herstellungsprozess (z. B. im Brennprozess) erhöht werden. Das bedeutet, dass die Keramikpartikel granuläre Partikel in einem Bereich von 0,1 µm oder mehr bis 10 µm oder weniger (mittlere Partikelgröße vor dem Brennen) als Rohmaterial der anorganischen porösen Schicht sein können. Die Keramikpartikel können 0,5 µm oder mehr und 5 µm oder weniger betragen. Ein Material mit einem geringen Wärmeausdehnungskoeffizienten (weniger als 5×10-6/K) kann als Material der Keramikpartikel verwendet werden. Beispiele für ein solches Material mit geringem Wärmeausdehnungskoeffizienten sind Mullit, Siliciumdioxid, Siliciumcarbid, Aluminiumnitrid, Glas mit geringer Wärmeausdehnung, Aluminumtitanat, Zirconiumphosphat, Spodumen, Eukryptit und dergleichen. Ein Metalloxid kann beispielsweise auch als Material der Keramikpartikel verwendet werden. Beispiele für das Metalloxid sind Aluminiumoxid (Al2O3), Spinell (MgAl2O4), Titandioxid (TiO2), Zirconiumdioxid (ZrO2), Magnesiumoxid (MgO), Mullit, Cordierit (MgO. Al2O3 · SiO2) und dergleichen.
  • Die anorganische poröse Schicht in dem hierin offenbarten Wärmeableitungselement kann plattenförmige Keramikpartikel umfassen. Die Verwendung der plattenförmigen Keramikpartikel ermöglicht es, einen Teil der Keramikfasern durch die plattenförmigen Keramikpartikel zu ersetzen. Eine Länge (Längsabmessung) der plattenförmigen Keramikpartikel ist in der Regel kürzer als eine Länge der Keramikfasern. Daher werden die Wärmeübertragungswege in der anorganischen porösen Schicht mittels der plattenförmigen Keramikpartikel gekappt, weshalb Wärme tendenziell weniger in die anorganische poröse Schicht übertragen wird. Als Ergebnis wird die Wärmeisolierung der anorganischen porösen Schicht weiter verbessert. Es ist anzumerken, dass sich die „plattenförmigen Keramikpartikel“ auf Keramikpartikel mit einem Aspektverhältnis von 5 oder mehr und einer Längserstreckung im Bereich von 5 µm oder mehr bis 100 µm oder weniger beziehen.
  • Die plattenförmigen Keramikpartikel können als Aggregations- oder Verstärkungsmaterial in der anorganischen porösen Schicht fungieren. Das bedeutet, dass die plattenförmigen Keramikpartikel, wie die Keramikfasern, die Festigkeit der anorganischen porösen Schicht verbessern und die Schrumpfung der anorganischen porösen Schicht im Herstellungsprozess verringern. Die Verwendung von plattenförmigen Keramikpartikeln kappt die Wärmeübertragungswege in der anorganischen porösen Schicht. Verglichen mit einer Konfiguration, in der nur die Keramikfasern als das Aggregationsmaterial verwendet werden, ist es daher weniger wahrscheinlich, dass die an der Wärmequelle erzeugte Wärme in die anorganische poröse Schicht übertragen wird und es ist möglich, für die Wärmequelle und die Umgebung um das Wärmeableitungselement herum eine bessere Wärmeisolierung bereitzustellen.
  • Die plattenförmigen Keramikpartikel haben eine rechteckige Form oder eine Nadelform und haben eine Längserstreckung im Bereich von 5 µm oder mehr bis 100 µm oder weniger. Mit einer Längserstreckung von 5 µm oder mehr ist es möglich, ein übermäßiges Sintern der Keramikpartikel einzuschränken. Mit einer Längserstreckung von 100 µm oder weniger ist es möglich, die vorstehend genannte Wirkung des Kappens der Wärmeübertragungswege in der anorganischen porösen Schicht zu erzeugen, wodurch die plattenförmigen Keramikpartikel entsprechend im Wärmeableitungselement verwendet werden können, das zur Verwendung in einer Hochtemperaturumgebung gedacht ist. Die plattenförmigen Keramikpartikel können ein Aspektverhältnis im Bereich von 5 oder mehr bis 100 oder weniger haben. Mit einem Aspektverhältnis von 5 oder mehr ist es möglich, ein Sintern der Keramikpartikel vorteilhafterweise einzuschränken, wobei es mit einem Aspektverhältnis von 100 oder weniger möglich ist, eine Abnahme der Festigkeit der plattenförmigen Keramikpartikel selbst abzuschwächen. Zusätzlich zu den vorstehend genannten Metalloxiden, die als Material der Keramikpartikel verwendet werden, können Mineralien, Ton und Glas wie etwa Talk (Mg3Si4O10(OH)2), Glimmer, Kaolin und dergleichen als das Material der plattenförmigen Keramikpartikel verwendet werden.
  • Wie beschrieben umfasst die anorganische poröse Schicht in dem hierin offenbarten Wärmeableitungselement die Keramikfasern. Die Keramikfasern können als Aggregations- oder Verstärkungsmaterial in der anorganischen porösen Schicht fungieren. Das bedeutet, dass die Keramikfasern die Festigkeit der anorganischen porösen Schicht verbessern und auch die Schrumpfung der anorganischen porösen Schicht im Herstellungsprozess verringern. Die Keramikfasern können eine Länge im Bereich von 50 µm oder mehr bis 200 µm oder weniger aufweisen. Die Keramikfasern können ferner einen Durchmesser (mittlerer Durchmesser) aufweisen, der im Bereich von 1 µm bis 20 µm liegt. Ein Volumenanteil der Keramikfasern in der anorganischen porösen Schicht (Volumenanteil der Keramikfasern an Materialien, die die anorganische poröse Schicht bilden) kann im Bereich von 5 Vol.-% oder mehr bis 25 Vol.-% oder weniger liegen. Bei 5 Vol.-% oder mehr Keramikfasern ist es möglich, die Schrumpfung der Keramikpartikel in der anorganischen porösen Schicht im Herstellungsprozess (Brennprozess) der anorganischen porösen Schicht ausreichend zu verringern. Bei 25 Vol.-% oder weniger Keramikfasern ist es ferner möglich, die Wärmeübertragungswege in der anorganischen porösen Schicht zu kappen, wodurch sie entsprechend im Wärmeableitungselement verwendet werden können, das zur Verwendung in einer Hochtemperaturumgebung gedacht ist. Dieselben Materialien wie jene der vorstehend erwähnten plattenförmigen Keramikpartikel können als Material der Keramikfasern verwendet werden.
  • Ein prozentueller Gehalt an Aggregations- und Verstärkungsmaterialien (die die Keramikfasern, die plattenförmigen Keramikpartikel und dergleichen enthalten und einfach als Aggregationsmaterialien bezeichnet werden) in der anorganischen porösen Schicht kann im Bereich von 15 Masse-% oder mehr bis 50 Masse-% oder weniger liegen. Beträgt der prozentuelle Gehalt der Aggregationsmaterialien in der anorganischen porösen Schicht 15 Masse-% oder mehr, ist es möglich, die Schrumpfung der anorganischen porösen Schicht im Brennprozess ausreichend zu verringern. Beträgt der prozentuelle Gehalt der Aggregationsmaterialien in der anorganischen porösen Schicht 50 Masse-% oder weniger, werden die Aggregationsmaterialien ferner vorzugsweise durch die Keramikpartikel miteinander verbunden. Der prozentuelle Gehalt der Aggregationsmaterialien in der anorganischen porösen Schicht kann 20 Masse-% oder mehr, 30 Masse-% oder mehr oder 40 Masse-% oder mehr betragen. Der prozentuelle Gehalt der Aggregationsmaterialien in der anorganischen porösen Schicht kann 40 Masse-% oder weniger oder 30 Masse-% oder weniger betragen.
  • Wie beschrieben können sowohl die Keramikfasern als auch die plattenförmigen Keramikpartikel als Aggregations- oder Verstärkungsmaterialien in der anorganischen porösen Schicht fungieren. Um die Schrumpfung der anorganischen porösen Schicht nach der Herstellung (nach dem Brennen) des Wärmeableitungselements sicher zu verringern, kann ein prozentueller Gehalt der Keramikfasern in der anorganischen porösen Schicht jedoch mindestens 5 Masse-% oder mehr betragen, selbst wenn sowohl die Keramikfasern als auch die plattenförmigen Keramikpartikel als Aggregationsmaterialien verwendet werden. Der prozentuelle Gehalt der Keramikfasern kann in einem Bereich von 5 Masse-% oder mehr und 50 Masse-% oder weniger eingestellt werden.
  • Wenn sowohl die Keramikfasern als auch die plattenförmigen Keramikpartikel als Aggregationsmaterialien verwendet werden, kann ein Anteil (Gewichtsanteil) der plattenförmigen Keramikpartikel an den gesamten Aggregationsmaterialien 90 % oder weniger betragen. Anders ausgedrückt kann der Massenanteil der Keramikfasern an den Aggregationsmaterialien mindestens 10 % oder mehr ausmachen. Der Anteil (Gewichtsanteil) der plattenförmigen Keramikpartikel an den gesamten Aggregationsmaterialien kann 60 % oder weniger, 50 % oder weniger, 40 % oder weniger oder 34 % oder weniger betragen. Der Anteil der plattenförmigen Keramikpartikel an den gesamten Aggregationsmaterialien kann 33 % oder mehr, 40 % oder mehr, 50 % oder mehr oder 60 % oder mehr betragen. Der prozentuelle Gehalt der plattenförmigen Keramikpartikel in der anorganischen porösen Schicht kann insbesondere 10 Masse-% oder mehr, 20 Masse-% oder mehr oder 30 Masse-% oder mehr betragen. Der prozentuelle Gehalt der plattenförmigen Keramikpartikel kann ferner 30 Masse-% oder weniger, 20 Masse-% oder weniger oder 10 Masse-% oder weniger betragen.
  • Wie beschrieben kann die anorganische poröse Schicht aus einem oder mehreren Materialien ausgewählt aus Keramikpartikeln (granuläre Partikel), plattenförmigen Keramikpartikeln und Keramikfasern gebildet sein. Die Keramikpartikel, die plattenförmigen Keramikpartikel und die Keramikfasern können als Bestandteil jeweils Aluminiumoxid, Cordierit, Titandioxid und/oder dergleichen enthalten. Anders ausgedrückt können die Keramikpartikel, die plattenförmigen Keramikpartikel und die Keramikfasern aus Aluminiumoxid, Cordierit, Titandioxid und/oder gebildet sein. Die anorganische poröse Schicht kann 15 Masse-% oder mehr an Aluminiumoxidbestandteilen relativ zur Summe der materiellen Bestandteile (Substanzen der Bestandteile) beinhalten. Obwohl die Matrix und die Keramikfasern jeden Bestandteil beinhalten können, umfasst die anorganische poröse Schicht zumindest die Keramikfasern.
  • In einem Wärmeableitungselement, das zur Verwendung in einer Umgebung mit besonders hohen Temperaturen gedacht ist, kann die anorganische poröse Schicht 25 Masse-% oder weniger SiO2 umfassen. Dies reduziert die Bildung einer amorphen Schicht in der anorganischen porösen Schicht und damit verbessert sich die Hitzebeständigkeit (Beständigkeit) der anorganischen porösen Schicht.
  • Zur Bildung der anorganischen porösen Schicht kann neben den Keramikpartikeln, den plattenförmigen Keramikpartikeln und den Keramikfasern eine Mischung aus Rohmaterialien einschließlich Bindemitteln, eines porenbildenden Mittels und eines Lösungsmittels verwendet werden. Als die Bindemittel können anorganische Bindemittel verwendet werden. Beispiele für die anorganischen Bindemittel sind Aluminiumoxidsol, Siliciumdioxidsol, Titandioxidsol, Zirconiumdioxidsol und dergleichen. Diese anorganischen Bindemittel können der anorganischen porösen Schicht nach dem Brennen eine erhöhte Festigkeit verleihen. Als das porenbildende Mittel kann ein makromolekulares porenbildendes Mittel, ein kohlenstoffbasiertes Pulver und/oder dergleichen verwendet werden. Beispiele dafür sind insbesondere Akrylharz, Melaminharz, Polyethylenpartikel, Polystyrolpartikel, Rußpulver, Graphitpulver und dergleichen. Das porenbildende Mittel kann entsprechend dem Zweck jede beliebige Form aufweisen und kann beispielsweise eine Kugelform, eine Plattenform, eine Faserform oder dergleichen aufweisen. Der Porositätsanteil und die Porengröße der anorganischen porösen Schicht können durch Auswählen einer zugegebenen Menge, Größe und/oder Form des porenbildenden Mittels eingestellt werden. Das Lösungsmittel kann jedes beliebige Lösungsmittel sein, solange es die Viskosität der Rohmaterialien einstellen kann, ohne die anderen Materialien zu beeinträchtigen. Als Lösungsmittel kann Wasser, Ethanol, Isopropylalkohol (IPA) oder dergleichen verwendet werden.
  • Die anorganischen Bindemittel sind auch ein materieller Bestandteil der anorganischen porösen Schicht. Werden daher Aluminiumoxidsol, Titandioxidsol und/oder dergleichen zur Bildung der anorganischen porösen Schicht verwendet, kann die anorganische poröse Schicht 15 Masse-% oder mehr an Aluminiumoxidbestandteilen relativ zur Summe der materiellen Bestandteile einschließlich der anorganischen Bindemittel umfassen.
  • Betreffend das hierin offenbarte Wärmeableitungselement kann die anorganische poröse Schicht auf einer Fläche des Substrats gebildet werden, indem die vorstehend genannten Rohmaterialien auf die Fläche des Substrats aufgetragen, getrocknet und gebrannt werden. Als Verfahren zum Auftragen der Rohstoffe können Tauchbeschichtung, Schleuderbeschichtung, Sprühbeschichtung, Schlitzdüsenbeschichtung, thermisches Spritzen, eine Aerosol-Depositions-Verfahren (AD-Verfahren), Bedrucken, Auftragen mit einem Pinsel, Auftragen mit einer Palette, Formgießen oder dergleichen verwendet werden. Ist eine anorganische poröse Schicht mit großer Dicke erforderlich oder hat die anorganische poröse Schicht die mehrlagige Struktur, kann die erforderliche Dicke oder die mehrlagige Struktur durch mehrmaliges Wiederholen der Auftragung und des Trocknens der Rohmaterialien erhalten werden. Die vorstehend genannten Auftragsverfahren können als ein Auftragsverfahren zur Bildung einer Beschichtung verwendet werden (die später beschrieben wird).
  • Das hierin offenbarte Wärmeableitungselement kann eine Beschichtung umfassen, die auf einer Fläche der anorganischen porösen Schicht angeordnet ist, die einer Fläche davon gegenüberliegt, auf der das Substrat angeordnet ist. Das bedeutet, dass die anorganische poröse Schicht zwischen dem Substrat und der Beschichtung angeordnet sein kann. Die Beschichtung kann über die gesamte Fläche der anorganischen porösen Schicht (die der Fläche davon, auf der das Substrat angeordnet ist, gegenüberliegt) oder auf einem Teil der Fläche der anorganischen porösen Schicht angeordnet sein. Die Beschichtung kann die anorganische poröse Schicht schützen (verstärken).
  • Das Material der Beschichtung kann poröse Keramik oder dichte Keramik sein. Beispiele für poröse Keramik, die in der Beschichtung verwendet wird, sind Zirconiumdioxid (ZrO2), teilweise stabilisiertes Zirconiumdioxid, stabilisiertes Zirconiumdioxid und dergleichen. Die Beispiele umfassen ferner mit Yttriumoxid stabilisiertes Zirconiumdioxid (ZrO2-Y2O3: YSZ) und durch Zugabe von Gd2O3, Yb2O3, Er2O3 und dergleichen zu YSZ, ZrO2-HfO2-Y2O3, ZrO2-Y2O3-La2O3, ZrO2-HfO2-Y2O3-La2O3, HfO2-Y2O3, CeO2-Y2O3, Gd2Zr2O7, Sm2Zr2O7, LaMnAl11O19, YTa3O9, Y0,7Lao,3Ta309, Y1,08Ta2,76Zr0,24O9, Y2Ti2O7, LaTa3O9, Yb2Si2O7, Y2Si2O7, Ti3O5 und dergleichen erhaltene Metalloxide. Beispiele für dichte Keramik, die in der Beschichtung verwendet wird, sind Aluminiumoxid, Siliciumdioxid, Zirconiumdioxid und dergleichen. Das Entfernen der Keramikfasern von den vorstehend genannten materiellen Bestandteilen der anorganischen porösen Schicht liefert einen geringen Porositätsanteil (Dichteeigenschaften) und dieses wird für die Beschichtung verwendet. Alternativ kann die Beschichtung aus denselben Materialien wie die anorganische poröse Schicht gebildet sein, ohne das porenbildende Mittel zu verwenden. Durch die Verwendung der porösen oder dichten Keramik als Beschichtung kann die anorganische poröse Schicht verstärkt werden und die Ablösung der anorganischen porösen Schicht von der Fläche des Substrats kann reduziert werden. Die Verwendung der dichten Keramik als Beschichtung hemmt beispielsweise das Strömen eines Hochtemperaturgases durch die anorganische poröse Schicht und/oder das Verbleiben in der anorganischen porösen Schicht. Dadurch wird erwartet, dass eine Wirkung der Reduktion der Wärmeübertragung vom Hochtemperaturgas auf das Substrat reduziert wird. Die Verwendung der dichten Keramik als Beschichtung verbessert ferner eine Wirkung der elektrischen Isolierung des Substrats von der äußeren Umgebung.
  • Das Material der Beschichtung kann poröses Glas oder dichtes Glas sein. Auch durch die Verwendung von porösem oder dichtem Glas als Beschichtung kann die anorganische poröse Schicht verstärkt werden und die Ablösung der anorganischen porösen Schicht von der Fläche des Substrats kann reduziert werden. Das Material der Beschichtung kann ein Metall sein. Durch Anordnen einer Metallschicht auf der Fläche der anorganischen porösen Schicht ist es möglich, Strahlungswärme von der äußeren Umgebung zu reflektieren, wodurch das Einwirken von Wärme auf das Substrat weiter reduziert werden kann.
  • (Konfiguration des Wärmeableitungselements)
  • Unter Bezugnahme auf 1 und 2 wird eine Konfiguration eines Wärmeableitungselements 10 beschrieben. Wie in 1 beschrieben, umfasst das Wärmeableitungselement 10 ein Aluminiumnitridsubstrat 2 und poröse Schutzschichten 4, die jeweils auf einer der beiden Flächen (Stirnflächen in einer Dickenrichtung) des Substrats 2 angeordnet sind. Die porösen Schutzschichten 4 sind ein Beispiel für die anorganische poröse Schicht. Eine der porösen Schutzschichten 4 ist über die Gesamtheit einer der Flächen (Rückseite) des Substrats 2 verbunden, während die andere poröse Schutzschicht 4 auf der anderen Fläche (Vorderseite) an einem Zwischenabschnitt des Substrats 2 verbunden ist, der Längsenden 2a und 2b des Substrats 2 ausschließt. Die porösen Schutzschichten 4 sind auch auf Seitenflächen (vier Seiten) des Substrats 2 angeordnet, wobei dies nicht gezeigt ist. Das Wärmeableitungselement 10 ist ein Wärmeleitelement, das Wärme an einem Ende 2a (wärmeerzeugende Seite) auf das andere Ende 2b (Wärmeableitungsseite) überträgt.
  • Das Wärmeableitungselement 10 wurde durch Eintauchen des Substrats 2 in eine Aufschlämmung aus Rohmaterialien, wobei ein Teil der Vorderseite des Substrat 2 (entsprechend den Enden 2a und 2b) abgedeckt war, sowie Trocken und Brennen davon hergestellt. Die Aufschlämmung aus Rohmaterialien wurde durch Mischen von 20 Masse-% Aluminiumoxidfasern (mittlere Faserlänge 140 µm) und 30 Masse-% plattenförmigen Aluminiumoxidpartikeln (Längsabmessung 10 µm), wobei es sich um primäre Rohmaterialien für Aluminiumoxidbestandteile handelt und der Gesamtgehalt 50 Masse-% ausmacht, 50 Masse-% Cordieritpartikeln (mittlere Partikelgröße 1,5 µm), 10 Masse-% Aluminiumoxidsol (1,1 Masse-% in der Menge von Aluminiumoxid), 40 Masse-% Acrylharz (mittlere Partikelgröße 8 µm) und Ethanol hergestellt. Es ist anzumerken, dass das Aluminiumoxidsol, Acrylharz und Ethanol in äußerem Prozentsatz zu den Aluminiumoxidfasern und den Cordieritpartikeln hinzugefügt wurden. Die Viskosität der Aufschlämmung aus Rohmaterialien wurde auf 2000 mPa·s eingestellt.
  • Nachdem die Rohmaterialien auf die Vorder- und Rückseite des Substrats 2 aufgetragen wurden, indem das Substrat 2 in die Aufschlämmung aus Rohmaterialien eingetaucht wurde, wurde das Substrat 2 eine Stunde lang bei 200 °C in einem Trockner (in atmosphärischer Umgebung) getrocknet. Dadurch wurden poröse Schutzschichten von 300 µm auf der Vorder- und Rückseite des Substrats 2 gebildet. Danach wurde der Prozess des Eintauchens des Substrats 2 in die Aufschlämmung aus Rohmaterialien und des Trocknens drei Mal wiederholt und dadurch wurden poröse Schutzschichten von 1,2 mm auf der Vorder- und Rückseite des Substrats 2 gebildet. Dann wurde das Substrat 2 drei Stunden lang bei 800 °C (in atmosphärischer Umgebung) in einem Elektroofen gebrannt und dadurch wurde das Wärmeableitungselement 10 hergestellt. Das daraus resultierende Wärmeableitungselement 10 beinhaltete die porösen Schutzschichten 4 mit einem Porositätsanteil von 67 Vol.-% und hatte einen Wärmeausdehnungskoeffizienten von 4,5× 10-6K-1. Es wurde bestätigt, dass die Cordieritpartikel im Wärmeableitungselement 10 zwischen den Flächen (Vorder- und Rückseite) des Substrats 2 und aggregierten Materialien (den Aluminiumoxidfasern und den plattenförmigen Aluminiumoxidpartikeln) angeordnet waren und die Flächen des Substrats 2 mit den aggregierten Materialien verbunden haben, wobei dies nicht gezeigt ist. Ein Röntgenbeugungsergebnis hat ferner bestätigt, dass Cordierit in den porösen Schutzschichten 4 enthalten war.
  • 2 zeigt das Wärmeableitungselement 10 mit einem Wärmegenerator 20 und einem damit verbundenen Wärmeableiter (Kühlplatte) 22. Der Wärmegenerator 22 ist mit einem Ende 2a des Wärmeableitungselements 10 verbunden und der Wärmeableiter 22 ist mit dem anderen Ende 2b verbunden. Vom Wärmegenerator 20 empfangene Wärme wandert durch das Substrat 2 und wird dann am Wärmeableiter 22 freigesetzt. Da die porösen Schutzschichten 4 mit der vorderen Fläche (der Zwischenabschnitt) und der hinteren Fläche im Wärmeleitelement 10 verbunden sind, wird zwischen dem Wärmegenerator 20 und dem Wärmeableiter 22 Wärmestrahlung vom Substrat 2 reduziert. Es ist daher möglich, die Einwirkung von Wärme auf Geräte zu reduzieren, die in einem Raum 30 in der Nähe der vorderen Fläche des Wärmeleitelements 10 und in einem Raum 32 in der Nähe der hinteren Fläche des Wärmeleitelements 10 positioniert sind.
  • (Varianten des Wärmeableitungselements)
  • Varianten des Wärmeableitungselements (Wärmeableitungselemente 10a bis 10e) werden nachstehend beschrieben. Die Wärmeableitungselemente 10a bis 10e unterscheiden sich von dem Wärmeableitungselement 10 in der Form des Substrats, der Position oder dem Bereich, wo die porös(n) Schutzschicht(en) gebildet ist/sind, und/oder dem Vorhandensein oder Fehlen einer Beschichtung. Die Wärmeableitungselemente 10 bis 10e wurden mit im Wesentlichen denselben Prozessen hergestellt wie das Wärmeableitungselement 10, wobei die abzudeckende(n) Position(en), die Bedingungen für die Bildung der porösen Schutzschicht(en) und die Brennbedingungen nach der Bildung der porösen Schutzschicht(en) usw. entsprechend der geplanten Verwendung eingestellt wurden. In der folgenden Beschreibung sind die mit den Merkmalen des Wärmeableitungselements 10 übereinstimmenden Merkmale möglicherweise nicht beschrieben.
  • In dem Wärmeableitungselement 10a, das in 3 gezeigt ist, ist die poröse Schutzschicht 4 mit einer vorderen Fläche des Substrats 2 (eine der Stirnseiten davon in seiner Dickenrichtung) verbunden. In dem Wärmeableitungselement 10a ist ein Ende 2a, das eines der Enden einer hinteren Fläche des Substrats 2 ist, mit einem Wärmegenerator verbunden und das andere Ende 2b ist mit einem Wärmeableiter (Kühlplatte) verbunden. In dem Wärmeableitungselement 10a reduziert die poröse Schutzschicht 4 die Wärmeableitung vom Wärmegenerator zur vorderen Fläche des Wärmeableitungselements 10a (die Seite, auf der die poröse Schutzschicht 4 angeordnet ist) und ermöglicht eine Wärmeübertragung von dem einen Ende 2a zum anderen Ende 2b. In dem Wärmeableitungselement 10a kann die poröse Schutzschicht 4 an einem Zwischenabschnitt angeordnet sein, der, wie im Wärmeableitungselement 10 (siehe 1), ein Teil des Substrats 2 ist, der die Längsenden (beide Enden) 2a und 2b nicht einschließt. In diesem Fall kann/können der Wärmegenerator und/oder der Wärmeableiter mit der vorderen Fläche des Substrats 2 verbunden sein.
  • Das in 4 gezeigte Wärmeableitungselement 10b ist eine Variante des Wärmeableitungselements 10a. Im Wärmeableitungselement 10b ist eine Beschichtung 6 auf einer Fläche der porösen Schutzschicht 4 angeordnet (die der Fläche der porösen Schutzschicht 4 gegenüberliegt, auf der das Substrat 2 angeordnet ist). Die Beschichtung 6 wurde gebildet, nachdem die poröse Schutzschicht 4 auf der vorderen Fläche des Substrats 2 durch Auftragen einer Aufschlämmung aus Rohmaterialien auf die Fläche der porösen Schutzschicht 4 mittels Sprühen sowie Trocknen und Brennen davon gebildet worden war. Die zur Bildung der Beschichtung 6 verwendete Aufschlämmung aus Rohmaterialien wurde durch Mischen von 20 Masse-% Aluminiumoxidfasern (mittlere Faserlänge 140 µm) und 30 Masse-% plattenförmigen Aluminiumoxidpartikeln (Längsabmessung 10 µm), wobei ihr Gesamtgehalt 50 Masse-% ausmacht, 50 Masse-% Cordieritpartikeln (mittlere Partikelgröße 1,5 µm), 10 Masse-% Aluminiumoxidsol (1,1 Masse-% in der Aluminiumoxidmenge) und Ethanol hergestellt. Das bedeutet, dass die Aufschlämmung aus Rohmaterialien, die zur Bildung der Beschichtung 6 verwendet wird, dieselbe ist wie die Aufschlämmung aus Rohmaterialien, die zur Bildung der porösen Schutzschicht 4 verwendet wird, mit der Ausnahme, dass Erstere kein porenbildendes Mittel (Acrylharz) enthält. Die Beschichtung 6 hat verglichen mit der porösen Schutzschicht 4 eine dichte Struktur und fungiert somit als Verstärkung für die poröse Schutzschicht 4. Die Materialien der Beschichtung 6 können entsprechend der geplanten Verwendung zu den vorstehend genannten Materialien geändert werden. In dem Wärmeableitungselement 10b kann die poröse Schutzschicht 4 auch am Zwischenabschnitt angeordnet sein, der jener Abschnitt des Substrats 2 ist, der die Längsenden (beide Enden) 2a und 2b nicht einschließt. In diesem Fall kann/können der Wärmegenerator und/oder der Wärmeableiter mit der vorderen Fläche des Substrats 2 verbunden sein.
  • Das in 5 gezeigte Wärmeableitungselement 10c ist eine Variante des Wärmeableitungselements 10b. In dem Wärmeableitungselement 10c ist die Beschichtung 6 in einer Längsrichtung des Wärmeableitungselements 10c mit Unterbrechungen (teilweise) auf der Fläche der porösen Schutzschicht 4 angeordnet. Ist ein Unterschied im Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen der Beschichtung 6 und der porösen Schutzschicht 4 beispielsweise groß, ist es möglich, die Ablösung der Beschichtung 6 von der porösen Schutzschicht 4 durch Anordnen der Beschichtung 6 mit Unterbrechungen auf der Fläche der porösen Schutzschicht 4 zu reduzieren. In dem Wärmeableitungselement 10c kann die poröse Schutzschicht 4 auch am Zwischenabschnitt angeordnet sein, der jener Abschnitt des Substrats 2 ist, der die Längsenden (beide Enden) 2a und 2b nicht einschließt. In diesem Fall kann/können der Wärmegenerator und/oder der Wärmeableiter mit der vorderen Fläche des Substrats 2 verbunden sein. Das Merkmal der Wärmeableitungselemente 10b und 10c (die auf der Fläche der porösen Schutzschicht angeordnete Beschichtung) kann auf die Wärmeableitungselemente 10 und 10a angewendet werden.
  • In dem in 6 gezeigten Wärmeableitungselement sind Substrate (ein erstes Substrat 2X und ein zweites Substrat 2Y) mit jeweils einer der Flächen (vordere bzw. hintere Fläche) der porösen Schutzschicht 4 verbunden. Anders ausgedrückt ist eine poröse Schutzschicht 4 mit den beiden Substraten (erstes Substrat 2X und zweites Substrat 2Y) verbunden, die einander in einem Abstand zugewandt sind. Ein erstes Gerät (nicht gezeigt), das eine Wärmequelle ist, die auf der Seite des ersten Substrats 2X angeordnet ist, ist mit dem ersten Substrat 2X verbunden und ein zweites Gerät (nicht gezeigt), das eine Wärmequelle ist, die auf der Seite des zweiten Substrats 2Y angeordnet ist, ist mit dem zweiten Substrat 2Y verbunden. Das erste Substrat 2X und das zweite Substrat 2Y können an den Geräten erzeugte Wärme ableiten. Die poröse Schutzschicht 4 kann ferner das Einwirken von Wärme von einem der Geräte (z. B. dem ersten Gerät) auf das andere Gerät (das zweite Gerät) reduzieren. Das bedeutet, dass das Wärmeableitungselement 10 als Kühlplatte für die beiden Geräte fungiert und als Trennplatte, die die beiden Geräte thermisch voneinander isoliert.
  • In dem in 7 gezeigten Wärmeableitungselement 10e ist das Substrat 2 auf einem linearen (linienförmigen) Metall gebildet. In dem Wärmeableitungselement 10e liegen die Längsenden (beide Enden) 2a und 2b des linearen Substrats 2 frei. Das bedeutet, dass im Wärmeableitungselement 10e die poröse Schutzschicht 4 mit dem Zwischenabschnitt des Substrats 2 verbunden ist, der jener Abschnitt des Substrats 2 ist, der die Enden 2a und 2b nicht einschließt. Wie bei den Wärmeableitungselementen 10 bis 10d ist ein Ende 2a mit dem Wärmegenerator und das andere Ende 2b mit dem Wärmeableiter im Wärmeableitungselement 10e verbunden und somit kann die Wärme des Wärmegenerators (Wärmequelle) am Wärmeableiter abgeleitet werden. In dem Wärmeableitungselement 10e ist die poröse Schutzschicht 4 ferner in Längsrichtung am Zwischenabschnitt angeordnet und somit kann die Einwirkung von Wärme auf Komponenten um den Zwischenabschnitt reduziert werden.
  • (Experimentelles Beispiel)
  • Wie beschrieben wurde die poröse Schutzschicht durch Herstellen der Aufschlämmung aus Rohmaterialien, in der die primären Aluminiumoxidbestandteile (die Aluminiumoxidfasern und die plattenförmigen Aluminiumoxidpartikel), Cordieritpartikel, Aluminiumoxidsol, Acrylharz und Ethanol gemischt sind, Eintauchen des Substrats (Aluminiumnitrid, Metall) in die Aufschlämmung aus Rohmaterialien und anschließendes Trocknen und Brennen erhalten. In dem vorliegenden experimentellen Beispiel wurden die Anteile der Aluminiumoxidbestandteile und der Cordieritpartikel variiert und die resultierenden porösen Schutzschichten wurden nach dem Brennen beobachtet, um zu sehen, wie Mengen der Aluminiumoxidbestandteile die Eigenschaften der porös Schutzschicht beeinflussen.
  • Aufschlämmungen aus Rohmaterialien wurden insbesondere mit variierten Anteilen der Aluminiumoxidfasern, plattenförmigen Aluminiumoxidpartikel, Titandioxidpartikel und Cordieritpartikel, wie in 8 gezeigt, durch Mischen der Aluminiumoxidfasern, plattenförmigen Aluminiumoxidpartikel, Titandioxidpartikel und Cordieritpartikel, sodass die Summe 100 Masse-% beträgt, ferner Zufügen des Aluminiumoxidsols mit 10 Masse-% (1,1 Masse-% in der Aluminiumoxidmenge) und Acrylharz mit 40 Masse-% in äußerem Prozentsatz, sowie Einstellen der Viskositäten in den Aufschlämmungen durch Ethanol hergestellt. Die plattenförmigen Aluminiumoxidpartikel wurden in den Proben 6 und 9 bis 13 nicht verwendet und die Titandioxidpartikel wurden in den Proben 1 und 7 bis 12 nicht verwendet. Danach wurden die Aufschlämmungen aus Rohmaterialien auf Aluminiumnidridplatten (Substrate) aufgetragen, woraufhin die Aluminiumnitridplatten eine Stunde lang bei 200 °C in der atmosphärischen Umgebung getrocknet und dann drei Stunden lang bei 800 °C in der atmosphärischen Umgebung gebrannt wurden. Für jede der Proben wurde die Anzahl an Malen der Auftragung der Aufschlämmung aus Rohmaterialien (die Anzahl der Male des Eintauchens der Aluminiumnitridplatte) so eingestellt, dass eine poröse Schutzschicht mit etwa 1,2 mm auf der Aluminiumnitridplatte gebildet wurde. Bei Probe 10 wurde anstelle der Aluminiumnitridplatte eine Siliciumcarbidplatte als Substrat verwendet. Bei Probe 11 wurde anstelle der Aluminiumnitridplatte eine Siliciumnitridplatte als Substrat verwendet.
  • Es wurde das Aussehen der Proben nach dem Brennen beurteilt. Die Beurteilung des Aussehens erfolgte durch visuelles Prüfen auf Risse und/oder eine Ablösung. In 9 ist eine Probe, in der keine Risse und keine Ablösung beobachtet wurden, mit „○“ dargestellt und eine Probe, in der Risse und/oder eine Ablösung beobachtet wurden, ist mit „ד dargestellt.
  • Für jede der erzeugten Proben 1 bis 13 wurde ferner ein Anteil (Masse-%) der Aluminiumoxidbestandteile in der porösen Schutzschicht gemessen. Für die porösen Schutzschichten und Substrate wurden außerdem die Porositätsanteile (Vol.-%), die Wärmeleitfähigkeit und die Wärmeausdehnungskoeffizienten gemessen. Die porösen Schutzschichten und die Substrate wurden bei der Messung der Porositätsanteile, der Wärmeleitfähigkeit und der Wärmeausdehnungskoeffizienten separat gemessen. Für die Aluminiumoxidbestandteile wurden die Mengen an Aluminium mit einem ICP-Emissionsanalysator (hergestellt von Hitachi High-Tech Corporation, PS3520UV-DD) gemessen und diese Mengen wurden in Oxide (Al2O3) umgerechnet.
  • Jeder Porositätsanteil wurde mit der folgenden Formel (2) unter Verwendung eines Gesamtporenvolumens (cm3/g), gemessen mittels Quecksilberporosimeter nach JIS R1655 (Testverfahren für Porengrößenverteilung eines feinkeramischen Grünkörpers mittels Quecksilberporosimetrie), und einer scheinbaren Dichte (g/cm3), gemessen mit einem Densimeter vom Typ Gasverdrängung (hergestellt von Micromeritics Instrument Corp., AccuPyc 1330), berechnet:                Porosit a ¨ tsanteil ( % ) = Gesamtporenvolumen / { ( 1 / scheinbare Dichte ) + Gesamtporenvolumen } × 100
    Figure DE112020000384T5_0002
  • Jede Wärmeleitfähigkeit wurde durch Multiplizieren der Temperaturleitfähigkeit, spezifischen Wärmekapazität und Schüttdichte berechnet. Die Temperaturleitfähigkeit wurde mit einem Wärmekonstanten-Messgerät nach der Laser-Flash-Methode und die spezifische Wärmekapazität mit einem DSC (dynamisches Differenzkalorimeter) bei Raumtemperatur nach JIS R1611 (Messverfahren für Temperaturleitfähigkeit, spezifische Wärmekapazität und Wärmeleitfähigkeit für Feinkeramik nach der Flash-Methode) gemessen. Die Schüttdichte (cm3/g) wurde mit der folgenden Formel (3) berechnet. Für die Temperaturleitfähigkeit und die spezifische Wärmekapazität wurden Messproben für die Temperaturleitfähigkeit und Messproben für die spezifische Wärmekapazität hergestellt, indem die vorstehend genannten Aufschlämmungen aus Rohmaterialien zu Volumenkörpern mit einer Dicke von φ 10 mm × 1 mm bzw. Volumenkörpern mit einer Dicke von φ5 mm × 1 mm geformt, diese Volumenkörper dann bei 800 °C gebrannt und die Messproben gemessen wurden. Sch u ¨ ttdichte = scheinbare Dichte × ( 1 − Porosit a ¨ tsanteil ( % ) / 100 )
    Figure DE112020000384T5_0003
  • Für die Wärmeleitfähigkeit wurden Messproben durch Formen der vorstehend erwähnten Aufschlämmungen aus Rohmaterialien zu Volumenkörpern von 3 mm × 4 mm × 20 mm und anschließendes Brennen dieser Volumenkörper bei 800 °C hergestellt. Dann wurden die Messproben unter Verwendung eines thermischen Dilatometers nach JIS R1618 (Messverfahren der Wärmeausdehnung von Feinkeramik durch thermomechanische Analyse) gemessen. 9 zeigt die Messergebnisse.
  • Wie in 9 gezeigt, wurden in den Proben, die 15 Masse-% oder mehr an Aluminiumoxidbestandteilen enthielten (Proben 1 bis 11), keine Risse und keine Ablösung der porösen Schutzschichten nach dem Brennen beobachtet. In den Proben 12 und 13, die weniger als 15 Masse-% an Aluminiumoxidbestandteilen enthielten (6 Masse-%, 12 Masse-%), wurden hingegen Risse und/der eine Ablösung der porösen Schutzschichten nach dem Brennen beobachtet. Dieses Ergebnis deutet darauf hin, dass die Risse in den porösen Schutzschichten in den Proben 12 und 13 aufgetreten sind, weil die Bindungskraft zwischen den Keramiken (Partikel, Fasern) aufgrund des Anteils der Aluminiumoxidbestandteile von weniger als 15 Masse-% verringert war. Ferner ist bei der Probe 12 das Verhältnis des Wärmeausdehnungskoeffizienten der porösen Schutzschicht zu dem des Substrats im Vergleich zu den Proben 1 bis 11 klein (α1/α2=0,5), während bei der Probe 13 das Verhältnis des Wärmeausdehnungskoeffizienten der porösen Schutzschicht zu dem des Substrats im Vergleich zu den Proben 1 bis 11 groß ist (α1/α2=1,3). Dieses Ergebnis deutet darauf hin, dass sich die poröse Schutzschicht aufgrund des Unterschieds in der Wärmeausdehnung zwischen dem Substrat und der anorganischen porösen Schicht wahrscheinlich vom Substrat ablöst, wenn das Verhältnis des Wärmeausdehnungskoeffizienten der porösen Schutzschicht zu dem des Substrats (α1/α2) außerhalb eines vorgegebenen Bereichs (0,5<α1/α2<1,2) liegt. Wie oben wurde bestätigt, dass eine Verschlechterung, wie Risse und eine Ablösung, in der porösen Schutzschicht nach dem Brennen weniger wahrscheinlich ist, wenn die Aluminiumoxidbestandteile 15 Masse-% oder mehr der Bestandteile der porösen Schutzschicht ausmachen. Aus den Ergebnisse der Proben 5 und 12 wurde auch bestätigt, dass Risse und eine Ablösung selbst dann verhindert werden können, wenn der Anteil der Keramikfasern (Aluminiumoxidfasern) in der porösen Schutzschicht klein ist (5 Masse-%), solange die Porositätsanteile des Substrats und der porösen Schutzschicht auf geeignete Werte eingestellt sind, die poröse Schutzschicht Keramikfasern (Aluminiumoxidfasern) umfasst und die poröse Schutzschicht 15 Masse-% oder mehr an Aluminiumoxidbestandteilen umfasst.
  • Obwohl spezifische Beispiele der vorliegenden Offenbarung oben ausführlich beschrieben wurden, sind diese Beispiele lediglich veranschaulichend und schränken den Umfang der Patentansprüche nicht ein. Die in den Patentansprüchen beschriebene Technologie umfasst auch verschiedene Änderungen und Modifikationen an den oben beschriebenen spezifischen Beispielen. Die in der vorliegenden Beschreibung oder in den Zeichnungen erläuterten technischen Elemente bieten entweder unabhängig oder durch verschiedene Kombinationen einen technischen Nutzen. Die vorliegende Offenbarung ist nicht auf die zum Zeitpunkt der Einreichung der Patentansprüche beschriebenen Kombinationen beschränkt. Ferner ist der Zweck der durch die vorliegende Beschreibung oder die Zeichnungen illustrierten Beispiele, mehrere Aufgaben gleichzeitig zu erfüllen, und die Erfüllung einer dieser Aufgaben verleiht der vorliegenden Offenbarung einen technischen Nutzen.

Claims (9)

  1. Wärmeableitungselement, das dazu eingerichtet ist, an einer Wärmequelle erzeugte Wärme abzuleiten, wobei das Wärmeableitungselement Folgendes umfasst: ein Substrat mit einem Porositätsanteil von 5 Vol.-% oder weniger; und eine anorganische poröse Schicht, die auf einer Fläche des Substrats angeordnet ist, wobei die anorganische poröse Schicht einen Porositätsanteil von 25 Vol.-% oder mehr bis 85 Vol.-% oder weniger sowie eine niedrigere Wärmeleitfähigkeit hat als das Substrat, wobei die anorganische poröse Schicht Keramikfasern umfasst, und Aluminiumoxid 15 Masse-% oder mehr der Bestandteile der anorganischen porösen Schicht ausmacht.
  2. Wärmeableitungselement nach Anspruch 1, wobei eine Matrix der anorganischen porösen Schicht ein Material mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten von weniger als 5×10-6/K umfasst.
  3. Wärmeableitungselement nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Wärmeleitfähigkeit des Substrats im Bereich von 10 W/mK oder mehr bis 400 W/mK oder weniger liegt.
  4. Wärmeableitungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei ein Wärmeausdehnungskoeffizient des Substrats 11 × 10-6 /K oder weniger beträgt.
  5. Wärmeableitungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei ein Wärmeausdehnungskoeffizient der anorganischen porösen Schicht im Bereich von 1 × 10-6/K oder mehr bis 6× 10-6/K oder weniger liegt.
  6. Wärmeableitungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Wärmeableitungselement die folgende Formel (1) erfüllt, wobei α1 ein Wärmeausdehnungskoeffizient der anorganischen porösen Schicht ist und α2 ein Wärmeausdehnungskoeffizient des Substrats ist. 0,5 < α 1 / α 2 < 1,2
    Figure DE112020000384T5_0004
  7. Wärmeableitungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die anorganische poröse Schicht plattenförmige Keramikpartikel umfasst.
  8. Wärmeableitungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die anorganische poröse Schicht granuläre Partikel umfasst, die im Bereich von 0,1 µm oder mehr bis 10 µm oder weniger liegen.
  9. Wärmeableitungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 8, ferner umfassend eine Beschichtung, die auf einer Fläche der anorganischen porösen Schicht angeordnet ist, die einer Fläche davon gegenüberliegt, auf der das Substrat angeordnet ist.
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