HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gegenstand der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft generell die Wärmeabstrahlung eines zur
Wärmefreisetzung neigenden Fertigungsgegenstandes und insbesondere ein
Wärmeabstrahlelement zum Kühlen von zur Wärmefreisetzung neigenden, elektrischen
Bauteilen oder Maschinenwerkzeugen.
Beschreibung des Standes der Technik
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Es ist bekannt, daß zum Beispiel elektronische Hochleistungsbauteile, wie
beispielsweise Hochleistungstransistoren, generell mit einem Wärmeabstrahlelement bzw.
einem Kühlkörper aus Aluminium zum Verteilen der von ihnen während ihres
Betriebes freigesetzten Wärme ausgerüstet sind. Für den gleichen Zweck benutzen
bestimmte gedruckte Schaltungsplatinen, die darauf angeordnete IC- und/oder LSI-
Bauteile aufweisen und die Wärme abgeben, ein Substrat in der Form einer
metallischen Platte, die aus Aluminium und dgl. hergestellt ist. In beiden Fällen dient der
Kühlkörper und die metallische Platte als ein Wärmeabstrahlelement zum Kühlen
der Bauteile durch Verteilen der Wärme.
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Im allgemeinen wird ein aus Aluminium hergestelltes Wärmeabstrahlelement
verwendet, um die Wärme abzustrahlen, die in den zur Wärmefreisetzung
neigenden elektronischen Bauteilen entsteht und von diesen abgegeben wird. Von
verschiedenen Metallen weist Aluminium ein verhältnismäßig geringes spezifisches
Gewicht auf, das so gering ist, daß es einen Beitrag für die Gewichtsverringerung
des Bauteiles leistet. Aluminium besitzt darüber hinaus ausgezeichnete thermische
und elektrische Leitfähigkeitseigenschaften und wird daher als ein am häufigsten
bevorzugtes Material für das Wärmeabstrahlelement verwendet.
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Um dem heutigen Bedürfnis für eine weitere Reduktion der Größe der
elektronischen Bauteile zu begegnen und darüber hinaus eine hochdichte Integration der
elektrischen Bauteile zu realisieren, ist bei den im Augenblick verwendeten
Wärmeabstrahlelementen eine weitere Verringerung ihres Gewichtes und ihrer Größe
notwendig. Jedoch wird bei den aus Aluminium hergestellten
Wärmeabstrahlelementen die Dicke und die Größe der Aluminiumplatte, die als
Wärmeabstrahl
element verwendet wird, im allgemeinen in Abhängigkeit der dem Aluminium
eigentümlichen thermischen Leitfähigkeit bestimmt, so daß die Verringerung in der
Größe des Wärmeabstrahlelements begrenzt ist.
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Darüber hinaus sind die Einsatzmöglichkeiten des Wärmeabstrahlelements aus
Aluminium beschränkt. Insbesondere sind zur Miniaturisierung des
Schaltungssubstrats Versuche unternommen worden, ein flexibles Schaltungssubstrat aus einem
synthetischen Harz herzustellen. Das Schaltungssubstrat aus Aluminium kann für
solche Anwendungen nicht eingesetzt werden.
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In der Japanischen Patentanmeldung JP-A-5 097 418 wird vorgeschlagen, Graphit
in Form eines Blockes herzustellen. Gemäß dieser Veröffentlichung wird ein
hochorientierter Graphitblock durch Druckeinwirkung auf mehrere Materiallagen bei
hoher Temperatur erhalten.
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In der Japanischen Patentanmeldung JP-A-4 061 747 ist eine negative Elektrode
für eine Lithiumsekundärbatterie offenbart, in der eine Kohlenstoffaser verwendet
wird, um die Stabilität der Entladekapazität zu steigern. Die Kohlenstoffaser weist
einen Orientierungsfaktor FWHM im Bereich von 7-20deg auf.
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Die EP-A-0 296 019 offenbart eine Einrichtung, die ein Wärmeabstrahlelement für
gedruckte Schaltungsplatinen bildet, welches einen Graphitkern aufweist, der
durch Druck orientiert ist, um eine sehr hohe laterale Wärmeleitfähigkeit und eine
verhältnismäßig geringe Dichte zu erzielen. Dieser Kern wird durch zwei
außenliegende Häute gehalten, die aus Kohlenstoffaserfolien hergestellt sind, welche in
einer Epoxidharzmatrix eingebettet sind. Ein metallischer Rahmen, der aus Invar
hergestellt ist, verleiht der Einrichtung Steifigkeit.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung wurde entwickelt, um die vorstehend beschriebenen
Nachteile zu beseitigen.
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Es ist demzufolge Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes
Wärmeabstrahlelement zu schaffen, welches eine verringerte Größe und ein reduziertes
Gewicht aufweist.
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Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einem flexiblen
Schaltungssubstrat zu ermöglichen, gleichzeitig als Wärmeabstrahlelement zu
dienen.
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Zur Lösung dieser sowie weiterer Aufgaben wird ein Wärmeabstrahlelement zum
Kühlen eines Fertigungsgegenstandes vorgesehen, welches eine Wärmeleitbahn
aus einem hochorientierten Graphit enthält, wobei die Wärmeleitbahn ein mit dem
Fertigungsgegenstand verbundenes Ende sowie ein weiteres Ende aufweist, das
mit einem Wärmestrahler so verbunden ist, daß die Wärme, die von dem
Fertigungsgegenstand abgegeben wird, über die Wärmeleitbahn zum Wärmestrahler
geführt wird. Es ist weiterhin vorgesehen, daß das Graphit einen FWHM-Wert von
nicht größer als 20 Grad besitzt und daß die Wärmeleitbahn flexibel ist.
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Das so bereitgestellte Wärmeabstrahlelement kann ein Kühlkörper zum Kühlen von
zur Wärmefreisetzung neigender, elektronischer Bauteile oder
Maschinenwerkzeuge, ein Dichtelement zum Abdichten eines elektronischen Bauteils, ein
Verbindungselement zum Verbinden elektronischer Bauteile mit einem Wärmestrahler
oder einem Wärmeabstrahlelement sein, welches dazu geeignet ist, mit einem
Schaltungssubstrat verwendet zu werden, auf dem elektronische Bauteile montiert
werden sollen.
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Darüber hinaus kann vorzugsweise das Wärmeabstrahlelement eine flexible
Graphitbahn sein, die ein spezifisches Gewicht innerhalb eines Bereiches von 0,5 bis
1,5 besitzt.
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Da gemäß der vorliegenden Erfindung das Wärmeabstrahlelement aus einem
hochorientierten Graphit hergestellt ist, ist dessen Wärmeleitfähigkeit im Vergleich
zu der von Aluminium größer. Demzufolge kann das Wärmeabstrahlelement eine
verringerte Größe und ein verringertes Gewicht aufweisen.
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Wo der FWHM-Wert des Graphits nicht größer als 20 Grad ist, ist die Orientierung
des Graphits im großen Maße verstärkt und die Wärmeverteileigenschaft kann
gesteigert werden.
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Wo das Wärmeabstrahlelement als ein Kühlkörper zum Kühlen von elektronischen
Bauteilen verwendet wird, kann der Kühlkörper eine verringerte Größe und ein
verringertes Gewicht aufweisen. Wo darüber hinaus das Wärmeabstrahlelement als
ein Dichtelement zum Abdichten eines elektronischen Bauteils verwendet wird,
kann das Abdichtelement eine verringerte Größe und ein verringertes Gewicht
aufweisen. Wo das Wärmeabstrahlelement als ein Verbindungselement zum Verbinden
von elektronischen Bauteilen mit einem Wärmestrahler verwendet wird, kann das
Wärmeabstrahlelement in ähnlicher Weise nicht nur eine verringerte Größe und ein
verringertes Gewicht aufweisen, sondern kann wirksam die Wärme von den
elektronischen Bauteilen auf den Wärmestrahler übertragen, um eine effiziente
Kühlung der elektronischen Bauteile zu bewirken.
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Wo wiederum das Wärmeabstrahlelement mit einem Schaltungssubstrat verwendet
wird, kann das Schaltungssubstrat nicht nur eine verringerte Größe und ein
verringertes Gewicht aufweisen, sondern es findet eine effektive Wärmeverteilung in
dem Schaltungssubstrat statt, wodurch ein selbstkühlendes Substrat geschaffen
wird.
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Wenn ein Wärmeabstrahlelement in Form einer Graphitbahn, die flexibel ist und
darüber hinaus ein spezifisches Gewicht innerhalb des Bereiches von 0,5 bis 1,5
aufweist, als ein Schaltungssubstrat verwendet wird, kann das Schaltungssubstrat
eine entsprechende Flexibilität zeigen. Wenn ein derartiges Wärmeabstrahlelement
als ein Verbindungselement verwendet wird, kann nicht nur eine Verringerung an
Gewicht erzielt werden, sondern die Position der elektronischen Bauteile ist,
bezogen auf den Wärmestrahler, nicht limitiert.
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Wo das Wärmeabstrahlelement als ein Kühlkörper in einem zur Wärmefreisetzung
neigenden Maschinenwerkzeug verwendet wird, kann der Kühlkörper eine
verringerte Größe und ein verringertes Gewicht aufweisen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGSFIGUREN
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Die vorstehend erläuterten sowie weitere Aufgaben und Merkmale der vorliegenden
Erfindung werden aus der nachfolgenden Beschreibung der bevorzugten
Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungsfiguren
deutlicher zu Tage treten. In den Zeichnungsfiguren sind gleiche Bauteile durch
gleiche Bezugszeichen gekennzeichnet. Hierbei ist:
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Fig. 1 eine perspektivische Schemaansicht einer elektrischen
Leistungseinheit, die die vorliegende Erfindung aufweist;
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Fig. 2 eine schematische Schnittwiedergabe eines Leistungstransistors,
der in der in Fig. 1 gezeigten elektrischen Leistungseinheit
angeordnet ist;
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Fig. 3 eine Teilschnittansicht eines Schaltungssubstrats, welches in der
in Fig. 1 gezeigten elektrischen Leistungseinheit montiert ist;
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Fig. 4 eine zu Fig. 2 ähnliche Ansicht, welche ein weiteres bevorzugtes
Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wiedergibt;
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Fig. 5 eine schematische Draufsicht auf das Schaltungssubstrat, wobei
ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden
Erfindung wiedergegeben wird;
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Fig. 6 eine perspektivische Schemaansicht eines Maschinenwerkzeugs,
wobei eine weitere bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung wiedergegeben wird;
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Fig. 7 eine zu Fig. 6 ähnliche Ansicht, wobei eine Modifikation des
Maschinenwerkzeugs wiedergegeben ist;
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Fig. 8 eine zu Fig. 6 ähnliche Ansicht, wobei eine unterschiedliche
Modifikation des Maschinenwerkzeugs gezeigt ist;
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Fig. 9 eine schematische Schnittansicht in vergrößertem Maßstab der
Spitze des in Fig. 8 gezeigten Maschinenwerkzeugs; und
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Fig. 10 eine Teildraufsicht auf einen Schaftfräser, wobei eine weitere
bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung
wiedergegeben wird.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
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Es wird nun auf Fig. 1 Bezug genommen. Eine dort gezeigte elektrische
Leistungseinheit 1 weist verschiedene elektrische Bauteile, wie beispielsweise
Halbleiterelemente auf, die zwei IC-Leistungsbauteile 2, 3, verschiedene Kapazitäten,
verschiedene Widerstände und Transformatoren bzw. Wandler enthält. Diese
elektrischen Bauteile, welche entsprechende Anschlußstifte aufweisen, sind auf einer
Oberfläche einer Schaltungsplatine 4 montiert, wobei die Anschlußstifte an
gedruckten Schaltung kreisen angelötet sind, die an der gegenüberliegenden
Oberfläche dieser Schaltungsplatine 4 ausgebildet sind.
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Die Schaltungsplatine 4 besitzt eine im wesentlichen rechteckförmige Gestaltung
und einen Wärmestrahler 5 aus Aluminium, der an ihrem einen Ende in
Wärmeleitverbindung in der Weise angebracht ist, daß er senkrecht zu ihr ausgerichtet ist.
Der Wärmestrahler 5 besitzt eine Reihe von Wärmeverteil-Kühlrippen.
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Wie am besten aus Fig. 2 entnehmbar ist, besitzt der Leistungstransistor 2 ein
Substrat 10, eine Isolierschicht 11, die auf dem Substrat 10 gebildet ist, ein
Transistorelement 12, welches auf dem Substrat angeordnet ist, wobei die
Isolierschicht 11 zwischen ihm und dem Substrat 10 eingebracht ist, Anschlußstifte
13, die mit dem Transistorelement 12 über Leitungsdrähte verbunden sind, und ein
Abdichtgehäuse 14 zum Abdichten dieser Elemente auf dem Substrat 10. Das
Abdichtgehäuse 14 und das Substrat 10 sind mit einer Wärmeleitbahn 15
verbunden, die aus einem flexiblen Graphit hergestellt ist. Das Substrat 10 ist
wiederum mit dem Wärmestrahler 5 mittels eines Wärmeleitstreifens 16 verbunden,
welcher in der Form einer flexiblen Graphitbahn ausgebildet ist.
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Der Leistungstransistor 3 ist mit einem Kühlkörper 20 versehen, der mit einem
Substrat des Leistungstransistors verbunden ist. Dieser Kühlkörper 20 ist, wie dies
nachstehend noch im Detail erläutert werden wird, beispielsweise aus einer
pulverisierten Form von Graphit hergestellt, welches einen hohen Orientierungsgrad
besitzt (dieses Graphit wird nachstehend als hochorientiertes Graphit bezeichnet).
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Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel wird die Bahn oder das Pulver aus
hochorientiertem Graphit als ein Wärmeleitelement oder Kühlkörper verwendet, um
dem Wärmeabstrahlelement der vorliegenden Erfindung zu ermöglichen, mit
kompakter Größe und geringem Gewicht hergestellt zu werden.
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Wie aus Fig. 3 hervorgeht, besitzt die Schaltungsplatine ein Substrat 25, welches
aus Harz, wie beispielsweise Polyimid, verstärktes Epoxy, das darin verteilte
Glasfasern aufweist, oder Bakelite hergestellt ist, und ein Abstrahlsubstrat 27,
welches mit einer seiner sich flächig erstreckenden Seiten an einer sich ebenfalls
flächig ausdehnenden Seite des Harzsubstrats 25 angeklebt ist, wobei eine
Isolierschicht 26 zwischen ihm und dem Harzsubstrat 25 angeordnet ist. Das
Abstrahlsubstrat 27 ist in der Form einer gestalteten bzw. geformten Bahn aus
hochorientiertem Graphit hergestellt. Mehrere Stiftlöcher, von denen nur eines durch das
Bezugszeichen 30 gekennzeichnet ist, ist für den Durchgang der Anschlußstifte 13
in der Schaltungsplatine 4 ausgebildet, um sich vollständig durch das Harzsubstrat
25 und das Abstrahlsubstrat 27 zu erstrecken. Die Isolierschicht 26 ist nicht nur
an der benachbart zu dem Harzsubstrat 25 liegenden Oberfläche des
Abstrahlsub
strats 27 ausgebildet, sondern auch an dessen gegenüberliegender Oberfläche.
Entsprechende Segmente der Isolierschicht 26 an den gegenüberliegenden
Oberflächen des Abstrahlsubstrats 27 setzen sich zueinander über Abschnitte der
Isolierschicht 26 fort, wobei jeder Abschnitt auf der Wand eines Abschnitts jedes
Stiftloches 30 ausgebildet ist, das sich durch das Abstrahlsubstrat 27 erstreckt,
um einen elektrischen Kurzschluß zwischen den Anschlußstiften 13 und dem
Abstrahlsubstrat 27 zu vermeiden. Eine äußere Oberfläche des
Isolierschichtsegments, welche beabstandet von dem Abstrahlsubstrat 27 vorhanden ist, ist mit
einem Muster gedruckter Schaltungsdrähte 28 ausgebildet. Die Anschlußstifte 13,
die in die Stiftlöcher 30 eingeführt sind, werden bei dem Bezugszeichen 29 an
diese Schaltungsdrähte 28 angelötet. Wenn dies erwünscht ist, kann eine
elektroleitfähige Paste, wie beispielsweise eine Lotablagerung durch ein
Durchgangsloch vorgesehen werden, um eine elektrische Verbindung in einem
Mehrschichtsubstrat zu erzielen.
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Wie vorstehend erläutert worden ist, ist ein Ende der Schaltungsplatine 4 mit dem
Wärmestrahler 5 verbunden. Demzufolge kann die Wärme, die am meisten über die
Anschlußstifte 13 übertragen wird, über das Abstrahlsubstrat 27 effektiv zu dem
Wärmestrahler 5 übertragen werden, um eine Kühlung zu bewirken.
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Die Art und Weise, in der die elektrische Leistungseinheit gekühlt wird, wird nun
nachstehend erläutert.
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Angenommen, die elektrische Leistungseinheit 1 ist eingeschaltet, so daß die
Leistungstransistoren 2, 3 und die Transformatoren Wärme abgeben. Sobald der
Leistungstransistor 2 Wärme abgibt, wird ein Teil der so freigesetzten Wärme über
die Wärmeleitbahn 15 zu dem Abdichtgehäuse 14 und wiederum über das
metallische Substrat 10 und den Wärmeleitstreifen 16 zu dem Wärmestrahler 5
übertragen. Darüber hinaus wird die Wärme über die Anschlußstifte 13 und dem
Abstrahlsubstrat 27 zu dem Wärmestrahler 5 geführt. Demzufolge kann sogar
dann, wenn der Leistungstransistor 2 eine beträchtliche Wärmemenge abgibt,
dieser effektiv gekühlt werden. Es ist zu bemerken, daß, da bei diesen
Ausführungsbeispielen die Wärmeverteilung nicht über ein Wärmeabstrahlelement,
welches aus Aluminium hergestellt worden ist, erfolgt, das Abdichtgehäuse 14, der
Wärmeleitstreifen 16 und das Wärmeabstrahlsubstrat 27 mit kompakter Größe und
geringem Gewicht hergestellt werden können.
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Auf der anderen Seite wird die von dem Leistungstransistor 3 abgegebene Wärme
teilweise über den Kühlkörper 20 in die Luft verteilt und teilweise über die
Anschlußstifte zu dem Abstrahlsubstrat 27 geführt. Die so zu dem Abstrahlsubstrat
27 geführte Wärme wird wiederum zu dem Wärmestrahler 5 geleitet, bevor sie in
die Luft verteilt bzw. an diese abgegeben wird. Da der Kühlkörper 20 aus einem
Graphitpulver hergestellt und in der Form einer
Wärmeabstrahl-Kühlrippenanordnung ausgebildet ist, um eine effektive Wärmeverteilung zu erzielen, kann der
Kühlkörper 20 im Vergleich zu dem aus Aluminium hergestellten Kühlkörper mit
kompakter Größe und geringem Gewicht gefertigt werden.
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Bei dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, das in den Fig.
1 bis 3 gezeigt ist, ist das erfindungsgemäße Wärmeabstrahlelement in der Weise
beschrieben worden, daß es in Verbindung mit den elektrischen Bauteilen
verwendet wird, welche dazu neigen, Wärme während ihres Betriebes abzugeben.
Jedoch ist die vorliegende Erfindung in gleicher Weise bei einem
Maschinenwerkzeug anwendbar, welches nachstehend erläutert wird.
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Es wird nun auf Fig. 6 Bezug genommen, die ein zweites bevorzugtes
Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt und in der ein Maschinenwerkzeug
in der Form eines Drehzahns bzw. Drehmeißels gezeigt ist. Der dargestellte
Drehmeißel weist einen im wesentlichen stabförmigen Schaft 35, der aus einem
hochorientierten Graphit hergestellt ist, und ein metallisches Schneidblättchen 36 auf,
das an der Spitze des Schaftes 35 angebracht ist. Die den Schaft 35 bildenden
Graphitkristalle sitzen auf Orientierungsebenen, die in einer Richtung parallel zu der
Richtung ausgerichtet sind, in der die Wärme geleitet wird. Das Schneidblättchen
36 besitzt eine Spitze, in der ein Diamantchip 37 eingesetzt ist. Bei diesem
Schneidmeißel wird die während des Bearbeitungsvorganges in dem Diamantchip
37 erzeugte Wärme über das Schneidblättchen 36 zu dem Schaft 35 geführt und
anschließend von einem hinteren Ende des Schaftes 35, welches entfernt von dem
Schneidblättchen 36 vorhanden ist, abgestrahlt bzw. verteilt. Da bei diesem
Beispiel der Schaft 35 aus einem hochorientierten Graphit mit exzellenten
Eigenschaften hinsichtlich der Wärmeleitfähigkeit hergestellt ist, kann nicht nur das
Maschinenwerkzeug mit kompakter Größe und geringem Gewicht hergestellt
werden, sondern darüber hinaus eine wirksame Wärmeverteilung erzielt werden.
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Ähnliche Effekte können sogar dann erzielt werden, wenn, wie in Fig. 7 gezeigt
ist, der Schaft aus Metall hergestellt ist und das Schneidblättchen 36 aus einem
hochorientierten Graphit gefertigt ist. Bei dem in Fig. 7 gezeigten Beispiel wird die
in dem Diamantchip 37 freigesetzte Wärme zum Teil über das Schneidblättchen 36
und zum Teil über den Schaft 35 verteilt.
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Bei einem in Fig. 8 gezeigten Beispiel ist eine Bahn 38 aus hochorientiertem
Graphit zwischen dem Schneidblättchen 36 und dem Schaft 35 so sandwichartig
aufgenommen, daß sie in Kontakt mit dem Diamantchip 37 steht. Die hierbei
verwendete Graphitbahn 38 erstreckt sich von einem Ende einer Lücke zwischen
dem Schneidblättchen 36 und dem Schaft 35 benachbart dem Diamantchip 37 in
Richtung zu dem dieser Lücke gegenüberliegenden Ende und erstreckt sich,
nachdem es an der Rückseite des Schneidblättchens 36 umgebogen worden ist, um
sich nach oben zu erstrecken, über den Schaft 35. Wie am besten aus Fig. 9
hervorgeht, steht das vordere Ende der Graphitbahn 38 in einem Kontaktbereich der
Graphitbahn 38 mit dem Diamantchip 37 in Kontakt mit oberen und hinteren
Oberflächen des Diamantchips 37, wobei seine Graphitkristalle so orientiert sind,
daß sie mit einer Horizontalebene fluchten. Darüber hinaus ist ein hinteres Ende der
Graphitbahn 39 schräg verlaufend ausgebildet, um die Wärmeverteilung zu
erleichtern.
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In jedem der vorstehenden Beispiele können alle Elemente des Drehmeißels mit
Ausnahme des Diamantchips 37 aus einem hochorientierten Graphit hergestellt
sein.
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Fig. 10 zeigt ein drittes, bevorzugtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden
Erfindung, bei dem das Konzept der vorliegenden Erfindung bei einem Schaftfräser
für eine Fräsmaschine angewendet worden ist. Der dargestellte Schaftfräser weist
einen schraubenförmig gerippten Schaft 40 und ein Kühlelement 43 auf, welches
als ein Wärmeabstrahlelement dient. Das Kühlelement 43 besitzt eine flexible
Graphitbahn 41 mit einer Dicke von 10 bis 100 Mikron, welche um einen oberen
Abschnitt des Schaftfräsers 40 herumgewickelt ist, um im wesentlichen eine
Ringform anzunehmen, und mehrere flexible Graphitstreifen 42, welche sich
sämtlich spiralförmig von der ringförmigen Graphitbahn 41 nach unten erstrecken,
wobei jeder Graphitstreifen 42 zwischen benachbarten Spiralklingen bzw.
Schneidkanten des Schaftfräsers 40 positioniert ist. Bei diesem Aufbau wird die in den
Schneidspitzen bzw. Schneidkanten des Schaftfräsers 40 erzeugte Wärme über die
Graphitstreifen 42 zu der Graphitbahn 41 geführt, bevor sie an die Luft abgegeben
wird. Demzufolge kann der Schaftfräser 40 wirksam gekühlt werden, wobei die
Kühlflüssigkeit, welche zum Kühlen des Schaftfräsers 40 notwendig ist, verringert
wird.
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Ein hochorientiertes Graphitmaterial, welches für das Wärmeabstrahlelement der
vorliegenden Erfindung verwendet wird, kann ein hochkristallisiertes Graphit sein,
welches Graphitkristalle aufweist, die in eine Richtung orientiert sind. Ein
hochkristallisiertes Graphit, das eine Sperr- bzw. Verblockungseigenschaft von nicht
größer als 20 Grad aufweist (ein FWHM-Wert, der unter Verwendung von
Röntgenstrahlen gemessen wird), wird bevorzugt. Das Graphitmaterial kann ein solches
sein, das durch Laminieren von Kohlenstoffatomen auf ein Substrat mittels einer
chemischen Dampfablagerungstechnik unter Verwendung von
Kohlenwasserstoffgas und durch anschließendes Glühen des Substrates erhalten wird, oder kann in
der Form einer graphitisierten Schicht aus einer spezifischen
Polymerzusammensetzung gebildet sein. Jedoch wird die Verwendung der graphitisierten Schicht der
Polymerzusammensetzung infolge ihrer ausgezeichneten thermischen Leitfähigkeit
bevorzugt. Die Sperreigenschaft, auf die in der Beschreibung Bezug genommen
wird, wird mit einem Spitzenwert der Graphit-(0002)-Zeilen unter Verwendung
eines kommerziell verfügbaren Rigaku Denki RU-200B
Röntgenstrahlendiffraktometer gemessen.
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Die vorstehend erwähnte Polymerverbindung bzw. Polymerzusammensetzung kann
eine solche sein, die aus der Gruppe bestehend aus Polyoxadiazolen (PODs),
Polybenzthiazolen (PBT), Polybenzbisthiazol (PBBT), Polybenzoxazolen (PBO),
Polybenzbisoxazolen (PBBO), verschiedenen Polyimiden (Pls), verschiedenen
Polyamiden (PAs), Polyphenylbenzimidazolen (PBI), Polyphenylbenzbisimidazolen
(PPBI), Polythiazolen (PT) und Polyparaphenylvinylen (PPV) ausgewählt wird.
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Die vorstehend erwähnten Polyoxadiazole enthalten Polyparaphenylen-1,3,4-
oxyadiazol und ihre Isomere.
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Die vorstehend erwähnten Polyimide enthalten aromatische Polyimide, die durch
die folgenden allgemein chemischen Gleichung gekennzeichnet sind.
[Formel 1]
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[Formel 2]
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R&sub1; =
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[Formel 3]
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R&sub2; =
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Die vorstehend erwähnten Polyimide enthalten aromatische Polyimide, die durch
die folgende allgemeine chemische Gleichung ausdrückbar sind:
[Formel 4]
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Jedes der Polyimide und der Polyamide, welche bei der vorliegenden Erfindung
verwendet werden können, sind nicht auf die durch die vorstehend angegebenen
allgemeinen Formeln beschränkt.
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Jede geeignete Glühbedingung kann verwendet werden, um eine Schicht der
Polymerzusammensetzung zu graphitisieren, jedoch wird ein Glühen bzw.
Calcinieren mit einer Temperatur, die ausreicht, um die Schicht der
Polymerzusammensetzung auf 2000ºC oder höher, vorzugsweise auf einen Temperaturbereich von
ca. 3000ºC zu erhitzen, bevorzugt, um die hochorientierte, graphitisierte Schicht
zu erzeugen. Dieses Glühen wird generell unter der Atmosphäre eines inerten
Gases ausgeführt. Um jeden möglichen Einfluß zu unterdrücken, der infolge der
Gase entstehen kann, die während der Graphitisierung erzeugt werden, welche
unter einer unter Druck stehenden Atmosphäre während des Glühens ausgeführt
wird, ist es bevorzugt, daß die Schicht der Polymerzusammensetzung eine Dicke
nicht größer als 5 um aufweist. Der während des Glühens verwendete Druck kann
sich in Abhängigkeit der Dicke der Schicht der Polymerzusammensetzung
verändern, jedoch ist im allgemeinen bevorzugt, daß er innerhalb des Bereiches von
0,1 bis 50 kg/cm² liegt. Wo das Glühen mit einer maximalen Temperatur nicht
höher als 2000ºC ausgeführt wird, würde das sich ergebende Graphit hart und
fragil sein. Das Glühen kann, falls dies notwendig ist, von einem Walzen gefolgt
werden. Die Graphitisierung der Schicht der Polymerzusammensetzung kann durch
Schneiden der Schicht der Polymerzusammensetzung auf eine gewünschte Größe,
um mehrere, beispielsweise ca. 1000, geformte Bahnen der
Polymerzusammensetzung zu bilden, durch Laminieren der 1000 geformten Bahnen aufeinander, um
eine laminare Struktur zu erzielen, und durch Einbringen der laminaren Struktur in
setzung zu bilden, durch Laminieren der 1000 geformten Bahnen aufeinander, um
eine laminare Struktur zu erzielen, und durch Einbringen der laminaren Struktur in
einen Glühofen, um sie auf eine Temperatur von 3000ºC zum Initiieren der
Graphitisierung zu erhitzen, ausgeführt werden. Nach dem Glühen kann, falls dies so
gewünscht ist, das sich ergebende Graphitmaterial gewalzt werden.
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Das sich ergebende, hochorientierte Graphitmaterial kann in der Form einer
Schicht, einer Bahn oder einer Platte vorliegen. Darüber hinaus kann es eine
Flexibilität aufweisen. Beispielsweise besitzt das hochorientierte Graphitmaterial,
das nicht flexibel ist und das durch Glühen des aromatischen Polyimids erhalten
wird, ein spezifisches Gewicht von 2,25 (im Vergleich zu dem spezifischen
Gewicht von 2,67, das Aluminium zeigt), eine Wärmeleitfähigkeit von 860 kcal/-
m·h·ºC (das 2,5-fache von Kupfer und das 4,4-fache von Aluminium) mit Bezug
auf die Richtung einer A-B-Ebene (die Richtung, in der sich die Orientierungsebenen
der Kristalle erstrecken), eine elektrische Leitfähigkeit von 250 000 S/cm mit
Bezug auf die Richtung der A-B-Ebene und ein Elastizitätsmodul von 84 300
kgf/mm² mit Bezug auf die Richtung der A-B-Ebene.
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Obwohl das hochorientierte, flexible Graphitmaterial ein spezifisches Gewicht (0,5
bis 1,5) aufweist, das kleiner als das spezifische Gewicht des hochorientierten,
unflexiblen Graphitmaterials ist, ändert sich die Wärmeleitfähigkeit nicht in gleicher
Weise und es kann in jede gewünschte Form, beispielsweise in einen
Wärmeleitstreifen, in eine Wärmeleitbahn oder in ein Wärmeleitsubstrat gebracht werden.
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Daher wird das hochorientierte Graphitmaterial mit Flexibilität mehr bevorzugt.
Wo das hochorientierte Graphitmaterial in der Form einer Schicht verwendet wird,
besitzt eine Schicht der Polymerzusammensetzung, die als ein Material hierfür
verwendet wird, vorzugsweise eine Dicke von nicht größer als 400 um und liegt
weiter vorzugsweise innerhalb des Bereiches von 5 bis 200 um. Wenn die Schicht
der Polymerzusammensetzung die obere Grenze von 400 um überschreitet, zerfällt
die Schicht unter dem Einfluß von Gasen, die im Inneren der Schicht während der
Wärmebehandlung erzeugt werden, in Teile und kann kaum einstückig als ein
Material für gute Elektroden verwendet werden.
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Jedoch kann sogar das Graphitmaterial im zerfallenen Zustand eine nützliche
Graphitschicht bilden, die Orientierungsebenen aufweist, die miteinander
ausgerichtet sind, wenn es mit einem Fluorharz, wie beispielsweise Polytetrafluoroäthylen,
welches als Teflon bekannt ist, vermischt wird, um ein Verbundmaterial zu bilden.
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Darüber hinaus kann das hochorientierte Graphitmaterial, das vorstehend erläutert
worden ist, nachdem es pulverisiert worden ist, um ein schuppenförmiges Pulver
zu bilden, mit einem Polymerharz, wie beispielsweise einem Fluorharz vermischt
werden, um ein Verbundmaterial zu bilden, welches anschließend verwendet
werden kann, um den Kühlkörper 20, das Abdichtgehäuse 14 oder den Schaft 35
zu bilden. In dem Fall des Verbundmaterials liegt das Gewichtsverhältnis des
Graphitmaterials zu dem Polymermaterial vorzugsweise im Bereich von 50 : 1 bis
2 : 1. Wenn das Wärmeabstrahlelement durch Extrudieren des Verbundmaterials
hergestellt wird, werden die Kohlenstoffkristalle in einer Richtung senkrecht zu der
Extrudierrichtung orientiert, so daß das sich ergebende Wärmeabstrahlelement eine
bevorzugte Wärmeleitfähigkeit in diese Richtung zeigt.
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Obwohl die vorliegende Erfindung in Verbindung mit den bevorzugten
Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungsfiguren erläutert
worden ist, ist zu bemerken, daß verschiedene Änderungen und Modifikationen für
den Fachmann erkennbar sind. Beispielsweise kann das Substrat 10 des
Leistungstransistors 2 aus Harz, Metall oder hochorientiertem Graphitmaterial hergestellt
sein, während das aus Harz hergestellte Abdichtgehäuse 14 für bloße IC-Bauteile
eine Oberfläche aufweist, die mit dem Wärmeleitstreifen 16 verbunden ist, wie es
in Fig. 4 gezeigt ist.
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Wo darüber hinaus ein flexibles Schichtsubstrat 33 für die Schaltungsplatine
verwendet wird, kann eine flexible Graphitbahn 34 eingesetzt werden, welche mit
dem flexiblen, elektronische Bauteile 32 aufweisenden Schichtsubstrat 33
zusammengefügt ist. In diesem Fall kann durch Biegen des Schichtsubstrats 30 das
durch das Substrat 30 beanspruchte Raumvolumen verringert werden.
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Weiterhin ist die vorliegende Erfindung in gleicher Weise auf ein
Wärmeabstrahlelement anwendbar, das mit einer einseitig ausgebildeten Schaltungsplatine
verwendet wird, die verschiedene elektronische Bauteile besitzt, welche nur auf
einer Oberfläche montiert sind, oder einer zweiseitig ausgebildeten
Schaltungsplatine verwendet werden, die verschiedene elektronische Bauteile aufweist,
welche an beiden Oberflächen montiert sind.
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Schließlich können die elektronischen Bauteile, die Wärme abgeben, nicht nur auf
die Leistungstransistoren beschränkt sein, sondern sie können Halbleiterbauteile,
wie beispielsweise MPU, Widerstände, Kapazitäten, Transformatoren und jedes
andere Bauteil umfassen, das Wärme abstrahlt.
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Demzufolge werden diese Änderungen und Modifikationen so verstanden, daß sie
innerhalb des Geistes der vorliegenden Erfindung liegen, wie er durch die
beigefügten Ansprüche definiert ist, solange sie sich nicht hiervon entfernen.