Freie Fahrt für den Wärmetransport

In der Regel kombinieren Werkstoffe elektrische und thermische Leitfähigkeit oder sie isolieren sowohl gegen Stromfluss als auch gegen Wärme. Die Ingenieure von Freudenberg Sealing Technologies haben nun ein Elastomer entwickelt, das eine relativ hohe Wärmeleitfähigkeit mit elektrisch isolierenden Eigenschaften verbindet. Dazu kombinieren sie einen Silikonkautschuk mit speziellen Füllstoffen. Genutzt werden soll das neuartige Material vor allem in Bauteilen für Elektroautos, denn Halbleiter und andere stromführende Bauteile arbeiten nie vollständig verlustfrei. Die nicht für das Rechnen oder Schalten verwendete elektrische Energie muss als Abwärme in die Umgebungsluft oder an ein Kühlsystem abgegeben werden. Hierfür werden elektronische Bauteile beispielsweise in ein thermisch leitfähiges Aluminiumgehäuse montiert, die entweder per Kühlwasser oder per Konvektion die Wärme abtransportiert. Der Wärmetransport ist dabei umso effizienter, je enger die Leiterplatte an den Kühlkörper angebunden ist. Bereits eine für das menschliche Auge unsichtbare Oberflächenrauheit der Materialien kann die Wärmeleitfähigkeit entscheidend mindern.

Modifiziertes Silikon

Dass sich die Freudenberg-Experten für Silikon – einen im Automobilbau bislang eher selten verwendeten Werkstoff – als Grundmaterial entschieden haben, begründet Armin Striefler, Senior Application Manager bei Freudenberg Sealing Technologies, so: „Unser Werkstoff verliert seine Eigenschaften über einen sehr hohen Temperaturbereich von minus 50 bis plus 250 Grad Celsius nicht, ist dabei aber durch eine relativ geringe Kraft deformierbar.“ Spritzt man ihn auf eine Metalloberfläche, füllt er dort winzige, durch die Rauheit entstehende Lücken, was nicht nur den Wärmeübergang verbessert, sondern auch eine Haftung ohne zusätzliche Oberflächenbehandlung ermöglicht. Der von Freudenberg entwickelte Werkstoff besitzt eine hohe elektrische Durchschlagsfestigkeit von mindestens 20 Kilovolt pro Millimeter. Durch die Zugabe der Füllstoffe wird die Wärmeleitfähigkeit von 0,2 auf 1,5 bis zwei Watt pro Meter und Kelvin erzielt. Zum Vergleich: Luft verfügt bei Normalbedingungen über eine Wärmeleitfähigkeit von 0,026. Die Füllstoffe selbst sind spezielle Metallverbindungen, das Know-how von Freudenberg bezieht sich vor allem auf deren Kombination und die Weiterverarbeitung.

Perspektiven für das Elektroauto

Eine erste Serienanwendung für die neue Materialklasse könnte die Ladedose von Elektrofahrzeugen werden. Denn dort stehen die Autohersteller vor einer Herausforderung: Um mögliche Fehlfunktionen auszuschließen, soll einerseits der Ladestrom direkt am Stecker überwacht werden, wozu eine kontinuierliche Temperaturmessung dient. Anderseits müssen die Temperatursensoren elektrisch abgeschirmt werden, um einen Kurzschluss zu vermeiden. Eine Lösung: Die Temperatursensoren werden ebenso wie die Aufnahmen der Pins mit dem thermisch leitfähigen Silikon von Freudenberg umspritzt. Im gleichen Werkzeug wird auch die tragende Steckerplatte aus einem handelsüblichen Thermoplast hergestellt, so dass ein einziges montagefähiges Bauteil entsteht. Erste Prototypen für die Ladebuchse mit integrierter Sensorik werden derzeit von einem Autohersteller bereits getestet.

Eine weitere Anwendung für das Materials ist die gezielte Entwärmung von Steuergeräten, wie sie etwa zur Schaltung des Stromflusses zwischen Batterie und Antrieb eines Elektrofahrzeugs eingesetzt werden. Während die Leistungselektronik über das Aluminiumgehäuse entwärmt wird, strahlt die von den elektronischen Bauelementen abgegebene Wärme in der Regel nur in die Luft zwischen Leiterplatte und Gehäusewand ab. Hier kann das Silikon nun seine Vorteile voll ausspielen: Es kann als beliebiges dreidimensionales Formteil hergestellt werden und ermöglicht so den direkten Bauteilkontakt, obwohl sich die Komponenten in der Regel nicht auf dem gleichen Höhenniveau befinden. So kann der Wärmestrom direkt in das Gehäuse abfließen. Eine erste Anwendung in einem Batteriesteuergerät für ein hybridisiertes Nutzfahrzeug befindet sich bereits in der Testphase.

Für den Akku, Herz eines jeden Elektroautos, eröffnen die thermisch leitfähigen Elastomere von Freudenberg ebenfalls neue Perspektiven. Denn die Stromschienen, mit denen Akkumodule und Leistungselektronik verschaltet werden, produzieren bei schnellem Laden oder hohen Leistungsanforderungen während der Fahrt relativ viel Abwärme. Die Ingenieure von Freudenberg Sealing Technologies setzen nun auf ein Modul, in dem das thermisch leitfähige Silikon die Abwärme der Stromschienen direkt an das Gehäuse oder einen Kühlkörper abführt. Dadurch können die Leiterquerschnitte so stark reduziert werden, dass circa 50 Prozent des verwendeten Kupfers einzusparen sind. Das montagefreundliche Modul umfasst auch den Kunststoffträger für die mit dem Spezialsilikon umspritzten Stromschienen, in den die Buchsen für die Verschraubung bereits integriert sind. Erste Funktionsprototypen sollen noch in diesem Jahr erprobt werden.

„Wir stehen mit den Anwendungen für thermisch leitfähige Elastomere noch am Anfang“, sagt Joachim Heinemann, Technischer Direktor für Spezialdichtungen bei Freudenberg Sealing Technologies. „Dennoch ist jetzt schon zu erkennen: Die Kombination aus Wärmeleitfähigkeit und elektrischer Isolation hat hohes Potenzial, künftige Elektroauto-Generationen effizienter zu machen.