-
Die Erfindung betrifft ein wärmeleitendes Kunststoffelement, insbesondere zum Einsatz in der Flugzeug- und Raumfahrttechnik.
-
Für die Temperaturstabilisierung innerhalb von elektrisch oder hydraulisch betriebenen Geräten sowie von elektronischen Leistungsbausteinen werden alle Effekte des Wärmetransports ausgenutzt. Das sind Strahlung, Konvektion und Wärmeleitung. Ziel ist es, mit möglichst wenig Masse, geringem Raumbedarf und möglichst ohne zusätzliche Energie die Wärme vom zu kühlenden oder zum zu wärmenden Element ab- oder zuzuführen.
-
In den letzten Jahren haben sich Wärmerohre, so genannte Heat Pipes durchgesetzt, die bei relativ geringem Platzbedarf als passive Bauelemente einen sehr hohen Wärmedurchsatz gewährleisten. Auch die direkte Nutzung von hochwärmeleitfähigen, kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen (CFK) zum Wärmetransport ist bekannt.
-
Wird in der Raumfahrt ein Satellit im Weltraum abgesetzt, so müssen die Messinstrumente an bzw. in diesem Satellit auch unter extremsten Bedingungen funktionieren. So weist die Schattenseite des Satelliten eine wesentlich geringere Temperatur auf als die Sonnenseite. Daher ist es notwendig, die Bauelemente allein aufgrund ihrer eigenen Temperaturentwicklung zu kühlen, da sie sonst überhitzen und zerstört werden können. Ist nun ein Bauelement an oder in einem Satellit angeordnet, so unterliegt dieser extremsten Temperaturschwankungen, wenn keine Abhilfe geleistet wird. Ohne Einsatz zusätzlicher Energie können dafür keine Peltierelemente oder Kompressionskälteanlagen eingesetzt werden.
-
Um die insbesondere im Weltraum eingesetzten Bauelemente in einem akzeptablen Arbeitstemperaturbereich halten zu können, ist es neben vielen anderen Bedingungen auch wichtig, dass das Gewicht des oder der den Wärmetransport unterstützenden Elemente so gering wie möglich sein und einen geringen Raumbedarf aufweisen sollten, da jedes Instrument oder Element von der Erde in den Weltraum transportiert werden muss und dort funktionsfähig eingesetzt werden soll.
-
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine kostengünstige, effiziente Lösung bereitzustellen, die auf hochwärmeleitfähigem Kunststoff basiert, die gegenüber bisher eingesetzten Heat Pipes leichter ausführbar ist und insbesondere im Weltall zuverlässig und mit hoher Lebensdauer einsetzbar ist.
-
Die erfindungsgemäße Aufgabe wird dadurch gelöst, dass abstandsweise nebeneinander angeordnete, wärmeleitfähige Kohlenstofffaserstränge in eine Kunststoffmatrix derart eingebettet sind, dass sich die Einbettung zumindest teilweise über die Gesamtlänge der Kohlenstofffaserstränge erstreckt und ein stabförmiges Element bilden, an dessen beiden Enden jeweils ein metallisches Kontaktelement angeordnet ist, dass mit dem stabförmigen Element fest verbunden ist.
-
Faserstränge aus Kohlenstofffasern, die in hochwärmeleitfähigen Kunststoffmaterialien eingebettet sind, sind gegenüber herkömmlichen Wärmetransportmitteln wesentlich leichter und beständiger. Sie können je nach Bedarf in unterschiedlichen Längen und Breiten ausgebildet werden und können wie beispielsweise in Patentschrift
DE 103 35 210 beschrieben, auf einer trommelartigen Wickelvorrichtung aufgerollt in den Weltraum transportiert werden.
-
Der Einsatz der Erfindung ist auch in Bereichen des Bauwesens und der Nachrichtentechnik möglich.
-
Im Wesentlichen soll im Weltall die Senkung des Temperaturgradienten zwischen der sonnenzugewandten und der von der Sonne abgewandten Seite erreicht werden.
-
Die metallischen Kontaktelemente an beiden Enden des stabförmigen Elementes dienen der stofflichen Verbindung zwischen Wärmequelle und Wärmesenke. Damit werden die Kontaktwiderstände reduziert.
-
Nach einer vorzugsweisen Ausführungsform der Erfindung sind die Enden des stabförmigen Elementes metallisiert ausgebildet. Die Metallisierung der Enden erfolgt dabei mittels elektrochemischer oder chemischer Beschichtungsverfahren durch Vakuumbeschichten, Sputtern oder Kaltgasspritzen.
-
Damit wird eine unlösbare Verbindung zwischen den metallischen Kontaktelementen und der Kunststoffmatrix in die die Kohlenfaserstränge eingebettet sind, erreicht.
-
Ebenso vorteilhaft ist es, die Enden des stabförmigen Elementes mit einem Lot zu versehen, um eine Verbindung zwischen Wärmequelle und Wärmesenke mit möglichst geringem Kontaktwiderstand herzustellen.
-
Eine weitere Variante zur Herstellung der oben beschriebenen Verbindung ist, die Enden des stabförmigen Elementes direkt mittels Lötverbindung mit den metallischen Kontaktelementen miteinander fest zu verbinden.
-
Eine andere vorzugsweise Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung ist, dass die Enden des stabförmigen Elementes mittels Schweißverfahren, insbesondere Reibschweißverfahren mit den Kontaktelementen fest verbunden sind.
-
Auch dadurch wird ein geringer Wärmeübergangswiderstand erreicht.
-
Nach weiteren vorzugsweisen, erfindungsgemäßen Lösungen ist zum einen vorgesehen, dass die Kohlenstofffaserstränge über ihre Gesamtlänge in die Kunststoffmatrix eingebunden sind.
-
Damit wird ein steifer Verbund geschaffen, der neben seiner Funktion des Wärmetransportes auch die Funktion einer mechanischen Kraftaufnahme übernehmen kann.
-
Zum anderen ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Kohlenfaserstränge, über ihre Gesamtlänge in die Kunststoffmatrix eingebettet und einseitig gekrümmt ausgeführt sind.
-
Mit dieser Ausführung des wärmeleitenden Kunststoffelementes wird erreicht, dass das Element an unterschiedliche in Gestaltung und Größe ausgebildete Bauelemente angepasst werden kann, die temperaturstabilisiert werden sollen.
-
Eine weitere Ausführungsform ist, dass die Kohlenstofffaserstränge nur teilweise, vorzugsweise am oberen und am unteren Ende in die Kunststoffmatrix eingebettet sind.
-
Dadurch wird eine flexible Ausführung erreicht, die den Einsatzbedingungen angepasst werden kann.
-
Eine weitere vorteilhafte Ausführung der erfindungsgemäßen Lösung ist, dass das wärmeleitende Kunststoffelement zur Übertragung mechanischer Lasten und/oder zur Übertragung von elektrischen Strömen, insbesondere Arbeitsströmen, einsetzbar ist.
-
Damit wird erreicht, dass das Kunststoffelement neben seiner Funktion zur Temperaturstabilisierung weitere Funktionen übernehmen kann, nämlich die der Aufnahme von mechanischen Lasten und die der Übertragung von elektrischen Strömen.
-
Die Erfindung soll nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert werden
-
1 eine schematische Darstellung des wärmeleitenden Kunstoffelementes in linearer, steifer Ausführung,
-
2 eine schematische Darstellung des Kunststoffelements in gebogener, dem Anwendungsfall angepasster Ausführung,
-
3 eine schematische Darstellung des Kunststoffelements in flexibler Ausführung, mit teilweise offen liegenden, nicht in der Matrix eingebetteten Kohlenstofffasersträngen.
-
1 verdeutlicht das vorteilhafte Funktionselement in Stabform, welches sowohl Wärmetransport als auch mechanische Kraftaufnahme übernehmen kann.
-
Nach 1 besteht das wärmeleitende Kunststoffelement aus einem stabförmigen Element 1 aus wärmeleitfähigen Kohlenstofffasersträngen 2, die parallel zueinander zumindest teilweise in eine Kunststoffmatrix 3 linear und parallel zueinander eingebettet und beide Enden 4, 5 des so gebildeten stabförmigen Elementes 1 mit metallischen Kontaktelementen 6 verbunden sind.
-
Die Verbindung zwischen den Kontaktelementen 6 und den Enden 4, 5 des stabförmigen Elementes 1 kann mittels mehrerer Verfahren realisiert werden.
-
Die beiden Enden sind mit einer metallischen Schicht 7 versehen, um eine Verbindung zu den metallischen Kontaktelementen herstellen zu können, die einen geringen Kontaktwiderstand aufweisen. Die metallische Schicht 7 wird durch elektrochemische oder chemische Beschichtungsverfahren aufgebracht.
-
Möglich ist auch, die Enden 4, 5 mit einem Lot zu versehen und danach eine unlösbare Verbindung mit dem Kontaktelement 6 herzustellen.
-
Weitere Varianten sind das direkte Verlöten der Enden 4, 5 mit dem Kontaktelement, um eine feste Verbindung zum Kontaktelement 6 herzustellen, die durch Vakuumbeschichten, Sputtern oder Kaltgasspritzen metallisiert worden sind.
-
Um eine vielseitige Verwendung des wärmeleitenden Kunststoffelementes zu gewährleisten, sind mehrere Ausführungsformen möglich. Das stabförmige Element 1 kann sowohl vollständig, über seine gesamte Länge in die Kunststoffmatrix 3 eingebettet sein, als auch nur teilweise an seinem oberen und unteren Ende 4, 5. Das stabförmige Element 1 kann – um sich den Gegebenheiten und Formen der Bauelemente, die temperaturstabilisiert werden müssen, anpassen zu können – auch einseitig gekrümmt ausgeführt sein.
-
Je nach Einsatzfall und Ausbildung des wärmeleitenden Kunststoffelementes kann dieses zur Übertragung elektrischer Ströme und/oder zur Übertragung mechanischer Lasten eingesetzt werden.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- stabförmiges Element
- 2
- Kohlenstofffaserstrang
- 3
- Kunststoffmatrix
- 4
- Ende des stabförmigen Elementes
- 5
- Ende des stabförmigen Elementes
- 6
- metallisches Kontaktelement
- 7
- metallische Schicht
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
