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Die Erfindung betrifft ein Biegewandlermodul, eine Kühlvorrichtung und ein Elektronikmodul.
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Piezoelektrische Biegewandlermodule, umfassend ein piezoelektrisches Biegeelement und eine Einspannung, werden beispielsweise als piezoelektrische Wedler eingesetzt, wobei durch Anlegen einer sinusförmigen elektrischen Spannung an das piezoelektrische Biegeelement im Frequenzbereich des hörbaren Schalls beziehungsweise des Infraschalls (etwa 10 Hz bis 1 KHz) das Biegeelement des Biegewandlermoduls zu Biegeschwingungen angeregt wird, dessen Frequenz in der Regel der niedrigsten Biegemode des Biegewandlers entspricht. Insbesondere bei Biegeelementen in Form von Biegebalken wird infolge der periodischen Bewegung des Biegeelement eine gleichmäßige Luftströmung, etwa in Richtung der Längserstreckung des Biegebalkens, erzeugt. Diese Luftströmung lässt sich bei Kühlkörpern in Kühlvorrichtungen von Elektronikmodulen dazu einsetzen, um durch Anströmung von Kühlrippen die Kühlleistung der Kühlkörper zu erhöhen. Im Vergleich zu rein passiven Maßnahmen zur Kühlung kann mittels piezoelektrischer Biegewandlermodule eine Verringerung des Bauvolumens von Elektronikmodulen sowie eine Verbesserung der Energiebilanz, etwa durch die Verbesserung der regelmäßig stark temperaturabhängigen Effizienz von Halbleiterbauteilen, erreicht werden.
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Bei mit Lüftern betriebenen Elektronikmodulen wurden Verbesserungen bislang durch Optimierung der thermischen oder strömungsdynamischen Ausgestaltung des Elektronikmoduls erreicht. Jedoch sind herkömmliche Lüfter in ihrer Lebensdauer begrenzt und erreichen beispielsweise nicht die Lebensdauern von Elektronikbauteilen wie beispielsweise LED-Leuchten hoher Leistung (regelmäßig mindestens 30.000 Stunden). Ferner ist bei Elektronikmodulen häufig eine Kühlung durch Lüfter, welche typisch eine störende Lärmemission bedingen, nicht zweckmäßig. Alternative Lösungen hingegen erreichen noch nicht die geforderte Kühleffizienz.
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Auch piezoelektrische Biegewandler erreichen regelmäßig nicht die Lebensdauern, welche bei elektronischen Bauteilen wie beispielsweise LEDs, üblich sind.
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Biegewandlermodul, eine Kühlvorrichtung und ein Elektronikmodul anzugeben, welche effizient und mit hoher Lebensdauer betreibbar sind.
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Diese Aufgabe der Erfindung wird mit einem Biegewandlermodul mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen, mit einer Kühlvorrichtung mit den in Anspruch 7 angegebenen Merkmalen sowie mit einem Elektronikmodul mit den in Anspruch 8 angegebenen Merkmalen gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den zugehörigen Unteransprüchen, der nachfolgenden Beschreibung und der Zeichnung.
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Das erfindungsgemäße Biegewandlermodul weist ein piezoelektrisches Biegeelement und eine Einspannung auf, in welcher das Biegeelement eingespannt ist. Dabei weist das Biegeelement einen freien, maximal auslenkbaren Teil auf und zumindest ein Teil der Einspannung weist eine in Richtung des maximal auslenkbaren Teils abnehmende Steifigkeit gegenüber der Biegung des Biegeelements auf.
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Erfindungsgemäß kann ein vorzeitiger Bruch eines piezoelektrischen Biegeelements nach vergleichsweise kurzer Betriebsdauer verhindert werden. Ursache für einen solchen Bruch sind bei herkömmlichen Biegewandlermodulen insbesondere mechanische Spannungen im Bereich der Einspannung. Diese treten bei Betrieb mit einem für ausreichende Kühlung genügend hohen Luftdurchsatz auf, wobei den kritischen Spannungen für piezokeramische Spannungen überschritten werden. Mechanische Spannungen werden durch die erfindungsgemäße Ausbildung der Einspannung erheblich reduziert.
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Bei dem erfindungsgemäßen Biegewandlermodul ist das Biegeelement bevorzugt ein Biegebalken. Gerade Biegebalken finden als piezoelektrisches Biegeelement Verwendung in piezoelektrischen Wedlern.
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Zweckmäßig wird bei dem Teil der Einspannung des erfindungsgemäßen Biegewandlers die Steifigkeit gegenüber der Biegung des Biegeelements mittels Geometrie der Einspannung und/oder mittels Materialeigenschaften der Einspannung bestimmt.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Biegewandlermoduls liegt der Teil der Einspannung zumindest in einer oder mehreren Auslenkrichtungen des Biegeelements an diesem an. Dieser Teil der Einspannung weist eine in Richtung auf den biegefähigen Teil des Biegeelements hin abnehmende Breite in Auslenkrichtung auf.
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Unter einer Auslenkrichtung im Sinne dieser Erfindung ist diejenige Raumrichtung zu verstehen, in welche sich ein maximal auslenkbarer Teil des Biegelements, insbesondere das freie Ende eines einseitig eingespannten Biegebalkens, aus seiner nicht ausgelenkten Lage heraus auszulenken beginnt.
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In dieser Weiterbildung weist der zumindest eine Teil der Einspannung infolge der abnehmenden Breite eine abnehmende Steifigkeit gegenüber der Biegung des Biegeelements in Auslenkrichtung des Biegeelements auf. Im Sinne dieser Erfindung wird Auslenkungsrichtung nicht notwendigerweise als vorzeichenbehaftete Größe betrachtet. Beispielsweise steht die Auslenkungsrichtung bei einem einseitig eingespannten und lang und flächig ausgebildeten Biegewandler regelmäßig senkrecht auf den Flachseiten des Biegewandlers. Dabei bewegt sich das freie Ende des Biegebalkens periodisch in zwei entgegengesetzte Richtungen entlang einer Achse, welche senkrecht auf den Flachseiten steht. Im Sinne dieser Erfindung wird jede dieser einander entgegengesetzten Richtungen als Auslenkrichtung verstanden.
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Eine in Richtung auf den maximal auslenkbaren Teil des Biegeelements hin abnehmende Breite in Auslenkrichtung des Teils der Einspannung ist in einer bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Biegewandlermoduls derart realisiert, dass der Teil der Einspannung eine Schichtstruktur mit mindestens zwei in Richtung der Auslenkrichtung aufeinander folgenden Schichten aufweist, wobei sich eine Schicht der Schichtstruktur um so weiter in Richtung auf den maximal auslenkbaren Teil hin erstreckt, je näher die Schicht dem Biegeelement ist. Auf diese Weise ist die abnehmende Breite des Teils der Einspannung gewissermaßen stufenweise mittels der Schichtstruktur realisiert.
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Alternativ oder zusätzlich kann eine abnehmenden Breite auch kontinuierlich realisiert sein.
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In einer besonders bevorzugten Weiterbildung der Erfindung weist bei dem Biegewandlermodul der zumindest eine Teil der Einspannung vom Biegeelement aus betrachtet senkrecht zu einer der Einspannung nahen, insbesondere lokalen, Biegeachse jeweils eine konkave Querschnittskontur auf.
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Eine solch konkave Querschnittskontur ist zweckmäßig mittels einer Flüssigkeit geeigneter Viskosität gebildet, die einen Meniskus mit entsprechender Form ausbildet, insbesondere bei Eintauchen des Biegeelements in diese Flüssigkeit. Zweckmäßigerweise ist eine Flüssigkeit herangezogen, welche nach der Fertigung geeignet erstarrt.
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Vorteilhafterweise ist die konkave Querschnittskontur so gewählt, dass die Steifigkeit des Teils der Einspannung in Richtung auf den freien Teil derart graduell abnimmt, dass die mechanische Spannung des Biegeelements in der Richtung auf den maximal auslenkbaren Teil hin verteilt und somit auf ein unkritisches Maß reduziert wird. Die Formgebung des zumindest einen Teils wird insbesondere so eingestellt, dass sich eine gleichmäßige Verteilung der mechanischen Spannung im Bereich der Einspannung ergibt und dass am Ende der Einspannung keine mechanische Spannungsspitze auftritt. Zweckmäßigerweise ist die Form der Querschnittskontur mittels Finite-Elemente-Methoden optimiert.
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Alternativ oder zusätzlich zu einer über die Geometrie der Einspannung realisierten abnehmenden Steifigkeit des Teils der Einspannung in Richtung des maximal auslenkbaren Teils wie oben erläutert kann eine solche abnehmende Steifigkeit auch über die Materialeigenschaften der Einspannung verwirklicht sein:
So liegt in einer bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Biegewandlermoduls der zumindest eine Teil der Einspannung zumindest in Richtung einer oder mehrerer Auslenkrichtungen des Biegeelements an diesem an, wobei der Teil der Einspannung ein in Richtung auf den maximal auslenkbaren Teil hin abnehmendes Elastizitätsmodul, zumindest in Auslenkrichtung, aufweist. Insbesondere weist dazu der Teil der Einspannung eine Schichtstruktur auf, welche eine Schichtfolge in Richtung auf den maximal auslenkbaren Teil hin aufweist. In Richtung auf den maximal auslenkbaren Teil hin nimmt das Elastizitätsmodul einer in Richtung auf den maximal auslenkbaren Teil hin folgenden Schicht im Vergleich zu einer vorhergehenden Schicht ab.
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Geeigneterweise ist der Teil der Einspannung mittels aufeinander geschichteter Platten, insbesondere gleicher flächiger Erstreckungen, gebildet, welche die Schichtfolge bilden.
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Die erfindungsgemäße Kühlvorrichtung zum Kühlen eines elektronischen Bauteils umfasst ein erfindungsgemäßes Biegewandlermodul wie zuvor beschrieben und einen Kühlkörper, wobei das Biegewandlermodul zur Verursachung einer auf dem Kühlkörper gerichteten Luftströmung ausgebildet und angeordnet ist.
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Das erfindungsgemäße Elektronikmodul weist ein elektronisches Bauteil, insbesondere ein Leistungsbauteil, sowie eine erfindungsgemäße Kühlvorrichtung wie zuvor beschrieben auf, welche zur Kühlung des Bauteils ausgebildet und angeordnet ist.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:
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1 ein Biegewandlermodul des Standes der Technik mit einem Biegebalken und einer Einspannung schematisch im Längsschnitt,
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2 ein erfindungsgemäßes Biegewandlermodul mit einer Einspannung mit einer Schichtstruktur in Auslenkrichtung des Biegebalkens schematisch im Längsschnitt,
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3 ein erfindungsgemäßes Biegewandlermodul mit einem Biegebalken und mit einer Einspannung mit einer konkaven Querschnittskontur schematisch im Längsschnitt,
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4 ein erfindungsgemäßes Biegewandlermodul mit einem Biegebalken und einer Einspannung mit einer Schichtstruktur, welche eine Schichtfolge in Längsrichtung des Biegebalkens aufweist, schematisch im Längsschnitt und
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5 ein Elektronikmodul mit einer erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung mit einem Biegewandlermodul gemäß 4 schematisch in einer Prinzipskizze.
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Das in 1 dargestellte bekannte Biegewandlermodul weist einen Biegebalken 2 auf. Der Biegebalken 2 ist an einem Längsende 4 in an sich bekannter Weise in eine Einspannung 6 eingespannt. Der Biegebalken 2 streckt sich von der Einspannung 6 in Längsrichtung L fort. Der Biegebalken 2 weist fern der Einspannung 6 einen maximal auslenkbaren Teil in Form eines freien Endes 8 auf. Die Einspannung 6 weist eine Höhe H in Längsrichtung L auf, über welche die Einspannung 6 eine konstante Steifigkeit gegenüber Biegungen des Biegebalkens 2 in einer Auslenkrichtung A aufweist. Beim Betrieb des Biegebalkens 2 treten im Bereich der Einspannung 6 mechanische Spannung auf, welche häufig Ursache für einen Bruch und damit für eine Reduktion der Lebensdauer des Biegebalkens 2 und damit des Biegewandlermoduls ursächlich sind.
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Bei dem in 2 dargestellten erfindungsgemäßen Biegewandlermodul 10 hingegen ist der Biegebalken 2 in einer Einspannung 15 eingebracht, welche eine Schichtstruktur mit mehreren sich in Längsrichtung L erstreckenden, im dargestellten Ausführungsbeispiel beiderseits des Biegebalkens 2 jeweils drei, aufeinanderfolgenden Schichten 20 aufweist. Je näher eine Schicht 20 dem Biegebalken 2 ist, umso weiter erstreckt sich die Schicht 20 in Längsrichtung L entlang des Biegebalkens 2. Auf diese Weise weist die Einspannung 15 beiderseits des Biegebalkens 2 jeweils eine in Längsrichtung L in Richtung auf das freie Ende 8 des Biegebalkens hin abnehmende Breite in Auslenkrichtung A auf. Folglich weist die Einspannung 15 einen in Richtung auf das freie Ende 8 hin abnehmende Steifigkeit in Auslenkrichtung A auf. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Schichten 20 durch Spritzgussverfahren gebildet. In weiteren nicht eigens dargestellten Ausführungsbeispielen kann die Einspannung 15 durch 3D-Lasersintern gefertigt sein. Nicht eigens dargestellt kann eine solche Einspannung 15 mit einer Schichtstruktur auch durch Stäbe, beispielsweise mit rechteckigem Querschnitt, gefertigt werden, welche aufeinander gelegt werden. Eine solche Schichtstruktur lässt sich in weiteren, nicht eigens dargestellten Ausführungsbeispielen durch Rohre mit rechteckigem Querschnitt, welche ineinander gesteckt werden, fertigen.
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Bei dem in 3 dargestellten erfindungsgemäßen Biegewandlermodul 22 ist eine Einspannung 25 beidseitig in Auslenkrichtung A des Biegebalkens 2 vorhanden. Die Einspannung 25 weist jeweils eine in Richtung auf das freie Ende 8 des Biegebalkens 2 hin abnehmende Breite in Auslenkrichtung A auf.
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Dabei weist die Einspannung 25 beiderseits des Biegebalkens 2 jeweils eine vom Biegebalken 2 aus betrachtet konkave Querschnittskontur 30 auf. Diese konkave Querschnittskontur ist durch eine Flüssigkeit geeigneter Viskosität gebildet, die einen Meniskus mit entsprechender Form ausbildet. Dabei ist eine Flüssigkeit herangezogen, welche in der dargestellten Querschnittskontur 30 erstarrt.
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Das in 4 dargestellte erfindungsgemäße Biegewandlermodul 32 weist eine Einspannung 35 auf, welche in ihrer äußeren Geometrie der Einspannung 6 gemäß dem Stand der Technik (siehe 1) entspricht. Im Unterschied zur Darstellung in 1 weist die Einspannung 35 eine Schichtstruktur in Längsrichtung L auf, wobei Schichten 40 mit in Richtung auf das freie Ende 8 abnehmendem Elastizitätsmodul aufeinander folgen. Auch in dieser Ausbildung ist die Steifigkeit der Einspannung 35 gegenüber Biegungen des Biegebalkens 2 in Auslenkrichtung A in Richtung des freien Endes 8 des Biegebalkens 2 abnehmend ausgebildet.
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In nicht eigens dargestellten, weiteren Ausführungsbeispielen ist eine Schichtfolge mit Schichten 40 abnehmenden Elastizitätsmoduls mit einer Formgebung der Einspannung wie in 2 oder 3 dargestellt kombiniert.
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Das in 5 dargestellte erfindungsgemäße Elektronikmodul 100 weist ein elektronisches Bauteil 200, im dargestellten Ausführungsbeispiel ein LED-Bauteil, auf (in nicht eigens dargestellten Ausführungsbeispielen kann auch ein sonstiges elektronisches Bauteil, etwa ein Leistungsbauteil, vorhanden sein). Das Elektronikmodul 100 umfasst ferner eine erfindungsgemäße Kühlvorrichtung 300. Die Kühlvorrichtung 300 weist einen Kühlkörper 400 auf, welcher im dargestellten Ausführungsbeispiel durch direkten thermischen und räumlichen Kontakt an das elektronische Bauteil 200 angebunden ist.
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Der Kühlkörper 400 begrenzt einen Teil eines Strömungspfads (symbolisiert durch Pfeile S, welche zugleich die Strömungsrichtung durch den Strömungspfad kennzeichnen), welcher mit Umgebungsluft beströmbar ist.
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Die Luftströmung durch den Strömungspfad wird durch den piezoelektrischen Biegebalken 2 des Biegewandlermoduls 32 wie er in 4 dargestellt ist angefacht. Das Biegewandlermodul 32 ist dabei zur Auslenkung mit einer Frequenz im Bereich des hörbaren Schalls oder des Infraschalls angesteuert.
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In nicht eigens dargestellten Ausführungsbeispielen des erfindungsgemäßen Elektronikmoduls ist das Biegewandlermodul wie in 3 oder 2 dargestellt ausgebildet.
