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Die Erfindung betrifft ein elektrisches Gerät mit einer Abdeckung für ein Kraftfahrzeug nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen einer Abdeckung für ein elektrisches Gerät nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 9 sowie ein Kraftfahrzeug mit einem elektrischen Gerät.
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Durch den Einsatz von großen Displays und hochperformanten Prozessoren in Kombiinstrumenten entsteht eine große Verlustleistung. Bei hohen Umgebungstemperaturen heizt sich dadurch das Kombiinstrument stark auf und es müssen geeignete Kühlkonzepte eingesetzt werden, um die Elektronikbauteile vor einer Überhitzung zu schützen. Grundsätzlich verwendet man zur Wärmeabfuhr Kühlelemente wie beispielsweise Magnesiumkörper, die die Wärme von Hochtemperaturbauelementen, wie z. B. Prozessoren oder Chips, über Konvektion an die Umgebung abgeben. Diese Form des Wärmeübergangs nennt man auch passive Kühlung. Bei einer aktiven Kühlung hingegen kommt noch ein aktives Belüftungselement, wie beispielsweise ein Lüfter, zum Einsatz, der kühle Luft an dem Kühlelement vorbeiführt. Zusätzlich wird dann oft ein Rückdeckel aus Polypropylen zum Schutz der Elektronik eingesetzt. Dieser muss aber Kühlschlitze für die Wärmeabfuhr aufweisen, was wiederum die Schutzfunktion beeinträchtigt.
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Ein solches Kombiinstrument zur Anzeige von Messwerten mit einer flexiblen Leiterplatte, ist in der Druckschrift
DE 100 29 729 A1 beschrieben. Auf der Leiterplatte sind elektrische und/oder elektronische Bauteile angeordnet. Die flexible Leiterplatte ist dabei zwischen einer vorderseitigen und einer rückseitigen Abdeckung, welche als metallischer Werkstoff ausgebildet ist, eingespannt. So kann die erzeugte Wärme der elektrischen und/oder elektronischen Bauteile an der rückseitigen Abdeckung abgeführt werden. Ein weiteres Kombiinstrument mit Elektronikmodul geht aus der
DE 196 23 406 A1 hervor. Für die hochintegrierten elektronischen Bauelemente wird hier eine Kühlplatte als Wärmesenke vorgesehen, wobei die Bauelemente flächig mit der Kühlplatte in Kontakt gebracht werden.
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Alternativ zur Bereitstellung eines Kühlkörpers oder einer Kühlplatte ist es bekannt, zur Entwärmung von Leuchten mit LEDs in einem Kunststoffgehäuse, diese thermisch über ein Koppelelement mit einer Kühlvorrichtung zu verbinden. Demnach wird eine Leuchte umgesetzt, welche ein Koppelelement aus einem wärmeleitenden Kunststoff aufweist, der mit dem Kunststoff des Gehäuses kompatibel ist.
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Sowohl die Kombiinstrumente als auch die Leuchten besitzen mehrere Bauteile, wie metallische Kühlplatten oder thermische Koppelelemente aus wärmeleitendem Kunststoff, zur Umsetzung der Wärmeableitung aus den Hochtemperaturbauelementen.
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Die
US 6 055 158 beschreibt eine Kühlkörperanordnung mit einer Leiterplatte mit elektronischen Komponenten und einem Rahmenelement, welches die Leiterplatte umgibt.
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Aus der
DE 10 2007 057 533 geht ein Kühlkörper und ein Verfahren zur Herstellung eines Kühlkörpers hervor. Der Kühlkörper umfasst einen Grundkörper aus einem elektrisch isolierenden Material und ein oder mehrere metallische Formteile mit einem Befestigungsquerschnitt und einem Wärmetransport-Abschnitt. Der Wärmetransport-Abschnitt ist mit dem Grundkörper mechanisch verbunden. Eine Platine mit mehreren Wärmequellen, die auf unterschiedlichen elektrischen Potentialen sein können, kann mit dem Kühlkörper bestückt werden, wobei die Befestigungsabschnitte der Formteile mit jeweiligen Wärmequellen oder in der Nähe der jeweiligen Wärmequellen verlötet werden.
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Die
DE 10 2006 018 457 A1 beschreibt eine elektronische Schaltungsanordnung. Die elektronische Schaltungsanordnung weist ein Gehäuse, eine Platine, auf welcher elektronische Glieder und Leistungstransistoren montiert sind, sowie einen Verbinder zum Verbinden der Platine mit einer externen elektrischen Schaltung auf. Das Gehäuse wird durch ein Harz einfügegeformt, wobei die Platine, auf welcher die elektronischen Glieder, die Leistungstransistoren und der Verbinder montiert worden sind, an einer vorbestimmten Position in einer Pressform zum Formen des Gehäuses durch das Harz gehalten wird.
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In der
DE 10 2008 037 372 A1 ist ein Gehäuse für temperatursensible Komponenten beschrieben. Das Gehäuse bildet einen Aufnahmeraum für elektrische und/oder elektronische Komponenten. Im Gehäuse sind mindestens ein erster Aufnahmeraum und mindestens ein zweiter Aufnahmeraum ausgebildet. Der erste Aufnahmeraum ist vom zweiten Aufnahmeraum thermisch isoliert. Das Gehäuse weist im Bereich des ersten Aufnahmeraums mindestens einen ersten und mindestens einen zweiten Durchbruch durch das Gehäuse auf, wobei der erste Durchbruch und der zweite Durchbruch jeweils an unterschiedlichen Seitenwandungen des Gehäuses angeordnet sind.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, in einem elektrischen Gerät mit Abdeckung die Wärmeableitung aus Elektronikbauteilen zu vereinfachen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich durch die Merkmale der abhängigen Patentansprüche.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch ein elektrisches Gerät für ein Kraftfahrzeug mit einer Abdeckung, welche einen Kunststoff umfasst und das Gerät nach Außen zur Umgebung hin abgrenzt. Zudem ist ein zu kühlendes Bauteil in einem Inneren des Geräts angeordnet. Die Abdeckung weist eine integrierte Wärmeabfuhreinrichtung, welche dazu ausgelegt ist, von dem Bauteil erzeugte Wärme von dem Bauteil abzunehmen und diese an die Umgebung abzuleiten. Der Kunststoff stellt das Basismaterial für die Abdeckung dar, in welchen einfach eine zusätzliche Wärmeabfuhreinrichtung integriert werden kann. Mit anderen Worten kann die Abdeckung für ein elektrisches Gerät Kunststoff enthalten und zudem als Kühlkörper ausgebildet sein. Mit „Wärme von dem Bauteil abzunehmen” ist hier gemeint, dass der Wärmeübergang durch thermische Konvektion und/oder Wärmeleitung und/oder Strahlungsaustausch von dem Bauteil über die Abdeckung d. h. im Material der Abdeckung erfolgt. Somit kann der Wärmeübergang auf unterschiedliche Arten erfolgen. Dabei kann der Wärmeübergang von dem zu kühlenden Bauteil, beispielsweise über Wärmeleitung, wie weiter unter genauer erläutert, direkt über die Abdeckung an die Umgebung erfolgen. Eine weitere Form des Wärmeübergangs kann beispielsweise auch mittels thermischer Konvektion erfolgen. Bei dieser Form des Wärmeübergangs wird die Wärme von einem Festkörper z. B. dem zu kühlenden Bauteil an ein ihn umgebendes Fluid, welches insbesondere Luft sein kann, übertragen. Diese Form des Wärmeübergangs kann erfolgen, wenn beispielsweise zwischen dem Bauteil und dem Gehäuse zumindest an einer Stelle ein Luftspalt vorliegt. Die dritte Form des Wärmeübergangs kann sich durch einen Strahlungsaustausch, beispielsweise Infrarotstrahlung, ergeben, indem das Bauteil Wärme abstrahlt, welche von dem ihm umgebenden Gehäuse aufgenommen werden kann. Daraus ergibt sich der Vorteil, dass keine separaten Bauteile aus z. B. Metall notwendig sind, um die Wärme aus den Bauteilen ableiten zu können. Die Abdeckung für die Kühlfunktion des Bauteils braucht keine Kühlschlitze, wodurch die Abdeckung stabiler ist.
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Erfindungsgemäß umfasst die Abdeckung einen wärmeleitenden Füllstoff, welcher in dem Kunststoff enthalten ist. Mit anderen Worten kann dem Kunststoff, dem Basismaterial der Abdeckung, ein wärmeleitender Füllstoff hinzugefügt werden. Mit „wärmeleitend” ist hier gemeint, dass der Füllstoff eine bessere Wärmeleitfähigkeit als der Kunststoff aufweist. Als Kunststoff kann beispielsweise Polypropylen oder auch Polyamid verwendet werden. Daraus ergibt sich der Vorteil, dass durch die Zugabe des wärmeleitenden Füllstoffs zu dem Kunststoff die bestehende Wärmeleitfähigkeit steigt. Zudem kann durch den Einsatz von Kunststoff mit dem wärmeleitenden Füllstoff eine homogene Wärmeverteilung über die gesamte Abdeckung erreicht werden, wodurch die komplette Abdeckung oder ein vorbestimmter Bereich Wärme an die Umgebung ableiten kann.
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Ferner besteht die Abdeckung aus mehreren unterschiedlichen Materialteilbereichen bestehen, wobei zumindest ein Materialteilbereich sich aus dem Kunststoff allein und zumindest ein weiterer Materialteilbereich sich aus dem Kunststoff mit dem wärmeleitenden Füllstoff zusammensetzt. Mit anderen Worten kann die Abdeckung aus unterschiedlichen Werkstoffen bestehen, indem beispielsweise zumindest ein Teilbereich mit dem ersten Werkstoff, also einem Gemisch aus Kunststoff mit dem wärmeleitenden Füllstoff, und zumindest ein weiterer Teilbereich mit dem zweiten Werkstoff, welcher nur den Kunststoff umfasst, gebildet werden können. Daraus ergibt sich der Vorteil, dass die Abdeckung ein geringeres Gewicht aufweisen kann und zudem geringere Mengen des wärmeleitenden Füllstoffs notwendig sind, wodurch die Abdeckung kostengünstiger hergestellt werden kann.
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Vorzugsweise kann das elektrische Gerät als Kombiinstrument ausgestaltet sein.
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Eine Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass das zu kühlende Bauteil an die Abdeckung über ein Wärmeleitelement, also einen Festkörper, thermisch gekoppelt ist. In vorteilhafter Weise kann das Wärmeleitelement ein Wärmeleitpad umfassen, welches an der Innenseite einer Wandung der Abdeckung angebracht sein kann, sodass das Wärmeleitpad auf dem zu kühlenden Bauteil aufliegen kann. Um einen guten Wärmeübergang zwischen Kühlelement und zu kühlenden Bauteilen gewährleisten zu können, kann man Wärmeleitpads einsetzten, welche auf dem Kühlkörper beispielsweise geklebt werden. Es kann auch Wärmeleitpaste verwendet werden. Beim Montieren der Abdeckung mit der integrierten Wärmeabfuhreinrichtung kann das Wärmepad direkt auf die Innenseite der Abdeckung angebracht werden. Daraus ergibt sich der Vorteil, dass die Abdeckung leichter an das elektrische Gerät angebracht werden kann.
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Der wärmeleitende Füllstoff kann Bornitrid und/oder Kohlenstoffnanoröhren und/oder Metallgranulat umfassen. Bornitrid ist beispielsweise ein hochfester Feststoff, welcher gute Wärmeleitfähigkeiten besitzt. Daraus ergibt sich der Vorteil, dass durch die Zugabe des wärmeleitenden Füllstoffs zu dem Kunststoff die bestehende Wärmeleitfähigkeit steigt. Zudem kann durch den Einsatz von Kunststoff mit dem wärmeleitenden Füllstoff eine homogene Wärmeverteilung über die gesamte Abdeckung erreicht werden, wodurch die komplette Abdeckung oder ein vorbestimmter Bereich Wärme an die Umgebung ableiten kann.
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Eine weitere Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass die Wärmeabfuhreinrichtung als Kühlrippen ausgebildet sein kann, wobei die Kühlrippen außen an der Wandung der Abdeckung angebracht sein können und/oder in der Wandung der Abdeckung versenkt sein können. Mit anderen Worten erfolgt die geometrische Anordnung der Rippenstruktur direkt auf die Wandung der Abdeckung und/oder versenkt in die Wandung der Abdeckung z. B. in einer Senke, so dass die Rippen nicht überstehen. Mit der gleichzeitigen Kombination der Anordnung der Kühlrippen außen an der Wandung und versenkt in der Wandung beinhaltet das Vorhandensein von mindestens zwei Kühlrippenstrukturen, sodass an einer Stelle der Abdeckung die Kühlrippen auf der Wandung angebracht sein können und zugleich an einer anderen Stelle Kühlrippen in der Wandung der Abdeckung versenkt sein können. Daraus ergibt sich der Vorteil, dass eine verbesserte Wärmeabfuhr durch die Rippenstruktur ermöglicht werden kann und somit die Wärme direkt an die Umgebung abgegeben werden kann. Die Wärme kann dabei nicht nur über die gesamte Fläche der Abdeckung abgeleitet werden, sondern verstärkt im Bereich der Rippen.
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In vorteilhafter Weise kann die Wärmeabfuhreinrichtung zusätzlich oder alternativ als aktives Belüftungselement, insbesondere als Lüfter oder Peltier-Element, ausgebildet sein, welches in die Wandung der Abdeckung integriert sein kann oder an der Wandung der Abdeckung angebracht sein kann. Der Lüfter kann elektrisch an eine vorhandene Leiterplatte des elektrischen Geräts angeschlossen werden. Die Steuerung des aktiven Belüftungselements kann dabei durch eine Steuereinheit des elektronischen Geräts erfolgen. Ist beispielsweise der Lüfter in die Wandung integriert, so kann er direkt hinter einem wärmeerzeugendem Bauteil angeordnet sein, sodass der Lüfter im Betrieb die Wärme von dem Bauteil abnehmen kann und diese an die Umgebung abführen kann. Ist der Lüfter beispielsweise außen an der Wandung der Abdeckung angeordnet, so kann dessen Einsatz in Kombination mit Kühlrippen sinnvoll sein. Sind die Kühlrippen und der Lüfter beispielsweise außen an der Wandung der Abdeckung angeordnet, so kann zum einen verstärkt über die Rippen die Wärme an die Umgebung abgeführt werden. Zum anderen kann dieser Effekt beispielsweise durch das Vorhandensein eines zusätzlichen Lüfters verstärkt werden, indem der Lüfter zusätzlich die Kühlrippen mit kühler Luft anströmt.
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Die Abdeckung kann zudem eine Haltevorrichtung zum Befestigen der Bauteile des elektrischen Geräts aufweisen. Mit anderen Worten können in der Abdeckung Haltevorrichtungen, wie beispielsweise Clipse und/oder Filmscharniere, angeordnet sein, um eine Befestigung von Bauteilen der elektrischen Maschine, wie beispielsweise Kabel und/oder Leiterplatten und/oder Lautsprecher, zu gewährleisten. Durch die Verwendung von Kunststoff ist die Bereitstellung aufwandsarm. Daraus ergibt sich auch der Vorteil, dass die Kombination mehrerer Bauteile zu einem Bauteil, also der Abdeckung mit den vorgesehenen Haltevorrichtungen, zu einer Gewichtsersparnis führen kann.
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Eine weitere Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass die Abdeckung als Trägerteil ausgebildet ist, welches als Strukturbauteil des elektrischen Geräts ausgeführt sein kann. Mit anderen Worten kann die Abdeckung als zentrales Trägerteil des elektrischen Geräts ausgeführt sein, wobei das Trägerteil dann die Fahrzeuganbindung bereitstellen kann und auch mehrere oder alle elektronischen Bauteile aufnehmen kann. Die Fahrzeuganbindung kann beispielsweise Anschraublaschen und/oder Verclipsungen und/oder Zentrierelemente umfassen. Daraus ergibt sich der Vorteil, dass die Bauteile einfacher montiert werden können und weniger Bauteile für die Konstruktion des elektrischen Geräts notwendig sind.
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Darüber hinaus wird erfindungsgemäß ein Verfahren bereitgestellt zum Herstellen einer Abdeckung für ein elektrisches Gerät, wobei der Kunststoff der Abdeckung mit einem wärmeleitenden Füllstoff versehen wird.
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Erfindungsgemäß wird die Abdeckung des elektrischen Geräts im Spritzgussverfahren hergestellt, sodass die Abdeckung aus unterschiedlichen Materialteilbereichen besteht, wobei zumindest ein Materialteilbereich sich aus dem Kunststoff allein und zumindest ein weiterer Materialteilbereich sich aus dem Kunststoff mit dem wärmeleitenden Füllstoff zusammensetzt.
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Schließlich gehört zu der Erfindung noch ein Kraftfahrzeug mit einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen elektrischen Geräts.
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Im Folgenden sind Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben. Es zeigt:
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1 eine schematische Darstellung eines Kombiinstruments, das eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Geräts ist, und
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2 schematische Darstellung einer Abdeckung des elektrischen Geräts von 1.
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Bei den im Folgenden erläuterten Ausführungsbeispiele handelt es sich um eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung. Bei den Ausführungsbeispielen stellen aber die beschriebenen Komponenten der Ausführungsform jeweils einzelne, unabhängig voneinander betrachtende Merkmale der Erfindung dar, welche die Erfindung jeweils auch unabhängig voneinander weiterbilden und damit auch einzeln oder in einer als der gezeigten Kombination als Bestandteil der Erfindung anzusehen sind. Des Weiteren ist die beschriebene Ausführungsform auch durch weitere der bereits beschriebenen Merkmale der Erfindung ergänzbar.
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In 1 ist ein Kraftfahrzeug 10 dargestellt, bei dem es sich beispielsweise um einen Kraftwagen, insbesondere einen Personenkraftwagen, handeln kann. In dem Kraftfahrzeug 10 ist ein Lenkrad 12 vor einer Hutze 14 angeordnet. In der Hutze 14 kann ein elektrisches Gerät 16, welches als Kombiinstrument 16 ausgeführt sein kann, angeordnet sein. Das Kombiinstrument kann vorderseitig eine Glasabdeckung 18 und rückseitig eine Abdeckung 24 aufweisen. Beide Abdeckungen 18 und 24 können dabei an einem Trägerteil 20 befestigt sein. Auf der Vorderseite des Trägerteils 20 kann ein Zeiger 22 vorgesehen sein zum Anzeigen von Messwerten. Auf der Rückseite des Trägerteils 20 kann, umgeben von der Abdeckung 24, eine Leiterplatte 26 mit einem elektrischen Bauteil 28 angeordnet sein. Das Bauteil 28 erzeugt durch seinen Betrieb Wärme, welche über die Abdeckung 24 an die Umgebung abgeführt werden kann. Die Abdeckung 24, welche das elektrische Bauteil 28 umgibt, kann so angeordnet sein, dass die von dem Bauteil 28 erzeugte Wärme von dem Bauteil 28 von der Abdeckung 24 abgenommen und an die Umgebung abgeleitet werden kann.
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Alternativ kann das Trägerteil 20 und die Abdeckung 24 als ein einheitliches Trägerteil ausgeführt sein, sodass das einheitliche Trägerteil als Strukturbauteil des elektrischen Geräts 16 ausgeführt sein kann. Das einheitliche Trägerteil des elektrischen Geräts 16 kann dann die Fahrzeuganbindung bereitstellen und auch die kompletten elektronischen Bauteile aufnehmen. Als Fahrzeuganbindung können beispielsweise Anschraublaschen und/oder Verclipsungen und/oder Zentrierelemente umfassen. Die elektronischen Bauteile können z. B. eine Leiterplatte 26 und/oder ein Display umfassen.
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In 2 ist eine Ausführungsform der Abdeckung 24 eines elektrischen Geräts dargestellt. Die Abdeckung 24 kann aus einem Basismaterial wie z. B. Kunststoff, wie beispielsweise Polypropylen oder Polyamid, bestehen. Die Abdeckung 24 kann, wie bereits erläutert, das elektrische Bauteil 28 umgeben, sodass die von dem Bauteil 28 erzeugte Wärme von dem Bauteil 28 von der Abdeckung 24 abgenommen und an die Umgebung abgeleitet werden kann. Dazu kann dem Basismaterial der Abdeckung 24 ein wärmeleitender Füllstoff hinzugefügt werden, sodass die ursprüngliche Wärmeleitfähigkeit des Basismaterials gesteigert werden und somit die gesamte Fläche der Abdeckung 24 die Wärme an die Umgebung abführen kann. Um einen Wärmeübergang zwischen Abdeckung 24 und zu kühlendem Bauteil 28 gewährleisten zu können, können Wärmeleitpads (hier nicht dargestellt) auf die Innenseite der Abdeckung 24 angebracht werden, sodass die zu kühlenden Bauteile 28 und die Abdeckung 24 über ein Wärmeleitelement (Wärmeleitpad) thermisch gekoppelt sind.
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Neben der thermischen Konvektion von dem Bauteil über die Abdeckung an die Umgebung, kann die Wärme auch in bekannter Weise über Lüftungsschlitze 30 abgeführt werden.
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Zudem kann die Abdeckung 24 eine weitere Wärmeabfuhreinrichtung, wie beispielsweise Kühlrippen 32, aufweisen. Die geometrische Auslegung der Rippenstruktur kann direkt auf die Wandung der Abdeckung 24 erfolgen und/oder die Rippenstruktur kann in der Wandung der Abdeckung 24 versenkt sein. Aus der Kombination der Kühlrippen 32 und dem Füllstoff mit dem Basismaterial der Abdeckung 24 kann eine Abdeckung entstehen, welche wärmeleitend ist. Die Wärme kann dabei nicht nur über die gesamte Fläche der Abdeckung 24 abgeleitet, sondern verstärkt im Bereich der Kühlrippen 32 abgeführt werden. Ein Vorteil hierbei kann sein, dass diese Anordnung zu einer Bauteileinsparung und einer Gewichtsoptimierung führt.
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Die Wärmeabfuhreinrichtung kann aber auch als aktives Belüftungselement, insbesondere als Lüfter (hier nicht dargestellt), ausgebildet sein, welches in die Wandung der Abdeckung 24 integriert sein kann und/oder an der Wandung der Abdeckung 24 angebracht sein kann. Der Lüfter kann elektrisch an eine vorhandene Leiterplatte 26 des elektrischen Geräts 16 angeschlossen werden. Die Steuerung des Lüfters kann dabei durch eine Steuereinheit (hier nicht dargestellt) des elektronischen Geräts 16 erfolgen. Ist beispielsweise der Lüfter in die Wandung integriert, so kann er direkt hinter einem wärmeerzeugendem Bauteil 28 angeordnet sein, sodass der Lüfter im Betrieb die Wärme von dem Bauteil 28 abnehmen kann und diese an die Umgebung abführen kann. Ist der Lüfter beispielsweise außen an der Wandung der Abdeckung 24 angeordnet, so kann dessen Einsatz in Kombination mit Kühlrippen 32 sinnvollsein. Sind die Kühlrippen 32 und der Lüfter beispielsweise außen an der Wandung der Abdeckung 24 angeordnet, so kann zum einen verstärkt über die Rippen 32 die Wärme an die Umgebung abgeführt werden. Zum anderen kann dieser Effekt beispielsweise durch das Vorhandensein eines zusätzlichen Lüfters verstärkt werden, idem der Lüfter zusätzlich die Kühlrippen 32 mit kühler Luft anströmt.
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Insgesamt geht dabei ein elektrisches Gerät mit einer Abdeckung mit integrierter Kühlkörperfunktion mittels geometrischer Auslegung einer Rippenstruktur unter Verwendung von wärmeleitenden Füllstoffen hervor.
