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Stand der Technik
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In leistungselektronischen Steuergeräten fällt in verschiedenen Komponenten Verlustwärme an. Die Entwärmung von aufgrund der Verlustwärme aufgeheizten Bauteilen findet durch die Montage auf einem Kühlkörper oder einem Gehäuse statt, wobei das Gehäuse die Funktion eines Kühlkörpers mit übernimmt. Bekannt ist es, Kühlkörper mit flächenvergrößernden Maßnahmen, wie Finnen oder dergleichen zu versehen. Ferner ist es möglich, eine erzwungene Konvektion zum Beispiel von Luft, Wasser/Glykol oder dergleichen vorzusehen, um die Wärme abzuführen. Die Anbindung eines zu entwärmenden Bauteils erfolgt über eine flächige Montage mit direktem Kontakt oder zwischengeschalteter Wärmeleitmatte oder Verwendung von Wärmeleitpaste. Alternativ ist es möglich, die anfallende Verlustwärme über Heat-Pipes an weiter entfernt liegende Kühlkörper oder dergleichen zu leiten. In leistungselektronischen Steuergeräten für Kraftfahrzeugantriebe, wie zum Beispiel Invertern oder Wandlern, werden die Leistungselektronikmodule oftmals direkt auf einem Kühlkörper platziert. Weitere Bauelemente, wie Zwischenkreiskondensatoren und/oder temperaturkritische Spulen, die oftmals großvolumig sind, werden zumeist wenigstens einseitig an den Kühlkörper angebunden, der mit einer nahe vorbeiführenden Wasserkühlung versehen sein kann. Die direkte Anbindung bestimmter Komponenten an den Kühlkörper ist aufgrund der Starrheit der beiden Partner und/oder unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten mechanisch oft kritisch, sodass eine entsprechende mechanische Entkopplung oder Entlastung zur Gewährleistung der Zuverlässigkeit notwendig ist. Anordnungen, bei denen Wärme aus aufgeheizten Bauteilen an Kühlkörper abgeführt wird, sind beispielsweise aus der
WO 2018/072925 A1 , der
WO 2009/109488 A1 , der
US 2015/092350 A , der
US 2018/033713 A oder der
DE 102016209858 A1 bekannt. Die Offenlegungsschrift
EP 2 112 249 A1 offenbart ein wärmeleitendes Verbindungselement der gattungsgemäßen Art. Bei dem Verbindungselement handelt es sich um eine Matte aus Kohlenstoffnanotubes. Ein gattungsgemäßes Verbindungselement ist außerdem auch aus der Offenlegungsschrift
US 2016/0372238 A1 bekannt.
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Offenbarung der Erfindung
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Die Erfindung betrifft ein wärmeleitendes Verbindungselement zur Wärmeleitung von einem zu entwärmenden Bauteil zu einem wärmeabführenden Gegenstand oder zur Wärmeverteilung an einem Element, wobei das Verbindungselement als Flächengebilde aus kohlenstoffnanostrukturbasierten Fasern, insbesondere Kohlenstoff-Nano-Tubes, ausgebildet ist. Ein derartiges Flächengebilde weist aufgrund der kohlenstoffnanostrukturbasierten Fasern eine extrem gute Wärmeleitfähigkeit auf, sodass eine Wärmeabfuhr von dem Bauteil sehr effektiv stattfindet. Die kohlenstoffnanostrukturbasierten Fasern führen die Wärme des Bauteils zu dem Gegenstand, von dem aus die Wärme weiter abgeleitet wird. Bevorzugt ist das Flächengebilde biegeschlaff oder flexibel, insbesondere elastisch verformbar ausgebildet. Aufgrund der Biegeschlaffheit des Verbindungselements sind mechanische Entkopplungen oder Entlastungen nicht zusätzlich notwendig. Das erfindungsgemäße Verbindungselement wirkt quasi wie eine Heat-Pipe und führt die Verlustwärme vom Entstehungsort zu einem geeigneten Ort der weiteren Wärmeabfuhr.
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Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Flächengebilde ein Band oder eine Matte ist. Es ist daher zur Wärmeableitung lediglich erforderlich, einen Bereich des Bandes oder der Matte wärmeleitend mit dem Bauteil zu verbinden und einen anderen Bereich des Bandes oder der Matte mit dem wärmeabführenden Gegenstand. Der Gegenstand kann beispielsweise ein Kühlkörper, ein Gehäusebereich oder dergleichen sein. Zur Wärmeverteilung an einem zu entwärmenden Element wird das Flächengebilde, also insbesondere das Band oder ein Bereich davon beziehungsweise eine Matte oder ein Bereich davon, lediglich flächig wärmeleitend mit dem Element verbunden, wodurch unterschiedlich erwärmte Bereiche des Elements in einen Wärmeausgleich gebracht werden.
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Für eine gute Wärmeleitung ist es vorteilhaft, dass die kohlenstoffnanostrukturbasierten Fasern im Wesentlichen in Längserstreckung des Flächengebildes verlaufen. Hierbei wird vorausgesetzt, dass die Verbindung von Bauteil und Gegenstand ebenfalls in Längserstreckungsrichtung der Fasern erfolgt.
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Das Verbindungselement kann als Gewebe ausgebildet sein, das heißt, die kohlenstoffnanostrukturbasierten Fasern sind miteinander verwoben und bilden dadurch das Gewebe.
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Vorzugsweise kann vorgesehen sein, dass mindestens ein Bereich des Flächengebildes eine vorzugsweise wärmeleitende Klebeschicht zur Befestigung an dem Bauteil, dem Gegenstand und/oder dem Element aufweist. Hierdurch lässt sich das Flächengebilde auf einfache Art wärmeleitend befestigen. Bevorzugt ist es möglich, ein mit Klebeschicht versehenes Band aus kohlenstoffnanostrukturbasierten Fasern zu verwenden und nach Art eines Tesafilm-Streifens zu verarbeiten, das heißt, ein Bereich, zum Beispiel ein Endbereich, dieses Bandes an dem zu entwärmenden Bauteil durch Klebung zu befestigen und einen anderen Bereich, beispielsweise den anderen Endbereich des Bandes, an den wärmeabführenden Gegenstand anzukleben.
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Bevorzugt ist vorgesehen, dass das wärmeleitende Verbindungselement mindestens eine Befestigungslasche, mindestens einen Anschraubbereich, mindestens einen Ancrimpbereich, mindestens einen Verklemmbereich und/oder mindestens einen Vernähbereich aufweist. Diese Ausgestaltungen erlauben ein einfaches und wärmeleitendes Befestigen an dem Bauteil, dem Gegenstand und/oder dem Element.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass zumindest einige der kohlenstoffnanostrukturbasierten Fasern einen temperaturabhängigen Widerstand zur Temperaturmessung besitzen. Damit besteht eine in den Fasern integrierte Möglichkeit, die Temperatur an dem jeweiligen Ort zu messen und gegebenenfalls - falls zu hohe Temperaturen vorliegen - Gegenmaßnahmen zu treffen, beispielsweise einen Kühlluftstrom zu erhöhen.
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Die Erfindung betrifft ferner eine Verwendung eines wärmeleitenden Verbindungselements zur Entwärmung eines Bauteils und/oder Elements. In diesem Zusammenhang wird auf das eingangs erläuterte Verbindungselement, das Bauteil, den Gegenstand und/oder das Element verwiesen, sodass hier nicht nochmals die einzelnen Begriffe im technischen Kontext erläutert werden müssen.
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Die Erfindung betrifft ferner eine Kühlanordnung mit einem zu entwärmenden Bauteil und einen wärmeabführenden Gegenstand. Zur Realisierung der Kühlung ist bei der Kühlanordnung die Verbindung des Bauteils mit dem Gegenstand mittels des vorstehend erläuterten wärmeleitenden Verbindungselements vorgesehen.
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Ferner betrifft die Erfindung eine Wärmeverteilungsanordnung an einem Element, wobei das Element mit einem wärmeleitenden Verbindungselement versehen ist. Dabei handelt es sich um ein Verbindungselement, so wie vorstehend erläutert. Das Verbindungselement verbindet quasi unterschiedlich temperierte Bereiche des Elements und führt dementsprechend zu einem Wärmeausgleich, verteilt also die Wärme, sodass eine Vergleichmäßigung eintritt. Bei dem Element kann es sich um ein beliebiges Teil handeln, jedoch auch um das Bauteil und/oder den Gegenstand.
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Schließlich wird ein nicht erfindungsgemäßes Verfahren zur Wärmeleitung von einem zu entwärmenden Bauteil zu einem wärmeabführenden Gegenstand beschrieben. Es ist vorgesehen, dass ein insbesondere biegeschlaffes oder flexibles Flächengebilde aus kohlenstoffnanostrukturbasierten Fasern, insbesondere Kohlenstoff-Nano-Tubes, an dem Bauteil und dem Gegenstand jeweils wärmeleitend befestigt wird.
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Schließlich wird ein nicht erfindungsgemäßes Verfahren zur Wärmeverteilung an einem Element beschrieben. Es ist ein biegeschlaffes Flächengebilde aus kohlenstoffnanostrukturbasierten Fasern, insbesondere Kohlenstoff-Nano-Tubes, an dem Element wärmeleitend flächig befestigt wird.
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Die Zeichnungen veranschaulichen die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen, und zwar zeigt:
- 1 ein wärmeleitendes Verbindungselement zur Wärmeleitung von einem zu entwärmenden Bauteil zu einem wärmeabführenden Gegenstand und
- 2 eine ähnliche Anordnung wie in 1, jedoch mit kohlenstoffnanostrukturbasierten Fasern, die einen temperaturabhängigen Widerstand zur Temperaturmessung besitzen.
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Die 1 zeigt ein wärmeleitendes Verbindungselement 1, das Teil einer Kühlanordnung 2 ist. Vorzugsweise werden derartige Kühlanordnungen 2 mit mehreren Verbindungselementen 1 ausgestattet (in der 1 sind zwei Verbindungselemente 1 dargestellt), nachfolgend wird jedoch nur auf ein Verbindungselement 1 eingegangen. Die Ausführungen gelten dann entsprechend für alle anderen Verbindungselemente.
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Die Kühlanordnung 2 weist ein zu entwärmendes Bauteil 3 auf, das schematisch dargestellt ist. Bei dem zu entwärmendem Bauteil 3 kann es sich beispielsweise um einen Leistungselektronikhalbleiter einer Leistungselektronikschaltung oder um einen Zwischenkreiskondensator oder um eine temperaturkritische Spule eines Inverters oder Wandlers eines leistungselektronischen Steuergeräts für einen Kfz-Antrieb handeln. Die Erfindung ist selbstverständlich nicht auf derartige Bauteile 3 beschränkt, sondern kann auf jedes Bauteil angewendet werden, das entwärmt werden soll. In der Nachbarschaft, in der 1 beabstandeter Nachbarschaft, des Bauteils 3 befindet sich ein wärmeabführender Gegenstand 4. Hierbei kann es sich beispielsweise um einen Kühlkörper oder um ein Gehäuseteil eines Geräts handeln, also einen Gegenstand 4, der an seine Umgebung Wärme abgeben kann. In diesem Zusammenhang ist es denkbar (aber nicht notwendig), dass sich der Gegenstand 4 in einem Kühlmediumstrom befindet, beispielsweise ein Kühlluftstrom an ihm entlangströmt.
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Um durch den Betrieb des Bauteils 3 entstehende Wärme abzuführen, ist das Verbindungselement 1 vorgesehen. Dieses Verbindungselement 1 besteht aus einer Vielzahl von kohlenstoffnanostrukturbasierten Fasern CNB, vorzugsweise Kohlenstoff-Nano-Tubes CNT. Die Fasern CNB können vorzugsweise im Wesentlichen parallel zueinander verlaufenden. Diese kohlenstoffnanostrukturbasierten Fasern CNB bilden ein insbesondere biegeschlaffes oder flexibles Flächengebilde 5. Im Ausführungsbeispiel der 1 ist das Flächengebilde 5 als Band 6 ausgebildet. Ein Endbereich 7 des Bandes 6 ist an dem zu entwärmenden Bauteil 3 befestigt. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel erfolgt die Befestigung mittels einer Klebeschicht 8. Der andere Endbereich 9 des Bandes 6 ist am wärmeabführenden Gegenstand 4 befestigt, und zwar im vorliegenden Ausführungsbeispiel ebenfalls durch Klebung mittels der Klebeschicht 8. Die Anordnung ist derart getroffen, dass diese beiden Befestigungsstellen (Klebestellen) flächig und gut wärmeleitend ausgebildet sind, mit der Folge, dass Wärme des Bauteils 3 effektiv über die kohlenstoffnanostrukturbasierten Fasern CNB des Bandes 6 zum wärmeabführenden Gegenstand 4 geleitet wird, auf den Gegenstand 4 übergeht und von dort aus weiter abgeleitet wird, beispielsweise mittels natürlicher Konvektion oder durch Flüssigkeitskühlung, erzwungener Luftkühlung.
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Da die kohlenstoffnanostrukturbasierten Fasern CNB eine sehr gute Wärmeleitfähigkeit besitzen und gleichzeitig biegeschlaff sind, wird einerseits die gute Wärmeabführung gewährleistet und andererseits eine mechanische Entkopplung des Bauteils 3 vom Gegenstand 4 erzielt.
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Nach anderen Ausführungsbeispielen (nicht dargestellt) kann das Flächengebilde 5 auch als Matte ausgebildet sein. Gegenüber einem Band hat die Matte eine größere Breite im Vergleich zur Länge.
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Ferner ist es möglich, dass die kohlenstoffnanostrukturbasierten Fasern CNB ein Gewebe bilden, also aus kohlenstoffnanostrukturbasierten Fasern CNB gewebt sind.
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Alternativ zur Klebebefestigung ist es möglich, eine Befestigungslasche an dem Verbindungselement vorzusehen und/oder mindestens einen Anschraubbereich und/oder mindestens einen Ancrimpbereich und/oder mindestens einen Verklemmbereich und/oder mindestens einen Vernähbereich. Diese Ausbildungen dienen der wärmeübertragenden Befestigung.
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Gleichzeitig oder alternativ zur Verbindung eines Bauteils 3 mit einem Gegenstand 4 kann ein Verbindungselement 1 auch als Verteilungselement der Wärme innerhalb eines Elements verwendet werden, um an diesem Element Hotspots zu vermeiden. Das Verbindungselement 1 ist somit an dem Element (nicht dargestellt) befestigt oder in dieses integriert, sodass verschiedene Bereiche des Elements mit dem Verbindungselement 1 in Wärmekontakt stehen, mit der Folge, dass Wärme an wärmeren Bereichen zu kühleren Bereichen geleitet wird und damit insgesamt ein Wärmeausgleich an dem Element stattfindet.
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Ein Zusatznutzen eines aus kohlenstoffnanostrukturbasierten Fasern CNB bestehendes Verbindungselement 1 besteht darin, dass die Fasern CNB eine sehr gute elektrische Leitfähigkeit besitzen und dass dadurch das Verbindungselement 1 als elektrisch schirmende Schicht in der jeweiligen Konstruktion wirkt. Erwähnt wurde bereits die große Flexibilität des Verbindungselements 1, mit der Folge, dass eine einfache Montage möglich ist und eine hohe Lagetoleranz besteht. Im Vergleich zu anderen Materialien, wie beispielsweise Kupfer, ist ein Verbindungselement 1 aus kohlenstoffnanostrukturbasierten Fasern CNB sehr leicht und auch sehr kostengünstig.
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Die 2 zeigt eine Anordnung entsprechend der 1. Es ist jedoch ein Verbindungselement 1 als Band 6 aus kohlenstoffnanostrukturbasierten Fasern CNB vorgesehen, wobei in den kohlenstoffnanostrukturbasierten Fasern CNB ein temperaturabhängiger Widerstand 10 eingearbeitet ist. Erfindungsgemäß werden diese Fasern CNB nicht axial über den Entwärmungspfad eingesetzt, sondern werden als lokale Widerstandsschleifen in die Struktur eingearbeitet, beispielsweise in ein entsprechendes Gewebe, das von den kohlenstoffnanostrukturbasierten Fasern CNB gebildet ist. Damit ist ein temperaturabhängiger Widerstand 10 gebildet, der beispielsweise einem Stromkreis 11 angehört, der ein Messgerät 12 aufweist, mit dem die örtliche Temperatur des Bauteils 3, also im Bereich des Widerstandes 10, gemessen werden kann.
