-
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Entwärmungsvorrichtung an einem geschlossenen Gehäuse einer elektronischen Komponente oder Schaltung.
-
Aus dem Stand der Technik sind diverse Ansätze zur Abfuhr von Wärme bekannt, die als thermische Verlustleistung an elektrischen Bauteilen anfällt. Gerade in geschlossenen Gehäusen kann es damit zu der Ausbildung von Wärmenestern kommen, die an Elektronikkomponenten aufgrund eines mit der Temperatur einhergehenden rapiden Anstiegs einer Ausfallwahrscheinlichkeit einen sehr negativen Einfluss auf einen zuverlässigen Dauerbetrieb haben können. Gegen einen verfrühten Ausfall elektronischer Komponenten werden nach dem Stand der Technik u.a. redundante Einheiten vorgesehen. Alternativ werden die eingesetzten Elektrokomponenten gezielt überdimensioniert, um den höheren Temperaturen im Fall hoher Belastung Rechnung zu tragen und eine insgesamt ausreichende Lebensdauer zu erzielen. Die genannten konstruktiven Lösungsansätze erzeugen jedoch einen höheren Platzbedarf und führen zusätzliche Kosten mit sich, sofern es bei den i.d.R. gegebenen engen räumlichen Bedingungen in einem geschlossenen Gehäuse überhaupt realisierbar ist. Eine verkürzte Lebensdauer von Elektronikkomponenten führt ebenfalls zu erhöhten Kosten sowie verringerter Zuverlässigkeit und kann daher nicht ernsthaft als Lösung in Betracht gezogen werden.
-
Aus der
DE 10 2019 120 031 A1 ist ein integriertes Entwärmungssystem bekannt, das durch freie und/oder erzwungene Konvektion in einer Hochvoltverschaltungsbox eines Batteriespeichers für einen Angleich der thermischen Bedingungen über eine gesamte Schaltung mit diversen elektronische Komponenten hinweg sorgt. Ein derartiges Entwärmungssystem hat sich bewährt, ist aber prinzipiell nur in geschlossenen Gehäuse anwendbar, in denen eine konvektive Strömung aufbaubar ist.
-
Für flächig ausgebildete Schaltungen in einem geschlossenen Gehäuse, wie z.B. für Solarmodule, sind aktive Kühlsysteme bekannt. Bei denen muss eine Flüssigkeit, ein Gas oder Gasgemisch, wie z.B. Luft, zur Kühlung des Solar-Moduls durch das Gehäuse gepumpt werden. Derartige aktive Kühlsysteme sind jedoch teuer, beanspruchen zusätzlichen Bauraum und elektrische Energie. Zudem verschleißen derartige Kühlsysteme und können als aktiv angetriebene Sub-Systeme auch direkt durch interne Defekte oder indirekt aufgrund einer Störung in der Energieversorgung ausfallen.
-
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Entwärmungsvorrichtung für eine elektronische Komponente oder eine Schaltung in einem geschlossenen Gehäuse zu schaffen, wobei die Entwärmungsvorrichtung auch Teil des geschlossenen Gehäuses sein kann.
-
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale von Anspruch 1 durch eine Entwärmungsvorrichtung an einem geschlossenen Gehäuse einer elektronischen Komponente oder einer Schaltung gelöst, die einen Kühlkörper an einer Rückseite der elektronischen Komponente oder Schaltung unter guter thermischer Kopplung angeordnet aufweist, um Wärme zur Erhöhung einer Lebensdauer und/oder eines Wirkungsgrads von der Komponente oder Schaltung wegzuleiten. Der Kühlkörper umfasst mindestens eine erste Metallplatte mit einer dreidimensionalen Struktur. Eine Einleitung von Wärme erfolgt über eine flache Basis, eine Ableitung der Wärme zu den Gipfeln der dreidimensionalen Struktur hin, wo mindestens eine zweite Metallplatte an der ersten Metallplatte bzw. deren Gipfel unter thermischem Kontakt angrenzend angeordnet ist und so eine aufgenommene Wärme weiter ableitet.
-
Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche. Demnach ist die Metallplatte als Aluminiumblech mit einer geprägten dreidimensionalen Struktur als Profilierung ausgeführt. Aluminium ist ein preiswerter, korrosionsbeständiger und guter Wärmeleiter. Eine dreidimensionale Struktur kann in dem vergleichsweise weichen Aluminium leicht durch Prägen hergestellt werden, insbesondere auch nach einem Walz-Stanz-Verfahren unter Verwendung von Aluminium-Bandmaterial, bei dem neben einer Profilierung des Aluminium-Blechs auch zugleich ein Zuschnitt zu einer endkonturgenauen Metallplatte in einem kontinuierlichen Herstellungsverfahren erfolgt.
-
Vorzugsweise ist die dreidimensionale Struktur der Metallplatte zur Tragung höhere statischer und dynamischer mechanischer Lasten optimiert ausgebildet. Hierzu wird noch anhand eines Ausführungsbeispiels im Detail eingegangen werden.
-
In einer Weiterbildung der Erfindung ist die dreidimensionale Struktur regelmäßig aufgebaut. Vorzugsweise ist eine Sicken- oder Noppenstruktur vorgesehen, wobei jeweils Erhöhungen aus einer ebenen Grundseite bzw. Basis hervorstehend ausgeformt sind.
-
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist die zweite Metallplatte ebenfalls dreidimensional profiliert. Insbesondere ist die zweite Metallplatte mit derselben dreidimensionalen Struktur wie die erste Metallplatte versehen.
-
Vorzugsweise ist eine erfindungsgemäße Entwärmungsvorrichtung so aufgebaut und ausgeformt, dass die Basis der ersten Metallplatte und die der zweiten Metallplatte jeweils entgegengesetzt zueinander liegend orientiert sind.
-
In einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist eine spiegelbildlich Anordnung der ersten und zweiten Metallplatte zueinander bei gleichartiger Profilierung vorgesehen. Bei derselben dreidimensionalen Struktur an den besagten Metallplatten und spiegelbildlicher Anordnung angrenzen so die jeweiligen Gipfel aneinander, so dass die Wärme von Gipfel zu Gipfel ableitet wird.
-
Vorteilhafterweise sind mindestens eine erste und mindestens eine zweite Metallplatte aufeinander gelegt angeordnet. Eine Fixierung der Bleche aneinander ist für den Wärmeübergang bei ausreichendem Kontakt durch direkte Berührung der Bestandteile miteinander nicht notwendig. So ergibt sich in einer Ausführungsform der Erfindung ein Stapel aus mehreren spiegelbildlich zueinander orientiert gestapelten Metallplatten, die frei von gegenseitigen Fixierungen sind.
-
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind randseitig an den Metallplatten Sicken vorgesehen, um die Entwärmungsvorrichtung in einem externen Rahmen zu fixieren. Insbesondere sind diese Sicken nur an einer jeweils untersten und einer obersten Blechplatte eines Stapels von Metallplatten vorgesehen.
-
In einer Weiterbildung der Erfindung ist ein Stapel aus drei Paketen als paarweise Anordnungen erster Metallplatten und zweiter Metallplatten vorgesehen, der vorzugsweise dem geschlossenen Gehäuse der elektronischen Komponente oder Schaltung an dem Stapel aus Metallplatten gegenüberliegend eine Ableitung von Wärme in einen Untergrund hinein in Form eines Stabes aufweist. Für eine thermische Kopplung der aus Metallplatten aufgebauten Entwärmungsvorrichtung reicht eine flächige Anlage eines untersten Metallblechs an dem Stab aus.
-
Nachfolgend werden weitere Merkmale und Vorteile erfindungsgemäßer Ausführungsformen unter Bezugnahme auf Ausführungsbeispiele anhand der Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen in schematischer Darstellung:
- 1: eine perspektivische Ansicht zweier Solarmodule, die an einem angrenzenden Randbereich miteinander mechanisch fixiert sind;
- 2: eine perspektivische Ansicht von zwei fortschreitend freigeschnittenen Solarmodulen in der Ansicht von 1;
- 3: eine perspektivische Ansicht einer ersten Metallplatte einer Entwärmungsvorrichtung;
- 4a - 4c: teilweise geschnittene Ansichten der Metallplatte von 3;
- 5: eine perspektivische Ansicht eines Stapels von Metallplatten mit aufeinanderfolgend spiegelbildlicher Orientierung;
- 6: eine Seitenansicht der Anordnung von 5 und
- 7: eine perspektivische Darstellung einer Fixierung von Stapeln aus Metallplatten gemäß 5 in entsprechenden Ausnehmungen eines Chassis eines Solarmoduls gemäß 1.
-
Über die verschiedenen Abbildungen hinweg werden für gleiche Elemente stets die gleichen Bezugszeichen verwendet. Ohne Beschränkung der Erfindung wird nachfolgend nur ein Einsatz von Entwärmungsvorrichtungen in ebenen und mechanisch hoch belastbaren Solarmodulen mit einer gleichmäßig hexagonalen Kantenform dargestellt und beschrieben, die als Ersatz für einen Straßenbelag dienen und daher auch von schweren Lastkraftwagen befahrbar sind. Diese Solarmodule sind aneinander angrenzend auf einem i.d.R. nicht völlig ebenen Untergrund angeordnet. Es ist für den Fachmann jedoch offensichtlich, dass in gleicher Weise eine Anpassung auf dreidimensional beliebig ausgeformte Untergründe auch unter Verwendung dreieckiger Körper nach Art eines Finite-Elemente-Netzes unter entsprechender Anpassung der Entwärmungsvorrichtungen möglich ist, um eine Überdeckung mit einer vorbestimmten Oberflächenform zu realisieren. Auch können die Körper bzw. Module selber unter entsprechender Anpassung von darin enthaltenen Entwärmungsvorrichtungen eine nicht-ebene Oberfläche aufweisen.
-
Solarmodule als in einem geschlossenen Gehäuse angeordnete elektronische Komponente bei Verwendung als Straßenbelag stellen in thermischer Hinsicht eine besondere technische Herausforderung dar, zumal eine aktive Kühlung über eine Länge eines Straßenbelags hinweg zu kostspielig und unzuverlässig wäre. Eine effektive Entwärmung steigert aber einen Wirkungsgrad von Solarzellen und verlängert darüber hinaus eine durchschnittliche Lebensdauer. Diese wichtige Aufgabe übernehmen die nachfolgend beschriebenen Entwärmungsvorrichtungen.
-
1 stellt eine perspektivische Ansicht zweier Solarmodule 1 mit einer ungefähr hexagonalen Grundstruktur dar, die auf einem Untergrund 2 angeordnet an einem angrenzenden Randbereich 3 miteinander mechanisch durch diverse Verbindungsvorrichtungen fixiert sind, die durch ein Werkzeug W geöffnet und geschlossen werden können. Die Verbindungsvorrichtungen sind als Schutz gegen Umwelteinflüsse durch Abdeckleisten 4 überdeckt. Unter einer mechanisch hoch belastbaren Oberfläche 5 aus Glas als Deckschicht sind nicht weiter dargestellte Solarzellen mit einer Elektronik, Wärme-Pads zum elektrischen Beheizen der Module 1 gegen Schnee und Eis auch Sensoren für Druck und Temperatur etc. sowie LED-Modulen angeordnet, die allesamt durch die Solarzellen mit elektrischem Strom versorgt und über Leitungen mit jeweils angrenzenden Solarmodulen 1 zum Austausch von elektrischer Energie sowie von Informationen verbunden sind.
-
An die der Sonne zugewandte Oberfläche 5 schließt sich ein Chassis 6 mit einer Rahmenstruktur an. Das Chassis 6 ist als Ausgleich gegenüber Unebenheiten des Untergrunds 2 aus einem Elastomer oder gummielastischen Kunststoff hergestellt. Um eine große Kraft von der Oberfläche 5 durch das Solarmodul 1 hindurch in den Untergrund 2 ableiten zu können sind direkt hinter den nicht weiter dargestellten Solarmodulen und damit an einer der Sonne abgewandten Seite der Oberfläche 5 in thermischem Kontakt mit den Solarzellen Entwärmungsvorrichtungen 7 angeordnet. Je Solarmodul 1 sind in diesem Ausführungsbeispiel sechs Entwärmungsvorrichtungen 7 vorgesehen, die als Segmente durch die Rahmenstruktur des Chassis 6 voneinander getrennt angeordnet sind. 2 zeigt dazu eine perspektivische Ansicht zwei fortschreitend freigeschnittener Solarmodule 1 in der Ansicht von 1.
-
Neben der Oberfläche 5 mit den Solarzellen als Deckschicht sind in zwei Randbereichen 3 Abdecklippen 4 aus einem Elastomer-Material entfernt worden, die einen Kanal 8 zwischen den Deckschichten 5 benachbarter Module 1 mit diesen Deckschichten 5 bündig füllen und verschließen. Das linke Modul 1 ist in 2 bis auf das Chassis 6 reduziert worden, an dessen Randbereichen 3 Verbindungsvorrichtungen zur mechanischen Kopplung mit angrenzenden Modulen 1 vorgesehen sind. In der rahmenartigen Struktur des Chassis 6 ist eine zentrale Aufnahme 9 für eine u.a. datenverarbeitende Elektronik vorgesehen, die in einem realen Einsatz über einen Kanal 10 für Strom- und Daten-Leitungen zu angrenzenden Modulen 1 hin verbunden ist.
-
Von dem rechten Modul 1 sind in 2 bis auf Fixierungskörper der jeweiligen Verbindungsvorrichtungen nur die thermisch optimiert mit den gekoppelten Entwärmungsvorrichtungen 7 und vier der sechs als Schmutzschutz für die darunterliegenden Verbindungsvorrichtungen 1 eingesteckten Abdecklippen 10 alle weiteren Bauteile entfernt worden. Die Entwärmungsvorrichtungen 7 decken in Form der sechs Segmente einen wesentlichen Teil der Fläche über dem Untergrund 2 ab und tragen damit die Deckschicht 5 des Solarmoduls 1 unter Ableitung mechanischer Auflasten in den Untergrund 2.
-
3 stellt eine perspektivische Ansicht einer ersten Metallplatte 11 einer Entwärmungsvorrichtung 7 dar. Die Metallplatte 11 ist als Aluminiumblech aufgeführt und weist eine geprägte dreidimensionale Struktur auf. Diese dreidimensionale Struktur zeigt regelmäßig verteilte Sicken oder Noppen 12, die sich von einer flachen bzw. ebenen Basis 13 zu Erhöhungen bzw. Gipfeln 14 mit abgeflachten Plateau-Flächen erstrecken.
-
Die Abbildungen der 4a - 4c zeigen teilweise geschnittene Ansichten der Metallplatte 11 von 3. Hier ist durch Prägen aus einem Aluminium-Blech von ca. 400 cm2 Fläche ca. 120 cm2 Fläche der ebenen Basis 13 und ca. 65 cm2 Fläche aller Plateau-Gipfel 14 geschaffen worden. Die dargestellte dreidimensionale Struktur ist zur Tragung höhere statischer und dynamischer mechanischer Lasten optimiert und als dreidimensionale Struktur regelmäßig aufgebaut ausgebildet. Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel misst das Aluminiumblech bei einer Höhe h der mit Noppen 12 versehenen Metallplatte 11 von ca. 8,47 mm an jeder Stelle eine Dicke t von ca. 3,175 mm. Damit ergeben sich von der ebenen Basis 13 bei Anschluss durch Übergangradien unter einem Winkel von ca. 40° um ca. 5,29 mm maximal ansteigende Noppen 12 mit linearen Flanken. 4b deutet eine Positionierung einer ersten Metallplatte 11 einer Entwärmungsvorrichtung 7 mit einer ersten in Kontakt mit der Oberfläche 5 mit darin enthaltenen Solarzellen stehenden Metallplatte 11 sowie einer an diese erst Metallplatte 11 angrenzende, spiegelsymmetrisch ausgebildete zweite Metallplatte 15.
-
5 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Stapels von Metallplatten, wobei je eine erste Metallplatte 11 und eine dazu spiegelbildliche orientierte zweite Metallplatte 15 als Paket 16 aufeinander gelegt gestapelt sind. Vorteilhafterweise muss also nur eine Form zur Herstellung der Metallplatten 11, 15 vorgesehen werden, da sie sich nur hinsichtlich ihrer Orientierung beim Zusammenbau unterscheiden. Dem angedeuteten Schema folgend sind in 5 drei Pakete 16 zum Aufbau einer Entwärmungsvorrichtung 7 vorgesehen. Es ist erkennbar, dass die zweite Metallplatte 15 ebenfalls 3D-profiliert ist und mit derselben dreidimensionalen Struktur versehen ist, wie die erste Metallplatte 11. Ein jedes Paket 16 umfasst damit zwei frei von gegenseitigen Fixierungen aufeinander gelegt und konturkonform angeordneten Metallplatten 11, 15.
-
6 stellt eine Seitenansicht der Anordnung von 5 dar aus drei Pakete 16 zu je einer ersten Metallplatte 11 und einer dazu spiegelbildlich orientierten zweiten Metallplatte 15. Bei hoher Entwärmungsleistung ist diese Anordnung bei einer Gesamthöhe von ca. 5,1 cm deutlich leichter als ein massiver Klotz aus Aluminium.
-
7 zeigt eine perspektivische Darstellungen einer Fixierung von Entwärmungsvorrichtung 7 als jeweilige Stapel von lose aufeinander gestapelten Metallplatten gemäß 5 in entsprechenden Ausnehmungen des Chassis 6 eines Solarmoduls 1 gemäß den 1 und 2. Hier sind randseitig an den Metallplatten 11, 15 Sicken 17 vorgesehen sind, um die Entwärmungsvorrichtung 7 an dem Chassis 6 durch an beiden Oberflächen des Chassis 6 angeschraubte Kunststoff-Haltearme 18 zweierlei Bauform zu fixieren. Dabei sind diese Sicken 17 nur an einer jeweils untersten und einer obersten Blechplatte 11, 15 zur Fixierung in diesem externen Rahmen vorzusehen, der hier durch das Chassis 6 und sonst durch einen Gehäuseteil eines Moduls 1 gebildet ist.
-
Die aus gestapelten Aluminium-Sickenblechen aufgebauten Entwärmungsvorrichtungen 7 dienen einerseits einer Entwärmung einer flächig darüber angeordneten Elektronik und steigern damit insbesondere einen Wirkungsgrad von Solarzellen. Auch senken die Entwärmungsvorrichtungen 7 durch eine Abfuhr von Wärme aus stark erhitzten Bauteilen oder Regionen der Elektronik eine Tendenz zur Ausbildung von Wärme-Nestern. Damit wird an Elektronikkomponenten aufgrund eines mit der Temperatur einhergehenden rapiden Anstiegs einer Ausfallwahrscheinlichkeit eine durchschnittliche Lebensdauer erhöht, ohne dass die eingesetzten Elektrokomponenten gezielt überdimensioniert werden müssten, um den höheren Temperaturen im Fall hoher Belastung Rechnung zu tragen. Auch muss keine Redundanz von Bauteilen vorgesehen werden, so dass neben Kosten auch Bauraum eingespart wird. Eine weitere Funktion der beschriebenen Entwärmungsvorrichtungen 7 liegt darin, dass sie sehr druckstabil und damit durch Aufstandskräfte hoch belastbar sind. Die mechanisch hoch belastbare Schutzschicht mit darunterliegende Funktionselementen stützt sich bei Belastung z.B. durch ein über die Solarmodule rollendes Fahrzeug mechanisch auf den Entwärmungsvorrichtungen 7 statt dem jeweiligen Chassis 12 zur Ableitung in den Untergrund 2 hin ab. Bei einer Fläche der mechanisch hoch belastbare Oberfläche 5 von ca. 0,24 m2 wird eine einwirkende Gewichtskraft z.B. eines schweren Fahrzeugs über sechs Entwärmungsvorrichtung 7 mit einer nahezu gleichgroßen Gesamtfläche in den Untergrund 2 abgeleitet.
-
In einem nicht weiter zeichnerisch dargestellten Ausführungsbeispiel ist ein Stapel aus drei Paketen 16 als paarweise Anordnungen erster Metallplatten 11 und zweiter Metallplatten 15 vorgesehen, der dem geschlossenen Gehäuse der elektronischen Komponente oder Schaltung des Solarmoduls 2 an dem Stapel aus Metallplatten gegenüberliegend eine Ableitung von Wärme in den Untergrund 2 hinein in Form eines wärmeleitenden Stabes aufweist.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Solarmodul
- 2
- Untergrund
- 3
- Randbereich
- 4
- Abdeckleiste / Abdecklippen
- 5
- mechanisch hoch belastbare Oberfläche
- 6
- Chassis
- 7
- Entwärmungsvorrichtung
- 8
- Kanal zwischen Deckschichten 5 benachbarter Module 1
- 9
- Aufnahme für eine Elektronik
- 10
- Kanal für Strom- und Daten-Leitungen von einer Elektronik zu angrenzenden Modulen 1 hin
- 11
- erste Metallplatte
- 12
- Sicke / Noppe
- 13
- flache / ebenen Basis
- 14
- Plateau-Gipfel
- 15
- zweite Metallplatte
- 16
- Paket aus einer ersten Metallplatte 11 und einer dazu spiegelbildlich orientierten zweiten Metallplatte 15
- 17
- Sicke
- 18
- Haltearme, im Chassis 6 an beiden Oberflächen zum Halten der Entwärmungsvorrichtungen 7 angeschraubt.
- h
- Höhe einer profilierten Metallplatte 11, 15
- t
- Dicke / Stärke der Metallplatte 11, 15 selber
- W
- Werkzeug mit mindestens einem Knopf zur Verbindung in einer Öffnung nach Art eines Bajonett-Verschlusses
-
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
-
- DE 102019120031 A1 [0003]
