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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Stromschienenanordnung zum Kühlen einer Stromschiene.
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Im Stand der Technik werden Stromschienen zur elektrischen Energieverteilung genutzt. Stromschienen bestehen im Allgemeinen aus leitenden Metallen, insbesondere aus Kupfer oder Aluminium. Die Leitfähigkeit einer Stromschiene hängt insbesondere von ihrem Material und dem Materialquerschnitt ab. Stromschienen werden typischerweise in Schaltanlagen, Transformatoren, Wechselrichtern oder der lokalen Hochstrom-Energieverteilung genutzt. Stromschienen haben zumeist eine hohe Steifigkeit und können in eine geometrische Form gebracht und derart verbaut und genutzt werden. Stromschienen werden zumeist durch ein Gehäuse von der Umgebung abgeschirmt. Die Kühlung der Stromschienen erfolgt zumeist über die umgebende Luft. Diese Art der Kühlung ist oftmals nicht ausreichend, insbesondere im Hochvolt-Bereich. Durch ihre Eigenerwärmung und/oder durch externen Wärmeeintrag stellen die stromführenden Kupferschienen ein Risiko für andere Bauelemente, wie z.B. Leiterplatten oder Kondensatoren dar. Daher ist eine effektive Kühlung an einer Wärmesenke in vielen Fällen erforderlich. Dem entgegen steht jedoch die Anforderung der Isolation zwischen den unter Hochspannung stehenden Schienen und dem Gehäuse.
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Im Stand der Technik werden Stromschienen zur elektrischen Isolation häufig mit einem Kunststoff umspritzt. Dieses wirkt als ein thermischer Isolator, so dass eine Wärmeableitung stark gehemmt wird. Weiter werden Stromschienen im Stand der Technik in ein größeres Gehäuse eingefügt und zur Kühlung auf einer Kühlbank angeordnet. Um einen größtmöglichen Wärmeübertrag zu gewährleisten, werden Lufteinschlüsse zwischen der Stromschiene und der Kühlbank durch den Einsatz sogenannter wärmeleitender Gappads weitestgehend verhindert. Um insbesondere beim Einsatz in Hochvolt-Bereich durch ausreichend lange Kriechpfade eine ausreichende elektrische Isolation zu erreichen, müssen die Gappads stark überdimensioniert sein.
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In der
DE 2020 161 009 16 U1 ist eine Stromschiene für Hochstromverbraucher offenbart, aufweisend einen Supraleiter zum Leiten eines elektrischen Stroms, welcher sich entlang der Stromschiene erstreckt; ein Gehäuse mit einem Wärmerohr zum Kühlen des Supraleiters auf eine Temperatur unterhalb der Sprungtemperatur des Supraleiters, wobei das Wärmerohr, das Gehäuse und der Supraleiter sich entlang der Stromschiene erstrecken, das Wärmerohr über seine Länge thermisch leitend mit dem Gehäuse verbunden ist, wobei das Wärmerohr umfasst: ein verdampfbares Wärmeträgermedium, ein kaltes Ende, ein warmes Ende und einen Leitungsbereich zwischen dem kalten und dem warmen Ende zum Zirkulieren des Wärmeträgermediums zwischen dem warmen und dem kalten Ende einem Kühlaggregat zum Kühlen des Wärmerohrs, welches mit dem kalten Ende des Wärmerohrs thermisch leitend verbunden ist, wobei das Gehäuse derart ausgestaltet ist, dass eine Vielzahl der Gehäuse an ihren Enden miteinander in axialer Richtung verbindbar sind, so dass der Supraleiter durch die Vielzahl der miteinander verbundenen Gehäuse geführt und auf eine Temperatur unterhalb der Sprungtemperatur gekühlt werden kann.
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Die
DE10 2021 200 521 A1 offenbart eine Vorrichtung zur Halterung und Befestigung einer Stromschiene an einem Untergrund, insbesondere an einem metallischen Gehäuse, aufweisend: einen metallischen Stützkörper zur Abstützung der Stromschiene am Untergrund, eine wärmeleitfähige und elektrisch isolierende Zwischenlage zur Anordnung zwischen dem Stützkörper und dem Untergrund, ein am Untergrund mit Hilfe eines Befestigungsmittels festlegbares Haltelement sowie ein Spann- und/oder Federelement zur Beaufschlagung des Stützkörpers unmittelbar oder mittelbar über das Halteelement mit einer Vorspannkraft in Richtung des Untergrunds und ein metallisches Gehäuse mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.
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Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine Kühlung einer Stromschiene bereitzustellen, welche eine hinreichende elektrische Isolierung bereitstellt und eine bedarfsgerechte Auslegung der Bauelemente sowie eine produktionstechnische Realisierung ermöglicht.
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Offenbarung der Erfindung
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Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche. Die Unteransprüche haben bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung zum Inhalt.
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Die erfindungsgemäße Stromschienenanordnung weist insbesondere eine Stromschiene, ein erstes Wärmeleitmaterial, ein zweites Wärmeleitmaterial, eine Isolierfolie, ein Kühlmedium und ein Gehäuse auf. Die Stromschiene kann vorzugsweise Kupfer aufweisen. Zusätzlich oder alternativ kann die Stromschiene Aluminium aufweisen. Bevorzugt ist die Stromschiene als ein Stanzteil hergestellt. Die Stromschiene kann eine Oberseite und eine gegenüber der Oberseite angeordnete Unterseite sowie eine Längsausdehnung in einer ersten horizontalen Richtung und eine Querausdehnung in einer zweiten horizontalen Richtung, welche orthogonal zu der ersten horizontalen Richtung orientiert ist, aufweisen. Die Stromschiene weist bevorzugt eine Querausdehnung von 10 mm bis 50 mm auf. Besonders bevorzugt weist die Stromschiene eine Querausdehnung von 10 mm bis 30 mm auf. Die Stromschiene weist vorzugsweise eine Dicke von 1 mm bis 5 mm, besonders bevorzugt von 2 mm bis 4 mm auf. Die Stromschiene kann über ihre Längsausdehnung in der zweiten horizontalen Richtung gebogen sein. Zusätzlich oder alternativ kann die Stromschiene über ihre Längsausdehnung vertikal gebogen sein. Mit anderen Worten kann die Stromschiene entlang eines vordefinierten Raumpfades orientiert sein. Die Unterseite der Stromschiene ist vorzugsweise flächig an dem ersten Wärmeleitmaterial angeordnet. Das erste Wärmeleitmaterial kann insbesondere eine Wärmeleitpaste sein. Zusätzlich oder alternativ kann die Wärmeleitpaste aushärtend sein. Das erste Wärmeleitmaterial kann Silikonöl und/oder Polyethylenglykol und/oder Zinkoxid aufweisen. Zusätzlich oder alternativ kann das erste Wärmeleitmaterial Aluminium und/oder Kupfer und/oder Graphit und/oder Silber aufweisen. Schließlich kann das erste Wärmeleitmaterial ein Flüssigmetall, insbesondere Gallium und/oder Indium und/oder Rhodium und/oder Zinn aufweisen. Zusätzlich oder alternativ weist das erste Wärmeleitmaterial vorzugsweise einen Wärmeleitkoeffizienten / Wärmedurchgangskoeffizienten von 0,8 W/(mK) bis 10 W/(mK) auf.
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Das erste Wärmeleitmaterial ist vorzugsweise derart eingerichtet, dass keine oder wenige Lufteinschlüsse zwischen der Stromschiene und dem ersten Wärmeleitmaterial vorliegen. Weiter ist das erste Wärmeleitmaterial vorzugsweise mit der Unterseite flächig mit einer ersten Seite der Isolierfolie verbunden und eine der ersten Seite gegenüberliegende zweite Seite der Isolierfolie ist vorzugsweise mit der Oberseite des zweiten Wärmeleitmaterial verbunden. Für das zweite Wärmeleitmaterial gelten dieselben Ausführungen, wie die obenstehenden Ausführungen zum ersten Wärmeleitmaterial. Das zweite Wärmeleitmaterial ist vorzugsweise mit der Unterseite an dem Kühlmedium angeordnet. Die zwischen dem ersten Wärmeleitmaterial und dem zweiten Wärmeleitmaterial angeordnete Isolierfolie steht vorzugsweise in der zweiten horizontalen Richtung beidseitig gegenüber dem ersten Wärmeleitmaterial und dem zweiten Wärmeleitmaterial hervor. Zusätzlich oder alternativ ist die Isolierfolie insbesondere zur elektrischen Isolierung eingerichtet. Zusätzlich oder alternativ weist die Isolierfolie nur eine geringe Hemmung eines Wärmedurchgangs auf. Der beidseitige Überstand der Isolierfolie ist vorzugsweise jeweils stoffschlüssig mit dem Gehäuse verbunden. Das Gehäuse ist vorzugsweise stabil ausgeführt. Die stoffschlüssige Verbindung führt vorzugsweise zu einer Verhinderung von Kriechpfaden zwischen der Stromschiene und dem Kühlmedium. Derart kann eine Kühlung der Stromschiene durch das Kühlmedium bei geringem Einsatz von elektrisch isolierendem Material hergestellt werden.
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Die Unteransprüche haben bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung zum Inhalt.
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Das erste Wärmeleitmaterial weist vorzugsweise ein wärmeleitendes Material auf. Das wärmeleitende Material kann beispielsweise Flüssigmetall, SilikonPolymer oder Aluminiumoxid aufweisen. Das erste Wärmeleitmaterial weist vorzugsweise eine Dicke von 0,5 mm bis 4 mm, besonders bevorzugt von 0,8 mm bis 2 mm auf. Die Breite des ersten Wärmeleitmaterials korrespondiert vorzugsweise mit der Breite der Stromschiene. Zusätzlich oder alternativ korrespondiert die Breite des ersten Wärmeleitmaterials mit der Breite des zweiten Wärmeleitmaterials. Schließlich kann die Breite des ersten Wärmeleitmaterials mit der Breite des Kühlmediums korrespondieren. Die Breite des ersten Wärmeleitmaterials beträgt bevorzugt 10 mm bis 50 mm, besonders bevorzugt 10 mm bis 30 mm. Das erste Wärmeleitmaterial kann segmentiert vorliegen. Zusätzlich oder alternativ kann das erste Wärmeleitmaterial ein Klebstoff sein. Der Klebstoff kann besonders bevorzugt zur Herstellung der stoffschlüssigen Verbindung zwischen der Isolierfolie und dem Gehäuse dienen. Der Klebstoff ist vorzugsweise dazu eingerichtet, durch Oberflächenhaftung und Kohäsion eine dauerhafte Verbindung zwischen der Stromschiene und der Isolierfolie herzustellen. Der Klebstoff ist weiter vorzugsweise dazu eingerichtet, eine thermische Leitfähigkeit zwischen der Stromschiene und der Isolierfolie zu gewährleisten. Zusätzlich oder alternativ führt die Art der Applikation des Klebstoffs und/oder der Klebstoff selbst dazu, dass keine oder wenige Lufteinschlüsse zwischen der Stromschiene und der Isolierfolie vorliegen. Das erste Wärmeleitmaterial kann manuell eingelegt sein. Zusätzlich oder alternativ kann das Kühlmedium mit einer Dosiervorrichtung aufgetragen sein. Das erste Wärmeleitmaterial kann während einer Applikation fließend sein und zu einem späteren Zeitpunkt aushärten.
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Das Material der Isolierfolie basiert vorzugsweise auf einem thermoplastischen Kunststoff. Zusätzlich oder alternativ weist die Isolierfolie vorzugsweise Polyamid (PA) auf. Zusätzlich oder alternativ weist die Isolierfolie Polycarbonat auf. Zusätzlich oder alternativ kann die Isolierfolie Polyimid aufweisen. Schließlich kann die Isolierfolie insbesondere ein elektrisch isolierendes duroplastisches und/oder thermoplastisches Material auf Kohlenstoffbasis sein. Die Materialauswahl kann insbesondere in Abhängigkeit der erwarteten Maximaltemperaturen an der Isolierfolie getroffen werden. Zusätzlich oder alternativ weist die Isolierfolie vorzugsweise eine Dicke von 0,05 mm bis 0,5 mm, besonders bevorzugt 0,1 mm bis 0,2 mm auf. Die Isolierfolie kann das erste Wärmeleitmaterial umgeben. Zusätzlich oder alternativ kann die Isolierfolie das zweite Wärmeleitmaterial umgeben.
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Das zweite Wärmeleitmaterial ist z.B. identisch dem ersten Wärmeleitmaterial. Das zweite Wärmeleitmaterial weist bevorzugt in der zweiten horizontalen Richtung dieselbe Breite wie das Kühlmedium auf. Das Kühlmedium kann vorzugsweise eine Breite von 0,5 mm bis 3 mm, besonders bevorzugt von 0,8 mm bis 2 mm aufweisen. Die Breite des Kühlmediums kann sich insbesondere an der Breite der Stromschiene orientieren. Das Kühlmedium kann in einer bevorzugten Ausführungsform eine Breite von 1,5 Mal der Breite der Stromschiene aufweisen. Das zweite Wärmeleitmaterial kann manuell eingelegt sein. Zusätzlich oder alternativ kann das Kühlmedium mit einer Dosiervorrichtung aufgetragen sein. Das zweite Wärmeleitmaterial kann während einer Applikation fließend sein und zu einem späteren Zeitpunkt aushärten. Das zweite Wärmeleitmaterial ist vorzugsweise mit dem Gehäuse fest verbunden.
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Das Material des Gehäuses weist vorzugsweise Kunststoff, insbesondere ein Thermoplastisches Material auf. Besonders bevorzugt weist das Material des Gehäuses Polyamid 6 (PA 6) und/oder Polyamid 66 (PA66) auf. Schließlich kann das Material des Gehäuses eine Faserverstärkung, insbesondere eine Glasfaserverstärkung (GF) aufweisen. Das Material des Gehäuses ist besonders vorzugsweise ein Duroplast. Die Geometrie des Gehäuses ist vorzugsweise derart gestaltet, dass durch sie eine feste Positionierung der Stromschiene gegenüber dem Kühlmedium und/oder der Stromschiene gegenüber der Isolierfolie und/oder der Isolierfolie gegenüber dem Kühlmedium hergestellt ist.
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Die Verbindung zwischen dem Gehäuse und der Isolierfolie wird vorzugsweise mittels Ultraschallschweißen hergestellt. Zusätzlich oder alternativ wird die Verbindung zwischen dem Gehäuse und der Isolierfolie mittels Laserschweißen hergestellt. Hierbei ist eventuell eine Transparenz der Isolierfolie in Abhängigkeit der Wellenlänge des Lasers zu beachten. Zusätzlich oder alternativ wird die Verbindung zwischen dem Gehäuse und der Isolierfolie mittels Spritzguss hergestellt sein. Schließlich kann die Verbindung zwischen dem Gehäuse und der Isolierfolie auch mittels einer Klebeverbindung hergestellt sein. Das Verfahren zur Herstellung der Verbindung zwischen dem Gehäuse und der Isolierfolie kann insbesondere in Abhängigkeit des Materials der Isolierfolie und/oder in Abhängigkeit des Materials des Gehäuses ausgewählt werden. Für die Materialkombination Polyamid mit Glasfaser (Gehäuse) / Polyamid (Isolierfolie) wird bevorzugt eine mittels Ultraschallschweißen hergestellte Verbindung zwischen dem Gehäuse und der Isolierfolie vorgeschlagen. Für die Materialkombination Polyamid mit Glasfaser (Gehäuse) / Polyamid (Isolierfolie) wird bevorzugt eine mittels Laserschweißen hergestellte Verbindung zwischen dem Gehäuse und der Isolierfolie vorgeschlagen. Für die Materialkombination Polyamid mit Glasfaser (Gehäuse) / Polyamid (Isolierfolie), Polycarbonat (Isolierfolie) wird bevorzugt eine mittels Spritzguss (Hinterspritzen / Film-Insert-Molding) hergestellte Verbindung zwischen dem Gehäuse und der Isolierfolie vorgeschlagen. Für die Materialkombination Polyamid mit Glasfaser (Gehäuse) / andere Isolierfolie, für die eine Schweißverbindung nicht möglich ist, wird bevorzugt eine mittels einer Klebeverbindung hergestellte Verbindung zwischen dem Gehäuse und der Isolierfolie vorgeschlagen.
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Das Kühlmedium / Kühlbank erstreckt sich vorzugsweise über die gesamte Längsausdehnung der Stromschiene. Das Kühlmedium ist vorzugsweise an der raumbezogenen Formgebung der Stromschiene orientiert bzw. verläuft parallel dazu. Zusätzlich oder alternativ erstreckt sich das Kühlmedium über zumindest 2/3 der Querausdehnung der Stromschiene. Besonders bevorzugt weist das Kühlmedium eine ähnliche Querausdehnung, wie die Stromschiene auf. Das Kühlmedium ist vorzugsweise dazu eingerichtet, eine Wärme abzuleiten. Das Kühlmedium weist vorzugsweise Aluminium auf. Zusätzlich oder alternativ weist das Kühlmedium Kupfer auf. Schließlich kann das Kühlmedium fluiddurchströmt sein. Das Fluid kann insbesondere ein Kühlmittel sein. Das Kühlmedium kann an weiteren wärmeableitenden Elementen angeordnet sein.
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Das erste Wärmeleitmaterial und/oder das zweite Wärmeleitmaterial weist vorzugsweise einen höheren Wärmeleitkoeffizienten auf, als die Isolierfolie. Der Wärmeleitkoeffizient des ersten Wärmeleitmaterials und/oder des zweiten Wärmeleitmaterials liegt vorzugsweise im Bereich zwischen 0,8 W/(mK) bis 10 W/(mK), besonders bevorzugt im Bereich zwischen 2 W/(mK) bis 5 W/(mK). Der Wärmeleitkoeffizient des ersten Wärmeleitmaterials und des zweiten Wärmeleitmaterials ist vorzugsweise gleich oder besonders bevorzugt ist der Wärmeleitkoeffizient des zweiten Wärmeleitmaterials größer als der Wärmeleitkoeffizient des ersten Wärmeleitmaterials.
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Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Herstellen einer Stromschienenanordnung zum Kühlen einer Stromschiene vorgeschlagen. Das Verfahren umfasst in einem ersten Herstellungsschritt vorzugsweise die Herstellung einer stoffschlüssigen Verbindung zwischen einer Isolierfolie und einem Gehäuse. Weiter wird in einem zweiten Herstellungsschritt vorzugsweise ein zweites Wärmeleitmaterial auf ein Kühlmedium aufgebracht. Darauffolgend wird in einem dritten Herstellungsschritt vorzugsweise eine Unterseite der Isolierfolie an dem zweiten Wärmeleitmaterial angeordnet. In einem vierten Herstellungsschritt wird vorzugsweise ein erstes Wärmeleitmaterial auf eine Oberseite der Isolierfolie aufgebracht und in einem fünften Herstellungsschritt insbesondere eine Unterseite einer Stromschiene auf dem ersten Wärmeleitmaterial angeordnet. Entsprechend wird durch die Anwendung des Verfahrens die erfindungsgemäße Vorrichtung hergestellt und die Merkmale, Merkmalskombinationen und Vorteile des erstgenannten Erfindungsaspektes gelten ebenso, weshalb zur Vermeidung von Wiederholungen auf die obigen Ausführungen verwiesen wird.
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Weitere Einzelheiten, Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus nachfolgender Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnungen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben. In der Zeichnung ist:
- 1 eine Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Stromschienenanordnung und
- 2 ein Flussdiagramm veranschaulichend Schritt eines Verfahrens zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Stromschienenanordnung.
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Neben der vorstehenden schriftlichen Beschreibung der Erfindung wird zu deren ergänzender Offenbarung hiermit explizit auf die zeichnerische Darstellung der Erfindung in den 1 und 2 Bezug genommen.
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Ausführungsformen der Erfindung
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1 zeigt eine Stromschienenanordnung 1, welche ein 2 cm breites Aluminiumgehäuse 6 als Ausführungsbeispiel eines Kühlmediums aufweist. Auf dem Kühlmedium ist ein 0,6 mm dickes erstes Wärmeleitpad 5 angeordnet. Die Breite des ersten Wärmeleitpads 5 entspricht der Breite des Aluminiumgehäuses 6. Auf dem ersten Wärmeleitpad 5 ist eine Isolierfolie mit einer Dicke von 0,2 mm angeordnet. Auf der Isolierfolie 4 ist ein 0,4 mm dickes zweites Wärmeleitpad 3 angeordnet, welche die selbe Breite wie die Schicht ersten Wärmeleitpads 5 aufweist und zentrisch über ihr positioniert ist. Weiter weist die Stromschienenanordnung 1 eine 3 cm breite Kupferstromschiene 2 auf, welche zentrisch auf dem zweiten Wärmeleitpad 3 angeordnet ist. Die somit zwischen dem ersten Wärmeleitpad 5 und dem zweiten Wärmeleitpad 3 angeordnete Isolierfolie 4 ragt beidseitig um 5 mm über das erste Wärmeleitpad 5 und das zweite Wärmeleitpad B 3 hinaus und ist auf einer ersten Seite mittels einer Laserschweißnaht mit einem ersten Gehäuseteil 7 verbunden und auf einer zweiten Seite mittels einer Laserschweißnaht mit einem zweiten Gehäuseteil 8 verbunden. Das erste Gehäuseteil 7 und das zweite Gehäuseteil 8 gehören zu dem selben Gehäusebauteil. Derart ist eine elektrische Isolation der Kupferstromschiene 2 gegenüber dem Aluminiumgehäuse 6 hergestellt. An der Kupferstromschiene 2 liegen 500 Volt an. Die spannungsinduzierte Wärme der Kupferstromschiene 2 wird in vertikaler Richtung durch das zweite Wärmeleitpad 3 hindurch, durch die Isolierfolie 4 hindurch und durch das erste Wärmeleitpad 5 hindurch in das Aluminiumgehäuse 6 abgeleitet und derart die Kupferstromschiene 2 gekühlt.
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2 zeigt ein Flussdiagramm mit Schritten eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen einer Stromschienenanordnung zum Kühlen einer Stromschiene. In einem ersten Schritt 100 wird eine stoffschlüssige Verbindung zwischen einer Isolierfolie und einem Gehäuse hergestellt. Weiter wird in einem zweiten Schritt 200 ein zweites Wärmeleitmaterial auf ein Kühlmedium aufgebracht. Darauffolgend wird in einem dritten Schritt 300 eine Unterseite der Isolierfolie an dem zweiten Wärmeleitmaterial angeordnet. In einem vierten Schritt 400 wird ein erstes Wärmeleitmaterial auf eine Oberseite der Isolierfolie aufgebracht wird und in einem fünften Schritt 500 eine Unterseite einer Stromschiene auf dem ersten Wärmeleitmaterial angeordnet.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 202016100916 U1 [0004]
- DE 102021200521 A1 [0005]
