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Die
Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur Wärmeableitung von in einem Gehäuse, insbesondere
von einem Gehäuse
mit Schutzart IP54, angeordneten, Verlustleistungen erzeugenden elektrischen
Bauelementen.
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Durch
die stetig zunehmende Packungsdichte elektronischer Geräte wird
die Kühlung
der Bauelemente, die Verlustleistung erzeugen, ein immer größeres Problem.
Zu diesen Bauelementen zählen beispielsweise
Prozessoren, Elektrolyt-Kondensatoren, Schütze. Sollen Anforderungen an
die EMV-Dichtheit und IP-Anforderungen erfüllt werden, werden diese Bauelemente
elektronischer Geräte
in geschlossenen Systemen angeordnet. Diese geschlossenen Systeme
weisen eine hohe Schutzart auf, beispielsweise IP54. Somit besteht
keine direkte Verbindung zwischen der Luft im elektronischen Gerät und außerhalb
dieses Gerätes.
Auch wenn die erzeugte Verlustleistung nicht sehr hoch ist, wird
trotzdem die Umgebungsluft im elektronischen Gerät während seines Betriebes erhöht. Die
Höhe dieser Umgebungstemperatur
beeinflusst wesentlich die Lebensdauer der im Gerät angeordneten
Bauelemente. Damit diese Umgebungstemperatur für diese Bauelemente nicht unzulässige Werte
annimmt, muss diese im Gehäuse
hoher Schutzart des elektronischen Gerätes niedrig gehalten werden.
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Aus
der
DE 196 53 523
A1 ist ein elektronisches Gerät bekannt, dass einen Bauelementträger mit
einer Luft-Umwälzkühlung aufweist.
Dieser Bauelementträger
weist einen Luftkühlkörper auf,
dem ein Lüfter
zugeordnet ist. Mit diesem Lüfter
ist ein Umwälz-Luftstrom
zur Luftkühlung
mindestens eines Teils der Bauelemente und zur Luftrückkühlung an dem
Luftkühlkörper erzeugbar.
Durch diesen Umwälz-Luftstrom
kann im Betrieb eine Kühlung
der Bauelemente erfolgen, die fast ausschließlich auf die Luftkühlung angewiesen
sind. Dieser Bauelementträger
ist aus einer Trägerplatte
mit den Bauelementen und den Luftkühlkörper zusammengesetzt. Dabei
ist diese Trägerplatte
und dieser Luftkühlkörper derart flächig miteinander
verbunden, dass mindestens ein Kanal eingeschlossen wird. Damit
eine besonders große
Wärmeaustauschfläche zur
Verfügung
steht, weist der Luftkühlkörper Kühlrippen
auf. Der Lüfter
ist so an den Bauelementträger
angeordnet, dass betriebsmäßig der
durch den Betrieb des Lüfters
erzeugte Luftstrom an einer Seite des Bauelementträgers von
dem Lüfter
wegführt
und an der gegenüberliegenden
Seite zu dem Lüfter
hinführt.
Zur Kühlung von
einzelnen Bauelementen auf der Trägerplatte des Bauelementträgers sind
Durchströmöffnungen vorgesehen.
Zur gezielten Kühlung
von Bauelementen sind am Bauelementträger Leitelemente vorgesehen,
mit denen ein Teil des Luftstromes gezielt auf ein Bauelement hin
oder um ein Bauelement herumgeleitet werden kann.
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Der
Nachteil dieses Kühlungssystems
ist der Lüfter,
der einerseits ein gewisses Bauvolumen beansprucht und andererseits
im Vergleich zu den eingesetzten Bauelementen eine geringere Betriebsstundenzahl
aufweist. Somit ist innerhalb der Lebensdauer des elektronischen
Gerätes
mit Lüfterausfällen zu
rechnen.
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Aus
der
DE 101 47 468
A1 ist ein elektronisches Gerät bekannt, das ein bewegungsloses
aktives Mittel zur Kühlung
von Bauelementen aufweist. Als bewegungsloses aktives Mittel wird
ein Peltierelement verwendet. Ein Peltierelement weist einen Stromkreis
aus zwei Materialien mit verschiedenen Niveaus in der thermoelektrischen
Spannungsreihe auf. Damit das Peltierelement Wärme abführen kann, muss diesem ein
Strom eingeprägt
werden. Außerdem
muss ein kühlender
Teil des Peltierelementes mit einem zu kühlenden Bauelement thermisch
gekoppelt sein, wobei der wärmende
Teil dieses Peltierelementes mit einem Kühlkörper thermisch leitend verbunden
ist. Mit einem Peltierelement können
bevorzugt sogenannte Wärmenester
einer mit Bauelementen bestückten
Leiterplatte entwärmt
werden.
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Der
Nachteil bei der Verwendung eines Peltierelementes besteht darin,
dass zunächst
eine Stromversorgung des Peltierelements vorgesehen werden muss.
Außerdem
muss der wärmende
Teil des Peltierelements mit einem Kühlkörper thermisch leitend verbunden
werden. D.h., die mit Bauelementen bestückte Leiterplatte muss mit
seiner Bestückungsseite
einem Kühlkörper beabstandet
gegenüber
platziert sein. D.h., ein bestehendes elektronisches Gerät muss im
Innern neu aufgebaut werden.
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Aus
der
DE 94 01 628 U1 ist
eine Anordnung zur Wärmeableitung
von in Gehäusen
hoher Schutzart eingebauten Verlustleistungen erzeugenden Bauelementen
bekannt. Bei dieser bekannten Anordnung ist eine Gehäusewand
als Wärmesenke
ausgebildet. Innerhalb dieses Gehäuses ist wenigstens eine zusätzliche
Wärmesenke
angeordnet, die zur Aufnahme einer erzeugten Verlustleistung des
erzeugenden Bauelements zugeordnet ist und die mit der Wärmesenke
des Gehäuses
wärmeleitend
verbunden ist. Als zusätzliche
Wärmesenke
ist ein Wärmeleitblech
vorgesehen, das räumlich
parallel zu einer Leiterplatte angeordnet ist, auf der Verlustleistungen erzeugende
Bauelemente angeordnet sind. Die von diesen Wärmeleitblechen durch Wärmestrahlung aufgenommene
Wärme fließt in Richtung
der als Wärmesenke
ausgebildeten Gehäusewand,
von der die aufgenommene Wärme
an die Umgebung abgegeben wird.
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Da
die von Bauelementen erzeugten Verlustleistungen mittels Wärmestrahlung
auf ein Wärmeleitblech übertragen
werden, muss dieses Wärmeleitblech
unmittelbar in der Nähe
der Verlustleistungen erzeugenden Bauelementen angeordnet werden. Dadurch
wird eine Konvektionskühlung
unterbunden, wodurch sich die Wärme
zwischen Bauelementen der Leiterplatte und einem zugehörigen Wärmeleitblech
stauen könnte.
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Aus
der
DE 93 16 149 U1 ist
ebenfalls eine Anordnung zur Wärmeableitung
von in einem Gehäuse
angeordneten Verlustleistungen erzeugenden elektrischen Bauelementen
bekannt. Bei dieser Anordnung sind die Wärmeleitbleche haubenförmig ausgebildet.
Die Oberfläche
der Abdeckhaube ist für minimale
Strahlungsre flexion matt schwarz, wogegen die Oberflächen der
Abdeckhaube für
einen guten Wärmekontakt
mit einer von außen
kühlbaren Gehäusewand
des Gehäuses
blank ist. Bei dieser Anordnung nimmt die Abdeckhaube die Wärme von den
Verlustleistungen erzeugenden Bauelementen einer Leiterplatte über Strahlung,
Konvektion und Leitung auf. Damit möglichst die gesamte erzeugte Verlustleistung
in Form von Wärme
von der Abdeckhaube aufgenommen werden kann, muss diese unmittelbar
in der Nähe
der Verlustleistung erzeugenden Bauelementen angeordnet sein. Da
durch die haubenförmige
Ausbildung des Wärmeleitbleches die
Bauelementeseite der Leiterplatte abgedeckt ist, steigt im Innern
dieser Abdeckhaube die Umgebungstemperatur an.
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Aus
der
US 6,201,698 B1 ist
eine Anordnung zum Stapeln von Leiterplatten bekannt, die jeweils
in einem Hohlraum eines aus vier Seitenwänden gebildeten Rahmens untergebracht
sind. Diese Rahmen sind nebeneinander auf einer Grundplatte angeordnet
und miteinander verrastet. Die Seitenwände dieser Rahmen bestehen
aus einem starren wärmeleitenden
Material. Außerdem
ist jeder Rahmen wärmeleitend
mit der im eingeschlossenen Hohlraum untergebrachten Leiterplatte
und mit der Grundplatte verbunden.
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Der
Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, die Umgebungstemperatur
von Bauelementen in einem Gehäuse,
insbesondere nach Schutzart IP 54, mit einfachen Mitteln niedrig
zu halten.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den
kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Dadruch,
dass die zusätzliche
Wärmesenke U-förmig ausgebildet
ist, erhöht
sich die Fläche
dieser zusätzlichen
Wärmesenke,
ohne dass diese viel mehr Platz beansprucht. Außerdem bildet diese zusätzliche
Wärmesenke
zusammen mit einer Leiterplatte, die das verlustleistungserzeugende
Bauelement aufweist, ein kaminartiges Gebilde, wodurch die Konvektionskühlung verbessert
wird. Durch die Aussparung in den Schenkeln der U-förmig ausgebildeten
zusätzlichen
Wärmesenke
wird Luft seitlich in den kaminartigen Gebilde zugeführt, wodurch
die Luft im Gehäuse
umgewälzt
wird.
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Bei
einer vorteilhaften Ausführungsform
der Anordnung zur Wärmeableitung
weisen die beiden Schenkel der U-förmig ausgebildeten zusätzlichen Wärmesenke
jeweils eine Aufnahmeeinrichtung auf. Durch die Aufnahmeeinrichtungen
an den Enden der Schenkel der U-förmig ausgebildeten zusätzlichen Wärmesenke
kann auf ein Haltesystem für
eine Leiterplatte, auf der ein verlustleistungserzeugendes Bauelement
angeordnet ist, verzichtet werden. Diese Leiterplatte kann direkt
in die Aufnahmevorrichtung der zusätzlichen Wärmesenke geschoben werden. Dadurch übernimmt
die zusätzliche
Wärmesenke gleichzeitig
die Funktion der mechanischen Halterung für eine Leiterplatte.
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Bei
einer vorteilhaften Ausführungsform
der Anordnung zur Wärmeableitung
weist die zusätzliche Wärmesenke
eine Oberfläche
auf, deren Emissionsfaktor annähernd
Eins ist. Damit eine Oberfläche
einen derartigen Emissionsfaktor aufweisen kann, ist diese Oberfläche entweder
lackiert oder anodisch oxidiert. Mit einer derartig behandelten
Oberfläche der
zusätzlichen
Wärmesenke
kann zusätzlich
der Effekt der Wärmestrahlung
genutzt werden. Dadurch wird die mittels Wärmeleitung abgeführte Wärmemenge
erhöht,
so dass die Umgebungstemperatur des Bauelementes im Gehäuse hoher
Schutzart niedrig gehalten werden kann.
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Bei
einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Gehäuses ist
zwischen der zusätzlichen
Wärmesenke
und der Wärmesenke
des Gehäuses
ein wärmeleitendes
Koppelelement angeordnet. Dadurch erhält man eine besonders einfache wärmeleitende
Verbindung zwischen der zusätzlichen
Wärmesenke
und der Wärmesenke
des Gehäuses.
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Um
den Wärmeübergangswiderstand
von einer zusätzlichen
Wärmesenke
zur Wärmesenke
des Gehäuses
gering zu halten, ist das wärmeleitende Koppelelement
großflächig ausgeführt. Außerdem kann
zur weiteren Erniedrigung des Wärmeübergangswiderstandes
zwischen wärmeleitenden
Koppelelement und Wärmesenke
des Gehäuses
ein Mittel zur Senkung des Wärmeübergangswiderstandes verwendet
werden. Ein bevorzugtes Mittel ist die Wärmeleitfolie bzw. die Wärmeleitpaste.
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Zur
weiteren Erläuterung
der Erfindung wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in der mehrere Ausführungsformen
des erfindungsgemäßen Gehäuses schematisch
veranschaulicht sind.
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1 zeigt
ein Gehäuse
hoher Schutzart gemäß der Erfindung,
die
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2 zeigt
das Gehäuse
nach 1 in geöffneten
Zustand, die
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3 veranschaulicht
eine Luftströmung
innerhalb des Gehäuses
nach 1, die
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4 zeigt
eine weitere zusätzliche
Wärmesenke,
in der
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5 ist
ein geöffnetes
Gehäuse
gemäß der Erfindung
mit mehreren zusätzlichen
Wärmesenken gemäß 4 dargestellt
und in der
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6 ist
ein geöffnetes
Gehäuse
gemäß der Erfindung
mit einer weiteren vorteilhaften zusätzlichen Wärmesenke dargestellt.
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Das
Gehäuse
besteht gemäß 1 aus
einer Wärmesenke 2 und
einer Haube 4. Damit eine Schutzart IP54 erfüllt werden
kann, ist zwischen der Wärmesenke 2 und
der Haube 4 eine Dichtung angeordnet. Außerdem ist
diese Haube 4 mit der Wärmesenke 2 lösbar verbindbar,
beispielsweise verschraubbar. Als Wärmesenke 2 des Gehäuses, die eine
Wand dieses Gehäuses
bildet, ist ein Kühlkörper der
aus einer Grundplatte 6, auch als Montageplatte bezeichnet,
und einer Anzahl von Kühlrippen 8 besteht,
vorgesehen. Die Verlustleistung, die von dieser Wärmesenke 2 aufgenommen
wird, wird auf der Seite der Kühlrippen 8 mit
Konvektion an die Umgebungsluft abgegeben.
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In
der 2 ist das Gehäuse
gemäß 1 ohne
Haube 4 dargestellt. Dadurch wird der Blick ins Innere
dieses Gehäuses
hoher Schutzart frei. Im Innern dieses Gehäuses sind mehrere Leiterplatten 10 beabstandet
angeordnet. Jeder Leiterplatte 10 ist eine zusätzliche
Wärmesenke 12 zugeordnet.
Jede zusätzliche
Wärmesenke 12 ist
U-förmig
ausgebildet. An den Enden der Schenkel einer jeden U-förmig ausgebildeten
zusätzlichen
Wärmesenke 12 sind Aufnahmeeinrichtungen 14 vorgesehen,
die derart ausgebildet sind, dass diese eine Leiterplatte 10 aufnehmen
können.
Diese Leiterplatten 10 sind mit Bauelementen bestückt, von
denen einige während
des Betriebes eine Verlustleistung produzieren. Außerdem weisen
die Schenkel einer jeden U-förmig
ausgebildeten zusätzlichen
Wärmesenke 12 eine
Aussparung 16 auf. Durch diese Aussparung 16 entstehen
auf der Einspannseite einer jeden zusätzlichen Wärmesenke 12 eine Zuströmöffnung.
Zum Einspannen dieser zusätzlichen
Wärmesenke 12 und
zur Verringerung des Wärmeübergangswiderstandes
zwischen einer jeden zusätzlichen
Wärmesenke 12 und der
Wärmesenke 2 des
Gehäuses
in hoher Schutzart, ist ein wärmeleitendes
Koppelelement 18 vorgesehen. Dieses wärmeleitende Koppelelement 18 ist großflächig ausgebildet,
um den Wärmeübergangswiderstand
möglichst
gering zu halten. Um auch den Wärmeübergangswiderstand
zwischen dem wärmeleitenden
Koppelelement 18 und der Wärmesenke 2 des Gehäuses gering
zu halten, ist vor der Montage dieses Koppelelementes 18 ein
Mittel zur Senkung des Wärmeübergangswiderstandes
vorgesehen. Dabei kann es sich um eine Wärmeleitfolie oder eine Wärmeleitpaste
handeln.
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Da
bei dieser Anordnung von mehreren Leiterplatten 10, diese
mittels einer Bus-Leiterplatte signaltechnisch miteinander verbindbar
sind, weisen die zusätzlichen
Wärmesenken 12 zwischen
den beiden wärmeleitenden
Koppelelemente 18 jeweils eine Aussparung 20 auf.
Entlang dieser Aussparung 20 verläuft eine Bus-Leiterplatte,
mit der die vorhandenen Leiterplatten 10 signaltechnisch
verbunden werden. D.h., diese Bus-Leiterplatte ähnelt einer Rückwandleiterplatte.
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In
der 3 ist eine sich einstellende Luftströmung innerhalb
des geschlossenen Gehäuses hoher
Schutzart veranschaulicht. Durch die U-förmige Ausgestaltung einer jeden
zusätzlichen
Wärmesenke 12 entsteht
mit einer in seiner Aufnahmevorrichtung 14 gesteckten Leiterplatte 10 ein
kaminartiges Gebilde, in dem erwärmte
Luft aufsteigt. Durch die in den Schenkel angeordneten Aussparungen 16 kann
Luft in dieses kaminartige Gebilde nachströmen. Die aus dem kaminartigen
Gebilde strömende Luft
wird einerseits von der Innenfläche
der Haube 4 umgelenkt und andererseits von den in den Schenkel angeordneten
Ausnehmungen 16 angesaugt. Dadurch entsteht ein geschlossener
Strömungskreislauf,
mit dem die Luft im Innern des Gehäuses umgewälzt wird. Diese Luftströmung wird
von den erzeugten Verlustleistungen, die über die Wärmesenke 2 des Gehäuses nach
Außen
abgeführt
werden, in Gang gehalten.
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Die 4 zeigt
eine weitere zusätzliche Wärmesenke 12 gemäß der Erfindung.
Diese weitere zusätzlichen
Wärmesenken 12 unterscheiden
sich von der zusätzlichen
Wärmesenke 12 gemäß 2 dadurch,
dass diese keine Aussparung 20 aufweist. Außerdem sind
das wärmeleitende
Koppelelement 18 nicht flächig, sondern als Stütze der
zusätzlichen Wärmesenke 12 ausgebildet.
Eine derartig ausgebildete zusätzliche
Wärmesenke 12 wird
bevorzugt eingesetzt, wenn einzelne Leiterplatten 10 im
Gehäuse untergebracht
werden sollen, bzw. einzelne Leiterplatten 10 nachträglich gemäß einer
Option vom Gehäuse
aufgenommen werden müssen.
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In
der 5 ist ein geöffnetes
Gehäuse
mit mehreren zusätzlichen
Wärmesenken 12 gemäß 4 dargestellt.
Diese zusätzlichen
Wärmesenken 12,
die jeweils eine Leiterplatte 10 in seiner Aufnahmeeinrichtung 14 aufweist,
sind aus Platzgründen aneinandergereiht.
Die Ausgestaltung dieser zusätzlichen
Wär mesenke 12 lässt auch
eine beabstandete Anordnung zu. Jede Leiterplatte 10 ist
derart in die Aufnahmeeinrichtung 14 einer zusätzlichen
Wärmesenke 12 gesteckt,
dass deren Bestückungsseite
von der zusätzlichen
Wärmesenke 12 umschlossen
wird. Die Abmessungen der bestückten
Bauelemente einer Leiterplatte 10 bestimmen die Länge der
beiden Schenkel einer jeden U-förmig
ausgebildeten zusätzlichen
Wärmesenke 12.
Dabei ist zu bedenken, damit möglichst
ein hoher Anteil der von wenigstens einem Bauelement dieser Leiterplatte 10 erzeugten
Verlustleistung von der zugeordneten zusätzlichen Wärmesenke 12 aufgenommen
werden kann, sollte der Abstand zwischen der zusätzlichen Wärmesenke 12 und den
Bauelementen einer zugeordneten Leiterplatte 10 möglichst
klein sein.
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Sind
in diesem Gehäuse
Bauelemente mit einem größeren Bauvolumen
unterzubringen, so werden diese Bauelemente ebenfalls mittels einer
zusätzlichen
Wärmesenke 12 gekühlt. Zu
diesen Bauelementen mit großen
Bauvolumen werden Elektrolyt-Kondensatoren 22 und Schütze 24 gezählt. Die 6 zeigt,
wie mittels einer zusätzlichen
Wärmesenke 12 die
Verlustwärme
von mehreren Elektrolyt-Kondensatoren 22 zur Wärmesenke 2 des
Gehäuses
hoher Schutzart abgeführt
werden kann. Dazu sind die Elektrolyt-Kondensatoren 22 in
einer waagerechten Anordnung direkt auf der zusätzlichen Wärmesenke 12 montiert.
Somit übt
diese zusätzliche
Wärmesenke 12 neben
der Funktion der Wärmeleitung
ebenfalls die Funktion der mechanischen Aufnahme aus. Zusätzlich weitere
Bauelemente mit größeren Bauvolumen,
beispielsweise Schütze 24,
werden möglichst
nahe dieser zusätzlichen
Wärmesenke 12 im
Gehäuse
platziert, damit auch deren Verlustleistung von der zusätzlichen
Wärmesenke 12 in Form
von Verlustwärme
aufgenommen und zur Wärmesenke 2 des
Gehäuses
abgeführt
werden können.
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Damit
diese zusätzlichen
Wärmesenken 12 gemäß der 2, 4 und 6 auch
den Effekt der Wärmestrahlung
nutzen zu können,
muss zumindest die der verlustleistungserzeugenden Bauelementen
zugewandte Seite einer jeden zusätzlichen Wärmesenke 12 einen
Emissionsfaktor nahe Eins aufweisen. Um den Emissionsfaktor nahe
Eins zu bekommen, wird die Oberfläche dieser Seite beispielsweise
lackiert. Ebenso wird der Emissionsfaktor annähernd Eins, wenn diese Oberfläche anodisch
oxidiert ist. Durch diese Nutzung der Wärmestrahlung wird der Wirkungsgrad
der Aufnahme von Wärmemengen
erhöht,
wodurch die Umgebungstemperatur der Bauelemente im Innern eines
Gehäuses
mit einfachen Mitteln niedrig gehalten werden kann.