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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Ladestation zum Aufladen eines Elektrofahrzeugs, wobei die Ladestation eine elektronische Einrichtung zum Steuern eines Ladestroms aufweist, und wobei die Ladestation eine Temperiereinrichtung zum Temperieren der elektronischen Einrichtung aufweist.
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Solche Ladestationen werden auch als „Wallbox“ bezeichnet, und zwar auch dann, wenn sie nicht an einer Wand befestigt sind.
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Bei dem Elektrofahrzeug kann es sich um ein solches handeln, das zumindest kurzzeitig vollelektrisch fortbewegungsfähig ist. Das Elektrofahrzeug weist eine Batterie auf, die mit der Ladestation geladen werden kann.
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Elektromobilität erfordert ein möglichst flächendeckendes Netz an Ladestationen (EV-Ladeeinrichtungen) für die Batterie. Im Moment befindet sich dieses im Aufbau. Dabei setzt man, insbesondere in Deutschland, auf sogenannte Wechselstrom- bzw. AC-Wallboxen. Diese stellen über eine einfache Schütz- oder Relaisschaltung eine Wechselspannung dem Fahrzeug zur Verfügung, der typischerweise noch gleichgerichtet werden muss. Die AC-Wallboxen können auch für einen Schutz des Bedieners (z. B. durch Fehlerstromerkennung) sorgen sowie durch integrierte oder zugeschaltete Komponenten auch dafür, dass der vorhandene Stromversorgungskreis insgesamt nicht überlastet wird.
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Meistens sind AC-Wallboxen aufgrund verschiedener Restriktionen auf 22 kW Ladeleistung beschränkt. Mehr als 22 kW Ladeleistung lassen sich oft nicht im privaten bzw. häuslichen Umfeld installieren.
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Wie schon erwähnt muss der fließende Wechselstrom für den Ladevorgang der Batterie typischerweise gleichgerichtet werden. Das geschieht beispielsweise in einer Baugruppe, die sich Onboard-Charger (OBC) nennt, einen Gleichrichter aufweist und in dem Elektrofahrzeug verbaut ist. Der OBC ist aus technischen und ökonomischen Gründen oft nicht auf hohe Ladeleistungen ausgelegt. Möglicherweise ist der OBC sogar auf weniger als 22 kW Ladeleistung ausgelegt.
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Prinzipiell kann das Elektrofahrzeug auch mit Gleichstrom/Gleichspannung (DC) anstelle von Wechselstrom/Wechselspannung gespeist werden. Da bei einem Speisen des Elektrofahrzeugs mit einer Gleichspannung im Fahrzeug keine Gleichrichtung notwendig ist, wird kein OBC benötigt. So kann auf den OBC als einen die Ladeleistung limitierender Faktor verzichtet werden und es können auch größere Ladeleistungen der Batterie zugeführt werden, beispielsweise mehr als 22 kW.
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Es ist daher davon auszugehen, dass sich neben den Schnelladern im öffentlichen Bereich mittels Gleichspannung auch im privaten Haus eine DC-Wallbox immer mehr durchsetzen wird.
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Gespeist wird eine Wallbox bzw. Ladestation vorwiegend mit Wechselspannung (AC). Insofern kann das Gleichrichten der Wechselspannung in eine Gleichspannung von der elektronischen Einrichtung in der Ladestation übernommen werden, was letztlich auch unter das Steuern des Ladestroms fällt. Diese Umwandlung, also das Gleichrichten, ist nicht vollständig verlustfrei möglich. Es entstehen Wandlungsverluste, die im Bereich von einigen Prozent der Ladeleistung liegen können und eine Verlustleistung darstellen. Die Verlustleistung liegt in Form einer Abwärme vor.
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Beispielsweise kann eine 22 kW-Ladestation mit einem theoretischen Wirkungsgrad von 0,99 in der Theorie bis zu 220 W Verlustleistung in Form der Abwärme generieren, die aus dem Bereich um die elektronische Einrichtung abgeführt werden muss. In der Praxis ist von höheren Werten auszugehen.
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Die Abwärme kann mit der erwähnten Temperiereinrichtung, beispielsweise mittels Kühlkörpern und/oder einem Lüfter, abgeführt werden. Je besser die Abwärme abtransportiert wird, desto geringer ist die an der elektronischen Einrichtung vorliegende Temperatur. Diese ist niedrig zu halten, um eine zu schnelle Alterung der elektronischen Bestandteile der Einrichtung zu vermeiden. Für einen besseren Abtransport der Abwärme und damit eine niedrigere Temperatur der elektronischen Einrichtung können größer dimensionierte Kühlkörper und/oder Lüfter verwendet werden. Das bedeutet aber auch, dass die Ladestation für einen besseren Abtransport der Abwärme größer werden muss, dadurch teurer in der Herstellung und im Vertrieb wird und schließlich unattraktiver am Aufstellort wird. Zudem ist es allgemein erforderlich, eine ausfallsichere und brandgeschützte Ladestation mit einer Temperiereinrichtung bereitzustellen.
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Der vorliegenden Erfindung liegt das Problem zugrunde, die Ladestation dahingehend zu verbessern, dass eine Abwärme von der elektronischen Einrichtung platzsparend und ausfallsicher abgeführt werden kann. Zudem soll eine Verwendung angegeben werden, mit der auch bestehende Ladestationen verbessert werden können.
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Zur Lösung dieses Problems wird mit der vorliegenden Erfindung eine Ladestation mit den Merkmalen von Anspruch 1 angegeben.
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Vorgeschlagen wird eine Ladestation zum Aufladen eines Elektrofahrzeuges mit einem Gehäuse. Die Ladestation weist eine in dem Gehäuse angeordnete bzw. anzuordnende elektronische Einrichtung zum Steuern eine Ladestroms auf. Die Ladestation weist ferner eine wärmeleitend mit der elektronischen Einrichtung zu verbindende bzw. verbundene Temperiereinrichtung zum Temperieren an der elektronischen Einrichtung auf. Die Temperiereinrichtung weist ein Wärmerohr mit einem Fluiden Wärmeträger auf.
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Das Wärmerohr ist ein bekannter Gegenstand aus der Wärmetechnik. Insbesondere weist das hier vorgeschlagene Wärmerohr ein wenigstens abschnittsweise langgestrecktes, ggf. gebogenes bzw. gekrümmtes, metallisches Gefäß auf, in dem ein den Wärmeträger enthaltendes Volumen hermetisch gekapselt ist. Insbesondere weist das Gefäß einen Verdampferbereich zur Wärmeaufnahme durch Verdampfen des Wärmeträgers im Volumen und einen vom Verdampferbereich beabstandeten Kondensatorbereich zur Wärmeabgabe durch Kondensieren des Wärmeträgers im Volumen auf. Der Verdampferbereich ist insbesondere zur Anordnung in der Nähe bzw. an der elektronischen Einrichtung vorgesehen. Der Kondensatorbereich ist insbesondere davon beabstandet anzuordnen, um andernorts die aufgenommene Abwärme abzugeben.
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Es ergibt sich vorteilhaft, dass die Abwärme von der elektronischen Einrichtung nicht oder zumindest nicht mehr maßgeblich als Luftstrom unmittelbar an der elektronischen Einrichtung aus dem Gehäuse heraus abgeführt werden muss. Die Abwärme kann nun vorteilhaft durch das Wärmerohr an einen von der elektronischen Einrichtung beabstandeten Ort verbracht werden, um dort an die Umgebung abgegeben zu werden. So kann das Gehäuse schlanker bzw. weniger orientiert nach dem Abführen der Abwärme an der elektronischen Einrichtung ausgelegt werden.
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Aufgrund des Wärmerohrs ist die Temperiereinrichtung flexibler an das Gehäuse anzupassen. Dank des Wärmerohrs kann das Gehäuse sehr platzsparend ausgestaltet werden, insbesondere weil die Abwärme mit größerem Abstand von der elektronischen Einrichtung bei demnach geringerer Umgebungstemperatur von dem Wärmerohr unter Kondensation des Wärmeträgers wieder abgeben werden kann.
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Wenn das Wärmerohr eine Heatpipe und/oder ein Zwei-Phasen-Thermosiphon aufweist, ist ein besonders effektiver Abtransport von der Abwärme möglich. Insbesondere weist die Heatpipe eine Kapillarstruktur auf. Insbesondere weist das Zwei-Phasen-Thermosiphon keine Kapillarstruktur auf. Die Kapillarstruktur ist meist im Innern des Wärmerohrs vorgesehen bzw. nicht vorgesehen, um mit dem flüssigen Wärmeträger zu interagieren und diesen an den Ort der Verdampfung zu transportieren. Die Kapillarstruktur kann dafür sorgen, dass der teils flüssige Wärmeträger durch eine Kapillarwirkung transportiert wird. Das ist zweckdienlich, soweit das Wärmerohr für das Fließen einer Flüssigkeit ungünstig, beispielsweise horizontal, verläuft.
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Der Wärmeträger kann Wasser oder wenigstens einen anderen Stoff, der einen Phasenübergang zwischen wenigstens zwei aus fest, flüssig und gasförmig durchlaufen kann, aufweisen. Der andere Stoff bzw. die anderen Stoffe können beispielsweise wenigstens eine Kohlenwasserstoffverbindung und/oder Ammoniak aufweisen. Insbesondere soll der Wärmeträger einen Phasenübergang im Temperaturbereich zwischen 0 und 100 °C vollziehen können, um die Schmelzwärme bzw. Verdampfungswärme zum Wärmeabtransport von der elektronischen Einrichtung bei typischen Bedingungen vornehmen zu können. Je nach einer Füllmenge des Wärmeträgers in dem Wärmerohr kann ein Druck in dem Wärmerohr eingestellt werden und insofern die Temperatur eines Phasenübergangs beeinflusst werden. Wasser als Wärmeträger ist ungiftig und je nach Füllmenge im Wärmerohr für verschiedene Einsatztemperaturen gut geeignet. Andere Wärmeträger können ggf. aufgrund von einer gegenüber Wasser erhöhten oder zumindest angepassten Verdampfungsenthalpie noch besser Wärme/Abwärme transportieren.
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Vorzugsweise ist die Temperiereinrichtung ausgelegt, einen von der elektronischen Einrichtung ausgehenden Wärmestrom von bis zu oder mindestens 250 W, 500 W oder 1000 W bei einer Umgebungstemperatur von bis zu 60°C abzuführen. Insbesondere kann eine Auslegung hinsichtlich einer maximalen Leistungsfähigkeit der Temperiereinrichtung sinnvoll sein, um nicht zu überdimensionieren. Eine Auslegung hinsichtlich einer minimalen Leistungsfähigkeit kann sinnvoll sein, um für Aufrüstung der elektronischen Einrichtung gewappnet zu sein. Gerade die angegebenen Werte haben sich für passend im Bereich der E-Mobilität herausgestellt, wo Verlustleistungen in dieser Größenordnung in Form von Abwärme abzuführen sind, wobei dies gut mithilfe des Wärmerohrs geschehen kann.
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Die elektronische Einrichtung kann eine Steuerkomponente aufweisen, die insbesondere zum Steuern des Ladestroms ausgebildet ist.
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Die Steuerkomponente kann, bevorzugt zum Gleichrichten des Ladestroms und/oder zum Regeln des Ladestroms, insbesondere unter Abgabe von Abwärme, einen sogenannten Leistungsteil bzw. eine Leistungselektronik aufweisen. Ein Wechselrichten mittels der Steuerkomponenten ist natürlich auch denkbar. Beispielsweise kann der Leistungsteil einen Umrichter, insbesondere Frequenzumrichter, einen Gleichrichter und/oder einen Wechselrichter aufweisen. Insbesondere weist die Steuerkomponente bzw. der Leistungsteil wenigstens eines von den folgenden elektronischen Bauelementen auf: Diac, bipolarer Leistungstransistor, Leistungs-MOSFET, GTO-Thyristor, IGBT, Thyristor, Triac, Diode zur Gleichrichtung und/oder Leistungskondensator.
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Das Wärmerohr kann mit der Steuerkomponente der elektronischen Einrichtung wärmeleitend verbunden sein. Das Wärmerohr kann mit der Steuerkomponente bzw. mit einem Kühlkörper derselben flächig in Kontakt stehen, um die Abwärme aufzunehmen. Das Wärmerohr kann an der elektronischen Einrichtung bzw. an dem Kühlkörper verlötet, verklebt, geklemmt, verschraubt und/oder eingesetzt sein. Insbesondere wenn das Wärmerohr im Bereich der Steuerkomponente mittelbar oder unmittelbar festgelegt ist, kann der Wärmeträger im Wärmerohr gezielt verdampfen und so die Abwärme aufnehmen und im Wärmerohr transportieren. Zwischen dem Wärmerohr und der Steuerkomponente bzw. dem Kühlkörper kann zur weiteren Verbesserung der Wärmeübertragung eine Wärmeleitpaste angebracht sein.
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Vorzugsweise ist ein Außenabschnitt des Wärmerohrs zum Wärmeaustausch mit der Umgebung außerhalb des Gehäuses angeordnet. So kann nicht nur effektiv Abwärme von der Steuerkomponente an eine andere Stelle im Gehäuse, sondern auch an die Umgebung außerhalb vom Gehäuse transportiert werden, ohne dass ein Luftstrom eines Lüfters durch das Gehäuse getrieben werden muss. Der Außenabschnitt kann am Gehäuse zur natürlichen oder erzwungenen Konvektion des Außenabschnitts angepasst angeordnet werden. Beispielsweise kann der Außenabschnitt derart angeordnet sein, dass Flächenabschnitte des Außenabschnitts wie Kühlrippen vertikal ausgerichtet angeordnet sind und über natürliche Konvektion von der Umgebungsluft gekühlt werden.
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Bevorzugt ist das Wärmerohr über abzudichtende oder abgedichtete Durchdringungen des Gehäuses - oder zumindest eine von einer solchen Durchdringung - aus dem Gehäuse herausgeführt. Bei den Durchdringungen kann es sich um Durchführungen handeln, beispielsweise um abdichtende Durchführungen. Insbesondere handelt es sich bei der Durchführung um eine Durchführung ähnlich oder baugleich zu einer Kabeldurchführung. Insbesondere ist die Durchführung bzw. Kabeldurchführung für einen Temperaturbereich zwischen 0°C und 100°C ausgelegt. So kann sichergestellt werden, dass am Wärmerohr keine Schwachstellen am Gehäuse herbeigeführt werden. Insbesondere kann so keine Feuchtigkeit in das Gehäuse eindringen. Die Durchdringungen können unten, seitlich und/oder oben am Gehäuse angeordnet sein.
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Wenn der Außenabschnitt Kühlflächen und/oder einen Kühlkörper aufweist, kann die im Gehäuse aufgenommene Abwärme noch besser an die Umgebung abgeführt werden. Bei den Kühlflächen bzw. dem Kühlkörper kann es sich um einen am Wärmerohr festgelegten Körper mit langgestreckten bzw. flächigen Abschnitten aus Kupfer und/oder Aluminium bzw. Legierungen daraus handeln. Insbesondere sind die Kühlflächen wenigstens teilweise und/oder überwiegend vertikal ausgerichtet bzw. auszurichten, um eine natürliche Konvektion zu erwirken.
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Bevorzugt ist der Außenabschnitt am Gehäuse stoßgeschützt angeordnet. Das kann realisiert werden, indem der Außenabschnitt wenigstens abschnittsweise durch Vorsprünge des Gehäuses eingegrenzt und/oder umgeben wird. So kann sichergestellt werden, dass der Außenabschnitt nicht versehentlich verformt oder beschädigt wird.
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Wenn das Wärmerohr wenigstens abschnittsweise nicht-horizontal angeordnet ist, wird ein guter Abwärme-Abtransport gewährleistet, denn meist funktioniert der Rückfluss von kondensiertem Wärmeträger zur Quelle der Abwärme zurück nur bei einer schrägen Anordnung des Wärmerohrs zufriedenstellend. Nicht-horizontal ist eine Anordnung, die um zumindest 5° relativ zu der Horizontalen geneigt ist.
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Wenn die Temperiereinrichtung einen temperaturabhängig aktivierbaren Lüfter aufweist, wird die Sicherheit der Ladestation erhöht. Denn es kann sein, dass der Abtransport von Abwärme über das Wärmerohr nicht ausreicht, um die Temperatur an der Steuerkomponente auf hinreichend niedrigem Niveau zu halten. Dann kann der Lüfter in Abhängigkeit von einer gemessenen bzw. thermostatisch festgestellten Temperatur gestartet werden, so dass die Abwärme vom Wärmerohr und/oder im Gehäuse verbessert abgeführt werden kann.
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Vorzugsweise ist ein mit der elektronischen Einrichtung elektrisch verbundenes Ladekabel vorgesehen, wobei das Ladekabel an einem freien Ende einen Ladestecker zum Anschluss an das Elektrofahrzeug aufweist. So kann eine Ladestation bereitgestellt werden, die bereits völlig einsatzfähig ist und durch das Wärmerohr gegenüber den bekannten Ladestationen verbessert ist.
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Schließlich wird als eine weitere Lösung eine Verwendung einer Temperiereinrichtung zum Temperieren einer elektronischen Einrichtung einer Ladestation vorgeschlagen, wobei die Ladestation wie vorbeschrieben ausgebildet ist, insbesondere ein/das Wärmerohr aufweist.
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Weitere Einzelheiten und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung. In dieser zeigen:
- 1 eine Querschnittsansicht einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Ladestation mit einer ein Wärmerohr aufweisenden Temperiereinrichtung und
- 2 eine perspektivische Ansicht einer zweiten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Ladestation mit einer ein Wärmerohr aufweisenden Temperiereinrichtung.
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In 1 ist eine Ladestation 2 in einer Querschnittsansicht dargestellt. Die Ladestation 2 ist geeignet zum Aufladen eines (nicht dargestellten) Elektrofahrzeugs und weist ein Gehäuse 10 auf. In dem Gehäuse 10 ist eine elektronische Einrichtung 20 zum Steuern eines Ladestroms angeordnet, wobei die elektronische Einrichtung zum Gleichrichten von Wechselstrom ausgebildet ist.
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Die Ladestation 2 ist an einer Wand 100 befestigt. Seitens der Wand 100 kann eine Wechselspannung für die Ladestation 2 bereitgestellt werden, die dann in der Ladestation 2 gleichgerichtet werden kann.
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Mit der elektronischen Einrichtung 20 ist eine Temperiereinrichtung 30 verbunden, die zum Temperieren der Einrichtung 20 vorgesehen ist. Die Temperiereinrichtung 30 weist ein Wärmerohr 32 mit einem darin enthaltenen fluiden Wärmeträger W auf. Das Wärmerohr 32 ist ein Zwei-Phasen-Thermosiphon, wobei das Wärmerohr 32 mit Wasser als der Wärmeträger W gefüllt ist. Das Wasser liegt in flüssigem und in gasförmigem Zustand vor, wenn das Wärmerohr 32 bei Raumtemperatur vorliegt.
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Die Temperiereinrichtung 30 ist ausgelegt, einen Wärmestrom bzw. eine Abwärme von 500 W bei einer Umgebungstemperatur von bis zu 60°C von der elektronischen Einrichtung 20 abzuführen.
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Das Wärmerohr 32 ist mit einer Steuerkomponente 22 der elektronischen Einrichtung 20 über einen Kühlkörper 24 der elektronischen Einrichtung 20 wärmeleitend verbunden.
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Das Wärmerohr 32 ist an dem Kühlkörper 24 mit Wärmeleitpaste versehen und daran verschraubt. Am Kühlkörper 24 kann der Wärmeträger W in dem Wärmerohr 32 verdampfen, wenn die elektronische Einrichtung 20 hinreichend Abwärme erzeugt. Der Kühlkörper 24 liegt wärmeleitend an der elektronischen Einrichtung 20 bzw. an der Steuerkomponente 22 an.
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Ein aus dem Gehäuse 10 geführter Außenabschnitt 34 des Wärmerohrs 32 ist zum Wärmeaustausch mit der Umgebung U außerhalb und oberhalb vom Gehäuse 10 angeordnet.
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Das Wärmerohr 32 ist über eine abgedichtete Durchdringung 12 des Gehäuses 10 aus dem Gehäuse 10 herausgeführt. Die Durchdringung 12 ist oben auf dem Gehäuse 10 angeordnet.
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Der Außenabschnitt 34 weist Kühlflächen 36 an einem Kühlkörper 38 auf. Hier kann die Abwärme der elektronischen Einrichtung 20 an die Umgebung U konvektiv, also über typischerweise natürliche Konvektion, abgeführt werden. Denkbar ist auch, dass noch ein Lüfter an dem Außenabschnitt 34 angeordnet ist, um im Zweifel noch mehr Abwärme abführen zu können, als es bei rein passiver Anordnung bzw. bei nur natürlicher Konvektion möglich ist.
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Der Außenabschnitt 34 ist am Gehäuse 10 dadurch stoßgeschützt angeordnet, dass der Außenabschnitt 34 sich oben auf dem bzw. oberhalb von dem Gehäuse 10 befindet. So können seitliche Berührungen mit der Ladestation 2 keinen Schaden am Außenabschnitt 34 anrichten.
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Das Wärmerohr 32 ist nicht-horizontal angeordnet. Genauer gesagt verläuft das Wärmerohr im Wesentlichen vertikal.
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Die Temperiereinrichtung 30 weist einen temperaturabhängig aktivierbaren Lüfter 40 auf.
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Die Ladestation 2 der 1 weist ferner ein mit der elektronischen Einrichtung 20 elektrisch verbundenes Ladekabel 50 auf, das um das Gehäuse 10 herumgewickelt ist.
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Nicht dargestellt ist, dass das Ladekabel 50 an einem freien Ende 54 einen Ladestecker 52 zum Anschluss an das Elektrofahrzeug aufweist.
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Bei der in 2 dargestellten Ladestation 2 wird das Wärmerohr 32 zum Temperieren der elektronischen Einrichtung 20 verwendet. Es wird Bezug darauf genommen, dass ein wesentlicher Aspekt der vorliegenden Erfindung darin besteht, dass bekannte Ladestationen 2 mit einem Wärmerohr 32 verbessert werden können. Insofern wird die Verwendung des Wärmerohrs 32 bei einer Ladestation 2 im Allgemeinen vorgeschlagen.
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In der 2 ist eine weitere Ausführungsform einer Ladestation 2 gezeigt. Aus Gründen der Anschaulichkeit ist eine vordere Abdeckung am Gehäuse 10 ausgeblendet, so dass eine elektronische Einrichtung 20 im Gehäuse 10 sichtbar wird.
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Die Ladestation 2 ist geeignet zum Aufladen eines Elektrofahrzeugs. Die Ladestation 2 entspricht im Wesentlichen der Ladestation 2 der 1. Davon abweichend ist das Wärmerohr 32 der Temperiereinrichtung 30 nicht oben, sondern seitlich aus dem Gehäuse 10 über eine Durchdringung 12 herausgeführt. Insofern verläuft das Wärmerohr 32 abschnittsweise horizontal. Das Wärmerohr 32 ist ferner hier als Heatpipe ausgeführt, wonach eine Kapillarstruktur in dem horizontalen Abschnitt des Wärmerohrs 32 für einen Rücktransport des kondensierten bzw. flüssigen Wärmeträgers W vom Außenabschnitt 34 zurück ins Gehäuse 10 sorgt.
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Kühlflächen 36 des Kühlkörpers 38 am Außenabschnitt 34 sind im Wesentlichen vertikal gerichtet angeordnet, so dass eine natürliche Konvektion stattfinden kann.
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Die Ladestation 2 weist ferner ein mit der elektronischen Einrichtung 20 elektrisch verbundenes Ladekabel 50 auf, das an einem freien Ende 54 einen Ladestecker 52 zum Anschluss an das Elektrofahrzeug aufweist.
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Das Ladekabel 50 ist außen am Gehäuse 10 um das Gehäuse 10 herumgewickelt bzw. herumwickelbar.
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Bezugszeichenliste
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- 2
- Ladestation
- 10
- Gehäuse
- 12
- Durchdringung
- 20
- elektronische Einrichtung
- 22
- Steuerkomponente
- 24
- Kühlkörper
- 30
- Temperiereinrichtung
- 32
- Wärmerohr
- 34
- Außenabschnitt
- 36
- Kühlflächen
- 38
- Kühlkörper
- 40
- Lüfter
- 50
- Ladekabel
- 52
- Ladestecker
- 54
- freies Ende
- 100
- Wand
- U
- Umgebung
- W
- Wärmeträger
