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Die
Erfindung betrifft einen Wärmespeicher nach
der Gattung des unabhängigen
Patentanspruchs.
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Bekannte
Wärmespeicher
dieser Art bestehen aus einem gebauten Behälter mit einem verhältnismäßig großen Volumen,
in den das Einschlussmaterial eingebracht und anschließend der
Behälter
verschlossen wurde.
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Nachteilig
ist bei diesem Wärmespeicher, dass
dieser verhältnismäßig aufwendig
herzustellen ist.
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Vorteile der
Erfindung
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Der
erfindungsgemäße Wärmespeicher
mit den Merkmalen des Hauptanspruchs hat den Vorteil, dass dieser
ein makroskopisch einheitlicher Werkstoff ist, der leicht zu konfektionieren
ist. Das Trägermaterial
und das Einschlussmaterial bilden makroskopisch einen einheitlichen
Stoff, der leicht handhabbar ist.
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Durch
die in den Unteransprüchen
aufgeführten
Maßnahmen
sind vorteilhafte Weiterbildungen des Wärmespeichers nach dem Hauptanspruch möglich. Damit
der Wärmespeicher
aus Trägermaterial
und Einschlussmaterial problemlos bei Raumtemperatur zu handhaben
ist, ist vorgesehen, dass beide Materialien bei Raumtemperatur im
festen Zustand sind. Es ist vorgesehen, dass das Einschlussmaterial
dazu geeignet ist sich zu verflüssigen,
vorzugsweise oberhalb von Raumtemperatur.
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Zur
Beeinflussung der Wärmekapazität des Wärmespeichers
ist nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen,
dass in verschiedenen Poren unterschiedliche Einschlussmaterialien aufgenommen
und eingeschlossen sind. Somit ist eine größere Variabilität gewährleistet.
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Damit
der Wärmespeicher
eine möglichst hohe
Wärmekapazität hat um
somit zu entwärmende Gegenstände möglichst
lange auf einem geeigneten Temperaturniveau halten zu können ist
vorgesehen, dass das Trägermaterial
und das zumindest eine Einschlussmaterial metallisch sind. Ein weiterer
Vorteil ist in diesem Zusammenhang, dass der Wärmeübergang zwischen dem Trägermaterial
und dem Einschlussmaterial besonders gut ist.
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Damit
der Wärmespeicher
möglichst
lange gleichbleibende Eigenschaften besitzt und somit Wartungsintervalle
möglichst
groß sein
können
ist vorgesehen, dass das Trägermaterial
und das zumindest eine Einschlussmaterial untereinander nicht mischbar
sind, sodass sich keine Mischkristalle bilden können. Andernfalls würde sich
die Schmelztemperatur des Einschlussmaterials ändern, insbesondere erhöhen, was
für das
zu entwärmende
Bauteil von Nachteil wäre,
da der endotherme Phasenübergang
bei ggf. zu hoher Temperatur abliefe.
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Ganz
besonders im Zusammenhang mit metallischen Einschlussmaterialien
hat sich ergeben, dass die eingeschlossenen Teilchen einen Längenbereich
von 1 bis mehreren Hundert Nanometern aufweisen sollen. Damit die
Schmelztemperatur des Einschlussmaterials möglichst einheitlich ist und
so möglichst
genau definiert ist, ist vorgesehen, dass die eingeschlossenen Teilchen
jeweils in etwa die gleiche maximale Länge haben und somit untereinander keine
allzu großen
Längenunterschiede
aufweisen.
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Des
weiteren ist ein elektrisches Bauelement vorgesehen, welches durch
einen derartigen erfindungsgemäßen Wärmespeicher
kühlbar
ist.
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Für einen
besonders guten Wärmeübergang vom
elektrischen Bauelement zum Wärmespeicher ist
vorgesehen, dass der Wärmespeicher
einen Hohlraum aufweist, in dem zumindest ein Teil des elektrischen
Bauelements aufgenommen ist. Es ergibt sich somit ei ne besonders
große
Oberfläche, über die
ein Wärmeaustausch
zwischen dem elektrischen Bauelement und dem Wärmespeicher möglich ist.
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Nach
einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass
der Wärmespeicher
und das elektrische Bauelement von einer gemeinsamen Hülle, insbesondere
elektrischer Isolation umgeben ist. Dies hat den Vorteil, dass das
elektrische Bauelement gemeinsam und somit einteilig mit dem Wärmespeicher
verwendbar ist. Die Handhabung, insbesondere im Zusammenhang mit
der Befestigung auf Trägersubstraten
wie Leiterplatten etc. ist damit vereinfacht, da diese modifizierten
elektrischen Bauelemente mit Wärmespeicher
genauso gehandhabt werden können
wie bekannte elektrische Bauelemente ohne Wärmespeicher.
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Eine
Kombination eines elektrischen Bauelements mit einem erfindungsgemäßen Wärmespeicher
hat den Vorteil, dass auf eine aktive Kühlung, bspw. durch einen Lüfter oder
eine aufwendige thermische Ankopplung an ein Gehäuse oder andere Wärmesenken
verzichtet werden kann. Dies bedeutet in der Folge eine hohe Kostenersparnis
für die Entwicklung
sowie Fertigung elektronischer Systeme.
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Zeichnungen
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In
den Zeichnungen sind Ausführungsbeispiele
eines erfindungsgemäßen Wärmespeichers sowie
elektrische Bauelemente mit Wärmespeichern dargestellt.
Es zeigen:
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1 ausschnittweise
und schematisch einen Schnitt durch das Trägermaterial eines Wärmespeichers
nach einem ersten Ausführungsbeispiel,
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2 ebenfalls
ausschnittweise und schematisch einen Querschnitt durch das Trägermaterial eines
Wärmespeichers
nach einem zweiten Ausführungsbeispiel,
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3 eine
Seitenansicht auf eine Leiterplatte mit einem elektrischen Bauelement
und einem darauf angeordneten Wärmespeicher,
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4 ein
elektrisches Bauelement mit einem Wärmespeicher nach einem weiteren
Ausführungsbeispiel.
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Beschreibung
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In
der 1 ist eine schematische Schnittdarstellung durch
einen Wärmespeicher 10 dargestellt.
Dieser Wärmespeicher
besteht zunächst
aus einem Trägermaterial 13,
das hier auch als Matrix bezeichnet werden kann. Dieses Trägermaterial 13 hat geschlossene
Poren 16, in denen ein Einschlussmaterial 19 aufgenommen
und eingeschlossen ist. Dieses Einschlussmaterial 19 ist
dazu geeignet, bei Wärmeeinfluss
seinen Aggregatzustand zu ändern.
Die Poren 16 sind an sich unregelmäßige geschlossene Räume, die
vollständig
durch das Einschlussmaterial 19 gefüllt sind. Das Trägermaterial 13 und
das Einschlussmaterial 19 sind bei Raumtemperatur im festen
Aggregatszustand. Das Einschlussmaterial 19 ist schmelzbar
und hat eine Schmelztemperatur Ts, die niedriger
als die des Trägermaterials 13 ist.
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Es
ist insbesondere vorgesehen, dass das Trägermaterial 13 und
das zumindest eine Einchlussmaterial 19 metallisch sind.
Das Trägermaterial 13 und
das zumindest eine Einschlussmaterial 19 sind untereinander
nicht mischbar und bilden somit für den Fall, dass beide Materialien
metallisch sind, keine Mischkristalle. Es ist vorgesehen, dass die
im Trägermaterial 13 als
Einschlussmaterial 19 eingeschlossenen Teilchen eine maximale
Länge von
3 bis 100 nm haben. Um eine möglichst
gleichmäßige Schmelztemperatur
des Einschlussmaterials 16 zu erhalten ist vorgesehen,
dass die eingeschlossenen Teilchen jeweils in etwa die gleiche maximale
Länge haben,
d.h., dass die eingeschlossenen Teilchen 19 untereinander
keine großen
Längenunterschiede aufweisen.
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In 2 ist
ein zweites Ausführungsbeispiel für einen
Wärmespeicher 10 dargestellt.
In dieser ausschnittweisen Schnittdarstellung ist das Trägermaterial 13 erkennbar,
in dem sich – wie
bereits beim ersten Ausführungsbeispiel – Poren 16 befinden.
In diesen Poren 16 ist neben dem bereits aus 1 bekannten
ersten Einschlussmaterial 19 ein zweites Einschlussmaterial 22 in
anderen Poren 16 eingeschlossen. Eine derartige Ausbildung
des Wärmespeichers 10 ermöglicht somit
ein von der Temperatur her gestuftes Verhalten des Wärmespeichers.
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Das
Trägermaterial
(13) und das Einschlussmaterial (19) bzw. (22)
kontaktieren einander direkt, d.h. ohne dazwischen angeordnete weitere
Materialien.
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In 3 ist
ein erstes Ausführungsbeispiel eines
elektrischen Bauelements 30 mit einem Wärmespeicher 10 dargestellt.
Das elektrische Bauelement 30 ist hier auf einer Leiterplatte 33 montiert
und wird über
auf der Leiterplatte 33 verlaufenden elektrischen Verbindungen
mit der hier nicht dargestellten Umgebung des Bauelements 30 kontaktiert.
Das im Beispiel in etwa quaderförmige
Bauelement 30 ist hier auf insgesamt fünf Seiten von dem Wärmespeicher 10 umgeben.
Dieser Wärmespeicher 10,
aufgebaut bspw. wie die zuvor in 1 und 2 beschriebenen
Wärmespeicher 10,
weist einen Hohlraum 36 auf, der in einer Fläche 39 endet
bzw. durch diese begrenzt ist, die an die Oberfläche des Trägers für das Bauelement 30 angepasst
ist. In diesem Fall ist die Oberfläche 39 eben.
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Wird
nun ein solches elektrisches Bauelement 30 in Betrieb genommen,
und erzeugt dies eine damit verbundene Abwärme, so wird diese Abwärme vom
elektrischen Bauelement 30 u. a. auf den Wärmespeicher 10 übertragen.
Das Matrixmaterial bzw. das Trägermaterial 13 und
auch die sich in den Poren 16 befindenden Einschlüsse 19 werden
nunmehr kontinuierlich erwärmt.
Beide Materialien 13 und 19 sind nach wie vor
im festen Aggregatzustand. Wird nun der Schmelzpunkt Ts des
Einschlussmaterials 19 erreicht, so findet kontinuierlich
eine Verflüssigung der
Einschlüsse 19 im
weiterhin festen Trägermaterial 13 statt.
Die dazu erforderliche Energie, nämlich die vom elektrischen
Bauelement 30 eingebrachte Wärmeenergie wird zunächst ohne
weitere Temperaturerhöhung
des Einschlussmaterials 19 und auch im Wesentlichen des
Trägermaterials 13 dazu
benötigt, den
kristallinen Zustand des Einschlussmaterials 19 aufzulösen. Eine
Temperaturerhöhung
des Einschlussmaterials 19 erfolgt solange nicht, bis dieses im
Wesentlichen bzw. vollständig
flüssig
ist. Nur für den
Fall, dass weiterhin mehr Wärme
in den Wärmespeicher 10 eingebracht
wird als zunächst
von diesem abgegeben werden kann, erhöht sich die Temperatur des
nunmehr flüssigen
Einschlussmaterials 19 und auch des Trägermaterials 13 weiter.
In diesem Fall wird das elektrische Bauelement 30 wieder
wärmer.
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Fällt nachfolgend
die Umgebungstemperatur des Wärmespeichers 10,
weil bspw. das Bauelement 30 nicht mehr betrieben wird,
so kühlt
sich das System aus Bauelement 30 und Wärmespeicher 10 kontinuierlich
ab, wobei in dem Moment, in dem die Schmelztemperatur erreicht wird,
diese einige Zeit auf diesem T-Niveau verbleibt, bis das Einschlussmaterial 19 wieder
kristallisiert ist. Anschließend
fällt die
Temperatur des Systems weiter. Das Einschlussmaterial 19 steht
ab diesem Moment wieder als Wärmeschutz
zur Verfügung.
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In 4 ist
ein zweites Ausführungsbeispiel für ein System
aus elektrischem Bauelement 30 und Wärmespeicher 10 dargestellt.
Es ist dort ein vorkonfektioniertes Bauteil 50 dargestellt,
welches nicht nur aus dem eigentlichen elektrischen Bauelement 30 besteht,
sondern auch aus dem Wärmespeicher 10. Das
in 4 dargestellte elektrische Bauelement 30 weist
eine ebene Oberfläche
auf, auf die der Wärmespeicher 10 aufgesetzt
ist. Für
den Fall, dass das elektrische Bauelement 30 nicht isoliert
ist, ist zwischen Wärmespeicher 10 und
elektrischem Bauelement 30 eine Isolationsschicht 53 vorzusehen,
daß der
Wärmespeicher 10 metallisch
und als solcher leitfähig
ist. Des weiteren ist das elektrische Bauelement 30 mit
Kontakten 56 versehen, die zur elektrischen Verbindung
mit der Leiterplatte 33 dienen. Der Verbund aus elektrischem
Bauelement 30, Isolationsschicht 53 und den Kontakten 56 ist
von einer Hülle 60 umgeben,
die die genannten Bauteile nach außen hin elektrisch isoliert.
Der Wärmespeicher 10 und
das elektrische Bauelement 30 sind von einer gemeinsamen
Hülle 60 umgeben.
Zudem ermöglicht
diese Hülle 60 die
Handhabung des elektrischen Bauteils 50 zusammen mit dem
Wärmespeicher 10 als
ein einziges Bauteil.
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Der
Wärmespeicher
(10) kann gemäß einem weiteren,
hier nicht dargestellten Ausführungsbeispiel
auch lediglich auf einer bspw. ebenen Oberfläche des Bauelements (30)
aufgesetzt und bspw. durch Kleben befestigt sein.
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Für den Wärmespeicher 10 ist
in Bezug zu allen vorgenannten Ausführungsbeispielen weiterhin anzumerken,
dass dieser aus einem unmischbaren System bestehen soll. Unmischbares
System bedeutet, dass das Trägermaterial 13 bspw.
aus Aluminium besteht und das Einschlussmaterial 19 aus
Blei, Indium oder Zinn. Für
den Fall, dass verschiedene Einschlussmaterialien für ein und
denselben Wärmespeicher 10 vorgesehen
sind, können
die genannten Materialien auch miteinander kombiniert werden. Dadurch
dass unmischbare Systeme verwendet werden, bleiben die Einschlüsse 19 im
Trägermaterial 13 an
Ort und Stelle und können
nicht mit dem Trägermaterial 13 legieren
oder neue Phasen bilden. Das Trägermaterial 13 sollte
eine Schmelztemperatur weit oberhalb der Betriebstemperatur des
Bauelements 30 haben und somit stets im festen Zustand verharren.
Das Einschlussmaterial 19 hingegen soll eine Schmelztemperatur
Ts haben, die in dem Be reich liegt, der
für das
Bauteil als kritisch gilt. Als kritische Temperatur ist jene anzusehen,
bei der die Funktion des Bauelements 30 nicht mehr als
einwandfrei gewährleistet
ist. Je nach Teilchengröße der Einschlussmaterialien 19 oder
auch 22 ist die Schmelztemperatur der Einschlussmaterialien 19 oder 22 unterschiedlich,
da diese von der Teilchengröße selbst
abhängt.
So ist z.B. aus der Literatur bekannt, dass die Schmelztemperatur
Ts von Gold nahezu halbiert werden kann,
wenn die Teilchengröße lediglich
wenige Nanometer (nm) beträgt.
Es kann somit bei geeignetem Einschlussmaterial 19 bzw. 22 die
Schmelztemperatur Ts direkt über die
Teilchengröße im Trägermaterial 13 in
geeigneter und benötigter
Weise an die Bedürfnisse
bzw. kritische Temperatur des Bauelements 30 angepasst
werden. Ein solcher Materialverbund für den Wärmespeicher 10 lässt sich
dadurch herstellen, indem die Einschlussmaterialien 19 bzw. 22 kugelgemahlen
werden oder vermischt mir dem Trägermaterial 13 kalt
verformt werden. Dieser Vorgang ist auch als sogenanntes mechanisches
Legieren bekannt.