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Die
Erfindung bezieht sich auf ein Beschichtungsmaterial bzw. auf einen
Lack mit verbesserter Wärmeübertragung
bzw. mit verbesserten Wärmeübertragungseigenschaften
entsprechend dem Oberbegriff Patentanspruch 1 sowie auf eine Wärme übertragende
Oberfläche
mit einer unter Verwendung des Beschichtungsmaterials hergestellten
Beschichtung gemäß Oberbegriff
Patentanspruch 13.
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In
vielen Bereichen, insbesondere auch der Technik kommt die Wärmeübertragung
durch Wärmestrahlung
und/oder Konvektion zwischen Oberflächen von festen Körpern und
einem an die jeweilige Oberfläche
angrenzenden, d. h. dieser benachbarten gas- und/oder dampfförmigen und/oder
flüssigen
Medium zur Anwendung, insbesondere auch die Wärmeabstrahlung von einer erhitzten
Oberfläche
an das angrenzende gas- und/oder dampfförmige und/oder flüssige Medium.
Beispiele hierfür
sind u. a. Kühler
oder Kühlkörper zum Kühlen von
elektrischen oder elektronischen Bauteilen, Bauelementen oder Baugruppen
usw., und dabei insbesondere auch passive Kühlkörper, die mit ihrer die Wärme abgebendende
Außenfläche in dem
dampf- und/oder gasförmigen
Medium, d. h. beispielsweise in der Umgebungsluft angeordnet sind,
sowie auch sogenannte aktive Kühler,
Wärmesenken
oder Wärmetauscher,
die von einem Wärme
transportierenden Medium durchströmt werden und deren Innenflächen dann
die die Wärme übertragenden
oder abgebenden Oberflächen
bilden.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, ein Beschichtungsmaterial aufzuzeigen, welches
die Wärmeübertragung zwischen
der Wärme übertragenden
Fläche
eines festen Körpers
und einem an diese Fläche
angrenzenden dampf- und/oder gasförmigen und/oder flüssigen Medium
verbessert. Zur Lösung
dieser Aufgabe ist ein Beschichtungsmaterial entsprechend dem Patentanspruch
1 ausgebildet. Gegenstand der Erfindung ist weiterhin eine mit dem
Beschichtungsmaterial beschichtete und an ein gas- und/oder dampfförmiges und/oder
flüssiges Medium
angrenzende Oberfläche
entsprechend dem Patentanspruch 13.
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Mit
dem erfindungsgemäßen Beschichtungsmaterial
bzw. Lack ist eine wesentliche Verbesserung der Wärmeübertragung
durch Strahlung, aber auch durch Konvektion zwischen der betreffenden,
zur Wärmeübertragung
dienenden Oberfläche
eines festen Körpers
und den angrenzenden gas- und/oder dampfförmigen und/oder flüssigen Medium
möglich.
Weiterhin ist mit einer unter Verwendung des Beschichtungsmaterials bzw.
Lacks hergestellten Beschichtung auch ein Schutz der betreffenden
Fläche
erreicht, beispielsweise ein Korrosionsschutz und/oder ein Oberflächenschutz
gegen ein aggressives Medium usw.
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Für das erfindungsgemäße Beschichtungsmaterial
besteht ein weitreichender Anwendungsbereich. Bevorzugt, aber nicht
ausschließlich,
eignet sich das erfindungsgemäße Beschichtungsmaterial
zum Beschichten von Oberflächen
von Kühlern,
Wärmesenken
oder Wärmetauschern,
und zwar zur Beschichtung insbesondere solcher Oberflächen, an
denen die Wärmeübertragung
an bzw. von einem angrenzenden gas- oder und/oder dampfförmigen und/oder
flüssigen
Medium erfolgen soll.
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Das
erfindungsgemäße Beschichtungsmaterial
besteht im einfachsten Fall aus einer Lackbasis oder -matrix mit
einem entsprechenden Anteil an Nanofasern oder Nanofasermaterial.
Als Lackbasis eignen sich beispielsweise grundsätzlich aushärtende Kunststoffe oder Kunstharze,
die im noch nicht ausgehärteten
Zustand in flüssiger
oder zähflüssiger Form
vorliegen, auch solche Kunststoffe oder Kunstharze, die üblicherweise
für Farben
oder Lacke verwendet werden, aber auch Zwei-Komponenten-Kunststoffe
usw.
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Als
Nanofasern eignen sich beispielsweise solche Fasern, die unter der
Bezeichnung ENF-100-HT, HTP-150F-LHT,
HTP-110FF-LHT und HTP-110F-HHT von der Electrovac GmbH, A-3400 Klosterneuburg, Österreich
angeboten werden.
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Weitere,
bei der Erfindung verwendbare Nanofasern, die ebenfalls von der
Electrovac GmbH, A-3400 Klosterneuburg, Österreich angeboten werden,
sind in der nachstehenden Tabelle 1 angegeben. Tabelle 1
| Nanofaser | Nanofasertyp | N2
Spezifische Oberfläche [m2/g] | Durchmesser [nm] | Länge [μm] | Wärmeleitfähigkeit [W/mK] | Elektri-scher Wider-stand [Ohm/cm] | Metallgehalt [wt. %] | Dichte [g/cm3] |
| | | | | | | | | |
| HTF150FF | AGF | 10–20 | 100–200 | > 10 | > 600 | < 10 | < 0,5 | 1,95 |
| HTF150FF | PSF | 20–30 | 100–200 | > 10 | > 600 | < 10–3 | < 0,5 | 1,95 |
| HTF150FF | LHT | 15–20 | 100–200 | > 10 | > 600 | < 10–3 | < 0,5 | > 1,95 |
| HTF150FF | HHT | 15–25 | 100–200 | > 10 | > 600 | < 10–3 | < 0,01 | > 1,95 |
| HTF110FF | AGF | 53 | 70–150 | > 10 | > 600 | < 10–3 | < 0,5 | 1,95 |
| HTF110FF | PSF | 50–60 | 70–150 | > 10 | > 600 | < 10–3 | < 0,5 | 1,95 |
| HTF110FF | LHT | 43 | 70–150 | > 10 | > 600 | < 10–3 | < 0,5 | > 1,95 |
| HTF110FF | HHT | 41 | 70–150 | > 10 | > 600 | < 10–3 | < 0,01 | > 1,95 |
| ENF100AA | HTE | 80–100 | 80–150 | > 10 | > 600 | < 10–3 | < 0,5 | 1,98 |
| ENF100AA | GFE | > 50 | 80–150 | > 10 | > 600 | < 10–3 | < 0,01 | 2,17 |
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Nanofasertyp:
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- AGF wie gewachsen
- PSF pyrolytische stripped Carbon Nanofaser
- LHT ausgeheizt bei ~1000°C
- HHT ausgeheizt bei ~3000°C
- HTE ausgeheizt bei ~1000°C
bei EVAC
- GFE ausgeheizt bzw. graphitisiert bei ~3000°C bei EVAC
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Demnach
bedeuten:
| Nanofaser
Typ | ausgeheizt
bei |
| HTF
150 FF – LHT | etwa
1000°C |
| HTF
150 FF – HHT | etwa
3000°C |
| HTF
110 FF – LHT | etwa
1000°C |
| HTF
110 FF – HHT | etwa
3000°C |
| ENF
100 AA – HTE | etwa
1000°C |
| ENF
100 AA – GFE | etwa
3000°C – graphitisiert |
| ENF
100 HT | etwa
1000°C |
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Als
Nanofaser bzw. Nanofasermaterial kommen grundsätzlich die in der nachstehenden
Tabelle laufgeführten
Nanofasern in Frage.
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Weiterbildungen,
Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten
der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von
Ausführungsbeispielen
und aus den Figuren. Dabei sind alle beschriebenen und/oder bildlich
dargestellten Merkmale für
sich oder in beliebiger Kombination grundsätzlich Gegenstand der Erfindung,
unabhängig
von ihrer Zusammenfassung in den Ansprüchen oder deren Rückbeziehung.
Auch wird der Inhalt der Ansprüche
zu einem Bestandteil der Beschreibung gemacht. Die Erfindung wird
im Folgenden anhand der Figuren an Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es
zeigen:
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1 in
schematischer Darstellung eine Test- bzw. Messanordnung zum Testen
von Nanofasern bzw. Nanofasermaterial enthaltenden Lacken oder Beschichtungsmaterialien
gemäß der Erfindung;
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2 und 3 in
Diagrammdarstellung die unter Verwendung der Test- bzw. Messanordnung
der 1 an einem Prüfling
bei unterschiedlicher Beschichtung ermittelte Temperatur in Abhängigkeit
von der Zeit;
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4 in
Diagrammdarstellung die zu erwartende von einem schwarzen Körper abgestrahlte
Leistung in Abhängigkeit
von der Abstrahlfläche;
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5 in
einer Darstellung ähnlich 1 eine
geänderte
Test- und Messanordnung;
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6 in
Diagrammdarstellung die unter Verwendung der Test- und Messeinrichtung
der 5 an unterschiedlichen Proben gemessene Temperatur
in Abhängigkeit
von der Zeit;
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7 in
vereinfachter Darstellung eine weitere Test- bzw. Messanordnung
zum Testen von unterschiedlichen Beschichtungsmaterialien gemäß der Erfindung;
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8 in
Diagrammdarstellung die unter Verwendung der Test- und Messeinrichtung
der 7 an unterschiedlichen Proben gemessene Temperatur
in Abhängigkeit
von der Zeit;
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9 in
vergrößerter Teildarstellung
und im Schnitt einen an seiner Außenfläche mit dem Beschichtungsmaterial
beschichteten Kühler;
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10 in
Diagrammdarstellung weitere unter Verwendung der Test- und Messeinrichtung
der 5 an unterschiedlichen Proben gemessene Temperatur
in Abhängigkeit
von der Zeit.
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Die
in der 1 allgemein mit 1 bezeichnete Test- und
Messanordnung dient zur Ermittlung des Wärme-Abstrahl-Verhaltens von
mit unterschiedlichen Lacken oder Beschichtungsmaterialien gemäß der Erfindung
beschichteten Flächen.
Die Mess- und Testanordnung besteht im Wesentlichen aus einem thermischen Isolator 2,
aus einer auf der Oberseite dieses Isolators angeordneten flachen
Heizeinrichtung 3, aus einer auf der Oberseite der Heizeinrichtung 4 befestigten
Kupferplatte 4 sowie aus einem Thermoelement 5 zur
Messung der Temperatur der Oberseite der Kupferplatte 4.
Die Kupferplatte 4 ist thermisch gut leitend vollflächig oder
nahezu vollflächig
mit der Heizeinrichtung 3 beispielsweise durch Löten verbunden.
Durch entsprechende Ausbildung der Heizeinrichtung 3 sowie
auch durch die Verwendung der Kupferplatte 4 mit ausreichender
Dicke wird eine möglichst
gleichmäßige Wärmeverteilung
an der Oberseite dieser Platte erreicht. Die Kupferplatte 4 besitzt
bei der dargestellten Ausführungsform
einen quadratischen Zuschnitt mit einer Fläche von 40 cm2 an
jeder Oberflächenseite.
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In
den nachfolgend beschriebenen Versuchen wurde in Vergleichsmessungen
mit dem Thermoelement 5 der Temperaturverlauf an der Oberseite
der Kupferplatte 4 in Abhängigkeit von der Zeit gemessen,
und zwar bei unbeschichteter und bei beschichteter (Beschichtung 6)
Kupferplatte 4. Die Beschichtung 6 erfolgte mit
unterschiedlichen Proben des Beschichtungsmaterials. Als Beschichtungsmaterial
wurde jeweils ein Lack verwendet, der in einer Lackbasis oder -matrix
einen Anteil an Nanofasern oder Nanofasermaterial enthielt. Das
Nanofasermaterial und/oder dessen Anteil war von Probe zu Probe
unterschiedlich. Die Versuche wurden mit den Nanofasern ENT, HHT
und ENF100GFE durchgeführt.
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Als
Lackmatrix wurde ein polymeres Material, d. h. ein Epoxy-Harz verwendet.
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Die
Beschichtung 6 der Oberseite der Kupferplatte 4 mit
den Proben erfolgte jeweils in einer Menge von 50 mg, die gleichmäßig verteilt
auf die Oberseite der Kupferplatte 4 aufgetragen wurde,
d. h. mit einer spezifischen Oberflächenbeschichtung von 800 cm2 pro Gramm Lack oder Beschichtungsmaterial.
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Für die nachfolgend
beschriebenen Messungen wurde die Heizeinrichtung 4 mit
einer konstanten elektrischen Leistung von 8,94 Watt betrieben,
und zwar bei einer Spannung von 14,9 Volt mit einem Strom von 0,6
Ampere.
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Die
Versuche mit der Test- und Messanordnung wurden in Umgebungsatmosphäre bei Umgebungstemperatur
von etwa 20°C
durchgeführt.
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Die
an der Oberseite der Kupferplatte 4 bzw. der Beschichtung 6 gemessene
Temperatur T ist ein Maß für die Wärmeleistung,
die in die Umgebung abgegeben wird, und zwar teilweise durch Wärmestrahlung,
teilweise aber auch durch Konvektion an die sich an der Oberseite
der Beschichtung 6 einstellende Luftströmung. Die in die Umgebung abgegebene
Wärmeleistung
ist dabei um so größer, je
geringer der Temperaturanstieg in Abhängig von der Messzeit ist.
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In
der
2 ist für
verschiedene Proben oder Tests
2.1–
2.3 die mit dem Thermoelement
5 an
der Oberseite der jeweiligen Beschichtung
6 gemessene Temperatur
in Abhängigkeit
von der Zeit wiedergegeben. Die Kurve
2.4 zeigt als Kontrollmessung
den Temperaturverlauf der Oberseite der Kupferplatte
4 ohne
die Beschichtung
6. Die nach einer Messzeit von 36 Minuten
gemessenen Ergebnisse sind nochmals in der nachfolgenden Tabelle
2 zusammen gefasst. Bei den Tests
2.1–
2.3 betrug der Anteil
an Nanofasermaterial bezogen auf das Gesamtgewicht der Beschichtung
6 jeweils
17 Gew.%. Tabelle 2
| Test | Beschichtung | Nanofasermaterial | Temperatur
T °C nach
36 Minuten | Beurteilung
der Wärmeabgabe |
| 2.1 | ja | ENT100
GFE Nanofaser | 92,8 | gut |
| 2.2 | ja | HHT
Nanofaser | 92,2 | gut |
| 2.3 | Ja | ENT
Nanofaser | 91,5 | gut |
| 2.4 | nein | | 100,1 | schlecht |
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Die 3 zeigt
nochmals für
verschiedene Proben 3.1–3.4 des Beschichtungsmaterials
den mit dem Thermoelement 5 an der Oberseite der Beschichtung 6 gemessenen
Temperaturverlauf in Abhängigkeit
von der Messzeit. Mit der Kurve 3.5 ist wiederum der Temperaturverlauf
der unbeschichteten Kupferplatte 4 wieder gegeben.
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In
der nachstehenden Tabelle 3 sind die Messergebnisse nochmals zusammengefasst,
wobei bei diesen Tests, die ausschließlich unter Verwendung der
Nanofaser ENT durchgeführt
wurden, der Anteil an Nanofasern zwischen 4,3 und 22 Gew.% variiert
wurde. In der
3 ist auch der Temperaturverlauf
für einen
Test
3.4 wiedergegeben, bei dem die Kupferplatte
4 lediglich
mit der Lackmatrix ohne Nanofasermaterial beschichtet wurde. Tabelle 3
| Test | Beschichtung | Nanofasermaterial | Temperatur
T °C nach
36 Minuten | Beurteilung
der Wärmeabgabe |
| 3.1 | ja | ENT-4,3
Gew.% | 94,5 | gut |
| 3.2 | ja | ENT-8,5
Gew.% | 93,6 | gut |
| 3.3 | ja | ENT-17
Gew.% | 92,8 | gut |
| 3.4 | ja | Kein
Nanofasermaterial | 96,7 | schlecht |
| 3.5 | nein | | 100 | schlecht |
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Speziell
diese in der Tabelle 3 wiedergegebenen Messergebnisse zeigen, dass
mit zunehmenden Anteil an Nanofasern die gemessene Temperatur zunächst abnimmt,
also eine Verbesserung der Wärmeableitung
erreicht wird, dann aber mit steigendem Anteil an Nanofasermaterial
die Temperatur wieder zunimmt, sich die Wärmeableitung also verschlechtert.
Optimale Ergebnisse wurden bei einem Anteil des Nanofasermaterials
von 17 Gew.% bezogen auf das Gesamtgewicht des Beschichtungsmaterial
erzielt.
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Zusätzlich zu
den in der 3 dargestellten und in der Tabelle
3 wiedergegebenen Messungen wurde auch eine Beschichtungsmaterial
getestet, das in der Lackmatrix 22 Gew.% ENT enthielt. Der gemessene Temperaturverlauf
entsprach dabei dem Test 3.1, d. h. die mit dem Thermoelement 5 gemessene
Temperatur T betrug nach einer Testzeit von 36 Minuten 94,2°C.
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Die
mit der Test- und Messeinrichtung ermittelten Ergebnisse lassen
sich dahingehend zusammenfassen, dass durch die Beschichtung 6 der
Oberseite der Kupferplatte 4 mit dem Nanofasermaterial
enthaltenden Beschichtungsmaterial eine wesentliche Verbesserung
der Wärmeabgabe
an die Umgebung erzielt wird, und dass optimale Verhältnisse
dann erreicht werden, wenn der Anteil an Nanofasermaterial etwa
im Bereich zwischen 4 und 20 Gew.% bezogen auf die Gesamtmasse des
Beschichtungsmaterials liegt.
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Die
Verbesserung der Wärmeabgabe
durch den Anteil an Nanofasern oder Nanofasermaterial im Lack bzw.
Beschichtungsmaterial resultiert nach einer der Erfindung zugrunde
liegenden Erkenntnis nicht nur auf der hohen Wärmeleitfähigkeit der Nanofasern bzw.
des Nanofasermaterials, sondern in erster Linie daraus, dass die
Beschichtung 6 der Oberseite der Kupferplatte 4 mit
dem Nanofasern bzw. Nanofasermaterial enthaltenden Lack zu einer
fein strukturierten Oberfläche
und damit zu einer Vergrößerung der
Wärmeabgabe-
bzw. Abstrahlfläche
führt,
an der die Nanofasern zum Großteil
auch aus der eigentlichen Lackschicht, d. h. aus der von der Lackbasis
gebildeten Schicht vorstehen. Dies gilt insbesondere dann, wenn
die Beschichtung nur eine sehr geringe Dicke aufweist, beispielsweise
eine Dicke von nur wenigen μm
und der Anteil der Nanofasern im optimalen Bereich zwischen 4 und
20 Gew.% bezogen auf die Gesamtmasse liegt.
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Zusätzlich zu
den in den 2 und 3 wiedergegebenen
und in den vorstehenden Tabellen zusammen gefassten Tests wurde
auch ein Test mit einer sehr Nanofaser mit einem mittleren Längen/Dickenverhältnis von
größer 500
durchgeführt.
Bereits bei einem Anteil von nur 4 Gew.% dieser Nanofaser in der
Lackmatrix wurde nach einer Testdauer von 36 Minuten nur eine Temperatur
von 91,4°C
an der Oberseite der betreffenden Beschichtung 6 gemessen.
Speziell auch diese Messung hat bestätigt, dass die die Wärmeableitung
bzw. -abstrahlung um so besser ist, je dünner die verwendete Nanofaser
ist.
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In
der
4 ist in einer Diagrammdarstellung die abgestrahlte
Wärmeenergie
in Watt in Abhängigkeit von
der Abstrahlfläche
in cm
2 für
einen schwarzen Körper
bei unterschiedlicher Körpertemperatur
wiedergegeben, und zwar entsprechend der nachstehenden Aufstellung:
| Kurve 4.1 – Körpertemperatur
20°C | Kurve 4.4 – Körpertemperatur
80°C |
| Kurve 4.2 – Körpertemperatur
40°C | Kurve 4.5 – Körpertemperatur
100°C |
| Kurve 4.3 – Körpertemperatur
60°C | Kurve 4.6 – Körpertemperatur
120°C. |
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Die
sich aus diesen Kurven ergebende Leistungsabgabe ist für unterschiedliche
Flächen
und unterschiedliche Temperaturen nochmals in der nachstehenden
Tabelle 4 zusammengestellt. Tabelle 4
| Temperatur – in °C > | 20 | 40 | 60 | 80 | 100 | 120 |
| Fläche | | | | | | |
| 1 | 0,04186644 | 0,05451501 | 0,06983381 | 0,08817456 | 0,10991077 | 0,1354377 |
| 2 | 0,16746577 | 0,21806005 | 0,27933523 | 0,35269824 | 0,43964307 | 0,54175081 |
| 3 | 0,37679798 | 0,49063512 | 0,62850428 | 0,79357104 | 0,98919691 | 1,21893932 |
| 4 | 0,66986307 | 0,87224021 | 1,11734094 | 1,41079295 | 1,75857228 | 2,16700324 |
| 5 | 1,04666104 | 1,36287533 | 1,74584521 | 2,20436399 | 2,74776919 | 3,38594255 |
| 6 | 1,5071919 | 1,96254047 | 2,5140171 | 3,17428415 | 3,95678763 | 4,87575728 |
| 7 | 2,05145564 | 2,67123564 | 3,42185661 | 4,32055342 | 5,38562761 | 6,63644741 |
| 8 | 2,67945227 | 3,48896084 | 4,46936374 | 5,64317182 | 7,03428912 | 8,66801294 |
| 9 | 3,39118178 | 4,41571606 | 5,65653849 | 7,14213933 | 8,90277217 | 10,9704539 |
| 10 | 4,18664417 | 5,45150131 | 6,98338085 | 8,81745596 | 10,9910768 | 13,5437702 |
| 11 | 5,06583945 | 6,59631659 | 8,44989082 | 10,6691217 | 13,2992029 | 16,387962 |
| 12 | 6,02876761 | 7,85016189 | 10,0560684 | 12,6971366 | 15,8271505 | 19,5030291 |
| 13 | 7,07542865 | 9,21303722 | 11,8019136 | 14,9015006 | 18,5749197 | 22,8889717 |
| 14 | 8,20582257 | 10,6849426 | 13,6874265 | 17,2822137 | 21,5425104 | 26,5457896 |
| 15 | 9,41994938 | 12,265878 | 15,7126069 | 19,8392759 | 24,7299227 | 30,473483 |
| 16 | 10,7178091 | 13,9558434 | 17,877455 | 22,5726873 | 28,1371565 | 34,6720518 |
| 17 | 12,0994017 | 15,7548388 | 20,1819706 | 25,4824477 | 31,7642118 | 39,1414959 |
| 18 | 13,5647271 | 17,6628643 | 22,6261539 | 28,5685573 | 35,6110887 | 43,8818155 |
| 19 | 15,1137855 | 19,6799197 | 25,2100049 | 31,831016 | 39,6777871 | 48,8930105 |
| 20 | 16,7465767 | 21,8060053 | 27,9335234 | 35,2698239 | 43,964307 | 54,1750809 |
| 21 | 18,4631008 | 24,0411208 | 30,7967095 | 38,8849808 | 48,4706485 | 59,7280267 |
| 22 | 20,2633578 | 26,3852664 | 33,7995633 | 42,6764869 | 53,1968115 | 65,5518479 |
| 23 | 22,1473477 | 28,838442 | 36,9420847 | 46,644342 | 58,142796 | 71,6465445 |
| 24 | 24,1150704 | 31,4006476 | 40,2242737 | 50,7885463 | 63,3086021 | 78,0121165 |
| 25 | 26,1665261 | 34,0718832 | 43,6461303 | 55,1090998 | 68,6942297 | 84,6485639 |
| 26 | 28,3017146 | 36,8521489 | 47,2076545 | 59,6060023 | 74,2996789 | 91,5558867 |
| 27 | 30,520636 | 39,7414446 | 50,9088464 | 64,279254 | 80,1249496 | 98,7340849 |
| 28 | 32,8232903 | 42,7397703 | 54,7497058 | 69,1288547 | 86,1700418 | 106,183159 |
| 29 | 35,2096775 | 45,8471261 | 58,7302329 | 74,1548046 | 92,4349555 | 113,903108 |
| 30 | 37,6797975 | 49,0635118 | 62,8504276 | 79,3571037 | 98,9196908 | 121,893932 |
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Wie
die nachfolgende Tabelle 5 zeigt, lässt sich bereits mit geringen
Zusätzen
an Nanofasermaterial eine erhebliche Zunahme der effektiven Fläche erreichen,
und zwar insbesondere auch bei großer spezifischer Oberfläche der
Beschichtung, d. h. bei einer spezifischen Oberfläche der
Beschichtung im Bereich zwischen 10 und 1000 cm
2/g. Tabelle 5
| Erhöhung der
Fläche
durch Beschichtung mit Feinstruktur | |
| | | | | | |
| spez. Oberfläche (cm2/g) | 1 | 10 | 100 | 1000 |
| Zusatz
in vol% | Flächen % | effekt.
Flächenzunahme |
| 5 | 2,92 | 2,92% | 29,24% | 292,40% | 2924,02% |
| 10 | 4,64 | 4,64% | 46,42% | 464,16% | 4641,59% |
| 15 | 6,08 | 6,08% | 60,82% | 608,22% | 6082,20% |
| 20 | 7,37 | 7,37% | 73,68% | 736,81% | 7368,06% |
| 25 | 8,55 | 8,55% | 85,50% | 854,99% | 8549,88% |
| 30 | 9,65 | 9,65% | 96,55% | 965,49% | 9654,89% |
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Die 5 zeigt
eine Test- und Messeinrichtung 1a, die sich von der Test-
und Messeinrichtung 1 dadurch unterscheidet, dass der Kupferplatte 4 bzw.
der auf dieser Platte vorgesehene Beschichtung 6 gegenüberliegend
ein Ventilator bzw. Lüfter 7 angeordnet
ist.
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Die
mit der Unterseite mit der Heizeinrichtung 3 ganzflächig oder
im Wesentlichen ganzflächig
verbundene Kupferplatte 4 besitzt wiederum bei quadratischem
Zuschnitt an der Ober- und Unterseite jeweils eine Fläche von
40 cm2. Die nachfolgend angegebenen Messungen
wurden mit der Test- und Messeinrichtung 1a wiederum bei
normaler Atmosphäre
und bei einer Umgebungstemperatur von ca. 20°C durchgeführt. Für die Beschichtung 6 wurde
ein Material verwendet, welches in der Lackmatrix Nanofasern des
Typs HHT in einem Anteil von 17 Gew.% bezogen auf das Gesamtgewicht
des Beschichtungsmaterials enthielt. Die auf die Oberseite aufgebrachte
Menge an Beschichtungsmaterial betrug 50 mg, was bei der Fläche von
40 cm2 einer Schichtdicke von etwa 10 mμ entsprach.
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Die
Leistung sowie der Abstand des Lüfters 7 wurde
bei allen Versuchen konstant gehalten. Untersucht wurde die Verbesserung
der Wärmeableitung
bzw. Kühlung
der Kupferplatte 4 durch die Beschichtung 6 bei
unterschiedlicher Heizleistung der Heizeinrichtung 3, und
zwar bei 8,94 W, 18 W und 33,6 W.
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In
der
6 und in der nachstehenden Tabelle 6 sind die
wesentlichen Parameter und Ergebnisse dieses Tests zusammengefasst,
wobei jeweils bei derselben Leistung mit Hilfe des Thermoelementes
5 die
Temperatur der unbeschichteten und der beschichteten Kupferplatte
4 ermittelt
wurde. Tabelle 6
| Test
Nr. | Beschichtung | Leistung
der Heizeinrichtung | Temperaturdifferenz ΔT in °C |
| 6.1 | Keine | 8,94 | 0,9 |
| 6.2 | 17
Gew.% HHT | 8,94 |
| 6.3 | Keine | 18 | 4,6 |
| 6.4 | 17
Gew.% HHT | 18 |
| 6.5 | Keine | 33,6 | 10,3 |
| 6.6 | 17
Gew.% HHT | 33,6 |
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ΔT ist die
Temperaturdifferenz zwischen der Temperatur der unbeschichteten
und beschichteten Kupferplatte 4 am Ende des Messintervalls
von 36 Minuten. Diese Tests haben ergeben, dass insbesondere bei Temperaturen über 100°C und hohen
Leistungen trotz der durch das Gebläse 7 erzeugten Luftströmung die Wärmeableitung
durch den die Nanofasern enthaltenden Lack bzw. durch die die Nanofasern
enthaltende Beschichtung 6 wesentlich verbessert wird.
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Die
vorstehend aufgeführten,
mit Test- und Messeinrichtungen 1 und 1b erzielten
Ergebnisse entsprechen hinsichtlich der Wärmeabgabe an die Umgebung u.
a. den Verhältnissen,
wie sie beispielsweise bei einem passiven Kühler zum Kühlen von elektrischen Bauteilen,
Bauelementen, Modulen oder Baugruppen ohne oder mit zusätzlichem
Lüfter
vorliegen.
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Die 7 zeigt
eine Test- und Messeinrichtung 1b, bei der die aus dem
Isolator 2, der Heizeinrichtung 3, der Kupferplatte 4 und
dem Thermoelement 5 bestehende Anordnung gewendet bzw. über Kopf
oberhalb einer aus Kupfer bestehenden Platte 8 eines mit
Wasser gekühlten
Kühlelementes 9 angeordnet
ist. Durch Abstandhalter 10 sind die Kupferplatten 4 und 8 parallel
zueinander und in Abstand voneinander gehalten und zwar in einem
Abstand von 2,1 mm. Die Platte 8 ist hinsichtlich Form
und Fläche identisch
mit der Kupferplatte 4. Auf der Platte 8 bzw.
auf dem Kühler 9 ist
zur Messung der Temperatur der Platte 8 ein Thermoelement 11 vorgesehen.
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Mit
der Test- und Messeinrichtung
1b wurden bei einer konstanter
Temperatur der Platte
8 von 12,3°C und bei konstanter Leistung
der Heizeinrichtung
3 von 8,94 W die Temperatur der Platte
4 bei
unterschiedlicher Beschichtung ermittelt. Die wesentlichen Parameter
und Messergebnisse dieser Tests sind in dem Diagramm der
8 sowie
in der nachfolgenden Tabelle 7 wiedergegeben. Tabelle 7
| Test
Nr. | Platte
4 | Platte
8 | Temperatur
T der Platte 4 in °C |
| 8.1 | Beschichtung-HHT | Keine
Beschichtung | 87,8 |
| 8.2 | Beschichtung-HHT | Beschichtung-HHT | 87,3 |
| 8.3 | Keine
Beschichtung | Beschichtung-HHT | 94,1 |
| 8.4 | Keine
Beschichtung | Keine
Beschichtung | 93,8 |
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Der
Anteil des Nanofasermaterials in der Lack-Matrix betrug wiederum
17 Gew.% bezogen auf das Gesamtgewicht des Beschichtungsmaterials.
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Auch
diese Tests bestätigen,
dass durch den Zusatz an Nanofasern bzw. Nanofasermaterial eine
erhebliche Verbesserung der Wärmeabstrahlung
erzielt wird.
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Das
erfindungsgemäße Beschichtungsmaterial
eignet sich als Oberflächenbeschichtung
insbesondere überall
dort, wo eine möglichst
optimale Wärmeübertragung
von einer Oberfläche
eines festen Körpers
auf ein an diese Oberfläche
angrenzendes flüssiges
und/oder gas- und/oder dampfförmiges
Medium, beispielsweise an Luft erforderlich ist. Insbesondere eignet
sich das erfindungsgemäße Beschichtungsmaterial
für die Beschichtung
der Wärme übertragenden
Flächen
von passiven Kühlern,
von aktiven, d. h. von einem gasförmigen und/oder dampfförmigen und/oder
flüssigen
Kühlmedium
durchströmten
Kühlern
oder Wärmesenken, von
Wärmetauschern
usw. Die Wärme übertragenden
Flächen
sind dabei beispielsweise Innen- und/oder Außenflächen dieser Kühler, Wärmesenken,
Wärmetauscher
usw..
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Die 9 zeigt
in sehr vereinfachter Teildarstellung einen Kühler 12 bestehend
aus dem aus einem Werkstoff mit hohem Wärmeleitwert, z. B. aus einem
metallischen Werkstoff hergestellten Kühlkörper 13, der an seiner
Oberfläche
mit einer Beschichtung 14 aus dem Nanofasern bzw. Nanofasermaterial
enthaltenden Lack versehen ist. Der Kühler 12 dient in bekannter
Weise zum Kühlen
eines nichtdargestellten elektrischen Bauelementes oder Moduls,
beispielsweise eines Verlustwärme
erzeugenden elektrischen Bauelementes oder Moduls.
-
Die
10 zeigt
nochmals in einem Diagramm wie
6 den unter
Anwendung der Test- und Messeinrichtung der
5 an unterschiedlichen
Proben gemessenen Verlauf der Temperatur an unterschiedlichen Proben
in Abhängigkeit
von der Zeit. Die wesentlichen Parameter dieser Messungen sind wiederum
in der nachfolgenden Tabelle 8 zusammengefasst: Tabelle 8
| Testnummer | Beschichtung | Leistung
der Heizeinrichtung | Leistung
des Lüfters |
| 10.1 | keine | 33,6
W | 2
W |
| 10.2 | 17
Gew.% (HHT + Grafitflocken) | 33,6
W | 2
W |
| 10.3 | 17
Gew.% (HHT) | 33,6
W | 2
W |
| 10.4 | 2fache
Beschichtung mit 17 Gew.% (HHT) | 33,6
W | 2
W |
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Die
Kurve 10.2 der 10 zeigt
somit den Temperaturverlauf bei einer Beschichtung mit einem Beschichtungsmaterial,
welches 17 Gew.% einer Mischung aus Nanofasern des Typs HHT und
Grafitflocken enthält,
wobei der Anteil dieser Bestandteile in der Mischung bezogen auf
ihr Gewicht 1:1 beträgt.
Ersichtlich ist aus dem Vergleich der Kurven 10.2 und 10.3,
dass die durch Wärmeabstrahlung
sowie Konvektion erzeugte Kühlwirkung
dann wesentlich verbessert wird, wenn der Anteil an Grafitflocken
durch Nanofasern ersetzt wird. Hierdurch wird u. a. bestätigt, dass
die Kühlwirkung
bzw. Wärmeübertragung
im Wesentlichen durch die durch die Nanofasern erzeugte Oberflächenvergrößerung verbessert
wird, d. h. u. a. durch die aus der Oberfläche der Beschichtung vorstehenden
Bereiche der Nanofasern. Dies wird auch durch den Kurvenverlauf 10.4 bestätigt. Obwohl
durch das nochmalige Aufbringen einer Beschichtung auf eine bereits
zuvor aufgebrachte und ausgehärtete
Beschichtung die Dicke der Gesamtbeschichtung erhöht wird,
was zunächst
dem ersten Augenschein nach zu einer Reduzierung der Wärmeübertragung
bzw. Wärmeabgabe
führen
müsste,
ergibt sich überraschend
eine Verbesserung der Wärmeübertragung,
was offensichtlich darauf zurückzuführen ist,
dass sich durch das Nanofasermaterial bei der mehrmaligen Beschichtung
eine weitere Vergrößerung der
Rauhigkeit und damit der Oberfläche
ergibt.
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Die
vorstehenden Untersuchungen haben generell ergeben, dass der mit
der Erfindung angestrebte Effekt umso besser ist, je dünner die
verwendeten Nanofasern sind, d. h. insbesondere auch je größer das Längen-/Dickenverhältnis der
Nanofasern ist. Letzteres ist daher bevorzugt größer als 500.
-
Die
Erfindung wurde voranstehend an Ausführungsbeispielen beschrieben.
Es versteht sich, dass zahlreiche Änderungen sowie Abwandlungen
möglich
sind, ohne dass dadurch der der Erfindung zugrunde liegende Erfindungsgedanke
verlassen wird. So kann die Lack-Matrix kann zusätzlich zu den Nanofasern oder dem
Nanofasermaterial auch wenigstens einen weiteren Zusatz, beispielsweise
einen schwarzen oder schwärzenden
Zusatz, z. B. Ruß bzw.
Carbon Black enthalten. Der Anteil an diesem Zusatz in den Gesamtmasse
des Lacks beträgt
dabei beispielsweise 5–20
Gew.%. Weiterhin besteht grundsätzlich
auch die Möglichkeit,
anstelle der Nanofasern oder des Nanofasermaterials oder aber zusätzlich zu
den Nanofasern oder dem Nanofasermaterial als Füller Grafit bzw. Grafitflocken,
und zwar beispielsweise exfoliiert und/oder nicht exfoliiert zu
verwenden.
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- 1,
1a, 1b
- Test-
und Messeinrichtung
- 2
- thermischer
Isolator
- 3
- Heizeinrichtung
- 4
- Kupferplatte
- 5
- Thermoelement
- 6
- Beschichtung
- 7
- Lüfter
- 8
- gekühlte Platte
- 9
- Kühler
- 10
- Abstandhalter
- 11
- Thermoelement
- 12
- Kühler
- 13
- Kühlkörper
- 14
- Beschichtung