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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Flüssigkeitskühlung von
Mikroprozessoren, die in PC's,
Workstations, Servern usw. eingebaut sind.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
benötigt keine
Pumpe für
den Flüssigkeits- Umlauf. Sie kann insgesamt
in dem Gehäuse,
in dem sich der Mikroprozessor befindet, angebracht werden und kann auch
so angebracht werden, dass einige Elemente der Vorrichtung im erwähnten Gehäuse und
die übrigen
Elemente außerhalb
des Gehäuses
angeordnet sind.
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Der
erfindungsgemäß gestaltete
Kühlblock wird
auf bekannt Weise am Mikroprozessor angebracht, wobei eine horizontale
Lage des Mikroprozessors die beste Wärmeabführung gewährleistet.
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Der
Umlauf der Kühlflüssigkeit
wird durch die Differenz zwischen der Dichte der erwärmten Flüssigkeit
und der Dichte der abgekühlten
Flüssigkeit bewirkt.
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Die
erwärmte
Kühlflüssigkeit
wird durch einen Wärmetauscher
geführt,
in dem die Luft der Umgebung nach dem Gegenstrom-Prinzip infolge
ihrer Erwärmung
aufwärts
strömt
und so durch Konvektion die Kühlflüssigkeit
abkühlt.
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Vorrichtungen
zur Kühlung
von Mikroprozessoren sind bekannt.
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In
der
DE 201 11 305
U1 ist ein Wasserkühlsystem
zur Kühlung
von CPU's und Mikroprozessoren
gezeigt, das einen Kühlkörper aufweist,
der im Innern mit einem Kern aus Kupfer versehen ist, um den das
Kühlmedium
kreisförmig
mittels einer Pumpe bewegt wird. Die erwärmte Flüssigkeit wird auf einer Seite
des Kühlblocks
radial eingeleitet und auf der entgegengesetzten Seite abgeleitet.
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Wie
allerdings die im Kühlblock
aufgenommene Wärme
abgeführt
wird, ist der genannten Literaturstelle nicht zu entnehmen. Dieses
bekannte Wasserkühl-System befindet sich
im Handel. Hierbei ist festzustellen, dass eine Pumpe erforderlich
ist, um die Kühlflüssigkeit
um einen Kern herum zu führen, der
im Kühlblock
angebracht ist.
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In
der
DE 203 11 701
U1 ist eine Aktivwasserkühlung für PC- und Workstationsystemen
gezeigt, bei dem die Wärmeabnahme
am Mikroprozessor durch einen flüssigkeitsführenden
Kühlkörper erfolgt
und die Wärme über einen
Radiator innerhalb des Gehäuses
freigegeben wird. Auch bei dieser bekannten Vorrichtung ist eine
Pumpe für
den Wasserumlauf erforderlich.
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Ein
besonderer Nachteil dieser bekannten Vorrichtung besteht darin,
dass zusätzlich
ein Radiator erforderlich ist.
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Bekanntlich
ist aber ein Radiator, z.B. in einem PC, vorwiegend zur Kühlung des
Prozessors erforderlich.
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Die
WO 99/47994 A1 beschreibt ein Kühlsystem
für Computer,
bei dem ein Kältemittel
zur Kühlung
benutzt wird, das in einem ersten Behälter 4 verdampft und
in einem zweiten Behälter 6 kondensiert. Der
erste Behälter
ist auf dem zu kühlenden
Prozessor o.ä.
aufgesetzt. Der zweite Behälter 6 ist
oberhalb des ersten Behälters
angebracht. Der Dampf steigt in einem zweiten Rohr 8 nach
oben in den zweiten Behälter 6,
wo er kondensiert. Die kondensierte Flüssigkeit fließt in einem
ersten Rohr 7 zurück
in den ersten Behälter.
Am Boden des zweiten Behälters,
der mit Rippen versehen ist, sind zwei Gebläse 9 angeordnet. Diese
Gebläse
werden mittels eines Bimetall-Schalters P1 eingeschaltet, abhängig von
der Raumtemperatur. Der erste Behälter 4 ist innen vollständig mit
einer Sinterschicht versehen, um die Oberfläche zu vergrößern. Dieses
bekannte Kühlsystem
geht von der Aufgabe aus, ein lautloses System zu schaffen, das
außerdem
das Eindringen von Staub usw. verhindern soll. In Bezug zur vorliegenden
Erfindung besteht dort der wesentliche Nachteil darin, dass ein
verdampfendes und kondensierendes Kältemittel benutzt wird, denn
die Wärmemenge,
die von Kältemittel-Dampf
transportiert wird, ist geringer als die, die von polaren Flüssigkeiten,
z.B. Wasser tranportierbare. Außerdem
ist der Wärmeübergang von
Dampf an eine Wand bei diesen geringen Geschwindigkeiten kleiner
als der von Flüssigkeiten.
Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass sich im Bereich des Ein-,
bzw. Auslauf im ersten Behälter 4 die
einströmende
Flüssigkeit
und der austretende Dampf zumindest teilweise vermischen können, so
dass sich die Flüssigkeit
erwärmt
und der Dampf sich abkühlt.
Dieser Vorgang wird noch dadurch begünstigt, dass bei einer ersten
Ausführungsform
das erste Rohr 7 und das zweite Rohr 8 auf einer
Seite des ersten Behälters 4 horizontal
in diesen münden.
Der erste Behälter
ist auf dem zu kühlenden
Prozessor aufgesetzt. Dieser nachteilige Vorgang der Vermischung ist
auch bei einer zweiten Ausführungsform
dieses bekannten Systems vorhanden, bei der gemäß 10 und 11 das
erste Rohr 7 und das zweite Rohr 8 nebeneinander
und vertikal in den ersten Behälter 4 eingeführt sind.
Hierbei muss außerdem
der zu kühlende
Prozessor vertikal angebracht werden. Das System muss außerdem absolut
dicht sein und das Kältemittel
muss unter Vakuum eingefüllt
werden.
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Die
WO 01/35199 A1 beschreibt eine Vorrichtung zum Kühlen von Computerelementen,
wobei die Vorrichtung im Computergehäuse angeordnet ist. Auch hier
wird, wie in der vorgenannten WO ein verdampfendes und kondensierendes
Kältemittel
benutzt, das unter der Bezeichnung „Suva 123", Type HCFC-123 handelsüblich ist.
Der Nachteil bei der Benutzung von Kältemitteln wurde bereits beschrieben. Bei
dieser hier genannten bekannten Vorrichtung ist im zweiten Rohr 16,
in dem das flüssige
Kondensat in den Verdampfungsbehälter 13 fließt, ein
Rückschlagventil
vorgesehen, das verhindern soll, dass flüssiges Kondensat in den Kondensatbehälter 13 gedrückt wird.
Dies hat zur Folge, dass bei Druckanstieg im Verdampfungsbehälter 13 keine
Flüssigkeit in
diesen zulaufen kann, wodurch kein kontinuierlicher Kühlmittelumlauf
gewährleistet
ist.
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Die
US 4,368,850 zeigt einen
Kühlblock
zum Kühlen
von Halbleiterelementen mittels eines Kältemittels, das durch eine
Pumpe durch mehrere Kanäle geführt wird,
wobei es verdampft. Auch hier ergeben sich die vorbeschriebenen
Nachteile der Verwendung von verdampfenden und kondensierenden Kältemitteln.
An dem erwähnten
Kühlblock,
der auf ein, zu kühlendes
Element aufgesetzt ist, sind seitlich längsbewegliche Pfropfen
51 bis
56 angebracht,
die ein- und ausgefahren werden können, um den Weg des Kältemittels
durch den Kühlblock
festzulegen. Hierbei ergeben sich Dichtungsprobleme bei einem geschlossenen
Flüssigkeits-Dampf-System.
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Eine
als Einschub für
einen Schacht eines PC's
ausgebildete Kühlvorrichtung
für Computerelemente
ist in der
US 6,166,907
A gezeigt. Dort wird Wasser mittels einer Pumpe
414 durch
einen Kühler geführt, der
aus mehreren Segmenten besteht.
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Vor
dem Kühlersegment 6 ist
ein Gebläse angebracht.
Das Wasser wird durch einen Kühlblock 2 gepumpt,
der auf einem zu kühlenden
Element angebacht ist.
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Die
Ausgestaltung dieses Kühlblocks
ist der genannten Schrift nicht zu entnehmen. Diese bekannte Kühlvorrichtung
hat den großen
Nachteil, dass sie konstruktiv sehr Aufwendig und damit teuer ist.
Außerdem
hat der Kühler,
bedingt durch die Geometrie des Einschubschachtes des PC's nur eine begrenzte
Oberfläche,
wodurch die Kühlleistung
begrenzt ist.
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Ausgehend
von diesem Stand der Technik macht es sich die vorliegende Erfindung
zur Aufgabe, eine Vorrichtung zur Flüssigkeitskühlung von Computer-Systemen zu schaffen,
die folgende Bedingungen erfüllen
soll:
- 1. Die Kühlflüssigkeit soll durch den Kühlkörper (im
weiteren als Kühlblock
bezeichnet) ohne Pumpe fließen,
- 2 es soll kein Radiator zur Wärmeabfuhr benötigt werden,
- 3. der Kühlblock
soll bei horizontaler und vertikaler Lage des Mikroprozessors an
diesem angebracht werden können,
- 4. der Kühlblock
soll im Innern so beschaffen sein, dass für die durchfließende Kühlflüssigkeit
eine möglicht
große
Oberfläche
zum Zweck eines guten Wärmeübergangs
vorhanden ist,
- 5. die Vorrichtung soll entweder ganz im Gehäuse der Rechenanlage oder die
wärmeabgebenden Elemente
sollen außerhalb
des erwähnten
Gehäuses
angebracht werden können.
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Diese
Aufgabe wird gelöst
durch eine Vorrichtung zur Flüssigkeitskühlung von
Mikroprozessoren in Computersystemen gemäß Anspruch 1
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Die
Erfindung wird anhand von Zeichnungen erläutert. Es zeigt:
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1 eine
Draufsicht der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
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2 eine
Seitenansicht der Darstellung gemäß 1,
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3 einen
Schnitt I-I gemäß 1 einer Ausführungsform
eines Wärmetauschers,
bei der parallele Radialrippen zur Kühlung an einem Innenkörper des
Wärmetauschers
angebracht sind,
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4 einen
Schnitt I-I gemäß 1 einer Ausführungsform
eines Wärmetauschers,
bei der Wendelrippen zur Kühlung
am Innenkörper
des Wärmetauschers
angebracht sind,
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5 einen
Schnitt II-II gemäß 2 einer Ausführungsform
eines Wärmetauschers,
bei der Längsrippen
radial am Innenkörper
des Wärmetauschers
angebracht sind und zwar parallel zu dessen Längsachse,
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6 einen
Schnitt II-II gemäß 2 einer Ausführungsform
des Wärmetauschers,
bei der Längsrippen
und außerdem
Mantelrippen zur Verbesserung der Luftführung im Innern eines Mantels an
diesem angebracht sind,
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7 eine
Draufsicht eines erfindungsgemäß gestalteten
Kühlblocks,
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8 eine
Ansicht III gemäß 7,
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9 eine
Ansicht IV gemäß 7,
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10 einen
Schnitt V-V gemäß 7,
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11 einen
Schnitt VI-VI gemäß 7,
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12 einen
Schnitt VII-VII gemäß 7,
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13 eine
Seitenansicht einer Anordnung des Kühlblocks an einem vertikal
angeordneten Mikroprozessor, wobei die Ablaufbohrung an der Vorderseite
des Kühlblocks
angebracht ist und
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14 eine
Draufsicht einer Anordnung des Kühlblocks
an einem vertikal angeordneten Mikroprozessor, wobei die Ablaufbohrung
seitlich am Kühlblock
angeordnet ist.
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Der
Kühlblock 1 besteht
vorzugsweise aus Kupfer. Er wird mit seiner ebenen, glatten Aufsetzfläche 1.1 an
dem zu kühlenden
Mikroprozessor 6 angebracht, der auf einer Platine 7 im
Gehäuse 8 befestigt
ist, wobei zur Verbesserung des Wärmeübergangs eine bekannte Paste
oder ein bekanntes Pad zwischen der Aufsetzfläche 1.1 und dem Mikroprozessor
angeordnet werden kann.
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Der
Kühlblock
ist mit einer Zulaufbohrung 1.2 versehen, die mit einem
Gewinde versehen ist. In diese Zulaufbohrung ist das untere Ende
eines Fallrohres 4 eingeführt, in dem die abgekühlte Kühlflüssigkeit
in Richtung des zweiten Pfeils 11 abwärts fließt.
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In
dem zur Zulaufbohrung 1.2 entgegengesetzten Bereich des
Kühlblocks 1 ist
dieser an einer seiner Seitenflächen
mit einer Ablaufbohrung 1.3 versehen, in der das untere
Ende eines Steigrohrs 3 mündet. In diesem Steigrohr strömt die im
Kühlblock erwärmte Flüssigkeit
in Richtung des ersten Pfeils 10 aufwärts. An ihren oberen Enden
sind das Steigrohr und das Fallrohr mittels eines Krümmers 1.9 mit
einander verbunden. Am Krümmer 1.9 ist
ein verschließbarer
Füllaufsatz 5 zur
Befüllung
der Vorrichtung vorgesehen.
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Auf
diese Weise ist ein geschlossener Kreislauf hergestellt.
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Zwischen
dem Krümmer 1.9 und
der Zulaufbohrung 1.2 ist ein Wärme-Tauscher 2 vertikal angeordnet.
Dieser Wärmetauscher
weist einen Innenkörper 2.1 mit
einer Körperbohrung 2.1.1 auf,
deren Innendurchmesser dem Innendurchmesser des Fallrohrs 4 entspricht.
Die Länge
des Wärmetauschers 2 und
damit die Länge
des Innenkörpers
sind von der Wärmemenge
abhängig,
die vom jeweiligen Mikroprozessor 6 erzeugt wird. Am oberen
und am unteren Ende des Innenkörpers 2.1 ist
jeweils ein Anschluss-Stutzen 2.4 angebracht, an dem mittels
bekannter Verbindungselemente 2.5 die Enden des Fallrohrs 4 befestigt
sind. Es ist auch möglich,
die beiden Enden der Körperbohrung
mit einem nicht gezeichneten Innengewinde zu versehen und die Enden
des Fall-Rohrs mittels
bekannter Einschraubmuffen am Innenkörper zu befestigen.
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Der
Innenkörper
ist mit einem Mantel 2.3 umgeben, der als Hohlzylinder
ausgebildet ist und dessen Mittelachse identisch ist mit der Längsachse
des Innenkörpers 2.1.
Dieser Mantel dient zur Verbesserung der Strömungsverhältnisse der in Richtung des dritten
Pfeils 12 aufwärts
strömenden
Luft in Verbindung mit den nachfolgend beschriebenen Kühlrippen 2.2.
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Der
Innenkörper 2.1 ist
außen
mit Kühlrippen 2.2 versehen,
die im Rahmen der Erfindung auf verschiedene Weise ausgebildet sein
können.
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In 3 ist
ein Innenkörper 2.1 gezeigt,
der aus Kupfer, Aluminium oder einem anderen, wärmeleitenden Material besteht
und parallele Radialrippen 2.2.1 aufweist, die einstückig mit
dem Innenkörper verbunden
sind.
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In 4 ist
ein Innenkörper 2.1 gezeigt,
bei der die Kühlrippen
schraubenförmig
als Wendelrippen 2.2.2 einstückig mit dem Innenkörper verbunden sind.
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Diese
Anordnung begünstigt
den Wärmeübergang
an die aufwärts
strömende
Luft.
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5 zeigt
einen Innenkörper 2.1,
an dem Längsrippen 2.2.3 angeformt
sind, die parallel zur Längsachse
des Innenkörpers
ausgerichtet sind. Eine solche Ausführungsform ist herstellbar,
in dem man den Innenkörper
mit den Längsrippen 2,2,3 als Gusskörper herstellt
und anschließend
die Körperbohrung 2.1.1 anbringt.
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6 zeigt
einen Innenkörper 2.1 an
dem Längsrippen 2.2.3 angebracht
sind, die einen rechteckförmigen
Querschnitt aufweisen und die am Innenkörper angeschweißt oder
angelötet
sind.
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Außerdem ist
unabhängig
von der Ausführungsart
der Kühlrippen 2.2 vorgesehen,
den Mantel 2.3 mit Mantelrippen 2.3.1 zu versehen,
die in die Zwischenräume
der Kühlrippen
hinein ragen.
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Der
Mantel ist mit Fixierelementen 2.6 am Innenkörper 2.1 angebracht.
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Als
solche Fixierelemente können
Schrauben, Haken u.ä.
verwendet werden.
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Der
Kühlblock 1 ist
zur Vergrößerung der Oberfläche für die durchfließende Kühlflüssigkeit
mit mehreren Bohrungen versehen.
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Eine
Mittelbohrung 1.5 verbindet direkt die Zulaufbohrung 1.2 mit
der Ablaufbohrung 1.3. Im Bereich der Zulaufbohrung sind
eine erste Querbohrung 1.6 und im Bereich der Ablaufbohrung 1.3 eine
zweite Querbohrung 1.7 vorgesehen, die jeweils am vorderen
Ende mittels eines Verschlusszapfens 1.8 verschlossen werden.
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Parallel
zur Mittelbohrung sind zwei oder mehrere Seitenbohrungen 1.4 vorgesehen,
die jeweils die erste Querbohrung 1.6 mit der zweiten Querbohrung
verbinden. In 7, 8, 9, 10, 11 und 12 ist
eine Anordnung gezeigt, bei der der Kühlblock oben auf dem Mikroprozessor 6 aufgesetzt
ist. Es sind zwei Seitenbohrungen 1.4 eingezeichnet. Diese
sind ebenfalls auf einer Seite mittels Verschlusszapfen 1.8 verschlossen.
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Wenn
der Mikroprozessor 6 an einer vertikalen Platine 7 angebracht
ist, kann die Zulaufbohrung 1.2 seitlich am Kühlblock 1 angebracht
werden.
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In 13 ist
eine Anordnung gezeigt, bei der die Zulaufbohrung 1.2 rechtwinklig
zur Ablaufbohrung 1.3 im unteren Bereich der Vorderseite
des Kühlblocks
angebracht ist. In diesem Falle mündet die Zulaufbohrung rechtwinklig
in die erste Querbohrung 1.6.
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In 14 ist
eine Anordnung gezeigt, bei der die Zulaufbohrung an einer Seite
des Kühlblocks
angebracht ist und die Zulaufbohrung 1.2 direkt geradlinig
mit der ersten Querbohrung 1.6 verbunden ist.
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Temperaturmessungen
an einem durchschnittlichen, modernen, im Betrieb befindlichen PC haben
gezeigt, dass zwischen den Messpunkten am Steigrohr 3 und
am Fallrohr 4 vor der Zulaufbohrung eine Temperaturdifferenz
von ca. 10 Grad Celsius erreicht wird.
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- 1
- Kühlblock
- 1.1
- Aufsetzfläche
- 1.2
- Zulaufbohrung
- 1.3
- Ablaufbohrung
- 1.4
- zwei
Seitenbohrungen
- 1.5
- Mittelbohrung
- 1.6
- erste
Querbohrung
- 1.7
- zweite
Querbohrung
- 1.8
- Verschlusszapfen
- 1.9
- Krümmer
- 2
- Wärmetauscher
- 2.1
- Innenkörper
- 2.2
- Kühlrippen
- 2.2.1
- Radialrippen
- 2.2.2
- Wendelrippen
- 2.2.3
- Längsrippen
- 2.3
- Mantel
- 2.3.1
- Mantelrippen
- 2.4
- Anschluss-Stutzen
- 2.5
- Verbindungselement
- 2.6
- Fixierelemente
- 3
- Steigrohr
- 4
- Fallrohr
- 5
- Füllaufsatz
- 6
- Mikroprozessor
- 7
- Platine
- 8
- Gehäuse
- 10
- erster
Pfeil (Strömungsrichtung
im Steigrohr 3)
- 11
- zweiter
Pfeil (Strömungsrichtung
im Fallrohr 4)
- 12
- dritter
Pfeil (Luft-Strömungsrichtung
im Wärmetauscher 2)