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1. Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltplatte mit Kühlkörper und
insbesondere eine Schaltplatte mit einem Kühlkörper, der ein flüssiges Kühlmedium
verwendet.
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2. Erläuterung des technischen Hintergrunds
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Druckluftkühlsysteme,
die einen Luftkühlungsventilator
verwenden, wurden in der Vergangenheit oft als Mittel zum Verhindern
eines übermäßigen Wärmestaus
in elektronischen Schaltkreisen verwendet. Trotzdem werden aufgrund
der sehr dicht bestückten
Schaltplatten, die in vielen elektronischen Rechnern und Messvorrichtungen
und dergleichen verwendet werden, Wärme erzeugende Komponenten,
wie ICs und LSIs, in hoher Dichte montiert, und gibt eine Tendenz
zu einer erheblichen Zunahme der erzeugten Wärmemenge; die Systeme, die
Luftkühlungsventilatoren
verwenden, haben jedoch eine begrenzte Kühlungskapazität. Der Platz
zur Montage einer Wärme
abstrahlenden oder Wärme
abgebenden Vorrichtung im Inneren der Tafel wurde jedoch infolge
des schnellen Fortschritts bei der Miniaturisierung von Schaltplatten
immer kleiner, und es ist inzwischen sehr schwierig, die auf der
Schaltplatte erzeugte Wärme
abzuführen.
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Zur
Lösung
solcher Probleme wurde ein Kühlkörpermechanismus
vorgeschlagen und teilweise in praktische Verwendung umgesetzt,
wobei ein Wärmeleiter
zur Aufnahme der Wärme,
die über
elektronische Komponenten erzeugt wird, und zum Abführen dieser
Wärme von
diesen elektronischen Komponenten eingesetzt wird. Mithilfe eines
solchen Vorschlags wird ein Wärme
leitender Block oder eine ähnliche
Vorrichtung mit den elektronischen Komponenten, insbesondere mit
denjenigen, die gekühlt werden
müssen,
in Kontakt gebracht, und eine übermäßige Temperaturzunahme
dieser elektronischen Komponenten wird durch Übertragung dieser Wärme auf
den Wärme
leitenden Block oder eine ähnliche Vorrichtung
verhindert. Um die Wärme,
die an den Block oder eine ähnliche
Vorrichtung übertragen
wurde, effizienter nach außerhalb
der Schaltplatte zu emittieren, wurde zudem ein mit Flüssigkeit
kühlender
Kühlkörper vorgeschlagen,
wie in der ungeprüften
japanischen Patentbeschreibung (Kokai) JP 2002-81874 beschrieben,
mit dem die Wärmeabführungseffizienz
verbessert wird, indem ein röhrenförmiger Pfad
in dem Wärme
leitenden Block vorgesehen und ein Kühlmedium in diesem Pfad umgeführt wird.
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Trotzdem
gab es infolge der kürzlichen
Miniaturisierung elektronischer Geräte in den letzten Jahren ein
Zunahme von auf beiden Seiten bestückten Schaltplatten, bei denen
sich elektronische Komponenten auf beiden Seiten einer Schaltplatte
befinden, sowie an mehrschichtigen Schaltplatten, wobei oben auf
einer Grundtafel Untertafeln befestigt sind. Wärme erzeugende Komponenten
sind auf beiden Oberfläche
der Tafel mit einer auf beiden Seiten bestückten Schaltplatte montiert;
daher wird ein Kühlmechanismus
mit Wärme
ableitenden Wirkungen auf beiden Oberfläche der Tafel benötigt. Eine
mehrschichtige Schaltplatte erfordert zudem einen Kühlmechanismus,
der einen Wärme
ableitenden Effekt auf jeder Schicht hat. Das Verfahren, durch das
ein Kühlkörper auf
beiden Seiten einer auf beiden Seiten bestückten Schaltplatte angebracht
wird, oder für
jede Schicht einer mehrschichtigen Schaltplatte wird als der einfachste
Kühlmechanismus
angesehen, der diesen Zweck erfüllt.
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Kühlkörper mit
Flüssigkeitskühlung erfordern jedoch,
dass in dem Kühlkörper ein
Pfad angeordnet ist; deshalb muss der Kühlkörper die entsprechende Dicke
besitzen. Eine Tafel kann dadurch mehrere Kühlkörper zum Kühlen des Substrats besitzen,
sogar wenn sie selbst infolge ihrer auf beiden Seiten bestückten Struktur
oder Schichtstruktur miniaturisiert ist, was wiederum die Größe der Tafel
erhöht.
Insbesondere große
elektronische Vorrichtungen und Messinstrumente haben oft eine Systemarchitektur, wobei
die Schaltplatte in mehrere Busschlitze eingebracht wird, die in
Reihen in gleichmäßigen Abständen angeordnet
sind; und in diesen Fällen
muss jede Tafel dünner
sein als die Abstände
zwischen den Schlitzen. Es besteht daher ein Bedarf an auf beiden Seiten
bestückten
Schaltplatten und mehrschichtigen Schaltplatten mit Kühlkörpern, die
miniaturisiert sind und ausreichende Kühlkapazität besitzen.
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Bei
einem Kühlmechanismus,
beidem zwei Platten überlappen,
um einen Pfad für
ein Kühlmedium
zu bilden, wie in der Patent-Bezugnahme 1, ist es ferner notwendig,
relativ dicke Platten zu verwenden und eine leckfreie Endbearbeitung
von Verbindungen durchzuführen,
um Austreten des Kühlmediums
zu verhindern. Es kommt somit zu Problemen dahingehend, dass die
Dünnheit
des Kühlkörpers Beschränkungen
unterliegt und aufgrund der komplexen Struktur die Endbearbeitung
schwierig ist. Daher besteht ein Bedarf an einer Schaltplatte mit
einem daran angebrachten Kühlkörper mit
einer Struktur, die einfach ist und trotzdem Austreten des Kühlmediums
verhindern kann.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Die
oben genannten Probleme werden gelöst durch eine Schaltplatte
mit einem Kühlkörper gelöst, umfassend
eine erste Schaltplatte mit auf beiden Seiten angebrachten elektronischen
Komponenten; eine Röhre,
die in einem vorbestimmten Muster auf der Vorderseite der ersten
Schaltplatte angeordnet ist; und einen Wärme leitenden Block, der um
die Peripherie der Röhre
herum angebracht ist, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Schaltplatte
mehrere, entlang des Musters angeordnete Durchgangslöcher besitzt
und ein Teil des Blocks über
die Durchgangslöcher
zur Rückseite
der ersten Schaltplatte hin exponiert ist.
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D.h.
das Austreten von Kühlmedium
kann mit einer einfachen Struktur unter Verwendung einer Röhre zur
Bildung eines Pfads für
das Kühlmedium verhindert
werden. Die Wärmeabführungsfähigkeit kann
ferner verbessert werden, indem ein Wärme leitender Block entlang
dieser Röhre
angeordnet wird, weil die Wärmeübertragungseffizienz
an die Röhre von
elektronischen Komponenten, die große Mengen Wärme erzeugen, verbessert wird.
Es ist ferner möglich,
auf beiden Seiten der Tafel montierte elektronische Komponenten
zu kühlen
und gleichzeitig das Austreten von Kühlmedium zu verhindern, indem
der Wärme
leitende Block zur Rückseite
der Schaltplatte über
in der Schaltplatte hergestellte Durchgangslöcher exponiert wird. Es sollte
beachtet werden, dass, wenn Untertafeln an der Vorderseite oder
Rückseite des
auf beiden Seiten bestückten
Substrats angebracht sind, jede der Schaltplatten, die die Schichtstruktur
bilden, effizienter gekühlt
werden kann, indem die Wärme
erzeugenden Komponenten auf der in Frage kommenden Untertafel und
der Kühlkörper derart
verbunden werden, dass sie sich durch direkten Kontakt oder über einen
Wärme leitenden Block
in einem Zustand von Wärmeleitung
befinden.
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Es
ist möglich,
eine miniaturisierte, dünne Schaltplatte
mit einem durch Flüssigkeit
kühlenden Kühlkörper bereitzustellen.
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KURZE BESCHREIBUNG DER
ZEICHNUNGEN
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1 ist
eine Ansicht von schräg
oben auf die Schaltplatte, die durch das erfindungsgemäße Beispiel
beschrieben wird.
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2 ist
eine Detailzeichnung der Schaltplatte der 1 anhand
ihrer strukturellen Abschnitte.
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3 ist
eine Ansicht der Schaltplatte der 1 von schräg unten.
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4 ist
eine vergrößerte Schrägansicht des
Kühlkörpers, der
in dem erfindungsgemäßen Beispiel
beschrieben wird.
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5 ist
ein Querschnitt durch einen Teil der Schaltplatte, die in dem erfindungsgemäßen Beispiel beschrieben
wird.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
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Repräsentative
Beispiele für
die vorliegende Erfindung werden im Folgenden anhand der Zeichnungen
beschrieben.
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1 ist
eine Schrägansicht
von der Oberfläche
einer Schaltplatte 10 mit einem erfindungsgemäßen Kühlkörper. 2 ist
ferner eine Detailzeichnung einer Schaltplatte mit einem Kühlkörper anhand jedes
ihrer strukturellen Abschnitte.
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Die
Schaltplatte 10 mit einem Kühlkörper umfasst eine Grundtafel 20,
wobei Komponenten auf beiden Seiten montiert sind (2(A));
einen Kühlkörper 30 mit
einer Röhre 31,
durch die Kühlmedium fließt, und
einem Wärme
leitenden Block 32 (2(B));
und eine über
der Grundtafel 20 mit einem Abstand zwischen den Tafeln
angeordnete Untertafel 40. Es sollte beachtet werden, dass
die elektronischen Komponenten auf der Grundtafel 20 zur leichteren
Ansicht der Zeichnung weggelassen worden sind.
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Die
Röhre 31 besteht
aus Aluminiummetall und ist zu einem vorbestimmten Muster gebogen, das
einen Pfad für
die Umführung
von Kühlmedium bildet.
Mithilfe der Schaltplatte 10 des erfindungsgemäßen Beispiels
wird die Unterplatte 40 von der Mitte der Oberfläche der
Grundtafel 20 zur Vorderseite in der Zeichnung hin positioniert,
wie in 1 gezeigt. Eine weitere identische Unterplatte
(nicht dargestellt) wie diese Unterplatte 40 befindet sich
in Bezug auf die Mitte in Längsrichtung
in einer linearsymmetrischen Position zur Unterplatte 40.
Ebenso sind auf der Rückseite
zwei Unterplatten 40 gleichermaßen angeordnet. Eine dieser
Unterplatten ist in 2(C) dargestellt.
Die Röhre 31 ist
entlang zweier Seiten von vorne rechts (zum Punkt P) der Grundplatte 20 durch
hinten links (zum Punkt Q) zum hinteren linken Punkt (zum Punkt
R) angeordnet, wie in 1 gezeigt. Die Röhre verläuft ferner
hin und her zwischen der linken Seite (Punkt R nach Punkt S) zur
Mitte, von hinten links (zum Punkt R) nach vorne links (zum Punkt
S) und bildet ein Muster von vorne links (zum Punkt S) nach vorne
rechts (Punkt P). Somit befindet sich die Unterplatte 40 dort,
wo die Röhre 31 zu
einem hin und her laufenden Muster angeordnet ist. Es sollte beachtet
werden, dass das oben genannte Muster nur ein Beispiel ist und das
Muster nach Bedarf anhand der Position der Wärme erzeugenden Komponenten
gestaltet werden kann. Außerdem muss
die Röhre
nicht notwendigerweise aus Aluminium bestehen und kann aus jedem
Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit
sein, wie SUS oder Kupfer.
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Der
durch den Kühlkörper 30 des
erfindungsgemäßen Beispiels
gebildete Kühlmediumpfad
ist ein röhrenförmiges Element,
und dadurch entsteht praktisch kein Problem mit dem Austreten von
Flüssigkeit. Die
Röhre 31 kann
außerdem
in einem zweidimensionalen Muster entlang der Vorderseite der Grundplatte
angeordnet werden; deshalb ist es leichter, die Röhre zu bilden,
und weil der Flüssigkeitswiderstand klein
ist, kommt es zu wenig Spannung von außen auf die Schaltplatte 10 durch
die Kühlmedium-Umführvorichtung
zum Einleiten und Entnehmen von Kühlmedium (nicht dargestellt).
Obwohl Wasser als Kühlmedium
in der Schaltplatte 10 des erfindungsgemäßen Beispiels
verwendet wird, können
auch flüssiger
Stickstoff, HCFC (Hydrochlorfluorkohlenwasserstoffe) oder ein anderes
Kühlmedium
verwendet werden.
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Wie
in 4 dargestellt ist, ist ein Wärme leitender Block 32 aus
Aluminiummetall um die Peripherie der Röhre 31 herum angeordnet
und verantwortlich für
die Wärmeübertragung
von den Komponenten, die eine besonders große Menge Wärme erzeugen, (nicht dargestellt)
an die Röhre 31.
Das für den
Wärme leitenden
Block 32 verwendete Material ist nicht auf Aluminium beschränkt und
kann jedes Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit
sein, wie Gold, Silber, Kupfer oder Eisen. Der Wärme leitende Block 32 ist
angeordnet, wie in 3 gezeigt, so dass er zur Rückseite
der Grundplatte 20 hin über
die Durchgangslöcher 21 in
der Grundplatte 20 exponiert ist. Dadurch ist es möglich, einen
einzigen Kühlkörper 30 zum
Kühlen
jeder der Unterplatten 40 zu verwenden, die sich über den
beiden Oberflächen
der Grundplatte 20 mit einem Abstand zwischen den Unterplatten und
der Vorder- und Rückseite
der Grundplatte 20 befinden.
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In
diesem Fall ist es nicht nötig,
Durchgangslöcher 21 über die
gesamte Röhre 31 zu
verteilen; die Durchgangslöcher
können
so angeordnet werden, dass der Wärme
leitende Block 32 nahe den Abschnitten exponiert ist, die
große
Mengen an Wärme erzeugen
und sich auf der Rückseite
der Grundplatte 20 und auf der Unterplatte 40 auf
der Rückseite
befinden. Der exponierte Wärme
leitende Block 32 und die Komponenten auf der Rückseite
der Grundplatte 20 können
durch eine Komponente mit hoher Wärmeleitfähigkeit verbunden werden, wie
einen Wärme leitenden
Film oder Wärme
leitendes Metall. Wenn die Komponenten jedoch keine sehr große Menge
an Wärme
erzeugen, ist ein besonders Wärme
leitendes Element nicht erforderlich, und der entsprechende Ableitungseffekt
kann durch einfaches Kühlen
der Luft um die Komponenten mit dem durch die Röhre 31 fließenden Kühlmedium
erzielt werden. So kann die Festigkeit der Grundplatte beibehalten
werden, indem man Durchgangslöcher 21 nur
dort anordnet, wo sie benötigt
werden.
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Die
Befestigungslöcher 33 für die Unterplatte 40 werden
im Wärme
leitenden Block 32 hergestellt. Dadurch dient der Wärme leitende
Block 32 nicht nur als Wärmeabführungsvorrichtung, sondern
auch als Befestigungselement zum Befestigen der Unterplatte 40 an
der Grundplatte 10. Die
Wärmeleitungseffizienz
zwischen der Unterplatte 40 und dem Wärme leitenden Block 32 wird
verbessert, und die an der Unterplatte 40 erzeugte Wärme kann
besser abführt
werden, indem die Unterplatte 40 direkt am Wärme leitenden
Block 32 befestigt wird.
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Die
Unterplatte 40 ist ebenfalls eine auf beiden Seiten bestückte Platte,
aber die elektronischen Komponenten, die große Mengen an Wärme erzeugen,
befinden sich hauptsächlich
auf einer Seite. Wenn die Unterplatte 40 am Befestigungsloch 33 des Kühlkörpers 30 befestigt
wird, wird sie deshalb mittels Anschrauben so befestigt, dass die
Seite mit den elektronischen Komponenten, die große Mengen
an Wärme
erzeugen, zur Seite des Kühlkörpers 30 hin zeigt.
Wie in 1 und 2 gezeigt, bildet die Röhre 31 beim
erfindungsgemäßen Beispiel
ein derartiges Muster, dass sie sich an drei Seiten um die Peripherie
der Unterplatte 40 windet. Außerdem ist der Wärme leitende
Block 32 so angeordnet, dass er mit den elektronischen
Komponenten, die große
Mengen an Wärme
erzeugen, direkt in Kontakt steht. Dadurch kann der Kühlkörper 10 eine große
Wärmeableitungsfähigkeit
nicht nur für
die Grundplatte 20, sondern auch für die Unterplatte 40 bereitstellen.
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Schließlich wird
die Struktur der Verbindungen zwischen der Röhre 31 und dem Wärme leitenden
Block 32 anhand des Querschnitts in 5 beschrieben. 5 zeigt
einen Querschnitt der Schaltplatte 10 entlang von A-A' in 4,
wobei die Grundplatte 20 und die Unterplatten 40a und 40b am
Kühlkörper 30 befestigt
sind.
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Die
Röhre 31 ist
im Wärme
leitenden Block 32 verborgen. Diese Röhre 31 wird dadurch
hergestellt, dass eine Röhre
mit kleinerem Durchmesser als im fertigen Zustand in eine Nut oben
in den Wärme
leitenden Block 32 eingebracht und die Röhre anschließend durch
Erhöhen
des Innendrucks ausgedehnt wird. Der Durchmesser der Röhre 31,
nachdem sie ausgedehnt wurde, ist größer als die Breite der Öffnung an
der Oberseite des Wärme
leitenden Blocks; daher löst
sich die Röhre 31 nicht
vom Wärme
leitenden Block 32. Ein Wärme leitender Klebstoff 34,
in den Silberpulver gemischt wurde, wird zwischen die Röhre 31 und
den Wärme
leitenden Block 32 gefüllt,
um die Wärmeleitfähigkeit
aufrechtzuerhalten. Jedes Klebstoffmaterial kann für das Bindemittel 34 verwendet
werden, solange es eine hohe Wärmeleitfähigkeit
hat und bei der hohen Temperatur beständig ist, die beim Ausdehnen
auf die Röhre
angewendet wird.
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Die
Röhre 31 ist
jedoch nicht in der Mitte des Wärme
leitenden Blocks 32, sondern stattdessen zur Vorderseite
der Grundplatte 20 hin angeordnet. Berücksichtigt man die gleichmäßige Wärmeabstrahlung über beide
Seiten der Platte, ist bevorzugt, die Röhre 31 in der Mitte
des Wärme
leitenden Blocks 32 anzuordnen. Wenn jedoch die Röhre zur
Mitte hin angeordnet und derart gestaltet ist, dass sie sich um
die Peripherie dieser gleichen Oberfläche windet, müssen Durchgangslöcher in
der Grundplatte 20 über das
gesamte, von der Röhre 31 gebildete
Muster hergestellt werden. In diesem Fall wird die Oberfläche für elektronische
Komponenten auf der Grundplatte 20 kleiner, und die Grundplatte 20 wird
durch die Röhre 31 in
eine Innenseite und eine Außenseite
geteilt, so dass eine Tangente zur Verbindung der Signale zwischen
den zwei Teilen erforderlich wird. Mit der Schaltplatte 10 des
erfindungsgemäßen Beispiels
wird deshalb die notwendige Kühlkapazität realisiert,
indem die Röhre 31 in
Richtung zur Vorderseite der Grundplatte 20 angeordnet
wird und Durchgangslöcher 21,
wie in 3, nur dort gebildet werden, wo sie nötig sind,
um den Wärme
leitenden Block 32 zu exponieren.
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Eine
an der Unterplatte 40a befestigte Wärme erzeugende Komponente 41a (zum
Beispiel ein Gleichstrom-Gleichstrom-Wandler, Regler, Leistungsverstärker und
dergleichen) wird direkt mit der Oberseite des Wärme leitenden Blocks 32 (Vorderseite
der Grundplatte 20) verbunden. Ein Wärme leitendes Silikonfett 42a wird
auf die verbindenden Oberflächen
aufgebracht, um die Wärmeleitfähigkeit zu
verbessern. Ebenso wird eine an der Unterplatte 40b befestigte
Wärme erzeugende
Komponente 41b direkt mit der Unterseite des Wärme leitenden
Blocks 32 (Rückseite
der Grundplatte 20) verbunden, und ein Wärme leitendes
Fett 42b wird auf die verbindenden Oberfläche aufgebracht.
Die Wärme
leitenden Fette 42a und 42b sind nicht unbedingt
Silikon, und können
ein anderes Fett, beispielsweise ein mit einem Metalloxid oder Kohlenstoffpulver
gemischtes Fett, ein schichtförmiges
Wärme leitendes
Element, wie Metallfolie, ein Kitt und dergleichen, sein.
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Der
Wärme leitende
Block 32 ist so gestaltet, dass er auf der Vorder- und
Rückseite
der Grundplatte 20 bis zur gleichen Höhe aufragt. Deshalb ist der Abstand
zwischen Grundplatte 20 und Unterplatte 40a gleich
dem Abstand zwischen Grundplatte 20 und Unterplatte 40b.
Indem der Wärme
leitende Block 32 und die Unterplatten 40a und 40b derart
geformt werden, dass ihre Oberflächen
symmetrisch zur Grundplatte 20 sind, lässt sich die gleiche Verteilung
von Kühleigenschaften
an der Vorder- und der Rückseite
bereitstellen.
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Die
vorliegende Beschreibung verwendet die Ausdrücke "Vorderseite" und "Rückseite" in Bezug auf die
Grundplatte 20 und "Oberseite" und "Unterseite" in Bezug auf den
Wärme leitenden
Block 32, aber diese Ausdrücke erleichterten nur das Verständnis der
Beschreibung anhand der Zeichnungen, und die Unterscheidung zwischen
vorne und hinten bzw. oben und unten hat keine technische oder strukturelle
Bedeutung im Besonderen. Folglich ist die technische Bedeutung der
vorliegenden Erfindung die gleiche, sogar wenn vorne und hinten
und oben und unten austauschbar verwendet werden. Das technische Konzept
der vorliegenden Erfindung wurde anhand spezifischer Beispiele im
Detail beschrieben; es ist jedoch deutlich, dass die vorliegende
Erfindung verschiedenen Modifikationen und Bearbeitungen durch den
Fachmann auf dem Gebiet der vorliegenden Erfindung unterliegen kann,
ohne von der Substanz oder dem Umfang der Ansprüche abzuweichen.