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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft die Ausgestaltung eines elektrischen Umrichters zum Zuführen von elektrischer Energie zum Beispiel zu einem Motor.
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Beschreibung des Standes der Technik
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Die
JP H06 - 38 546 A beschreibt das Kühlen eines elektrischen Umrichters (siehe insbesondere
1 und Seite 2). In der
JP H06 - 38 546 A wird durch Verändern der Länge eines Kühlkörpers am Umfang und am Innenteil versucht, das Kühlvermögen im Vergleich zu herkömmlichen Kühlkörpern zu verbessern. In einem elektrischen Umrichter entsteht in einer Diodenbrücke sowie in einem Transistormodul und einem IGBT-Modul, den Rückumwandlungselementen, ein Umwandlungsverlust, und es wird Wärme erzeugt. Die aufgrund des Umwandlungsverlustes entstehende Wärme wird am Kühlkörper durch den Luftzug abgeführt, der von einem Lüfter hervorgerufen wird, damit die Halbleiter wie die Dioden und Transistoren nicht thermisch zerstört werden. Im allgemeinen wird gesagt, daß Silizium, der Halbleiter, zerstört wird, wenn die Temperatur des Halbleiters auf 150 °C oder mehr ansteigt, weshalb die Kühlung derart erfolgt, daß die Temperatur gleich oder kleiner 150 °C ist.
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KURZE ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Wie auch im obigen Stand der Technik beschrieben, ist es bei einem elektrischen Umrichter erforderlich, die in den inneren Elementen und dergleichen erzeugte Wärme zu verteilen und abzuführen, wozu verschiedene Ideen und Verfahren vorgeschlagen wurden.
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Bei einem elektrischen Umrichter wird, wie in der 2 gezeigt, die von einer kommerziellen Energiequelle kommende elektrische Energie durch Anschlüsse R, S, T zugeführt und in einer dreiphasigen Dioden-Brückenschaltung 3 in Gleichstrom umgewandelt. Danach wird ein Kondensator 6 als Glättungselement zum Glätten des Gleichstroms verwendet und anschließend daran durch eine Frequenzumwandlung in einer Inverterschaltung 2 mit einem Transistormodul und einem IGBT-Modul als Schaltelementen der Strom zurücktransformiert.
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In dem elektrischen Umrichter entsteht in der Diodenbrücke sowie im Transistormodul und im IGBT-Modul, den Rückumwandlungselementen, ein Umwandlungsverlust, und es wird Wärme erzeugt. Die entstehende Wärme wird an einem Kühlkörper durch den Luftzug abgeführt, der von einem Lüfter hervorgerufen wird, damit die Halbleiter wie die Dioden und Transistoren nicht thermisch zerstört werden.
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Wegen der genannten Wärmeableitung sind die obigen Halbleiterelemente im allgemeinen auf dem Kühlkörper angebracht und werden durch Luft gekühlt.
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Wenn die Kühlung wirkungsvoll erfolgt, ist es möglich, eine Größenverringerung des Produkts in Betracht zu ziehen.
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Im allgemeinen wird die Kühlwirkung durch eine verstärkte Luftkühlung der Kühlrippen des Kühlkörpers durch den Lüfter erhöht.
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Es ist auch möglich, dadurch eine Größenverringerung in Betracht zu ziehen, daß die Anzahl der Kühlrippen (Lamellen) des Kühlkörpers geändert wird oder der Raum verändert wird, durch den die Luft strömt.
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Es ist darüberhinaus möglich, die Kühlung durch Vergrößern der Oberfläche des Kühlkörpers und Erhöhen der Anzahl der Kühlrippen des Kühlkörpers zu fördern.
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Wie angegeben wurde allgemein versucht, die Kühlwirkung durch Modifizieren des Kühlkörpers zu erhöhen. Da die Größe und die Leistungsfähigkeit eines Produkts davon betroffen sein kann, kommen diese in Betracht, wenn der elektrische Umrichter kommerziell vertrieben wird.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Kühlwirkung zu erhöhen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß auf die folgende Weise gelöst.
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Bei einem Kühlkörper für einen elektrischen Umrichter wird, damit eine große Luftmenge um den Verbindungsabschnitt einer Basisfläche mit den Kühlrippen des Kühlkörpers am Verbindungsabschnitt strömt, in dem die Kühlwirkung groß ist, an der Seite, von der die Luft oder Atmosphäre in den Kühlkörper strömt, ein Begrenzungselement zum Begrenzen des Luft- oder Atmosphärenstroms an dem der Basisfläche gegenüberliegenden Spitzenabschnitt der Kühlrippen vorgesehen.
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Durch das Vorsehen dieses Begrenzungselements strömt die in den Kühlkörper fließende Luft oder Atmosphäre in der Nähe der Basisfläche zu den Kühlrippen.
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Außerdem wird durch das Vorsehen des Begrenzungselements die Fläche des Bereichs, durch den Luft oder Atmosphäre in den Kühlkörper strömt, ebenfalls begrenzt, so daß die Geschwindigkeit der strömenden Luft oder Atmosphäre groß wird. Durch diese Auswirkungen und dergleichen steigt die Kühlwirkung des Kühlkörpers im Vergleich zum Stand der Technik an.
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Das Begrenzungselement kann senkrecht zur Basisfläche liegen. Durch Neigen des Begrenzungselements kann jedoch eine größere Luft- oder Atmosphärenmenge zur Basisfläche fließen oder darauf gerichtet werden.
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Zusätzlich zu dem beschriebenen Begrenzungselement kann auf der Seite der Basisfläche und der Seite, von der Luft oder Atmosphäre in den Kühlkörper fließt, ein zweites Begrenzungselement vorgesehen werden.
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Der oben beschriebene Aufbau ermöglicht eine Abnahme der Temperatur der Halbleiterelemente und dergleichen, wozu nicht notwendigerweise ein besonderer Kühlkörper oder ein besonderer Lüfter erforderlich ist. Auf diese Weise ist zu erwarten, daß eine Vereinfachung und Größenverringerung des Kühlkörpers für zum Beispiel einen elektrischen Umrichter möglich wird.
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Erfindungsgemäß ist es somit möglich, einen elektrischen Umrichter zu schaffen, der im Vergleich zum Stand der Technik zuverlässiger ist.
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Weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung gehen aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsformen der Erfindung in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen hervor.
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Figurenliste
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- 1 ist eine Ansicht des Aufbaus einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
- 2 das elektrische Schaltbild für einen elektrischen Umrichter;
- 3 eine Aufsicht auf die praktische Anordnung bei dem elektrischen Umrichter der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
- 4 zeigt ein Simulationsergebnis für die Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
- 5 ist eine Ansicht des Aufbaus der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
- 6 zeigt ein Simulationsergebnis für die Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
- 7 eine andere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
- 8 eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
- 9 eine wiederum andere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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GENAUE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Im folgenden wird der erfindungsgemäße Kühlaufbau mit Bezug zu den in der Zeichnung gezeigten Ausführungsformen näher beschrieben.
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Die 1 zeigt eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen elektrischen Umrichters. In dieser Abbildung bezeichnet das Bezugszeichen 1 einen Kühlkörper, das Bezugszeichen 2 ein IGBT-Modul, das Bezugszeichen 3 ein Diodenmodul und das Bezugszeichen 4 eine Begrenzungsplatte zum Begrenzen des Luftstroms zum Kühlkörper. Die Begrenzungsplatte 4 wird durch Umbiegen der Unterseite einer Platte ausgebildet, die den unteren Teil (den der Basisfläche gegenüberliegenden Teil) des Kühlkörpers bedeckt.
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Die 3 zeigt die praktische Anordnung der Hauptschaltungsteile des elektrischen Umrichters. Das Bezugszeichen 5 bezeichnet einen Stoßstrom-Schutzwiderstand, das Bezugszeichen 6 einen Glättungskondensator und das Bezugszeichen 7 einen Lüfter.
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Der im IGBT-Modul 2 und dem Diodenmodul 3 erzeugte Verlust wird thermisch zum Kühlkörper 1 geleitet. Der Kühlrippenteil des Kühlkörpers 1 ist so aufgebaut, daß zum Zwecke einer Zwangsluftkühlung vom Lüfter 7 Luft herausgesogen wird. Im Ergebnis wird die im IGBT-Modul 2 und im Diodenmodul 3 erzeugte Wärme hier an die umgebende Atmosphärenluft abgegeben.
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Es ist allgemein bekannt, daß der Kühlkörper 1 auf der Rückseite der Basisfläche 1a und den Teilen der Kühlrippen 1b in der Nähe der Basisfläche 1a eine hohe Wirksamkeit aufweist, und daß die Wirksamkeit zur Spitze der Kühlrippen 1b hin (auf der der Basisfläche 1a gegenüberliegenden Seite) abnimmt.
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Wenn der Kühlkörper 1 als Strömungsrohr betrachtet wird, ist außerdem die Masse des durch die Querschnittsfläche S des Strömungsrohrs pro Zeiteinheit strömenden Fluids immer die gleiche, wenn das Strömungsrohr keinen Abschnitt aufweist, aus dem Luft entweicht oder in dem Luft eingesogen wird. Der folgende numerische Ausdruck 1 ist allgemein als Kontinuitätsgleichung bekannt.
wobei v die Geschwindigkeit des Fluids und ρ die Dichte des Fluids ist.
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Aus dem numerischen Ausdruck 1 läßt sich der numerische Ausdruck 2 wie folgt ableiten:
wobei v1 die Geschwindigkeit des Fluids durch die Querschnittfläche S1 und v2 die Geschwindigkeit des Fluids durch die Querschnittfläche S2 ist.
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Der numerische Ausdruck 2 zeigt, daß die Fluidgeschwindigkeit v2 zunimmt, wenn die Querschnittfläche S2 abnimmt.
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Entsprechend nimmt mit dem Vorsehen der Begrenzungsplatte 4 zum Begrenzen des Luftstroms zum Lüfter 7 im Spitzenbereich der Kühlrippen 1b die Durchflußfläche am Einlaß in den Kühlrippenspitzenbereich ab, in dem die Kühlwirkung gering ist, so daß die im obigen numerischen Ausdruck 2 dem S2 entsprechende Querschnittfläche kleiner wird.
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An der Basisfläche 1a und im Bereich der Kühlrippen 1b in der Nähe der Basisfläche 1a, der nicht durch die Begrenzungsplatte 4 eingeschränkt wird und der eine hohe Kühlkörperwirksamkeit hat, steigt dafür die Luftgeschwindigkeit an. Durch das Anheben der Luftmenge, die pro Zeiteinheit durch diese Bereiche strömt, kann die Kühlung im Vergleich zum Stand der Technik verbessert werden.
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In Verbindung mit der oben beschriebenen Ausführungsform zeigt die 4 das Analyseergebnis, das im Falle des Vorsehens der Begrenzungsplatte 4 durch eine Simulation der Luftströmung, der Luftgeschwindigkeit und dergleichen erhalten wird. Aus der 4 ist ersichtlich, daß die Luftgeschwindigkeit im Kühlrippenbereich in der Nähe der Basisfläche 1a des Kühlkörpers 1 durch das Vorsehen der Begrenzungsplatte 4 hoch wird.
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In der 4 geben Pfeile den Luftstrom an, wobei die Richtung der Pfeile die Richtung des Luftstroms und die Länge der Pfeile die Geschwindigkeit der Luft bezeichnen. Ein längerer Pfeil bezeichnet daher eine höhere Geschwindigkeit der Luft.
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Durch das Vorsehen der Begrenzungsplatte 4 tritt in der 4 in den umkreisten Teilen, die mit A, B und C bezeichnet sind, eine Änderung des Luftstroms auf.
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Im umkreisten Teil A wird zuerst einmal der Luftstrom von rechts im Bereich längs der Basisfläche 1a des Kühlkörpers 1 schnell. Dies wird durch das Ergebnis bestätigt, daß die Pfeile in der Simulation der 4 länger sind als jene bei einer Simulation für den Fall, daß die Begrenzungsplatte 4 nicht vorgesehen ist (nicht gezeigt).
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Es ist ersichtlich, daß die Kühlwirkung durch den Luftstrom in der Abbildung von rechts zum Lüfter auf der linken Seite im umkreisten Teil A und damit im Bereich längs der Basisfläche 1a des Kühlkörpers 1 im Vergleich zum Stand der Technik besser wird.
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Auch im umkreisten Teil B wird der Luftstrom von rechts schnell. Dies wird wie für den umkreisten Teil A durch die Tatsache bestätigt, daß die Pfeile länger sind als jene bei der Simulation für den Fall, daß die Begrenzungsplatte 4 nicht vorgesehen ist.
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Es ist ersichtlich, daß durch den Luftstrom in der Abbildung von rechts zum Lüfter auf der linken Seite im umkreisten Teil B die Kühlwirkung im mittleren Bereich des Kühlkörpers 1 im Vergleich zum Stand der Technik besser wird.
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Andererseits ändert sich im umkreisten Teil C die Luftrichtung auf unregelmäßige Weise, statt daß die Luft in der Abbildung von rechts zum Lüfter auf der linken Seite strömt. Die Kühlwirkung ist daher hier offensichtlich geringer als in dem umkreisten Teilen A und B.
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Es hat sich bei einer Simulation tatsächlich herausgestellt, daß der Beitrag des umkreisten Teils C zur Kühlung der Kühlrippe 1 geringer ist als der Beitrag der umkreisten Teile A und B, auch wenn die Begrenzungsplatte 4 nicht vorgesehen ist. Es wird daher angenommen, daß der Einfluß durch das Vorsehen der Begrenzungsplatte 4 gering ist. Die 6 zeigt das Ergebnis, das bei einer Simulation des Temperaturanstiegs des Kühlkörpers 1 erhalten wird, wenn die Höhe h der Begrenzungsplatte 4 in der 5 verändert wird. In der 5 bezeichnet das Bezugszeichen H den Abstand der Stelle, an der eine Kühlrippe an der Basisfläche 1a des Kühlkörpers 1 beginnt, zur Spitze der Kühlrippe. Der Parameter auf der horizontalen Achse der 6 ist das Verhältnis der Höhe h der Begrenzungsplatte 4 zum Abstand H.
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Wie aus der 6 zu ersehen ist, wird bei der Simulation festgestellt, daß sich mit zunehmender Höhe h der Begrenzungsplatte 4 bezüglich der Höhe H der Kühlrippen der Temperaturanstieg entsprechend verringert.
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Aus der 6 ist ersichtlich, daß der Effekt der Verringerung des Temperaturanstiegs am größten ist, wenn h/H etwa 80% beträgt.
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Aus dem Ergebnis der 6 ist zu erwarten, daß der Effekt in Erscheinung tritt und größer wird, bis die Höhe h 80% der Höhe H der Kühlrippe erreicht.
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Auch wenn bei 80% in der 6 eine große Kühlwirkung erhalten wird, ist denkbar, daß das Verhältnis unter Berücksichtig von Ablagerungen und dem Verstopfen durch Fremdstoffe am Kühlkörper usw. kleiner als 80% gemacht wird. Es ist zu erwarten, daß ein Verhältnis kleiner als 80% vorzuziehen ist, auch unter dem Gesichtspunkt einer Verringerung des Erzeugens und des Ausmaßes der Luftgeräusche, wenn die Luft oder Atmosphäre an der Ansaugseite (der dem Lüfter gegenüberliegenden Seite) des Kühlkörpers 1 angesaugt wird.
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Wie bereits in Verbindung mit dem umkreisten Teil C der 4 beschrieben ist und damit wiederholt wird, wird bei der Simulation und der tatsächlichen Bestätigung auf der Basis der Simulation festgestellt, daß der begrenzende Abschnitt wenig zur Kühlung des Kühlkörpers beiträgt, wenn die Höhe h der Begrenzungsplatte 4 etwa 30% beträgt. Es wird daher erwartet, daß die Probleme hinsichtlich des Einflusses auf die Kühlwirkung des ganzen Kühlkörpers und dergleichen klein sind, wenn die Höhe h der Begrenzungsplatte 4 im Bereich von 30% festgelegt und ausgeführt wird, da der oben beschriebene Anteil im Bereich von 30% nur einen kleinen Beitrag zur Kühlung liefert.
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Außerdem kann festgestellt werden, daß eine Ausführung im Bereich von 30% bis 60% unter Berücksichtigung der oben beschriebenen Ablagerungen und dem Verstopfen durch Fremde stoffe am Kühlkörper usw. vorzuziehen ist. In diesem Bereich läßt sich auch die Erzeugung und das Ausmaß der Luftgeräusche beim Einsaugen von Luft oder Atmosphäre auf der Ansaugseite des Kühlkörpers 1 auf ein unbedeutendes Maß reduzieren.
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Es wurde mit einem tatsächlichen Prototyp auch bestätigt, daß im Vergleich zum Stand der Technik mit etwa 35% eine gute Kühlwirkung erhalten werden kann, wobei die Luftgeräusche beim Ansaugen unbedeutend sind.
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Die 7 zeigt eine andere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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In der 7 ist die Begrenzungsplatte 4 auf eine schräge Weise vorgesehen. Die Ausgestaltung der 7 zielt darauf ab, den Luftstrom zum Kühlrippenabschnitt in der Nähe der Basisfläche 1a des Kühlkörpers 1 zu richten, um die Luftgeschwindigkeit weiter zu erhöhen.
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Die 8 zeigt eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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In der 8 ist auch auf der Seite der Basisfläche 1a des Kühlkörpers 1 eine Begrenzungsplatte 8 zum Begrenzen des Luftstroms vorgesehen.
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Das Vorsehen der Begrenzungsplatte 8 zielt darauf ab, eine Änderung im Luftstrom zu erreichen, um die Kühlwirkung an den Kühlrippen in der Nähe der Basisfläche 1a des Kühlkörpers 1 zu verbessern. Mit einer Änderung des Luftstroms ist ein turbulenter Fluß gemeint, bei dem sich kleine Teile des Fluids unregelmäßig mischen und Turbulenzen, unregelmäßige Flüsse und dergleichen enthalten.
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Die obige Begrenzungsplatte 4 kann dadurch vorgesehen werden, daß ein Teil des Gehäuses umgebogen wird, das den Kühlkörper 1 und dergleichen trägt. Auf diese Weise kann der zusätzliche Schritt des Anbringens der Begrenzungsplatte 4 und dergleichen entfallen, und es ist auch möglich, eine Verringerung der Anzahl der Teile zu erreichen.
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Die 9 zeigt eine Ausführungsform, bei der die Begrenzungsplatte 4 durch Umbiegen erhalten wird. Ein Abschnitt in der Mitte der Begrenzungsplatte 4 ist nicht umgebogen, damit die Festigkeit des Gehäuses bis zu einem gewissen Grad erhalten bleibt. Auch wenn die Begrenzungsplatte 4 in dem Abschnitt, der nicht umgebogen wurde, nicht vorhanden ist, wird angenommen, daß es dadurch kein Problem gibt, da der Einfluß davon auf die Kühlwirkung gering sein dürfte.
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Die Ausführungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung sind nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsformen beschränkt, diese können auch geeignet modifiziert werden. Zum Beispiel kann statt dem Vorsehen der Begrenzungsplatte 4 auf eine gebogene Weise wie in der 9 die Begrenzungsplatte 4 derart vorgesehen werden, daß sie von einem Gehäuseteil getragen wird.
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Dem Fachmann ist des weiteren klar, daß, auch wenn die obige Beschreibung anhand von Ausführungsformen der Erfindung erfolgt ist, die Erfindung darauf nicht beschränkt ist und verschiedenen Abänderungen und Modifikationen erfolgen können, ohne den Umfang der Erfindung und der folgenden Patentansprüche zu verlassen.
