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Die Erfindung betrifft eine Kühlvorrichtung zum Kühlen eines elektronischen Bauteils und ein Elektronikmodul.
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Es sind Kühlvorrichtungen zum Kühlen elektronischer Bauteile bekannt, welche einen piezoelektrischen Biegewandler mit einem piezoelektrischen Biegeelement aufweisen. Diese Biegeelemente werden durch Anlegen einer sinusförmigen elektrischen Spannung im Frequenzbereich des hörbaren Schalls beziehungsweise des Infraschalls (ca. 10 Hz bis 1 KHz) zu Biegeschwingungen angeregt, wobei die Frequenz der Biegeschwingungen in der Regel der niedrigsten Biegemode des Biegeelements entspricht. Insbesondere bei Biegeelementen in Form von Biegebalken wird infolge der periodischen Bewegung des Biegeelement eine gleichmäßige Luftströmung, etwa in Richtung der Längserstreckung des Biegebalkens, erzeugt. Diese Luftströmung lässt sich bei Kühlkörpern in Kühlvorrichtungen von Elektronikmodulen dazu einsetzen, um durch Anströmung von Kühlrippen die Kühlleistung der Kühlkörper zu erhöhen. Im Vergleich zu rein passiven Maßnahmen zur Kühlung kann mittels piezoelektrischer Biegewandler eine Verringerung des Bauvolumens von Elektronikmodulen sowie eine Verbesserung der Energiebilanz, etwa durch die Verbesserung der regelmäßig stark temperaturabhängigen Effizienz von Halbleiterbauteilen, erreicht werden.
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Bei mit Lüftern betriebenen Elektronikmodulen werden Verbesserungen bislang durch Optimierung der thermischen oder strömungsdynamischen Ausgestaltung des Elektronikmoduls erreicht. Jedoch sind herkömmliche Lüfter in ihrer Lebensdauer begrenzt und erreichen beispielsweise nicht die Lebensdauern von Elektronikbauteilen wie beispielsweise LED-Leuchten hoher Leistung (regelmäßig mindestens 30.000 Stunden). Ferner ist bei Elektronikmodulen häufig eine Kühlung durch Lüfter, welche typisch eine störende Lärmemission bedingen, nicht zweckmäßig. Alternative Lösungen hingegen erreichen noch nicht die geforderte Kühleffizienz.
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Kühlvorrichtung zum Kühlen eines elektronischen Bauteils anzugeben, welche mit hinreichender Kühleffizienz und geringer Geräuschentwicklung betrieben werden kann. Ferner ist es Aufgabe der Erfindung, ein Elektronikmodul anzugeben, bei welchem eine Kühlung eines elektronischen Bauteils dieses Elektronikmoduls verbessert möglich ist.
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Diese Aufgabe wird mit einer Kühlvorrichtung zum Kühlen eines elektronischen Bauteils mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen sowie mit einem Elektronikmodul mit den in Anspruch 16 angegebenen Merkmalen gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den zugehörigen Unteransprüchen, der nachfolgenden Beschreibung und der Zeichnung angegeben.
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Die erfindungsgemäße Kühlvorrichtung zum Kühlen eines elektronischen Bauteils umfasst einen am elektronischen Bauteil thermisch anbindbaren Kühlkörper, einen Biegewandler mit einem piezoelektrischen Biegeelement sowie einen Strömungspfad, welcher zumindest teilweise vom Kühlkörper begrenzt ist. Der Strömungspfad ist mit der von dem Biegeelement erregbaren Strömung beströmbar. In dem Strömungspfad ist mindestens ein Strömungskörper befindlich.
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Bei der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung kann der zumindest eine im Strömungspfad vorgesehene Strömungskörper die Ausbildung von Luftwirbeln im Bereich des Strömungspfades wirksam verhindern. Auf diese Weise wird eine Strömung im Strömungspfad deutlich verstärkt.
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Folglich ist durch die verbesserte Durchströmung des zumindest teilweise vom Kühlkörper begrenzten Strömungspfades ein luftströmungsbasierter Wärmetransport vom Kühlkörper fort deutlich verbessert. Somit ist die Kühlleistung der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung deutlich erhöht.
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Vorteilhafterweise ist bei der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung das Biegeelement ein Biegebalken.
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Zweckmäßig umfasst die erfindungsgemäße Kühlvorrichtung eine Einspannung, in welcher das Biegeelement zumindest teilweise eingespannt ist. Dabei ist der zumindest eine Strömungskörper einem maximal auslenkbaren Teil des Biegeelements näher als der Einspannung angeordnet. Insbesondere ist der zumindest eine Strömungskörper stromabwärts des maximal auslenkbaren Teils des Biegeelements angeordnet. Gerade im Bereich des maximal auslenkbaren Teils des Biegeelements allein lässt sich mittels dort angeordneter Strömungskörper bereits eine effiziente Beeinflussung der lokalen Strömungsrichtungen der vom Biegeelement angefachten Luftströmung und damit eine erhebliche Verbesserung der Kühlleistung erreichen. Die Ausbildung von Wirbeln ist wirksam unterdrückt. Eine vollständige Umgebung des Biegeelements mit Strömungskörpern ist für eine effiziente Strömungserregung nicht erforderlich.
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Bevorzugt weist bei der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung das Biegeelement ein freies Ende auf und bildet das freie Ende den maximal auslenkbaren Teil. Gerade bei einem freien Ende eines Biegeelements besteht eine starke Tendenz zur Ausbildung von Luftwirbeln, welcher mit dem freien Ende nahen Strömungskörpern wirksam begegnet werden kann.
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Vorteilhaft ist bei der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung in sämtlichen möglichen, insbesondere in zwei entgegen gesetzten Auslenkungsrichtungen jeweils mindestens ein Strömungskörper vorgesehen.
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Unter einer Auslenkrichtung im Sinne dieser Erfindung ist diejenige Raumrichtung zu verstehen, in welche sich ein maximal auslenkbarer Teil des Biegelements, insbesondere das freie Ende eines einseitig eingespannten Biegebalkens, aus seiner nicht ausgelenkten Lage heraus auszulenken beginnt. Insbesondere verläuft bei einem sich im nicht ausgelenkten Zustand mit seiner Längserstreckung entlang einer Längsrichtung erstreckenden Biegebalken die Auslenkrichtung senkrecht zur Längsrichtung. Im Sinne dieser Erfindung wird Auslenkungsrichtung nicht notwendigerweise als vorzeichenbehaftete Größe betrachtet. Beispielsweise steht die Auslenkungsrichtung bei einem einseitig eingespannten und lang und flächig ausgebildeten Biegewandler regelmäßig senkrecht auf den Flachseiten des Biegewandlers. Dabei bewegt sich das freie Ende des Biegebalkens periodisch in zwei entgegengesetzte Richtungen entlang einer Achse, welche senkrecht auf den Flachseiten steht. Im Sinne dieser Erfindung wird jede dieser einander entgegengesetzten Richtungen als Auslenkrichtung verstanden.
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Geeigneterweise ist bei der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung der zumindest eine Strömungskörper oder zumindest einer oder mehrere der Strömungskörper in einer zu einer lokalen Biegeachse eines dem Strömungskörper jeweils nahen Bereichs, insbesondere eines dem Strömungskörper nächsten Punkts, des Biegeelements senkrechten Ebene vollumfänglich umströmbar. Alternativ und ebenfalls zweckmäßig ragt ein Strömungskörper aus einer Begrenzung des Strömungspfades in den Strömungspfad ein.
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Besonders bevorzugt weist bei der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung der zumindest eine Strömungskörper oder zumindest einer der Strömungskörper einen Zylinder auf oder ist als Zylinder ausgebildet.
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Unter einem Zylinder im Sinne dieser Erfindung ist stets ein allgemeiner Zylinder zu verstehen, das heißt der Zylinder ist zweckmäßigerweise, aber nicht notwendigerweise, ein Kreiszylinder.
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Vorteilhaft ist bei der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung eine Zylinderachse des Strömungskörpers parallel oder nahezu parallel zur Biegeachse des Biegebalkens angeordnet. Unter einer nahezu parallel angeordneten Zylinderachse ist im Sinne dieser Erfindung eine solche Zylinderachse zu verstehen, welche in ihrer Ausrichtung von derjenigen der lokalen Biegeachse des Biegeelements um höchste 20 Winkelgrade, insbesondere um höchstens 5 Winkelgrade, abweicht.
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In einer bevorzugten Weiterbildung der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung weist der Strömungskörper eine rechteckige Querschnittsfläche, insbesondere eine rechteckige Zylindergrundfläche, auf.
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Alternativ und ebenfalls vorteilhaft weist der Strömungskörper eine dreieckige Querschnittsfläche, insbesondere eine dreieckige Zylindergrundfläche, auf, wobei die Spitze der Querschnittsfläche vorzugsweise in einer Richtung senkrecht zur Auslenkrichtung und senkrecht zur lokalen Biegeachse und insbesondere in Richtung auf die Einspannung weist.
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Alternativ zu den beiden vorgenannten Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung weist der Strömungskörper eine kreisförmige Querschnittsfläche, insbesondere eine kreisförmige Zylindergrundfläche, auf.
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Idealerweise weist bei der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung der zumindest eine Strömungskörper eine sich in Richtung senkrecht zur Auslenkrichtung und senkrecht zur lokalen Biegeachse, insbesondere in Richtung auf die Einspannung hin, verjüngende Querschnittsfläche auf, insbesondere eine sich verjüngende Zylindergrundfläche. Bei der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung ist in einer vorteilhaften Weiterbildung das Biegeelement ein Biegebalken und der zumindest eine Strömungskörper weist in Richtung der Biegeachse des Biegebalkens größere Abmessung auf, als der Biegebalken oder kleiner Abmessungen als der Biegebalken oder identische Abmessungen verglichen mit den Abmessungen des Biegebalkens.
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Bei der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung sind Kühlkörper und Strömungskörper zweckmäßig über eine Rastverbindung, insbesondere mittels Rastnasen, verbindbar.
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Bevorzugt ist bei der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung der Strömungskörper und/oder der Kühlkörper, insbesondere als einstückig ausgebildeter Strömungskörper-Kühlkörperverbund, als Gussteil oder Spritzgussteil, insbesondere mit faserverstärktem Kunststoff und/oder Metall gebildet.
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Das erfindungsgemäße Elektronikmodul weist ein elektronisches Bauteil sowie eine Kühlvorrichtung wie zuvor beschrieben auf, welche zur Kühlung des Leistungsbauteils ausgebildet und angeordnet ist.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:
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1 ein bekanntes Elektronikmodul mit einer bekannten Kühlvorrichtung mit einem piezoelektrischen Biegebalken schematisch in einer Prinzipskizze,
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2 einen Biegebalken der Kühlvorrichtung des Elektronikmoduls gem. 1 schematisch in einer Draufsicht,
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3 einen Biegebalken einer erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung eines erfindungsgemäßen Elektronikmoduls in einer Anordnung mit zwei Strömungskörpern schematisch in einer Draufsicht,
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4 den Biegebalken gem. 3 schematisch in einer Draufsicht,
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5 einen Biegebalken eines weiteren Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung des erfindungsgemäßen Elektronikmoduls in einer Anordnung mit zwei Strömungskörpern schematisch in einer Draufsicht,
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6 einen Biegebalken eines weiteren Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung des erfindungsgemäßen Elektronikmoduls in einer Anordnung mit zwei Strömungskörpern schematisch in einer Draufsicht,
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7 einen Biegebalken eines weiteren Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung des erfindungsgemäßen Elektronikmoduls in einer Anordnung mit zwei Strömungskörpern schematisch in einer Draufsicht,
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8 einen Biegebalken eines weiteren Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung des erfindungsgemäßen Elektronikmoduls in einer Anordnung mit zwei Strömungskörpern schematisch in einer Draufsicht und
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9 einen Kühlkörper der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung des erfindungsgemäßen Elektronikmoduls in einer Anordnung mit Biegebalken und zwei Strömungskörpern gem. 5 schematisch im Querschnitt.
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Das in 1 dargestellte bekannte Elektronikmodul 1 weist ein elektronisches Bauteil 2, im dargestellten Ausführungsbeispiel ein LED-Bauteil, auf (in nicht eigens dargestellten Ausführungsbeispielen kann auch ein sonstiges elektronisches Bauteil, etwa ein Leistungsbauteil, vorhanden sein). Das Elektronikmodul umfasst ferner eine Kühlvorrichtung 3. Die Kühlvorrichtung 3 weist einen Kühlkörper 4 auf, welcher im dargestellten Ausführungsbeispiel durch direkten thermischen und räumlichen Kontakt an das elektronische Bauteil 2 angebunden ist.
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Der Kühlkörper 4 begrenzt einen Teil eines Strömungspfads (symbolisiert durch Pfeile S, welche zugleich die Strömungsrichtung durch den Strömungspfad kennzeichnen), welcher mit Umgebungsluft beströmbar ist.
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Die Luftströmung durch den Strömungspfad wird durch einen piezoelektrischen Biegebalken 5 angefacht, welcher zusammenwirkend mit einer elektrischen Beschaltung (nicht explizit dargestellt) zur Auslenkung des Biegebalkens 5 einen piezoelektrischen Biegewandler bildet. Der Biegewandler ist dabei zur Auslenkung mit einer Frequenz im Bereich des hörbaren Schalls oder des Infraschalls ausgebildet.
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Der detaillierter in 2 dargestellte Biegebalken 5 ist an einem Längsende 10 in einer Einspannung (nicht explizit gezeigt) eingespannt. Von dieser Einspannung streckt sich der Biegebalken 5 in seiner Ruhelage, d.h. in seinem nicht ausgelenkten Zustand, in einer Längsrichtung L fort. Das außerhalb der Einspannung befindliche Längsende des Biegebalkens 5 bildet ein freies Ende F, welches gegenüber seinem in der Einspannung feststehenden Längsende 10 in einer Auslenkrichtung A biegfähig ist. Damit „wedelt“ das freie Ende F im Betrieb der Kühlvorrichtung 3 Luft in der mittels der Pfeile S symbolisierten Richtung durch den Strömungspfad.
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Das erfindungsgemäße Elektronikmodul ist aufgebaut wie das bekannte Elektronikmodul 1 wie oben beschrieben. Abweichend vom bekannten Elektronikmodul 1 sind im Strömungspfad der Kühlvorrichtung jedoch zusätzlich Strömungskörper vorhanden, wie anhand der 3 bis 8 beschrieben.
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Wie in 3 und 4 dargestellt sind beim erfindungsgemäßen Elektronikmodul stromabwärts des Biegebalkens 5 zwei Strömungskörper 40 vorhanden. Die Strömungskörper 40 sind von der Längsmittelachse des Biegebalkens 5 in Ruhelage um geringfügig mehr als die maximale im Betrieb des Biegebalkens 5 auftretende Auslenkung in Auslenkrichtung A beabstandet und beiderseits der Längsmittelachse des Biegebalkens 5 zueinander spiegelsymmetrisch bezüglich der Längsmittelachse des Biegebalkens 5 in Ruhelage angeordnet.
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Die in 3 und 4 dargestellten Strömungskörper 40 weisen, wie auch die in den 5 bis 8 dargestellten Strömungskörper, die Gestalt gerader Zylinder (nicht zwangsläufig Kreiszylinder) auf. Dabei verläuft die Zylinderachse der in 3 bis 8 dargestellten Strömungskörper parallel zur Biegeachse des Biegebalkens 5, also senkrecht zur Zeichenebene.
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In der Zeichenebene liegenden Richtungen sind die Strömungskörper 40 dabei freistehend, d.h., die Strömungskörper 40 sind in Richtungen der Zeichenebene, also senkrecht zur Biegeachse des Biegebalkens 5 vollumfänglich umströmbar.
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Bei den in 3 und 4 gezeigten Strömungskörpern 40 ist die Zylindergrundfläche der Strömungskörper 40 rechteckig.
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Bei den in 5 gezeigten Strömungskörpern 50 hingegen ist die Zylindergrundfläche der Strömungskörper 50 kreisrund. Diese Strömungskörper weisen folglich ein besonders aerodynamisches Profil auf. Aerodynamische Profile weisen auch Strömungskörper 60 (6) mit dreieckiger Zylindergrundfläche auf, bei welchen eine Spitze der dreieckigen Zylindergrundfläche in Längsrichtung L auf die Einspannung zu weist. In dieser Weiterbildung verjüngt sich die Querschnittsfläche in Längsrichtung L auf die Einspannung des Biegebalkens 5 zu. Eine sich in Längsrichtung auf die Einspannung des Biegebalkens 5 zu verjüngende Querschnittsfläche weisen auch die Strömungskörper 70 (7) auf, welche eine sich in Längsrichtung L auf die Einspannung des Biegebalkens 5 hin verjüngende tropfenförmige Zylindergrundfläche aufweisen. Wie in 8 gezeigt kann die Zylindergrundfläche der Strömungskörper 80 auch L-förmig, etwa mit einem in Längsrichtung auf die Einspannung zu weisenden Schenkel, ausgebildet sein, wobei die jeweils verbleibenden Schenkel der Strömungskörper 80 einander zu weisen. Dabei müssen, wie in 6 und 7 beispielhaft vermittels gestrichelter Linien gezeigt, sich diejenigen Richtungen, in welche sich die Zylindergrundfläche der Strömungskörper 60, 70 jeweils verjüngt, nicht notwendigerweise exakt in Längsrichtung L erstrecken. Beispielsweise sind auch Ausrichtungen mit kleinerem Strömungswiderstand der Strömungskörper denkbar und können, beispielsweise auch um bis zu 30 Winkelgrade, von dieser Längsrichtung abweichen.
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In den gezeigten Ausführungsbeispielen weisen die Strömungskörper 40, 50, 60, 70, 80 in Richtung der Biegeachse des Biegebalkens 5, also senkrecht zur Zeichenebene, identische Abmessungen auf wie der Biegebalken 5. In nicht eigens dargestellten Ausführungsbeispielen, welche im Übrigen den gezeigten entsprechen, weisen die Strömungskörper größere oder kleinere Abmessungen verglichen mit dem Biegebalken 5 in Richtung der Biegeachse auf.
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Bei der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung sind die Strömungskörper 40, 50, 60, 70, 80 über Rastverbindungen mit Rastnasen mit dem Kühlkörper verbunden (in nicht gesondert dargestellten Ausführungsbeispielen können die Strömungskörper auch auf andere Weise mit dem Kühlkörper verbunden sein). Beispielsweise weist der Kühlkörper Rippen 100 in Längsrichtung L auf, wobei wie in 9 dargestellt, auch mehrere Biegebalken 5 zwischen den Rippen 100 vorhanden sein können. Die Rippen 100 sind in Strömungsrichtung mit einem sich flach und senkrecht zu den Rippen 100 und zur Strömungsrichtung entlangstreckenden Deckel 110 abgedeckt, welchen die Strömungspfade durch Strömungsöffnungen 120 durchsetzen. Die Strömungskörper 50 sind mittels Stegen an den Deckel 110 angebunden.
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Der Deckel 110 mit den Strömungskörpern 50 weist Rastnasen 130 auf, welche in mit den Rastnasen 130 korrespondierenden Ausnehmungen der Rippen einrasten können. Auf diese Weise ist der Deckel 110 mit den Strömungskörpern 50 mit den Rippen 100 des Kühlkörpers verbunden.
