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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Elektronikanordnung.
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Bekannt sind Elektronikanordnungen mit leistungselektronischen Bauteilen, beispielsweise für Wechselrichter. Um elektromagnetische Strahlenquellen einzudämmen und Komponenten solcher Elektronikanordnungen vor der elektromagnetischen Strahlung zu schützen, werden diese beispielsweise gefiltert oder geschirmt. Dies erfolgt in Leitern beispielsweise mittels einer Schirmleitung. In elektronischen Schaltungen können außerdem Kondensatoren verwendet werden. Bei leistungsstarken elektronischen Anordnungen ist außerdem die Verwendung von Kühlern bekannt, um elektronische Bauteile zu kühlen. Beispielsweise werden Kühler verwendet, die von einem Kühlmedium durchströmt werden. Derartige Kühler sind häufig aus Metall gebildet. Insbesondere bei Schaltvorgängen der am Kühler montierten elektronischen Bauteile können unterschiedliche elektrische Potenziale zwischen Kühler und beispielsweise einem Gehäuse entstehen.
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Offenbarung der Erfindung
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Die erfindungsgemäße Elektronikanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 zeichnet sich dadurch aus, dass diese mit einer optimalen elektromagnetischen Verträglichkeit bei gleichzeitig optimaler Kühlung bereitgestellt werden kann. Insbesondere können dabei Störspannungen und/oder kapazitive Kopplungen bei einer mit einem Kühler versehenen Elektronikanordnung besonders zuverlässig vermieden werden. Dies wird erfindungsgemäß erreicht durch eine Elektronikanordnung, umfassend ein elektronisches Bauteil, einen Kühler, welcher eingerichtet ist zum Kühlen des elektronischen Bauteils, ein Gehäuse, und ein Kontaktelement. Der Kühler ist vorzugsweise als Flüssigkeitskühler ausgebildet, und wird insbesondere von einer Kühlflüssigkeit durchströmt, um dadurch besonders effizient Wärme von dem elektronischen Bauteil abführen zu können. Das elektronische Bauteil und der Kühler sind dabei innerhalb des Gehäuses angeordnet. Beispielsweise kann das Gehäuse aus Metall gebildet sein, um das elektronische Bauteil gegen von außen kommender elektromagnetischer Strahlung abzuschirmen. Der Kühler weist zumindest einen Kühlmittelanschluss auf, welcher durch eine Durchgangsöffnung des Gehäuses hindurchragt. Beispielsweise kann der Kühlmittelanschluss einstückig mit dem Kühler ausgebildet sein, oder alternativ als separates Bauteil ausgebildet sein, welches mit dem Kühler verbunden ist. Mittels des Kühlmittelanschlusses kann beispielsweise ein Kühlraum innerhalb des Kühlers, durch welchen die Kühlflüssigkeit strömen kann, mit der Kühlflüssigkeit versorgt werden. Der Kühlmittelanschluss bildet dabei eine Möglichkeit zur Zuführung und/oder Abführung der Kühlflüssigkeit von bzw. nach außerhalb des Gehäuses. Das Kontaktelement verbindet den Kühler und das Gehäuse elektrisch leitend miteinander. Dabei ist das Kontaktelement konzentrisch zur Durchgangsöffnung ausgebildet und angeordnet.
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Vorzugsweise ist der Kühler plattenförmig ausgestaltet, beispielsweise mit zwei Platten, welche zwischen sich einen Kühlmittelraum definieren, welcher von der Kühlflüssigkeit durchströmt werden kann. Bevorzugt ist der Kühlmittelanschluss senkrecht zu den Platten angeordnet. Vorzugsweise ist zumindest ein Teilbereich des Gehäuses, welcher die Durchgangsöffnung aufweist, im Wesentlichen parallel zum Kühler angeordnet.
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Das heißt, die Elektronikanordnung weist ein Kontaktelement auf, welches besonders nahe am Kühlmittelanschluss und diesen umgebend angeordnet ist. Dadurch kann im Bereich des Kühlmittelanschlusses besonders direkt und zuverlässig ein Ausgleich elektrischer Potenziale von Kühler und Gehäuse erfolgen. Insbesondere kann dadurch vermieden werden, dass sich ein elektrisches Potenzial des Kühlers, vor allem des Kühlmittelanschlusses, gegenüber dem Gehäuse verändert oder verschleppt wird und dadurch der Kühlmittelanschluss ähnlich einer Hertz'schen Dipolanordnung ein elektromagnetisches Feld abstrahlt, oder auch eine elektrische Nahfeldkopplung zu weiteren Bauteilen erfolgt. Somit kann mittels des Kontaktelements eine besonders einfache und kostengünstige Anordnung bereitgestellt werden, welche zuverlässig eine Vermeidung unterschiedlicher elektrischer Potenziale im Bereich der Kühlmittelanschlüsse und des Gehäuses erlaubt. Die Anordnung des Kontaktelements konzentrisch zur Durchgangsöffnung und damit nahe am Kühlmittelanschluss erlaubt zudem eine Auslegung der Elektronikanordnung hinsichtlich einer optimalen Kühlwirkung für das elektronische Bauteil. Beispielsweise kann somit ein besonders großer Anteil einer Oberfläche des Kühlers genutzt werden zur Abfuhr von Wärme vom elektronischen Bauteil.
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Die Unteransprüche haben bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung zum Inhalt.
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Bevorzugt ist zwischen dem Kühlmittelanschluss und dem Gehäuse ein radialer Spalt angeordnet. Der Spalt erlaubt dabei beispielsweise eine gewisse relative Beweglichkeit zwischen Kühlmittelanschluss und Gehäuse. Beispielsweise können dadurch unterschiedliche thermische Ausdehnungen ausgeglichen werden, und zudem wird beispielsweise eine einfache Montage des Kühlers ermöglicht.
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Besonders bevorzugt erstreckt sich der Kühlmittelanschluss, insbesondere rohrförmig, entlang einer Längsachse. Das Kontaktelement bildet dabei einen mechanischen Kontakt sowie gleichzeitig einen elektrisch leitenden Kontakt von Kühler und Gehäuse entlang einer Richtung parallel zur Längsachse. Dadurch kann bei Sicherstellung eines guten elektrischen Kontakts zwischen Gehäuse und Kühler möglichst nahe am Kühlmittelanschluss eine vorteilhafte mechanische Verbindung von Kühler und Gehäuse sichergestellt werden, beispielsweise derart, dass unterschiedliche Wärmedehnungen oder relative Verschiebungen von Kühler und Gehäuse möglich und nicht oder nur geringfügig durch das Kontaktelement eingeschränkt sind.
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Vorzugsweise weist das Kontaktelement mindestens einen parallel zur Längsachse vorstehenden Kontaktbereich auf. Dadurch kann ein besonders definierter elektrischer Kontakt zwischen Gehäuse und Kühler erzeugt werden.
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Weiter bevorzugt weist das Kontaktelement mehrere um den Umfang der Durchgangsöffnung verteilte Kontaktbereiche auf. Dadurch kann einerseits erreicht werden, dass ein Ausgleich elektrischer Potenziale besonders gleichmäßig um den gesamten Umfang des Kühlmittelanschlusses erreicht wird. Weiterhin wird durch nur einzelne verteilt angeordnete Kontaktbereiche gleichzeitig eine vorteilhafte mechanische Anbindung zwischen Kühler und Gehäuse ermöglicht. Beispielsweise kann dadurch im Bereich des Kühlmittelanschlusses zusätzlich eine effektive Abdichtung ermöglicht werden.
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Besonders bevorzugt sind die Kontaktbereiche in Form von Schneidelementen oder Kugelbereichen oder Pyramidenspitzen ausgebildet. Als Schneidelemente werden beispielsweise spitz zulaufende Elemente angesehen, welche, insbesondere in einer Kontaktebene, einen im wesentlichen linienförmigen Kontakt herstellen. Kugelbereiche können beispielsweise in Form von von einer Ebene vorstehende Halbkugeln ausgebildet sein. Pyramidenspitzen können beispielsweise in Form von pyramidenförmigen oder konischen Elemente, welche von einer Ebene vorstehen, ausgebildet sein.
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Bevorzugt ist der Kontaktbereich in Form einer Ringschneide ausgebildet. Als Ringschneide wird ein von einer Oberfläche ringförmiges, vorstehendes Element angesehen, welches im Querschnitt spitz zulaufend, insbesondere konisch, ausgebildet ist. Eine Ringschneide bietet dabei eine besonders einfache und kostengünstig herzustellende Geometrie, welche einen linienförmigen Kontakt in Form eines um den Kühlmittelanschluss umlaufenden Kreisrings bewirkt.
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Weiter bevorzugt sind der Kühler und das Gehäuse entlang einer Richtung parallel zur Längsachse miteinander fest verbunden, vorzugsweise verschraubt oder aneinander geklemmt. Der vorstehende Kontaktbereich ist dabei derart ausgebildet, dass dieser sich bei einem erstmaligen Verbinden, insbesondere Verschrauben, von Kühler und Gehäuse miteinander in das in Richtung der Längsachse gegenüberliegende Bauteile eindrückt. Das heißt, der vorstehende Kontaktbereich bewirkt eine plastische Verformung desjenigen Bauteils, gegen welches der Kontaktbereich beim Verbinden angedrückt wird. Besonders vorteilhaft ist es, wenn der vorstehende Kontaktbereich am Gehäuse ausgebildet ist und sich beim Verbinden von Gehäuse und Kühler in den Kühler eingräbt. Alternativ kann der vorstehende Kontaktbereich auch am Kühler ausgebildet sein und sich beim Verbinden von Gehäuse und Kühler in das Gehäuse eingraben. Dadurch kann besonders zuverlässig sichergestellt werden, dass nach dem Verbinden ein guter elektrisch leitender Kontakt hergestellt ist. Zudem kann durch das Eingraben eine größere Kontaktfläche hergestellt werden, beispielsweise gegenüber einem punktförmigen oder linienringförmigen Kontakt.
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Bevorzugt weist das Kontaktelement eine Kontaktfläche auf, um einen flächigen Kontakt zwischen Kühler und Gehäuse zu bilden. Dadurch kann ein besonders großer Kontaktbereich für den elektrischen Kontakt zur Verfügung stehen. Beispielsweise kann die Kontaktfläche in Form eines Kreisrings, das heißt einer ringförmigen Fläche zwischen zwei konzentrischen Kreisen, ausgebildet sein, welche konzentrisch zur Durchgangsöffnung angeordnet ist.
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Vorzugsweise ist das Kontaktelement mit dem Gehäuse oder mit dem Kühler als ein einstückiges Bauteil ausgebildet. Dadurch kann eine besonders einfache und kostengünstige Konstruktion der Elektronikanordnung ermöglicht werden. Besonders vorteilhaft ist ein einstückig mit dem Gehäuse ausgebildetes Kontaktelement, wobei das Gehäuse vorzugsweise ein Gussbauteil ist. Vorzugsweise kann das Kontaktelement in diesem Fall für eine besonders präzise Geometrie durch eine nachträgliche spanende Bearbeitung des Gehäuses hergestellt werden.
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Weiter bevorzugt ist das Kontaktelement als separates Bauteil zu Gehäuse und zu Kühler ausgebildet. Beispielsweise kann das Kontaktelement dabei als im Wesentlichen scheibenförmiges Bauteil ausgebildet sein, wodurch dieses einfach und präzise am Kühler oder am Gehäuse befestigt werden kann.
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Besonders bevorzugt ist das Kontaktelement, wenn dieses als separates Bauteil zu Gehäuse und Kühler ausgebildet ist, mittels einer formschlüssigen Verbindung und/oder mittels einer stoffschlüssigen Verbindung mit dem Gehäuse oder mit dem Kühler verbunden. Beispielsweise kann das Kontaktelement mittels eines Clip-Mechanismus formschlüssig befestigt sein. Weiterhin kann beispielsweise eine Schweißverbindung oder eine Klebeverbindung als stoffschlüssige Verbindung vorgesehen sein.
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Bevorzugt weist der Kühler mindestens zwei Kühlmittelanschlüsse auf. Die Elektronikanordnung weist dabei pro Kühlmittelanschluss jeweils ein Kontaktelement auf. Das heißt, an jedem der Kühlmittelanschlüsse ist in unmittelbarer Nähe jeweils ein Kontaktelement vorgesehen, um an sämtlichen der Kühlmittelanschlüsse eine optimale elektrische Anwendung zu erhalten, zur Vermeidung unterschiedlicher elektrischer Potenziale der Kühlmittelanschlüsse gegenüber dem Gehäuse.
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Besonders bevorzugt umfasst die Elektronikanordnung ferner eine Dichtung, welche dichtend zwischen dem Kühler und dem Gehäuse angeordnet ist. Vorzugsweise ist die Dichtung radial innerhalb des Kontaktelements angeordnet. Das heißt, die Dichtung ist bevorzugt so angeordnet, dass diese den Kühlmittelanschluss umgibt, um im Bereich des Kühlmittelanschlusses einen Fluideintritt zwischen Gehäuse und Kühler in das Gehäuse zu verhindern.
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Bevorzugt ist das elektronische Bauteil eine Leistungselektronik, vorzugsweise eines Wechselrichters. Beispielsweise kann der Wechselrichter vorgesehen sein zur Verwendung in einem Kraftfahrzeug.
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Figurenliste
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Figuren beschrieben. In den Figuren sind funktional gleiche Bauteile jeweils mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet. Dabei zeigt:
- 1 eine vereinfachte schematische Schnittansicht einer Elektronikanordnung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
- 2 perspektivische Detailansicht der Elektronikanordnung der 1,
- 3 eine vereinfachte schematische Schnittansicht einer Elektronikanordnung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung, und
- 4 eine vereinfachte schematische Schnittansicht einer Elektronikanordnung gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung
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1 zeigt eine vereinfachte schematische Schnittansicht einer Elektronikanordnung 1 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Elektronikanordnung 1 umfasst ein elektronisches Bauteil 2, welches eine Leistungselektronik aufweist. Insbesondere handelt es sich bei der Elektronikanordnung 1 um einen Wechselrichter eines Kraftfahrzeugs. Beispielsweise kann der Wechselrichter vorgesehen sein, zur Bereitstellung von elektrischer Energie an einen Elektromotor des Kraftfahrzeugs, wobei eine Energieversorgung des Wechselrichters mittels eines elektrischen Energiespeichers des Kraftfahrzeugs erfolgen kann.
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Weiterhin umfasst die Elektronikanordnung einen Kühler 3, zum Kühlen des elektronischen Bauteils 2. Wie in der 1 zu erkennen, sind dabei Teilbereiche des elektronischen Bauteils 2 beidseitig des Kühlers 3 angeordnet. Dadurch kann eine besonders effiziente Wärmeabfuhr von dem elektronischen Bauteil 2 erfolgen.
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Der Kühler 3 ist plattenförmig ausgebildet, mit zwei miteinander verbundenen und parallel angeordneten Kühlplatten 3a, 3b, zwischen welchen sich ein Kühlkanal 30 befindet. Der Kühlkanal 30 wird im Betrieb der Elektronikanordnung 1 von einem Kühlmedium, wie beispielsweise Wasser, oder einer anderen Kühlflüssigkeit, durchströmt. Beispielsweise kann der Kühler 3 dabei in Richtung der durch die Pfeile A gekennzeichneten Richtung durchströmt werden.
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Das elektronische Bauteil 2 und der Kühler 3 sind innerhalb eines Gehäuses 4 angeordnet. Das Gehäuse 4 dient dem Schutz vor Umwelteinflüssen, sowie vorzugsweise auch vor elektromagnetischer Strahlung. Das Gehäuse 4 ist dabei zweiteilig ausgebildet, mit einem Gehäuseboden 42 und einem Gehäusedeckel 43.
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Der Kühler 3 ist an Absätzen 44 des Gehäuses 4 mit dem Gehäuse 4 verschraubt, um eine mechanische Verbindung und Positionierung von Kühler 3 und elektronischem Bauteil 2 im Gehäuse 4 bereitzustellen.
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Um einen Durchlauf des Kühlers 3 mit dem Kühlmedium zu ermöglichen, weist der Kühler 3 zwei Kühlmittelanschlüsse 31 auf, welche jeweils in Fluidverbindung mit dem Kühlkanal 30 stehen. Die Kühlmittelanschlüsse 31 sind jeweils als rohrförmige Stutzen ausgebildet, welche sich jeweils entlang einer Längsachse 50 erstrecken. Die Längsachse 50 ist dabei senkrecht zu den Kühlplatten 3a, 3b.
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Die Kühlmittelanschlüsse 31 ragen dabei durch jeweils eine Durchgangsöffnung 41 des Gehäuses 4 hindurch, sodass die Kühlmittelanschlüsse 31 außerhalb des Gehäuses 4 beispielsweise mit (nicht dargestellten) Leitungen verbunden werden können. Die Durchgangsöffnungen 41 sind dabei jeweils so ausgebildet, dass zwischen einem Innenumfang der Durchgangsöffnung 41 und dem jeweiligen Kühlmittelanschluss 31 ein radialer Spalt 35 vorliegt. Dadurch können sich Kühlmittelanschlüsse 31 und Gehäuse 4 zumindest geringfügig gegeneinander bewegen, beispielsweise durch unterschiedliche Wärmeausdehnungen von Gehäuse 4 und Kühler 3.
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Die Elektronikanordnung 1 umfasst ferner jeweils ein Kontaktelement 5 pro Kühlmittelanschluss 31.
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Ein einzelnes Kontaktelement 5 ist in perspektivischer Ansicht in der 2 dargestellt. Das Kontaktelement 5 umfasst dabei mehrere auf einem Kreisring konzentrisch zur Durchgangsöffnung 41 angeordnete vorstehende Kontaktbereiche 51, welche von einer dem Kühler 3 zugewandten Grundfläche 45 des Gehäusebodens 42 entlang einer Richtung parallel zur Längsachse 50 vorstehen. Jeder Kontaktbereich 51 ist dabei in Form eines Schneidelements ausgebildet, welches in einer Ebene parallel zur Grundfläche 45 eine vorbestimmte Länge 51a aufweist, und welches im Querschnitt spitz zuläuft (vergleiche 1).
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Sämtliche Kontaktbereiche 51 sind dabei in einem vordefinierten radialen Abstand 75 von einem Innenumfang der Durchgangsöffnung 41 angeordnet. Der radiale Abstand 75 beträgt vorzugsweise maximal 50 %, bevorzugt maximal 30 %, insbesondere mindestens 10 %, eines Innendurchmessers 47 der Durchgangsöffnung 41.
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Kühler 3 und Gehäuse 4 sind dabei derart miteinander verschraubt, dass die Kontaktbereiche 51 in die Unterseite 36 des Kühlers 3 eingegraben sind. Dadurch bildet das Kontaktelement 5 einen mechanischen und einen elektrischen Kontakt zwischen Gehäuse 4 und Kühler 3 aus. Somit können durch das elektronische Bauteil 2 verursachte Potenzialunterschiede eines elektrischen Potenzials zwischen Kühler 3 und Gehäuse 4 über die Kontaktelemente 5 ausgeglichen werden. Dadurch, dass die Kontaktelemente 5 konzentrisch zur Durchgangsöffnung 41 und damit besonders nahe an den Kühlmittelanschlüssen 31 angeordnet sind, können insbesondere auch Potenzialunterschiede an den oder im Bereich der Kühlmittelanschlüsse 31 besonders zuverlässig und ohne signifikante Verschleppungen ausgeglichen werden. Beispielsweise kann dadurch vermieden werden, dass bei schnellen Schaltvorgängen des elektronischen Bauteils 2 unterschiedliche Potenziale der Kühlmittelanschlüsse 31 im Vergleich zu Bereichen des Kühlers 3 nahe an den Absätzen 44, beispielsweise wenn diese ebenfalls elektrisch mit dem Gehäuse 4 kontaktiert sind, vorliegen.
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Dadurch, dass die Kontaktbereiche 51 in Form von Schneidelementen ausgebildet sind, liegt ein im Wesentlichen linienförmiger und dennoch nur punktuell um den Umfang der Durchgangsöffnung 41 verteilter Kontakt zum Kühler 3 vor. Dadurch ergibt sich ein guter Kompromiss zwischen einem möglichst großen Kontakt zum Ausgleich elektrischer Potenziale und andererseits einer ausreichenden Flexibilität des mechanischen Kontakts zwischen Kühler 3 und Gehäuse 4, um zusätzlich eine Abdichtung mittels einer zusätzlichen Dichtung zwischen Kühler 3 und Gehäuse 4 im Bereich der Kühlmittelanschlüsse 31 bereitstellen zu können.
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Eine derartige Abdichtung mittels einer zusätzlichen Dichtung 7 ist im zweiten Ausführungsbeispiel, welches in der 3 dargestellt ist, vorgesehen. Das zweite Ausführungsbeispiel entspricht dabei im Wesentlichen dem ersten Ausführungsbeispiel der 1 und 2, mit dem Unterschied der zusätzlichen Dichtung 7. Die Dichtung 7 ist aus einem elastischen Material ausgebildet.
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Die Dichtung 7 ist dabei dichtend zwischen Kühler 3 und Gehäuse 4 angeordnet, wobei die Dichtung 7 radial innerhalb des Kontaktelements 5 angeordnet ist. Im Detail befindet sich die Dichtung 5 auf einer Dichtfläche 70, welche sich radial innerhalb der Kontaktbereiche 51 befindet und ein Teil der Grundfläche 45 des Gehäusebodens 42 ist (vergleiche 2).
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4 zeigt eine vereinfachte schematische Schnittansicht einer Elektronikanordnung 1 gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Das dritte Ausführungsbeispiel entspricht im Wesentlichen dem ersten Ausführungsbeispiel der 1 und 2, mit dem Unterschied, dass das Kontaktelement 5 anstatt mehrerer um den Umfang verteilter Kontaktbereiche 51 eine einzige Kontaktfläche 53 aufweist, welche einen flächigen Kontakt zwischen Kühler 3 und Gehäuse 4 herstellt. Durch die Kontaktfläche 53 kann ein besonders guter elektrischer Kontakt zwischen Kühler 3 und Gehäuse 4 hergestellt werden, um die elektrischen Potenziale im Bereich der Kühlmittelanschlüsse 31 zwischen Kühler 3 und Gehäuse 4 besonders zuverlässig auszugleichen. Die Kontaktfläche 53 ist dabei nahe eines Innenumfangs der Durchgangsöffnung 41 ausgebildet. Die Kontaktfläche 53 wird dabei durch eine Oberseite eines gegenüber der Grundfläche 45 des Gehäusebodens 42 vorstehenden Bereichs gebildet.
