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Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektronische Vorrichtung sowie ein Fortbewegungsmittel mit einer solchen elektronischen Vorrichtung.
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Anzahl und Fläche von Anzeigevorrichtung in Fortbewegungsmittel steigen ständig an. Anzeigevorrichtungen sind beispielsweise als Kombiinstrument für den Fahrer, als Zentraldisplay und auch als Beifahrerdisplay im Markt anzutreffen. Nicht-selbstleuchtende transmissive Anzeigevorrichtung benötigen zur Bilddarstellung eine Hintergrundbeleuchtung. Die Aufgabe der Hintergrundbeleuchtung ist es dabei, das verwendete Anzeigepaneel so gleichförmig wie möglichst über die gesamte aktive Fläche zu beleuchten, um eine möglichst homogene Anzeige bis in den Randbereich zu erzeugen. Eine maximal helle Anzeige wird dabei erreicht, indem die Ausrichtung einer Flüssigkristallschicht des Anzeigepaneels in Kombination mit der Ausrichtung von Polfiltern eine maximale Transmission zulässt.
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Speziell bei TFT-Displays (TFT: Thin-Film Transistor; Dünnschichttransistor) besteht ein Problem in der von Leuchtdioden verursachten lokalen Erwärmung. Dies ist insbesondere bei sogenannten Edge Backlights der Fall, d.h. Hintergrundbeleuchtungen, bei denen die Leuchtdioden am Rand des Anzeigepaneels angeordnet sind. Bei dieser Bauart wird der Bereich der Polfilter in der Nähe der Leuchtdioden aufgeheizt. Dies kann zu einer Zerstörung der Polfilter führen, da die Erwärmung eine bräunliche Verfärbung der Polfilter bewirken kann.
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Auch in anderen elektronischen Vorrichtungen wird die Wärme oft von einem oder mehreren einzelnen kleinen Bauteilen erzeugt, während der Rest der Vorrichtung relativ kühl bleibt. Üblicherweise sind diese heißen Komponenten mit Wärmeleitpaste oder Wärmeleitpads mit einem Kühlkörper verbunden, sehr oft mit dem Metallgehäuse der Vorrichtung selbst. Die Wärmeübertragung ist durch die thermische Kapazität dieser thermischen Verbindung sowie durch den thermischen Widerstand des Kühlkörpers selbst stark begrenzt.
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Um die begrenzte thermische Kapazität zu überwinden, nutzen viele elektronischen Vorrichtungen die Wärmeübertragung durch Luftkonvektion oder setzen sogar einen Ventilator oder ein Gebläse ein, um kühle Luft zu den heißen Komponenten oder Kühlkörpern zu leiten und die erwärmte Luft abzuführen.
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In Mobiltelefonen, Laptops und Spielkonsolen werden teils Wärmerohre verwendet, oftmals auch als Heatpipes bezeichnet, um die Wärme von einem heißen Prozessor zu einem kühlen Kühlkörper zu transportieren. Bei den Wärmerohren und den Kühlkörpern handelt es sich dabei um zusätzliche Komponenten innerhalb eines Gehäuses. Der Kühlkörper benötigt weiterhin Luftkonvektion oder sogar einen Lüfter, um gekühlt zu werden. Oft ist zudem eine spezielle thermische Verbindung zum Wärmerohr erforderlich, wie z.B. Wärmeleitpaste, Wärmeleitpads oder ein kostspieliger Lötprozess.
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In diesem Zusammenhang beschreibt
US 2004/0228110 A1 eine Hintergrundbeleuchtung mit hoher Wärmeableitung. Die Hintergrundbeleuchtung weist eine Vielzahl von Lichtquellen auf, die auf der Rückseite eines Displaypanels positioniert sind. Die Lichtquellen sind von einem Gehäuse umschlossen, das mit dem Diffusor verbunden ist und ausgestaltet ist, die Lichtstrahlen zum Diffusor zu reflektieren. Das Gehäuse enthält eine Wärmerohr, das als Schnittstelle für die Wärmeübertragung zwischen der Hintergrundbeleuchtung und der äußeren Umgebung dient.
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Als Alternative zu den rohrförmigen Wärmerohren gibt es auch flache Wärmerohre, sogenannte Dampfkammern oder Vapor Chambers. Diese werden üblicherweise nicht für den Wärmetransport genutzt, sondern für eine Wärmespreizung. Bei Wärmerohren und Dampfkammern beruht die Kühlung auf der Änderung des Aggregatzustands bzw. der Phasenänderung einer Flüssigkeit im Inneren der Kammer, die mit einem Energieaustausch aufgrund physikalischer Prozesse durch Verdampfung oder Kondensation verbunden ist. Die Fähigkeit, Wärmeenergie aufzunehmen oder abzugeben, ist dadurch erheblich besser als die reine Wärmeübertragung in einem festen Bauteil.
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In diesem Zusammenhang beschreibt
US 2014/0262160 A1 eine Vorrichtung zum Management von Wärme, die von einer elektronischen Komponente eines mobilen Geräts erzeugt wird. Die Vorrichtung umfasst ein Gehäuse zur Aufnahme der elektronischen Komponente und eine in dem Gehäuse angeordnete Dampfkammer. Die Dampfkammer weist einen Hohlraum auf, der durch eine vordere Wand und eine hintere Wand definiert ist. Eine Außenfläche des Gehäuses umfasst dabei zumindest einen Teil der hinteren Wand der Dampfkammer.
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Es ist eine Aufgabe der Erfindung, Lösungen für ein verbessertes Wärmemanagement für eine elektronische Vorrichtung bereitzustellen.
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Diese Aufgabe wird durch eine elektronische Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch ein Fortbewegungsmittel gemäß Anspruch 10 gelöst. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung weist eine elektronische Vorrichtung ein Trägerelement und zumindest eine wärmeproduzierende elektronische Komponente auf, wobei das Trägerelement als Dampfkammer ausgestaltet ist und ausgelegt ist, von der elektronischen Komponente produzierte Wärme zu verteilen.
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Bei vielen elektronischen Vorrichtung ist nicht der Gesamtbetrag der eingebrachten Wärme problematisch, sondern vielmehr der lokale Wärmeeintrag durch einzelne elektronische Komponenten. Ziel eines Wärmemanagements ist es daher, solche Hot Spots zu beseitigen. Dampfkammern erlauben es, die lokal eingebrachte Wärme zu verteilen und so die Temperatur in den Hot Spots zu reduzieren. Sie nehmen die Wärme dort auf, wo sie entsteht, und leiten sie an die kühlste Stelle in der Dampfkammer weiter, ganz gleich, wo diese auch ist. Auch zeitliche Veränderungen werden automatisch ausgeglichen, denn die Verdampfung und Kondensation findet stets dort statt, wo der Wärmeeintrag hoch bzw. die Temperatur niedrig genug ist. Bei der erfindungsgemäßen Lösung ist nun vorgesehen, dass ein Trägerelement der elektronischen Vorrichtung, das die mechanischen Lasten der elektronischen Vorrichtung aufnimmt, zugleich als Dampfkammer ausgestaltet ist, d.h. Trägerelement und Dampfkammer sind ein Teil. Ein solches Trägerelement wird typischerweise mittels Druckguss gefertigt und hat eine deutlich größere Masse, als dies bei den Blechgehäusen bisheriger Dampfkammern der Fall ist. Daher ist das Trägerelement zugleich als Wärmesenke wirksam, sodass keine zusätzliche Wärmesenke erforderlich ist. Stattdessen werden diejenigen Bereiche des Trägerelements, die ohne die Ausgestaltung als Dampfkammer kühl geblieben wären, bei der erfindungsgemäßen Lösung ebenfalls für die Wärmeverteilung genutzt. Auf diese Weise wird eine sehr gleichmäßige Wärmeverteilung erreicht. Darüber hinaus ist das System geräuschlos und verschleißfrei.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung ist die wärmeproduzierende elektronische Komponente thermisch an das Trägerelement angebunden. Durch die thermische Anbindung wird eine sehr gute Wärmeableitung aus der elektronischen Komponente hin zum Verdampfer der Dampfkammer erreicht. Dadurch kann die lokal eingebrachte Wärme rasch verteilt werden. Die thermische Anbindung kann insbesondere darin bestehen, dass die elektronische Komponente auf dem Trägerelement angeordnet ist. Eine zusätzliche Anbindung mit Wärmeleitpaste oder einem Wärmeleitpad kann vorgesehen sein, ist aber nicht erforderlich.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung ist die elektronische Vorrichtung eine Anzeigevorrichtung. In Anzeigevorrichtung sind in der Regel eine Reihe von elektronischen Komponenten verbaut, die lokal Wärme produzieren. Insbesondere bei Anzeigevorrichtung für den Automobilbereich besteht zudem die Problematik, dass diese zumindest zeitweise in einer sehr warmen Umgebung betrieben werden müssen, was das Wärmemanagement erschwert. Diese Problematik lässt sich durch die erfindungsgemäße Lösung gut handhaben. Aber auch in anderen Vorrichtungen, die ein vergleichsweise kühles Gehäuse aufweisen und bei denen einzelne Komponenten viel Wärme produzieren, lässt sich die erfindungsgemäße Lösung vorteilhaft nutzen. Beispiele dafür sind Steuergeräte, Computer Kamerasysteme oder Mobiltelefone.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung ist die wärmeproduzierende elektronische Komponente eine Leuchtdiode einer Hintergrundbeleuchtung. Die Hintergrundbeleuchtungen von Anzeigevorrichtungen beinhalten regelmäßig eine Vielzahl von Leuchtdioden, die ein Wärmemanagement erforderlich machen. Insbesondere im Automobilbereich stellt dies eine Herausforderung dar, da beispielsweise freistehende Anzeigen auch bei hohen Umgebungstemperaturen noch eine hohe Leuchtdichte liefern müssen. Auch neue Technologien, wie z.B. Verschwindetechnik, aktive Privatsphäre oder verbesserte Blendfreiheit durch Lichtkontrollfilme (engl. Light Control Film, LCF), die eine hohe Lichtleistung benötigen, sowie zunehmend größere Head-Up-Displays verlangen nach neuen, geräuschlosen und verschleißfreien Kühlungskonzepten.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung ist das Trägerelement als Gehäuse ausgestaltet. Auf diese Weise wird eine weitere Funktion auf das Trägerelement übertragen. Nicht nur nimmt es die mechanischen Lasten der elektronischen Vorrichtung auf, sondern es schließt die elektronische Vorrichtung zugleich auch gegenüber der Umgebung ab. Das Trägerelement kann darüber hinaus auch mit Befestigungselementen für den Einbau der elektronischen Vorrichtung entsprechend der vorgesehenen Anwendung versehen sein.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung ist eine Außenwand des Trägerelements als Wärmesenke ausgestaltet. Diese Außenwand dient dann zugleich als Kondensator der Dampfkammer. Beispielsweise kann die Außenwand dicker ausgeführt sein, als dies aus Gründen der Stabilität erforderlich wäre, um so mehr Masse für die Wärmeverteilung bereitzustellen.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung weist die Außenwand Kühlrippen auf. Durch die Verwendung von Kühlrippen kann die Abgabe von Wärme an die Umgebung gesteigert werden, falls dies erforderlich sein sollte.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung ist das Trägerelement mittels Innendruck-Spritzgießen gefertigt. Beim Innendruck-Spritzgießen wird zunächst Gussmaterial in eine Gussform eingespritzt. Anschließend wird ein vorübergehender flüssiger oder gasförmiger Füllstoff so in die Gussform mit dem noch flüssigen Gussmaterial injiziert, dass es als Kern wirkt. Durch die Verdrängung des Gussmaterials aus der Mitte entsteht zum einen ein Hohlraum und zum anderen wird das Gussmaterial an die Wände der Gussform gedrückt. Nach Erstarren des Gussmaterials entweicht der Füllstoff wieder. In den so entstandenen Hohlkörper kann anschließend die erforderliche Flüssigkeit eingebracht und der Hohlkörper dann verschlossen werden.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung ist die Dampfkammer mit einem porösen Material ausgekleidet. Das poröse Material nutzt den Kapillareffekt und sorgt dafür, dass die Flüssigkeit in der Dampfkammer nach der Kondensation wieder zum Verdampfer geführt wird.
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Vorzugsweise wird eine erfindungsgemäße elektronische Vorrichtung in einem Fortbewegungsmittel eingesetzt. Bei dem Fortbewegungsmittel kann es sich beispielsweise um ein Kraftfahrzeug handeln, alternativ aber auch um ein Luftfahrzeug, ein Schienenfahrzeug oder ein Wasserfahrzeug.
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Weitere Merkmale der vorliegenden Erfindung werden aus der nachfolgenden Beschreibung und den angehängten Ansprüchen in Verbindung mit den Figuren ersichtlich.
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Figurenübersicht
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- 1 zeigt schematisch eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen elektronischen Vorrichtung;
- 2 veranschaulicht die Funktionsweise einer Dampfkammer der elektronischen Vorrichtung aus 1;
- 3 zeigt schematisch eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen elektronischen Vorrichtung;
- 4 zeigt schematisch eine dritte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen elektronischen Vorrichtung;
- 5 zeigt schematisch eine mögliche Gestaltung von Kanälen einer Dampfkammer der elektronischen Vorrichtung aus 4; und
- 6 zeigt schematisch ein Fortbewegungsmittel, das eine erfindungsgemäße elektronische Vorrichtung nutzt.
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Figurenbeschreibung
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Zum besseren Verständnis der Prinzipien der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Ausführungsformen der Erfindung anhand der Figuren detaillierter erläutert. Gleiche Bezugszeichen werden in den Figuren für gleiche oder gleichwirkende Elemente verwendet und nicht notwendigerweise zu jeder Figur erneut beschrieben. Es versteht sich, dass sich die Erfindung nicht auf die dargestellten Ausführungsformen beschränkt und dass die beschriebenen Merkmale auch kombiniert oder modifiziert werden können, ohne den Schutzbereich der Erfindung zu verlassen, wie er in den angehängten Ansprüchen definiert ist.
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1 zeigt schematisch eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen elektronischen Vorrichtung 1 mit einer elektronischen Komponente 3. Bei der elektronischen Vorrichtung 1 handelt es sich im dargestellten Beispiel um eine Anzeigevorrichtung, bei der elektronischen Komponente 3 um eine Leuchtdiode 40. Die Anzeigevorrichtung hat ein Trägerelement 2, das hier zugleich als Gehäuse 5 der Anzeigevorrichtung dient. Das Trägerelement 2 ist in Teilen als Dampfkammer 20 ausgestaltet. Die Dampfkammer 20 weist eine Innenwand 25 und eine Außenwand 22 auf, die z.B. mittels einer Löt- oder Schweißverbindung 26 verbunden sind. Alternative kann auch eine Quetschverbindung realisiert werden. Die Innenwand 25 dient als Verdampfer 250 für eine in der Dampfkammer 20 befindliche Flüssigkeit 21, die Außenwand 22 als Kondensator 220. Die Dampfkammer 20 ist mit einem porösen Material 24 ausgekleidet, das einen Hohlraum 27 umschließt. Eine Hintergrundbeleuchtung 4 dient zur Hinterleuchtung eines Anzeigepaneels 6. Die Hintergrundbeleuchtung 4 weist einen Lichtleiter 42 auf, in den seitlich das Licht der Leuchtdiode 40 eingekoppelt wird. Die Leuchtdiode 40 ist zusammen mit weiteren Leuchtdioden 40 auf einer Leiterplatte 41 angeordnet, die auf der Innenwand 25 der Dampfkammer 20 angeordnet ist. Das Gehäuse 5 wird von einem Deckglas 7 abgeschlossen, das mittels Kleber 8 mit dem Gehäuse verbunden ist.
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2 veranschaulicht die Funktionsweise der Dampfkammer 20 der elektronischen Vorrichtung 1 aus 1. Der von der Leuchtdiode 40 bewirkte Wärmeeintrag WE führt zu einer Verdampfung der in der Dampfkammer 20 befindlichen Flüssigkeit 21 am Verdampfer 250. Bei der Verdampfung geht die Flüssigkeit 21 von der flüssigen Phase in eine gasförmige Phase über. Dazu wird Wärmeenergie benötigt, die im entstehenden Dampf gespeichert wird. Der Dampf bewegt sich innerhalb des Hohlraums 27 in Richtung der kühleren Bereiche der Dampfkammer 20, d.h. zum Kondensator 220, wo er kondensiert. Bei der Kondensation erfolgt ein Phasenübergang von der gasförmigen Phase zur flüssigen Phase, bei dem die im Dampf gespeicherte Wärme frei wird und eine Wärmeabgabe WA an den Kondensator 220 erfolgt. Durch den Druckverlust bei der Kondensation und den Druckanstieg bei der Verdampfung strömt der Dampf automatisch stets zu den kühlen Bereichen der Dampfkammer 20. Durch den Kapillareffekt im porösen Material 24, gegebenenfalls unterstützt durch die Gravitation, wird die Flüssigkeit 21 vom Ort der Kondensation zurück zum Ort der Verdampfung geführt. Somit wird ein kontinuierlicher Kreislauf realisiert.
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3 zeigt schematisch eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen elektronischen Vorrichtung 1. Bei der elektronischen Vorrichtung 1 handelt es sich wiederum um eine Anzeigevorrichtung. Die Anzeigevorrichtung ist weitgehend identisch zu der in 1 gezeigten Anzeigevorrichtung. Allerdings weist die Außenwand 22 der Dampfkammer 20 in diesem Fall Kühlrippen 23 auf. Durch die Kühlrippen 23 kann die Abgabe von Wärme an die Umgebung gesteigert werden.
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4 zeigt schematisch eine dritte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen elektronischen Vorrichtung 1. Bei der elektronischen Vorrichtung 1 handelt es sich wiederum um eine Anzeigevorrichtung. Die Anzeigevorrichtung ist weitgehend identisch zu der in 1 gezeigten Anzeigevorrichtung. Allerdings ist das Trägerelement 2 mittels Innendruck-Spritzgießen gefertigt. Beim Innendruck-Spritzgießen wird zunächst Gussmaterial in eine Gussform eingespritzt. Bei dem Gussmaterial handelt es sich vorzugsweise um ein Metall, z.B. um eine Magnesiumlegierung, es können aber auch geeignete Kunststoffe verwendet werden. Anschließend wird ein vorübergehender flüssiger oder gasförmiger Füllstoff so in die Gussform mit dem noch flüssigen Gussmaterial injiziert, dass es als Kern wirkt. Durch die Verdrängung des Gussmaterials aus der Mitte entsteht zum einen der benötigte Hohlraum 27 und zum anderen wird das Gussmaterial an die Wände der Gussform gedrückt. Nach Erstarren des Gussmaterials entweicht der Füllstoff wieder. 5 zeigt schematisch eine mögliche Gestaltung des Hohlraums 27. Der Hohlraum 27 umfasst eine Anzahl von Kanälen 270, die durch das Injizieren des Füllstoffes entstanden sind. In den Hohlraum 27 kann anschließend die erforderliche Flüssigkeit 21 eingebracht und der Hohlkörper dann verschlossen werden. Zum Einbringen der Flüssigkeit 21 ist im dargestellten Beispiel ein Ventil 28 vorgesehen. Da die Dampfkammer 20 bei dieser Ausführungsform nicht mit einem porösen Material ausgekleidet ist, muss die Rückführung der kondensierten Flüssigkeit 21 zum Ort der Verdampfung durch die Schwerkraft erfolgen. Daher ist diese Ausführungsform für elektronische Vorrichtungen 1 geeignet, bei denen die elektronische Komponente 3, deren Wärme verteilt werden muss, so angeordnet ist, dass die Flüssigkeit 21 allein durch die Schwerkraft zum Ort des Wärmeeintrags fließt. Ein Beispiel dafür ist eine vertikal verbaute Anzeigevorrichtung mit einem am unteren Ende angeordneten Edge Backlight.
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6 zeigt schematisch ein Fortbewegungsmittel 60, das eine erfindungsgemäße elektronische Vorrichtung 1 nutzt. Bei dem Fortbewegungsmittel 60 handelt es sich in diesem Beispiel um ein Kraftfahrzeug. Das Kraftfahrzeug weist eine erfindungsgemäße elektronische Vorrichtung 1 auf, bei der es sich in diesem Beispiel um eine Anzeigevorrichtung handelt, die in einer Armaturentafel angeordnet ist. Mit einer Sensorik 61 können Daten zur Fahrzeugumgebung erfasst werden. Die Sensorik 61 kann insbesondere Sensoren zur Umfelderkennung umfassen, z.B. Ultraschallsensoren, Laserscanner, Radarsensoren, Lidarsensoren oder Kameras. Die von der Sensorik 61 erfassten Informationen können genutzt werden, um anzuzeigende Inhalte für die Anzeigevorrichtung zu generieren. Weitere Bestandteile des Kraftfahrzeugs sind in diesem Beispiel ein Navigationssystem 62, durch das Positionsinformationen bereitgestellt werden können, sowie eine Datenübertragungseinheit 63. Mittels der Datenübertragungseinheit 63 kann z.B. eine Verbindung zu einem Backend aufgebaut werden, beispielsweise um aktualisierte Software für Komponenten des Kraftfahrzeugs zu beziehen. Zur Speicherung von Daten ist ein Speicher 64 vorhanden. Der Datenaustausch zwischen den verschiedenen Komponenten des Kraftfahrzeugs erfolgt über ein Netzwerk 65.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Elektronische Vorrichtung
- 2
- Trägerelement
- 20
- Dampfkammer
- 21
- Flüssigkeit
- 22
- Außenwand
- 220
- Kondensator
- 23
- Kühlrippe
- 24
- Poröses Material
- 25
- Innenwand
- 250
- Verdampfer
- 26
- Verbindung
- 27
- Hohlraum
- 270
- Kanal
- 28
- Ventil
- 3
- Elektronische Komponente
- 4
- Hintergrundbeleuchtung
- 40
- Leuchtdiode
- 41
- Leiterplatte
- 42
- Lichtleiter
- 5
- Gehäuse
- 6
- Anzeigepaneel
- 7
- Deckglas
- 8
- Kleber
- 60
- Fortbewegungsmittel
- 61
- Sensorik
- 62
- Navigationssystem
- 63
- Datenübertragungseinheit
- 64
- Speicher
- 65
- Netzwerk
- WE
- Wärmeeintrag
- WA
- Wärmeabgabe
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2004/0228110 A1 [0007]
- US 2014/0262160 A1 [0009]
