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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft einen Kühlkörper zur Kühlung einer elektrischen und/oder elektronischen Baugruppe mit den Merkmalen des Oberbegriffs des unabhängigen Anspruchs 1. Weiterhin betrifft die Erfindung eine elektrische und/oder elektronische Vorrichtung.
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In Hybridfahrzeugen oder Elektrofahrzeugen werden Leistungsmodule, wie Inverterstrukturen oder Konverterstrukturen, eingesetzt. Beispielsweise werden zum Betreiben einer elektrischen Maschine Inverter verwendet, die Phasenströme für die elektrische Maschine bereitstellen. Die Leistungsmodule können beispielsweise ein Trägersubstrat mit Leiterbahnen umfassen, auf dem beispielsweise Leistungshalbleiter angeordnet sind, die zusammen mit dem Trägersubstrat eine Elektronikeinheit bilden. Im Betrieb wird von der Elektronikeinheit Wärme erzeugt, die an einen Kühlkörper abgeleitet werden muss. Dazu wird die Elektronikeinheit thermisch an den Kühlkörper angebunden. Es ist bekannt Kühlkörper mit Kühlkanälen zu versehen, in denen ein Kühlfluid fließen kann, das die Wärme aus dem Kühlkörper ableitet. In den Kühlkanälen können sogenannte Turbulenzstrukturen vorgesehen sein, die für bessere Wärmeableitung von dem Kühlkörper an das durch den Kühlkörper fließende Kühlfluid sorgen.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß wird ein Kühlkörper zur Kühlung einer elektrischen und/oder elektronischen Baugruppe, insbesondere für Elektrofahrzeuge oder Hybridfahrzeuge, vorgeschlagen. In dem Kühlkörper ist ein Kühlkanal ausgebildet, der von einer Zulauföffnung des Kühlkörpers zu einer Ablauföffnung des Kühlkörpers durch den Kühlkörper verläuft und von einem Kühlmedium durchströmbar ist, wobei an dem Kühlkörper eine Auflagefläche ausgebildet ist, auf der die elektrische und/oder elektronische Baugruppe anlegbar und befestigbar ist. Erfindungsgemäß umfasst der Kühlkörper ein Rohr, wobei ein Innenraum des Rohrs den Kühlkanal bildet.
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Vorteile der Erfindung
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Gegenüber dem Stand der Technik weist der Kühlkörper mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs den Vorteil auf, dass der Kühlkörper unterhalb des elektrischen und/oder elektronischen Baugruppe besonders kompakt gestaltet werden kann. Wird der Kühlkörper, wie beispielsweise im Stand der Technik, durch übereinander gestapelte Bleche, die miteinander verlötet werden, gebildet, so muss dieser Kühlkörper Ränder aufweisen, die nur der Verlötung der Bleche untereinander dienen. Diese Ränder ragen über die Auflagefläche für die elektrische und/oder elektronische Baugruppe hinaus und verbreitern den Kühlkörper ohne als aktive Kühlfläche zur Kühlung der elektrischen und/oder elektronischen Baugruppe beizutragen. Umfasst der Kühlkörper ein Rohr, in dem der Kühlkanal des Kühlkörpers ausgebildet ist, so kann der Bauraum vorteilhaft begrenzt und erforderliche Mindestabstände zu elektrischen Leitungen einfacher eingehalten werden. Der Kühlkörper wird bezüglich der Auflagefläche für die elektrische und/oder elektronische Baugruppe kompakt gestaltet und ragt nicht oder nur kaum unter dieser hervor. Somit wird ein besonders geringer Bauraum erzielt und die Wärme besonders effizient an das durch den Kühlkanal strömende Kühlmedium abgeleitet.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung werden durch die in den Unteransprüchen angegebenen Merkmale ermöglicht.
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Gemäß einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass in dem Innenraum des Rohrs eine Turbulenzstruktur angeordnet ist. Durch die Turbulenzstruktur wird die wärmeübertragende Oberfläche des Kühlkörpers im Kühlkanal vorteilhaft erhöht und somit der Wärmeübergang von dem Kühlkörper an das Kühlmedium vorteilhaft erhöht. Die Turbulenzstruktur kann sich vorteilhaft unter der gesamten Auflagefläche für die elektrische und/oder elektronische Baugruppe erstrecken. So wird die von der elektrischen und/oder elektronischen Baugruppe erzeugte Wärme besonders gut an das Kühlmedium abgeleitet. Die Turbulenzstruktur kann in dem Rohr vorteilhaft auch so angeordnet werden, dass sich die Turbulenzstruktur über den gesamten Querschnitt des Rohrs, beispielsweise senkrecht zu einer Flussrichtung des Kühlmediums durch das Rohr, erstreckt. Somit kann ein unerwünschter Bypass des Kühlmediums neben der Turbulenzstruktur, an der Turbulenzstruktur vorbei, vermindert oder verhindert werden.
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Gemäß einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass das Rohr einen flachen Querschnitt mit einer ebenen Seitenwand aufweist. Somit kann die zu kühlende elektrische und/oder elektronische Baugruppe vorteilhaft gut und großflächig auf dem Kühlkörper aufliegen. Unter der Auflagefläche wird das Kühlmedium in dem Kühlkanal mit flachem Querschnitt gleichmäßig und über die gesamte Breite der Auflagefläche vorbeigeführt. Somit kann die elektrische und/oder elektronische Baugruppe vorteilhaft gleichmäßig gekühlt werden.
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Gemäß einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass die Auflagefläche an der ebenen Seitenwand oder an einem an der ebenen Seitenwand angeordneten ebenen Blech ausgebildet ist. So kann ein vorteilhaft großflächiger und gut wärmeleitender Kontakt zwischen dem Kühlkörper und der elektrischen und/oder elektronischen Baugruppe hergestellt werden. Ist die Auflagefläche direkt an der ebenen Seitenwand des Rohr ausgebildet, so kann die elektrische und/oder elektronische Baugruppe vorteilhaft nah an dem Kühlkanal angeordnet sein und von der elektrischen und/oder elektronischen Baugruppe erzeugte Wärme besonders gut an das Kühlmedium abgegeben werden. Ist ein ebenes Blech an der ebenen Seitenwand angeordnet und die Auflagefläche an dem ebenen Blech ausgebildet, so kann die elektrische und/oder elektronische Baugruppe unter Zwischenlage des ebenen Blechs an dem Rohr anliegen. Das ebene Blech kann die Festigkeit, die Ebenheit und/oder die Steifigkeit des Rohrs vorteilhaft erhöhen und gleichzeitig eine thermische Verbindung zwischen dem Rohr und der elektrischen und/oder elektronischen Baugruppe herstellen.
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Gemäß einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass der Kühlkörper weiterhin ein erstes Endstück umfasst, wobei das erste Endstück an dem Rohr, insbesondere an einem Ende des Rohrs, befestigt, insbesondere verlötet ist und/oder dass der Kühlkörper weiterhin ein zweites Endstück umfasst, wobei das zweite Endstück an dem Rohr, insbesondere an einem Ende des Rohrs, befestigt, insbesondere verlötet, ist. In dem ersten Endstück kann vorteilhaft die Zulauföffnung ausgebildet sein. In dem zweiten Endstück kann vorteilhaft die Ablauföffnung ausgebildet sein. Auf diese Weise kann aus einem einfachen Rohr ein Kühlkörper gefertigt werden.
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Gemäß einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass die Turbulenzstruktur im Innenraum des Rohrs einstückig mit dem Rohr ausgebildet ist. So kann das Rohr beispielsweise bereits derart gefertigt sein, dass an dem Innenraum eine Turbulenzstruktur ausgebildet ist. Somit muss kein weiterer Körper in das Rohr eingebracht werden, um eine derartige Turbulenzstruktur im Innenraum des Rohres herzustellen.
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Gemäß einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass das Rohr als extrudiertes Rohr ausgebildet ist. So kann in Inneren des Rohres beim Extrudieren bereits eine passende Turbulenzstruktur erzeugt werden und es muss kein vom Rohr separates Bauteil als Turbulenzstruktur in das Rohr eingebracht werden.
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Gemäß einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass die Turbulenzstruktur im Innenraum des Rohrs als vom Rohr separates Einlegeteil ausgebildet ist und in den Innenraum des Rohrs eingelegt ist. So kann die Turbulenzstruktur unabhängig vom Rohr gefertigt werden und beliebig, je nach Anforderung an die Strömung und Kühlleistung, beispielsweise aus einem gebogenen Blech, hergestellt sein. So kann beispielsweise vorteilhaft auch ein einfaches Rohr mit einer Innenwand ohne Struktur verwendet werden, in das dann die Turbulenzstruktur eingesetzt wird.
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Gemäß einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass die Turbulenzstruktur mit dem Rohr verlötet ist. So wird der Wärmeübergang von der Turbulenzstruktur auf das Rohr erhöht und die Turbulenzstruktur ist auf vorteilhaft einfache Art in dem Rohr befestigt.
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Weiterhin erfindungsgemäß ist eine elektrische und/oder elektronische Vorrichtung umfassend einen Kühlkörper und eine elektrische und/oder elektronische Baugruppe, wobei die elektrische und/oder elektronische Baugruppe an der Auflagefläche des Kühlkörpers an dem Kühlkörper anliegt und mit dem Kühlkörper verbunden ist.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen
- 1 eine schematische Darstellung eines Querschnitts eines Ausführungsbeispiels des Kühlkörpers quer zum Kühlkanal,
- 2 eine schematische Darstellung eines Querschnitts eines Ausführungsbeispiels des Kühlkörpers quer zum Kühlkanal,
- 3 eine schematische Darstellung eines Querschnitts eines Ausführungsbeispiels des Kühlkörpers quer zum Kühlkanal,
- 4 eine schematische Darstellung eines Querschnitts eines Ausführungsbeispiels des Kühlkörpers entlang des Kühlkanals,
- 5 eine schematische Darstellung eines Querschnitts eines Ausführungsbeispiels des Kühlkörpers entlang des Kühlkanals.
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Ausführungsformen der Erfindung
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In den Figuren sind verschiedene Ausführungsbeispiele des Kühlkörpers 1 dargestellt. Die 1 bis 3 zeigen Querschnitte durch drei verschiedene Ausführungsbeispiele des Kühlkörpers 1 in einer Ebene senkrecht zur Flussrichtung des Kühlmediums durch den Kühlkanal 5. Die 4 und 5 zeigen Querschnitte durch zwei verschiedene Ausführungsbeispiele des Kühlkörpers 1 in einer Ebene, die entlang der Flussrichtung der Kühlmediums durch den Kühlkanal 5 verläuft und die senkrecht zu den in 1 bis 3 dargestellten Ebenen steht.
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Der Kühlkörper 1 kann beispielsweise zur Kühlung von elektrischen und/oder elektronischen Baugruppen 4, beispielsweise Leistungsschaltungen eingesetzt werden. Dabei kann es sich beispielsweise um Leistungsschaltungen, wie Inverterstrukturen oder Konverterstrukturen, von Hybridfahrzeugen oder Elektrofahrzeugen handeln. Die elektrische und/oder elektronische Baugruppe 4 kann beispielsweise als Leistungsmodul ausgebildet sein und beispielsweise ein Trägersubstrat mit Leiterbahnen umfassen, auf dem beispielsweise Leistungshalbleiter angeordnet sind, die zusammen mit dem Trägersubstrat eine Elektronikeinheit bilden. Im Betrieb wird von der elektrischen und/oder elektronischen Baugruppe 4 Wärme erzeugt, die an den Kühlkörper 1 abgeleitet wird. Der Kühlkörper 1 bildet zusammen mit der an der Auflagefläche 32 des Kühlkörpers 1 angeordneten elektrischen und/oder elektronischen Baugruppe 4 eine elektrische und/oder elektronische Vorrichtung 100. Die elektrische und/oder elektronische Baugruppe 4 ist auf dem Kühlkörper 1, beispielsweise auf einer Auflagefläche 32 des Kühlkörpers 1, angeordnet. Zwischen dem Kühlkörper 1 und der elektrischen und/oder elektronischen Baugruppe 4 können eine oder mehrere Schichten zur Befestigung und thermischen Anbindung der elektrischen und/oder elektronischen Baugruppe 4 auf dem Kühlkörper 1 angeordnet sein. Beispielsweise kann auf der der elektrischen und/oder elektronischen Baugruppe 4 zugewandten Auflagefläche 32 eine Kupferbeschichtung vorgesehen sein. Zum Zweck eines geringen Wärmewiderstands zwischen der, beispielsweise ein AMB/DBC-Leistungssubstrat umfassenden, elektrischen und/oder elektronischen Baugruppe 4 und dem Kühlkörper 1 wird beispielsweise das Leistungssubstrat mittels eines Weichlotprozesses oder eines Sinterprozesses auf die Auflagefläche 32 des Kühlkörpers 1 gefügt. Die Auflagefläche 32 ist beispielsweise mit für einen Weichlötprozess oder einen Sinterprozess geeigneten Materialien beschichtet. Wie in den dargestellten Ausführungsbeispielen können auf dem Kühlkörper 1 mehrere, beispielsweise drei oder vier, elektrische und/oder elektronische Baugruppen 4, beispielweise nebeneinander, angeordnet sein. Dabei ist jeder elektrischen und/oder elektronischen Baugruppe 4 eine Auflagefläche 32 zugeordnet. So ist jede der elektrischen und/oder elektronischen Baugruppen 4 thermisch an dem Kühlkörper 1 angebunden und an diesem befestigt. Die elektrische und/oder elektronische Vorrichtung 100 kann somit beispielsweise einen Kühlkörper 1 mit mehreren Auflageflächen 32, an denen mehrere elektrische und/oder elektronische Baugruppen 4 angeordnet sind, umfassen.
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Der Kühlkörper 1 umfasst ein Rohr 10. Das Rohr 10 bildet das zentrale Element des Kühlkörpers 1. Das Rohr 10 verläuft unterhalb der elektrischen und/oder elektronischen Baugruppe 4. Die elektrische und/oder elektronische Baugruppe 4 liegt mittelbar oder unmittelbar an dem Rohr 10 an. In dem Rohr 10 ist ein Innenraum 11 ausgebildet. Der Innenraum 11 des Rohrs 10 bildet den Kühlkanal 5 des Kühlkörpers 1. Der Kühlkanal 5 ist von einem Kühlmedium durchströmbar. Der Kühlkanal 5 verläuft beispielsweise parallel zur Auflagefläche 32. Wie in den 1 bis 3 dargestellt, weist das Rohr 10 einen flachen Querschnitt, insbesondere senkrecht zur Flussrichtung des Kühlmediums durch den Kühlkanal 5, auf. Wie in den Ausführungsbeispiel kann das Rohr 10 einen im Wesentlichen rechteckförmigen Querschnitt, beispielsweise mit abgerundeten Ecken aufweisen. Wenigstens eine Seitenwand 12 des Rohrs 10 ist eben ausgebildet. Somit kann an der eben ausgebildeten Seitenwand 12 des Rohrs 10 die elektrische und/oder elektronische Baugruppe 4 flach und eben mittelbar oder unmittelbar aufliegen. Die Auflagefläche 32 des Kühlkörpers 1 für die elektrische und/oder elektronische Baugruppe 4 kann beispielsweise direkt an dem Rohr 10, insbesondere an der eben ausgebildeten Seitenwand 12 des Rohrs 10, ausgebildet sein.
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Die elektrische und/oder elektronische Baugruppe 4 kann beispielsweise direkt oder unter Zwischenlage einer oder mehrerer Zwischenschichten, wie einem ebenen Blech 14, an dem Rohr 10, insbesondere an der eben ausgebildeten Seitenwand 12 des Rohrs 10 anliegen, und an diesem befestigt sein. Das Rohr 10 ist beispielsweise aus einem Material mit hoher thermischer Leitfähigkeit, beispielsweise aus einem Metall, beispielsweise aus Aluminium, ausgebildet. Das Rohr 10 weist beispielsweise eine den Kühlkanal 5 umlaufend konstante Wanddicke auf. An einer Außenseite des Rohrs 10 können weitere Elemente zur Verbesserung der Festigkeit, Ebenheit und/oder Steifigkeit des Rohrs 10 angeordnet sein. So können beispielsweise ein oder mehrere ebene Bleche 14 an einer Außenseite des Rohrs 10, insbesondere an der eben ausgebildeten Seitenwand 12 des Rohrs 10, befestigt, beispielsweise aufgelötet, sein. Die Auflagefläche 32 für die elektrische und/oder elektronische Baugruppe 4 ist dann beispielsweise auf dem ebenen Blech 14 ausgebildet.
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Weiterhin umfasst der Kühlkörper 1 wenigstens eine Turbulenzstruktur 6. Die Turbulenzstruktur 6 ist in dem Innenraum 11 des Rohrs 10 angeordnet. Die Turbulenzstruktur 6 kann sich über den gesamten Querschnitt des Kühlkanals 5 senkrecht zur Flussrichtung des Kühlmediums durch den Kühlkanal 5 erstrecken. Die Turbulenzstruktur 6 steht dabei im Innenraum 11 des Rohrs 10 mit dem Rohr 10 in Kontakt. Somit kann Wärme vom Rohr 10 an die Turbulenzstruktur 6 im Inneren des Rohrs 10 und dann an das die Turbulenzstruktur 6 durchströmende Kühlmedium abgeleitet werden. An der Turbulenzstruktur 6 können beispielsweise Rippen oder Pins ausgebildet sein. Die Turbulenzstruktur 6 dient der Vergrößerung der wärmeübertragenden Oberfläche des Kühlkörpers 1 im Kühlkanal 5 und der Intensivierung des Wärmeübergangs. Die Turbulenzstruktur 6 wirkt vorteilhaft oberflächenvergrößernd, strömungsführend und wärmeübergangserhöhend. Um eine möglichst hohe Effizienz der Kühlung zu erzielen, wird ein möglichst großer Teil des Kühlkanals 5 von der Turbulenzstruktur 6 ausgefüllt. Die Turbulenzstruktur 6 kann aus einem Material mit guter Wärmeleitfähigkeit, beispielsweise aus einem Metall, beispielsweise aus Aluminium, ausgebildet sein und/oder mit einem solchen Material beschichtet sein.
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Die Turbulenzstruktur 6 kann beispielsweise einstückig mit dem Rohr 10, beispielsweise als von der Innenwand des Rohrs 10 in den Kühlkanal 5 hineinragende Struktur ausgebildet sein. Dabei kann die Turbulenzstruktur 6 beispielsweise zusammen mit dem Rohr 10 aus dem gleichen Material gefertigt werden. Das Rohr 10 kann beispielsweise als extrudiertes Rohr ausgebildet sein und die Turbulenzstruktur 6 bereits an der Innenwand des Rohrs 10 ausgebildet sein. Das Rohr 10 kann beispielsweise als rollgeformtes Rohr mit anschließender Schweißung an der offenen Stelle ausgeführt sein.
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Die Turbulenzstruktur 6 kann aber, wie in den dargestellten Ausführungsbeispielen, auch als ein vom Rohr 10 separates Bauteil ausgebildet sein, das im Innenraum 11 des Rohrs 10 angeordnet ist. Die Turbulenzstruktur 6 kann dann beispielsweise auch im Innenraum 11 des Rohrs 10 an dem Rohr 10 befestigt, beispielsweise verlötet, sein. Die Turbulenzstruktur 6 ist beispielsweise mittels eines Hartlötverfahrens im Innenraum 11 des Rohrs 10 befestigt. Die Turbulenzstruktur 6 wird beispielsweise parallel zur Auflagefläche 32 vom Kühlmedium durchflossen. Die Turbulenzstruktur 6 weist eine oberflächenvergrößernde, strömungsführende und wärmeübertragende Struktur auf. Die Turbulenzstruktur 6 ist beispielsweise aus einem gut wärmeleitenden Metall, beispielsweise aus Aluminium ausgebildet. Die Turbulenzstruktur 6 kann beispielsweise als strukturiertes Blech ausgebildet sein. Die Turbulenzstruktur 6 umfasst beispielsweise eine Vielzahl an Turbulenzabschnitten, beispielsweise Turbulenzblechen, welche in einem Winkel zur Strömungsrichtung des Kühlfluids durch den Kühlkanal 5 angeordnet sind, um das durch den Kühlkanal 5 strömende Kühlmedium turbulent zu verwirbeln. Dadurch kann die Wärme besonders effektiv abgeführt werden. Die Turbulenzstruktur 6 erstreckt sich beispielsweise flächig, beispielsweise in einer Richtung parallel zur Auflagefläche 32. Die Turbulenzstruktur 6 weist beispielsweise im Wesentlichen die gleiche Flächenausdehnung wie die Auflagefläche 32 des Kühlkörpers 1 auf.
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Wie in 4 und 5 dargestellt, umfasst der Kühlkörper 1 weiterhin eine Zulauföffnung 8 und eine Ablauföffnung 9. Über die Zulauföffnung 8 kann dem Kühlkanal 5 ein Kühlmedium zugeführt werden. Über die Ablauföffnung 9 kann das Kühlmedium aus dem Kühlkanal 5 und dem Kühlkörper 1 herausfließen. Das Kühlmedium kann ein Kühlfluid, wie beispielsweise Wasser, sein. Der Kühlkanal 5 verläuft von der Zulauföffnung 8 zur Ablauföffnung 9. An den beiden Enden des Rohrs 10 ist beispielsweise jeweils ein Endstück 81, 91 angelötet, in welchem die Zulauföffnung 8 und die Ablauföffnung 9 des Kühlkörpers 1 ausgebildet sind. In die Endstücke 81, 91 sind beispielsweise Stutzen integriert. Die Endstücke 81, 91 können beispielsweise aus jeweils zwei umgeformten Blechen 2, 3 ausgebildet sein. Die umgeformten Bleche 2, 3 sind beispielsweise miteinander und/oder dem Rohr 10 des Kühlkörpers 1 verlötet. Die Endstücke 81, 91 sind beispielsweise aus einem Material mit hoher thermischer Leitfähigkeit, beispielsweise aus einem Metall, beispielsweise aus Aluminium, ausgebildet. Die Endstücke 81,91 können aber beispielsweise auch aus einem Kunststoffteil gebildet sein und beispielsweise stoffschlüssig mit dem Rohr 10 verbunden sein. Die Bleche 2, 3 können beispielsweise auch mit dem ebenen Blech 14 verbunden und/oder einstückig mit diesem ausgebildet sein.
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Selbstverständlich sind noch weitere Ausführungsbeispiele und Mischformen der dargestellten Ausführungsbeispiele möglich.
