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Die Erfindung betrifft einen Kühlkörper gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Kühlkörper finden Verwendung in der Leistungselektronik und in Computern, vor allem zur Kühlung von Leistungshalbleitern. Ein Kühlkörper hat die Aufgabe, Verlustwärme durch Wärmeleitung vom wärmeerzeugenden elektrischen Bauelement abzuleiten und diese dann durch Wärmestrahlung und Konvektion an die Umgebung abzugeben. Zur Elektronikkühlung sind bereits Kühlplatten aus Kupfer mit Kühlrippen bekannt. Derartige Kühlplatten können mit Mikrokanälen mit einem geringen Wärmewiderstand ausgestattet sein. Die Kühlflüssigkeit fließt unter der gesamten Oberfläche der Kühlplatte, um die Wärme über eine möglichst große Fläche zu verteilen. Kühlplatten aus Kupfer sind für Wasser wie auch für anderweitige Kühlmedien geeignet. Des Weiteren sind in anderen Technologien Kühlplatten ebenfalls verwendet, um lokal entstehende Wärme zu spreizen und gezielt abzuführen.
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Derartige fluidführende Kühlkörper erreichen bei gleichem Materialaufwand ein Vielfaches an Kühlleistung gegenüber einem nur auf Konvektion beruhenden Passivkühler und können daher sehr kompakt gebaut werden. Bei Hochleistungs-Diodenlasern kommen beispielsweise Mikrokanalkühler als Flüssigkeitskühler mit sehr feinen, nahe bei der Wärmequelle liegenden, stark durchströmten Kühlkanälen zum Einsatz. Wärmerohre ersetzen meist keinen Kühlkörper, sondern dienen in erster Linie dem Wärmetransport und verbessern die Wärmeverteilung sowie das dynamische Verhalten. Es wird häufig bei engen Platzverhältnissen eingesetzt, um die Wärme vom Bauteil zum eigentlichen Kühlkörper zu leiten. Dieses sogenannte Heatpipe-Prinzip wird in Notebooks und sehr kompakten Leistungselektronik-Baugruppen eingesetzt, zunehmend auch zur Kühlung von Baugruppen wie Grafikkarten, Chipsätzen und Prozessoren in leistungsstarken Personalcomputern.
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Zu diesem Themenkreis offenbart die Druckschrift
EP 0 409 918 B1 beispielsweise ein flüssigkeitsgekühltes integriertes Mehrchip-Schaltungsmodul, das für einen auslaufsicheren Betrieb ausgelegt ist. Insbesondere werden thermisch leitende Kühlkörper unmittelbar auf der Oberseite der integrierten Schaltungen angeordnet, während auf der Oberseite der Kühlkörper selbst Kanäle angeordnet sind, die ein flüssiges Kühlmittel transportieren. Die Kanäle sind in einen festen Deckel integriert. Ein Federelement schließt den Kanalbereich dicht vom Chip-Bereich ab, um ein mögliches Auslaufen der Kühlflüssigkeit zu vermeiden.
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Des Weiteren ist aus der Druckschrift
EP 0 529 837 B1 eine Einrichtung zum Kühlen von Mehrchipmodulen bekannt. Hierbei ist ein Wärmerohr direkt in ein Multichip-Modul-Substrat integriert. Im Wärmerohr befindet sich ein Docht, der vom Kühlmittel umspült wird. Das Kühlmittel bewegt sich in einen Verdampfungsbereich des Wärmerohrs, welcher den integrierten Schaltungen am nächsten liegt. Das Kühlmittel verdampft infolge der Wärmeeinwirkung. Der dabei entstehende Dampf bewegt sich entlang des Wärmerohrs und kondensiert in einer von der Wärmequelle entfernt angeordneten Kondensationsregion. Danach kehrt das Kondensat durch Kapillarwirkung im Docht zum Verdampfungsbereich zurück. Ein guter Kontakt zwischen dem Kühlmechanismus und den integrierten Schaltkreis-Chips führt bereits zu einer effektiven Wärmeableitung.
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Aus der Patentschrift
US 6,163,073 A ist eine Wärmesenke in Verbindung mit einem integrierten Wärmerohr bekannt. Die Wärmesenke ist mit Wärmeleitpaste auf der Rückseite eines elektrischen Bauteils befestigt, welches wiederum vorderseitig über Kontakte an einer Leiterplatte angeschlossen ist. Die Wärmesenke besteht aus einer Basisplatte mit Kühlrippen. In der Basisplatte ist eine Nut eingebracht, in der das Wärmerohr angeordnet ist. Zur effizienten Kühlung ist die Nut zum elektrischen Modul hin geöffnet, um das Wärmerohr entsprechend nahe an die Wärmequelle zu positionieren. Der thermische Kontakt zwischen Wärmesenke, Wärmerohr und elektrischem Bauteil wird durch eine Hohlraumfüllung der Nut mit Wärmeleitpaste verbessert. Die Kühlrippen befinden sich auf der Seite der Wärmesenke, die dem elektrischen Bauteil abgewandt ist. Dort sorgen sie für eine effiziente Kühlung durch eine vergrößerte Oberfläche.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Kühlkörper, insbesondere zur Elektronikkühlung, für einen effizienten Wärmeaustausch weiterzubilden.
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Die Erfindung wird in Bezug auf eine Wärmeaustauschereinheit durch die Merkmale des Anspruchs 1 wiedergegeben. Die weiteren rückbezogenen Ansprüche betreffen vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen der Erfindung.
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Die Erfindung schließt einen Kühlkörper mit Kühlplatte und fluidführenden Ausnehmungen, Zulaufleitungen, Ablaufleitungen, zentralem Zulauf und zentralem Ablauf ein, wobei, ausgehend vom zentralen Zulauf, Zulaufleitungen zu den Ausnehmungen geführt sind. Des Weiteren weisen die Ausnehmungen Rundungen auf, die eine Wirbelbildung des Fluids unterstützen. Im Zentrum jeder Ausnehmung ist eine Ablaufleitung für das Fluid angeordnet.
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Die Erfindung geht dabei von der Überlegung aus, dass der Kühlkörper mit den fluidführenden Ausnehmungen von einem gasförmigen oder flüssigen Fluid durchströmt ist. Auch Phasenübergänge von Gas zu Flüssigkeit oder Flüssigkeit zu Gas innerhalb es Kühlkörpers sind denkbar. Kühlkörper umfassen oft Kühlplatten mit einer meist ebenen Oberfläche für den Wärmeaustausch. Über die Kühlplatte findet ein Wärmeübergang, beispielsweise von den an der Außenoberfläche der Kühlplatte angeordneten elektrischen Bauteilen statt. Auch anders geartete Wärmequellen kommen in Betracht. So können, je nach Bedarf, die Kühlkörper auch andere, von einer flachen Geometrie abweichende Formen annehmen.
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Ausgehend vom zentralen Zulauf spaltet sich das Fluid innerhalb des Kühlkörpers in weitere Zulaufleitungen auf, die jeweils zu den Ausnehmungen geführt sind. Hierbei kann sich auch aus dem zentralen Zulauf ein Hauptstrang durch den gesamten Kühlkörper durchziehen, aus dem sich über kurze Distanzen die Zulaufleitungen für die jeweilige Ausnehmung abzweigen. Bei der Auslegung der Leitungen wird die geforderte Kühlleistung entsprechend berücksichtigt. Sobald das Fluid aus der Zuleitung in die Ausnehmungen strömt, bildet es einen Spiralwirbel aus. Hierzu weisen die Ausnehmungen Rundungen auf, die eine Wirbelbildung des Fluids unterstützen. Die Ausnehmungen können beispielsweise tonnenförmig, zylinderförmig oder als Rotationshyperboloid mit zentraler Rotationsachse ausgeführt sein. Die Ablaufleitungen sind zu einem zentralen Ablauf zusammengeführt.
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Damit sich ein Wirbel stabil mit laminarer Strömung ausbildet, ist im Zentrum jeder Ausnehmung eine Ablaufleitung für das Fluid angeordnet. Mit anderen Worten: Eine im Zentrum angeordnete Ablaufleitung bedeutet einen in axialer Richtung des Wirbels gelegene bodenseitige oder deckelseitige Austrittsmöglichkeit des Fluids. Um den Wirbel zusätzlich zu unterstützen und zu stabilisieren, kann mit Überdruck im Zulauf und Unterdruck im Ablauf gearbeitet werden. Das Fluid tritt folglich in radialer Richtung in die im Wesentlichen runden Ausnehmungen ein und in axialer Richtung, also boden- oder deckelseitig, wieder aus. Wichtig dabei ist eine spiralförmige Durchströmung jeder Ausnehmung. Mit kleiner werdendem Durchmesser, also zum Zentrum hin, steigt die Fließgeschwindigkeit des Fluids.
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So bestimmen auch Form und Höhe der Ausnehmung maßgeblich die Rotationsendgeschwindigkeit. Das Fluid kann in der Ausnehmung ein- oder zweiphasig vorliegen. Durch den Wärmeeintrag kann dabei ein zunächst flüssig vorliegendes Fluid verdampfen und als Dampf oder als Flüssigkeit-Gas-Mischung aus der Ausnehmung in axialer Richtung abgeleitet werden. Mit Hilfe von Phasenübergängen wird bei Fluiden aufgrund der beim Phasenübergang aufgenommenen latenten Wärme besonders viel überschüssige Energie abgeführt.
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Die Kühlkörper können aus Metall, Kunststoff oder auch aus faserverstärkten Materialen bestehen. Als Werkstoffe für den Wärmeaustauscher eigenen sich in erster Linie Kupfer oder Aluminium, einschließlich deren Legierungen oder Edelstahl und in speziellen Fällen Titan.
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Der besondere Vorteil besteht darin, dass der Spiralwirbel durch Längsströmung einen hohen Wärmeübergang und durch Querströmung nur einen geringen Druckabfall aufweist. Die Strömungsgeschwindigkeit wird durch den jeweiligen Wirbel vervielfacht, wohingegen der Druckabfall gegenüber herkömmlichen Lösungen minimal ist und dabei ein besonders effizienter Wärmeaustausch stattfindet.
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Zur Ausbildung eines Spiralwirbels wird jede Ausnehmung mit einem zentralen Ablauf so ausgestaltet, dass auch ein in beliebiger Strömungsrichtung eintretendes Fluid in eine Wirbelströmung geführt wird. In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung können die Zulaufleitungen das Fluid tangential in die jeweiligen Ausnehmungen einleiten. Durch den tangential zur Behälterwandung in den Rundbehälter führenden Zulauf kommt es durch die bereits vorgegebene Strömungsrichtung auf einfache Weise zur Wirbelbildung im Behälter. Um die gewünschten Spiralwirbel zu unterstützen, sind auch spiralige bzw. zyklonartige Formen angedacht.
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In bevorzugter Ausführungsform der Erfindung kann die tangential in die jeweiligen Ausnehmungen führende Zulaufleitung als Schlitzdüse ausgeführt sein. Durch derartige Engstellen kann die in die Ausnehmung eintretende Fluidmenge besser gesteuert werden. Die Düsenwirkung bedingt auch eine Zunahme der Eintrittsgeschwindigkeit des Fluids. Dies hat einen günstigen Einfluss auf die Ausbildung des jeweiligen Wirbels.
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Vorteilhafterweise kann die Ausnehmung die Form eines stehenden Rundzylinders mit einer bodenseitigen Ablaufleitung aufweisen. Bei einem stehenden Rundbehälter fließt das Fluid durch Gravitation von einer höher liegenden Schicht in eine niedriger liegende Schicht in Richtung Ablaufleitung und bildet hierbei einen Coriolis-Wirbel aus. Bevorzugt wird diese Anordnung bei einphasigen flüssigen Fluiden, wie beispielsweise Wasser, angewandt. Sind gasförmige Fluide beteiligt, so können diese auch entgegen der Gravitationswirkung aus dem Zentrum des sich ausbildenden Spiralwirbels abgeleitet werden.
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Vorteilhafterweise kann eine Leitstruktur zur Fluidführung in den Ausnehmungen angeordnet sein. Auch Leitstrukturen dienen im inneren der Ausnehmung zur gezielten Führung des Fluids. Leitstrukturen sind meist strömungsgünstig angeordnete Vorsprünge oder Bleche, die eine strömungsgünstige Form aufweisen können. Die Leitstruktur dient jedenfalls zur Anpassung von Strömungsgeschwindigkeit und Volumenstrom des Fluids.
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Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung können die Zulaufleitungen Kanalstrukturen sein. Kanalstrukturen führen das Fluid in einem Strang auf direktem Wege zu den jeweiligen Ausnehmungen und haben einen möglichst kleinen Strömungswiderstand. Die zur Wirbelbildung in einer Ausnehmung benötige Fluidmenge wird dann in der benötigten Menge vom Hauptstrang abgezweigt.
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Vorteilhafterweise können die Zulaufleitungen aus Mehrkammerprofilen gebildet sein. Diese besondere Form von Zulaufleitungen hat einen besonders kompakten Aufbau. Das in einer Profilkammer transportierte Fluid wird dann gezielt zu zumindest einer der Ausnehmungen geleitet. Über den Leitungsquerschnitt kann so die Flüssigkeitsmenge für jede Ausnehmung variabel gestaltet sein. An Orten, an denen besonders viel Wärme abtransportiert werden soll, kann so eine entsprechend größere Fluidmenge zur Verfügung gestellt werden.
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In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung können zumindest Teile der Wandung der fluidführenden Ausnehmungen eine Oberflächenstruktur aufweisen. Oberflächenstrukturen können zur Stabilisierung der Fluidwirbel sowie auch zur Vergrößerung der Wärmeübertragungsfläche eingesetzt werden.
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Vorteilhafterweise kann dabei die Oberflächenstruktur rippenartige, zapfenartige oder pyramidenartige Vorsprünge aufweisen. Rippenartige Vorsprünge können an der Wandung einer Ausnehmung umlaufen und den Fluidwirbel stabilisieren und zudem die Oberfläche vergrößern. Aus der Wandung hervorstehende zapfenartige oder pyramidenartige Vorsprünge dienen eher nur der Vergrößerung der Wärmeübertragungsfläche.
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In weiterer bevorzugter Ausgestaltung kann die Oberflächenstruktur im Bereich eines sich ausbildenden Wirbelzentrums des Fluids, der Ablaufleitung gegenüberliegend, angeordnet sein. Mit anderen Worten: Diese Strukturen sind im Auge eines Fluidwirbels angeordnet, also an einem Ort, an dem eine Störung der Wirbelströmung keinen großen Einfluss auf dessen Stabilität hat. Hierbei können die Strukturen auch weiter in das Wirbelzentrum hineinreichen und dabei die Wärmeübertragung weiter unterstützen.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der schematischen Zeichnungen näher erläutert.
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Darin zeigen:
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1 eine schematische Ansicht ins Innere eines Kühlkörpers mit entfernter Kühlplatte;
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2 ein schematischer Querschnitt eines Kühlkörpers mit einer als Kanal ausgebildeten Zulaufleitung;
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3 ein schematischer Querschnitt eines Kühlkörpers mit mittig angeordneter Zulaufleitung, ausgebildet als Kammerprofil;
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4 eine schematische Ansicht einer Kühlplatte eines Kühlkörpers mit pyramidenartigen Vorsprüngen als Oberflächenstruktur.
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Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt eine schematische Ansicht ins Innere eines Kühlkörpers 1 in Blickrichtung von oben. Die als Abdeckung dienende Kühlplatte ist dabei entfernt. Eine im montierten Zustand in einer Dichtnut 11 eingelegte umlaufende Dichtung verhindert einen Austritt des Kühlfluids an den Seitenflächen des Kühlkörpers 1. Eine Vielzahl von zylinderförmig ausgebildeten Ausnehmungen 3 sind über den Kühlkörper 1 verteilt angeordnet. Jede Ausnehmung 3 ist durch eine Zylinderform so gestaltet, dass eine Wirbelbildung des Fluids unterstützt wird. Über einen zentralen Zulauf 4 tritt das Fluid in den Kühlkörper 1 ein und wird im Inneren in mehrere Zulaufleitungen 41 aufgeteilt. Über die Zulaufleitungen 41 werden die Ausnehmungen 3 über jeweils eine am äußeren Umfang angeordnete Eintrittsöffnung 42 mit einem Teil des Fluids aus den Leitungen versorgt. Im Zentrum einer Ausnehmung 3 befindet sich am Boden eine Austrittsöffnung 52 für eine Ablaufleitung 51, welche das Fluid zu einem zentralen Ablauf 5 abführt. Die an der Peripherie einer Ausnehmung 3 befindliche Eintrittsöffnung 42 und die zentral im Bodenbereich liegende Austrittsöffnung 52 bedingen die Ausbildung eines Fluid-Spiralwirbels. Der Durchmesser einer Ausnehmung 3 ist so konzipiert, dass üblicherweise zumindest eine oder auch mehrere vollständige Umdrehungen des sich ausbildenden Fluidwirbels stattfindet, bevor das Fluid durch die Austrittsöffnung 52 hindurch tritt und in die Ablaufleitung 51 abgeleitet wird. Die Innenwand einer Ausnehmung 3 kann sich zur Austrittsöffnung 52 hin trichterartig verengen, um die Strömungsführung des Wirbels günstig zu beeinflussen. Die gestrichelt dargestellten Pfeile geben die Strömungsrichtung des Fluids in den Leitungen an.
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2 zeigt einen schematischen Querschnitt eines Kühlkörpers 1 mit einer als Kanal ausgebildeten Zulaufleitung 41. Ein zentraler Zulauf 4 ist in diesem Falle nicht weiter verzweigt, sondern mündet direkt in die symmetrisch im Kühlkörper 1 angeordneten Zulaufleitung 41. Die Zulaufleitung 41 stellt gebündelt das gesamte zur Kühlung zur Verfügung stehende Fluid bereit. Entlang dieser wird der Fluidstrom über die Eintrittsöffnungen 42 auf die Ausnehmungen 3 verteilt. Da an jeder Ausnehmung 3 ein gewisser Anteil Fluid aus dem Kanal entnommen wird, verjüngt sich die Zulaufleitung 41 nach jeder Entnahmestelle zu einem gewissen Maße. Folglich wird die in 1 beschriebene zylindrische Form der Ausnehmungen 3 eingangsseitig in eine leicht spiralig verlaufende Form umgebildet, wodurch sich bis zu einem gewissem Maße die Wirkung einer Schlitzdüse einstellt. Auf diese Weise wird das Fluid tangential in die Ausnehmungen 3 hineingepresst. Dennoch gleicht auch die in 2 vorliegende Form noch im Wesentlichen einem Zylinder. Zur geeigneten Fluidführung sind so auch etwas aufwändigere konstruktive Lösungen denkbar, sofern diese die Ausbildung des Spiralwirbels unterstützen oder stabilisieren. In den Ausnehmungen 3 symbolisieren die gestrichelten Pfeile die Rotation des sich ausbildenden Fluid-Spiralwirbels, der um ein Wirbelzentrum 8 rotiert. Das Fluid wird über den mittig in jeder Ausnehmung 3 angeordneten Austrittsöffnung 52 abgeleitet. Die in dieser Schnittebene nicht sichtbaren Ablaufleitungen führen von den Austrittsöffnungen 52 zu einem zentralen Ablauf 5.
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3 zeigt einen schematischen Querschnitt eines Kühlkörpers 1 mit mittig angeordneter Zulaufleitung 41, ausgebildet als Kammerprofil. Das Kammerprofil wird wiederum über einen zentralen Zulauf 4 mit Fluid versorgt. In einem Kammerprofil liegen mehrere Zulaufstränge als abgeschlossene Kanäle parallel. Über jeweils einen Kanal wird das im Kammerprofil transportierte Fluid gezielt zur Eintrittsöffnung 42 jeweils einer Ausnehmung 3 geleitet. Hier können je nach Kühlbedarf auch unterschiedlich starke Fluidströme für ausgewählte Ausnehmungen zur Verfügung gestellt werden. Zudem sind in 3 um die Austrittsöffnungen 52 weitere den Spiralwirbel unterstützende Leitstrukturen 6 in Gestalt von Leitblechen angeordnet. Derartige Leitbleche zwingen das Fluid in die Spiralform und leiten diese zum Zentrum hin. Über den zentralen Ablauf 5 wird das austretende Fluid, wie bereits zu 2 beschrieben, abgeleitet.
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4 zeigt eine schematische Ansicht einer Kühlplatte 2 eines Kühlkörpers mit mit pyramidenartigen Vorsprüngen als Oberflächenstruktur 7. Die Vorsprünge sind an der Stelle an der Kühlplatte 2 angeordnet, an der sich das Zentrum des Spiralwirbels ausbildet. Diese Strukturen sind folglich im Auge eines Fluidwirbels angeordnet, also an einem Ort, an dem eine Störung der Wirbelströmung keinen großen Einfluss auf dessen Stabilität hat. Um den Fluidwirbel jedoch nicht zu sehr zu stören, verjüngen sich die Strukturen zur Spitze hin entsprechend.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Kühlkörper
- 11
- Dichtnut
- 2
- Kühlplatte
- 3
- Ausnehmungen
- 4
- zentraler Zulauf
- 41
- Zulaufleitung
- 42
- Eintrittsöffnung
- 5
- zentraler Ablauf
- 51
- Ablaufleitung
- 52
- Austrittsöffnung
- 6
- Leitstruktur
- 7
- Oberflächenstruktur
- 8
- Wirbelzentrum
- ⇢
- Strömungsrichtung des Fluids
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 0409918 B1 [0004]
- EP 0529837 B1 [0005]
- US 6163073 A [0006]
