EP3830425A1 - Lüfter mit kühlkörper aus wärmeleitfähigem kunststoff - Google Patents

Lüfter mit kühlkörper aus wärmeleitfähigem kunststoff

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EP3830425A1
EP3830425A1 EP19745595.9A EP19745595A EP3830425A1 EP 3830425 A1 EP3830425 A1 EP 3830425A1 EP 19745595 A EP19745595 A EP 19745595A EP 3830425 A1 EP3830425 A1 EP 3830425A1
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EP
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cover
fan
electronics
area
cooling
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EP19745595.9A
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English (en)
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Inventor
Thomas Heli
Peter Riegler
Daniel Gebert
Valerius SCHAAF
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Ebm Papst Mulfingen GmbH and Co KG
Original Assignee
Ebm Papst Mulfingen GmbH and Co KG
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F04D29/58—Cooling; Heating; Diminishing heat transfer
    • F04D29/5813—Cooling the control unit

Definitions

  • the invention relates to a fan with a heat sink designed as a plastic cover.
  • a heat sink has the task of absorbing heat from an element to be cooled and releasing it again into a surrounding medium. This usually comes for the heat sink, a material with a high thermal conductivity such.
  • Heat sinks are also used for motors.
  • DE 19841583 A1 is concerned with a heat sink for cooling elements, in particular semiconductor components, motors and units, in particular a cooling unit made at least partly from extruded aluminum or other light metal, consisting of at least two separate base profiles for mounting the electrical components which are spaced apart and connected to one another by means of a plurality of separate cooling fins. At least one fan is also provided between two adjacent base profiles.
  • heat conduction also called heat diffusion or conduction - is understood in physics the heat flow due to a temperature difference. According to the second law of thermodynamics, heat flows only in the direction of a lower temperature, i.e. in the direction of the temperature.
  • Thermal conduction is a mechanism for transporting thermal energy without the need for a macroscopic flow of material as with the alternative mechanism of convection.
  • the heat transport by heat radiation is also considered as a separate mechanism.
  • a measure of the heat conduction in a certain substance is the thermal conductivity.
  • the object of the invention is therefore to provide cooling which can be produced cost-effectively and functions reliably for the electronics of a fan motor of a fan.
  • a basic idea of the present invention is to cool the electronics of a fan with the aid of a plastic heat sink instead of a metal heat sink.
  • This approach which is unknown in the prior art, can be realized by using the heat sink as a cover with a very thin wall thickness with a specific shape and surface.
  • several effects are used cumulatively, namely heat conduction, heat convection and the reduction of heat build-up by using a thin-walled plastic material with a large, efficient surface and a comparatively large proportion with a direct contact surface for heat-producing components.
  • a fan is provided with electronics on a printed circuit board, in which a cover is provided above the electronics, which acts both as an active and as a passive heat sink, the cover being designed essentially as a flat cover element made of a thin-walled plastic and has a shape which has a surface which is effective for cooling the electronics arranged under the cover and which is at least a factor of 2 larger than the projected base area of the cover.
  • the cover has a cooling fin structure with a plurality of cooling fins which enlarge the effective surface.
  • the cover forms a plurality of depressions, in which fastening openings are provided, on which the cover is detachably fastened to the fan via releasable fastening means.
  • the cover in the area of the cooling fin structure has a flat contact side for direct contacting of heat-producing components.
  • the cover has the cooling fin structure in one or more areas or forms several areas with such a cooling fin structure.
  • the cooling fins are attached or designed to run radially outward, as a result of which a structure which is open to the radially outward and upward can be realized, which has an advantageous effect on the production and the cooling effect.
  • cooling fins have a changing, in particular decreasing wall thickness.
  • Other shapes and configurations of the wall thickness are also conceivable to improve the heat dissipation effects.
  • an overall thin wall thickness is aimed for in order to achieve rapid heat dissipation and also to prevent heat build-up.
  • a further optimization is a solution in which the cover forms a flat contact surface on the underside facing the electronics and in the assembled state this contact surface bears against the electronic components at least in sections.
  • the cover is formed from an essentially round section, to which a projection (preferably with a linearly extending side edge) is integrally connected. It has also been shown to be advantageous if the material of the cover is a polyamide (PA), polyurethane (PUR), polycarbonate (PC) or polyethylene (PE). In a further advantageous embodiment it is provided that the thickness of the cover in that area which is parallel to the arrangement of the printed circuit board and / or the area of the flat contact surface is at least a factor of 2 lower than in an edge area or a area of the cover, which extends towards the electronics. As a result, the essential stabilizing properties can be placed in the edge area and the essential thermal properties in the flat area and the areas with the cooling fins.
  • PA polyamide
  • PUR polyurethane
  • PC polycarbonate
  • PE polyethylene
  • FIG. 1 is a schematic sectional view through a radial fan
  • FIG. 2 shows a perspective view of the radial fan from FIG. 1,
  • FIG. 3 shows a top view of the cover of the electronics of the radial fan from FIG. 1,
  • FIG. 4 shows a perspective view of the cover from FIG. 3,
  • FIG. 5 shows a sectional view through the cover from FIG. 3.
  • FIG. 1 shows a schematic sectional view through a fan 1, here a radial fan.
  • the fan 1 is formed with electronics on a circuit board 2.
  • a cover 10 according to the invention is shown above the electronics and is designed both as an active and as a passive heat sink.
  • the cover 10, as can be seen in FIGS. 3 to 5, is essentially designed as a flat cover element made of a thin-walled plastic and has a shape which has a surface 11 which is effective for cooling the electronics arranged under the cover 10 and which is opposite the projected base area of the cover 10 is larger by at least a factor of 2 due to the cooling fin structure with a plurality of cooling fins 12 shown in FIG. As can also be seen, the cooling fins run or extend radially outwards.
  • the projected base area results from the illustration in FIG. 3.
  • the effectively effective surface area is significantly increased by the rib structure.
  • the cover 10 is formed from an essentially central round section 17 to which a projection 18 with a straight side edge is integrally connected.
  • the cover 10 forms a plurality of recesses 13 in which fastening openings 14 are provided.
  • the cover 20 is releasably attached to the fan 1 in operative connection with the electronics via releasable fastening means 15 (e.g. screws).
  • the cover 10 forms a flat contact surface 19 on the underside facing the electronics, so that in the assembled state it bears against electronic components at least in sections. In the sectional view through the cover 10, as shown in FIG. 5, it has a flat contact side 16 in the region of the cooling fin structure for contacting heat-producing components of the electronics.
  • cooling fins 12 have a changing, have a slightly decreasing wall thickness, especially from bottom to top, and taper slightly, so to speak.
  • the embodiment of the invention is not limited to the preferred exemplary embodiments specified above. Rather, it is conceivable, the shape and design of the lid to the respective requirement accordingly and z. B. adapt the number of areas with rib structures to the specific cooling task.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Lüfter (1) mit einer Elektronik auf einer Leiterplatte (2) und einer oberhalb der Elektronik angeordnete Abdeckung (10), die sowohl als aktiver als auch als passiver Kühlkörper ausgebildet ist, wobei die Abdeckung (10) im Wesentlichen als flächiges Deckelelement aus einem dünnwandigen Kunststoff ausgebildet ist und über eine Form verfügt, die eine für die Kühlung der unter der Abdeckung (10) angeordneten Elektronik wirksame Oberfläche (11) aufweist, welche gegenüber der projizierten Grundfläche der Abdeckung (10) um mindestens den Faktor 2 größer ist.

Description

LÜFTER MIT KÜHLKÖRPER AUS WÄRMELEITFÄHIGEM KUNSTSTOFF
Beschreibung:
Die Erfindung betrifft einen Lüfter mit einem als Kunststoffabdeckung ausge- bildeten Kühlkörper.
Ein Kühlkörper hat die Aufgabe, Wärme von einem zu kühlenden Element aufzunehmen und an ein umgebendes Medium wieder abzugeben. Dabei kommt für den Kühlkörper üblicherweise ein Material mit einer hohen Wär meleitfähigkeit wie z. B. Aluminium oder Kupfer zum Einsatz. Eine Massenfertigung von Aluminium-Kühlkörpern, insbesondere solchen, die in ihrer Form an eine vorbestimmte Applikation angepasst sind, erfolgt üblicherweise im Druckgussverfahren. Dazu wird erwärmtes Aluminium im flüssigen oder teigigen Zustand unter hohem Druck in eine vorgewärmte Stahlform gepresst, die dann später als leitfähiger Kühlkörper dient.
Bei Motoren werden ebenfalls Kühlkörper verwendet. So beschäftigt sich DE 19841583 A1 mit einen Kühlkörper zum Kühlen von Elementen, insbesonde re von Halbleiterbauelementen, Motoren und Aggregaten, insbesondere zu- mindest teilweise aus stranggepreßtem Aluminium oder anderem Leichtme- tall hergestellte Kühleinheit, bestehend aus mindestens zwei separaten Basisprofilen zur Montage der elektrischen Bauelemente, die voneinander beabstandet und mittels einer Vielzahl separater Kühlrippen miteinander verbunden sind. Zwischen zwei benachbarten Basisprofilen ist ferner die Mon- tage mindestens eines Lüfters vorgesehen.
Zur Kühlung bietet sich die Nutzung der Wärmeleitung an. Unter Wärmelei tung - auch Wärmediffusion oder Konduktion genannt - wird in der Physik der Wärmefluss infolge eines Temperaturunterschiedes verstanden. Wärme fließt dabei - gemäß dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik - immer nur in Richtung geringerer Temperatur, also in Richtung der Temperatursen ke. Wärmeleitung ist ein Mechanismus zum Transport von thermischer Energie, ohne dass dazu ein makroskopischer Materialstrom benötigt wird wie beim alternativen Mechanismus der Konvektion. Auch der Wärmetransport durch Wärmestrahlung wird als getrennter Mechanismus betrachtet. Ein Maß für die Wärmeleitung in einem bestimmten Stoff ist die Wärmeleitfähigkeit.
Es ist daher naheliegend, dass zur Nutzung der Kühlung unter Verwendung eines Kühlkörpers ein Stoff oder Material mit guter bis sehr guter Wärmeleit fähigkeit verwendet wird. Kupfer uns seine Legierungen haben typische Wärmeleitwerte von 100 - 400 W/mK, Aluminium liegt bei 236 W/m K eben- falls in einem Bereich hoher Wärmeleitfähigkeit. Selbst unlegierter Stahl hat als metallischer Werkstoff schon eine deutlich schlechtere Eigenschaft der Wärmeleitung und besitzt eine Wärmeleitfähigkeit im Bereich von etwa 50 W/mK.
Industrie-Kunststoffe, wie PUR oder Polyamid (PA) sind als Wärmeleiter aufgrund ihres erheblich niedrigeren Leitwertes, der nicht einmal 1/1000 des Wertes von Kupfer beträgt, im Stand der Technik als ungeeignet bezeichnet. Man hat somit mit Kupfer einer um mehr als 1000-fach besserer Leitfähigkeit als mit einem herkömmlichen Kunststoff.
Bei Lüftern und Lüftermotoren mit einer integrierten Elektronik wird die Elektronik naturgemäß warm oder heiß und muss daher gekühlt werden, um eine Beschädigung der Elektronik zu vermeiden und die Lebensdauer derselben zu erhöhen. Typische metallische Abdeckungen führen zwar die Wärme gut weg, sind aber teuer in der Herstellung und bereits durch den hohen Materi- alpreis nicht kostengünstig realisierbar.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine kostengünstig Her- stellbare und zuverlässig funktionierende Kühlung für die Elektronik eines Lüftermotors eines Lüfters bereit zu stellen.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmalskombination gemäß Anspruch 1 gelöst.
Ein Grundgedanke der vorliegenden Erfindung liegt darin, die Elektronik ei- nes Lüfters mit Hilfe eines Kunststoffkühlkörpers anstelle eines metallischen Kühlkörpers zu kühlen. Diese im Stand der Technik unbekannte Ansatz lässt sich dadurch realisieren, dass der Kühlkörper als Abdeckung mit sehr dünner Wandstärke mit einer spezifischen Form und Oberfläche verwendet wird. Neben der Vergrößerung der Oberfläche, werden gezielt mehrere Effekte kumulativ genutzt, nämlich die Wärmeleitung, die Wärmekonvektion und die Reduktion von Wärmestau, indem ein dünnwandiges Kunststoffmaterial, mit großer effizienter Oberfläche und einem vergleichsweise großen Anteil mit einer unmittelbaren Anlagefläche für Wärme produzierende Bauteile.
Auf diese Weise kann in Abkehr vom Stand der Technik auch mit einem Kunststoffmaterial auf günstige und effiziente Weise ein Abdeckung erhalten werden, die einen thermischen Abtransport der entstehenden Wärme ermög licht. Erfindungsgemäß wird hierzu ein Lüfter aufweisend eine Elektronik auf einer Leiterplatte bereitgestellt, bei der oberhalb der Elektronik eine Abdeckung vorgesehen ist, die sowohl als aktiver als auch als passiver Kühlkörper wirkt, wobei die Abdeckung hierzu im Wesentlichen als flächiges Deckelelement aus einem dünnwandigen Kunststoff ausgebildet ist und über eine Form ver- fügt, die eine für die Kühlung der unter der Abdeckung angeordneten Elektronik wirksame Oberfläche aufweist, welche gegenüber der projizierten Grundfläche der Abdeckung um mindestens den Faktor 2 größer ist.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Abdeckung hierzu eine Kühlrippenstruktur mit mehreren Kühlrippen aufweist, welche die wirksame Oberfläche vergrößern.
Weiter vorteilhaft ist es, wenn die Abdeckung mehrere Vertiefungen ausbildet, in denen Befestigungsöffnungen vorgesehen sind, an denen die Abdeckung über lösbare Befestigungsmittel lösbar am Lüfter befestigt sind.
Weiter von Vorteil ist vorgesehen, wenn die Abdeckung im Bereich der Kühl- rippenstruktur eine flache Anlageseite zur unmittelbaren Kontaktierung von wärmeproduzierenden Bauelementen aufweist. In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Abdeckung die Kühlrippenstruktur in einem oder mehreren Berei- chen aufweist oder mehrere Bereiche mit einer solchen Kühlrippenstruktur ausbildet. Weiter ist es von Vorteil, wenn die Kühlrippen radial nach außen verlaufend angebracht oder ausgebildet sind, wodurch sich eine nach radial Außen und Oben hin offene Struktur realisieren lässt, was sich vorteilhaft auf die Fertigung und die kühltechnische Wirkung auswirkt.
Eine weitere Verbesserung kann dadurch erzielt werden, dass die Kühlrippen eine sich verändernde, insbesondere nach außen hin abnehmende Wand stärke besitzen. Es sind auch andere Formen und Gestaltungen der Wandstärke denkbar, um die Wärmeableiteffekte zu verbessern. Prinzipiell wird entgegen den im Stand der Technik üblicherweise eingesetzten metallischen Körpern mit dicken Wandstärken, gemäß dem Konzept der vorliegenden Er- findung eine dabei insgesamt geringe Wandstärke angestrebt um eine schnelle Wärmeableitung zu realisieren und auch Wärmestau zu verhindern.
Eine weitere Optimierung stellt eine Lösung dar, bei der die Abdeckung an der der Elektronik zugewanden Unterseite eine flache Anlagefläche ausbiidet und im montierten Zustand diese Anlagefläche gegen Elektronikbauteile zu- mindest abschnittsweise anliegt.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung für einen Radiallüfter wird die Abdeckung aus einem im Wesentlichen runden Abschnitt gebildet an den sich eine Auskragung (vorzugsweise mit einem linear verlaufenden Seitenrand) einstückig anschließt. Ebenfalls hat sich mit Vorteil gezeigt, wenn das Material der Abdeckung ein Polyamid (PA), Polyurethan (PUR), Polycarbonat (PC) oder Polyethylen (PE) ist. In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Di- cke der Abdeckung in demjenigen Bereich der parallel zur Anordnung der Leiterplatte und/oder dem Bereich der flachen Anlagefläche mindestens um den Faktor 2 geringer ist, als in einem Randbereich oder einem Bereich der Abdeckung, der sich in Richtung zur Elektronik hin erstreckt. Hierdurch kön nen die wesentlichen stabilisierenden Eigenschaften in den Randbereich und die wesentlichen thermischen Eigenschaften in den flächigen Bereich und die Bereiche mit den Kühlrippen gelegt werden.
Andere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprü chen gekennzeichnet bzw. werden nachstehend zusammen mit der Be- schreibung der bevorzugten Ausführung der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt.
Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Schnittansicht durch einen Radiallüfter,
Fig. 2 eine perspektivische Ansicht auf den Radiallüfter aus Figur 1 ,
Fig. 3 eine Aufsicht auf die Abdeckung der Elektronik des Radiallüfters aus Figur 1 ,
Fig. 4 eine perspektivische Ansicht der Abdeckung aus Figur 3,
Fig. 5 eine Schnittansicht durch die Abdeckung aus Figur 3.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels mit Bezug auf die Figuren 1 bis 5 näher erläutert, wobei gleiche Bezugszeichen auf gleiche strukturelle und/oder funktionale Merkmale hinweisen.
Die Fig. 1 zeigt eine schematische Schnittansicht durch einen Lüfter 1 , hier einen Radiallüfter. Der Lüfter 1 ist mit einer Elektronik auf einer Leiterplatte 2 ausgebildet.
Oberhalb der Elektronik ist eine erfindungsgemäße Abdeckung 10 gezeigt, die sowohl als aktiver als auch als passiver Kühlkörper ausgebildet ist. Dabei ist die Abdeckung 10, wie in den Figuren 3 bis 5 ersichtlich im Wesentlichen als flächiges Deckelelement aus einem dünnwandigen Kunststoff ausgebildet und verfügt über eine Form, die eine für die Kühlung der unter der Abde ckung 10 angeordneten Elektronik wirksame Oberfläche 11 aufweist, welche gegenüber der projizierten Grundfläche der Abdeckung 10 aufgrund der in der Figur 2 ersichtlichen Kühlrippenstruktur mit mehreren Kühlrippen 12 um wenigstens den Faktor 2 größer ist. Wie ebenfalls erkennbar, verlaufen bzw. erstrecken sich die Kühlrippen radial nach außen.
Die projizierte Grundfläche ergibt sich in der Aufsicht aus der Abbildung in der Figur 3. Wie ergänzend in der Figur 5 erkennbar ist, wird durch die Rip penstruktur die effektiv wirksame Oberfläche deutlich vergrößert. Die Abde- ckung 10 ist aus einem im Wesentlichen zentralen runden Abschnitt 17 gebildet an den sich eine Auskragung 18 mit einer geraden Seitenkante einstückig anschließt.
In der Figur 3 und 4 ist erkennbar, dass die Abdeckung 10 mehrere Vertie fungen 13 ausbildet, in denen Befestigungsöffnungen 14 vorgesehen sind. Die Abdeckung 20 ist in Wirkverbindung mit der Elektronik über lösbare Befestigungsmittel 15 (z. B. Schrauben) lösbar am Lüfter 1 befestigt. Die Abdeckung 10 bildet an der der Elektronik zugewanden Unterseite eine flache Anlagefläche 19 aus, um im montierten Zustand mit dieser zumindest abschnittsweise gegen Elektronikbauteile anzuliegen. In der Schnittansicht durch die Abdeckung 10, wie in der Fig. 5 gezeigt, besitzt diese im Bereich der Kühlrippenstruktur eine flache Anlageseite 16 zur Kontaktierung von wärmeproduzierenden Bauelementen der Elektronik.
Ebenfalls ist zu erkennen, dass die Kühlrippen 12 eine sich verändernde, insbesondere von unten nach oben hin geringfügig abnehmende Wandstärke besitzen und sozusagen leicht konisch zulaufen.
Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht auf die vorstehend angegebenen bevorzugten Ausführungsbeispiele. Vielmehr ist denkbar, die Form und Gestaltung des Deckels an die jeweilige Anforderung entspre chend und z. B. die Anzahl der Bereiche mit Rippenstrukturen an die spezifische Kühlaufgabe anzupassen.

Claims

Patentansprüche
1. Lüfter (1 ) mit einer Elektronik auf einer Leiterplatte (2) und einer oberhalb der Elektronik angeordnete Abdeckung (10), die sowohl als aktiver als auch als passiver Kühlkörper ausgebildet ist, wobei die Abde- ckung (10) im Wesentlichen als flächiges Deckelelement aus einem dünnwandigen Kunststoff ausgebildet ist und über eine Form verfügt, die eine für die Kühlung der unter der Abdeckung (10) angeordneten Elektronik wirksame Oberfläche (11) aufweist, welche gegenüber der projizierten Grundfläche der Abdeckung (10) um mindestens den Fak- tor 2 größer ist.
2. Lüfter (1) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Abdeckung (10) eine Kühlrippenstruktur mit mehreren Kühlrippen (12) aufweist.
3. Lüfter (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Abdeckung (10) mehrere Vertiefungen (13) ausbildet, in denen Befes tigungsöffnungen (14) vorgesehen sind, an denen die Abdeckung (20) über lösbare Befestigungsmittel (15) lösbar am Lüfter (1) befestigt sind.
4. Lüfter (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 2 oder 3, da- durch gekennzeichnet, dass die Abdeckung (10) im Bereich der Kühlrippenstruktur eine flache Aniageseite (16) zur Kontaktierung von wärmeproduzierenden Bauelementen aufweist.
5. Lüfter (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Abdeckung (10) die Kühlrippenstruktur in einem oder mehreren Bereichen aufweist.
6. Lüfter (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlrippen (12) radial nach außen verlau- fend angebracht oder ausgebildet sind.
7. Lüfter (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlrippen (12) eine sich verändernde, ins- besondere nach außen hin abnehmende Wandstärke besitzen.
8. Lüfter (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, dass die Abdeckung (10) an der der Elektronik zuge- wanden Unterseite eine flache Anlagefläche (19) ausbildet und im montierten Zustand diese Anlagefläche gegen Elektronikbauteile zumindest abschnittsweise anliegt.
9. Lüfter (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abdeckung (10) aus einem im Wesentlichen runden Abschnitt (17) gebildet wird an den sich eine Auskragung (18) einstückig anschließt.
10. Lüfter (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge- kennzeichnet, dass das Material der Abdeckung (10) ein Polyamid
(PA), Polyurethan (PUR), Polycarbonat (PC) oder Polyethylen (PE) ist.
11. Lüfter (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der Abdeckung (10) in demjenigen Bereich der parallel zur Anordnung der Leiterplatte (2) und/oder dem Be- reich der flachen Anlagefläche (19) mindestens um den Faktor 2 geringer ist, als in einem Randbereich (20) oder einem Bereich der Abdeckung (10), der sich in Richtung zur Elektronik hin erstreckt.
12. Lüfter (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass der Lüfter ein Radiallüfter ist.
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