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Die
Erfindung betrifft eine Kühlvorrichtung für eine
zu kühlende elektronische Einrichtung gemäß dem
Oberbegriff von Patentanspruch 1. Eine solche Kühlvorrichtung
ist zum Beispiel aus der
US 2006/0021735 A1 bekannt.
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Die
US 2006/0021735 A1 beschreibt
eine Kühlvorrichtung, bei der ein Kühlkörper
in einen Radiallüfter integriert ist. Der Kühlkörper
umfaßt einen Grundkörper sowie Wärmetauscherelemente
in Form von spiralförmigen Kühlrippen oder Kühlstiften. Das
Lüfterrad umgibt den Kühlkörper koaxial.
Ein Antriebsmotor ist als Scheibenläufermotor ausgebildet, wobei
der Rotor in das Lüfterrad integriert ist und dem Rotor
eine ringförmige Anordnung von Statorspulen in axialer
Richtung gegenüberliegt. Dadurch hat das Lüfterrad
eine große zentrale Öffnung, wobei der Luftstrom
durch diese zentrale Öffnung in axialer Richtung zu den
Kühlrippen des Kühlkörpers strömt und
von dort in radialer Richtung über die Impellerschaufel
des Lüfterrades durch einen seitlichen Auslaß geführt
wird. Gemäß dieser Schrift ist die Verwendung
eines Scheibenläufers im Vergleich zu einer Radialflußmaschine
mit Nabenantrieb vorteilhaft, weil dadurch der Luftstrom ohne Behinderung
durch irgendwelche Teile des Motors durch den zentralen Raum innerhalb
des Lüfterrades hindurchtreten kann. Die Verwendung von
Scheibenläufern hat jedoch den Nachteil, daß die
für den Stator verwendeten Flachspulen in ihrer Wicklungszahl
begrenzt sind und auch nur einen begrenzten Strom aufnehmen können,
so daß der Wirkungsgrad insgesamt geringer ist als bei
Radialflußmaschinen. Auch ist die Kühlwirkung
der Kühlvorrichtung gemäß der
US 2006/0021735 A1 bedingt
durch den Aufbau des Kühlkörpers sowie durch das
nahezu vollständige Einschließen des Kühlkörpers
in einem Gehäuse, das nur an einem Auslaß offen
ist, nicht optimal.
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Die
US 7,044,202 B2 beschreibt
eine Kühlvorrichtung für elektronische Komponenten
mit einer Radialflußmaschine und einem zentralen, zylindrischen
Nabenkörper, der zur Aufnahme von Wärme von der
elektronischen Komponente dient. Der Nabenkörper ist mit
gebogenen Kühlrippen versehen und wird von einem Lüfterrad
umgeben, das in gleicher Richtung gebogene Lüfterschaufeln
aufweist. Der Nabenkörper ist relativ voluminös,
so daß für den Luftstrom nur begrenzter Raum zur
Verfügung steht. In der Kühlvorrichtung der
US 7,044,202 B2 wird
Luft in axialer Richtung beidseitig angesaugt und in radialer Richtung
abgegeben. Die Anordnung gemäß dieser Schrift
erscheint relativ voluminös, so daß zu erwarten
ist, daß ihr Wirkungsgrad im Verhältnis zu ihrem
Volumen klein ist.
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Die
US 7,021,894 B2 beschreibt
eine Kühlvorrichtung mit einem Kühlkörper,
der im wesentlichen eine Grundplatte und eine Vielzahl von Kühlstiften
aufweist. Diese Kühlstifte sind um einen ringförmigen
Freiraum herum angeordnet, wobei ein Lüfterrad in dem ringförmigen
Freiraum umläuft. Das Lüfterrad wird über
einen Scheibenläufermotor angetrieben.
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Die
US 2002/0062947 A1 beschreibt
eine Kühlvorrichtung, die ähnlich aufgebaut ist
wie die Kühlvorrichtung der
US 2,021,894 B2 , wobei der Antrieb jedoch
durch eine Radialflußmaschine erfolgt, die im Zentrum des
Lüfterrades angeordnet ist. Ein ähnlicher Stand
der Technik ist in der
US
6,244,331 B1 beschrieben.
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Allgemeiner
betrifft die Erfindung ein Kühlsystem zum Steuern oder
Regeln der Temperatur einer zu kühlenden elektronischen
Einrichtung und insbesondere zum Kühlen von Hot-Spots an
CPUs, Speichern oder Leistungshalbleitern, wie Transistoren oder
LED, Grafikprozessoren und anderen Prozessoren, die vorzugsweise
in kompakten und/oder mobilen Elektronikgeräten eingesetzt
werden, beispielsweise in Mobiltelefonen, PDAs, elektronischen Organizern,
Navigationssystemen, Mini-Laptops und mobilen Miniaturspeichern.
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Das
Abführen von überschüssiger, funktionskritischer
Wärme bzw. deren Reduzierung auf ein unkritisches Niveau
ist bei dem Design und dem Einsatz vieler elektronischer Einrichtungen
ein wesentlicher Gesichtspunkt. Mit der Verringerung der Größe
der elektronischen Bauteile und der Erhöhung ihrer Leistungsfähigkeit,
nimmt auch die Menge der erzeugten Wärme zu. Hinzu kommt,
daß die modernen Prozessoren eine höhere Leistungsaufnahme
haben können und auch immer leistungsfähigere
elektronische Leistungsbauteile auf den Markt kommen. Da solche Bauteile
häufig dicht gepackt in zunehmend kleinen elektronischen
Geräten eingesetzt werden, ist die effektive Kühlung
solcher Bauteile mit möglichst leistungsfähigen,
miniaturisierten Kühlvorrichtungen ein entscheidender Faktor
bei der Entwicklung der Elektronikgeräte. Dabei sollte
die Kühlvorrichtung nicht nur klein und leistungsfähig
sein, sondern sie sollte auch selbst nur eine geringe Stromaufnahme
und Wärmeentwicklung haben.
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Wie
oben erläutert, sind elektrisch betriebene Lüfter
mit integrierten Kühlkörpern zum Kühlen von
elektronischen Komponenten im Stand der Technik bekannt. Es ist
eine Aufgabe der Erfindung, die bekannten Kühlvorrichtungen
hinsichtlich des Wirkungsgrades weiter zu verbessern, wobei die
Kühlvorrichtung insgesamt möglichst klein und
flach sein und die Führung des Luftstroms optimiert werden soll.
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Diese
Aufgabe wird durch eine Kühlvorrichtung mit den Merkmalen
von Patentanspruch 1 gelöst.
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Die
Erfindung sieht eine Kühlvorrichtung für eine
zu kühlende elektronische Einrichtung vor, mit einem Kühlkörper,
einem Lüfterrad, das den Kühlkörper koaxial
umgibt, und einem Antriebsmotor für das Lüfterrad.
Der Kühlkörper ist als eine feststehende Nabe
ausgebildet und weist Wärmetauscherelemente auf, die mit
der Nabe wärmeleitend gekoppelt sind. Erfindungsgemäß weist
die Nabe eine Grundfläche zum Einleiten von Wärme
von der zu kühlenden elektronischen Einrichtung auf, wobei
der Außendurchmesser der Nabe zu der Grundfläche
hin erweitert ist. Diese Durchmessererweiterung kann beispielsweise nach
Art eines Konus, einer Parabel, einer Sinuskurve oder eines Kreisbogens
ausgebildet sein, wobei die Erfindung auf keine bestimmte Form beschränkt ist.
Vorzugsweise umfaßt die Kühlvorrichtung auch eine
wärmeleitende Grundplatte, die mit der Grundfläche
der Nabe wärmeleitend gekoppelt ist. Durch die Durchmesseraufweitung
der Nabe mit einer vergrößerten Grundfläche
zum Einleiten von Wärme von der zu kühlenden elektronischen
Einrichtung kann der Wärmeübergang von der elektronischen
Einrichtung auf den Kühlkörper optimiert werden.
Die Grundfläche der Nabe oder die Grundplatte der Kühlvorrichtung
kann beispielsweise mit einem wärmeleitenden Kleber direkt
auf eine Wärmequelle, z. B. ein Chip, aufgeklebt werden,
so daß die elektronische Einrichtung die Wärme
im Zentrum der Nabe abgibt.
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Bei
einer bevorzugten Ausführung sind die Wärmetauscherelemente
als Kühlrippen ausgebildet, die mit der Nabe verbunden
sind. Vorzugsweise sind die Kühlrippen derart gebogen,
daß sie im Betrieb des Lüfterrades dem durch das
Lüfterrad erzeugten Luftdrall folgen. Das Lüf terrad
weist seinerseits vorzugsweise Lüfterschaufeln auf, die
entgegen der Richtung der Kühlrippen des Kühlkörpers
gebogen sind. Bei der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung tritt
der Luftstrom in axialer Richtung im Zentrum des Lüfterrades,
auf der der Grundplatte gegenüberliegenden Seite, ein und
wird von dem Lüfterrad in radialer Richtung nach außen
abgegeben. Durch die Formgebung der Nabe, der Kühlrippen
und der Lüfterschaufeln kann der Luftstrom optimiert werden, das
heißt, im Verhältnis zum Volumen der Kühlvorrichtung
und der Drehgeschwindigkeit maximiert werden.
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Bei
einer bevorzugten Ausführung der Erfindung ist das Lüfterrad über
eine Welle innerhalb der Nabe gelagert. Es weist einen Impellerring
auf, der mit der Welle über Speichen verbunden ist. In
einer besonders vorteilhaften Ausführung der Erfindung sind
die Speichen so ausgebildet, daß sie in axialer Richtung
schräg verlaufen oder abgeschrägt sind, um zusätzlich
zu der radialen Luftströmung eine axiale Luftstromkomponente
zu erzeugen und dadurch den Luftdurchsatz durch die Kühlvorrichtung
nochmals zu erhöhen.
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Der
Antriebsmotor der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung
umfaßt einen Stator und einen Rotor. Der Stator ist vorzugsweise
mit der Nabe verbunden, und der Rotor ist mit dem Lüfterrad
verbunden, wobei der Rotor den Stator koaxial umgibt. Der Antriebsmotor
ist somit als eine Radialflußmaschine mit Außenläuferkonfiguration
realisiert. Der Stator weist einen Statorstack mit Statorpolen und
auf die Statorpole aufgebrachte Statorspulen auf. Der Rotor weist
einen Ringmagneten oder mehrere einzelne Permanentmagneten auf,
die mit einem ringförmigen Rückschluß gekoppelt
sind. Vorzugsweise ist der Rückschluß in das Lüfterrad
integriert, um einen möglichst kompakten Aufbau zu erzielen.
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Die
Verwendung einer Radialflußmaschine erzeugt im Vergleich
zu einem Scheibenläufer bei gleichem Bauvolumen einen höheren
Wirkungsgrad, wobei der Spulenstrom und die Windungszahl der Spulen
nicht begrenzt ist. Der erfindungsgemäße Statorstack
kann extrem flach, beispielsweise aus nur 3 oder 4 dünnen
Statorblechen aufgebaut und von außen auf herkömmliche
Art bewickelt werden. Der Kühlkörper kann im wesentlichen über
dem Statorstack so wie zwischen den Statorpolen angeordnet werden,
um den zur Verfügung stehenden Raum optimal zu nutzen.
Der Rotor wird in das Lüfterrad integriert und hat somit
nahezu keinen zusätzlichen Raumbedarf. Da der Stator unterhalb
und der Rotor radial außerhalb des Kühlkörpers
angeordnet sind, behindern diese nicht die Luftströmung
durch den Kühlkörper.
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Die
erfindungsgemäße Kühlvorrichtung kann extrem
klein, beispielsweise mit einem Durchmesser in der Größenordnung
von 16 mm und einer Höhe von 4 mm aufgebaut werden. Der
Kühlkörper und die Grundplatte bestehen aus einem
wärmeleitenden Material, wie Metall, Aluminium oder Kupfer
und können beispielsweise im Druckgußverfahren
hergestellt werden. Das Lüfterrad kann ebenfalls aus Metall,
beispielsweise aus Aluminium, aber auch aus Kunststoff hergestellt
werden.
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Zur
Lagerung der Welle innerhalb der Nabe können hydrodynamische
Fluidlager, Gleitlager, z. B. aus Teflon oder auch Kugellager verwendet
werden. Die Welle und die Lager können aus Metall oder Kunststoff
hergestellt sein.
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Die
Erfindung ist im folgenden anhand einer bevorzugten Ausführung
mit Bezug auf die Zeichnungen näher erläutert.
In den Figuren zeigen:
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1 eine
perspektivische Explosionsdarstellung einer Kühlvorrichtung
gemäß einer Ausführung der Erfindung;
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2 eine
Schnittdarstellung durch die Kühlvorrichtung der 1;
und
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3 eine
Draufsicht auf die Kühlvorrichtung der 1;
und
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4 eine
Schnittdarstellung durch eine Kühlvorrichtung gemäß einer
alternativen Ausführung der Erfindung.
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Die 1 bis 3 zeigen
eine bevorzugte Ausführung einer Kühlvorrichtung
gemäß der Erfindung. Die Kühlvorrichtung
umfaßt einen Kühlkörper 10,
ein Lüfterrad 12 und einen Antriebsmotor 14,
von dem in 1 nur der Stator 16 dargestellt
ist. In der gezeigten Ausfüh rung ist der Stator 16 durch
einen Statorstack oder Blechstapel mit sechs Polen, auf die Statorspulen 18 aufgebracht
sind, gebildet. Die Anschlüsse der Statorspulen 18 sind
mit einer Platine 20 verbunden, die auch Sensoren zur Erfassung
der Rotorlage tragen kann.
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Der
Stator 16 sitzt auf einer Grundplatte 22, in die
der Kühlkörper 10 eingesetzt ist. Der
Kühlkörper 10 umfaßt eine Nabe 24 und
Kühlrippen 26, die nach Art von Lüfterschaufeln
so gebogen sind, daß sie bei Rotation des Lüfterrades 12 dem
durch das Lüfterrad erzeugten Luftdrall folgen. Die Nabe 24 des Kühlkörpers 10 hat
in der gezeigten Ausführung die Form von zwei aufeinander
aufgesetzten Koni, um eine möglichst große Grundfläche 28 zu
bilden. In diesem Ausführungsbeispiel ist die Nabe in axialer Richtung
zu der Grundfläche 28 hin konisch erweitert, das
heißt, ihr Durchmesser im Bereich der Grundplatte 22 ist
größer als ihr Durchmesser an ihrem der Grundplatte 22 abgewandten
Stirnende. Die Nabe 24 ist in der gezeigten Ausführung
an ihrem der Grundplatte 22 zugewandten Ende durch eine
Gegenplatte 30 verschlossen, wobei die Gegenplatte 30 auch
mit der Nabe 24 einteilig ausgebildet sein kann und einen
Teil der Grundfläche 28 der Nabe 24 bildet.
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Im
Kontext dieser Erfindung bedeutet die Bezeichnung "Durchmessererweiterung"
der Nabe, daß ihr Außendurchmesser von dem von
der Grundplatte 22 abgewandten Stirnende zu dem der Grundplatte 22 zugewandten
Stirnende hin zunimmt, wobei auch solche Ausführungen umfaßt
sind, bei denen die Nabe 24 in dem Bereich, in dem sie
in die Grundplatte 22 eingesetzt ist, wieder einen verringerten
Durchmesser hat, wie in 2 gezeigt. Wesentlich für
die erfindungsgemäße Form der Nabe ist, daß zunächst der
Außendurchmesser der Nabe 24 zu der Grundfläche 28 hin
zunimmt, so daß das Materialvolumen der Nabe 24 dort,
wo die Nabe 24 mit der Grundplatte 22 verbunden
ist, größer ist als an dem abgewandten Stirnende
der Nabe 24. Durch die besondere Formgebung wird die Wärmekapazität
der Nabe insbesondere in dem Bereich, in dem die Wärme
eingeleitet wird, d. h. im Bereich der Grundplatte, vergrößert, ohne
den für den Luftstrom zur Verfügung stehenden Raum
zu beschränken. Der Luftstrom tritt nämlich an dem
von der Grundplatte abgewandten axialen Ende der Nabe ein, wo deren
Durchmesser geringer ist, so daß ein großer Freiraum
für den Lufteintritt zur Verfügung steht.
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Die
Grundplatte 22, die Nabe 24 und die Gegenplatte 30 bestehen
aus einem Wärme gut leitenden Material, wie Aluminium oder
Kupfer, so daß die von einer elektronischen Einrichtung,
z. B. einem Chip, eingeleitete Wärme von der Nabe 24 gut
aufgenommen und an die Kühlrippen 26 weitergeleitet
werden kann. Die zu kühlende elektronische Einrichtung wird
möglichst zentriert unmittelbar unterhalb der Nabe 24 und
der Grundplatte 22 angeordnet und mit diesen beispielsweise
mittels eines wärmeleitfähigen Klebers verbunden.
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Im
Zentrum der Nabe 24 ist eine Welle 32 gelagert,
wobei in der gezeigten Ausführung ein Gleitlager 34 verwendet
ist. Andere Lager, wie hydrodynamische Lager und Kugellager, können
alternativ verwendet werden. Das Gleitlager 34 ist an seinem
der Gegenplatte 30 zugewandten Ende über einen
Stopperring 36 fixiert. An dem gegenüberliegenden
Stirnende ist die Welle 32 über einen Verbindungsring 38 mit
dem Lüfterrad 12 gekoppelt.
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Das
Lüfterrad weist einen inneren 40 und einen äußeren
Ring 42 auf, welche über Speichen 44 miteinander
verbunden sind. An dem äußeren Ring 42 sind
Lüfterschaufeln 46 angeordnet, welche die Kühlrippen 26 koaxial
umgeben und entgegen der Richtung der Kühlrippen gekrümmt
sind.
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Auf
der von dem äußeren Ring 42 abgewandten
Seite der Lüfterschaufeln 46 sind diese über einen
Leitring 48 verbunden, der dem Rotor 50 zugeordnet
ist. Der Rotor 50 umfaßt in der gezeigten Ausführung
einen Rotormagneten 52 in Form eines Ringmagneten. Der
Leitring 48 umfaßt ferner einen dem Rotormagneten
zugewandten Rückschluß 54, der bevorzugt
einteilig mit dem Leitring aus Metall gefertigt ist. Das Verhältnis
der Polzahl des Rotors zur Nutzahl des Stators ist abhängig
von den gewünschten Betriebsparametern einstellbar. In
der gezeigten Ausführung dreht das Lüfterrad 12 in
Richtung entgegen dem Uhrzeigersinn, so daß eine Luftströmung durch
die axiale Öffnung des Lüfterrades 12 in
die Kühlvorrichtung hinein, an der Nabe 24 und
den Kühlrippen 26 vorbei und in radialer Richtung
aus dem Lüfterrad 12 hinaus erzeugt wird. Die
Luftströmung ist in 2 durch
Pfeile gekennzeichnet.
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Um
die Strömungsgeschwindigkeit der Luft in axialer Richtung
in die Kühlvorrichtung hinein zu erhöhen, sind
die Speichen 46 abgeschrägt oder schräg
angeordnet, um eine axiale Luftstromkomponente zu erzeugen. Dies
ist am besten in 1 erkennbar.
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4 zeigt
eine Schnittdarstellung durch eine Kühlvorrichtung gemäß einer
alternativen Ausführung zu 1. Die Ausführung
der 4 unterscheidet sich von der Ausführung
der 1 bis 3 durch die Form der Nabe 124.
Sämtliche anderen Komponenten der Kühlvorrichtung
der 4 können identisch sein. Sie sind mit
denselben Bezugszeichen bezeichnet und nicht nochmals beschrieben.
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In
der Ausführung der 4 hat die
Außenkontur der Nabe 164 die Form eines Kreisbogens, wobei
ihr Außendurchmesser zur Grundfläche 28 hin zunimmt,
so daß das Materialvolumen der Nabe 124 dort,
wo die Nabe mit der Grundplatte 22 verbunden ist, größer
ist als an dem abgewandten Stirnende der Nabe 124. Alternativ
zu den gezeigten Ausführungen kann die Außenkontur
der Nabe aber auch die Form einer Parabel, einer Ellipse, eines
Sinus oder eine beliebige andere Freiform annehmen, wobei diese Form
strömungstechnisch günstig sein und den Luftstrom
nicht behindern sollte.
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Die
erfindungsgemäße Kühlvorrichtung hat eine
Reihe von Vorteilen. Sie erreicht bei geringem Bauvolumen einen
hohen Wirkungsgrad. Dies wird mit einem Antriebsmotor erreicht,
der seinerseits einen hohen Wirkungsgrad und eine geringe Stromaufnahme
sowie sämtliche Vorteile einer klassischen Radialflußmaschine
mit Nabenantrieb hat. Die Anzahl der Windungen der Statorspulen
unterliegt nicht den Beschränkungen eines Scheibenläufers,
und das Verhältnis von Polzahl zu Nutzahl kann nach Bedarf
eingestellt werden. Aufgrund der speziellen erweiterten Nabenform
kann die erfindungsgemäße Kühlvorrichtung
Wärme von der elektrischen Einrichtung optimal aufnehmen
und auf die Kühlrippen übertragen, ohne den Luftstrom
zu behindern. Die Formgebung der Kühlrippen 26,
der Lüfterschaufeln 46 sowie der Speichen 44 erzeugt
einen optimalen Luftstrom in axialer Richtung in die Kühlvorrichtung
hinein, der in radialer Richtung abgegeben wird. Die erfindungsgemäße
Kühlvorrichtung eignet sich besonders zur Kühlung
von Hot-Spots, das heißt, von lokalisierten Wärmequellen,
an CPUs, Speichern, Leistungshalbleitern, Prozessoren und dergleichen.
Sie wird bevorzugt eingesetzt in mobilen, kleinbauenden Elektronikgeräten,
wie Mobiltelefonen, PDAs, Mini-Laptops, Navigationssystem und dergleichen.
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Die
erfindungsgemäße Kühleinrichtung kann auch
zur Kühlung von Leistungs-LEDs beispielsweise im Automobilbereich
oder in Projektoren eingesetzt werden. Dabei wird die zu kühlende
LED oder eine LED-Einheit aus mehreren LEDs auf einer gut wärmeleitenden
Leiterplatte, beispielsweise aus Metall oder Keramik, plaziert.
Die Kühleinrichtung wird dann an dieser Leiterplatte befestigt,
so daß die Grundplatte eine Wärmekopplung an die
Leiterplatte erfährt und somit Wärme von der LED
ableiten kann. Der Lüfter kann auch direkt über
die Leiterplatte der LED verschaltet werden, so daß ein
besonders kompakter Aufbau entsteht.
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Die
in der vorstehenden Beschreibung, den Ansprüchen und den
Zeichnungen offenbarten Merkmale können sowohl einzeln
als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung
der Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungen von Bedeutung sein.
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- 10
- Kühlkörper
- 12
- Lüfterrad
- 14
- Antriebsmotor
- 16
- Stator
- 18
- Statorspulen
- 20
- Leiterplatte
- 22
- Grundplatte
- 24
- Nabe
- 26
- Kühlrippen
- 28
- Grundfläche
- 30
- Gegenplatte
- 32
- Welle
- 34
- Gleitlager
- 36
- Stopperring
- 38
- Verbindungsring
- 40
- Nabe
- 42
- äußerer
Ring
- 44
- Speichen
- 46
- Lüfterschaufeln
- 48
- Leitring
- 50
- Rotor
- 52
- Rotormagnet
- 54
- Rückschluß
- 124
- Nabe
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - US 2006/0021735
A1 [0001, 0002, 0002]
- - US 7044202 B2 [0003, 0003]
- - US 7021894 B2 [0004]
- - US 2002/0062947 A1 [0005]
- - US 2021894 B2 [0005]
- - US 6244331 B [0005]