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Die Erfindung betrifft eine Kühlvorrichtung für eine zu kühlende elektronische Einrichtung.
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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 Statur 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 70 44 202 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 7 021 894 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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US 6 664 673 B2 beschreibt eine Kühlvorrichtung auf der Basis eines Scheibenläufers. Eine Grundplatte, welche auf dem zu kühlenden Bauteil sitzt, trägt eine Kühlstruktur und eine feststehende Welle zur Aufnahme eines Radialimpellers. Eine Hohlwelle trägt über eine Verstrebung den Impeller, der die Kühlstruktur umläuft. An der Oberseite der Impellerschaufeln trägt eine Abdeckplatte eine Art Zahnring. Auf diesem Zahnring liegt ein axial magnetisierter Ringmagnet und auf diesem ein weiterer Zahnring. Die beiden Zahnringe bilden die Rotorpole und sind axial beabstandet. Zwischen ihnen befindet sich der Stator, der durch eine über die Ecken der Grundplatte fixierte Statorplatte gebildet ist, auf welcher die einzelnen Spulen aufgebracht sind.
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Die
US 51 32 780 A betrifft eine Kühlvorrichtung mit einem Lüfterrad, dessen Nabe zur Lenkung der Luft konisch gestaltet ist. Ein Antriebsmotor ist nicht dargestellt.
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Die
US 4 164 690 A betrifft einen Miniatur-Lüfter, der einen Scheibenläufer als Antriebsmotor verwendet.
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Die
JP 2005/133710 A offenbart ebenfalls einen Lüfter mit einem Scheibenläufer- oder einem Außenläufermotor als Antriebsmotor. Diese Schrift offenbart jedoch keine Kühlkörper und insbesondere keine Anordnung der Kühlkörper relativ zum Stator.
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Die
US 6 157 104 A beschreibt ebenfalls eine Kühlvorrichtung mit einem Lüfterrad und einem Antriebsmotor im Zentrum des Rades.
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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 Lüfterrad 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 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 ist im wesentlichen über dem Statorstack sowie zwischen den Statorpolen angeordnet, 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 Ausführung 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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Bezugszeichenliste
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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