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Die
Erfindung betrifft einen Kühlkörper für Halbleiterbauelemente
od. dgl. Geräte – insbesondere
eine Hochleistungskühleinheit
aus stranggepresstem Aluminium oder anderem Leichtmetall – mit in Abstand
zueinander an eine Grundplatte angeschlossenen und davon – bevorzugt
parallel zueinander – aufragenden
Kühlrippen,
die jeweils als Hohlprofil mit zwei zueinander parallelen Rippenwänden und
diese verbindenden Querstegen ausgebildet sind; die Kühlrippen
liegen in Einsatznuten der Grundplatte fest. Die Einsatznuten sind
jeweils von Leistenanformungen der Grundplatte begrenzt. Zudem erfasst
die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung dieses Kühlkörpers.
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Einen
solchen Kühlkörper offenbart
die Schrift
DE 296
02 367 U1 . Die Kühlrippe
liegt in einer Halte- oder Einsatznut der Grundplatte fest an, und neben
jeder eine Kühlrippe
enthaltenden Einsatznut des Kühlkörpers ist
in der Grundplatte eine querschnittlich trichterförmige Einsatznut
anderer Form und Bemaßung
angeordnet, die eine gegenläufige Kühlrippe
eines zweiten Kühlkörpers aufnimmt.
In dessen Grundplatte greifen die Kühlrippen des ersten Kühlkörpers ein.
Das freie Ende der Kühlrippe wird
dabei von einem Paar beidseits eines Zwischenraums verlaufender
Endstege gebildet. Diese Rippenform ist nur bei geringem Schenkelabstand
möglich.
Der hieraus resultierende geringe Rippenabstand begrenzt den Einsatz
solcher Kühlkörper auf erzwungene
Konvektion; für
den Bereich der freien Konvektion ist ein größerer Rippenabstand notwendig.
Presstechnisch unvermeidlich wäre
eine relativ hohe Maßabweichung
des Sockelabstandes, die zu erheblichen Problemen beim Einführen in
die Haltenuten der Grundplatte führen
würde.
Auch haben Hohlrippen-Kühlkörper einen
erhöhten
Lufteintritts- und Luftaustritts-Strömungswiderstand.
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Aus
der
EP 0744 241 A2 ist
ein Kühlkörper mit
in Abstand zueinander an eine Grundplatte angeschlossenen und davon
aufragende Kühlrippen
mit zwei parallelen, durch Querstege verbundenen Rippenwänden bekannt.
Die freien Enden beider Rippenwände
sind an ein Sockelelement angefügt,
an das zwei Fußstege
angeformt sind und das beidseits über die Außenflächen der beiden Rippenwände als Anschlagselement
hinausragt. Die beiden Fußstege verlaufen
querschnittlich in einem Winkel von etwa 30° so zueinander, dass ihre freien
Enden voneinander weiter entfernt sind als ihre Anschlagsbereiche an
das Sockelelement. Letzteres bestimmt zudem mit den entsprechenden
Anschlagselementen der benachbarten Sockelelemente den Abstand zur nächsten Kühlrippe.
Das Sockelelement liegt der Oberfläche der Grundplatte auf, die
querschnittlich entsprechend geneigte Schlitze zur Aufnahme der Fußstege anbietet.
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Der
DE 35 18 310 C2 sind
stranggepresste Vollprofile mit seitlichen Ausformungen als Kühlrippen
zu entnehmen, die in Einsatznuten der Grundplatte formschlüssig eingesetzt
werden. Zudem erwähnt
diese Druckschrift sog. Rippenverhältnisse (Verhältnis der
Höhe zum
lichten Abstand) von mehr als 12:1, womit die Grenze der erreichbaren
Oberfläche
bestimmt ist. Sowohl technische als auch wirtschaftliche Gesichtspunkte
erfordern je nach Rippenhöhe
eine Mindestrippendicke. Die Fertigung eines Kühlkörpers mit dünnen Rippen bei hoher Rippenzahl
geht wegen des größeren Aufwandes
zu Lasten der Wirtschaftlichkeit.
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Gegenüber der
Lehre jener
DE 35 18
310 C2 stellt ein gattungsgemäßer Kühlkörper mit zwischen zwei – mit der
Grundplatte eine Art Rechteckrinne ergebenden – Flankenwänden verlaufenden Kühlrippen
nach der
EP 0 483 058
A1 eine Verbes serung dar. Sowohl die Innenflächen der
Flankenwände
als auch die Außenflächen der
Kühlrippen
sind mit Riffelungen ausgestattet, die parallel zur Grundplatte
verlaufen. Die beiden Rippenwände
jeder Kühlrippe
sind an einem Ende durch einen in der Einsatznut der Grundplatte
festlegbaren Kupplungssockel und am anderen Ende durch einen Quersteg
verbunden; ein weiterer Quersteg teilt den Rippenhohlraum etwa in halber
Höhe in
zwei Kanäle.
Mit diesem Kühlkörper sollten
sowohl die Wanddicken von Kühlrippen
als auch der Herstellungsaufwand für den Kühlkörper vermindert werden. Es
wurde ein Rippenverhältnis von
etwa 30:1 erreicht.
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In
Kenntnis dieses Standes der Technik hat sich der Erfinder die Aufgabe
gestellt, eine neue Kühlkörperform
mit entsprechenden Fertigungsverfahren zu entwickeln, mit der eine
effektive Kühlung erreicht
und das Fertigungsverfahren verbessert wird.
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Zur
Lösung
dieser Aufgabe führt
die Lehre der unabhängigen
Ansprüche;
die Unteransprüche geben
günstige
Weiterbildungen an. Zudem fallen in den Rahmen der Erfindung alle
Kombinationen aus zumindest zwei der in den Ansprüchen offenbarten Merkmale.
Bei angegebenen Benennungsbereichen sollen auch innerhalb der genannten
Grenzen liegende Werte als Grenzwerte offenbart und beliebig einsetzbar
sein.
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Erfindungsgemäß weist
jede Rippenwand der Kühlrippe
vor ihrem Einbau jeweils ein freies Steckende auf, das in eine Einsatznut
der Grundplatte einzubringen und dort gehalten ist; die beiden Steckenden
der Kühlrippe
sind durch einen zwischen ihnen angeformten, beidseits am Übergang
zum Steckende der Kühlrippe
mit einer Sollbruchstelle versehenen Quersteg verbunden, dessen
Abstand zur Fußkante
des Steckendes kürzer
ist als der Abstand der Kopffläche
einer ihm zugeordneten Leistenanformung der Grundplatte vom Tiefsten
der Einsatznut. Die jene Einsatznut begrenzenden seitlichen Leistenanformungen
ragen zudem vorteilhafter Weise von der Oberfläche der Grundplatte auf und
sind von unterschiedlicher Höhe.
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Auch
hat es sich als günstig
erwiesen, die Höhe
der beiden zwischen den Steckenden aufragenden inneren Leistenanformungen
der Grundplatte durch jeweils eine angeformte Nasenrippe zu verlängern, welche
mit an der zur Oberfläche
der Grundplatte etwa parallelen Kopffläche endet.
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Nach
einem weiteren Merkmal der Erfindung ist der Abstand des Quersteges
zur Fußkante
des Steckendes kürzer
als die Höhe
dieses Steckendes, so dass durch axialen Druck eine Trennung des Quersteges
von den Steckenden an der Sollbruchstelle ermöglicht wird, die bevorzugt
durch zumindest eine den Querschnitt des Quersteges einengende Kerbe
entsteht. An die Sollbruchstelle soll als mögliche Führungshilfe eine Pultfläche des
Sockelstreifens anschließen.
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Bei
der Herstellung des Kühlkörpers werden die
Rippenwände
der Kühlrippe
mit ihren jeweils freien Steckenden in eine der Einsatznuten der
Grundplatte eingeschoben und bis zum Anschlag am Tiefsten der Einsatznut
in diese eingedrückt,
bis der angeformte Quersteg auf den zwei seitlichen Leistenanformungen
der Grundplatte aufsitzt, wonach der Quersteg durch Druck auf die
Kühlrippe
beidends an den Sollbruchstellen gebrochen wird. In die Seitenflächen des Steckendes
sind Längskerben
eingeformt, welche ein Zahnprofil bildende Längsleisten begrenzen, so dass
die Seitenwände
der Einsatznut in diese bei einem Formvorgang haltend einzugreifen vermögen.
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Die
Erfindung besteht also u. a. darin, dass der in die Kühlrippe
eingeformte Quersteg im unmittelbaren Sockelbereich ober- und unterseitig
bevorzugt mit querschnittlich dreieckförmigen Kerben versehen wird.
Beim Einlegen der Kühlrippen
stützt
sich der Quersteg – wie
geschildert – auf
den einander benachbarten Leistenanformungen ab. Kombiniert mit dem
Fügevorgang
wird durch Druck auf die Kühlrippen
der Quersteg herausgebrochen.
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Um
den Gesamtströmungswiderstand
der Luft, welcher sich aus Eintritts- und Austrittswiderstand sowie
inneren Widerstand zusammensetzt, zu reduzieren – was zu einer höheren Luftgeschwindigkeit
und damit zu besserer Wärmeabgabe
führt – ist eine
spezielle Gestaltung der Kühlkörperstirnseiten zweckmäßig. Erfindungsgemäß werden
die beiden Rippen- oder Flankenwände
der einzelnen Kühlrippe zumindest
an einem Ende jeweils mit einer geneigten Frontkante versehen. Jedoch
liegt es auch im Rahmen der Erfindung, die beiden Rippen- oder Flankenwände jeweils
beidends mit einer geneigten Frontkante auszustatten. Die Frontkante
soll mit der Oberfläche
der Grundplatte einen Winkel von bevorzugt etwa 60° einschließen. Dabei
kann die geneigte Frontkante von einem zur Oberfläche der
Grundplatte rechtwinkeligen Kopfabschnitt ausgehen, der dem Kopfbereich
der Kühlrippe
zugeordnet ist.
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Neben
reduziertem Strömungswiderstand ergeben
sich Vorteile bei laminaren Strömungsverhältnissen.
So entstehen über
die Kühlkörperhöhe Luftschichten
unterschiedlicher Geschwindigkeit in der Form, dass sich nahe der
Basis – also
in der heißesten
Zone – die
höchste
Geschwindigkeit einstellt. Besonders günstig wird sich dieser Effekt
bei konischem Rippenquerschnitt mit größter Rippendicke am Fuß auswirken.
Die sich im Normalfall durch den kleineren lichten Abstand einstellende
geringe Luftmenge in der heißesten
Zone – Produkt
aus Luftgeschwindigkeit und lichtem Querschnitt – wird durch die höhere Geschwindigkeit
kompensiert.
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Weitere
Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden
Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele
sowie anhand der Zeichnung; diese zeigt in
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1:
die Frontansicht einer Hochleistungskühleinheit nach dem Stande der
Technik aus zwei Kühlkörpern mit
Kühlrippen
in einem Gehäuse;
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2:
eine einzelne Kühlrippe
des Kühlkörpers der 1;
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3, 6:
jeweils die Frontansicht eines Abschnittes eines erfindungsgemäßen Kühlkörpers;
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4:
einen vergrößerten Ausschnitt
aus 3 nach deren Feld II;
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5:
eine teilweise Seitenansicht des Kühlkörpers der 3;
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7: die Seitenansicht einer anderen Ausgestaltung
des erfindungsgemäßen Kühlkörpers;
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8:
einen gegenüber 3, 6 vergrößerten Ausschnitt
während
des Zusammenbauens des Kühlkörpers;
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9:
einen Schnitt durch einen vergrößerten Bereich
der 8 nach deren Pfeil IX;
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10:
den Ausschnitt der 9 am Ende des Einbauvorganges;
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11:
einen Ausschnitt aus 8 nach dem Zusammenbau des Kühlkörpers.
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Eine
Hochleistungskühleinheit
aus Leichtmetall – insbesondere
aus AlMgSiO.5 F 22 – für in der
Zeichnung aus Gründen
der Übersichtlichkeit nicht
weiter dargestellte Halbleiterbauelemente weist gemäß 1 zwei
Kühlkörper 10 mit
jeweils einem Gehäuse 12 aus
einer Grundplatte 14 der Breite a von hier 84 mm und einer
Dicke b von beispielsweise 13 mm sowie beidseits an die Grundplatte 14 angeformten
Flankenwänden 16 auf.
Letztere bilden mit der Grundplatte 14 eine – stranggepresste – Rechteckrinne.
Die Höhe
h dieses Gehäuses 12 misst
im gewählten
Beispiel 47,5 mm.
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In
die Grundplatte 14 sind zum Gehäuseinnenraum 18 hin
offene – durch
Bodenrippen 20 voneinander getrennte – Einsatznuten 22, 24 eingeformt; letztere
sind wechselweise von rechteckigem und trichterartigem Nutquerschnitt,
wobei das Tiefste 23 der rechteckigen Einsatznut 22 in
Abstand e von hier 2 mm oberhalb des Tiefsten 25 der trichterartigen Einsatznut 24 verläuft.
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An
eine zur Unterfläche 15 der
Grundplatte 14 parallele Firstfläche 26 jener Bodenrippe 20 schließt einerseits
eine zu dieser Firstfläche 26 rechtwinkelige
Seitenfläche 27 der
querschnittlich rechteckigen Einsatznut 22 sowie anderseits
eine geneigte Pultfläche 28 an,
die in eine – zur
nahezu parallelen erwähnten
Seitenfläche 27 in
einem Winkel von etwa 2° nutwärts geneigte – andere
Seitenwand 29 übergeht.
Die Breite f der Einsatznut 24 an diesem Übergang
beträgt
25 mm, und die Gesamttiefe i der Einsatznut 24 entspricht
jener Breite f.
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In
die fünf
Einsatznuten 22 rechteckigen Querschnittes wird jeweils
eine Hohl- oder Kühlrippe 30 der
Länge z
von etwa 76,5 mm mit einem den Nutenquerschnitt ausfüllenden
Kupplungssockel 32 der Breite k von hier 5,5 mm eingesetzt;
aus dessen Seitenflächen
sind des besseren Sitzes halber Längsleisten 34 sägezahnartigen
Querschnitts herausgeformt. Vom Kupplungssockel 32 gehen
zwei zur Mittelachse M der Kühlrippe 30 parallele
Rippenwände 36 aus,
die in lichten Abständen
q durch sechs Querstege 38 verbunden sind; diese begrenzen
Profil- oder Strömungskanäle 40.
In deren Querschnitt ragen aus den Rippenwänden 36 herausgeformte
Parallelleisten 42 ein; die gegenüberliegenden Parallelleisten 42 sind
jeweils versetzt angeordnet, wie beispielhaft 2 wiedergibt.
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An
der dem Kupplungssockel 32 fernliegenden Schmalseite endet
die Hohl- oder Kühlrippe 30 mit
einem Paar von parallelen Endstegen 44, die ihrerseits
an den Außenflächen mehrere
parallele Längsleisten 34 anbieten.
Die Endstege 44 begrenzen einen sich endwärts erweiternden
Zwischenraum 46 und ihre Außenflächen bestimmen an den gerundeten
Spitzen 45 einen Querabstand s von etwas mehr als 4 mm.
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Die
Grundplatte 14 und die Kühlrippen 30 werden
getrennt hergestellt und zwar jeweils auf dem Wege des Strangpressens
als Leichtmetallprofile. Dann werden die – hier fünf – Kühlrippen 30 in den Einsatznuten 32 der
Grundplatte 14 zueinander parallel fomschlüssig festgelegt.
So wird zunächst
ein einteiliger Kühlkörper 10 geschaffen,
der zwischen den einzelnen eingepressten Kühlrippen 30 noch jene
Einsatznuten 24 trichterförmigen Querschnitts enthält.
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In
einem querschnittlich breiteren Kopfende 48 der einen Flankenwand 16 des
Gehäuses 12 ist eine
Kopfnut 49 vorgesehen, am Kopfende 48a der anderen
Flankenwand 16 eine Feder 50 mit sägezahnförmig geriffelter
Seitenfläche.
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Zwei
gleichartig ausgeführte
Kühlkörper 10 der
beschriebenen Art werden durch Wenden des einen Kühlkörpers 10 ineinander
zur Hochleistungskühleinheit
verschachtelt. Hierbei greifen die Paare der Endstege 44 am
freien Ende der Kühl rippen 30 in die
trichterförmigen
Einsatznuten 24 des jeweils anderen Kühlkörpers 10 ein.
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Da
der Querabstand s der Endstege 44 größer ist als die Breite f am
etwa rechteckigen Teil der trichterförmigen Einsatznut 24,
werden beide Teile aufgrund der Federwirkung der Endstege 44 beim Zusammenfügen mittels
einer – auf
die Grundplatten 14 beider Kühlkörper 10 aufgebrachten – Druckkraft verspannt.
Auf gleiche Art greifen die Federn 50 der Flankenwände 16 in
die Kopfnuten 49 der zugeordneten anderen Flankenwände 16 ein.
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Bei
dem in 3, 4 skizzierten, aus Leichtmetall
geformten Kühlkörper 60 ragen
von einer Grundplatte 62 der Dicke b1 in
Querabständen
s1 Kühlrippen 70 einer
Höhe h1 auf, deren jede als U-Profil einer inneren
Breite c gestaltet ist. Jene Höhe
h1 ist etwa sechsfach länger als das Maß der Breite
c, die ihrerseits etwa dem Querabstand s1 entspricht.
Zwischen den von einem zur Grundplatte 62 parallelen Firststreifen 72 ausgehenden,
zueinander parallelen Rippen- oder Profilwänden 74 der Dicke
n spannt sich etwa in der Hälfte
der Höhe
h1 ein beidseits angeformter Querstreifen 73,
der den Innenraum der Kühlrippe 70 in
zwei Innenraumabschnitte 71, 71a teilt.
Von der freien Fußkante 76 jeder
Profilwand geht ein an deren Innenfläche angeformter Sockelstreifen 77 aus,
und die Breite k1 der Fußkante 76 entspricht
etwa der doppelten Wanddicke n der Profilwand 74.
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Zur
Aufnahme des durch den Sockelstreifen 77 verstärkten freien
Wandendes an der Fußkante 76 ragt
von der Oberfläche 63 der
Grundplatte 62 jeweils ein Paar von Leistenanformungen 64, 66 auf,
die zwischen sich eine Längsnut 68 der
Höhe i1 begrenzen; diese Höhe i1 weist
auch die äußere – in 4 linke – Leistenanformung 64 auf.
In diese Einsatz- oder Längsnut 68 wird
jenes Wandende eingesetzt. Die äußere Leistenanformung 64 ist
von geringerem Querschnitt als die innere Leistenanformung 66,
zudem ist in sie an der Ecke des Überganges zu der hier das Nutentiefste
bildenden Plattenoberfläche 63 eine
Rinneneinformung 65 teilkreisförmigen Querschnittes eingebracht.
Vom First der inneren Leistenanformung 66 ragt eine angeformte
Nasenrippe 67 auf, so dass die Gesamthöhe i3 der
inneren Leistenanformung 66 um die Höhe i2 dieser
Nasenanformung 67 länger
ist als die Höhe
i1 der äußeren Leistenanformung 64.
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Im übrigen verläuft zwischen
den beiden inneren Leistenanformungen 66 für eine Kühlrippe 70 eine
sich querschnittlich nach oben erweiternde Einformung 69,
deren Tiefstes hier ebenso von der Plattenoberfläche 63 bestimmt ist
wie das Tiefste einer zwischen zwei benachbarten äußeren Leistenanformungen 64 verlaufenden
Rinneneinformung 69a , deren Querschnitt
sich also zwischen zwei Kühlrippen 70 erstreckt.
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Die
Seitenansicht der 5 lässt erkennen, dass in dieser
Ausgestaltung die Profil- oder Flankenwände 74 einends mit
von der Grundplatte 62 rechtwinkelig aufragenden Vertikalkanten 78 versehen sind;
an der Frontseite – also
dem linken Ende, der 5 – ist die Frontkante 79 zur
Grundplatte 62 in einem Winkel t von etwa 60° einwärts geneigt,
wobei ein Kopfbereich 79a geringer
Höhe h2 als Vertikalkante gestaltet ist.
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Der
Kühlkörper 60a der 6, 7 unterscheidet sich von dem oben erörterten
Kühlkörper 60 dadurch,
dass ersterer beidends mit einer in jenem Winkel t geneigten Frontkante 79 ausgestattet
ist, die kurz unterhalb des Firststreifens 72 in den als
Vertikalkante gestalteten Kopfbereich 79a übergeht.
Hier wird zudem die Gesamtlänge
g der Grundplatte 62 deutlich.
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Die 8 bis 11 verdeutlichen
den Anschluss der Kühlrippen 70 an
die Grundplatte 62. Von besonderer Bedeutung ist dabei
die Ausgestaltung der an den Fußkanten 76 beginnenden
Steckenden 80 einer – hier
der in 4 gezeigten Höhe
i1 der Einsatznut 68 entsprechenden – Höhe y der
beiden Rippen- oder Flankenwände 74 des
Steckendes 80. In dessen beiden Seitenflächen sind – nach außen hin vier
und zur inneren Leistenanformung 66 hin drei – parallel
zur Fußkante 76 verlaufende
Längskerben 82 eingeformt,
welche eine gleiche Zahl – sich
querschnittlich nach außen
zuspitzender – Längsleisten 84 begrenzen;
diese bieten ein querschnittliches Zahnprofil an.
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Vor
dem Einbau sind die als Pultflächen 75 gestalteten
oberen Enden der einander gegenüberliegenden
Sockelstreifen 77 der beiden Steckenden 80 eines
Kühlkörpers 60 bzw. 60a durch eine beidseits angeformte Querrippe 86 fest
verbunden. Deren Querschnitt verjüngt sich am Übergang
zum Steckende 80 dank querschnittlich eingeformter Kerben 87 zu
einem Sollbruchstreifen 88 als Sollbruchstelle. Beim Einschieben
der Flankenwand 74 in Druckrichtung x legt sich der dem
Sollbruchstreifen 88 nahe Bereich jener Querrippe bzw.
jenes Quersteges 86 der Nasenrippe 67 der inneren
Leistenanformung 66 als Auflagerbereich auf. Der Abstand
i3 der Kopffläche 67a der
Nasenrippe 67 vom Tiefsten 63a der
Einsatznut 68 – also
die Höhe
i3 der inneren Leistenanformung 66 – ist erheblich
größer als
der axiale Abstand y1 der Unterfläche des
Quersteges 86 von der Fußkante 76, so dass
bei weiterem Schub in Druckrichtung x und abnehmendem Abstand q1 zwischen der Fußkante 76 der Flankenwand 74 und
dem Tiefsten 63a der Einsatznut 68 der
zunehmende Druck zu einem Bruch des Sollbruchstreifens 88 und
zu zwei Bruchflächen 90 führt. Der
Quersteg 86 bleibt auf den Nasenrippen 67 liegen
und die Fußkante 76 des
Steckendes 80 wird gemäß 10 dem
Tiefsten 63a der Einsatznut 68 zugeführt, also
der Oberfläche 63 der Grundplatte 62.
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Nun
kann durch Flankendruck P auf die beiden Leistenanformungen 64, 66 eine
formende Verbindung von deren inneren Seitenflächen 58 und den Längsleisten 84 des
Steckendes 80 erfolgen.