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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein elektronisches Modul, insbesondere
ein elektronisches Modul umfassend elektronische Komponenten und Kühlelemente
für diese
elektronischen Komponenten. Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere, jedoch
nicht exklusiv, ein elektronisches Modul für die hochfrequente Datenerfassung
und mit mehreren Kanälen,
wobei jeder Kanal einen hochfrequenten Analog-Digital-Wandler sowie Kühlelemente
für diese
Wandler umfasst.
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Es
sind schon eine Vielzahl Typen von Datenerfassungssystemen bekannt,
beispielsweise vorübergehende
Registriergeräte
und digitale Oszilloskope, in welchen es notwendig ist, ein oder
mehrere analoge Signale in ein oder mehrere numerische Signale umzuwandeln,
die in einem digitalen Speicher gespeichert und von einem numerischen
Prozessor verarbeitet werden können.
Seit einigen Jahren sind auch modulare Erfassungssysteme erschienen,
welche üblicherweise
einen Rahmen umfassen, in welchem verschiedene Erfassungsmodule
parallel in Steckbüchsen
eingefügt
werden können, üblicherweise
unter ihrer angelsächsischen
Bezeichnung "Slots" bezeichnet. Jedes
Modul umfasst Verbindungsmittel, welche erlauben, es in das System
einzufügen
und in abnehmbarer Weise zu verbinden, sowie üblicherweise einen oder mehrere
Erfassungskanäle,
welche das Digitalisieren der beobachteten Eingangssignale erlauben.
Es sind beispielsweise Erfassungsmodule gemäss dem PCI-, Compact PCI- VXI-
oder PXI-Standard bekannt, welche die mechanischen und elektrischen
Merkmale der Verbindungsmittel zwischen Modulen definieren. Die
vorliegende Erfindung betrifft insbesondere Module dieses Typs.
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Die 3 stellt
schematisch ein Erfassungsmodul aus dem Stand der Technik dar. Auf
einem gedruckten Schaltkreis 15 werden verschiedene Komponenten 2, 3, 5 montiert.
Das Modul 1 ist dazu bestimmt, in geeignete Slots einer
nicht dargestellten Leiterplatte mittels nicht dargestellten Steckverbindern
auf dem unteren oder hinteren Rand der Karte eingesteckt zu werden.
Das Modul wird versehen mit einer Frontplatte 12, die mit
einem Greiforgan 11 versehen ist, sowie mit einer Anzahl
von Steckverbindern, beispielsweise BNC Verbindern, entsprechend der
Anzahl von Kanälen
des Moduls. Ein Eingangssignal kann an jeden Kanal mittels dieser
Steckverbinder geliefert werden.
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Jeder
Kanal umfasst üblicherweise
einen Eingangsverstärker 2,
einen Analog-Digital-Wandler 3 sowie
einen Schaltkreis 5 zur Verarbeitung und Speicherung des gelieferten
nicht detaillierten digitalen Signals. Das so verarbeitete Signal
wird dann an einen nicht dargestellten Mikroprozessor geliefert, der
in der Lage ist, die von verschiedenen Kanälen und auf verschiedenen Modulen
gelieferten Signale zu empfangen und zu verarbeiten.
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Die
Analog-Digital-Wandler 3 müssen dank des Nyquistprinzips
mit einer Abtastfrequenz zweimal grösser als die Frequenz des zu
erfassenden Signals arbeiten, um eine korrekte digitale Darstellung des
Signals zu liefern. Im Falle von Signalen mit einer sehr hohen Frequenz,
beispielsweise von Signalen mit mehreren Hunderten von Megahertz,
arbeiten somit die Wandler 3 mit einer sehr hohen Geschwindigkeit
und setzen somit eine beachtliche Wärmeenergie frei, welche abgeführt werden
muss.
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Im
Stand der Technik wird die von jedem Analog-Digital-Wandler freigesetzte
Wärme üblicherweise
mittels eines auf der Oberseite des Wandlers geleimten oder befestigten
Radiators abgeführt.
Kalte Luft 13 wird ferner manchmal senkrecht auf die Radiatoren
geblasen.
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Die
Wandler 3 sind Komponenten, welche eine relative bedeutende
Fläche
auf der Karte 15 des Moduls besetzten, so dass üblicherweise
die auf der 1 angegebene Anordnung gewählt wird,
d. h. die Wandler werden Seite an Seite und eins über das
andere gesetzt. Die Lufttemperatur in der Nähe der oberen Wandler ist jedoch
mit dieser Anordnung höher als
die Lufttemperatur in der Nähe
der unteren Wandler (im Fall, wo die Luft von unten eingeblasen
wird). Versuche haben gezeigt, dass der Temperaturunterschied von
einem Wandler zum anderen bis ungefähr 10 Grad betragen
kann. In einem Modul, welches vier hochfrequenten Wandler umfasst,
kann man einen Unterschied von mehr als dreissig Grad zwischen der Temperatur
der eingeblasenen Luft 13 und der Temperatur der ausströmenden heissen
Luft 14 erhalten.
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Der
obere Analog-Digital-Wandler arbeitet daher in weniger günstigen
Bedingungen als der untere Analog-Digital-Wandler, der besser gekühlt wird. Daraus
resultiert eine schnellere Alterung der oberen Wandler sowie unterschiedliche
Arbeitsbedingungen, welche beispielsweise eine Entzerrung der gelieferten
digitalen Signale schwieriger macht.
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Es
ist daher ein Ziel der vorliegenden Erfindung, diese verschiedenen
Probleme zu lösen
und ein elektronisches Modul anzubieten, das gegenüber den
Modulen aus dem Stand der Technik verbessert ist.
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Gemäss der Erfindung
werden diese Ziele mit Hilfe eines Moduls mit den Merkmalen des
Anspruchs 1 erreicht, wobei bevorzugte Ausführungsformen ferner in den
abhängigen
Ansprüchen
erwähnt
werden.
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Insbesondere
werden diese Ziele erreicht, indem ein abnehmbarer Schutzdeckel über die PCB-Karte
des Moduls angebracht wird, wobei er vorzugsweise die ganze oder
einen beachtlichen Teil der Karte bedeckt, und wobei er auch als
Radiator verwendet wird, um die von den elektronischen Komponenten
freigesetzte Wärme
abzuführen.
Der Deckel kann aus einem einfachen glatten oder profilierten Blech
geschnitten und eventuell gefaltet werden. Eine thermische Brücke zwischen
dem Deckel und den zu kühlenden
elektronischen Komponenten wird hergestellt. Die thermische Brücke umfasst
mindestens ein mit dem Deckel verbundenes Element, vorzugsweise
ein komprimierbares Element, das sich an die Dicke der Komponenten
anzupassen vermag, beispielsweise einen Kolben, der durch eine Feder auf
die zu kühlenden
Komponenten gedrückt
wird. Der Kolben wird vorzugsweise in einem mit dem Deckel verbundenen
Kolbenträger
montiert; vorzugsweise werden mehrere Kolben, die gegen verschiedene
Komponenten auf der gleichen Karte drücken, in ein und demselben
Kolbenträger
montiert, so dass die Temperatur der verschiedenen Komponenten, beispielsweise
von verschiedenen Analog-Digital-Wandlern in einem Erfassungssystem,
gleichmässig
wird.
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Der
Deckel, der Kolbenträger
und die Kolben werden vorzugsweise aus Materialien mit niedrigem Wärmewiderstand
hergestellt. Die Kontaktfläche
zwischen den Kolben und dem Kolbenträger wird vorzugsweise maximiert,
um den Wärmeaustausch
zwischen den Kolben und dem Kolbenträger zu begünstigen; zu diesem Zweck weisen
die Kolben beispielsweise mindestens einen konischen Profilteil
auf.
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Obwohl
die Erfindung eine besonders gute Anwendung für das Kühlen von Analog-Digital-Wandlern
in einem hochfrequenten Erfassungssystem findet, wird der Fachmann
verstehen, dass die Erfindung auch für das Kühlen jeglicher Art von Komponenten,
die eine beachtliche Wärme
freisetzen, in jeglicher Art von elektronischem Modul angewendet
werden – beispielsweise
auch für
das Kühlen von
Mikroprozessoren oder von Signalverarbeitungsprozessoren.
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Der
Ausdruck Modul muss in der vorliegenden Anmeldung und in den Ansprüchen als
jegliche Art von elektronischem Modul verstanden werden, insbesondere
als jegliche Art von Modul, das geeignet ist, in ein Slot einer
Leiterplatte eines elektronischen Verarbeitungssystems eingesteckt
zu werden.
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Aus
dem Stand der Technik ist es schon bekannt, einen Deckel über den
elektronischen Komponenten als Radiator zu verwenden. Lösungen dieser Art
wurden zum Beispiel in den Patentdokumenten US4'235'283,
US5'177'667, US5'228'502, US5'394'229, EP-B1-0'079'424, EP-B1-0'097'157, EP-B1-0'111'709, EP-B1-0'369'115, EP-B1-0'552'787 oder EP-A1-673'064 beschrieben.
Keine dieser Lösungen
ist jedoch für
das Kühlen
durch Luftzirkulation eines Moduls grösserer Dimensionen (ca. 300
cm2 in einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung) geeignet, das aus einem gedruckten Schaltkreis gebildet
wird, die für
zum Einstecken in abnehmbarer Weise in Slots eines Datenerfassungssystems
vorgesehen ist. Ferner verwenden diese Lösungen oft Deckel mit einer
komplexen Form, die nicht auf einfache Weise aus einem einfachen
glatten oder profilierten Blech hergestellt werden können. Schlussendlich werden
in den meisten dieser Dokumente die elektronischen Komponenten durch
den Deckel getrennt, d. h. dass jedes Element sich in einem durch
die Form des Deckels definierten Abteil befindet. Es ist daher üblicherweise
nicht möglich,
Luft zwischen dem Deckel und der Karte einzublasen, um die Komponenten
zu kühlen;
wenn ein Zwischenraum ab und zu zwischen dem Deckel und der Karte
besteht, erlaubt dieser Zwischenraum im Allgemeinen nicht, Luft
auf die ganze Höhe
der Komponenten einzublasen, so dass diese Luft nur die Basis der
elektronischen Komponenten jedoch nicht den oberen Teil, wo sich üblicherweise
das Halbleiterelement befindet, kühlen kann. Ferner, da jede
Komponente in einem abgetrennten Raum mit wenig Luftzirkulation
zwischen den Komponenten untergebracht wird, ist es schwierig, die
Temperatur von elektronischen Komponenten, beispielsweise von Analog-Digital-Wandlern,
die mit so ähnlichen
Temperaturen wie möglich
arbeiten müssen,
gleichmässig
zu gestalten.
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Ferner
sind diese Lösungen
im Allgemeinen nur für
in flip-chip montierte Chips geeignet; die gewählten Lösungen können jedoch nicht auf die Fälle von üblichen,
auf einer standard gedruckten Schaltung montierten Komponenten,
beispielsweise BGA, übertragen
werden.
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Die
Erfindung wird besser verstanden anhand der Beschreibung einer Ausführungsform
der Erfindung, als Beispiel gegeben und durch die Figuren illustriert,
welche zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung eines Erfassungsmoduls aus dem Stand der
Technik, wie hier oben besprochen;
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2 eine
perspektivische Ansicht und teilweise Konstruktionsdurchsicht eines
Moduls gemäss der
vorliegenden Erfindung;
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3 eine
perspektivische Ansicht von unten eines Moduldeckels gemäss der vorliegenden
Erfindung, mit einer thermischen Brücke gemäss der vorliegenden Erfindung
versehen;
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4 eine
perspektivische Ansicht von unten eines Moduldeckels gemäss der vorliegenden
Erfindung, mit einer thermischen Brücke gemäss der vorliegenden Erfindung
versehen, in explodierten Ansicht;
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5 eine
perspektivische Ansicht von unten eines Moduldeckels gemäss der vorliegenden
Erfindung, mit einer thermischen Brücke gemäss der vorliegenden Erfindung
versehen, in explodierten Ansicht.
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Die 2 zeigt
perspektivisch als Beispiel ein zwei-kanäliges Datenerfassungsmodul 1,
das gemäss
der Erfindung gekühlt
wird. Obwohl sämtliche illustrierte
Beispiele zwei-kanälige
Erfassungsmodule zeigen, ist es offensichtlich, dass die Erfindung sich
auch auf Module, welche eine beliebige Anzahl von Kanälen umfassen,
bezieht. Das Modul 1 besteht hauptsächlich aus einem gedruckten
Schaltkreis 15, auf welchem die Komponenten 3 und 18 montiert sind.
In diesem Beispiel ist das Modul dazu bestimmt, in Slots eines Erfassungssystems,
das mehrere Moduls umfassen kann, eingesteckt zu werden. Zu diesem
Zweck umfasst das Modul Verbindungsmittel auf einem Rand, so dass
das Modul in abnehmbarer Weise eingesteckt und mit einer Leiterplatte
(nicht dargestellt) elektrisch verbunden werden kann. Die Anordnung
der Verbindungselemente ist vorzugsweise konform mit dem PCI-, Compact
PCI- VXI- oder PXI-Standard oder mit einem anderen, für das Zusammenschalten
von Erfassungsmodulen geeigneten Standard. Eine Frontplatte 12 enthält verschiedene
Betätigungselemente
des Moduls (nicht dargestellt) sowie BNC-Stecker 10 für die analogen
Eingangssignale. Das Modul 1 kann mittels eines Greiforgans 11 in
das Erfassungssystem eingefügt
oder aus dem Erfassungssystem herausgenommen werden. Kalte Luft 13 kann
auf die Komponenten 3, 18 vorzugsweise von unten
eingeblasen werden, wobei die erwärmte Luft 14 von oben
aus dem Modul ausströmt.
Luft kann alle Komponenten 3, 18 sowie die Oberfläche der
Komponenten 3 umströmen.
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Gemäss der Erfindung
ist die Karte 15 mit einem Schutzdeckel 16 gedeckt,
der in diesem Beispiel alle Komponenten 3, 18 der
Karte schützt
und in diesem Beispiel durch geschraubte Säulchen 17 befestigt
wird. Der Deckel 16 bietet den Komponenten 3, 18 einen
mechanischen Schutz und verhindert die Risiken von Zerstörung durch
elektrostatischen Schock im Fall eines Kontakts mit einem Benutzer.
Der Deckel ist vorzugsweise auf den Seiten des Moduls nicht geschlossen,
so dass Luft zwischen der Karte 15 und dem Deckel 16 zirkulieren
kann. Gemäss
der Erfindung erlaubt der Deckel ausserdem, die Wärme abzuführen, die
von mindestens einigen Komponenten 3, beispielsweise von
den Analog-Digital-Wandlern, des Moduls verbreitet wird. Der Deckel
ist vorzugsweise aus einem einfachen glatten oder profilierten Blech
hergestellt und auf die Dimensionen der Karte 15 zugeschnitten,
wobei ein oder mehrere der Ränder
eventuell zurück
gefaltet werden können.
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Eine
thermische Brücke
wird zwischen den zu kühlenden
elektronischen Komponenten 3 und dem Deckel 16 hergestellt,
mittels eines mit dem Deckel solidarisch verbundenen Elements 4,
das gegen die Oberseite der Komponente 3 ruht. Der Wärmewiderstand
der thermischen Brücke
wird so weit wie möglich
minimiert, um die Wärmeübertragung
in Richtung Deckel 16 zu verbessern, der somit als grossdimensionierter
Radiator fungiert.
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Die
Höhe der
Säulchen 17 ist
vorzugsweise so vorgesehen, dass der Deckel 16 nicht in
direktem Kontakt mit den dicksten Komponenten 3, 18 der
Karte steht und dass Luft auch zwischen dem Deckel 16 und
der Karte eines in einem benachbarten Slot eingesteckten Moduls
zirkulieren kann.
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Wir
werden nun anhand der 3 bis 5 die Struktur
der thermischen Brücke 4 gemäss einer bevorzugten
Ausführungsform
beschreiben. Die thermische Brücke 4 umfasst
einen Kolbenträger 40,
der beispielsweise mittels Schrauben 44 am Schutzdeckel über den
zu kühlenden
Komponenten befestigt wird. Der Deckel besteht aus einer einfachen
Platte auf der Grösse
des gedruckten Schaltkreises 15 (ca. 300 cm2);
die einzige Änderung,
am Deckel vorgenommen werden muss, um ihn einer anderen Anordnung
der elektronischen Komponenten auf der Karte 15 anzupassen,
besteht darin, die Position der Löcher 45 für den Durchgang
der Schrauben 44 zu ändern,
um den Kolbenträger 40 zu
verschieben.
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In
einer alternativen Ausführungsform
ist es ebenfalls möglich,
den Träger 40 mittels
Clips zu befestigen oder ihn im Deckel einzufassen.
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Der
Kolbenträger 40 umfasst
eine oder mehrere Öffnungen
(oder Zylinder) 400, in welchen die Kolben 41 sich
längs bewegen
können.
Die Kolben werden mit einem ringförmigen Rand 412 versehen, der
einer ringförmigen
Rille 401 in den Öffnungen 400 entspricht,
so dass der Kolben nicht aus der Öffnung 400 raus kann,
wenn der Kolbenträger 40 auf dem
Deckel 16 geschraubt ist. Ein komprimierbares Element,
vorzugsweise eine Spiralfeder 43, wird in eine Öffnung 414 in
jedem Kolben eingesteckt, um ihn vom Deckel 16 fern zu
halten; die Kraft der Feder wird so gewählt, dass der Kolbenkopf 410 mit
einer Kraft von ca. 10 Newton auf der zu kühlenden Komponente 3 ruht,
was somit einen guten Kontakt und eine gute Wärmeübertragung erlaubt, ohne die
Zerstörung
der Komponente zu riskieren.
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Der
Kolbenkopf weist einen Durchmesser auf, der vorzugsweise mehr oder
weniger demjenigen der Oberfläche
der zu kühlenden
Komponente entspricht; ein nicht-kreisförmiger Kopfdurchschnitt, beispielsweise
quadratisch oder rechteckig, kann auch gewählt werden. Vorzugsweise umfasst
der Kolbenkopf einen prominenten zentralen Teil (nicht dargestellt)
mit einem geringeren Durchmesser als derjenige des Kolbenkopfes
und mit einer Höhe
von einigen Zehnteln von Millimetern, um einen qualitativ hochwertigen
Kontakt zwischen dem Kolben und genau dem Teil der Komponente, in
welchem sich die Wärmequelle
befindet, zu gewährleisten.
Es ist auch möglich,
einen leicht konvexen Kolbenkopf zu verwenden, um einen ausgezeichneten
Kontakt sogar im Falle eines Ausrichtungsfehlers der zu kühlenden Komponente
zu gewährleisten.
Um die Wärmeübertragung
zwischen diesen beiden Komponenten zu verbessern, wird vorzugsweise
die Kontaktfläche
mit einer Schicht wärmeleitender
Paste bedeckt. Die von den zu kühlenden
Komponenten freigesetzte Wärme wird
somit mit einem minimalen Wärmewiderstand
an den Kolben übertragen,
so dass der Temperaturunterschied zwischen dem Gehäuse der
Komponente 3 und dem Kolben 41 beispielsweise
nur ca. 3 bis 6 Grad beträgt.
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Um
die Wärmeaustauschfläche zwischen dem
Kolben 41 und dem Kolbenträger 40 zu vergrössern, wird
vorzugsweise ein grösstmöglicher
Schnitt der Kolben und der Öffnungen 400 verwendet;
zu diesem Zweck werden die Kolben 412 mit einer konischen
Portion 413 versehen, die als Verbindung zwischen dem Kopf 410 des
Kolben in Kontakt mit der elektronischen Komponente 3 und
dem Teil 411 des Kolben in Kontakt mit dem Kolbenträger 40 dient.
Ein Silikonschmiermittel, welches schmiert und das Gleiten des Kolben
in der Öffnung
erlaubt, wird vorzugsweise zudem verwendet, um die Wärmeübertragung zwischen
den Kolben und dem Träger
zu verbessern.
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Mehrere
Kolben 41 können
in dem gleichen Kolbenträger 40 gesetzt
werden, so dass die Temperatur zwischen den verschiedenen elektronischen Komponenten
in Kontakt mit diesen verschiedenen Kolben gleichmässig wird.
Die Feder 43 erlauben dem Kolben, sich den Schwankungen
in der Dicke zwischen diesen verschiedenen Komponenten anzupassen.
Im Falle von Komponenten mit sehr unterschiedlichen Dimensionen
ist es auch möglich,
Kolben unterschiedlicher Länge
und/oder Durchmesser im gleichen Modul 1 oder sogar im
gleichen Kolbenträger 40 zu
verwenden. Die Länge
oder die Kraft der Feder 43 kann auch an die zu kühlenden
Komponenten angepasst werden. Es ist natürlich auch möglich, mehrere
Kolbenträger 40 auf
dem gleichen Deckel 16 anzuschrauben.
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Um
ein effizientes Drücken
der Kolbenköpfe 410 auf
den Komponenten 3 zu gewährleisten, wird der Kolbenträger 40 vorzugsweise
von einem Säulchen 42 direkt
auf dem gedruckten Schaltkreis 15 in der Nähe der zu
kühlenden
Komponente 3 befestigt oder geschraubt. Es ist auch möglich, den
Deckel 16 direkt auf der Schaltung 15 in der Nähe der Komponenten 3 zu
befestigen.
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Die
Kolben 41, der Kolbenträger 40 und
der Deckel 16 werden aus einem oder verschiedenen gut wärmeleitenden
Materialien hergestellt, vorzugsweise aus Metall, beispielsweise
aus Aluminium. Die Feder 43 selbst kann an der Wärmeübertragung
zwischen dem Kolben und dem Deckel beitragen; sie wird vorzugsweise
aus einem gut wärmeleitenden Metall
gewählt.
Die Kolben und der Kolbenträger
werden vorzugsweise schwarz-eloxiert; der Deckel ist vorzugsweise
auch schwarz oder aus dunkler Farbe. Um die Kontaktfläche zwischen
dem Deckel und der Umgebungsluft zu vergrössern kann mindestens ein Teil
des Deckels rau, profiliert oder mindestens nicht glatt sein. Zudem
wird kalte Luft, beispielsweise mit einer Geschwindigkeit zwischen
1 und 3 Meter pro Sekunde, auf den Deckel injiziert, zum Beispiel
zwischen der Schaltung 15 und dem Schutzdeckel 16 oder
auf den beiden Seiten des Letzteren, um ihn noch effizienter zu
kühlen.
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Im
Rahmen der erhältlichen
Auswahl werden vorzugsweise zu kühlende
Komponenten 3 verwendet, die mit einem Gehäuse versehen
sind, das einen grossen Teil der Wärme, die von der mit dem Kolbenkopf
in Kontakt stehenden Oberfläche
freigesetzt wird, abzuführen
vermag. Verwendet werden vorzugsweise zum Beispiel elektronische
Komponenten 3 mit Kehrvertiefungsgehäusen des Typs BGA oder QFP-Gehäusen (Quad
Flat Pack) oder BGA-Gehäuse
mit in flip-chip montiertem Chip, eventuell versehen mit Oberflächenkomponenten
auf der oberen Seite des Gehäuses.