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Die Erfindung betrifft eine elektronische Baugruppe mit einem ersten Schaltungsträger, auf dem mindestens ein elektronisches Bauelement elektrisch kontaktiert ist. Außerdem weist die Baugruppe eine am ersten Schaltungsträger montierte Kühlvorrichtung auf, die eine mit einer Kühlflüssigkeit befüllbare Kavität hat.
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Eine elektronische Baugruppe der eingangs angegebenen Art ist beispielsweise in der
WO 2013/000484 A1 beschrieben. Um eine Kühlung von Modulen der Leistungselektronik mittels einer Kühlflüssigkeit zu erreichen, wird danach vorgeschlagen, dass die Module mit der Rückseite des die elektronischen Bauelemente tragenden Schaltungsträgers dichtend mit einem Gehäusebauteil verbunden werden, wobei das Gehäuse für die Kühlflüssigkeit eine Kavität ausbildet. Das Gehäuse kann über eine Öffnung mit der Kühlflüssigkeit befüllt werden, so dass die im Leistungsmodul entstehende Wärme über die Kühlflüssigkeit abgeführt werden kann.
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Als leistungselektronische Bauelemente werden zunehmend Halbleiter-Bauelemente eingesetzt, die ohne Gehäuse auf dem Schaltungsträger montiert werden (sogenannte Bare Dies). Diese haben den Vorteil eines geringeren Verbrauchs an Bauraum, geringerer Verluste aufgrund ohmscher Widerstände oder Induktivitäten und bieten außerdem die Möglichkeit einer direkteren Entwärmung. Der geringere Bauraumbedarf ist jedoch auch an eine höhere Leistungsdichte gekoppelt, wodurch die Anforderungen an die Kühlung steigen.
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Eine verbesserte Kühlung kann z. B. erreicht werden, indem Schaltungsträger mit einer höheren Wärmeleitfähigkeit eingesetzt werden. Diese kann durch bestimmte Leiterplattenbereiche zur Verfügung gestellt werden (beispielsweise durch Einsätze). Auch eine Flüssigkeitskühlung stellt einen zusätzlichen Aufwand dar, da hierdurch zusätzliche Komponenten erforderlich werden.
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Um die Wärmeableitung von den elektronischen Bauelementen zur Umgebung zu verbessern, ist es außerdem allgemein üblich, dass der die elektronischen Bauelemente umgebende Bauraum mit einem dielektrischen Material ausgefüllt wird. Hierbei kommen geeignete Vergussmassen, auch Underfiller genannt, zum Einsatz. Die Ausfüllung des Bauraums stellt einen zusätzlichen Prozessschritt bei der Herstellung der elektronischen Baugruppe dar und führt daher zu einem Mehraufwand. Die Wärmeabfuhr erfolgt im Betrieb dann durch Wärmeleitung, die durch die Vergussmasse verbessert wird.
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Die Aufgabe der Erfindung liegt in der Bereitstellung einer elektronischen Baugruppe, bei der eine möglichst effektive Kühlung der elektronischen Bauelemente mit einem möglichst geringen Aufwand erreicht werden kann.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass das mindestens eine elektronische Bauelement in der Kavität für die Kühlflüssigkeit angeordnet ist. Der Vorteil dieser Anordnung besteht darin, dass die Kühlflüssigkeit direkt mit der Wärmequelle, nämlich den elektronischen Bauelementen, in Kontakt kommt, so dass eine Verzögerung der Wärmeableitung durch Baustrukturen zwischen der Kühlflüssigkeit und den elektronischen Bauelementen vermieden werden kann. Die Kühlflüssigkeit ermöglicht außerdem eine Kühlung durch Konvektion, so dass die Wärme nicht durch Wärmeleitung abgeführt werden muss. Um die Kühlflüssigkeit in die Kavität einfüllen zu können, muss mindestens eine Öffnung in der Kühlvorrichtung vorgesehen sein. Diese Öffnung kann nach Befüllen geschlossen werden, wobei hierdurch eine Ausgestaltung der Erfindung entsteht, bei der die Kühlflüssigkeit in der Kavität eingeschlossen wird. Erwärmt sich die Kühlflüssigkeit im Bereich der elektronischen Bauelemente, so entsteht in der Kavität eine Flüssigkeitsbewegung, wobei die Kühlflüssigkeit in kühleren Arealen der Kavität die Wärme wieder abgeben kann.
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Gemäß einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Kavität einen Einlass und einen Auslass für die Kühlflüssigkeit aufweist. In diesem Fall kann der Einlass oder der Auslass auch als Öffnung zum Befüllen der Kavität verwendet werden. Vorteilhaft wird durch den Einlass und den Auslass ermöglicht, dass zwischen diesen ein Wärmetauscher für die Kühlflüssigkeit angeordnet werden kann. Somit bilden die Kavität und der Wärmetauscher einen Kühlkreislauf, wodurch der Abtransport von Wärme aus der Kavität vorteilhaft optimiert werden kann.
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Ein wesentliches Element der Erfindung ist, dass die Kavität eine Doppelfunktion übernimmt. Einerseits dient sie zur Aufnahme der elektronischen Bauelemente, die auf diesem Weg gleichzeitig vor der Umgebung geschützt sind, und andererseits bildet die Kavität einen Teil der Kühlvorrichtung aus, was den konstruktiven Aufwand bedeutend verringert. Die Funktionsintegration führt somit zur Vereinfachung des Bauteils bei gleichzeitig erhöhter Effektivität der Kühlung, da die Kühlflüssigkeit die Wärme direkt von den elektronischen Bauelementen abführen kann.
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Die Kavität der elektronischen Baugruppe muss mit einer elektrisch isolierenden Kühlflüssigkeit gefüllt sein. Dies ist erforderlich, um die Funktionsfähigkeit der elektronischen Bauelemente sicherzustellen. Bei Leistungsbauelementen auf Halbleiterbasis, wie z. B. Feldeffekttransistoren aus SiC, sind beispielsweise Potentialunterschiede von bis zu 2500 V zu isolieren. Vorteilhaft kann dies z. B. mit Kühlflüssigkeiten aus einem Polydimethylsiloxan oder einem Perfluorcarbon (beispielsweise bei der Firma 3M unter der Bezeichnung FC-43 erhältlich) erreicht werden.
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Gemäß einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das mindestens eine elektronische Bauelement ein Halbleiterbauelement ohne Gehäuse ist. Wie bereits erklärt, ist eine Wärmeabführung bei der Verwendung von ungehäusten Bauelementen durch direkte Kontaktierung mit der Kühlflüssigkeit möglich, wodurch die Effektivität der Kühlung vorteilhaft steigt.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Kavität durch ein auf dem Schaltungsträger befindliches Deckelbauteil gebildet wird. Hierdurch lässt sich ein besonders einfacher Aufbau erzielen, wobei das Deckelbauteil zusammen mit dem Schaltungsträger die Wand der Kavität bildet. Nach Montage der elektronischen Bauelemente kann das Deckelbauteil aufgesetzt und gegenüber dem Schaltungsträger abgedichtet werden, um anschließend mit der Kühlflüssigkeit befüllt zu werden.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn das Deckelbauteil als zweiter Schaltungsträger ausgeführt ist, der mit dem mindestens einen elektrischen Bauelement kontaktiert ist. Auf diese Weise können auch elektronische Bauelemente verbaut werden, die sowohl an ihrer Unterseite als auch an ihrer dieser gegenüberliegenden Oberseite Kontakte aufweisen. Diese können über die Kontaktflächen in der Kavität sicher gehalten werden, wobei die Fläche der Bauelemente außerhalb der Kontaktflächen von der Kühlflüssigkeit umströmt werden kann, um den größtmöglichen Kühlungseffekt zu erzielen. Die elektronische Baugruppe ist mit anderen Worten als Sandwichstruktur ausgebildet, wobei die Kavität integraler Bestandteil dieser Sandwichstruktur ist.
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Weiterhin kann vorteilhaft vorgesehen werden, dass in dem Kühlkreislauf zusätzlich zu der Kavität und dem Wärmetauscher eine Umwälzpumpe vorgesehen ist. Diese ermöglicht vorteilhaft einen zuverlässigen Transport der Kühlflüssigkeit, wobei ein bestimmter Mengendurchsatz an Kühlflüssigkeit durch die Pumpenleistung gesteuert werden kann. Daher sind mit dieser Variante der Erfindung vorteilhaft auch vergleichsweise hohe Kühlleistungen erreichbar.
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Eine andere Möglichkeit, die Fluktuation der Kühlflüssigkeit zu unterstützen, liegt darin, ein Rückschlagventil am Einlass der Kavität (und insbesondere auch am Auslass) vorzusehen. Dieses Rückschlagventil verhindert, dass Kühlflüssigkeit durch den Einlass zum Kühler fließt, so dass die sich ausdehnende Kühlflüssigkeit über den Auslass zum Kühler gelangen muss (und bei Vorhandensein eines Rückschlagventils am auslass nicht in die Kavität zurückfließen kann). Hierdurch wird ein Kreislauf in Gang gesetzt, der zu einer Kühlung der erwärmten Kühlflüssigkeit im Wärmetauscher führt. Dies ist besonders vorteilhaft, wenn die Wärme in der Baugruppe jeweils nur in Intervallen entsteht, insbesondere in zyklischen Intervallen.
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Alternativ oder zusätzlich kann in den mit dem Einlass verbindenden Teil des Kühlkreislaufs eine fluidische Drossel vorgesehen sein. Diese kann einstellbar ausgeführt sein oder durch einen festen Kanalquerschnitt dieses Teils des Kühlkreislaufs bestimmt werden, wobei der den Auslass mit dem Wärmetauscher verbindende Teil des Kühlkreislaufs mit einem vergleichsweise größerern Querschnitt ausgebildet ist. Dies hat vorteilhaft den Effekt, dass die sich ausdehnende Kühlflüssigkeit vorrangig durch den Auslass strömt, da hier ein geringerer Strömungswiderstand vorliegt. Dies unterstützt die Ausbildung eines Kreislaufs der Kühlflüssigkeit, die im Wechsel durch die elektronischen Bauelemente aufgeheizt und im Wärmetauscher wieder abgekühlt wird.
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Das Umlaufen der Kühlflüssigkeit im Kreislauf kann vorteilhaft auch dadurch unterstützt werden, dass der Wärmetauscher auf einem geodätisch höheren Niveau angeordnet ist als die Kavität. Da die erwärmte Kühlflüssigkeit eine geringere Dichte hat, steigt diese nach oben und erreicht auf diesem Wege den Wärmetauscher, wo sie wieder abgekühlt wird. Nach Durchlaufen des Wärmetauschers gelangt die Kühlflüssigkeit, deren Dichte nun wieder zugenommen hat, über den Einlass nach unten in die Kavität zurück.
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Eine besondere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass mehrere Kavitäten für jeweils mindestens ein Bauelement vorgesehen sind, die über jeweils einen Einlass und jeweils einen Auslass mit dem Wärmetauscher verbunden sind. Dies hat den Vorteil, dass der Mehraufwand für den Wärmetauscher für mehrere Kavitäten nur einmal anfällt (vorzugsweise Parallelschaltung der mehreren Kavitäten im Kühlkreislauf). Auch weitere Komponenten im Kühlkreislauf wie beispielsweise eine Umwälzpumpe können vorteilhaft für mehrere Kavitäten genutzt werden. Hierdurch verringert sich vorteilhaft der konstruktive Aufwand. Der Wärmetauscher kann beispielsweise zur Kühlung mehrerer Umrichterbänke genutzt werden. Ein Wärmetausch ist beispielsweise mit der Umgebung möglich. Der Wärmetauscher liegt somit außerhalb des thermischen Einflussbereichs der elektronischen Bauelemente.
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Weiterhin vorteilhaft ist es, wenn der erste Schaltungsträger auf einer dem mindestens einen Bauelement abgekehrten Seite einen Kühlkörper aufweist. Hierbei handelt es sich um ein an sich bekanntes Kühlprinzip, welches vorteilhaft zur Unterstützung der Kühlung vorgesehen werden kann. Der Schaltungsträger ist vorteilhaft aus einer Keramik, z. B. Aluminiumoxid (Al2O3) gebildet. Diese Keramiken gibt es als sogenannte DCB-Substrate (DCB steht für Direct Copper Bonded), wobei die Keramik Kupferschichten zur Strukturierung zur Verfügung stellt. Diese können zur gut wärmeleitfähigen Anbindung des Kühlers auf der einen Seite des ersten Schaltungsträgers und zur Strukturierung zwecks Aufnahme der elektronischen Bauelemente auf der anderen Seite des Schaltungsträgers dienen. Der keramische Schaltungsträger hat vorteilhaft genügend gute Wärmeleiteigenschaften, um die durch die elektronischen Bauelemente erzeugte Wärme in den Kühlkörper ableiten zu können.
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Ein zusätzlicher Kühlkörper hat mehrere Vorteile. Wird die elektronische Baugruppe beispielsweise im Teillastbereich verwendet, könnte z. B. eine Pumpe im Kreislauf der Kühlflüssigkeit abgeschaltet oder deren Leistung herabgesetzt werden, um Energie zu sparen, solange die passive Kühlung des Kühlkörpers ausreicht. Bei Lastspitzen steht durch den Kühlkörper eine zusätzliche Kühlkapazität zur Verfügung, welche die Gefahr von Überlastungen vorteilhaft vermindert.
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Weitere Einzelheiten der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung beschrieben. Gleiche oder sich entsprechende Zeichnungselemente sind jeweils mit den gleichen Bezugszeichen versehen und werden nur insoweit mehrfach erläutert, wie sich Unterschiede zwischen den einzelnen Figuren ergeben. Es zeigen:
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1 und 2 Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Baugruppe jeweils im Querschnitt und
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3 bis 7 weitere Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Baugruppe mit einem Kühlkreislauf jeweils als fluidische Blockschaltbilder.
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Eine elektronische Baugruppe gemäß 1 weist einen Schaltungsträger 11 auf, auf dem elektronische Bauelemente 12 befestigt sind. Dies erfolgt über erste Kontaktstrukturen 13. Die elektronischen Bauelemente 12 weisen auf der den ersten Kontaktstrukturen 13 gegenüberliegenden Seite zweite Kontaktstrukturen 14 auf, über die die elektronischen Bauelemente mit einem zweiten Schaltungsträger 15 verbunden sind.
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Bei dem ersten Schaltungsträger 11 handelt es sich um ein anorganisches Schaltungsträgermaterial, insbesondere eine DCB-Keramik. Der zweite Schaltungsträger 15 besteht beispielsweise aus einer mehrlagigen FR5-Leiterplatte oder ein anderes organisches Schaltungsträgermaterial, die in der dem ersten Schaltungsträger 11 zugewandten Seite eine Ausnehmung aufweist, die eine Kavität 16 ausbildet. In dieser Kavität 16 sind die elektronischen Bauelemente 12 untergebracht. Außerdem dient die Kavität 16 zur Aufnahme einer Kühlflüssigkeit, die in der Kavität 16 entsprechend der angedeuteten Pfeile 17 aufgrund von Konvektionseffekten umlaufen kann. Dabei umspült die Kühlflüssigkeit auch die elektronischen Bauelemente 12, wobei die dort aufgenommene Wärme in anderen Bereichen der Kavität 16 an den Wänden wieder abgegeben wird. Um einen Wärmetransport durch den ersten Schaltungsträger 11 zu unterstützen, weist dieser auf der dem zweiten Schaltungsträger 15 abgewandten Seite einen Kühlkörper 18 auf.
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Der zweite Schaltungsträger 15 weist elektrische Leitpfade 19 auf, mit deren Hilfe die elektronischen Bauelemente 12 kontaktiert werden können. Auch der erste Schaltungsträger 11 ermöglicht eine solche Kontaktierung, die hier nicht näher dargestellt ist und beispielsweise auch durch den zweiten Schaltungsträger 15 verlaufen kann. Außerdem weist der zweite Schaltungsträger zwei Öffnungen auf, die in dem in 1 dargestellten Zustand durch Stopfen 20 verschlossen sind. Über diese Öffnungen kann nach dem Zusammenfügen der elektronischen Baugruppe die Kühlflüssigkeit eingefüllt werden, wobei während des Einfüllens durch eine der beiden Öffnungen die andere der beiden Öffnungen zur Entlüftung dient. Der erste Schaltungsträger 11 und der zweite Schaltungsträger 15 können untereinander beispielsweise verlötet oder verklebt werden, um die Kavität 16 hermetisch gegen die Umgebung abzudichten. Als Kühlfluid kann z. B. ein Perfluorcarbon Verwendung finden, welches beispielsweise durch die Firma 3M mit der Bezeichnung FC-43 angeboten wird.
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Die elektronische Baugruppe gemäß 2 unterscheidet sich von derjenigen gemäß 1 dadurch, dass auf der dem ersten Schaltungsträger 11 gegenüberliegenden Seite des zweiten Schaltungsträgers 15 ein Wärmetauscher 21 befestigt ist. Die Kavität 16 weist einen Einlass 22 und einen Auslass 23 für die Kühlflüssigkeit auf, so dass ein Kühlkreislauf 24 für die Kühlflüssigkeit entsteht, der durch Pfeile angedeutet ist.
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Die Kühlflüssigkeit strömt, nachdem diese durch das elektronische Bauelement 12 erwärmt wurde durch den Auslass 23 zum Wärmetauscher 21, wo die Kühlflüssigkeit über Rippen 25 Wärme an die Umgebung abgibt. Danach strömt die Kühlflüssigkeit über den Einlass 22 wieder in die Kavität 16. Der Fluss des Kühlmittels wird durch die Wirkung der Schwerkraft g unterstützt, da die elektronische Baugruppe mit der dem zweiten Schaltungsträger 15 abgewandten Seite des ersten Schaltungsträgers 11 auf einer waagerechten Unterlage 26 befestigt ist. Die erwärmte Kühlflüssigkeit strömt daher durch den Auslass 23 nach oben, der einen größeren Querschnitt aufweist, als der Einlass 22. Nach Abkühlung sinkt die Flüssigkeit durch den Einlass 22 wieder zurück in die Kavität 16. Diese muss im Übrigen in die Kavität 16 nachströmen, da die aufsteigende Kühlflüssigkeit im Auslass 23 einen Unterdruck erzeugt.
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In den 3 bis 7 sind verschiedene Konfigurationen für den Kühlkreislauf 24 schematisch dargestellt. Der Kühler 21 sowie die Kavität 16 werden jeweils als Box dargestellt und können beispielsweise wie in 2 dargestellt ausgeführt sein. In 3 weist der Kühlkreislauf eine fluidische Drossel 27 auf, welche beispielsweise durch den in 2 dargestellten geringeren Querschnitt des Einlasses 22 realisiert sein kann. Alternativ hierzu kann die Drossel in nicht dargestellter Weise auch einstellbar sein. Die Funktion der Drossel ist im Zusammenhang mit 2 bereits erläutert worden.
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4 zeigt, dass der Kühlkreislauf 24 auch mit einer Umwälzpumpe 28 ausgestattet werden kann. Durch Regelung der Pumpenleistung lässt sich der Mengendurchsatz an Kühlflüssigkeit in der Kavität 16 steuern, wodurch die Kühlleistung vorteilhaft an den Betriebszustand der elektronischen Bauelemente (beispielsweise Teillast, Volllast, Spitzenlast) angepasst werden kann.
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Gemäß 5 ist am Einlass 22 ein Rückschlagventil 29 vorgesehen. Dies verhindert, dass sich insbesondere bei der Inbetriebnahme der elektronischen Bauelemente die Kühlflüssigkeit entgegengesetzt der vorgesehenen Fließrichtung im Kühlkreislauf bewegt, sondern durch den Auslass 23 zum Wärmetauscher 21 gelangt. Dies setzt den Kreislauf in Gang, wobei sich das Rückschlagventil öffnet, sobald Kühlflüssigkeit von dem Wärmetauscher 21 in die Kavität 16 zurückfließt. Nicht dargestellt ist eine Variante, bei der auch am Auslass 23 ein Rückschlagventil vorgesehen ist. Dies sperrt in dieselbe Richtung, d. h., dass die Kühlflüssigkeit nicht vom Wärmetauscher 21 in die Kavität 16 zurückfließen kann.
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Der 6 lässt sich entnehmen, dass die Elemente einer fluidischen Drossel 27 und eines Rückschlagventils 29 auch kombiniert werden können. Während das Rückschlagventil 29 in der beschriebenen Weise das Anlaufen des Kühlkreislaufs in der richtigen Richtung unterstützt, unterstützt die Drossel 27, die in 6 verstellbar ausgeführt ist, den Umlauf der Kühlflüssigkeit im Kühlkreislauf 24.
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In 7 ist dargestellt, dass auch mehrere Kavitäten 16 mit einem einzigen Wärmetauscher 21 betrieben werden können. Der Wärmetauscher 21 wie auch die Umwälzpumpe 28 müssen in diesem Fall auf den Kühlungsbedarf desjenigen Betriebszustands ausgelegt werden, in dem die Bauelemente in allen Kavitäten 16 zusammen den höchsten Kühlungsbedarf haben. Um eine optimale Versorgung der Kavitäten 16 zu gewährleisten, können weiterhin einstellbare fluidische Drosseln 27 in den Teilkreisläufen vor dem jeweiligen Einlass 22 angeordnet werden, so dass der Volumenstrom in jeder Kavität individuell eingestellt werden kann. Die Pumpe 28 sowie die einstellbaren Drosseln 27 werden zu diesem Zweck über eine nicht dargestellte Steuerung kontrolliert.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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