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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Gebiet der Erfindung
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Die in der vorliegenden Erfindung offenbarte Technologie bezieht sich auf eine Energiewandelvorrichtung und ihr Herstellungsverfahren.
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Beschreibung des Stands der Technik
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Die japanische Patentoffenlegungsschrift Nr.
2012-257416 (
JP 2012-257416 A ) und die japanische Patentoffenlegungsschrift Nr.
2016-123147 (
JP 2016 -
123147 A ) beschreiben eine Energiewandelvorrichtung, bei der eine Vielzahl von Halbleitermodulen und eine Vielzahl von Kühlmitteln abwechselnd gestapelt sind. In dieser Art von Energiewandelvorrichtungen ist es notwendig, einen gestapelten Körper aus den Halbleitermodulen und den Kühlmitteln in einer Stapelrichtung mit Druck zu beaufschlagen und zu halten, um eine Haftung zwischen den Halbleitermodulen und den Kühlmitteln zu erhöhen. Daher ist beispielsweise in der Energiewandelvorrichtung, die in der
JP 2012-257416 A gezeigt ist, ein gedrücktes Federelement zwischen dem gestapelten Körper und einem Behälter vorgesehen, der den gestapelten Körper aufnimmt. Alternativ verwendet die Energiewandelvorrichtung, die in der
JP 2016-123147 A gezeigt ist, eine Struktur, bei der der gestapelte Körper zwischen einem Gehäusekörper, der eine Öffnung hat, und einem Gehäusedeckel aufgenommen ist, der die Öffnung in dem Gehäusekörper schließt, wobei der Gehäusekörper und der Gehäusedeckel mittels Bolzen verbunden sind, während eine vorbestimmte Druckkraft auf den gestapelten Körper aufgebracht wird.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Bei der in der
JP 2012-257416 A gezeigten Struktur ist ein vergleichsweise großer Behälter für den gestapelten Körper notwendig, weil es notwendig ist, sowohl den gestapelten Körper als auch das Federelement in dem Behälter aufzunehmen. Ferner ist die erforderliche Steifigkeit des Behälters vergleichsweise hoch, um einer Reaktionskraft des Federelements zu widerstehen. Daher führt dies auch zu einer Erhöhung der Größe des Behälters, d. h., einer Erhöhung der Größe der Energiewandelvorrichtung. Andererseits kann mit der in der
JP 2016-123147 A gezeigten Struktur eine Größe der Energiewandelvorrichtung reduziert werden, weil das Federelement weggelassen werden kann. Jedoch kann, weil es kein Federelement gibt, ein Betrag einer Druckkraft, die auf den gestapelten Körper aufgebracht wird, unzureichend sein, wenn beispielsweise eine Kriechverformung in dem Halbleitermodul oder dem Kühlmittel auftritt. Die vorliegende Beschreibung stellt eine Technologie bereit, die imstande ist, einen Betrag einer Druckkraft hinreichend sicherzustellen, die auf den gestapelten Körper aufgebracht wird, während sie ein Reduzieren der Größe der Energiewandelvorrichtung realisiert.
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Eine Energiewandelvorrichtung gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung, die in der vorliegenden Beschreibung gezeigt ist, umfasst eine Vielzahl von Halbleitermodulen, eine Vielzahl von Kühlmitteln und einen Rahmen. Jedes der Halbleitermodule hat ein Halbleiterelement. Jedes der Kühlmittel hat innen einen Kältemittelströmungspfad. Der Rahmen druckbeaufschlagt und hält einen gestapelten Körper, in dem die Halbleitermodule und die Kühlmittel abwechselnd in einer Stapelrichtung des gestapelten Körpers gestapelt sind. Der Rahmen umfasst einen ersten Rahmen und einen zweiten Rahmen, die den gestapelten Körper zwischen einander aufnehmen (zusammendrücken). Der erste Rahmen ist ein Plattenmaterial, das gebogen ist, um den gestapelten Körper aus drei Richtungen zu umgeben, und umfasst ein Paar von Seitenwänden, die sich in der Stapelrichtung des gestapelten Körpers erstrecken, sowie eine anliegende Wand, die sich zwischen den Seitenwänden erstreckt und an dem gestapelten Körper anliegt. Die anliegende Wand ist nach außen aus dem Rahmen gebogen. Jede der Seitenwände ist nach innen von dem Rahmen (zu der Innenseite des Rahmens) gebogen.
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In der vorstehenden Konfiguration ist der gestapelte Körper aus Halbleitermodulen und Kühlmitteln zwischen dem ersten Rahmen und dem zweiten Rahmen aufgenommen. Der erste Rahmen ist aus einem Plattenmaterial gefertigt, das gebogen ist, um den gestapelten Körper aus den drei Richtungen zu umgeben, und wobei jede der Wandflächen des ersten Rahmens wie eine Tellerfeder gebogen ist. Von daher kann der erste Rahmen selbst als das Federelement dienen. Daher ist ein Federelement oder ein Behälter mit einer hohen Steifigkeit nicht erforderlich und ein hinreichender Betrag einer Druckkraft auf den gestapelten Körper kann sichergestellt werden. Anders gesagt, der Betrag einer Druckkraft auf den gestapelten Körper kann hinreichend sichergestellt werden, während ein Reduzieren der Größe der Energiewandelvorrichtung sichergestellt wird.
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Bei dem ersten Aspekt kann eine Biegesteifigkeit in der Stapelrichtung des zweiten Rahmens höher sein als eine Biegesteifigkeit in der Stapelrichtung der anliegenden Wand des ersten Rahmens. Mit einer solchen Konfiguration kann eine Energiewandelvorrichtung mit einer hohen Genauigkeit zusammengebaut werden, indem beispielsweise der zweite Rahmen als ein Bezug verwendet wird, weil eine Verformung des zweiten Rahmens eingeschränkt wird.
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Zusätzlich zur oder anstatt der vorstehenden Konfiguration kann eine Biegesteifigkeit in der Stapelrichtung des zweiten Rahmens höher sein als eine Biegesteifigkeit in einer Plattendickenrichtung der Seitenwände des ersten Rahmens. Weil eine Verformung des zweiten Rahmens auch mit einer solchen Konfiguration verhindert wird, kann die Energiewandelvorrichtung mit einer hohen Genauigkeit zusammengebaut werden, indem beispielsweise der zweite Rahmen als der Bezug verwendet wird.
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Bei dem ersten Aspekt kann der zweite Rahmen ein Plattenmaterial sein, das mindestens einen gebogenen Abschnitt hat, und eine Biegelinie, d. h., eine Kantenlinie, des gebogenen Abschnitts kann zwischen den Seitenwänden in einer Richtung gebogen sein, die senkrecht zu der Stapelrichtung ist. Mit einer solchen Konfiguration kann der zweite Rahmen mit einer hohen Biegesteifigkeit einfach hergestellt werden.
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Bei dem ersten Aspekt kann der erste Rahmen aus einem Metall gefertigt sein. Mit einer solchen Konfiguration kann ein erster Rahmen mit gewünschten Eigenschaften (beispielsweise einer angemessenen Elastizität oder Festigkeit) einfach hergestellt werden.
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Ein zweiter Aspekt der vorliegenden Erfindung, der in der vorliegenden Beschreibung offenbart ist, ist ein Herstellungsverfahren der Energiewandelvorrichtung. Die Energiewandelvorrichtung umfasst eine Vielzahl von Halbleitermodulen, eine Vielzahl von Kühlmitteln und einen Rahmen. Jedes der Halbleitermodule hat ein Halbleiterelement. Jedes der Kühlmittel hat innen einen Kältemittelströmungspfad. Der Rahmen druckbeaufschlagt und hält einen gestapelten Körper, in dem die Halbleitermodule und die Kühlmittel abwechselnd in einer Stapelrichtung des gestapelten Körpers gestapelt sind. Der Rahmen umfasst einen ersten Rahmen und einen zweiten Rahmen. Der erste Rahmen ist ein Plattenmaterial, das gebogen ist, um den gestapelten Körper aus drei Richtungen zu umgeben, und umfasst ein Paar von Seitenwänden, die sich entlang der Stapelrichtung des gestapelten Körpers erstrecken, sowie eine anliegende Wand, die sich zwischen den Seitenwänden erstreckt und an dem gestapelten Körper anliegt. Das Herstellungsverfahren umfasst einen Schritt aus einem Anordnen des gestapelten Körpers zwischen dem ersten Rahmen und dem zweiten Rahmen, einen Schritt aus einem Druckbeaufschlagen des zweiten Rahmens in Richtung des gestapelten Körpers, während beide Enden des ersten Rahmens in einem fixierten Zustand sind, sowie einen Schritt aus einem Fixieren des zweiten Rahmens an dem ersten Rahmen, während eine erste Druckkraft auf den gestapelten Körper während des Schritts des Druckbeaufschlagens aufgebracht wird. In diesem Fall, wenn die erste Druckkraft auf den gestapelten Körper aufgebracht wird, wird die anliegende Wand nach außen aus dem Rahmen gebogen, und wird jede der Seitenwände nach innen von dem Rahmen (zu der Innenseite des Rahmens) gebogen. Mit einer solchen Konfiguration kann die Druckkraft, die auf den gestapelten Körper aufgebracht wird, in angemessener Weise eingestellt werden, weil es möglich ist, den zweiten Rahmen an dem ersten Rahmen zu fixieren, während der Druckzustand des gestapelten Körpers überwacht wird.
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Bei dem zweiten Aspekt kann ein thermisches Schnittstellenmaterial (thermal interface material, TIM) im Fettzustand zwischen dem Halbleitermodul und einem Kühlmittel aufgebracht werden, das dem Halbleitermodul in dem gestapelten Körper benachbart ist. In diesem Fall ist das Halbleitermodul in der Vielzahl von Halbleitermodulen enthalten und das Kühlmittel ist in der Vielzahl von Kühlmitteln enthalten.
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Bei dem zweiten Aspekt kann das Herstellungsverfahren ferner einen Schritt aus einem Installieren eines Lastaufnahmemittels auf einer Außenseite der anliegenden Wand vor dem Schritt des Druckbeaufschlagens umfassen. Während des Schritts des Druckbeaufschlagens kann die Druckkraft, die auf den gestapelten Körper aufgebracht wird, auf eine zweite Druckkraft erhöht werden, die größer ist als die erste Druckkraft, und dann auf die erste Druckkraft verringert werden. Mit einer solchen Konfiguration kann das TIM im Fettzustand, das zwischen dem Halbleitermodul und dem Kühlmittel aufgebracht wird, das nahe des Halbleitermoduls ist, in einer vergleichsweise kurzen Zeit verteilt werden.
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Bei dem zweiten Aspekt kann während des Schritts des Druckbeaufschlagens die Druckkraft, die auf den gestapelten Körper aufgebracht wird, auf eine dritte Druckkraft erhöht werden, die größer ist als die erste Druckkraft, sodass eine plastische Verformung in einem gebogenen Abschnitt des ersten Rahmens auftritt, und dann auf die erste Druckkraft verringert werden. Mit einer solchen Konfiguration wird ein elastischer Bereich (ein Bereich der Last, in dem eine elastische Verformung aufrechterhalten wird) in dem gebogenen Abschnitt (einem Verbindungsabschnitt zwischen der anliegenden Wand und der Seitenwand) vergrößert, in dem Spannung aufgrund einer Kaltverfestigung konzentriert ist, die durch eine plastische Verformung bewirkt wird. Zusätzlich hat der erste Rahmen eine Struktur, in der die anliegende Wand und die Seitenwände, von denen jede als Tellerfeder fungiert, durch die gebogenen Abschnitte verbunden sind. Von daher, auch wenn ein Restverzug in dem gebogenen Abschnitt erhöht ist, ist die Spannung an der elastischen Grenze des gebogenen Abschnitts erhöht, sodass der Restverzug in dem gesamten ersten Rahmen vergleichsweise gering gehalten wird. Daher können Federeigenschaften des ersten Rahmens, der als ein Federelement dient, verbessert werden, und insbesondere kann ein zulässiger Bezugsbereich, in dem der erste Rahmen elastisch verformt werden kann, stark vergrößert werden.
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Einzelheiten und weitere Verbesserungen von jedem Aspekt, der in der vorliegenden Beschreibung offenbart ist, werden nachfolgend in „GENAUE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN“ beschrieben.
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Figurenliste
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Merkmale, Vorteile und technische sowie gewerbliche Bedeutung der beispielhaften Ausführungsformen der Erfindung werden nachstehend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in denen gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente bezeichnen, und wobei:
- 1 eine perspektivische Ansicht einer Energiewandelvorrichtung gemäß einer Ausführungsform ist;
- 2 eine perspektivische Explosionsansicht ist, die Komponenten in einem Zustand vor einem Zusammenbauen der Energiewandelvorrichtung gemäß der Ausführungsform zeigt;
- 3 eine Draufsicht der Energiewandelvorrichtung gemäß der Ausführungsform ist;
- 4 eine Draufsicht ist, die eine Anordnung von jeder Komponente der Energiewandelvorrichtung in einem Zustand vor einem Zusammenbauen zeigt;
- 5 eine Draufsicht ist, die die Energiewandelvorrichtung während eines Druckbeaufschlagungsprozesses zeigt;
- 6 eine Draufsicht ist, die die Energiewandelvorrichtung zeigt, wenn eine Druckkraft, die den ersten Rahmen zu einer gewünschten Form hin biegt, auf einen zweiten Rahmen aufgebracht wird;
- 7 eine Draufsicht der Energiewandelvorrichtung während eines Prozesses aus einem Installieren eines Lastaufnahmemittels ist;
- 8 eine Draufsicht der Energiewandelvorrichtung während des Druckbeaufschlagungsprozesses nach einem Installieren des Lastaufnahmemittels ist;
- 9 eine Draufsicht der Energiewandelvorrichtung ist, wenn die Druckkraft, die eine plastische Verformung in gebogenen Abschnitten des ersten Rahmens bewirkt, auf den zweiten Rahmen aufgebracht wird;
- 10A ein Graph ist, der eine Beziehung zwischen einer äquivalenten Spannung und einem Verzug zeigt, wenn eine plastische Verformung in den gebogenen Abschnitten auftritt; und
- 10B ein Graph ist, der eine Beziehung zwischen einer Reaktionskraft und dem Verzug zeigt, wenn die plastische Verformung in den gebogenen Abschnitten auftritt.
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GENAUE BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Eine Energiewandelvorrichtung 90 gemäß einer Ausführungsform wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. Die Energiewandelvorrichtung 90 gemäß der Ausführungsform führt ein Energiewandeln zwischen einer Energiequelle und einer Last durch. Die Energiewandelvorrichtung 90 kann beispielsweise an einem Elektrofahrzeug montiert sein, ist jedoch nicht darauf beschränkt, und kann als eine Energiewandelvorrichtung für verschiedene Anwendungen verwendet werden. Wie in 1 gezeigt ist, umfasst die Energiewandelvorrichtung 90 einen gestapelten Körper 10 und einen Rahmen 20. Der gestapelte Körper 10 wird durch den Rahmen 20 druckbeaufschlagt und gehalten.
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Wie in den 2 und 3 gezeigt ist, ist der gestapelte Körper 10 eine Einheit, in der die Halbleitermodule 12 und die Kühlmittel 14 abwechselnd gestapelt sind. Das Halbleitermodul 12 ist eine Vorrichtung, die eine Vielzahl von Halbleiterelementen (nicht gezeigt) darin umfasst. Das Halbleiterelement ist zum Energiewandeln und wird auch als Energiehalbleiterelement bezeichnet. Eine große Wärmemenge wird erzeugt, wenn ein hoher Strom durch das Energiehalbleiterelement strömt. Daher ist die Energiewandelvorrichtung 90 mit dem Kühlmittel 14 versehen, das das Halbleitermodul 12 kühlt. Genauer gesagt, weil zwei Kühlmittel 14 neben dem einen Halbleitermodul 12 auf beiden Seiten sind, wird das Halbleitermodul 12 wirksam gekühlt. Eine Isolierplatte 19 ist zwischen dem Halbleitermodul 12 und dem benachbarten Kühlmittel 14 angeordnet. Ferner ist ein TIM im Fettzustand zwischen dem Halbleitermodul 12 und seiner benachbarten Isolierplatte 19 sowie zwischen der Isolierplatte 19 und ihrem benachbarten Kühlmittel 14 aufgebracht. Das TIM im Fettzustand wird aufgebracht, um einen Wirkungsgrad eines Wärmetauschs zu verbessern. In 2 ist das Bezugszeichen 12 lediglich einem Halbleitermodul 12 vergeben und Bezugszeichen sind bei den anderen Halbleitermodulen weggelassen. Außerdem ist ein Bezugszeichen 14 lediglich einem Kühlmittel vergeben und Bezugszeichen sind von den anderen Kühlmitteln weggelassen. Außerdem ist ein Bezugszeichen 19 lediglich einer Isolierplatte vergeben und Bezugszeichen sind von den anderen Isolierplatten weggelassen. Das Gleiche gilt für die anderen Zeichnungen.
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Das Kühlmittel 14 hat einen Strömungspfad, durch den ein Kältemittel darin strömt. Das Kältemittel strömt in einer Richtung (einer y-Richtung in 2), die senkrecht zu einer Stapelrichtung des gestapelten Körpers 10 (einer x-Richtung in 2) ist. Die Vielzahl von Kühlmitteln 14 ist miteinander durch ein Verbindungsrohr in Verbindung. Ein Kältemittelzufuhrrohr 15 und ein Kältemittelausstoßrohr 16 sind mit dem Kühlmittel 14 verbunden, das an einem Ende in der Stapelrichtung der Energiewandelvorrichtung 90 angeordnet ist. Das Kältemittel, das durch das Kältemittelzufuhrrohr 15 zugeführt wird, wird an alle Kühlmittel 14 durch das Verbindungsrohr verteilt. Das Kältemittel nimmt Wärme von dem benachbarten Halbleitermodul 12 auf, während es durch jedes Kühlmittel 14 tritt. Das Kältemittel, das durch jedes Kühlmittel 14 getreten ist, tritt durch das Verbindungsrohr und wird aus dem Kältemittelausstoßrohr 16 ausgestoßen. Das durch das Kühlmittel 14 strömende Kältemittel ist eine Flüssigkeit, und kann beispielsweise Wasser oder ein Kühlmittel mit langer Lebensdauer (long life coolant, LLC) sein.
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Wie vorstehend beschrieben wurde, wird der gestapelte Körper 10 aus der Vielzahl von Halbleitermodulen 12 und der Vielzahl vom Kühlmitteln 14 durch den Rahmen 20 in der Stapelrichtung druckbeaufschlagt und gehalten, um eine Haftung zwischen dem Halbleitermodul 12 und dem Kühlmittel 14 zu erhöhen und die Kühlleistungsfähigkeit des Halbleitermoduls 12 durch das Kühlmittel 14 zu verbessern. Der Rahmen 20 besteht aus einem ersten Rahmen 30 und einem zweiten Rahmen 40. Der gestapelte Körper 10 ist zwischen dem ersten Rahmen 30 und dem zweiten Rahmen 40 aufgenommen. Außerdem ist ein vorderes Distanzstück 17 zwischen dem zweiten Rahmen 40 und dem gestapelten Körper 10 eingesetzt. Zusätzlich ist ein hinteres Distanzstück 18 zwischen dem ersten Rahmen 30 und dem gestapelten Körper 10 eingesetzt. Der gestapelte Körper 10 wird durch den ersten Rahmen 30 und den zweiten Rahmen 40 in der Stapelrichtung (der x-Richtung) druckbeaufschlagt und gehalten.
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Der erste Rahmen 30 umfasst eine anliegende Wand 32 und ein Paar von Seitenwänden 34a, 34b. Die Seitenwände 34a, 34b erstrecken sich entlang der Stapelrichtung des gestapelten Körpers 10 und liegen einander mit dem gestapelten Körper 10 dazwischen gegenüber. Die anliegende Wand 32 erstreckt sich zwischen den Seitenwänden 34a, 34b. Die anliegende Wand 32 und die Seitenwand 34a sind miteinander durch einen gebogenen Abschnitt 36a verbunden. Zusätzlich sind die anliegende Wand 32 und die Seitenwand 34b miteinander durch einen gebogenen Abschnitt 36b verbunden. Anders gesagt, der erste Rahmen 30 ist einen Plattenmaterial, das gebogen ist, um den gestapelten Körper 10 aus drei Richtungen zu umgeben. Die anliegende Wand 32 druckbeaufschlagt den gestapelten Körper 10 in der Stapelrichtung durch das hintere Distanzstück 18. Der erste Rahmen 30 ist beispielsweise aus einem Metall gefertigt.
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Die anliegende Wand 32 ist nach außen aus dem Rahmen 20 gebogen. Außerdem ist jede der Seitenwände 34a, 34b nach innen von dem Rahmen 20 gebogen. Wie nachstehend im Einzelnen beschrieben wird, sind sowohl die anliegende Wand 32 als auch die Seitenwände 34a, 34b zu der vorstehend beschriebenen Form gebogen, indem der zweite Rahmen 40 in Richtung des gestapelten Körpers 10 druckbeaufschlagt wird, während beide Enden des ersten Rahmens 30 in einem fixierten Zustand sind. Der zweite Rahmen 40 ist an dem ersten Rahmen 30 fixiert, während die anliegende Wand 32 nach außen aus dem Rahmen 20 gebogen ist und jede der Seitenwände 34a, 34b nach innen von dem Rahmen 20 gebogen ist. Der zweite Rahmen 40 ist an dem ersten Rahmen 30 beispielsweise mittels Schweißen fixiert.
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Eine Biegesteifigkeit des zweiten Rahmens 40 in der Stapelrichtung (der x-Richtung) ist höher als die Biegesteifigkeit der anliegenden Wand 32 in der Stapelrichtung (der x-Richtung) und die Biegesteifigkeit der Seitenwände 34a, 34b in der Plattendickenrichtung (y-Richtung). Von daher wird eine Verformung des zweiten Rahmens 40 verhindert. Daher kann die Energiewandelvorrichtung 90 mit einer hohen Genauigkeit zusammengebaut werden, beispielsweise, indem der zweite Rahmen 40 als Bezug verwendet wird. Ferner, weil der erste Rahmen 30 aus Metall gefertigt ist, kann ein erster Rahmen 30, der gewünschte Eigenschaften (beispielsweise eine angemessene Elastizität und Festigkeit) hat, einfach hergestellt werden.
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Mit der vorstehenden Konfiguration ist der gestapelte Körper 10 aus Halbleitermodulen 12 und den Kühlmitteln 14 zwischen dem ersten Rahmen 30 und dem zweiten Rahmen 40 aufgenommen. Der erste Rahmen 30 ist aus einem Plattenmaterial gefertigt, das gebogen ist, um den gestapelten Körper 10 aus den drei Richtungen zu umgeben, und die anliegende Wand 32 sowie die Seitenwände 34a, 34b sind wie Tellerfedern gebogen. Von daher kann der erste Rahmen 30 selbst als ein Federelement dienen, das den gestapelten Körper 10 in der Stapelrichtung druckbeaufschlagt. Daher ist ein Federelement oder ein Behälter, der eine hohe Steifigkeit hat, nicht erforderlich, und ein hinreichender Betrag einer Druckkraft auf den gestapelten Körper 10 kann sichergestellt werden. Anders gesagt, der Betrag einer Druckkraft, die auf den gestapelten Körper 10 aufgebracht wird, kann hinreichend sichergestellt werden, während eine Reduktion einer Größe der Energiewandelvorrichtung 90 realisiert werden kann.
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In der vorliegenden Ausführungsform kann der zweite Rahmen 40 aus einem Plattenmaterial gefertigt sein, das mindestens einen gebogenen Abschnitt hat. Eine Biegelinie, das heißt, eine Kantenlinie eines gebogenen Abschnitts, der in dem zweiten Rahmen 40 vorgesehen ist, ist zwischen den Seitenwänden 34a, 34b in einer Richtung gebogen, die senkrecht zu der Stapelrichtung ist. Mit einer solchen Konfiguration kann der zweite Rahmen 40, der eine hohe Biegesteifigkeit hat, einfach hergestellt werden. Ferner ist der zweite Rahmen 40 nicht notwendigerweise auf ein Plattenmaterial beschränkt und kann beispielsweise ein blockförmiges Element sein.
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Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf 4 bis 6 das Herstellungsverfahren der Energiewandelvorrichtung 90 gemäß der Ausführungsform beschrieben. Wie in 4 gezeigt ist, wird zunächst ein Prozess aus einem Anordnen des gestapelten Körpers 10 zwischen dem ersten Rahmen 30 und dem zweiten Rahmen 40 durchgeführt. Wie vorstehend beschrieben wurde, sind die Halbleitermodule 12 und die Kühlmittel 14 in dem gestapelten Körper 10 abwechselnd gestapelt. Die Isolierplatte 19 ist zwischen dem Halbleitermodul 12 und dem benachbarten Kühlmittel 14 eingesetzt. Das TIM im Fettzustand wird zwischen das Halbleitermodul 12 und die Isolierplatte 19 und zwischen die Isolierplatte 19 und das Kühlmittel aufgebracht. Weil andererseits keine Druckkraft auf den gestapelten Körper 10 in dieser Phase aufgebracht wird, kann man sagen, dass der gestapelte Körper 10 in einem zeitweise zusammengebauten Zustand ist.
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Wie vorstehend beschrieben wurde, ist der erste Rahmen 30 ein Plattenmaterial, das gebogen ist, um den gestapelten Körper 10 aus den drei Richtungen zu umgeben. Die anliegende Wand 32 des ersten Rahmens 30 liegt dem gestapelten Körper 10 auf einer Seite in der Stapelrichtung mit dem hinteren Distanzstück 18 dazwischen gegenüber. Der zweite Rahmen 40 liegt dem gestapelten Körper 10 auf der anderen Seite in der Stapelrichtung mit dem vorderen Distanzstück 17 dazwischen gegenüber. Wie in 4 gezeigt ist, sind in dieser Phase sowohl die anliegende Wand 32 als auch die Seitenwände 34a, 34b des ersten Rahmens 30 nicht gebogen. Anders gesagt, sowohl die anliegende Wand 32 als auch die Seitenwände 34a, 34b bleiben in einer ebenen Gestalt. In dem gebogenen Abschnitt 36a, in dem die anliegende Wand 32 und eine Seitenwand 34a miteinander verbunden sind, kann ein Winkel, der zwischen der anliegenden Wand 32 und der Seitenwand 34a ausgebildet ist, beispielsweise ein rechter Winkel sein. Ähnlich kann in dem gebogenen Abschnitt 36b, in dem die anliegende Wand 32 und die andere Seitenwand 34b miteinander verbunden sind, ein Winkel, der zwischen der anliegenden Wand 32 und der anderen Seitenwand 34b ausgebildet ist, beispielsweise ein rechter Winkel sein.
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Als nächstes wird, wie in 5 gezeigt ist, ein Prozess aus einem Druckbeaufschlagen des zweiten Rahmens 40 in Richtung des gestapelten Körpers 10 durchgeführt. Während des Druckbeaufschlagungsprozesses sind beide Enden des ersten Rahmens 30 durch Fixierelemente 52a, 52b fixiert. Genauer gesagt, ist ein offenes Ende der einen Seitenwand 34a an einem Fixierelement 52a fixiert, und ein offenes Ende der anderen Seitenwand 34b ist an dem anderen Fixierelement 52b fixiert. Die Druckkraft wird auf den zweiten Rahmen 40 aufgebracht, während beide Enden des ersten Rahmens 30 in einem fixierten Zustand durch die Fixierelemente 52a, 52b sind. Die auf den zweiten Rahmen 40 aufgebrachte Druckkraft wird in der Stapelrichtung (der x-Richtung in 5) aufgebracht. Ein Pfeil in 5 stellt die Druckkraft dar, die auf den zweiten Rahmen 40 aufgebracht wird. Von daher wird der gestapelte Körper 10 in der Stapelrichtung druckbeaufschlagt.
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Wenn die auf den zweiten Rahmen 40 aufgebrachte Druckkraft erhöht wird, wird eine Haftung zwischen dem Halbleitermodul 12, der Isolierplatte 19 und dem Kühlmittel 14 in dem gestapelten Körper 10 verbessert. Dabei wird die anliegende Wand 32 nach außen aus dem Rahmen 20 gebogen, und jede der Seitenwände 34a, 34b wird nach innen von dem Rahmen 20 gebogen. Aus Gründen der Einfachheit der Beschreibung wird die auf den zweiten Rahmen 40 aufgebrachte Druckkraft, wenn der erste Rahmen 30 hin zu einer gewünschten Form gebogen wird, als eine erste Druckkraft F1 definiert.
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6 ist eine Draufsicht, die die Energiewandelvorrichtung 90 zeigt, wenn die erste Druckkraft F1 auf den zweiten Rahmen 40 aufgebracht wird. Ein Pfeil in einer positiven Richtung der x-Achse in 6 stellt die erste Druckkraft F1 dar, die auf den zweiten Rahmen 40 aufgebracht wird. Pfeile in einer negativen Richtung der x-Achse in 6 stellen eine Reaktionskraft gegen die erste Druckkraft F1 dar. Wie vorstehend beschrieben wurde, wird der erste Rahmen 30 hin zu der gewünschten Form gebogen, wenn die erste Druckkraft F1 auf den zweiten Rahmen 40 aufgebracht wird. Anders gesagt, die anliegende Wand 32 wird nach außen aus dem Rahmen 20 gebogen, und jede der Seitenwände 34a, 34b wird nach innen von dem Rahmen 20 gebogen. In diesem Zustand wird ein Prozess aus einem Fixieren des zweiten Rahmens 40 an dem ersten Rahmen 30 durchgeführt. Der zweite Rahmen 40 kann an dem ersten Rahmen 30 beispielsweise durch Schweißen fixiert werden.
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Wenn der zweite Rahmen 40 an dem ersten Rahmen 30 fixiert wurde, wird die erste Druckkraft F1, die auf den zweiten Rahmen 40 aufgebracht wird, entfernt. Wenn der zweite Rahmen 40 an dem ersten Rahmen 30 fixiert ist, während die erste Druckkraft F1 auf den zweiten Rahmen 40 aufgebracht wird, wird ein Aufbringen einer Kraft, die äquivalent zu der ersten Druckkraft F1 ist, auf den gestapelten Körper 10 in der Stapelrichtung als das Druckbeaufschlagen fortgesetzt, wenn die erste Druckkraft F1 entfernt wird.
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Ferner, wenn der zweite Rahmen 40 an dem ersten Rahmen 30 fixiert wurde, werden die Fixierelemente 52a, 52b von beiden Enden des ersten Rahmens 30 entfernt. Von daher ist die Energiewandelvorrichtung 90 gemäß der Ausführungsform abgeschlossen.
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Mit dem vorstehend beschriebenen Herstellungsverfahren der Energiewandelvorrichtung 90 ist es möglich, den zweiten Rahmen 40 an dem ersten Rahmen 30 zu fixieren, während der Druckbeaufschlagungszustand des gestapelten Körpers 10 überwacht wird. Daher kann die Druckkraft, die auf den gestapelten Körper 10 aufgebracht wird, genau eingestellt werden, unabhängig von beispielsweise einem Maßfehler einer Größe, der bei einem Herstellen des gestapelten Körpers 10 auftreten kann.
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Außerdem kann bei dem vorstehend beschriebenen Herstellungsverfahren der Energiewandelvorrichtung 90 ein Prozess aus einem Installieren eines Lastaufnahmemittels 56 vor einem Durchführen des Druckbeaufschlagungsprozesses durchgeführt werden. Der Installationsprozess wird durchgeführt, um das TIM im Fettzustand zu verteilen, das zwischen dem Halbleitermodul 12 und der Isolierplatte 19 und zwischen der Isolierplatte 19 und dem Kühlmittel 14 aufgebracht ist. Im Allgemeinen sind der Zeitbedarf zum Ausbreiten des TIM im Fettzustand und die Druckkraft, die auf den gestapelten Körper 10 aufgebracht wird, das heißt, die Druckkraft, die auf den zweiten Rahmen 40 aufgebracht wird, invers proportional. Anders gesagt, wenn die Druckkraft, die auf den zweiten Rahmen 40 aufgebracht wird, erhöht wird, wird der Zeitbedarf zum Ausbreiten des TIM im Fettzustand reduziert. Wenn jedoch die Druckkraft übermäßig erhöht wird, kann der erste Rahmen 30 unbeabsichtigter weise verformt oder beschädigt werden. Um dies zu vermeiden, wird ein Lastaufnahmemittel 56 installiert.
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7 ist eine Draufsicht der Energiewandelvorrichtung 90 während des Prozesses eines Installierens des Lastaufnahmemittels 56. Wie in 7 gezeigt ist, wird das Lastaufnahmemittel 56 auf der Außenseite der anliegenden Wand 32 installiert, während der gestapelte Körper 10 zwischen dem ersten Rahmen 30 und dem zweiten Rahmen 40 angeordnet ist.
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Nachdem das Lastaufnahmemittel 56 auf der Außenseite der anliegenden Wand 32 installiert ist, wird der Druckbeaufschlagungsprozess durchgeführt. 8 ist eine Draufsicht der Energiewandelvorrichtung 90 während des Druckbeaufschlagungsprozesses nach dem Prozess eines Installierens des Lastaufnahmemittels 56. Wenn das Lastaufnahmemittel 56 auf der Außenseite der anliegenden Wand 32 installiert wird, müssen beide Enden des ersten Rahmens 30 nicht an den Fixierelementen 52a, 52b während des Druckbeaufschlagungsprozesses fixiert werden.
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Wenn das Lastaufnahmemittel 56 an der Außenseite der anliegenden Wand 32 installiert wird, wird zunächst die Druckkraft, die auf den zweiten Rahmen 40 aufgebracht wird, auf eine zweite Druckkraft F2 während des Druckbeaufschlagungsprozesses erhöht. Die zweite Druckkraft F2 ist größer als die erste Druckkraft F1. Ein Pfeil in der positiven Richtung der x-Achse in 8 stellt die zweite Druckkraft F2 dar, die auf den zweiten Rahmen 40 aufgebracht wird. Ein Pfeil in der negativen Richtung der x-Achse in 8 stellt eine Reaktionskraft gegen die zweite Druckkraft F2 dar. Hier ist der erste Rahmen 30 nicht gebogen, weil das Lastaufnahmemittel 56 auf der Außenseite der anliegenden Wand 32 installiert ist. Danach wird die zweite Druckkraft F2, die auf den zweiten Rahmen 40 aufgebracht wird, entfernt. Wenn die zweite Druckkraft F2 entfernt wurde, wird das Lastaufnahmemittel 56, das auf der Außenseite der anliegenden Wand 32 installiert ist, entfernt. Dann werden beide Enden des ersten Rahmens 30 durch die Fixierelemente 52a, 52b fixiert. Wenn beide Enden des ersten Rahmens 30 fixiert wurden, wird die erste Druckkraft F1 auf den zweiten Rahmen 40 aufgebracht, sodass der erste Rahmen 30 zu der gewünschten Form hin gebogen wird.
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Mit dem vorstehend beschriebenen Herstellungsverfahren der Energiewandelvorrichtung 90 wird der zweite Rahmen 40 durch die zweite Druckkraft F2, die größer ist als die erste Druckkraft F1, druckbeaufschlagt, durch die der erste Rahmen 30 in die gewünschte Form gebogen wird. Hier wird eine Reduzierung des Zeitbedarfs, der zum Ausbreiten des TIM im Fettzustand erforderlich ist, realisiert, indem die zweite Druckkraft F2 aufgebracht wird, die eine hinreichende Druckkraft ist, ohne den ersten Rahmen 30 unbeabsichtigter weise zu verformen oder zu beschädigen, weil das Lastaufnahmemittel 56 auf der Außenseite der anliegenden Wand 32 installiert ist.
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Alternativ kann die auf den zweiten Rahmen 40 aufgebrachte Druckkraft zeitweise auf die dritte Druckkraft F3, die größer ist als die erste Druckkraft F1, die die letzte Druckkraft ist, zeitweise erhöht werden, ohne das Lastaufnahmemittel 56 zu installieren. Die dritte Druckkraft F3 hat eine Kraft, die eine plastische Verformung in den gebogenen Abschnitten 36a, 36b des ersten Rahmens 30 bewirken kann. 9 ist eine Draufsicht der Energiewandelvorrichtung 90, wenn die dritte Druckkraft F3 auf den zweiten Rahmen 40 aufgebracht wird. Ein Pfeil in der positiven Richtung der x-Achse in 9 stellt die dritte Druckkraft F3 dar, die auf den zweiten Rahmen 40 aufgebracht wird. Pfeile in der negativen Richtung der x-Achse in 9 stellen eine Reaktionskraft gegen die dritte Druckkraft F3 dar. Wenn eine plastische Verformung in den gebogenen Abschnitten 36a, 36b auftritt, indem die Druckkraft, die auf den zweiten Rahmen 40 aufgebracht wird, auf die dritte Druckkraft F3 erhöht wird, wird die Druckkraft, die auf den zweiten Rahmen 40 aufgebracht wird, von der dritten Druckkraft F3 auf die erste Druckkraft F1 verringert.
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Die auf den zweiten Rahmen 40 aufgebrachte Druckkraft wird in den gebogenen Abschnitten 36a, 36b des ersten Rahmens 30 konzentriert. Anders gesagt, die Spannung auf die gebogenen Abschnitte 36a, 36b ist größer als die Spannung auf Teile, die von den gebogenen Abschnitten 36a, 36b des ersten Rahmens 30 verschieden sind. Daher ist es wahrscheinlicher, dass eine plastische Verformung in den gebogenen Abschnitten 36a, 36b auftritt als in den Teilen, die von den gebogenen Abschnitten 36a, 36b des ersten Rahmens 30 verschieden sind. Wenn eine plastische Verformung in den gebogenen Abschnitten 36a, 36b auftritt, werden elastische Bereiche in den gebogenen Abschnitten 36a, 36b aufgrund einer Kaltverformung erweitert, die durch die plastische Verformung bewirkt wird. Dabei tritt ein Restverzug in den gebogenen Abschnitten 36a, 36b auf. Wie vorstehend beschrieben wurde, hat der erste Rahmen 30 eine Struktur, in der die anliegende Wand 32 und die Seitenwände 34a, 34b, von denen jede als eine Tellerfeder fungiert, durch die gebogenen Abschnitte 36a, 36b verbunden sind. Wie nachstehend im Einzelnen beschrieben wird, wird bei einer solchen Struktur, auch wenn der Restverzug in den gebogenen Abschnitten 36a, 36b erhöht wird, die Spannung an der Elastizitätsgrenze der gebogenen Abschnitte 36a, 36b so erhöht, dass der Umfang an elastischer Verformung (Biegen), der in den Seitenwänden 34a, 34b auftreten kann, erhöht wird. Infolgedessen wird der Restverzug in der Stapelrichtung in dem gesamten ersten Rahmen 30 vergleichsweise klein gehalten. Mit dem Herstellungsverfahren der Energiewandelvorrichtung 90 können Federeigenschaften des ersten Rahmens 30, der als ein Federelement dient, verbessert werden, und insbesondere kann ein zulässiger Verlagerungsbereich, in dem der erste Rahmen 30 elastisch verformt werden kann, stark vergrößert werden.
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10A und 10B sind Graphen, die jeweils eine Beziehung zwischen einer äquivalenten Spannung und einer Verlagerung und eine Beziehung zwischen der Reaktionskraft und der Verlagerung zeigt, wenn eine plastische Verformung in den gebogenen Abschnitten 36a, 36b auftritt, indem die dritte Druckkraft F3 auf den zweiten Rahmen 40 aufgebracht wird. Hier bedeutet äquivalente Spannung die Spannung auf die gebogenen Abschnitte 36a, 36b. Ferner bedeutet die Verlagerung die Verlagerung in der Stapelrichtung des ersten Rahmens 30. Die Reaktionskraft bedeutet die Kraft, die auf den gestapelten Körper 10 von der anliegenden Wand 32 aufgebracht wird.
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10A ist ein Graph, der die Beziehung zwischen der äquivalenten Spannung und der Verlagerung zeigt, wenn die Plattendicke des ersten Rahmens 30 3,2 Millimeter ist. Außerdem ist 10B ein Graph, der die Beziehung zwischen der Reaktionskraft und der Verlagerung zeigt, wenn die Plattendicke des ersten Rahmens 30 3,2 Millimeter ist. Die Richtungen der Pfeile in den 10A und 10B stellen einen Zeitverlauf dar. Wenn die äquivalente Spannung auf die gebogenen Abschnitte 36a, 36b auf S1 erhöht wird, indem die Druckkraft, die auf den zweiten Rahmen 40 aufgebracht wird, erhöht wird, wird die Verlagerung zu D1. Während dieser Zeitspanne sind die gebogenen Abschnitte 36a, 36b elastische Bereiche.
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Wenn die äquivalente Spannung auf die gebogenen Abschnitte 36a, 36b weiter von S1 aus erhöht wird, werden die gebogenen Abschnitte 36a, 36b von elastischen Bereichen zu plastischen Bereichen geändert. Wenn die äquivalente Spannung auf die gebogenen Abschnitte 36a, 36b auf S3 erhöht wird, tritt eine plastische Verformung in den gebogenen Bereichen 36a, 36b auf, sodass die Verlagerung des ersten Rahmens 30 auf D3 erhöht wird. Danach wird die äquivalente Spannung auf die gebogenen Abschnitte 36a, 36b von S3 verringert. Entsprechend wird die Verlagerung des ersten Rahmens 30 kleiner als D3. Hier wird durch die Struktur des ersten Rahmens 30, auch wenn der Restverzug in den gebogenen Abschnitten 36a, 36b erhöht wird, der Restverzug in der Stapelrichtung in dem gesamten ersten Rahmen 30 vergleichsweise klein gehalten. Anders gesagt, die Federeigenschaften des ersten Rahmens 30, der als ein Federelement dient, werden verbessert, und insbesondere kann der zulässige Verlagerungsbereich, in dem der erste Rahmen 30 elastisch verformt werden kann, erweitert. In der vorliegenden Ausführungsform ist, wie in 10B gezeigt ist, die Elastizitätsgrenze des ersten Rahmens 30, bevor eine plastische Verformung in den gebogenen Abschnitten 36a, 36b auftritt, D2. Die Elastizitätsgrenze des ersten Rahmens 30 ist, nachdem eine plastische Verformung in den gebogenen Abschnitten 36a, 36b aufgetreten ist, D3. Von daher wird die zulässige Verlagerung, in der der erste Rahmen 30 elastisch verformt werden kann, von D2 auf D3 erhöht, indem eine plastische Verformung in den gebogenen Abschnitten 36a, 36b bewirkt wird.
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Wie vorstehend beschrieben wurde, obwohl bestimmte Beispiele der in der vorliegenden Beschreibung offenbarten Technologie im Einzelnen beschrieben wurden, sind diese bloße Beispiele und begrenzen nicht die Ansprüche. Die in den Ansprüchen beschriebene Technologie umfasst verschiedene Abwandlungen und Änderungen der vorstehend beschriebenen, bestimmten Beispiele. Die in der vorliegenden Beschreibung oder den Zeichnungen beschriebenen technischen Elemente sind alleine oder in verschiedenen Kombinationen technisch nützlich und sind nicht auf die Kombinationen von Beschreibungen in den Ansprüchen beim Einreichen beschränkt. Zusätzlich kann die in der vorliegenden Beschreibung oder den Zeichnungen beispielhaft erläuterte Technologie gleichzeitig eine Vielzahl von Aufgaben lösen und hat eine technische Bedeutung, indem eine dieser Aufgaben gelöst wird.
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Eine Energiewandelvorrichtung (90) umfasst eine Vielzahl von Halbleitermodulen (12), eine Vielzahl von Kühlmitteln (14) sowie einen Rahmen (20). Der Rahmen (20) druckbeaufschlagt und hält einen gestapelten Körper (10), in dem die Halbleitermodule (12) und die Kühlmittel (14) abwechselnd gestapelt sind. Der Rahmen (20) umfasst einen ersten Rahmen (30) und einen zweiten Rahmen (40), die den gestapelten Körper (10) untereinander aufnehmen. Der erste Rahmen (30) ist ein Plattenmaterial, das gebogen ist, um den gestapelten Körper (10) aus drei Richtungen zu umgeben, und umfasst ein Paar von Seitenwänden (34a, 34b), die sich in der Stapelrichtung des gestapelten Körpers (10) erstrecken, und eine anliegende Wand (32), die sich zwischen den Seitenwänden (34a, 34b) erstreckt und an dem gestapelten Körper (10) anliegt. Die anliegende Wand (32) ist nach außen aus dem Rahmen (20) gebogen. Jede von den Seitenwänden (34a, 34b) ist nach innen von dem Rahmen (20) gebogen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- JP 2012257416 [0002]
- JP 2012257416 A [0002, 0003]
- JP 2016123147 [0002]
- JP 2016 [0002]
- JP 123147 A [0002]
- JP 2016123147 A [0002, 0003]
