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Kühl vorrichtung für elektronische Geräte
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und Verfahren zu ihrer Herstellung Die vorliegende Erfindung betrifft
eine Kühl vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1. Insbesondere betrifft
die Erfindung eine Kühlvorrichtung fur Halbleiterbauelemente, mit der Wärmeleistungen
bis etwa 100 Watt abgeführt werden können.
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Zur Kühlung von Halbleiterbauelementen werden im allgemeinen Kühl
körper mit ausgedehnten Kühl rippen verwendet, von denen die Leistung durch Konvektionskühlung
oder Geßläsekühlung an die Umgebungsluft abgeführt wird.
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Diese Art der Kühlung benötigt viel Raum, außerdem ist es erforderlich,
daß die wärmeabgebenden Bauelemente, wie Transistoren, Tyristoren, Oszillatordioden
und dergleichen häufig an Stellen des Gerätes angeordnet werden,
die
die erforderliche Kühlung ermöglichen und nicht an denjenigen Stellen, die in elektrischer
Hinsicht am zweckmäßigsten sind, so daß oft Kompromisse eingegangen werden, welche
die elektrischen Eigenschaften der Schaltung beeinträchtigen.
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Für größere Leistungen, z.B. im Kilowattbereich, sind auch Kühl körper
bekannt, die nach Art eines Wärmetauschers ausgebildet sind und von einem gasförmigen
oder flüssigen Kühl fluid durchströmt werden. Für kleinere Leistungen, wie etwa
100 Watt und darunter, sind diese bekannten wärmetauscherartigen Kühl vorrichtungen
jedoch zu voluminös und aufwendig.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Kühl vorrichtung
der letztgenannten Art, also eine Kühl vorrichtung nach Art eines Wärmetauschers
mit einem von einem Kühlfluid durchströmten, innerhalb eines Kühl körpers verlaufenden
Kühlmittel kanal anzugeben, der kleine Abmessungen hat und trotzdem Wärmeleistungen
bis etwa in die Größenordnung von 100 Watt effektiv abzuführen gestattet.
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Diese Aufgabe wird bei einer Kühlvorrichtung der eingangs genannten
Art erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 angegebenen
Merkmale gelöst.
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Die Kühlvorrichtung gemäß der Erfindung zeichnet sich durch geringe
Abmessungen aus, trotzdem ermöglicht sie eine effektive Kühlung. Das Kühlfluid,
das eine Flüssigkeit, wie Wasser, oder ein Gas, wie Luft, sein kann, wird effektiv
ausgenutzt. Ein besonderer Vorteil der Kühlvorrichtung gemäß der Erfindung besteht
darin, daß sie hinsichtlich ihrer Formgebung leicht an die verschiedensten Anwendungen
angepaßt werden kann und sehr einfach und preiswert herstellbar ist, da häufig Fertigteile
und Halbzeug mit gegebenenfalls nur geringfügiger Bearbeitung verwendet werden können.
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Eine Weiterbildung der Kühl vorrichtung gemäß der Erfindung arbeitet
sowohl als Wärmetauscher als auch als Ventil, das den Kühlfluiddurchsatz in Abhängigkeit
von der abzuführenden Wärmemenge steuert. Die betreffenden Maßnahmen
können
ganz allgemein bei Kühl vorrichtungen und Wärmetauschern gemäß dem Oberbegriff des
Anspruches 1 Verwendung finden, sie sind also nicht auf Kühl vorrichtungen mit den
im kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 angegebenen Merkmalen beschränkt, obwohl
eine Kombination mit diesen Merkmalen für viele Anwendungen besonders vorteilhaft
ist.
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Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme
auf die Zeichnung näher erläutert. Es zeigen: Figur 1A einen Längsschnitt einer
Kühl vorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung; Figur 1B eine
Stirnansicht der Kühl vorrichtung gemäß Figur 1A; Figur 1C eine auseinandergezogene
Darstellung der Teile der Kühl von richtung gemäß Figur 1A; Figur 1D eine Seitenansicht
der Kühlvorrichtung gemäß Figur 1A; Figur 2 eine Schnittansicht einer zweiten Ausführungsform
der Kühlvorrichtung gemäß der Erfindung; Figur 3A eine Schnittansicht einer dritten
Ausführungsform der Erfindung; Figur 38 eine Schnittansicht eines Außenkörpers der
Kühlvorrichtung gemäß Figur 3A; Figur 3C eine teilweise geschnittene Seitenansicht
eines Innenkörpers der Kühl vorrichtung gemäß Figur 3A; Figur 30 eine Schnittansicht
eines Schlauchanschlußnippels der Kühlvorrichtung gemäß Figur 3A;
Figur
4A eine Schnittansicht einer Kühl vorrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung; Figur 4B eine Schnittansicht eines Außenkörpers der Kühlvorrichtung
gemäß Figur 4A; Figur 4C eine Stirnansicht der Kühl vorrichtung gemäß Figur 4A ohne
Schlauchnippel; Figur 4D eine Stirnansicht einer Abschlußscheibe für die Kühlvorrichtung
gemäß Figur 4A; Figur 4E eine Seitenansicht eines Innenkörpers der Kühlvorrichtung
gemäß Figur 4A; Figur 4F eine Stirnansicht des Innenkörpers gemäß Figur 4E und Figur
5A einen Axialschnitt einer weiteren Ausführungsform der Kühlvorrichtung gemäß der
Erfindung; Figur 5B einen vergrößerten Axialschnitt eines Außenkörpers der Kühlvorrichtung
gemäß Figur 5A; Figur 5C einen Schnitt in einer Ebene C-C der Figur 5A; Figur 5D
und Figur 5E Axialschnitte von Ringscheiben, die in der Kühl vorrichtung gemäß Figur
5A zum Anschluß von Kühlmittel leitungen dienen; Figur 5F einen vergrößerten Axialschnitt
des Innenkörpers der Kühl von richtung gemäß Figur 5A und Figur 5G einen Querschnitt
in einer Ebene G-G der Figur 5F.
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Die in Figur 1 dargestellte Kühl vorrichtung 10 hat einen Außenkörper
12, der beispielsweise außen die Form eines Sechskants hat und innen eine zylindrische
Innenfläche 14 bildet. In der durch die zylindrische Innenfläche 14 gebildeten Bohrung
oder Durchbrechung des Außenkörpers befindet sich ein Innenkörper 16 mit im wesentlichen
zylindrischer Außenfläche.
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Diejenige der Flächen 14 oder 18 (im vorliegenden Falle die Außenfläche
18), die zu dem Körper gehört, der mit einer wärmeabgebenden Einrichtung, z.B.
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einem Halbleiterbauelement, in gut wärmeleitender Verbindung steht,
ist mit einem Gewinde 20 versehen. Man kann im vorliegenden Falle für den Innenkörper
16 also einfach einen Gewindebolzen verwenden.
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Der Innenkörper 16 ist in der Nähe seiner beiden Enden jeweils mit
einer Ringnut 22 versehen. Der Außenkörper 12 weist radiale Bohrungen auf, die mit
den Ringnuten 22 in Verbindung stehen und in die Anschlußröhrchen 24 hart eingelötet
sind. An den Stirnenden sind Außenkörper 12 und Innenkörper 16 beim Gewinde durch
eine Hartlötung 26 dicht miteinander verbunden. Die Ringnuten 22 und der zwischen
ihnen verlaufende Gewindegang bilden einen engen Kühlmittelkanal, der im Betrieb
von einem Kühlfluid durchströmt wird. Im vorliegenden Falle ist angenommen, daß
der Innenkörper eine axiale Bohrung oder Ausnehmung 28 hat, in die ein zu kühlendes
elektronisches Bauelement, z.B. ein Halbleiterbauelement,mit gutem Wärmekontakt
zum Innenkörper eingesetzt ist.
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Der Gewindegang zwischen den beiden Ringnuten 22 bildet einen engen
Kühlmittelkanal, der einen sehr effektiven Wärmeübergang von dem mit dem Gewinde
versehenen Körper auf das Kühlmittel gewährleistet. Bei einer Ausführungsform, bei
der die Außenfläche des Außenkörpers ein Sechskant mit der Nennabmessung 10 mm und
der Innenkörper ein Gewindebolzen M8 war, konnten bei Verwendung von Luft mit einem
Oberdruck von 6 bar als Kühlfluid ohne Schwierigkeiten Verlustleistungen bis zu
10 Watt und bei Verwendung von Wasser mit einem Oberdruck von 0,2 bar als Kühl fluid
Verlustleistungen bis 30 Watt abgeführt werden. Das Kühlfluid erwärmte sich beim
Durchlaufen des Kühl kanals um etwa 3 Grad Celsius.
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Wenn der Außenkörper 12 mit der wärmeabgebenden Einrichtung verbunden
werden soll, wird vorteilhafterweise die Innenfläche 14 mit einem Innengewinde versehen
und der Innenkörper 16 dann mit einer glatten zylindrischen Außenfläche ausgebildet.
Eine solche Ausführungsform ist beispielsweise in Figur 2 dargestellt, in der entsprechende
Bauelemente mit Bezugszeichen bezeichnet sind, die in den letzten beiden Stellen
denen in Figur 1 entsprechen.
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in Figur 2 ist noch eine Abwandlung dargestellt, bei der die Zu- und
Ableitung des Kühlfluids durch axiale Anschlußröhrchen 224a erfolgt, die über radiale
Bohrungen 230 mit den jeweiligen Ringnuten 222 in Verbindung stehen. Bei axialer
Zu- und Ableitung des Kühlmediums entfallen dann selbstverständlich die radialen
Anschlußröhrchen 224.
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Die Kühlvorrichtung gemäß Figur 3 unterscheidet sich von den Kühl
von richtungen gemäß Figur 1 und 2 in erster Linie dadurch, daß das Kühl fluid mittig
zugeführt und an beiden Enden des Kühl kanals abgeleitet wird und daß die Anschlüsse
für die Zuführung bzw. Ableitung des Kühifluids beide an der einen Stirnseite angeordnet
sind.
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Die Kühl vorrichtung gemäß Figur 3 enthält einen Außenkörper 312 mit
einer im wesentlichen zylindrischen Innenfläche, welche mit einem Innengewinde 320
versehen ist. Der Innenkörper hat eine glatte zylindrische Außenfläche 318 und ist
mit zwei achsparallelen Bohrungen 332 und 334 versehen, die mit ihrem einen Ende
an der Stirnseite 336 enden. Die Bohrung 332 steht mit einer radialen Bohrung 338
in Verbindung, die axial gerechnet etwa in der Mitte des Innenkörpers einer Außenfläche
18 mündet. Die Bohrung 334 steht mit zwei radialen Bohrungen 340 in Verbindung,
die in der Nähe der Enden des Innenkörpers an der Außenfläche 318 münden. Das der
Stirnfläche 336 entgegengesetzte Ende des Innenkörpers weist einen zylindrischen
verdickten Kopf 342 auf, der im Preßsitz dicht in einer entsprechenden Ansenkung
344 am einen Ende des Außenkörpers sitzt. Die radialen Bohrungen 338 bzw. 340 können
zur besseren Verteilung des Kühlmittels jeweils noch mit einer entsprechenden Ringnut
322 bzw. 322a in Verbindung stehen.
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Das der Ansenkung 344 entgegengesetzte Ende des Außenkörpers ist mit
zwei Gewindelöchern 344 versehen, die über entsprechende Bohrungen 346 mit den axialen
Bohrungen 332 bzw. 334 in Verbindung stehen. In die Gewindelöcher 344 sind Anschlußnippel
348 für Leitungen zur Zuführung bzw. Ableitung des Kühlfluids einschraubbar.
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Selbstverständlich kann bei der Ausführungsform gemäß Figur 3 das
Kühlmittel auch über die Bohrung 344 zugeführt und über die Bohrung 332 abgeleitet
werden.
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Die Anschlußnippel 348 können auch einpreßbar statt einschraubbar
sein, in diesem Falle haben die Löcher 344 dann eine glatte Innenfläche.
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Bei den oben beschriebenen Kühl vorrichtungen war angenommen worden,
daß Innenkörper und Außenkörper aus dem gleichen Werkstoff bestehen, der selbstverständlich
eine gute Wärmeleitfähigkeit haben soll. Geeignete Werkstoffe sind z.B. Aluminium,
Kupfer oder Messing. Die äußere Form des Außenkörpers kann je nach Anwendung gestaltet
werden. Vorteilhafterweise werden rechteckige, quadratische und sechseckige Querschnitte,
also Querschnitte in Form eines vorzugsweise regelmäßigen Vieleckes verwendet.
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Bei Verwendung von Aluminium können die Oberflächen mit einer dünnen,
vorzugsweise schwarz eingefärbten Oxidschicht versehen werden, insbesondere wenn
ein Korrosionsschutz gegen ionische Kühlmittel erforderlich ist.
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Figur 4 zeigt eine Kühl vorrichtung, die gemäß einer Weiterbildung
der Erfindung nicht nur als Wärmetauscher, sondern auch als Ventil arbeitet, welches
den Kühlmitteldurchsatz in Abhängigkeit von der abzuführenden Wärme steuert. Die
Kühl vorrichtung gemäß Figur 4 enthält einen Außenkörper 412 und einen Innenkörper
416, die hier jedoch aus verschiedenen Materialien bestehen und zwar besteht der
Außenkörper 412 aus einem Material, z.B. Aluminium, das einen größeren Wärmeausdehnungskoeffizienten
hat als das Material, z.B. Graphit des Innenkörpers. Der Außenkörper 412, der im
Betrieb mit einer wärmeabgebenden Einrichtung, wie einer integrierten Schaltung,
gekoppelt ist, hat eine axiale Bohrung mit einem Innengewinde 420, in die ein den
Innenkörper 416 bildender Graphitstab
mit glatter zylindrischer
Außenfläche 418 eingepaßt ist.
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Die axiale Durchbrechung des Außenkörpers hat an den Enden zylindrische
Erweiterungen 444, in die jeweils eine Ringscheibe 452 mit einem Loch 453 eingepreßt
ist, so daß sie fest sitzt. Der Innenkörper 416 ist vorzugsweise etwas kürzer als
der Absaand der ihm zugewandten Innenflächen der Ringscheiben, so daß einlaßseitig
ein kleiner axialer Zwischenraum 447 verbleibt. Der Innenkörper 416 (Graphitstab)
hat ferner an der auslaßseitigen Stirnfläche einen diametral verlaufenden Schlitz,
der mit einer 4'0 Abschrägung an den Enden des Innengewindes 420 einen Auslaßkanal
bildet. Ohne diese Maßnahme würde der axial frei bewegliche Innenkörper bild der
sich unter der Wirkung des Einlaßdruckes des Kühlmittels in Achsrichtung etwas verschieben
kann, das Loch 453 der auslaßseitigen Ringscheibe 452 verschließen. In die Erweiterungen
444 werden dann noch Schlauchnippel 448 eingeschraubt oder eingepreßt, in die z.B.
ein Kunststoffschlauch 456 eingesetzt ist. Die Befestigung des Kunststoffschlauches
im Nippel 448 erfolgt vorzugsweise mittels eines Metallröhrchens 458, das an inneren
Ende des Nippelt etwas erweitert ist. Man kann hierfür eine gewöhnliche Adernendhülse
für elektrische Leitungen verwenden. Der Kunststoffschlauch 456 wird ein Stück durch
den Nippel 448 gesteckt, dann wird in sein Ende das Metallröhrchen 458 eingeschoben
und wenn der Kunststoffschlauch mit dem in seinem Ende enthaltenen erweiterten Metallröhrchen
dann zurückgezogen wird, tritt ein festes und dichtes Verklemmen des Schlauchendes
im Nippel 448 ein.
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Wenn im Betrieb der Kühl vorrichtung gemäß Figur 4 durch Erhöhung
der dem Außenkörper 412 pro Zeiteinheit zugeführten Wärmemenge ein Temperaturanstieg
des Außenkörpers eintritt, dehnt sich dieser aus, so daß sich der Zwischenraum 447
zwischen der einlaßseitigen Stirnfläche des Innenkörpers und der gegenüberliegenden
Innenfläche der Ringscheibe 452 zunehmend erweitert. Hierdurch nimmt der Querschnitt
des als Drosselstelle (Ventil) wirkenden Zwischenraumes und damit auch der Kühlmitteldurchsatz
zu, so daß mehr Verlustwärme abgeführt werden kann.
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Bei der Kühlvorrichtung gemäß Figur 4 kann ein vorbestimmter kleiner
Abstand von größenordnungsmäßig einigen Hundertstel Millimeter zwischen den
Stirnflächen
des Innenkörpers 416 und den Ringscheiben 452 einfach dadurch eingestellt werden,
daß man den Innenkörper 416, der z.B. eine Länge von 14 mm und einen Durchmesser
von 4 mm haben kann, in kochendem Wasser auf 1000C erhitzt, dann in den auf Raumtemperatur
gehaltenen Außenkörper 412 einsetzt und dann sofort die Ringscheiben 452 axial so
eingepreßt, daß sie an den Stirnseiten des Innenkörpers anliegen. Beim Abkühlen
des Innenkörpers stellt sich dann der gewünschte geringe Abstand von beispielsweise
2/100 mm ein. Eine andere Möglichkeit besteht darin, eine oder beide Stirnflächen
des Innenkörpers mit einer Schicht vorgegebener Dicke aus einem Material wie Zaponlack
oder Polystyrol zu überziehen, das nach der Montage der Vorrichtung durch ein geeignetes
Lösungsmittel herausgelöst werden kann, so daß dann der gewünschte kleine axiale
Zwischenraum entsteht.
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Die oben beschriebene Maßnahme, durch Wahl von Materialien unterschiedlicher
Wärmeausdehnungskoeffizienten für den Innen- und Außenkörper eine Ventilwirkung
zu erzielen, ist nicht auf Wärmetauscher mit Kühlmittel kanal beschränkt, dessen
eine Begrenzung durch ein Gewinde gebildet ist. Der Kühlmittel kanal kann also auch
teilweise oder ganz durch zwei koaxiale zylindrische oder Schrauben- bzw. Gewinde-Flächen
begrenzt sein. Der Zwischenraum 447 kann bei kalter Kühl vorrichtung auch gleich
null sein, so daß das Kühlmittel erst dann zu strömen beginnt, wenn der Außenkörper
erwärmt wird.
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Anstelle von Graphit können selbstverständlich auch andere Werkstoffe
mit geringem Wärmedehnungskoeffizienten verwendet werden, z.B. Quarzglas, Keramik
u.a.m.
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Selbstverständlich kann auch bei den Ausführungsformen gemäß Figur
1 bis 3 für den Innenkörper ein Material verwendet werden, das einen geringeren
Wärmeausdehnungskoeffizienten hat, als das Material des Außenkörpers, wenn auch
hier eine Ventilwirkung erzielt werden soll. Selbst bei Verwendung gleicher Materialien
tritt bei diesen Ausführungsformen ein gewisser Ventileffekt auf, wenn die radiale
Dicke des Kühlmittel kanals im Vergleich zum mittleren radialen Durchmesser des
Kühlmittel kanals und/oder
ein axialer Zwischenraum entsprechend
dem Zwischenraum 447 in Figur 4 so klein bemessen sind, daß bei plötzlicher Erwärmung
des Außenkörpers eine wesentliche Zunahme des Kühlmlttelkanalquerschnitts, z.B.
um mindestens 20%, eintritt. Bei plötzlichen Wärmestößen tritt dann zumindest anfänglich
ein verstärkter Kühlmittelfluß auf, was hinsichtlich der Wärmeabfuhr sehr vorteilhaft
ist. Die Kühl vorrichtung arbeitet dann ähnlich wie ein Regler mit differentiellem
Regelverhalten (D-Regler).
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Die beschriebenen Kühl vorrichtungen können entweder in einen Kühimittelkreislauf
eingeschaltet sein, der eine Förderpumpe mit konstantem Förderdruck und einen zweiten
Wärmetauscher zum Rückkühlen des Kühlmittels enthält. Die Kühl vorrichtungen gemäß
der Erfindung können jedoch auch im offenen System betrieben werden, wobei das von
einer Pumpe oder einem Druckbehälter gelieferte Kühlmittel nach einmaligem Durchlaufen
des Wärmetauschers verworfen wird. Hier kann z.B. Luft durch eine Pumpe aus der
Umgebung angesaugt und nach Durchströmen der Kühl vorrichtung wieder in die Umgebung
abgelassen werden. Wegen der engen Kühlmittel kanäle muß, falls erforderlich, durch
Filter und dergleichen gewährleistet werden, daß das der Kühlvorrichtung zugeführte
Kühlmittel frei von Partikeln und anderen störenden Verunreinigungen ist.
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Die in Figur 5 dargestellte Kühlvorrichtung hat einen Außenkörper
512 und einen Innenkörper 516. Der Außenkörper hat ein im wesentlichen zylindrisches
Innengewinde 520 in das der Innenkörper 516, der eine glatte, zylindrische Außenfläche
hat, mit relativ engen Toleranzen (z.B.
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im Gleitsitz) paßt. Der Innenkörper hat am einen Ende einen Flansch
516a, der in eine Erweiterung 544 des Außenkörpers paßt und an diesem, in der Zeichnung
rechten Ende den Innenkörper bezüglich des Außenkörpers fixiert.
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Am anderen Ende hat der Innenkörper eine Abschrägung (Fase) 516b.
Neben dem Flansch 516a ist eine Ringnut 522 vorgesehen.
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Vom flanschseltigen Ende erstreckt sich in den Innenkörper ein koaxiales
Sackloch 517, das axial in der Mitte des Innenkörpers durch drei um 1200 versetzte,
außen sich erweiternde Löcher 519 mit der Außenfläche des Innenkörpers in Verbindung
stehen. Ferner weist der Innenkörper drei axial durchgehende Löcher 534 auf, die
in Umfangsrichtung des Innenkörpers
um 600 bezüglich der radialen
Löcher versetzt sind, so daß keine direkte Verbindung zwischen den Löchern 519 und
534 besteht.
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Der Innenkörper 516 ist im Außenkörper durch eine dem Flansch 516a
gegen den Absatz der entsprechenden Vertiefung 544 drückende Ringscheibe 552a fixiert,
die mit dem Außenkörper 512 und einem Metallröhrchen 556, das als Kühlmittelleitung
dient, weich verlötet sein kann.
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Auf der anderen Seite ist in eine entsprechende Erweiterung 544 des
Außenkörpers 512 eine zweite Ringscheibe 552b eingesetzt, die gewünschtenfalls mit
der gegenüberliegenden Stirnseite des Innenkörpers als Ventil zur temperaturabhängigen
Steuerung des Kühimitteldurchsatzes dienen kann, wie es in Verbindung mit Figur
4 erläutert wurde. In diesem Falle besteht der Innenkörper dann aus einem Material,
wie Graphit, das einen geringeren Wärmeausdehnungskoeffizienten hat, wie das Material
des gewöhnlich aus einem Metall, wie Messing, Kupfer oder Aluminium bestehenden
Außenkörpers 512. Die Herstellung eines vorgegebenen axialen Zwischenraumes 547
zwischen der Ringscheibe 552b und der ihr benachbarten Stirnfläche des Innenkörpers
kann nach einem Verfahren erfolgen, wie es in Verbindung mit Figur 4 erläutert wurde.
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Bei der Kühlvorrichtung gemäß Figur 5 ist die Kühlmittel strömung
in dem durch das Innengewinde 520 des Außenkörpers begrenzten Kühlmittel kanal im
wesentlichen symmetrisch zur axialen Mitte des Innenkörpers, wo die Löcher 519 münden.
Die Verhältnisse sind also ähnlich, wie sie in Verbindung mit dem Ausführungsbeispiel
gemäß Figur 3 erläutert wurden, nur verlaufen die Kühlmittel leitungen 556 bei der
Ausführungsform gemäß Figur 5 auf entgegengesetzten Seiten der Kühl vorrichtung
und koaxial zu deren Symmetrieachse.
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In den Zeichnungen sind beispielsweise Maße praktischer Ausblldungsformeri
angegeben.
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