DE3111707A1 - Resistance element having controlled heating, as well as a hybrid circuit equipped therewith - Google Patents
Resistance element having controlled heating, as well as a hybrid circuit equipped therewithInfo
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Description
173, Bd. Haussmann173, vol. Haussmann
75008 Paris / Frankreich75008 Paris / France
Unser Zeichen: T 3411Our reference: T 3411
Widerstandselement mit gesteuerter Erwärmung sowie damit ausgestattete HybridschaltungResistance element with controlled heating and equipped with it Hybrid circuit
Die Erfindung betrifft ein Widerstandselement nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, insbesondere ein Widerstandselement, dessen Struktur derart ausgelegt ist, daß die Erwärmung unter elektrischer Last besonders bei Überlastungen gesteuert wird. Bei der erfindungsgemäßen Ausbildung der Geometrie des Widerstandselements wird die von solchen Widerstandselementen durch Joule'sehen Effekt freigesetzte Wärme entweder regelmäßig über die gesamte Oberfläche des Widerstandselements verteilt bzw. abgeleitet oder aber lokalisiert auf einen eingeschränkten, im voraus gewählten Bereich.The invention relates to a resistance element according to the preamble of claim 1, in particular a resistance element, the structure of which is designed such that the heating is controlled under electrical load, especially in the event of overloads. In the design of the geometry according to the invention of the resistance element is the heat released by such resistance elements as a result of the Joule effect either distributed or diverted regularly over the entire surface of the resistance element or else localized to a restricted, pre-selected area.
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Unter einem Widerstandselement bzw. resistiven Element sind Widerstände mit linearer oder nicht linearer Charakteristik zu verstehen, z.B. Widerstände mit negativem oder positivem Temperaturkoeffizient, oder aber Widerstände, deren Wert von der angelegten Spannung abhängt. Zur Vereinfachung der Beschreibung wird im folgenden der Begriff "Widerstand" verwendet, der jedoch nicht einschränkend zu verstehen ist und insbesondere nicht nur Widerstände linearer Charakteristik umfaßt. Die Erfindung befaßt sich insbesondere mit linearen Widerständen.Resistance elements or resistive elements are resistances with linear or non-linear characteristics to understand, e.g. resistors with negative or positive temperature coefficient, or resistors, their value depends on the applied voltage. To simplify the In the description below, the term "resistance" is used, which, however, is not to be understood as restrictive and in particular does not include only linear characteristic resistors. The invention is particularly concerned with linear resistances.
Ein besonderes Anwendungsgebiet der erfindungsgemäßen Widerstände sind solche, die auf den Substraten von Hybridschaltungen aufgebracht sind. Die üblicherweise verwendeten Substrate sind empfindlich in bezug auf Wärmesprünge, denn sie sind zumeist aus Aluminiumdioxid-, Keramik- oder Glasplättchen gebildet. Eine Besonderheit der Erfindung besteht darin, daß nur die elektrischen überbelastungen betrachtet werden, die für Substrate der genannten Art kritisch sind.A special field of application of the resistors according to the invention are those that are applied to the substrates of hybrid circuits. The commonly used substrates are sensitive to thermal jumps because they are mostly made of aluminum dioxide, ceramic or glass flakes educated. A special feature of the invention is that that only the electrical overloads are considered which are critical for substrates of the type mentioned.
Wenn ein auf einem Substrat aufgebrachter Widerstand einer Stromüberlastung ausgesetzt wird, so können zwei Fälle auftreten, je nachdem, ob die zu schützende Vorrichtung die Hybridschaltung selbst und folglich deren Substrat ist, dessen Bruch durch einen Temperaturschock verhindert werden muß, oder ob die zu schützende Vorrichtung ein wesentlich umfangreicheres elektronisches System ist, das durch eine besonders ausgelegte Hybridschaltung geschützt werden soll, die als Sicherung dient, wobei ihr Substrat unter dem Einfluß des Temperaturschocks plötzlich zerbricht.If a resistor applied to a substrate is subjected to a current overload, two cases can arise: depending on whether the device to be protected is the hybrid circuit itself and consequently its substrate, its Breakage can be prevented by a thermal shock must, or whether the device to be protected is a much more extensive electronic system that is supported by a specially designed hybrid circuit is to be protected, which serves as a fuse, with its substrate under the influence of the temperature shock suddenly breaks.
Als erstes (nicht einschränkendes) Beispiel sind Widerstandselemente mit gesteuerter Erwärmung zu nennen, die parallel zu einem Widerstand mit positivem Temperaturkoeffizienten (PTC) geschaltet sind und hohe Spannungen aushalten müssen, bis der PTC-Widerstand umkippt.As a first (non-limiting) example are resistive elements with controlled heating, parallel to a resistor with a positive temperature coefficient (PTC) are switched and have to withstand high voltages until the PTC resistor tips over.
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Die Schwierigkeit besteht dann darin, zu verhindern, daß das Substrat, auf dem die Widerstände aufgebracht sind, zerbricht, wobei die das Zerbrechen des Substrats auslösenden Vorgänge von einem Temperaturgradienten in dem Raum zwischen dem heißen Punkt des Widerstandes und dem Substrat beherrscht werden.The difficulty then is to prevent the substrate on which the resistors are applied from breaks, the breaking of the substrate triggering processes of a temperature gradient in the space between the hot point of resistance and the substrate.
Um dieser Schwierigkeit zu begegnen, können solche Widerstände, die parallel zu einem PTC-Widerstand geschaltet sind, überdimensioniert werden, was aber nicht nur zu höheren Herstellungskosten des Endproduktes führt, sondern darüber hinaus den Nachteil mit sich bringt, daß die Oberfläche, die von den Widerständen auf der Oberfläche des Substrates eingenommen wird, vergrößert wird, so daß unter Berücksichtigung der Herstellungstoleranzen eine optimale Ausbeute nicht erreicht werden kann.To counter this difficulty, such resistors that are connected in parallel to a PTC resistor, be oversized, but not only too higher Production costs of the end product leads, but also has the disadvantage that the surface that occupied by the resistors on the surface of the substrate is enlarged so that taking into account the manufacturing tolerances an optimal yield cannot be achieved.
Ein zweites Beispiel für ein resistives Element mit gesteuerter Erwärmung sind Sicherungen, die eine sehr hohe Impedanz aufweisen. Wenn es sich um eine relativ umfangreiche Schaltungsanordnung handelt, kann sie durch eine spezielle Hybridschaltung geschützt werden, die zum einen als Sicherung mit sehr hoher Impedanz wirkt und zum anderen eine sehr große Geschwindigkeit aufweist, wobei der bzw. die Widerstände, die auf der besonderen Hybridschaltung aufgebracht sind, derart ausgelegt sind, daß sie eine Zerstörung des Substrats bei Stromüberlastung verursachen. Dies kann dadurch erreicht werden, daß die Widerstände unterdimensioniert werden. Der Mechanismus des Wanderns von Phononen in polykristallinen Stoffen wie in Aluminiumoxid oder Keramik wird jedoch nocht nicht vollständig beherrscht, und insbesondere ist die einige Sekunden bis einige Zehntelsekunden betragende Zeitspanne, vor deren Ablauf das Substrat zerbrechen soll, sehr ungenau und ohnehin zu lang. Die auf einem Substrat in der sogenannten Dickschichttechnologie aufgebrachten Widerstände sind nämlich aus Metall-A second example of a resistive element with controlled heating are fuses that have a very high impedance exhibit. If the circuit arrangement is relatively extensive, it can be achieved by means of a special hybrid circuit be protected, which on the one hand acts as a fuse with a very high impedance and on the other hand a very high speed having, the resistor or resistors applied to the particular hybrid circuit being designed in this way are that they cause destruction of the substrate in the event of a current overload. This can be achieved in that the resistances are underdimensioned. The mechanism of the migration of phonons in polycrystalline substances such as however, it is not yet fully mastered in alumina or ceramics, and in particular it is a few seconds Time span of up to a few tenths of a second, before the expiry of which the substrate is supposed to break, very imprecise and anyway too long. The resistors applied to a substrate using the so-called thick-film technology are made of metal
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oxiden gebildet, bei denen es sich im wesentlichen um hitzebeständige Stoffe handelt. Folglich ist es nicht möglich, die Verdampfung des Widerstandes aufgrund einer Überlastung auszunutzen. Diese Verdampfung würde viel zu spät stattfinden, wenn sie überhaupt stattfindet, und die umfangreiche elektro-1 nische Anordnung hinter der als Sicherung dienenden Hybridschaltung würde zerstört, bevor der Widerstand zerstört wird.formed oxides, which are essentially heat-resistant substances. As a result, it is not possible to take advantage of the evaporation of the resistor due to an overload. This evaporation would take place much too late if it occurs at all, and the extensive electronic assembly 1 African behind serving as securing hybrid circuit would be destroyed before the resistor is destroyed.
Durch die Erfindung werden diese Probleme hinsichtlich tiberdimensionierung oder Unterdimensionierung der Widerstände und Ansprechgeschwindigkeit gelöst, und zwar durch eine aufgebrachte Widerstandsstruktur, die aus mehreren Schichten gebildet ist, die in Form von mehreren Zonen mit veränderlicher Resistivität verteilt sind. Diese Schichten und Zonen sind so ausgelegt und aufgebracht, daß die aufgenommene Leistung in dem Widerstand moduliert wird und die Wärmeerzeugung auf frei wählbare Stellen konzentriert wird, die durch Rechnung und Versuche leicht bestimmt werden können. Bei diesen erfindungsgemäßen Widerstandsstrukturen gelangen resistive Pasten zur Anwendung, die auf diese Weise die Zonen mit einem Widerstands- und folglich Leistungsgradienten besimmen, so daß dadurch auch ein Gradient der Wärmeabgabe bestimmt wird.The invention addresses these over-dimensioning problems or Undersizing of the resistors and response speed solved, namely by an applied Resistance structure, which is formed from several layers, which are distributed in the form of several zones with variable resistivity. These layers and zones are designed and applied so that the power consumed is modulated in the resistor and the heat generation on freely selectable points which can easily be determined by calculation and experiment. With these resistance structures according to the invention resistive pastes come to the application, which in this way the zones with a resistance and consequently Determine power gradients, so that a gradient of the heat emission is determined thereby.
Das erfindungsgemäße Widerstandselement ist in den Patentansprüchen, insbesondere im Patentanspruch 1, angegeben.The resistance element according to the invention is in the claims, in particular in claim 1 specified.
Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.Further developments of the invention are in the subclaims specified.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung. In der Zeichnung zeigen:Further features and advantages of the invention emerge from the following description of exemplary embodiments with reference to the drawing. In the drawing show:
Fig. 1 eine Perspektivansicht eines erfindungsgemäßen Widerstandselements, und zwar für den Anwendungsfall, daß die Wärme auf einen eingeschränkten Bereich konzentriert werden soll;Fig. 1 is a perspective view of an inventive Resistance elements, specifically for the application that the heat on a restricted area should be concentrated;
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Fig. 2 eine Perspektivansicht eines Teiles des erfindungsgemäßen Widerstandselements,· und zwar für den Anwendungsfall/ daß die Wärme über eine Oberfläche gleichförmig abgegeben werden soll; undFig. 2 is a perspective view of part of the resistance element according to the invention, for the application / that the heat should be dissipated uniformly over a surface; and
Fig. 3 eine Weiterbildung der Erfindung für den Fall, daß die freigesetzte Wärme auf einen Punkt konzentriert werden soll.Fig. 3 shows a further development of the invention for the case that the released heat is concentrated on one point shall be.
Fig. 1 zeigt den Aufbau bzw. die Struktur eines erfindungsgemäßen Widerstandselements. Um die Beschreibung zu vereinfachen, ist der einfache Fall angenommen, daß die von dem Widerstand bei Überlast freigesetzte Wärme auf einen Bereich geringer Abmessung lokalisiert werden soll.Fig. 1 shows the construction or the structure of a resistor element according to the invention. To simplify the description, the simple case is assumed that the heat released by the resistor in the event of an overload is reduced to one area Dimension is to be located.
Auf einem Substrat 1 ist über zwei Leitern 2, dem Eingangsund Ausgangsleiter des betrachteten Widerstandselements, eine erste dicke resistive bzw. Widerstandsschicht 3 aufgebracht, und zwar in der allgemeinen geometrischen Gestalt eines angenäherten Rechtecks - oder allgemeiner - eines Quaders. Die Schicht 3 stellt den ohmschen Kontakt mit den zwei Anschlußleitern 2 her. Auf diese erste Schicht 3 ist eine zweite Schicht abgelagert, die die erste Schicht 3 nur teilweise überdeckt und eine oder mehrere Zonen derselben frei läßt. Bei dem gezeigten Beispiel, bei welchem die freigesetzte Wärme auf einen kleinen Bereich konzentriert werden soll, um das Substrat zu zerbrechen, ist diese zweite Schicht in zwei Teilschichten 4,5 unterteilt, die an den Enden des Widerstandselements in der Nähe der Leiter 2 lokalisiert sind. In Draufsicht ist also der Widerstand aus drei Zonen gebildet, nämlich aus zwei Endzonen, die auf der Seite des ersten Leiters aus zwei Schichten 3, 4 und auf der Seite des zweiten Leiters aus zwei Schichten 3, 5 gebildet sind, und aus einer Zone 6, die sich zwischen den beiden vorstehend genannten Zonen befindet und in welcher der Widerstand nur eine einzige SchichtOn a substrate 1 there is one over two conductors 2, the input and output conductors of the resistance element under consideration first thick resistive or resistance layer 3 applied, in the general geometric shape of an approximate Rectangle - or more generally - a cuboid. Layer 3 makes the ohmic contact with the two connecting conductors 2 ago. A second layer is deposited on this first layer 3, which only partially forms the first layer 3 covered and leaves one or more zones of the same free. In the example shown, in which the heat released If you want to concentrate on a small area in order to break the substrate, this second layer is in two sub-layers 4.5 divided, which are located at the ends of the resistance element in the vicinity of the conductor 2. In top view So the resistor is made up of three zones, namely two end zones on the side of the first conductor are formed from two layers 3, 4 and on the side of the second conductor from two layers 3, 5, and from a zone 6, which is located between the two aforementioned zones and in which the resistance is only a single layer
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3 umfaßt, die frei gelassen ist.3 which is left blank.
Die Schicht 3 einerseits und die Teilschichten 4 und 5 andererseits haben Dicken, die veränderlich sein können, und zwar je nach dem angestrebten Ergebnis; sie sind gebildet aus Werkstoffen, die verschiedene spezifische Widerstände ρ aufweisen. Wenn e- die Dicke der Schicht 3 ist, die den spezifischen p-j aufweist, so ist e2 die Dicke der Schichten 4 und 5, deren spezifischer Widerstand p2 ist.The layer 3 on the one hand and the sub-layers 4 and 5 on the other hand have thicknesses which can be variable, depending on the desired result; they are made of materials that have different specific resistances ρ. If e- is the thickness of the layer 3, which has the specific pj, then e 2 is the thickness of the layers 4 and 5, the specific resistance of which is p 2 .
Das auf diese Weise gebildete Widerstandselement ist also hinsichtlich seiner Struktur äquivalent einer Folge von drei Widerständen R-, R2 und R3, die in Reihe geschaltet sind.The resistance element formed in this way is therefore equivalent in terms of its structure to a sequence of three resistors R-, R2 and R 3 , which are connected in series.
Wenn das angestrebte Ergebnis gemäß dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel darin besteht, eine Sicherung zu schaffen, d.h. die Wärmefreisetzung auf einen beschränkten Bereich zu konzentrieren, um das Substrat zu zerbrechen, so müssen gleichzeitig die Bedingungen erfüllt sein, daß R., <R- und R3<R2, oder aber es müssen unter mehreren möglichen Lösungen folgende Beziehungen gelten:If the desired result according to the embodiment shown in FIG. 1 is to create a fuse, ie to concentrate the release of heat on a restricted area in order to break the substrate, then the conditions must be met at the same time that R., <R - and R 3 <R 2 , or the following relationships must apply among several possible solutions:
entweder p2 < P1 mit e., = e2 oder P2 = P-i mit e2 > e.. ,either p 2 <P 1 with e., = e 2 or P 2 = Pi with e 2 > e ..,
wobei diese zweite Lösung einer einzigen Schicht entspricht, deren Dicke je nach Lage verschieden ist.this second solution corresponds to a single layer, the thickness of which varies depending on the position.
Wenn I die Stromstärke bei Überlast des Widerstandes ist, so ist die aufgenommene Gesamtleistung gleich der Summe der in jedem Widerstandsabschnitt aufgenommenen Leistungen:If I is the current strength when the resistor is overloaded, so the total power consumed is equal to the sum of the powers consumed in each resistor section:
P = R1 I2 + R2 I2 + R3 I2. Da R2 wesentlich größer ist als R- und R3, wird die LeistungP = R 1 I 2 + R 2 I 2 + R 3 I 2 . Since R 2 is much larger than R- and R 3 , the power
x Widerstand x resistance
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hauptsächlich im mittleren Bereich des Widerstandes freigesetzt, wodurch das Substrat zerbricht.mainly released in the middle area of the resistor, breaking the substrate.
Fig. 2 zeigt eine von der Ausführungsform nach Fig. 1 abgeleitete Struktur, wobei das angestrebte Ergebnis jedoch im Gegensatz zu dem zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel darin besteht, die Wärmeabgabe auf eine große Oberfläche des Substrats zu verteilen, um den Wärmegradienten zu vermindern und den Bruch des Substrates zu verhindern.FIG. 2 shows one derived from the embodiment according to FIG Structure, although the desired result is in contrast to the previously described embodiment consists in distributing the heat dissipation over a large surface area of the substrate in order to reduce the thermal gradient and prevent breakage of the substrate.
Um den Unterschied in der geometrischen Ausgestaltung zu verdeutlichen, zeigt Fig. 2 einen Querschnitt des auf dem Substrat 1 abgelagerten Widerstands. Zwischen den Leitern 2 befindet sich weiterhin eine erste Widerstandsschicht 3, deren spezifischer Widerstand mit p- und deren Dicke mit e^ bezeichnet sind. Um jedoch die Wärmeabgabe zu steuern, erfolgt diese in einer Mehrzahl von Zonen 6, die voneinander durch eine Mehrzahl von Teilschichten 7, 8, 9 usw. getrennt sind, deren spezifischer Widerstand p~ ist und deren Dicke den Wert e^ aufweist.In order to illustrate the difference in the geometric configuration, FIG. 2 shows a cross section of the on the Substrate 1 deposited resistor. A first resistance layer 3 is also located between the conductors 2, their specific resistance with p- and their thickness with e ^ are designated. However, in order to control the heat dissipation, this takes place in a plurality of zones 6, which are separated from one another by a A plurality of partial layers 7, 8, 9 etc. are separated, the specific resistance of which is p ~ and the thickness of which is the value e ^ having.
Drei Schichten 7,8,9 sind in Fig. 2 als Beispiel dargestellt, wöbe i diese Anzahl natürlich nur ein Beispiel ist; die zweite Schicht kann ferner aus einer größeren Anzahl von Widerstands-Teilschichten 7, 8, 9 usw. zusammengesetzt sein, die ein Gitter bilden, wobei die heißen Punkte sich zwischen den Maschen dieses Gitters befinden..Bei dieser Ausführungsform kann die Leistungsabgabe moduliert und der Temperaturgradient vermindert werden, da die über das Substrat 1 abgeleitete Wärme von einer Mehrzahl von Bereichen ausgeht, die in einer Ebene verstreut sind.Three layers 7, 8, 9 are shown as an example in FIG. 2, if this number were of course only an example; the second layer can also be composed of a larger number of resistor sub-layers 7, 8, 9, etc., which form a grid, the hot points being between the meshes of this grid. In this embodiment, the power output can be modulated and the temperature gradient be reduced, since the heat dissipated via the substrate 1 emanates from a plurality of areas which are scattered in a plane.
Im Rahmen der Erfindung ist es ferner vorgesehen, daß die zweite Schicht nur aus einem einzelnen Streifen gebildet ist, wobei es sich um eine Ausführungsform handelt, die zu der nachIn the context of the invention it is also provided that the second layer is formed only from a single strip, which is an embodiment that corresponds to that of
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Figur 1 entgegengesetzt ist. Es ist dann nur noch eine einzelne zweite Schicht vorhanden, die in der Mitte auf der ersten Schicht 3 aufgebracht ist; bei dieser Ausführungsform muß die Bedingung erfüllt sein, daß R2 < R* und R2 < R,, wenn ein Wärmegradient vermieden werden soll.Figure 1 is opposite. There is then only a single second layer which is applied in the middle on the first layer 3; In this embodiment, the condition must be met that R 2 <R * and R 2 <R ,, if a thermal gradient is to be avoided.
Da der mittlere Bereich des Widerstandes einen geringeren Widerstandswert aufweist, setzt er weniger Wärme frei, und die Wärme wird in den zwei den Leitern benachbarten Zonen freigesetzt.Since the middle area of the resistor has a lower resistance value, it releases less heat, and the heat is released in the two zones adjacent to the conductors.
Figur 3 zeigt eine Weiterbildung der Erfindung, ausgehend von der Ausführungsform, bei welcher einfache rechtwinklige Widerstandselemente vorgesehen sind und die zweite Schicht in Form von ebenfalls rechtwinkligen Streifen aufgebracht ist. Bei dieser Ausführungsform können die auf der ersten Schicht aufgebrachten Teilschichten Formen aufweisen, die im Hinblick auf das angestrebte Ergebnis optimiert sind, um z. B. den heißen Punkt auf die Mitte der zentralen Zone zu konzentrieren, die in Fig. 1 mit 6 bezeichnet ist, oder aber - im Gegensatz hierzu - die von den Widerstandsschichten freigesetzte Wärme auf eine möglichst große Oberfläche des Elementes zu verteilen, indem als Form der zweiten Schicht z. B. ein vielstrahliger Stern gewählt wird.Figure 3 shows a development of the invention, based on the embodiment in which simple right-angled Resistance elements are provided and the second layer is also applied in the form of rectangular strips is. In this embodiment, the partial layers applied to the first layer can have shapes which are optimized with regard to the desired result in order to e.g. B. the hot spot towards the middle of the central zone concentrate, which is designated in Fig. 1 with 6, or - in contrast to this - the released from the resistance layers To distribute heat over the largest possible surface of the element by using as the shape of the second layer, for. B. a multi-pointed star is chosen.
Figur 3 zeigt als Äusführungsbeispiel ein Widerstandselement in Draufsicht. Dieses ist aus einer ersten Widerstandsschicht gebildet, die in Ohm1 schein Kontakt mit den zwei Anschlußleitungen 2 aufgebracht ist; in dem mittleren Bereich ist eine Zone 10 vorgesehen, die einen Teil der freigelassenen Schicht bildet. Diese Schicht 10 hat die Eigenschaft, daß sie annähernd elipsenförmig ist, was durch die Form der zweiten Teilschichten 11, 12 erreicht wird, wodurch in der Mitte eines von der Schicht 3 gebildeten Quaders ein heißer Punkt gebildet wird, der den Bruch des Substrates auslöst.FIG. 3 shows, as an exemplary embodiment, a resistance element in plan view. This is formed from a first resistance layer, which is applied in ohms 1 apparent contact with the two connecting lines 2; in the central area a zone 10 is provided which forms part of the exposed layer. This layer 10 has the property that it is approximately elliptical, which is achieved by the shape of the second sub-layers 11, 12, whereby a hot point is formed in the middle of a cuboid formed by the layer 3, which causes the substrate to break.
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Bei anderen Ausführungsformen ist die Gestaltung entgegengesetzt zu der nach Fig. 3, damit die freigesetzte Wärme so abgegeben wird, daß die Temperaturgradienten optimiert werden.In other embodiments, the design is opposite to that of FIG. 3, so that the heat released is given off in such a way that the temperature gradients are optimized.
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