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BEREICH DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Durchflussverteilungsmodul zur
Verteilung eines Durchflusses von Flüssigkeit über eine zu kühlende Oberfläche. Außerdem betrifft
sie einen Stapel solcher Durchflussverteilungsmodule.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Mitunter
ist es wünschenswert,
eine Oberfläche
eines Wärme
erzeugenden Objektes kühlen
zu können.
Zum Beispiel erzeugen Halbleitergeräte während ihres Betriebes Wärme, und
diese Wärme trägt zur Verschlechterung
des Betriebs des Halbleitergerätes
bei. Bei Leistungs-Halbleitergeräten ist
es notwendig, während
des Betriebes für
eine Kühlung zu
sorgen, um eine akzeptable Leistung des Gerätes aufrecht zu erhalten, und
oft wird dafür
eine Flüssigkeitskühlung verwendet.
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Für diesen
Zweck sind früher
verschiedene Kühlgeräte verwendet
worden. So offenbart
WO 02/055942 einen
Normaldurchfluss-Wärmetauscher (NFHX),
der ein Arbeitsfluid nutzt und eine hohe Wärmefluss-Übertragungskapazität hat. Der
NFHX umfasst einen Einlassverteiler und einen Auslassverteiler und
eine Vielzahl von gegenseitig verbundenen Kanälen. Ein Fluidstrom wird vom
Einlassverteiler über
die Verbindungskanäle
zum Auslassverteiler geleitet, so dass das Fluid über die
zu kühlende Oberfläche fließt.
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Der
in
WO 02/055942 offenbarte
NFHX ist aber nur zur Kühlung
einer einzelnen Oberfläche
vorgesehen. In dem Fall, wo mehrere Oberflächen einer Kühlung bedürfen, z.
B. mehrere Halbleitergeräte, muss
aber jedes Halbleitergerät
mit einem Kühlgerät versehen
werden (z. B. der NFHX beschrieben in
WO 02/055942 ). In diesem Fall werden
die Halbleitergeräte
nebeneinander angeordnet sein, wobei das Gerät einen verhältnismäßig großen Oberflächenbereich
hat. Dies ist ein Nachteil, weil ein solches Gerät in zwei Dimensionen ziemlich
platzaufwendig sein wird.
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Es
ist deshalb wünschenswert,
ein Kühlgerät vorzusehen,
das für
mehrere Oberflächen
eine Kühlung
vorsehen kann und gleichzeitig das gesamte Gerät kompakt hält.
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BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Es
ist somit eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Kühlgerät anzubieten,
das für
mehrere Oberflächen eine
Kühlung
vorsehen kann, ohne dass das Gerät
dabei groß wird.
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Es
ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Kühlgerät vorzusehen,
das an spezifische Kältebedarfe
angepasst werden kann, ohne dass spezialgefertigte Teile erforderlich
sind.
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Es
ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Kühlgerät vorzusehen,
das sich einfach herstellen lässt
und doch sehr flexibel in Bezug auf die Erfüllung von spezifischen Ansprüchen oder Bedürfnissen
bleibt.
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Nach
einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung werden die obigen
und andere Aufgaben dadurch gelöst,
dass ein Durchflussverteilungsmodul zur Verteilung eines Durchflusses
von Fluid über
eine zu kühlende
Oberfläche
vorgesehen ist, das Folgendes umfasst:
- – ein Gehäuse
- – einen
Einlassverteiler
- – einen
Auslassverteiler
- – eine
Vielzahl von Durchflusszellen, die eine oder mehrere Durchflussverbindungen
zwischen dem Einlassverteiler und dem Auslassverteiler bilden, wobei
die Durchflusszellen so angeordnet sind, dass ein Durchfluss des
Fluids entlang der/den zu kühlenden
Oberfläche(n)
fließt,
wenn Fluid über mindestens
eine Durchflusszelle vom Einlassverteiler zum Auslassverteiler fließt
- – ein
Substrat mit einer oder mehreren zu kühlenden Oberfläche(n)
- – eine
Einlassöffnung
zur Versorgung des Einlassverteilers mit Fluid
- – eine
Auslassöffnung
zum Auslassen von Fluid vom Auslassverteiler
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wobei
das Durchflussverteilungsmodul zur Verbindung mit einem anderen,
im Wesentlichen identischen Durchflussverteilungsmodul vorgesehen ist,
und zwar so, dass die Einlassöffnung
mit einer anderen, im Wesentlichen identischen Einlassöffnung zur
Bildung eines gemeinsamen Fluideinlasses verbunden ist, und auch
so, dass die Auslassöffnung
mit einer anderen, im Wesentlichen identischen Auslassöffnung zur
Bildung eines gemeinsamen Fluidauslasses verbunden ist, wobei das
Durchflussverteilungsmodul dafür
vorgesehen ist, ein Teil eines Stapels von Durchflussverteilungsmodulen
zu bilden.
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Die
zu kühlende(n)
Oberfläche(n)
kann/können
ein Teil oder thermisch verbunden mit einer Heizquelle sein, wie
z. B. einem Halbleiter, z. B. in einer selbstfahrenden Anwendung
oder einer zentralen Datenverarbeitungseinheit (CPU). Die zu kühlende(n)
Oberfläche(n)
ist/sind die Oberfläche(n)
des Substrats.
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Der
Einlassverteiler und der Auslassverteiler sind zur Lieferung bzw.
zum Empfang eines Fluiddurchflusses zu/von den Durchflusszellen
vorgesehen. Dabei kann das Fluid von dem Einlassverteiler, über eine
oder mehrere Durchflusszellen, zum Auslassverteiler fließen. Der
Fluiddurchfluss läuft
entlang der/den zu kühlenden
Oberfläche(n),
und die Oberfläche(n)
wird/werden mit Hilfe des Fluids gekühlt.
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Das
Fluid ist vorzugsweise eine Flüssigkeit, wie
z. B. Wasser oder eine Mischung von Ethylenglycol und Wasser für selbstfahrende
Anwendungen, wo Temperaturen unter 0°C vorkommen können. Alternativ
kann die Flüssigkeit
eine Zweiphasen-Kühlflüssigkeit
sein, wie z. B. R134a, die weitgehend in Kühlschränken und Gefriermöbeln angewandt
wird.
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Das
Substrat ist vorzugsweise von der Art, die zum Tragen einer oder
mehrerer elektrischen Komponente(n) vorgesehen ist, d. h. ein so
genannter Komponententräger.
Dadurch ist das Durchflussverteilungsmodul dafür vorgesehen, Komponenten, die
vom Substrat getragen werden, mit Kühlung zu versehen. Das Substrat
kann Teil eines Halbleitergerätes
sein, das Wärme
erzeugt und deswegen Kühlung
bedarf. Damit kann/können
die zu kühlende(n) Oberfläche(n) Teil
des Durchflussverteilungsmoduls sein. Alternativ kann/können die
Oberfläche(n)
außerhalb
des Moduls angebracht sein, d. h. das Modul kann in der Nähe (vorzugsweise
anliegend an) der Oberfläche(n)
angeordnet sein.
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Das
Durchflussverteilungsmodul ist zur Verbindung mit einem anderen
Durchflussverteilungsmodul vorgesehen. Die Einlassöffnung ist
zur Verbindung mit einer anderen Einlassöffnung und die Auslassöffnung ist
zur Verbindung mit einer anderen Auslassöffnung vorgesehen. Dadurch
werden ein gemeinsamer Fluideinlass und ein gemeinsamer Fluidauslass
gebildet, wenn das Durchflussverteilungsmodul mit einem anderen
Durchflussverteilungsmodul verbunden wird. Somit können zwei
oder mehrere Durchflussverteilungsmodule zu einem Stapel von Durchflussverteilungsmodulen
zusammengebaut werden, und jedes Durchflussverteilungsmodul des Stapels
kann mit Fluid versorgt werden, ungeachtet der Anzahl von Modulen
im Stapel. Eine Anpassung oder zusätzliche Teile sind dafür nicht
erforderlich. Dadurch kann das Durchflussverteilungsmodul der Erfindung
als "Baustein" für eine Kühleinheit
wirken. Wenn ein spezifischer Kühlbedarf
vorhanden ist, kann eine Kühleinheit
dann einfach in Übereinstimmung
mit dem Kühlbedarf
zusammengebaut werden, dadurch dass die Anzahl von Durchflussverteilungsmodulen
gewählt
wird, die dem Kühlbedarf
entspricht. Damit ist keine spezielle Anpassung notwendig um eine
Kühleinheit
zu gestalten, die einem spezifischen Kühlbedarf entspricht, und ein
sehr einfaches und trotzdem flexibles System ist damit geschaffen.
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Außerdem eröffnet der
Umstand, dass die Durchflussverteilungsmodule zur Verbindung mit
anderen Durchflussverteilungsmodulen vorgesehen sind, die Möglichkeit
eines Stapelns der Module, wobei Kühlung von mehreren Oberflächen möglich ist, ohne
dass das sich ergebende Gerät
in eine Richtung wesentlich vergrößert. Wie oben beschrieben, wird
sich der Oberflächenbereich
des Gerätes
in Systemen nach dem Stand der Technik typischerweise wesentlich
vergrößern, wenn
mehrere Durchflussverteilungsmodule oder -einheiten benötigt werden,
um dem Kühlbedarf
zu entsprechen, da die Module/Einheiten nebeneinander anzuordnen
sind. Da aber das Durchflussverteilungsmodul der vorliegenden Erfindung
zur Verbindung mit einem anderen Durchflussverteilungsmodul in einer
solchen Weise, dass ein Stapel aus Durchflussverteilungsmodulen
gebildet wird, vorgesehen ist, müssen alle
Module nicht nebeneinander angeordnet werden, sondern können aufeinander
gestapelt werden, wobei eine sehr kompakte Kühleinheit geschaffen wird.
Dies ist sehr vorteilhaft. Außerdem
ergibt sich dadurch die Möglichkeit
der Lieferung von Kühlung
in drei Dimensionen, d. h. die Durchflusszellen können zwischen
einem Einlassverteiler und einem Auslassverteiler in drei Dimensionen
parallel verbunden werden. Dies ist vorteilhaft, weil dadurch die
Temperaturgradienten reduziert werden.
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Das
andere Durchflussverteilungsmodul ist vorzugsweise auch ein Durchflussverteilungsmodul nach
der vorliegenden Erfindung, und die Durchflussverteilungsmodule
des sich ergebenden Stapels sind vorzugsweise identisch. Alternativ
können
sich aber die Module voneinander unterscheiden, z. B. um spezifischen
Kühlansprüchen von
verschiedenen Oberflächen
zu genügen.
Es muss aber bemerkt werden, dass die Unterschiede zwischen den
Modulen nicht von einer solchen Art sein sollten, dass die Module nicht
verbunden werden können.
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In
einer bevorzugten Ausführung
ist die Vielzahl von Durchflusszellen zwischen den Verteilern parallel
verbunden. In dieser Ausführung
erzeugt jede der Durchflusszellen eine Fluidverbindung zwischen
dem Einlassverteiler und dem Auslassverteiler. Damit wird Fluid
aus dem Einlassverteiler gleichzeitig über die Durchflusszellen zum
Auslassverteiler fließen.
Dabei wird/werden die Oberfläche(n)
so gekühlt,
dass Temperaturgradienten über
die Oberfläche(n)
eliminiert oder zumindest erheblich reduziert werden.
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Alternativ
können
einige oder alle Durchflusszellen in Reihe geschaltet sein.
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Jeder
Durchflusskanal kann so ausgebildet sein, dass er eine Vielzahl
von Änderungen
in der Durchflussrichtung des entlang der Oberfläche(n) fließenden Fluids bewirkt. Dies
ist vorteilhaft, weil es Turbulenz bewirkt, aber auch mit einem
laminaren Durchfluss werden die Richtungsänderungen im Durchflussmuster
des Fluids in den Durchflusszellen eine erhöhte Wärmeübertragung bewirken. Fluid, das
beim Fließen
entlang der zu kühlenden
Oberfläche(n)
aufgewärmt
wurde, wird effektiv mit kälterem Fluid
gemischt, das nicht entlang der zu kühlenden Oberfläche(n) geflossen
ist. Dadurch wird sichergestellt, dass die gesamte Kühlkapazität des Fluids
im Kühlprozess
ausgenutzt wird.
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Vorzugsweise
bilden zumindest das Gehäuse,
der Einlassverteiler, der Auslassverteiler und die Vielzahl von
Durchflusszellen eine einzige Einheit. Dies ist aus Herstellungsgründen sehr
vorteilhaft, weil dadurch gestattet wird, dass zumindest das Gehäuse, die
Verteiler und die Durchflusszellen in einer einzigen Herstellungsstufe
hergestellt werden. Dadurch wird das Durchflussverteilungsmodul
für eine Massenproduktion
sehr geeignet.
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Das
Substrat kann in einem im Gehäuse ausgebildeten
Hohlraum montiert werden. In diesem Fall ist das Gehäuse des
Durchflussverteilungsmoduls vorzugsweise zur Verbindung mit dem
Gehäuse eines
anderen Durchflussverteilungsmoduls vorgesehen. Dabei können die
Module un abhängig
von den Eigenschaften des Substrats verbunden werden. Wenn in einem
Hohlraum montiert, kann ein äußeres Teil
des Substrats bündig
mit einem oder mehreren äußeren Teilen
des Gehäuses
abgeschlossen sein, um eine im Wesentlichen gemeinsame Oberfläche zu bilden.
Die im Wesentlichen gemeinsame Oberfläche kann eine Grenzfläche zum
nächsten
Durchflussverteilungsmodul bilden. In diesem Fall kann das äußere Teil
des Substrates eine zu kühlende
Oberfläche sein,
und die Oberfläche
kann mit Hilfe eines benachbarten Moduls gekühlt werden.
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Das
Substrat und das Gehäuse
können
in einer im Wesentlichen fluiddichten Weise verbunden sein. Dies
ist besonders vorteilhaft, wenn ein äußeres Teil des Substrats und
eines oder mehrere äußeren Teile
des Gehäuses
wie oben beschrieben eine im Wesentlichen gemeinsame Oberfläche bilden.
Das Substrat und das Gehäuse
können
z. B. unter Anwendung eines Silikonklebers und/oder eines oder mehrerer
O-Ringe verbunden werden. Der/die O-Ring(e) kann/können z.
B. mit Hilfe einer Zweikomponenten-Gießprozesstechnologie ausgebildet
werden. In diesem Fall kann/können
der/die O-Ring(e) direkt im Gehäuse
oder im Substrat ausgebildet werden. Nach dem Auftragen des Silikonklebers
oder den/die O-Ring(e), können
das Gehäuse
und das Substrat mit Vorteil einer im Wesentlichen konstanten Kraft
unterworfen werden, die die beiden Teile aneinander presst. Eine
solche, im Wesentlichen konstante Kraft kann z. B. durch eine an
das Modul angesetzte Feder oder Klemmung erzeugt werden. Im vorliegenden
Fall bedeutet der Begriff "im
Wesentlichen fluiddicht",
dass das in dem Durchflussver teilungsmodul verwendete Fluid zumindest
im Wesentlichen daran gehindert wird, aus dem Modul auszutreten.
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Nach
einer anderen Ausführung
kann das Substrat ein integriertes Teil des Gehäuses sein, und zumindest die
Vielzahl der Durchflusszellen kann in einem Hohlraum angeordnet
sein, der im Gehäuse ausgebildet
ist. In dieser Ausführung
kann das Substrat in einem Material, z. B. einem Kunststoffmaterial,
eingekapselt sein, wobei die Kapselung das Gehäuse mit dem darin ausgebildeten
Hohlraum bildet. Die Durchflusszellen sind dann vorzugsweise in
einer separaten Ablenkplatte ausgebildet, die in den Hohlraum passt.
Die Ablenkplatte kann entweder so geformt und angeordnet werden,
dass die Durchflusszellen imstande sind, einen Fluiddurchfluss über eine Oberfläche des
im Gehäuse
integrierten Substrates zu verteilen, oder sie kann so geformt und
angeordnet werden, dass die Durchflusszellen imstande sind, einen
Fluiddurchfluss über
eine Oberfläche
des im Gehäuse
eines benachbarten Durchflussverteilungsmoduls integrierten Substrates
zu verteilen.
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Der
Einlassverteiler und der Auslassverteiler können zusätzlich in dem Hohlraum angeordnet
sein, z. B. Teil der Ablenkplatte sein.
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Das
Durchflussverteilungsmodul kann zur Verbindung mit einem anderen,
im Wesentlichen identischen Durchflussverteilungsmodul vorgesehen sein,
und zwar über
ein oder mehrere Substrat(e), jeweils mit einer oder mehreren zu
kühlenden
Oberfläche(n).
In diesem Fall ist das Gehäuse
eines Durchflussverteilungsmoduls zur Verbin dung mit einem Substrat
vorgesehen. Dieses Substrat kann dann mit einem anderen Substrat
oder einem anderen Durchflussverteilungsmodul verbunden sein. Dadurch
wird "ein Sandwich" mit Durchflussverteilungsmodulen vorgesehen,
die sich im Wesentlichen gegenüberliegen,
wobei ein oder mehrere Substrat(e) zwischen den Durchflussverteilungsmodulen
angeordnet ist/sind. Außerdem
kann ein Stapel von Durchflussverteilungsmodulen aus zwei oder mehreren
solcher "Sandwichs" gebildet sein. Alternativ
oder zusätzlich können zwei
oder mehrere "Sandwichs" nebeneinander angeordnet
werden.
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Mindestens
ein Substrat kann ein "Direct Copper
Bonding" (DCB) Substrat
sein. Alternativ oder zusätzlich
kann/können
ein oder mehrere Substrate jede andere Art von Substrat sein, wie
z. B. "Insulated
Metal" (IMS) Substraten,
einem Dickfilm oder anderen keramisch basierten Substraten.
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Das
Gehäuse
des Durchflussverteilungsmoduls kann eine erste Seite aufweisen,
die zur Aufnahme einer zu kühlenden
Oberfläche
vorgesehen ist, und eine zweite Seite, die der ersten Seite zumindest im
Wesentlichen gegenüberliegt,
wobei in der zweiten Seite zumindest die Vielzahl von Durchflusszellen ausgebildet
ist, die dafür
vorgesehen sind, einen Fluiddurchfluss über eine zu kühlende Oberfläche zu erzeugen,
wobei diese Oberfläche
in der ersten Seite eines benachbarten Durchflussverteilungsmoduls angeordnet
ist. In dieser Ausführung
arbeitet ein sich ergebender Stapel von Durchflussverteilungsmodulen
so, dass ein Modul eine zu kühlende
Oberfläche aufweist,
wobei die Kühlung
der Oberfläche
vom benachbarten Modul erzeugt wird. Diese Konfiguration des Durchflussverteilungsmoduls
macht das Modul sehr geeignet für
eine Massenproduktion, da es einstückig ausgebildet werden kann,
wobei die Oberflächen
an einer Seite angeordnet werden und die Durchflusszellen in der
anderen Seite ausgebildet werden, so dass eine andere Oberfläche, die
in einem benachbarten Modul angeordnet ist, von dem Fluid gekühlt wird,
das durch die Durchflusszellen hindurchfließt. Diese Konfiguration macht
es auch sehr einfach, einen Stapel aus Durchflussverteilungsmodulen
herzustellen, und auch die zu kühlenden
Oberflächen
zu positionieren oder auszutauschen.
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In
einer Ausführung
können
auch der Einlassverteiler und der Auslassverteiler in der zweiten Seite
ausgebildet sein, wobei das Durchflussverteilungsmodul für eine Massenproduktion
noch geeigneter wird.
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Nach
einer anderen Ausführung
kann das Gehäuse
eine erste Seite aufweisen, in der eine zu kühlende Oberfläche ein
integriertes Teil ist, und eine zweite Seite zur Aufnahme einer
Ablenkplatte in der zumindest die Vielzahl von Durchflusszellen
ausgebildet ist, wobei die Vielzahl von Durchflusszellen zur Erzeugung
eines Fluiddurchflusses vorgesehen ist, und zwar über eine
zu kühlende
Oberfläche,
die ein integriertes Teil der ersten Seite eines benachbarten Durchflussverteilungsmoduls
ist. Zusätzlich
können der
Einlassverteiler und der Auslassverteiler in der Ablenkplatte ausgebildet
sein.
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Nach
einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung werden die obigen
und andere Aufgaben durch einen Stapel von Durchflussverteilungsmodulen
gelöst,
wobei jedes Durchflussverteilungsmodul des Stapels ein Durchflussverteilungsmodul nach
dem ersten Aspekt der Erfindung ist.
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Wie
oben erwähnt,
ist ein solcher Stapel von Durchflussverteilungsmodulen sehr vorteilhaft,
weil er eine Kühleinheit
zur Verfügung
stellt, die sehr einfach aber doch sehr flexibel ist, da er sich
einfach dazu anpassen lässt,
einen spezifischen Kühlbedarf zu
decken, ohne eine spezielle Anpassung der einzelnen "Komponenten".
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Die
Durchflussverteilungsmodule können
mit Hilfe einer Anzahl von Befestigungsmitteln verbunden werden,
z. B. eine oder mehrere Schraube(n), und/oder mit Hilfe eines Silikonklebers.
Außerdem können die
Durchflussverteilungsmodule unter Verwendung von einem oder mehreren
O-Ring(en), wie oben
beschrieben, verbunden werden. Wie oben in Verbindung mit der im
Wesentlichen fluiddichten Verbindung von Gehäuse und Substrat beschrieben, können die
Module einer im Wesentlichen konstanten Kraft unterworfen werden,
die die Module gegeneinander presst. Eine solche Kraft kann z. B.
von einer Feder oder einer Klemmung bereitgestellt werden, die am
Modulstapel angesetzt wird.
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Der
Stapel von Durchflussverteilungsmodulen kann außerdem einen gemeinsamen Fluideinlass zur
Lieferung von Fluid an die Einlassverteiler der Durchflussvertei lungsmodule,
und einen gemeinsamen Fluidsauslass zur Aufnahme von Fluid aus den Auslassverteilern
der Durchflussverteilungsmodule, aufweisen. In diesem Fall ist der
gemeinsame Fluideinlass aus Einlassöffnungen der Durchflussverteilungsmodule
gebildet, und der gemeinsame Fluidauslass ist aus Auslassöffnungen
der Durchflussverteilungsmodule gebildet. In dieser Ausführung wird
Fluid an alle Module über
den gemeinsamen Fluideinlass geliefert, und nach der Passage durch die
Durchflusszellen zum Auslassverteiler wird das Fluid über den
gemeinsamen Fluidauslass vom Stapel abgeleitet. Dabei wird nur eine
externe Verbindung zu einer Fluidquelle gebraucht, um alle Durchflussverteilungsmodule
des Stapels mit Fluid zu versorgen.
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Die
Durchflussverteilungsmodule sind vorzugsweise zwischen dem gemeinsamen
Fluideinlass und dem gemeinsamen Fluidauslass parallel verbunden.
Dadurch wird die Kühlung
der Oberflächen
entsprechend verschiedener Durchflussverteilungsmodule so geliefert,
dass Temperaturgradienten eliminiert oder zumindest erheblich reduziert
werden. Dies entspricht in hohem Masse der oben beschriebenen Situation
in Bezug auf die Durchflusszellen eines Moduls, die zwischen den
Verteilern parallel verbunden sind. In einer bevorzugten Ausführung sind die
Durchflusszellen jedes Moduls und auch die Module parallel verbunden.
In dieser Ausführung
werden Temperaturgradienten in zwei Dimensionen eliminiert oder
zumindest erheblich reduziert, wobei eine gleichartige Kühlung erzielt
wird.
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Mindestens
zwei Durchflussverteilungsmodule können über ein oder mehrere Substrat(e)
verbunden sein. Dies ist oben schon näher beschrieben.
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Mindestens
zwei Durchflussverteilungsmodule können so verbunden werden, dass
sich die Substrate gegenüberliegen.
In dieser Ausführung kann
der Stapel in einer "Gehäuse, Substrat,
Substrat, Gehäuse" Struktur montiert
sein. Alternativ besteht der Stapel abwechselnd aus Gehäusen und Substraten.
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Nach
einer Ausführung
können
mindestens zwei Durchflussverteilungsmodule direkt so miteinander
verbunden sein, dass ein Substrat, das Teil einer Standardkomponente
ist, von zwei Durchflussverteilungsmodulen gehalten wird. In dieser
Ausführung
wird eine "Sandwich-Struktur" durch abwechselnde
Durchflussverteilungsmodule und Standardkomponenten gebildet. Die
Durchflussverteilungsmodule sollten in diesem Fall so hergestellt
sein, dass eine gewünschte
Standardkomponente zwischen zwei Durchflussverteilungsmodulen hineinpasst.
Diese Ausführung
ist vorteilhaft, weil es gleichzeitige Kühlung einer Anzahl von Standardkomponenten
zulässt,
ohne dass die Kühlung
bei der Herstellung der Standardkomponenten berücksichtigt werden muss. Dies
ist ein Vorteil, weil die Werkzeuge für die Herstellung der Standardkomponenten üblicherweise teurer
sind als die Werkzeuge für
die Herstellung der Durchflussverteilungsmodule, und es ist deshalb wünschenswert,
bei der Herstellung von Standardkomponenten die gleichen Werkzeuge
verwenden zu können,
ungeachtet der beabsichtigten Anwendung der resultierenden Komponenten.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Im
Folgenden wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen
beschrieben, worin:
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1 eine "Direct Copper Bonding" (DCB) Struktur zeigt,
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2 ein
Gehäuse
mit einem Hohlraum zur Aufnahme des in 1 gezeigten
Substrats zeigt,
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3 ein
Gehäuse
zeigt, in dem ein Einlassverteiler, ein Auslassverteiler und eine
Vielzahl von Durchflusszellen ausgebildet sind,
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4 ein
Durchflussverteilungsmodul mit einem darin aufgenommenen Substrat
zeigt,
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5 einen
Stapel von drei Durchflussverteilungsmodulen zeigt,
-
6 einen
Stapel von sechs Durchflussverteilungsmodulen zeigt,
-
7 einen
Stapel von neun Durchflussverteilungsmodulen zeigt,
-
8 einen
Stapel von zwölf
Durchflussverteilungsmodulen zeigt,
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9 und 10 Querschnitte
eines Stapels von drei Durchflussverteilungsmodulen mit einem gemeinsamen
Einlass und einem gemeinsamen Auslass, die in zwei verschiedenen
Weisen angebracht sind, zeigen,
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11 eine
Explosionsansicht eines Gehäuses
ist, das aus zwei trennbaren Teilen besteht,
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12–15 den
sequentiellen Aufbau eines Substratteils für ein Durchflussverteilungsmodul nach
einer Ausführung
der vorliegenden Erfindung zeigen,
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16 und 17 Stapel
von Durchflussverteilungsmodulen zeigen, die über ein oder mehrere Substrat(e)
verbunden sind,
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18 einen
Stapel von Durchflussverteilungsmodulen mit Substratteilen zeigt,
die Seite an Seite angeordnet sind,
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19 ein
Durchflussverteilungsmodul nach einer zweiten Ausführung der
Erfindung zeigt,
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20 das
Durchflussverteilungsmodul aus 19 mit
einem montierten Substrat zeigt,
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21 eine
Explosionsansicht eines Stapels von Durchflussverteilungsmodulen
der in 20 gezeigten Art ist,
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22 eine
Explosionsansicht eines Durchflussverteilungsmoduls nach einer dritten
Ausführung der
Erfindung ist,
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23 eine
Explosionsansicht eines Stapels von Durchflussverteilungsmodulen
der in 22 gezeigten Art ist,
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24 den
Stapel von Durchflussverteilungsmodulen nach 23 zeigt,
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25 eine
Explosionsansicht eines Durchflussverteilungsmoduls nach einer vierten
Ausführung
der Erfindung ist,
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26 das
Durchflussverteilungsmodul nach 25 zeigt,
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27 eine
Explosionsansicht des Durchflussverteilungsmoduls nach 25 und 26 und eines
Standard-Halbleitermodul ist,
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28 das
Durchflussverteilungsmodul und das Halbleitermodul nach 27 ist,
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29 eine
Explosionsansicht eines Stapels von Durchflussverteilungsmodulen
der in 28 gezeigten Art ist, und
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30 den
Stapel von Durchflussverteilungsmodulen nach 29 zeigt.
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NÄHERE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 zeigt
ein DCB Substrat 1 mit einer Anzahl von darauf angeordneten
Komponenten 2. Die Komponenten 2 können z.
B. "Integrated Gate
Bipolar Transistors" (IGBT)
und/oder Dioden sein. Das DCB Substrat 1 ist zusätzlich mit
drei Netzklemmen 3 und drei Steuerklemmen 4 versehen.
Die in der Figur gezeigten Klemmen 3, 4 sind mit
dem Substrat verschweißt
oder verlötet.
Alternativ können
die Klemmen 3, 4 durch Verdrahtung oder durch
jede andere geeignete Technik zur Befestigung von Klemmen an einem
Substrat befestigt werden.
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2 zeigt
ein Durchflussverteilungsmodul 5 mit einem Gehäuse 6 mit
einem darin ausgebildeten Hohlraum 7. Der Hohlraum 7 ist
zur Aufnahme eines Substrates 1, wie in 1 gezeigt,
vorgesehen. Das Gehäuse 6 hat
somit drei Löcher 8 zur
Aufnahme der Netzklemmen 3 und drei Löcher 9 zur Aufnahme
der Steuerklemmen 4. Das Gehäuse 6 weist zusätzlich eine
Einlassöffnung 10 zum
Einlassen von Fluid in das Durchflussverteilungsmodul 5 und
eine Auslassöffnung 11 zum
Auslassen von Fluid aus dem Durchflussverteilungsmodul 5 auf.
Dies wird weiter unten näher
erläutert
werden.
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3 zeigt
das Durchflussverteilungsmodul nach 2, jedoch
von der anderen Seite. Ein Einlassverteiler 12 und ein
Auslassverteiler 13 sind im Gehäuse 6 ausgebildet.
Sechs Durchflusszellen 14 (auch im Gehäuse 6 ausgebildet)
bilden je eine Flüssigkeitsverbindung
zwischen dem Einlassverteiler 12 und dem Auslassverteiler 13.
Die Durchflusszellen 14 sind zwischen den Verteilern 12, 13 parallel
verbunden. Damit wird Fluid, das über die Einlassöffnung 10 in
den Einlassverteiler 12 einfließt, über die Durchflusszellen 14 zum
Auslassverteiler 13 fließen und von dort wird das Fluid über die
Auslassöffnung 11 das
Modul 5 verlassen.
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4 zeigt
das Durchflussverteilungsmodul 5 der 2 mit
dem DCB Substrat 1 der 1, das im
Hohlraum (nicht sichtbar in 4) angeordnet
ist. Man kann sehen, dass die Netzklemmen 3 in die Löcher 8 hineinpassen,
und dass die Steuerklemmen 4 in die Löcher 9 hineinpassen,
und zwar so, dass die Klemmen 3, 4 vom Modul 5 hervorstehen,
wenn das DCB Substrat 1 in dem Hohlraum des Gehäuses 6 angeordnet
ist. Dadurch können
die Klemmen 3, 4 externe Verbindungen bilden,
z. B. zur Energieversorgung der Komponenten des Substrats oder zur Steuerung
der Komponenten.
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5 zeigt
einen Stapel von drei Durchflussverteilungsmodulen 5. Der
Stapel wird von einem Deckel 15 an einem Ende und einem
unteren Teil 16 an einem gegenüberliegenden Ende abgeschlossen.
Im Deckel 15 sind eine Einlassöffnung 10 und eine
Auslassöffnung 11 ausgebildet.
Dadurch kann Fluid an alle Durchflussverteilungsmodule 5 des
Stapels durch die Einlassöffnung
geliefert werden. Entsprechend wird Fluid, das durch alle Durchflussverteilungsmodule 5 geflossen
ist, gesammelt und durch die Auslassöffnung 11 aus dem
Stapel ausgelassen.
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Jedes
Modul 5 weist eine Halbbrücke auf, und der Stapel von
drei Modulen 5 bildet deshalb ein Dreiphasenmodul. Eine
erste 3a, eine zweite 3b und eine dritte 3c Klemme
stehen von jedem Durchflussverteilungsmodul 5 hervor. Die
ersten Klemmen 3a sind zur Verbindung mit einem positiven
Pol einer Stromversorgung vorgesehen, die zweiten Klemmen 3b sind
zur Verbindung mit einem negativen Pol einer Stromversorgung vorgesehen,
und jede der dritten Klemmen 3c bildet eine Phase des Dreiphasenmoduls.
Alle ersten Klemmen 3a können gemeinsam verbunden werden,
z. B. mit einer Busschiene. Entsprechend können alle zweiten Klemmen 3b gemeinsam
verbunden werden.
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6–8 zeigen
Stapel von Durchflussverteilungsmodulen 5 nach 5.
In 6 umfasst der Stapel sechs Durchflussverteilungsmodule 5,
in 7 umfasst der Stapel neun Durchflussverteilungsmodule 5 und
in 8 umfasst der Stapel zwölf Durchflussverteilungsmodule 5.
Alle Einzelheiten der Beschreibung des Stapels in 5 gelten
auch für die
Stapel der 6–8.
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In 6 können die
Halbbrücken
der sechs Durchflussverteilungsmodule 5 paarweise parallel geschaltet
werden, wobei ein Dreiphasenmodul entsteht, wobei jede Phase von
den Halbbrücken
von zwei Durchflussverteilungsmodulen 5 versorgt wird.
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Entsprechend
bilden die Stapel der 7 und 8 Dreiphasenmodule
durch Verbindung der Phasen der Halbbrücken drei und drei bzw. vier
und vier.
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9 zeigt
einen Querschnitt eines Stapels von drei Durchflussverteilungsmodulen 5 nach
einer Ausführung
der Erfindung. 9 zeigt den Fluiddurchfluss
durch den Stapel. Die Durchflussverteilungsmodule 5 sind
zwischen einer Einlassöffnung 10 und
einer Auslassöffnung 11 parallel
verbunden, die an gegenüberliegenden
Enden des Stapels angebracht sind. Fluid läuft über die Einlassöffnung 10 in den
Stapel, wie angegeben durch den nach unten gerichteten Pfeil, und
läuft durch
die Durchflusszellen des Durchflussverteilungsmoduls 5.
Dies wird durch die horizontalen Pfeile angegeben. Nachfolgend wird das
Fluid gesammelt und verlässt
den Stapel durch die Auslassöffnung 11.
Dadurch können
alle Durchflussverteilungsmodule 5 mit Fluid versorgt werden, indem
die Einlassöffnung 10 mit
einer Fluidquelle und die Auslassöffnung 11 mit einem
Fluidreservoir zur Aufnahme des gebrauchten Fluids verbunden werden.
In der in 9 gezeigten Ausführung müssen die
beiden Verbindungen an gegenüberliegenden Seiten
des Stapels angeordnet werden.
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10 zeigt
einen Querschnitt durch einen Stapel von Durchflussverteilungsmodulen 5 nach
einer anderen Ausführung
der Erfindung. Alle Einzelheiten, die oben in Verbindung mit der
Beschreibung des Stapels von 9 erwähnt wurden,
gelten auch hier, mit Ausnahme des Umstandes, dass die Einlassöffnung 10 und
die Auslassöffnung 11 der
Ausführung
in 10 an derselben Seite des Stapels angebracht sind,
und die Verbindungen zur Fluidquelle und zum Reservoir sollten deshalb
auch an der gleichen Seite angeordnet werden.
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11 zeigt
eine Explosionsansicht eines Durchflussverteilungsmoduls 5 mit
einem ersten Teil, in dem eine Einlassöffnung 10, eine Auslassöffnung 11,
ein Einlassverteiler 12 und ein Auslassverteiler 13 ausgebildet
sind. Sechs Durchflusszellen 14 sind zwischen dem Einlassverteiler 12 und
dem Auslassverteiler 13 parallel verbunden. Das Durchflussverteilungsmodul 5 weist
außerdem
einen zweiten Teil 18 auf, an dem ein DCB Substrat 1 montiert
ist. Drei Netzklemmen 3 und drei Steuerklemmen 4 stehen vom
zweiten Teil 18 des Durchflussverteilungsmoduls 5 vor.
Im zweiten Teil 18 sind auch eine Einlassöffnung 10 und
eine Auslassöffnung 11 ausgebildet. Der
erste Teil 17 und der zweite Teil 18 sind zum
Verbinden vorgesehen, wobei sie das Durchflussverteilungsmodul 5 bilden.
Wenn das Durchflussverteilungsmodul 5 zusammengesetzt ist,
bilden die Einlassöffnungen 10 und
die Auslassöffnungen 11 durchgehende
Bohrungen, die dafür
vorgesehen sind, eine gemeinsame Fluidversorgung einer Anzahl von
Durchflussverteilungsmodulen 5, die zur Bildung eines Stapels
von Durchflussverteilungsmodulen 5 verbunden sind, zu bilden.
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Die 12–15 zeigen
den sequentiellen Aufbau eines Substratteils 19 für ein Durchflussverteilungsmodul
nach einer Ausführung
der vorliegenden Erfindung. 12 zeigt
ein Substrat 1 mit einer darauf angeordneten Anzahl von
Komponenten 2. Beim Aufbau des Substratteils 19 wäre dies
ein passender Ausgangspunkt. 13 zeigt
das Substrat 1 der 12, jedoch
mit drei Netzklemmen 3 und drei Steuerklemmen 4.
Dabei zeigt die 13 die nächste Stufe des Prozesses,
d. h. die Befestigung von Netzklemmen 3 und Steuerklemmen 4 am
Substrat 1. Vor zugsweise werden die Klemmen 3, 4 durch
Löten oder
Schweißen
befestigt.
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In 14 ist
ein zweites Substrat 1 auf und gegenüber dem ursprünglichen
Substrat 1 angeordnet. Dadurch ergibt sich ein "Doppelsubstrat". Die beiden Substrate 1 können identisch
sein, sie können sich
aber auch voneinander unterscheiden. Im letzteren Fall kann jedes
Substrat 1 einen einzelnen Schalter aufweisen, und das "Doppelsubstrat" kann dabei eine
Halbbrücke
bilden. Eine solche Konstruktion würde z. B. das "Doppelsubstrat" (oder das sich ergebende
Substratteil 19) sehr geeignet als Baustein machen, z.
B. zum Erzeugen eines Dreiphasen-Invertermoduls. In 15 ist
das "Doppelsubstrat" mit einer Kapselung 20 versehen
worden, wobei es ein Substratteil bildet, das zur Verbindung mit
einem Durchflussverteilungsmodul bereit ist.
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16 zeigt
einen Stapel von Durchflussverteilungsmodulen 5 nach einer
Ausführung
der vorliegenden Erfindung. Der Stapel umfasst zwei Durchflussverteilungsmodule 5/Gehäuse 6,
die über
ein Substratteil 19 verbunden sind, wobei das Substratteil 19 zwischen
den Gehäusen 6 angeordnet
ist. Das Substratteil 19 kann von der in 15 gezeigten
Art sein. Es kann aber auch nur ein Substrat aufweisen, oder es
kann drei oder mehrere Substrate aufweisen, die verbunden worden
sind, z. B. in einer Art und Weise, wie in Verbindung mit den 12–15 beschrieben.
In dem Fall, wo das Substratteil 19 von der in 15 gezeigten
Art ist, wird jedes der Gehäuse 6 Kühlung für eines
der Substrate 1 des Substratteils 19 liefern.
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Jedes
der Gehäuse 6 ist
mit einer Einlassöffnung 10 zur
Lieferung eines Kühlfluids
ins Innere des Gehäuses 6 und
einer Auslassöffnung 11 zur
Entfernung des Fluids aus dem Gehäuse 6 versehen.
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17 zeigt
einen Stapel von Durchflussverteilungsmodulen 5 nach einer
Ausführung
der vorliegenden Erfindung. Der Stapel umfasst drei Gehäuse 6,
die wie oben beschrieben über
Substratteile 19 verbunden sind. Alle oben angeführte Einzelheiten gelten
auch hier.
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18 zeigt
einen Stapel von Durchflussverteilungsmodulen 5 mit zwei
Gehäusen 6,
die über drei
nebeneinander angeordnete Substratteile 19 verbunden sind.
Die Substratteile 19 können
von der in 15 gezeigten Art sein. Die Ausführung nach 18 ist
sehr geeignet für
Anwendungen, in denen mehrere Oberflächen gekühlt werden sollen und ein verhältnismäßig flacher
Stapel gewünscht
ist. Der Stapel ist im Verhältnis
zu Kühlgeräten nach
dem Stand der Technik immer noch kompakt, weil einige der Substrate
gestapelt sind. Da die Gehäuse 6 mit allen
Substratteilen 19 in Verbindung sind, wird Kühlung für alle Substrate
durch Versorgung der beiden Gehäuse
mit Fluid bereitgestellt.
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19 zeigt
ein Durchflussverteilungsmodul 5 nach einer zweiten Ausführung der
Erfindung. Das Durchflussverteilungsmodul umfasst ein Gehäuse 6, in
dem eine Einlassöffnung 10,
eine Auslassöffnung 11,
ein Einlassverteiler 12, ein Auslassverteiler 13 und
sechs Durchflusszellen 14 ausgebildet sind. Jede der Durchfluss zellen 14 bildet,
wie oben beschrieben, eine Flüssigkeitsverbindung
zwischen den Verteilern 12, 13.
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20 zeigt
das Durchflussverteilungsmodul 5 nach 19 mit
einem Substratteil 19, das so am Durchflussverteilungsmodul 5 montiert
ist, dass es ein integriertes Teil des Gehäuses 6 bildet. Drei Netzklemmen 3 und
sechs Steuerklemmen 4 stehen vom Substratteil 19 hervor.
Wenn ein anderes identisches Durchflussverteilungsmodul 5 oben
am in 20 gezeigten Durchflussverteilungsmodul 5 angeordnet
wird, werden die Durchflusszellen 14 einen Durchfluss von
Flüssigkeit über den
Substratteil 19 des oberen Durchflussverteilungsmoduls 5 fließen lassen,
wobei dieses Substratteil 19 mit Kühlung versorgt wird.
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21 ist
eine Explosionsansicht eines Stapels von Durchflussverteilungsmodulen 5 nach 20.
Der Stapel umfasst vier Durchflussverteilungsmodule 5.
Auf drei dieser Durchflussverteilungsmodule sind Substratteile 19 als
integrierte Teile der Gehäuse 6 montiert.
Der Stapel wird von einem Deckel 15 abgeschlossen. Es geht
klar aus der Figur hervor, dass die Substratteile 19 von
den Durchflusszellen (nach oben gerichtet und deshalb nicht sichtbar
in der Figur) des Durchflussverteilungsmoduls 5 gekühlt werden,
das gleich neben dem betreffenden Substratteil angeordnet ist, wenn
der Stapel montiert wird.
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22 ist
eine Explosionsansicht eines Durchflussverteilungsmoduls 5 nach
einer dritten Ausführung
der Erfindung mit einem Substratteil 19, das so montiert
ist, dass es ein integriertes Teil eines Gehäuses 6 bildet. Drei
Netzklemmen 3 und sechs Steuerklemmen 4 stehen
vom Substratteil 19 hervor. Das Durchflussverteilungsmodul 5 umfasst
ein Gehäuse 6 mit
einer darin ausgebildeten Einlassöffnung 10, einer Auslassöffnung 11 und
einem Hohlraum 21. Der Hohlraum 21 ist zur Aufnahme
einer separaten Ablenkplatte 22 mit vier darin ausgebildeten
Durchflusszellen 14 vorgesehen. An der in der Figur nach unten
gerichteten Seite der Ablenkplatte 22 sind ein Einlassverteiler
und ein Auslassverteiler ausgebildet. Jede der Durchflusszellen 14 ist
in Fluidverbindung mit dem Einlassverteiler über einen Zelleneinlass 23 und
in Fluidverbindung mit dem Auslassverteiler über einen Zellenauslass 24,
und jede Durchflusszelle 14 bildet dadurch eine Fluidverbindung
zwischen dem Einlassverteiler und dem Auslassverteiler.
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23 ist
eine Explosionsansicht eines Stapels von Durchflussverteilungsmodulen 5 nach 22.
Der Stapel umfasst vier Durchflussverteilungsmodule 5.
Drei davon sind mit einem Substratteil 19 versehen und
bilden ein integriertes Teil des Gehäuses 6. Der Stapel
wird von einem Deckel 15 abgeschlossen. Bei drei der Durchflussverteilungsmodule 5 ist
die Ablenkplatte 22 in den Hohlraum eingesetzt, und es
ist klar, dass ein Fluid, das durch die Durchflusszellen 14 der
Ablenkplatten 22 läuft,
Kühlung
an das Substratteil 19 liefern wird, das unmittelbar über der
betreffenden Ablenkplatte 22 angebracht ist.
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24 zeigt
den Stapel von Durchflussverteilungsmodulen 5 nach 23.
In 24 ist es klar, dass die Substratteile 19 unmittelbar
neben den Durchflusszellen angebracht sind.
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25 ist
eine Explosionsansicht eines Durchflussverteilungsmoduls 5 nach
einer vierten Ausführung
der Erfindung. Das Durchflussverteilungsmodul 5 umfasst
ein erstes Teil 25 mit einer darin ausgebildeten Einlassöffnung 10,
einer Auslassöffnung 11,
einem Einlassverteiler 12, einem Auslassverteiler 13 und
einer Anzahl von Durchflusszellen 14. Das Durchflussverteilungsmodul 5 umfasst außerdem ein
zweites Teil 26 mit einer darin ausgebildeten Öffnung 27.
Das zweite Teil 26 ist außerdem mit zwei Verbindungsteilen 28 versehen,
die zum Verbinden des Durchflussverteilungsmoduls 5 mit
einem anderen, identischen (oder im Wesentlichen identischen) Durchflussverteilungsmodul 5 angewandt
werden.
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26 zeigt
das Durchflussverteilungsmodul 5 der 25.
Das erste 25 und das zweite 26 Teil sind verbunden
worden, und die Öffnung 27 ist
in Übereinstimmung
mit den Durchflusszellen 14 angeordnet. Dadurch können die
Durchflusszellen 14 einen Durchfluss von Fluid über eine
Oberfläche
verteilen, die in diesem Bereich angebracht sein kann.
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27 ist
eine Explosionsansicht des Durchflussverteilungsmoduls 5 nach 25 und 26 und
eines Standard-Halbleitermoduls 29. Das Standard-Halbleitermodul 29 ist
vorzugsweise ein handelsübliches
Modul, das nicht unter Rücksichtnahme
auf die Lieferung von Kühlung
an das Modul 29 ausgebildet ist. Das Durchflussverteilungsmodul 5 nach
dieser Ausführung
ist imstande, ein solches Standard-Halbleitermodul 29 mit
Kühlung
zu versorgen, und zwar durch Anordnen des Durchflussverteilungsmoduls 5 neben
dem Standard-Halbleitermodul 29 in einer solchen Weise,
dass eine Oberfläche
des Standard-Halbleitermoduls 29 die Öffnung 27 des zweiten
Teils 26 des Durchflussverteilungsmoduls abdeckt.
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28 zeigt
das Durchflussverteilungsmodul 5 nach 27 mit
dem Standard-Halbleitermodul 29 angeordnet wie oben beschrieben.
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29 ist
eine Explosionsansicht eines Stapels von Durchflussverteilungsmodulen 5 der
in 28 gezeigten Art. Der Stapel wird von einem Deckel 15 abgeschlossen.
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30 zeigt
den Stapel von Durchflussverteilungsmodulen 5 nach 29.
Der sich ergebende Stapel ist eine abwechselnde Struktur von Durchflussverteilungsmodulen 5 und
Standard-Halbleitermodulen 29. Es geht aus der Figur hervor,
dass die Verbindungsteile 28 so abgemessen und gebildet sind,
dass das Standard-Halbleitermodul 29 genau zwischen zwei
Durchflussverteilungsmodulen 5 passt, wobei ein kompakter
Stapel gebildet werden kann. Nach dieser Ausführung der Erfindung ist es also
möglich,
das Durchflussverteilungsmodul 5 so zu konstruieren, dass
es imstande ist, ein gegebenes Standard-Halbleitermodul 29 zu
kühlen,
einfach durch eine passende Abmessung und Formgebung der Öffnung 27 und
der Verbindungsteile 28. Dies ist sehr vorteilhaft, weil
der Herstellungsprozess und die Werkzeuge zur Herstellung des Standard-Halbleitermoduls 29 in
den meisten Fällen
sehr viel teurer sind als der Herstellungs prozess und die Werkzeuge
zur Herstellung des Durchflussverteilungsmoduls 5. Es ist
deshalb wünschenswert,
Kühlung
für ein
Halbleitermodul 29 liefern zu können, ohne dass das Halbleitermodul 29 an
das Durchflussverteilungsmodul 5 angepasst werden muss.