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Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Kühlvorrichtung zur Kühlung von
Bauelementen einer Leistungselektronik, die mit den Bauelementen
der Leistungselektronik wärmeübertragend
koppelbar ist. Die Erfindung betrifft ferner ein Kühlsystem,
das eine solche Kühlvorrichtung
umfasst, sowie ein Verfahren zum Kühlen von Bauelementen einer
Leistungselektronik, bei dem eine derartige Kühlvorrichtung zum Einsatz kommt.
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Hintergrund der Erfindung
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Bauelemente
einer Leistungselektronik müssen
aufgrund der im Lastbetrieb entstehenden Wärmeentwicklung gekühlt werden.
Die Kühlung
der Bauelemente stellt ein Sicherheitsmerkmal dar, das die ordnungsgemäße Funktionsweise
der Bauelemente sicherstellt.
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Da
eine Luftkühlung
in vielen Fällen
keine hinreichende Kühlung
der Bauelemente der Leistungselektronik gewährleistet, werden, wie in der 1 dargestellt,
Kühlplatten 20 verwendet,
die in thermischen Kontakt mit den zu kühlenden Bauelementen 10 gebracht
werden. Diese Kühlplatten 20 weisen
herkömmlich
einen Kühlkanal 22 auf,
der von einem Kühlfluid,
beispielsweise einer kalten Flüssigkeit,
durchströmt
wird. Der Einlass 22a und der Auslass 22b der
Kühlplatte 20 wird
mit einem Kühlfluidkreislauf
verbunden, der eine Kühlfluidquelle
aufweist.
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Ein
Nachteil der herkömmlichen
Kühlplatten besteht
darin, dass im Falle des Auftretens einer Leckage im Kühlfluidkreislauf
die Kühlplatte
nicht mehr hinreichend mit Kühlfluid
durchströmt
wird, und dadurch keine ausreichende Kühlung der Bauelemente der Leistungselektronik
sichergestellt ist. Die Folge wäre
eine Überhitzung
dieser Bauelemente.
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Insbesondere
bei der an Bord eines Flugzeuges installierten Leistungselektronik
muss sichergestellt sein, dass die Bauelemente ständig hinreichend gekühlt werden,
um einen möglicherweise
auftretenden Ausfall der Bauelemente wegen Überhitzung zu vermeiden. Eine Überhitzung
der Bauelemente von elektronischen Flugsicherheitssystemen hätte nachteilige
Auswirkungen auf die Flugsicherheit der Passagiere.
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Es
ist deshalb eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Kühlvorrichtung
zur Kühlung
von Bauelementen einer Leistungselektronik vorzusehen, die bei Auftreten
einer Leckage in einem die Kühlvorrichtung
aufweisenden Kühlfluidkreislauf
eine Überhitzung
der Bauelemente vermeidet und somit eine hohe Ausfallsicherheit
der Bauelemente gewährleistet.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Die
voranstehend erwähnte
Aufgabe wird gemäß einem
ersten Aspekt der Erfindung durch eine Kühlvorrichtung zur Kühlung von
Bauelementen einer Leistungselektronik gelöst, die mit den Bauelementen
der Leistungselektronik wärmeübertragend koppelbar
ist. Die erfindungsgemäße Kühlvorrichtung
ist durch mindestens zwei fluidmäßig voneinander
entkoppelte Wärmesenken
gekennzeichnet.
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Da
die Kühlvorrichtung
mindestens zwei fluidmäßig voneinander
entkoppelte Wärmesenken
aufweist, können
die beiden Wärmesenken
beispielsweise mit getrennt voneinander ausgebildeten Kühlfluidkreiskäufen verbunden
werden. Es kann aber auch nur eine Wärmesenke mit einem Kühlfluidkresilauf
verbunden sein, während
die andere Wärmesenke
lediglich mit einem Kühlfluid
in Wärmekontakt gebracht
wird. Somit kann bei Ausfall eines mit der ersten Wärmesenke
verbundenen Kühlfluidkreislaufes,
beispielsweise durch Auftreten einer Leckage, die zweite Wärmesenke
weiterhin eine hinreichende Kühlung
der Kühlvorrichtung
und somit der Bauelemente der Leistungselektronik sicherstellen.
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Eine
bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass mindestens
eine der mindestens zwei Wärmesenken
als redundante Wärmesenke
in der Kühlvorrichtung
ausgebildet ist. Diese redundante zweite Wärmesenke stellt eine hinreichende
Kühlung
der Bauelemente bei Ausfall eines mit der ersten Wärmesenke
verbundenen Kühlfluidkreislaufes
sicher. Die Redundanz erfordert, dass die Anordnung und die Kühlkapazität der mindestens
zwei Wärmesenken
in der Kühlvorrichtung
so gewählt
ist, dass lediglich eine Wärmesenke
(im Falle von insgesamt zwei in der Kühlvorrichtung vorhandenen Wärmesenken)
ausreicht, um eine hinreichende Kühlung der Bauelemente sicherzustellen.
In einem solchen Fall übernimmt
die zweite Wärmesenke
die gesamte Kühlung
der Kühlvorrichtung.
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Vorzugsweise
sind die Wärmesenken
der Kühlvorrichtung
als eine Vielzahl zueinander benachbarter Kühlkanäle ausgebildet. Bei einer Kühlvorrichtung,
die eine Vielzahl zueinander benachbarter Kühlkanäle aufweist, kann der Kühlwirkungsgrad
der Kühlvorrichtung
bei Ausfall eines Kühlfluidkreislaufes erhöht sein,
wenn jeweils benachbarte Kühlkanäle von unterschiedlichen
Kühlfluidkreisläufen versorgt werden.
Bei Ausfall eines Kühlfluidkreislaufes
werden weiterhin ungefähr
50% der in der Kühlvorrichtung
vorgesehenen Kühlkanäle von einem
Kühlfluid durchströmt, wodurch
eine Überhitzung
der Bauelemente der Leitungselektronik vermieden wird.
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Nach
einer bevorzugten Ausführungsform verlaufen
die Kühlkanäle in der
Kühlvorrichtung
zumindest abschnittsweise parallel zueinander. Durch den zumindest
abschnittsweise parallelen Verlauf der Kühlkanäle kann die Kühlvorrichtung
zumindest bereichsweise die auf der Kühlvorrichtung angeordneten,
zu kühlenden
Bauelemente auch bei Ausfall eines Kühlfluidkreislaufes gleichmäßig auf
eine Temperatur abkühlen,
die deren ordnungsgemäße Funktionsweise
sicherstellt.
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Vorzugsweise
verlaufen die Kühlkanäle geradlinig
oder mäanderförmig durch
die Kühlvorrichtung.
Durch den mäanderförmigen Verlauf
der Kühlkanäle wird
die Wegstrecke zwischen Kühlkanaleinlass
und Kühlkanalauslass
im Vergleich zu einem geradlinigen Verlauf verlängert, wodurch sich die Aufenthaltsdauer
des die Kühlvorrichtung
durchströmenden
Kühlfluids
in den Kühlkanälen erhöht und somit der
Wärmeübertrag
von den Bauelementen auf das Kühlfluid
maximiert wird.
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Nach
einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist jeder Kühlkanal
einen Kühlfluideinlass und
einen Kühlfluidauslass
auf, die jeweils getrennt voneinander ausgebildet sind. Dadurch,
dass jeder Kühlkanal
einen separaten Kühlfluideinlass
und einen Kühlfluidauslass
aufweist, kann jeder Kühlkanal auf
einfache Weise mit einem Kühlfluidkreislauf
verbunden und so mit Kühlfluid
versorgt werden. Ferner ergibt sich dadurch die Möglichkeit,
einen Teil der in der Kühlvorrichtung
vorhandenen Kühlkanäle als redundante
Kühlkanäle vorzusehen,
die die Ausfallssicherheit der Kühlvorrichtung
und somit der Bauelemente der Leistungselektronik erhöhen.
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Vorzugsweise
sind die Kühlfluideinlässe und die
Kühlfluidauslässe an gegenüberliegenden
Enden der Kühlvorrichtung
angeordnet, wodurch die Kühlvorrichtung
auf einfache Weise über
mehrere Kühlfluidkreisläufe mit
mehreren Kühlfluidquellen
verbunden werden kann. Weiterhin bevorzugt können die Kühlfluideinlässe und die Kühlfluidauslässe am gleichen
Ende der Kühlvorrichtung
angeordnet sein. Damit erleichtert sich bei bestimmten räumlichen
Gegebenheiten der Einbau der Kühlvorrichtung,
da die Kühlvorrichtung
lediglich von einer Seite für
die Verbindung der Kühlfluideinlässe und
der Kühlfluidauslässe mit
den Kühlfluidquellen
zugänglich
sein muss.
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Vorzugsweise
sind die Kühlkanäle vollständig im
Inneren der Kühlvorrichtung
enthalten. Dadurch ergibt sich ein zur Längsachse der Kühlvorrichtung
nahezu symmetrisches homogenes Temperaturprofil. Ferner können insbesondere
Flüssigkeiten zur
Kühlung
der Kühlvorrichtung
verwendet werden.
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Nach
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung weist die Kühlvorrichtung
an ihrer Außenseite
eine Vielzahl von Rippen auf, die zur Luftkühlung der Kühlvorrichtung vorgesehen sind.
Die in Form der Vielzahl von Rippen vorgesehene Wärmesenke
kann somit bei Ausfall der gesamten Fluidkühlung die Bauelemente der Leistungselektronik
mittels der Rippen luftkühlen,
was wiederum die Zuverlässigkeit
und Ausfallssicherheit der Kühlvorrichtung
erhöht.
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Vorzugsweise
ist die Kühlvorrichtung
als längliche
Kühlplatte
ausgebildet. Bauelemente einer Leistungselektronik können so
auf einfache Weise mit einer Fläche
der Kühlplatte
wärmeübertragend gekoppelt
werden.
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Nach
einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Kühlsystem
zur Kühlung
von Bauelementen einer Leistungselektronik vorgesehen, die eine
voranstehend beschriebene Kühlvorrichtung
und mindestens zwei Kühlfluidquellen
aufweist. Bei dem erfindungsgemäßen Kühlsystem
können
die Wärmesenken
der Kühlvorrichtung
getrennt voneinander von unterschiedlichen Kühlfluidquellen mit Kühlfluid
beaufschlagt werden.
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Das
erfindungsgemäße Kühlsystem
kann eine hinreichende Kühlung
der Bauelemente der Leistungselektronik selbst bei Ausfall einer
Wärmesenke
sicherstellen, da mindestens eine Wärmesenke als redundante Wärmesenke
ausgebildet ist. Im Falle der Kühlung
elektronischer Flugsicherheitssysteme wird dadurch eine erhöhte Ausfallsicherheit
erzielt.
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Vorzugsweise
sind die Wärmesenken
der Kühlvorrichtung
als benachbarte Kühlkanäle ausgebildet.
In diesem Fall umfasst das Kühlsystem
mindestens zwei Kühlfluidkreisläufe, die
jeweils eine Kühlfluidquelle
aufweisen, wobei die Kühlkanäle durch
die Kühlfluidkreisläufe mit
den Kühlfluidquellen fluidmäßig derart
verbunden sind, dass mindestens zwei Kühlkanäle getrennt voneinander von
unterschiedlichen Kühlfluidquellen
mit unter Druck stehendem Kühlfluid
beaufschlagt werden.
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Ein
weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Verfahren
zum Kühlen
von Bauelementen einer Leistungselektronik, bei dem eine mindestens
zwei fluidmäßig voneinander
entkoppelte Wärmesenken
aufweisende Kühlvorrichtung
mit den Bauelementen der Leistungselektronik wärmeübertragend gekoppelt wird,
und bei dem die Wärmesenken
jeweils mit einem Kühlfluid
von unterschiedlichen Kühlfluidquellen
beaufschlagt werden.
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Nach
einer bevorzugten Ausführungsform wird
bei dem erfindungsgemäßen Verfahren
eine Kühlvorrichtung
verwendet, die eine Vielzahl von fluidmäßig voneinander entkoppelte
Kühlkanäle aufweist,
wobei jeweils benachbarte Kühlkanäle der Kühlvorrichtung
von unterschiedlichen Kühlfluidquellen
mit unter Druck stehendem Kühlfuid
beaufschlagt werden.
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Durch
getrenntes Beaufschlagen benachbarter Kühlkanäle mit unter Druck stehendem
Kühlfluid
kann auch bei Ausfall eines Kühlfluidkreislaufes die
Kühlvorrichtung
eine ausreichende Kühlung
der Bauelemente der Leistungselektronik sicherstellen. Dadurch eignet
sich das erfindungsgemäße Verfahren
insbesondere zur Kühlung
der an Bord eines Verkehrsflugzeuges installierten Leistungselektronik,
da die Flugsicherheit auf diese Weise in erheblichem Maße verbessert
wird.
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Vorzugsweise
sind die Strömungsrichtungen des
Kühlfluids
in benachbarten Kühlkanälen der Kühlvorrichtung
zueinander entgegengesetzt.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Die
Erfindung wird beispielhaft anhand bevorzugter Ausführungsformen
der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.
Es stellen dar:
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1 eine
herkömmliche
Kühlvorrichtung zur
Kühlung
von Bauelementen einer Leistungselektronik;
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2 eine
Kühlvorrichtung
gemäß einer
ersten Ausführungsform
der Erfindung;
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3 eine
Kühlvorrichtung
gemäß einer zweiten
Ausführungsform
der Erfindung;
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4 eine
Variante der in 2 und 3 gezeigten
Ausführungsformen,
bei der zusätzlich eine
Luftkühlung
vorgesehen ist.
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Detaillierte Beschreibung
der bevorzugten Ausführungsformen
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In 2 ist
eine schematische perspektivische Ansicht einer Kühlvorrichtung 30 gemäß einer ersten
Ausführungsform
der Erfindung dargestellt.
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Die
Kühlvorrichtung 30 ist
als längliche
Kühlplatte
ausgebildet. Sie weist eine Vielzahl fluidmäßig voneinander entkoppelter
Kühlkanäle 32, 34, 36, 38, 39 auf,
die von einem oder mehreren Kühlfluiden durchströmbar sind.
Die Kühlkanäle 32, 34, 36, 38, 39 verlaufen
bei der in 2 dargestellten Ausführungsform
geradlinig durch die Kühlvorrichtung 30 und
sind benachbart zueinander angeordnet. Ferner entspricht die Summe
der Volumina der Kühlkanäle 32, 34, 36, 38, 39 nahezu
dem Volumen der Kühlvorrichtung 30.
Die Kühlkanäle 32, 34, 36, 38, 39 sind derart
voneinander entkoppelt, dass keine Vermischung des Kühlfluids
in einem Kühlkanal
mit dem Kühlfluid
in einem anderen Kühlkanal
stattfindet. Um dies zu erreichen, sind die Kühlkanäle durch Zwischenwände (nicht
gezeigt) voneinander getrennt. Es ist ebenso in Betracht gezogen
worden, dass zwischen den Kühlkanälen 32, 34, 36, 38, 39 impermeable
Membrane vorgesehen sind, durch die das Kühlfluid nicht hindurchtreten
kann.
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Jeder
Kühlkanal 32, 34, 36, 38, 39 weist
einen Kühlfluideinlass 32a, 34a, 36a, 38a, 39a und
einen am gegenüberliegenden
Ende der Kühlvorrichtung 30 angeordneten
und getrennt davon ausgebildeten Kühlfluidauslass 32b, 34b, 36b, 38b, 39b auf. Somit
kann jeder der in der Kühlvorrichtung 30 vorgesehenen
Kühlkanäle 32, 34, 36, 38, 39 über die
Kühlfluideinlässe 32a, 34a, 36a, 38a, 39a und
die Kühlfluidauslässe 32b, 34b, 36b, 38b, 39b getrennt
voneinander mit einem Kühlfuidkreislauf
verbunden werden, der jeweils eine nicht gezeigte Kühlfluidquelle umfasst.
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Bei
dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Kühlkanäle 32, 36, 39 Teil
eines Kühlfluidkreislaufes,
wie dies durch die Pfeile angedeutet ist, während die Kühlkanäle 34, 38 Teil
eines zweiten Kühlfluidkreislaufes
sind. Somit kann bei Ausfall eines Kühlfluidkreislaufes (beispielsweise desjenigen,
der die Kühlkanäle 34, 38 umfasst)
die Kühlvorrichtung 30 weiterhin
eine hinreichende Kühlung
der Bauelemente der Leistungselektronik bereitstellen.
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Die
Bauelemente der Leistungselektronik werden mit der Oberseite der
Kühlvorrichtung 30 wärmeübertragend
gekoppelt. Beispielsweise kann der Wärmeübertrag von den Bauelementen
auf die Kühlvorrichtung 30 mittels
einer Paste verbessert werden, in der Metallpartikel enthalten sind,
beispielsweise mittels einer Silberpaste.
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Die 3 stellt
eine Kühlvorrichtung 40 gemäß einer
zweiten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung dar. Die in 3 dargestellte
Kühlvorrichtung 40 ist
ebenso als längliche
Kühlplatte
ausgebildet, die im Inneren der Kühlvorrichtung 40 zwei Kühlkanäle 46, 48 umfasst.
Die Kühlkanäle 46, 48 durchlaufen
die Kühlvorrichtung 40 mäanderförmig, wobei
die Kühlkanäle 46, 48 zumindest
abschnittsweise parallel zueinander verlaufen.
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Die
Kühlkanäle 46, 48 weisen
Kühlfluideinlässe 46a, 48a sowie
Kühlfluidauslässe 46b, 48b auf. Auch
bei der in 3 dargestellten Ausführungsform kann
jeder Kühlkanal 46, 48 mittels
der Kühlfluideinlässe 46a, 48a und
der Kühlfluidauslässe 46b, 48b jeweils
mit einem separaten Kühlfluidkreislauf
verbunden werden. Somit ist immer einer der Kühlkanäle 46, 48 als
redundanter Kühlkanal
ausgebildet, sodass bei Ausfall eines Kühlfluikreislaufes der verbleibende
Kühlkreislauf
eine hinreichende Kühlung
der auf der Kühlvorrichtung 40 angebrachten
Bauelemente gewährleistet.
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Die 4 stellt
eine Variante zu den in 2 und 3 dargestellten
Ausführungsformen
der Erfindung dar, bei der zusätzlich
zur Fluidkühlung
an der Außenseite
der Kühlvorrichtung 30, 40 (an
der Seite gegenüberliegend
den Bauelementen der Leistungselektronik) eine Vielzahl Rippen 50 vorgesehen sind,
mittels derer die Kühlvorrichtung 30, 40 zusätzlich luftgekühlt werden
kann.
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Durch
diese zusätzlich
vorgesehene Luftkühlung
wird auch bei Ausfall der gesamten Fluidkühlung die Kühlvorrichtung 30, 40 und
somit die Bauelemente 10 der Leistungselektronik auf einer
Betriebstemperatur gehalten, bei der eine Überhitzung der Bauelemente
der Leistungselektronik vermieden wird. Dadurch wird die Ausfallssicherheit
der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung
zusätzlich
erhöht.
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Bei
sämtlichen
der in der 2 bis 4 dargestellten
Ausführungsformen
sind die Abmessungen der Kühlkanäle derart
gewählt,
dass bei Auftreten einer Leckage in einem Kühlfluidkreislauf die übrigen Kühlkanäle der Kühlvorrichtung
eine hinreichende Kühlung
der Bauelemente der Leistungselektronik gewährleisten können.
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Sämtliche
Kühlvorrichtungen
sind vorzugsweise aus einem Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit hergestellt, beispielsweise
Kupfer, Messing, Aluminium.
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Die
zur Kühlung
der Kühlvorrichtungen
und somit zur Kühlung
der Bauelemente der Leistungselektronik verwendeten Kühlfluide
umfassen Flüssigkeiten
und Gase sowie zweiphasige Kühlfluide.
So kann beispielsweise als Kühlflüssigkeit
niedrig temperiertes Wasser oder flüssiger Stickstoff verwendet werden.
Möglich
ist aber auch der Einsatz von Gasen, beispielsweise aus der Flüssigphase
verdampftes Kältemittel
(z.B. R134a). Werden derartige Gase durch die Kühlkanäle der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung
geleitet, müssen
die Verbindungsstellen an den Einlässen und Auslässen der
Kühlvorrichtung entsprechend
abgedichtet sein, um ein Austreten der Gase zu vermeiden.