AT511887B1 - Wiederaufladbare batterie - Google Patents

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AT511887B1 ATA1308/2011A AT13082011A AT511887B1 AT 511887 B1 AT511887 B1 AT 511887B1 AT 13082011 A AT13082011 A AT 13082011A AT 511887 B1 AT511887 B1 AT 511887B1
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Mauro Aiolfi
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Abstract

Die Erfindung betrifft eine wiederaufladbare Batterie mit zumindest einem Batteriemodul (1) mit zumindest einem Stapel (1a) von vorzugsweise nebeneinander angeordneten Batteriezellen (2), mit einem zumindest einen Kühlkanal (5) aufweisenden Flüssigkeitskühlsystem, welcher mit zumindest einer Batteriezelle (2) in thermischem Kontakt steht, wobei zumindest zwischen zwei benachbarten Batteriezellen (2) ein Kühlkanalträger (4) mit zumindest einem Kühlkanal (5) angeordnet ist und jeder Kühlkanalträger (4) aus zumindest zwei miteinander fest verbundenen Teilen (4a, 4b) besteht, und wobei ein erster Teil (4a) des Kühlkanalträgers (4) durch einen Formteil gebildet ist, in welchen der Kühlkanal (5) eingeformt ist. Um auf eine möglichst einfach herzustellende Weise eine zuverlässige Kühlung des Batteriemoduls zu ermöglichen, ist vorgesehen, dass zumindest ein Teil (4a) des Kühlkanalträgers (4) aus Kunststoff, vorzugsweise aus Kunststoff-Spritzguss, besteht und dass ein zweiter Teil (4b) des Kühlkanalträgers (4) durch eine, vorzugsweise elektrisch isolierende, Folie (9) gebildet ist.

Description

Beschreibung [0001] Die Erfindung betrifft eine wiederaufladbare Batterie mit zumindest einem Batteriemodulmit zumindest einem Stapel von vorzugsweise nebeneinander angeordneten Batteriezellen, miteinem zumindest einen Kühlkanal aufweisenden Flüssigkeitskühlsystem, welcher mit zumindesteiner Batteriezelle in thermischem Kontakt steht, wobei zumindest zwischen zwei benachbartenBatteriezellen ein Kühlkanalträger mit zumindest einem Kühlkanal angeordnet ist und jederKühlkanalträger aus zumindest zwei miteinander fest verbundenen Teilen besteht, und wobeiein erster Teil des Kühlkanalträgers durch einen Formteil gebildet ist, in welchen der Kühlkanaleingeformt ist.
[0002] Die DE 10 2008 061 755 A1 beschreibt eine Halte- und Kühlungsvorrichtung für zumin¬dest eine Energiespeichereinheit, wobei die Halte- und Kühlungsvorrichtung eine Mehrzahl vondaran stoffschlüssig befestigten Kühlblechen aufweist. Die stoffschlüssige Verbindung ist dabeidurch Verlöten oder Verschweißen der Kühlungsgrundplatte mit den Kühlblechen hergestellt, sodass eine metallische Verbindung zwischen der Kühlungsgrundplatte und den Kühlblechenausgebildet ist. Zur Kühlung der Kühlungsgrundplatte sind angelötete oder innenliegende Kühl¬rohre vorgesehen. Problematisch ist dabei die zuverlässige thermische Anbindung der Wärme-ableitbleche an die Kühlplatte.
[0003] Die EP 1 271 085 A1 beschreibt eine Vorrichtung zum Kühlen einer Batterie, wobeizumindest ein mit Kühlmittel durchströmbares Kühlelement zwischen den Batteriezellen ange¬ordnet ist. Das Kühlelement enthält einen mäanderartig angeordneten Kühlkanal und ist auszwei Metallteilen durch Tiefziehen gefertigt, die beispielsweise durch Löten verbunden werden.Die Kühlmittelein- und auslässe benachbarter Kühlelemente können über Anschlussrohre ver¬bunden werden.
[0004] Aus der US 2009/325 059 A1 ist ein Batteriemodul mit mehreren zwischen den einzel¬nen Batteriezellen angeformten plattenförmigen Wärmetauschern bekannt, die von einemKühlmittel in mäanderartig angeordneten Kühlmittelkanälen durchströmt werden, wobei dieKühlmittelein- und auslässe benachbarter Kühlelemente über Sammelkanäle verbunden sind.Die plattenförmigen Wärmetauscher sind aus zwei Teilen gefertigt.
[0005] Weiters ist aus der US 6,296,968 B1 eine in einem Kunststoffbehälter angeordneteBatterie bekannt, wobei der Behälter aus mehreren Kammern aufgebaut ist und jeweils mehrereElektroden in einer Kammer angeordnet sind. An den Außenseiten der Kammern sind durchflanschartige Kühlkanäle gebildete Kühlelemente angebracht, die beim Zusammenbau derKammern abgedichtet und verschweißt werden. Die Kühlelemente werden von einem Kühlmitteldurchströmt, wobei das Kühlmittel über Sammelkanäle zu- und abgeführt wird.
[0006] Aufgabe der Erfindung ist es, diese Nachteile zu vermeiden und eine bestmöglichethermische Konditionierung der Batteriezellen zu ermöglichen.
[0007] Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, dass zumindest ein Teil des Kühlkanalträ¬gers aus Kunststoff, vorzugsweise aus Kunststoff-Spritzguss, besteht und dass ein zweiter Teildes Kühlkanalträgers durch eine, vorzugsweise elektrisch isolierende, Folie gebildet ist, wobeivorzugsweise der Kühlkanal mäanderartig in den Kühlkanalträger zwischen einem Eintritt undeinem Austritt eingeformt ist.
[0008] Der Einlass und Auslass jedes Kühlkanalträgers ist mit einem Eintrittssammelkanal bzw.einem Auslasssammelkanal strömungsverbunden, welcher sich quer zur Ebene des Kühlkanal¬trägers über die gesamte Länge des Batteriemoduls erstreckt. Die Kühlkanäle von zumindestzwei Kühlkanalträgern sind durch den Eintrittssammelkanal und den Auslasssammelkanalmiteinander strömungsverbunden.
[0009] Eine besonders effektive Kühlung wird erreicht, wenn der Kühlkanal zumindest einesKühlkanalträgers mehrere im Wesentlichen parallel zueinander angeordnete Züge aufweist,wobei der Abstand zumindest zweier benachbarter Züge im Bereich einer oberen Hälfte desKühlkanalträgers geringer ist als im Bereich einer unteren Hälfte des Kühlkanalträgers.
[0010] Eine dünne, elektrisch isolierende Folie kann zum Beispiel durch Laserschweißen aufdie Zellträger aufgetragen sein, welche das Kühlmedium vom Zellgehäuse trennt. Dadurchkönnen weitere Abdichteinrichtungen, wie zum Beispiel Dichtlippen, entfallen.
[0011] Die beiden Teile des Kühlkanalträgers können durch Kleben oder Schweißen, vorzugs¬weise Laserschweißen, dicht verbunden sein.
[0012] In weiterer Ausführung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der Einlasssammel¬kanal und/oder der Auslasssammelkanal durch jeweils zumindest zwei ineinander steckbareRohrteile gebildet ist, wobei vorzugsweise jeder Rohrteil mit einem Kühlkanalträger vorzugswei¬se fest verbunden ist.
[0013] Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Batteriezellen und die Kühlkanalträger in einZellträgergehäuse eingesetzt sind, wobei vorzugsweise das Zellträgergehäuse aus einem Ober¬teil und einem Unterteil besteht.
[0014] Ein rascher und effektiver Zusammenbau lässt sich erreichen, wenn das obere und dasuntere Zellträgergehäuse und die Kühlkanalträger formschlüssig und kraftschlüssig miteinanderverbunden sind, wobei zwischen zwei Kühlkanalträgern jeweils zumindest eine, vorzugsweisezwei Batteriezellen angeordnet sind.
[0015] Der Zellträger, welcher als Strukturelement für das Batteriemodul dient, beinhaltet somitauch Teile des Kühlsystems. Die Kühlkanäle sind durch Vertiefungen im Kühlkanalträger gebil¬det und sind direkt an den Seitenwänden der Batteriezellen angeordnet.
[0016] Eine besonders gute Konditionierung der Batteriezellen ergibt sich, wenn der Kühlkanal¬träger beidseits einer Hauptebene des Kühlkanalträgers Kühlkanäle aufweist, wobei vorzugs¬weise in der Trägerwand zumindest eine Verbindungsöffnung zur Strömungsverbindung derbeiden Kühlkanäle angeordnet ist.
[0017] Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Fig. näher erläutert.
[0018] Es zeigen [0019] Fig. 1 ein erfindungsgemäßes Batteriemodul in einer ersten Ausführungsvariante in einer Schrägansicht, [0020] Fig. 2 das Batteriemodul in einem Schnitt gemäß der Linie ll-ll in Fig. 1, [0021] Fig. 3 einen Kühlkanalträger dieses Batteriemoduls in einer Schrägansicht, [0022] Fig. 4 den Kühlkanalträger in einerweiteren Schrägansicht, [0023] Fig. 5 den Kühlkanalträgerin einer Vorderansicht, [0024] Fig. 6 den Kühlkanalträger in einem Schnitt gemäß der Linie VI - VI in Fig. 5, [0025] Fig. 7 einen nicht erfindungsgemäßen Batteriemodul in einer zweiten Ausführungs¬ variante in einer Schrägansicht, [0026] Fig. 8 diesen Batteriemodul in einem Schnitt gemäß der Linie Vlll-Vlll in Fig. 7, [0027] Fig. 9 einen Kühlkanalträger dieses Batteriemoduls in einer Schrägansicht, [0028] Fig. 10 den Batteriemodul in einem Schnitt gemäß der Linie X-X in Fig. 8, [0029] Fig. 11 den Batteriemodul in einem Schnitt analog zu Fig. 8 mit entferntem Kühlkanal¬ träger, [0030] Fig. 12 eine Befestigungseinrichtung für zwei benachbarte Batteriemodule in einem
Schnitt in der Batteriezellenebene und [0031] Fig. 13 diese Befestigungseinrichtung in einer Schrägansicht.
[0032] Die Fig. 1 bis 6 zeigen einen Batteriemodul 1 einer wiederaufladbaren Batterie für einelektrisch betriebenes Fahrzeug, wobei das Batteriemodul 1 einen Stapel 1a von nebeneinan¬ der angeordneten Batteriezellen 2 aufweist, welche in einem Gehäuse 3 angeordnet sind. Zwi¬schen zwei benachbarten Batteriezellen 2 ist jeweils ein Kühlkanalträger 4 mit eingeformtenKühlkanälen 5 angeordnet, wobei sich jeder Kühlkanal 5 zwischen einem Eintritt 6 und einemAustritt 7 im Kühlkanalträger 4 mäanderartig erstreckt und mehrere Züge 5a, aufweist. DerAbstand der Züge 5a ist in einem unteren Bereich 4' des Kühlkanalträgers 4 größer als in einemoberen Bereich 4". Das Batteriemodul 1 kann gegebenenfalls auch mehrere nebeneinanderangeordneten Stapel 1a von Batteriezellen 2 aufweisen. Die Batteriezellen 2 sind in einemrahmenförmigen Zellträger 8 zur Aufnahme von einer oder zwei Batteriezellen 2 angeordnet,wobei der aus Kunststoff bestehende, beispielsweise als Kunststoffspritzgussteil ausgeführteZellträger 8 in diesem Beispiel auch den Kühlkanalträger 4 ausbildet. Der Kühlkanalträger 4besteht dabei aus einem ersten Teil 4a mit eingeformten Kühlkanälen 5 beidseits einer in einerHauptebene ε angeordneten Trägerwand 16, und einem zweiten Teil 4b, welcher durch eineFolie 9 gebildet ist. Die offen in den ersten Teil 4a eingeformten Kühlkanäle 5 werden durch dieelektrisch isolierende Folie 9 abgedeckt, wobei die Folie 9 zum Beispiel durch Laserschweißenmit dem ersten Teil 4a des Kühlkanalträger 4 fest und dichtend verbunden ist. Die Folie 9 trenntdas Kühlmedium von den Batteriezellen 2. Dadurch kann auf weitere Abdichtungsmittel verzich¬tet werden. Die Schweißbereiche sind mit Bezugszeichen 10 bezeichnet. Im Kühlkanalträger 4sind auf jeder Seite Verbindungsöffnungen 11 vorgesehen, um einen Kühlmittelübertritt zuermöglichen. Die Kühlkanäle 5 sind an beiden Seiten des Kühlkanalträgers 4 eingeformt und anbeiden Seiten durch jeweils eine Folie 9 abgedeckt.
[0033] Der Stapel 1a an Zellträgern 8 mit Batteriezellen 2 wird durch ein Spannband 15 zu¬sammengehalten.
[0034] Der Eintritt 6 jedes Kühlkanals 5 steht mit einem Einlasssammelkanal 12, der Austritt 7mit einem Austrittssammelkanal 13 in Verbindung. Eintritts- und Austrittssammelkanäle 12, 13sind in die Zellträger 8 quer zur Hauptebene ε des Kühlkanalträgers 4 eingeformt. Bei mehrerennebeneinander angeordneten Stapeln 1a können die Eintritts- und Austrittssammelkanäle 12,13 im Bereich einer Mittelebene zwischen den beiden Stapeln 1a des Batteriemoduls 1 ange¬ordnet sein und die Kühlkanäle 5 aller Kühlkanalträger 4 miteinander verbinden.
[0035] Die dünne Folie 9 hat den Vorteil, dass praktisch kein zusätzlicher Bauraumbedarf erfor¬derlich ist und dass trotzdem das Batteriezellgehäuse 3 vom Kühlmittel (vor allem elektrisch)getrennt ist. Mit der beschriebenen Anordnung kann mit einer minimalen Anzahl an Komponen¬ten das Auslangen gefunden werden. Die Anzahl an Batteriezellen 2 innerhalb eines Batte¬riemoduls 1 kann in einfacherWeise an die jeweiligen Anforderungen angepasst werden.
[0036] Da das Zellgehäuse 3 nicht elektrisch spannungsfrei sein muss, kann aufgrund derelektrischen Trennung ein Standard-Fahrzeugkühlmittel (zum Beispiel Glykol/Wasser) verwen¬det werden. Die lasergeschweißten Blockaden 10a, 10b, 10c der Schweißbereiche 10 verhin¬dern Bypass-Strömungen des Kühlmittels innerhalb des Strömungsvolumens eines Kühlkanal¬trägers 4.
[0037] Die Folie 9 kann aus einem thermisch leitendem, aber elektrisch isolierendem Kunststoffbestehen. Alternativ zum Laserschweißen kann die Folie 9 auch mittels Heizelementschwei¬ßens oder Strahlungsschweißens aufgebracht werden.
[0038] Die Verschweißung hat weiters den Vorteil, dass die Toleranzen der Zellseitenwändeungenauer sein können, ohne Kühlmittelleckagen zu verursachen.
[0039] Eine zusätzliche Sicherheit gegenüber Leckagen kann erreicht werden, wenn die äu¬ßerste Schweißnaht doppelt gelegt wird.
[0040] Die Zellträger 8 können als Gleichteile ausgeführt sein, wodurch die Zellanzahl innerhalbeines Batteriemoduls 1 leicht skaliert werden kann.
[0041] Durch die Verbindungsöffnung 11 zwischen an verschiedenen Seiten des Kühlkanalträ¬gers 4 angeordneten Kühlkanälen 5 kann die Wandstärke reduziert werden.
[0042] Die Außenseiten der Rahmen 8a der Zellträger 8 bilden die thermisch isolierende Au¬ßenwand des Batteriemoduls 1.
[0043] Die Fig. 7 bis 13 zeigen eine zweite Ausführungsform eines nicht erfindungsgemäßgestalteten Batteriemoduls 101 mit einem Gehäuse 103, in welchem zumindest ein Stapel 101avon Batteriezellen 102 angeordnet sind. Die Batteriezellen 102 sind in ein Zellträgergehäuse 108 eingesetzt, welches Zellträgergehäuse 108 einen unteren Gehäuseteil 103a aufweist. DerStapel 101a wird nach oben durch einen oberen Gehäuseteil 103b, sowie einen Gehäusedeckel116 abgeschlossen. Die Batteriezellen 102 können jeweils paarweise im Stapel 101a angeord¬net sein. Zwischen zwei Batteriezellen 102 bzw. zwischen benachbarten Paaren von Batterie¬zellen 102 ist jeweils ein Kühlkanalträger 104 angeordnet, welcher Kühlkanalträger 104 imvorliegenden Ausführungsbeispiel durch eine Kühlplatte 109 gebildet ist. Die Kühlplatte 109 istzweiteilig ausgebildet und weist einen ersten Teil 104a und einen zweiten Teil 104b auf, wobeidie beiden Teile 104a, 104b aus Metall, insbesondere aus Aluminiumblech bestehen, in wel¬ches Kühlkanäle 105 eingeformt sind. Die Kühlkanäle 105 weisen eine mäanderartige Form auf,wobei die Züge 105a im unteren Bereich 104' der Kühlplatte 109 voneinander weiter beab-standet sind, als im oberen Bereich 104" der Kühlplatte 109. Die Kühlkanäle 105 erstreckensich innerhalb der Kühlplatte 109 zwischen einem Eintritt 106 und einem Austritt 107. Die Kühl¬kanäle 105 können durch Stanzen, Gießen, Tiefziehen oder dergleichen in zumindest einen derbeiden Teile 104a, 104b der Kühlplatte 109 eingeformt und günstig hergestellt werden. Diebeiden Teile 104a, 104b können geschweißt, verklebt oder miteinander verlötet sein.
[0044] Quer zu den Kühlplatten 109 erstrecken sich im Bereich der Mittelebene ß Eintritts- undAustrittssammelkanäle 112, 113, welche mit den Eintritten 106 bzw. den Austritten 107 derKühlkanäle 105 strömungsverbunden sind. Die Eintritts- und Austrittssammelkanäle 112, 113werden jeweils durch ineinander steckbare Rohrsegmente 112a, 113a beidseits der Hauptebe¬ne ε gebildet, welche quer zur Kühlplatte 109 angeordnet und fest mit dieser verbunden sind.Durch Zusammenstecken der Rohrsegmente 112a, 113a aller Kühlplatten 109 entstehen somitdas Batteriemodul 101 querdurchsetzende Eintritts- und Austrittssammelkanäle 112, 113.
[0045] Weiters sind Kühlplatten 109 jeweils zwischen den äußeren Batteriezellen 102 und denseitlichen Druckplatten 117 angeordnet. In zumindest einer äußeren Druckplatte 117 sind durchendseitige Rohrsegmente 112a, 113a gebildete Eintrittsstutzen 112b und Austrittsstutzen 113bangeordnet.
[0046] Zwischen zwei zusammengesteckten Rohrteilen 112a, 113a kann jeweils ein Dichtele¬ment 121 angeordnet sein.
[0047] Das Kühlmittel strömt vom Eintrittsstutzen 112b kommend durch den Eintrittssammelka¬nal 112 und gelangt über Eintritte 106 der Kühlplatten 109 in die Kühlkanäle 105. Nach Durch¬strömen der Kühlkanäle 105 zwischen den Batteriezellen 102 tritt das Kühlmittel durch Austritte107 aus den Kühlkanälen 105 aus und wird über Austrittssammelkanäle 113 dem Kühlkreislaufrückgeführt.
[0048] Der untere Gehäuseteil 103a und der obere Gehäuseteil 103b, sowie die Kühlplatten 109 werden durch Spannschrauben 118 gehalten und durch die seitlichen Spanndeckel 117zusammengepresst. Der untere Gehäuseteil 103a und der obere Gehäuseteil sind dabei form¬schlüssig mit den Kühlplatten 109 über die Spannschrauben 118 verbunden. Zusätzlich kanngegebenenfalls zumindest ein Spannband analog zu Fig. 1 eingesetzt werden.
[0049] Unterer und oberer Gehäuseteil 103a, 103b, sowie die äußeren Ränder 109a der Kühl¬platten 109 bilden dabei die seitliche Außenfläche des Batteriemoduls 101. Wie in den Fig. 12und 13 gezeigt ist, können zwei Batteriemodule 101 über Befestigungsschrauben 119 undNiederhalter 120 gemeinsam an einem Untergrund befestigt werden.
[0050] Das Kühlmittel kann sowohl zum Kühlen, als auch zum Aufheizen des Batteriemoduls 1,101 verwendet werden.

Claims (8)

  1. Patentansprüche 1. Wiederaufladbare Batterie mit zumindest einem Batteriemodul (1) mit zumindest einemStapel (1a) von vorzugsweise nebeneinander angeordneten Batteriezellen (2), mit einemzumindest einen Kühlkanal (5) aufweisenden Flüssigkeitskühlsystem, welcher mit zumin¬dest einer Batteriezelle (2) in thermischem Kontakt steht, wobei zumindest zwischen zweibenachbarten Batteriezellen (2) ein Kühlkanalträger (4) mit zumindest einem Kühlkanal (5)angeordnet ist und jeder Kühlkanalträger (4) aus zumindest zwei miteinander fest verbun¬denen Teilen (4a, 4b) besteht, und wobei ein erster Teil (4a) des Kühlkanalträgers (4)durch einen Formteil gebildet ist, in welchen der Kühlkanal (5) eingeformt ist, dadurch ge¬kennzeichnet, dass zumindest ein Teil (4a) des Kühlkanalträgers (4) aus Kunststoff, vor¬zugsweise aus Kunststoff-Spritzguss, besteht und dass ein zweiter Teil (4b) des Kühlkanal¬trägers (4) durch eine, vorzugsweise elektrisch isolierende, Folie (9) gebildet ist.
  2. 2. Batterie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkanal (5) mäanderartigin den Kühlkanalträger (4) zwischen einem Eintritt (6) und einem Austritt (7) eingeformt ist.
  3. 3. Batterie nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Eintritt (6) mit einem querzum Kühlkanalträger (4) angeordneten Eintrittsammelkanal (12) und der Austritt (7) mit ei¬nem quer zum Kühlkanalträger (4) angeordneten Austrittssammelkanal (13) strömungsver¬bunden ist, wobei die Kühlkanäle (5) von zumindest zwei Kühlkanalträgern (4) durch denEinlasssammelkanal (12) und den Auslasssammelkanal (13) miteinander strömungsver¬bunden sind.
  4. 4. Batterie nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkanal (5) zumindest eines Kühlkanalträgers (4) mehrere im Wesentlichen parallel zueinander an¬geordnete Züge (5a) aufweist, wobei der Abstand zumindest zweier benachbarter Züge(5a) im Bereich (4") einer oberen Hälfte des Kühlkanalträgers (4) geringer ist als im Bereich(4') einer unteren Hälfte des Kühlkanalträgers (4).
  5. 5. Batterie nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einKühlkanalträger (4) durch einen zumindest eine Batteriezelle (2) aufnehmenden Zellträger(8) gebildet ist, wobei vorzugsweise der Zellträger (8) einen Rahmen (8a) zur Aufnahmeder Batteriezelle (2) aufweist.
  6. 6. Batterie nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die beidenTeile (4a, 4b) des Kühlkanalträgers (4) durch Kleben oder Schweißen, vorzugsweise La¬serschweißen, dicht verbunden sind.
  7. 7. Batterie nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Eintritts¬sammelkanal (12) und/oder der Austrittssammelkanal (13) durch jeweils mehrere ineinan¬der steckbare Rohrsegmente gebildet ist, wobei vorzugsweise zumindest ein Rohrsegmentmit einem Kühlkanalträger fest verbunden ist.
  8. 8. Batterie nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlka¬nalträger (4) beidseits einer Hauptebene (ε) des Kühlkanalträgers (4) Kühlkanäle (5) auf¬weist, wobei vorzugsweise in der Trägerwand (16) zumindest eine Verbindungsöffnung(11) zur Strömungsverbindung der beiden Kühlkanäle (5) angeordnet ist. Hierzu 4 Blatt Zeichnungen
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