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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Kühlen eines Energiespeichermoduls eines Fahrzeugs gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und ein Energiespeichermodul eines Fahrzeugs gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 9.
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In der
DE 10 2009 016 573 A1 wird eine Vorrichtung zum Kühlen eines Energiespeichermoduls mit Energiespeicherzellen beschrieben. Die Vorrichtung umfasst mehrere Kühlplatten die mehrere Kühlkanäle zur Leitung eines Kühlmittels aufweisen, wobei diese Einlässe und Auslässe umfassen. Die Kühlplatten der Vorrichtung sind zur Aufnahme der Energiespeicherzellen mit Abstand aneinandergesteckt. Zur Leitung des Kühlmittels entlang der gesamten Länge des Energiespeichermoduls sind in den Kühlplatten jeweils definierte Kühlkanäle vorgesehen, die über Verteilerkanäle in Verbindung stehen.
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Aus der
DE 10 2008 027 293 A1 ist eine Vorrichtung zum Kühlen eines Energiespeichermoduls eines Fahrzeugs bekannt, die als einstückiges Strangpressprofil mit Kühlkanälen zur Leitung eines Kühlmittel ausgebildet sind. Bei der Montage des Energiespeichermoduls wird das Strangpressprofil alternierend gefaltet und nimmt in jeder Falte eine Energiespeicherzelle auf. Durch die alternierende Faltung kann somit ein kompakter Stapel von Energiespeicherzellen aufgebaut werden, die jeweils von beiden Seiten flächig gekühlt werden.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Vorrichtung zum Kühlen eines Energiespeichermoduls eines Fahrzeugs bereitzustellen, die bei bauraum- und gewichtsoptimiertem Aufbau eine ausreichende Kühlung des Energiespeichermoduls gewährleistet.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch Bereitstellung einer Vorrichtung zum Kühlen eines Energiespeichermoduls eines Fahrzeugs mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und durch Bereitstellung eines Energiespeichermoduls eines Fahrzeugs mit den Merkmalen des Patentanspruchs 9 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Um eine Vorrichtung zum Kühen eines Energiespeichermoduls eines Fahrzeugs bereitzustellen, die bei bauraum- und gewichtsoptimiertem Aufbau eine ausreichende Kühlung des Energiespeichermoduls gewährleistet, weist die mindestens eine Kühlplatte erfindungsgemäß zumindest zwei flächig aneinander anliegende Plattenelemente auf, in denen Ausbuchtungen ausgeformt sind, die miteinander den mindestens einen Kühlkanal ausbilden. In vorteilhafter Weise ermöglicht die erfindungsgemäße Ausgestaltung eine einfache und kostengünstige Herstellung der Kühlvorrichtung sowie eine Reduktion der erforderlichen Bauteile, da die Kühlkanäle in die Plattenelemente integriert und keine separaten Bauteile notwendig sind. Vorzugsweise erfolgt die Herstellung der Plattenelemente aus Blechteilen, wobei die Ausbuchtungen für die Kühlkanäle auf einfache Weise durch Umformen der Blechteile herstellbar und die Blechteile besonders bevorzugt ohne Hinzufügung weiterer Bauteile miteinander verschweißbar sind. Besonders bevorzugt sind die erfindungsgemäßen Kühlplatten besonders leicht und stabil ausführbar. In vorteilhafter Weise besitzt die Kühlplatte durch die den Kühlkanal bildenden Ausbuchtungen eine vergrößerte Wärmeübertragungsfläche und kann hierdurch mittels Kühlmittel besonders wirkungsvoll große Wärmemengen abführen bzw. das Energiespeichermodul besonders gut und gleichmäßig kühlen. Ferner weisen die Kühlplatten auf Grund der Ausbuchtungen eine besonders hohe Steifigkeit bei geringem Gewicht auf. In vorteilhafter Weise besitzt die Kühlplatte eine besonders hohe thermische Energieabsorption bei gleichzeitig niedrigen Herstellungskosten.
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In vorteilhafter Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung ist vorgesehen, dass in den Plattenelementen zumindest ein Einlassstutzen und/oder zumindest ein Auslassstutzen zur Verbindung des mindestens einen Kühlkanals mit einer Kühlmittelanschlusseinheit ausgeformt sind. In vorteilhafter Weise lässt sich mit solch einer einfachen Bauform die Kühlplatte leicht und schnell mit einer Kühlmittelanschlusseinheit verbinden. Insbesondere sind hierdurch eine nahezu beliebige Zusammenfassung der Kühlplatten zu einer oder mehreren Baugruppen und eine problemlose Verbindung der Kühlplatten mit einer oder mehreren Kühlmittelanschlusseinheiten möglich. Besonders vorteilhaft ist, dass die Einlassstutzen und Auslassstutzen eine nachträgliche Montage bzw. Demontage und/oder einen Austausch von einzelnen Kühlplatten ermöglichen.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung ist vorgesehen, dass mindestens ein Stutzen in einem Eckbereich der Plattenelemente ausgeformt ist. In vorteilhafter Weise liegen der Einlassstutzen und der Auslassstutzen in einem Eckbereich an zwei zueinander benachbarten Stirnseiten der Kühlplatte, so dass sich die weiterführenden Anschlüsse weder gegenseitig behindern noch ein Wärmeaustausch zwischen Einlassstutzen und der Auslassstutzen stattfinden kann. Bevorzugt sind der Einlassstutzen und der Auslassstutzen derart ausgebildet, dass sie die Kühlplatte im Dickenmaß nicht überragen und somit platzsparend zwischen den Energiespeicherzellen eingebaut werden können.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung weist der mindestens eine Kühlkanal einen bogenförmigen und/oder ringförmigen und/oder mäanderförmigen und/oder geradlinigen Verlauf auf. In vorteilhafter Weise wird hierdurch das Kühlmittel definiert geführt und zwar dahingehend, dass die Außenwände der Ausbuchtungen der Plattenelemente nicht miteinander in Kontakt kommen. Dies bedeutet, dass der Kühlkanal vorzugsweise mehrfach umgelenkt und somit beispielsweise in einer Art Schneckenkonstruktion bzw. Mäanderkonstruktion geführt wird, wodurch sich beispielsweise ein mäanderartig zueinander angeordneter Verlauf des Kühlkanals ergibt und der Abstand der einzelnen Windungen des Kühlkanals zueinander gewährleistet wird. Hierdurch ergibt sich insbesondere der Vorteil, dass eine großflächige Wärmeübertragung von dem Energiespeichermodul auf den Kühlkanal stattfinden kann und insbesondere das Energiespeichermodul gleichmäßig gekühlt wird und somit über seinen Verlauf eine im Wesentlichen gleiche Temperatur aufweist. In vorteilhafter Weise wird somit die Alterung des Energiespeichermoduls reduziert und dadurch seine Lebensdauer erhöht.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung sind die Plattenelemente derart dicht miteinander verbunden, dass kein Kühlmittel aus dem mindestens einen Kühlkanal zwischen die Plattenelemente fließen kann. Das hat sowohl den Vorteil, dass das kalte einströmende Kühlmittel am Einlassstutzen sich nicht mit dem wärmeabführenden Kühlmittel am Auslassstutzen vermischen kann, als auch den Vorteil, dass das Kühlmittel generell nicht aus der Kühlplatte austreten kann und somit nicht ungesteuert bzw. unkontrolliert durch die Kühlplatte bzw. durch das Energiespeichermodul fließen kann. Somit wird durch die Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung das Kühlmittel gezielt zu seinem Bestimmungsort geleitet, um möglichst effektiv die Wärme am Entstehungsort aufzunehmen und abzuführen.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung bestehen die Plattenelemente aus Aluminium und/oder Stahl und/oder Kunststoff und/oder einem Verbundwerkstoff. In vorteilhafter Weise ermöglicht die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Kühlvorrichtung den Einsatz unterschiedlicher Werkstoffe bzw. Materialien. Insbesondere können die Plattenelemente aus einem Material mit guter thermischer Leitfähigkeit und einer hohen Wärmekapazität ausgeführt sein, wodurch in vorteilhafter Weise eine gute Aufnahme der Wärme des Energiespeichermoduls und ein schnelles Abführen derselben möglich sind. Des Weiteren kann durch die Wahl des Werkstoffs bzw. Materials der Plattenelemente das Gewicht der Kühlvorrichtung maßgeblich verändert bzw. deutlich reduziert werden.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung weisen die Plattenelemente eine hohe Steifigkeit auf. In vorteilhafter Weise verleihen die Plattenelemente auf Grund ihrer hohen Steifigkeit dem Energiespeichermodul sowohl innerhalb als auch außerhalb eine erhöhte Stabilität. Da die Kühlplatten auf Grund der hohen Steifigkeit eine gute Druckfestigkeit aufweisen, gewährleisten diese zusätzlich einen Schutz des Energiespeichermoduls gegen äußere Einflüsse bzw. Belastungen.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ist die erfindungsgemäße Kühlvorrichtung als Strukturelement in einer Tragstruktur für eine Fahrzeugkarosserie eingesetzt. In vorteilhafter Weise erfüllt die Kühlvorrichtung somit zwei Funktionen. Zum einen eine Kühlfunktion und zum anderen eine Funktion als tragendes Strukturelement in einer Fahrzeugkarosserie. Durch diese zusätzliche Funktion eines tragenden Strukturelements sind somit separate Strukturelemente ersetzbar und es ist auf einfache und kostengünstige Weise eine Gewichtsoptimierung des Energiespeichermoduls des Fahrzeugs erreichbar.
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Ein erfindungsgemäßes Energiespeichermodul eines Fahrzeugs weist eine Vorrichtung zum Kühlen auf, die zumindest eine Kühlplatte umfasst, die mindestens einen Kühlkanal zur Leitung eines Kühlmittels aufweist, der mit zumindest einem Einlass und zumindest einem Auslass versehen ist, wobei erfindungsgemäß die mindestens eine Kühlplatte zumindest zwei flächig aneinander anliegende Plattenelemente aufweist, in denen Ausbuchtungen ausgeformt sind, die miteinander den mindestens einen Kühlkanal ausbilden. In vorteilhafter Weise ergeben sich durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Kühlvorrichtung ein bauraum- und gewichtsoptimierter Aufbau sowie eine ausreichende Kühlung des Energiespeichermoduls des Fahrzeugs.
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In vorteilhafter Ausgestaltung umfasst das Energiespeichermodul zumindest zwei Energiespeicherzellen, zwischen denen mindestens eine Kühlvorrichtung angeordnet ist. Da die beiden Außenwände der Kühlplatten jeweils unmittelbar an den Energiespeicherzellen anliegen und damit kontinuierlich die entstandene Wärme der Energiespeicherzellen des Energiespeichermoduls aufnehmen und abführen, erfolgt durch die sandwichweise Anordnung der Kühlplatten eine besonders effektive Kühlung im gesamten Energiespeichermodul. Ein wesentlicher Vorteil der vorliegenden Erfindung liegt in der bauraumsparenden Anordnung der Kühlvorrichtung in dem Energiespeichermodul des Fahrzeugs. In vorteilhafter Weise können sich zwei benachbarte Energiespeicherzellen aufgrund der räumlichen Trennung durch die Kühlvorrichtung nicht gegenseitig aufheizen. Ferner kühlt die zwischen zwei benachbarten Energiespeicherzellen angeordnete Kühlvorrichtung gleichzeitig zwei Energiespeicherzellen und fixiert vorzugsweise deren Position im Energiespeichermodul. In vorteilhafter Weise verleihen die Plattenelemente auf Grund ihrer Steifigkeit dem Energiespeichermodul sowohl innerhalb als auch außerhalb eine erhöhte Stabilität. Da die Kühlplatten durch die hohe Steifigkeit eine gute Druckfestigkeit aufweisen, können diese zusätzlich als Distanzhalter zwischen den Energiespeicherzellen dienen, um so die in einem Crashfall des Fahrzeugs auftretenden Belastungen zumindest teilweise im Energiespeichermodul aufzunehmen und zu absorbieren. Indem die erfindungsgemäße Kühlplatte sandwichartig zwischen den Energiespeicherzellen montierbar und gleichzeitig als Strukturelement in die Tragstruktur integrierbar ist, kann auf eine separate Versteifungsstruktur und/oder ein separates Strukturelement verzichtet werden, wodurch sowohl Gewicht als auch Kosten eingespart werden können. Innerhalb des als Sandwichkonstruktion ausgeführten Energiespeichermoduls des Fahrzeugs übernimmt die Kühlvorrichtung somit eine Kühlfunktion und eine Tragstrukturfunktion.
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Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden nachfolgend beschrieben.
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Dabei zeigen:
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1 eine perspektivische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung mit einer Kühlplatte, die einen Kühlkanal zur Leitung eines Kühlmittels mit einem Einlass und einem Auslass aufweist.
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2 einen ausschnittsweise dargestellten Querschnitt durch die Kühlvorrichtung aus 1, deren Kühlplatte ein oberes und ein unteres Plattenelement umfasst, die jeweils Ausbuchtungen aufweisen, welche miteinander den Kühlkanal ausbilden.
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3 eine ausschnittsweise dargestellte Draufsicht auf ein Energiespeichermodul mit drei Energiespeicherzellen, zwischen denen jeweils eine erfindungsgemäße Kühlvorrichtung angeordnet ist.
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1 bis 3 zeigen eine erfindungsgemäße Vorrichtung 10 zum Kühlen eines Energiespeichermoduls 12 eines Fahrzeugs, die zumindest eine Kühlplatte 14 aufweist. Die Kühlplatte 14 umfasst mindestens einen Kühlkanal 16 zur Leitung eines Kühlmittels mit zumindest einem Einlass 18 und zumindest einem Auslass 20. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel weist die Kühlplatte 14 einen Kühlkanal 16 zur Leitung des Kühlmittels auf, der mit einem Einlass 18 und einem Auslass 20 versehen ist.
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Um eine Vorrichtung 10 zum Kühlen eines Energiespeichermoduls 12 eines Fahrzeugs bereitzustellen, die bei bauraum- und gewichtsoptimiertem Aufbau eine ausreichende Kühlung des Energiespeichermoduls 12 gewährleistet, weist die mindestens eine Kühlplatte 14 erfindungsgemäß zumindest zwei flächig aneinander anliegende Plattenelemente 22, 24 auf, in denen Ausbuchtungen 26, 28 ausgeformt sind, die miteinander den mindestens einen Kühlkanal 16 ausbilden.
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In den Plattenelementen 22, 24 der Kühlplatte 14 ist zumindest ein Einlassstutzen 30 und/oder zumindest ein Auslassstutzen 32 zur Verbindung des mindestens einen Kühlkanals 16 mit einer Kühlmittelanschlusseinheit 34 ausgeformt. Zur kühlmitteldichten Verbindung, des Kühlkanals 16 mit der Kühlmittelanschlusseinheit 34 sind in den beiden Stutzen 30, 32 Adapterelemente 42, 44 befestigt. Die Befestigung der Adapterelemente 42, 44 in den Stutzen 30, 32 wird vorzugsweise mit einem Schweiß- oder Lötverfahren durchgeführt, so dass an diesen Stellen kein Kühlmittel aus dem Kühlkanal 16 austreten kann.
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In einem Eckbereich 36 der Plattenelemente 22, 24 der Kühlplatte 14 ist mindestens ein Stutzen 30, 32 ausgeformt. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel sind die beiden Stutzen 30, 32 jeweils an einer Seite in einem benachbartem Endbereich der Kühlplatte 14 orthogonal zueinander angeordnet, so dass sich zu- und abführende Leitungen der Kühlmittelanschlusseinheit 34 nicht gegenseitig behindern und die zuführende Leitung mit kaltem Kühlmittel sich nicht im Bereich der abführenden Leitung mit warmem Kühlmittel befindet, wodurch auf eine einfache Weise eine Wärmeübertragung verhindert wird.
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Der mindestens eine Kühlkanal 16 der Kühlvorrichtung 10 weist einen bogenförmigen und/oder ringförmigen und/oder mäanderförmigen und/oder geradlinigen Verlauf auf. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel weist der zwischen dem Einlassstutzen 30 und dem Auslassstutzen 32 angeordnete Kühlkanal 16 in seinem Verlauf sieben Umlenkungen auf, wovon zwei Umlenkungen des Kühlkanals 16 während des Windungsverlaufs eine Querverbindung 40 im Verlauf des Kühlkanals 16 bilden. Der Verlauf des Kühlkanals 16, der eine viereckige Form aufweist, erfolgt im Wesentlichen parallel zu den Körperkanten der Plattenelemente 22, 24 der Kühlplatte 14.
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Die Plattenelemente 22, 24 der Kühlplatte 14 sind derart dicht miteinander verbunden, dass kein Kühlmittel aus dem mindestens einen Kühlkanal 16 der Kühlvorrichtung 10 zwischen die Plattenelemente 22, 24 fließen kann. 2 zeigt ausschnittsweise im Querschnitt die Verbindung zweier Plattenelemente 22, 24, die zwischen den Ausbuchtung 26, 28 kühlmitteldicht vorzugsweise durch ein schweißtechnisches Verfahren miteinander verbunden sind, so dass das Kühlmittel gezielt nur durch den einen Kühlkanal 16, der durch die Ausbuchtungen 26, 28 gebildet wird, fließen kann. Ein Austritt des Kühlmittels aus der Kühlplatte 14 oder ein Vermischen des Kühlmittels innerhalb der Kühlplatte 14 wird durch die vorzugsweise schweißtechnische Verbindung im Wesentlichen verhindert.
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Die Plattenelemente 22, 24 der Kühlplatte 14 bestehen aus Aluminium und/oder Stahl und/oder Kunststoff und/oder einem Verbundwerkstoff. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wird die Kühlplatte 14 vorzugsweise aus Blechteilen hergestellt, da hierzu standardisierte Fertigungsverfahren eine besonders günstige Herstellung mit reproduzierbar guter Qualität ermöglichen, wobei jedoch auch andere einem Fachmann als sinnvoll erscheinende Werkstoffe und Verfahren zum Verbinden zweier Bauteile denkbar sind. Die vorzugsweise aus Blechteilen hergestellten Plattenelemente 22, 24 der Kühlplatte 14 weisen Ausbuchtungen 26, 28 auf, die bevorzugt umformtechnisch hergestellt sind. Nach der Herstellung der Plattenelemente 22, 24 der Kühlplatte 14 werden diese spiegelsymmetrisch vorzugsweise schweißtechnisch miteinander verbunden. Nach dem Fügen ist die Kühlplatte 14 kühlmitteldicht sowie mit dem Einlass 18 und dem Auslass 20 versehen.
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Jedes Plattenelement 22, 24 der Kühlplatte 14 weist auf Grund der Ausbuchtungen bereits eine hohe Steifigkeit auf. Durch das Zusammenfügen von zwei dieser Plattenelemente 22, 24 beispielsweise durch Schweißen wird das ohnehin bereits stabile und belastbare Plattenelement 22, 24 im Verbund mit einem weiteren Plattenelement 22, 24 besonders fest und haltbar.
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Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die Kühlvorrichtung 10 als Strukturelement 22, 24 in einer Tragstruktur für eine Fahrzeugkarosserie einsetzbar. In vorteilhafter Weise erfüllt die Kühlvorrichtung 10 somit zwei Funktionen. Zum einen eine Kühlfunktion und zum anderen eine Funktion als tragendes Strukturelement 22, 24 in der Fahrzeugkarosserie.
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3 zeigt ein Energiespeichermodul 12 mit drei Energiespeicherzellen 38, zwischen denen jeweils eine erfindungsgemäße Kühlvorrichtung 10 angeordnet ist. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wird zwischen den drei Energiespeicherzellen 38 jeweils eine Kühlvorrichtung 10 flächenbündig und parallel zu je einer Seitenwand der Energiespeicherzellen 38 angeordnet. Die Körperkanten der Energiespeicherzellen 38 sind dabei parallel zu den Körperkanten der Kühlvorrichtungen 10 ausgerichtet. Je nach Bedarf bzw. Leistung des Energiespeichermoduls 12 wird das Energiespeichermodul 12 sandwichartig bzw. abwechselnd mit einer Kühlvorrichtung 10 und einer Energiespeicherzelle 38 bestückt, wobei diese Anordnung besonders bauraumsparend ist.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Kühlvorrichtung
- 12
- Energiespeichermodul
- 14
- Kühlplatte
- 16
- Kühlkanal
- 18
- Einlass
- 20
- Auslass
- 22
- Plattenelement (Strukturelement)
- 24
- Plattenelement (Strukturelement)
- 26
- Ausbuchtung
- 28
- Ausbuchtung
- 30
- Einlassstutzen
- 32
- Auslassstutzen
- 34
- Kühlmittelanschlusseinheit
- 36
- Eckbereich
- 38
- Energiespeicherzelle
- 40
- Querverbindung (Kühlkanal)
- 42
- Adapterelement (Einlass)
- 44
- Adapterelement (Auslass)
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102009016573 A1 [0002]
- DE 102008027293 A1 [0003]
