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Die Erfindung betrifft eine leistungselektronische Anordnung, umfassend flüssigkeitsgekühlte Leistungshalbleitermodule und eine mit einem Kühlflüssigkeitskreislauf verbundene Flüssigkeitskühleinrichtung.
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Die Kühlung von Leistungshalbleitermodulen mittels Kühlflüssigkeit hat sich bewährt, weil die Abführung der in den Halbleiterbauelementen entstehenden Verlustwärme mittels Kühlflüssigkeit sehr effektiv ist und die Kühlflüssigkeit mit relativ geringem Aufwand an das zu kühlende Bauelement heranführbar ist.
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Aus der
DE 60 2005 006 310 T2 ist es bekannt, flüssigkeitsgekühlte Leistungshalbleitermodule übereinander zu stapeln. Beim Wechseln eines Leistungshalbleitermoduls, das innerhalb des Stapels angeordnet ist, muss der Stapel demontiert werden. Weiter sind die Module erst nach dem Stapeln vollständig gekapselt und der Durchflusskanal für die Kühlflüssigkeit ist erst nach dem Stapeln ausgebildet.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine verbesserte leistungselektronische Anordnung mit Flüssigkeitskühlung anzugeben.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit dem Gegenstand des Anspruchs 1 gelöst. Es wird eine leistungselektronische Anordnung vorgeschlagen, umfassend zwei oder mehr flüssigkeitsgekühlte Leistungshalbleitermodule und eine mit einem Kühlflüssigkeitskreislauf verbundene Flüssigkeitskühleinrichtung, wobei vorgesehen ist, dass die Leistungshalbleitermodule jeweils einen modulseitigen Kühlflüssigkeits-Einlass und einen modulseitigen Kühlflüssigkeits-Auslass aufweisen, und dass der modulseitige Kühlflüssigkeits-Einlass jeweils mit einem Kühlflüssigkeits-Auslass der Flüssigkeitskühleinrichtung und der modulseitige Kühlflüssigkeits-Auslass jeweils mit einem Kühlflüssigkeits-Einlass der Flüssigkeitskühleinrichtung durch Aufsetzen des Leistungshalbleitermoduls auf die Flüssigkeitskühleinrichtung flüssigkeitsdicht verbindbar, sind, wobei die Leistungshalbleitermodule nebeneinander angeordnet sind.
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Bei der Flüssigkeitskühleinrichtung handelt es sich um eine Einrichtung, die sowohl der Verteilung und Abführung der durch die flüssigkeitsgekühlten Leistungshalbleitermodule strömenden Kühlflüssigkeit dient als auch als Montageplattform für die Leistungshalbleitermodule ausgebildet ist. Der Kühlflüssigkeitskreislauf, in den die Flüssigkeitskühleinrichtung eingebunden ist, umfasst eine Kühlmittelpumpe und einen Wärmetauscher zur Abführung der in den Leistungshalbleitermodulen aufgenommenen Verlustwärme.
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Durch die Anordnung der Leistungshalbleitermodule nebeneinander kann jedes der Module unabhängig von den anderen mit der Flüssigkeitskühleinrichtung verbunden werden oder von ihr gelöst werden. Da das flüssigkeitsdichte Verbinden der Leistungshalbleitermodule mit der Flüssigkeitskühleinrichtung durch das Aufsetzen des Leistungshalbleitermoduls auf die Flüssigkeitskühleinrichtung realisiert ist, ergibt sich eine besonders einfache Montage oder Demontage.
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Es kann vorgesehen sein, dass die Kühlflüssigkeits-Auslässe und Kühlflüssigkeits-Einlässe der Flüssigkeitskühleinrichtung mit jeweils einem die Flüssigkeitskühleinrichtung durchgreifenden Durchtrittskanal verbunden sind, so dass die Leistungshalbleitermodule im Kühlflüssigkeitskreislauf parallel geschaltet sind. Es kann also vorgesehen sein, dass die Flüssigkeitskühleinrichtung im Wesentlichen als eine Verteileinrichtung für die Kühlflüssigkeit ausgebildet ist, die gekühlte Kühlflüssigkeit von einer Kühleinrichtung erhält und die in den Leistungshalbleitermodulen erwärmte Kühlflüssigkeit an die Kühleinrichtung zurückgibt.
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Es kann auch vorgesehen sein, dass die Kühlflüssigkeits-Auslässe und Kühlflüssigkeits-Einlässe der Flüssigkeitskühleinrichtung so miteinander verbunden sind, dass die Leistungshalbleitermodule im Kühlflüssigkeitskreislauf in Reihe geschaltet sind. Eine solche Anordnung kann bei wenigen miteinander verbundenen Leistungshalbleitermodulen vorgesehen sein, beispielsweise bei drei Leistungshalbleitermodulen.
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Weiter kann vorgesehen sein, dass die Stirnflächen der modulseitigen Kühlflüssigkeits-Einlässe und der modulseitigen Kühlflüssigkeits-Auslässe eine Ausnehmung für ein Dichtungselement aufweisen. Es kann vorzugsweise vorgesehen sein, dass die Einlässe und Auslässe gleich ausgebildet sind, so dass die Durchströmungsrichtung der Kühlflüssigkeit nicht durch konstruktive Besonderheiten vorgegeben ist.
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Es kann auch vorgesehen sein, dass die Stirnflächen der modulseitigen Kühlflüssigkeits-Einlässe und der modulseitigen Kühlflüssigkeits-Auslässe als ebene Flächen ausgebildet sind.
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Weiter kann vorgesehen sein, dass die Stirnflächen der Kühlflüssigkeits-Auslässe und Kühlflüssigkeits-Einlässe der Flüssigkeitskühleinrichtung eine Ausnehmung für das Dichtungselement aufweisen.
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Es kann auch vorgesehen sein, dass die Stirnflächen der Kühlflüssigkeits-Auslässe und Kühlflüssigkeits-Einlässe der Flüssigkeitskühleinrichtung als ebene Flächen ausgebildet sind.
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Es kann vorgesehen sein, dass das Dichtungselement als ein ringförmiges Dichtungselement mit kreisförmigem Querschnitt ausgebildet ist.
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Das Dichtungselement kann auch als ein plattenförmiges Dichtungselement mit mindestens einer Durchtrittsöffnung für die Kühlflüssigkeit ausgebildet sein.
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Aus den vorgenannten sechs Ausbildungsvarianten können durch Kombination zahlreiche unterschiedliche Kühlmittelverbindungseinrichtungen gebildet werden. Das ringförmige Dichtungselement kann beispielsweise aus einem gummielastischen Material gebildet sein, beispielsweise aus Silikongummi. In kreisringförmiger Ausbildung sind solche Dichtungselemente als O-Ringe bekannt, die in vielfältigen Qualitäten und Durchmessern verfügbar sind. Auch das plattenförmige Dichtungselement kann aus einem gummielastischen Material ausgebildet sein, beispielsweise aus Silikongummi. Es ist aber auch möglich, das plattenförmige Dichtungselement als Kleberschicht auszubilden, vorzugsweise als eine dauerelastische Schicht. Es kann sich dabei auch um ein Klebepad handeln, das beispielsweise auf dem Leistungshalbleitermodul angeordnet ist und das nach Abziehen einer Schutzschicht zur Verklebung mit der Oberfläche der Flüssigkeitskühleinrichtung bereit ist. Ein Klebepad weist den Vorteil auf, dass es formstabil ist und eine definierte Klebfläche aufweist. Wenn eine Klebeverbindung vorgesehen ist, können zusätzliche Befestigungsmittel, wie Befestigungsschrauben oder Spannverschlüsse, die das Leistungshalbleitermodul über das Dichtungselement auf die Flüssigkeitskühleinrichtung pressen, entfallen.
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Die leistungselektronische Anordnung kann weiter ein Steuermodul umfassen, das auf der Flüssigkeitskühleinrichtung angeordnet ist.
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Es kann weiter vorgesehen sein, dass das Leistungshalbleitermodul mindestens einen elektrischen Steuerungsanschluss aufweist, der mit mindestens einem an der Flüssigkeitskühleinrichtung angeordneten elektrischen Steuerungsanschluss verbindbar ist.
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Die Flüssigkeitskühleinrichtung kann vorteilhafterweise Leitungskanäle zur Aufnahme von elektrischen Verbindungsleitungen zwischen den elektrischen Steuerungsanschlüssen aufweisen.
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Es kann vorgesehen sein, dass der elektrische Steuerungsanschluss des Leistungshalbleitermoduls als elektrische Buchse und der elektrische Steuerungsanschluss der Flüssigkeitskühleinrichtung als elektrischer Einbaustecker ausgebildet ist oder umgekehrt.
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Weiter kann vorgesehen sein, dass die elektrischen Steuerungsanschlüsse der Leistungshalbleitermodule mit den elektrischen Steuerungsanschlüssen der Flüssigkeitskühleinrichtung durch Aufsetzen des Leistungshalbleitermoduls auf die Flüssigkeitskühleinrichtung elektrisch verbindbar sind. Es ist also möglich, sowohl die Kühlmittelverbindung als auch die elektrische Leitungsverbindung beim Aufsetzen des Leistungshalbleitermoduls auf die Flüssigkeitskühleinrichtung herzustellen. Daraus resultiert ein geringer Montageaufwand und eine hohe Montagesicherheit. Wenn beispielsweise die elektrischen Steuerungsanschlüsse auf eine Buchse und einen Einbaustecker aufgeteilt sind, kann eine verpolsichere elektrische Verbindung bereitgestellt werden.
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Die Erfindung wird nun anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen
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1 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen leistungselektronischen Anordnung in einer perspektivischen Darstellung;
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2 eine Einzelheit II in 1 in vergrößerter perspektivischer Darstellung;
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3 ein erstes Ausführungsbeispiel einer Kühlmittelverbindungseinrichtung;
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4 ein zweites Ausführungsbeispiel einer Kühlmittelverbindungseinrichtung;
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5 ein Ausführungsbeispiel mit im Kühlflüssigkeitskreislauf parallel geschalteten Leistungshalbleitermodulen in schematischer Darstellung;
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6 ein Ausführungsbeispiel mit im Kühlflüssigkeitskreislauf seriell geschalteten Leistungshalbleitermodulen in schematischer Darstellung.
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1 zeigt eine leistungselektronische Anordnung 1, die beispielsweise als Stromrichter-Einheit für Windkraftanlagen einsetzbar ist. Die leistungselektronische Anordnung 1 ist modular aufgebaut und besteht in dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel aus drei in Halbbrückenschaltung ausgebildeten flüssigkeitsgekühlten Leistungshalbleitermodulen 11. Die Leistungshalbleitermodule 11 sind nebeneinander auf einer Montagefläche einer Flüssigkeitskühleinrichtung 12 angeordnet.
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Die Flüssigkeitskühleinrichtung 12 ist von zwei parallel angeordneten Durchtrittskanälen 121 für die Kühlflüssigkeit durchgriffen und ist in einen nicht dargestellten Kühlflüssigkeitskreislauf eingebunden. In den einen der beiden Durchtrittskanäle 121 strömt kalte Kühlflüssigkeit ein und aus dem anderen der beiden Durchtrittskanäle 121 strömt in den Leistungshalbleitermodulen 11 erwärmte Kühlflüssigkeit aus. Die Durchtrittskanäle 121 weisen auf der einen Seite ein Anschlussstück 121a und auf der anderen Seite ein Verschlussstück 121v auf. In dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist an jeder Stirnseite der Flüssigkeitskühleinrichtung 12 jeweils ein Anschlussstück 121a und ein Verschlussstück 121v angeordnet, so dass die Kühlflüssigkeit an der einen Stirnseite der Flüssigkeitskühleinrichtung 12 eintritt und an der anderen Stirnseite austritt.
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Die Durchtrittskanäle 121 sind mit Kühlflüssigkeits-Auslässen 122 bzw. mit Kühlflüssigkeits-Einlässen 123 verbunden, die an der Oberseite der Flüssigkeitskühleinrichtung 12 angeordnet sind.
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Die Leistungshalbleitermodule 11 weisen an ihrer Unterseite einen modulseitigen Kühlflüssigkeits-Einlass 111 und einen modulseitigen Kühlflüssigkeits-Auslass 112 auf. Der Kühlflüssigkeits-Einlass 111 ist im montierten Zustand mit einem der Kühlflüssigkeits-Auslässe 122 der Flüssigkeitskühleinrichtung 12 flüssigkeitsdicht verbunden. Der Kühlflüssigkeits-Auslass 112 ist im montierten Zustand mit einem der Kühlflüssigkeits-Einlässe 123 der Flüssigkeitskühleinrichtung 12 flüssigkeitsdicht verbunden. Wie in 1 und 2 zu erkennen, sind der modulseitige Kühlflüssigkeits-Einlass 111 und der modulseitige Kühlflüssigkeits-Auslass 112 stutzenförmig ausgebildet und stehen aus der Unterseite des Leistungshalbleitermoduls 11 hervor. Die Stirnseiten des Kühlflüssigkeits-Einlasses 111 und des Kühlflüssigkeits-Auslasses 112 weisen eine Ausnehmung für ein Dichtungselement 113 auf. Es handelt sich um ein ringförmiges Dichtungselement mit kreisförmigem Querschnitt, das aus einem gummielastischen Material ausgebildet ist, beispielsweise aus Silikongummi. Im montierten Zustand wird das Dichtungselement 113 gegen die Oberseite der Flüssigkeitskühleinrichtung 12 gepresst (siehe 3) und bildet so eine Flüssigkeitsdichtung zwischen dem Leistungshalbleitermodul 11 und der Flüssigkeitskühleinrichtung 12. Die korrespondierenden Kühlflüssigkeits-Einlässe und -Auslässe bilden zusammen mit den Dichtungselementen lösbare Kühlmittelverbindungseinrichtungen. Es kann aber auch vorgesehen sein, die Dichtungselemente als Kleberschichten auszubilden, woraus unlösbare oder bedingt lösbare Kühlmittelverbindungseinrichtungen resultieren.
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Wie in 3 weiter zu erkennen, weisen der modulseitige Kühlflüssigkeitseinlass 111 sowie der modulseitige Kühlflüssigkeitsauslass 112 jeweils zwei Gewindelöcher auf, in die Befestigungsschrauben 114 eingreifen. Die Befestigungsschrauben 114 durchgreifen Durchgangslöcher in der Flüssigkeitskühleinrichtung 12 und verbinden so das Leistungshalbleitermodul 11 mit der Flüssigkeitskühleinrichtung 12, wobei beim Anziehen der Befestigungsschrauben 114 das Dichtungselement 113 verpresst wird.
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4 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel der Ausbildung der Dichtungselemente 113. In 4 ist ein plattenförmiges Dichtungselement vorgesehen, das im Bereich der Kühlmittelverbindungseinrichtungen Durchtrittsöffnungen aufweist. Es kann pro Leistungshalbleitermodul 11 ein plattenförmiges Dichtungselement 113 vorgesehen sein. Es ist aber auch möglich, dass für die gesamte Flüssigkeitskühleinrichtung 12 ein Dichtungselement 113 vorgesehen ist. Weiter kann das Dichtungselement 113 Durchtrittsöffnungen für die Befestigungsschrauben 114 aufweisen.
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Als elektrische Verbindungsstellen weist das Leistungshalbleitermodul 11 seitlich herausgeführte Anschlussklemmen 115 auf, die für hohe Ströme und/oder Spannungen ausgelegt sind sowie elektrische Steuerungsanschlüsse 116 auf, die für Ströme und Spannungen ausgelegt sind, wie sie in der Steuer- und Regelungstechnik üblich sind. In dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel sind zwei als elektrische Einbaubuchsen ausgebildete mehrpolige Steuerungsanschlüsse 116 vorgesehen, die in der Grundplatte des Leistungshalbleitermoduls 11 versenkt angeordnet sind.
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Die an der Flüssigkeitskühleinrichtung 12 angeordneten und mit den Steuerungsanschlüssen 116 korrespondierenden elektrischen Steuerungsanschlüsse 124 sind als elektrische Einbaustecker ausgeführt, die aus der Oberseite der Flüssigkeitskühleinrichtung 12 hervorragen.
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Auf der Flüssigkeitskühleinrichtung 12 ist weiter eine Steuerungsmodul 13 angeordnet, das an seiner Unterseite ebenfalls Steuerungsanschlüsse 116 aufweist, die mit elektrischen Steuerungsanschlüssen 124 in der Flüssigkeitskühleinrichtung 12 korrespondieren. Die Flüssigkeitskühleinrichtung 12 weist Leitungskanäle zur Aufnahme von elektrischen Verbindungsleitungen zwischen den elektrischen Steuerungsanschlüssen 124 auf, so dass die Leistungshalbleitermodule 11 nach der Montage auf der Flüssigkeitskühleinrichtung 12 mit dem Steuerungsmodul 13 elektrisch verbunden sind.
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Das Steuerungsmodul 13 weist in dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel auf der Oberseite elektrische Klemmen 131 auf, die zum Anschluss eines Kabelbaums 132 bestimmt sind, der beispielsweise Leitungen für die Zuführung von Versorgungsspannungen und Steuersignalen aufweist.
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5 zeigt in schematischer Darstellung ein Ausführungsbeispiel, bei dem die auf der Flüssigkeitskühleinrichtung 12 angeordneten Leistungshalbleitermodule 11 im Kühlflüssigkeitskreislauf parallel geschaltet sind. Der Kühlflüssigkeitskreislauf weist beispielsweise weiter eine Kühlmittelpumpe 126 und einen Kühler 127 auf, der eine nach dem Austritt aus der Flüssigkeitskühleinrichtung 12 erwärmte Kühlflüssigkeit 125 wieder abkühlt. Der Kühler 127 weist beispielsweise Kühlrippen zur Abführung von Abwärme 128 auf. Der Kühler 127 kann aber auch als Flüssigkeitskühler ausgebildet sein, bei dem beispielsweise ein wassergekühlter Wärmetauscher vorgesehen ist.
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Die in die Flüssigkeitskühleinrichtung 12 eintretende Kühlflüssigkeit 125 wird in dem in 5 rechts liegenden Durchtrittskanal 121 auf die hintereinander angeordneten Leistungshalbleitermodule 11 verteilt und in dem in 5 links liegenden Durchtrittskanal 121 wieder gesammelt und tritt als erwärmte Kühlflüssigkeit 125 aus der Flüssigkeitskühleinrichtung 12 wieder aus.
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6 zeigt in schematischer Darstellung ein Ausführungsbeispiel, bei dem die auf der Flüssigkeitskühleinrichtung 12 angeordneten Leistungshalbleitermodule 11 im Kühlflüssigkeitskreislauf seriell geschaltet sind. Der Kühlflüssigkeitskreislauf ist wie in 5 beschrieben ausgebildet.
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Die in die Flüssigkeitskühleinrichtung 12 eintretende Kühlflüssigkeit 125 wird in den in 6 rechts liegenden Durchtrittskanal 121 eingeleitet und durchströmt sodann das in Strömungsrichtung erste Leistungshalbleiterhalbleitermodul 11. Von dort tritt es in den 6 links liegenden Durchtrittskanal 121 und sodann in das in Strömungsrichtung folgende Leistungshalbleitermodul 11 ein. Die beiden Durchtrittskanäle 121 sind folglich nicht als durchgehende Durchtrittskanäle ausgebildet, sondern verbinden jeweils benachbarte Leistungshalbleitermodule 11 bzw. das erste Leistungshalbleitermodul 11 mit dem Kühlflüssigkeitseingang der Flüssigkeitskühleinrichtung 12 und das letzte Leistungshalbleitermodul 11 mit dem Kühlflüssigkeitsausgang der Flüssigkeitskühleinrichtung 12.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- leistungselektronische Anordnung
- 11
- Leistungshalbleitermodul
- 12
- Flüssigkeitskühleinrichtung
- 13
- Steuerungsmodul
- 111
- modulseitiger Kühlflüssigkeits-Einlass
- 112
- modulseitiger Kühlflüssigkeits-Auslass
- 113
- Dichtungselement
- 114
- Befestigungsschraube
- 115
- elektrische Anschlussklemme
- 116
- elektrischer Steuerungsanschluss
- 121
- Durchtrittskanal
- 121a
- Anschlussstück
- 121v
- Verschlussstück
- 122
- Kühlflüssigkeits-Auslass
- 123
- Kühlflüssigkeits-Einlass
- 124
- elektrischer Steuerungsanschluss
- 125
- Kühlflüssigkeit
- 126
- Kühlmittelpumpe
- 127
- Kühler
- 128
- Abwärme
- 131
- elektrische Klemmen
- 132
- Kabelbaum
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 602005006310 T2 [0003]
