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Die Erfindung betrifft eine Kühleinrichtung für einen elektrochemischen und/oder elektrostatischen Energiespeicher, wobei die Kühleinrichtung einen Strömungskanal für eine Kühlflüssigkeit, eine Einlauföffnung und eine Auslauföffnung umfasst. Außerdem betrifft die Erfindung einen Kühlmittelverteiler, der dazu eingerichtet ist, eine Mehrzahl von Kühleinrichtungen mit Kühlmittel zu versorgen. Außerdem betrifft die Erfindung ein Kühlsystem, welches eine Mehrzahl von Kühleinrichtungen sowie einen Kühlmittelverteiler umfasst, sowie einen Energiespeicher mit einem solchen Kühlsystem.
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In Energiespeichern sind für Fahrzeuge mit Elektroantrieb (Hybrid- oder Elektrofahrzeuge) hohe Leistungs- und/oder Energiedichten je nach funktionellen Anforderungen (Hybrid- oder Elektrofahrzeug) auf möglichst kleinem Bauraum notwendig. Für die Energiespeicherung eignen sich Batteriezellen mit unterschiedlichem elektrochemischen Aufbau oder auch andere Speicherzellen wie beispielsweise Doppelschichtkondensatoren. Beim aktuellen Entwicklungsstand können die Anforderungen an die hohe Lebensdauer, sehr gute Herstellbarkeit und sehr gute Energie- und Leistungsdichte am besten mit Li-Ionen-Zellen realisiert werden.
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Im Betrieb derartiger Energiespeicher in Hybrid- oder Elektrofahrzeugen entsteht durch hohe Lade- und Entladeströme weitgehend an dem Zelleninnenwiderstand Wärme, welche bei nicht ausreichender Abführung von der Zelle durch eine Kühlung des Energiespeichers zu einem Temperaturanstieg der Zelle und somit zu einer beschleunigten Alterung der Zelle führt.
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Um eine Überhitzung und somit eine beschleunigte Alterung der Zellen zu vermeiden ist es bekannt die Zellen, beispielsweise mittels eine hochspannungsisolierenden Klebefolie oder Wärmeleitkleber mit hinreichend guter Wärmeleitfähigkeit, auf Kühlfinnen aufzukleben. Zur weiteren Verbesserung der Wärmeableitug können die Kühlfinnen einen Strömungskanal aufweisen der im Betrieb von einem Kühlmedium durchströmt wird. Dies ist beispielsweise aus der
DE 10 2009 013 651 A1 bekannt.
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Bekannte Kühlfinnen haben jedoch einen nicht zu vernachlässigen Platzverbrauch, der insgesamt auf Batterieebene zu einer Reduzierung der Energie- und Leistungsdichte führt. Außerdem ist diese Art von Kühlung relativ aufwändig.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Kühleinrichtung vorzuschlagen, die eine platzsparende und zugleich aufwandsarme Kühlung der Zellen des Energiespeichers ermöglicht. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, einen Kühlmittelverteiler für eine derartige Kühlvorrichtung vorzuschlagen. Außerdem ist es eine Aufgabe der Erfindung, ein platzsparendes Kühlsystem und einen Energiespeicher mit einem solchen Kühlsystem zu ermöglichen.
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Diese Aufgaben werden durch eine Kühleinrichtung nach Anspruch 1, einen Kühlmittelverteiler nach Anspruch 7, ein Kühlsystem nach Anspruch 12 und einen Energiespeicher nach Anspruch 14 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen ergeben sich mit den Merkmalen der Unteransprüche.
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Die erfindungsgemäße Kühleinrichtung für einen elektrochemischen/elektrostatischen Energiespeicher weist zumindest einen Strömungskanal für ein Kühlmittel auf. Der Strömungskanal umfasst einen Innenkanal und einen Außenkanal. Beide Kanäle verlaufen entlang einer Längsachse, d.h. sie verlaufen in dieselbe Richtung. Der Innenkanal ist im Außenkanal angeordnet. Der Außenkanal wird entsprechend durch einen Zwischenraum zwischen einer Außenseite des Innenkanals und einer Wand einer den Innenraum umgebenden Kavität gebildet. Durch die Ausbildung mit einem Innenkanal und einem Außenkanal wird im Betrieb der Kühleinrichtung eine Ableitung des Kühlmittels auf der gleichen Seite der Kühleinrichtung, auf der es zugeführt wird, nach einem Richtungswechsel des Kühlmittelstroms in die Gegenrichtung ermöglicht. Hierdurch wird ein Wärmeübergang zwischen der Kühleinrichtung (beispielsweise als Kühlfinne ausgebildet) und dem durchströmenden Kühlmedium verbessert.
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Der Strömungskanal weist eine Einlassöffnung zum Zuführen von Kühlmittel und eine Auslassöffnung zum Abführen von Kühlmittel auf, die beide im Wesentlichen in die gleiche Richtung wie die Längsachse des Strömungskanals weisen. Mit "im Wesentlichen" ist hierbei gemeint, dass ein Winkel zwischen einer Flächennormalen der Eingangs- bzw. Ausgangsöffnung und der Längsachse maximal 10° beträgt. Die erfindungsgemäße Anordnung von Einlass- und Auslassöffnung ermöglichen eine besonders einfache und kompakte Anbindung der Kühleinrichtung an einen Kühlmittelverteiler. Hierdurch wird über einen reduzierten Platzverbrauch eine Erhöhung der Leistungs- und Energiedichte auf Batteriesystemebene erreicht, während zugleich die Produktionskosten gesenkt werden.
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Die Kühleinrichtung weist vorzugsweise mindestens einen eben ausgebildeten Kontaktierungsabschnitt auf, der dazu ausgebildet ist, mit mindestens einer Speicherzelle eines Energiespeichers in Kontakt gebracht zu werden. Vorzugsweise weist der Kontaktierungsabschnitt eine Vorder- und eine Rückseite auf, wobei die Vorder- und die Rückseite jeweils mit einer Speicherzelle in Kontakt gebracht werden können. Beispielsweise können die Speicherzellen über eine Klebefolie, die hochspannungsisolierend ausgebildet sein kann, oder über einen Wärmeleitkleber mit dem Kontaktierungsabschnitt der Kühleinrichtung verbunden werden.
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Zusätzlich zum Kontaktierungsabschnitt ist vorzugsweise ein Kühlabschnitt vorgesehen, wobei der zumindest eine Strömungskanal zumindest teilweise im Kühlabschnitt verläuft. Der Kühlabschnitt ist vorzugsweise seitlich des Kontaktierungsabschnitts angeordnet und mit diesem thermisch leitend verbunden. Mit "thermisch leitend verbunden" ist hierbei gemeint, dass eine direkte Wärmeleitung durch eine Verbindung zwischen Kontaktierungsabschnitt und Kühlabschnitt möglich ist.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform weist die Kühleinrichtung mindestens zwei Kühlabschnitte auf. Die Kühlabschnitte können sich dann beispielsweise auf gegenüberliegenden Enden des Kontaktierungsabschnittes an diesen anschließen, sodass der Kontaktierungsabschnitt zwischen beiden Kühlabschnitten liegt. Die beiden Kühlabschnitte und der Kontaktierungsabschnitt sind dann vorzugsweise in einer Ebene angeordnet, wobei eine Flächennormale der Vorder- und der Rückseite des Kontaktierungsabschnitts vorzugsweise im Wesentlichen orthogonal zu dieser Ebene stehen kann.
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In einer weiteren Ausführungsform ist der Innenkanal als Innenrohr ausgebildet. Der Querschnitt des Innenrohres ist vorzugsweise kreisrund. Der Außenkanal ist vorzugsweise als ein den Innenkanal bzw. das Innenrohr enthaltendes Außenrohr ausgebildet. Als Außenrohr wird hierbei ein den Innenkanal aufnehmendes Objekt mit einem im Querschnitt im Wesentlichen kreisrunden Innenraum verstanden. Das Außenrohr kann bevorzugt durch ein in den Kühlabschnitt der Kühleinrichtung eingebrachtes Loch gebildet sein.
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Die Einlassöffnung kann bevorzugt durch ein Ende des Innenkanals und die Auslassöffnung durch ein Ende des Außenkanals gebildet werden. Ebenso kann jedoch auch die Auslassöffnung durch ein Ende des Innenkanals und die Einlassöffnung durch ein Ende des Außenkanals gebildet werden.
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Bevorzugt überragt das Ende des Innenkanals das Ende des Außenkanals. Der Innenkanal durchläuft also die durch den Außenkanal gebildete Einlass oder Auslassöffnung.
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Bevorzugt besteht der Strömungskanal ausschließlich aus dem Innen- und dem Außenkanal sowie einem Umkehrbereich, der zum Umkehren der Strömungsrichtung dient. Der Umkehrbereich ist vorzugsweise ein Bereich der den Außenkanal bildenden Kavität, der sich an ein in der Kavität liegendes Ende des Innenrohres anschließt. Der Durchmesser des Umkehrbereichs ist vorzugsweise genauso groß wie der des Außenkanals. Bis auf das gegebenenfalls durch die Einlass- bzw. Auslassöffnung des Außenkanals hindurch ragende Ende des Innenkanals, liegt der Innenkanal bevorzugt vollständig im Außenkanal.
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Zusätzlich zu einer Kühleinrichtung betrifft die Erfindung einen Kühlmittelverteiler für eine Mehrzahl von wie vorangehend beschrieben ausgebildeten Kühleinrichtungen. Der Kühlmittelverteiler weist einen ersten und einen zweiten flächigen Hohlraum auf. Die beiden flächigen Hohlräume sind in Richtung ihrer Flächennormalen gestapelt angeordnet und mittels eines Trennelements voneinander getrennt. Der Kühlmittelverteiler umfasst außerdem eine erste flächige Abdeckung die den ersten Hohlraum auf einer vom Trennelement abgewandten Seite abdeckt, sowie eine zweite flächige Abdeckung, die den zweiten Hohlraum auf einer vom Trennelement abgewandten Seite abdeckt.
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Erfindungsgemäß weist die erste flächige Abdeckung erste Öffnungen und das Trennelement zweite Öffnungen auf. Jeweils eine erste Öffnung liegt jeweils einer zweiten Öffnung gegenüber. Die zweiten Öffnungen weisen jeweils eines kleinere Fläche auf als die jeweils gegenüberliegende erste Öffnung.
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Durch diese Ausbildung des Kühlmittelverteilers können Kühleinrichtungen mit einem größeren Außenkanal und einem kleineren Innenkanal in platzsparender Weise mit Kühlflüssigkeit versorgt werden.
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Die zweite Abdeckung weist vorzugsweise mindestens zwei Anschlussöffnungen auf, die mit einem auf der von dem zweiten Hohlraum abgewandten Seite der zweiten Abdeckung angeordneten Anschlussstück zum Verbinden mit einer Kühlmittelzuführungs- und Kühlmittelabführungsleitung verbunden sind. Einer der beiden Anschlussöffnungen liegt vorzugsweise einer weiteren Öffnung im Trennelement gegenüber, die einer Verbindung des ersten Hohlraums mit der der weiteren Öffnung gegenüberliegenden Anschlussöffnung dient.
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Der Kühlmittelverteiler kann außerdem einen ersten und/oder einen zweiten Rahmen umfassen. Der erste Rahmen ist dann zwischen der ersten Abdeckung und dem Trennelement angeordnet, während der zweite Rahmen zwischen der zweiten Abdeckung und dem Trennelement angeordnet ist. Der erste Rahmen dient hierbei einer seitlichen Begrenzung des ersten Hohlraums, während der zweite Rahmen einer seitlichen Begrenzung des zweiten Hohlraums dient.
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Der zweite Rahmen weist bevorzugt eine in den zweiten Hohlraum hineinragende Zunge auf, welche eine Verbindungsöffnung umfasst, die mit der weiteren Öffnung im Trennelement und der gegenüberliegenden Anschlussöffnung fluchtet. Hierdurch wird die der weiteren Öffnung gegenüberliegende Anschlussöffnung mit dem ersten Hohlraum verbunden. Um eine Abdichtung der der weiteren Öffnung gegenüberliegenden Anschlussöffnung gegenüber dem zweiten Hohlraum zu realisieren, kann der zweite Rahmen und/oder das Trennelement und/oder die zweite Abdeckung mit einem Dichtmittel, beispielsweise einem O-Ring, versehen sein.
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Zusätzlich zu einer Kühleinrichtung und einem Kühlmittelverteiler betrifft die Erfindung ein Kühlsystem, welches mindestens einen Kühlmittelverteiler und eine Mehrzahl von Kühleinrichtungen umfasst. Die Einlassöffnungen der Kühleinrichtungen sind jeweils mit einer ersten Öffnung des Kühlmittelverteiler und die Auslauföffnungen der Kühleinrichtungen mit einer zweiten Öffnung des Kühlmittelverteilers verbunden. Alternativ können auch die Auslauföffnungen mit den ersten Öffnungen und die Einlassöffnungen mit den zweiten Öffnungen verbunden sein.
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Die Kühleinrichtungen können vorzugsweise parallel zueinander ausgerichtet sein. Die ersten und zweiten Öffnungen liegen dann jeweils fluchtend auf einer Linie. Selbstverständlich können auch mehrere Reihen parallel ausgerichteter Kühleinrichtungen vorgesehen sein, wobei die ersten und zweiten Öffnungen dann in mehreren fluchtenden Linien angeordnet sind.
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Die Erfindung betrifft außerdem einen Energiespeicher mit einem Kühlsystem wie vorangehend beschrieben sowie einer Mehrzahl von Speicherzellen. Die Speicherzellen sind jeweils mit mindestens einer Kühleinrichtung thermisch leitend verbunden. Wie bereits erwähnt, kann die thermisch leitende Verbindung beispielsweise durch eine Klebefolie oder einen thermisch leitfähigen Klebstoff gebildet sein.
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Die Kühleinrichtungen und Speicherzellen können beispielsweise mittels mindestens eines Spannelements gegeneinander gedrückt werden. Das Spannelement kann beispielsweise als mindestens ein, eine Mehrzahl von parallel angeordneten Kühleinrichtungen mit dazwischen angeordneten Speicherzellen, umgreifender Spannbügel ausgebildet sein.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine Schnittansicht längs entlang einer vorteilhaften Ausführungsform einer Kühleinrichtung,
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2 eine Schnittansicht durch den Strömungskanal in eine zum Schnitt aus 1 orthogonale Richtung,
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3 eine Explosionsdarstellung eines Kühlmittelverteilers mit zur Verdeutlichung mit dargestellten Innenkanälen von Kühleinrichtungen,
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4 eine Schnittdarstellung durch den Kühlmittelverteiler aus 3,
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5 eine perspektivische Ansicht auf den Kühlmittelverteiler aus den 3 und 4,
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6 eine Explosionsdarstellung einer vorteilhaften Ausführungsform eines Energiespeichers,
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7 eine perspektivische Darstellung des Energiespeichers aus 6 und
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8 eine weitere perspektivische Darstellung des Energiespeichers aus 6.
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In 1 ist ein Schnitt längs einer als Kühlfinne 1 ausgebildeten Kühleinrichtung dargestellt. Die Kühlfinne 1 weist zwei Kühlabschnitte 2 und einen Kontaktierungsabschnitt 3 auf. Im Kontaktierungsabschnitt 3 können auf beiden Seiten (d.h. vor und hinter der Zeichenebene) zu kühlende Energiespeicherzellen angebracht werden. Der Kontaktierungsabschnitt wird über die beiden Kühlabschnitte 2 gekühlt. Die Kühlabschnitte 2 weisen eine Kavität 4 auf, die durch einen Stopfen 6 an ihrem in der Zeichnung obenliegenden Ende dichtend verschlossen ist. In der Kavität 4 ist ein Rohr 5 angeordnet, wobei zwischen der Innenwand der Kavität 4 und der Außenwand des Rohres 5 ein einen Außenkanal bildender Spalt 32 gebildet wird. Insgesamt bildet die Kavität 4 mit dem Rohr 5 einen Strömungskanal, wobei der Innenraum des Rohres 5 einen Innenkanal und der Spalt zwischen dem Rohr 5 und der Außenwand der Kavität 4 einen Außenkanal bildet. Zwischen dem oberen Ende des Rohres 5 und dem Stopfen 6 bildet die Kavität 4 einen Wendebereich 33.
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Durch eine Einlassöffnung 7, die durch ein Ende des Rohres 5 gebildet wird, kann ein Kühlmedium in den Strömungskanal eintreten. Anschließend fließt es in Richtung des Stopfens 6 bis zum Ende des Rohres 5. Dort tritt es aus dem Rohr 5 aus und fließt in den Wendebereich 33, wo durch den Stopfen 6 eine Richtungsänderung des Kühlmittelstroms bewirkt wird. Anschließend tritt das Kühlmedium in den Spalt zwischen dem Rohr 5 und der Kavität 4 ein. Das fließt dann auf die Auslassöffnung 8 zu, die durch das dem Stopfen 6 gegenüberliegende Ende der Kavität 4 gebildet wird. Sowohl die Einlassöffnung 7 als auch die Auslassöffnung 8 weisen in die Richtung einer Achse 9 des Strömungskanals.
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In 2 ist ein Schnitt entlang der Achse 9 aus 1 dargestellt. Anhand von 2 ist das Rohr 5, die Kavität 4 und der Strömungsverlauf im Strömungskanal nochmal besser zu erkennen.
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In 3 ist ein Kühlmittelverteiler 10 in Explosionsdarstellung dargestellt, der beispielsweise für die Versorgung einer Mehrzahl von Kühleinrichtungen aus den 1 und 2 mit Kühlmittel geeignet ist. Zur Verdeutlichung des Funktionsprinzip des Kühlmittelverteilers 10 sind die Rohre 5 der Kühleinrichtungen mit dargestellt, obwohl diese nicht Teil des Kühlmittelverteilers 10 sind. In einer besonderen Ausführung können die Rohre 5 jedoch ein Teil des Kühlmittelverteilers sein.
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Der Kühlmittelverteiler 10 weist eine Trennwand 11, eine obere Abdeckung 12 und eine untere Abdeckung 13 auf. Zwischen der oberen Abdeckung 12 und der Trennwand 11 wird ein erster Hohlraum 14 und zwischen der unteren Abdeckung 13 und der Trennwand 11 ein zweiter Hohlraum 15 gebildet. Der erste Hohlraum 14 wird seitlich durch einen ersten Rahmen 16 und der zweite Hohlraum 15 durch einen zweiten Rahmen 17 begrenzt.
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In der unteren Abdeckung 13 sind zwei Anschlussöffnungen 18, 19 eingebracht, die jeweils mit einem der beiden Hohlräume 14, 15 verbunden sind. Um die erste Anschlussöffnung 18 mit dem ersten Hohlraum 14 zu verbinden, weist der zweite Rahmen 17 eine nach innen weisende Zunge 20 auf, welche mit einer Verbindungsöffnung 21 ausgestattet ist. Das Trennelement 11 weist eine entsprechende Öffnung auf, die aufgrund des Rahmens 17 in der 3 verdeckt ist. Die erste Anschlussöffnung 18, die Verbindungsöffnung 21 und die nicht dargestellte Öffnung im Trennelement 11 fluchten und bilden somit einen Verbindungskanal zwischen der Anschlussöffnung 18 und dem ersten Hohlraum 14. Die genannten Öffnungen können hierbei mittels O-Ringen oder anderen Dichtungsmitteln verbunden sein, sodass eine Abdichtung der Anschlussöffnung 18 gegenüber dem zweiten Hohlraum gewährleistet ist. Es sei darauf hingewiesen, das jegliche Verbindungsstellen, beispielsweise zwischen Abdeckungen 12, 13 und den Rahmen 16, 17, mit Dichtungsmitteln ausgestaltet sein können. Für die einzelnen Verbindungsstellen wird dies im Folgenden nicht immer erwähnt. Die zweite Anschlussöffnung 19 steht direkt mit dem zweiten Hohlraum 15 in Verbindung. An den Anschlussöffnungen 18, 19 ist ein Kühlmittelanschluss 22 angeschlossen, der beispielsweise zum Verbinden mit Schläuchen über entsprechende Anschlüsse 23 ausgebildet sein kann.
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In 4 ist der Kühlmittelverteiler in einem Schnitt dargestellt, wobei die Schnittebene durch mehrere auf einer Linie liegende Achsen 9 von Strömungskanälen verläuft. Wie zu erkennen ist, weist die obere Abdeckung 12 erste Öffnungen 24 und die Trennwand 11 zweite Öffnungen 25 auf.
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Die ersten Öffnungen 24 weisen einen größeren Durchmesser als den Außendurchmesser der Rohre 5 auf. Hierdurch ist der erste Hohlraum 14 mit den Auslauföffnungen 8 von Kühleinrichtungen 1 verbindbar. Die zweiten Öffnungen 25 hingegen weisen einen Durchmesser auf der ungefähr dem Durchmesser der Rohre 5 entspricht. Die Rohre 5 sind, wenn der Kühlmittelverteiler mit Kühleinrichtungen verbunden ist, in die Öffnungen 25 eingesteckt und somit mit der Trennwand 11 dichtend verbunden. Hierdurch sind die Einlassöffnungen 7 der Kühleinrichtungen mit dem zweiten Hohlraum 15 des Kühlmittelverteilers verbunden.
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Dies ist besonders gut in 5 zu erkennen. In dieser ist der Kühlmittelverteiler 10 zusammen mit Rohren 5 von einer Vielzahl von Kühleinrichtungen 1 perspektivisch dargestellt. Wie zu erkennen ist, weisen die ersten Öffnungen 24 einen größeren Durchmesser als der Außendurchmesser der Rohre 5 auf. Somit wird ein Spalt 26 gebildet, welcher zum Verbinden der Auslassöffnungen 8 mit dem zweiten Hohlraum 15 dient.
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In 6 ist ein Energiespeicher 27 in Explosionsdarstellung abgebildet. Der Energiespeicher 27 umfasst einen Kühlmittelverteiler 10, eine Vielzahl von Kühleinrichtungen 1 sowie eine Vielzahl von als Batteriezellen 28 ausgebildeten Speicherzellen. Wie zu erkennen ist, sind die Kontaktierungsabschnitte 3 der Kühleinrichtungen 1 vertieft, d.h. mit einer verringerten Materialstärke im Vergleich zu den Kühlabschnitten 2, ausgebildet, wobei die Batteriezellen 28 in der Vertiefung angeordnet sind. Bei dem dargestellten Beispiel eines Energiespeichers sind Kühleinrichtungen 1 und Batteriezellen 28 abwechselnd angeordnet, sodass jede Batteriezelle 28 auf einer Seite mit jeweils einer Kühleinrichtung 1 in Verbindung steht. Optional ist aber auch die beidseitige Verbindung der Batteriezelle 28 möglich. Um eine besonders gute thermische Verbindung zwischen Kühleinrichtungen 1 und Batteriezellen 28 zu erzielen, kann zwischen den Kühleinrichtungen 1 und den Batteriezellen 28 jeweils eine thermisch leitfähige Klebefolie angeordnet sein.
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Zusätzlich zu den bereits genannten Komponenten sind in 6 ein vorderer Deckel 29 und ein hinterer Deckel 30 des Energiespeichers, sowie Klemmelemente 31 abgebildet. Die beiden Deckel 29, 30 können mittels des Klemmelements aufeinander zu gedrückt werden, sodass ein zwischen den Deckeln 29, 30 angeordneter Stapel von alternierend angeordneten Kühleinrichtungen 1 und Batteriezellen 28 zusammengedrückt wird.
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Der Energiespeicher im zusammengebauten Zustand ist in 7 dargestellt. Wie zu erkennen ist, umgreifen die Klemmelemente 31 beide Deckel 29, 30.
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In 8 ist die Anordnung des Kühlmittelverteilers 10 an der Unterseite des Energiespeichers 27 zu erkennen. Der Kühlmittelverteiler weist eine Grundfläche auf, die nicht größer ist als eine Grundfläche des restlichen Energiespeichers. Hierdurch ist der Energiespeicher 27 insgesamt besonders platzsparend.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102009013651 A1 [0004]
