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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Batterie und ein Kraftfahrzeug mit der erfindungsgemäßen Batterie, wobei die Batterie eine Vielzahl galvanischer Elemente, welche miteinander elektrisch verbunden sind und jeweils eine Entgasungsöffnung aufweisen, und einen Deckel, welcher die Vielzahl der Entgasungsöffnungen bedeckt, umfasst.
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Stand der Technik
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Lithium-Ionen-Zellen können beim elektrischen Missbrauch, beispielsweise Überladung, beim mechanischen Missbrauch, beispielsweise Beschädigung des Gehäuses, beim thermischen Missbrauch sowie beim unbeabsichtigten internen oder externen Kurzschluss eine ungewollte Erwärmung erfahren. Um einen resultierenden Druckanstieg in der Zelle kontrolliert ableiten zu können, verfügen moderne Lithium-Ionen-Zellen über eine Berstöffnung. Bei Batteriesystemen werden diese über ein Entgasungssystem, beispielsweise eine Verbindung mit Kunststoffrohren oder -schläuchen, gesammelt und aus dem Batteriegehäuse nach außen geleitet. Nach außen wird das Entgasungssystem durch ein einfaches Ventil, welches aus einem Schlauch ausgeformt ist, verschlossen. Die dabei austretenden Flüssigkeiten beziehungsweise Dämpfe oder Gase können unzersetzte Elektrolytkomponenten, wie Dimethylcarbonat oder Ethylencarbonat, oder auch brennbare Zersetzungsprodukte, wie Kohlenmonoxid, Wasserstoff oder Methan, sowie ebenfalls ein Zersetzungsprodukt des Leitsalzes, Fluorwasserstoff oder phosphorhaltige Verbindungen wie Phosphoroxytrifluorid enthalten. Auch durch Korrosion oder einfache mechanische Beschädigung der Berstmembran oder des Gehäuses, zum Beispiel durch Feuchtigkeit oder Kriechströme, kann es zum Austritt von Elektrolyt kommen, der sich nur langsam durch abfallende Zellspannungen und Erhöhung der Innenwiderstände bemerkbar macht. Besonders Fluorwasserstoffsäure ist kritisch, da diese zur Korrosion in der Batterie führt. Zu Abführung von Gasen aus Batterien werden derzeit sogenannte Entgasungskanäle verwendet. Ein üblicher Aufbau ist hierzu ein Deckel über einer oder mehreren Batteriezellen, wobei mittels verbundener Rohre oder Schläuche die Gase nach außen geführt werden. Diese Deckel sind aus mindestens zwei Teilen aufgebaut: üblicherweise Metallteile, in welche Öffnungen geschnitten oder gestanzt wurden, die miteinander verlötet oder verschweißt sind.
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Die Patentschrift
DE 101 14 584 A1 offenbart eine Batterieabdeckung mit Öffnungen zur Entgasung.
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Die Druckschriften
JP 2000-182581 A ,
JP 2000-285886 A und
JP 2011 070872 A offenbaren ebenfalls Batterien mit Öffnungen zur Entgasung.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß wird eine Batterie zur Verfügung gestellt, welche eine Vielzahl galvanischer Elemente, welche miteinander elektrisch verbunden sind und jeweils ein Gehäuse mit einer Entgasungsöffnung aufweisen, und einen Deckel, welcher die Vielzahl der Entgasungsöffnungen bedeckt, umfasst, wobei der Deckel eine Vielzahl von Durchgangsöffnungen aufweist, wobei jeder Entgasungsöffnung mindestens eine Durchgangsöffnung zugeordnet ist.
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Im Sinne der vorliegenden Erfindung ist diejenige Durchgangsöffnung des Deckels einer Entgasungsöffnung eines galvanischen Elements zugeordnet, die von der Entgasungsöffnung den geringsten Abstand besitzt.
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Die Erfindung bringt als Vorteil hervor, dass zur Vermeidung von Korrosion infolge austretenden Fluids eine aufwendige und teure Verrohrung oder Schlauchverbindungstechnik eines Entgasungssystems zur Abführung der Gase aus der Batterie entfallen kann.
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In einer bevorzugten Ausführungsform überlappt eine Projektion jeder der Entgasungsöffnungen in die Ebene des Deckels entlang einer Achse, die senkrecht zur Oberfläche des Deckels verläuft, mit der jeweils zugeordneten Durchgangsöffnung mindestens teilweise.
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Mit anderen Worten erfolgt eine Zuordnung der Durchgangsöffnungen derart, dass diese direkt über den Entgasungsöffnungen angeordnet sind, so dass aus den Entgasungsöffnungen (beziehungsweise aus den galvanischen Elementen) austretende Stoffe (Gase, Fluide) direkt auf die Durchgangsöffnungen treffen und somit den Deckel passieren können. Dabei ist es bevorzugt, dass die Entgasungsöffnungen derart ausgebildet sind, dass aus den Entgasungsöffnungen (beziehungsweise aus den galvanischen Elementen) austretende Stoffe senkrecht nach oben entweichen. Alternativ ist es möglich, dass aus den Entgasungsöffnungen (beziehungsweise aus den galvanischen Elementen) austretende Stoffe schräg nach oben entweichen, wobei die Position der Durchgangsöffnungen in einem solchen Fall derart (versetzt) gewählt ist, dass austretende Stoffe ebenfalls auf die Durchgangsöffnungen treffen und somit den Deckel passieren können. Vorzugsweise ist jede Durchgangsöffnung ausgebildet, einen aus dem Inneren des zugeordneten galvanischen Elements austretenden Stoff durch den Deckel zu leiten. Ein Vorteil ist die Möglichkeit, die Entgasungsöffnungen vor einer mechanischen Beschädigung zu schützen.
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Bevorzugterweise sind die Durchgangsöffnungen ausgebildet, einen durch die Entgasungsöffnung entweichenden Stoff strömungstechnisch auszurichten. Ein daraus resultierender Vorteil ist, dass der Deckel gegebenenfalls ein aus einem Inneren eines galvanischen Elements austretendes Fluid in eine bevorzugte Richtung leiten kann und die bevorzugte Richtung weg weist von einem elektrischen Anschluss-Pol mit bezüglich eines elektrischen Potenzials des Fluids entgegengesetzter Polarität. So wird eine Korrosion vermieden, welche gegebenenfalls umso stärker ist, je größer eine elektrische Potenzialdifferenz zwischen dem Fluid und einem Niederschlagsbereich des Fluids ist.
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In einer besonders bevorzugten Variante sind die Durchgangsöffnungen ausgebildet, einen durch die Entgasungsöffnungen entweichenden Stoff strömungstechnisch derart auszurichten, dass der Stoff von einem ersten elektrischen Anschlussterminal des jeweils zugeordneten galvanischen Elementes wegströmt und zu einem zweiten Anschlussterminal des jeweils zugeordneten galvanischen Elementes hinströmt und dabei nach oben entweichen kann.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung der Batterie weist jeweils das erste elektrische Anschlussterminal einen elektrischen Minuspol und jeweils das zweite Anschlussterminal einen elektrischen Pluspol auf. Bevorzugt zeigen die Durchgangsöffnungen auf jenes Anschlussterminal, welches direkt mit dem Zellgehäuse verbunden ist. Bei Aluminium-„Hardcase-Zellen“ ist dies üblicherweise der elektrische Pluspol. Bei einer Entgasung Richtung Minuspol könnte andernfalls durch austretendes Fluid ein Kurzschluss entstehen, welcher eine verstärkte Korrosion zur Folge hätte.
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Als Vorteil ergibt sich eine Vermeidung oder Verminderung von Korrosion in Kombination mit einer erfindungsgemäß vereinfachten und somit günstiger herzustellenden Bauform.
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Ebenfalls ist es möglich, dass der Deckel mit mindestens einer seitlich der galvanischen Elemente angeordneten Adapterplatte mechanisch verbunden ist, wobei die galvanischen Elemente durch den Deckel entlang einer ersten Richtung fixiert sind, die sich senkrecht zur Oberfläche des Deckels erstreckt.
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Vorteil ist die erfindungsgemäße Möglichkeit der vereinfachten Herstellung des Deckels durch Auftrennen des Deckels zur Vorbereitung der Durchgangsöffnungen und anschließendem Biegen des Metalls des Deckels zum Ausbilden von Ausformungen der Durchgangsöffnungen, welche das Fluid strömungstechnisch leiten und in eine bestimmte Richtung lenken.
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Vorzugsweise kann die Verbindung des Deckels mit der Adapterplatte eine Niet-, Schraub- und/oder Schweißverbindung sein.
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Als zusätzliche Variante kann der Deckel als längliche, streifenförmige Platte ausgebildet sein, die jeweils im Bereich der kürzeren, sich gegenüberliegenden Kanten eine Biegung aufweist, wobei der jeweils abgebogene Bereich der Platte mit der mindestens einen Adapterplatte verbunden ist.
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Vorzugsweise begrenzen zwei Adapterplatten einen Stapel von galvanischen Elementen derart, dass jede Adapterplatte mit genau einem galvanischen Element des Stapels benachbart ist.
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Ein dadurch erreichter Vorteil ist eine einfache Möglichkeit der Fertigung bei guter mechanischer Stabilität und eine Fixierung der Zellen entlang der ersten Richtung.
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In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Batterie fixiert ein Spannband die galvanischen Elemente in mindestens einer zweiten Richtung, wobei sich die zweite Richtung parallel zu einer Achse erstreckt, entlang derer die Vielzahl der galvanischen Elemente gestapelt ist.
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Als Vorteil erweist sich die dadurch erzielte Einfachheit der Herstellung bei hoher Stabilität und möglichst wenig Materialeinsatz.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Kraftfahrzeug mit der erfindungsgemäßen Batterie gemäß den vorgenannten Merkmalen offenbart, wobei die Batterie mit dem Kraftfahrzeug elektrisch und mechanisch verbunden ist und die Batterie eine Lithium-Ionen-Batterie ist.
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Der Vorteil eines Kraftfahrzeuges mit der erfindungsgemäßen Batterie ist eine Verbesserung der Sicherheit bei einer vergleichsweise preisgünstigen Herstellung.
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Bevorzugterweise nimmt eine lotrechte Projektionsfläche des Deckels 10 bis 90 Prozent, bevorzugter 25 bis 75 Prozent und noch bevorzugter 40 bis 60 Prozent einer lotrechten Projektionsfläche einer Oberseite der Batterie ein.
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Bevorzugt beträgt bei einer Ausführungsvariante des Deckels aus Blech eine Blech-Dicke zwischen 0,1 bis 2 mm, bevorzugter zwischen 0,3 bis 1,5 mm und noch bevorzugter zwischen 0,5 bis 1 mm an jeder Stelle des Blechs.
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Vorzugsweise erfolgt das strömungstechnische Ausrichten, Leiten oder Kanalisieren eines Entgasungsfluids mittels Auswölbungen im Deckel, die vorzugsweise durch Biegung hergestellt werden.
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Alternativ ist jeweils das zweite Anschlussterminal eines jeden galvanischen Elements mit einem elektrisch leitend ausgebildeten Teilbereich eines Gehäuses des jeweiligen galvanischen Elementes elektrisch und mechanisch verbunden.
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Vorteilhaft daran ist, dass der durch eine Ausrichtung einer Strömungsrichtung des Fluids vorgegebene Niederschlagsbereich infolge metallischer oder elektrisch leitender Ausbildung eines Teilbereichs des Gehäuses vergrößert wird, um ein Fluid aus dem Inneren einer Zelle von einem Bereich wegzulenken, welcher ein elektrisch entgegengesetztes Potenzial aufweist. Somit wird die Sicherheit vor Fehlerströmen und Korrosion verbessert.
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Vorzugsweise sind die Gehäuse der in Reihe gestapelten galvanischen Elemente quaderförmig ausgebildet. Bevorzugt kontaktieren benachbarte Gehäuse einander direkt. Vorzugsweise sind die Entgasungsöffnungen äquidistant entlang einer Linie angeordnet. Bevorzugt überdeckt eine Projektion einer jeweiligen Durchgangsöffnung auf die zugeordnete Entgasungsöffnung dieselbe vollständig.
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Zeichnungen
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine dreidimensionale schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Batterie mit einer ersten bevorzugten Ausführungsvariante einer Entgasungsabdeckung,
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2 eine schematische Darstellung der Herstellungsschritte einer Entgasungsabdeckung gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsform,
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3 eine schematische Darstellung der Herstellungsschritte einer Entgasungsabdeckung gemäß einer dritten bevorzugten Ausführungsform,
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4 eine schematische Darstellung der Herstellungsschritte einer Entgasungsabdeckung gemäß einer vierten bevorzugten Ausführungsform,
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5 eine dreidimensionale schematische Darstellung einer Entgasungsabdeckung gemäß einer fünften bevorzugten Ausführungsform, und
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6 eine dreidimensionale schematische Darstellung einer Entgasungsabdeckung gemäß einer sechsten bevorzugten Ausführungsform.
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Ausführungsformen der Erfindung
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1 zeigt eine dreidimensionale schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Batterie 100 gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsvariante mit einer Entgasungsabdeckung 101, im Folgenden auch als Deckel 101 bezeichnet.
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Jedes galvanische Element 104 (im Folgenden auch als Batterie-Zelle 104 bezeichnet) weist jeweils eine korrespondierende Ausformung 105 (im Folgenden auch als Durchgangsöffnung 105 bezeichnet) im Deckel 101 auf. Bevorzugt sind die Öffnungen der Ausformung 105 auf ein elektrisches Anschlussterminal der Zelle 104 gerichtet, welches direkt mit dem Zellgehäuse verbunden ist. Bei Aluminium-Hardcase-Zellen ist das bevorzugte Anschlussterminal üblicherweise der elektrische Pluspol. Denn bei einer Entgasung Richtung Minuspol könnte durch die aus einem galvanischen Element 104 mittels Berstöffnung austretenden Stoffe (Fluid) ein elektrischer Kurzschluss entstehen. Der Kurzschluss wird erfindungsgemäß vermieden, indem die Ausformung 105 strömungstechnisch derart gestaltet ist, das Fluid vom nächstliegenden potentiellen Strompfad wegzuleiten und nach oben, Richtung z, entweichen zu lassen. Als Strompfad bildet sich im Fehlerfall der Weg zwischen Elektrolyt im Inneren eines galvanischen Elements 104 zu einem elektrischen Anschluss an der Außenseite der Zelle 104.
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Der Deckel 101 ist seitlich abgebogen und mit einer Adapterplatte 102 verbunden durch beispielsweise Nieten, Schrauben oder Schweißen, und der Deckel 101 hält die Zellen 104 bei Krafteinwirkung oder Vibrationen in z-Richtung, nach oben, fest. Ein Spannband 103 fixiert die Zellen in x- und y-Richtung.
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Der Deckel 101 umfasst alle Zellen 104 zwischen zwei Adapterplatten 102 mindestens im Bereich der Anschlussterminals und Berstöffnungen der Zellen 104.
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2 zeigt eine dreidimensionale schematische Darstellung von Formen des Deckels 101 während der Herstellung des Deckels 101 gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsform. Zuerst wird das Blech mit einem Werkzeug, vorzugsweise mittels Wasserstrahl oder Laser angeschnitten und danach werden die Öffnungen 220 (oben) mechanisch ausgeformt (unten).
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Die Öffnungen (Schnitte) 220 im oberen Teil der Figur sind derart ausgeformt, dass das Material links der Öffnung (Schnitt) 220 nach oben gewölbt ist und das Material rechts der Öffnung (Schnitt) 220 in einer Ebene verbleibt.
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Vorzugsweise weisen nebeneinander befindliche Terminals benachbarter Zellen 104 dann eine unterschiedliche Polarität auf, wenn benachbarte Zellen 104 elektrisch in Reihe geschaltet werden mittels Brückenelementen. In einem solchen Fall ist es bevorzugt, dass die beabsichtigten Fluid-Strahl-Richtungen der Durchgangsöffnungen 105 nicht nur zu einer Seite zeigen, sondern die Richtungen der Durchgangsöffnungen 105 zur Anordnung der Pole der Batteriezelle korrespondieren und somit alternieren können.
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3 zeigt eine dreidimensionale schematische Darstellung eines Deckels 101 gemäß einer dritten bevorzugten Ausführungsform, wobei eine Ausbreitungsrichtung des Fluids nach oben seitlich weggelenkt werden kann. Die Ausformung 105 im Deckel 101 ist darstellungsweise umrandet, um dieses Detail 105 vergrößert darzustellen.
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Die vergrößerte dreidimensionale Darstellung der Ausformung 105 gemäß der dritten bevorzugten Ausführungsform zeigt, wie der eingeschnittene Deckel 101 derart geformt wurde, dass das Material links des Schnitts 220 nach oben gewölbt ist und das Material rechts der Öffnung (Schnitt) 220 nach unten gewölbt ist.
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4 zeigt eine dreidimensionale schematische Darstellung eines Deckels 101 gemäß einer vierten bevorzugten Ausführungsform, wobei der Deckel 101 alle Zellen 104 im Bereich von deren Anschlussterminals abdeckt.
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Erfindungsgemäß bietet der Deckel 101 einerseits einen mechanischen Schutz, dient andererseits als Halterung der Zellen 104 und schützt ebenfalls darüber liegende Teile vor einer Beschädigung durch eventuell aus beispielsweise gebrochenen Zellen 104 ausströmendes Fluid.
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Im oberen Bereich der 4 ist ein Deckel 101 mit Öffnungen (Einschnitten) 220 gezeigt, welche eine Deckelwand entlang von innerhalb des Deckels 101 befindlichen Geraden durchstoßen. Dabei sind die Öffnungen (Einschnitte) 220 dreireihig und entlang einer Längsachse alternierend versetzt angeordnet, so dass die erste und letzte Reihe in gleicher Phase läuft, während die dazwischen verlaufende Reihe in einer um 180 Grad versetzten Phase angeordnet ist.
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Im unteren Bereich der 4 hat der Deckel 101 mit Öffnungen (Einschnitten) 220 eine charakteristische Form erhalten, wobei eine linienartige Verbindung der nach innen gewandten Kanten der Öffnungen (Schnitte) 220 der ersten sowie eine linienartige Verbindung der nach innen gewandten Kanten der Öffnungen (Schnitte) 220 der dritten Reihe sinusartige Kurven beschreiben, wobei ein lokales Minimum der Sinuskurve mit einer geradenartigen Linie zusammen fällt, welche durch eine linienartige Verbindung der nach außen gewandten Kanten der Öffnungen (Schnitte) 220 gebildet werden.
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Die Öffnungen (Schnitte) 220 in der mittleren Reihe sind derart ausgeformt, dass das Material links der Öffnung (Schnitt) 220 nach oben gewölbt ist und das Material rechts der Öffnung (Schnitt) 220 nach unten gewölbt ist.
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5 zeigt eine dreidimensionale schematische Darstellung eines Deckels 101 gemäß einer fünften bevorzugten Ausführungsform, wobei auf eine Darstellung der vorhandenen Ausformungen 105 im Deckel 101 aus Gründen der Übersichtlichkeit verzichtet wurde. Dargestellt ist eine bevorzugte Verbindung des Deckels 101 mit der Adapterplatte 102 durch beispielsweise Nieten oder Schrauben von oben in die Adapterplatte 102.
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6 zeigt eine dreidimensionale schematische Darstellung eines Deckels 101 gemäß einer sechsten bevorzugten Ausführungsform, wobei ebenfalls auf eine Darstellung der vorhandenen Ausformungen 105 im Deckel 101 aus Gründen der Übersichtlichkeit verzichtet wurde. Dargestellt ist hier eine bevorzugte Verbindung des Deckels 101 mit der Adapterplatte 102 durch eine Schweißverbindung.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10114584 A1 [0003]
- JP 2000-182581 A [0004]
- JP 2000-285886 A [0004]
- JP 2011070872 A [0004]
