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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Kühlelement zum Kühlen einer elektrischen Maschine und ein Verfahren zum Herstellen des Kühlelements. Die elektrische Maschine kann ein Elektromotor oder ein Elektrogenerator sein.
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Eine elektrische Maschine soll einen maximalen Wirkungsgrad aufweisen, um eine maximale Leistung für eine Last bereitzustellen, die mit der elektrischen Maschine zu betreiben ist. Um dies zu erreichen, sind bestimmte Parameter beim Betrieb der elektrischen Maschine zu berücksichtigen, wie beispielsweise die Betriebstemperatur der elektrischen Maschine, usw. Zur Beeinflussung der Betriebstemperatur der elektrischen Maschine finden Kühlsysteme Verwendung, welche Aluminium- und/oder Kupferrohre zur Kühlung der elektrischen Maschine einsetzen.
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Eine solche Kühlung hat jedoch den Nachteil, dass eine galvanische Trennung auftritt, wenn Kühlmittel in Kontakt mit Aluminium und/oder Kupfer kommt. Dadurch ist die Wahl des Kühlmittels sehr beschränkt.
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Zudem ist die Ausführung mit Aluminium- und/oder Kupferrohren als Kühlsystem in der Fertigung aufwändig.
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Ein weiteres Problem besteht darin, dass elektrische Maschinen in der Regel eine kompakte Bauweise aufweisen sollen. Hierdurch soll zum einen Material und damit Kosten gespart und zum anderen nur wenig Raum durch die elektrische Maschine beansprucht werden.
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Daher ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Kühlelement zum Kühlen einer elektrischen Maschine und ein Verfahren zum Herstellen des Kühlelements bereitzustellen, mit welchen die zuvor genannten Probleme gelöst werden können. Insbesondere sollen ein Kühlelement zum Kühlen einer elektrischen Maschine und ein Verfahren zum Herstellen des Kühlelements bereitgestellt werden, bei welchen der Wirkungsgrad der elektrischen Maschine maximal ist, um mit der elektrischen Maschine eine maximale Leistung für eine mit der elektrischen Maschine zu betreibende Last bereitzustellen.
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Diese Aufgabe wird durch ein Kühlelement zum Kühlen einer elektrischen Maschine nach Patentanspruch 1 gelöst.
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Vorteilhafte weitere Ausgestaltungen des Kühlelements sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
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Mit dem Kühlelement wird eine sehr einfache und kostengünstige Lösung bereitgestellt, mit welcher die maximale Leistung für eine mit der elektrischen Maschine zu betreibende Last bereitstellbar ist. Zudem ist das Kühlelement derart ausgestaltet, dass Kühlanschlüsse je nach Bedarf eines Nutzers der elektrischen Maschine radial oder axial anbringbar sind.
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Darüber hinaus bietet eine Anfertigung des Kühlelements aus Edelstahl den Vorteil, dass Edelstahl eine sehr gute chemische Beständigkeit hat. Dadurch können Nutzer der elektrischen Maschine verschiedene Kühlmittel verwenden, welche bei einer Ausführung als Alu-Kühlsystem und/oder Kühlsystem mit Kupferrohren wegen der galvanischen Trennung nicht zum Einsatz kommen dürfen.
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Die Aufgabe wird zudem durch ein Verfahren zum Herstellen eines Kühlelements zum Kühlen einer elektrischen Maschine nach Patentanspruch 10 gelöst.
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Das Verfahren erzielt die gleichen Vorteile, wie sie zuvor in Bezug auf das Kühlelement genannt sind.
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Weitere mögliche Implementierungen der Erfindung umfassen auch nicht explizit genannte Kombinationen von zuvor oder im Folgenden bezüglich der Ausführungsbeispiele beschriebenen Merkmale oder Ausführungsformen. Dabei wird der Fachmann auch Einzelaspekte als Verbesserungen oder Ergänzungen zu der jeweiligen Grundform der Erfindung hinzufügen.
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Nachfolgend ist die Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung und anhand von Ausführungsbeispielen näher beschrieben. Es zeigen:
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1 eine dreidimensionale Ansicht eines Kühlelements für eine elektrische Maschine mit einem offenen Kühlsystem gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel;
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2 eine Explosionsansicht des Kühlelements von 1;
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3 eine Schnittansicht des Kühlelements für eine elektrische Maschine mit dem offenen Kühlsystem gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel;
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4 eine dreidimensionale Ansicht eines Flanschs des Kühlelements gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel;
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5 bis 7 jeweils eine Seitenansicht einer Variante eines Leitelements für eine elektrische Maschine mit einem offenen Kühlsystem gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel;
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8 eine dreidimensionale Ansicht eines Kühlelements für eine elektrische Maschine mit einem offenen Kühlsystem gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel;
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9 eine dreidimensionale Ansicht eines Kühlelements für eine elektrische Maschine mit einem geschlossenen Kühlsystem gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel;
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10 eine Ansicht zur Veranschaulichung der Kühlmittelflussrichtung im geschlossenen Kühlsystem gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel; und
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11 eine Ansicht zur Veranschaulichung des Druckverlaufs im geschlossenen Kühlsystem gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel.
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In den Figuren sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente, sofern nichts anderes angegeben ist, mit denselben Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt ein Kühlelement 1 für eine nicht dargestellte elektrische Maschine, welche einen Stator und einen Rotor derart aufweist, dass der Rotor gegenüber dem Stator drehbar ist. Das Kühlelement 1 ist als Kühlmantel ausgebildet und dient zum Leiten von Kühlmittel zum Stator, so dass der Stator gekühlt wird. Das Kühlmittel ist beispielsweise Wasser, Öl, Gas, insbesondere gekühlte Luft, usw.
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In 1 hat das Kühlelement 1 einen hohlzylindrischen Körper 10, eine Vielzahl von Leitelementen 20, von welchen in 1 der Übersichtlichkeit halber nicht alle Leitelemente 20 mit einem Bezugszeichen versehen sind, und einen Flansch 30 an jedem Ende des hohlzylindrischen Körpers 10. Der hohlzylindrische Körper 10 kann auch als innerer Zylinder oder Mantel bezeichnet werden. Der hohlzylindrische Körper 10, die Leitelemente 20 und die Flansche 30 sind aus einem wärmeleitfähigen Material gefertigt. Vorzugsweise sind der hohlzylindrische Körper 10, das Leitelement 20 und die Flansche 30 aus einem rostfreien Material, insbesondere aus Edelstahl, usw., gefertigt.
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Die Leitelemente 20 weisen jeweils an einem ihrer Enden eine Aussparung 21 auf. Ferner sind die Leitelemente 20 derart an dem hohlzylindrischen Körper 10 angeordnet, dass sie jeweils Kammern 22 begrenzen. Hierzu sind die Leitelemente 20 jeweils beabstandet zueinander und in etwa parallel zueinander an dem hohlzylindrischen Körper 10 angeordnet. In 1 ist der Abstand zwischen den Leitelementen 20 jeweils gleich. Zudem sind die Aussparungen 21 derart angeordnet, dass sie bei direkt benachbarten Leitelementen 20 abwechselnd an den beiden Enden des hohlzylindrischen Körpers 10 angeordnet sind, wie in 1 und 2 dargestellt. Wird Kühlmittel in die Kammern gefüllt, wenn das Kühlelement 1 in der elektrischen Maschine eingebaut ist, kann das Kühlmittel durch die Aussparungen 21 von Kammer 22 zu Kammer 22 fließen. Aufgrund der Anordnung der Aussparungen 21 in den Leitelementen 20 entspricht die Fließlinie des Kühlmittels bei dem Kühlelement 1 einer Schlangenlinie. Somit dienen die Leitelemente 20 zum Leiten von Kühlmittel der elektrischen Maschine über den hohlzylindrischen Körper 10. Durch die Aussparungen 21 wird das Kühlmittel quer zum jeweiligen Leitelement 20 über den hohlzylindrischen Körper 10 geleitet Die Flansche 30 dienen jeweils zur Aufnahme des hohlzylindrischen Körpers 10 und der Vielzahl von Leitelementen 20.
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2 zeigt das Kühlelement 1 mit seinen Elementen 10, 20, 30 genauer. Hier ist ein Rand 31 des Flanschs 30 zu sehen, in welchem eine Vielzahl von Aussparungen 32 in Form von Nuten vorgesehen sind. Der Übersichtlichkeit halber sind nicht alle Aussparungen 32 in 2 mit einem Bezugszeichen versehen. In jeweils eine der Aussparungen 32 kann eines der Leitelemente 20, vorzugsweise passgenau, aufgenommen werden. Hierzu sind die Leitelemente 20 entsprechend lang ausgeführt, dass sie von den Flanschen 30 aufgenommen werden können, die an den beiden Enden des hohlzylindrischen Körpers 10 montiert werden. Dadurch kann jeder der Flansche 30 zum Führen oder Halten der Leitelemente 20 an dem hohlzylindrischen Körper 10 beitragen. In jedem Flansch 30 sind zudem Befestigungseinrichtungen 33 zum Befestigen des Kühlelement 1 in der elektrischen Maschine vorgesehen, auch wenn die Befestigungseinrichtungen 33 in 2 nur für den auf der linken Seite von 2 dargestellten Flansch 30 sichtbar sind.
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In 1 und 2 sind die Leitelemente 20 jeweils so lang wie der hohlzylindrische Körper 10. Zudem sind die Leitelemente 20 in etwa parallel zu der Achse des hohlzylindrischen Körpers 10 angeordnet. Die Leitelemente 20 können jeweils aus einem gekrümmten und/oder ebenen rostfreiem Blech gefertigt sein. Der hohlzylindrische Körper 10 kann aus einem Blech gefertigt sein, welches in Form eines Zylinders oder einer Walze, durch Walzen oder Runden von Blech, gekrümmt und an den aneinander anliegenden Enden verschweißt ist. Seine Funktion ist, das Kühlelement 1 zusammenzuhalten. Die Walzstärke des hohlzylindrischen Körpers 10 wird den Anforderungen entsprechend abhängig von der Größe der elektrischen Maschine, die durch die Motorleistung bestimmt werden, angepasst. Dadurch ergibt sich der Durchmesser und die Länge des hohlzylindrischen Körpers 10.
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Das Kühlelement 1 in 1 und 2 ist bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel Teil eines offenen Kühlsystems. Das offene Kühlsystem besteht aus Flanschen 30, dem inneren Zylinder oder Mantel, dem hohlzylindrischen Element 10, sowie den Kammern 21 bzw. den Leitelementen 20 mit der Aussparung 21. Die Elemente 10, 20, 30 sind aneinander befestigt, insbesondere miteinander verschweißt, beispielsweise durch Laser-, TIG-, Widerstands- oder andere Schweißverfahren. Die Leitelemente 20 können an den hohlzylindrischen Körper 10 angeschweißt oder nur in die Aussparungen 32 des Flansches 30 eingesetzt werden.
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3 zeigt das Kühlelement 1 eingebaut in ein Statorgehäuse 2 mit einem Stator 3, in welchem ein Rotor 4 drehbar ist. Das Kühlelement 1 und das Statorgehäuse 2 sind durch Dichtelemente 5 abgedichtet. Eines der oder beide Dichtelemente 5 können beispielsweise als O-Ring ausgeführt sein. Bei einem offenen Kühlsystem fließt das Kühlmittel zwischen dem Statorgehäuse 2 und der Außenseite des Kühlelements 1, durch welche die elektrische Maschine und das Gehäuse 2 direkt gekühlt werden.
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4 zeigt einen der Flansche 30 genauer. Der Flansch 30 kann aus rostfreiem Rohr oder einer Platte oder einem Blech abgespänt oder gefertigt sein, die mit Wasserstrahlschnitt oder Laser abgeschnitten sind. Die Flansche 30 haben Platz für Aufsitze bzw. Passungssitze und die Aussparungen 32, in denen die Schweißnaht 34 zum Bilden des hohlzylindrischen Körpers 10 aus einem Blech, vorzugsweise versteckt, untergebracht werden. Der Hauptteil sind aber die Aussparungen 32, in die jeweils eines der Leitelemente 20 eingesetzt wird. Dadurch können die Leitelemente 20 zwischen dem hohlzylindrischen Körper 10 und dem Flansch 30 angeordnet werden. Der Flansch 30 hat an der Außenseite am äußeren Bogen eine zweite Aussparung 35 für das Dichtelement 5 von 3, das zur Abdichtung des Kühlmittels zwischen dem Statorgehäuse 2 und dem Rotor dient. Das Bezugszeichen 36 steht für einen Anschluss zum Einfüllen des Kühlmittels. Der Anschluss 36 kann von einem Nutzer der elektrischen Maschine, in welcher das Kühlelement 1 eingebaut ist, beispielsweise entweder axial oder radial gewählt werden.
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5 zeigt ein Leitelement 20 mit der Aussparung 21 neben dem Rand des Leitelements 20 an dessen einen Ende. Das Leitelement 20 ist der Einfachheit halber verkürzt dargestellt, wie durch die schrägen Schnittlinien zwischen dem einen und dem anderen Ende des Leitelements 20 angedeutet. Die Leitelemente 20 sind ausreichend steif und fest in das Kühlelement 1 eingebaut, damit sie sich unter Wasserdruck und den auf das Kühlelement 1 einwirkenden Kräften nicht biegen. Jedes der Leitelemente 20 lenkt das Kühlmittel über die Oberfläche des hohlzylindrischen Körpers 10 und durch die Aussparungen 21, um ihn dadurch zu kühlen. Die Leitelemente 20 sind bei diesem Ausführungsbeispiel eine gerade Leiste. Sie können jedoch auch als zumindest teilweise gebogene Leiste oder Draht oder Rohr ausgestaltet sein.
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6 und 7 zeigen alternative Formen zu der in 1, 2 und 5 gezeigten Form der Aussparungen 21.
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In 6 sind mehrere halbrunde Aussparungen 23 vorgesehen, die an einem Ende des Leitelements 20 benachbart zueinander in einer Reihe angeordnet sind. An dem anderen Ende 24 des Leitelements 20 ist das Leitelement 20 beispielsweise gerade und nicht gebogen ausgeführt. Es ist jedoch auch eine gebogene Ausführung denkbar.
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In 7 sind mehrere runde, insbesondere ovale, Aussparungen 25 vorgesehen, die über die Länge des Leitelements 20 beabstandet verteilt sind und verschiedene Größen haben. In 7 sind nicht alle Aussparungen 25 mit einem Bezugszeichen versehen. Der Abstand zwischen den Aussparungen 25 ist in 7 jeweils gleich. Die Größe und der Abstand der Aussparungen 25 kann jedoch auch anders gewählt werden. Insbesondere kann die Größe der Aussparungen 25 gleich sein und/oder der Abstand unterschiedlich.
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Insgesamt können die Aussparungen 21, 23, 25 unterschiedliche Formen haben, insbesondere mehreckig, wie rechtwinklig, dreieckig, viereckig, usw, oder oval, kreisrund, langlochförmig, usw. Zudem können die Aussparungen 21, 23, 25 auch direkt am Ende eines Leitelements 20 angeordnet sein, ohne dass ein Steg am Rand gebildet ist, wie er in 5 und 6 gezeigt ist. Darüber hinaus können die Leitelemente 20 eine gerade oder zumindest teilweise gebogene Leiste sein. Zudem sind alle zuvor genannten Varianten der Leitelemente 20 und ihrer Aussparungen 21, 23, 25 für ein einziges Leitelement 20 und/oder für einen Teil oder alle der Leitelemente 20 an einem Kühlelement 1 beliebig kombinierbar.
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8 zeigt ein Kühlelement 7 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel. Das Kühlelement 7 gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist in weiten Teilen aufgebaut wie das Kühlelement 1 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel. Im Unterschied zum Kühlelement 1 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel sind bei dem Kühlelement 7 gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel jedoch die Leitelemente 20 fast alle kürzer als die Länge des hohlzylindrischen Körpers 10. Die Länge der Leitelemente 20 ist derart gewählt, dass eine Öffnung zum Leiten des Kühlmittels quer zum Leitelement 20 über den hohlzylindrischen Körper 10 ausgebildet ist. Dadurch können die Aussparungen 21, 23, 25 gemäß 5 bis 7 des ersten Ausführungsbeispiels in dem Leitelement 20 entfallen. Es ist jedoch nicht ausgeschlossen, dass zumindest ein Teil der Leitelemente 20 bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel dennoch eine oder mehrere der Aussparungen 21, 23, 25 gemäß 5 bis 7 des ersten Ausführungsbeispiels aufweist.
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Auch bei dem Kühlelement 7 gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel sind die Leitelemente 20 derart angeordnet, dass sie bei direkt benachbarten Leitelementen 20 abwechselnd an den beiden Enden des hohlzylindrischen Körpers 10 angeordnet sind, wie in 8 dargestellt. Wird Kühlmittel in die Kammern 21 gefüllt, wenn das Kühlelement 1 in der elektrischen Maschine eingebaut ist, kann das Kühlmittel um die Leitelemente 20 herum von Kammer 22 zu Kammer 22 fließen. Aufgrund der Anordnung der Leitelemente 20 entspricht auch hier die Fließlinie des Kühlmittels einer Schlangenlinie.
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9 zeigt ein Kühlelement 8 gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel. Das Kühlelement 8 gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist in weiten Teilen aufgebaut wie das Kühlelement 1 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel. Im Unterschied zum Kühlelement 1 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel umfasst das Kühlelement 8 gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel jedoch ein geschlossenes Kühlsystem. Das geschlossene Kühlsystem ist ähnlich wie das offene Kühlsystem, mit dem Unterschied, dass es zusätzlich einen weiteren hohlzylindrischen Körper 40 zum Schließen des Kühlsystems aufweist. Der weitere hohlzylindrische Körper 40 schließt den Kühlbereich des Kühlelements 8, damit der Kühlbereich zu einem geschlossenen Kühlsystem wird. Dadurch befindet sich das Kühlmittel nicht in direktem Kontakt mit dem Gehäuse 2, wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel in Bezug auf 3 beschrieben. Dadurch ist bei dem Kühlelement 8 keine Dichtung zwischen der elektrischen Maschine und dem Gehäuse 2 erforderlich, das in 3 gezeigt ist.
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In 9 ist der weitere hohlzylindrische Körper 40 beispielsweise ein angeschweißter Außenzylinder oder ein Mantel. Für die Anfertigung eines geschlossenen Kühlsystems können die Flansche 30 noch zusätzlich bearbeitet werden.
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10 zeigt den Weg der Kühlflüssigkeit durch das Kühlelement 8 mit Hilfe des Pfeils P.
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11 stellt die Simulation eines Druckabfalls in einem Kühlelement 8 mit Hilfe von Linien 70 dar.
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Alle zuvor beschriebenen Ausgestaltungen der Kühlelemente 1, 7, 8 und der elektrischen Maschine können einzeln oder in allen möglichen Kombinationen Verwendung finden. Insbesondere können alle Merkmale und/oder Funktionen der zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele beliebig kombiniert werden. Zusätzlich sind insbesondere folgende Modifikationen denkbar.
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Die in den Figuren dargestellten Teile sind schematisch dargestellt und können in der genauen Ausgestaltung von den in den Figuren gezeigten Formen abweichen, solange deren zuvor beschriebenen Funktionen gewährleistet sind.
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Die Anzahl der Leitelemente 20 ist beliebig wählbar. Insbesondere umfasst eine Vielzahl von Leitelementen 20 auch nur zwei Leitelemente 20. Der Abstand zwischen den einzelnen Leitelementen 20 ist beliebig wählbar. Insbesondere kann der Abstand auch unterschiedlich gewählt sein.
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Das Kühlelement 8 kann Leitelemente 20 gemäß einer der 1, 2, 5 bis 8 oder eine Kombination davon aufweisen.
