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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Modul, das mindestens zwei Zellen zum Ausgeben elektrischer Energie sowie ein Trennelement aufweist, wobei das Trennelement zwischen den zwei Zellen angeordnet ist, sowie ein Trennelement.
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Bei Batteriemodulen, beispielsweise bei Lithium-Ionen-Batteriemodulen mit prismatischen Zellen, wird eine bestimmte Anzahl von einzelnen Batteriezellen verwendet, wobei die Zellen untereinander durch ein elektrisch isolierendes Material, das auch als „Spacer” bezeichnet wird, getrennt sind. Dieses elektrisch isolierende Material ist in der Regel ein Kunststoffmaterial, das auch thermisch isoliert. Für den Fall des „thermal runaway” einer Zelle, also des Überhitzens, bis die jeweilige Zelle öffnet, ist die thermische Isolation auch von Vorteil, da damit eine Kettenreaktion in dem Modul unterbunden werden kann. So offenbart die Druckschrift
DE 197 21 348 A1 einen mehrzelligen Akkumulator, bei dem die einzelnen Zellen durch eine wärmeisolierende Feststoffschicht von einander getrennt sind. Diese wärmeisolierende Feststoffschicht weist eine Wärmeleitfähigkeit von lediglich 0,01 W/(m·K) bis 0,2 W/(m·K) auf. Nachteilig an derartigen Isolationsschichten ist jedoch, dass eine homogene Temperierung der Zellen nur durch eine Bodenkühlung des Moduls erreicht werden kann.
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Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Modul sowie ein Trennelement vorzuschlagen, mit denen die genannten Nachteile vermieden werden können, also eine homogene Temperierung aller einzelnen Zellen eines Moduls ermöglicht wird.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Modul nach Anspruch 1 und ein Trennelement nach Anspruch 11. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
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Ein Modul weist mindestens zwei Zellen zum Ausgeben elektrischer Energie und ein Trennelement auf. Das Trennelement ist zwischen den zwei Zellen angeordnet. Dieses Trennelement umfasst ein Kompositmaterial aus einem ersten Material und einem zweiten Material. Das erste Material dient hierbei als Matrix, also als Ausgangsstoff, in den das zweite Material eingebettet ist. Sowohl das erste Material als auch das zweite Material sind elektrisch isolierend, das zweite Material weist jedoch eine höhere Wärmeleitfähigkeit als das erste Material auf. Dadurch, dass das erste Material und das zweite Material und somit auch das Kompositmaterial elektrisch isolierend sind, wird auch eine elektrische Isolierung der Zellen des Moduls voneinander erreicht. Durch die unterschiedlich hohen Wärmeleitfähigkeiten des ersten Materials und des zweiten Material kann jedoch durch entsprechende Mischungsverhältnisse die gesamte Wärmeleitfähigkeit des Kompositmaterials derart eingestellt werden, dass eine ausreichende Wärmeleitfähigkeit des Trennelements und somit eine homogene Temperierung der Zellen des kompletten Moduls erreicht wird. Hierdurch wird eine gleichmäßige Alterung der Zellen des Moduls erreicht und somit ein frühzeitiger Ausfall einzelner Zellen verhindert. Außerdem kann auf eine aufwändige Kühlung der Zellen verzichtet werden oder diese zumindest deutlich vereinfacht werden. Die Warmeleitfähigkeit soll hierbei bei einer Temperatur von 20°C verglichen werden. Unter einem elektrisch isolierenden Material soll im Rahmen dieser Schrift jedes Material verstanden werden, das eine Leitfähigkeit von weniger als 10–8 S/m aufweist. Als Kompositmaterial werden Materialien bezeichnet, die aus zwei oder mehr Ausgangsstoffen bestehen, wobei die einzelnen Ausgangsstoffe und das daraus erzeugte Kompositmaterial sich in mindestens einer physikalischen oder chemischen Eigenschaft deutlich voneinander unterscheiden, also beispielsweise einen Unterschied in einem Wert einer entsprechenden physikalischen oder chemischen Kenngröße von mindestens 10% des höheren Werts aufweisen. Die Ausgangsstoffe verbleiben in dem Kompositmaterial als separate Teilchen, wobei typischerweise einer der beiden Ausgangsstoffe die Matrix bildet, in den der andere Stoff eingelagert und von der Matrix umhüllt ist. Kompositmaterialien werden teilweise auch als Kompositwerkstoffe oder als Verbundwerkstoffe bezeichnet.
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Die Zellen des Moduls, die eingerichtet sind, elektrische Energie auszugeben und bzw. oder zu erzeugen, können Primärzellen oder Sekundärzellen sein, also Batterien oder Akkumulatoren, jedoch auch Brennstoffzellen umfassen. Die Zellen können als prismatische Zellen vorliegen. Das Trennelement ist typischerweise in direktem Kontakt mit beiden Zellen, wobei vorzugsweise ein Kontaktbereich gerade eine Gehäusewand einer der Zellen und eine fluchtend zu der Gehäusewand angeordnete Oberfläche der Trennschicht ist.
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Es kann vorgesehen sein, dass das erste Material und das zweite Material bei einer Temperatur von 20°C, also bei Raumtemperatur, in einem festen Aggregatzustand vorliegen. Dies erlaubt einen kompakten Aufbau mit definierten Abständen zwischen den einzelnen Zellen. Alternativ oder zusätzlich können in das Kompositmaterial mindestens drei Körper, typischerweise mehr als drei Körper aus einem dritten Material eingebracht sein. Das dritte Material ist ebenfalls elektrisch isolierend und liegt bei einer Temperatur von 20°C in fester Form vor. Dieses dritte Material weist eine höhere Transformationstemperatur als das Matrixmaterial auf. Unter einer Transformationstemperatur soll hierbei jegliche Temperatur verstanden werden, bei der eine Abweichung von dem festen Aggregatzustand festgestellt wird. Somit sollen hierunter sowohl eine Erweichungstemperatur als auch eine Schmelztemperatur fallen, bei der ein Festkörper in einen Schmelz- bzw. in einem flüssigen Aggregatzustand übergeht. Durch das Vorsehen von Körpern aus einem dritten Material mit einer hohen Transformationstemperatur wird auch bei einem Schmelzen des Kompositmaterials ein Abstand zwischen den Zellen des Moduls durch die Körper aus dem dritten Material gewährleistet. Dadurch, dass drei der Körper vorgesehen sind, jedoch auch mehr als drei der Körper in dem Matrixmaterial enthalten sein können, wird ein definierter Abstand zwischen den Zellen stets gewährleistet und somit auch eine thermische und elektrische Isolation erreicht. Die Transformationstemperatur des Kompositmaterials liegt über einer gewöhnlichen Betriebstemperatur derartiger Zellen von zwischen 50°C bis 70°C und beträgt vorzugsweise mindestens 80°C, besonders vorzugsweise jedoch höchstens 150°C. Zum Einhalten eines Mindestabstands zwischen den Zellen können die Körper in einer Ebene in dem Kompositmaterial angeordnet sein. Somit bestimmt ein Durchmesser bzw. eine Breite der Körper gerade den Abstand, der durch die Körper eingehalten werden kann.
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Die in das Kompositmaterial eingebrachten Körper können Glas umfassen und bzw. oder kugelförmig oder zylindrisch sein. Glas ist sowohl elektrisch isolierend als auch thermisch stabil und somit als Abstandshalter mit einer hohen Glasübergangstemperatur gut geeignet. Durch die kugelförmige bzw. zylindrische Form kann bei einem Schmelzen des Kompositmaterials ein Abstand zwischen den Zellen zuverlässig eingehalten werden. Vorzugsweise beträgt ein Durchmesser oder eine Breite der Körper zwischen 300 μm und 1500 μm, besonders vorzugsweise zwischen 400 μm und 1300 μm.
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Das Kompositmaterial kann ein Treibmittel umfassen, das vorzugsweise eine Zersetzungstemperatur von zwischen 100°C und 250°C aufweist und besonders vorzugsweise Azodicarbonamid umfasst. Ist ein Herausfließen des Kompositmaterials aus dem Modul konstruktiv bedingt nicht möglich, beispielsweise aufgrund einer flächigen Bodenkühlung, so kann das Material durch das Treibmittel an den Seiten oder nach oben herausgedrückt werden.
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Die Wärmeleitfähigkeit des Kompositmaterials kann bei Erreichen der Transformationstemperatur und/oder der Zersetzungstemperatur des Treibmittels um mindestens einen Faktor 3, vorzugsweise um mindestens einen Faktor 10 reduziert werden. Durch dieses schlagartige Herabsetzen der Wärmeleitfähigkeit wird eine sehr effiziente thermische Isolierung zwischen den Zellen des Moduls erreicht.
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Es kann auch vorgesehen sein, dass das Kompositmaterial einen Gewichtsprozentanteil des zweiten Materials aufweist, der größer als oder gleich groß wie der Gewichtsprozentanteil des ersten Materials ist. Das Matrixmaterial enthält somit hauptsächlich das zweite Material, das zum Einstellen der gewünschten Wärmeleitfähigkeit dient. Typischerweise ist ein Gewichtsprozentanteil des dritten Materials noch kleiner als der Gewichtsprozentanteil des ersten Materials und bzw. oder des zweiten Materials. Vorzugsweise beträgt ein Gewichtsprozentanteil des zweiten Materials mindestens 60 Gewichtsprozent, besonders vorzugsweise mindestens 65 Gewichtsprozent, ein Gewichtsprozentanteil des ersten Materials mindestens 30 Gewichtsprozent und ein Gewichtsprozentanteil des dritten Materials vorzugsweise mindestens 0,1 Gewichtsprozent bis zu einem Gewichtsprozent.
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Eine Wärmeleitfähigkeit des Kompositmaterials bei einer Temperatur von 20°C beträgt typischerweise mindestens 0,3 W/(m·K), kann aber auch zwischen 0,5 W/(m·K) und 2,5 W/(m·K) liegen. Somit wird eine für elektrische Isolatoren bzw. Nichtleiter vergleichsweise gute thermische Leitfähigkeit erreicht. Vorzugsweise beträgt die Wärmeleitfähigkeit zwischen 1,0 W/(m·K) und 2,5 W/(m·K).
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Es kann vorgesehen sein, dass die Wärmeleitfähigkeit des zweiten Materials mindestens doppelt so groß, vorzugsweise mindestens fünfmal so groß, besonders vorzugsweise mindestens zehnmal so groß wie die Wärmeleitfähigkeit des ersten Materials ist. Typischerweise beträgt die Wärmeleitfähigkeit des zweiten Materials mindestens 1 W/(m·K), vorzugsweise mindestens 10 W/(m·K), besonders vorzugsweise mindestens 20 W/(m·K) bei 20°C.
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Das erste Material umfasst typischerweise einen Kunststoff, vorzugsweise einen thermoplastischen und/oder elastomeren Kunststoff, besonders vorzugsweise ein thermoplastisches Polyolefin und/oder elastomeres Silikon. Kunststoffe sind elektrische Nichtleiter, die durch Zusatz des zweiten Materials in ihrer thermischen Leitfähigkeit beeinflusst werden können. Das zweite Material umfasst ein Metalloxid und/oder Metallhydroxid, vorzugsweise Aluminiumoxid (Al2O3) und/oder Aluminiumhydroxid. Aluminiumoxid und Aluminiumhydroxid sind sehr gute elektrische Isolatoren und besitzen sehr hohe Durchschlagsfestigkeiten. Gleichzeitig weisen sie einen vergleichsweise hohen Wert der Wärmeleitfähigkeit auf, so dass die Wärmeleitfähigkeit des Kompositmaterials in einfacher Weise eingestellt werden kann.
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Die Trennschicht ist typischerweise als eine flächige Folie, eine Vergussmasse, eine Beschichtung oder ein ausgehärteter Kunststoff ausgeführt. Hierdurch wird eine geringe Dicke und somit eine hohe Dichte der Zellen in dem Modul ermöglicht. Die Trennschicht kann eine geschlossene Oberfläche, d. h. eine Oberfläche ohne Aussparungen oder Löcher, aufweisen, um eine gute Wärmeleitfähigkeit zu gewährleisten und ein elektrisches Kontaktieren zu verhindern. Eine Dicke der Trennschicht kann mindestens einer Breite bzw. einem Durchmesser der Körper entsprechen und liegt vorzugsweise in einem Bereich von zwischen 0,5 mm und 1,5 mm.
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Vorzugsweise sind die Zellen in einem Rahmen angeordnet, der Hohlräume aufweist, in die im Falle einer übermäßigen Erhitzung des Kompositmaterials und eines daraus resultierenden Schmelzens das Kompositmaterial aufgenommen werden kann. Das Modul selbst umfasst vorzugsweise ein Lithium Ionen-Batteriemodul, jedoch können auch andere Typen von Speicherzellen verwendet werden. Es kann vorgesehen sein, dass das erste Material die in das Material eingebrachten Körper vollständig umschließt, um eine ausreichende thermische und elektrische Isolierung zu gewährleisten.
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Ein Trennelement zum räumlichen Trennen, zum Wärmeabführen und zum elektrischen Isolieren zweier Zellen zum Ausgeben elektrischer Energie in einem Modul umfasst ein Kompositmaterial aus einem ersten, als Matrix dienendem Material und einem zweiten Material, wobei das erste Material und das zweite Material elektrisch isolierend sind und das zweite Material eine höhere Wärmeleitfähigkeit als das erste Material aufweist. Das Trennelement kann insbesondere die zuvor in Bezug auf das zwischen den Zellen angeordnete Trennelement beschriebenen Eigenschaften aufweisen.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden nachfolgend anhand der 1 bis 4 näher erläutert.
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Es zeigen:
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1 eine seitliche Ansicht eines Batteriemoduls mit mehreren Zellen, die durch jeweils eine Trennschicht voneinander beabstandet sind;
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2 eine Schnittansicht einer der in 1 dargestellten Trennschichten, die zwischen 2 Zellen des Moduls angeordnet ist, und in die mehrere Körper eingebracht sind;
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3 eine 2 entsprechende Ansicht einer Trennschicht, bei der eine Dicke der Trennschicht gerade einem Durchmesser der darin enthaltenen Körper entspricht und
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4 eine perspektivische Ansicht des Moduls, in dem die in 1 dargestellten Zellen enthalten sind.
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1 zeigt in einer seitlichen Ansicht ein Ausführungsbeispiel eines Moduls mit vier Zellen 1, die durch jeweils eine Trennschicht 2 in Form einer Wärmeleitfolie voneinander beabstandet sind. Die Zellen 1 sind Lithium-Ionen-Zellen, können in weiteren Ausführungsbeispielen jedoch auch Brennstoffzellen oder Primär- oder Sekundärzellen eines anderen Typs sein. Die Zellen 1 sowie die Trennschichten 2 sind in einem Rahmen 3 angeordnet, der für eine kompakte Bauart des Moduls sorgt und die Zellen 1 und die Trennschichten 2 aufnimmt und zusammenpresst. Der Rahmen 3 ist üblicherweise aus einem Kunststoff oder einem Metall, wobei die Zellen 1 untereinander nicht über dem Rahmen 3 in elektrischen Kontakt miteinander stehen, sondern lediglich über die an ihrer Oberseite geführten Leitungen 4. Die Zellen 1 sind prismatische Zellen. Die Trennschichten 2 trennen jeweils verschiedene Zellen 1 voneinander. Eine Dicke der Trennschichten 2 beträgt 1 mm und ist somit kleiner als eine Dicke der Zellen 1.
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Jede der flächigen Trennschichten 2 steht in unmittelbarem Kontakt mit zwei der Zellen 1, wobei der Kontakt vollflächig zwischen einer Gehäusewand der jeweiligen Zelle 1 und der diese Gehäusewand berührenden Oberfläche der Trennschicht 2 vorliegt. Diese Oberfläche liegt fluchtend auf der Gehäusewand auf.
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In 2 ist eine der Trennschichten 2, die zwischen zwei der Zellen 1 angeordnet ist, in einer gegenüber 1 vergrößerten Darstellung gezeigt. Wiederkehrende Merkmale sind in dieser wie auch in den folgenden Figuren mit identischen Bezugszeichen versehen. Die Trennschicht 2 besteht aus einem Kompositmaterial, das ein thermoplastisches Polyolefin wie Polypropylen oder Polyethylen umfasst, kann in weiteren Ausführungsbeispielen aber auch Polyester wie Polybutylenterephthalat aufweisen. Polyolefine und Polyester sind elektrisch isolierend und sichern so die Zellen 1 gegenüber einem elektrischen Durchschlagen. In das Polyolefin ist als zweites Material Aluminiumoxid (Al2O3) eingebracht, wobei Aluminiumoxid ebenfalls ein elektrischer Nichtleiter ist und eine deutlich größere Wärmeleitfähigkeit von 39 W/(m·K) bei einer Temperatur von 20°C als das verwendete Polyolefin (0,4 W/(m·K)) aufweist. Außerdem ist das Polyolefin mit Azodicarbonamid versehen. Ein so entstandenes Kompositmaterial besteht zu 65 Gewichtsprozent aus Aluminiumoxid, zu 29,9 Gewichtsprozent aus thermoplastischem Polyolefin, zu 5 Gewichtsprozent aus Azodicarbonamid als Treibmittel, sowie zu 0,1 Gewichtsprozent aus kugelförmigen, festen Glaskugeln 5 mit einem Durchmesser von 1000 μm, die von dem thermoplastischen Polyolefin umschlossen sind.
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Die so entstandene Trennschicht 2 bzw. der Spacer ist aus einem Material hergestellt, das bei normaler Betriebstemperatur bis zu 80°C im festen Zustand vorliegt und über eine vergleichsweise sehr gute thermische Leitfähigkeit aber dennoch hohe elektrische Isolation verfügt. Die Wärmeleitfähigkeit liegt je nach Anteil an Aluminiumoxid bei 0,8 W/(m·K) bis 2,5 W/(m·K). Bei Überschreiten eines festgelegten Temperaturbereiches, in dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel ab 150°C, wird die Wärmeleitfähigkeit um den Faktor drei reduziert. Dabei wechselt das Material der Trennschicht 2 von dem festen Aggregatzustand in den flüssigen Aggregatzustand und fließt nach unten heraus. Da das Material mit Treibmittel versehen ist, wird es ebenso an den Seiten und nach oben herausgedrückt. Damit die Zellen 1 dann nicht in mechanischen Kontakt miteinander kommen, sorgen die Glaskugeln 5 nach dem Herausfließen bzw. Herausdrücken für einen ausreichenden Abstand zwischen den Zellen 1 und erhalten die elektrische Isolation, da sie selbst Nichtleiter sind. Jede der erhitzten Zellen 1 ist dann gegenüber ihren Nachbarzellen auch thermisch isoliert und eine Kettenreaktion ist unterbunden. Die Glaskugeln 5 weisen eine Glasübergangstemperatur auf, die oberhalb der Schmelztemperatur des Matrixmaterials liegt.
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Durch die thermische Kopplung der Zellen 1 untereinander ist somit eine bessere Homogenität der Temperatur der Zellen 1 gewährleistet, so dass die Zellen 1 bezüglich ihres Alterungsprozesses gleiche Bedingungen vorfinden. Dadurch kann auf eine zusätzliche Kühlung verzichtet werden oder diese zumindest vereinfacht werden. Statt einer Ausführung als flächige Folie wie in dem 2 gezeigtem Beispiel, kann die Trennschicht 2 auch eine Vergussmasse, eine extern aufgebrachte Beschichtung als Lage oder Schicht, die mit der jeweiligen Zelle 1 bei Raumtemperatur fest verbunden ist, oder ein ausgehärteter Klebstoff sein.
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3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Trennschicht 2 in einer 2 entsprechenden Ansicht. Die Trennschicht 2 umfasst nun zylinderförmige Glaskörper 5, die in Aufsicht auf ihre kreisförmige Kopffläche dargestellt sind. Ein Durchmesser der Kopffläche beträgt 500 μm und eine Dicke der Trennschicht 2 entspricht gerade dem Durchmesser der Körper 5. Die Körper 5 sind derart angeordnet, dass die Mittelpunkte der Kopfflächen auf einer Linie liegen, wobei diese Linie mittig und parallel zu einer Oberseite und einer Unterseite der Trennschicht 2 verläuft. Die Körper 5 sind somit alle in einer Ebene angeordnet.
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In weiteren Ausführungsbeispielen kann statt einer Wärmeleitfolie auch ein Wärmeleitklebstoff bzw. eine Wärmeleitvergussmasse verwendet werden. Eine Materialzusammensetzung wäre in diesem Fall beispielsweise 65 Gewichtsprozent hochverdichtbares Aluminiumoxid, 10 Gewichtsprozent aktiviertes Azodicarbonamid und 24,9 Gewichtsprozent eines silikonbasierten Polymers. Die Glasperlen 5, die auch als Fasern zugesetzt werden können, sind mit einem Anteil von 0,1 Gewichtsprozent in dem Wärmeleitklebstoff bzw. der Wärmeleitvergussmasse enthalten. Die Trennschicht 2 kann auch als separates Bauteil ausgeführt sein und in das Modul zwischen die Zellen 1 eingeschoben werden.
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Eine perspektivische Aufsicht auf einen Rahmen 3, der die in 1 gezeigten Zellen 1 enthält und diese von allen Seiten umschließt, ist in 4 gezeigt.
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Der Rahmen 3 weist an seinen Längsseiten gefräste Hohlräume 6 zur Aufnahme von herausgepresster Wärmeleitfolie auf. Die Hohlräume 6 sind halbhoch und an zwei verschiedenen Seiten angeordnet.
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Lediglich in den Ausführungsbeispielen offenbarte Merkmale der verschiedenen Ausführungsformen können miteinander kombiniert und einzeln beansprucht werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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