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Die vorliegende Erfindung betrifft ein aus mehreren elektrochemischen Modulen zusammengesetztes Batteriepaket, das beispielsweise als Energiequelle in elektrisch oder hybrid angetriebenen Kraftfahrzeugen zum Einsatz kommen kann.
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Viele Typen von elektrochemischen Zellen benötigen einen bestimmten Betriebstemperaturbereich, damit die elektrochemische Reaktion in ihnen ablaufen kann. Um diesen Betriebstemperaturbereich aufrecht zu erhalten, kann es nötig sein, die Zelle aktiv zu beheizen oder sie zu kühlen. Insbesondere bei einer Überschreitung der geeigneten Betriebstemperatur kann die Zelle dauerhaft Schaden nehmen. Im Allgemeinen wird sowohl beim Laden als auch beim Entladen einer Zelle Wärme freigesetzt. Mit zunehmender Größe wird das Verhältnis von Volumen zu Oberfläche eines Batteriepakets immer kleiner, und es wird immer schwieriger, das Batteriepaket durch Wärmeabgabe an seiner Oberfläche auf der geeigneten Betriebstemperatur zu halten.
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Um eine Überhitzung auszuschließen, ist daher, wenn eine kritische Größe des Batteriepakets überschritten ist, eine aktive Temperierung mithilfe eines Wärmetauschers notwendig. Ein solcher Wärmetauscher muss ausgedehnt genug sein, um alle wärmeerzeugenden Bereiche eines Batteriepakets zu erreichen und Wärme von dort abführen zu können, andererseits steht der vom Wärmetauscher belegte Platz nicht mehr für Energiespeichermedien zur Verfügung und beeinträchtigt somit die Energiedichte des Batteriepakets, deswegen sollte der Platzbedarf des Wärmetauschers möglichst gering sein. Außerdem ist es von Vorteil, wenn der Wärmetauscher zur Anpassung an unterschiedlich große Batteriepakete auf einfache Weise skalierbar ist.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, ein Batteriepaket zu schaffen, das einerseits effizient temperierbar ist, bei dem aber der Platzbedarf eines zur Temperierung verwendeten Wärmetauschers minimiert ist.
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Die Aufgabe wird einer Ausgestaltung der Erfindung zufolge gelöst, indem bei einem Batteriepaket mit einer Mehrzahl von in einem Stapel zusammengefassten plattenförmigen elektrochemischen Modulen und wenigstens einer in einen Zwischenraum zwischen den Modulen eingreifenden Wärmetauscherplatte die Wärmetauscherplatte und ein Kanalelement einen Kanal für ein Wärmeträgerfluid begrenzen und die Wärmetauscherplatte wenigstens teilweise, insbesondere an ihren Oberflächen, aus einem plastisch verformbaren, in Kontakt mit dem Kanalelement den Kanal dicht abschließenden ersten Material besteht. Indem die Wärmetauscherplatte einerseits in direktem Kontakt mit einem zu temperierenden elektrochemischen Modul stehen kann und andererseits ein Wärmeträgerfluid in direktem Kontakt mit der Wärmetauscherplatte zirkulieren kann, ist eine hohe Effizienz des Wärmeaustauschs zwischen elektrochemischem Modul und Wärmeträgerfluid gewährleistet.
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Um die Stärke der Wärmetauscherplatten minimieren zu können, sollte das erste Material eine gute Wärmeleitfähigkeit aufweisen. Insbesondere Graphit erfüllt sowohl die Anforderungen an die plastische Verformbarkeit als auch an die Wärmeleitfähigkeit.
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Überdies sind aus Graphit Schichten fertigbar, die in Richtung ihrer Oberfläche ein deutlich höheres Wärmeleitvermögen aufweisen als quer dazu. Schichten mit einem solchen anisotropen Wärmeleitvermögen ermöglichen die schnelle Abführung von Wärme bei geringer Schichtdicke.
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Zur Verwendung als Wärmetauscherplatte oder als Teil einer solchen Platte geeignete Graphitschichten können insbesondere durch Verdichten von Graphitexpandat erhalten werden. Ein Verfahren zur Herstellung solcher Schichten ist z. B. aus
DE 103 41 255 A1 bekannt.
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Um die Handhabbarkeit, insbesondere beim Zusammenbau des Batteriepakets zu verbessern, kann die Wärmetauscherplatte ein Substrat aus einem zweiten Material umfassen, das mechanisch belastbarer als das erste Material ist. Wenn das erste Material Graphit ist, kann ein solches Substrat auch die Herstellung der Graphitschicht erleichtern, indem diese durch Aufpressen von Graphit, insbesondere Graphitexpandat, auf das Substrat erhalten wird.
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Das Material des Substrats kann ein Metall, insbesondere ein dünnes Blech aus Stahl, Aluminium oder Kupfer sein.
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Unter Umständen, insbesondere dann, wenn bereits das erste Material eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist, kommt für das Substrat aber auch ein Material in Betracht, das nicht unter dem Gesichtspunkt hoher Wärmeleitfähigkeit, sondern aufgrund seiner mechanischen Eigenschaften wie etwa Flexibilität oder Reißfestigkeit ausgewählt ist. Ein solches Material kann z. B. auch eine Kunststofffolie sein.
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Eine hohe Wärmeleitfähigkeit des ersten Materials ist insbesondere mit den oben erwähnten anisotrop wärmeleitenden Graphitschichten erreichbar. Die Wärmeleitfähigkeit von Graphit ist in Abhängigkeit vom Kristallgefüge variabel, und es sind anisotrop wärmeleitende Graphitschichten auf dem Markt, deren Wärmeleitfähigkeit parallel zur Oberfläche der von gut wärmeleitenden Metallen gleichwertig oder besser ist.
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Das plastisch verformbare erste Material kann auf das Substrat vollflächig aufgetragen sein, so dass es einerseits in Kontakt mit dem Kanalelement den Kanal abdichten kann, andererseits aber auch in Kontakt mit dem elektrochemischen Modul sich dessen Oberflächenkontur anpassen und für einen großflächigen Wärmeübergang vom Modul zur Wärmetauscherplatte sorgen kann.
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Die Wandstärke der Wärmetauscherplatte sollte nicht mehr als 1 mm betragen; für die Temperierung von elektrochemischen Modulen mit im Kraftfahrzeugbau gebräuchlichen Abmessungen erweist sich eine solche Wandstärke als ausreichend. Dabei kann die Wandstärke des Substrats zwischen 10 und 50% der Wandstärke der Wärmetauscherplatte ausmachen.
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Um einerseits einen innigen Kontakt mit im Kanal zirkulierendem Wärmeträgerfluid zu gewährleisten, und andererseits eine Mehrzahl von Wärmetauscherplatten in einem Wärmeträgerfluidkreislauf auf einfache Weise in Reihe verbinden zu können, kann der Kanal durch einen Durchgang der Wärmetauscherplatte hindurchgeführt sein.
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Komplementär dazu kann das Kanalelement eine der Wärmetauscherplatte zugewandte Stirnseite aufweisen, wobei ein auf diese Stirnseite mündender Durchgang des Kanalelements einen Abschnitt des Kanals bildet.
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Um ein Batteriepaket mit einer großen und nach Bedarf skalierbaren Zahl von Modulen realisieren zu können, hat das Kanalelement vorzugsweise zwei sich gegenüberliegende Stirnseiten, und der Abschnitt verbindet diese beiden Stirnseiten miteinander. So können die Kanalelemente in im Prinzip beliebiger Anzahl, mit jeweils einer dazwischenliegenden Wärmetauscherplatte, zu einem Stapel verbunden werden.
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Der Querschnitt des Durchgangs der Wärmetauscherplatte sollte nicht größer sein als der Querschnitt des Durchgangs des Kanals, um eine starke Strömung des Wärmeträgerfluids unmittelbar an den Kanten der Wärmetauscherplatte und damit einen schnellen Wärmeübergang von der Wärmetauscherplatte auf das Wärmeträgerfluid sicherzustellen und die Ausbildung einer Temperaturgrenzschicht zu verhindern.
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Ein langgestreckter Querschnitt des Durchgangs trägt zur Intensivierung des Wärmeaustauschs zwischen Wärmetauscherplatte und Wärmeträgerfluid bei.
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Wenn mehrere Durchgänge entlang einer gleichen Linie angeordnet sind, können ihre Querschnitte platzsparend in Richtung der Linie langgestreckt sein.
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Die Wärmetauscherplatte kann zwischen zwei Kanalelementen geklemmt sein, um einen dichten Anschluss des plastisch verformbaren ersten Materials an die Kanalelemente herbeizuführen. Zusätzlich kann ein enger Kontakt des ersten Materials mit den Kanalelementen einen intensiven Wärmeaustausch zwischen Wärmetauscherplatte und Kanalelementen fördern, so dass auch letztere zur Wärmeübertragung auf das Wärmeträgerfluid wirksam beitragen.
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Eine bevorzugte Anwendung der Erfindung sind Batteriepakete, bei denen die elektrochemischen Module Lithium-Ionen-Batteriemodule sind; eine Anwendung auf andere Batterietypen kommt allerdings ebenfalls in Betracht.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren. Es zeigen:
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1 eine perspektivische, teilweise auseinandergezogene Ansicht eines Batteriepakets gemäß der vorliegenden Erfindung;
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2 einen schematischen Schnitt durch das Batteriepaket entlang der Ebene II-II aus 1;
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3 einen zu 2 analogen Schnitt gemäß einer zweiten Ausgestaltung;
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4 eine dritte Ausgestaltung des Batteriepakets in einer zu 1 analogen perspektivischen Ansicht;
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5 einen Wärmetauscher eines Batteriepakets gemäß einer vierten Ausgestaltung;
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6 eine Draufsicht auf ein Batteriepaket; und
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7 eine Teilansicht einer Wärmetauscherplatte und eines Kanalelements gemäß einer fünften Ausgestaltung der Erfindung.
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1 zeigt ein erfindungsgemäßes Batteriepaket in perspektivischer Ansicht. Das Batteriepaket umfasst eine Mehrzahl von plattenförmigen elektrochemischen Modulen 1, die zu einem Stapel 2 zusammengefasst sind. Die Module 1 umfassen jeweils eine elektrochemische Zelle; es können aber auch mehrere parallel oder in Reihe verschaltete elektrochemische Zellen gemeinsam ein Modul 1 bilden. Die Kantenlänge der plattenförmigen Module 1 ist durch den in einem Kraftfahrzeug verfügbaren Einbauraum auf maximal wenige 10 cm begrenzt; ihre Dicke beträgt typischerweise wenige cm.
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In der auseinandergezogenen Darstellung der 1 sind die Module 1 jeweils durch schmale Spalte 3 voneinander getrennt. In zusammengebautem Zustand sind diese Spalte 3 durch Wärmetauscherplatten 4 vollständig ausgefüllt, so dass die Wärmetauscherplatten 4 die Module 1 jeweils großflächig an ihren Hauptoberflächen berühren und Abwärme von diesen aufnehmen können.
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Zwischen den Wärmetauscherplatten sind in 1 jeweils Kanalelemente 5 zu sehen. Die Kanalelemente 5 erstrecken sich jeweils entlang einer Kante, hier der Unterkante, der rechteckigen Wärmetauscherplatten 4 und sind mit einander abwechselnden schlitzförmigen Durchgängen 6 und runden Öffnungen 7 versehen. Entsprechende Durchgänge 8 und Öffnungen 9 befinden sich auch an den Wärmetauscherplatten 4. Die Öffnungen 7, 9 sind vorgesehen, um Spannstangen oder lange Schrauben 10 aufzunehmen, so dass durch Hindurchschieben der Schrauben 10 durch die Öffnungen 7, 9 und Aufschrauben von (nicht dargestellten) Muttern auf die Schrauben 10 die Kanalelemente 5 und Wärmetauscherplatten 4 gegeneinander gepresst werden können. Weitere, nicht gezeigte Spannmittel können vorgesehen sein, um die oberen Bereiche der Wärmetauscherplatten 4 und die Batteriemodule 1 zu klemmen.
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2 zeigt einen Schnitt entlang der Ebene II-II aus 1 durch drei der Kanalelemente 5 und zwischen ihnen geklemmte Wärmetauscherplatten 4. Die Wärmetauscherplatten 4 umfassen jeweils ein Substrat 11 in Form eines dünnen Stahlblechs. Das Substrat 11 sollte hoch flexibel sein, deswegen ist für das Stahlblech eine Stärke von einigen 10 bis wenigen 100 Mikrometern, hier 100 Mikrometer, bevorzugt. An Stelle des Stahlblechs können auch besser wärmeleitende aber mechanisch weniger belastbare Metalle wie Aluminium oder Kupfer zum Einsatz kommen; dann kann die bevorzugte Stärke des Substrats 11 größer sein.
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Das Substrat 11 ist auf seiner gesamten Ausdehnung beidseitig mit einer Schicht 12 aus Graphit bedeckt. Die Schicht 12 kann erhalten sein durch Anpressen von Graphitexpandat auf das Substrat 11.
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Wenn das Batteriepaket zusammengebaut ist, ist das Graphit zwischen den Modulen 1 geschützt und kann sich nicht vom Substrat 11 lösen. Um Graphitverluste während des Zusammenbaus des Batteriepakets zu minimieren, kann auf den Graphitschichten 12 jeweils eine Schutzschicht 13 aus Kunststoff aufgetragen sein, deren Stärke allerdings gering ist gegen die der Graphitschichten 12, so dass sie weder die Fähigkeit des Graphits, unter dem Druck eines Fremdkörpers wie etwa eines der Module 1 nachzugeben und sich dessen Oberflächenkontur anzupassen, noch den Wärmeübergang zwischen dem Modul 1 und der Graphitschicht 12 merklich beeinträchtigt.
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Die Kanalelemente 5 sind aus Metall oder Kunststoff einteilig abgeformt. Um Kosten und Gewicht zu minimieren, ist Kunststoff bevorzugt.
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Die Wärmeleitfähigkeit einer durch Verdichten von Graphitexpandat erhaltenen Graphitschicht ist im allgemeinen um so besser, je höher das Material verdichtet ist, umgekehrt nimmt die plastische Verformbarkeit der Schicht mit steigender Verdichtung ab. Je enger der Temperaturbereich ist, in dem das Batteriepaket betrieben wird, um so geringer ist die plastische Verformbarkeit des Graphits, die für einen dauerhaft dichten Kontakt zwischen Kanalelementen 5 und Wärmetauscherplatten 4 erforderlich ist, und um so höher verdichteter Graphit kann verwendet werden. Eine große Schwankungsbreite der Temperatur kann die Verwendung von weniger stark verdichtetem, leichter verformbarem Graphit nötig machen. Um dessen geringere Wärmeleitfähigkeit auszugleichen, kann der Kunststoff der Kanalelemente 5 mit einem metallischen Zuschlag versetzt sein, oder es können, wie am Beispiel des rechten Kanalelements 5 in 2 gezeigt, die Durchgänge 6 durch eine mit dem Kunststoffmaterial des Kanalelements 5 umspritzte Metallhülse 14 gebildet sein.
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Die Kanalelemente 5 umfassen hier jeweils eine zu den Wärmetauscherplatten 4 parallele Grundplatte 15, einen von der Grundplatte 15 in beide Richtungen senkrecht abstehenden, entlang der Ränder der Grundplatte 15 umlaufenden Steg 16 sowie sich jeweils analog zum Steg 16 um die Durchgänge 6 und Öffnungen 7 streckende Hülsen 17. Die von der Grundplatte 15 abgewandten Kanten von Steg 16 und Hülsen 17 bilden zwei Stirnseiten 19 jedes Kanalselements 5, die unter dem von den Schrauben 10 ausgeübten Druck in das Graphit 12 der Wärmetauscherplatten 4 eingedrückt sind. Insbesondere der so erhaltene innige Kontakt zwischen den Rändern der Hülsen 17 und den Wärmetauscherplatten 4 sorgt für die erforderliche Dichtigkeit eines von Wärmeträgerfluid durchflossenen Kanals 18, der von den Durchgängen 6, 8 der Kanalelemente 5 und Wärmetauscherplatten 4 gebildet ist.
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Insbesondere wenn die Graphitschichten 12 der Wärmetauscherplatten 4 stark anisotrop wärmeleitend sind, findet ein sehr intensiver Wärmeaustausch unmittelbar zwischen den Kanten der Schichten 12 und dem im Kanal 18 zirkulierenden Wärmeträgerfluid statt. Um einen schnellen Abtransport der Wärme zu gewährleisten, sollte die Strömung des Wärmeträgerfluids unmittelbar an den Kanten der Schichten 12 stark sein. Dies wird selbst wenn die Wärmetauscherplatten 4 und Kanalelemente 5 nicht exakt fluchtend zusammengefügt sind, dadurch gewährleistet, dass die Durchgänge 8 der Wärmetauscherplatten 4 geringfügig enger sind als die Durchgänge 6 der Kanalelemente 5. Zusätzlich sorgen die unterschiedlichen Querschnitte dafür, dass das Wärmeträgerfluid bei jedem Durchtritt durch einen Durchgang 8 verwirbelt wird. So ist eine über den gesamten Querschnitt des Kanals 18 gleichmäßige Temperaturverteilung im Wärmeträgerfluid sichergestellt, die einen effizienten Wärmeaustausch mit den Wänden des Kanals 18 ermöglicht.
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3 zeigt Kanalelemente 5 und Wärmetauscherplatten 4 in einem zu 2 analogen Schnitt gemäß einer zweiten Ausgestaltung der Erfindung. Die den Wärmetauscherplatten 4 zugewandten Stirnseiten 19 der Kanalelemente 5 sind hier nicht in schmale Stege und Hülsen gegliedert, sondern bilden jeweils zwei Wärmetauscherplatten 4 großflächig berührende Flansche 20, die miteinander über die die Durchgänge 6 und Öffnungen 7 umgebenden Hülsen 17 verbunden sind. Diese Flansche 20 können eben sein, wie an der linken Wärmetauscherplatte 4 von 3 dargestellt, so dass der von den Schrauben 10 ausgeübte Druck sich großflächig auf die Graphitschichten 12 verteilt, und diese nur gering verformt werden.
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Um eine sichere Abdichtung des Kanals 18 herbeizuführen, können die Flansche 20 an ihren den Wärmetauscherplatten 4 zugewandten Oberflächen aber auch konturiert sein, wie am Beispiel der rechten Wärmetauscherplatte 4 in 3 gezeigt. Einander gegenüberliegende, sich rings um die Durchgänge 6 bzw. 8 erstreckende Rippen 21 bzw. Nuten 22 drücken sich hier dicht in die Graphitschichten 12 ein, wobei sie unter Umständen sogar, wie gezeigt, das Substrat 11 auslenken.
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4 zeigt in einer zu 1 analogen perspektivischen Ansicht ein Batteriepaket, bei dem sich die Wärmetauscherplatten 4 jeweils von den Kanalelementen 5 aus in entgegengesetzte Richtungen erstrecken, um in Spalte 3 von beiderseits der Kanalelemente 5 angeordneten Stapeln 2 von Modulen 1 einzugreifen.
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Bei der in 5 gezeigten Variante erstrecken sich Kanalelemente 5 an zwei einander gegenüberliegenden Rändern der Wärmetauscherplatten 4, und die in 5 nicht dargestellten Module 1 füllen die Zwischenräume zwischen den Kanalelementen 5 und Wärmetauscherplatten 4. Das so erhaltene Batteriepaket ist einerseits mechanisch robust, zum anderen ist der Weg der Wärme entlang der Platten 4 verkürzt, so dass eine höhere Wärmeaustauschleistung erzielt werden kann.
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6 zeigt eine Draufsicht auf die von den Schrauben 10 zusammengehaltenen Kanalelemente 5 und Wärmetauscherplatten 4. Die Durchgänge 6, 8 bilden mehrere sich parallel zueinander von einer Seite des Batteriepakets zur anderen erstreckende Kanalabschnitte 23. Die Kanalabschnitte sind durch Rohrbögen 24 in Reihe verbunden. Der deutlicheren Darstellung wegen sind die Rohrbögen 24 hier über die beiden äußersten Kanalelemente 5 überstehend dargestellt; alternativ könnten an den Enden des Batteriepakets auch Kanalelemente mit abweichendem Aufbau zum Einsatz kommen, in denen die Rohrbögen 24 integriert sind. Ein Zufuhranschluss 25 ist mit einem zentral durch das Paket verlaufenden Abschnitt 23 verbunden, um mit frischem, kaltem Wärmeträgerfluid bevorzugt einen zentralen Bereich der Module zu kühlen. Außermittige Kanalabschnitte 23 sind weiter stromabwärts im Kreislauf des Wärmeträgerfluids angeordnet, so dass randnahe Bereiche des Pakets, die auch über die Schmalseiten der Module Wärme abgeben können, vom zirkulierenden Wärmeträgerfluid weniger stark gekühlt werden.
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7 zeigt eine abgewandelte Ausgestaltung eines Kanalelements 5. Dieses – in der Fig. teilweise in Schnitt gezeigte – Kanalelement 5 hat wie das der 2 eine Grundplatte 15, einen am Rand der Grundplatte 15 umlaufenden, beiderseits abstehenden Steg 16 und Hülsen 17, die jeweils die von den Schrauben 10 durchsetzten Öffnungen 7 begrenzen. Die Durchgänge 6, durch die das Wärmeträgerfluid zirkuliert, sind hier einfache Löcher in der Grundplatte 15. Die Durchgänge 8 der Wärmetauscherplatte 4 sind gegen die Durchgänge 6 des Kanalelements 5 versetzt. Rippen 26 verbinden die Hülsen 17 mit dem umlaufenden Steg 16 und unterteilen so beide Stirnseiten des Kanalelements 5 in Kammern 27, in denen das Wärmeträgerfluid in großflächigem Kontakt mit der jeweils die Kammer 23 begrenzenden Wärmetauscherplatte 4 zirkuliert. Der Kontakt des Stegs 16 mit dem Graphit der Wärmetauscherplatten 4 sorgt für die Abdichtung der Kammern 27. Der großflächige Kontakt mit den Wärmetauscherplatten 4 und die fortlaufende Durchwirbelung des Wärmeträgerfluids beim Richtungswechsel an den Durchgängen 6, 8 gewährleistet einen hocheffizienten Wärmeaustausch auch dann, wenn die Oberflächen der Wärmetauscherplatten 4 aus einem plastisch verformbaren Material ohne ausgeprägt anisotrope Wärmeleitfähigkeit bestehen.
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Es versteht sich, dass die obige detaillierte Beschreibung und die Zeichnungen zwar bestimmte exemplarische Ausgestaltungen der Erfindung darstellen, dass sie aber nur zur Veranschaulichung gedacht sind und nicht als den Umfang der Erfindung einschränkend ausgelegt werden sollen. Diverse Abwandlungen der beschriebenen Ausgestaltungen sind möglich, ohne den Rahmen der nachfolgenden Ansprüche und deren Äquivalenzbereich zu verlassen. Insbesondere gehen aus dieser Beschreibung und den Figuren auch Merkmale der Ausführungsbeispiele hervor, die nicht in den Ansprüchen erwähnt sind. Solche Merkmale können auch in anderen als den hier spezifisch offenbarten Kombinationen auftreten. Die Tatsache, dass mehrere solche Merkmale in einem gleichen Satz oder in einer anderen Art von Textzusammenhang miteinander erwähnt sind, rechtfertigt daher nicht den Schluss, dass sie nur in der spezifisch offenbarten Kombination auftreten können; stattdessen ist grundsätzlich davon auszugehen, dass von mehreren solchen Merkmalen auch einzelne weggelassen oder abgewandelt werden können, sofern dies die Funktionsfähigkeit der Erfindung nicht in Frage stellt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Modul
- 2
- Stapel
- 3
- Spalt
- 4
- Wärmetauscherplatte
- 5
- Kanalelement
- 6
- Durchgang
- 7
- Öffnung
- 8
- Durchgang
- 9
- Öffnung
- 10
- Schraube
- 11
- Substrat
- 12
- Graphitschicht
- 13
- Schutzschicht
- 14
- Metallhülse
- 15
- Grundplatte
- 16
- Steg
- 17
- Hülse
- 18
- Kanal
- 19
- Stirnseite
- 20
- Flansch
- 21
- Rippe
- 22
- Nut
- 23
- Abschnitt des Kanals
- 24
- Rohrbogen
- 25
- Zufuhranschluss
- 26
- Rippe
- 27
- Kammer
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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