DE102014112628A1 - Kühlbares Batteriemodul - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung bezieht sich auf ein kühlbares Batteriemodul. Es wird ein Batteriemodul vorgeschlagen mit zwei in Abstand zueinander angeordneten Halteplatten (3, 4) sowie einer Mehrzahl elektrischer Zellen (5), die endseitig Durchlässe (7) in den Halteplatten (3, 4) abgedichtet durchsetzen, wobei zwischen den Halteplatten (3, 4) ein von den elektrischen Zellen (5) durchsetzter Raum (12) zur Aufnahme eines elektrisch leitenden, die elektrischen Zellen (5) umströmenden Kühlmittels gebildet ist, sowie endseitig der elektrischen Zellen (5) befindliche Zellpole (9, 10) außerhalb dieses Raums angeordnet sind. Ein solches kühlbares Batteriemodul ermöglicht eine besonders effektive Kühlung der elektrischen Zellen und ist baulich einfach gestaltet. Es ermöglicht überdies eine einfache Montage der Komponenten zur Bildung des Batteriemoduls.
Description
- Die Erfindung betrifft ein kühlbares Batteriemodul, insbesondere zur Verwendung bei einer Traktionsbatterie eines Hybrid- oder Elektrofahrzeugs. Ein solches Batteriemodul umfasst eine Mehrzahl elektrischer Zellen, die durch entsprechende elektrische Verschaltung miteinander eine gewünschte Ausgangsspannung und -stromstärke liefern. Durch Kombination mehrerer solcher Batteriemodule ergibt sich zum Beispiel die Traktionsbatterie eines Hybrid- oder Elektrofahrzeugs.
- Um die im Betrieb des Batteriemoduls entstehende Wärme abzuführen, ist eine Kühlung notwendig.
- Eine Traktionsbatterie eines Elektrofahrzeugs mit Batteriemodulen, die zu einer Traktionsbatterie kombiniert sind, ist aus der
US 2012/0148889 A1 - Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Batteriemodul anzugeben, bei dem eine besonders effektive Kühlung der elektrischen Zellen gewährleistet ist, bei baulich einfacher Gestaltung des Batteriemoduls und einfacher Montage des Batteriemoduls.
- Gelöst wird die Aufgabe durch ein Batteriemodul, das gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 ausgebildet ist.
- Bei dem erfindungsgemäßen kühlbaren Batteriemodul ist somit vorgesehen, dass dieses zwei in Abstand zueinander angeordnete Halteplatten sowie eine Mehrzahl elektrischer Zellen aufweist. Diese Zellen durchsetzen abgedichtet endseitige Durchlässe in den Halteplatten. Zwischen den Halteplatten ist ein von den elektrischen Zellen durchsetzter Raum zur Aufnahme eines elektrisch leitenden, die elektrischen Zellen umströmenden Kühlmittels gebildet. Endseitig der elektrischen Zellen befindliche Zellpole sind außerhalb dieses Raumes angeordnet.
- Wesentlich ist bei dem erfindungsgemäßen kühlbaren Batteriemodul somit, dass zwischen den beiden Halteplatten ein Raum zur Aufnahme des elektrisch leitenden Kühlmittels gebildet ist. Die elektrischen Zellen kommen mit ihren Bereichen, die stromleitend sind, nicht in Kontakt mit dem elektrisch leitenden Kühlmittel. Der Raum zwischen den beiden Halteplatten stellt ein relativ großes Volumen zum Durchsatz des elektrisch leitenden Kühlmittels zur Verfügung. Hierdurch ergibt sich ein hoher Kühlwirkungsgrad.
- Das kühlbare Batteriemodul findet insbesondere Verwendung bei einer Traktionsbatterie eines Hybrid- oder Elektrofahrzeugs. Es handelt sich insbesondere um eine Hochvolt-(HV)-Batterie. Hierbei sind die einzelnen elektrischen Zellen mit einer Spannung von beispielsweise 3 bis 3,5 V in Reihe geschaltet, sodass sich, durch das Aufsummieren der einzelnen Spannungen, die für den Antrieb benötigte HV-Spannung ergibt.
- Vorzugsweise ist die jeweilige elektrische Zelle zwischen den Zellpolen zylinderförmig ausgebildet. Eine derartig gestaltete elektrische Zelle wird auch als Rundzelle bezeichnet. Vorzugsweise sind die elektrischen Zellen des kühlbaren Batteriemoduls identisch ausgebildet. Somit liefern die elektrischen Zellen jeweils dieselbe Spannung. Bei der identischen Ausbildung der elektrischen Zellen lassen diese sich baulich besonders einfach verschalten und es lässt sich das Batteriemodul, insbesondere bezüglich der Anordnung der elektrischen Zellen zwischen den Halteplatten und der Lagerung der elektrischen Zellen in den Halteplatten, als homogene Einheit darstellen.
- Insbesondere sind die Durchlässe der jeweiligen Halteplatte identisch ausgebildet. Hierdurch ergibt sich eine baulich besonders einfache Gestaltung der jeweiligen Halteplatte und es ist zudem eine einfache, automatisierte Montage der Anordnung von elektrischen Zellen und Halteplatte möglich. Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Durchlässe der beiden Halteplatten identisch ausgebildet sind. Der jeweilige Durchlass weist vorzugsweise Kreisquerschnitte auf. Diese Querschnittsgestaltung ermöglicht eine einfache Positionierung der jeweiligen Zelle in den Halteplatten bei gleichzeitiger Abdichtung von elektrischer Zelle und Halteplatte im Bereich des jeweiligen Durchlasses.
- Es wird als besonders vorteilhaft angesehen, wenn die jeweilige elektrische Zelle in ihrem der jeweiligen Halteplatte zugeordneten Dichtbereich eine mit der elektrischen Zelle verbundene ringförmige Dichtung aufweist. Diese Dichtung ist insbesondere durch Aufspritzen auf die elektrische Zelle erzeugt, wobei diese Dichtung nach dem Aufspritzen aushärtet. Insbesondere bildet eine Dichtkontur der jeweiligen Dichtung mit der zugeordneten Halteplatte im Bereich deren Durchlass eine Presspassung aus.
- Vorzugsweise weist die jeweilige Zelle, zwischen deren beiden Abdichtungen mit den Halteplatten, eine die Zelle umschließende elektrische Isolationsschicht auf. Diese Isolationsschicht stellt eine weitere Schutzschicht bezüglich des den Raum zwischen den Halteplatten durchströmenden elektrisch leitenden Kühlmittels dar. Vorzugsweise ist die Isolationsschicht in Gitterform mit dazwischenliegenden Taschen ausgebildet. Hierbei ist insbesondere die Dicke des Gitters gegenüber den Taschen erhöht, um so bei relativ niedrigen Temperaturen spritzen zu können und zu gewährleisten, dass die elektrische Zelle nicht beschädigt wird.
- Insbesondere ist die jeweilige elektrische Zelle zwischen den Zellpolen mit einer elektrisch isolierenden Lackbeschichtung versehen. Bei dieser elektrisch isolierenden Lackbeschichtung handelt es sich vorzugsweise um eine UV-härtende Polyurethane-Lackbeschichtung. Insbesondere ist die Lackbeschichtung mit einer Umspritzung versehen, bei Ausbildung der ringförmigen Dichtungen der jeweiligen elektrischen Zelle und Ausbildung des Gitters mit den dazwischenliegenden Taschen.
- Vorzugsweise sind zwischen den Halteplatten diese kontaktierende Distanzhalter angeordnet. Die Distanzhalter sind insbesondere mit den Halteplatten verbunden. Hierdurch ist die zuverlässige Einhaltung des Abstands der beiden Halteplatten gewährleistet.
- Bei dem elektrisch leitenden Kühlmittel, das den Raum zwischen den beiden Halteplatten durchströmt, handelt es sich insbesondere um ein solches auf Ethylen-Glykol-Basis.
- Vorzugsweise weist das kühlbare Batteriemodul einen Rahmen mit Zufluss- und Abflussöffnungen für das Kühlmittel auf, wobei der Rahmen auf abgewandten Seiten die Halteplatten aufnimmt, die mit dem Rahmen abgedichtet verbunden sind. Zwischen der Anordnung aus Rahmen und den beiden Halteplatten ist der Raum zur Aufnahme des Kühlmittels gebildet. Somit ist der Rahmen insbesondere in Art eines Hohlzylinders ausgebildet, dessen axiale Erstreckung deutlich geringer ist als dessen Erstreckung senkrecht hierzu, wobei der Querschnitt des Rahmens an die Form eines Rechtecks angenähert ist.
- Die Erfindung einschließlich deren Weiterbildungen schlägt somit ein Batteriemodul, umfassend eine Mehrzahl elektrischer Zellen vor, die durch entsprechende elektrische Verschaltung miteinander die gewünschte Ausgangsspannung und -Stromstärke liefert. Durch die Kombination mehrerer solcher Batteriemodule ergibt sich zum Beispiel die Traktionsbatterie eines Hybrid- oder Elektrofahrzeugs. Um die im Betrieb des Batteriemoduls entstehende Wärme abzuführen, erfolgt eine Kühlung, und zwar insbesondere unter Kostengesichtspunkten mittels eines elektrisch leitenden Kühlmittels. Dies erfordert die einzelnen Zellpole (Plus- bzw. Minuspol) der elektrischen Zellen elektrisch isoliert zum Kühlmittel auszuführen. Um dies zu bewerkstelligen, ist baulich recht einfach vorgesehen, auf jede einzelne elektrische Zelle in deren beiden Endbereichen – bei vertikaler Anordnung der Zelle in ihrem oberen und ihrem unteren Bereich – jeweils eine ringförmige Dichtkontur aufzuspritzen. Zusätzlich kann dabei noch der sich zwischen den beiden Dichtkonturen erstreckende Bereich der elektrischen Zelle mit einer zusätzlichen Isolationsschicht versehen werden. Nachdem die an den Enden der elektrischen Zelle aufgespritzten kreisförmigen Dichtkonturen ausgehärtet sind, werden die einzelnen Zellen jeweils zwischen den Halteplatten angeordnet, wobei die Dichtkonturen mit den Halteplatten Presspassungen ausbilden. Zur zuverlässigen Einhaltung des Abstandes der beiden Halteplatten sind zusätzlich Distanzhalter zwischen den Halteplatten vorgesehen. Nachdem die elektrischen Zellen zwischen den Halteplatten eingepasst wurden, wird das aus den Zellen und Halteplatten bestehende Paket in dem Rahmen – Montagerahmen – angeordnet und befestigt, beispielsweise durch Verschrauben, Verkleben oder Verschweißen. Da nun die elektrischen Zellen – ohne die aus den Halteplatten herausragenden Zellpole – mittels der Presspassung in den Halteplatten mit dem umgebenden Rahmen einen fluiddichten Innenraum bilden, kann das elektrisch leitende Kühlmittel, insbesondere ein Kühlmittel auf Ethylen-Glykol-Basis, zur Kühlung des Batteriemoduls eingesetzt werden.
- Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der beigefügten Zeichnung und der Beschreibung des in der Zeichnung wiedergegebenen, bevorzugten Ausführungsbeispiels, ohne hierauf beschränkt zu sein.
- Es zeigt:
-
1 ein erfindungsgemäßes kühlbares Batteriemodul, veranschaulicht in einer räumlichen Darstellung, -
2 einen Rahmen des Batteriemoduls, -
3 eine erste Halteplatte des Batteriemoduls, -
4 eine zweite Halteplatte des Batteriemoduls, -
5 eine elektrische Zelle des Batteriemoduls, -
6 ein Distanzhalter des Batteriemoduls, -
7 eine den Halteplatten zugeordnete Anordnung von elektrischen Zellen. - Figurenbeschreibung
- Das kühlbare Batteriemodul
1 ist im Wesentlichen durch einen Rahmen2 , der die Funktion eines Montagerahmens aufweist, eine erste Halteplatte3 , eine zweite Halteplatte4 , eine Vielzahl elektrischer Zellen5 und mehrere Distanzhalter6 gebildet. Der Rahmen2 ist zylinderförmig gestaltet, mit einer relativ geringen axialen Länge, bezogen auf die Erstreckung des Rahmens2 senkrecht zur Achse. Der Querschnitt des Rahmens2 ist im Wesentlichen rechteckig. Diesem Querschnitt angepasst ist die Form der beiden Halteplatten3 und4 , die identisch ausgebildet sind. Die jeweilige Halteplatte3 bzw.4 weist eine Vielzahl von Durchlässen7 mit Kreisquerschnitt auf. Jede Halteplatte3 bzw.4 weist mehr als zweihundert derartiger Durchlässe7 auf. Die Durchlässe7 weisen jeweils denselben Durchmesser auf. - Die bei dem Batteriemodul
1 Verwendung findenden elektrischen Zellen5 sind als sogenannte Rundzellen ausgebildet. Sie weisen zwischen den Zellpolen, die im Bereich der abgewandten Enden der jeweiligen Zelle5 angeordnet sind, eine zylinderförmige Gestaltung auf. Die elektrischen Zellen5 sind identisch ausgebildet. Mit der Bezugsziffer8 ist der zylinderförmige Mantel der Zelle5 und mit der Bezugsziffer9 das Ende der Zelle5 , das den Pluspol aufweist sowie mit der Bezugsziffer10 das Ende der Zelle5 , das den Minuspol aufweist, bezeichnet. Die jeweilige Halteplatte3 bzw.4 ist mit mehreren Bereichen11 versehen, im Bereich derer kein Durchlass7 gebildet ist. Dort stützen sich die Distanzhalter6 ab, die mit den Halteplatten3 und4 verschraubt sind. - Das kühlbare Batteriemodul
1 ist somit mit den beiden in Abstand zueinander angeordneten Halteplatten3 und4 versehen, die stirnseitig mit dem Rahmen2 verbunden, insbesondere verschraubt oder verklebt sind, wobei die erste Halteplatte3 , bezogen auf die Orientierung gemäß1 , der Vorderseite des Batteriemoduls1 und die zweite Halteplatte4 der Rückseite des Batteriemoduls1 zugeordnet ist. Die elektrischen Zellen5 durchsetzen endseitig die Durchlässe7 in den Halteplatten3 und4 , und zwar in noch näher zu beschreibender Art und Weise abgedichtet. Es ist zwischen den Halteplatten3 und4 ein von den elektrischen Zellen5 durchsetzter Raum, nämlich der Innenraum des Rahmens2 , gebildet, der der Aufnahme eines elektrisch leitenden, die elektrischen Zellen5 umströmenden Kühlmittels dient. Bei diesem Kühlmittel handelt es sich insbesondere um ein solches auf Ethylen-Glykol-Basis. Aufgrund der Anordnung der elektrischen Zellen5 sind diese im Bereich deren endseitig befindlichen Zellpolen, somit den Enden9 und10 , außerhalb dieses Raums12 angeordnet, demnach auf der dem Raum12 abgewandten Seite der zugeordneten Halteplatte3 bzw.4 . -
1 veranschaulicht einen an den Rahmen2 angeschlossenen Stutzen13 zum Zuführen des Kühlmittels in den Raum12 des Batteriemoduls1 . Auf der dem Stutzen13 abgewandten Seite des Rahmens2 ist ein weiterer, nicht veranschaulichter Stutzen mit dem Rahmen2 verbunden, durch den das Kühlmittel aus dem Batteriemodul1 abgeleitet wird. Das Kühlmittel kann somit das Batteriemodul1 zwecks Kühlung der elektrischen Zellen5 durchströmen. - Das Batteriemodul
1 weist eine besondere Lagerung und Abdichtung der jeweiligen elektrischen Zelle5 zur Halteplatte3 bzw.4 im Bereich des Durchlasses7 in der Halteplatte auf. Dieses Detail ist in der7 veranschaulicht:
Links ist die Kontur einer elektrischen Zelle5' veranschaulicht, die den Ausgang für eine Modifizierung zur Bildung und Anordnung der elektrischen Zelle5 , die bei dem Batteriemodul1 verwendet wird, bildet. Diese elektrische Zelle5' weist den zylindrischen Mantel8' und das eine Ende9' mit dem Pluspol auf. Das andere Ende der elektrischen Zelle5' mit dem Minuspol ist nicht veranschaulicht, dass es vorliegend auf die Gestaltung des zylindrischen Mantels8' ankommt. - Die elektrische Zelle
5' wird modifiziert, zur Ausbildung einer doppelten elektrischen Isolation des Mantels8' durch zwei verschiedene Isolationssysteme. So wird zunächst, wie in7 für die rechte Zelle dargestellt, der Mantel8' mit einem UV-härtenden Polyurethan-Lack14 beschichtet. Nach dem Aushärten dieses Lacks wird dieser mittels Spritzguss umspritzt, womit sich eine den Lack14 abdeckende Schicht15 ergibt. Bei der Umspritzung mittels Spritzguss wird gleichzeitig auf die elektrische Zelle5' im Bereich beider Enden der Zelle, somit im Bereich des Pluspols als auch im Bereich des Minuspols jeweils eine ringförmige Dichtkontur16 aufgespritzt. Der sich zwischen den beiden Dichtkonturen16 der elektrischen Zelle erstreckende zylinderförmige Bereich der Rundzelle wird beim Umspritzen mittels Spritzguss in Gitterform mit dazwischenliegenden Taschen ausgeführt, wobei die Dicke des Gitters17 gegenüber den Taschen18 erhöht wird, um so bei relativ niedrigen Temperaturen spritzen zu können, womit eine Beschädigung der elektrischen Zelle5 vermieden wird. Die in7 in der Mitte dargestellte elektrische Zelle stellt eine Ansicht der mit den beiden Isolationssystemen versehenen elektrischen Zelle5 dar, somit der elektrischen Zelle5 , die in der Vielzahl beim Batteriemodul1 verwendet wird. Diese elektrische Zelle5 ist nur in ihrem dem Ende9 des Pluspols zugeordneten Bereich veranschaulicht. Das andere Ende, das dem Minuspol zugeordnet ist, ist mit einer der Dichtkontur16 des Pluspols entsprechenden Dichtkontur ausgestattet. Die Lagerung der elektrischen Zellen5 in den Halteplatten3 und4 , somit im Bereich der Enden9 und10 erfolgt identisch. - Nachdem die am jeweiligen Ende
9 bzw.10 der elektrischen Zelle5' aufgespritzte kreisförmige Dichtkontur ausgehärtet ist, somit die beiden verschiedenen Isolationssysteme aufgebracht sind, bei Bildung der elektrischen Zelle5 , werden die einzelnen Zellen5 jeweils zwischen den Halteplatten3 und4 angeordnet. Hierbei bildet die jeweilige Dichtkontur16 mit der zugeordneten Halteplatte3 bzw.4 eine Presspassung aus. - Zur zuverlässigen Einhaltung des Abstands der beiden Halteplatten
3 und4 dienen die Distanzhalter6 , die zwischen Halteplatten3 und4 vorgesehen sind. Nachdem die elektrischen Zellen5 zwischen den Halteplatten3 und4 eingepasst wurden, wird das aus den elektrischen Zellen5 und den Halteplatten3 ,4 bestehende Paket im Rahmen2 angeordnet, beispielsweise durch Verschrauben, Verkleben oder Verschweißen. Da die elektrischen Zellen5 , ohne die aus den Halteplatten3 und4 herausragenden Zellpole, mittels der Presspassung in den Halteplatten3 ,4 mit den umgebenden Rahmen2 einen fluiddichten Innenraum, den Raum12 , bilden, kann das elektrisch leitende Kühlmittel auf Ethylen-Glykol-Basis zur Kühlung des Batteriemoduls1 eingesetzt werden. - ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
- Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
- Zitierte Patentliteratur
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- US 2012/0148889 A1 [0003]
Claims (15)
- Kühlbares Batteriemodul (
1 ) mit zwei in Abstand zueinander angeordneten Halteplatten (3 ,4 ) sowie einer Mehrzahl elektrischer Zellen (5 ), die endseitig Durchlässe (7 ) in den Halteplatten (3 ,4 ) abgedichtet durchsetzen, wobei zwischen den Halteplatten (3 ,4 ) ein von den elektrischen Zellen (5 ) durchsetzter Raum (12 ) zur Aufnahme eines elektrisch leitenden, die elektrischen Zellen (5 ) umströmenden Kühlmittels gebildet ist, sowie endseitig der elektrischen Zellen (5 ) befindliche Zellpole (9 ,10 ) außerhalb dieses Raums angeordnet sind. - Batteriemodul nach Anspruch 1, wobei die jeweilige elektrische Zelle (
5 ) zwischen den Zellpolen (9 ,10 ) zylinderförmig ausgebildet ist. - Batteriemodul nach Anspruch 1 oder 2, wobei die elektrischen Zellen (
5 ) identisch ausgebildet sind. - Batteriemodul nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Durchlässe (
7 ) der jeweiligen Halteplatte (3 bzw.4 ), insbesondere die Durchlässe (7 ) der Halteplatten (3 ,4 ) identisch ausgebildet sind. - Batteriemodul nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der jeweilige Durchlass (
7 ) einen Kreisquerschnitt aufweist. - Batteriemodul nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die jeweilige elektrische Zelle (
5 ) in ihrem der jeweiligen Halteplatte (3 bzw.4 ) zugeordneten Dichtbereich eine mit der elektrischen Zelle (5 ) verbundene ringförmige Dichtung (16 ) aufweist. - Batteriemodul nach Anspruch 6, mit einer durch Aufspritzen auf die elektrische Zelle erzeugten, nach dem Aufspritzen aushärtenden Dichtung (
16 ). - Batteriemodul nach Anspruch 6 oder 7, wobei eine Dichtkontur der jeweiligen Dichtung (
16 ) mit der zugeordneten Halteplatte (3 bzw.4 ) im Bereich deren Durchlass (7 ) eine Presspassung ausbildet. - Batteriemodul nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die jeweilige elektrische Zelle (
5 ), zwischen deren beiden Abdichtungen mit den Halteplatten (3 ,4 ), eine die Zelle umschließende elektrische Isolationsschicht (14 ,15 ) aufweist. - Batteriemodul nach Anspruch 9, wobei die Isolationsschicht (
14 ,15 ) in Gitterform mit dazwischenliegenden Taschen (8 ) ausgebildet ist. - Batteriemodul nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die jeweilige elektrische Zelle (
5 ) zwischen den Zellpolen (9 ,10 ) mit einer elektrisch isolierenden Lackbeschichtung (14 ), insbesondere einer UV-härtenden Polyurethane-Lackbeschichtung (14 ) versehen ist. - Batteriemodul nach Anspruch 11, wobei die Lackbeschichtung (
14 ) mit einer Umspritzung (15 ) versehen ist, bei Ausbildung der ringförmigen Dichtungen (16 ) der jeweiligen elektrischen Zelle (5 ) und Ausbildung eines Gitters (17 ) mit dazwischenliegenden Taschen (18 ). - Batteriemodul nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei zwischen den Halteplatten (
3 ,4 ) diese kontaktierende Distanzhalter (6 ) angeordnet sind, insbesondere die Distanzhalter (6 ) mit den Halteplatten (3 ,4 ) verbunden sind. - Batteriemodul nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei der Raum (
12 ) der Aufnahme eines Kühlmittels auf Ethylen-Glykol-Basis dient. - Batteriemodul nach einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei das Batteriemodul (
1 ) einen Rahmen (2 ) mit Zufluss- und Abflussöffnungen für das Kühlmittel aufweist, sowie auf abgewandten Seiten des Rahmens (2 ) dieser die Halteplatten (3 ,4 ) aufnimmt, die mit dem Rahmen (2 ) abgedichtet verbunden sind, wobei zwischen der Anordnung aus Rahmen (2 ) und den beiden Halteplatten (3 ,4 ) der Raum (12 ) zur Aufnahme des Kühlmittels gebildet ist.
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