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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kühl- und/oder Heizvorrichtung eines Batteriemoduls, insbesondere für ein elektrisches Fahrzeug. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein Batteriemodul, welches eine derartige Kühl- und/oder Heizvorrichtung umfasst.
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Eine derartige Kühlvorrichtung ist beispielsweise aus der
US 2011/0027640 A1 bekannt. Hierbei handelt sich um eine Kühlvorrichtung zum Kühlen eines Batteriemoduls, welche eine Vielzahl von Kühlrippen aufweist. Jede Kühlrippe weist ein Gehäuse mit einer Vielzahl von Kühlkanälen, durch die Kühlmittel strömt, und zwei Sammler aus Metall zum Zuführen und Abführen des Kühlmittels auf, wobei das Gehäuse mit den Sammlern verbunden ist. Ferner ist jede Kühlrippe zwischen zwei aufeinander folgenden Batteriezellen des Batteriemoduls angeordnet. Diese Kühlvorrichtung benötigt aber wegen der hohen Anzahl von Kühlrippen und deren Anordnung zum einen einen großen Fertigungs- bzw. Montageaufwand und führt zum anderen zu einem komplizierten und großen Batteriemodul. Weiterhin können aufgrund der vielen Verbindungsstellen zwischen den Gehäusen und den Sammlern der Kühlrippen Leckagen verursacht werden, wodurch die Batteriezellen beeinträchtigt werden können.
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Offenbarung der Erfindung
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Die erfindungsgemäße Kühl- und/oder Heizvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 weist demgegenüber den Vorteil auf, dass ein kompakter Aufbau ermöglicht werden kann. Ferner können potentielle Leckagen minimiert bzw. verhindert werden und dadurch eine sichere Funktionsweise der Kühl- und/oder Heizvorrichtung sichergestellt werden. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass die erfindungsgemäße Kühl- und/oder Heizvorrichtung unter Verwendung von wenigen Bauteilen ausgebildet ist, wodurch die erfindungsgemäße Kühl- und/oder Heizvorrichtung auch weniger reparaturanfällig ist. Dies ist mit einer Kostenreduzierung und einer Gewichtsreduzierung verbunden. Hierbei umfasst die Kühl- und/oder Heizvorrichtung eines Batteriemoduls mindestens einen metallischen Grundkörper mit einer Vielzahl von Kanälen, durch welche ein Kühl- und/oder Heizmittel strömt, einen ersten Sammler aus Kunststoff und einen zweiten Sammler aus Kunststoff, wobei die Kanäle vom ersten Sammler zum zweiten Sammler verlaufen. Erfindungsgemäß ist der erste Sammler an einem ersten Ende der Kanäle angeordnet und mit dem Grundkörper mittels einer ersten Verbindungsvorrichtung verbunden. Weiterhin ist der zweite Sammler erfindungsgemäß an einem zweiten Ende der Kanäle angeordnet und mit dem Grundkörper mittels einer zweiten Verbindungsvorrichtung verbunden. Durch die Anwendung von Kunststoff für die Sammler lässt sich das Gewicht der Kühl- und/oder Heizvorrichtung noch weiter reduzieren. Die Kühl- und/oder Heizvorrichtung kann einen einstückigen Grundkörper umfassen. Alternativ kann die Kühl- und/oder Heizvorrichtung eine Vielzahl von Grundkörpern aufweisen, wodurch das Gewicht der Kühl- und/oder Heizvorrichtung weiter reduziert werden kann. Die Anzahl der Grundkörper kann an die Erfordernisse des jeweiligen Einsatzgebietes der Kühl- und/oder Heizvorrichtung angepasst werden.
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Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
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Besonders bevorzugt kann der Grundkörper als Stranggussprofil aus Aluminium ausgebildet sein. Ferner verlaufen bevorzugt die Kanäle geradlinig vom ersten Sammler zum zweiten Sammler. Somit kann der Grundkörper in automatisierter und kosteneffizienter Weise hergestellt werden. Weiterhin kann das Gewicht des Grundkörpers gering gehalten werden. Ferner kann eine geradlinige Strömung des Kühl- und/oder Heizmittels im Grundkörper vom ersten Sammler zum zweiten Sammler ermöglicht werden, wodurch die Widerstandsverluste verringert werden können.
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Ferner bevorzugt kann der Grundkörper in den ersten Sammler und in den zweiten Sammler eingeschoben sein und die erste Verbindungsvorrichtung und/oder die zweite Verbindungsvorrichtung können Einpressverbindungen und/oder Klebverbindungen und/oder Schweißverbindungen umfassen. Somit kann die Montage der Kühl- und/oder Heizvorrichtung in einfacher und kostengünstiger Weise mit wenigen Schritten erfolgen und die Dichtheit der Kanäle sichergestellt werden.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Kühl- und/oder Heizvorrichtung kann der erste Sammler einen Einlass zum Zuführen von Kühl- und/oder Heizmittel und einen Auslass zum Abführen von Kühl- und/oder Heizmittel aufweisen, wobei eine erste Gruppe von Kanälen in Richtung vom ersten Sammler zum zweiten Sammler durchströmbar ist und wobei eine zweite Gruppe von Kanälen in Richtung vom zweiten Sammler zum ersten Sammler durchströmbar ist. Beide Sammler können als Hohlkörper ausgebildet sein. Somit agiert der erste Sammler als Verteiler des Kühl- und/oder Heizmittels in die erste Gruppe der Kanäle und als Wiederaufnahme des Kühl- und/oder Heizmittels von der zweiten Gruppe der Kanäle, wobei der zweite Sammler als Umlenker der Strömung sowie als Verteiler des Kühl- und/oder Heizmittels in die zweite Gruppe der Kanäle agiert. Dadurch wird eine U-förmige Durchströmung des Grundkörpers vom ersten Sammler zum zweiten Sammler und vom zweiten Sammler zum ersten Sammler zurück bereitgestellt. Somit kann das Kühl- und/oder Heizmittel an derselben Stelle zugeführt und abgeführt werden, was bei einer Anwendung beispielsweise für platzbedingte Gründe vorteilhaft sein kann.
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Bevorzugt weist der erste Sammler einen Trennsteg auf, durch den der erste Sammler in einen Einlassraum und in einen Auslassraum unterteilt ist. Somit kann der erste Sammler durch eine einfach herstellbare konstruktive Lösung in zwei separate Räume unterteilt sein, wodurch die Funktion des Sammlers als Verteilers und Wiederaufnahme gewährleistet werden kann.
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Gemäß einer alternativen bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Kühl- und/oder Heizvorrichtung kann der erste Sammler einen Einlass zum Zuführen von Kühl- und/oder Heizmittel und der zweite Sammler einen Auslass zum Abführen von Kühl- und/oder Heizmittel aufweisen, wobei Kühl- und/oder Heizmittel vom ersten Sammler zum zweiten Sammler strömt und aus dem Auslass am zweiten Sammler austritt. Somit kann eine Durchströmung des Grundkörpers vom Kühl- und/oder Heizmittel in einer Richtung vom ersten Sammler zum zweiten Sammler erfolgen, wobei potentielle, durch eine Umlenkung der Strömung verursachte Widerstandsverluste eliminiert werden können. Ferner können der erste Sammler und der zweite Sammler jeweils als ein Raum ausgebildet sein, wodurch auf einen Trennsteg verzichtet werden kann.
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Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein Batteriemodul, welches eine Vielzahl von Batteriezellen und eine erfindungsgemäße Kühl- und/oder Heizvorrichtung umfasst, um die Batteriezellen zu kühlen und/oder zu beheizen, wobei die Batteriezellen am Grundkörper der Kühl- und/oder Heizvorrichtung angeordnet sind. Insbesondere können die Batteriezellen in vorteilhafter Weise auf dem Grundkörper angeordnet sein. Somit können die Batteriezellen effizient gekühlt und/oder beheizt werden. Zum anderen benötigt das Batteriemodul wenig Bauraum bei einer gleichzeitigen Reduzierung seines Gewichts. Dies kann besonders wichtig bei Elektrofahrzeugen aufgrund der hohen Anzahl der dabei verwendeten Batteriemodule sein, da dies zu einer signifikanten Energieersparnis führen kann. Die Batteriezellen im Batteriemodul können identisch oder verschieden ausgebildet sein. Somit bietet das Batteriemodul eine große Anpassungsfähigkeit an unterschiedliche Erfordernisse.
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Vorteilhafterweise kann der Grundkörper plattenförmig ausgebildet sein. Ferner kann vorzugsweise eine flächige Seite des Grundkörpers freiliegen und die Kühl- und/oder Heizvorrichtung an der anderen flächigen Seite angeordnet sein. Durch die plattenförmige Ausgestaltung des Grundkörpers kann ein noch kompakterer Aufbau des Grundkörpers bzw. des Batteriemoduls ermöglicht werden. Hierbei können die Batteriezellen auf einer der flächigen Seiten des Grundkörpers (erste flächige Seite) angeordnet sein, wobei die andere flächige Seite (zweite flächige Seite) freiliegen kann. Somit kann ein einfaches Anordnen der Batteriezellen auf den Grundkörper ermöglicht werden, wobei ein Zugang zu den Batteriezellen zur Kontaktherstellung mit anderen Komponenten oder z.B. für Wartungsgründe bereitgestellt ist.
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Besonders bevorzugt können die erste Verbindungsvorrichtung und die zweite Verbindungsvorrichtung über die Batteriezellen vorstehen. Somit ergibt sich ein Überlappungsbereich zwischen den Batteriezellen und dem Grundkörper der Kühl- und/oder Heizvorrichtung. Da sich die erste Verbindungsvorrichtung und die zweite Verbindungsvorrichtung außerhalb dieses Überlappungsbereichs befinden, kann verhindert werden, dass Kühl- und/oder Heizmittel durch eine potentielle Leckage der Kühl- und/oder Heizvorrichtung an der Stelle einer Verbindungsvorrichtung auf die Batteriezellen gelangt. Somit kann eine ausfallsichere Funktion der Batteriezellen bzw. des Batteriemoduls sichergestellt werden. Dadurch kann die Kühl- und/oder Heizvorrichtung auch über die Batteriezellen angeordnet sein, ohne dass eine Leckage die Batteriezellen beschädigen würde.
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Ferner bevorzugt können der erste Sammler und/oder der zweite Sammler über die Batteriezellen vorstehen. Somit können potentielle Leckagen am Einlass des ersten Sammlers und/oder am Auslass des ersten Sammlers oder des zweiten Sammlers die Funktion der Batteriezellen nicht beeinträchtigen, indem das entweichende Kühl- und/oder Heizmittel nicht auf die Batteriezellen gelangt.
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Es kann weiterhin vorteilhaft sein, wenn das Batteriemodul ferner ein Gehäuse umfasst, wobei die Kühl- und/oder Heizvorrichtung im Gehäuse integriert ist. Dadurch können Fehler bei der Montage des Batteriemoduls reduziert werden. Somit kann ferner das Batteriemodul als vormontierte Baugruppe ausgebildet sein, welche in einfacher Weise ersetzt werden kann. Dies kann zu einer erheblichen Kosteneinsparung führen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben, wobei gleiche bzw. funktional gleiche Teile jeweils mit dem gleichen Bezugszeichen bezeichnet sind. In der Zeichnung ist:
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1 eine schematische, stark vereinfachte Draufsicht einer Kühl- und/oder Heizvorrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung,
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2 eine schematische, stark vereinfachte Schnittansicht der in 1 gezeigten Kühl- und/oder Heizvorrichtung von vorne,
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3 eine schematische, stark vereinfachte Halbschnittansicht der in 1 gezeigten Kühl- und/oder Heizvorrichtung von links, wobei auch eine Vielzahl von Batteriezellen gezeigt sind,
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4 eine schematische, stark vereinfachte Draufsicht einer Kühl- und/oder Heizvorrichtung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung,
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5 eine schematische, stark vereinfachte Schnittansicht der in 4 gezeigten Kühl- und/oder Heizvorrichtung von vorne, und
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6 eine schematische, stark vereinfachte Draufsicht einer Kühl- und/oder Heizvorrichtung gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
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Ausführungsformen der Erfindung
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Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die 1 bis 3 eine Kühl- und/oder Heizvorrichtung 1 gemäß einem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung im Detail beschrieben.
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Wie aus den 1 bis 3 ersichtlich ist, weist die erfindungsgemäße Kühl- und/oder Heizvorrichtung 1 einen metallischen Grundkörper 2 mit einer Vielzahl von Kanälen 20, durch welche ein Kühl- und/oder Heizmittel strömt, einen ersten Sammler 3 aus Kunststoff und einen zweiten Sammler 4 aus Kunststoff auf.
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Der Grundkörper 2 ist als Stranggussprofil aus Aluminium ausgebildet und ist in den ersten Sammler 3 und in den zweiten Sammler 4 eingeschoben. Weiterhin ist der Grundkörper 2 plattenförmig ausgebildet und weist eine erste flächige Seite 23 und eine zweite flächige Seite 24 auf (3).
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Die Kanäle 20 verlaufen geradlinig vom ersten Sammler 3 zum zweiten Sammler 4 und weisen einen im Wesentlichen rechteckigen Querschnitt auf. Ferner ist der erste Sammler 3 an einem ersten Ende 21 der Kanäle 20 angeordnet und mit dem Grundkörper 2 mittels einer ersten Verbindungsvorrichtung 5 verbunden. Der zweite Sammler 3 ist an einem zweiten Ende 22 der Kanäle 20 angeordnet und mit dem Grundkörper 2 mittels einer zweiten Verbindungsvorrichtung 6 verbunden. Insbesondere weisen die erste Verbindungsvorrichtung 5 und die zweite Verbindungsvorrichtung 6 Schweißverbindungen auf, mittels dessen der erste Sammler 3 und der zweite Sammler 4 mit dem Grundkörper 2 dicht verbunden sind. Dadurch können Leckagen an den Verbindungsstellen zwischen den Sammlern 3, 4 und dem Grundkörper 2 eliminiert werden.
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Der erste Sammler 3 weist einen Einlass 30 zum Zuführen des Kühl- und/oder Heizmittels und einen Auslass 31 zum Abführen des Kühl- und/oder Heizmittels auf. Ferner weist der erste Sammler 3 einen Trennsteg 32 auf, durch den der erste Sammler 3 in einen Einlassraum 33 und in einen Auslassraum 34 unterteilt ist.
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Eine erste Gruppe von Kanälen 20 ist in Richtung vom ersten Sammler 3 zum zweiten Sammler 4 durchströmbar, wobei eine zweite Gruppe von Kanälen 20 in Richtung vom zweiten Sammler 4 zum ersten Sammler 3 durchströmbar ist, wie aus 1 durch die eingezeichneten Pfeile A-B-C-D-E-F-G ersichtlich ist. Die genaue Funktionsweise der Kühl- und/oder Heizvorrichtung wird später erläutert.
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In 3 ist die erfindungsgemäße Kühl- und/oder Heizvorrichtung 1 in einem Batteriemodul 9 gezeigt. Das Batteriemodul 9 weist ferner eine Vielzahl von Batteriezellen 90 auf, welche am Grundkörper 2 der Kühl- und/oder Heizvorrichtung 1 angeordnet sind. Insbesondere sind die Batteriezellen 90 auf der ersten flächigen Seite 23 des Grundkörpers 2 angeordnet, wobei die zweite flächige Seite 24 des Grundkörpers 2 freiliegt.
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Weiterhin stehen die erste Verbindungsvorrichtung 5 und die zweite Verbindungsvorrichtung 6, sowie der erste Sammler 3 und der zweite Sammler 4 über die Batteriezellen 90 vor (1 und 3).
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Um die Batteriezellen 90 des Batteriemoduls 9 zu kühlen und/oder zu beheizen, wird Kühl- und/oder Heizmittel durch den Einlass 30 in den Einlassraum 33 des ersten Sammlers 3 zugeführt (Pfeil A). Vom ersten Sammler 3 gelangt das Kühl- und/oder Heizmittel in die erste Gruppe der Kanäle 20 und durchströmt diese in Richtung vom ersten Sammler 3 zum zweiten Sammler 4 (Pfeile B). Dann gelangt das Kühl- und/oder Heizmittel in den zweiten Sammler 4. Im zweiten Sammler 4 wird das Kühl- und/oder Heizmittel umgelenkt (Pfeile C) und in die zweite Gruppe der Kanäle 20 zugeführt (Pfeile D). Anschließend durchströmt das Kühl- und/oder Heizmittel die zweite Gruppe der Kanäle 20 in Richtung vom zweiten Sammler 4 zum ersten Sammler 3 (Pfeile E). Zum Schluss gelangt das Kühl- und/oder Heizmittel in den Auslassraum 34 des ersten Sammlers 3 (Pfeil F) und wird aus dem Auslass 31 abgeführt (Pfeil G).
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Die erfindungsgemäße Kühl- und/oder Heizvorrichtung eines Batteriemoduls bietet den Vorteil, dass ein kompakter und kostengünstiger Aufbau des Batteriemoduls ermöglicht werden kann. Ferner können durch die reduzierte Anzahl von Komponenten potentielle Leckagen vermindert bzw. eliminiert werden. Auch wenn eine Leckage der Kühl- und/oder Heizvorrichtung passieren sollte, kann durch den geschickten Aufbau der Kühl- und/oder Heizvorrichtung sowie die geschickte Anordnung der Batteriezellen des Batteriemoduls die weitere Funktion des Batteriemoduls sichergestellt werden. Ferner kann die erfindungsgemäße Kühl- und/oder Heizvorrichtung durch ihr hohes Anpassungspotenzial Einsatz in vielen Bereichen wie z.B. bei Hybrid- und Elektrofahrzeugen oder Computern finden.
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Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die 4 und 5 eine Kühl- und/oder Heizvorrichtung 1 gemäß einem zweiten bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung beschrieben.
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Das zweite Ausführungsbeispiel unterscheidet sich grundsätzlich vom ersten dadurch, dass die Kühl- und/oder Heizvorrichtung 1 eine Vielzahl von Grundkörpern 2 aufweist, welche jeweils schmaler als der Grundkörper des ersten Ausführungsbeispiels ausgebildet sind. Jeder der Vielzahl der Grundkörper 2 weist eine Vielzahl von Kanälen 20 auf, durch welche Kühl- und/oder Heizmittel zum Kühlen und/oder Beheizen einer Vielzahl von nicht gezeigten Batteriezellen strömt.
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Durch das Vorsehen einer Vielzahl von kleineren Grundkörpern anstatt eines einzigen, massiven Grundkörpers kann das Gewicht der Kühl- und/oder Heizvorrichtung 1 und somit auch die Materialkosten reduziert werden. Weiterhin wird eine höhere Flexibilität hinsichtlich einer Auslegung und Anordnung der Grundkörper erreicht.
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Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die 6 eine Kühl- und/oder Heizvorrichtung 1 gemäß einem dritten bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung beschrieben.
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Das dritte Ausführungsbeispiel unterscheidet sich grundsätzlich vom ersten dadurch, dass der erste Sammler 3 einen Einlass 30 zum Zuführen von Kühl- und/oder Heizmittel und der zweite Sammler 4 einen Auslass 31 zum Abführen von Kühl- und/oder Heizmittel aufweist. Somit entfällt ein Trennsteg im ersten Sammler 3.
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Im dritten Ausführungsbeispiel wird Kühl- und/oder Heizmittel durch den Einlass 30 in den ersten Sammler 3 zugeführt (Pfeile K). Vom ersten Sammler 3 gelangt das Kühl- und/oder Heizmittel in die Kanäle 20 und durchströmt sie in Richtung vom ersten Sammler 3 zum zweiten Sammler 4 (Pfeile L). Dann gelangt das Kühl- und/oder Heizmittel in den zweiten Sammler 4 (Pfeile M). Zum Schluss wird das Kühl- und/oder Heizmittel aus dem Auslass 31 abgeführt (Pfeil N).
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Es sei angemerkt, dass die vorhergehende Ausführungsform nur zu illustrativen Zwecken und nicht zum Zwecke der Beschränkung der Erfindung dient. Im Rahmen der Erfindung sind verschiedene Änderungen und Modifikationen möglich, ohne den Umfang der Erfindung sowie ihrer Äquivalente zu verlassen. So kann zum Beispiel die Anzahl und die Form der Kanäle je nach Anwendung angepasst werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2011/0027640 A1 [0002]
