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Die Erfindung betrifft einen Kühlkörper zur Temperierung von elektrischen Energiespeichern, insbesondere für Kraftfahrzeuge.
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Zur Sicherung der Reichweite, Lebensdauer und abrufbaren Leistung von Elektro- und Hybridfahrzeugen ist ein definiertes Thermomanagement des Energiespeichers, der Energiespeichermodule und/oder der Energiespeicherzellen erforderlich. Entscheidend ist hierbei die Maximaltemperatur und die Temperaturspreizung zwischen den Energiespeichermodulen/Energiespeicherzellen innerhalb des Energiespeichers (z.B. Hochvoltspeichers) so gering wie möglich zu halten. Hierfür kommen aktive und passive Kühlsysteme zum Einsatz. Bekannt ist beispielsweise eine Kühlmittelkühlung durch Wasser-Glykol-Gemisch.
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Aus der
DE 20 2012 102 349 U1 ist ein plattenförmiger Batteriekühler aus Metall bekannt, der einen Fluidführungskanal aufweist, durch den Kühlmittel strömen kann. Dieser Batteriekühler wird an der Unterseite der Energiespeichermodule angebracht. Nachteilig bei solchen Lösungen ist, dass nicht nur Wärme von dem Energiespeicher aufgenommen wird, sondern dass der Batteriekühler auch Wärme auf der dem Energiespeicher abgewandten Seite des Batteriekühlers aus der Umgebung aufnimmt.
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Aus diesem Grund ist bei der Kühlung des Energiespeichers aus der
DE 10 2011 084 660 A1 auf der dem Energiespeicher abgewandten Seite der Kühlvorrichtung eine Isolierung vorgesehen.
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Aufgabe der Erfindung ist es eine Kühlung für einen elektrischen Energiespeicher zu schaffen, die das oben genannte Problem anders oder einfacher löst. Diese Aufgabe wird mit einem Kühlkörper mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und einer Energiespeicheranordnung gemäß Anspruch 8 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung wird ein Kühlkörper zur Temperierung von elektrischen Energiespeichern, insbesondere für Kraftfahrzeuge, bereitgestellt, mit einem wannenförmigen Grundkörper in dem zumindest ein Kühlkanal ausgebildet ist, und einer Abdeckplatte, mit welcher der Grundkörper verschließbar ist und welche den Kühlkanal entlang seiner Strömungsrichtung einseitig begrenzt, wobei das zum Energiespeicher weisende Element aus Grundkörper und Abdeckplatte aus Metall hergestellt ist und das andere der Elemente aus Kunststoff hergestellt ist. Dieses Ausführungsbeispiel hat den Vorteil, dass der Kühlkörper mit seiner Metallseite, die besser wärmeleitend ist, das zu temperierende Energiespeichermodul berührt und die restliche Oberfläche aus Kunststoff hergestellt ist, dessen Wärmeleitfähigkeit schlechter als die von Metall ist, sodass möglichst wenig Wärme aus der Umgebung von dem Kühl- oder Kältemittel aufgenommen wird. Der wannenförmige Aufbau des Grundkörpers mit dem eingeformten Kühlkanal und das Verschließen mittels Abdeckplatte sorgt für einen einfachen, zweiteiligen Aufbau des Kühlkörpers, so dass dieser einfach und kostengünstig herstellbar ist. Je nachdem, ob der Kühlkörper auf der Ober- oder Unterseite des Energiespeichermoduls angeordnet wird, ist der Grundkörper aus Metall und die Abdeckplatte aus Kunststoff oder der Grundkörper aus Kunststoff und die Abdeckplatte aus Metall.
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Bevorzugt ist dabei, die Abdeckplatte aus Metall und den Grundkörper aus Kunststoff herzustellen. Der Vorteil dieser Ausführung ist, dass der aufwendiger herzustellende Grundkörper aus dem leichter und kostengünstiger formbaren Kunststoff hergestellt ist und die Abdeckplatte mit einfacherer Geometrie aus Metall hergestellt ist. Außerdem bietet eine damit verbundene Kühlung der Unterseite des Energiespeichermoduls den Vorteil eines zusätzlichen Schutzes des Energiespeichers gegen mechanische Beschädigungen des Energiespeichers von der Fahrbahn kommend.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung nimmt auf der zur Abdeckplatte gewandten Seite des Grundkörpers der Kühlkanal mehr als die Hälfte der Fläche ein. Vorzugsweise nimmt auf der zur Abdeckplatte gewandten Seite des Grundkörpers der Kühlkanal mehr als 70% der Fläche ein. Mehr bevorzugt nimmt auf der zur Abdeckplatte gewandten Seite des Grundkörpers der Kühlkanal mehr als 80% der Fläche ein. Dadurch wird der Kühlkörper möglichst großflächig von Kühl- oder Kältemittel durchströmt.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung sind in einem Bereich an einem Längsende des Kühlkörpers ein Zulauf und ein Ablauf des Kühlkanals vorgesehen, zwischen denen ein Steg des Grundkörpers in Längsrichtung des Kühlkörpers verläuft. Durch diesen Grundaufbau kann das Kühlmittel U-förmig vom Zulauf zum Ablauf strömen. Durch diesen Aufbau werden einerseits eine einfache Anbindung des Kühlkörpers und andererseits eine gute Kühlmittelflächenabdeckung erreicht.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist der Grundkörper mit der Abdeckplatte verklebt, verlötet oder verschweißt und die Verbindung zwischen Grundkörper und Abdeckplatte dadurch fluiddicht verschlossen.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung weist der Kühlkörper ferner ein Verbindungselement auf, welches sowohl den Zulauf als auch den Ablauf des Kühlkörpers in Form eines einzigen Bauteils mit einer gemeinsamen Zuleitung und einer gemeinsamen Ableitung verbindet. Dies erleichtert eine Montage des Kühlkörpers bzw. des Energiespeichermoduls mit Kühlkörper am Fahrzeug.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung verbindet das Verbindungselement in Form eines einzigen Bauteils den jeweiligen Zulauf und Ablauf von zwei Kühlkörpern mit einer gemeinsamen Zuleitung und einer gemeinsamen Ableitung.
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Darüber hinaus stellt die Erfindung eine Energiespeicheranordnung bereit, mit einem Energiespeichermodul und einem solchen Kühlkörper.
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In einer Weiterbildung ist die Energiespeicheranordnung derart ausgebildet, dass das Energiespeichermodul eine Vielzahl von (direkt) aneinander gestapelten Energiespeicherzellen umfasst, wobei in Stapelrichtung gesehen an beiden Enden des Energiespeicherzellen-Stapels eine Druckplatte angeordnet ist und wobei das Energiespeichermodul einschließlich der Druckplatten zusammen mit dem Kühlkörper von einem Band umwickelt ist, um die Druckplatten gegen die Energiespeicherzellen und den Kühlkörper gegen das Energiespeichermodul zu pressen. Dieses Ausführungsbeispiel bietet die vorstehend, im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Kühlkörper beschriebenen Vorteile.
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Zusätzlich oder alternativ dazu ist das Energiespeichermodul mit dem Kühlkörper verklebt.
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Darüber hinaus stellt die Erfindung ein Kraftfahrzeug mit solch einem Kühlkörper oder solch einer Energiespeicheranordnung bereit.
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Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. In diesen Zeichnungen ist Folgendes dargestellt:
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1 zeigt eine dreidimensionale Ansicht von Einzelteilen eines Kühlkörpers gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
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2 zeigt eine Abdeckplatte des Kühlkörpers aus 1 mit montiertem Zu- und Ablauf;
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3a zeigt eine Draufsicht auf einen Grundkörper gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
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3b zeigt eine Seitenansicht des zusammengebauten Kühlkörpers mit dem Grundkörper aus 3a;
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4 zeigt eine dreidimensionale Ansicht einer Energiespeicheranordnung in der ein Energiespeichermodul zusammen mit dem Kühlkörper mit einem Band umwickelt ist;
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5 zeigt eine dreidimensionale Ansicht der Energiespeicheranordnung aus 4 von unten;
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6 zeigt eine Seitenansicht der Energiespeicheranordnung aus 4;
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7 zeigt eine dreidimensionale Ansicht der Anbindung des erfindungsgemäßen Kühlkörpers an eine gemeinsame Zu- und Ableitung;
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8 zeigt eine teilweise geschnittene Darstellung der Anbindung aus 7, und
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9 zeigt eine dreidimensionale Ansicht der Anbindung von zwei Kühlkörpern an eine gemeinsame Zu- und Ableitung.
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1 zeigt eine dreidimensionale Ansicht von Einzelteilen eines Kühlkörpers 1 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Der Kühlkörper 1 dient zur Temperierung von elektrischen Energiespeichermodulen, insbesondere in Kraftfahrzeugen. Die Temperierung betrifft vor allem die Kühlung, kann aber insbesondere bei kalten Wetterbedingungen auch ein Heizen umfassen. Energiespeichermodule umfassen eine Vielzahl von direkt aneinander gestapelten Energiespeicherzellen, die vorzugsweise elektrisch in Serie geschaltet sind, aber auch parallel zueinander geschaltet sein könnten. Die Energiespeicherzellen sind vorzugsweise Lithium-Ionen-Akkumulatoren oder Lithium-Akkumulatoren.
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Der Kühlkörper 1 umfasst einen Grundkörper 2, in dem zumindest ein Kühlkanal 3 durch Vorsehen eines oder mehrerer Stege 4 ausgebildet ist. Der Grundkörper 2 wird mit einer Abdeckplatte 5 verschlossen. Der Grundkörper 2 ist einstückig, insbesondere monolithisch ausgebildet. Ferner ist der Grundkörper 2 wannenförmig, d.h. er weist eine geschlossene Umlaufkante 6 auf, von der ausgehend der übrige Grundkörper 3, mit Ausnahme der Stege 4 abgesenkt ist (d.h. einen größeren Abstand zur Abdeckplatte 5 hat). Im dargestellten Ausführungsbeispiel wird somit zwischen der Umlaufkante 6 und dem Steg 4 ein U-förmiger Kühlkanal 3 ausgebildet. Der Kühlkanal 3 führt im Betrieb ein Kühlmittel (denkbar wäre auch ein Kältemittel), wie beispielsweise ein Wasser-Glykol-Kühlmittel. Der Steg 4 ist dabei einerseits mit der Umlaufkante 6 verbunden, erstreckt sich durchgehend und geradlinig zu seinem anderen Ende, wo er einen Freiraum zur Umlaufkante 6 lässt. Die Abdeckplatte 5 ist einstückig, insbesondere monolithisch, als plane Platte mit in der Draufsicht gleichem Umriss wie der Grundkörper 2 ausgebildet. Liegt die Abdeckplatte 5 auf dem Grundkörper 2 auf, dann berühren die Stege 4 und die Umlaufkante 6 über deren gesamte Länge die Abdeckplatte 5. Die Abdeckplatte 5 wird entlang der Umlaufkante 6 und entlang der Stege 4 (oder anderen später beschriebenen Stegen oder Zapfen) mittels Laserschweißen, Löten, Schweißen, Kleben oder dergleichen verbunden, so dass der Kühlkörper 1 entlang der gesamten Umlaufkante 6 fluiddicht verschlossen ist. Denkbar wäre auch ein Verbinden mittels Schrauben, wobei dann ferner eine Abdichtmasse zwischen der Abdeckplatte 5 und dem Grundkörper 2 hilfreich wäre. Erfindungsgemäß ist der Grundkörper 2 aus einem anderen Material als die Abdeckplatte 5, wobei dasjenige Element, welches das zu kühlende Energiespeichermodul berührt, aus Metall und das andere aus Kunststoff hergestellt ist. Dies sind vorzugsweise und im dargestellten Fall eine Abdeckplatte 5 aus Metall und ein Grundkörper 2 aus Kunststoff. Das Metall ist insbesondere Aluminium, Stahl oder Edelstahl. Der Kunststoff ist ein Kunststoff mit möglichst guten Wärmeisolationseigenschaften und beispielsweise ein Duroplast oder Thermoplast. Der Grundkörper 2 wird dabei durch Gießen, beispielsweise Spritzgießen, oder Umformen, beispielsweise Tiefziehen, hergestellt.
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Im Bereich eines Längsendes der Abdeckplatte 5 sind ein Zulauf 7 und ein Ablauf 8 in Form von Anschlussbuchsen in Löcher der Abdeckplatte 5 montiert und so positioniert, dass sie an entgegengesetzten Enden des Kühlkanals 3 angeordnet sind.
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2 zeigt die Abdeckplatte 5 des Kühlkörpers 1 aus 1 mit montiertem Zulauf 7 und Ablauf 8.
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3a zeigt eine Draufsicht auf einen Grundkörper 9 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Um Wiederholungen zu vermeiden werden nachfolgend nur die Unterschiede des Grundkörpers 9 gegenüber dem Grundkörper 2 beschrieben und im Übrigen auf die Beschreibung des Grundkörpers 2 verwiesen. Der Grundkörper 9 weist zusätzliche Längskanten 10 auf, die sich parallel zueinander zwischen den an den Längsenden des Grundkörpers 9 befindlichen Abschnitten der Umlaufkante 6 erstrecken. Die Längskanten 10 teilen die durch den Steg 4 gebildeten Hälften des Kühlkanals 3 hälftig auf. Eine Bodenfläche 11 des Grundkörpers 9 ist zu beiden Seiten der Längskante 10 versetzt, d.h. auf einer nach außen gewandten Seite der Längskante 10 ist die Bodenfläche 11 weiter von der Abdeckplatte 5 entfernt als auf der nach innen gewandten Seite, dadurch wird eine Vertiefung entlang der Längsrichtung des Grundkörpers 2 geschaffen, in die ein später erläutertes Band 18 eingelegt werden kann. Darüber hinaus weist der Grundkörper 9 weitere Stege 12 auf, die sich im 45° Winkel von der Längskante 10 zu der Umlaufkante 6 bzw. von der Längskante 10 zu dem Steg 4 erstrecken. Diese Stege 12 (nur einige mit Bezugszeichen versehen) weisen einen Durchgang 13 auf, mit dem eine Wirbelbildung des Kühlmittels so gefördert wird, dass eine möglichst homogene Verteilung des Kühlmittels entlang der Strömungsrichtung erzielt wird. Durch die Ausrichtung und Anordnung der Stege 12 oder anderen Stegen mit anderen Ausrichtungen und Anordnungen wird eine gute Kühlmittelverteilung und somit eine gute thermische Gleichverteilung erreicht. Die Erfindung ist dabei nicht auf die dargestellten Stege beschränkt, sondern diese sind nur beispielhaft für eine Vielzahl von Anordnungsmöglichkeiten.
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3b zeigt eine Seitenansicht des zusammengebauten Kühlkörpers 1, wobei die Abdeckplatte 5 mit dem Grundkörper 9 verbunden ist und der Zu- und Ablauf 7, 8 montiert sind.
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Die 4 bis 6 zeigen eine Energiespeicheranordnung 14 in der ein elektrisches Energiespeichermodul 15, welches aus einzelnen, direkt aneinander gestapelten elektrischen Energiespeicherzellen 16 (nur einige mit Bezugszeichen versehen) aufgebaut ist, zusammen mit dem Kühlkörper mit dem Band 18 umwickelt ist, so dass das Energiespeichermodul 15 und der Kühlkörper 1 eine bauliche Einheit bilden. Das Band 18 ist insbesondere ein geschlossener Ring und sollte möglichst fest und unelastisch sein, um eine Ausbauchung der Energiespeicherzellen 16 und einen Kontaktverlust zwischen Energiespeicherzellen 16 und Kühlkörper 1 zu verhindern. Der Kühlkörper kann irgendeiner der beschriebenen Ausführungsbeispiele sein. Optional könnten bei der Montage zwischen das Energiespeichermodul 15 und den Kühlkörper 1 eine wärmeleitende Paste bzw. Masse angebracht sein, um einen Toleranzausgleich zu schaffen und/oder als Kleber dienen, um den Kühlkörper 1 alternativ zum Band 18 oder zusätzlich zu diesem mit den Energiespeicherzellen 16 zu verbinden. Der Kühlkörper 1 ist mit seiner metallischen Seite – dies ist im dargestellten Fall die Abdeckplatte 5 – an der Unterseite des Energiespeichermoduls in direktem Kontakt zu diesem angeordnet. Der in 5 dargestellte Grundkörper 17 unterscheidet sich von dem vorher beschriebenen Grundkörper 9 dadurch, dass die Stege 12 weggelassen sind und sich von der Bodenfläche des Grundkörpers 17 eine Vielzahl an Zapfen 19 (nur einige mit Bezugszeichen versehen) bis zur Abdeckplatte 5 erstrecken. Beim Verbinden der Abdeckplatte 5 mit dem Grundkörper 2 wird die Abdeckplatte 5 auch mit den Enden der Zapfen 19 fest verbunden. Dies erhöht die Stabilität und Steifigkeit des Kühlkörpers 1, der den Grundkörper 17 aufweist.
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In Stapelrichtung der Energiespeicherzellen 16 gesehen, ist an jedem Längsende des gesamten Stapels eine Druckplatte 20 vorgesehen. Zwischen diesen Druckplatten 20 und beidseitig des Energiespeicherzellen-Stapels sind Abdeckungen 21 vorgesehen. Diese dienen lediglich zur Abdeckung und/oder elektrischen Isolation der Längsenden der Energiespeicherzellen 16 und haben keine wesentliche tragende Funktion. Das Band 18 umwickelt den Energiespeicherzellenstapel, beide Druckplatten 20 und den Kühlkörper 1, wodurch diese Bauteile zusammengehalten werden. Durch das Band 18 werden die Druckplatten 20 in Richtung der Energiespeicherzellen 16 zueinander zusammengedrückt.
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Die 7 und 8 zeigen eine dreidimensionale Ansicht der Anbindung des erfindungsgemäßen Kühlkörpers 9 (gemäß irgendeinem der beschriebenen Ausführungen) an eine gemeinsame Zuleitung 22 und eine gemeinsame Ableitung 23. Vorzugsweise werden über die gemeinsame Zuleitung 22 alle Kühlkörper des Energiespeichers (d.h. die Kühlkörper aller Energiespeichermodule) mit Kühlmittel versorgt. Analog wird das Kühlmittel aus allen Kühlkörpern vorzugsweise über die gemeinsame Ableitung 23 wieder abtransportiert. Die Anbindung eines Kühlkörpers 9 an die Zu- und Ableitung 22, 23 erfolgt mittels eines Verbindungselements 24. Der Vorteil dabei ist, dass sowohl der Zu- als auch der Ablauf 7, 8 mittels eines einzigen Bauteils mit der gemeinsamen Zu- und Ableitung 22, 23 verbunden werden. In dem Verbindungselement 24 verbindet ein S-förmiger Kanal den Zulauf 7 mit der Zuleitung 22 und fluiddicht getrennt davon ein S-förmiger Kanal den Ablauf 8 mit der Ableitung 23.
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9 zeigt eine dreidimensionale Ansicht der Anbindung von zwei Kühlkörpern 1 an eine gemeinsame Zu- und Ableitung 22, 23. Innerhalb des Verbindungselements 26 verbinden zwei S-förmige Kanäle die jeweiligen Zuläufe 7 von zwei Kühlkörpern 1 mit der Zuleitung 22 und fluiddicht getrennt davon zwei S-förmige Kanäle die jeweiligen Abläufe 8 mit der Ableitung 23. Bei den zwei Kühlkörpern 1 handelt es sich dabei um auf gegenüberliegenden Seiten bezüglich der gemeinsamen Zu- und Ableitung 22, 23 liegende Kühlkörper 1. Der Vorteil des Verbindungselements 26 besteht darin, dass die Montage der Kühlkörper 1 vereinfacht wird, da zum Anschluss von zwei Kühlkörpern 1 nur ein einziges Bauteil erforderlich ist.
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Während die Erfindung detailliert in den Zeichnungen und der vorangehenden Beschreibung veranschaulicht und beschrieben wurde, ist diese Veranschaulichung und Beschreibung als veranschaulichend oder beispielhaft und nicht als beschränkend zu verstehen und es ist nicht beabsichtigt die Erfindung auf die offenbarten Ausführungsbeispiele zu beschränken. Die bloße Tatsache, dass bestimmte Merkmale in verschiedenen abhängigen Ansprüchen genannt sind, soll nicht andeuten, dass eine Kombination dieser Merkmale nicht auch vorteilhaft genutzt werden könnte.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Kühlkörper
- 2
- Grundkörper
- 3
- Kühlkanal
- 4
- Steg
- 5
- Abdeckplatte
- 6
- Umlaufkante
- 7
- Zulauf
- 8
- Ablauf
- 9
- Grundkörper
- 10
- Längskante
- 11
- Bodenfläche
- 12
- Steg
- 13
- Durchgang
- 14
- Energiespeicheranordnung
- 15
- Energiespeichermodul
- 16
- Energiespeicherzelle
- 17
- Grundkörper
- 18
- Band
- 19
- Zapfen
- 20
- Druckplatte
- 21
- Abdeckung
- 22
- Zuleitung
- 23
- Ableitung
- 24
- Verbindungselement
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 202012102349 U1 [0003]
- DE 102011084660 A1 [0004]
