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Die Erfindung betrifft eine Unterbodeneinheit für ein elektrisch antreibbares Kraftfahrzeug, mit dessen Hilfe eine Unterseite des Kraftfahrzeugs abgedeckt werden kann.
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Eine Kraftfahrzeugkarosserie eines Kraftfahrzeugs kann eine tragende Tragstruktur aufweisen, bei der massiv ausgeführte Längsträger und massiv ausgeführte Querträger zu einem Tragrahmen miteinander verbunden sind, um eine stabile Plattform auszubilden, mit der die übrigen Bauteile des Kraftfahrzeugs verbunden werden können. Die Tragstruktur kann insbesondere einen Antrieb, die einzelnen Karosserieteile, Funktionseinheiten des Kraftfahrzeugs sowie eine Nutzlast tragen und deren Gewichtskräfte an einen Untergrund abtragen. Zur Versteifung der Tragstruktur und der Kraftfahrzeugkarosserie kann eine mit der Tragstruktur verbundene plattenförmige Unterbodeneinheit vorgesehen sein, welche den Unterboden des Kraftfahrzeugs ausbildet und oberhalb der Unterbodeneinheit angeordnete Baueinheiten gegenüber dem Untergrund abdeckt und schützt.
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Aus
DE 10 2014 110 304 A1 ist eine Unterbodeneinheit für ein Kraftfahrzeug bekannt, bei der zwischen einem Bodenkörper zum Tragen von Batteriezelleneinheiten einer Traktionsbatterie und einer unterhalb des Bodenkörpers vorgesehenen Panzerplatte ein Kühlkanal zum Kühlen der Batteriezelleneinheiten vorgesehen ist.
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Aus
DE 10 2012 109 728 A1 ist es bekannt Batteriezelleneinheiten einer Traktionsbatterie von mit Hilfe von unterhalb der Batteriezelleneinheiten vorgesehenen Kühlwasserkanälen zu kühlen, wobei unterhalb der Kühlwasserkanäle eine Bodenplatte vorgesehen ist.
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Aus
US 2010/0015512 A1 ist es bekannt eine Batterie mit einem unterhalb der Batterie verlaufenden Kühlwasserkanal zu kühlen, wobei von dem den Kühlwasserkanal ausbildenden Material Kühlrippen nach unten abstehen.
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Es besteht ein ständiges Bedürfnis eine Traktionsbatterie eines elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugs bauraumsparend gut zu kühlen.
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Es ist die Aufgabe der Erfindung Maßnahmen aufzuzeigen, die eine gute und bauraumsparende Kühlung einer Traktionsbatterie für ein elektrisch antreibbares Kraftfahrzeug ermöglichen.
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Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch eine Unterbodeneinheit mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung angegeben, die jeweils einzeln oder in Kombination einen Aspekt der Erfindung darstellen können.
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Erfindungsgemäß ist eine Unterbodeneinheit zur Aufnahme von Batteriezelleneinheiten einer Traktionsbatterie zum Antrieb eines elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugs vorgesehen mit einer zu einem Untergrund weisenden Unterbodenverkleidung zur unteren Abdeckung des Kraftfahrzeugs, einem Kühlkanal zur Kühlung einer Unterseite mindestens einer der Batteriezelleneinheiten und mindestens einem zwischen der Batteriezelleneinheit und der Unterbodenverkleidung, insbesondere zwischen dem Kühlkanal und der Unterbodenverkleidung, angeordneten Wärmetauscher zur Kühlung des Kühlkanals, wobei die Unterbodenverkleidung mindestens eine Einlassöffnung zur Zufuhr von Frischluft an den Wärmetauscher und/oder mindestens eine Auslassöffnung zur Abfuhr von Frischluft von dem Wärmetauscher weg aufweist.
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Durch die Anordnung des Wärmetauschers unterhalb der Traktionsbatterie und insbesondere unterhalb des Kühlkanals kann ansonsten für den Wärmetauscher vor, hinter, seitlich neben oder oberhalb der Traktionsbatterie vorgesehener Bauraum eingespart werden. Gleichzeitig kann der Wärmetauscher einen signifikanten Bereich der Traktionsbatterie von unten überdecken, so dass der Wärmetauscher zusätzlich zu der Unterbodenverkleidung die Batteriezelleneinheiten der Traktionsbatterie vor einer Beschädigung von unten schützen kann, wenn beispielsweise das Kraftfahrzeug mit der Unterbodenverkleidung auf einem Hindernis aufsetzt. Es ist sogar grundsätzlich möglich den Wärmetauscher als deformierbare Crashbox auszugestalten, um bei einem Crash durch eine Deformation von Bauteilen des Wärmetauschers Aufprallenergie in Formänderungsarbeit zu dissipieren. Hierbei wird die Erkenntnis ausgenutzt, dass der Wärmetauscher abstehende Lamellen, Platten oder Wandelemente aufweisen kann, die sich bei einem Crash plastisch verformen können, um die Traktionsbatterie zu schützen. Die Unterbodenverkleidung kann prinzipiell als Panzerplatte ausgestaltet sein, die bei einem Crash zumindest einen Hauptteil der Aufprallenergie absorbieren kann. Durch den zwischen der Unterbodenverkleidung und der Traktionsbatterie angeordneten Wärmetauscher kann jedoch ein signifikanter Anteil des gewünschten Absorptionsvermögens von Aufprallenergie bei einem Crash dem Wärmetauscher zugeschlagen werden, so dass die strukturellen Anforderungen an die Unterbodenverkleidung, beispielsweise eine vorgesehene Mindestdicke, reduziert werden können ohne das Beschädigungsrisiko der Traktionsbatterie zu erhöhen. Der Wärmetauscher beziehungsweise die Mehrzahl der Wärmetauscher können insbesondere einen Großteil der Unterseite der Traktionsbatterie abdecken, wodurch ein entsprechend hoher Schutz der Traktionsbatterie vor einer Beschädigung von unten und gleichzeitig eine entsprechend hohe Kühlwirkung für den Kühlkanal erreicht werden kann. Der Wärmetauscher kann besonders flach ausgestaltet sein, indem der Wärmetauscher bei einer geringen Höhe in vertikaler Richtung eine große sich in horizontaler Richtung erstreckende Fläche abdecken kann. Der zwischen der Batteriezelleneinheit und der Unterbodenverkleidung, insbesondere zwischen dem Kühlkanal und der Unterbodenverkleidung, vorgesehene Wärmetauscher kann bei einem geringen Bauraumbedarf eine gute Kühlung des Kühlkanals und einen zusätzlichen Schutz der Traktionsbatterie erreichen, so dass eine gute und bauraumsparende Kühlung einer Traktionsbatterie für ein elektrisch antreibbares Kraftfahrzeug ermöglicht ist.
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Da die Unterbodenverkleidung mindestens eine Einlassöffnung zur Zufuhr von Frischluft an den Wärmetauscher und/oder mindestens eine Auslassöffnung zur Abfuhr von Frischluft von dem Wärmetauscher weg aufweist, kann die von dem Wärmetauscher aus dem Kühlkanal stammende Wärme von der aus der Umgebung stammenden Frischluft abgezweigt werden. Hierbei kann der am Kraftfahrzeug entlangströmende und über die Einlassöffnung zum Wärmetauscher gelenkte Fahrtwind bereits einen ausreichenden Druck bereitstellen, dass eine ausreichende Kühlleistung im Wärmetauscher erreicht werden kann. Besonders bevorzugt ist ein Gebläse, beispielsweise ein Axialgebläse oder ein Radialgebläse vorgesehen, das Frischluft, insbesondere über die Einlassöffnung der Unterbodenverkleidung, ansaugt und durch den Wärmetauscher fördert. Vorzugsweise ist das Gebläse in Strömungsrichtung der Frischluft stromaufwärts zum Wärmetauscher vorgesehen. Die den Wärmetauscher verlassende Frischluft kann über die Auslassöffnung durch die Unterbodenverkleidung an die Unterseite des Kraftfahrzeugs abgeleitet werden oder einem weiteren Kraftfahrzeugaggregat, beispielsweise einer Klimaanlage, zugeführt werden, um dort weitere Wärme aufzunehmen oder die gespeicherte Wärme abzugeben.
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Der Wärmetauscher kann Wärmetauscherkanäle ausbilden, durch die ein Wärmetauschermedium, beispielsweise Luft und/oder Wasser und/oder Öl und/oder Kältemittel, hindurchfließen kann. Es ist auch möglich, dass ein Teil der von dem Kühlkanal abzuführenden Wärme über die Unterbodenverkleidung an die Umgebung abgegeben wird. Der Kühlkanal ist insbesondere als Flachrohr ausgestaltet, das beispielsweise einen rechteckförmigen Strömungsquerschnitt aufweist. Der Kühlkanal kann dadurch flächig direkt oder indirekt an der Batteriezelleneinheit und/oder an dem Wärmetauscher thermisch angekoppelt sein. In dem Kühlkanal wird insbesondere ein flüssiges Kühlmedium, beispielsweise Wasser und/oder Öl und/oder ein, insbesondere organisches, Kältemittel umgepumpt. Die jeweilige Batteriezelleneinheit kann insbesondere oberhalb des Kühlkanals und/oder oberhalb des Wärmetauschers positioniert sein und vorzugsweise an der Unterbodenverkleidung abgestützt sein, so dass die Unterbodenverkleidung zumindest einen Teil der Gewichtskräfte der Batteriezelleneinheit abtragen kann. Die Batteriezelleneinheit ist insbesondere in einem Rahmen eingesetzt, der für die Batteriezelleneinheit nach unten und in horizontaler Richtung eine definierte Relativlage vorgibt. Vorzugsweise ist der jeweilige Rahmen nach unten geöffneten, so dass die auf dem Rahmen abgesetzte Batteriezelleneinheit für den Kühlkanal zugänglich ist. Vorzugsweise ist der Kühlkanal ausgestaltet zumindest einen Teil der Gewichtskräfte der Batteriezelleneinheit abzutragen, so dass der Kühlkanal als lastabtragendes Strukturbauteil wirken kann und insbesondere eine zusätzliche Schutzschicht zum Schutz der Traktionsbatterie vor einer Beschädigung von unten ausbilden kann. Der Rahmen kann insbesondere einstückig mit der Unterbodenverkleidung ausgestaltet sein.
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Insbesondere weist der Wärmetauscher in horizontaler Richtung eine größere Erstreckung als in vertikaler Richtung auf. Der Wärmetauscher kann dadurch besonders flach ausgestaltet sein. Anstatt in üblicher Weise hochkant mit einer Schmalseite als Unterseite ist der Wärmetauscher flach ausgestaltet mit der größeren Seite als Unterseite. Besonders bevorzugt weist der Wärmetausche eine Höhe h in im Wesentlichen vertikaler Richtung von 2 mm ≤ h ≤ 30 mm, insbesondere 4 mm ≤ h ≤ 20 mm und vorzugsweise 6 mm ≤ h ≤ 10 mm auf.
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Vorzugsweise weist der Wärmetauscher eine zum Kühlkanal weisende Oberseite und eine zur Unterbodenverkleidung weisende, insbesondere im Wesentlichen gleich große, Unterseite auf, wobei die Summe der Oberflächen der Oberseite und der Unterseite größer als die Summe der Oberflächen der die Oberseite mit der Unterseite verbindenden Schmalseiten ist. Dadurch kann der Wärmetauscher an der warmen Seite und/oder an der kalten Seite leicht flächig und mit einer großen Wärmeübertragungsleistung thermisch angekoppelt werden. Der Wärmetauscher kann beispielsweise im Wesentlichen quaderförmig ausgestaltet sein. Die Oberseite des Wärmetauschers kann insbesondere flächig an dem Kühlkanal anliegen oder die Unterseite des Kühlkanals ausbilden. Dies führt zu einem guten Wärmeaustausch zwischen dem Wärmetauscher und dem Kühlkanal. Beispielsweise ist ein im Wesentlichen U-förmiges Rechteckprofil auf der Oberseite des Wärmetauschers aufgesetzt, um zusammen mit der Oberseite des Wärmetauschers den Kühlkanal auszubilden. Die Unterseite des Wärmetauschers kann insbesondere flächig an der Unterbodenverkleidung anliegen oder von der Unterbodenverkleidung ausgebildet sein. Dies führt zu einem guten Wärmeaustausch zwischen dem Wärmetauscher und der Umgebung. Insbesondere kann der an der Unterseite der Unterbodenverkleidung entlangströmende Fahrtwind die von dem Wärmetauscher erwärmte Unterbodenverkleidung kühlen, wodurch der Wirkungsgrad des Wärmetauschers erhöht werden kann.
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Besonders bevorzugt weist der Wärmetauscher, insbesondere in vertikaler Richtung abstehende, Kühlrippen auf, wobei insbesondere die Kühlrippen mit einer zum Kühlkanal weisenden Oberplatte und einer zum Untergrund weisenden Unterplatte verbunden sind. Die Kühlrippen ermöglichen nicht nur eine hohe Wärmeübertragungsleistung sondern können gleichzeitig als plastisch verformbare Crash-Bauteile Aufprallenergie absorbieren, um die Traktionsbatterie vor einer Beschädigung von unten zu schützen. Die Oberplatte und die Unterplatte können hierbei einen definierten Deformationsweg für die Kühlrippen vorgeben und/oder die auftreffende Aufprallenergie an eine Mehrzahl von Kühlrippen aufteilen.
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Insbesondere ist der Wärmetauscher durch Strangpressen herstellbar. Dadurch lässt sich besonders einfach und durch ein für die Massenproduktion geeignetes Verfahren von einer Platte abstehende Kühlrippen herstellen, wobei insbesondere die Spitzen der Kühlrippen an einen flächigen Bereich des Kühlkanals oder der Unterbodenverkleidung angesetzt werden können, um zwischen den Kühlrippen definierte Wärmetauscherkanäle auszubilden, durch die ein Wärmetauschermedium, beispielsweise Luft oder Kühlwasser, in einer definierten Weise entlangfließen kann.
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Besonders bevorzugt ist mindestens ein Wärmetauscher mit einer Kältemaschine verbunden. Dies ermöglicht es mit Hilfe der Kältemaschine („Chiller“) in dem Wärmetauscher Temperaturen zu realisieren, die unterhalb der Umgebungstemperatur liegen. Die Wärmeaustauschleistung des Wärmetauschers kann dadurch weiter gesteigert werden und eine besonders niedrige Temperatur in dem Kühlkanal und in der von dem Kühlkanal gekühlten Batteriezelleneinheit erreicht werden. Die Kältemaschine kann beispielsweise als Kompressionskältemaschine ausgestaltet sein, bei der das Kältemedium, insbesondere als siedende Flüssigkeit, über ein Expansionsventil („TXV“) geführt wird, um bei einem reduzierten Druck in dem Wärmetauscher zu verdampfen und hierbei Wärme aufzunehmen.
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Insbesondere überdeckt mindestens ein Wärmetauscher die Kühlkanäle für mindestens zwei verschiedene Batteriezelleneinheiten. Dadurch kann ein Wärmetauscher zur Kühlung von mindestens zwei Kühlkanälen und/oder zur Kühlung von mindestens zwei Batteriezelleneinheiten verwendet werden, wodurch der apparative Aufwand gering gehalten wird. Alternativ ist es möglich zur Kühlung eines gemeinsamen Kühlkanals und/oder zur Kühlung einer gemeinsamen Batteriezelleneinheiten mindestens zwei verschiedene Wärmetauscher zu verwenden, wodurch erforderlichenfalls eine entsprechend hohe Gesamtkühlleistung erreicht werden kann.
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Vorzugsweise sind mindestens ein erster Wärmetauscher zur Kühlung auf ein erstes Temperaturniveau und ein zweiter Wärmetauscher zur Kühlung auf ein vom ersten Temperaturniveau verschiedenes zweites Temperaturniveau vorgesehen, wobei der erste Wärmetauscher und der zweite Wärmetauscher mit mindestens einem Kühlkanal gemeinsam wärmegekoppelt sind. Dies ermöglicht eine zweistufige Kühlung des Kühlkanals und/oder der Batteriezelleneinheit. Beispielsweise kann das in den Kühlkanal eintretende Kühlmedium zunächst mit Umgebungsluft vorgekühlt werden, während das vorgekühlte Kühlmedium anschließend mit von einer Kältemaschine auf unter Umgebungstemperatur gekühlten Kältemedium weiter abgekühlt werden kann, vorzugsweise bevor das Kühlmedium des Kühlkanals zum Kühlen der Batteriezelleneinheit verwendet wird.
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Besonders bevorzugt sind sämtliche zur Kühlung des Kühlkanals vorgesehene Wärmetauscher zwischen der Batteriezelleneinheit und der Unterbodenverkleidung, insbesondere zwischen dem Kühlkanal und der Unterbodenverkleidung, angeordnet. Ein vor, hinter, seitlich neben oder über der Traktionsbatterie zum Zweck der Kühlung des Kühlkanals vorgesehener Wärmetauscher ist dadurch gerade nicht vorgesehen, so dass der entsprechende Bauraum eingespart werden kann.
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Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele exemplarisch erläutert, wobei die nachfolgend dargestellten Merkmale sowohl jeweils einzeln als auch in Kombination einen Aspekt der Erfindung darstellen können. Es zeigen:
- 1: eine schematische geschnittene Seitenansicht eines Teils einer ersten Ausführungsform einer Unterbodeneinheit,
- 2: eine schematische geschnittene Seitenansicht eines Teils einer zweiten Ausführungsform einer Unterbodeneinheit,
- 3: eine schematische Draufsicht der Unterbodeneinheit aus 2 und
- 4: eine schematische perspektivische Ansicht eines Wärmetauschers für die Unterbodeneinheit.
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Die in 1 dargestellte Unterbodeneinheit 10 kann an einer Unterseite eines Kraftfahrzeugs vorgesehen sein und insbesondere mit einem Tragrahmen des Kraftfahrzeugs verbunden sein. Die Unterbodeneinheit 10 weist eine Unterbodenverkleidung 12 auf, die ein als separates Modul vorgesehene Batteriezelleneinheit 14 einer Traktionsbatterie 16 abdecken kann. An der Unterseite der Batteriezelleneinheit 14 sind als Flachrohre ausgestaltete Kühlkanäle 18 vorgesehen, mit deren Hilfe die jeweilige Batteriezelleneinheit 14 gekühlt werden kann. Zwischen dem Kühlkanal 18 und der Unterbodenverkleidung 12 ist ein Wärmetauscher 20 vorgesehen, mit dessen Hilfe der Kühlkanal 18 gekühlt werden kann. Der Wärmetauscher 20 kann flächig an dem Kühlkanal 18 und an der Unterbodenverkleidung 12 anliegen. Der Wärmetauscher 20 kann beispielsweise durch ein Zig-Zag-Profil ausgebildete Kühlrippen 22 aufweisen, die von einem Wärmetauschermedium umströmt werden können. Im dargestellten Ausführungsbeispiel kann als Wärmetauschermedium aus dem Fahrtwind abgezweigte Frischluft verwendet werden. Hierzu kann ein Gebläse 24 die Frischluft über eine in der Unterbodenabdeckung 12 vorgesehene Einlassöffnung 26 ansaugen, durch den Wärmetauscher 20 fördern und über eine in der Unterbodenabdeckung 12 vorgesehene Auslassöffnung 28 an die Unterseite des Kraftfahrzeugs ausstoßen.
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Bei der in 2 dargestellten Ausführungsform der Unterbodeneinheit 10 sind im Vergleich zu der in 1 dargestellten Ausführungsform der Unterbodeneinheit 10 mehrere separate Batteriezelleneinheiten 14 vorgesehen, deren in Serie und/oder zueinander parallel geschaltete Wärmetauscher 20 von dem gemeinsamen Gebläse 24 mit Frischluft gekühlt werden können. Zudem ist in 2 dargestellt, dass ein zweiter Wärmetauscher 30 nicht von Frischluft, sondern von einer Kältemaschine 32 gekühlt sein kann.
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Wie in 3 dargestellt ist es prinzipiell möglich mit Hilfe eines Ventils 34 einzustellen, welche Batteriezelleneinheiten 14 von dem Kühlmedium des jeweiligen Kühlkanals und/oder mit welchem Massenstrom gekühlt werden kann. Beispielsweise kann es ausreichend sein, nur mit Hilfe des mit der Kältemaschine 32 verbundenen zweiten Wärmetauschers 30 eine Batteriezelleneinheiten 14 zu kühlen, so dass eine Kühlung durch das in den Kühlkanälen 18 umgepumpte Kühlmedium nicht erforderlich ist und beispielsweise nur für die mit Frischluft gekühlten Wärmetauscher 20 verwendet wird.
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Der Wärmetauscher 20, 30 kann insbesondere unterhalb der Kühlkanäle 18 angeordnet sein. Wie in 4 dargestellt können die Kühlkanäle 18 und der Wärmetauscher 20 auch abwechselnd nebeneinander ausgebildet sein. Die Frischluft des Wärmetauschers 20 und das Kühlmedium des Kühlkanals 18 können hierbei insbesondere im Gegenstromprinzip oder alternativ im Gleichstromprinzip Wärme austauschen. Die Kühlkanäle 18 und die Wärmetauscher 20 können hierbei eine so große Erstreckung in horizontaler Richtung aufweisen, dass mehr als eine Batteriezelleneinheit 14 überdeckt wird. Falls die Kühlleistung für eine weitere Batteriezelleneinheit 14 nicht ausreichen sollte, kann für diese Batteriezelleneinheit ein weiterer parallel geschalteter Wärmetauscher 20 und/oder der mit der Kältemaschine 32 verbundene zweite Wärmetauscher 30 vorgesehen sein.
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Es ist auch möglich zwei oder mehr Wärmetauscher 20, 30 in vertikaler Richtung hintereinander anzuordnen, um durch eine mehrstufige Kühlung ein besonders starkes Temperaturgefälle vorzusehen. Insbesondere bei dem mit der Kältemaschine 32 verbundenen zweiten Wärmetauscher 30 können zwei oder mehr plattenförmige in Reihe oder parallel geschaltete Wärmetauscher 30 untereinander vorgesehen sein.
