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Stand der Technik
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Die Erfindung geht aus von einem Kühlsystem mit einer Mehrzahl an zu kühlenden Elementen nach Gattung des unabhängigen Anspruchs.
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Insbesondere bei für Elektrofahrzeuge genutzten Batterien soll ein Temperiersystem für eine homogene Temperaturverteilung zwischen einzelnen Batteriezellen sorgen. Ein solches Temperiersystem kann beispielsweise einen von Luft oder von Kältemittel durchströmten Strömungskanal umfassen, welcher den Batteriezellen Wärme zuführt bzw. Wärme von den Batteriezellen abführt.
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Die Druckschrift
EP 1117 138 A1 offenbart ein Kühlsystem für Batteriezellen mit einer Wärmeübertragungsstruktur, welche zwischen einzelnen Batteriezellen angeordnet ist. Die Wärmeübertragungsstruktur kann dabei unterschiedliche Geometrien aufweisen.
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Die Druckschrift
DE 10 2015 200 821 A1 offenbart ein Kühlsystem für eine Hochtemperatur-Batterie, wobei das Kühlsystem aus einem Separator mit einer Struktur besteht, welche von einem gasförmigen Temperiermedium oder von einer Temperierflüßigkeit durchströmbar ist.
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Offenbarung der Erfindung
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Das Kühlsystem mit einer Mehrzahl an zu kühlenden Elementen mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs hat den Vorteil, dass ein Wärmeübergang zwischen einem ersten zu kühlenden Element und einem Temperierfluid sowie einem zweiten zu kühlenden Element und dem Temperierfluid lokal verändert werden kann.
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Dazu wird ein Kühlsystem mit einer Mehrzahl an zu kühlenden Elementen bereitgestellt.
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Das Kühlsystem umfasst dabei einen Strömungskanal, welcher von Temperierfluid durchströmbar ist.
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Dabei umfasst das Kühlsystem ein erstes zu kühlendes Element und ein zweites zu kühlendes Element.
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Das erste zu kühlende Element ist dabei mit einer ersten Kühlstruktur wärmeleitend verbunden, welche von Temperierfluid umströmbar ist, oder ist dabei mit einem ersten Abschnitt einer Kühlstruktur wärmeleitend verbunden, welcher von Temperierfluid umströmbar ist.
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Das zweite zu kühlende Element ist dabei mit einer zweiten Kühlstruktur wärmeleitend verbunden, welche von Temperierfluid umströmbar ist, oder ist dabei mit einem zweiten Abschnitt einer Kühlstruktur wärmeleitend verbunden, welcher von Temperierfluid umströmbar ist.
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Dabei ist das Kühlsystem in der Art ausgebildet, dass der Wärmeübergang zwischen dem ersten zu kühlenden Element und dem im Strömungskanal strömenden Temperierfluid kleiner ist als der Wärmeübergang zwischen dem zweiten zu kühlenden Element und dem im Strömungskanal strömenden Temperierfluid.
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Die erste Kühlstruktur oder der erste Abschnitt umfassen dazu beispielsweise jeweils eine erste Oberfläche, eine erste Oberflächenbeschichtung, eine erste Oberflächenrauheit und/oder eine erste Farbe.
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Die zweite Kühlstruktur oder der zweite Abschnitt umfassen dazu beispielsweise jeweils eine zweite Oberfläche, eine zweite Oberflächenbeschichtung, eine zweite Oberflächenrauheit und/oder eine zweite Farbe.
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Dabei kann die erste Oberfläche kleiner sein als die zweite Oberfläche.
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Dabei kann die erste Oberflächenbeschichtung eine geringere Wärmeleitfähigkeit, insbesondere spezifische Wärmeleitfähigkeit, aufweisen als die zweite Oberflächenbeschichtung.
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Dabei kann die erste Oberflächenrauheit einen kleineren Rauheitswert aufweisen als die zweite Oberflächenrauheit.
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Dabei kann die erste Farbe einen kleineren Emissionsgrad aufweisen als die zweite Farbe.
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Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im unabhängigen Anspruch angegebenen Vorrichtung möglich.
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Dabei ist es zweckmäßig, wenn das Kühlsystem mit einer Mehrzahl an zu kühlenden Elementen als ein Batteriemodul mit einer Mehrzahl an Batteriezellen ausgebildet ist.
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Dabei sind die Batteriezellen insbesondere Lithium-Ionen-Batteriezellen. Weiterhin ist das erste zu kühlende Element als eine erste Batteriezelle ausgebildet.
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Weiterhin ist das zweite zu kühlende Element als eine zweite Batteriezelle ausgebildet.
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Dies hat den Vorteil, dass die Batteriezellen des Batteriemoduls auf einem im Wesentlichen gleichen Temperaturniveau betrieben werden können und eine Ausbildung von lokalen Temperaturunterschieden zwischen den einzelnen Batteriezellen verringert werden kann.
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Dadurch können vorteilhafterweise unterschiedliche Alterungsgeschwindigkeiten zwischen den einzelnen Batteriezellen verhindert werden.
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Somit kann mit einem erfindungsgemäßen Kühlsystem eine Ausbildung einer unterschiedlichen Temperaturverteilung zwischen den einzelnen Batteriezellen verringert werden.
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Gemäß einem vorteilhaften Aspekt der Erfindung weist die erste Kühlstruktur oder der erste Abschnitt eine Mehrzahl an ersten Kühlrippen auf.
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Gemäß dem vorteilhaften Aspekt der Erfindung weist die zweite Kühlstruktur oder der zweite Abschnitt eine Mehrzahl an zweiten Kühlrippen auf.
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Dadurch kann eine einfache Ausbildung des Kühlsystems bei einer gleichzeitig zuverlässigen Wärmeübertragung zur Verfügung gestellt werden.
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Es ist zweckmäßig, wenn die ersten Kühlrippen jeweils eine erste Kühlrippenoberfläche aufweisen und wenn die zweiten Kühlrippen jeweils eine zweite Kühlrippenoberfläche aufweisen.
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Dabei ist eine erste Kühlrippenoberfläche kleiner als eine zweite Kühlrippenoberfläche.
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Dadurch kann eine einfache Ausbildung des Kühlsystems zur Verfügung gestellt werden.
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Weiterhin ist es dabei auch zweckmäßig, wenn die erste Kühlstruktur oder der erste Abschnitt eine erste Anzahl an ersten Kühlrippen aufweist und die zweite Kühlstruktur oder der zweite Abschnitt eine zweite Anzahl an zweiten Kühlrippen aufweist.
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Dabei ist die erste Anzahl an ersten Kühlrippen kleiner als die zweite Anzahl an zweiten Kühlrippen.
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Auch dadurch kann eine einfache Ausbildung des Kühlsystems zur Verfügung gestellt werden.
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Von Vorteil ist es, wenn die ersten Kühlrippen jeweils eine erste Kühlrippenbreite aufweisen und die zweiten Kühlrippen jeweils eine zweite Kühlrippenbreite aufweisen.
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Dabei ist eine erste Kühlrippenbreite größer als eine zweite Kühlrippenbreite. Auch dadurch kann eine einfache Ausbildung des Kühlsystems zur Verfügung gestellt werden.
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Gemäß einem zweckmäßigen Aspekt der Erfindung umfasst der Strömungskanal einen ersten Anschluss, welcher zum Einlassen von Temperierfluid in den Strömungskanal hinein ausgebildet ist.
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Weiterhin gemäß dem zweckmäßigen Aspekt der Erfindung umfasst der Strömungskanal einen zweiten Anschluss, welcher zum Auslassen von Temperierfluid aus dem Strömungskanals heraus ausgebildet ist.
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Dabei ist der erste Anschluss benachbart zu dem ersten zu kühlenden Element angeordnet und ist der zweite Anschluss benachbart zu dem zweiten zu kühlenden Element angeordnet.
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Ein erfindungsgemäßes Kühlsystem kann sowohl zur Temperierung von Batteriemodulen, wie beispielsweise von Batteriemodulen von Hybrid- oder Plug-In-Hybrid-Fahrzeugen, oder von Batteriemodulen eines stationären Speichers oder von Batteriemodulen eines Unterhaltungsgerätes, oder auch zur Kühlung von Leistungshalbleitern verwendet werden.
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Weiterhin ist es insbesondere möglich, ein erfindungsgemäßes Kühlsystem für jegliche zu kühlende Objekte zu verwenden, bei denen eine vorgegebene Temperaturverteilung erwünscht ist.
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Dabei ist es möglich, den Strömungskanal mit einem gasförmigen Temperierfluid, wie beispielsweise Luft, oder auch mit einem flüssigen Temperierfluid zu durchströmen.
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Insbesondere bietet das erfindungsgemäße Kühlsystem den Vorteil, dass eine homogene Temperaturverteilung zwischen dem ersten zu kühlenden Element und dem zweiten zu kühlenden Element zur Verfügung gestellt werden kann, selbst wenn dafür unterschiedliche Wärmeabgaben zwischen dem ersten zu kühlenden Element und dem zweiten zu kühlenden Element an ein in dem Strömungskanal strömendes Temperierfluid notwendig sind oder auch wenn sich ein durch den Strömungskanal strömendes Temperierfluid über der Länge des Strömungskanal erwärmt.
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Dabei kann durch eine Erhöhung des Wärmeübergangs zwischen in dem Strömungskanal strömendem Temperierfluid und den zu kühlenden Elementen über der Länge des Strömungskanals trotz einer sich verringernden Temperaturdifferenz zwischen den zu kühlenden Elementen und dem Temperierfluid aufgrund einer Erwärmung des Temperierfluids dennoch eine konstante Temperaturverteilung, insbesondere von Batteriezellen, ausgebildet werden.
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Insbesondere ist es dadurch auch möglich, dass aus allen Batteriezellen ein konstanter Wärmestrom abgeführt werden kann.
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Dadurch ist es möglich, insbesondere die Batteriezellen eines Batteriemoduls im Wesentlichen auf einem konstanten Temperaturniveau zu halten und lokale Temperaturunterschiede zwischen den einzelnen Batteriezellen zu vermeiden.
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Ein erfindungsgemäßes Kühlsystem bietet weiterhin auch den Vorteil, dass eine lokal unterschiedliche Temperaturverteilung zwischen dem ersten zu kühlenden Element und den zweiten zu kühlenden Element, beispielsweise einer ersten Batteriezelle und einer zweiten Batteriezelle, ausgebildet werden kann, ohne Anordnung eines weiteren Kühlsystems.
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Figurenliste
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
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Es zeigt
- 1 schematisch eine Ansicht eines erfindungsgemäßen Kühlsystems mit einer Mehrzahl zu kühlenden Elementen,
- 2 schematisch eine erste Ausführungsform einer ersten Kühlstruktur und einer zweiten Kühlstruktur,
- 3 schematisch eine zweite Ausführungsform einer ersten Kühlstruktur und einer zweiten Kühlstruktur,
- 4 schematisch eine dritte Ausführungsform einer ersten Kühlstruktur und einer zweiten Kühlstruktur und
- 5 schematisch eine vierte Ausführungsform einer ersten Kühlstruktur und einer zweiten Kühlstruktur.
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Die 1 zeigt schematisch eine Ansicht eines erfindungsgemäßen Kühlsystems 1 mit einer Mehrzahl an zu kühlenden Elementen 2.
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Weiterhin umfasst das Kühlsystem 1 einen Strömungskanal 3, welche von einem gasförmigen oder flüssigen Temperierfluid durchströmbar ist.
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Das Kühlsystem 1 umfasst dabei ein erstes zu kühlendes Element 21 und ein zweites zu kühlendes Element 22.
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Die in der 1 gezeigte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kühlsystems 1 umfasst dabei eine obere Reihe 11 an zu kühlenden Elementen 2 und eine untere Reihe 12 zu kühlenden Elementen 2.
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Anhand der 1 soll nun zunächst die erfindungsgemäße Ausführung eines Kühlsystems 1 erläutert werden.
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Das erste zu kühlende Element 21 der oberen Reihe 11 ist wärmeleitend mit einer ersten Kühlstruktur 41 verbunden, wobei die erste Kühlstruktur 41 von Temperierfluid umströmbar ist.
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Das zweite zu kühlende Element 22 der oberen Reihe 11 ist wärmeleitend mit einer zweiten Kühlstruktur 42 verbunden, wobei die zweite Kühlstruktur 42 von Temperierfluid umströmbar ist.
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Weiterhin weist das Kühlsystem 1, insbesondere die zweite Reihe 12 an zu kühlenden Elementen 2 eine Kühlstruktur 5 auf, wobei die Kühlstruktur 5 von Temperierfluid umströmbar ist.
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Das erste zu kühlende Element 21 der unteren Reihe 12 ist wärmeleitend mit einem ersten Abschnitt 51 der Kühlstruktur 5 verbunden, wobei der erste Abschnitt 51 von Temperierfluid umströmbar ist.
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Das zweite zu kühlende Element 22 der unteren Reihe 12 ist wärmeleitend mit einem zweiten Abschnitt 52 der Kühlstruktur 5 verbunden, wobei der zweite Abschnitt 52 von Temperierfluid umströmbar ist.
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Dabei sind nun die erste Kühlstruktur 41, der erste Abschnitt 51, die zweite Kühlstruktur 42 und der zweite Abschnitt 52 in der Art ausgebildet, dass der Wärmeübergang zwischen dem ersten zu kühlenden Element 21 und dem in dem Strömungskanal 3 strömendem Temperierfluid kleiner ist als der Wärmeübergang zwischen den zweiten zu kühlenden Element 22 und dem in dem Strömungskanal 3 strömendem Temperierfluid.
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Aus der 1 ist weiterhin zu erkennen, dass der Strömungskanal 3 einen ersten Anschluss 31 aufweist, welcher zum Einlassen von Temperierfluid in den Strömungskanal 3 hinein ausgebildet ist.
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Aus der 1 ist weiterhin auch zu erkennen, dass der Strömungskanal 3 einen zweiten Anschluss 32 aufweist, welcher zum Auslassen von Temperierfluid aus dem Strömungskanal 3 heraus ausgebildet ist.
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Insbesondere ist dabei der erste Anschluss 31 benachbart zu dem ersten zu kühlenden Element 21 angeordnet und ist insbesondere der zweite Anschluss 32 benachbart zu dem zweiten zu kühlenden Element 22 angeordnet.
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Weiterhin weist das Kühlsystem 1 eine Längsrichtung 14 auf, welche von dem ersten Anschluss 31 zu dem zweiten Anschluss 32 weist.
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Dabei ist das erste zu kühlende Element 21 in der Längsrichtung 14 des Kühlsystems 1 vor dem zweiten zu kühlenden Element 22 angeordnet.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Kühlsystem 1 mit einer Mehrzahl an zu kühlenden Elementen 2 ein Batteriemodul 100 mit einer Mehrzahl an Batteriezellen 200.
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Insbesondere ist das erste zu kühlende Element 21 eine erste Batteriezelle 210 und das zweite zu kühlende Element 22 eine zweite Batteriezelle 220.
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Die Erfindung bietet, wie bereits beschrieben ist, den Vorteil, dass eine homogene Temperaturverteilung insbesondere zwischen der ersten Batteriezelle 210 und der zweiten Batteriezelle 220 ausgebildet werden kann, da aufgrund der unterschiedlichen Ausbildung des ersten Kühlelements 41 und des zweiten Kühlelements 42 bzw. des ersten Abschnitts 51 und des zweiten Abschnitts 52 der Einfluss von sich über der Laufzeit erwärmendem Temperierfluid ausgeglichen werden kann.
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An dieser Stelle sei angemerkt, dass, insbesondere bei der Ausbildung des Kühlsystems 1 mit einer Kühlstruktur 5, der Wärmeübergang zwischen der Kühlstruktur 5 und einem im Strömungskanal 3 strömendem Temperierfluid über der Längsrichtung 14 des Kühlsystems 1 kontinuierlich erhöht wird.
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Dazu zeigen die 2 bis 5 jeweils mögliche Ausbildungen der ersten Kühlstruktur 41 und der zweiten Kühlstruktur 42, welche selbstverständlich auch auf den ersten Abschnitt 51 und den zweiten Abschnitt 52 übertragbar sind. Weiterhin können auch alle in den 2 bis 5 gezeigten Ausbildung jeweils miteinander kombiniert werden.
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Die 2 zeigt dabei eine erste Ausführungsform der ersten Kühlstruktur 41 und der zweiten Kühlstruktur 42.
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Die erste Kühlstruktur 41 weist dabei eine erste Oberfläche 61 auf und die zweite Kühlstruktur 42 weist dabei eine zweite Oberfläche 62 auf.
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Dabei ist die erste Oberfläche 61 kleiner als die zweite Oberfläche 62.
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An dieser Stelle sei angemerkt, dass die erste Oberfläche 61 bzw. die zweite Oberfläche 62 jeweils die gesamte Oberfläche der ersten Kühlstruktur 41 bzw. der zweiten Kühlstruktur 42 beschreiben.
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Aus der 2 ist zu erkennen, dass die erste Kühlstruktur 41 eine Mehrzahl an ersten Kühlrippen 71 aufweist.
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Aus der 2 ist zu erkennen, dass die zweite Kühlstruktur 42 eine Mehrzahl an zweiten Kühlrippen 72 aufweist.
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Die ersten Kühlrippen 71 weisen dabei jeweils eine Kühlrippenoberfläche 81 auf und die zweiten Kühlrippen 72 weisen dabei jeweils eine zweite Kühlrippenoberfläche 82 auf.
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Dabei ist eine erste Kühlrippenoberfläche 81 kleiner als eine zweite Kühlrippenoberfläche 82.
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Beispielsweise kann die Kühlrippenoberfläche 81, 82 dazu eine Vielzahl an mikroskopischen und/oder makroskopischen Oberflächenunebenheiten oder Oberflächenstrukturen aufweisen, so dass eine erste Kühlrippenoberfläche 81 kleiner ist als eine zweite Kühlrippenoberfläche 82.
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An dieser Stelle sei angemerkt, dass die erste Kühlrippenoberfläche 81 bzw. die zweite Kühlrippenoberfläche 82 im Unterschied zu der ersten Oberfläche 61 bzw. der zweiten Oberfläche 62 jeweils nur die Oberfläche einer ersten Kühlrippen 71 bzw. einer zweiten Kühlrippen 72 beschreiben.
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Weiterhin ist aus der 2 zu erkennen, dass die erste Kühlstruktur 41 eine erste Anzahl an ersten Kühlrippen 71 aufweist, insbesondere 4 erste Kühlrippen 71 aufweist.
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Weiterhin ist aus der 2 zu erkennen, dass die zweite Kühlstruktur 42 eine zweite Anzahl an zweiten Kühlrippen 72 aufweist, insbesondere sieben zweite Kühlrippen 72 aufweist.
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Dabei ist die erste Anzahl an ersten Kühlrippen 71 kleiner als die zweite Anzahl an zweiten Kühlrippen 72.
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Zudem zeigt die 2, dass die ersten Kühlrippen 71 jeweils eine erste Kühlrippenbreite 91 aufweisen.
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Zudem zeigt die 2, dass die zweiten Kühlrippen 72 jeweils eine zweite Kühlrippenbreite 92 aufweisen.
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Dabei ist eine erste Kühlrippenbreite 91 kleiner als eine zweite Kühlrippenbreite 92.
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Weiterhin weisen die ersten Kühlrippen 71 jeweils eine erste Kühlrippenhöhe 101 auf und die zweiten Kühlrippen 72 jeweils eine zweite Kühlrippenhöhe 102 auf. Die ersten Kühlrippenhöhen 101 und die zweiten Kühlrippenhöhen 102 sind dabei identisch, wobei es durchaus auch möglich ist, dass die ersten Kühlrippenhöhen 101 kleiner oder größer sind als die zweiten Kühlrippenhöhen 102.
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Insbesondere sind die ersten Kühlrippen 71 jeweils durch einen ersten Abstand 151 voneinander beabstandet und sind die zweiten Kühlrippen 72 jeweils durch einen zweiten Abstand 152 voneinander beabstandet.
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Dabei ist der erste Abstand 151 größer als der zweite Abstand 152.
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Die 3 zeigt dabei eine zweite Ausführungsform der ersten Kühlstruktur 41 und der zweiten Kühlstruktur 42.
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Die erste Kühlstruktur 41 umfasst dabei eine erste Oberflächenbeschichtung 111 und die zweite Kühlstruktur 42 umfasst dabei eine zweite Oberflächenbeschichtung 112.
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Dabei weist die erste Oberflächenbeschichtung 111 eine geringere Wärmeleitfähigkeit auf als die zweite Oberflächenbeschichtung 112.
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Insbesondere kann dazu die erste Oberflächenbeschichtung 111 aus einem ersten Material ausgebildet sein und die zweite Oberflächenbeschichtung 112 aus einem zweiten Material ausgebildet sein, wobei das erste Material eine geringere Wärmeleitfähigkeit aufweist als das zweite Material.
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Insbesondere kann dazu auch die erste Oberflächenbeschichtung 111 eine erste Schichtdicke aufweisen und die zweite Oberflächenbeschichtung 112 eine zweite Schichtdicke aufweisen, wobei die erste Schichtdicke größer ist als die zweite Schichtdicke.
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Die 4 zeigt dabei eine dritte Ausführungsform der ersten Kühlstruktur 41 und der zweiten Kühlstruktur 42.
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Die erste Kühlstruktur 41 umfasst dabei eine erste Oberflächenrauheit 121 und die zweite Kühlstruktur 42 umfasst dabei eine zweite Oberflächenrauheit 122. Dabei weist die erste Oberflächenrauheit 121 einen kleineren Rauheitswert auf als die zweite Oberflächenrauheit 122.
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Die 5 zeigt eine vierte Ausführungsform der ersten Kühlstruktur 41 und der zweiten Kühlstruktur 42.
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Die erste Kühlstruktur 41 umfasst dabei eine erste Farbe 131 und die zweite Kühlstruktur umfasst dabei eine zweite Farbe 132.
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Dabei weist die erste Farbe 131 einen kleineren Emissionsgrad auf als die zweite Farbe 132.
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Insbesondere ist die erste Farbe 131 heller als die zweite Farbe 132.
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An dieser Stelle sei noch darauf hingewiesen, dass die erste Kühlstruktur 41 bzw. der erste Abschnitt 51 einer Kühlstruktur 5 als integraler Bestandteil des ersten zu kühlenden Elements 21, wie beispielsweise dem Gehäuse einer ersten Batteriezelle 210 ausgebildet sein kann, oder dass das erste zu kühlende Element 21 unmittelbar kontaktierend an der ersten Kühlstruktur 41 bzw. dem ersten Abschnitt 51 einer Kühlstruktur 5 angeordnet sein kann.
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An dieser Stelle sei auch noch darauf hingewiesen, dass die zweite Kühlstruktur 42 bzw. der zweite Abschnitt 52 einer Kühlstruktur 5 als integraler Bestandteil des zweiten zu kühlenden Elements 22, wie beispielsweise dem Gehäuse einer zweiten Batteriezelle 220 ausgebildet sein kann, oder dass das zweite zu kühlende Element 22 unmittelbar kontaktierend an der zweiten Kühlstruktur 42 bzw. dem zweiten Abschnitt 52 einer Kühlstruktur 5 angeordnet sein kann. Dadurch kann eine zuverlässige wärmeleitende Verbindung zwischen dem ersten zu kühlenden Element 21 und der ersten Kühlstruktur 41 bzw. dem ersten Abschnitt 51 einer Kühlstruktur 5 sowie zwischen dem zweiten zu kühlenden Element 22 und der zweiten Kühlstruktur 42 bzw. dem zweiten Abschnitt 52 einer Kühlstruktur 5 ausgebildet werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 1117138 A1 [0003]
- DE 102015200821 A1 [0004]
