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Die Erfindung betrifft eine Temperiervorrichtung in einem Batteriespeichersystem, wobei das Batteriespeichersystem aus einer Anordnung von wiederaufladbaren Akkublöcken besteht. Die Akkublöcke werden durch einen Temperierkreislauf mit einem Temperiermedium gekühlt, wobei der Temperierkreislauf einen Wärmetauscher umfasst.
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Batteriespeichersysteme für den Privathaushalt oder das Gewerbe finden vermehrt Anwendung. Aufgrund von Platzmangel in Gebäuden werden derartige Batteriespeichersysteme häufiger außerhalb von Gebäuden aufgestellt, z. B. in Carports, Gärten, Garagenauffahrten und dergleichen.
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Batteriespeichersysteme sind temperaturempfindlich. Bei niedrigen Außentemperaturen werden zusätzliche elektrische Heizelemente benötigt, um die Batteriespeicher des Systems auf eine Betriebstemperatur zu temperieren. Bei höheren Außentemperaturen im Sommer muss das Batteriespeichersystem gekühlt werden.
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Um einen Eintrag von Schmutz, Feuchtigkeit und dergleichen in das Batteriespeichersystem zu vermeiden, sollte möglichst nicht mit Außenluft gekühlt werden. Daher ist häufig ein geschlossenes System mit einer internen aktiven Luftumwälzung vorgesehen, wobei als Temperiermedium die Luft innerhalb des Gehäuses des Batteriespeichersystems in einem Temperierkreislauf bewegt wird und die Abwärme der Akkumodule wie auch der Leistungselektronik abführt. Um die erwärmte Kühlluft abzukühlen, werden Klimageräte wie Kompressoren oder dergleichen verwendet. Dies ist teuer, laut und verbraucht zusätzlich Energie.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Temperiervorrichtung in einem Batteriespeichersystem vorzuschlagen, die bei geringem Energieeinsatz eine effektive Kühlung des Batteriespeichersystems gewährleistet.
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Die Aufgabe wird bei einer Temperiervorrichtung in einem Batteriespeichersystem derart gelöst, dass der Wärmetauscher des inneren Temperierkreislaufs in wärmeübertragender Verbindung mit einem Erdwärmespeicher angeordnet ist.
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Ein Erdwärmespeicher hat im Sommer eine Speichertemperatur, welche regelmäßig niedriger ist als die erwärmte Kühlluft des Batteriespeichersystems. Daher kann über den Wärmetauscher eine Kühlung der Leistungselektronik und/oder der Akkublöcke des Batteriespeichersystems über den Erdwärmespeicher gewährleistet werden, wobei Kompressoren oder dergleichen vermieden sind. Der Energieaufwand zur Kühlung des Batteriespeichersystems kann niedrig gehalten werden.
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In einer Tiefe von ca. 1,50 m beträgt die Erdtemperatur zwischen Mai und November zwischen 10°C und 18°C. Ein Erdwärmespeicher wird im Mittel diese Temperaturen annehmen, so dass ein Wärmeeintrag durch die Kühlung der Akkublöcke und insbesondere der Leistungselektronik (Umrichter) sicher abgeführt werden kann. Die Innenraumtemperatur des Batteriespeichersystems kann ohne Kühlaggregate in einem Bereich zwischen 30°C bis 35°C gehalten werden.
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Von besonderem Vorteil ist, dass die Temperatur des Erdwärmespeichers nicht unter null Grad absinken wird, so dass der Erdwärmespeicher auch zum Erwärmen der Akkublöcke im Batteriespeichersystem genutzt werden kann. Sinkt die Außentemperatur außerhalb des Outdoor-Batteriespeichersystems unter null Grad, so kann über den Erdwärmespeicher und den Temperierkreislauf ein Vorwärmen der Akkublöcke auf eine notwendige Starttemperatur erfolgen. Heizenergie kann eingespart werden.
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In einfacher Weise ist der Erdwärmespeicher unterhalb des Batteriespeichersystems angeordnet, so dass Zu- und Ableitungen zu einem Wärmetauscher kurz gehalten werden oder gar entfallen können.
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Vorteilhaft ist der Erdwärmespeicher mit einem wärmeleitenden Speichermedium gefüllt, wodurch eine gleichmäßige Wärmeübertragung und eine gute Wärmespeicherfähigkeit gegeben sind. Darüber hinaus bildet das Speichermedium einen Kältespeicher, da sich in einer Zeit der Nichtnutzung der Erdwärmespeicher weiter abkühlt.
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In einer einfachen Ausführungsform ist der Wärmetauscher des Temperierkreislaufs des Batteriespeichersystems auf seiner Primärseite mit einem im Speichermedium des Erdwärmespeichers liegenden Wärmetauscherkanal verbunden, der zweckmäßig als Rohrschlange ausgebildet ist. In dem Wärmetauscherkanal wird ein Fluid geführt, welches über eine Pumpe, insbesondere eine elektrische Pumpe in einem Fluidkreislauf durch den Wärmetauscher gepumpt werden kann, so dass über den Wärmetauscher die Abwärme des Temperierkreislaufs in den Erdwärmespeicher abgeleitet werden kann.
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Bei Außentemperaturen unter 0° steht im Erdwärmespeicher bzw. im Speichermedium des Erdwärmespeichers eine Wärmemenge zur Verfügung, die zum Anwärmen der Akkublöcke des Batteriespeichersystems genutzt werden kann.
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In einer besonderen Ausführungsform mit einem geringen Energiebedarf ist der Wärmetauscher als Wärmesammler ausgebildet und mit Wärmetauscherrippen versehen, die unmittelbar in das Speichermedium des Erdwärmespeichers einragen. Ohne Notwendigkeit einer Pumpe und damit ohne Zufuhr von weiterer Energie kann das Temperiermedium, vorteilhaft Luft, über den Wärmesammler geführt und die Abwärme des Batteriespeichersystems über den Wärmesammler und die Wärmetauscherrippen in den Erdwärmespeicher abgeleitet werden.
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Zweckmäßig ist vorgesehen, dass der Erdwärmespeicher selbst Speicherrippen aufweist, die zwischen die Wärmetauscherrippen des Wärmetauschers einragen. Bevorzugt ist die Anordnung so getroffen, dass die Höhe der Wärmetauscherrippen des Wärmetauschers und die Höhe der Speicherrippen des Erdwärmespeichers etwa gleich sind, so dass sich über die Höhe einer Wärmetauscherrippe jeweils eine Speicherrippe des Erdwärmespeichers erstreckt. Dadurch wird die wärmeübertragende Fläche vergrößert, und es kann ein intensiver Wärmeaustausch zwischen den Wärmetauscherrippen und den Speicherrippen des Erdwärmespeichers erzielt werden.
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Das Batteriespeichersystem ist in einem geschlossenen Gehäuse angeordnet, wobei der Temperierkreislauf als zirkulierende Luftströmung in dem geschlossenen Gehäuse ausgebildet ist. Da das Gehäuse geschlossen ist, kann von außen weder Schmutz noch Feuchtigkeit oder dgl. eindringen.
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In Weiterbildung der Erfindung ist der Wärmesammler des Wärmetauschers mit vorteilhaft mehreren nebeneinander liegenden Wärmetauscherkanälen ausgebildet, wobei insbesondere jedem Wärmetauscherkanal eine Wärmetauscherrippe zugeordnet sein kann. Dadurch ist über die Erstreckung des Wärmetauschers eine gleichmäßige Abfuhr der Wärme gewährleistet.
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In zweckmäßiger Ausbildung der Erfindung ist vorgesehen, die Leistungselektronik des Batteriespeichersystems auf dem Wärmetauscher selbst bzw. auf dessen Wärmesammler oder Grundkörper anzuordnen. Dadurch ist ein unmittelbarer Wärmeübergang von der Leistungselektronik auf das Grundgehäuse des Wärmetauschers gegeben.
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Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Ansprüchen, der Beschreibung und der Zeichnung, in der nachfolgend im Einzelnen beschriebene Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt sind. Die zu einzelnen Ausführungsbeispielen genannten oder beschriebenen Merkmale lassen sich auf andere Ausführungsbeispiele übertragen und/oder untereinander beliebig kombinieren.
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Es zeigen:
- 1 in schematischer Darstellung ein Batteriespeichersystem in einer Outdoor Anordnung,
- 2 eine schematische Darstellung des Temperaturverlaufs in unterschiedlichen Tiefen des Erdreichs über das Jahr und über einen Tag,
- 3 in schematischer Darstellung ein erstes Ausführungsbeispiel einer Temperiervorrichtung für ein Batteriespeichersystem nach 1,
- 4 in schematischer Darstellung ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Temperiervorrichtung für ein Batteriespeichersystem nach 1,
- 5 in vergrößerter Darstellung ein drittes Ausführungsbeispiel einer Temperiervorrichtung für ein Batteriespeichersystem.
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In 1 ist ein Batteriespeichersystem mit 1 bezeichnet, das im dargestellten Ausführungsbeispiel außerhalb eines Gebäudes angeordnet ist. Ein derartiges Batteriespeichersystem 1 kann auch als Outdoor-Batteriespeichersystem bezeichnet werden. Das außerhalb eines Gebäudes 2 vorgesehene Batteriespeichersystem 1 kann z. B. im Garten eines Hauses, in einem Carport, in einer Garagenauffahrt oder dergleichen Standort vorgesehen sein. Entsprechende Anordnungen sind auch für Gewerbe zweckmäßig. Das Batteriespeichersystem 1 ist zur elektrischen Versorgung von Verbrauchern 8 vorgesehen, die z. B. im Gebäude 2 angeordnet sind.
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Als Batteriespeichersystem 1 wird eine Anordnung aus wiederaufladbaren Batterien zusammen mit der notwendigen Leistungselektronik 17 (4, 5) zur Überwachung und Steuerung des Ladens und Entladens der Batterien verstanden. Ein derartiges Batteriespeichersystem 1 kann eine Systemspannung im Hochvoltbereich haben, insbesondere mit einer Gleichspannung von mehr als 100 Volt ausgebildet sein. Das Batteriespeichersystem stellt insbesondere eine Gleichspannung von 300 Volt DC bis 1000 Volt DC, vorteilhaft von 400 Volt DC bis 800 Volt DC, insbesondere von 650Volt DC bis 850 Volt DC bereit.
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Das Batteriespeichersystem 1 ist in einem Gehäuse 3, insbesondere in einem nach außen vollständig geschlossenen Gehäuse 3 angeordnet. Zur Kühlung der im Gehäuse 3 vorgesehenen Akkublöcke 4 (3) ist ein Temperierkreislauf 5 vorgesehen. Der Temperierkreislauf 5 führt zweckmäßig Luft als Temperiermedium, welches vorteilhaft durch ein Gebläse 6 gefördert wird und/oder die Akkublöcke 4 sowie die Leistungselektronik 17 (4, 5) kühlt. Es kann vorteilhaft sein, zwischen den Akkublöcken 4 Temperierkanäle 7 (3) auszubilden, durch die das Temperiermedium, vorzugsweise Luft, strömt.
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Im Temperierkreislauf 5 ist ein Wärmetauscher 10 vorgesehen. Der Wärmetauscher 10 steht in wärmeübertragender Verbindung mit einem Erdwärmespeicher 11. Bevorzugt ist vorgesehen, den Erdwärmespeicher 11 unterhalb des Batteriespeichersystems 1 anzuordnen. Vorteilhaft bildet der Erdwärmespeicher 11 das Fundament des Batteriespeichersystems 1.
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Wie die schematischen Diagramme in 2 zeigen, liegt die Temperatur in einer Bodentiefe von nur 50 cm über das Jahr sowie über 24h gesehen unter 20°C. Die Diagramme zeigen auch eine Phasenverschiebung des Temperaturgangs über das Jahr; so wird in einer Tiefe von 12m das Temperaturmaximum erst im Februar eines Jahres erreicht. Zwischen Mai und November herrschen in einer Bodentiefe um 100 cm eine Temperatur im Bereich zwischen 10°C und 18°C im Erdreich. Wenn ein Erdwärmespeicher 11 im Mittel diese Temperatur annimmt, kann die anfallende Wärmemenge der Akkublöcke 4 und insbesondere der Leistungselektronik (z.B. Umrichter) über den Erdwärmespeicher abgeführt werden. Die Innenraumtemperatur im Gehäuse 3 des Batteriespeichersystemsystems kann im Bereich zwischen 30 bis 35°C gehalten werden.
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Eine erste Ausbildung der Temperiervorrichtung unter Verwendung eines Erdwärmespeichers ist in 3 dargestellt. Der Wärmetauscher 10 ist auf seiner Primärseite von einem Fluid gespeist, welches über eine Fluidpumpe 12 in einem Primärkreislauf 13 umgepumpt wird. Der Primärkreislauf 13 umfasst einen im Erdwärmespeicher 11 liegenden Wärmetauscherkanal 14, der im Ausführungsbeispiel nach 2 als Rohrschlange 15 ausgebildet ist. Um einen guten Wärmeübergang zu gewährleisten, ist vorgesehen, den Erdwärmespeicher mit einem wärmeleitenden Speichermedium 16 zu füllen. Der als Rohrschlange 15 ausgebildete Wärmetauscherkanal 14 liegt bevorzugt vollständig im wärmeleitenden Speichermedium 16.
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Auf der Sekundärseite des Wärmetauschers 10 ist der Temperierkreislauf 5 des Batteriespeichersystems 1 ausgebildet. Das Fluid des Temperierkreislaufs 5 ist bevorzugt Luft, welche über ein Gebläse 6 durch das Gehäuse 3 und insbesondere über eine Leistungselektronik 17 (4, 5) gefördert wird. Zweckmäßig durchströmt die Luft ergänzend Temperierkanäle 7 zwischen den wiederaufladbaren Akkublöcken 4. Der Temperierkreislauf 5 nimmt die beim Laden und Entladen entstehende Abwärme der Leistungselektronik und/oder der Akkublöcke 4 auf. Die erwärmte Luft wird im Wärmetauscher 10 mittels des Fluids des Primärkreislaufs 13 abgekühlt und über das Gebläse 6 zur erneuten Kühlung in den Temperierkreislauf 5 gefördert. Zweckmäßig ist der Temperierkreislauf 5 ein innerhalb des Gehäuses 3 geschlossener Kreislauf.
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Der Erdwärmespeicher 11 weist in einer Tiefe von z. B. 100 cm über das Jahr eine Speichertemperatur von z. B. 5° bis 18° auf (vgl. 2), so dass bei entsprechender Auslegung des Erdwärmespeichers 11 jederzeit einerseits eine ausreichende Kühlung des Batteriespeichersystems 1 als auch eine eventuelle Erwärmung des Batteriespeichersystems 1 gewährleistet ist.
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In dem geschlossenen Gehäuse 3 des Batteriespeichersystems 1 ist über ein oder mehrere Gebläse 6 eine interne aktive Luftzirkulation gewährleistet, wodurch sowohl die Akkublöcke 4 als auch eine Leistungselektronik 17 (3) gekühlt werden kann.
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Sinken die Umgebungstemperaturen des Batteriespeichersystems 1 bzw. dessen Gehäuses 3 auf beispielsweise 0° oder weniger, können die Akkublöcke 4 im Gehäuse 3 durch die im Erdwärmespeicher 11 gespeicherte Erdwärme angewärmt werden, wodurch eine bessere Leistungsabgabe der Akkublöcke 4 gewährleistet ist. Bei äußeren Lufttemperaturen von 0° und weniger sinkt die Temperatur des Erdwärmespeichers 11 regelmäßig nicht unter die Außentemperatur. Es liegt eine ausreichende Temperaturdifferenz vor, um das Batteriespeichersystem 1 aufzuwärmen.
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Um einen guten Wärmeübergang aus dem umgebenden Erdreich 18 in den Erdwärmespeicher 11 zu gewährleisten, ist dieser vorteilhaft mit thermisch leitfähigen Gehäusewänden 19 ausgebildet.
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Im Ausführungsbeispiel nach 4 ist der Wärmetauscher 10 zwischen dem Erdwärmespeicher 11 und dem Temperierkreislauf 5 mit einem Grundkörper 31 (Wärmesammler) ausgebildet, an dem insbesondere einteilig angeformte Wärmetauscherrippen 20 vorgesehen sind. Die Wärmetauscherrippen 20 ragen in den Erdwärmespeicher 11. Die Wärmetauscherrippen 20 sind - vorzugsweise vollständig - von dem Speichermedium 16 im Erdwärmespeicher 11 umspült bzw. stehen mit diesem in wärmeübertragendem Kontakt.
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Der Erdwärmespeicher 11 weist einen Boden 21 und/oder Wände aus einem thermisch leitfähigen Material auf, so dass ein guter Wärmeübergang zu dem Erdreich gewährleistet ist. Es ist eine gleichmäßige Wärmeübertragung aus dem Erdwärmespeicher 11 auf die Wärmespeicherrippen 20 gewährleistet.
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Der Grundkörper 31 des Wärmetauschers 10 erstreckt sich über die Breite des Erdwärmespeichers 11 und kann diesen als Deckel verschließen. Bevorzugt liegt der Grundkörper 31 des Wärmetauschers 10 auf einem Umfangsflansch 32 des Erdwärmespeichers 11 auf. Der Umfangsflansch 32 kann gleichzeitig als Träger für das Gehäuse 3 des Batteriespeichersystems 1 dienen. Der Erdwärmespeicher 11 bildet so einen Sockel bzw. ein Fundament für das Batteriespeichersystem 1.
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Zweckmäßig ist vorgesehen, die Leistungselektronik 17 unmittelbar auf dem Grundkörper 31 bzw. dem Wärmesammler des Wärmetauschers 10 anzuordnen, so dass die Leitungselektronik 17 nicht nur durch die im Kreislauf zirkulierende Luft im Gehäuse 3 gekühlt wird, sondern auch über einen direkten wärmeleitenden Kontakt mit dem als Wärmesammler wirkenden Grundkörper 31 des mit dem Erdwärmespeicher 11 in wärmeübertragender Verbindung stehenden Wärmetauschers 10.
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Um einen intensiven Wärmeübergang aus dem Erdreich 18 in den Erdwärmespeicher 11 zu erzielen, kann es vorteilhaft sein, eine Gussmasse 33 in das Erdreich 18 einzubringen, in dem der Erdwärmespeicher 11 - zumindest im Fußbereich - gehalten ist. Die dünne thermisch leitende Gussmasse 33 gewährleistet eine gute thermische Anbindung an das Erdreich 18 und kann zugleich ein Fundament der Gesamtanordnung bilden.
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Wie 4 zeigt, kann die Anordnung der Leistungselektronik 17 so vorgesehen sein, dass die zu kühlenden elektronischen Bauteile 27 dem Wärmesammler bzw. dem Grundkörper 31 zugewandt liegen. In besonderer Ausgestaltung der Anordnung ist vorgesehen, den Wärmesammler bzw. den Grundkörper 31 als Kühlelement des Bauteiles 27 anzuordnen und vorzugsweise mit dem elektronischen Bauteil 27 der Leistungselektronik wärmeübertragend zu verbinden, insbesondere unmittelbar zu verbinden.
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Das weitere Ausführungsbeispiel nach 5 entspricht im Aufbau dem nach 4, weshalb für gleiche Teile gleiche Bezugszeichen verwendet sind. Die Wärmetauscherrippen 20 des Grundkörpers 31 des Wärmetauschers 10 ragen in den Erdwärmespeicher 11 und sind von dem Speichermedium 16 im Erdwärmespeicher 11 umgeben.
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Der Erdwärmespeicher 11 nach 5 weist einen Boden 21 und/oder Wände aus einem thermisch leitfähigen Material auf, wobei der Boden 21 mit Speicherrippen 22 versehen ist. Die Speicherrippen 22 liegen senkrecht zum Boden 21 und ragen zwischen die Wärmetauscherrippen 20 des Wärmetauschers 10 ein. Bevorzugt haben die Wärmetauscherrippen 20 und die Speicherrippen 22 des Erdwärmespeichers 11 etwa gleiche Höhe H. Die Anordnung ist so getroffen, dass zwischen den Seitenflächen 23 der Wärmetauscherrippen 20 und den Seitenflächen 24 der Speicherrippen 22 des Erdwärmespeichers 11 ein Abstand u besteht. Bevorzugt ist der Abstand u zwischen den Seitenflächen23, 24 bei allen Wärmetauscherrippen 20 und Speicherrippen 22 gleich. Durch diese Anordnung wird ein gleichmäßiger Wärmeübergang aus dem Erdwärmespeicher 11 auf die Wärmespeicherrippen 20 gewährleistet. Gleichzeitig ist ein guter Wärmeübergang von den Wärmespeicherrippen 20 auf den Erdwärmespeicher 11 gewährleistet.
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Im Ausführungsbeispiel nach 5 weist der Grundkörper 31 des Wärmetauschers 10 ergänzend Wärmetauscherkanäle 30 auf, die sich in Rippenlängsrichtung erstrecken. Im gezeigten Ausführungsbeispiel nach 5 ist je einem Wärmetauscherkanal 30 eine Wärmetauscherrippe 20 zugeordnet. Je ein Wärmetauscherkanal 30 liegt mittig über je einer Wärmetauscherrippe 22.
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Zweckmäßig ist vorgesehen, die Leistungselektronik 17 unmittelbar auf dem Grundkörper 31 des Wärmetauschers 10 anzuordnen, so dass die Leitungselektronik 17 nicht nur durch die im Kreislauf zirkulierende Luft im Gehäuse 3 gekühlt wird, sondern auch über einen direkten wärmeleitenden Kontakt mit dem als Wärmesammler wirkenden Grundkörper 31 des Wärmetauschers 10.
