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EINLEITUNG
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Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf die Konstruktion einer Kühlplatte mit verteiltem Kühlmittelfluss für Batterien und Batterieanordnungen.
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Ein Batteriesystem oder -array kann aus einer Vielzahl von Batteriezellen bestehen, die relativ nahe beieinander liegen. Batterien können grob in Primär- und Sekundärbatterien eingeteilt werden. Primärbatterien, die auch als Einwegbatterien bezeichnet werden, sind dazu bestimmt, bis zur Erschöpfung verwendet zu werden; danach werden sie einfach durch neue Batterien ersetzt. Sekundärbatterien, die häufiger als wiederaufladbare Batterien bezeichnet werden, verwenden spezielle chemische Verfahren, die es ermöglichen, solche Batterien wiederholt aufzuladen und wiederzuverwenden, und bieten daher im Vergleich zu Einwegbatterien wirtschaftliche, ökologische und benutzerfreundliche Vorteile.
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Wiederaufladbare Batterien können zum Antrieb so unterschiedlicher Gegenstände wie Spielzeug, Unterhaltungselektronik und Kraftfahrzeuge verwendet werden. Bestimmte chemische Eigenschaften von wiederaufladbaren Batterien, wie z.B. Lithium-Ionen-Zellen, sowie externe Faktoren können interne Reaktionsraten verursachen, die beträchtliche Mengen an thermischer Energie erzeugen. Wenn sie nicht von einer wirksamen Kühlung begleitet werden, können solche chemischen Reaktionen dazu führen, dass von den Batterien mehr Wärme erzeugt als effektiv abgeführt wird, wodurch die Batterien beschädigt werden können. In Batterie-Arrays wird häufig eine Flüssigkeitskühlung eingesetzt, um die Ausbreitung der Wärmeenergie von einer Zelle mit erhöhter Temperatur auf benachbarte Zellen zu reduzieren.
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BESCHREIBUNG
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Eine Kühlplatte verteilt einen Kühlmittel-Strom für eine Batterie, die so eingerichtet ist, dass sie durch wärmeerzeugende elektrochemische Reaktionen elektrische Energie erzeugt und speichert. Die Kühlplatte wird durch parallele erste und zweite Umfangskanten, parallele dritte und vierte Umfangskanten und einen Plattenoberflächenbereich definiert. Die Kühlplatte umfasst einen Kühlmittel-Einlass, der an einer Verbindungsstelle zwischen der ersten und vierten Umfangskante angeordnet ist, und einen Kühlmittel-Auslass, der an einer Verbindungsstelle zwischen der zweiten und vierten Umfangskante angeordnet ist. Die Kühlplatte enthält auch einen ersten Kühlmittel-Kanal, der entlang der ersten Umfangskante angeordnet ist und in direkter Fluidverbindung mit dem Kühlmittel-Einlass steht, und einen zweiten Kühlmittel-Kanal, der entlang der zweiten Umfangskante angeordnet ist und in direkter Fluidverbindung mit dem Kühlmittel-Auslass steht.
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Die Kühlplatte umfasst zusätzlich einen ersten Satz und einen zweiten Satz von Kühlmittel-Minikanälen, die jeweils parallel zu den ersten und zweiten Umfangskanten angeordnet sind, jeweils in direkter Fluidverbindung mit dem zweiten Kühlmittel-Kanal stehen und zusammen so eingerichtet sind, dass sie den Kühlmittel-Strom über die Plattenoberfläche verteilen. Die Kühlplatte umfasst auch einen ersten Kühlmittel-Verteiler, der in der Nähe der dritten Umfangskante angeordnet ist, und einen zweiten Kühlmittel-Verteiler, der in der Nähe der vierten Umfangskante angeordnet ist. Der erste Kühlmittel-Verteiler steht in direkter Fluidverbindung mit dem ersten Kühlmittel-Kanal und der zweite Kühlmittel-Verteiler steht in direkter Fluidverbindung mit dem Kühlmittel-Einlass. Der erste und der zweite Kühlmittel-Verteiler stehen ebenfalls in Fluidverbindung mit dem Kühlmittel-Auslass über den ersten Satz bzw. den zweiten Satz von Kühlmittel-Minikanälen.
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Sowohl der erste Satz als auch der zweite Satz von Kühlmittel-Minikanälen kann durch Minikanalgrenzen definiert werden, die so eingerichtet sind, dass sie die Kühlmittel-Minikanäle voneinander trennen. Mindestens eine der Minikanalgrenzen kann durch eine sinusförmige Form definiert werden.
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Jeder Minikanal kann zusätzlich durch eine entsprechende Minikanalfläche definiert werden. Der erste und der zweite Kühlmittel-Kanal können jeweils durch eine entsprechende Kühlmittel-Kanalfläche definiert werden. Mindestens einer der Minikanäle enthält ein Merkmal, das auf der Oberfläche des Minikanals angeordnet und so eingerichtet ist, dass es Turbulenzen in der Kühlmittel-Strömung induziert.
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Das Merkmal kann eine Vielzahl von Vorsprüngen oder Konvexitäten sein, die sich in den Kühlmittel-Strom erstrecken.
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Jeder der mehreren Vorsprünge kann durch eine Verformung der Minikanal-Oberfläche definiert werden.
Die Kühlplatte kann eine zweischalige Konstruktion haben. Eine solche Konstruktion kann zwei miteinander verschmolzene Teilplatten umfassen, die so eingerichtet sind, dass sie die jeweiligen Kühlmittel-Kanaloberflächen des ersten und zweiten Kühlmittel-Kanals und die jeweilige Minikanaloberfläche jedes der Minikanäle definieren.
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Mindestens eine der jeweiligen ersten und zweiten Kühlmittel-Kanaloberflächen oder mindestens eine der jeweiligen Minikanaloberflächen kann eine Vielzahl von darauf abgelagerten Partikeln enthalten, beispielsweise als Teil einer Aufsprühbeschichtung.
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Die Partikel können aus Kupfer oder Aluminium gebildet und so eingerichtet sein, dass die Wärmeübertragung von der Kühlplatte verbessert wird.
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Die Kühlplatte kann zusätzlich eine Trennwandenthalten, die so eingerichtet ist, dass sie den ersten Satz von Kühlmittel-Minikanälen vom zweiten Satz von Kühlmittel-Minikanälen strömungstechnisch trennt und den Kühlmittel-Strom vom jeweiligen ersten und zweiten Satz von Kühlmittel-Minikanälen zum zweiten Kühlmittel-Kanal leitet.
Die Trennwand kann durch eine sinusförmige Form definiert werden.
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Ein Batteriemodul, das eine solche Kühlplatte verwendet, wird ebenfalls offenbart.
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Die oben genannten Merkmale und Vorteile sowie andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Offenbarung ergeben sich ohne weiteres aus der folgenden detaillierten Beschreibung der Ausführungsform(en) und der bevorzugten Ausführungsform(en) zur Durchführung der beschriebenen Offenbarung, wenn sie in Verbindung mit den beiliegenden Figuren und beigefügten Ansprüchen genommen werden.
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Figurenliste
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- 1 ist eine schematische Draufsicht einer Ausführungsform eines Kraftfahrzeugs mit einem Hybrid-Antriebsstrang mit mehreren Energiequellen und einem Batteriemodul, das eine Batterieanordnung verwendet, die so eingerichtet ist, dass sie elektrische Energie erzeugt und speichert, um die elektrische Energie für die Versorgung der Energiequellen zu erzeugen, entsprechend der Offenbarung.
- 2 ist eine schematische Explosionsdarstellung des in 1 gezeigten Batteriemoduls in Draufsicht mit einer Kühlplatte, die so eingerichtet ist, dass sie einen Kühlmittel-Strom zur Steuerung der Wärmeübertragung von der Batterieanordnung an die Umgebung verteilt, entsprechend der Offenbarung.
- 3 ist eine schematische Nahaufnahme von oben einer der in 2 gezeigten Ausführungsformen der Kühlplatte, entsprechend der Offenbarung.
- 4 ist eine schematische Nahaufnahme einer anderen in 2 gezeigten Ausführungsform der Kühlplatte in Draufsicht, wie aus der Offenbarung hervorgeht.
- 5 ist eine schematische Nahaufnahme einer anderen in 2 gezeigten Ausführungsform der Kühlplatte von oben, entsprechend der Offenbarung.
- 6 ist eine schematische Nahaufnahme einer Ausführungsform verschiedener Kühlmittel-Kanäle der in 3-5 gezeigten Kühlplatte von oben, die entsprechend der Offenbarung Partikel zeigt, die sich auf den Oberflächen der jeweiligen Kanäle abgelagert haben.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
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Unter Bezugnahme auf 1-3 wird ein Kraftfahrzeug 10 mit einem Antriebsstrang 12 dargestellt. Das Fahrzeug 10 kann unter anderem ein Nutzfahrzeug, Industriefahrzeug, Personenkraftwagen, Flugzeug, Wasserfahrzeug, Zug oder ähnliches sein. Es wird auch in Betracht gezogen, dass das Fahrzeug 10 eine mobile Plattform sein kann, wie z.B. ein Flugzeug, ein Geländefahrzeug (ATV), ein Boot, ein persönlicher Bewegungsapparat, ein Roboter und ähnliches, um die Zwecke dieser Offenbarung zu erfüllen.
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Der Antriebsstrang 12 umfasst eine Energiequelle 14, die so eingerichtet ist, dass sie ein Energiequellen-Drehmoment T (dargestellt in 1-5) für den Antrieb des Fahrzeugs 10 über die angetriebenen Räder 16 relativ zu einer Fahrbahnoberfläche 18 erzeugt. Die Stromquelle 14 ist als Elektromotor-Generator dargestellt. Der Antriebsstrang 12 kann auch eine zusätzliche Energiequelle 20, wie z.B. einen Verbrennungsmotor, enthalten. Die Kraftquellen 14 und 20 können zusammenwirken, um das Fahrzeug 10 anzutreiben. Das Fahrzeug 10 enthält zusätzlich eine programmierbare elektronische Steuerung 21 und ein Batteriemodul 22. Das Batteriemodul 22 kann eine oder mehrere Batterieabschnitte 24, wie Zellen oder Anordnungen, enthalten, die so eingerichtet sind, dass sie elektrische Energie für den Antrieb der Energiequellen 14 und 20 erzeugen und speichern. Jede Batteriesektion 24 im Batteriemodul 22 erzeugt und speichert elektrische Energie durch wärmeerzeugende elektrochemische Reaktionen. Der Betrieb des Antriebsstrangs 12 und des Batteriemoduls 22 kann im Allgemeinen durch die elektronische Steuerung 21 geregelt werden.
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Wie in 2 dargestellt, hat der Batterieabschnitt 24 eine erste Seitenwand 24-1, eine zweite Seitenwand 24-2, eine obere Fläche 24-3 und eine untere Fläche 24-4. Das Batteriemodul 22 umfasst eine erste Seitenwand 26, eine zweite Seitenwand 28 und einen Deckel 30, der an der ersten und zweiten Seitenwandbefestigt ist. Die erste Seitenplatte 26, die zweite Seitenplatte 28 und die Abdeckung 30 sind so eingerichtet, dass sie den Batterieabschnitt 24 auf der jeweiligen ersten Seitenwand 24-1, der zweiten Seitenwand 24-2 und der Oberseite 24-3 begrenzen. Wie zusätzlich in 2 gezeigt, kann auf der Unterseite 24-4 des Batterieteils 24 eine Epoxidschicht 31 aufgebracht werden. Das Batteriemodul 22 enthält auch eine Kühlplatte 32, die so eingerichtet ist, dass sie die Wärmeübertragung vom Batterieteil 24 an die Umgebung regelt. Die Kühlplatte 32 ist an der ersten und zweiten Seitenplatte 26, 28 befestigt, um dadurch den Batterieabschnitt 24 auf der Unterseite 24-4 zu begrenzen. Die Kühlplatte 32 kann zusätzlich über die Epoxidschicht 31 an der Bodenfläche 24-4 des Batterieteils 24 befestigt werden. Wie in 3-5 gezeigt, ist die Kühlplatte 32 durch eine erste Umfangskante 32-1 und eine zweite Umfangskante 32-2 definiert, wobei die erste Umfangskante parallel zur zweiten Umfangskante verläuft. Die Kühlplatte 32 wird zusätzlich durch eine dritte Umfangskante 32-3 und eine vierte Umfangskante 32-4 definiert, wobei die dritte Umfangskante parallel zur vierten Umfangskante ist. Die erste und zweite Umfangskante 32-1, 32-2 sind auch orthogonal zu der dritten und vierten Umfangskante 32-3, 32-4. Die Kühlplatte 32 wird weiter durch einen Plattenoberflächenbereich A definiert.
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Die Kühlplatte 32 ist so eingerichtet, dass sie einen Strom von zirkulierendem Kühlmittel 34 durch sie hindurchaufnehmen kann, um die von der Batteriesektion 24 erzeugte Wärme abzuführen. Zu diesem Zweck enthält die Kühlplatte 32, wie in 3-5 gezeigt, einen Kühlmittel-Einlass 36, der an einer Verbindungsstelle 38 zwischen der ersten Umfangskante 32-1 und der vierten Umfangskante 32-4 angeordnet ist. Die Kühlplatte 32 enthält auch einen Kühlmittel-Auslass 40, der an einer Verbindungsstelle 42 zwischen der zweiten Umfangskante 32-2 und der vierten Umfangskante 32-4 angeordnet ist. Ein erster Kühlmittel-Kanal 44 ist entlang der ersten Umfangskante 32-1 und in direkter Fluidverbindung mit dem Kühlmittel-Einlass 36 angeordnet. Ein zweiter Kühlmittel-Kanal 46 ist entlang der zweiten Umfangskante 32-2 und in direkter Fluidverbindung mit dem Kühlmittel-Auslass 40 angeordnet. Zusätzlich enthält die Kühlplatte 32 einen ersten Satz von Kühlmittel-Minikanälen 48 und einen zweiten Satz von Kühlmittel-Minikanälen 50. Jeder der ersten und zweiten Sätze von Kühlmittel-Minikanälen 48, 50 ist parallel zu und entlang der ersten und zweiten Umfangskante 32-1, 32-2 und daher quer zu den dritten und vierten Umfangskanten 32-3, 32-4angeordnet. Sowohl der erste als auch der zweite Satz von Kühlmittel-Minikanälen 48, 50 steht in direkter Fluidverbindung mit dem zweiten Kühlmittel-Kanal 46. Der erste und der zweite Satz von Kühlmittel-Minikanälen 48, 50 sind zusammen so eingerichtet, dass sie den Strom des zirkulierenden Kühlmittels 34 über die Plattenoberfläche A verteilen.
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Die Kühlplatte 32 umfasst auch einen ersten Kühlmittel-Verteiler 52, der in der Nähe der dritten Umfangskante 32-3 angeordnet ist, und einen zweiten Kühlmittel-Verteiler 54, der in der Nähe der vierten Umfangskante 32-4 angeordnet ist. Der erste Kühlmittel-Verteiler 52 steht in direkter Fluidverbindung mit dem ersten Kühlmittel-Kanal 44. Der zweite Kühlmittel-Verteiler 54 steht in direkter Flüssigkeitsverbindung mit dem Kühlmittel-Einlass 36. Zusätzlich stehen der erste und der zweite Kühlmittel-Verteiler 52, 54 über den ersten Satz bzw. den zweiten Satz von Kühlmittel-Minikanälen 48, 50 in Fluidverbindung mit dem Kühlmittel-Auslass 40. Mit anderen Worten, der erste und der zweite Kühlmittel-Verteiler 52, 54 sind so eingerichtet, dass sie mindestens einen Teil des zirkulierenden Kühlmittel-Stroms 34 aufnehmen und den betreffenden Teil des Kühlmittel-Stroms auf die entsprechenden Kühlmittel-Minikanäle 48, 50 verteilen. Wenn der Strom des zirkulierenden Kühlmittels 34 wiederum durch die Kühlmittel-Minikanäle 48, 50 fließt, sind die Minikanäle so eingerichtet, dass sie die jeweiligen verteilten Anteile des Kühlmittel-Stroms 34 zum Kühlmittel-Auslass 40 leiten.
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Mit fortgesetztem Bezug auf 3-5 können der erste und zweite Kühlmittel-Kanal 44, 46 jeweils durch entsprechende Kanalgrenzen 44A, 46A und entsprechende Kühlmittel-Kanaloberflächen 44B, 46B definiert werden. Wie in 5 gezeigt, können die Kühlmittel-Kanalgrenzen 44A, 46A durch eine sinusförmige Form definiert werden. Die Sinusform der jeweiligen Kühlmittel-Kanalbegrenzung 44A oder 46A soll Turbulenzen in der Strömung des Kühlmittels 34 durch den betreffenden Kühlmittel-Kanal 44 oder 46 erzeugen und dadurch die Wärmeübertragung vom Kühlmittel 34 im betreffenden Kühlmittel-Kanal an die Umgebung fördern. Wie in 4 und 5 dargestellt, kann mindestens einer der ersten und zweiten Kühlmittel-Kanäle 44, 46 das/die Merkmal(e) 56 enthalten, das/die auf der Kanaloberfläche44B oder 46Bangeordnet ist/sind. Das (die) Merkmal(e) 56 sind zur Erzeugung von Mikrokanälen 44C, 46C innerhalb des jeweiligen Kühlmittel-Kanals44 oder 46vorgesehen und so eingerichtet, dass sie Turbulenzen und Wirbel in der Strömung des hindurchströmenden Kühlmittels 34 induzieren, um dadurch die Wärmeübertragung an die Umgebung zu unterstützen. Das (die) Merkmal(e) 56 kann (können) eine Vielzahl von Vorsprüngen oder Konvexitäten sein, die sich in den Strom des zirkulierenden Kühlmittels 34 erstrecken. Solche Vorsprünge können durch Verformungen der Kühlmittel-Kanaloberfläche 44B oder 46B definiert sein.
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Wie in 3-5 dargestellt, können sowohl der erste Satz als auch der zweite Satz der Kühlmittel-Minikanäle 48, 50 durch entsprechende Minikanalgrenzen 48A, 50Adefiniert werden, die so eingerichtet sind, dass sie die Kühlmittel-Minikanäle voneinander trennen. Wie in 4-5 gezeigt, und ähnlich wie die Kühlmittel-Kanalgrenzen 44A, 46A im ersten oder zweiten Kühlmittel-Kanal 44, 46, können eine oder mehrere der Minikanalgrenzen 48A, 50Adurch eine Sinusform definiert werden. Die Sinusform der jeweiligen Minikanalgrenzen 48A, 50A soll Turbulenzen in der Strömung des Kühlmittels 34 durch den betreffenden Minikanal 48 oder 50 erzeugen und dadurch die Wärmeübertragung vom Kühlmittel 34 im betreffenden Minikanal an die Umgebung fördern. Jeder der Minikanäle 48, 50 kann durch eine entsprechende Minikanalfläche 48B, 50B definiert werden. Zusätzlich kann einer oder mehrere der Minikanäle ein oder mehrere Merkmal(e) 56 enthalten, die auf der Minikanaloberfläche 48B oder 50B angeordnet sind. Analog zu dem/den Merkmal(en) 56 im ersten oder zweiten Kühlmittel-Kanal 44, 46 sind das/die Merkmal(e) 56 in den Minikanälen 48, 50 dazu bestimmt, Mikrokanäle 48C, 50C innerhalb der jeweiligen Minikanäle zu erzeugen, und so eingerichtet, dass sie Turbulenzen und Wirbel in der Strömung des durch sie hindurchströmenden Kühlmittels 34 induzieren. Wie beim ersten und zweiten Kühlmittel-Kanal 44, 46 kann(können) das (die) Merkmal(e) 56 aus einer Vielzahl von Vorsprüngen bestehen, die sich in den Strom des zirkulierenden Kühlmittels 34 erstrecken. Solche Vorsprünge können durch Verformungen der Minikanaloberfläche 48B oder 50B definiert sein.
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Wie in 2 gezeigt, kann die Kühlplatte 32 eine zweischalige Konstruktion 58 haben. Die zweischalige Konstruktion 58 kann zwei Teilplatten 58-1, 58-2 umfassen, die miteinander verschmolzen und so eingerichtet sind, dass sie die jeweiligen Kühlmittel-Kanalflächen 44B, 46B und die jeweiligen Minikanalflächen 48B, 50B definieren. Wie in 6 dargestellt, kann jede der jeweiligen ersten und zweiten Kühlmittel-Kanaloberflächen 44B, 46B und der jeweiligen Minikanaloberflächen 48B, 50B eine Vielzahl von Partikeln 60 enthalten, die darauf abgelagert sind, z.B. als Teil einer Aufsprühbeschichtung. Die Partikel 60 aus Kupfer oder Aluminium gebildet sein. Die Partikel 60 sollen Mikrokanäle 44C, 46C, Turbulenzen und Fluidwirbel innerhalb des jeweiligen Kühlmittel-Kanals 44, 46 und Mikrokanäle 48C, 50C innerhalb der Minikanäle 48, 50 erzeugen. Dementsprechend sollen die abgeschiedenen Partikel 60 die Wärmeableitung von der Kühlplatte 32 zum Kühlmittel verbessern, z.B. durch eine vergrößerte Wärmeübertragungsfläche, zahlreiche Mikrokanäle 44C, 46C innerhalb der Mikrokanalstruktur, Induktion von Kapillarwirkung im Kühlmittel-Strom 34 und turbulente Vermischung.
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Wie in 4-5 gezeigt, kann die Kühlplatte 32 zusätzlich eine Trennwand 62 enthalten. Die Trennwand 62 ist so eingerichtet, dass sie den ersten Satz von Kühlmittel-Minikanälen 48 vom zweiten Satz von Kühlmittel-Minikanälen 50 strömungstechnisch trennt. Darüber hinaus ist die Trennwand 62 so eingerichtet, dass sie den Strom des zirkulierenden Kühlmittels 34 von den jeweiligen ersten und zweiten Sätzen von Kühlmittel-Minikanälen 48, 50 zum zweiten Kühlmittel-Kanal 46 leitet. Wie in 4 und 5 zu sehen ist, kann die Trennwand 62 durch eine Sinusform definiert werden, ähnlich der Form der Kühlmittel-Kanalgrenzen 44A, 46A und der Minikanalgrenzen 48A, 50A. Die optionale sinusförmige Form der Trennwand 62 soll Turbulenzen in der Strömung des Kühlmittels 34 durch die Mitte der Kühlplatte 32 erzeugen und dadurch die Wärmeübertragung in diesem Bereich vom Kühlmittel 34 an die Umgebung fördern.
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Die detaillierte Beschreibung und die Figuren oder Abbildungen sind unterstützend und beschreibend für die Offenbarung, aber der Umfang der Offenbarung wird allein durch die Ansprüche definiert. Während einige der bevorzugten Ausführungsformen und andere Ausführungsformen zur Durchführung der beanspruchten Offenbarung ausführlich beschrieben wurden, gibt es verschiedene alternative Muster und Ausführungsformen zur Durchführung der in den beigefügten Ansprüchen definierten Offenbarung. Darüber hinaus sind die in den Figuren gezeigten Ausführungsformen oder die Merkmale der verschiedenen Ausführungsformen, die in der vorliegenden Beschreibung erwähnt werden, nicht unbedingt als voneinander unabhängige Ausführungsformen zu verstehen. Vielmehr ist es möglich, dass jedes der in einem der Ausführungsbeispiele beschriebenen Merkmale mit einem oder mehreren anderen gewünschten Merkmalen aus anderen Ausführungsformen kombiniert wird, was zu anderen Ausführungsformen führt, die nicht in Worten oder durch Bezugnahme auf die Figuren beschrieben sind. Dementsprechend fallen solche anderen Ausführungsformen in den Rahmen des Geltungsbereichs der beigefügten Ansprüche.
