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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Konditionierelements, ein Konditionierelement sowie einen elektrischen Energiespeicher, wie beispielsweise einen Hochvoltspeicher für ein Kraftfahrzeug.
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Elektrische Energiespeicher der in Rede stehenden Art werden beispielsweise als Traktionsbatterien in teil- oder vollelektrisch betriebenen Kraftfahrzeugen verwendet. Zur Kühlung, oder allgemeiner Konditionierung, der Vielzahl von Energiespeicherzellen, die in diesen Speichern verbaut sind, werden Kühlplatten, Kühlrohre oder Kühlkanäle verwendet, wie sie beispielsweise in der
US 2011/0212356 A1 gezeigt sind. Die Herstellung derartiger Elemente ist in der Praxis durchaus aufwändig, da die Kühlelemente unter anderem elektrisch isoliert werden müssen. Nicht unproblematisch ist auch, dass Anschlüsse, Verbindungs- und/oder Verzweigungsstellen etc. vorgesehen werden müssen, welche nicht ohne weiteres herstellbar sind. So bestehen Kühlelemente oft aus Metallrohren, insbesondere Aluminiumrohren, welche für einige Fügeverfahren, wie beispielsweise Schweißen, nicht optimal geeignet sind.
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Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Herstellen eines Konditionierelements, ein Konditionierelement sowie einen elektrischen Energiespeicher anzugeben, wobei sich das Verfahren insbesondere durch seine Flexibilität und Robustheit auszeichnet, wodurch Konditionierelemente erzeugt werden können, welche, bei gleichzeitig geringen Kosten, höchste Qualitäts- und Leistungsanforderungen erfüllen können.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1, durch ein Konditionierelement gemäß Anspruch 9 sowie durch einen elektrischen Energiespeicher gemäß Anspruch 13 gelöst. Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie der Beschreibung und den beigefügten Figuren.
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Erfindungsgemäß umfasst ein Verfahren zum Herstellen eines Konditionierelements, insbesondere für elektrische Energiespeicher, die Schritte:
- - Bereitstellen zumindest eines Kanalelements;
- - Zumindest bereichs- oder abschnittsweises Anformen einer Struktur, insbesondere mittels Urformen.
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Bei dem vorgenannten Konditionierelement handelt es sich insbesondere um ein Kühlelement, wobei der Ausdruck „Kühlelement“ nicht dahingehend verstanden werden muss, dass damit nur ein Kühlen möglich ist. Stattdessen ermöglicht das Kühlelement auch ein Erwärmen, falls notwendig, insbesondere also ein Temperieren bzw. Konditionieren. Das Konditionierelement liegt im eingebauten Zustand mittelbar und/oder unmittelbar an einer oder mehreren Energiespeicherzellen an und ist ausgelegt, von dort insbesondere Wärme abzuführen bzw. umgekehrt die Energiespeicherzellen zu erwärmen oder aufzuheizen. Hierzu weist das Konditionierelement das zumindest eine Kanalelement auf, wobei das zumindest eine Kanalelement einen Kühlkanal formt, welcher zum Transport eines Fluids, beispielsweise eines gasförmigen, insbesondere aber eines flüssigen Mediums, ausgelegt ist. Der große Vorteil besteht nun darin, dass direkt an das Kanalelement die Struktur angeformt wird. Mit Vorteil ist kein nachträgliches Anbauen oder Anordnen einer Struktur über form- und/oder kraft- und/oder stoffschlüssige Verbindungstechniken erforderlich, sondern die Struktur wird direkt und unmittelbar an das Kanalelement angeformt, wobei hierzu bevorzugt Verfahren des Urformens verwendet werden.
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Das vorgenannte Anformen bieten unter anderem den Vorteil, dass es deutlich robuster ist als beispielsweise Pulver- oder Nassbeschichtungsverfahren. Auch eine aufwändige Maskierung ist nicht nötig, da die Struktur exakt nur dort aufgebracht werden kann, wo sie benötigt ist.
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Das unmittelbare Anformen der Struktur bietet außerdem den Vorteil, dass das Kanalelement als solches einfach gehalten werden kann. Aufwändigere Geometrien, soweit nötig, können über die Struktur ausgebildet werden. Dies erlaubt untere anderem ein Arbeiten mit Wiederhol- oder Gleichteilen innerhalb der Fertigung der Konditionierelemente für unterschiedliche Leistungsstufen von Energiespeichern.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform erfolgt das Anformen mittels Urformen, insbesondere Spritzgießen, Spritzpressen oder Strangpressen (auch Extrudieren genannt), wobei diese Aufzählung nicht abschließend zu verstehen ist.
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Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Verfahren den Schritt:
- - Anordnen des zumindest einen Kanalelements in oder an einem Werkzeug zum Anformen der Struktur, insbesondere mittels Urformen.
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Gemäß einer Ausführungsform ist das vorgenannte Werkzeug ein Spritzgusswerkzeug, umfassend beispielsweise zwei Werkzeughälften, welche in geschlossenem Zustand eine Kavität formen, in welcher das Kanalelement teilweise oder vollständig angeordnet ist. In dieser Konfiguration kann das Kanalelement gemäß einer Ausführungsform vollständig oder zumindest teil- oder bereichsweise umspritzt oder umgossen werden, um eine Isolationsschicht einer gewünschten Dicke zu erzeugen. Es handelt sich um einen diskontinuierlichen Prozess. Gemäß einer Ausführungsform wird bei einer derartigen Konfiguration im Spritzguss eine zusätzliche, insbesondere funktionale Komponente, wie beispielsweise ein Kontakt- oder Verbindungselement, ein Kühlkanalabschnitt, ein Halter oder dergleichen angeformt. Mit anderen Worten ist es möglich, an das Kanalelement eine Komponente oder ein Bauteil anzuformen, welches weitere Aufgaben erfüllen kann, wie beispielsweise den Anschluss an ein anderes Kühl- oder Kanalelement etc.
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Gemäß einer Ausführungsform wird die Struktur nachträglich, insbesondere mechanisch, bearbeitet. So können beispielsweise in die Struktur Löcher, Bohrungen, Gewinde und dergleichen eingebracht werden.
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Gemäß einer Ausführungsform ist die Struktur zur Verbindung mit weiteren Komponenten vorgesehen und/oder ausgelegt, wobei hierfür eine große Anzahl von Fügeverfahren, wie beispielsweise Kleben, Laserschweißen, Heißverstemmen etc. möglich sind. Ebenso ist ein weiteres Anformen, insbesondere mittels Urformen, möglich.
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Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Verfahren den Schritt:
- - Anordnen des zumindest einen Kanalelements in oder an einem Werkzeug zum Anformen, insbesondere mittels Urformen, und Verlagern des Kanalelements beim Anformen der Struktur.
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Hierbei wird die Struktur, ähnlich einem Extrusionsprozess, auf das Kanalelement aufgebracht. Das entsprechende Werkzeug weist hierzu beispielsweise eine Matrize auf, durch welche das Kanalelement hindurch geführt wird. Je nach Ausgestaltung der Matrize können hierbei besonders gut Isolationsschichten erzeugt werden. Je nach Ausgestaltung der Matrizen können auch hier Außenkonturen erzeugt werden, welche beispielsweise als Halter oder Laschen dienen. Gemäß einer Ausführungsform weist die Isolationsschicht eine Oberflächenstruktur auf, umfassend einen oder mehrere Fortsätze, Vor- und/oder Rücksprünge etc., um einen Wärmeübergang und/oder eine Anordnung der Energiespeicherzellen zu Optimieren.
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Gemäß einer Ausführungsform ist das zumindest eine Kanalelement ein Strangpressprofil, bevorzugt ein metallisches Strangpressprofil, insbesondere ein Aluminium-Strangpressprofil. Alternativ kann das Kanalelement auch aus einem nicht-metallischen Werkstoff, wie einem Kunststoff oder einem Verbundwerkstoff oder auch aus einer Materialkombination von metallischen und nicht-metallischen Werkstoffen geformt sein.
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Bei dem Material, welches für die Struktur verwendet wird, handelt es sich bevorzugt um einen nicht-metallischen Werkstoff, wie beispielsweise einen Kunststoff, beispielsweise Polyvinylchlorid (PVC), Polyamid (PA), Silikon etc.
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Gemäß einer Ausführungsform ist die Struktur im Endzustand fest bzw. hart. Alternativ ist die Struktur im Endzustand flexibel, insbesondere elastisch verformbar. Das Anformen bzw. insbesondere die Verwendung von Urformverfahren, ermöglicht neben einer hohen geometrischen Freiheit insbesondere auch eine sehr große Freiheit hinsichtlich der verwendeten Materialien bzw. Werkstoffe für die Struktur. An dieser Stelle sei erwähnt, dass die Struktur als solche auch mehrere Materialien bzw. Werkstoffe umfassen kann und insbesondere auch als solche mehrere Schichten aufweisen kann. Auch die Verwendung von Verbundwerkstoffen ist möglich und zielführend, insbesondere wenn die Struktur zumindest teilweise eine tragende Funktion übernehmen soll oder als solche selbst ein oder mehrere (Kühl-)Kanäle ausbildet.
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Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Verfahren den Schritt:
- - Anformen der Struktur an einer Vielzahl von Kanalelementen.
Zweckmäßigerweise wird ein Struktur, oder auch mehrere, insbesondere gleichzeitig an eine Vielzahl von Kanalelementen angeformt. Mit einem so ausgebildeten Konditionierelement kann nicht nur die Kühlleistung erhöht werden. Insbesondere ist damit eine Form des Konditionierelements beeinflussbar. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind mehrere runde oder kreisrunde Kanalelemente übereinander angeordnet und formen ein Konditionierelement oder Kühlelement, mit einem flachen, in etwa rechteckigen Querschnitt. Ein derartiges Kühlelement ist beispielsweise zur Anordnung zwischen und/oder an Rundzellen oder auch prismatischen Zellen geeignet.
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Gemäß einer Ausführungsform weist das zumindest eine Kanalelement einen runden, insbesondere einen kreisrunden, Querschnitt auf, daneben sind aber auch eckige Querschnittsformen, wie beispielsweise viereckige, insbesondere quadratische oder rechteckige Formen, je nach Anwendung, zielführend. Insbesondere wenn das Kanalelement mittels Strangpressen hergestellt ist, ergeben sich hinsichtlich der Formgebung hohe Freiheitsgrade.
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Gemäß einer Ausführungsform ist das zumindest eine Kanalelement als solches gerade bzw. weist einen geraden Verlauf auf. Gemäß einer Ausführungsform wird eine Vielzahl von geraden Kanalelementen verwendet, welche über eine oder mehrere Strukturen zu einem Konditionierelement aufgebaut sind, welches eine komplexen Kanalverlauf aufweist, wie beispielsweise einen mäanderförmigen Verlauf der Kühlkanäle.
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Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Verfahren den Schritt:
- - Bereichs- oder abschnittsweises Formen oder Umformen des Kanalelements nach dem Anformen der Struktur.
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Das Anformen und/oder Umformen kann durchgeführt werden, wenn die Struktur selbst noch flexibel ist. Das Anformen oder Umformen ist beispielsweise dahingehend zu verstehen, dass in das Kanalelement Radien, Bögen und/oder dergleichen eingebracht werden. Alternativ weist das Kanalelement vor dem Anformen bereits eine nicht-gerade Form auf bzw. wird das Kanalelement vor dem Anformen der Struktur bereichs- oder abschnittsweise umgeformt.
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Gemäß einer Ausführungsform wird beim Umformen des Kanalelements ein Wellenprofil erzeugt. Dies ist insbesondere vorteilhaft, wenn das Kanalelement bzw. das Konditionierelement zur Anordnung an Rundzellen vorgesehen ist, da damit die Wärme übertragende Fläche zu diesen erhöht werden kann.
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Die Erfindung richtet sich auch auf ein Konditionierelement, insbesondere ein Kühlelement, umfassend zumindest ein Kanalelement, insbesondere aus einem ersten Werkstoff, an welchem eine Struktur, insbesondere aus einem zweiten Werkstoff, angeformt ist. Hierbei ist der zweite Werkstoff ein zu dem ersten Werkstoff unterschiedlicher Werkstoff.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist das Konditionierelement nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt. Davon unabhängig gelten die im Zusammenhang mit dem Verfahren erwähnten Vorteile und Merkmale analog und entsprechend für das Konditionierelement, wie auch umgekehrt.
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Gemäß einer Ausführungsform ist die Struktur eine Isolationsschicht. Die Isolationsschicht kann auf dem Kanalelement vollständig oder intermittierend aufgebracht bzw. angeordnet sein. Intermittierend ist dahingehend zu verstehen, dass beispielsweise nur die Endabschnitte des Kanalelements eine Isolationsschicht aufweisen. Alternativ ist nur der mittlere Bereich oder der mittlere Abschnitt des Kanalelements beschichtet, während die Anfangs- und Endbereiche unbeschichtet sind. In Umfangsrichtung des Kanalelements kann die Schicht vollständig oder nur abschnittsweise aufgebracht sein. Gemäß einer Ausführungsform ist die Struktur ein Kontakt- oder Verbindungselement. Unter einem Kontakt- oder Verbindungselement ist beispielsweise ein Anschluss zu verstehen, welcher der Anordnung einer anderen Komponente oder eines anderen Kanalelements oder Konditionierelements dient. Die Anordnung kann form- und/oder kraftschlüssig und/oder auch stoffschlüssig erfolgen. Gemäß einer Ausführungsform weist die Struktur hierzu entsprechende Befestigungsmittel, wie beispielsweise Gewinde, Löcher, Bohrungen oder dergleichen auf. Diese können nach dem Anformen der Struktur beispielsweise mechanisch eingebracht werden.
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Gemäß einer Ausführungsform formt die Struktur einen Kühlkanalabschnitt (allgemeiner: Kanalabschnitt) oder weist einen solchen auf. Gemäß einer Ausführungsform formt der Kühlkanalabschnitt den Kühlkanalabschnitt des Kanalelements weiter. Der Kühlkanalabschnitt, welcher durch die Struktur geformt wird, weist beispielsweise eine nicht gerade Form auf, beispielsweise eine Bogenform, während das Kanalelement selbst gerade ist. Über eine entsprechende Anzahl von Kanalelementen und entsprechend ausgeformten Strukturen können so Konditionierelemente beliebiger Geometrie erzeugt werden.
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Gemäß einer Ausführungsform ist an das zumindest eine Kanalelement zumindest eine Struktur angeformt. Die verschiedenen Strukturen können hierbei jeweils unterschiedlich erzeugt sein, beispielsweise eine Isolationsschicht mittels Extrusion und ein Anschluss mittels Spritzgießen.
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Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Verfahren die Schritte:
- - Abwickeln eines bandförmigen, und insbesondere aufgewickelt bereitgestellten, Kanalelements und Anformen einer Struktur, insbesondere einer Isolationsschicht, mittels Urformen, bevorzugt mittels Extrudieren;
- - Aufwickeln des Kanalelements nach dem Anformen der Struktur.
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Vorliegend handelt es sich zweckmäßigerweise um einen kontinuierlichen Prozess. Mit Vorteil wird ein Roll to Roll -Prozess ermöglicht. Ein Grundmaterial, beispielsweise eine Aluminiumstrangpressrolle wird abgerollt, mit einer oder mehreren Strukturen versehen und anschließend entweder, zu späteren Verwendung, wieder aufgerollt oder unmittelbar auf die gewünschte Länge zugeschnitten und weiter verarbeitet. Für die Struktur ist hierbei ein Werkstoff zu wählen, welcher eine entsprechende Flexibilität bereitstellt.
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Gemäß einer Ausführungsform wird bei einem kontinuierlichen Prozess, wie gerade erläutert, bevorzugt in-line, ein Test integriert, beispielsweise ein Test der Eigenschaften und/oder der Qualität der Struktur, wie beispielsweise der Isolationsschicht. Bevorzugt ist der Test als Isolationstest ausgeführt, wenn die Struktur eine Isolationsschicht ist. Als Alternative zum Spannungstest sind auch optische Verfahren und Dickenbestimmungen der Isolationsschicht möglich. Damit kann mit Vorteil kontinuierlich und schnell die Produktion bzw. die Herstellung überwacht werden.
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Die Erfindung betrifft auch einen elektrischen Energiespeicher, umfassend zumindest ein erfindungsgemäßes Konditionierelement. Bei dem elektrischen Energiespeicher handelt es sich gemäß einer bevorzugten Ausführungsform um eine Traktionsbatterie, welche ausgelegt ist zur Verwendung in einem teil- oder vollelektrisch betriebenen Kraftfahrzeug, wie ein Kraftrad oder insbesondere einen Personenkraftwagen, bzw. allgemein zur Verwendung in Landfahrzeugen.
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Bevorzugt umfasst der Energiespeicher eine Vielzahl von Energiespeicherzellen, wobei insbesondere prismatische Zellen oder bevorzugt Rundzellen verwendet werden. Gemäß einer Ausführungsform weist das Konditionierelement ein Kanalelement auf, welches zu einem mäanderförmig verlaufenden Konditionierelement geformt ist, wobei zwischen den hierbei geformten Strängen jeweils eine Vielzahl von Energiespeicherzellen, insbesondere Rundzellen, angeordnet ist. Alternativ werden mehrere Kanalelemente verwendet, welche über eine oder mehrere Strukturen derart verbunden sind, dass ein mäanderförmiges Konditionierelement geformt ist.
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Die Ausgestaltung als mäanderförmiges Konditionierelement ist dabei nur beispielhaft zu verstehen, da das Verfahren insbesondere den Vorteil mit sich bringt, dass die Geometrie des Konditionierelements sehr flexibel gestaltet werden kann, sei es durch die Verwendung unterschiedlich geformter und/oder langer Kanalelemente bzw. auch durch die Möglichkeit der nachträglichen Umformung oder Verformung derselben.
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Gemäß einer Ausführungsform formt das Konditionierelement eine Kühlplatte, auf welcher eine Vielzahl von Energiespeicherzellen angeordnet ist. Die Möglichkeiten sind auch hier durch das flexible Herstellverfahren sehr vielfältig.
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Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsformen des Verfahrens bzw. von Konditionierelementen mit Bezug auf die beigefügten Figuren.
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Es zeigen:
- 1: mehrere schematische Schnittansichten von Ausführungsformen von Konditionierelementen;
- 2: eine weitere Ausführungsform eines Konditionierelements mit einer intermittierend aufgebrachten Struktur;
- 3: eine weitere Ausführungsform eines Konditionierelements;
- 4: eine schematische Ansicht, welche eine Ausführungsform des Verfahrens zur Herstellung veranschaulicht;
- 5: eine weitere schematische Ansicht, welche eine Ausführungsform des Verfahrens zur Herstellung veranschaulicht;
- 6: eine schematische Skizze einer Ausführungsform eines Konditionierelements.
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1 zeigt drei Skizzen von Konditionierelementen, insbesondere Kühlelementen 10, welche sich entlang einer Längsachse L erstrecken, im Schnitt. Links ist ein Kanalelement 12 mit einem im Wesentlichen rechteckigen Querschnitt zu erkennen. Dieses formt einen Kühlkanal 14. An das Kanalelement 12 ist umfänglich, vorliegend vollumfänglich, eine Struktur angeformt. Vorliegend ist die Struktur als, insbesondere elektrische, Isolationsschicht 20 ausgebildet. In der mittleren Darstellung weist ein Konditionierelement 10 eine Vielzahl, vorliegend insbesondere fünf, übereinander angeordnete Kanalelemente 12 auf, welche jeweils einen Kühlkanal 14 formen. In der rechten Bildhälfte weist das Konditionierelement drei unterschiedlich geformte Kanalelemente 12 auf, welche jeweils einen Kühlkanal 14 formen. In allen Fällen ist eine bzw. die Struktur unmittelbar an die Kanalelemente 12 angeformt, wobei hierbei insbesondere Urformverfahren, wie Spritzgießen, Spritzpressen oder Strangpressen/Extrudieren als bevorzugt zu erwähnen sind.
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2 zeigt eine weitere Ausführungsform eines Konditionierelements 10, umfassend ein Kanalelement 12, welches einen Kühlkanal 14 aufweist. Das Kanalelement 12, welches beispielsweise eine ovale oder runde Form aufweist, ist umfänglich intermittierend entlang einer Längsachse L mit einer Struktur, vorliegend ebenfalls als Isolationsschicht 20 ausgebildet, versehen. Eine derart ausgebildete Struktur kann beispielsweise mittels Umgießen im Rahmen eines Extrusionsverfahrens erzeugt werden.
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3 zeigt eine weitere schematische Skizze eines Konditionierelements 10, umfassend ein Kanalelement 12 nebst Kühlkanal 14. An dem Kanalelement 12 sind jeweils endseitig Strukturen angeordnet bzw. angeformt, welche Kontakt- oder Verbindungselemente 22 formen. Zu erkennen ist auch, dass die Komponenten 22 den Kühlkanal 14, welcher im Wesentlichen durch das Kanalelement 12 geformt wird, endseitig weiterführen. Im Übrigen formt die Struktur eine Isolationsschicht 20 um das Kanalelement 12 herum. Die endseitigen Komponenten 22 sind vorliegend lediglich schematisch dargestellt. Gemäß einer Ausführungsform können sie beispielsweise als Anschlüsse ausgebildet sein, welche als Steckverbindungen verwendet werden können. Zusätzlich oder alternativ kann ein Befestigungsmittel, wie ein Gewinde oder dergleichen an zumindest einer der Komponenten vorgesehen sein etc.
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4 zeigt in einer schematischen Ansicht ein Werkzeug 40, in welchem ein Kanalelement 12 angeordnet ist. Vorliegend ist ein kontinuierlicher Prozess skizziert, bei welchem das Kanalelement 12 entlang einer Vorschubrichtung V verlagert wird, um dabei eine Isolationsschicht 20 auf diesem anzuformen, beispielsweise über Extrudieren.
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5 zeigt als Alternative zur Ausführungsform der 4 ein Werkzeug, umfassend eine untere Werkzeughälfte 42 und eine obere Werkzeughälfte 44, welche eine hier nicht gezeigte Kavität formen, über welche eine Struktur an ein Kanalelement 12 angeformt werden kann, beispielsweise mittels Spritzgießen oder Spritzpressen.
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6 zeigt eine weitere schematische Ansicht eines Konditionierelements 10, wobei dieses mehrere Kanalelemente 12 umfasst, welche als solche eine gleiche Länge aufweisen und jeweils gerade ausgebildet sind. Über entsprechend angeformte Komponenten 22 kann ein Konditionierelement 10 mit einem mäanderförmigen Verlauf erzeugt werden. Zur elektrischen Isolierung kann an die Kanalelemente 12 eine Isolationsschicht angeformt sein (dies ist vorliegend nicht dargestellt).
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Konditionierelement, Kühlelement
- 12
- Kanalelement
- 14
- Kühlkanal
- 20
- (Isolations-)Schicht
- 22
- Komponente, Kontakt-/Verbindungselement, (Kühl-)Kanalabschnitt
- 40
- Werkzeug
- 42
- untere Werkzeughälfte
- 44
- obere Werkzeughälfte
- V
- Vorschubrichtung
- L
- Längsachse
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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