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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Wärmetauschvorrichtung sowie auf einen daraus bestehenden Bremswiderstand, bei welchem Wärmeenergie, welche durch Umsetzung von elektrischem Strom entsteht, an ein gasförmiges oder flüssiges Medium abgegeben wird, wobei die Temperatur, welche der Bremswiderstand erreichen kann, nach oben begrenzbar ist.
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Im Bereich der Antriebstechnik, insbesondere bei der E-Mobilität, muss überschüssige Bremsenergie in sogenannten Bremswiderständen umgesetzt bzw. absorbiert werden (kinetische Energie des Fahrzeugs kann also von einer generatorischen Bremse in elektrische Energie umgewandelt werden, und wenn diese nicht in einem Energiespeicher wie z.B. einer Batterie gespeichert oder anderweitig verwendet werden kann, muss diese wieder entsprechend umgesetzt werden, damit keine Überspannungen entstehen). Der Bremswiderstand ist also als ein Verbraucher konzipiert, der durch den Energieeintrag durch Stromfluss erwärmt wird. Die erzeugte Wärme muss entsprechend abgeführt werden, um eine lokale Überhitzung des Bremswiderstands zu vermeiden.
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Aus dem Dokument
EP 2 592 633 A1 ist ein flüssigkeitsgekühlter Bremswiderstand bekannt, wobei eine thermisch leitende, aber elektrisch isolierende, flache Schicht einen Widerstand von einem Block mit Flüssigkeitseinlass abgrenzt. Durch den Widerstand wird Wärme umgesetzt, dieser agiert als Verbraucher. Wärme wird dann durch die thermisch leitende, aber elektrisch isolierende flache Schicht weitergegeben und kann so in den Hohlraum gelangen, welcher von Flüssigkeit durchströmt wird und die Wärme konvektiv entsprechend aufnehmen kann. Der Widerstand besteht aus einer elektrischen Schicht.
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Beim Einsatz von kühlbaren Bremswiderständen beispielsweise in E-Trucks oder aber auch im Schienenfahrzeugbereich steht die funktionale Sicherheit immer an oberster Stelle, beispielsweise zur Verhinderung einer Schädigung von Komponenten durch Feuer.
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Auf größere Ströme bzw. Spannungen kann beispielsweise mit einer erhöhten Anströmgeschwindigkeit des Kühlmittels und somit einer größeren Wärmeabfuhr reagiert werden. Die Temperatur des Kühlmittels oder die Temperaturveränderung davon kann mittels Sensoren erfasst werden.
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Eine Steuerung der Bremswiderstände ist allerdings aufgrund der Sicherheitsrisiken sehr aufwändig, es müssen hier sogar häufig redundante Steuerungs- oder Überwachungssysteme zum Einsatz kommen, um den Bremswiderstand bei Überlastung entsprechend abschalten zu können.
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Wenn eine Überlastung vorliegt oder die Leistungselektronik der vorgelagerten Steuereinheit eine Fehlfunktion aufweist, kann es zu einer gestörten Wärmeabgabe an das Kühlmittel kommen, wodurch es wiederum zu einem starken Temperaturanstieg durch einen Abriss der Strömung im Wärmeübertrager kommen kann. Dadurch kann es wegen der hohen Leistungsdichte innerhalb weniger Sekunden zum Versagen des Bremswiderstands und zum potentiellen Brand- bzw. Ausbruch eines Feuers kommen.
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Aus diesem Grund sind aufwändige Steuerungsmechanismen notwendig, um eine solche Überlastung möglichst frühzeitig vermeiden zu können.
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Es kann daher als eine objektive technische Aufgabe der vorliegenden Erfindung angesehen werden, einen eigensicheren kühlbaren Bremswiderstand bereitzustellen, bei welchem hinsichtlich der Sicherheitsanforderungen nicht auf ein aufwändiges Steuerungs- oder Überwachungssystem zurückgegriffen werden muss.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Wärmetauschvorrichtung gemäß Anspruch 1 und einen kühlbaren Bremswiderstand gemäß Anspruch 12. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Eine erfindungsgemäße Wärmetauschvorrichtung umfasst einen Grundkörper mit einer ersten Seite und einer zweiten Seite. Die erste Seite ist mit einer elektrisch isolierenden Schicht beschichtet, und auf dieser ist eine elektrisch leitende Vorrichtung aufgebracht oder in dieser eingebettet. Auf der zweiten Seite ist ein Strömungspfad definiert, welcher dazu angepasst ist, vom Kühlmittel angeströmt oder durchströmt zu werden. Eine Wärmetauschvorrichtung besitzt vorzugsweise einen plattenförmigen Aufbau, es sind aber auch rohrförmige Wärmetauschvorrichtungen möglich. Der ohm'sche Widerstand der elektrisch leitenden Vorrichtung ist temperaturabhängig ausgestaltet, und der ohm'sche Widerstand der elektrisch leitenden Vorrichtung nimmt zwischen einer ersten Grenztemperatur und einer zweiten Grenztemperatur um einen vorbestimmten Wert zu.
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Dies bedeutet, dass bei Erhöhung der Temperatur (beispielsweise durch überhöhten Leistungseintrag - also beispielsweise, wenn ein E-Truck eine längere Steigung herunterfährt, aber nicht ausreichend Kühlmittel zur Verfügung steht) auch der ohm'sche Widerstand der elektrisch leitenden Vorrichtung zunimmt, und durch Zunahme des ohm'schen Widerstands der elektrisch leitenden Vorrichtung wird die Wärmedissipation wiederum entsprechend begrenzt - da durch die Zunahme des elektrisch leitenden Widerstandes weniger Strom durch diesen fließen kann, wodurch die Wärmeerzeugung begrenzt wird und idealerweise stark abgeschwächt wird.
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Somit kann der Steueraufwand des Widerstands enorm reduziert werden (da hier Sicherheitssysteme mit kostenaufwändigen Sensoren usw. entfallen können), und Sicherheitsanforderungen können vom Widerstand selbst erfüllt werden. Es ist keine weitere Technik zum Trennen des Stromkreises im Überlastungsfall notwendig, also wenn beispielsweise ein Lichtbogen im oder am Widerstand entsteht.
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Ferner ist keine Überwachung der Temperatur des Kühlmittels erforderlich, und es ist auch keine spezifische Regelung des Kühlmittelstroms aufgrund einer möglichen Überlastung des Widerstands erforderlich.
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Dadurch kann eine Kostenreduktion des Steuerungsaufwands und vor allem die Erhöhung der Zuverlässigkeit der Bremssteuerung eben durch den Entfall spezifischer Steuerungskomponenten erreicht werden.
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Wenn beispielsweise die Kühlung in der Wärmetauschvorrichtung ausfällt oder nachlässt, wird in diesem Fall keine Energie mehr durch Konvektion abtransportiert. Dies würde bei einem Bremswiderstand gemäß dem Stand der Technik zu einem schnellen Temperaturanstieg des Gesamtsystems führen. Aufgrund des Temperaturanstiegs verändern sich allerdings bei einer erfindungsgemäßen Wärmetauschvorrichtung die Charakteristika des Widerstands, und somit wird die durch den Widerstand abgegebene Wärmemenge immer weiter begrenzt, wodurch ein weiterer Temperaturanstieg von sich aus verhindert wird, ohne dass es weiterer bzw. zusätzlicher externer Kühlung bedürfen würde.
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Genau deswegen kann es zum Erreichen von bestimmten Sicherheitslevels auf Messungen und teure Sensoren und vor allem eine redundante Ausführung dieser verzichtet werden, auch komplexe Software kann entsprechend eingespart werden. Sensoren können bei dem vorliegenden System zwar auch verwendet werden, um noch eine Sicherheitsstufe zu erfüllen, jedoch kann eine Vielzahl an komplexen Sensoren verzichtet werden. Ein eigensicherer Bremswiderstand ist eine einfache und kostengünstige Alternative zu hochredundanten Systemen mit komplexer Sensorik.
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Vorzugsweise nimmt der spezifische Widerstand der elektrisch leitenden Vorrichtung zwischen einer ersten Grenztemperatur und einer zweiten Grenztemperatur um einem vorbestimmten Wert zu. In einem Anwendungsfall eines Bremswiderstands könnten dies beispielsweise um die 360 Ω sein, der Widerstand kann sich aber beispielsweise auch um einen Faktor 100 (verglichen mit Raumtemperatur oder einer anderen Referenztemperatur) erhöhen.
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Vorzugsweise ist der Strömungspfad dazu angepasst, von einem flüssigen Kühlmittel angeströmt oder durchströmt zu werden.
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Weiter vorzugsweise liegt die erste Grenztemperatur bei 200° und die zweite Grenztemperatur bei 300°, weiter vorzugsweise liegt die erste Grenztemperatur bei 200° und die zweite Grenztemperatur bei 250°, noch weiter vorzugsweise liegt die erste Grenztemperatur bei 200° und die zweite Grenztemperatur bei 220°, und noch weiter vorzugsweise liegt die erste Grenztemperatur bei 200° und die zweite Grenztemperatur bei 210°.
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Somit werden also Temperaturbereiche definiert, in welchen ein schlagartiger bzw. exponentieller Anstieg des ohm'schen Widerstands erfolgt. Solche begrenzten Temperaturbereiche sind bei Bremswiderständen entsprechend sinnvoll, da ab solchen Temperaturen leicht Feuer entstehen kann und somit die Sicherheit von Bremswiderständen nicht mehr gegeben wäre.
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Weiter vorzugsweise ist der vorbestimmte Wert, um welchen sich der Widerstand erhöht, zwischen 100 und 400 Ω, vorzugsweise zwischen 200 und 375 Ω und weiter vorzugsweise zwischen 250 und 360 Ω konfiguriert. Dies sind typische Bereiche, durch welche ein Ausfall der Kühlung bzw. eine erhöhte Leistungszufuhr durch die Strom- bzw. Spannungsquelle gut kompensiert werden kann.
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Vorzugsweise beträgt der ohm'sche Widerstand oder der spezifische Widerstand bei der zweiten Grenztemperatur das k-fache des ohm'schen Widerstands oder des spezifischen Widerstandes bei der ersten Grenztemperatur, und k ist vorzugsweise mindestens 20, weiter vorzugsweise mindestens 50, noch weiter vorzugsweise mindestens 100, weiter vorzugsweise mindestens 150, und noch weiter vorzugsweise mindestens 200. Dadurch kann bei bestimmten Temperaturen ein schlagartiger Anstieg des ohm'schen Widerstands bei bestimmten Temperaturen realisiert werden, was dazu führt, dass bei kritischen Temperaturen der Bremswiderstand schlechter leitet und somit deutlich weniger Wärme erzeugt. So kann erreicht werden, dass bestimmte Temperaturen nicht überschritten werden können, selbst wenn die Kühlung ausfallen sollte und weiterhin eine Spannung am Bremswiderstand anliegt.
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Der Grundkörper besteht vorzugsweise aus Eisen, Stahl oder einer eisenhaltigen Legierung. Solche Werkstoffe weisen eine besonders gute Wärmeleitfähigkeit auf, so dass der Wärmestrom von der elektrisch leitenden Vorrichtung durch Wärmeleitung gut auf die zweite Seite geleitet wird, welche von Kühlmittel anströmbar ist, welches den Wärmestrom dann konvektiv aufnimmt.
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Die elektrisch leitende Vorrichtung besteht vorzugsweise aus einer gesinterten Paste, welche Metall, weiter vorzugsweise Silber, aufweist. Dadurch ist es möglich, dass Platten oder Rohre von kühlbaren Bremswiderständen entsprechend bedruckt und gebrannt werden können, und diese können entsprechend so modifiziert werden, dass sie sich für entsprechende Anwendungsfälle eignen. Die zu sinternde Paste wird vorzugsweise durch ein Siebdruckverfahren aufgebracht und danach gebrannt.
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Da der Leiter selbst auf dem Widerstand geformt wird, muss hier nicht auf kommerzielle Leiter zurückgegriffen werden, was den Einstellungsaufwand des spezifischen Widerstands erhöhen würde.
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Weiter vorzugsweise weist die elektrisch leitende Vorrichtung eine Dicke zwischen 10 µm und 40 µm auf, noch weiter vorzugsweise zwischen 12 µm und 30 µm, und noch weiter vorzugsweise zwischen 15 µm und 25 µm. Solche Dicken können mit Siebdruckverfahren gut erreicht werden, und solche Dicken erlauben ferner, dass Wärme gezielt an die elektrisch isolierende Schicht abgegeben wird, und ferner sind solche Dicken platzsparend.
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Weiter vorzugsweise weist die elektrisch leitende Vorrichtung Keramikpartikel auf, noch weiter vorzugsweise in einer Konzentration von 1 Gew.-% bis 10 Gew.%.
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Durch den Einsatz von solchen keramischen Materialien, welche der Paste zur Formung der Leiter beigemengt werden und auf das Substrat gebrannt werden, ist die gezielte Einstellung einer Widerstands-Temperatur-Charakteristik möglich, d.h. ein Widerstand kann entsprechend temperaturabhängig gestaltet werden. Bei geringen Kühlmitteldurchflussmengen kommt es somit nicht zu einer Überlastung des Widerstands, da die maximale Leitertemperatur wegen einem ab einer ersten Grenztemperatur exponentiell ansteigenden Widerstand und somit einer begrenzten Wärmeerzeugung entsprechend limitiert wird. Der Leistungseintrag wird somit automatisch und ohne zeitliche Verzögerung gehemmt, ferner sind hier keine Steuerungssysteme, welche kostenaufwendig sind, nötig. Solche keramischen Materialien sind meistens halbleitend und polykristallin. Solche keramischen Materialien bilden in einem bestimmten Temperaturbereich eine Sperrschicht an den entsprechenden Korngrenzen in einer metallischen Matrix. An den Korngrenzen sind entsprechende Akzeptoren vorhanden, und Elektronen aus den Körnern können an diesen gebunden werden. Somit fließen die Elektronen nicht mehr so schnell, weswegen der Stromfluss gehemmt wird, was wiederum zu einer verminderten Wärmeentwicklung beiträgt.
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Weiter vorzugsweise umfassen die Keramikpartikel Bariumtitanat.
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Insbesondere bei diesem Material können an den Korngrenzen Elektronen aus den Körnern gebunden werden, was zur Entstehung von Verarmungsrandschichten in Kornoberflächen führt, und genau diese verursachen Potentialbarrieren und sind für die Widerstandswirkung wichtig . Für solche Materialien ist auch typisch, dass die isolierende Wirkung dieser Verarmungsrandschichten bei bestimmten Temperaturen merklich zur Geltung kommt, und ein Widerstand stark exponentiell ansteigen kann.
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Ein kühlbarer Bremswiderstand weist mindestens eine der beschriebenen Wärmetauschvorrichtungen auf. Der Effekt eines Kaltleiters kann somit für einen kühlbaren Widerstand erfindungsgemäß genutzt werden, da eben hier auf entsprechende Ausfälle von Kühlungen reagiert werden kann, ohne dass hierzu eine komplexe Steuerung des Gesamtsystems notwendig wäre.
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Eine erfindungsgemäße Wärmetauschvorrichtung hat vorzugsweise eine Nennleistung von 250 kW - durch Skalierung mehrerer Wärmetauschvorrichtungen (durch Reihen- oder Parallelschaltung) kann eine Nennleistung von mehreren Megawatt erhalten werden. Die spezifische Wärmeleistung einer Wärmetauschvorrichtung liegt vorzugsweise in einem Bereich von 20 bis 40 W/cm2, weiter vorzugsweise in einem Bereich von 30 bis 35 W/cm2.
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Im Folgenden wird der Gegenstand der vorliegenden Erfindung anhand von Ausführungsformen unter Hinzuziehen der beiliegenden Figuren näher erläutert.
- 1 zeigt eine schematische Querschnittsansicht einer beispielhaften Ausführungsform der Wärmetauschvorrichtung W gemäß der vorliegenden Erfindung.
- 2 zeigt eine vergrößerte Darstellung der elektrisch leitenden Vorrichtung 3.
- 3 zeigt eine erste Ausführungsform einer Wärmetauschvorrichtung W gemäß der vorliegenden Erfindung.
- 4 zeigt eine zweite Ausführungsform einer Wärmetauschvorrichtung W gemäß der vorliegenden Erfindung.
- 5 zeigt ein Diagramm, in welchem der elektrische Widerstand bzw. der spezifische elektrische Widerstand einer erfindungsgemäßen elektrisch leitenden Schicht gegenüber der Temperatur aufgetragen ist.
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In 1 sind die erste Seite WE und die zweite Seite WZ einer Wärmetauschvorrichtung W gezeigt. Auf einem Grundkörper G (dieser kann beispielsweise rohrförmig oder plattenförmig sein) ist auf der ersten Seite WE eine elektrisch isolierende Schicht 2 aufgetragen, an welche sich eine elektrisch leitende Schicht 3 anschließt, welche in einer bestimmten Dicke aufgetragen ist. Auf der zweiten Seite WZ kann der Grundkörper G von einem Kühlmedium, beispielsweise Fluid, angeströmt werden bzw. durchströmt werden, um so durch die elektrisch leitende Schicht 3 freigesetzte Wärme konvektiv abzuführen.
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In 2 ist ein Detailausschnitt der elektrisch isolierenden Schicht 3 gezeigt. Hier zeigt sich, dass in einer Matrix M, welche beispielsweise aus einer Silberpaste bestehen kann, viele Keramikpartikel K eingebettet sind. Es ist vorteilhaft, wenn diese Keramikpartikel K möglichst homogen innerhalb der Matrix M verteilt sind.
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3 zeigt eine erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Hier ist eine plattenförmige Bauweise einer Wärmetauschvorrichtung W gezeigt. Jeder Grundkörper G1, G1', G2, G2' ist also plattenförmig ausgestaltet. Zwei Grundkörper G1, G1' sind gegenüber voneinander angeordnet. Auf den gegenüberliegenden Seiten ist jeweils eine elektrisch isolierende Schicht 2, 2' aufgetragen, auf welchen wiederum elektrisch leitende Schichten 3, 3' aufgetragen sind. Der jeweilige erste Grundkörper G1, G1' bildet mit dem jeweiligen zweiten Grundkörper G2 eine Kavität aus, in welcher ein Fluid strömen kann. Der Widerstand der leitenden Schichten 3, 3' ist erfindungsgemäß temperaturabhängig konfiguriert.
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4 zeigt eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Hier ist eine rohrförmige Bauweise einer Wärmetauschvorrichtung W gezeigt. Der Grundkörper G ist hier ein Rohr, durch das in ein Fluid hindurchströmen kann. Die Außenseite des Rohrs ist mit einer elektrisch isolierenden Schicht 2 beschichtet, auf welcher wiederum eine elektrisch leitende Schicht 3 aufgetragen ist. Der Widerstand der leitenden Schicht 3 ist erfindungsgemäß temperaturabhängig konfiguriert.
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5 zeigt ein Diagramm, in welchem der elektrische Widerstand / der spezifische elektrische Widerstand einer erfindungsgemäßen elektrisch leitenden Schicht 2 gegenüber der Temperatur aufgetragen ist. Hier ist dargestellt, dass der elektrische Widerstand / der spezifische elektrische Widerstand einer erfindungsgemäßen elektrisch leitenden Schicht 2 bis zu einer ersten Grenztemperatur TGrenz1 annähernd konstant ist. Ab einer ersten Grenztemperatur TGrenz1 steigen der elektrische Widerstand / der spezifische elektrische Widerstand exponentiell bis zu einer zweiten Grenztemperatur TGrenz 2 an. Die Zunahme des elektrischen Widerstands / des spezifischen elektrischen Widerstands steigt zwischen der ersten Grenztemperatur TGrenz1 und der zweiten Grenztemperatur TGrenz2 um den Wert R_zu bzw. Rspez_zu an.
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Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die oben beschriebene Ausführungsform beschränkt.
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Der eigensichere kühlbare Bremswiderstand kann in mehreren bzw. unterschiedlichen Formen ausgestaltet sein, also nicht zwingend nur rohrförmig oder plattenförmig.
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Ferner sind zur Erreichung der beanspruchten Eigenschaften weitere Keramiken möglich, und als Matrix sind hier außer der Silberpaste noch andere Materialien möglich.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- kühlbarer Widerstand
- 2
- elektrisch isolierende Schicht
- 3
- elektrisch leitende Schicht
- G1, G1', G2, G2'
- Grundkörper
- TGrenz_1
- erste Grenztemperatur
- TGrenz_2
- zweite Grenztemperatur
- R_zu
- Zunahme Widerstand
- R_Spez_zu
- Zunahme spezifischer elektrischer Widerstand
- W
- Wärmetauschvorrichtung
- WE
- erste Seite
- WZ
- zweite Seite
- P
- Strömungspfad
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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