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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kondensator zum Einsatz an einem Kraftfahrzeug. Insbesondere betrifft die Erfindung die Anbringung des Kondensators an einem Kühlelement.
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Ein elektrisch angetriebenes Kraftfahrzeug umfasst eine Batterie, die eine Gleichspannung bereitstellt, und eine elektrische Maschine, die phasenverschobene Wechselströme erfordert. Zur Steuerung der elektrischen Maschine ist ein Stromrichter vorgesehen, der die Gleichspannung in Abhängigkeit einer Anforderung eines bereitzustellenden Drehmoments oder einer einzunehmenden Drehzahl in passende Wechselströme umwandelt. Um Rückwirkungen oder Störungen zu minimieren ist zwischen der Batterie und dem Stromrichter ein Zwischenkreiskondensator (ZKK) vorgesehen.
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Der Zwischenkreiskondensator ist in einer Kondensatoranordnung aufgenommen, die eine elektrische und eine mechanische Anbindung realisieren kann. Im Betrieb kann die Kondensatoranordnung aufgrund des durch seine Anschlüsse fließenden Stroms erwärmen. Außerdem kann durch elektrische Verluste auch der Kondensator selbst erwärmt werden. Die entstehende Wärme kann an ein Kühlelement abgeführt werden.
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Für eine gute thermische Anbindung ist zwischen der Kondensatoranordnung und dem Kühlelement ein Trennelement vorgesehen, dass in einem vorbestimmten Maß elastisch komprimiert werden kann. Das Trennelement kann sowohl eine elektrische Isolation als auch eine thermische Anbindung realisieren. Dabei ist eine Dicke des Trennelements so gewählt, dass es wenigstens eine vorbestimmte Kraft zwischen der Kondensatoranordnung und dem Kühlelement ausübt. Eine mechanische Toleranz der Lage einer zu kühlenden Kontaktfläche der Kondensatoranordnung kann groß sein und auch eine Dicke des Trennelements ist einer gewissen Toleranz unterworfen, sodass das Trennelement insgesamt relativ dick gewählt werden muss. Eine tatsächlich zwischen der Kondensatoranordnung und dem Kühlelement bewirkte Kraft kann daher sehr groß sein.
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Eine der vorliegenden Erfindung zu Grunde liegende Aufgabe besteht in der Bereitstellung einer verbesserten Technik zur Anbindung einer Kondensatoranordnung an einem Kühlelement. Die Erfindung löst diese Aufgabe mittels der Gegenstände der unabhängigen Ansprüche. Unteransprüche geben bevorzugte Ausführungsformen wieder.
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Eine Kondensatoranordnung umfasst einen elektrischen Kondensator; ein Gehäuse zur Aufnahme des Kondensators; eine Kontaktfläche zur thermischen Anbindung an ein Kühlelement; eine elektrische Isolationsfolie zwischen der Kontaktfläche und dem Kühlelement; und ein thermisches Leitelement zwischen der Isolationsfolie und dem Kühlelement.
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Die Isolationsfolie kann eine elektrische Isolation der Kondensatoranordnung sicherstellen und dabei sehr dünn sein. Das thermische Leitelement kann dünner dimensioniert und geringeren absoluten Toleranzen unterworfen sein. Eine Lage des Kondensators im Gehäuse kann so gewählt sein, dass ein Abstand zwischen der Kontaktfläche und dem Kühlelement gering ist.
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Die Kontaktfläche kann den Kondensator oder einen elektrischen Anschluss des Kondensators umfassen. Der Anschluss kann als Sammelschiene (Busbar) ausgeführt sein. Die Sammelschiene kann keine elektrische Isolation tragen und ist üblicherweise aus einem steifen Material wie einem Blech oder einer Stange herstellbar. Die Sammelschiene ist üblicherweise an ihren Enden elektrisch und mechanisch befestigt. Optional kann an einem Stützpunkt zwischen ihren Enden eine weitere mechanische Befestigung vorgesehen sein, die meist mittels eines elektrisch isolierenden Materials erfolgt.
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Durch die Isolationsfolie wird eine galvanische Trennung zwischen der Kontaktfläche und dem Kühlelement zum dauerhaften Betrieb der Kondensatoranordnung innerhalb der Temperaturgrenzen der Kondensatormaterialien erreicht. Wir als Kondensatormaterial z.B. Polypropylen verwendet, liegt die maximale Temperatur bei 105 °C.
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Bevorzugt ist zwischen dem Kühlelement und der Kontaktfläche ausschließlich die Isolationsfolie und das thermische Leitelement angeordnet. Weder die Isolationsfolie, noch das thermische Leitelement müssen die komplette Fläche zwischen Kühlelement und Kontaktfläche bedecken. Bevorzugt kann die Fläche der Isolationsfolie die Kontaktfläche vollständig bedecken, weiter bevorzugt kann diese auch über eine Begrenzung der Kontaktfläche bzw. der Kondensatoranordnung an einer oder mehreren Stelen hinausreichen. Jedenfalls sind zwischen dem Kühlelement und der Kontaktfläche keine anderen Bauteile angeordnet.
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Die Kontaktfläche kann aus zwei ebenen Flächen zusammengesetzt sein, die entlang einer Strecke aneinander angrenzen und miteinander einen Winkel einschließen. Sowohl die Kontaktfolie, als auch die Anlagefläche des Kühlelements kann an einer oder an beiden dieser Flächen anliegen.
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Ein Abschnitt der Kontaktfläche kann mit einem elektrischen Anschluss des Kondensators leitfähig verbunden sein. Durch die Isolationsfolie kann ein elektrischer Kontakt zwischen dem Anschluss und dem Kühlelement verhindert werden. Die elektrische Isolation ist insbesondere dann erforderlich, wenn das Kühlelement zumindest abschnittsweise elektrisch leitfähig ist. Das Kühlelement ist üblicherweise aus einem thermisch gut leitfähigen Material hergestellt, das insbesondere ein Metall oder ein Leichtmetall umfassen kann.
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Das thermische Leitelement ist bevorzugt zumindest bei der Anbringung des Kondensators am Kühlelement pastös. Dadurch kann das Leitelement seine Dicke an die vorliegende Dicke des Spalts zwischen der Kontaktfläche und dem Kühlelement anpassen. Diese Dicke ist hauptsächlich durch Fertigungs- oder Montagetoleranzen bedingt und kann sich im Betrieb der Kondensatoranordnung nicht nennenswert ändern. Durch das pastöse Leitelement kann verhindert werden, dass eine große mechanische Spannung auf die den Spalt begrenzenden Elemente ausgeübt wird. Das Leitelement kann später teilweise oder vollständig aushärten, beispielsweise unter dem Einfluss von Sauerstoff, Wärme oder Licht.
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Das thermische Leitelement belegt vorzugsweise eine kleinere Fläche als die Isolationsfolie. Dadurch kann verhindert werden, dass das bei Aufbringung bevorzugt pastöse thermische Leitelement im Rahmen der Montage des Kühlelements auf der Kondensatoranordnung über die Fläche der Isolationsfolie hinaustritt.
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Das thermische Leitelement nimmt vorzugsweise ausschließlich eine Fläche zwischen der Isolationsfolie und einem stromführenden Bauteil ein. Dadurch kann eine gezielte, auf den Bereich des stromführenden Bauteils lokal begrenzte, Wärmeabfuhr über das thermische Leitelement erfolgen, wodurch der Materialeinsatz für das thermischen Leitelement möglichst klein gehalten werden kann.
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Die Größe des Spalts zwischen der Kontaktfläche und dem Kühlelement, wenn das Gehäuse an dem Kühlelement angebracht ist, kann innerhalb eines vorbestimmten Bereichs liegen, dessen kleinster Wert im Wesentlichen so groß wie eine Dicke der Isolationsfolie sein kann. Der Bereich ist bevorzugt durch mechanische Toleranzen bzw. Streuungen an beteiligten Serienteilen festgelegt. Die Kondensatoranordnung kann so dimensioniert sein, dass der Spalt nie kleiner wird als zur Aufnahme der Isolationsfolie erforderlich ist. In diesem Fall kann das thermische Leitelement eine Dicke von praktisch null haben. Dies ist insbesondere mit einem pastösen thermisches Leitelement vorteilhaft, das während der Montage praktisch vollständig aus dem Spalt verdrängt werden kann. Wird stattdessen ein festes thermisches Leitelement verwendet, so kann der Bereich auch einen Spalt einer vorbestimmten Mindestdicke zur Aufnahme der Isolationsfolie und des Leitelements erlauben.
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Die Isolationsfolie kann stoffschlüssig mit der Kondensatoranordnung verbunden sein. Dazu kann die Isolationsfolie abschnittsweise oder flächig mit der Kondensatoranordnung verschweißt oder verklebt sein. Eine flächige Verbindung ist bevorzugt, da sie der Isolationsfolie vor der Anbringung der Kondensatoranordnung am Kühlelement eine verbesserte Stabilität verleihen kann. Eine elektrische Isolation der Kondensatoranordnung kann bereits vor dessen Anbringung am Kühlelement geprüft und nötigenfalls nachgebessert werden. Die Kondensatoranordnung kann eine verbessert separat handhabbare Baugruppe umfassen.
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Das Kühlelement umfasst bevorzugt einen Kühlkanal, der dazu eingerichtet ist, von einer Flüssigkeit durchströmt zu werden. Der Kühlkanal kann von einer Flüssigkühlung oder einer Kühlung mit einem Phasenübergang des Kühlmediums umfasst sein. Diese Techniken können einen größeren Wärmestrom ableiten als beispielsweise eine rein passive Festkörperkühlung.
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Ein elektrisch leitfähiges Element, an dem die Isolationsfolie anliegt, kann in einem vorbestimmten Bereich um einen Befestigungspunkt ausgespart sein, der zur Anbringung des Gehäuses am Kühlelement eingerichtet ist. Der Befestigungspunkt kann beispielsweise eine Anbringung des Gehäuses mittels einer Schraube, eines Bolzens oder einer Niete ermöglichen. Durch die Aussparung kann eine vorbestimmte Kriechstrecke eingehalten sein, die einen Durchschlag einer elektrischen Spannung auf ein ansonsten nicht von elektrischem Strom umfasstes Bauteil verhindert.
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Der Kondensator kann für eine Spannung von mehreren 100 V ausgelegt sein. Beispielsweise kann der Kondensator an Bord eines Kraftfahrzeugs zum Betrieb an einer Gleichspannung von ca. 400 V oder ca. 800 V eingerichtet sein. Durch die hierin beschriebene Technik können eine elektrische, eine mechanische und eine thermische Anbindung des Kondensators an ein umgebendes System verbessert hergestellt sein.
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Der Kondensator ist in einer bevorzugten Ausführungsform zur Verwendung als Zwischenkreiskondensator an oder in einem Stromrichter eingerichtet. Der Stromrichter kann einen DC-AC-Richter umfassen, der dazu eingerichtet ist, eine Gleichspannung in eine oder mehrere Wechselspannungen umzuwandeln. Nach einem weiteren Aspekt umfasst ein Stromrichter eine hierin beschriebene Kondensatoranordnung. Nach noch einem weiteren Aspekt umfasst ein elektrischer Achsantrieb einen hierin beschriebenen Stromrichter. Nach noch einem weiteren Aspekt umfasst ein Kraftfahrzeug mit einem elektrischen Achsantrieb einen hierin beschriebenen Stromrichter.
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Die Erfindung wird nun mit Bezug auf die beigefügten Figuren genauer beschrieben, in denen:
- 1 ein Kraftfahrzeug;
- 2 eine Kondensatoranordnung; und
- 3 eine Schnittansicht einer Kondensatoranordnung;
- 4 eine Kondensatoranordnung an einem Kühlelement;
- 5 ein Detail einer Kondensatoranordnung; und
- 6 ein weiteres Detail einer Kondensatoranordnung
darstellt.
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1 zeigt ein Kraftfahrzeug 100 mit einem elektrischen Antriebsstrang 105. Das Kraftfahrzeug 105 ist exemplarisch als Personenkraftwagen ausgeführt, kann aber auch ein anderes Fahrzeug umfassen, beispielsweise ein Kraftrad, einen Lastkraftwagen oder einen Omnibus.
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Der Antriebsstrang 105 umfasst eine Batterie 110, eine Kondensatoranordnung 115, eine Steuervorrichtung 120 und eine elektrische Maschine 125, die auf ein Antriebsrad des Kraftfahrzeugs 100 wirkt. Die Steuervorrichtung 120 ist dazu eingerichtet, eine mittels der Batterie 110 bereitgestellte Gleichspannung in eine andere Spannung umzuwandeln, um die elektrische Maschine anzusteuern. Die Kondensatoranordnung 115 ist dazu eingerichtet, Energie beim Umwandeln zwischenzuspeichern und eine elektromagnetische Wechselwirkung mit einem anderen Gerät möglichst zu unterdrücken.
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2 und 3 zeigen eine Kondensatoranordnung 115 in einer Ausführungsform in verschiedenen Perspektiven. In einem Gehäuse 205 ist ein Kondensator 210 aufgenommen, der mittels elektrischen Anschlüssen 215 und 220 kontaktiert werden kann. Die Anschlüsse 215, 220 sind bevorzugt flach und können entlang einer vorbestimmten Kurve gebogen sein. Wo zwei Anschlüsse 215, 220 aufeinander liegen, kann zwischen ihnen eine elektrisch isolierende Trennschicht 225 vorgesehen sein. Die Trennschicht 225 kann thermisch gut leitfähig sein, um eine Ableitung von Wärme aus einem tiefer im Gehäuse 205 liegenden Anschluss 215 zu erleichtern. Der Kondensator 210 kann beispielsweise als Folienkondensator oder als Elektrolyt-Kondensator aufgebaut sein. Der Kondensator 210 und/oder ein Anschluss 215, 220 kann mittels einer Vergussmasse 228 im Gehäuse 205 fixiert sein.
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Eine Kontaktfläche 230 ist bevorzugt eben und kann mehrere verschiedene Elemente der Kondensatoranordnung 115 umfassen. Die Kontaktfläche 230 ist dazu eingerichtet, thermisch an ein Kühlelement 235 angebunden zu werden, sodass Wärme von einem der umfassten Elemente an das Kühlelement 235 abgegeben werden kann. Eine Anlagefläche des Kühlelements 235 ist bevorzugt gleichfalls eben. In der in 1 dargestellten Ausführungsform ist die Kontaktfläche 230 aus zwei ebenen Flächen zusammengesetzt, die entlang einer Strecke aneinander angrenzen und miteinander einen Winkel einschließen. Die Anlagefläche des Kühlelements 235 kann an einer oder an beiden dieser Flächen anliegen.
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Es wird vorgeschlagen, im Bereich der Kontaktfläche 230 eine Isolationsfolie 240 vorzusehen, die eine elektrische Isolation erbringt, aber nur eine geringe Dicke aufweist. Die Dicke der Isolationsfolie 240 kann unter ca. 1 mm liegen. Dabei kann die Isolationsfolie 240 flexibel sein, um einer Form der Kontaktfläche 230 folgen zu können. Bevorzugt ist die Isolationsfolie 240 stoffschlüssig an der Kontaktfläche 230 und/oder einem anderen Abschnitt der Kondensatoranordnung 115 angebracht. Optional steht die Isolationsfolie 240 über eine Begrenzung der Kontaktfläche 230 bzw. der Kondensatoranordnung 115 an einer oder mehreren Stelen hinaus.
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Zur thermischen Anbindung der Kondensatoranordnung 115 am Kühlelement 235 ist ein thermisches Leitelement 245 vorgesehen, das zwischen der Isolationsfolie 240 und dem Kühlelement liegt. Das Leitelement 245 kann als kompressibler Festkörper oder als pastöse Masse vorgesehen sein und zwischen die Kondensatoranordnung 115 und den Kühlelement 235 eingebracht werden, bevor die Kondensatoranordnung 115 gegenüber dem Kühlelement 235 befestigt wird. Dazu kann das Leitelement 245 alternativ zuerst an der Kondensatoranordnung 115 oder zuerst am Kühlelement 235 befestigt werden. Die pastöse Masse 245 kann nach der Montage aushärten oder ihre Viskosität erhöhen.
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Zur Befestigung der Kondensatoranordnung 115 gegenüber dem Kühlelement 235 kann ein Befestigungspunkt 250 am Gehäuse 205 vorgesehen sein. Der Befestigungspunkt 250 kann eine Ausnehmung zur Aufnahme einer Schraube, eines Bolzens oder einer Niete in das Kühlelement 235 umfassen. Ein Befestigungspunkt 250 kann allgemein außerhalb oder innerhalb der Kontaktfläche 230 liegen. Vorliegend sind mehrere Befestigungspunkte 250 vorgesehen.
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Das Gehäuse 205 kann nach seiner Montage an einer dafür vorgesehenen Anlagefläche des Kühlelements 235 anliegen. Eine Lage der Kontaktfläche 230 bezüglich des Gehäuses 205 kann einer gewissen Toleranz unterworfen sein, sodass die Dicke eines Spalts zwischen der Kontaktfläche 230 und dem Kühlelement 235 in einem vorbestimmten Bereich liegen kann. Es wird weiter vorgeschlagen, Elemente der Kondensatoranordnung 115 möglichst derart ins Gehäuse 205 einzubauen, dass der kleinste im vorbestimmten Bereich liegende Spalt eine Dicke aufweist, die gerade zur Aufnahme der Isolationsfolie 240 und des thermischen Leitelements 245 ausreicht. Das thermische Leitelement 245 ist dabei möglichst dünn dimensioniert. Im Fall einer pastösen Masse kann das Leitelement 245 nach der Montage effektiv eine Dicke nahe null aufweisen.
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4 zeigt eine Kondensatoranordnung 115 an einem Kühlelement 235. Das Kühlelement 235 umfasst einen Kühlkanal, durch den ein Fluid, insbesondere eine Flüssigkeit, strömen kann, um Wärme aus dem Material des Kühlkanals aufzunehmen. In der dargestellten Ausführungsform kann eine Unterseite des Kühlelements 235 zur Anlage an der Kondensatoranordnung 115 vorgesehen sein, während eine Oberseite zur Anlage an einem Halbleitermodul eingerichtet sein kann, das eines oder mehrere Stromventile eines Stromrichters umfasst. Die elektrische Maschine 125 kann drei elektrische Phasen umfassen, die mittels dreier Halbbrücken mit passenden Spannungen bzw. Strömen versorgt werden können. Jede Halbbrücke kann zwei Stromventile umfassen, die in einem gemeinsamen Halbleitermodul aufgenommen sind. Das dargestellte Kühlelement 235 bietet Patz zur Anlage von drei Halbleitermodulen.
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Es ist zu erkennen, dass Anschlüsse 215, 220 an der vom Betrachter abgewandten Seite des Kühlelements 235 vorbei bis in einen Bereich verlaufen, in welchem die Halbleitermodule aufgenommen werden können. So kann eine elektrische Verbindung zwischen einem Anschluss 215, 220 und einem Halbleitermodul ermöglicht sein. Die Kondensatoranordnung 105 kann auch mehrere Kondensatoren 210 und/oder einen Kondensator 210 mit verschiedenen Anschlüssen 215, 220 umfassen.
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5 zeigt ein Detail einer Kondensatoranordnung 115 als Schnitt im Bereich eines Befestigungspunkts 250, der innerhalb der Kontaktfläche 230 liegt. Ein im Bereich der Kontaktfläche 230 liegender Anschluss 220 ist beispielhaft flach ausgeführt, beispielsweise in Form eines Blechs. Es ist bevorzugt, dass der spannungsführende Anschluss 220 innerhalb eines vorbestimmten Abstands zum Befestigungspunkt 250 ausgespart ist, wie durch eine unterbrochene Linie angedeutet ist. Die Aussparung kann sich auch jenseits einer Begrenzung der Kontaktfläche 230 erstrecken. So kann ein Durchschlagen der Spannung zu einem elektrisch leitfähigen Befestigungselement am Befestigungspunkt 250 verhindert werden.
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In der dargestellten Ausführungsform liegen zwei Anschlüsse 215, 220 im Bereich des Befestigungspunkts 250. Die Anschlüsse 215, 220 sind jeweils flach ausgeführt und liegen aufeinander, elektrisch isoliert mittels der Trennschicht 225. Es ist weiter bevorzugt, dass die Aussparung in beide Anschlüsse 215, 220 eingebracht ist. Zur Sicherstellung eines ausreichenden Leiterquerschnitts kann ein Anschluss 215, 220 an einer anderen Stelle entsprechend größer ausgedehnt sein.
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6 zeigt ein weiteres Detail einer Kondensatoranordnung 115. Es ist zu erkennen, dass die Isolationsfolie 240 über Begrenzungen der Kontaktfläche 230 und auch über Begrenzungen eines Anschlusses 215, 220 hinausragt. Aus Platzgründen kann dies unschädlich sein und eine Spannungsfestigkeit im Bereich eines Anschlusses 215, 220 kann durch die erfolgte Vergrößerung der Kriechstrecke verbessert sein.
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Bezugszeichen
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- 100
- Kraftfahrzeug
- 105
- Antriebsstrang
- 110
- Batterie
- 115
- Kondensatoranordnung
- 120
- Steuervorrichtung
- 125
- elektrische Maschine
- 205
- Gehäuse
- 210
- Kondensator
- 215
- erster Anschluss
- 220
- zweiter Anschluss
- 225
- Trennschicht
- 228
- Vergussmasse
- 230
- Kontaktfläche
- 235
- Kühlelement
- 240
- Isolationsfolie
- 245
- thermisches Leitelement
- 250
- Befestigungspunkt
