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Die Erfindung betrifft eine Akkumulatoranordnung für ein Hybrid- oder Elektrofahrzeug nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Akkumulatoranordnungen für Hybrid- oder Elektrofahrzeuge sind aus dem Stand der Technik bereits bekannt. Dabei sind mehrere Energiespeicherzellen in Batteriemodule gefasst und in einem Gehäuse angeordnet. Die Energiespeicherzellen werden dabei zum Erhalt ihrer Funktion temperiert. Insbesondere bei Akkumulatoranordnungen mit einer hohen Leistungsdichte und einer geforderten Schnellladefähigkeit ist eine leistungsfähige Kühlung unabdingbar.
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Aus der
WO 2017 / 026 312 A1 sind Akkumulatoranordnungen mit einer unmittelbaren Luftkühlung bekannt. Da die Luft eine vergleichsweise geringere Wärmeaufnahmekapazität aufweist, muss ein hoher Volumenstrom an Kontaktflächen geführt werden, der wiederum größere Zwischenräume in einem Gehäuse erfordert, die im Hinblick auf den Bauraumbedarf für die Akkumulatoranordnung nachteilig sind.
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Eine deutlich verbesserte Kühlung wird bei sogenannten immersionsgekühlten Akkumulatoranordnungen erreicht, bei welchen die Kühlung der Energiespeicherzellen über einen direkten Kontakt mit einem dielektrischen Kühlmittel erfolgt. Die Energiespeicherzellen werden dabei von Zellträgern gehalten, deren Aufgabe es ist, neben dem Halten und Fixieren der Energiespeicherzellen und Zellverbindern, über die die einzelnen Zellkontaktfahnen elektrisch miteinander verbunden sind, auch das dielektrische Kühlmittel zu leiten.
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Im Allgemeinen werden immersionsgekühlte Akkumulatoranordnungen nur in einer Richtung mit Kühlmittel durchströmt. Die Versorgungsleitungen bauseits sind deshalb auf beiden Seiten der Akkumulatoranordnungen vorhanden, was zu einem erhöhten Bauraumbedarf und Kostenaufwand führt.
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Die Aufgabe der Erfindung ist es daher, für eine Akkumulatoranordnung der gattungsgemäßen Art eine verbesserte oder zumindest alternative Ausführungsform anzugeben, bei der die beschriebenen Nachteile überwunden werden.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Die vorliegende Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, eine Versorgung einer Akkumulatoranordnung für ein Hybrid- oder Elektrofahrzeug mit Kühlmittel über lediglich eine einzige Seite zu bewerkstelligen, sodass ein Kühlmittelauslass und ein Kühlmitteleinlass auf derselben Seite eines Gehäuses der Akkumulatoranordnung angeordnet sind. Die erfindungsgemäße Akkumulatoranordnung besitzt dabei ein Gehäuse, in welchem zumindest zwei über einen Zellträger gehaltene Energiespeicherzellen angeordnet sind. Ein solcher Zellträger dient dabei sowohl der Halterung und Fixierung der einzelnen Energiespeicherzellen, als auch zur Halterung und Fixierung von Zellverbindern bzw. Zellkontaktfahnen der einzelnen Energiespeicherzellen, wobei über die Zellverbinder die einzelnen Zellkontaktfahnen elektrisch miteinander verbunden sind, beispielsweise parallel oder seriell geschaltet. Um eine möglichst hohe Leistungsdichte der Akkumulatoranordnung und insbesondere auch ein schnelles Laden erreichen zu können, ist das Gehäuse zumindest in Teilen von einem dielektrischen Kühlmittel zum Kühlen der Energiespeicherzellen durchströmbar. Zum Einleiten des Kühlmittels in das Gehäuse und zum Ausleiten des Kühlmittels aus demselben sind ein Kühlmitteleinlass und ein Kühlmittelauslass vorgesehen, die erfindungsgemäß nun auf derselben Seite des Gehäuses angeordnet sind. Hierdurch ist es möglich, die bislang stets an gegenüberliegenden Seiten bzw. generell an zwei Seiten des Gehäuses vorzuhaltenden Anschlussperipherien nunmehr auf eine einzige Seite zu verlegen bzw. auf dieser zusammenzufassen, wodurch eine Versorgungsperipherie nun entfallen kann, was zu einem reduzierten Bauraumbedarf und zu einem reduzierten Kostenaufwand führt. Darüber hinaus entfallen auch lange Ver- bzw. Entsorgungsleitungen.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Akkumulatoranordnung sind der Kühlmitteleinlass und der Kühlmittelauslass an einer Stirnseite des Gehäuses angeordnet. In diesem Fall erfolgt eine Durchströmung des Gehäuses mit Kühlmittel im sogenannten U-Flow, d. h. U-förmig, wobei rein theoretisch selbstverständlich je nach Fluidführung innerhalb des Gehäuses auch ein mäandrierender Verlauf realisierbar ist. An der Stirnseite bzw. an der gegenüberliegenden Stirnseite kann zugleich auch eine Kühlung der Zellkontaktfahnen, über welche die einzelnen Energiespeicherzellen, die beispielsweise als sogenannte Pouchzellen ausgebildet sein können, elektrisch miteinander verbunden sind.
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Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Akkumulatoranordnung sind der Kühlmitteleinlass und der Kühlmittelauslass an einer Breitseite des Gehäuses angeordnet. Das Gehäuse ist dabei üblicherweise quaderförmige mit zwei Breitseiten und zwei Schmalseiten sowie zwei gegenüberliegenden Stirnseiten ausgebildet, wobei durch die Anordnung des Kühlmitteleinlasses und des Kühlmittelauslasses an einer Breitseite des Gehäuses eine weitere konstruktive Möglichkeit der Ver- und Entsorgung der Akkumulatoranordnung mit Kühlmittel gegeben ist.
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Zweckmäßig sind der Kühlmitteleinlass kommunizierend mit einem Verteilerkasten und der Kühlmittelauslass kommunizierend mit einem Sammelkasten verbunden. Über den Kühlmitteleinlass und den sich anschließenden Verteilerkasten wird somit Kühlmittel über die gesamte Breitseite des Gehäuses verteilt und dann über entsprechende Kühlmittelzuläufe einzelnen Bereichen in dem Gehäuse zugeführt. Über entsprechende Kühlmittelabläufe, die alle zusammen in einen Sammelkasten münden, der sich parallel zum Verteilerkasten erstreckt und kommunizierend mit dem Kühlmittelauslass verbunden ist, kann eine Ableitung des Kühlmittels aus dem Gehäuse und insbesondere aus unterschiedlichen Bereichen im Gehäuse realisiert werden.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Akkumulatoranordnung ist der Verteilerkasten mit wenigstens einem orthogonal dazu abstehenden Kühlmittelzulauf und der Sammelkasten mit wenigstens einem orthogonal dazu abstehenden Kühlmittelablauf verbunden, wobei der Kühlmittelzulauf und der Kühlmittelablauf in einen Rahmen eingebunden sind. Der Rahmen kann dabei eine Trennwand beinhalten und erstreckt sich parallel zu dem Kühlmittelzulauf und dem Kühlmittelablauf und damit orthogonal zu dem Verteilerkasten bzw. Sammelkasten. Der Rahmen kann dabei einen Deckel für ein Gehäuse bilden oder ein Zwischenstück, sofern das Gehäuse aus zwei Gehäuseteilen besteht, die spiegelbildlich an dem Rahmen bzw. der Trennwand des Rahmens angeordnet sind. Im letzteren Fall ermöglicht der Rahmen mit den einzelnen Kühlmittelzuläufen und Kühlmittelabläufen die Versorgung zweier spiegelbildlich angeordneter Gehäuseteile mit spiegelbildlich angeordneten Energiespeicherzellen mit Kühlmittel. In diesem Fall ist somit der Rahmen mit den Kühlmittelzuläufen und den Kühlmittelabläufen zwischen den beiden Gehäuseteilen angeordnet, während ein Kühlmitteleinlass und ein Kühlmittelauslass an der Breitseite des Gehäuses angeordnet sind.
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Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Akkumulatoranordnung sind der Verteilerkasten mit dem Kühlmitteleinlass und dem wenigstens einen Kühlmittelzulauf und der Sammelkasten mit dem Kühlmittelauslass und dem wenigstens einen Kühlmittelablauf sowie der Rahmen und gegebenenfalls eine Trennwand einstückig oder zumindest einteilig ausgebildet. Dies bietet den großen Vorteil, dass sämtliche zuvor aufgezählten Komponenten vergleichsweise einfach in einem einteiligen oder sogar einstückigen Kunststoffspritzgussteil herstellbar sind, wodurch sich ein Montageaufwand deutlich reduziert und in diesem Zusammenhang ein Leckagerisiko ebenfalls minimiert werden kann.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung, sind an dem Zellträger Dichtkonturen angeordnet, wobei an dem Rahmen komplementär zu diesen Dichtkonturen ausgebildete und dicht mit diesen zusammenwirkende Gegendichtkonturen angeordnet sind. Der Zellträger und der Rahmen begrenzen dabei Kühlmittelräume, die entweder mit dem Kühlmittelzulauf oder dem Kühlmittelablauf kommunizierend verbunden sind. Als Dichtkontur kann beispielsweise eine Kante vorgesehen werden, sodass in diesem Fall als komplementär damit zusammenwirkende Gegendichtkontur eine U-förmige Ausnehmung vorgesehen werden kann, in welche die Kante dicht eingreift. Eine dichte Verbindung kann dabei durch ein einfaches Zusammenstecken erfolgen, wobei die Dichtwirkung zusätzlich durch ein Verschweißen bzw. Verkleben der Dichtkontur mit der Gegendichtkontur unterstützt werden kann.
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Zweckmäßig besitzt das Gehäuse ein erstes Gehäuseteil und ein zweites Gehäuseteil, zwischen denen der Kühlmittelzulauf und der Kühlmittelablauf und der Rahmen angeordnet sind. In diesem Fall erfolgt somit eine Kühlmittelzuführung sowie eine Kühlmittelabführung zentral, wobei der Verteiler- und der Sammelkasten in der Mitte der Akkumulatoranordnung liegen. Die einzelnen Energiespeicherzellen sind dabei symmetrisch an einer Mittelebene gespiegelt. Dabei ist selbstverständlich klar, dass die beiden Gehäuseteile im Falle symmetrisch angeordneter Energiespeicherzellen identisch bzw. spiegelbildlich, alternativ aber auch mit unterschiedlicher Größe ausgebildet sein können, um insbesondere konstruktiven Erfordernissen Rechnung tragen zu können.
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Generell strömt dabei das Kühlmittel durch den Kühlmitteleinlass in den Verteilerkasten und von diesem über die einzelnen Kühlmittelzuläufe nach unten in einen unteren Bereich des jeweiligen Gehäuseteils. Dort tritt es durch geeignete Öffnungen in den Zellhaltern in die einzelnen Kühlkanäle zwischen den einzelnen Pouchzellen ein. Eine Strömungsrichtung zwischen den einzelnen Pouchzellen ist dabei üblicherweise orthogonal zur Strömung des Kühlmittels in den Kühlmittelzuläufen bzw. Kühlmittelabläufen ausgerichtet. An gegenüberliegenden Stirnseiten, d. h. an den von dem Rahmen abgewandten Längsenden der jeweiligen Gehäuseteile sind diese durch entsprechende Deckel verschlossen, wobei das Kühlmedium an diesen Deckeln umgelenkt und nach oben geleitet wird, wodurch eine Kühlung der Zellkontaktfahnen der einzelnen Energiespeicherzellen auf dieser Seite erfolgt. Anschließend strömt das Kühlmittel über den einzelnen Pouchzellen rückwärts zu den gegenüberliegenden Zellkontaktfahnen, um von dort durch die von dem Zellträger und dem Rahmen bzw. der Trennwand begrenzten Kühlmittelräumen über den Kühlmittelablauf wieder abgeführt werden zu können. Die einzelnen Pouchzellen können dabei auch von unten nach oben mit Kühlmittel umströmt sein, sodass sich in diesem Fall die beiden Teilströme, d. h. der Kühlmittelteilstrom aus den Zwischenräumen zwischen den einzelnen Pouchzellen und der Kühlmittelteilstrom, der die Zellkontaktfahnen umströmt und kühlt, oberhalb der Pouchzellen treffen und dort zum Kühlmittelablauf zurückgeführt werden.
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Über entsprechende Dichtelemente kann dabei eine Strömung des Kühlmittels im Gehäuse gelenkt und der Kühlmittelzulauf vom Kühlmittelablauf fluidisch getrennt werden. Hierdurch ist eine besonders effektive Durchströmung des Gehäuses mit Kühlmittel und dadurch eine besonders effektive Kühlung der einzelnen Energiespeicherzellen möglich.
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Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen. Vorstehend genannte und nachfolgend noch zu nennende Bestandteile einer übergeordneten Einheit, wie z.B. einer Einrichtung, einer Vorrichtung oder einer Anordnung, die separat bezeichnet sind, können separate Bauteile bzw. Komponenten dieser Einheit bilden oder integrale Bereiche bzw. Abschnitte dieser Einheit sein, auch wenn dies in den Zeichnungen anders dargestellt ist.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Komponenten beziehen.
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Es zeigen, jeweils schematisch
- 1 eine Ansicht auf eine teilweise geschnittene, erfindungsgemäße Akkumulatoranordnung für ein Hybrid- oder Elektrofahrzeug,
- 2 eine Detaildarstellung aus 1 im Bereich eines Rahmens bzw. eines Kühlmittelzulaufs und eines Kühlmittelablaufs,
- 3 einzelne Schnittdarstellung durch die erfindungsgemäße Akkumulatoranordnung zur Verdeutlichung einer Strömung von Kühlmittel innerhalb der Akkumulatoranordnung.
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Entsprechend den 1 bis 3 weist eine erfindungsgemäße Akkumulatoranordnung 1 für ein Hybrid- oder Elektrofahrzeug 2 ein Gehäuse 3 auf, in welchem zumindest zwei über einen Zellträger 19 gehaltene Energiespeicherzellen 4 (vergleiche 3) angeordnet sind. Die Energiespeicherzellen 4 sind dabei beispielsweise als sogenannte Pouchzellen ausgebildet. Das Gehäuse 3 ist im Betrieb der Akkumulatoranordnung 1 zumindest in Teilen von einem dielektrischen Kühlmittel 5 (vergleiche ebenfalls 3) durchströmbar, wobei das dielektrische Kühlmittel 5 in direktem Kontakt zu den Energiespeicherzellen 4 steht und dadurch eine besonders effektive Kühlung bzw. generell Temperierung derselben ermöglicht.
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Um dabei die Akkumulatoranordnung 1 mit Kühlmittel 5 versorgen zu können, sind ein Kühlmitteleinlass 6 sowie ein Kühlmittelauslass 7 vorgesehen, wobei diese erfindungsgemäß auf derselben Seite des Gehäuses 3 (vergleiche 1 und 3) angeordnet sind. Hierdurch ist es möglich, auf eine derartige Versorgungsperipherie an gegenüberliegenden Seiten verzichten zu können, wodurch sich nicht nur ein konstruktiver Aufwand reduziert, sondern auch eine Reduzierung des erforderlichen Bauraumbedarfs erreicht werden kann. Der Kühlmitteleinlass 6 und der Kühlmittelauslass 7 können dabei an einer Stirnseite des Gehäuses 3 angeordnet sein oder an einer Breitseite 8, wie dies gemäß den 1 und 3 dargestellt ist.
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Betrachtet man die 1 bis 3 weiter, so kann man erkennen, dass der jeweils gezeigte Kühlmitteleinlass 6 kommunizierend mit einem Verteilerkasten 9 und der Kühlmittelauslass 7 kommunizierend mit einem Sammelkasten 10 verbunden sind. Orthogonal abstehend von dem gemäß den 1 und 3 im Wesentlichen horizontal verlaufenden Verteilerkasten 9, ist zumindest ein Kühlmittelzulauf 11 vorgesehen, wobei der Sammelkasten 10 mit wenigstens einem orthogonal dazu abstehenden Kühlmittelablauf 12 verbunden ist. Der Kühlmittelzulauf 11 und der Kühlmittelablauf 12 sind dabei in einen Rahmen 13 eingebunden, der zugleich eine Trennwand 14 umrandet.
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Der Verteilerkasten 9 mit dem Kühlmitteleinlass 6 und dem wenigstens einen Kühlmittelzulauf 11 sowie der Sammelkasten 10 mit dem Kühlmittelauslass 7 und dem wenigstens einen Kühlmittelablauf 12 sowie der Rahmen 13 und gegebenenfalls die Trennwand 14 können dabei zumindest einteilig, vorzugsweise sogar einstückig, insbesondere als einstückiges Kunststoffspritzgussteil ausgebildet sein. Hierdurch ist nicht nur eine kostengünstige, sondern auch zugleich qualitativ höchstwertige Fertigung dieser Baugruppe möglich. Durch die einteilige oder sogar einstückige Ausbildung kann zudem ein Montageaufwand reduziert und ein Handling vereinfacht werden.
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Betrachtet man die 3, so kann man erkennen, dass das Gehäuse 3 ein erstes Gehäuseteil 15 und ein zweites, hier mit unterbrochen gezeichneter Linie lediglich angedeutetes, Gehäuseteil 16 aufweist, zwischen denen der Kühlmittelzulauf 11 und der Kühlmittelablauf 12 angeordnet sind. In diesem Fall ist somit der Verteilerkasten 9 bzw. der Sammelkasten 10 in Längsrichtung 17 gesehen zwischen den beiden Gehäuseteilen 15, 16 angeordnet. Der Verteilerkasten 9 und der Sammelkasten 10 liegen dabei auf der Breitseite 8 des Gehäuses 3 auf, während der Kühlmittelzulauf 11 und der Kühlmittelablauf 12 orthogonal dazu, hier nach unten, abstehen. Der Kühlmittelzulauf 11 und der Kühlmittelablauf 12 verlaufen dabei in Hochrichtung. Die beiden Gehäuseteile 15, 16 können spiegelbildlich zu einer Mittelebene angeordnet sein, sodass der Kühlmittelzulauf 11 und der Kühlmittelablauf 12 mittig zwischen den beiden Gehäuseteilen 15, 16 verläuft.
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An einem jeweiligen von dem Kühlmittelzulauf 11 und dem Kühlmittelablauf 12 abgewandten Ende ist das erste und zweite Gehäuseteil 15, 16 jeweils von einem Deckel 18 verschlossen, an welchem das Kühlmittel 5 von unten nach oben strömt. Generell ist dabei das Gehäuseteil 15, 16 U-förmig durchströmt.
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Um die U-förmige Durchströmung gewährleisten zu können, ist eine dichte Verbindung des Rahmens 13 mit einem Zellträger 19 gegeben, wobei der Zellträger 19 zum Halten der Energiespeicherzellen 4 sowie zum Halten deren Zellkontaktfahnen 20 ausgebildet ist. An dem jeweiligen Zellträger 19 sind Dichtkonturen, 21 angeordnet, wobei an dem Rahmen 13 komplementär zu den Dichtkonturen 21 ausgebildete und in verbautem Zustand dicht mit diesen zusammenwirkenden Gegendichtkonturen 22 angeordnet sind. Der Zellträger 19 und der Rahmen 13 begrenzen dabei Kühlmittelräume 23, 24, wovon der Kühlmittelraum 23 mit dem Kühlmittelzulauf 11 und der Kühlmittelraum 24 mit dem Kühlmittelablauf 12 kommunizierend verbunden ist.
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Generell strömt das Kühlmittel 5 über den Kühlmitteleinlass 6 in den Verteilerkasten 9 und über diesen über entsprechende Kühlmittelzuläufe 11 in den Kühlmittelraum 23. Dieser liegt bodenseitig der in den 1 und 3 gezeigten Akkumulatoranordnung 1. Bodenseitig strömt nun das Kühlmittel 5 in Richtung des Deckels 18 und dort nach oben, wodurch die Zellkontaktfahnen 20 aktiv gekühlt, d. h. mit Kühlmittel 5 umströmt werden. Gleichzeitig kann auch eine vertikale Umströmung der Energiespeicherzellen 4 erfolgen, bis sich das Kühlmittel 5 oben unterhalb der Breitseite 8 zu einem entgegengesetzten Kühlmittelstrom sammelt und von dort über die Zellkontaktfahnen 20 durch den Kühlmittelraum 24 zum Kühlmittelablauf 12 strömt, um von dort über den Sammelkasten 10 zum Kühlmittelauslass 7 zu gelangen.
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Alles in allem kann mit der erfindungsgemäßen Akkumulatoranordnung 1 eine Ver- und Entsorgung derselben mit Kühlmittel 5 von einer einzigen Seite aus erfolgen, wodurch die bislang auf zwei gegenüberliegenden Seiten angeordneten Versorgungsperipherien auf einer Seite entfallen können. Dies ermöglicht auch eine deutlich kompaktere Bauweise und einen reduzierten Konstruktionsaufwand, wobei durch die damit einhergehende Reduzierung der Schnittstellen zudem ein Leckagerisiko minimiert werden kann.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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