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Die vorliegende Erfindung betrifft einen plattenartigen Fluidbehälter zum Führen eines Fluids, insbesondere zum Temperieren einer Speichereinrichtung für elektrische Energie oder zum Temperieren einer elektronischen Steuer- oder Regeleinrichtung, bevorzugt in einem Kraftfahrzeug, sowie eine Batterietemperieranordnung, welche einen derartigen plattenartigen Fluidbehälter umfasst. Der erfindungsgemäße plattenartige Fluidbehälter kann beispielsweise zum Kühlen und/oder Erwärmen von Batterien oder der Leistungselektronik in einem Elektrofahrzeug eingesetzt werden. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der plattenartige Fluidbehälter aus verschiedenen Elementen zusammengesetzt ist, die miteinander verbunden sind. Der Verbund bzw. die Verbindung mindestens eines aneinandergrenzenden Paares von Elementen bestehend aus unterschiedlichen Materialien zeichnet sich durch eine äußerst hohe Schälfestigkeit aus.
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Im Stand der Technik sind Temperierplatten bekannt, welche auf einer Bodenplatte, in einem Rahmen oder in einer Wanne für Batterien oder Batteriepacks angeordnet sind und die Batterien oder Batteriepacks flächig, beispielsweise von unten her und/oder seitlich in Abhängigkeit vom Betriebszustand kühlen und/oder erwärmen. Die bekannten Temperierplatten weisen eine batterienahe und eine batterieferne Platte mit in mindestens eine dieser Platten eingeprägten Kanalstrukturen zum Leiten einer Kühlflüssigkeit auf.
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Im Stand der Technik bestehen die mindestens zwei Platten, d.h. die batterienahe und die batterieferne Platte, meist aus demselben Material. Insbesondere bestehen beide Platten häufig aus Aluminium und sind dabei meist mittels Lötverfahren miteinander verbunden.
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Darüberhinaus sind aus dem Stand der Technik auch solche Temperierplatten bekannt, bei denen eine Aluminiumplatte mit einer thermoplastischen Platte kombiniert ist. Hierbei wird der thermoplastische Werkstoff insbesondere zur Ausbildung der die kanalartigen Vertiefungen enthaltenden Platte eingesetzt, da mittels Spritzguss mehr Freiheitsgrade in der Formgebung zur Verfügung stehen als mit den üblichen Umformverfahren für Aluminiumbleche. Diese aus dem Stand der Technik bekannten Temperierplatten sind hierbei beispielsweise durch Fügen dieser beiden Platten aufgebaut, wobei die jeweiligen Elemente der Temperierplatten, also beispielsweise die Platten, aber auch Anschlusselemente, Verteiler, Strömungsleitelemente etc. aus unterschiedlichen Materialien - beispielsweise einerseits aus Thermoplasten, andererseits aus Metallen - gefertigt sind. Die einzelnen Bestandteile dieser Temperierplatten werden dabei durch aus dem Stand der Technik bekannte Fügeverfahren, wie beispielsweise Verkleben oder mechanische Fügeverfahren gefügt. Ein Umbördeln des Randes der Aluminiumplatte um den Rand der Kunststoffplatte erfordert zumindest ein zusätzliches zwischen die beiden Platten eingefügtes Abdichtelement, so dass die Herstellkosten und der Herstellaufwand sehr groß werden, mitunter nicht wettbewerbsfähig sind.
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Klebeverbindungen sind aufgrund der in einer Temperierplatte herrschenden Drücke und Temperaturen nicht dauerstabil, insbesondere besteht ein großes Risiko, dass der Innendruck der Temperierplatte zu einem Abschälen der thermoplastischen Platte von der Aluminiumplatte führt. Zudem sind die genannten Fügeverfahren, insbesondere was die Anforderungen an die Genauigkeit betrifft, äußerst komplex durchzuführen.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Fluidtemperierplatte, beispielsweise eine Batterietemperierplatte zur Verfügung zu stellen, die die zuvor genannten Nachteile nicht aufweist. Der Verbund zwischen den einzelnen Elementen eines derartigen Fluidtemperierplatten-Systems soll dabei mechanisch äußerst beanspruchbar ausgebildet sein und auch über eine lange Betriebsdauer über eine zuverlässige Dichtigkeit verfügen. Die Fluidtemperierplatten sollen auf einfache Art und Weise herstellbar sein und darüberhinaus mit geringem Aufwand installiert werden können.
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Diese Aufgabe wird bezüglich eines plattenartigen Fluidbehälters mit den Merkmalen der Schutzansprüche 1 und 3 sowie bezüglich einer Batterietemperieranordnung mit den Merkmalen des Schutzanspruchs 24 gelöst. Die jeweiligen abhängigen Schutzansprüche stellen dabei vorteilhafte Weiterbildungen dar.
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Gemäß einer ersten Ausführungsform betrifft die vorliegende Erfindung einen plattenartigen Fluidbehälter zum Führen eines Fluids, umfassend die nachfolgenden Elemente:
- mindestens zwei miteinander verbundene Platten, wobei in mindestens eine Platte mindestens eine kanalartige Vertiefung zum Führen des Fluids eingeformt ist, und diese mindestens eine Platte außerhalb der kanalartigen Vertiefungen mit der jeweiligen anderen Platte in Verbindungsbereichen derart verbunden ist, dass die mindestens eine kanalartige Vertiefung der mindestens einen Platte zusammen mit der jeweiligen anderen Platte jeweils mindestens einen Fluidkanal bildet und
- mindestens ein Anschlusselement und/oder mindestens ein Verteilerkanalbauteil, das bzw. die mit mindestens einer der mindestens zwei Platten verbunden ist bzw. sind,
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Dabei ist zumindest ein Paar der miteinander verbundenen Elemente, also Platten untereinander, Anschlusselement mit mindestens einer der Platten und/oder Verteilerkanalbauteil mit einer der Platten strukturadhäsiv miteinander verbunden und eines der Elemente des Paares ist aus einem Metall oder einer Metalllegierung und das andere der Elemente des Paares ist aus einer thermoplastischen Formmasse gebildet.
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Die strukturadhäsive Verbindung der Elemente des Paares miteinander verbundener Elemente weist erfindungsgemäße eine derartige Qualität auf, dass eine Prüfung des Verbundes mittels Schälzug nicht zu einem Versagen des Verbundes führt. Dies bedeutet, dass bei einem Schälzug oberhalb einer Belastungsgrenze ein Versagen der thermoplastischen Formmasse in der Nachbarschaft der Materialgrenze zwischen strukturadhäsiv miteinander verbundenem Metall oder Metalllegierung einerseits und thermoplastischer Formmasse andererseits eintritt.
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Dies soll insbesondere für Testbedingungen, d.h. bei Raumtemperatur (20°C), gelten. Aber auch bei extremen Einsatztemperaturen, wie beispielsweise bei Inbetriebnahme einer Traktionsbatterie nach einem längeren Stillstand bei hohen Außentemperaturen (40°C) tritt dieses Verhalten bei einem Schälzug ein.
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Unter einer „strukturadhäsiven Verbindung“ soll hier eine Verbindung verstanden werden, bei der die Oberfläche eines verbundenen Elements vor der Verbindung auf der zur Verbindung zu verwendenden Oberfläche bzw. in der zugehörigen Grenzflächenschicht eine Strukturierung aufweist, in die Oberflächenmaterial des anderen verbundenen Elements bei der Herstellung der Verbindung eindringt und dort mit dieser strukturierten Oberflächenschicht dauerhaft verbunden wird. Hierzu wird vorzugsweise das eindringende Oberflächenmaterial vor Herstellung der Verbindung erweicht und erstarrt nach dem Eindringen.
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Der Begriff „Vertiefung“ bedeutet in Bezug auf eine kanalartige Vertiefung in einer Metallplatte eine Auslenkung gegenüber der unverformten Platte, er umfasst also auch erhöhte Bereiche. In Bezug auf eine Platte aus einer thermoplastischen Formmasse wird hier gleichlautend mit dem Begriff in Bezug auf eine Metallplatte von einer „eingeformten kanalartiger Vertiefung“ gesprochen, selbst wenn die kanalartige Vertiefung urgeformt ist, beispielsweise mittels Spritzguss. Der Begriff „Vertiefung“ ist in Bezug auf eine kanalartige Vertiefung bei einer Platte aus einer thermoplastischen Formmasse als eine Eintiefung gegenüber der auf der Betrachterseite gegebenen Oberfläche zu verstehen.
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Eine bevorzugte Variante sieht vor, dass der plattenartige Fluidbehälter mindestens zwei Platten aufweist, wovon eine als Grundplatte ausgebildet ist und mindestens eine unmittelbar auf einer Seite der Grundplatte angeordnete Platte als Kanalplatte ausgebildet ist, wobei in die mindestens eine Kanalplatte jeweils mindestens eine kanalartige Vertiefung zum Führen des Fluids eingeformt ist, und die mindestens eine Kanalplatte außerhalb der kanalartigen Vertiefungen mit der Grundplatte in Verbindungsbereichen derart verbunden ist, dass die mindestens eine kanalartige Vertiefung der mindestens einen Kanalplatte zusammen mit der Grundplatte jeweils mindestens einen Fluidkanal bildet, sowie
mindestens ein Anschlusselement und/oder mindestens ein Verteilerkanalbauteil vorhanden ist, das bzw. die mit der der Kanalplatte abgewandten Seite der Grundplatte und/oder mit der der Grundplatte abgewandten Seite der Kanalplatte verbunden sind,
wobei zumindest ein Paar der miteinander verbundenen Elemente strukturadhäsiv miteinander verbunden und eines der Elemente dieses Paares miteinander verbundener Elemente aus einem Metall oder einer Metalllegierung und das andere der Elemente des Paares aus einer thermoplastischen Formmasse gebildet ist.
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Gemäß einer alternativen Ausführungsform betrifft die vorliegende Erfindung einen plattenartigen Fluidbehälter zum Führen eines Fluids, umfassend mindestens zwei miteinander verbundene Platten, wobei in mindestens eine Platte mindestens eine kanalartige Vertiefung zum Führen des Fluids eingeformt ist, und diese mindestens eine Platte außerhalb der kanalartigen Vertiefungen mit der jeweiligen anderen Platte in Verbindungsbereichen derart verbunden ist, dass die mindestens eine kanalartige Vertiefung der mindestens einen Platte zusammen mit der jeweiligen anderen Platte jeweils mindestens einen Fluidkanal bildet, sowie mindestens ein einstückig mit einer der Platten ausgebildetes Anschlusselement.
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Dabei ist mindestens eine Platte aus Metall oder einer Metalllegierung und die mindestens eine andere Platte aus einer thermoplastischen Formmasse gebildet und die Platten sind strukturadhäsiv miteinander verbunden. Wie in der ersten Ausführungsform tritt bei einem Schälzug oberhalb einer Belastungsgrenze ein Versagen der thermoplastischen Formmasse in der Nachbarschaft der Materialgrenze zwischen fluiddicht miteinander verbundenem Metall oder Metalllegierung einerseits und thermoplastischer Formmasse andererseits ein.
Eine bevorzugte Variante der zweiten Ausführungsform umfasst dabei
eine als Grundplatte ausgebildete Platte,
mindestens eine unmittelbar auf einer Seite der Grundplatte angeordnete als Kanalplatte ausgebildete Platte, wobei in die mindestens eine Kanalplatte jeweils mindestens eine kanalartige Vertiefung zum Führen des Fluids eingeformt ist, und die mindestens eine Kanalplatte außerhalb der kanalartigen Vertiefungen mit der Grundplatte in Verbindungsbereichen derart verbunden ist, dass die mindestens eine kanalartige Vertiefung der mindestens einen Kanalplatte zusammen mit der Grundplatte jeweils mindestens einen Fluidkanal bildet,
sowie mindestens ein einstückig mit der Grundplatte und/oder der mindestens einen Kanalplatte ausgebildetes Anschlusselement,
wobei die mindestens eine Kanalplatte mit der Grundplatte strukturadhäsiv miteinander verbunden und eines der Elemente, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus der mindestens einen Kanalplatte und Grundplatte aus einem Metall oder einer Metalllegierung und das jeweilige andere der Elemente aus einer thermoplastischen Formmasse gebildet ist.
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Wie bereits bei der ersten Ausführungsform weist die Verbindung mindestens einer Kanalplatte mit der Grundplatte erfindungsgemäß eine derartige Qualität auf, dass eine Prüfung der Verbindung mittels Schälzug nicht zu einem Versagen der Verbindung führt. Dies bedeutet, dass bei einem Schälzug oberhalb einer Belastungsgrenze ein Versagen der thermoplastischen Formmasse in der Nachbarschaft der Materialgrenze zwischen strukturadhäsiv miteinander verbundenem Metall oder Metalllegierung einerseits und thermoplastischer Formmasse andererseits eintritt. Wie vorgenannt gilt dies insbesondere bei Raumtemperatur.
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Die vorliegende Erfindung stellt somit gemäß jeder der zuvor genannten Ausführungsformen einen plattenartigen Fluidbehälter bereit, der durch ein Fügeverfahren aus zumindest einem Paar unterschiedlicher Materialien (Metall bzw. Metalllegierung und thermoplastische Formmasse) gebildet ist. Die erfindungsgemäße Verbindung weist dabei eine derart hohe Schälfestigkeit auf, dass bei einem Versuch, die beiden gefügten und verbundenen Elemente des jeweiligen Paares der Elemente mechanisch mittels Krafteinwirkung voneinander zu schälen, kein Versagen der Verbindung erfolgt. Erfolgt ein Krafteintrag über eine Belastungsgrenze der jeweiligen Materialien hinaus, ergibt sich ein Materialversagen, z.B. in Form eines Bruchs bzw. Risses im Thermoplast, jedoch nicht am Ort der Verbindung der Materialien. Die Verbindung weist somit eine höhere Reißfestigkeit auf, verglichen mit der Reißfestigkeit des thermoplastischen Materials. Bei einer Prüfung der Verbindung mittels Schälzugs tritt somit oberhalb einer Belastungsgrenze ein Versagen der thermoplastischen Formmasse in der Nachbarschaft der Materialgrenze zwischen strukturadhäsiv miteinander verbundenem Metall oder Metalllegierung einerseits und thermoplastischer Formmasse andererseits ein.
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Die Verbindung kann insbesondere dadurch hergestellt werden, dass das metallische Element des Paares zumindest in den Verbindungsbereichen, in denen die strukturadhäsive Verbindung mit dem aus der thermoplastischen Formmasse gebildeten Element des Paares erfolgt, abschnittsweise oder vollflächig aufgeraut ist, insbesondere mittels eines chemischen und/oder mechanischen Aufrauverfahrens, insbesondere durch chemisches Ätzen, kristallographisches Ätzen und/oder im Falle einer Metalllegierung durch Ablegieren.
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Zur Herstellung der Verbindung erfolgt also in einem ersten Schritt eine Strukturierung der Metalloberfläche, bei der diese aufgeraut wird. Anschließend erfolgt die Verbindung mit der thermoplastischen Komponente, wobei das thermoplastische Material im plastifiziertem Zustand (beispielsweise durch Erwärmen auf Temperaturen oberhalb der Glasübergangstemperatur bzw. Schmelztemperatur) zumindest teilweise in die beim Aufrauen erzeugten Kavitäten bzw. Vertiefungen in der Metalloberfläche eindringt und nach Erkalten einen dauerhaften und mechanischen Verbund zwischen Metall und Thermoplast ermöglicht. Die mechanische Stabilität dieser Art der Verbindung geht über einen rein adhäsiven ebenso wie über einen rein formschlüssigen Verbund weit hinaus.
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Besonders bevorzugt ist die im unteren Mikrometer-Bereich oder gar im Nanometer-Bereich aufgeraute Oberfläche, die Vertiefungen und/oder Hohlräume aufweist, die zumindest teilweise von der thermoplastischen Formmasse der jeweilig aus einer thermoplastischen Formmasse gebildeten Grundplatte bzw. Kanalplatte und/oder des mindestens einen Anschlusselements und/oder des Verteilerkanalbauteils gefüllt sind. Die Verbindung wird hier als strukturadhäsive Verbindung bezeichnet.
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Gemäß der zuvor dargestellten Ausführungsformen kann die Kanalplatte auf einer Seite der Grundplatte angeordnet sein, während mindestens ein Anschlusselement auf der anderen Seite der Grundplatte angeordnet ist. Ebenso ist es jedoch möglich, dass das Anschlusselement mit der Kanalplatte verbunden ist. Weiterhin sind auch Temperierelemente möglich, bei denen mindestens ein Anschlusselement abschnittsweise mit der Grundplatte und in anderen Abschnitten mit der Kanalplatte verbunden ist, dabei ist das Anschlusselement vorzugsweise zwischen Grund- und Kanalplatte angeordnet.
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Eine bevorzugte Ausführungsform sieht vor, dass in der Grundplatte oder in der mindestens Kanalplatte mindestens ein Fluidkanaleinlass und/oder mindestens ein Fluidkanalauslass für den mindestens einen Fluidkanal angeordnet ist. Hierbei ist an dem mindestens einen Fluidkanaleinlass und/oder dem mindestens einen Fluidkanalauslass auf der der Kanalplatte abgewandten Seite der Grundplatte und/oder auf der der Grundplatte abgewandten Seite der Kanalplatte mindestens ein den mindestens einen Fluidkanaleinlass und/oder den mindestens einen Fluidkanalauslass einfassendes Anschlusselement angeordnet und jeweils das mindestens eine Anschlusselement mit der Grundplatte und/oder der Kanalplatte in einem Verbindungsbereich strukturadhäsiv verbunden und/oder einstückig mit der Grundplatte und/oder der Kanalplatte ausgebildet.
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Gemäß exemplarischer Ausführungsbeispiele sind
- a) das mindestens eine Anschlusselement aus einem thermoplastischen Kunststoff und die Grundplatte sowie die mindestens eine Kanalplatte aus einem Metall oder einer Metalllegierung,
- b) das mindestens eine Anschlusselement und die Grundplatte aus einem Metall oder einer Metalllegierung sowie die mindestens eine Kanalplatte aus einer thermoplastischen Formmasse,
- c) das mindestens eine Anschlusselement und die mindestens eine Kanalplatte aus einer thermoplastischen Formmasse sowie die Grundplatte aus einem Metall oder einer Metalllegierung,
- d) das mindestens eine Anschlusselement und die mindestens eine Kanalplatte aus einem Metall oder einer Metalllegierung sowie die Grundplatte aus einer thermoplastischen Formmasse,
- e) das mindestens eine Anschlusselement und die Kanalplatte einstückig und aus einer thermoplastischen Formmasse sowie die mindestens eine Grundplatte aus einem Metall oder einer Metalllegierung,
- f) das mindestens eine Anschlusselement und die Grundplatte einstückig und aus einer thermoplastischen Formmasse sowie die mindestens eine Kanalplatte aus einem Metall oder einer Metalllegierung,
- g) das mindestens eine Anschlusselement aus einem Metall oder einer Metalllegierung und die Grundplatte und die mindestens eine Kanalplatte aus einer thermoplastischen Formmasse, oder
- h) die Grundplatte aus einer thermoplastischen Formmasse und das mindestens eine Anschlusselement und die mindestens eine Kanalplatte aus einem Metall oder einer Metalllegierung,
gebildet.
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Eine besonders bevorzugte Variante der ersten Ausführungsform sieht vor, dass in der Grundplatte oder der mindestens einen Kanalplatte mindestens ein Fluidkanaleinlass und/oder mindestens ein Fluidkanalauslass für den mindestens einen Fluidkanal angeordnet ist und auf der der Kanalplatte abgewandten Seite der Grundplatte und/oder auf der der Grundplatte abgewandten Seite der Kanalplatte mindestens ein den mindestens einen Fluidkanaleinlass und/oder den mindestens einen Fluidkanalauslass einfassendes überwiegend materialeinheitliches Verteilerkanalbauteil, das einen Zuleitungskanal zur Zuleitung eines Fluids zum mindestens einen Fluidkanaleinlass und/oder einen Ableitungskanal zur Ableitung eines Fluids vom mindestens einen Fluidkanalauslass aufweist, angeordnet ist. Dabei ist mindestens ein Fluidkanaleinlass mit dem Zuleitungskanal des Verteilerkanalbauteils und/oder mindestens ein Fluidkanalauslass mit dem Ableitungskanal des Verteilerkanalbauteils hydraulisch verbunden. Weiterhin ist das Verteilerkanalbauteil außerhalb des Zuleitungskanals und/oder des Ableitungskanals mit der Grundplatte und/oder der Kanalplatte in einem Verbindungsbereich strukturadhäsiv verbunden. Hierbei ist bzw. sind mindestens eines der Elemente ausgewählt aus der Grundplatte, der mindestens einen Kanalplatte und dem mindestens einen Verteilerkanalbauteil aus einer thermoplastischen Formmasse und mindestens eine nicht aus einer thermoplastischen Formmasse gebildetes Element aus einem Metall oder einer Metalllegierung gebildet.
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Beispielhafte Ausführungsformen hiervon sehen ferner vor, dass
- a) das mindestens eine Verteilerkanalbauteil aus einem thermoplastischen Kunststoff und die Grundplatte sowie die mindestens eine Kanalplatte aus einem Metall oder einer Metalllegierung,
- b) das Verteilerkanalbauteil und die Grundplatte aus einem Metall oder einer Metalllegierung sowie die mindestens eine Kanalplatte aus einem thermoplastischen Kunststoff,
- c) das Verteilerkanalbauteil und die mindestens eine Kanalplatte aus einem thermoplastischen Kunststoff sowie die Grundplatte aus einem Metall oder einer Metalllegierung,
- d) das Verteilerkanalbauteil und die mindestens eine Kanalplatte aus einem Metall oder einer Metalllegierung sowie die Grundplatte aus einem thermoplastischen Kunststoff,
- e) das Verteilerkanalbauteil aus einem Metall oder einer Metalllegierung und die mindestens eine Kanalplatte sowie die Grundplatte aus einem thermoplastischen Kunststoff, oder
- f) das Verteilerkanalbauteil sowie die Grundplatte aus einem thermoplastischen Kunststoff und die mindestens eine Kanalplatte aus einem Metall oder einer Metalllegierung
gebildet sind.
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Gemäß dieser Varianten der ersten Ausführungsform ist auf der der Kanalplatte abgewandten Seite der Grundplatte bzw. der der Grundplatte abgewandten Seite der Kanalplatte mindestens ein Verteilerkanalbauteil angeordnet, mittels dessen die zwischen Kanalplatte und Grundplatte ausgebildeten Strömungskanäle beispielsweise zentral versorgt werden können. Hierbei ist vorgesehen, dass die Fluidkanäle der Kanalplatte mit einem gemeinsamen Verteilerkanalbauteil verbunden sind, über das das Fluid den einzelnen Fluidkanälen direkt zuleitbar und/oder aus den einzelnen Fluidkanälen direkt ableitbar ist, wobei das Verteilerkanalbauteil eine zumindest bereichsweise ebene Seitenwand aufweist und derart angeordnet ist, dass die Seitenwand zumindest in ihren ebenen Bereichen parallel zur Grundplatte und/oder der Kanalplatte verläuft und mit der Grundplatte und der Kanalplatte überlappt.
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Unter „direkt zuleitbar“ und „direkt ableitbar“ ist hier insbesondere eine Parallelschaltung der Fluidkanäle über das Verteilerkanalbauteil zu verstehen. Das heißt, das Verteilerkanalbauteil verteilt das Fluid aus einem gemeinsamen Zuleitungskanal einzeln an jedes Fluidbehältersegment und/oder führt das Fluid einzeln aus jedem Fluidbehältersegment über einen gemeinsamen Ableitungskanal ab. Es ist aber auch möglich, ein Verteilerkanalbauteil zur Zuleitung und ein hiervon gesondertes Verteilerkanalbauteil zur Ableitung von Temperierfluid zu verwenden.
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Unter dem Begriff „ebene Seitenwand“ sollen hier alle einen Fluidkanal des Verteilerkanalbauteils begrenzenden Wände und Wandstücke, also auch ein Boden oder ein Oberteil des Verteilerkanalbauteils usw. verstanden werden. Der Begriff „zumindest „bereichsweise ebene Seitenwand“ umfasst auch Wände, die in mehreren Ebenen zueinander im Wesentlichen parallel versetzte, für sich ebene Bereiche umfassen, zwischen denen zur Versetzung schräge oder gekrümmte Wandabschnitte verlaufen. Unter dem Begriff „bereichsweise ebene Seitenwand“ kann weiterhin eine Seitenwand verstanden werden, die einen oder mehrere, nicht zusammenhängende ebene Bereiche aufweist.
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Vorzugsweise sind der Fluidkanaleinlass und der Fluidkanalauslass unmittelbar, d.h. ohne ein gesondertes Verbindungselement mit dem Zuleitungskanal und dem Ableitungskanal verbunden. Dies ist insbesondere möglich, wenn das Verteilerkanalbauteil unmittelbar mit der Seitenwand auf der Grundplatte oder auf der Kanalplatte angeordnet und mit dieser strukturadhäsiv verbunden. Dabei ist jedem Fluidkanaleinlass ein Verteilerkanalauslass und jedem Fluidkanalauslass ein Verteilerkanaleinlass zugeordnet, wobei der Fluidkanaleinlass mit dem Verteilerkanalauslass und der Fluidkanalauslass mit dem Verteilerkanaleinlass zumindest bereichsweise fluchtet. Vorzugsweise ist jedem Fluidkanaleinlass genau ein Verteilerkanalauslass und/oder jedem Fluidkanalauslass genau ein Verteilerkanaleinlass zugeordnet. Ferner können jedem Verteilerkanalauslass auch mehrere Fluidkanaleinlässe und/oder jedem Verteilerkanaleinlass mehrere Fluidkanalauslässe zugeordnet sein. Die Fluidleitung erfolgt dabei also vorteilhafterweise über Öffnungen im Verteilerkanalbauteil und in der Grundplatte bzw. in der Kanalplatte. Sind Verteilerkanalbauteil und Grundplatte oder Kanalplatte strukturadhäsiv um die Öffnungen umlaufend miteinander verbunden, ist keine gesonderte Abdichtung erforderlich. Erfolgt die Verbindung um die Öffnungen herum nicht strukturadhäsiv oder nicht umlaufend strukturadhäsiv, ist ein zusätzliches Abdichtelement um die betreffende(n) Öffnung(en) erforderlich, beispielsweise ein O-Ring. Die strukturadhäsive Verbindung ermöglicht es also, zusätzliche Dichtelemente einzusparen.
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In der vorliegenden Beschreibung werden unter dem Begriff „Verteilerkanaleinlass“ und unter dem Begriff „Verteilerkanalauslass“ die mit den Fluidkanälen in Verbindung stehenden Verteilerkanalein- und auslässe verstanden. Die mit der Fluidzu- und ableitung in Verbindung stehenden Elemente werden als Verteilerkanalzu- und ableitung bezeichnet. Die Verteilerkanalein- und auslässe ebenso wie die Verteilerkanalzu- und ableitungen sind vorzugsweise Bestandteile des Verteilerkanalbauteils.
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Auch das Verteilerkanalbauteil kann aus mehreren Lagen aufgebaut sein. Dabei ist es bevorzugt, dass in der Grundplatte oder der mindestens Kanalplatte mindestens ein Fluidkanaleinlass und/oder mindestens ein Fluidkanalauslass für den mindestens einen Fluidkanal angeordnet ist,
auf der der Kanalplatte abgewandten Seite der Grundplatte und/oder auf der der Grundplatte abgewandten Seite der Kanalplatte ein den mindestens einen Fluidkanaleinlass und/oder mindestens einen Fluidkanalauslass einfassendes Verteilerkanalbauteil, das einen Zuleitungskanal zur Zuleitung eines Fluids zum mindestens einen Fluidkanaleinlass und/oder einen Ableitungskanal zur Ableitung eines Fluids vom mindestens einen Fluidkanalauslass aufweist, angeordnet ist, wobei mindestens ein Fluidkanaleinlass mit dem Zuleitungskanal des Verteilerkanalbauteils und/oder mindestens ein Fluidkanalauslass mit dem Ableitungskanal des Verteilerkanalbauteils verbunden ist,
wobei das Verteilerkanalbauteil mindestens zwei Lagen, nämlich eine erste Verteilerlage und eine zweite Verteilerlage umfasst,
wobei das Verteilerkanalbauteil außerhalb des Zuleitungskanals und/oder des Ableitungskanals mit der Grundplatte oder der mindestens einen Kanalplatte in einem Verbindungsbereich strukturadhäsiv verbunden ist, wobei
mindestens eines der Elemente ausgewählt aus der Grundplatte, der mindestens einen Kanalplatte, der ersten Verteilerlage und der zweiten Verteilerlage aus einer thermoplastischen Formmasse und mindestens ein anderes der Elemente ausgewählt aus der Grundplatte, der mindestens einen Kanalplatte, der ersten Verteilerlage und der zweiten Verteilerlage aus einer thermoplastischen Formmasse gebildete Element aus einem Metall oder einer Metalllegierung gebildet ist bzw. sind.
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Vorteilhaft hierbei ist insbesondere, wenn eine der ersten und zweiten Verteilerlagen aus einem Metall oder einer Metalllegierung sowie die andere der ersten und zweiten Verteilerlagen aus einem thermoplastischen Kunststoff gebildet sind.
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Bevorzugt umfasst der plattenartige Fluidbehälter eine Grundplatte und mehrere darauf angeordnete Kanalplatten, wobei das Verteilerkanalbauteil die Ver- und/oder Entsorgung für mehrere oder alle Kanalplatten übernimmt.
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Dieser segmentierte Aufbau des plattenartigen Fluidbehälters ermöglicht im Prinzip, einen Fluidbehälter unbeschränkter Größe durch Anordnen einer beliebigen Anzahl an Kanalplatten auf einer Grundplatte herzustellen. Die Beschränkung der Größe ergibt sich lediglich durch die maximale Größe der Grundplatte. Gleichzeitig verringert sich die Struktursteifigkeit des plattenartigen Fluidbehälters trotz segmentierter Bauweise durch die durchgängige Grundplatte nur insignifikant.
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Beispielsweise kann der plattenartiger Fluidbehälter weitere Elemente umfassen, insbesondere Turbulizer und/oder Leitelemente, wobei diese weiteren Elemente strukturadhäsiv mit der Grundplatte und/oder der Kanalplatte verbunden sein können, wobei zumindest ein Paar der strukturadhäsiv miteinander verbundenen Elemente aus einem Metall oder einer Metalllegierung einerseits und aus einer thermoplastischen Formmasse andererseits gebildet sind. Hierdurch kann in den kanalartigen Vertiefungen Temperierfluid gezielt zu den Bereichen geleitet werden, die eine höhere Temperaturaustauschrate benötigen, ebenso kann Temperierfluid besonders schnell durch Bereiche geleitet werden, für deren Temperierung eine geringere Temperaturaustauschrate ausreicht.
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Bevorzugt sind die kanalartigen Vertiefungen überwiegend oder ausschließlich in der mindestens einen Kanalplatte ausgebildet, hierdurch lassen sich Umformschritte in der Grundplatte einsparen.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass für ein Paar der strukturadhäsiv miteinander verbundenen Elemente, bei denen ein Element aus einem Metall oder einer Metalllegierung und das andere Element aus einer thermoplastischen Formmasse gebildet ist, gilt, dass das aus einem Metall oder einer Metalllegierung gebildete Element, zumindest in den Verbindungsbereichen, in denen die strukturadhäsive Verbindung mit dem aus einer thermoplastischen Formmasse gebildeten Element erfolgt, oder vollflächig aufgeraut ist, insbesondere mittels eines chemischen und/oder mechanischen Aufrauverfahrens, insbesondere durch chemisches Ätzen, kristallographisches Ätzen und/oder im Falle einer Metalllegierung durch Ablegieren.
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Beispielsweise kann die metallische Grenzfläche der strukturadhäsiven Verbindung aufgeraut sein und Vertiefungen und/oder Hohlräume aufweisen, die zumindest teilweise von der thermoplastischen Formmasse gefüllt sind.
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Das Metall ist bevorzugt ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Aluminium, Edelstahl, Kupfer. Die Metalllegierung ist bevorzugt ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Legierungen des Kupfers oder des Aluminiums, insbesondere des Aluminiums der Serien 3xxx (Aluminium-Mangan-Legierungen) und 5xxx (Aluminium-Magnesium-Legierungen).
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Insbesondere ist es von Vorteil, wenn die thermoplastische Formmasse mindestens ein thermoplastisches Polymer, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Polyamiden, insbesondere aliphatischen und/oder teilaromatischen Polyamiden, wie z.B. PA6, PA66, PA12, PA1212, PA6I, PA 6T, PA6I/6T, aus Polyimiden, Polyamidimiden, Polyphthalamiden, Polyarylethersulfonen, Polyethersulfonen, Polypropylencarbonaten, Polyaryletherketonen, Polyphenylensulfiden, Polyetheretherketonen, Polycarbonaten, Polypropylen-Homopolymeren, Polyphenylenethern oder Polybutylenterephthalat sowie Mischungen oder Blends aus mindestens zwei der zuvor genannten thermoplastischen Polymere enthält oder hieraus besteht.
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Zudem kann die thermoplastische Formmasse zusätzlich mindestens einen Füll- und/oder Verstärkungsstoff enthalten, insbesondere ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Glasfasern; Carbonfasern; Aramidfasern; Mineralstoffen; insbesondere Schichtsilikaten; Graphit; Glashohlkugeln; Keramikpartikeln und/oder -fasern, insbesondere aus Aluminiumoxid und/oder Berylliumoxid zur Modifizierung der Wärmeleitfähigkeit.
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Der plattenartige Fluidbehälter kann als eine Temperierplatte, in der ein Temperiermittel führbar ist, zum Temperieren einer Leistungselektronik eines Fahrzeugs oder eines elektrochemischen Systems, insbesondere einer Batterie oder eines Batteriepacks, insbesondere eines Fahrzeugs ausgebildet sein.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Grundplatte auf einer der mindestens einen Kanalplatte gegenüberliegenden Seite eine Kontaktfläche, insbesondere eine ebene Kontaktfläche, aufweist, über die eine oder mehrere auf der den Kanalplatten gegenüberliegenden Seite der Grundplatte anordenbare Batterien oder ein auf der der Kanalplatte gegenüberliegenden Seite der Grundplatte anordenbares Batteriepack direkt kontaktierbar sind, insbesondere thermisch kontaktierbar sind.
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Die vorliegende Erfindung umfasst weiterhin eine Batterietemperieranordnung, welche einen vorbeschriebenen plattenartigen Fluidbehälter und eine oder mehrere Batterien oder ein Batteriepack umfasst, wobei die eine oder mehreren Batterien oder das Batteriepack vorzugsweise auf einer der Kanalplatte gegenüberliegenden Seite der Grundplatte angeordnet sind und über die Kontaktfläche der Grundplatte direkt oder indirekt kontaktiert, z.B. geklebt sind.
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Im Folgenden werden Schritte eines Verfahrens zum Herstellen des vorstehend beschriebenen plattenartigen Fluidbehälters beschrieben, insbesondere also zum Ausbilden der strukturadhäsiven Verbindung von Elementen des plattenartigen Fluidbehälters. Dieses Verfahren ist nicht Gegenstand des vorliegenden Gebrauchsmusters. Das Verfahren kann aber Gegenstand einer weiteren Schutzrechtsanmeldung sein, insbesondere einer internationalen Patentanmeldung nach dem PCT, einer europäischen Patentanmeldung oder einer deutschen Patentanmeldung.
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Ein solches Verfahren zur Herstellung des vorstehend beschriebenen plattenartigen Fluidbehälters kann gemäß einem ersten Aspekt z. B. wenigstens die folgenden Schritte zur Herstellung eines plattenartigen Fluidbehälters umfassen:
- - Ausschneiden der Grundplatte aus einer Metallplatte;
- - Strukturierung der zur Verbindung vorgesehenen Oberfläche der Metallplatte mittels eines chemischen und/oder mechanischen Aufrauverfahrens, insbesondere durch chemisches Ätzen, kristallographisches Ätzen und/oder im Falle einer Metalllegierung durch Ablegieren;
- - Formen der Kanalplatte aus einer thermoplastischen Formmasse wobei ggf. ein Anschlussbauteil einstückig mitgeformt wird;
- - Plastifizieren der zur Verbindung vorgesehenen Oberfläche bzw. Oberflächenabschnitte der Kanalplatte
- - Aufpressen der Kanalplatte auf die strukturierte Oberfläche der Metallplatte.
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Ein solches Verfahren zur Herstellung des vorstehend beschriebenen plattenartigen Fluidbehälters kann gemäß einem zweiten Aspekt z. B. wenigstens die folgenden Schritte zur Herstellung eines plattenartigen Fluidbehälters umfassen:
- - Ausschneiden der Kanalplatte aus einer Metallplatte;
- - Einformen der kanalartigen Vertiefungen in die Kanalplatte;
- - Strukturierung der zur Verbindung vorgesehenen Oberfläche der Metallplatte mittels eines chemischen und/oder mechanischen Aufrauverfahrens, insbesondere durch chemisches Ätzen, kristallographisches Ätzen und/oder im Falle einer Metalllegierung durch Ablegieren;
- - Formen der Grundplatte aus einer thermoplastischen Formmasse wobei ggf. ein Anschlussbauteil einstückig mitgeformt wird;
- - Plastifizieren der zur Verbindung vorgesehenen Oberfläche bzw. Oberflächenabschnitte der Grundplatte
- - Aufpressen der Grundplatte auf die strukturierte Oberfläche der Metallplatte.
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Ein solches Verfahren zur Herstellung des vorstehend beschriebenen plattenartigen Fluidbehälters kann gemäß einem dritten Aspekt z. B. wenigstens die folgenden Schritte zur Herstellung eines plattenartigen Fluidbehälters umfassen:
- - Ausschneiden der Grundplatte aus einer Metallplatte;
- - Ausschneiden der Kanalplatte aus einer Metallplatte;
- - Einformen der kanalartigen Vertiefungen in die Kanalplatte;
- - Strukturierung der zur Verbindung vorgesehenen Oberfläche der Metallplatte mittels eines chemischen und/oder mechanischen Aufrauverfahrens, insbesondere durch chemisches Ätzen, kristallographisches Ätzen und/oder im Falle einer Metalllegierung durch Ablegieren;
- - Formen eines Anschlussbauteils, eines Verteilerkanalbauteils oder einer Verteilerlage aus einer thermoplastischen Formmasse;
- - Plastifizieren der aus thermoplastischer Formmasse gebildeten zur Verbindung vorgesehenen Oberfläche bzw. Oberflächenabschnitte
- - Aufpressen des aus thermoplastischer Formmasse gebildeten Elements auf die strukturierte Oberfläche der Metallplatte.
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Gemäß einem vierten Aspekt des Verfahrens können die vorgenannte Verfahrensschritte durch den folgenden Schritt ergänzt werden:
- - Zumindest die Bereiche des jeweiligen aus einer thermoplastischen Formmasse gebildeten Elements, die beim Anpressen in Kontakt mit dem jeweiligen aus Metall oder einer Metalllegierung gebildeten Element treten, werden vor Herstellen des Kontakts auf Temperaturen oberhalb der Glasübergangstemperatur der thermoplastischen Formmasse erwärmt.
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Gemäß einem fünften Aspekt des Verfahrens können die erstgenannte drei Verfahrensschritte durch den folgenden Schritt ergänzt werden:
- - Erwärmen des aus einem Metall oder einer Metalllegierung gebildeten Elements auf eine ausreichende Temperatur, so dass beim Kontaktieren des jeweiligen aus einer thermoplastischen Formmasse gebildeten Elements mit dem jeweiligen aus Metall oder einer Metalllegierung gebildeten Element die Kontaktflächen des aus einer thermoplastischen Formmasse gebildeten Elements auf eine Temperatur oberhalb der Glasübergangstemperatur der thermoplastischen Formmasse erwärmt werden.
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Zudem betrifft die vorliegende Erfindung die Verwendung eines erfindungsgemäßen plattenartigen Fluidbehälters zum Temperieren, insbesondere Kühlen einer Leistungselektronik, z.B. eines Fahrzeugs, oder zum Temperieren, insbesondere zum Kühlen oder Beheizen eines elektrochemischen Systems, insbesondere einer Batterie oder eines Batteriepacks, insbesondere eines Fahrzeugs.
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Im Folgenden wird ein erfindungsgemäßer plattenartiger Fluidbehälter anhand von Figuren detaillierter beschrieben. Dabei werden verschiedene erfindungswesentliche oder auch vorteilhafte weiterbildende Elemente im Rahmen jeweils eines konkreten Beispiels genannt, wobei auch einzelne dieser Elemente als solche zur Weiterbildung der Erfindung - auch herausgelöst aus dem Kontext des jeweiligen Beispiels und weiterer Merkmale des jeweiligen Beispiels - verwendet werden können. Weiterhin werden in den Figuren für gleiche oder ähnliche Elemente gleiche oder ähnliche Bezugszeichen verwendet, und deren Erläuterung daher teilweise weggelassen.
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Es zeigen
- 1 bis 5 Schnittansichten eines erfindungsgemäßen plattenartigen Fluidbehälters gemäß einer ersten Ausführungsform,
- 6 eine Schnittansicht eines erfindungsgemäßen plattenartigen Fluidbehälters gemäß einer zweiten Ausführungsform,
- 7 eine Unteransicht eines erfindungsgemäßen plattenartigen Fluidbehälters
- 8 eine Draufsicht des plattenartigen Fluidbehälters aus 7,
- 9 eine Schnittansicht des plattenartigen Fluidbehälters aus 7 und 8,
- 10 eine weitere Schnittansicht eines plattenartigen Fluidbehälters in einer Variante zu 9
- 11 eine Draufsicht eines erfindungsgemäßen plattenartigen Fluidbehälters gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel,
- 12 eine Schnittansicht des plattenartigen Fluidbehälters aus 11,
- 13 eine weitere Schnittansicht eines plattenartigen Fluidbehälters ähnlich 12,
- 14 eine Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Batterietemperieranordnung,
- 15 eine Seitenansicht einer alternativen erfindungsgemäßen Batterietem periera nordnung,
- 16 eine Schnittansicht eines weiteren plattenartigen Fluidbehälters, und
- 17 eine Schnittansicht eines Abschnitts eines erfindungsgemäßen plattenartigen Fluidbehälters nach einem Schälversuch..
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1 zeigt eine Schnittansicht durch einen erfindungsgemäßen plattenartigen Fluidbehälter 1gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel. Der plattenartigen Fluidbehälter 1 ist dabei aus einer Grundplatte 2 gebildet, die eine Durchtrittsöffnung 21 aufweist. Mit der Grundplatte 2 ist ein Anschlusselement 8 (im vorliegenden Fall ein Stutzen 8) verbunden, der die Durchtrittsöffnung 21 einfasst. Auf der dem Anschlusselement 8 abgewandten Seite der Grundplatte 2 ist eine Kanalplatte 3 angeordnet und mit der Grundplatte 2 verbunden. Die Kanalplatte 3 weist dabei eine Mehrzahl von kanalartigen Vertiefungen 3a auf, die zusammen mit der Grundplatte 2 jeweils einen Fluidkanal 4 ausbilden. Bei der in 1 dargestellten Ausführungsform ist das Anschlusselement 8 aus einem thermoplastischen Kunststoff gebildet, während die Grundplatte 2 und die Kanalplatte 3 aus Metall oder einer Metalllegierung gebildet sind. Die Verbindung zwischen der Grundplatte 2 und der Kanalplatte 3 erfolgt dabei durch Schweißverbindungen 32. Dies ist in 1 durch die Dreiecke an den Berührungspunkten zwischen der Grundplatte 2 der Kanalplatte 3 angedeutet. Die strukturadhäsive Verbindung 23 zwischen der Grundplatte 2 und dem Anschlusselement 8 erfolgt dabei auf die erfindungsgemäße Weise. Die Verbindung wird beispielsweise derart hergestellt, dass zumindest in den Verbindungsbereichen, d.h. den Bereichen, in denen die Grundplatte 2 mit dem Anschlussstück 8 in Kontakt steht, eine Aufrauung 20 der metallischen Oberfläche der Grundplatte 2 erfolgt, beispielsweise durch Ätzen der Oberfläche der Grundplatte 2 in diesem Bereich. Das Ätzen kann auch vollflächig erfolgen. Im Anschluss daran wird das Anschlusselement 8 aus einem thermoplastischen Material beispielsweise an der Fügestelle erwärmt und auf die Grundplatte 2 aufgepresst. Durch das Erwärmen erfolgt eine Plastifizierung des thermoplastischen Kunststoffs, der beim Anpressen in die aufgeraute Oberfläche der Grundplatte 2 eindringt. Sobald das thermoplastische Material abgekühlt ist, wird dadurch ein äußerst zugfester Verbund 23 zwischen dem thermoplastischen Material des Anschlusselementes 8 und der Grundplatte 2 gewährleistet. Im Falle einer Zug- und insbesondere einer Schälbelastung der strukturadhäsiven Verbindung zwischen der Grundplatte 2 und dem Anschlusselement 8 über die Belastungsgrenze der Materialien hinaus, ist somit sichergestellt, dass kein Bruch oder ein Versagen der Materialfügung zwischen Grundplatte 2 und Anschlusselement 8 erfolgt. Eher ist ein Bruch oder Riß im Anschlusselement 8 zu erwarten.
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2 zeigt eine weiteres Beispiel eines plattenartigen Fluidbehälters 1 gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Vom strukturellen Aufbau her ist der plattenartigen Fluidbehälter 1 gemäß 2 identisch mit dem plattenartigen Fluidbehälter 1 gemäß 1. Im Unterschied zum plattenartigen Fluidbehälter 1 gemäß 1 ist der plattenartigen Fluidblätter 1 gemäß 2 allerdings aus unterschiedlichen Materialien ausgebildet. So ist beim plattenartigen Fluidbehälter 1 gemäß 2 die Kanalplatte 3 aus einem thermoplastischen Kunststoff gebildet, während die Grundplatte 2 und das Anschlusselement 8 aus einem Metall oder einer Metalllegierung gebildet sind. Der Verbund zwischen Grundplatte 2 und Anschlusselement 8 erfolgt dabei mittels Schweißverbindungen 32. Die Kanalplatte 3 ist mit der Grundplatte 2 mittels strukturadhäsiver Verbindung fluiddicht verbunden. Im in 2 dargestellten Ausschnitt der Schnittdarstellung sind dabei vier Verbindungsstellen 23 gezeigt, in denen die zur Kanalplatte 3 weisende Oberfläche der Grundplatte jeweils Aufrauungen 20 aufweist.
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3 zeigt einen weiteren Schnitt durch einen erfindungsgemäßen plattenartigen Fluidbehälter 1, dessen Aufbau geometrisch identisch zu den plattenartigen Fluidbehältern 1 der 1 und 2 ist. Im Gegensatz zu den 1 und 2 sind beim plattenartigen Fluidbehälter 1 gemäß 3 allerdings sowohl das Anschlusselement 8 als auch die Kanalplatte 3 aus einem thermoplastischen Kunststoff gebildet. Die Grundplatte 2 ist hierbei aus Metall oder einer Metalllegierung gebildet und weist auf beiden Oberflächen aufgeraute Bereiche 20 auf. Die strukturadhäsive Verbindung 23', 23 sowohl des Anschlusselementes 8 als auch der Kanalplatte 3 mit der Grundplatte 2 erfolgt dabei jeweils strukturadhäsiv wie zuvor für die Verbindungen unterschiedlicher Werkstoffe beschrieben.
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4 zeigt eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen plattenartigen Fluidbehälters 1. Die in 4 dargestellte Ausführungsform ist mit der Ausführungsform gemäß 2 geometrisch überwiegend identisch. Die Grundplatte 2 und das Anschlusselement 8 sind beide aus einer Metalllegierung, beispielsweise einer Aluminiumlegierung gebildet und untereinander um die Durchgangsöffnung 21 umlaufend mittels einer Lötverbindung 31 verbunden. Die Grundplatte 2 ist auf ihrer gesamten der Kanalplatte 3 zugewandten Oberfläche mit einer Aufrauung 20 versehen, über die die strukturadhäsive Verbindung zwischen Grundplatte 2 und Kanalplatte 3 realisiert ist. Zusätzlich sind hier Strömungselemente 6 (z.B. in Form von Finnen) in die jeweiligen Fluidkanäle 4 eingebracht. Die Strömungselemente 6 sind ihrerseits aus thermoplastischem Kunststoff gebildet und an den entsprechenden Verbindungsbereichen 23" mit der Grundplatte 2 verbunden. Auch die Strömungselemente 6 können dabei mittels strukturadhäsiver Verbindung mit der Grundplatte 2 verbunden sein.
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5 zeigt eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen plattenartigen Fluidbehälters 1. Hierbei ist die Kanalplatte 3 aus einem thermoplastischen Kunststoff gebildet, während das Anschlusselement 8 wie die Grundplatte 2 aus Metall gebildet ist. Im Gegensatz zu den vorangestellten Ausführungsbeispielen ist das Anschlusselement 8 mit der Kanalplatte 3 verbunden. Die zur Kanalplatte 3 weisenden Oberflächen der Grundplatte 2 und des Anschlusselements 8 weisen beide im Wesentlichen vollflächig Aufrauungen 20, 20' auf. Die Verbindung 23', 23 zwischen Anschlusselement 8 und der Kanalplatte 3 einerseits bzw. der Grundplatte 2 und der Kanalplatte 3 andererseits ist dabei mittels strukturadhäsiver Verbindung hergestellt.
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6 zeigt ein Beispiel eines plattenartigen Fluidbehälters 1 gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, der im Wesentlichen entsprechend dem Ausführungsbeispiel gemäß 5 ausgebildet ist. Im Unterschied zum Ausführungsbeispiel gemäß 5 sind das Anschlusselement 8 und die Grundplatte 2 dabei einstückig ausgebildet. Das hierbei insgesamt gebildete Element aus Anschlusselement 8 und Grundplatte 2 ist aus thermoplastischem Kunststoff gebildet. Die fluiddichte Verbindung 23 zur nur in den Bereichen 20 aufgerauten Kanalplatte 3 erfolgt dabei mittels strukturadhäsiver Verbindung.
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7 zeigt eine Unteransicht eines erfindungsgemäßen plattenartigen Fluidbehälters 1. Der Fluidbehälter 1 weist eine etwa quadratische Grundplatte 2 sowie zwei rechteckige nebeneinander auf derselben Oberfläche 2a der Grundplatte 2 angeordnete Kanalplatten 3 auf. Jede Kanalplatte 3 weist sich von der Grundplatte 2 abhebende kanalartige Vertiefungen 3a auf, welche zusammen mit der Grundplatte 2 Fluidkanäle 4 bilden. Außerhalb der kanalartigen Vertiefungen 3a liegen die Kanalplatten 3 an der Grundplatte 2 an. Die Fluidkanäle 4 sind ausgebildet, um ein Fluid von einem Fluideinlass 3b zu einem Fluidauslass 3c zu führen.
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Jede Kanalplatte 3 weist drei Fluidkanäle 4 auf, wobei der zugehörige Fluidkanaleinlass 3b und der Fluidkanalauslass 3c an einer kurzen Seite der Kanalplatten 3 angeordnet sind. Die Fluidkanaleinlässe 3b und die Fluidkanalauslässe 3c sind in der Grundplatte 2 angeordnet und mit einem auf der den Kanalplatten 3 gegenüberliegenden Seite der Grundplatte 2 angeordneten Verteilerkanalbauteil 5 verbunden Das Verteilerkanalbauteil 5 ist in 7 nicht dargestellt, da es auf der dem Betrachter abgewandten Seite liegt. Die Fluidkanaleinlässe 3b und -auslässe 3c sind lediglich zum besseren Verständnis hier gestrichelt dargestellt. Jeder Fluidkanal 4 erstreckt sich von dem Fluidkanaleinlass 3b entlang einer Längsachse einer Kanalplatte 3 bis zu einer gegenüberliegenden kurzen Seite der Kanalplatte 3. An der gegenüberliegenden kurzen Seite der Kanalplatte 3 weist jeder Fluidkanal 4 eine Kurve von 180° auf und erstreckt sich zurück zum Fluidkanalauslass 3c. Der Fluidkanalauslass 3c erstreckt sich dabei fast über die gesamte Breite der Kanalplatte 3 und ist als gemeinsamer Fluidkanalauslass für alle drei Fluidkanäle ausgebildet. Die Fluideinlässe 3b sind durch die Kanalwände 3d der kanalartigen Vertiefungen 3a vom Fluidkanalauslass 3c getrennt, sodass das in die Fluidkanäle fließende Fluid nicht direkt zum Fluidkanalauslass fließen kann. Die Pfeile in 7 geben eine mögliche Flussrichtung des Fluids an. Die Flussrichtung kann jedoch auch andersherum sein, wobei dann der Fluidkanalauslass 3c einen gemeinsamen Fluidkanaleinlass und die Fluidkanaleinlässe 3b Fluidkanalauslässe bilden.
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Auch hier kann wie in den voranstehenden Beispielen einerseits die Grundplatte 2 bzw. die jeweilige Kanalplatte 3 aus Metall, beispielsweise aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung gebildet sein, während andererseits das komplementäre Bauteil hierzu, d.h. die Grundplatte 2 bzw. die jeweiligen Kanalplatten 3 jeweils aus thermoplastischem Kunststoff gebildet sind. Eine analoge Materialkombination (Metall/Kunststoff) ist auch für das nicht dargestellte Verteilerkanalbauteil 5 möglich, das mit den jeweiligen Kanalplatten 3 verbunden ist. Die jeweilige Verbindung zwischen Grundplatte 2 und den Kanalplatten 3 bzw. dem Verteilerkanalbauteil 5 kann dabei ebenso mittels strukturadhäsiver Verbindung, wie im Voranstehenden beschrieben, erfolgen.
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8 zeigt eine Draufsicht des plattenartigen Fluidbehälters 1 aus 7, d.h. von der der Oberfläche 2a gegenüberliegenden Kontaktfläche 2b. Auf der den Kanalplatten 3 gegenüberliegenden Seite der Grundplatte 2 ist an einem Rand der Grundplatte 2 ein Verteilerkanalbauteil 5 auf der Grundplatte 2 befestigt. Das Verteilerkanalbauteil 5 ist so angeordnet, dass seine Längsrichtung senkrecht zur Längsrichtung der Kanalplatten 3 verläuft. Das Verteilerkanalbauteil 5 erstreckt sich fast über die gesamte Breite der Grundplatte 2 und überdeckt die Kanalplatten 3 in einer Querrichtung der Kanalplatten 3, sodass das Verteilerkanalbauteil 5 die Fluidkanaleinlässe 3b und die Fluidkanalauslässe 3c der Kanalplatten 3 überlappend verläuft.
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Das Verteilerkanalbauteil 5 weist eine Verteilerkanalplatte 5g auf, in der zwei sich von der Grundplatte 2 abhebende, längs des Verteilerkanals 5 verlaufende, kanalartige Vertiefungen 5a, 5b mit schräg verlaufenden Kanalwandabschnitten 5k ausgebildet sind, welche zusammen mit der Grundplatte 2 zwei sich längs des Verteilerkanalbauteils 5 erstreckende, parallel verlaufende Fluidkanäle 7a und 7b bilden. Ein Teil der Grundplatte 2, welcher von der Verteilerkanalplatte 5g überdeckt wird, bildet somit eine ebene Seitenwand des Verteilerkanalbauteils. Ein zur Mitte der Grundplatte 2 hin gelegener Fluidkanal 7a kann dabei einen Zuleitungskanal bilden, um das Fluid allen Fluidkanaleinlässen 3b der Kanalplatten 3 direkt zuzuführen. Ein zum Rand der Grundplatte 2 hin gelegener Fluidkanal 7b kann dabei einen Ableitungskanal bilden, um das Fluid von den Fluidkanalauslässen 3c der Kanalplatten 3 direkt abzuführen.
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Mittig bezüglich der Längsrichtung des Verteilerkanalbauteils 5 ist in der kanalartigen Vertiefung 5a des Zuleitungskanals 7a eine Verteilerkanalzuleitung 5d angeordnet. In der Verteilerkanalzuleitung 5d ist ein Einlassstutzen 8a befestigt, welcher mit einer Fluidzuleitung verbindbar ist, mit der dem Fluidbehälter 1 ein Fluid zuführbar ist. Analog ist ebenfalls mittig in der kanalartigen Vertiefung 5b des Ableitungskanals 7b eine Verteilerkanalableitung 5c angeordnet. In der Verteilerkanalableitung 5c ist ein Auslassstutzen 8b befestigt, welcher mit einer Fluidableitung verbindbar ist, mit der aus dem Fluidbehälter 1 ein Fluid abführbar ist.
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9 zeigt eine Schnittansicht des plattenartigen Fluidbehälters 1 aus 8 entlang eines schrägen Querschnitts A-A durch die Grundplatte 2, das Verteilerkanalbauteil 5 und eine der Kanalplatten 3, genauer im rechteckigen Ausschnitt K1. Als unterste Platte ist eine Kanalplatte 3 erkennbar, die in der 8 unterhalb der Zeichnungsebene liegt. Auf einer rechten Seite der Schnittansicht sind die zwei rechts liegenden Fluidkanäle 4 der Kanalpatte 3 erkennbar, welche von den kanalartigen Vertiefungen 3a und der Grundplatte 2 gebildet werden. Auf der Grundplatte 2 ist die Verteilerkanalplatte 5g des Verteilerkanalbauteils 5 angeordnet.
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In der zur Mitte des Fluidbehälters 1 hin gelegenen kanalartigen Vertiefung 5a der Verteilerkanalplatte 5g ist der Einlassstutzen 8a befestigt. Über den Einlassstutzen 8a kann ein Fluid dem Zuleitungskanal 7a zugeführt werden, welcher sich hier senkrecht zur Zeichenebene erstreckt. Auf der zum Rand des Fluidbehälters 1 hin gelegenen Seite erstreckt sich der Ableitungskanal 7b ebenfalls senkrecht zur Zeichenebene.
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Wie insbesondere aus 9 ersichtlich ist, kann durch die überlappende Anordnung der Verteilerkanalplatte 5g, der Grundplatte 2 und der Kanalplatte 3 in dem erfindungsgemäßen plattenartigen Fluidbehälter 1 eine Fluidverbindung zwischen den einzelnen Platten und somit zwischen den verschiedenen Fluidkanälen hergestellt werden, die ohne eine Vielzahl an Schläuchen und Verbindungselementen auskommt.
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In der in 9 dargestellten Variante sind die Grundplatte 2, und die Verteilerplatte 5g, d.h. das Verteilerkanalbauteil 5, jeweils aus Metall oder einer Metalllegierung, beispielsweise Aluminium gebildet. Sie können untereinander beispielsweise über eine Lötverbindung 31 verbunden sein. Die Kanalplatte 3 und der Anschlussstutzen 8a sind jeweils aus einer thermoplastischen Kunststoffformmasse gebildet Der Anschlussstutzen 8a und das Verteilerkanalbauteil 5 sind dabei mittels strukturadhäsiver Verbindung miteinander verbunden, die Verbindungsbereiche 23' verlaufen radial umlaufend um den Innenrand der Öffnung 21 im Verteilerkanalbauteil 5.Die Kanalplatte 3 und die Grundplatte 2 sind ebenfalls mittels strukturadhäsiver Verbindung über die Verbindungsbereiche 23 fluiddicht miteinander verbunden. Die Verbindungsebene E verläuft dabei horizontal, d.h. parallel zur Haupterstreckungsebene von Grundplatte 2, Kanalplatte 3 und Verteilerplatte 5g. Die dargestellte Verbindungsebene E' der Verbindung 23' verläuft zu dieser Verbindungsebene E senkrecht. Dreidimensional betrachtet ergibt sich umlaufend um die Durchgangsöffnung 21 eine zylinderförmig sich erstreckende Verbindungsfläche.
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10 zeigt eine alternative Variante eines erfindungsgemäßen plattenartigen Fluidbehälters 1 gemäß der zweiten Ausführungsform. Dargestellt ist ebenso der Schnitt entlang den Linien A-A in 8 innerhalb des Kasten K1. Erkennbar ist, das der Einlassstutzen 8a einstückig mit dem Verteilerkanalbauteil 5 ausgebildet ist. Ebenso umfasst das einstückige Bauteil - in 10 nicht erkennbar - den Auslassstutzen 8b. Das einstückige Bauteil, gebildet aus Einlassstutzen 8a, Auslassstutzen 8b und Verteilerkanalbauteil 5, ist dabei aus einer thermoplastischen Formmasse gebildet. Die Grundplatte 2 und die Kanalplatte 3 sind jeweils aus einer Metalllegierung gebildet und untereinander mittels einer Lötverbindung 31 verbunden. Im gewählten Beispiel ist das einstückige Bauteil, umfassend das Verteilerkanalbauteil 5 und die Stutzen 8a und 8b wiederum mittels strukturadhäsiver Verbindung mit der Grundplatte 2 verbunden.
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11 zeigt eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäße plattenartigen Fluidbehälters 1, bei dem im Unterschied zur Ausführungsform gemäß 8 nur eine Kanalplatte 3 auf der Grundplatte 2 vorhanden ist, wobei die Kanalplatte 3 und das Verteilerkanalbauteil 5 auf derselben Seite der Grundplatte 2 angeordnet sind. Die Kanalplatte 3 ist dabei unmittelbar mit der Grundplatte 2 verbunden, während das Verteilerkanalbauteil 5 der Versorgung und der Abführung von Fluiden in die bzw. aus der Kanalplatte 3 über die jeweiligen Einlass- bzw. Auslassöffnungen dient.
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12 zeigt einen Schnitt entlang der Linie B-B innerhalb des Kastens K2, wie in 11 dargestellt. Hierbei stellt die Grundplatte 2 in der in 12 gewählten Darstellung das unterste Element des plattenartigen Fluidbehälters 1 dar. Mit der Grundplatte 2 ist in den Verbindungsbereichen 23 unmittelbar die Kanalplatte 3 verbunden. In der dargestellten Ausführungsform ist die Grundplatte 2 aus einem Metall, beispielsweise Aluminium, gebildet, die aus einer thermoplastischer Kunststoffformmasse gebildete Kanalplatte 3 ist wie zuvor beschrieben strukturadhäsiv mit der Grundplatte 2 verbunden. Das Verteilerkanalbauteil 5 ist im vorliegenden Fall aus zwei metallischen Lagen, nämlich der Verteilerkanalgrundplatte 5h und der Verteilerkanalplatte 5g, die untereinander verschweißt sind, gebildet und mit der Kanalplatte 3 im Verbindungsbereich 23' um die Durchgangsöffnung 21 umlaufend mittels strukturadhäsiver Verbindung fluiddicht verbunden. Der Einlassstutzen 8a, der beispielsweise der Versorgung des Verteilerkanalbauteils 5 dient, ist ebenso aus einem thermoplastischen Kunststoff gebildet und kann mit dem metallischen Verteilerkanalbauteil 5 gleichfalls strukturadhäsiv verbunden sein.
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13 zeigt eine weitere Variante des in 12 dargestellten Fluidbehälters 1, der als weiteres Element Fluidverteilungselemente 6 in den Fluidkanälen 4 aufweist. Diese Elemente können beispielsweise ebenso aus thermoplastischem Kunststoffmaterial gebildet sein und mit der metallischen Grundplatte 2 mittels strukturadhäsiver Verbindung verbunden sein.
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14 zeigt eine Batterietemperieranordnung 100 mit einem plattenartigen Fluidbehälter 1. Der plattenartige Fluidbehälter 1 weist eine Kanalplatte 3, eine Grundplatte 2 und auf dieser Grundplatte 2 am linken Seitenrand Anschlusselemente 8 auf. Auf der Kontaktfläche 2b der Grundplatte 2 sind mehrere Batterien 101 angeordnet, die gemeinsam ein Batteriepack 102 bilden. Somit ist eine direkte thermische Kontaktierung zwischen der Kontaktfläche 2b der Grundplatte und dem Batteriepack 102 bzw. den Batterien 101 gegeben. Ebenso wäre es möglich, dass zwischen der Kontaktfläche 2b der Grundplatte 2 und dem Batteriepack 102 eine Kleber- oder sonstige Zwischenschicht vorhanden ist, so dass die Kontaktierung nur indirekt ist.
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15 zeigt eine Batterietemperieranordnung 100 mit einem plattenartigen Fluidbehälter 1. Der plattenartige Fluidbehälter 1 weist eine Kanalplatte 3, eine Grundplatte 2 und auf der Kanalplatte 3 am linken Seitenrand angeordnet und mit dieser Kanalplatte 3 überlappend ein Verteilerkanalbauteil 5 mit einer Verteilerkanalgrundplatte 5h und einer Verteilerkanalplatte 5g auf. Das Verteilerkanalbauteil 5 weist Anschlusselemente 8a, 8b auf. Auf der Kontaktfläche 3k der Kanalplatte 3 sind mehrere Batterien 101 angeordnet, die gemeinsam ein Batteriepack 102 bilden. Somit ist eine direkte thermische Kontaktierung zwischen der Kontaktfläche 3k der Kanalplatte 3 und dem Batteriepack 102 bzw. den Batterien 101 gegeben.
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Die in 14 und 15 dargestellten Batterietemperieranordnungen 100 können beispielsweise in einer Wanne verbaut werden.
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16 zeigt einen weiteren plattenartigen Fluidbehälter 1 mit einer Grundplatte 2 und einer Kanalplatte 3, wobei hier die Fluidkanäle 4 durch kanalartige Vertiefungen 2c, 3a in beiden Platten 2, 3 gebildet sind. Sowohl die Grundplatte 2 als auch die Kanalplatte 3 bestehen aus Metall und sind an vielen Verbindungsstellen 32 miteinander verlötet. Das Anschlusselement 8 ist aus einer thermoplastischen Formmasse gebildet und zwischen Ausbuchtungen 42, 43 der beiden metallischen Platten 2, 3 stirnseitig eingeschoben und dort umlaufend mit beiden metallischen Platten 2, 3 strukturadhäsiv verbunden. Die Verbindung verläuft wie im Beispiel der 9 im Wesentlichen zylinderförmig umlaufend.
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17 zeigt das Resultat eines Schälzugversuchs eines Verbundes eines aus thermoplastischem Kunststoffmaterial T und eines aus Metall M gebildeten Elementes, die strukturadhäsiv miteinander verbunden sind. Zur Herstellung dieser strukturadhäsiven Verbindung wird zunächst die Metalloberfläche aufgeraut. Anschließend wird das thermoplastische Material im plastifiziertem Zustand auf die Metalloberfläche aufgebracht oder kalt auf die aufgeheizte Metalloberfläche aufgebracht und dort plastifiziert, danach dringt das thermoplastische Material zumindest teilweise in die beim Aufrauen erzeugten Kavitäten bzw. Vertiefungen in der Metalloberfläche ein. Nach Erkalten wird so ein dauerhafter fluiddichter Verbund zwischen Metall und Thermoplast ermöglicht. Die Elemente T und M sind also strukturadhäsiv verbunden. Im Bild links dargestellt ist der unmittelbare und direkte Verbund der Elemente T und M. Setzt man den Verbund einem Schälzug aus, d.h. wird ein Zugversuch, bei dem die Elemente T und M von derselben Kante, hier der rechten Kante, über die Belastungsgrenze hinaus in von der Verbundebene E wegweisende Richtungen entsprechend den beiden Pfeilen gezogen werden, durchgeführt, versagt der Verbund nicht an der Stelle des unmittelbaren Verbundes der Elemente T und M, also der Verbundebene E, sondern es erfolgt ein Reißen innerhalb des aus thermoplastischem Kunststoff gebildeten Elementes T (17, rechte Seite).
