AT527873A1 - Wärmeübertragungsvorrichtung - Google Patents

Wärmeübertragungsvorrichtung

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AT527873A1
AT527873A1 ATA51012/2023A AT510122023A AT527873A1 AT 527873 A1 AT527873 A1 AT 527873A1 AT 510122023 A AT510122023 A AT 510122023A AT 527873 A1 AT527873 A1 AT 527873A1
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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Wärmeübertragungsvorrichtung (4) umfassend einen Elementkörper, der zumindest einen Fluidkanal (9) aufweist, wobei der Fluidkanal (9) zumindest teilweise von einem ersten Wärmeübertragungselement (6) gebildet ist, wobei das erste Wärmeübertragungselement (6) aus einem ersten Verbund- material gebildet ist, das in der angegebenen Reihenfolge übereinander eine erste Kunststoffschicht (13), eine erste leitfähige Schicht (14) und eine zweite Kunst- stoffschicht (15) aufweist, wobei die erste leitfähige Schicht (14) eine elektrische Leitfähigkeit bei 25 °C nach DIN EN 50994:2017-11 von zumindest 1 S/m und/oder eine Wärmeleitfähigkeit bei 25 °C nach ASTM E1530 von zumindest 0,1 W/mK aufweist, und das erste Verbundmaterial auf der zweiten Kunststoffschicht (15) und damit verbunden eine zweite leitfähige Schicht (16) aufweist, die eine elektrische Leitfähigkeit bei 25 °C nach DIN EN 50994:2017-11 von zumindest 1 S/m und/oder eine Wärmeleitfähigkeit bei 25 °C nach ASTM E1530 von zumindest 0,1 W/mK aufweist.

Description

Weiter betrifft die Erfindung einen Akkumulator mit zumindest einem Speicherelement zur Speicherung von elektrischer Energie und zumindest einer Wärmeüber-
tragungsvorrichtung zur Kühlung oder Temperierung des Speicherelements.
Die Verwendung von mehrschichtigen Folien in Kühlern von Akkumulatoren ist bereits aus dem Stand der Technik bekannt. Beispielsweise beschreibt die WO 03/071616 A2 eine elektrochemische Speichereinheit mit mehreren elektrochemischen Zellen und einem Kühlbalg, der aus einem verformbaren wärmeleitenden Material gebildet ist und einen Einlassanschluss und einen Auslassanschluss aufweist, und der von einem Wärmeübertragungsmedium durchströmt wird. Das Material, das bei der Herstellung des Kühlbalges verwendet wird, kann ein mehrschichtiges Material sein. Beschrieben ist eine dreischichtige Konstruktion, bei der eine Metallschicht zwischen einer ersten Polymerschicht und einer zweiten Polymerschicht angeordnet ist. Beispielsweise kann eine dünne Metallfolie wie etwa eine Aluminiumfolie verwendet werden, um die Wasserdampfdurchlässigkeit über
die Lebensdauer des Kühlbalges zu minimieren. Ein heißsiegelfähiger Film, wie
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der Metallfolie angebracht.
Aus der AT 520 018 A1 ist ein Akkumulator mit zumindest einer Zelle zur Speicherung für elektrische Energie und zumindest einer Kühlvorrichtung zur Kühlung oder Temperierung der Zelle bekannt, wobei die Kühlvorrichtung zumindest eine mehrschichtige Folie zur Ausbildung eines Kühlmittelkanals aufweist. Die Folie besteht aus einem Laminat, das eine erste Kunststofffolie, eine damit verbundene Verstärkungsschicht, eine mit der Verstärkungsschicht verbundene Metallfolie oder eine mit der Verstärkungsschicht verbundene metallisierte weitere Kunststoff-
folie aufweist.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, die Sicherheit eines Ak-
kumulators zu verbessern.
Die Aufgabe der Erfindung wird mit der eingangs genannten Wärmeübertragungsvorrichtung gelöst, bei der das erste Verbundmaterial auf der zweiten Kunststoffschicht und damit verbunden eine zweite leitfähige Schicht aufweist, die eine elektrische Leitfähigkeit bei 25 °C nach DIN EN 50994:2017-11 von zumindest 1 S/m und/oder eine Wärmeleitfähigkeit bei 25 °C nach ASTM E1530 von zumindest 0,1 W/mK aufweist.
Weiter wird die Aufgabe mit dem eingangs genannten Akkumulator gelöst, bei
dem die Wärmeübertragungsvorrichtung erfindungsgemäß ausgebildet ist.
Von Vorteil ist dabei, dass mit der zweiten leitfähigen Schicht einerseits ein verbessertes Überwachungssystem für den Akkumulator zur Verfügung gestellt werden kann. Es ist damit möglich, durch die elektrische Kontaktierung der beiden leitfähigen Schichten eine Beschädigung des Wärmeübertragungselements bereits dann zu erkennen, wenn die Wärmeübertragungsvorrichtung noch keine Leckage aufweist. Beispielsweise kann auf diese Weise ein von außen in das Wär-
meübertragungselement eindringender Fremdkörper erkannt werden. Andererseits
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über die Fläche des Wärmeübertragungselements erreicht werden kann.
Gemäß einer Ausführungsvariante der Erfindung kann vorgesehen sein, dass das Verbundmaterial auf der zweiten leitfähigen Schicht eine dritte Kunststoffschicht aufweist. Es ist damit ein Schutz der zweiten leitfähigen Schicht erreichbar, sodass diese dünner ausgeführt werden kann. Es ist damit nicht nur möglich, den elektrischen Widerstand der Schicht zu verändern, sondern ist damit auch die Steifigkeit bzw. die Biegeschlaffheit des Wärmeübertragungselementes zu verändern, sodass sich die Wärmeübertragungsvorrichtung besser an Konturen von ei-
nem Akkumulator anpassen kann.
Von Vorteil ist dabei auch, wenn nach einer Ausführungsvariante dazu die dritte Kunststoffschicht eine flüssigkeitsdicht (wasserdicht) ist und/oder eine Wasserdampfdurchlässigkeit gemäß DIN 53122-1 / DIN 53122-A von maximal 200 g/m?d aufweist. Aufgrund dieser dritten Kunststoffschicht können im Inneren des Wärmeübertragungselements bzw. der Wärmeübertragungsvorrichtung auftretende Brüche ebenfalls bereits vor dem Auftreten einer Leckage erkannt werden, da durch innere Schichten durchtretendes Fluid aus dem Fluidkanal der Wärmeübertragungsvorrichtung mit der dritten Kunststoffschicht am Austreten gehindert werden
kann.
Entsprechend einer anderen Ausführungsvariante der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die erste und die zweite leitfähige Schicht aus einem metallischen Werkstoff bestehen, insbesondere aus dem gleichen metallischen Werkstoff bestehen. Es ist damit einerseits eine Verbesserung der voranstehenden Effekte betreffend die elektrische Leitfähigkeit und thermische Leitfähigkeit bei gleichzeitiger dünner Ausführbarkeit des Wärmeübertragungselements erreichbar. Andererseits kann durch die Verwendung von gleichen metallischen Werkstoffen der Detekto-
raufbau vereinfacht werden.
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chen einer besseren Betriebstemperatur erwärmt werden sollen.
Weitere Ausführungsvarianten der Erfindung können vorsehen, dass die erste leitfähige Schicht unmittelbar auf der ersten Kunststoffschicht, die zweite Kunststoffschicht unmittelbar auf der ersten leitfähigen Schicht und die zweite leitfähige Schicht unmittelbar auf der zweiten Kunststoffschicht angeordnet sind und dass gegebenenfalls die dritte Kunststoffschicht unmittelbar auf der zweiten leitfähigen Schicht angeordnet ist. Es ist damit nicht nur ein einfacherer Schichtaufbau erreichbar, sondern kann damit auch eine Verbesserung des Wärmetransports durch das Wärmeübertragungselement oder eine Verbesserung der Messung von
elektrischen Größen erreicht werden.
Für eine Erhöhung der Leistungsfähigkeit der Wärmeübertragungsvorrichtung kann nach einer Ausführungsvariante der Erfindung vorgesehen sein, dass der Elementkörper ein zweites Wärmeübertragungselement aufweist, das gleich ausgebildet ist, wie das erste Wärmeübertragungselement. Es ist damit einfacher möglich, die Wärmeübertragungsvorrichtung an mehrere Speicherelemente anleg-
bar auszubilden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsvariante der Erfindung kann zum Schutz der Wärmeübertragungsvorrichtung auch vorgesehen sein, dass der Elementkörper ein Schutzelement aus einem Werkstoff aufweist, der ein E-Modul nach ISO 527
von zumindest 100 MPa aufweist.
Zum besseren Verständnis der Erfindung wird diese anhand der nachfolgenden
Figuren näher erläutert.
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Fig. 1 ein Kraftfahrzeug mit einem Elektromotor und einem Akkumulator;
Fig. 2 einen Akkumulator in Schrägansicht mit einem Wärmeübertragungselement;
Fig. 3 den Akkumulator nach Fig. 1 in Schrägansicht ohne Wärmeübertra-
gungselement;
Fig. 4 einen Ausschnitt aus dem Wärmeübertragungselement; Fig. 5 einen Ausschnitt aus dem Wärmeübertragungselement; Fig. 6 einen Ausschnitt aus einer weiteren Ausführungsvariante eines Wärme-
übertragungselementes;
Fig. 7 Einen Ausschnitt aus einer Ausführungsvariante eines Wärmeübertra-
gungselementes.
Einführend sei festgehalten, dass in den unterschiedlich beschriebenen Ausführungsformen gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen bzw. gleichen Bauteilbezeichnungen versehen werden, wobei die in der gesamten Beschreibung enthaltenen Offenbarungen sinngemäß auf gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen bzw. gleichen Bauteilbezeichnungen übertragen werden können. Auch sind die in der Beschreibung gewählten Lageangaben, wie z.B. oben, unten, seitlich usw. auf die unmittelbar beschriebene sowie dargestellte Figur bezogen und sind diese Lage-
angaben bei einer Lageänderung sinngemäß auf die neue Lage zu übertragen.
Angaben zu Normen beziehen sich immer auf die zum Anmeldetag der die Priorität begründenden Erstanmeldung jeweils letztgültige Fassung dieser Normen, so-
fern nicht etwas anderes explizit angegeben ist.
In Fig. 1 ist ein Kraftfahrzeug 1, beispielsweise ein PKW, gezeigt. Das Kraftfahrzeug 1 weist einen Elektromotor 2 und einen Akkumulator 3 auf. Vorzugsweise ist
der Elektromotor 2 der einzige Antrieb des Kraftfahrzeuges 1.
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satzgebieten Anwendung finden kann.
In den Fig. 2 und 3 ist der Akkumulator 3, d.h. eine wiederaufladbare Batterie (Sekundärbatterie), in Schrägansicht dargestellt, wobei die Fig. 2 den Akkumulator 3 mit einer Wärmeübertragungsvorrichtung 4 und die Fig. 3 den Akkumulator 3 ohne
diese Wärmeübertragungsvorrichtung 4 zeigt.
Der Akkumulator 3 umfasst mehrere Speicherelemente 5 bzw. Zellen für die Speicherung von elektrischer Energie (im Folgenden nur mehr als Speicherelement 5 bezeichnet). Die Speicherelemente 5 können quaderförmig, würfelförmig, zylinder-
förmig, etc., ausgebildet sein.
Da der prinzipielle Aufbau derartiger Akkumulatoren 3 (insbesondere für die E-Mobility) aus dem einschlägigen Stand der Technik bekannt ist, sei zur Vermeidung
von Wiederholungen darauf verwiesen.
Wie aus dem Vergleich der beiden Fig. 2 und 3 zu ersehen ist, ist die Wärmeübertragungsvorrichtung 4 an einer Seite des Akkumulators 3 angeordnet. Es kann aber auch vorgesehen werden, dass sich die Wärmeübertragungsvorrichtung 4 über zumindest zwei Oberflächen des Akkumulators 1 erstreckt, beispielsweise oben und seitlich und gegebenenfalls unten. Alternativ oder zusätzlich dazu kann die Wärmeübertragungsvorrichtung 4 auch zwischen den Speicherelementen 5 oder nur unterhalb der Speicherelemente 5 oder nur im Bereich der Seitenwände
der Speicherelemente 5 angeordnet sein.
Die Wärmeübertragungsvorrichtung 4 kann sich über sämtliche Speicherelemente 5 erstrecken (wie dies aus Fig. 1 ersichtlich ist), damit mit nur einer Wärmeübertragungsvorrichtung 4 sämtliche Speicherelemente 5 gekühlt bzw. temperiert werden können. Es aber auch möglich, in dem Akkumulator 3 für die Speicherelemente 5 mehrere Wärmeübertragungsvorrichtungen 4 vorzusehen, beispielsweise zwei
oder drei oder vier.
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der (den) Wärmeübertragungsvorrichtung(en) 4 an.
Es sei darauf hingewiesen, dass sich die Begriffe Oberseite, etc., auf die Einbau-
lage des Akkumulators 3 beziehen.
Weiter sei darauf hingewiesen, dass die Speicherelemente 5 modulartig ausgebildet sein können, sodass diese also auch als Speichermodule bezeichnet werden
können.
Zudem sei darauf hingewiesen, dass in der vorliegenden Beschreibung der Akkumulator 3 mit mehreren Speicherelementen 5 beschrieben wird. Der Akkumulator 3 kann aber auch nur ein Speicherelement 5 aufweisen. Die Ausführungen in der Beschreibung können daher entsprechend auch auf diese Ausführungsvariante
angewandt werden.
Bei sämtlichen Ausführungsvarianten umfasst die Wärmeübertragungsvorrichtung 4 ein erstes Wärmeübertragungselement 6 und vorzugsweise auch ein zweites Wärmeübertragungselement 7 oder besteht aus diesen, wie dies aus den Fig. 4 und 5 ersichtlich ist. Das erste und das zweite Wärmeübertragungselement 6, 7 können auch zu einem einzigen Element kombiniert sein, indem das erste Wärme-
übertragungselement 6 an einer Kante umgebogen (zusammengefaltet) wird.
Das erste Wärmeübertragungselement 6 und das zweite Wärmeübertragungselement 7 sind vorzugweise gleich ausgebildet, sodass im Folgenden nur mehr auf das erste Wärmeübertragungselement 6 Bezug genommen wird. Die Ausführungen dazu können auf das weitere Wärmeübertragungselement 7 übertragen werden. Es besteht aber die Möglichkeit, dass das zweite Wärmeübertragungselement 7 einen anderen Aufbau aufweist, beispielsweise mehr oder weniger Schichten als das erste Wärmeübertragungselement 6. Die Werkstoffe für diesen Schichtaufbau des zweiten Wärmeübertragungselements 7 können für diese Ausführungsvarianten aus den zu dem ersten Wärmeübertragungselement 6 be-
schriebenen Werkstoffen ausgewählt werden.
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wie dies zu Fig. 7/7 noch näher beschrieben wird.
Das erste Wärmeübertragungselement 6 ist als erstes Folienmaterial mehrschich-
tig ausgebildet.
Das mehrschichtige Folienmaterial des ersten Wärmeübertragungselements 6 der Wärmeübertragungsvorrichtung 4 liegt an den Speicherelementen 5 an, insbesondere unmittelbar. Nachdem das mehrschichtige Folienmaterial flexibel ist, also nicht steif ist, kann sich dieses an Unebenheiten der Speicherelemente 5 oder zwischen den Speicherelementen 5 anpassen. Eine Ausgleichsmasse zwischen der Wärmeübertragungsvorrichtung 4 und den Speicherelementen 5 ist nicht erforderlich.
Weiter umfasst die Wärmeübertragungsvorrichtung 4 zumindest einen Fluidkanal 9, der sich von zumindest einem Anschlusselement 10 für die Zufuhr eines Arbeitsfluids bis zu zumindest einem Anschlusselement 11 für die Abfuhr des Arbeitsfluids erstreckt. Der zumindest eine Fluidkanal 9 ist zwischen dem ersten und dem zweiten Wärmeübertragungselement 6, 7 oder zwischen zwei Lagen des ersten Wärmeübertragungselements 6 oder zwischen dem ersten Wärmeübertragungselement 6 und dem Schutzelement 8 durch nur partielles Verbinden des ersten Wärmeübertragungselement 6 mit dem zweiten Wärmeübertragungselement 7 oder dem Schutzelement 8 oder der zwei Lagen des ersten Wärmeübertragungselements 6 ausgebildet. Beispielsweise kann der zumindest eine Fluidkanal 9 durch Verkleben oder Verschweißen der Folienmaterialien bzw. Elemente unter Ausbildung von Verbindungsbereichen 12, wie z.B. von Stegen (siehe Fig. 5), hergestellt werden. Der zumindest eine Fluidkanal 9 entsteht dabei in den nicht verbundenen Bereichen neben den Verbindungsbereichen 12. Der zumindest eine Fluidkanal 9 ist also nicht durch ein gesondertes Bauteil gebildet. Generell werden die Verbindungstechniken vorzugsweise derart gewählt, dass keine zusätzlichen Maßnahmen getroffen werden müssen, um eine flüssigkeitsdichte Ausführung der
Verbindung zu erhalten.
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10, 11 aufweist.
Das Arbeitsfluid, das die Wärmeübertragungsvorrichtung 4 durchströmt, ist insbesondere eine Flüssigkeit, beispielsweise ein Wasser-Glykol-Gemisch, kann aber
auch ein Gas sein.
Das erste Wärmeübertragungselement 6 ist ein Verbundmaterial. In einer ersten Ausführungsvariante weist es in der angegebenen Reihenfolge von innen nach außen übereinander eine erste Kunststoffschicht 13, eine erste leitfähige Schicht
14, eine zweite Kunststoffschicht 15 und eine zweite leitfrähige Schicht 16 auf.
Die erste leitfähige Schicht 14 weist eine elektrische Leitfähigkeit bei 25 °C nach DIN EN 50994:2017-11 von zumindest 1 S/m, insbesondere zwischen 1 x 10? S/m (1x 10 Exponent 2 S/m) und 1 x 10% S/m (1 x 10 Exponent 8 S/m), und/oder eine Wärmeleitfähigkeit bei 25 °C nach ASTM E1530 von zumindest 0,1 W/mK, insbesondere zwischen 20 W/mK und 450 W/mK auf. Es werden zwar metallische erste leitfähige Schichten 14 mit entsprechend höheren Werten für die elektrische Leitfähigkeit bzw. die Wärmeleitfähigkeit bevorzugt, allerdings können bei dünnen ersten leitfähigen Schichten 14 (siehe Angaben zur Schichtdicke im Folgenden) auch Werkstoffe mit niedrigen Werten von bis zu zumindest 1 S/m bzw. 0,1 W/mK ein-
gesetzt werden.
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Es sei jedoch darauf hingewiesen, dass die Schichtdickenangaben nicht für Werkstoffe mit einer niedrigen elektrischen Leitfähigkeit bzw. niedrigen Wärmeleitfähig-
keit beschränkt ist.
Die zweite leitfähige Schicht 16 weist eine elektrische Leitfähigkeit bei 25 °C nach DIN EN 50994:2017-11 von zumindest 1 S/m, insbesondere zwischen 1 x 10? S/m (1x 10 Exponent 2 S/m) und 1 x 10% S/m (1 x 10 Exponent 8 S/m), und/oder eine Wärmeleitfähigkeit bei 25 °C nach ASTM E1530 von zumindest 0,1 W/mK, insbesondere zwischen 20 W/mK und 450 W/mK auf. Auch für die zweite leitfähige Schicht 16 gilt, dass zwar metallische zweite leitfähige Schichten 14 mit entsprechend höheren Werten für die elektrische Leitfähigkeit bzw. die Wärmeleitfähigkeit bevorzugt sind, allerdings bei dünnen ersten leitfähigen Schichten 14 (siehe Angaben zur Schichtdicke im Folgenden) auch Werkstoffe mit niedrigen Werten von bis
zu zumindest 1 S/m bzw. 0,1 W/mK eingesetzt werden können.
Die erste Kunststoffschicht 13 ist unmittelbar anliegend an den zumindest einen Fluidkanal 9 und diesen begrenzend angeordnet, sodass das Arbeitsfluid, das im Betrieb der Wärmeübertragungsvorrichtung 4 durch den Fluidkanal 9 fließt in direktem Kontakt mit der ersten Kunststoffschicht 13 steht. Die zweite leitfähige Schicht 16 bildet bei dieser Ausführungsvariante die äußerste Schicht, die am wei-
testen vom Fluidkanal 9 entfernte Schicht des Verbundmaterials.
Gemäß einer Ausführungsvariante kann vorgesehen sein, dass die erste leitfähige Schicht 14 unmittelbar auf der ersten Kunststoffschicht 13, die zweite Kunststoffschicht 15 unmittelbar auf der ersten leitfähigen Schicht 14 und die zweite leitfä-
hige Schicht 16 unmittelbar auf der zweiten Kunststoffschicht 15 angeordnet sind.
Die erste leitfähige Schicht 14 kann durch Folie oder eine Bedampfung der ersten Kunststoffschicht 13, z.B. eine PVD-Schicht, gebildet sein. Die zweite leitfähige Schicht 16 kann durch Folie oder eine Bedampfung der zweiten Kunststoffschicht 15, z.B. eine PVD-Schicht, gebildet sein.
Die erste Kunststoffschicht 13 und/oder die zweite Kunststoffschicht 15 be-
steht/bestehen bevorzugt zu zumindest 80 Gew.-% bis 100 Gew.-% aus einem
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thermoplastischen Kunststoff oder einem Elastomer, d.h. aus einem Polymer. Der thermoplastische Kunststoff kann ausgewählt sein aus einer Gruppe umfassend bzw. bestehend aus Polyethylen (PE), Polyoxymethylen (POM), Polyamid (PA), insbesondere PA 6, PA 66, PA 11, PA 12, PA 610, PA 612, Polyphenylensulfid (PPS), Polyethylenterephthalat (PET), vernetzte Polyolefine, bevorzugt Polypropylen (PP), Polytetrafluorethylen (PTFE). Das Elastomer kann ausgewählt sein aus einer Gruppe umfassend bzw. bestehend aus thermoplastische Elastomere wie z.B. thermoplastische Vulkanisate, olefin-, amin-, ester-basierende, thermoplastische Polyurethane, insbesondere thermoplastische Elastomere auf Ether-/Ester
Basis, Styrol-Block-Copolymere, Silikonelastomere.
Es sei an dieser Stelle erwähnt, dass unter einem Polymer im Sinne der Erfindung ein synthetisches oder natürliches Polymer verstanden wird, das aus entsprechen-
den Monomeren hergestellt ist.
Vorzugsweise besteht die erste Kunststoffschicht 13 aus einer sogenannten Siegelfolie. Dies hat den Vorteil, dass z.B. das erste Wärmeübertragungselement 5 mit dem zweiten Wärmeübertragungselement 6 oder dem Schutzelement 8 direkt
miteinander verbunden werden können.
Die zweite Kunststoffschicht 15 kann insbesondere aus PA oder PET bestehen. Es besteht auch die Möglichkeit, dass die zweite Kunststoffschicht 15 aus mehreren Teilschichten besteht, beispielsweise aus einer Kombination aus PA und PET, wobei in diesem Fall die PET Teilschicht vorzugsweise weiter entfernt vom Fluid-
kanal 9 angeordnet ist als die PA Teilschicht.
Es ist aber auch möglich, andere Kunststoffe, wie z.B. duroplastische Kunststoffe bzw. duroplastische Werkstoffe einzusetzen, die dann beispielsweise mit einem Klebstoff miteinander verklebt werden. Hierzu eignen sich insbesondere Zweikomponenten Klebstoffsysteme auf Polyurethanbasis oder Silikonbasis oder auch
Heißklebesysteme.
Generell kann zwischen zwei Schichten des ersten Wärmeübertragungselements
6 eine Kleberschicht angeordnet sein, insbesondere vollflächig. Beispielsweise
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kann/können die erste Kunststoffschicht 13 mit der ersten leitfähigen Schicht 14 und oder die erste leitfähige Schicht 14 mit der zweiten Kunststoffschicht 15 und/oder die zweite Kunststoffschicht 15 mit der zweiten leitfähigen Schicht 16
über eine Kleberschicht (nicht dargestellt) verbunden sein.
Die erste leitfähige Schicht 14 und/oder die zweite leitfähige Schicht 16 ist/sind bevorzugt (eine) Metallschicht(en). Insbesondere ist die erste leitfähige Schicht 14 und/oder die zweite leitfähige Schicht 15 eine Aluminiumschicht bzw. bestehen aus dem gleichen metallischen Werkstoff. Es sind aber auch andere Metalle verwendbar, wie beispielsweise Kupfer oder Silber oder metallische Legierungen. Die erste leitfähige Schicht 14 und/oder die zweite leitfähige Schicht 16 kann/können aber auch durch einen anderen Werkstoff gebildet sein, wie beispielsweise durch ein leitfähiges Polymer, z.B. mit Graphit oder Ruß oder Metallpartikel oder Metallfasern versetzte Polymere, wie z.B. PE,PP,PA, PET, oder Polypyrrol oder Polyethin.
Die erste leitfähige Schicht 14 und/oder die zweite leitfähige Schicht 16 kann/können beispielsweise eine Schichtstärke zwischen 5 um und 100 um aufweisen. Nach einer Ausführungsvariante kann dabei vorgesehen sein, dass die zweite leitfähige Schicht 16 eine zweite Schichtdicke aufweist, die gleich oder größer ist zu einer ersten Schichtdicke der ersten leitfähigen Schicht 14. Es kann aber umgekehrt auch die erste leitfähige Schicht 14 eine größere Schichtdicke aufweist als die zweite leitfähige Schicht 16. Es sind aber auch Ausführungen mit einer Schichtdicke von weniger als 5 um möglich, indem beispielswiese ein Metall, insbesondere Aluminium, auf eine der Kunststoffschichten 13, 14 aufgedampft wird bzw. mittels eines PVD-Verfahrens abgeschieden wird. In diesem Fall kann/können die erste leitfähige Schicht 14 und/oder die zweite leitfähige Schicht 16 auch eine Schichtdicke von nur einigen Atomlagen (beispielswiese zwischen 2 und 10
Atomlagen) aufweisen.
Die zweite leitfähige Schicht 16 kann auch aus einem leitfähigem Aufdruck auf der Kunststoffschicht 15 bestehen. Beispielsweise kann die zweite leitfähige Schicht
16 aus einer Carbon Paste, einem Lack oder einem druckfähigen Material versetzt
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mit leitfähigen Partikeln, wie z.B. aus einem Metall oder Graphit, Ruß, hergestellt
sein.
Die erste Kunststoffschicht 13 und/oder die zweite Kunststoffschicht 15 kann/kön-
nen eine Schichtdicke zwischen 10 um und 200 um aufweisen.
Neben der Verbindung der Einzelschichten des ersten Folienmaterials über Klebstoffe kann auch die Coextrusion und die Extrusionsbeschichtung als Verbindungsmöglichkeit eingesetzt werden. Selbstverständlich ist auch eine Kombination möglich, dass mehrere Polymere coextrudiert und mit einer extrusionsbeschichteten Metallschicht miteinander klebekaschiert werden. Generell können sämtliche bekannte Verfahren zur Herstellung von Verbundfolien bzw. Folienlaminaten ver-
wendet werden.
Die zweite Kunststoffschicht 16 kann aus dem gleichen Polymer bestehen bzw. dieses umfassen wie die erste Kunststoffschicht 13. Die zweite Kunststoffschicht 16 kann aber auch aus einem anderen Polymer bestehen bzw. dieses umfassen. Beispielsweise kann die erste Kunststoffschicht 13 aus PP und die weitere Kunststoffschicht 15 aus PA oder PET oder PTFE bestehen bzw. diese Polymere um-
fassen.
Es sei noch einmal darauf hingewiesen, dass das erste und das zweite Wärmeübertragungselement 6, 7 gleich ausgebildet sein können. So zeigt die Fig. 5 auch für das zweite Wärmeübertragungselement 7 den vierschichtigen Schichtaufbau des ersten Wärmeübertragungselements 6, wobei die erste Kunststoffschicht 13 den Fluidkanal 9 begrenzend angeordnet ist, insbesondere diesen unmittelbar be-
grenzt und die zweite leifähige Schicht 16 die äußere Schicht bildet.
Die erste leitfähige Schicht 14 und die zweite leitfähige Schicht 16 kann/können gegenüber dem Fluidkanal 9 elektrisch isoliert im ersten Wärmeübertragungselement 6 angeordnet sein. Am einfachsten kann dies mit der ersten Kunststoffschicht 13 erreicht werden. Es können hierfür in dem ersten Wärmeübertragungselement 6 aber auch andere/zusätzliche Schichten vorgesehen sein, sodass die
erste leitfähige Schicht 14 und die zweite leitfähige Schicht 16 im Normalbetrieb
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der Wärmeübertragungsvorrichtung 4 also nicht in Kontakt mit dem Fluidkanal 9
stehen.
Sämtliche Schichten des ersten und/oder zweiten Wärmeübertragungselements 6, 7 weisen vorzugsweise die gleiche Flächenausdehnung auf, sind also vorzugsweise gleich groß. Weiter erstrecken sich vorzugsweise sämtliche Schichten durchgehend über zumindest 80 %, insbesondere 90 %, besonderes bevorzugt 100 %, über die Gesamtfläche der Schicht mit der größten Fläche. Mit anderen Worten ausgedrückt, sind insbesondere die beiden leitfähigen Schichten 14, 16
keine Schichten aus einzelnen Leiterbahnen.
Zudem sind vorzugsweise alle Schichten durchgehend über zumindest 80 %, insbesondere 90 %, besonderes bevorzugt 100 %, ihrer jeweils einer anderen
Schicht zugewandten Oberfläche mit dieser Oberfläche mit der jeweils unmittelbar benachbarten Schicht verbunden. Besonders bevorzugt sind die Schichten vollflä-
chig miteinander verbunden.
Das erste Wärmeübertragungselement 6 kann beispielsweise einen Schichtaufbau erste Kunststoffschicht 13 (z.B. aus PP) / erste Kleberschicht / erste leitfähige Schicht 14 (z.B. aus Al) / zweite Kleberschicht / zweite Kunststoffschicht 15 (z.B. aus PTFE) / dritte Kleberschicht / zweite leitfähige Schicht 16 (z.B. aus Al) aufweisen. Das erste Wärmeübertragungselement 6 kann aber auch einen Schichtaufbau erste Kunststoffschicht 13 (z.B. aus PP) / erste leitfähige Schicht 14 (z.B. aus Al) / zweite Kunststoffschicht 15 (z.B. aus PET) / zweite leitfähige Schicht 16 (z.B.
aus Al) aufweisen. Mischvarianten aus diesen
Die erste leitfähige Schicht 14 und/oder die zweite leitfähige Schicht 16 können für verschiedenste Zwecke eingesetzt werden. Beispielsweise kann damit Flüssigkeitsdichtheit der Wärmeübertragungsvorrichtung 4 verbessert oder die Dampfdurchlässigkeit werden. Andererseits sind damit aber auch Messverfahren möglich, beispielsweise die Feststellung eines Lecks in der Wärmeübertragungsvorrichtung 4, wozu der elektrische Widerstand zwischen den leitfähigen Schich-
ten 14, 16 überwacht wird. Die elektrische Leitfähigkeit kann aber auch für andere
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Zwecke eingesetzt werden, beispielsweise zur Erwärmung des Arbeitsfluids. Andererseits kann die Wärmeleitfähigkeit der leitfähigen Schichten 14, 16 für die Wärmeverteilung bzw. den Wärmetransport genutzt werden. Es ist auch möglich, in einer der beiden leitfähigen Schichten 14, 16 die elektrische Leitfähigkeit und in der anderen der beiden leitfähigen Schichten 14, 16 die Wärmeleitfähigkeit zu nut-
zen.
Unabhängig von der Anzahl an Kunststoffschicht 13, 15 im Schichtaufbau des ersten Wärmeübertragungselements 6 sind vorzugsweise sämtliche Kunststoffschichten 13, 15 aus einem Polymer gebildet, das aus den voranstehend genannten PoIymeren ausgewählt ist. Dabei können mehrere oder alle Kunststoffschicht 13, 15
aus dem gleichen Polymer gebildet sein, oder mehrere oder alle Kunststoffschicht
13, 15 aus unterschiedlichen Polymeren gebildet sein.
Dies trifft auch auf eine weitere, in Fig. 6 ausschnittsweise dargestellte Ausführungsvariante des Wärmeübertragungselements 6 zu. Es sei dazu auch auf die
voranstehenden Ausführungen verweisen.
Bei der in Fig. 6 gezeigten Ausführungsvariante weist das Verbundmaterial des ersten Wärmeübertragungselements 6 eine dritte Kunststoffschicht 17 auf, die auf der zweiten leitfähigen Schicht 16 angeordnet ist. Nach einer Ausführungsvariante kann das erste Wärmeübertragungselement 6 den Schichtaufbau erste Kunststoffschicht 13 (z.B. aus PP) / erste Kleberschicht / erste leitfähige Schicht 14 (z.B. aus Al) / zweite Kleberschicht / zweite Kunststoffschicht 15 (z.B. aus PTFE) / dritte Kleberschicht / zweite leitfähige Schicht 16 (z.B. aus Al), vierte Kleberschicht / dritte Kunststoffschicht 17 (z.B. aus PA oder PET) aufweisen. Das erste Wärmeübertragungselement 6 kann aber auch einen Schichtaufbau erste Kunststoffschicht 13 (z.B. aus PP) / erste leitfähige Schicht 14 (z.B. aus Al) / zweite Kunststoffschicht 15 (z.B. aus PET und/oder PA) / zweite leitfähige Schicht 16 (z.B. aus Al) / dritte Kunststoffschicht 17 (z.B. aus PET) aufweisen, sodass also die Schichten unmittelbar aufeinander angeordnet sind. Mischvarianten aus diesen Ausführungsvarianten sind auch hier möglich. Ebenso kann die dritte Kunststoffschicht 17 wie auch die zweite Kunststoffschicht 15 aus mehreren Teilschichten bestehen, wie
dies voranstehend für die zweite Kunststoffschicht 15 ausgeführt wurde.
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Bei dieser Ausführungsvariante besteht auch die Möglichkeit, dass die zweite leitfähige Schicht 16 auf die dritte Kunststoffschicht 17 aufgedruckt oder aufgedampft ist. Es sei dazu auf die voranstehenden Ausführungen betreffend das Aufdrucken bzw. Aufdampfen der zweiten leitfähigen Schicht 16 auf die zweite Kunststoff-
schicht 15 verwiesen.
Die dritte Kunststoffschicht 17 kann aus einem Polymer bestehen (= 100 Gew.- %) bzw. dieses zumindest zu 80 Gew.-% aufweisen, das aus den voranstehend genannten Polymeren für die erste und zweite Kunststoffschicht 13, 15 genannt wur-
den.
Die dritte Kunststoffschicht 17 kann eine Schichtdicke zwischen 10 um und 200
um aufweisen.
Sämtliche Kunststoffschichten 13, 15, 17 können eine gleich große oder eine unterschiedliche Schichtdicke aufweisen. Beispielsweise kann die erste Kunststoffschicht 13 eine Schichtdicke zwischen 40 um bis 150 um aufweisen. Die zweite und die dritte Kunststoffschicht 15, 17 können jeweils eine Schichtdicke zwischen 10 um und 50 um aufweisen. Die erste Kunststoffschicht 13 kann, verglichen mit der zweiten und dritten Kunststoffschicht 15, 17 die größte Schichtdicke aufwei-
sen.
Gemäß einer Ausführungsvariante dazu kann die dritte Kunststoffschicht 17 eine flüssigkeitsdichte (wasserdichte) Schicht sein und/oder eine Wasserdampfdurchlässigkeit gemäß DIN 53122-1 / DIN 53122-A von maximal 200 g/m?d, insbeson-
dere zwischen 100 g/m?d und 180 g/m*d, aufweisen.
Wie bereits voranstehend ausgeführt, kann nach eine Ausführungsvariante, die ausschnittsweise in Fig. 7 dargestellt ist, vorgesehen sein, dass der Elementkörper der Wärmeübertragungsvorrichtung 4 das Schutzelement 8 aus einem Werkstoff aufweist, der ein E-Modul nach ISO 527 von zumindest 100 MPa, insbesondere zwischen 3000 MPa und 15000 MPa, aufweist. Der Werkstoff kann beispielsweise ein faserverstärkter Kunststoff, wie z.B. ein glasfaser- bzw. generell (mine-
ral)faserverstärktes Polymer, wie PP, PAG, sein.
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Die Anbindung des ersten Wärmeübertragungselements 6 an das Schutzelement 8 kann beispielsweise direkt mit der ersten Kunststoffschicht 13 oder über einen
Klebstoff (beispielsweise einen der voranstehend genannten) erfolgen.
Das Schutzelement 8 kann eine Schichtdicke zwischen 1 mm und 10 mm aufwei-
sen.
Bei der in Fig. 7 dargestellten Ausführungsvariante bildet das Schutzelement 8 einen Teil des zumindest einen Fluidkanals 9. Das Schutzelement 8 kann aber auch das erste oder zweite Wärmeübertragungselement 6, 7 abdeckend angeordnet
sein.
Für den Fall, dass eine oder mehrere der leitfähigen Schicht(en) 14, 16 direkt auf die eine der Kunststoffschichten 12, 15, 17 aufgebracht wird oder werden, kann
dies beispielsweise auch mit einem Druckverfahren (z.B. Siebdruck, Rollendruck, Tintenstrahldruck, Gravurdruck, Tiefdruck, Flachdruck, Stempeldruck), durch Aufsprühen, Aufdampfen, Plasmabeschichten, Sputtern, Pulverbeschichten, etc., er-
folgen.
Die Ausführungsbeispiele zeigen bzw. beschreiben mögliche Ausführungsvarianten, wobei an dieser Stelle bemerkt sei, dass auch Kombinationen der einzelnen
Ausführungsvarianten untereinander möglich sind.
Der Ordnung halber sei abschließend darauf hingewiesen, dass zum besseren Verständnis des Aufbaus der Wärmeübertragungsvorrichtung 4 diese nicht zwin-
genderweise maßstäblich dargestellt ist.
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Bezugszeichenliste
Kraftfahrzeug
Elektromotor
Akkumulator Wärmeübertragungsvorrichtung
Speicherelemente Wärmeübertragungselement Wärmeübertragungselement Schutzelement
Fluidkanal Anschlusselement Anschlusselement Verbindungsbereich Kunststoffschicht
Schicht
Kunststoffschicht
Schicht
Kunststoffschicht
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Patentansprüche
1. Wärmeübertragungsvorrichtung (4) umfassend einen Elementkörper, der zumindest einen Fluidkanal (9) aufweist, wobei der Fluidkanal (9) zumindest teilweise von einem ersten Wärmeübertragungselement (6) gebildet ist, wobei das erste Wärmeübertragungselement (6) aus einem ersten Verbundmaterial gebildet ist, das in der angegebenen Reihenfolge übereinander eine erste Kunststoffschicht (13), eine erste leitfähige Schicht (14) und eine zweite Kunststoffschicht (15) aufweist, wobei die erste leitfähige Schicht (14) eine elektrische Leitfähigkeit bei 25 °C nach DIN EN 50994:2017-11 von zumindest 1 S/m und/oder eine Wärmeleitfähigkeit bei 25 °C nach ASTM E1530 von zumindest 0,1 W/mK aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Verbundmaterial auf der zweiten Kunststoffschicht (15) und damit verbunden eine zweite leitfähige Schicht (16) aufweist, die eine elektrische Leitfähigkeit bei 25 °C nach DIN EN 50994:2017-11 von zumindest 1 S/m und/oder eine Wärmeleitfähigkeit bei 25 °C nach ASTM E1530 von
zumindest 0,1 W/mK aufweist.
2. Wärmeübertragungsvorrichtung (4) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbundmaterial auf der zweiten leitfähigen Schicht (16)
eine dritte Kunststoffschicht (17) aufweist.
3. Wärmeübertragungsvorrichtung (4) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die dritte Kunststoffschicht (17) flüssigkeitsdicht und/oder eine Wasserdampfdurchlässigkeit gemäß DIN 53122-1 / DIN 53122-A von maximal 200
g/m?d aufweist.
4. Wärmeübertragungsvorrichtung (4) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und die zweite leitfähige Schicht (14, 16) aus einem metallischen Werkstoff, insbesondere aus dem gleichen metallischen Werkstoff bestehen.
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5. Wärmeübertragungsvorrichtung (4) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite leitfähige Schicht (16) eine zweite Schichtdicke aufweist, die gleich oder größer ist zu einer ersten Schichtdicke der ersten leitfähigen Schicht (14).
6. Wärmeübertragungsvorrichtung (4) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die erste leitfähige Schicht (14) unmittelbar auf der ersten Kunststoffschicht (13), die zweite Kunststoffschicht (15) unmittelbar auf der ersten leitfähigen Schicht (14) und die zweite leitfähige Schicht (16) unmittelbar
auf der zweiten Kunststoffschicht (15) angeordnet sind.
7. Wärmeübertragungsvorrichtung (4) nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die erste leitfähige Schicht (14) unmittelbar auf der ersten Kunststoffschicht (13), die zweite Kunststoffschicht (15) unmittelbar auf der ersten leitfähigen Schicht (14), die zweite leitfähige Schicht (16) unmittelbar auf
der zweiten Kunststoffschicht (15) und die dritte Kunststoffschicht (17) unmittelbar
auf der zweiten leitfähigen Schicht (16) angeordnet sind.
8. Wärmeübertragungsvorrichtung (4) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Elementkörper ein zweites Wärmeübertragungselement (7) aufweist, das gleich ausgebildet ist, wie das erste Wärmeüber-
tragungselement (6).
9. Wärmeübertragungsvorrichtung (4) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Elementkörper ein Schutzelement (8) aus einem Werkstoff aufweist, der ein E-Modul nach ISO 527 von zumindest 100 MPa
aufweist.
10. Akkumulator (3) mit zumindest ein Speicherelement (5) zur Speiche-
rung für elektrische Energie und zumindest einer Wärmeübertragungsvorrichtung
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(4) zur Kühlung oder Temperierung des Speicherelements (5), dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeübertragungsvorrichtung (4) nach einem der Ansprüche
1 bis 9 ausgebildet ist.
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Claims (10)

Patentansprüche
1. Wärmeübertragungsvorrichtung (4) umfassend einen Elementkörper, der zumindest einen Fluidkanal (9) aufweist, wobei der Fluidkanal (9) zumindest teilweise von einem ersten Wärmeübertragungselement (6) gebildet ist, wobei das erste Wärmeübertragungselement (6) aus einem ersten Verbundmaterial gebildet ist, das in der angegebenen Reihenfolge übereinander eine erste Kunststoffschicht (13), eine erste leitfähige Schicht (14) und eine zweite Kunststoffschicht (15) aufweist, wobei die erste leitfähige Schicht (14) eine elektrische Leitfähigkeit bei 25 °C nach DIN EN 50994:2017-11 von zumindest 1 S/m und/oder eine Wärmeleitfähigkeit bei 25 °C nach ASTM E1530 von zumindest 0,1 W/mK aufweist, und wobei die erste leitfähige Schicht (14) eine Metallschicht oder eine metallbedampfte Polymerschicht oder eine Polymerschicht aus einem leitfähigen Polymer ist, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Verbundmaterial auf der zweiten Kunststoffschicht (15) und damit verbunden eine zweite leitfähige Schicht (16) aufweist, die eine Metallschicht oder eine metallbedampfte Polymerschicht oder eine Polymerschicht aus einem leitfähigen Polymer ist und die eine elektrische Leitfähigkeit bei 25 °C nach DIN EN 50994:2017-11 von zumindest 1 S/m und/oder die eine Wärmeleitfähigkeit bei 25 °C nach ASTM E1530 von zumindest 0,1 W/mK
aufweist.
2. Wärmeübertragungsvorrichtung (4) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbundmaterial auf der zweiten leitfähigen Schicht (16)
eine dritte Kunststoffschicht (17) aufweist.
3. Wärmeübertragungsvorrichtung (4) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die dritte Kunststoffschicht (17) flüssigkeitsdicht ist.
4. Wärmeübertragungsvorrichtung (4) nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, dass die erste und die zweite leitfähige Schicht (14, 16)
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aus einem metallischen Werkstoff, insbesondere aus dem gleichen metallischen Werkstoff bestehen.
5. Wärmeübertragungsvorrichtung (4) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite leitfähige Schicht (16) eine zweite Schichtdicke aufweist, die gleich oder größer ist zu einer ersten Schichtdicke der ersten leitfähigen Schicht (14).
6. Wärmeübertragungsvorrichtung (4) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die erste leitfähige Schicht (14) unmittelbar auf der ersten Kunststoffschicht (13), die zweite Kunststoffschicht (15) unmittelbar auf der ersten leitfähigen Schicht (14) und die zweite leitfähige Schicht (16) unmittelbar
auf der zweiten Kunststoffschicht (15) angeordnet sind.
7. Wärmeübertragungsvorrichtung (4) nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die erste leitfähige Schicht (14) unmittelbar auf der ersten Kunststoffschicht (13), die zweite Kunststoffschicht (15) unmittelbar auf der ersten leitfähigen Schicht (14), die zweite leitfähige Schicht (16) unmittelbar auf der zweiten Kunststoffschicht (15) und die dritte Kunststoffschicht (17) unmittelbar auf der zweiten leitfähigen Schicht (16) angeordnet sind.
8. Wärmeübertragungsvorrichtung (4) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Elementkörper ein zweites Wärmeübertragungselement (7) aufweist, das gleich ausgebildet ist, wie das erste Wärmeüber-
tragungselement (6).
9. Wärmeübertragungsvorrichtung (4) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Elementkörper ein Schutzelement (8) aus einem faserverstärkter Kunststoff aufweist, der ein E-Modul nach ISO 527 von zumindest 100 MPa aufweist.
AB1L012/2025 (UZ A2023/8835835-A 1)
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10. Akkumulator (3) mit zumindest ein Speicherelement (5) zur Speicherung für elektrische Energie und zumindest einer Wärmeübertragungsvorrichtung (4) zur Kühlung oder Temperierung des Speicherelements (5), dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeübertragungsvorrichtung (4) nach einem der Ansprüche 1 bis 9 ausgebildet ist.
AB1012/2025 (UZ A2023/8835835-A 1)
29/29 ZULETZT VORGELEGTE ANSPRÜCHE
ATA51012/2023A 2023-12-15 2023-12-15 Wärmeübertragungsvorrichtung AT527873B1 (de)

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