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Die Erfindung betrifft eine Kühlvorrichtung zum Kühlen einer Batterie sowie eine Batterie-Anordnung mit einer solchen Kühlvorrichtung. Die Erfindung betrifft auch ein Kraftfahrzeug mit einer solchen Batterie-Anordnung. Schließlich betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen einer solchen Kühlvorrichtung.
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Wiederaufladbare Batteriesysteme für Elektrofahrzeuge mit rein elektrischem Antrieb sowie für Hybridfahrzeuge und Fahrzeuge mit Brennstoffzellen-Antrieb sind Gegenstand aktueller Forschung. Gegenwärtig werden in den genannten Fahrzeuggattungen bevorzugt Lithium-Ionen-Batterien eingesetzt, welche sich durch eine hohe Energiedichte und einen nur schwach ausgeprägten, unerwünschten Memory-Effekt auszeichnen. Die Fähigkeit einer wiederaufladbaren Batterie, verschiedene in Kraftfahrzeugen verbaute elektrische Verbraucher zuverlässig mit elektrischer Energie zu versorgen, hängt in erheblichem Maße von den in der Umgebung der Batterie herrschenden thermischen Bedingungen ab. Denn sowohl die beim Bereitstellen als auch bei der Aufnahme von elektrischer Energie – im Sinne eines Wiederaufladens – in der Batterie ablaufenden elektrochemischen Prozesse sind in nicht unerheblichem Maße von der Betriebstemperatur der Batterie abhängig. Umfangreiche Untersuchungen an verschiedenen Batteriesystemen auf Lithium-Ionen-Basis haben etwa gezeigt, dass unterhalb einer kritischen Temperatur, etwa im Bereich von ca. 0°C, die von der Batterie zur Verfügung gestellte elektrische Energiedichte im Vergleich zu höheren Betriebstemperaturen stark abnimmt. Unterhalb dieser Temperatur kann es zudem beim Laden zu einer Schädigung der Li-Ionen-Zelle kommen.
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Entscheidend für einen zuverlässigen und störungsfreien Betrieb besagter Batterien – dies gilt nicht nur für genannte Batterien auf Lithium-Ionen-Basis, sondern generell für beliebige wiederaufladbare Batteriesysteme – ist also die Schaffung thermisch wohldefinierter Umgebungsbedingungen. Dies bedeutet im Hinblick auf die etwa in einem Kraftfahrzeug betriebsmäßig auftretenden, erheblichen Temperaturschwankungen, dass diese durch geeignete, thermisch mit der Batterie gekoppelte Kühlvorrichtungen ausgeglichen werden müssen, um die Umgebungstemperatur der Batterie – und somit auch die Temperatur der Batterie selbst – innerhalb eines vorgegebenen Temperaturintervalls zu halten.
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Aus dem Stand der Technik sind Kühlvorrichtungen bekannt, die auf Kühlplatten basieren, die einen Kühlkanal ausbilden, der wiederum von einem Kühlmittel durchströmt wird. Die zu kühlende Batterie wird flächig an der Kühlplatte zur Anlage gebracht und auf diese Weise ein thermischer Kontakt zwischen Batterie und Kühlmittel hergestellt, so dass das Kühlmittel der Batterie Wärme entziehen und deren Temperatur folglich unter dem oben erwähnten, maximal zulässigen Grenzwert gehalten werden kann.
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Als bedeutsam bei solchen Kühlvorrichtungen erweist sich indes, dass sowohl für die Kühlplatten als auch für das Gehäuse ein Material mit hoher thermischer Leitfähigkeit gewählt werden muss, wenn eine hochwirksame thermische Kopplung zwischen Batterie und Kühlmittel erzielt werden soll. In Betracht kommen daher in besonderem Maße Metalle, die im Hinblick auf ihre Wärmeleitfähigkeit die gewünschten Eigenschaften besitzen. Wird jedoch als Material für die Kühlplatte bzw. das Batteriegehäuse ein Metall gewählt, so entsteht zwischen Kühlplatte und Batterie auch eine – aus sicherheitstechnischen Erwägungen heraus unerwünschte – elektrisch leitende Verbindung, wenn diese beiden Bauteile mechanisch miteinander in Kontakt gebracht werden. Daher wird in herkömmlichen Kühlvorrichtungen zwischen Kühlplatte und zu kühlender Batterie oftmals eine dünne Folie aus einem elektrisch isolierenden, gleichwohl thermisch gut leitenden Kunststoff angebracht, welcher die gewünschte elektrische Isolation zwischen Kühlplatte und Batterie bereitstellt, ohne dass dadurch der thermische Kontakt zwischen Kühlplatte und Batterie gefährdet wäre.
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Problematisch beim Aufbringen einer solchen Folie auf die die zu kühlende Batterie tragende Kühlplatte sind zwischen der Folie und der Kühlplatte in mehr oder weniger ausgeprägter Form entstehende, undefinierte Lufteinschlüsse, welche eine definierte thermische Kopplung zwischen Batterie und Kühlplatte und somit die Bereitstellung einer definierten Kühlleistung negativ zu beeinflussen vermögen.
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Derartige Lufteinschlüsse erfordern – wenn sie in hinreichend großer Anzahl bzw. Ausprägung auftreten – eine Nachbearbeitung der Anordnung aus Kühlplatte und darauf angebrachter Folie. In der Regel geht dies soweit, dass ein vollständiges Ablösen und erneutes Aufbringen besagte Folie auf die Kühllatte erforderlich wird. Viele in Frage kommende Kunststofffolien sind aufgrund ihres strukturellen Aufbaus jedoch nicht dazu geeignet, nach einem Ablösen erneut auf die Kühlplatte aufgebracht zu werden, da sie beim vorausgehenden Ablöse-Vorgang teilweise oder gar vollständig zerstört werden.
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Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Ausführungsform für eine Kühlvorrichtung zu schaffen, bei welcher die vorangehend erörterte Problematik nicht mehr auftritt.
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Die genannten Aufgaben werden durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
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Grundgedanke der Erfindung ist demnach, auf der der Kühlplatte zugewandten Seite der elektrisch isolierenden Folie – diese wird im Folgenden als erste Seite bezeichnet – eine Mehrzahl von von der Folie absehenden Vorsprüngen vorzusehen, oder auf einer der Folie zugewandten Seite der Kühlplatte – diese sei im Folgenden ebenso als erste Seite bezeichnet – eine Mehrzahl solcher, in letzterem Fall von der ersten Kühlplatte abstehende Vorsprünge anzuordnen. In einer Variante sei auch eine Kombination der beiden vorgenannten Szenarien von der hier vorgestellten Erfindung ausdrücklich umfasst. Besagte Vorsprünge gestatten es unabhängig davon ob auf der elektrisch isolierenden Folie, der Kühlplatte oder auf beiden Bauteilen vorgesehen – beim Aufbringen der Folie auf die Kühlplatte, zwischen diesen beiden Bauteilen etwaig vorhandener Luft, zu entweichen, so dass sich keine oder nur sehr wenige Lufteinschlüsse zwischen Folie und Kühlplatte ausbilden. Auf diese Weise wird die Wärmeleitung zwischen Kühlplatte und Batterie gegenüber herkömmlichen Kühlvorrichtungen, in welchen besagte Lufteinschlüsse in deutlich höherer Zahl vorhanden sind, maßgeblich verbessert.
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Die erfindungsgemäße Kühlvorrichtung erlaubt eine sehr gute thermische Ankopplung der zu kühlenden Batterie durch die elektrisch isolierende Folie hindurch an die Kühlplatte. Eine störende Minderung des thermischen Kontakts der Batterie mit der Kühlplatte aufgrund besagter Lufteinschlüsse lässt sich somit auf ein Mindestmaß reduzieren. Auch das eingangs erwähnte, u.U. erforderliche Ablösen der bereits an der Kühlplatte befestigten Folie und ein darauf folgendes erneutes Aufbringen kann bei der hier vorgestellten Kühlvorrichtung vermieden werden.
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Wie bereits erwähnt können die vorangehend beschriebenen Vorsprünge auf der Kühlplatte und auf der elektrisch isolierenden Folie in Kombination vorgesehen werden. Um die Zahl der beim Befestigen der beiden Bauteile aneinander entstehenden Lufteinschlüsse auf ein Minimum zu reduzieren, empfiehlt es sich, die Vorsprünge auf der elektrischen Isolation und auf der Kühlplatte derart anzuordnen, dass ein von der Kühlplatte abstehender Vorsprung in einen jeweiligen, zwischen benachbarten, von der elektrischen Isolation abstehenden Vorsprüngen gebildeten Zwischenraum eingreift und umgekehrt.
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Unter dem Begriff "Kühlplatte" sind im vorliegenden Zusammenhang auch ausdrücklich plattenartige ausgebildete Bauelemente gefasst, welche eine dreidimensionale geometrische Formgebung besitzen, so z.B. schalenartig ausgebildete Kühlplatten.
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Besonders gut lässt sich das Entstehen von Lufteinschlüssen bei gleichzeitig erzielbarer, hoher Haftwirkung der elektrisch isolierenden Folie an der Kühlplatte vermeiden, wenn die Mehrzahl von Vorsprüngen eine noppenartige Struktur ausbildet, d.h. jeder einzelne Vorsprung die geometrische Formgebung einer „Noppe“ besitzt. Die einzelnen Noppen mögen dabei etwa die geometrische Form abgestumpfter Kegel besitzen.
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Hinsichtlich der Anordnung einer solchen noppenartigen Struktur eröffnen sich dem einschlägigen Fachmann vielfältige Ausgestaltungsmöglichkeiten. Vorstellbar ist etwa, dass die noppenartige Struktur nur bereichsweise auf der Kühlplatte bzw. der elektrischen Isolation vorgesehen wird, wohingegen in anderen Bereichen auf eine solche Struktur verzichtet wird. Alternativ dazu kann besagte noppenartige Struktur aber auch im Wesentlichen vollständig über die gesamte erste Seite der Kühlplatte bzw. der elektrischen Isolation hinweg vorgesehen werden.
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Ähnliches mag für die Anordnung der einzelnen Noppen relativ zueinander gelten, die besonders bevorzugt derart erfolgen kann, dass die durch die Noppen gebildete Struktur bezüglich einer Draufsicht auf die erste Seite der ersten Kühlplatte bzw. der elektrischen Isolation ein definiertes Muster ausbildet. Besonders bevorzugt kann ein solches Muster ein rautenartiges Muster sein.
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Bei einer weiteren bevorzugten Ausgestaltungsvariante mag die noppenartige Struktur derart ausgebildet sein, dass sie sich in Folge eines im montierten Zustand der Kühlvorrichtung von außen wirkenden Anpressdrucks derart verhält, dass sie zu einer nahezu oder vollständig ebenen Struktur gepresst wird und sich so an die Zellen bzw. Batterie anlegt, dass etwaige Lufteinschlüsse vollständig verschwinden. In der Folge wird eine vorteilhafte, vollflächige Anlage der Folie möglich.
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Als besonders kritisch für die Ausbildung von unerwünschten Lufteinschlüssen erweist sich der Zeitpunkt, bei welchem die Folie erstmals mit der ersten Kühlplatte in Kontakt gebracht wird. Denn aufgrund der von der Folie erzeugten Haftwirkung lässt sich diese in der Regel nur mehr geringfügig oder gar nicht mehr lateral auf der Kühlplatte verschieben oder wieder von dieser ablösen, um störende Lufteinschlüsse zu beseitigen, sobald besagter Kontakt zwischen Kühlplatte und Folie erst einmal hergestellt ist. Hilfreich wäre es in diesem Zusammenhang folglich, wenn die Klebewirkung der Folie unmittelbar nach dem Aufbringen auf die Kühlplatte vorübergehend unterbunden werden könnte, da dies ein laterales Verschieben bzw. Ablösen der Folie – falls erforderlich – erheblich erleichtern würde. In einer weiterbildenden Ausführungsform wird daher vorgeschlagen, zwischen der ersten Kühlplatte und der elektrisch isolierenden Folie in den zwischen den Vorsprüngen ausgebildeten Zwischenräumen ein flüssiges Medium vorzusehen. Dieses sorgt beim Aufbringen der Folie auf die erste Kühlplatte für eine temporär verringerte Haftung der Folie an der Kühlplatte, so dass diese zur Beseitigung etwaiger Lufteinschlüsse lateral auf Kühlplatte bewegt oder wieder abgelöst werden kann. Der durch das flüssige Medium realisierte Flüssigkeitsfilm sollte dabei derart dünn ausgebildet sein, dass sich das flüssige Medium durch Leckage bzw. Verdampfung innerhalb einer vorbestimmten Zeitspanne wieder möglichst vollständig aus den Zwischenräumen verflüchtigen kann. Dann kann die elektrische Folie ihre vollständige Haft- bzw. Klebewirkung auf der Kühlplatte entfalten.
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Als Material für die elektrisch isolierende Folie kommen jedwede Stoffe in Betracht, welche einerseits elektrisch isolierende Eigenschaften besitzen, andererseits aber auch über eine hohe Wärmeleitfähigkeit verfügen. Als Materialien kommen daher Kunststoffe, bevorzugt Elastomere oder Silikone in Betracht, in ersterem Fall besonders bevorzugt thermoplastische Elastomere.
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Fertigungstechnisch besonders einfach herzustellen ist eine Ausführungsform, bei welcher wenigstens eine der beiden Kühlplatten schalenartig ausgebildet ist. Für den Fall, dass nur eine der beiden Kühlplatten die Form einer schale besitzt, bietet es sich an, die jeweils andere Kühlplatte deckelartig auszubilden, so dass sie die schalenartige Kühlplatte verschließt.
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Aus fertigungstechnischer Sicht besonders vorteilhaft mag eine Ausführungsform erachtet werden, bei welche die Vorsprünge integral an der Folie bzw. Kühlplatte ausgeformt sind.
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Die Erfindung betrifft weiterhin eine Batterie-Anordnung, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, mit einer Kühlvorrichtung mit einem oder mehreren der vorhergehenden genannten Merkmale sowie mit wenigstens einer Batterie, die auf einer von der ersten Kühlplatte abgewandten, zweiten Seite der elektrischen Isolation angeordnet ist.
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Die Erfindung betrifft auch Kraftfahrzeug mit wenigstens einer vorangehend vorgestellten Batterie-Anordnung.
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Schließlich betrifft die Erfindung auch ein Verfahren zum Herstellen der vorangehend erörterten einer Kühlvorrichtung, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: a) Bereitstellen einer ersten Kühlplatte, und b) Aufbringen einer elektrisch isolierenden Folie auf einer ersten Seite der Kühlplatte durch Ausrollen auf oder Kühlplatte und/oder Anpressen der Folie auf der Kühlplatte. Die an der Folie bzw. auf der Kühlplatte vorgesehenen Vorsprünge bewirken zusammen mit einem Ausrollen bzw. Anpressen der Folie an der Kühlplatte, dass die Ausbildung von Lufteinschlüssen zwischen Folie und Kühlplatte weitgehend oder gar vollständig vermieden werden kann.
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In einer weiterbildenden Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens kann dieses den folgenden, dem Schritt b) vorgeschalteten Verfahrensschritt b0) aufweisen: b0) Aufbringen eines Flüssigkeitsfilms auf der ersten Seite der ersten Kühlplatte. Dies bewirkt beim sukzessiven Aufbringen der Folie auf die Kühlplatte gemäß Schritt b) dann eine temporär verringerte Haftung der Folie an der Kühlplatte, so dass diese zur Beseitigung etwaiger Lufteinschlüsse lateral auf Kühlplatte bewegt oder wieder abgelöst werden kann.
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Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Komponenten beziehen.
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Es zeigen, jeweils schematisch
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1 ein Beispiel einer erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung 1 in einem nicht montierten Zustand in einem Querschnitt,
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2 die Kühlvorrichtung der 1 in einem montierten Zustand,
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3 eine Draufsicht auf die erste Kühlplatte der Kühlvorrichtung der 1.
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1 zeigt grobschematisch in einem Längsschnitt eine erfindungsgemäße Kühlvorrichtung 1 in einem nicht-montierten Zustand, 2 zeigt die Kühlvorrichtung 1 demgegenüber in einem montierten Zustand.
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Die Kühlvorrichtung 1 umfasst eine erste Kühlplatte 2a, welche mittels einer Lötverbindung derart mit einer zweiten Kühlplatte 2b verbunden ist, dass zwischen den beiden Kühlplatten 2a, 2b ein Fluidkanal 4 ausgebildet wird, welcher von einem Kühlmittel durchströmt werden kann. Im Beispiel der 1 ist die zweite Kühlplatte 2a schalenartig, die erste Kühlplatte 2a hingegen deckelartig ausgebildet. In Varianten sind jedoch auch selbstverständlich andere Kombinationen vorstellbar, beispielsweise derart, dass beide Kühlplatten 2a, 2b jeweils halbschalenartig ausgebildet sind. Auf diese Weise kann eine auf einer von der zweiten Kühlplatte 2b abgewandten, ersten Seite 3 der ersten Kühlplatte 2a angeordnete Batterie 5 durch thermische Wechselwirkung der Batterie 5 mit dem Kühlmittel gekühlt werden.
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Zwischen erster Kühlplatte 2a und Batterie 5 ist eine elektrisch isolierende Folie 6 vorgesehen, welche auf die erste Seite 3 der Kühlplatte 2a aufgebracht wird, bevor die zu kühlende Batterie an der ersten Kühlplatte 2a einschließlich besagter Folie 6 montiert wird. Die elektrisch isolierende Folie 6 ist in den Figuren zum Zwecke der besseren Darstellbarkeit gegenüber den Kühlplatten 2a, 2b und der Batterie 5 stark vergrößert gezeigt. Als Material für die elektrisch isolierende Folie 6 kommen Stoffe in Betracht, welche einerseits elektrisch isolierende Eigenschaften besitzen, andererseits aber auch über eine hohe Wärmeleitfähigkeit verfügen. Als Materialien eignen sich daher insbesondere Kunststoffe, bevorzugt Silikone oder Elastomere. In letzteren Fall bietet sich insbesondere die Verwendung thermoplastischer Elastomere an.
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Auf der ersten Seite 3 der ersten Kühlplatte 2a ist eine Mehrzahl von Vorsprüngen 7a vorgesehen, die von der ersten Kühlplatte 2a zur Folie 6 hin abstehen. Diese können die Gestalt von Erhöhungen oder Ausprägungen besitzen. Entsprechend ist auf einer der ersten Kühlplatte 2a zugewandten Seite 11 der elektrisch isolierenden Folie 6 eine Mehrzahl von Vorsprüngen 7b vorgesehen, die von der elektrisch isolierenden Folie 6 zur ersten Kühlplatte 2a hin abstehen. Die Vorsprünge 7a, 7b sind dabei jeweils integral an der Kühlplatte 2a bzw. der Folie 6 ausgeformt. In konstruktiv vereinfachten Varianten des Beispiels kann entweder auf die Bereitstellung von Vorsprüngen 7a, 7b entweder auf der Kühlplatte 2a oder auf der Folie 6 verzichtet sein.
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Die Vorsprünge 7a, 7b bilden jeweils eine noppenartige Struktur 9 aus, d.h. jeder einzelne Vorsprung 7a, 7b weist die geometrische Formgebung einer „Noppe“ auf. Die einzelnen Noppen können beispielsweise die geometrische Formgebung abgestumpfter Kegel besitzen. Hinsichtlich der Anordnung einer solchen noppenartigen Struktur 9 eröffnen sich dem Fachmann vielfältige Ausgestaltungsmöglichkeiten. Möglich ist etwa, dass die noppenartige Struktur 9 nur bereichsweise auf der Kühlplatte 2a bzw. der elektrischen Isolation 6 vorgesehen wird, wohingegen in anderen Bereichen auf eine solche Struktur 9 verzichtet wird. Alternativ dazu kann besagte noppenartige Struktur 9 aber auch im Wesentlichen vollständig über die gesamte erste Seite 3 der ersten Kühlplatte 2a bzw. der elektrischen Isolation 6 hinweg vorgesehen werden.
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Im Beispiel der 3, welche schematisch eine Draufsicht auf die erste Kühlplatte 2a ohne darauf angebrachter Folie zeigt, ist auf der ersten Seite 3 der zweiten Kühlplatte nur bereichsweise eine noppenartige Struktur vorgesehen, so dass sich ein rautenartiges Muster ergibt. Selbstverständlich können in Varianten auch andersartige Muster vorgesehen sein.
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Die Vorsprünge 7a, 7b sind auf der elektrischen Isolation 6 bzw. auf der ersten Kühlplatte 2a derart angeordnet, dass ein jeweiliger von der ersten Kühlplatte 2a abstehender Vorsprung 7a in einen Zwischenraum, der von benachbarten, von der elektrischen Isolation 6 abstehenden Vorsprüngen 7b gebildet wird, eingreift. Umgekehrt greift ein von der Isolation 6 abstehender Vorsprung 7b in einen durch zwei benachbarte Vorsprünge 7a gebildeten Zwischenraum ein.
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Die Vorsprünge 7a, 7b verhindern die Ausbildung unerwünschter Lufteinschlüsse beim Aufbringen der Folie 6 auf die Kühlplatte 2a gegenüber herkömmlichen Kühlplatten bzw. Folien ohne solche Vorsprünge 7a, 7b wenigstens teilweise, im Idealfall sogar vollständig. Auf diese Weise wird die Wärmeleitung zwischen Kühlplatte 2a und Batterie 5 gegenüber herkömmlichen Kühlvorrichtungen, in welchen besagte Lufteinschlüsse in deutlich höherem Maße vorhanden sind, stark verbessert.
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In einer Variante des Beispiels der 1 kann vor dem Aufbringen der elektrisch isolierenden Folie 6 auf die erste Kühlplatte 2a zunächst ein Flüssigkeitsfilm aus einem flüssiges Medium auf die erste Kühlplatte aufgebracht werden, welcher in den 1 nur grobschematisch angedeutet und mit dem Bezugszeichen 8 bezeichnet ist. Dieser sorgt beim anschließenden Aufbringen der Folie 6 auf die erste Kühlplatte 2a – etwa in der Form eines „teigartigen“ Ausrollens und eines damit verbundenen Anpressens der Folie 6 auf die Kühlplatte 2a für eine vorübergehend verringerte Haftung der Folie 6 an der Kühlplatte 2a, so dass diese zur Beseitigung etwaig noch vorhandener Lufteinschlüsse lateral auf Kühlplatte 2a bewegt oder sogar wieder abgelöst werden kann. Der durch das flüssige Medium realisierte Flüssigkeitsfilm 8 sollte eine hinreichend geringe Filmdicke aufweisen, so dass sich das flüssige Medium durch Leckage bzw. Verdampfung innerhalb einer vorbestimmten Zeitspanne wider möglichst vollständig aus den Zwischenräumen verflüchtigen kann. Danach kann die elektrische Folie 6 ihre vollständige Haft- bzw. Klebewirkung auf der Kühlplatte 2a entfalten.
