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Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft einen Kühler, insbesondere für Batteriezellen, sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Kühlers.
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Im Zuge der wachsenden Bedeutung der Elektromobilität ist es erforderlich, Kühler für Batteriezellen vorzusehen, die elektrische Energie zu elektrischen Antrieben von Fahrzeugen, wie z.B. PKWs, liefern.
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Stand der Technik
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Insbesondere für zylindrische Batteriezellen ist es beispielsweise aus der
US 2008 311468 A1 bekannt, zahlreiche Flachrohre, die gewellt ausgeführt sein können, zur Kühlung zahlreicher zylindrischer Batteriezellen einzusetzen. Die Batteriezellen sind dabei typischerweise in den Wellentälern aufgenommen. Ähnliche Anordnungen gehen aus der
CN 205752451 U und
US 10020550 B2 hervor.
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Gemäß der
WO 2021/123550 A1 wird ein im Wesentlichen plattenförmiger Kühler U-förmig durchströmt, und gemäß der
CN 206505995 U wird ein Flachrohr in voneinander getrennten Hälften in entgegengesetzten Richtungen durchströmt.
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Darstellung der Erfindung
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Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen effizient herstellbaren und leckagefreien Kühler sowie ein Herstellungsverfahren hierfür bereitzustellen.
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Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt zum einen durch den in Patentanspruch 1 beschriebenen Kühler.
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Demzufolge weist dieser zumindest ein Flachrohr mit mehreren Strömungskanälen auf, die U-förmig durchströmbar sind. Ferner ist das Flachrohr mit einem Tank und einem zwischen dem Tank und dem Flachrohr angeordneten Dichtungselement verbunden, das eine Abdichtung zwischen unterschiedlich gerichteten Strömungswegen aufweist. Für die Verbindung des Flachrohrs mit dem Dichtungselement ist es ausreichend, wenn die genannten Bauteile dicht aneinander liegen, sodass die beschriebene Abdichtung erreicht werden kann. Diese Anordnungsbeziehung kann beispielsweise durch den nachfolgend beschriebenen Sammler bewirkt werden. Das Flachrohr wird somit insgesamt im Wesentlichen U-förmig durchströmt. Hierfür ist an dem dem Tank gegenüberliegenden Ende eine geeignete Umlenkung für die Strömung aus der einen in die andere Hälfte des Flachrohres vorgesehen.
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Das Flachrohr und die darin vorgesehenen, typischerweise mehreren Strömungskanäle erstrecken sich im Wesentlichen parallel und weisen eine in Strömungsrichtung gemessene Länge auf, die deutlich größer ist, beispielsweise mindestens dreimal so groß, wie eine hierzu senkrecht gemessene Breite. In einem Schnitt senkrecht zur Strömungsrichtung wird unter Breite diejenige Oberfläche des Flachrohrs verstanden, die wiederum deutlich größer ist als die Schmalseiten, beispielsweise mindestens fünfmal so groß.
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Der Kühler ist zum einen dadurch effizient herstellbar, dass das Flachrohr durch Extrudieren aus einer Aluminiumlegierung oder Aluminium hergestellt werden kann. Statt Extrudieren kann Rollumformung, mit anderen Worten Faltung, mit nachfolgendem Verschweißen oder Verlöten zum Einsatz kommen. Ferner kann der Tank, beispielsweise durch ein Spritzgussverfahren und typischerweise aus (Hart-)Kunststoff so hergestellt werden, dass er nicht nachbearbeitet werden muss. Für die notwendige Abdichtung zwischen den beiden Strömungswegen sorgt ein geeignetes Dichtungselement, das ebenfalls in effizienter Art und Weise, beispielsweise separat oder mittels eines Zwei-Komponenten-Spritzgussverfahrens einstückig an dem Tank aus einem Elastomer oder einem Thermoplast ausgebildet werden kann. Die Verbindung des Flachrohr und dem Tank kann in effizienter Weise durch Löten oder Schweißen und/oder Crimpen, bevorzugt mittels eines zusätzlichen Sammlers, wie unten genauer beschrieben, erfolgen. Hierbei kann das Dichtungselement in geeigneter Weise vor-komprimiert, bevorzugt infolge der Montage des Flachrohrs an den Tank, dazwischen angeordnet sein.
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Weitere bevorzugte Ausführungsformen sind in den weiteren Ansprüchen beschrieben.
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Bevorzugt weist der Tank eine im Querschnitt im wesentlichen V-förmige Aussparung auf, in der ein entsprechend geformter Steg des Dichtungselement aufgenommen ist, so dass für eine zuverlässige Dichtigkeit gesorgt wird.
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Dies wird weiter dadurch unterstützt, dass der Steg des Dichtungselements bevorzugt eine im Querschnitt bevorzugt rechtwinklige Aussparung zur Aufnahme des Flachrohrs aufweist.
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Bevorzugt ist das Dichtungselement mit Ausnahme eines Steges im Querschnitt im Wesentlichen kreisförmig, so dass sich im Wesentlichen die bewährten Eigenschaften eines O-Rings ergeben.
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Die Dichtigkeit wird besonders zuverlässig durch die bevorzugte Maßnahme erreicht, wonach der kreisförmige Querschnitt im Einbauzustand abgeflacht ist.
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Die Herstellbarkeit kann dadurch erleichtert werden, dass der im Wesentlichen V-förmige Steg des Dichtungselements an seiner Spitze gerundet ist.
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Die V-Form lässt sich mit der rechtwinkligen Aussparung für das Flachrohr besonders einfach dadurch kombinieren, dass das Dichtungselement an seinem Steg zwei Schenkel aufweist, deren Dicke sich in Richtung der Spitze des Stegs zumindest abschnittsweise verringert.
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Bevorzugt sind Schenkel des Dichtungselements mit einer Dicke, die geringer ist, als die größte Dicke der Schenkel, an den Bereich des Dichtungselements mit im wesentlichen kreisförmigem Querschnitt angebunden.
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Für die Dichtigkeit kann das Dichtungselement vor-komprimiert, bevorzugt infolge der Montage des Flachrohrs an den Tank, zwischen Tank und Flachrohr angeordnet sein.
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Besonders zuverlässig kann dies erreicht werden, wenn das Komprimieren des Dichtungselement infolge der Montage eines Sammlers an dem Tank erfolgt.
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Bevorzugt weist der Kühler zwischen dem Tank und dem Flachrohr wie erwähnt einen Sammler auf. Hierdurch kann das Flachrohr mit dem Sammler verschweißt oder verlötet, und der Sammler mit dem Tank vercrimpt werden. Der Sammler kann in effizienter Weise aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung bestehen und bevorzugt gestanzt und/oder gebogen sein und umgibt im Wesentlichen einen Endbereich des Flachrohrs.
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Eine besonders zuverlässige Abdichtung und Anordnungsbeziehung zwischen den genannten Komponenten ergeben sich, wenn der Tank einen Abschnitt des Dichtungselements aufnimmt, der für die Abdichtung der unterschiedlich gerichteten Strömungswege zueinander sorgt.
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Für die Zu- und Abführung von Kühlmittel ist der Tank bevorzugt einstückig mit zumindest zwei Fluidanschlüssen versehen, die bevorzugt jeweils zumindest ein Dichtelement aufweisen. Die Fluidanschlüsse können im Wesentlichen rohrförmig sein, wobei ein Endbereich einen kleineren Außen- und Innendurchmesser aufweisen kann. Der Außendurchmesser kann insbesondere so ausgeführt sein, dass der Fluidanschluss, bevorzugt mit einem oder mehreren Dichtungselementen, beispielsweise O-Ringen dazwischen, in den Endbereich eines identisch geformten Fluidanschlusses einer benachbarten Anordnung aus Flachrohr, Tank und Fluidanschlüssen, in den Endbereich mit größerem Innendurchmesser einsteckbar ist. Hierdurch kann eine Anordnung von zahlreichen parallel angeordneten Flachrohren ausgebildet werden, um zahlreiche Batteriezellen effizient zu kühlen.
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Der erfindungsgemäße Kühler eignet sich in besonderer Weise für zylindrische Batteriezellen, wenn die Flachrohre in einer Richtung senkrecht zur Strömungsrichtung und senkrecht zur breiteren Seite wellenförmig ausgebildet sind. Mit anderen Worten ist die Wellenform bei Blickrichtung auf eine der beiden Schmalseiten erkennbar. Die Wellenform kann jedoch auch entfallen, oder bei der genannten Blickrichtung kann das Flachrohr eine andere Gestalt aufweisen, die bspw. an prismatische, zu kühlende Zellen angepasst sein kann.
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Die Kapazität des erfindungsgemäßen Kühlers lässt sich weiter erhöhen, wenn sich Flachrohre zu beiden Seiten des Tanks, insbesondere diametral gegenüberliegend, erstrecken.
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Wie oben bereits angedeutet, können mehrere Kühler mit Flachrohren zur Ausbildung einer Kühlvorrichtung miteinander kombiniert werden, insbesondere derart, dass die Flachrohre bezüglich benachbarter Flachrohre um 180° verdreht sind. Hierdurch liegen sich Wellentäler gegenüber, in denen jeweils Batteriezellen, insbesondere zylindrische Batteriezellen, aufnehmbar sind.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ist in Anspruch 18 beschrieben und wurde vorangehend bereits erläutert. Es sei ferner erwähnt, dass sämtliche, im Zusammenhang mit dem Kühler vorangehend und nachfolgend angegebenen Merkmale auf das erfindungsgemäße Verfahren anwendbar sind und umgekehrt.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
- 1 eine Anordnung mehrerer erfindungsgemäßer Kühler mit zu kühlenden Batteriezellen;
- 2 den erfindungsgemäßen Kühler in einer perspektivischen Ansicht;
- 3 einen wesentlichen Abschnitt des erfindungsgemäßen Kühlers in einer perspektivischen Ansicht;
- 4 das Dichtungselement in einer perspektivischen Ansicht;
- 5 bis 7 einen wesentlichen Abschnitt des Dichtungselements in einer perspektivischen Schnittansicht, alleine, nicht eingebaut und eingebaut;
- 8 den Abschnitt von 3 in einer Explosionsdarstellung;
- 9 das dem Tank gegenüberliegende Ende eines Flachrohrs in einer perspektivischen Ansicht; und
- 10 und 11 das vorangehend genannte Ende in unterschiedlichen perspektivischen Schnittansichten; und
- 12 eine alternative Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kühlers.
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Ausführliche Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung
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1 zeigt den grundsätzlichen Aufbau einer Kühlvorrichtung 10 mit mehreren erfindungsgemäßen Kühlern 12, die in dem gezeigten Fall bei Betrachtung in Richtung der Schmalseite (in der Figur an der Ober- und Unterseite) wellenförmig gestaltet sind. Hierbei sind benachbarte Kühler 12 bezüglich einander um 180° verdreht, sodass sich jeweils Wellentäler gegenüberliegen, in denen beispielsweise zylindrische Batteriezellen 14 aufnehmbar sind. In der Figur ist für jeden Kühler 12 ein einziges Flachrohr 16 gezeigt, dessen obere und untere Hälfte in entgegengesetzten Richtungen durchströmbar sind. Hierdurch ergibt sich im Wesentlichen eine U-förmige Strömung ausgehend von einem Einlass, der nachfolgend noch genauer erläutert wird und sich in der 1 rechts, beispielsweise unten, befindet, in der Figur nach links zu einer Umlenkung am Ende, und zurück nach rechts zu einem Auslass, der sich beispielsweise in der Figur oben befindet. Wie zu erkennen ist, sind sämtliche Ein- und Auslässe jeweils miteinander verbunden und fluchten miteinander, sodass sämtliche Kühler, insbesondere deren Flachrohre 16, im Wesentlichen parallel angeordnet sind und beispielsweise durch den in der Figur ganz links zu erkennenden Einlass mit Kühlmittel versorgt werden können, und dieses durch den in der Figur ganz links und oben zu erkennenden Auslass wieder abführbar ist.
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Das in 2 dargestellte Flachrohr 16 weist zahlreiche, sich in der durch Pfeile angedeuteten Strömungsrichtung erstreckende Strömungskanäle auf und wird somit insgesamt, wie durch die Pfeile erkennbar, U-förmig durchströmt. Wie nachfolgend noch genauer beschrieben wird, ist das Flachrohr 16 mit einem Dichtungselement 20 dazwischen mit einem Tank 18 verbunden. Der Tank 18 weist im Wesentlichen einen umlaufenden Kragen 22 mit parallelen Langseiten und halbzylindrischen Enden zur Aufnahme des Flachrohrs 16 sowie, wie genauer in 6 bis 8 erkennbar, des Dichtungselements 20 auf. Ferner ist er bevorzugt einstückig mit bevorzugt kreiszylindrischen Fluidanschlüssen 24 versehen, die ein Ende mit größerem Durchmesser 26 und ein Ende mit kleinerem Durchmesser 28 aufweisen. Hier ist das Ende mit kleinerem Durchmesser 28 derart bemessen, dass es mit einem nicht dargestellten Dichtungselement dazwischen an dem Ende mit größerem Durchmesser 26 eines benachbarten Kühlers einführbar ist, sodass insgesamt die beispielhaft in 1 gezeigt Anordnung entsteht. In dem gezeigten Fall weist das Ende mit geringerem Durchmesser 28 zwei umlaufende Rillen 30 auf, in die jeweils beispielsweise ein Dichtungselement in Form eines O-Ringes 46 einsetzbar ist. Die Fluidanschlüsse 24 können wie erwähnt einstückig mit dem Tank 18 ausgeführt sein. Die Fluidschlüsse sind im Wesentlichen rohrförmig und erstrecken sich senkrecht zur Strömungsrichtung und senkrecht zur Breitseite der Flachrohre 16, die gemäß 1 bis 3 von links unten nach rechts oben verläuft.
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Aus 3 ergibt sich ergänzend, dass auch im Bereich des Tanks 18 im Wesentlichen im Bereich des Steges 32, der in dieser Figur abschnittsweise erkennbar ist, somit zwischen den Hälften des Flachrohrs 16 keine Strömungsverbindung besteht. Mit anderen Worten steht der in 2 oben gezeigte Fluidanschluss lediglich mit der oberen Hälfte des Flachrohrs in Fluidverbindung, und der untere mit der unteren Hälfte. Im Bereich dieser Verbindung sind jeweils zwei Rippen 54 zu erkennen, die der Erhöhung der Innendruckfestigkeit dienen. Sie erstrecken sich jeweils länglich im Wesentlichen parallel zu den Strömungskanälen des Flachrohrs 16 von dem jeweiligen Fluidanschluss 24 und enden vor dem Ende des Tanks in Richtung des Flachrohrs 16.
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Aus 3 ergibt sich ferner, dass der Tank jeweils einen Schlitz aufweist, durch den die Schnittebene von 3 verläuft und welcher der Fluidverbindung zwischen den Fluidanschlüssen 24 und dem Flachrohr 16 dient. Aus der Schnittansicht gemäß 3 senkrecht zur Strömungsrichtung in den Fluidanschlüssen 24 ist zu erkennen, dass das Flachrohr 16 ein verjüngtes Ende aufweisen kann, sodass ein Absatz 38 entsteht, der die Einführtiefe der Flachrohre 16 (in der Figur nach rechts, in den Sammler 40) begrenzt.
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Das in 4 im einzelnen gezeigte Dichtungselement 20 ist im Querschnitt betrachtet im Wesentlichen kreisförmig und entspricht in seiner Form insgesamt im Wesentlichen dem oben erwähnten Kragen des Tanks 18 mit parallelen Langseiten und halbkreisförmigen Enden. Die Langseiten können somit parallel und die Enden abgerundet sein.
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Aus der Ebene des Bereichs 60 mit Längsseiten und halbkreisförmigen Enden steht ein im Querschnitt betrachtet im Wesentlichen dreieckiger oder V-förmiger Steg 32 mit abgerundeter Spitze 56 vor, dessen am weitesten von der Ebene der Längsseiten des Dichtungselements 20 entferntes Ende somit abgeflacht und/oder abgerundet ist. Entlang der Längsseiten, also gemäß 4 und 5 von links nach rechts erstreckt sich der Steg 32 nur wenige Millimeter etwa in der Mitte entlang der Längsseiten und insbesondere deutlich kürzer als das Dichtungselement 20 insgesamt. Der Steg 32, der auch als Brücke bezeichnet werden kann, weist im Wesentlichen parallel zur Erstreckung der Längsseiten des Dichtungselements 20 ebene Außenflächen an seinen Schenkeln 58 auf. An seiner Innenseite ist der Steg 32 im Wesentlichen U-förmig ausgehöhlt, wobei die Schenkel des U im Wesentlichen parallel sind, und der Übergang zu dem Boden des U, in 4 und 5 oben, abgerundet ist. An jeden Schenkel des U schließt sich in dem gezeigten Fall eine Stufe 48 an, die im Wesentlichen einen Absatz bildet, der im Wesentlichen parallel zu dem Boden des U ist. Die beschriebene U-förmige Aushöhlung bildet im Wesentlichen eine rechtwinklige Aussparung zur Aufnahme des Flachrohrs 16. Die Dicke der Schenkel 58 verringert sich in Richtung der Spitze 56 des Stegs 32 zumindest abschnittsweise, nämlich im Bereich der Aussparung für das Flachrohr.
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Wie gezeigt sind die Schenkel 58 des Dichtungselements 20 mit einer Dicke, die geringer ist, als die größte Dicke der Schenkel 58, an den Bereich 60 des Dichtungselements mit im wesentlichen kreisförmigem Querschnitt angebunden.
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Wie genauer in 6 und 7 erkennbar, wird im Bereich des U ein Endabschnitt des Flachrohres 16 aufgenommen, und im Bereich der Stufen 48 befinden sich daran angrenzende Abschnitte eines genauer in 7 erkennbaren Sammlers 40.
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Während in 7 die Einbausituation mit dem Dichtungselement 20 im Schnitt dargestellt ist, ist zur Erläuterung in 6 der durch den Steg 32 abzudichtende Bereich 50 ohne das Dichtungselement gezeigt. Wie in Kombination mit 3 deutlich wird, werden dadurch die entgegengesetzten, in dem Flachrohr 16 herrschenden Strömungen voneinander abgegrenzt. Somit weist der Tank 18 eine im Querschnitt im wesentlichen V-förmige Aussparung 50, in dem gezeigten Fall mit einem Boden, auf, in der ein entsprechend geformter Steg 32 des Dichtungselement 20 aufgenommen ist. Wie durch die Kreise zu beiden Seiten des Flachrohrs 16 angedeutet ist, ist der kreisförmige Querschnitt des Dichtungselement 20, insbesondere infolge der Anbringung des Sammlers 40 an den Tank 18, abgeflacht, und somit das Dichtungselement komprimiert. Auch im Bereich des Steges 32 kann das Dichtungselement komprimiert sein, um die Dichtungswirkung besonders verlässlich zu gestalten.
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Wie ergänzend in 6-8 erkennbar ist, nimmt der Tank 18 in Richtung der Flachrohre 16 vollständig das Dichtungselement 20 auf. Dieses sorgt mittels des Steges 32 für eine Abdichtung zwischen den beiden Hälften des Flachrohrs 16.
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In 8 ist schließlich in der Explosionsdarstellung zu erkennen, wie sich an das Flachrohr 16 zunächst der daran geschweißte oder gelötete Sammler 40 anschließt, der mit dem Tank 18 vercrimpt werden kann. Hierfür sind an dem Sammler 40 geeignete Laschen 52 vorgesehen. Hierbei wird im Wesentlichen zwischen dem Sammler 40 und dem Tank 18 das Dichtungselement 20 aufgenommen und bevorzugt komprimiert. Hierdurch kann zum einen eine effiziente Herstellung und zum anderen eine zuverlässige Abdichtung zwischen den unterschiedlich gerichteten Strömungen erreicht werden. Ergänzend sind in 8, die an den Fluidanschlüssen 24 vorgesehenen, in dem gezeigten Fall zwei O-Ringe 46 gezeigt.
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Der Sammler 40 ist im Querschnitt betrachtet im Wesentlichen U-förmig und entspricht in seiner Form insgesamt im Wesentlichen dem oben erwähnten Kragen des Tanks 18, wie ergänzend aus 6 und 7 ersichtlich. Er ist in dem gezeigten Fall aus einem Blech, beispielsweise aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung gestanzt und gebogen.
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In den verbleibenden Figuren ist der Sammler 40 an dem zu dem Tank 18 entgegengesetzten Ende dargestellt. Dieser ist in dem gezeigten Fall aus einem Blech, beispielsweise aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung gestanzt und um das Flachrohr derart gebogen, dass die von der einen Hälfte des Flachrohrs 16 aufgenommene Strömung im Wesentlichen um 180° oder insgesamt U-förmig umgelenkt und in die andere Hälfte des Flachrohrs 16 geleitet wird. Wie in den Figuren zu erkennen ist, können eine obere und eine untere Hälfte des Sammlers 40 zueinander gebogen und mittels seitlicher Laschen 44 aneinander befestigt sein. Die beschriebenen Hälften können zusätzlich aneinander und mit dem Flachrohr 16 verlötet sein. Dies gilt beispielsweise für die in 10 zu erkennenden flächigen Bereiche 48.
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In 12 ist, gewissermaßen entsprechend einem Teil der in 1 gezeigten Anordnung eine alternative Ausführungsform eines Kühlers 12 gezeigt, bei der sich Flachrohre 16 diametral gegenüberliegend zu beiden Seiten des Tanks 18 erstrecken. Wie in 12 im Vergleich zu 3 erkennbar, wurde im Wesentlichen der Bereich des Tanks ohne die Fluidanschlüsse 24 an einer Mittellinie der Fluidanschlüsse 24 gespiegelt, und die Gestaltung beider spiegelsymmetrischen Hälften entspricht dem oben Beschriebenen.
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Jegliche hierin beschriebenen Merkmale können mit jeglichen Merkmalen kombiniert werden, die in den ebenfalls heute eingereichten Anmeldungen mit den Anwaltszeichen 248625 und 248459 beschrieben sind, solange sie einander nicht widersprechen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2008311468 A1 [0003]
- CN 205752451 U [0003]
- US 10020550 B2 [0003]
- WO 2021/123550 A1 [0004]
- CN 206505995 U [0004]
