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Die
Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer
Energie in einem Kraftfahrzeug, welche mindestens ein thermoelektrisches
Element, ein wärmeerzeugendes Fahrzeugaggregat und ein
Kühl- oder Schmiermittelkreislauf mit einem Wärmetauscher
zur Kühlung des Kühl- oder Schmiermittels des
Kühl- oder Schmiermittelkreislaufs umfasst.
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Unter
einem thermoelektrischen Element ist hierbei eine Vorrichtung zu
verstehen, die eine an ihr anliegende Temperaturdifferenz nutzt,
um elektrische Energie zu erzeugen – auch bekannt als thermoelektrischer
Generator. Das Fahrzeugaggregat kann beispielsweise ein elektrisches
oder thermodynamisches Antriebsaggregat, ein Getriebe oder eine
Dauerbremse für länger anhaltendes Bremsen des
Fahrzeugs sein.
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Aus
der
DE 11 2005
001 368 T5 ist ein thermoelektrisch verstärktes
Antriebssystem für ein Hybridelektrofahrzeug bekannt, bei
welchem eine thermoelektrische Vorrichtung die Abwärme
von Abgasen einer Brennkraftmaschine nutzt, um elektrische Energie
zu erzeugen. Die thermoelektrische Vorrichtung ist dabei thermisch
zwischen einem in einer Abgasleitung angeordneten Wärmesammler
und einem Kühlmechanismus angeordnet, das heißt
sie steht mit einer Seite in thermischen Kontakt mit dem Wärmesammler
und mit einer weiteren Seite in thermischen Kontakt mit dem Kühlmechanismus.
Die
DE 11 2005
001 368 T5 setzt das Vorhandensein oder den Betrieb einer
Brennkraftmaschine als Wärmequelle voraus, somit ist die
Vorrichtung nicht für reinen Elektrofahrzeugen oder Fahrzeuge
mit abgeschalteter Brennkraftmaschine geeignet.
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Die
DE 10 2007 017 461
A1 offenbart ein wartungsarmes elektrisches Messinstrument
mit einem Thermogenerator zur Erzeugung der von dem Messinstrument
benötigten elektrischen Energie. Das Messinstrument kann
als Durchflussmengenmesser ausgeführt sein und Temperaturgefälle
zwischen einem Getriebeöl und einer Umgebung nutzen.
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Aufgabe
der Erfindung ist es nun die Energieausbeute eines thermoelektrischen
Elementes in einem Kraftfahrzeug zu verbessern.
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Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst,
dass das thermoelektrische Element thermisch zwischen einer warmen
Eintrittseite des Wärmtauschers und einer kühlen
Ein- oder Austrittseite des Wärmetauschers angeordnet ist.
Dies bedeutet, dass das thermoelektrische Element mit einer Seite
in thermischen Kontakt mit der warmen Eintrittseite des Wärmtauschers
steht, über welche das von dem Fahrzeugaggregat erwärmte
Kühl- oder Schmiermittel hineinströmt und mit
einer anderen Seite mit einer kühlen Ein- oder Austrittseite
des Wärmetauschers in thermischen Kontakt steht, wodurch die
Temperaturdifferenzen zwischen den beiden Seiten des thermoelektrischen
Elements hoch ist und somit eine hohe elektrische Leistung und daher
Energieausbeute an dem thermoelektrischen Element abrufbar ist.
Diese elektrische Energie kann direkt einem spezifischen Verbraucher
im Fahrzeug zugeführt werden oder einem Bordnetz des Fahrzeugs
zur Versorgung aller elektrischen Verbraucher des Fahrzeugs zugeführt
werden. Die elektrische Energie kann selbstverständlich
auch in einem Energiespeicher des Fahrzeugs zur späteren
Verwendung gespeichert werden. Der thermische Kontakt kann insbesondere über
Wärmebrücken, beispielsweise Wärmeleitelemente,
hergestellt werden.
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Es
sei an dieser Stelle angemerkt, dass ein derartiger Wärmetauscher
Wärme zwischen einem ersten kalten und einem zweiten warmen
Medium überträgt und hierzu eine kühle
Eintrittseite für das kalte erste Medien aufweist, über
welche es in den Wärmetauscher einströmt und eine
warme Austrittseite, über welche es anschließend
aus dem Wärmetauscher aufgewärmt ausströmt.
Des Weiteren verfügt ein derartiger Wärmetauscher über
eine warme Eintrittseite für das warme Medium, über
welche es in den Wärmetauscher einströmt und eine
kühle Austrittseite, über welche es anschließend
aus dem Wärmetauscher gekühlt ausströmt.
Die Ein- und Austrittseiten des Wärmetauschers können
insbesondere als von dem Wärmetauscher wegführende
bzw. zu dem Wärmetauscher hinführende Leitungen,
beispielsweise Rohrleitungen, ausgeführt sein.
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In
einer ersten bevorzugten Weiterbildung der Erfindung gibt der Wärmetauscher
die Wärme des Fahrzeugaggregats an eine Umgebung des Fahrzeugs
ab. Dabei ist das thermoelektrische Element zwischen der warmen
Eintrittseite und der kühlen Austrittseite des Wärmetauschers
angeordnet. Der Wärmetauscher kann dann insbesondere als Flüssigkeit-Luft-Wärmetauscher
ausgeführt sein, um die Wärme über ein
flüssiges Kühl- oder Schmiermittel, beispielsweise Öl
oder Wasser, aus dem Fahrzeugaggregat zu transportieren und im Wärmetauscher
an die Umgebungsluft abzuführen. Eine derartige Vorrichtung
zur Erzeugung elektrischer Energie ist einfach und mit wenigen Bauteilen
aufgebaut und daher kostengünstig. Bei dem Flüssigkeit-Luft-Wärmetauscher
strömt das von dem Fahrzeugaggregat aufgewärmte
Kühl- oder Schmiermittel über die warme Eintrittseite
in den Wärmetauscher ein und abgekühlt über
die kühle Austrittsseite aus, und es strömt kalte
Luft über die kühle Eintrittseite ein und von
dem Kühl- oder Schmiermittel in dem Wärmetauscher
aufgewärmt über die warme Austrittseite aus.
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Eine
zweite bevorzugten Weiterbildung der Erfindung umfasst des Weiteren
einen zusätzlichen Kühlmittelkreislauf mit einem
zusätzlichen Wärmetauscher, welcher derart mit
dem Kühl- oder Schmiermittelkreislauf verschaltet ist,
dass er die Wärme des Fahrzeugaggregates von dem Kühl-
oder Schmiermittelkreislauf über den Wärmetauscher
aufnimmt und diese über den zusätzlichen Wärmetauscher
an die Umgebung des Fahrzeugs abgibt. Dabei ist das thermoelektrische
Element thermisch zwischen der warmen Eintrittseite und der kühlen
Eintrittseite des Wärmetauschers angeordnet. Der Wärmetauscher kann
dann insbesondere als Flüssigkeit-Flüssigkeit-Wärmetauscher
ausgeführt sein, um die Wärme über ein
flüssiges Kühl- oder Schmiermittel aus dem Fahrzeugaggregat
zu transportieren und im Wärmetauscher an den zusätzlichen
Kühlmittelkreislauf zu übertragen, wohingegen
der zusätzliche Wärmetauscher dann insbesondere
als Flüssigkeit-Luft-Wärmetauscher ausgeführt
sein kann, um diese Wärme über ein Kühlmittel
aus dem Wärmetauscher zu transportieren und schließlich über
den zusätzlichen Wärmetauscher an die Umgebungsluft
des Fahrzeugs abzuführen. Durch eine derartige Vorrichtung können
Kühl- und Schmiermittelkreislauf getrennt werden, oder
zwei Kühlkreisläufe mit unterschiedlichen Kühlmitteln
verwendet werden, welche an die jeweiligen Bedingungen im Kühlmittelkreislauf
besser angepasst sind.
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Vorteilhaft
ist das Fahrzeugaggregat ein Fahrzeuggetriebe, da über
die Reibung der Getriebebauteile eine große Menge Wärme
erzeugt wird, die bisher weitestgehend ungenutzt an die Fahrzeugumgebung
abgegeben wird. Insbesonders Automat- oder Doppelkupplungsgetriebe
weisen auf Grund überschneidender Kupplungsöffnungszeiten, Schleppmomente
und Wandlerverluste gegenüber Handschaltgetrieben eine
erhöhte Wärmeproduktion auf, wodurch sich diese
Getriebetypen besonders zur Gewinnung elektrischer Energie aus Wärme
eignen.
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Das
Fahrzeugaggregat kann vorteilhaft jedoch auch ein elektrodynamischer
Retarder oder ein hydrodynamischer Retarder sein, welche im Betrieb, insbesondere
als Dauerbremse zur Entlastung der Betriebsbremse eines Fahrzeugs,
ebenfalls eine große Wärmemenge erzeugen, die
mittels der Erfindung zumindest zum Teil in nutzbare elektrische
Energie umwandelbar ist.
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Besonders
bevorzugt ist das thermoelektrische Element direkt an ein elektrisches
Bauteil des Fahrzeugaggregates zu dessen elektrischen Versorgung
angeschlossen, wodurch elektrische Leitungen kurz ausgeführt
sein können und eine autarke Energieversorgung des Bauteils
bereitgestellt werden kann. Insbesondere kann das Bauteil zumindest
ein Aktuator, ein Steuergerät oder ein Sensor des Fahrzeugaggregates
sein. So ist es beispielsweise möglich das Fahrzeugaggregat
als elektrodynamischer Retarder auszuführen und ein Teil
der zum Betrieb verwendeten elektrischen Energie direkt aus der
Abwärme des Retarders zu erzeugen. Das elektrische Bauteil
kann in diesem Fall eine elektrische Spule oder eine Vorrichtung
zu Regelung der elektrischen Spule sein, welche in dem elektrodynamischen
Retarder die Bremskraft hervorruft.
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Im
Folgenden wird die Erfindung anhand von Beispielen und Zeichnungen
näher erläutert aus welchen weitere vorteilhafte
Ausgestaltungen entnommen werden können.
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Es
zeigen jeweils in schematischer Darstellung,
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1 eine
Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie bei welcher ein thermoelektrisches Element
zwischen einer warmen Eintrittseite und einer kühlen Austrittseite
des Wärmetauschers angeordnet ist;
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2 eine
Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie bei welcher ein thermoelektrisches Element
zwischen einer warmen Eintrittseite und einer kühlen Eintrittseite
des Wärmetauschers angeordnet ist.
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Die
in 1 dargestellte Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer
Energie ist in einem nicht gezeigten Kraftfahrzeug angeordnet und
weist ein wärmeerzeugendes Fahrzeugaggregat 1 und
ein Kühl- oder Schmiermittelkreislauf 2 mit einem
Wärmetauscher 3 zur Kühlung des in dem
Kühl- oder Schmiermittelkreislauf 2 zirkulierenden
Kühl- oder Schmiermittels auf. Die Zirkulationsbewegung
kann mittel Konvektion erfolgen oder, wie dargestellt, mittel einer in
dem Kühl- oder Schmiermittelkreislauf 2 angeordneten
Pumpe 4.
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Der
Wärmetauscher 3 verfügt über
eine warme Eintrittseite 3A, über welche das durch
das Fahrzeugaggregat 1 erwärmte Kühl-
oder Schmiermittel in den Wärmetauscher 3 hineinströmt
und eine kühle Austrittseite 3B, über
welche das in dem Wärmetauscher 3 abgekühlte
Kühl- oder Schmiermittel hinausströmt. Darüber
hinaus weist der Wärmetauscher 3 eine kühle
Eintrittseite 3C auf, über welche Umgebungsluft
des Fahrzeugs durch ein Gebläse 5 in den Wärmetauscher
geblasen wird und er weist eine warme Austrittseite 3D auf, über
welche die in dem Wärmetauscher 3 von dem Kühl-
oder Schmiermittel erwärmte Umgebungsluft aus dem Wärmetauscher 3 austritt.
Innerhalb des Wärmetauschers 3 findet somit eine Übertragung
der Wärme des Kühl- oder Schmiermittels auf die
in den Wärmetauscher 3 geblasene Umgebungsluft
statt, wozu der Wärmetauscher als Flüssigkeit-Luft-Wärmetauscher
ausgeführt ist. Der Luftstrom durch den Wärmetauscher 3 ist
in 1 durch die strichlierten Pfeile angedeutet und der
Kühl- oder Schmiermittelstrom durch den Wärmetauscher
ist durch den durchgehenden Pfeil angedeutet. Nicht dargestellt
ist, dass das Kühl- oder Schmiermittels innerhalb des Fahrzeugaggregates an
geeignete Kühl- oder Schmierstellen, wie zum Beispiel Lagerungen,
Kupplungen oder Bremsen, geleitet wird. Das Kühl- oder
Schmiermittel strömt somit aufgewärmt aus dem
Fahrzeugaggregat 1 in den Wärmetauscher 3,
wo es abgekühlt wird und von dort wieder zurück
in das Fahrzeugaggregat 1 gepumpt wird.
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Zwischen
der warmen Eintrittseite 3A des Wärmetauschers 3 und
der kühlen Austrittseite 3B ist ein thermoelektrisches
Element 6 thermisch angeordnet, das heißt das
thermoelektrisches Element 6 ist mit einer Seite in thermischen
Kontakt mit der warmen Eintrittseite 3A und mit einer anderen
Seite in thermischen Kontakt mit der kühlen Austrittseite 3B. Der
thermische Kontakt wird jeweils über eine Wärmebrücke 7 hergestellt.
Die Wärmebrücken 7 können insbesondere
Wärmeleitelemente aus Kupfer sein, welche an den Leitungen
des Kühl- oder Schmiermittelkreislaufs 2 im Bereich
der warmen Eintrittseite 3A, beziehungsweise der kühlen
Austrittseite 3B, angeordnet sind oder dort in die Leitungen
hineinreichen oder dort selbst Teil der Leitungen sind – Kupfer,
da dieses Metall über einen besonders hohen Wärmeleitwert
verfügt. Das thermoelektrische Element 6 ist elektrisch
direkt an ein elektrisches Bauteil 9 des Fahrzeugaggregates 1 angeschlossen,
welches durch das thermoelektrische Element 6 mit elektrischer
Energie versorgt wird. Das elektrische Bauteil 9 kann statt
auf oder an dem Fahrzeugaggregat 1 auch innerhalb des Fahrzeugaggregates 1 angeordnet
sein und insbesondere ein Steuergerät, ein Aktuator oder
ein Sensor des Fahrzeugaggregates 1 sein.
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Die
in 2 dargestellte Vorrichtung ist ebenfalls in einem
Kraftfahrzeug angeordnet und verfügt ebenfalls über
ein wärmeerzeugendes Fahrzeugaggregat 1 und einen
Schmiermittelkreislauf 2A mit einem Wärmetauscher 3.
Darüber hinaus verfügt die Vorrichtung über
einen zusätzlichen Kühlmittelkreislauf 2B mit
einem zusätzlichen Wärmetauscher 8. Das
Kühl- bzw. Schmiermittel wird in den Kreisläufen 2A, 2B über
jeweils eine Pumpe 4 zirkulierend bewegt. Die Wärmetauscher 3, 8 verfügen
je über eine warme Eintrittseite 3A, 8A, über
welche aufgewärmtes Kühl- bzw. Schmiermittel in
den Wärmetauscher 3, 8 hineinströmt, über
eine kühle Austrittseite 3B, 8B, über
welche das in dem Wärmetauscher 3, 8 abgekühlte
Kühl- oder Schmiermittel aus dem Wärmetauscher
herausströmt, über eine kühle Eintrittseite 3C, 8C, über
welche kühles Kühlmittel bzw. Umgebungsluft in
den Wärmetauscher 3, 8 hineinströmt, sowie über
eine warme Austrittseite 3D, 8D, über welche
das in dem Wärmetauscher 3, 8 aufgewärmte Kühlmittel,
bzw. aufgewärmte Umgebungsluft hinausströmt.
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Das
Kühl- oder Schmiermittel des Kühl- oder Schmiermittelkreislaufs 2A wird
in dem Fahrzeugaggregat 1 an Schmierstellen, wie zum Beispiel
Lagerungen, Kupplungen oder Bremsen geleitet, wo es Wärme
aufnimmt. Anschließend wird es zu dem Wärmetauscher 3 gepumpt,
wo es die Wärme zumindest zum Teil an das Kühlmittel
des zusätzlichen Kühlmittelkreislaufs 2B abgibt
und von wo es in das Fahrzeugaggregat 1 zurückgepumpt
wird. Das Kühlmittel des zusätzlichen Kühlmittelkreislaufs 2B wird
in dem Wärmetauscher 3 durch das Kühl-
oder Schmiermittel des Kühl- oder Schmiermittelkreislaufs 2A aufgewärmt
und aus dem Wärmetauscher 3 in den zusätzlichen
Wärmetauscher 8 gepumpt, wo es die Wärme an
die über das Gebläse 5 in den Wärmetauscher 8 geblasene
Umgebungsluft abgibt. Anschließend strömt das
Kühlmittel abgekühlt wieder in den Wärmetauscher 3 zurück,
in welchem es sich erneut aufwärmt. In einer Ausgestaltung
hiervon kann das Kühlmittel des zusätzlichen Kühlmittelkreislaufs 2B auch vorteilhaft
genutzt werden, um das Fahrzeugaggregat 1 zusätzlich
zu dem Kühl- oder Schmiermittelkreislauf 2A zu
kühlen. Hierzu kann es vollständig oder nur zum
Teil direkt durch das Fahrzeugaggregat 1 oder an nicht
gezeigte Kühlstellen des Fahrzeugaggregates 1 geleitet
werden, wie es durch die gepunktete Linie in 2 angedeutet
ist. Der Luftstrom durch den zusätzlichen Wärmetauscher 8 ist
durch strichlierte Pfeile verdeutlicht, ebenso wie der Strom des
Kühlmittels in dem Wärmetauscher 3. Der
Strom des Kühlmittels in dem Wärmetauscher 8 und
der Strom des Kühl- oder Schmiermittels des Kühl-
oder Schmiermittelkreislaufs 2A in dem Wärmetauscher 3 sind
durch durchgehende Pfeile kenntlich gemacht.
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Durch
eine derartige Verschaltung des zusätzlichen Kühlmittelkreislaufs 2B mit
dem Kühl- oder Schmiermittelkreislauf 2A wird
erreicht, dass er die Wärme des Fahrzeugaggregats 1 von
dem Kühl- oder Schmiermittelkreislauf 2A über
den Wärmetauscher 3 aufnimmt und diese über
den zusätzlichen Wärmetauscher 8 an eine
Umgebung, in diesem Fall die Umgebungsluft, des Kraftfahrzeugs abgibt.
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Um
eine möglichst hohe Temperaturdifferenz in dem thermoelektrischen
Element 6 zu erreichen, ist das thermoelektrische Element 6 thermisch
zwischen der warmen Eintrittseite 3A und der kühlen Eintrittseite 3C des
Wärmetauschers 3 angeordnet. Hierbei ist die eine
Seite des thermoelektrischen Elements 6 über eine
Wärmebrücke 7 mit der Leitung des Kühl-
oder Schmiermittelkreislaufs 2A an der warmen Eintrittseite 3A in
thermischen Kontakt und die andere Seite des thermoelektrischen
Elements 6 ist über eine Wärmebrücke 7 mit
der Leitung des Kühlmittelkreislaufs 2B an der
kühlen Eintrittseite 3C in thermischen Kontakt.
Das thermoelektrische Element 6 dient hierbei analog zu 1 direkt
zur Versorgung eines elektrischen Bauteils 9 des Fahrzeugaggregates 1 und
ist an dieses demzufolge elektrisch angeschlossen.
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Bei
der in 2 dargestellten Ausgestaltung der Erfindung ist
der Wärmetauscher 3 als Flüssigkeit-Flüssigkeit-Wärmetauscher
und der zusätzliche Wärmetauscher als Flüssigkeit-Luft-Wärmetauscher ausgeführt.
Der Kühl- oder Schmiermittelkreislauf 2A ist vorteilhaft
als Schmiermittelkreislauf ausgelegt, um Kühl- und Schmiermittelkreislauf
voneinander zu trennen.
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Wie
beschrieben kann das Fahrzeugaggregat 1 insbesondere als
Fahrzeuggetriebe oder Retarder ausgeführt sein, und das
thermoelektrische Element 6 kann grundsätzlich
auch an einem nicht gezeigten Bordnetz zur Versorgung aller elektrischen Bauteile
des Fahrzeugs angeschlossen sein. Die Wärmetauscher 3, 8 können
sowohl als Gleichstrom-, Gegenstrom- oder Querstromwärmetauscher ausgeführt
sein.
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Die
Pfeile in den Kühl- der Schmierkreisläufen 2, 2A, 2B der 1 und 2 geben
mögliche Fließrichtungen des darin zirkulierenden
Kühl- oder Schmiermittels an. Nicht dargestellt, jedoch üblich, sind
Ausgleichsbehälter oder Filter in den Kühl- der Schmiermittelkreisläufen 2, 2A, 2B angeordnet.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Fahrzeugaggregat
- 2
- Kühl-
oder Schmiermittelkreislauf
- 2A
- Kühl-
oder Schmiermittelkreislauf
- 2B
- zusätzlicher
Kühlmittelkreislauf
- 3
- Wärmetauscher
- 3A
- warme
Eintrittseite des Wärmetauschers 3
- 3B
- kühle
Austrittseite des Wärmetauschers 3
- 3C
- kühle
Eintrittseite des Wärmetauschers 3
- 3D
- warme
Austrittseite des Wärmetauschers 3
- 4
- Pumpe
- 5
- Gebläse
- 6
- thermoelektrischer
Generator
- 7
- Wärmebrücke
- 8
- zusätzlicher
Wärmetauscher
- 8A
- warme
Eintrittseite des zusätzlichen Wärmetauschers 8
- 8B
- kühle
Austrittseite des zusätzlichen Wärmetauschers 8
- 8C
- kühle
Eintrittseite des zusätzlichen Wärmetauschers 8
- 8D
- warme
Austrittseite des zusätzlichen Wärmetauschers 8
- 9
- elektrisches
Bauteil
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 112005001368
T5 [0003, 0003]
- - DE 102007017461 A1 [0004]