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Die
Erfindung betrifft eine Kühlvorrichtung, insbesondere
eine Abgaskühlvorrichtung,
für eine Verbrennungskraftmaschine
mit einer Außenschale, in
der eine Wärmeübertragungseinheit
angeordnet ist, welche ein Außengehäuse aufweist,
das einen zwischen der Außenschale
und der Wärmeübertragungseinheit
ausgebildeten, von einem Kühlmittel durchströmten Mantel
von einem Kanal trennt, der in der Wärmeübertragungseinheit ausgebildet
ist und durch den das zu kühlende
Fluid strömt.
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Es
ist allgemein bekannt in Verbrennungskraftmaschinen Gas durchströmte Kühlvorrichtungen für verschiedene
Zwecke einzusetzen. Es existieren Luft durchströmte Kühlvorrichtungen, wie im Falle
eines Ladeluftkühlers
zur Verringerung der Verbrennungstemperaturen und somit der entstehenden Stickoxide,
als auch von Abgas durchströmte.
Als Kühlmittel
dient dabei zumeist das Kühlwasser
der Verbrennungskraftmaschine. Abgas durchströmte Kühlvorrichtungen werden beispielsweise
zur Aufheizung der Luft zur schnelleren Erwärmung eines Fahrgastraumes
als auch im Abgasstrang zur Verminderung der Abgastemperatur eines
zu einem Katalysator strömenden
Abgases verwendet, wobei im zweiten Fall wiederum das Kühlwasser
als Wärme
aufnehmendes Medium verwendet wird. Des Weiteren sind Abgaskühlvorrichtungen
in Abgasrückführleitungen
bekannt, mit deren Hilfe die Abgastemperatur und somit die Verbrennungstemperatur
im Motor herabgesetzt werden kann, wodurch wiederum Schadstoffemissionen
verringert werden können.
Diese Art von Abgaskühlvorrichtungen
werden häufig
zur schnelleren Aufheizung der Verbrennungskraftmaschine während der
Kaltstartphase mit einem Bypasskanal ausgerüstet.
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Bei
all diesen unterschiedlichen Kühlvorrichtungen
beziehungsweise Wärmetauschern
muss ein hoher Wirkungsgrad bezüglich
der übertragenen Wärme auch
bei Versottung sicher gestellt werden, da ansonsten die notwendigen
Wärmeaustauschflächen zu
groß würden. Insbesondere
in der Automobilindustrie besteht die Vorgabe einer Größen- und Gewichtsreduzierung
sowie einer damit einhergehenden Verringerung der Herstell- und
Montagekosten.
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Zur
Reduzierung der Montage- und Herstellkosten wird in der
DE 20 2004 003 131
U1 ein mehrteiliger Abgaswärmetauscher aus Aluminiumdruckguss
offenbart, bei dem die Hauptteile topfförmig ineinander gesetzt werden.
Bei diesem Wärmetauscher
entsteht so zwischen dem inneren Wärmeübertragungsteil und der Außenschale
ein Kühlmittel durchströmter Mantel.
Das innere Wärmetauscherteil ist
von Abgas durchströmt.
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Des
Weiteren ist aus der DE-OS 28 25 271 ein Wärmetauscher zur Erwärmung eines
Fahrgastraumes eines Kraftfahrzeugs bekannt, der Luft umströmt ist,
wobei ebenfalls eine Wärmetauschereinheit
in einem Gehäuse
angeordnet ist. Diese Wärmetauschereinheit
ist zweiteilig aufgebaut, wobei die Teilungsebene in Hauptströmungsrichtung
des Abgases verläuft.
Dieser Wärmetauscher
weist des Weiteren entlang der Hauptströmungsrichtung der Luft und des
Abgases verlaufende Kühlrippen
auf, die vom Wärmetauscherelement
sowohl in den Luft führenden
Kanal als auch in den Abgas führenden
Kanal ragen.
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Nachteilig
an diesen bekannten Kühlvorrichtungen
ist der nicht ausreichende Wirkungsgrad und die Gefahr der Versottung
insbesondere im Bereich der Rippen. Hierdurch sind diese Wärmetauscher
relativ groß gebaut.
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Daher
ist es Aufgabe der Erfindung, eine Kühlvorrichtung bereit zu stellen,
die einen hohen Wirkungsgrad bezüglich
des Wärmeübergangs
zwischen den beiden Medien aufweist, so dass der Kühler im
Vergleich zu bekannten Ausführungen
kleiner gebaut werden kann, wodurch Gewichtsvorteile erzielt werden.
Zusätzlich
soll der Montage- und
Herstellaufwand möglichst
klein gehalten und somit Kosten reduziert werden.
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Diese
Aufgabe wird dadurch gelöst,
dass die Wärmeübertragungseinheit
rohrförmige
Rippen aufweist, die sich senkrecht zur Hauptströmungsrichtung des zu kühlenden
Fluids von einer Seite des Außengehäuses durch
den Kanal zur gegenüberliegenden
Seite des Außengehäuses erstrecken
und Kühlmittel
durchströmt
sind. Durch derartige rohrförmige Rippen
wird der Staudruck sowie die Verweilzeit des zu kühlenden Fluids
in der Kühlvorrichtung
und somit der Wirkungsgrad der Kühlvorrichtung
erhöht,
so dass dieser in seinen Außenmaßen im Vergleich
zu bekannten Ausführungen
reduziert werden kann. Des weiteren erfolgt eine intensive Kühlung auch
im Inneren des vom zu kühlenden
Fluid durchströmten Kanals.
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Vorzugsweise
ist der vom Kühlmittel
durchströmte
Mantel durch in Hauptströmungsrichtung
des zu kühlenden
Fluids verlaufende Längsstege
in zwei Kammern unterteilt, wobei ein Kühlmittelzulaufstutzen in die
erste Kammer mündet
und ein Kühlmittelablaufstutzen
in die zweite Kammer mündet.
Hierdurch wird sichergestellt, dass die rohrförmigen Rippen tatsächlich von
Kühlmittel
durchströmt
werden, da das gesamte Kühlmittel
nur über
die Rohre vom Einlass zum Auslass gelangen kann.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
weisen die Rippen einen runden Querschnitt auf. Durch die Anströmung der
runden Querschnitte ist eine derartige Ausführung unempfindlich gegen Versottung insbesondere
gegen Rußablagerungen
bei einer Verwendung als Abgaskühler
für Diesel-Verbrennungskraftmaschinen.
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In
einer hierzu alternativen Ausführungsform weisen
die Rippen einen profilierten Querschnitt auf. Hierdurch erhöht sich
sowohl der Wirkungsgrad der Kühlvorrichtung
durch Vergrößerung der
angeströmten
und umströmten
Fläche
als auch die Turbulenz an den Hinterkanten der Rippen, so dass eine
gute Homogenisierung und Vermischung des zu kühlenden Fluids entsteht.
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Vorzugsweise
sind die Rippen in Hauptströmungsrichtung
versetzt zueinander angeordnet, so dass der Staudruck in der Vorrichtung
sowie die Verweilzeit im Kühler
erhöht
werden, wodurch wiederum der Wirkungsgrad des Kühlers ansteigt.
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In
einer hierzu weiterführenden
Ausführungsform
ist in Hauptströmungsrichtung
betrachtet die Breite der Rippen größer als der Zwischenraum zwischen
den Rippen, so dass eine schlangenlinienförmige Bewegung des zu kühlenden
Fluids in der Wärmeübertagungseinheit
die Folge ist, was wiederum zu einer Erhöhung der Verweilzeit durch
Erhöhung
der zurückzulegenden
Strecke und somit einem erhöhten
Wirkungsgrad führt.
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Um
eine gleichmäßige Durchströmung aller Rippen
mit Kühlmittel
zu gewährleisten
nimmt der Kühlmittel
durchströmte
Innenquerschnitt der rohrförmigen
Rippen vom Kühlmittelzulaufstutzen
zum Kühlmittelablaufstutzen
hin zu. Somit besteht im Bereich des Kühlmittelauslasses ein geringerer
Strömungswiderstand
als am Kühlmitteleinlass.
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Zur
Erleichterung der Montage und Vereinfachung der Formen zur Herstellung
ist die Wärmeübertragungseinheit
aus einem Oberteil und einem Unterteil aufgebaut, die beide Rippenteile
aufweisen, die gemeinsam je eine rohrförmige Rippe bilden.
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Dies
wird in besonders starkem Maße
erreicht, wenn die rohrförmigen
Rippenteile des Oberteils an ihren zum Unterteil weisenden Enden
und die zum Oberteil weisenden Enden der rohrförmigen Rippenteile des Unterteils
derart miteinander korrespondierende Absätze aufweisen, dass das Oberteil und
das Unterteil aufeinander steckbar sind. Hierdurch müssen bei
der Montage keine zusätzlichen Halterungen
verwendet werden. Des weiteren sind die Flächen zur dichten Befestigung
im Bereich der rohrförmigen
Rippen ausreichend groß,
um eine hohe Festigkeit zu gewährleisten.
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Vorzugsweise
sind das Oberteil und das Unterteil durch Kleben miteinander verbunden,
so dass durch das Aufeinanderlegen des Ober- und Unterteils in einem
Montageschritt auch eine zuverlässige Verbindung
gewährleistet
ist. Im Bereich des Außengehäuses ist
auch eine Verbindung durch Reibrührschweißen möglich.
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In
einer weiterführenden
bevorzugten Ausführungsform
sind die Längsstege
im Bereich der Verbindungsebene zwischen Oberteil und Unterteil der
Wärmetauschereinheit
am Oberteil oder am Unterteil ausgebildet. Die Stege können bei
einer derartigen Ausführung
gleichzeitig als Verbindungsflächen zwischen
Ober- und Unterteil dienen. Gleichzeitig bleibt die einfache Form
der Außenschale
erhalten und es müssen
keine zusätzlichen
Bauteile verwendet werden, um eine Trennung der Kühlmittelkammern
im Mantel zu erhalten. Eine Abdichtung oder toleranzgenaue Fertigung
ist nicht notwendig, da kleine Kühlmittelströme zwischen
Außenschale
und Wärmeübertragungseinheit
von einer Kammer zur anderen den Wirkungsgrad nur extrem gering
beeinflussen.
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Vorteilhaft
ist es, wenn die Einleitung des zu kühlenden Fluids in die Kühlvorrichtung über einen Diffusor
erfolgt, wodurch auch eine gleichmäßige Verteilung des zu kühlenden
Fluids über
den gesamten Querschnitt der Wärmeübertragungseinheit
sichergestellt wird.
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Vorzugsweise
ist der Diffusor aus Stahl und die übrige Kühlvorrichtung aus Aluminium
hergestellt, wodurch ein geringes Gewicht der Kühlvorrichtung erzielt wird
und gleichzeitig durch die Ausführung
des Diffusors in Stahl die thermische Belastung des Aluminiumgehäuses reduziert
wird.
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Vorteilhafterweise
ist die Wärmeübertragungseinheit
unter Zwischenlage von Dichtungen in der Außenschale befestigt, wobei
zumindest am Einlass der Wärmeübertragungseinheit
in Hauptströmungsrichtung
des zu kühlenden
Fluids vor der Dichtung zwischen Außenschale und Wärmeübertragungseinheit
eine umlaufende Nut ausgebildet ist. Durch diese umlaufende Nut
wird die Dichtung zusätzlich
vor Hitze geschützt,
so dass eine thermische Überlastung
der Dichtung und somit eine Undichtigkeit des Kühlers zuverlässig vermieden
werden.
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Zur
Verringerung der Herstellkosten ist die Kühlvorrichtung vorzugsweise
im Druckgußverfahren hergestellt.
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Es
wird somit eine Kühlvorrichtung
geschaffen, die einen deutlich verbesserten Wirkungsgrad im Vergleich
zu bekannten Kühlvorrichtungen
gleicher Baugröße aufweist.
Hierdurch entstehen Kosten- und Gewichtsvorteile sowie ein verringerter
Montageaufwand.
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Zwei
Ausführungsbeispiele
erfindungsgemäßer Kühlvorrichtungen
sind in den Zeichnungen dargestellt und werden nachfolgend beschrieben.
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1 zeigt
eine Draufsicht einer ersten erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung mit runden rohrförmigen Rippen
in geschnittener Darstellung.
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2 zeigt
eine Seitenansicht der Kühlvorrichtung
aus 1 in geschnittener Darstellung.
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3 zeigt
eine Draufsicht einer zweiten erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung mit profilierten rohrförmigen Rippen
in geschnittener Darstellung.
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4 zeigt
eine Seitenansicht der Kühlvorrichtung
aus 3 in geschnittener Darstellung.
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Die
in den 1 und 2 dargestellte Kühlvorrichtung
besteht aus einer Außenschale 1, welche
eine Wärmeübertragungseinheit 2 umgibt.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel
ist die Außenschale 1 zweiteilig
aufgebaut und besteht aus einem im Wesentlichen topfförmigen Teil 3 sowie
einem damit fest verbundenen trichterförmigen Teil 4, welches an
der offenen Seite des topfförmigen
Teils 3 befestigt ist. Am topfförmigen Teil 3 der
Außenschale 1 sind ein
Kühlmittelzulaufstutzen 5,
ein Kühlmittelablaufstutzen 6 sowie
ein Einlassstutzen 7 für
das zu kühlende
Fluid ausgebildet. Der Einlassstutzen 7 für das zu
kühlende
Fluid befindet sich an der zum trichterförmigen Teil 4 gegenüberliegenden
Seite des topfförmigen
Teils 3. Der trichterförmige
Teil 4 mündet
in einen Auslassstutzen 8 für das zu kühlende Fluid.
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Die
in der Außenschale 1 angeordnete
Wärmeübertragungseinheit 2 ist
zweiteilig aufgebaut und besteht aus einem Oberteil 9 und
einem Unterteil 10. Die im vorliegenden Ausführungsbeispiel
etwa entlang einer Mittelachse verlaufende Teilungsebene erstreckt
sich über
die Länge
der Wärmeübertragungseinheit 2,
das heißt
entlang der Hauptströmungsrichtung
des zu kühlenden
Fluids. Das Oberteil 9 und das Unterteil 10 bilden
nach dem Zusammenbau ein Außengehäuse 11,
welches außer
an seinen axialen Enden, also im Bereich eines Einlasses und eines Auslasses
für das
zu kühlende
Fluid, die Wärmeübertragungseinheit 2 vollständig umgibt.
So entsteht über
entlang des Umfangs des Außengehäuses 11, zwischen
dem Außengehäuse 11 der
Wärmeübertragungseinheit 2 und
der Außenschale 1,
ein Mantel 12, der von Kühlmittel durchströmt ist.
Der Außenumfang
der Wärmeübertragungseinheit 2 ist
so gewählt, dass
im Bereich des Mantels 12 ein ausreichender Abstand zwischen
Außenschale 1 und
Außengehäuse 11 gewährleistet
ist, um alle Bereiche der Wärmeübertragungseinheit
mit ausreichend Kühlmittel
versorgen zu können.
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Sowohl
im Oberteil 9 als auch im Unterteil 10 sind rohrförmige Rippenteile 13, 14 angeordnet,
welche senkrecht in einen von dem Kühlmittel durchströmten und
durch das Außengehäuse 11 gebildeten
Kanal 15 ragen. Das Oberteil 9 und das Unterteil 10 sind
im Wesentlichen symmetrisch ausgebildet, so dass nach dem Aufeinanderlegen
der beiden Teile 9, 10 jedes rohrförmige Rippenteil 13 des
Oberteils 9 in Kontakt zu jeweils einem rohrförmigen Rippenteil 14 des
Unterteils 10 aufweist. Dazu haben die rohrförmigen Rippenteile 13, 14 in
ihrem aufeinander liegenden Bereich korrespondierende Absätze 16,
die so ausgebildet sind, dass die rohrförmigen Rippenteile 13 des
Oberteils 9, in die rohrförmigen Rippenteile 14 des
Unterteils 10 gesteckt werden können.
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Bei
Befestigung des Oberteils 9 auf das Unterteil 10,
vorzugsweise durch Kleben, wird somit eine fluidische Verbindung
durch jeweils ein Rippenteil 13 zu dem korrespondierenden
Rippenteil 14 geschaffen. Jede dieser hierdurch entstandenen
rohrförmigen
Rippen 17 weist eine fluidische Verbindung zum Mantel 12 auf.
Um nun auch eine Durchströmung
der rohrförmigen
Rippen 17 sicher zu stellen, ist im Bereich der Verbindungsebene
am Oberteil 9 und/oder Unterteil 10 an beiden
Außenseiten
des Außengehäuses 11 ein
Längssteg 18 angeordnet,
der einteilig mit Ober- und/oder
Unterteil 9, 10 gegossen wird. Im Bereich dieser
Längsstege 18,
die sich über die
Länge der
Wärmetauschereinheit 2 erstrecken, weist
die Wärmetauschereinheit 2 nach
dem Zusammenbau eine Breite auf, die im Wesentlichen der inneren
Breite der Außenschale 1 entspricht.
Somit wird der Mantel 12 durch die Längsstege 18 in zwei Kammern 19, 20 unterteilt.
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Der
Kühlmittelstrom
muss vom Kühlmittelzulaufstutzen 5 über die
Kammer 19 des Mantels 12 und das rohrförmige Rippenteil 13 in
das rohrförmige Rippenteil 14 zur
gegenüberliegenden
Kammer 20 des Mantels 12 und zum Kühlmittelablaufstutzen 6 strömend fließen. Entsprechend
befindet sich der Kühlmittelablaufstutzen 6 an
der radial und axial gegenüberliegenden
Seite des Kühlmittelzulaufstutzens 5,
um eine vollständige
Durchströmung
der Wärmeübertragungseinheit 2 mit
Kühlmittel
sicher zu stellen. Um eine derartige Durchströmung der rohrförmigen Rippen 17 zusätzlich zu
vergleichmäßigen ist
es selbstverständlich
denkbar den inneren durchströmten
Querschnitt der rohrförmigen
Rippen 17 anzupassen, so dass die weiter vom Kühlmittelzulaufstutzen 5 entfernten
Rippen 17 einen größeren inneren
Querschnitt auf weisen müssten
als die im vorderen Bereich liegenden Rippen 17. Die tendenziell stärkere Durchströmung der
näher zum
Kühlmittelzulaufstutzen 5 gelegenen
Rippen 17 wird somit durch den geringeren Strömungswiderstand
der im Bereich des Kühlmittelablaufsstutzens 6 liegenden
Rippen 17 ausgeglichen.
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Um
den Kühlmittelmantel 12 auch
in axialer Richtung zuverlässig
abzudichten, ist die Wärmeübertragungseinheit 2 an
ihren axialen Enden so ausgeführt,
dass der Außenumfang
der Wärmeübertragungseinheit 2 im
Wesentlichen den inneren Ausmaßen
des topfförmigen
Teils 3 der Außenschale
entspricht. Hierzu ist an beiden axialen Enden jeweils ein sich über den
Umfang der Wärmeübertragungseinheit 2 erstreckender
Absatz 21 am Oberteil 9 und Unterteil 10 ausgebildet,
der zusätzlich
eine Nut 22 aufweist, in der eine Dichtung 23 angeordnet
ist. Über
diese Dichtungen 23 an beiden axialen Enden erfolgt eine
zuverlässige
Abdichtung zwischen dem vom zu kühlenden
Fluid durchströmten
Bereich der Kühlvorrichtung
und dem Kühlmittel
führenden
Mantel 12 der Kühlvorrichtung.
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Am
Außenumfang
an dem zum Einlassstutzen 7 für das zu kühlende Fluid gelegenen axialen Ende
weist die Wärmeübertragungseinheit 2 in Hauptströmungsrichtung
vor der Dichtung 23 eine weitere Nut 24 auf, welche
die Dichtung 23 zusätzlich vor Überhitzung
durch das zu diesem Zeitpunkt bei Verwendung der Kühlvorrichtung
als Abgaskühler noch
sehr heiße
Abgas schützt.
Unter Hauptströmungsrichtung
wird hier wieder der direkte Weg des zu kühlenden Fluids vom Einlass
zum Auslass der Wärmeübertragungseinheit 2 unter
Nichtbeachtung zu umgehender Einbauten verstanden.
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Der
Einlass des zu kühlenden
Fluids erfolgt über
einen in den Einlassstutzen 7 eingeschobenen Diffusor 25,
der vorzugsweise aus Stahl hergestellt ist, so dass die Wärmebelastung
des in Aluminiumdruckguss hergestellten topfförmigen Teils 3 der
Außenschale 1 zusätzlich vermindert
wird. Durch den Diffusor 25 erfolgt eine optimale Verteilung
des Fluidstroms über
die gesamte Höhe
und Breite der Wärmeübertragungseinheit 2.
Das zu kühlende
Fluid strömt
vom Diffusor 25 zum ersten Ende der Wärmeübertragungseinheit 2 und
weiter in den Kanal 15, in dem die Rippen 17 angeordnet
sind. Um hier eine gute Durchmischung zu erhalten und den Staudruck und
somit die Verweilzeit des zu kühlenden
Fluids in der Wärmeübertragungseinheit 2 zu erhöhen sind
die Rippen 17 in Hauptströmungsrichtung wie in 1 zu
erkennen ist, versetzt zueinander angeordnet, so dass im Wesentlichen
eine schlangenförmige
Bewegung durch den Kanal 15 erfolgt. Vom zweiten Ende der
Wärmeübertragungseinheit 2 strömt das Abgas weiter
in den trichterförmigen
Teil 4 der Außenschale 1 und
von hier zum Auslassstutzen 8.
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Der
Zusammenbau der Kühlvorrichtung
erfolgt nun in der Weise, dass zunächst das Oberteil 9 auf
das Unterteil 10 gesteckt wird, wobei hierdurch gleichzeitig
eine Klebeverbindung zumindest zwischen den Rippenteilen 13 und 14 hergestellt
werden soll. Gegebenenfalls kann anschließend entlang der Längsstege 18 eine
Verbindung beispielsweise durch Reibrührschweißen hergestellt werden. Auch
hier ist jedoch eine Verbindung durch Kleben möglich. Nach dem Einlegen der
Dichtungen 23 in die Nuten 22 wird die Wärmeübertragungseinheit 2 von
der offenen Kopfseite des topfförmigen
Teils 3 in die Außenschale 1 eingeschoben
und anschließend
der trichterförmige
Teil 4 auf dem topfförmigen
Teil 3 und der Wärmeübertragungseinheit 2 befestigt.
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In
den 3 und 4 ist eine im Wesentlichen baugleiche
Kühlvorrichtung
dargestellt, wobei die Rippen 17 beziehungsweise die Rippenteile 13, 14 in
dieser Ausführung
einen profilierten Querschnitt aufweisen. Aus 3 wird
deutlich, dass der zur Strömung
des zu kühlenden
Fluids vorhandene Querschnitt durch eine derartige Ausführung deutlich verringert
wird, so dass sich der Staudruck in der Wärmeübertragungseinheit 2 erhöht. Gleichzeitig wird
die vom zu kühlenden
Fluid umströmte
Oberfläche
an den Rippen 17 vergrößert, wodurch
wiederum der Wirkungsgrad der Kühlvorrichtung
erhöht
wird.
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Es
ist ersichtlich, dass auf Grund der gewählten Formen sämtliche
Teile der Kühlvorrichtungen
im Druckgussverfahren vorzugsweise im Aluminiumdruckgussverfahren
herstellbar sind. Die Formen insbesondere bezüglich der gewählten Teilungsebene und
des Profils der Rippen ist frei wählbar. So ist es auch denkbar,
die Rippen nur am Ober- oder Unterteil auszubilden und in das Außengehäuse des
gegenüberliegenden
Teils ragen zu lassen, der dann als Deckel mit Aufnahmeöffnungen
ausgeführt
werden müsste.
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Eine
derartige Kühlvorrichtung
ist einfach und kostengünstig
herstellbar und montierbar und weist im Vergleich zur bekannten
Kühlvorrichtung
einen deutlich verbesserten Wirkungsgrad auf. Durch entsprechende
Formgebung der Rippen kann auch eine Versottung der Wärmeübertragungseinheit
bei Verwendung als Abgaskühler
deutlich reduziert werden.