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Die Erfindung betrifft einen Ladeluftkühler für eine Verbrennungskraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie eine Anordnung eines Ladeluftkühlers an einem Zylinderkopf einer Verbrennungskraftmaschine. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf die Befestigung eines Gehäuses eines sogenannten saugrohrintegrierten Ladeluftkühlers. Darunter werden insbesondere solche Ladeluftkühler verstanden, bei denen in das Saugrohr einer Verbrennungskraftmaschine ein – insbesondere flüssigkeitsbasierter – Wärmetauscher integriert ist, um Luft, die dem Brennraum eines Verbrennungsmotors zugeführt werden soll, unmittelbar vor dem Einströmen in den Brennraum Wärme zu entziehen und somit die Einführung einer größeren Luftmasse in den Brennraum zu ermöglichen. Zum Abführen der Wärme werden bei solchen Wärmetauschern teilweise sogenannte Kühlkassetten als separate Bauteile eingesetzt.
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Aus
WO 2008/061692 A1 ist ein als kompaktes Modul gestalteter, saugrohrintegrierter Ladeluftkühler für eine Verbrennungskraftmaschine bekannt.
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Aus der Praxis sind darüber hinaus Ladeluftkühler gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bekannt, wobei das Gehäuse des Ladeluftkühlers eine erste Anlagefläche zur flächigen Anlage und Befestigung des Ladeluftkühlers an einem Zylinderkopf der Verbrennungskraftmaschine aufweist und zur Befestigung des Gehäuses mindestens eine sich entlang einer Verbindungsachse erstreckende Öffnung in dem Gehäuse ausgebildet ist, welche die erste Anlagefläche durchdringt und wobei die Verbindungsachse in einem vom 90° abweichenden Winkel zu der ersten Anlagefläche verläuft.
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Bei den aus der Praxis bekannten Ladeluftkühlern gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 entstehen konstruktionsbedingt aufgrund der nicht senkrecht zur ersten Anlagefläche verlaufenden Verbindungsachse Querkräfte, die zu einer zumindest bereichsweisen Biegung der ersten Anlagefläche führen.
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Aus der Praxis ist es bekannt, zur Vermeidung bzw. Verringerung der vorstehend erwähnten Biegung der ersten Anlagefläche einen sogenannten Zwischenflansch einzusetzen. Dabei handelt es sich um einen als separates Bauteil gefertigten Adapter, der eine Verschraubung senkrecht zur ersten Anlagefläche ermöglicht. Diese Lösung führt nicht nur zu einem höheren Gewicht des Ladeluftkühlers mit Zylinderkopf und Adapter, sondern erhöht auch den Aufwand bei der Montage eines Ladeluftkühlers.
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Aus der Praxis ist es ferner bekannt, sogenannte Klemmleisten zur Befestigung eines Ladeluftkühlers zu verwenden. Bei der Verwendung von Klemmleisten wird der Ladeluftkühler an einer Seite mittels einer Klemmung fixiert und im Übrigen verschraubt. Dabei sind die Klemmleisten so konzipiert, dass mit zunehmender Schraubkraft auch die Klemmkraft im Bereich der Klemmleiste erhöht wird. Nachteilig an dieser Lösung ist, dass die Klemmkraft im Bereich der Klemmleiste stark abhängig ist von der Einhaltung kleiner Fertigungstoleranzen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Ladeluftkühler für eine Verbrennungskraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie eine Anordnung eines solchen Ladeluftkühlers an einem Zylinderkopf einer Verbrennungskraftmaschine zur Verfügung zu stellen, die eine einfache, sichere und kostengünstige Montage ermöglichen. Insbesondere soll der bekannten negativen Wirkung unerwünschter Querkräfte entgegengewirkt werden.
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Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche. Weitere praktische Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen beschrieben.
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Ein erfindungsgemäßer Ladeluftkühler für eine Verbrennungskraftmaschine umfasst ein Gehäuse, wobei das Gehäuse eine erste Anlagefläche zur flächigen Anlage und Befestigung des Ladeluftkühlers an einem Zylinderkopf der Verbrennungskraftmaschine aufweist, wobei zur Befestigung des Gehäuses mindestens eine sich entlang einer Verbindungsachse erstreckende Öffnung in dem Gehäuse ausgebildet ist, welche die erste Anlagefläche durchdringt und wobei die Verbindungsachse in einem vom 90° abweichenden Winkel zu der ersten Anlagefläche verläuft. Dabei ist an dem Gehäuse mindestens ein Stützvorsprung ausgebildet, der sich gegenüber der ersten Anlagefläche in Richtung eines zu verbindenden Zylinderkopfes erstreckt und derart ausgebildet ist, dass eine an dem Stützvorsprung ausgebildete Fläche bei Befestigung des Ladeluftkühlers an einem Zylinderkopf als zweite Anlagefläche dient. Mit anderen Worten ausgedrückt, ist an einem Gehäuse eines erfindungsgemäßen Ladeluftkühlers neben einer ersten Anlagefläche eine zweite Anlagefläche ausgebildet, die bei einer einfachen und kostengünstigen Montagemöglichkeit eines Ladeluftkühlers an einem Zylinderkopf einer Verbrennungskraftmaschine eine sichere Befestigung ermöglicht. Denn bei einem erfindungsgemäßen Ladeluftkühler können durch eine schräge Verschraubung oder sonstige Befestigung hervorgerufene Querkräfte unmittelbar von dem Gehäuse des Ladeluftkühlers in den Zylinderkopf eingeleitet und somit abgestützt werden. Dies erfolgt durch eine geeignete Ausbildung und Anordnung des Stützvorsprungs.
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In einer praktischen Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Ladeluftkühlers sind die erste Anlagefläche und die zweite Anlagefläche in einem Winkel zwischen 45° und 135° zueinander angeordnet bzw. ausgebildet. Besonders bevorzugt sind Bereiche zwischen 80° und 100°, weiter bevorzugt Anordnungen mit einem Winkel von 90°. Solche Winkel sind übliche Winkel, die an einem Zylinderkopf zwischen einer Seitenwand und einer Deckwand bzw. Bodenwand vorgesehen sind. Die Verwendung eines erfindungsgemäßen Ladeluftkühlers mit bereits bestehenden Zylinderkopfgestaltungen ist besonders bevorzugt, da die konstruktive Änderung eines Zylinderkopfes mit wesentlich höheren Kosten verbunden ist als die Änderung eines Ladeluftkühlers bzw. dessen Gehäuses.
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In einer weiteren praktischen Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Ladeluftkühlers sind die erste Anlagefläche und die zweite Anlagefläche zumindest teilweise aneinander angrenzend ausgebildet. Diese Ausführungsform ist insofern von Vorteil, als eine vollflächige, sich über eine Kante erstreckende Abstützung, wie sie sich in diesem Falle ergibt, eine besonders hohe Funktionssicherheit gewährleistet.
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In einer weiteren praktischen Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Ladeluftkühlers ist der mindestens eine Stützvorsprung unmittelbar angrenzend an die mindestens eine Öffnung und/oder zwischen zwei Öffnungen angeordnet. Sofern mehrere Öffnungen in dem Gehäuse vorgesehen sind, gilt dies für alle Öffnungen, deren Verbindungsachse in einem um 90° abweichenden Winkel zu der ersten Anlagefläche verläuft. In diesem Fall können Querkräfte, die aufgrund der schräg verlaufenden Verbindungsachse auftreten, unmittelbar im Bereich ihrer Entstehung durch den Stützvorsprung von dem Ladeluftkühler an den Zylinderkopf übertragen und somit kompensiert werden. Der Ausbildung einer Biegung im Bereich der ersten Anlagefläche wird somit effizient entgegengewirkt.
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Nur der Vollständigkeit halber wird darauf verwiesen, dass ein Stützvorsprung sich auch über die gesamte Länge derjenigen Gehäusewand des Gehäuses eines Ladeluftkühlers erstrecken kann, die an den Zylinderkopf angrenzt. Dies ist sogar mit einer besonders hohen Stabilität verbunden und insofern vorteilhaft. Aus Gewichtsgründen hingegen ist eine partielle Ausbildung von Stützvorsprüngen unmittelbar im Bereich der Öffnungen und/oder mittig zwischen Öffnungen bevorzugt.
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Das Gehäuse eines erfindungsgemäßen Ladeluftkühlers ist vorzugsweise aus einem metallischen Werkstoff hergestellt, insbesondere aus Aluminium. Aluminium hat den Vorteil, dass es eine relativ geringe Dichte und somit das Bauteil eine geringe Masse aufweist. Ferner ist Aluminium sehr temperaturbeständig, insbesondere wenn Luft oder Abgase mit einer Temperatur von deutlich über 200 °C durch das Gehäuse strömen. Das Gehäuse eines erfindungsgemäßen Ladeluftkühlers kann auch aus Kunststoff hergestellt sein. In Verbindung mit einem Gehäuse aus Kunststoff eignet sich der Einsatz von metallischen Inserts, insbesondere für die Aufnahme von Verschraubungskräften im Bereich von Schraubverbindungen zwischen dem Ladeluftkühler und einem Zylinderkopf.
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Die Erfindung betrifft auch die Anordnung eines Ladeluftkühlers, insbesondere eines wie vorstehend beschriebenen Ladeluftkühlers, an einem Zylinderkopf einer Verbrennungskraftmaschine, wobei der Ladeluftkühler ein Gehäuse aufweist, an welchem eine erste Anlagefläche zur flächigen Anlage und Befestigung des Ladeluftkühlers an einer Seitenwand des Zylinderkopfes ausgebildet ist, wobei zur Befestigung des Gehäuses mindestens eine sich entlang einer Verbindungsachse erstreckende Öffnung in dem Gehäuse ausgebildet ist, welche die erste Anlagefläche durchdringt und wobei die Verbindungsachse in einem von 90° abweichenden Winkel zu der ersten Anlagefläche verläuft, und wobei an dem Gehäuse ferner mindestens ein Stützvorsprung ausgebildet ist, der sich gegenüber der ersten Anlagefläche in Richtung des Zylinderkopfes derart erstreckt, dass eine an dem Stützvorsprung ausgebildete Fläche bei Befestigung des Ladeluftkühlers gleichzeitig als zweite Anlagefläche zur Anlage mit einer Deckwand oder Bodenwand des Zylinderkopfes dient. Auf die diesbezüglich bereits vorstehenden Verbindungen mit dem Ladeluftkühler beschriebenen Vorteile wird hiermit noch einmal verwiesen. Insbesondere wird mit einer erfindungsgemäßen Anordnung einer Durchbiegung der Anlagefläche des Gehäuses des Ladeluftkühlers entgegengewirkt, da sich der Stützvorsprung an dem Zylinderkopf am Ort der Entstehung der Querkraft abstützt.
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Die Erfindung betrifft insbesondere Anordnungen, bei welchen mehrere Öffnungen vorgesehen sind und der Ladeluftkühler über in die Öffnungen eingesetzte Schrauben mit dem Zylinderkopf verschraubt ist.
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Wenn sich bei einer praktischen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung die mindestens eine Öffnung in dem Gehäuse des Ladeluftkühlers in dem Zylinderkopf durch eine zwischen einer Seitenwand und einer Deckwand des Zylinderkopfes oder zwischen einer Seitenwand und einer Bodenwand des Zylinderkopfs verlaufende Kante fortsetzt, ergibt sich in dem Gehäuse des erfindungsgemäßen Ladeluftkühlers eine besonders große Bauhöhe für einen Kühlkörper, wobei gleichzeitig die Geometrie eines erfindungsgemäßen Zylinderkopfes, welcher üblicherweise eine Seitenwand und eine Deckwand bzw. Bodenwand aufweist, nicht verändert werden muss. Bei einem erfindungsgemäßen Ladeluftkühler sind in einer weiteren praktischen Ausführungsform mehrere Öffnungen wie vorstehend in dem Ladeluftkühler und in dem Zylinderkopf derart ausgebildet, dass diese zum Verschrauben des Zylinderkopfes mit dem Ladeluftkühler geeignet sind. Dies ermöglicht es, den Ladeluftkühler sicher und platzökonomisch mit dem Zylinderkopf zu verbinden. Die Öffnungen sind vorzugsweise in einem regelmäßigen Abstand um die mindestens eine Ausströmöffnung angeordnet, weiter bevorzugt in Form eines Rechtecks angeordnet. Dabei ist zu berücksichtigen, dass nicht alle Öffnungen Verbindungsachsen aufweisen müssen, die in einem von 90° abweichenden Winkel zu der ersten Anlagefläche verlaufen. Üblicherweise sind nur im Bereich der Oberseite eines Zylinderkopfes angeordnete Öffnungen in einem von 90° abweichenden Winkel angeordnet, um in diesem Bereich den Bauraum für in das Gehäuse einzusetzende Kühlkörper zu vergrößern.
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In einer weiteren praktischen Ausführungsform liegt das Gehäuse des Ladeluftkühlers unmittelbar an einer Seitenwand und/oder an einer Deckwand oder Bodenwand des Zylinderkopfes an. Der Ladeluftkühler bildet damit ein Saugrohr der Verbrennungskraftmaschine. Derartige Ladeluftkühler werden auch als saugrohrbasierte Ladeluftkühler bezeichnet.
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Weitere praktische Ausführungsformen und Vorteile der Erfindung sind nachfolgend im Zusammenhang mit den Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
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1 eine dreidimensionale Darstellung einer Ausführungsform eines Gehäuses eines erfindungsgemäßen Ladeluftkühlers,
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2 eine Schnittdarstellung durch das in 1 dargestellte Gehäuse gemäß Querschnittlinie II-II und
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3 eine vergrößerte Schnittdarstellung durch eine Ausführungsform einer Schraubverbindung eines erfindungsgemäßen Gehäuses mit einem Zylinderkopf im Bereich einer der beiden äußeren oberen Öffnungen.
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Ein erfindungsgemäßer Ladeluftkühler 10 umfasst ein Gehäuse 12, in welchem Einströmöffnungen 14 zur Einleitung von zu kühlender Ladeluft ausgebildet sind. Ferner sind in dem Gehäuse Ausströmöffnungen 16 ausgebildet, um innerhalb des Gehäuses abgekühlte Ladeluft über einen sich an den Ladeluftkühler 10 unmittelbar anschließenden Zylinderkopf 30 (siehe 2) einem Brennraum (nicht dargestellt) zuzuführen. Luft, welche durch die Eintrittsöffnungen 14 in das Gehäuse 12 einströmt, wird in der gezeigten Ausführungsform während des Durchströmens durch eine in eine Kühlöffnung 18 eingesetzte Kühlkassette (nicht dargestellt) abgekühlt und anschließend über die Austrittsöffnungen 16 einem Brennraum eines Zylinders einer Verbrennungskraftmaschine zugeführt. Der Ladeluftkühler 10 bildet somit das Saugrohr der Verbrennungskraftmaschine und wird daher auch als saugrohrintegrierter Ladeluftkühler bezeichnet. Die in die gezeigte Ausführungsform einzusetzende Kühlkassette umfasst Kanäle für Fluid (hier: Wasser) und eine Vielzahl von Lamellen zur Durchströmung der Luft von den Eintrittsöffnungen 14 zu den Austrittsöffnungen 16, um der die Kühlkassette durchströmenden Luft Wärme zu entziehen. Es handelt sich daher um einen flüssigkeitsbasierten Ladeluftkühler 10.
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Über die Einströmöffnungen 14 einströmende Luft weist bei der gezeigten Ausführungsform, die für eine Biturbo-Verbrennungskraftmaschine vorgesehen ist, üblicherweise Temperaturen zwischen –30 °C und 250 °C auf. Über die Austrittsöffnungen ausströmende Luft weist üblicherweise Temperaturen zwischen 30 °C und 60 °C auf.
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Wie aus 1 erkennbar ist, ist im Bereich der Austrittsöffnungen 16 des Gehäuses 12 eine (hier: eben) ausgebildete, erste Anlagefläche 20 zur flächigen Anlage des Gehäuses an einem Zylinderkopf (in 2 schematisch dargestellt) ausgebildet. Die Anlagefläche umgibt die Ausströmöffnungen 16 rahmenförmig. Der Zylinderkopf weist eine zum Gehäuse 12 des Ladeluftkühlers 10 weisende Seitenwand 36 und eine sich im oberen Bereich der Seitenwand 36 anschließende Deckwand 38 auf.
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Im unteren Bereich des Gehäuses 12 sowie im mittleren Bereich des Gehäuses 12 sind Öffnungen 22 ausgebildet, die sich durch die erste Anlagefläche 20 erstrecken und deren Erstreckungsachsen senkrecht zur Anlagefläche 20 verlaufen. Sie dienen zur Verschraubung des Gehäuses 12 mit einem Zylinderkopf, wie in der in 2 gezeigten Anordnung gezeigt.
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Die Verschraubung erfolgt in der gezeigten Ausführungsform von der Seite des Ladeluftkühlers 10.
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Im oberen Bereich des Gehäuses 12 sind fünf weitere Öffnungen 24 ausgebildet, die sich entlang von Verbindungsachsen 26 durch die erste Anlagefläche 20 hindurch erstrecken, wobei die Verbindungsachsen 26 in einem Winkel von ca. 60° verlaufen. Diese Öffnungen 24 dienen ebenfalls zur Verschraubung des Gehäuses 12 mit dem Zylinderkopf 30, wie vorstehend beschrieben.
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Zur Verschraubung mit Hilfe von Schrauben 44 sind in dem Zylinderkopf 30 Öffnungen 40 mit entsprechenden Gewinden 42 (Innengewinde) ausgebildet (vgl. 3).
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In den 1–3 ist ferner ersichtlich, dass an dem Gehäuse 12 unmittelbar oberhalb der Öffnungen 24 Stützvorsprünge 28 ausgebildet sind, die sich gegenüber der ersten Anlagefläche 20 in Richtung des zu verbindenden Zylinderkopfes 30 erstrecken (d.h. die Vorsprünge ragen in Richtung Zylinderkopf 30 gegenüber der ersten Anlagefläche 20 hervor) und derart ausgebildet sind, dass an dem Stützvorsprung ausgebildete Flächen 32 bei Befestigung des Ladeluftkühlers 10 an dem Zylinderkopf 30 als zweite Anlagefläche 34 dienen. Dies ist insbesondere in 3 gut zu erkennen.
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In der in 2 wiedergegebenen Schnittebene ist die zweite Anlagefläche 34 relativ klein, da der Stützvorsprung 28 nicht sehr weit in Richtung Zylinderkopf 30 hervorragt. Wie aus 1 erkennbar ist, erstrecken sich die Stützvorsprünge 28 jedoch – in einer Ansicht gemäß dem Pfeil P in 1 – zumindest teilweise auch in die Bereiche rechts und links neben den oberen Öffnungen 24. Mit anderen Worten ausgedrückt, sind die Stützvorsprünge 28 in der gezeigten Ausführungsform oberhalb der Stützvorsprünge 28 derart ausgebildet, dass sie sich über die breite der Öffnungen hinweg seitlich erstrecken.
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Dadurch ergibt sich rechts und links neben den Öffnungen eine jeweils größere zweite Anlagefläche 34, die sich bis zur ersten Anlagefläche 20 erstreckt und im Bereich neben den Öffnungen 24 auch unmittelbar an die Seitenfläche 36 des Zylinderkopfes angrenzt, d.h. in diesen Bereichen liegt das Gehäuse 12 L-förmig an dem Zylinderkopf 30 an. Aufgrund der schräg verlaufenden Schraubverbindung entstehende Längskräfte können so über die Seitenwand 36 und Querkräfte über die Deckwand 38 des Zylinderkopfes 38 unmittelbar aufgenommen werden.
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Die in den 1–3 gezeigte Ausführungsform, bei welcher die Bohrung in den Zylinderkopf 30 in die zwischen Seitenwand 36 und Deckwand 38 gebildete Kante führt, hat den Vorteil, dass bestehende Zylinderköpfe 30 verwendet werden können und nicht verändert werden müssen und dennoch eine sichere und einfache Montage unter Ausnutzung der vorhandenen Geometrie des gezeigten Zylinderkopfes 30 und unter Maximierung der für den Ladeluftkühler zur Verfügung stehenden Fläche zur Anordnung einer Kühlkassette möglich ist.
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In der gezeigten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Ladeluftkühlers 10 und der in den 2 und 3 dargestellten Anordnung des Ladeluftkühlers 10 an einem Zylinderkopf 30 sind sowohl das Gehäuse 12 als auch der Zylinderkopf 30 aus Aluminium hergestellt. Sämtliche Öffnungen 22, 24 dienen zur Führung von Schrauben, die über ein in dem Zylinderkopf ausgebildetes Gewinde (nicht dargestellt) zur Fixierung des Ladeluftkühlers an dem Zylinderkopf eingesetzt werden.
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In 3 ist am Beispiel eines Stützvorsprungs 28 noch zu erkennen, dass die diese im Bereich ihrer freien Enden 50 in der gezeigten Ausführungsform eine Materialverdickung 46 umfassen. Ferner ist erkennbar, dass die Materialstärke m (senkrecht zur Verbindungsachse 26 betrachtet) des außenseitigen Schraubflanschs 48 sich in Einschraubrichtung kontinuierlich vergrößert.
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Die in der vorliegenden Beschreibung, in den Zeichnungen sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebigen Kombinationen für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungsformen wesentlich sein. Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsformen beschränkt. Sie kann im Rahmen der Ansprüche und unter Berücksichtigung der Kenntnisse des zuständigen Fachmanns variiert werden. Diesbezüglich wird insbesondere darauf verwiesen, dass die vorstehend genannten, geometrischen Merkmale nicht zwingend sind und insbesondere auf eine sich vergrößernde Materialstärke m oder auf Materialverdickungen 46 sowie auf weitere Details verzichtet werden kann.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Ladeluftkühler
- 12
- Gehäuse
- 14
- Einströmöffnungen
- 16
- Ausströmöffnungen
- 18
- Kühlöffnung
- 20
- erste Anlagefläche
- 22
- Öffnungen
- 24
- obere Öffnungen
- 26
- Verbindungsachsen
- 28
- Stützvorsprünge
- 30
- Zylinderkopf
- 32
- Fläche
- 34
- zweite Anlagefläche
- 36
- linke Seitenwand
- 38
- Deckwand
- 40
- Öffnung (im Zylinderkopf)
- 42
- Innengewinde
- 44
- Schraube
- 46
- Materialverdickung
- 48
- Schraubflansch
- 50
- freies Ende
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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