DE20121112U1

DE20121112U1 - Sammelkasten für einen Wärmeaustauscher, insbesondere an Kraftfahrzeugen

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Publication number: DE20121112U1
Application number: DE20121112U
Authority: DE
Original assignee: Autokuehler GmbH and Co KG
Current assignee: Autokuehler GmbH and Co KG
Priority date: 2001-12-17
Filing date: 2001-12-17
Publication date: 2003-04-24
Anticipated expiration: 2011-12-18

Description

• ·

DE 8273 ·^: Patentanwalt

Diplom-Physiker

Reinfried Frhr. v. Schorlemer

Karthäuserstr. 5A 34117 Kassel Allemagne

Telefon/Telephone (0561) 15335

(0561)780031

Telefax/Telecopier (0561)780032

Autokühler GmbH & Co. KG, 34369 Hofgeismar

Sammelkasten für einen Wärmeaustauscher, insbesondere an Kraftfahrzeugen

Die Erfindung betrifft einen Sammelkasten der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Gattung.

Sammelkästen der hier interessierenden Art dienen bei Wärmeaustauschern in Form von Wasser-, Öl- oder Ladeluftkühlern an Kraftfahrzeugen oder für stationäre Anwendungen insbesondere dem Zweck, ein sie durchströmendes und durch eine Anschlußöffnung in sie eintretendes Medium auf eine Vielzahl von Rohren zu verteilen, die eine an oder in einer Montageöffnung des Sammelkastens befestigte Bodenplatte durchragen, oder umgekehrt ein aus den Rohren in sie einströmendes Medium einer Anschlußöffnung zuzuführen. Im Interesse eines möglichst kleinen Gewichts und geringer Herstellungskosten ist es dabei erwünscht, die die inneren Hohlräume der Sammelkästen umgebenden Wände möglichst dünn auszubilden. Das führt aller- dings bei höheren Temperaturen und Drücken, insbesondere wenn diese beim Betrieb der Wärmeaustauscher starken Schwankungen unterworfen sind, zwangsläufig zu unerwünschten Expansionen bzw. Kontraktionen der Wände, so daß die Wandstärken vergleichsweise groß gewählt werden müssen, wenn eine erhöhte Bruchneigung und die Gefahr vermieden soll, daß die Sammelkästen im Bereich ihrer Verbindungsstellen mit den Bodenplatten undicht werden.

Zur Ermöglichung kleinerer Wandstärken sind Sammelkästen der eingangs bezeichneten Gattung bekannt geworden, deren Wände an ihren Außen- und/oder Innenseiten mit

Versteifungsrippen versehen sind und/oder bei denen gegenüber liegende Wandabschnitte ··· ···· ·· ·· · ·· · · * ·· · · · ··· ·...«· ···· ······ ····

durch an ihner| bfc^eätigte .Vefst$ifiingse,lemonte 19 Form.von &ugaiicern oder Zwischen-

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wänden verbunden werden (z. B. FR 2 614 980 Al, EP 0 570 274 Al, EP 0 641 985 Bl, EP 0 660 063 A2). Während die Rippen meistens mit den Wänden in einem Stück hergestellt werden, z. B. bei aus Kunststoff-Spritzgußteilen bestehenden Sammelkästen, werden die Zuganker bzw. Zwischenwände je nach Bedarf durch Formschluß, Klemmen, Verrasten, Löten oder Schweißen mit den Wänden der Sammelkästen verbunden, wenn eine einstückige Herstellung durch Spritzguß nicht möglich oder erwünscht ist.

Ein bei allen diesen Sammelkästen auftretendes Problem besteht darin, daß die beschriebenen Versteifungselemente entweder den Raumbedarf der Sammelkasten vergrößern oder bei gleich bleibendem Raumbedarf den Strömungsquerschnitt der Sammelkästen reduzieren. Eine Vergrößerung des Raumbedarfs ist insbesondere bei Wärmeaustauschern für Kraftfahrzeuge meistens unerwünscht, weil dort bei den ohnehin beengten Raumverhältnissen jede noch so geringe Volumenvergrößerung der Sammelkästen dazu führt, daß andere notwendige Komponenten entsprechend verkleinert oder an einem anderen Einbauort eingebaut werden müssen. Eine Reduzierung des Strömungsquerschnitts ist dagegen mit einem Leistungsverlust verbunden und bereits aus diesem Grund meistens nicht möglich oder zulässig. Hinzu kommt der Nachteil, daß nach innen ragende Versteifungselemente, sofern sie in der erforderlichen Anzahl und erforderlichen Größe angebracht werden, die gewünschte Verteilung und/oder Umlenkung der die Sammelkästen durchströmenden Medien auf die Rohre bzw. Anschlußöffnungen behindern, selbst wenn sie zur Reduzierung dieser schädlichen Wirkung mit Löchern versehen werden (z. B. EP 0 660 063 A2).

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, den Sammelkasten der eingangs bezeichneten Gattung so auszubilden, daß auch mit innen liegenden und eine ausreichende Steifigkeit bewirkenden Versteifungselementen eine strömungsgünstige Anordnung erzielt wird.

Zur Lösung dieser Aufgabe dienen die kennzeichenden Merkmale des Anspruchs 1.

Die Erfindung bringt den Vorteil mit sich, daß durch die Ausrichtung der Versteifungselemente in Strömungsrichtung eine nur geringe Beeinträchtigung der Strömungsverhältnisse verursacht wird. Daher ist es möglich, stabile Sammelkästen mit vergleichsweise kleinem Raumfe^aJXTQrWaimfaiigtausclierlhoher Leistung zur Verfügung zur stellen.

Weitere vorteilhafte Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die Erfindung wird nachfolgend in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen an Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
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Fig. 1 eine schematische, perspektivische Darstellung eines erfindungsgemäßen Sammelkastens an einem Wärmeaustauscher;

Fig. 2 eine schematische, perspektivische Darstellung allein des Sammelkastens in einer gegenüber Fig. 1 um etwa 180° gedrehten Stellung;

Fig. 3 einen Längsschnitt durch den Sammelkasten in einer ebenfalls gegenüber Fig. gedrehten Stellung, wobei ein Anschlußstutzen abweichend von Fig. 1 und 2 zur Zeichenebene hinweist;
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Fig. 4 einen Schnitt entsprechend Fig. 3 durch ein zweites Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Sammelkastens; und

Fig. 5 eine Darstellung entsprechend Fig. 2 eines dritten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Sammelkastens.

Nach Fig. 1 enthält ein nur teilweise angedeuteter Wärmeaustauscher der hier interessierenden Art ein Wärmeaustauschernetz 1, das aus einer Vielzahl von parallel angeordneten Rohren 2 gebildet ist, die Löcher in quer zu ihren Achsen angeordneten, dem Wärmeaustausch dienenden Leitblechen 3 durchragen. An den Seiten kann das Netz durch Seitenteile 4 zusammengehalten sein.

An ihren in Fig. 1 oberen Enden sind die Rohre 2 in Löchern einer Bodenplatte 5 angeordnet und in dieser durch Löten, Kleben, mechanisches Aufweiten oder sonstwie flüssigkeits- bzw. gasdicht befestigt. An den entgegengesetzten, in Fig. 1 nicht sichtbaren Enden der Rohre 2 ist in der Regel eine der Bodenplatte 5 entsprechende Bodenplatte vorgesehen.

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-A-

Die Bodenplatte 5 dient neben der Halterung der Rohre 2 auch zur Befestigung eines aus Fig. 1 bis 3 ersichtlichen Sammelkastens 6, der an einer vom Netz 1 entgegengesetzten Breitseite der Bodenplatte 5 befestigt wird. Der Sammelkasten 6 kann im Prinzip jede beliebige Form haben, die in der Regel vom Anwendungszweck des jeweiligen Wärmeaustauschers abhängt und im wesentlichen von einer einen inneren Hohlraum 8 (Fig. 3) umgebenden Wand 7 des Sammelkastens 6 bestimmt wird. Dabei enthält die Wand 7 einerseits wenigstens eine in den inneren Hohlraum 8 mündende Anschlußöffnung 9, an die sich nach außen hin meistens ein Rohrstutzen 10 anschließt, und andererseits eine zur Befestigung des Sammelkastens 6 an der Bodenplatte 5 bestimmte Montageöffhung 11 (Fig. 3), die von einem umlaufenden Randabschnitt 12 umgeben ist. Die Befestigung des Sammelkastens 6 an der Bodenplatte 5 erfolgt z. B. dadurch, daß der Randabschnitt 12 zentriert auf die Bodenplatte 5 aufgelegt und dann ein an dieser vorgesehener, umlaufender, hochgestellter Befestigungsrand 14 klammerartig nach innen umgebogen wird (Fig. 1). Zwischen dem Randabschnitt 12 und dem Befestigungsrand 14 wird meistens ein umlaufendes Dichtelement angeordnet.

Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 bis 3 besitzt die Montageöffnung 11 einen rechteckigen Querschnitt, so daß die Wand 7 hier unmittelbar an die Montageöffnung 11 grenzende Wandabschnitte 7a bis 7d enthält, die nach Art eines Quaders aneinander grenzen. Die Wandabschnitte 7a bis 7d gehen an einem von der Montageöffnung 11 entfernten Ende in einen Wandabschnitt 15 über, der einen zylindrischen Querschnitt besitzt, in einem mittleren Teil um ca. 90° abgewinkelt ist (Fig. 1, 2) und an einem von den Wandabschnitten 7a bis 7d entfernten Ende die Anschlußöffnung 9 aufweist. Dabei ist klar, daß die Wandabschnitte 7a bis 7d in Richtung des zylindrischen Wandabschnitts 15 trichterförmig aufeinander zulaufen können, wie insbesondere der schräg verlaufende Wandabschnitt 7c in Fig. 3 zeigt.

Beim Betrieb des Wärmeaustauschers nach Fig. 1 bis 3 wird z. B. ein zu kühlendes Medium (z. B. Wasser, Öl oder Luft), das durch die Anschlußöffnung 9 in den Sammelkasten 6 einströmt, von diesem auf die Rohre 2 verteilt, von wo aus das Medium in den in Fig. 1 nicht dargestellten Sammelkasten gelangt, bevor es den Wärmeaustauscher verläßt. Alternativ wird ein durch die Rohre 2 zugeführtes Medium im Sammelkasten 6 gesammelt, zur AnsdilußöTfnuRg_:9_:liHtig^lenKf jiTKf du«|h dfn'ÄpscrjlußstiJtzen 10 weggeführt.

Wärmeaustauscher dieser Art sind allgemein bekannt und brauchen dem Fachmann daher nicht näher erläutert werden.

Erfindungsgemäß ist der beschriebene Sammelkasten 6 mit wenigstens einem Versteifungselement 16 (Fig. 2, 3) versehen. Im Ausfuhrungsbeispiel ist das Versteifungselement 16 als dünne, im wesentlichen rechteckige Platte ausgebildet, die an zwei langen Rändern 16a, 16b mit ihren dort befindlichen Stirnseiten an den Innenseiten der Wandabschnitte 7b und 7d (Fig. 2) befestigt ist. Wie insbesondere Fig. 3 zeigt, erstreckt sich das Versteifungselement 16 im wesentlichen über den gesamten, von der Montageöffhung 11 bis zum zylindrischen Wandabschnitt 15 erstreckten, quaderförmigen Teil des Sammelkastens 6. Außerdem erstreckt sich das Versteifungselement 16 im wesentlichen in der Strömungsrichtung des durch den Sammelkasten 6 strömenden Mediums, wobei diese Strömungsrichtung durch die Lage der Öffnungen 9 und 11 sowie die Zahl und die Anordnung der Rohre 2 definiert ist, und sich beim Betrieb des Wärmeaustauschers von selbst ergibt. In Fig. 3 ist diese Strömungsrichtung durch gestrichelt eingezeichnete Pfeile &ngr; für den Fall angedeutet, daß das Medium durch die Anschlußöffnung 9 eintritt und den Sammelkasten 6 durch die Montageöffnung 11 wieder verläßt.

Unter der Bezeichnung "in Strömungsrichtung" wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung insbesondere verstanden, daß sich im Fall eines plattenförmigen Versteifungselements 16 dessen beiden Außen- bzw. Breitseiten 16c, 16b (Fig. 3) längs Flächen erstrecken, die beim Betrieb des Wärmeaustauschers aus einer Vielzahl von nebeneinander liegenden Stromlinien gebildet werden, die sich beim Betrieb des Wärmeaustauschers dann ergeben würden, wenn das Versteifungselement nicht vorhanden wäre. Dadurch wird erreicht, daß das plattenförmige Versteifungselement 16 nur mit seiner vergleichsweise kleinen Querschnittsfläche 16e (Fig. 3) den Strömungsquerschnitt des den Sammelkasten durchströmenden Mediums reduziert, so daß es dessen Strömungswiderstand nur unbedeutend beeinflußt. Das gilt insbesondere dann, wenn das plattenförmige Versteifungselement 16 eine Dicke von z. B. nur 1 mm bis 3 mm besitzt und eine der Anschlußöffnung 9 zugewandte Stirnfläche 16f (Fig. 3) keilförmig oder stromlinienförmig und damit so ausgebildet ist, daß sich ein geringer Reibungswiderstand ergibt. Bei Bedarf kann dem Versteifungselement 16 auch insgesamt ein stromlinienförmiges Profil gegeben werden. Außerdem kanfiljeJ'Peda^f jvpYges^hen'äfirt· das«yef§teirujigselejneiit 16 an seinem nicht

mit den Wandabschnitten 7b, 7d verbundene Rändern und/oder in mittleren Teilen mit Durchbrechungen in Form von Schlitzen, Einschnitten od. dgl. zu versehen, um dadurch das durch das Versteifungselement 16 bewirkte zusätzliche Gewicht des Sammelkörpers 6 kleinzuhalten.

Der Sammelkörper 6 nach Fig. 1 bis 3 kann bei Bedarf mit mehreren Versteifungselementen der beschriebenen Art versehen werden, deren Lagen sich entsprechend durch die in Fig. 3 eingezeichneten Pfeile &ngr; ergeben und von der Lage des Versteifungselements 16 abweichen können.

Schließlich ist klar, daß das plattenförmige Versteifungselement 16 nicht notwendigerweise senkrecht zu den Wandabschnitten 7b und 7d verlaufen muß. Vielmehr sind auch schräge Anordnungen möglich, da auch in diesem Fall die beiden Breitseiten 16c und 16d längs Flächen angeordnet werden können, die durch eine Vielzahl von Stromlinien gebildet sind.

Aus demselben Grund können die Breitseiten des Versteifungselements 16 längs gekrümmter bzw. gebogener statt ebener Flächen verlaufen.

Der Sammelkörper 6 wird vorzugsweise aus Kunststoff durch Spritzguß oder aus Aluminium durch Druck- oder Kokillenguß hergestellt. In beiden Fällen werden die Wandabschnitte 7a bis 7d und das Versteifungselement 16 in einem Stück bzw. in demselben Gießschritt hergestellt.

Das beschriebene Versteifungselement 16 bringt zahlreiche Vorteile mit sich. Zunächst ist es wie bisher durch einfache Gießverfahren und damit preisgünstig herstellbar. Weiterhin ermöglicht es die Herstellung eines Sammelkastens 6, der auch im Bereich großer, langer Seiten äußerst biegesteif ausgebildet ist. Schließlich behindert selbst ein vergleichsweise dickes Versteifungselement 16 weder die Strömung des den Sammelkasten 6 durchströmenden Mediums, da es den Strömungsquerschnitt nur wenig verkleinert und damit auch den Strömungswiderstand nur geringfügig vergrößert, noch die Verteilung des durch die Anschlußöffhung 9 eintretenden Mediums auf die zahlreichen Rohre 2 (bzw. umgekehrt) in einem wesentlichen Umfang. Damit können die sonst häufig vorgesehenen, an den Außenseiten der Sammelkästen 6 angebrachten, nach Art von Rippen ausgebildeten VersteifungseleJhVits* die'nj Fig. 4j mk*'djemj Bezijgszpieneji 1$ angedeutet sind, völlig

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entfallen, so daß sich auch ein günstiges Gesamtvolumen für die Sammelkästen 6 ergibt.

Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 4, in der gleiche Teile mit denselben Bezugszeichen wie in Fig. 1 bis 3 versehen sind, übernimmt ein plattenförmiges Versteifungselement 19 gleichzeitig die Funktion einer gewissen Strömungslenkung. Das von links durch den Anschlußstutzen 10 einströmende Medium (z. B. Luft) wird durch das Versteifungselement 19 so gelenkt, daß es möglichst gleichförmig auf die nicht dargestellten Rohre 2 verteilt wird, die sich nach rechts an die Montageöffnung 11 anschließen. In diesem Fall verlaufen die beiden Breitseiten des plattenförmigen Versteifungselements 19 im wesentlichen parallel zu Flächen, die von denjenigen Stromlinien gebildet werden, die durch den Einbau des Versteifungselements 19 erzwungen werden, d. h. nicht quer zu diesen oder in einer Weise, daß die sich natürlicherweise und ohne das Versteifungselement 19 ergebende Strömung wesentlich behindert bzw. der Strömungswiderstand wesentlich vergrößert wird.

Die Herstellung des Sammelkastens nach Fig. 4 kann ebenfalls durch Spritz-, Druck- oder Kokillenguß od. dgl. erfolgen. Hierzu werden in das Gießwerkzeug z. B. zwei Kerne eingelegt. Einer der Kerne wird in Fig. 4 von links her eingeführt, oben von einer strichpunktiert angedeuteten Fläche 20 begrenzt und nach vorn bis zu einer strichpunktiert angedeuteten Fläche 21 bzw. bis zum Ende einer oberen Grenzfläche 22 des Versteifungselements 19 erstreckt. Dagegen wird der andere Kern in Fig. 4 von rechts her eingeführt, oben und unten von den Innenseiten der Wand des Sammelkastens 6 begrenzt und im übrigen nach vorn und nach den Seiten bis zu den Flächen 20, 21 bzw. einer in Fig. 4 unteren Grenzfläche 23 des Versteifungselements 19 erstreckt. Dadurch läßt sich ein vergleichsweise einfach gestaltetes Gießwerkzeug anwenden.

Fig. 5, bei der gleiche Teile mit denselben Bezugszeichen wie in Fig. 1 bis 3 bezeichnet sind, zeigt schließlich ein Ausfuhrungsbeispiel, bei dem die plattenförmigen und zwei gegenüber liegende Wandabschnitte nach Art von Zugankern verbindenden Versteifungselemente 16, 19 durch rippenförmige Versteifungselemente 25, 26 ersetzt sind, die nur mehr oder weniger tief in den von der Wand des Sammelkastens umschlossenen Hohlraum ragen, aber nicht mit dem jeweils gegenüber liegenden Wandabschnitt verbunden sind. Dabei sind die jvVstelfungselenreiitji 25"eänstückt$ z.'SB.'niit dfenj Wandabschnitt 7d, die

Versteifungselemente 26 dagegen einstückig &zgr;. B. mit dem gegenüber liegenden Wandabschnitt 7b des Sammelkastens 6 hergestellt. Beide Versteifungselemente 25, 26 sind außerdem plattenförmig ausgebildet und, wie die Krümmungen ihrer Breitseiten in Fig. 5 andeuten sollen, im wesentlichen in Strömungsrichtung der sich im Sammelkasten 6 ergebenden Strömung erstreckt. Daher können die Versteifungselemente 25, 26 vergleichsweise großflächig ausgebildet und in größerer Anzahl vorgesehen werden, ohne daß dadurch der Strömungsquerschnitt wesentlich reduziert bzw. der Strömungswiderstand wesentlich vergrößert wird. Daraus folgt, daß mit den Versteifungselementen 25, 26 zwar keine Zugankerwirkung im Sinne der Fig. 1 bis 4, aber dennoch auch eine hohe Biegesteifigkeit des Sammelkastens 6 insgesamt erzielt werden kann.

Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt, die auf vielfache Weise abgewandelt werden können. Dies gilt insbesondere für die Form der Versteifungselemente, die statt platten- auch stabförmig oder sonstwie ausgebildet werden könnten. Weiterhin können die beschriebenen oder zusätzliche Versteifungselemente 16 bei Bedarf auch an den Schmalseiten von Sammelkästen mit rechteckiger Grundform befestigt sein und/oder einen z. B. kreuzförmigen Querschnitt besitzen. Weiter ist die Erfindung nicht auf Sammelkästen der beschriebenen Form beschränkt, da insbesondere auch Sammelkästen vorgesehen werden können, die mehr als eine Anschlußöffnung und gegebenenfalls eine zusätzliche Trennwand aufweisen. Insbesondere könnte aber auch

z. B. das Versteifungselement 16 selbst als Trennwand und in der Weise ausgebildet sein, daß das Medium durch eine erste Anschlußöffnung in den Sammelkasten 6 eintritt, dann einen durch die Trennwand abgetrennten Teil der Rohre 2 durchströmt und darauf in einem weiteren Sammelkasten auf den anderen Teil der Rohre 2 umgelenkt wird, bis es schließlich auf der anderen Seite der Trennwand wieder in den Sammelkasten 6 eintritt und diesen durch eine zweite Anschlußöffhung verläßt. Insbesondere bei langgestreckten Sammelkästen dieser Art kann die Anbringung zusätzlicher, erfindungsgemäß ausgebildeter Versteifungselemente 16, 19, 25 bzw. 26 zweckmäßig sein. Schließlich versteht sich, daß die verschiedenen Merkmale auch in anderen als den dargestellten und beschriebenen Kombinationen angewendet werden können.

Claims

1. Sammelkasten für einen Wärmeaustauscher, insbesondere an Kraftfahrzeugen, enthaltend: einen von einer Wand (7) umgebenen Hohlraum (8), wenigstens eine in den Hohlraum (8) mündende Anschlußöffnung (9), eine zur Befestigung einer Bodenplatte (5) bestimmte, ebenfalls in den Hohlraum (8) mündende Montageöffnung (11), wobei die Bodenplatte (5) Löcher zur Aufnahme von Rohrenden aufweist, die beim Betrieb des Wärmeaustauschers zusammen mit der Anschlußöffnung (9) eine vorgewählte Strömungsrichtung für ein den Hohlraum (8) durchströmendes Medium festlegen, und wenigstens ein an einer Innenseite der Wand (7) vorgesehenes, mit der Wand (7) in einem Stück hergestelltes Versteifungselement (16, 19, 25, 26), dadurch gekennzeichnet, daß das Versteifungselement (16, 19, 25, 26) im wesentlichen in der vorgewählten Strömungsrichtung erstreckt ist.

2. Sammelkasten nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Versteifungselement (16, 19, 25, 26) plattenförmig ausgebildet ist.

3. Sammelkasten nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Versteifungselement (16, 19) mit zwei einander gegenüberliegenden Abschnitten (7b, 7c) der Wand (7) fest verbunden ist.

4. Sammelkasten nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Versteifungselement (16, 19, 25, 26) mit seinen Außenseiten im wesentlichen längs Flächen verläuft, die aus Stromlinien gebildet sind, die sich beim Betrieb des Wärmeaustauschers auch in Abwesenheit der Versteifungselemente (16, 19, 25, 26) ergeben würden.

5. Sammelkasten nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Versteifungselement aus einer mit Durchbrechungen versehenen Platte besteht.

6. Sammelkasten nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß er aus einem Kunststoff-Spritzgußteil besteht.

7. Sammelkasten nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß er aus einem Aluminium-Gußteil besteht.

8. Sammelkasten nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Versteifungselement (19) zur Lenkung der Strömung im Hohlraum (8) eingerichtet ist.