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Die
vorliegende Erfindung betrifft Wärmetauscher,
insbesondere zur Kühlung
von Abgas, sowie ein modulares Wärmetauschersystem.
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Heutige
Dieselmotoren werden normalerweise mit Abgasrückführkühlern ausgestattet, um die
immer weiter steigenden Anforderungen an die Abgasreinhaltung zu
erfüllen.
Durch die Abkühlung
des Abgases und Wiederzuführung
des gekühlten
Abgases wird die Verbrennungstemperatur abgesenkt und führt zu verminderten
NOX-Emissionen.
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In
der
DE 102 30 852
A1 ist ein Wärmetauscher
offenbart mit einem ersten Sammelkasten und mit einem zweiten Sammelkasten
für ein
erstes Medium, wobei die beiden Sammelkästen jeweils einen ersten Medienanschluss
für das
erste Medium aufweisen und über
mindestens ein Wärmetauscherelement
mit einander kommunizierend verbunden sind und mit einem, das Wärmetauscherelement
aufnehmenden, im Inneren ein zweites Medium führenden Gehäuse, das zweite Medienanschlüsse für das zweite
Medium aufweist. Das Gehäuse
nimmt in seinem Inneren mindestens einen Sammelkasten, vorzugsweise
beide Sammelkästen,
zumindest teilweise mit zumindest bereichsweise vorliegendem Abstand zur
Gehäuseinnenwand
auf.
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In
der
DE 100 61 949
A1 ist ferner ein Wärmetauscher
offenbart, welcher einen Kernbereich zur Durchführung eines Wärmetauschs
zwischen einem ersten Fluid und einem zweiten Fluid, wobei der Kernbereich
eine Vielzahl von Röhrchen,
die im Inneren erste Durchtritte bilden, durch die hindurch das erste
Fluid strömt,
wobei die Röhrchen
zur Bildung von mehreren Räumen
zwischen benachbarten Röhrchen
angeordnet sind, durch die hindurch das zweite Medium strömt und eine
Vielzahl von Rippen, die je in jedem Raum zwischen benachbarten
Röhrchen
zur Aufteilung jedes Raums in mehrere Raumteile angeordnet sind,
die miteinander über Öffnungen
in Verbindung stehen, die in jeder Rippe vorgesehen sind; und ein
Kerngehäuse,
in dem der Kernbereich untergebracht ist und das einen zweiten Durchtritt,
der die mehreren Räume
aufweist bildet, wobei die beiden Enden jedes Röhrchens in Breitenrichtung
rechtwinklig zur Längsrichtung
der Röhrchen
von der Innenwandfläche
des Kerngehäuses getrennt
sind, damit vorbestimmte Freiräume
zu der Innenwandfläche
des Kerngehäuses
bestehen, und die vorbestimmten Freiräume derart vorgesehen sind,
dass sie entlang des gesamten Flächenbereichs
der Röhrchen
in der Laminierungsrichtung des Röhrchens miteinander in Verbindung
stehen.
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Abgaskühler sind
in der Regel lasergeschweißt.
oder Ni-basis-gelötet.
und weisen Rippen auf der Gasseite auf. Dabei werden normalerweise Rippen
in Rohren kassettiert und anschließend in einem Gehäuse verlötet. Andere
bekannte Konzepte sehen das Aufeinanderlöten von Scheiben vor.
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Die
meisten Anmeldungen sehen in der Regel die axiale Durchströmung eines
Scheibenpakets durch Gas vor, wobei das Kühlmittel von oben über die
Deckplatte zu- oder abgeführt
wird. Diese Konstruktion weist allerdings das Problem auf, dass
das Gehäuse
in der Regel sehr warm werden kann, da das Gehäuse nicht gekühlt wird.
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Ausgehend
hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Wärmetauscher,
insbesondere zur Kühlung
von Abgas, sowie ein modulares Wärmetauschersystem
zu verbessern.
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Die
Lösung
der Aufgabe ist erfindungsgemäß ein Wärmetauscher
nach Anspruch 1, insbesondere zur Kühlung von Abgas, mit mindestens
einem ersten Strömungskanal
eines ersten Mediums, insbesondere eines Gases, mit mindestens einem
zweiten Strömungskanal
eines mindestens zweiten Mediums, insbesondere eines Kühlmediums,
mit mindestens einer ersten Scheibe, mit mindestens einer zweiten
Scheibe, wobei die erste Scheibe und die zweite Scheibe miteinander
verbunden sind und den ersten Strömungskanal des ersten Mediums
bilden, mit mindestens einem Gehäuseelement,
insbesondere einem ersten Gehäuseelement
und einem zweiten Gehäuseelement,
welches mit der ersten Scheibe und mit der zweiten Scheibe den zweiten
Strömungskanal
des zweiten Mediums bilden, wobei das erste Gehäuseelement durch das zweite
Medium kühlbar
ist.
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Der
erste Strömungskanal
führt über Eintrittsöffnungen
des für
das erste Medium, welches insbesondere heißes Abgas mit einer Temperatur
von 200°C
bis 800°,
durch Scheibenpaare, die jeweils von zwei Scheiben gebildet sind
zu einer Austrittsöffnung.
Der zweite zweiten Strömungskanal
eines zweiten Mediums, insbesondere eines Kühlmediums, insbesondere eines
flüssigen
Kühlmediums
wie Wasser, führt
durch mindestens einen Eintritt sowie durch mindestens ein Gehäuseelement,
insbesondere auch ein zweites Gehäuseelement sowie durch die Öffnung aufgrund
einer Beabstandung von benachbarten Scheibenpaaren sowie Scheibenränderflächen zu
einem Austritt, in einem zweiten Gehäuselement. Jeweils eine erste
Scheibe ist mit einer zweiten Scheibe verbunden, insbesondere durch
Stoffschluss, wie Löten,
Schweißen,
Kleben. Die ersten Scheiben, die zweiten Scheiben sowie das Gehäuseelement
umschließen
die zweiten Strömungskanäle. Durch
das zweite Medium, insbesondere Kühlmedium wie flüssiges Kühlmittel,
Kühl wasser,
Luft, Kältemittel,
insbesondere einer Klimaanlage, wird das erste Gehäuseelement
gekühlt.
Dabei werden die Thermospannungen reduziert. Der Wärmetauscher, insbesondere
der Abgaswärmetauscher
weist eine viel größere Haltbarkeit
auf. Das Gehäuseelement
ist aus einem Material herstellbar, das nicht wärmebeständig ist und insbesondere bei
Temperaturen größer als
200°C, insbesondere
Temperaturen größer als
400°C zerstört würde. Insbesondere
ist das Gehäuseelement
aus Kunststoff oder Aluminium kostengünstig herstellbar, wodurch
die Herstellkosten erheblich sinken.
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In
einer vorteilhaften Ausbildung weist der Wärmetauscher ein erstes Gehäuseelement
auf, das im Wesentlichen vollständig
von dem zweiten Medium, insbesondere Kühlmedium, umströmbar ist
und die das Gehäuseelement
besonders vorteilhaft kühlt, so
dass nahezu keine Thermospannungen auftreten bzw. vorteilhaft reduziert
werden und die Dauerfestigkeit erheblich gesteigert wird und die
Materialkosten besonders vorteilhaft gesenkt werden.
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In
einer vorteilhaften Ausbildung ist die Temperatur des ersten Mediums,
insbesondere des Abgases eines Verbrennungsmotors, vor dem Eintritt
in den Wärmetauscher
höher ist
als die Temperatur des zweite Mediums, insbesondere des Kühlmediums, vor
dem Eintritt in den Wärmetauscher.
Trotz einer hohen Temperatur des ungekühlten Abgases treten kaum Thermospannungen
am Gehäuseelement
auf, welches besonders vorteilhaft aus einem kostengünstigen
Material herstellbar ist.
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In
einer vorteilhaften Ausbildung ist das erste Gehäuseelement aus einem ersten
Material, insbesondere Aluminium oder Kunststoff, und das zweite Gehäuseelement
aus einem anderen zweiten Material, insbesondere Stahl, ausgebildet.
In besonders vorteilhafter werden beide Gehäuseelemente durch das Kühlmedium
besonders vorteilhaft gekühlt.
Das erste Material, Aluminium, Kunststoff usw. ist besonders vorteilhaft
kostengünstig
und führt vorteilhafterweise
zu einer Gewichtsersparnis und einem geringeren Bauraumbedarf.
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In
einer vorteilhaften Ausbildung weist das zweite Gehäuseelement
mindestens eine Gehäuseöffnung,
insbesondere eine erste Gehäuseöffnung für einen
Eintritt des ersten Mediums in den ersten Strömungskanal, insbesondere eine
zweite Gehäuseöffnung für einen
Ausritt des ersten Mediums aus dem ersten Strömungskanal, insbesondere eine
dritte Gehäuseöffnung für einen
Eintritt des zweiten Mediums in den zweiten Strömungskanal und insbesondere
eine vierte Gehäuseöffnung für den Ausritt
des ersten Mediums aus dem zweiten Strömungskanal, auf.
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In
einer vorteilhaften Ausbildung sind das erste Gehäuseelement
und das zweite Gehäuseelement
in mindestens eine Stapelrichtung der ersten Scheiben und der zweiten
Scheiben öffenbar.
Die Scheiben und Scheibenpaare sind besonders vorteilhaft montierbar
und herstellbar.
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In
einer vorteilhaften Ausbildung sind das erste Gehäuseelement
und das zweite Gehäuseelement
miteinander stoffschlüssig,
insbesondere durch Löten,
Schweißen,
Kleben usw., verbunden und verbindbar und/oder formschlüssig, insbesondere
durch Schrauben, Clipsen, oder durch Umformen wie, Falzen, Crimpen,
Bördeln
usw., verbunden oder verbindbar.
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In
einer vorteilhaften Ausbildung sind das erste Gehäuseelement
und das zweite Gehäuseelement
mit einem Dichtelement, insbesondere einen O-Ring, Vierkantring, eine Filmdichtung
usw., besonders vorteilhaft gegeneinander abgedichtet.
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In
einer vorteilhaften Ausbildung weist die erste Scheibe und/oder
die zweite Scheibe Ausprägungen,
insbesondere turbulenzerzeugende Elemente zwischen benachbarten
Scheiben und/oder Scheibenpaaren auf, wodurch die Wärmeübertragung
zweichen dem ersten Medium und dem zweiten Medium besonders vorteilhaft
verbessert wird.
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In
einer vorteilhaften Ausbildung weisen die ersten und/oder die zweiten
Scheiben an Scheibenenden jeweils mindestens einen Napf auf, wodurch benachbarte
scheibenpaare besonders vorteilhaft miteinander verbundnen sind
und das erste Medium besonders vorteilhaft strömen kann.
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In
einer vorteilhaften Ausbildung weisen die Näpfe jeweils mindestens eine
Napföffnung,
insbesondere zum Durchtritt des ersten Kühlmediums, auf.
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In
einer vorteilhaften Ausbildung bilden jeweils eine erste Scheibe
mit jeweils einer zweiten Scheibe ein Scheibenpaar und sind besonders
vorteilhaft stoffschlüssig,
insbesondere durch Löten, Schweißen, Kleben
usw, miteinander verbunden und bilden ein Scheibenpaar.
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In
einer vorteilhaften Ausbildung sind mehrere Scheibenpaare besonders
vorteilhaft aufeinander stapelbar und an Napföffnungsrändern stoffschlüssig, insbesondere
durch Löten,
Schweißen,
Kleben usw, miteinander verbunden.
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In
einer vorteilhaften Ausbildung bilden die Scheibenpaare die ersten
Strömungskanäle für das erste
Medium, insbesondere für
zu kühlendes
Abgas, bilden, wobei das zu kühlende
Abgas innerhalb einer Anzahl von Scheibenpaaren besonders vorteilhaft strömt.
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In
einer vorteilhaften Ausbildung sind zwei benachbarte Scheibenpaare
beabstandet voneinander angeordnet. Auf diese Weise sind die zweiten Strömungskanäle des zweiten
Mediums, insbesondere Kühlmediums,
besonders vorteilhaft zwischen benachbarten Scheibenpaaren ausgebildet.
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In
einer vorteilhaften Ausbildung sind zwischen dem ersten Gehäuseelement
und einer Scheibenpaarrandfläche
die zweiten Strömungskanäle des zweiten
Mediums, insbesondere Kühlmedium, ausgebildet.
Die Scheibenpaarrandfläche
ist insbesondere die Außenfläche der
Außenseite
der miteinander verbundenen Scheibenpaare von ersten und zweiten
Scheiben.
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In
einer vorteilhaften Ausbildung sind neben den zweiten Strömungskanälen dritte
Strömungskanäle eines
dritten Mediums ausgebildet, wodurch das Abgas in zwei Kühlstufen
nacheinander besonders vorteilhaft kühlbar ist.
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In
einer vorteilhaften Ausbildung sind die dritten Strömungskanäle des dritten
Mediums zwischen dem ersten Gehäuseelement
und den Scheibenpaarrandflächen
besonders vorteilhaft ausgebildet.
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In
einer vorteilhaften Ausbildung sind die dritten Strömungskanäle von den
zweiten Strömungskanälen, insbesondere
durch mindestens ein Trennwandelement, getrennt. Auf diese Weise
werden die mindestens beiden Kühlkreisläufe besonders
vorteilhaft getrennt und das erste Gehäuseelement wird besonders vorteilhaft
gekühlt,
wodurch Thermospannungen besonders vorteilhaft reduziert werden
und die Dauerfestigkeit des Wärmetauschers
besonders vorteilhaft erhöht,
sowie die Hestellkosten besonders vorteilhaft reduziert werden.
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In
einer vorteilhaften Ausbildung sind weiten Strömungskanäle mit dem zweiten Medium,
insbesondere Kühlmedium,
eines Hochtemperaturkühlkreislaufs
beströmbar
und die dritten Strömungskanäle mit einem
dritten Medium, insbesondere Kühlmedium,
eines Niedertemperaturkühlkreislaufs
beströmbar.
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Ein
Wärmetauscher
weist ein erstes Gehäuseelement
auf, das integraler Bestandteil mindestens eins anderen Bauteils,
insbesondere eines Wassermantels, eines Zylinderkopfes eines Verbrennungsmotors,
eines Wassertanks eines Kühlmittelkühlers usw.,
ist. Der Wärmetauscher
ist auf diese Weise in ein bestehendes Bauteil integrierbar, wodurch
insbesondere der Bauraum insbesondere im vorderen Bereich eines
Fahrzeugs erheblich reduziert wird.
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Ein
Wärmetauscher,
weist ein zweites Gehäuseelement
aber kein erstes Gehäuseelement
auf. Der Wärmetauscher
dient insbesondere zur Kühlung von
Abgas, mit mindestens einem ersten Strömungskanal eines ersten Mediums,
insbesondere eines Gases, mit mindestens einem zweiten Strömungskanal eines
mindestens zweiten Mediums, insbesondere eines Kühlmediums, mit mindestens einer
ersten Scheibe, mit mindestens einer zweiten Scheibe, wobei die
erste Scheibe und die zweite Scheibe miteinander verbunden sind
und den ersten Strömungskanal
des ersten Mediums bilden, mit mindestens einem zweiten Gehäuseelement.
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Ein
modulares Wärmetauschersystem
weist mindestens einen Wärmetauscher
auf, insbesondere zur Kühlung
von Abgas, mit mindestens einem ersten Strömungskanal eines ersten Mediums,
insbesondere eines Gases, mit mindestens einem zweiten Strömungskanal
eines mindestens zweiten Mediums, insbesondere eines Kühlmediums,
mit mindestens einer ersten Scheibe, mit mindestens einer zweiten Scheibe,
wobei die erste Scheibe und die zweite Scheibe miteinander verbunden
sind und den ersten Strömungskanal
des ersten Mediums bilden, mit mindestens einem Gehäuseelement,
insbesondere einem ersten Gehäuseelement
und einem zweiten Gehäuseelement,
welches mit der ersten Scheibe und der zweiten Scheibe den zweiten
Strömungskanal des
zweiten Mediums bilden, wobei das erste Gehäuseelement durch das zweite
Medium kühlbar
ist.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausbildung besteht der Kühler aus
einem Scheibenpaket. Das Scheibenpaket besteht aus Scheibenpaaren
die einen Strömungskanal
für ein
erstes Medium bilden und turbulenzerzeugenden Strukturen, insbesondere Turbulenzeinlagen
aufweisen. Diese können
ent weder durch Einprägungen
in den Scheiben oder bevorzugterweise durch ein eingelötetes Turbulenzblech gebildet
werden. Die Zwischenräume
zwischen zwei Scheiben bilden Kanäle für ein zweites Medium. Jeweils
zwei benachbarte Scheibenpaare stehen an beiden Enden mit den benachbarten
Scheibenpaaren in Strömungsverbindung über seitliche Öffnungen,
die in einer aus einer Scheibe oder aus beiden Scheiben ausgeprägten Domen
bzw. Näpfen
angeordnet sein können,
um den Zwischenraum zwischen den Scheibenpaaren zu überbrücken. Die
Scheibenpaare werden insbesondere aus zwei identischen Scheiben
gebildet. Die Zwischenräume
zwischen den Scheiben können
jeweils durch Noppen, Dimpel oder eingelegte Elemente, wie z.B.
Bleche, Rippen, Abstützelemente
gegeneinander abgestützt
werden. Die abstützenden
Elemente können
miteinander verschweißt,
verlötet
oder verklebt oder durch Formschluss gehalten werden. Noppen bzw.
Dimpel sind in das Scheibenmaterial eingeprägt. Sie können auch als längliche
Sicken zur Verbesserung der Strömungsverteilung
des zweiten Mediums im Strömungskanal
ausgeprägt
sein.
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In
einer weiteren Ausbildung wird das erste Medium ein zu kühlendes
Medium insbesondere ein heißes
Medium sein, üblicherweise
ein heißes
Gas wie Abgas oder verdichtete Ladeluft und das zweite Medium ein
flüssiges
Kühlmedium,
wie Kühlmittel
eines Verbrennungsmotors oder in zukünftigen Anwendungen Kältemittel
eines Kältekreislaufes.
Das Kühlmitttel
kann parallel oder entgegen der Haupströmungsrichtung des ersten Mediums
geführt
werden (Gleichstrom bzw. Gegenstrom). Das Konzept ist besonders
geeignet für
die thermodynamisch zu bevorzugende Gegenstromverschaltung, da es
sich durch ein besonders geringes Siederisiko im Kühlmittel auszeichnet,
weil durch geeignete Lenkung des Kühlmittels Totwassergebiete
weitgehend verhindert werden können.
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In
einer weiteren Ausbildung kann der Strömungskanal für das zweite
Medium in zwei Abschnitte unterteilt sein, die mit Kühlmittel
aus unterschiedlichen Kühlkreisläufen versorgt
werden, insbesondere einem Kreislauf mit wärmerem Kühlmittel am Eintrittsende des
ersten Mediums und einem Niedertemperaturkühlkreislauf am Austrittsende
des ersten Mediums zur Steigerung der Kühlleistung. Die Trennung der
Kreisläufe
kann beispielsweise durch eine in die Scheiben eingeprägte Quersicke
erreicht werden, wobei der seitlich freibleibende Kanal durch ein
zu dem Scheibenpaar formschlüssiges
Bauteil (einer Art Rechen) mit ausreichender Dichtheit blockiert
wird. Solche Rechen können
auch so ausgeführt
werden, dass keine Quersicken in den Scheiben erforderlich sind,
sondern der Kanal durch mindestens zwei auf den gegenüberliegenden
Seiten in das Scheibenbündel
eingesteckte Rechen blockiert wird. Diese Rechen können aber
wiederum durch Sicken oder Noppen positioniert werden, insbesondere
während
eines Lötprozesses
oder falls keine feste Verbindung mit dem Scheibenbündel erfolgt
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In
einer weiteren Ausbildung kann der Kanal für das zweite Medium nach außen durch
einen Gehäusemantel
oder er durch einen von Kühlmittel durchströmten Hohlraum
in einem anderen Bauteil gebildet werden, zum Beispiel im Wassermantel
oder Zylinderkopf des Motorblocks, im Wassertank eines Kühlmittelkühlers (Intank)
oder in einem kühlmitteldurchströmten Kombigehäuse, in
das mehrere Wärmeübertrager
integriert und zu einem Modul zusammengeschlossen sind.
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Bei
einer weiteren vorteilhaften Ausführung des Wärmetübertragers mit eigenem Gehäusemantel
wird ein mindestens zweiteiliger Gehäusemantel verwendet, der sich
im wesentlichen in der Stapelrichtung des Scheibenbündels öffnet. Die
wesentlichen Bauteile des Gehäusemantels
bilden beispielsweise ein das Scheibenbündel oben abschließender Deckel
bzw. Abdeckplatte, sowie eine Wanne, in die das Scheibenbündel eingelegt
wird. Deckel und Wanne werden in besonders günstiger Ausführung umlaufend
miteinander verbunden, insbesondere auch verlötet. Die Anschlüsse für das zweite
Medium befinden sich an den gegenüberliegenden Enden des Gehäuses und können in
beliebeiger Anordnung in einem der Teile des Gehäuses angeordnet sein. Zur Integration
mehrerer Kühlkreisläufe werden
weitere Anschlüsse
in der Kühlermitte
vorgesehen. Die Anschlüsse
für das
erste Medium können
entweder auf der gleichen Seite des Wärmeübertragers liegen, also beispielsweise
beide im Deckel oder beide in der Gehäusewanne. Weiterhin ist auch
eine diagonale Durchströmung
möglich,
bei der entweder der Eintritt oder der Austritt im Deckel und der
andere Anschluss in der Gehäusewanne
liegt. Schließlich
ist auch die Führung
des ersten Mediums im U-Flow möglich.
Dabei stehen beim Eintritt für
das erste Medium nicht alle Scheibenpaare in Strömungsverbindung, sondern diese
Verbindung ist an einer Stelle zwischen zwei spezifischen Scheibenpaaren
unterbunden, indem zwischen diesen Paaren die seitlichen Verbindungsöffnungen
entweder nicht ausgeführt
sind oder ein zusätzliches
Blech eingelegt ist, das die Verbindung versperrt und die beim Eintritt
liegenden Scheibenpaare von den weiter unten liegenden Scheibenpaaren
entkoppelt. Das erste Medium durchströmt den Kühler in den unter dem Eintritt
bis zur Unterbrechung miteinander verbundenen Scheiben in Wärmetauscherlängsrichtung.
Am anderen Ende sind alle Scheibenpaare miteinander verbunden und
das erste Medium strömt
in die am Eintrittsende entkoppelten Scheibenpaare und strömt zurück zum Eintrittsende,
wo es auf der dem Eintritt gegenüberliegenden
Seite durch einen Austritt den Wärmeübertrager
verlässt.
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Das
Gehäuse
muss dem Druck des zweiten Mediums standhalten. In der Richtung
senkrecht zur Stapelrichtung des Wärmeübertragers ist das Gehäuse nicht
mit dem Scheibenbündel
verlötet.
Es kann sinnvoll sein die Druckstabilität dieser Seite durch eingeprägte Sicken
im Gehäuse
zu erhöhen.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird besonders vorteilhaft
verhindert, dass sich die Scheiben während des Lötprozesses quer zur Stapelrichtung
verschieben. Die Scheiben können
stellenweise formschlüssig
zur Gehäusekontur
ausgeführt
sein.
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Weiterhin
kann es vorteilhaft sein, wenn in einem ersten Fügeschritt jeweils Scheibenpaare
mit einer Turbulenzeinlage zu Kanälen für das erste Medium vorgefertigt
werden. Diese Scheibenpaare können
durch formschlüssige
Ausführung
mit oder ohne Verpressen, durch eine Klemm- bzw. Crimpverbindung,
wobei es sich im Wesentlichen um eine Falzverbindung handelt, durch
Schweißpunkte
oder Klebepunkte oder ähnliches
miteinander verbunden sein. Durch dieses Vorgehen kann der Kassettierprozess
(Stapeln der Einzelteile, insbesondre der Scheiben) erheblich vereinfacht
werden und die Prozesssicherheit des gesamten Fügeprozesses erhöht werden.
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Besonders
vorteilhaft sind auch Ausführungen
ohne eigenen Gehäusemantel
des Wärmetauschers.
Dann wird das Scheibenbündel
oben von einer Abdeckplatte abgeschlossen, in die der Eintritt und
Austritt für
das erste Medium integriert ist. Unten befindet sich in der Regel
eine Grundplatte. Die Befestigung am Einbauort erfolgt durch eine
dichte Fügung
zwischen Abdeckplatte und dem den kühlmitteldurchströmten Hohlraum
bildenden Bauteils, beispielsweise über eine Schraubverbindung,
Crimp- bzw. Bördelverbindung,
Klemmverbindung, wobei die Abdichtung in der Regel durch ein Dichtelement,
beispielsweise einen O-Ring erfolgt. Diese Anbindungsart kann auch
zur Ausführung
eines eigenen Kühlergehäusemantels
genutzt werden, indem beispielsweise eine Abdeckplatte aus einem
Stahl- oder Aluminiumwerkstoff in genannter Weise mit einem wasserführenden
Kunststoffgehäuse
verbunden wird. Zur Verbindung können
hier beispielsweise eine Bördelverbindung
oder eine Schraubverbindung mit Einspritzgewindemuffen in einem
Kunstoffbauteil und Langlöchern
in der Abdeckplatte verwendet werden. Weiterhin kann die Verschraubung
durch Durchgangslöcher
im Gehäuse
und Verschraubung in der Abdeckplatte erfolgen (Gewinde in Durchzügen, selbstfurchende
Schrauben in glattem Durchzug, Gewindebuchse).
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausbildung ist der Strömungskanal
für das
zweite Medium (Gehäuse
oder Hohlraum in einem anderen Bauteil) vorteilhaft so ausgeführt sein,
dass er sich in dem Bereich erweitert, in dem der Kanalquerschnitt
durch die Dome an den Scheibenenden stark eingeschränkt ist,
und sich anschließend
zur Wärmeübertragermitte hin
wieder verengt, so dass das 2. Medium in die Kanäle zwischen den Scheibenpaaren
gedrängt
wird. So kann die Verteilung des zweiten Mediums erheblich verbessert
werden. Eine ebenfalls sehr günstige Möglichkeit,
eine möglichst
gute Verteilung des 2. Mediums zu erreichen ist die Trichterförmige Gestaltung
des Übergangs
der Scheiben von den Domen hin zum Kanal für das 1. Medium. Auch hierdurch wird
das 2. Medium in die Kanäle
zwischen den Scheibenpaaren gedrängt.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausbilung kann im Kühler ein ungekühlter Bypasskanal
vorgesehen sein, beispielsweise in Form eines oder mehrerer Scheibenpaare.
Um die weitgehend ungekühlte Durchleitung
des ersten Mediums (insbesondere rückgeführtes Abgas eines Verbrennungsmotors)
zu erreichen, wird bevorzugterweise eine Luftspaltisolierung des
Bypasskanals genutzt. Ausführungsbeispiele
für luftspaltisolierte
Bypassrohre:
- – äußere Hülle aus Halbschalen verlötet, innen eingelegt
ein Rohr mit Abstütznoppen
- – äußere und
innere Hülle
aus Halbschalen verlötet
- – auf
Deckel bzw. Abdeckscheibe wird ein weiteres Blech aufgelötet, das
mit dem Deckel/Abdeckscheibe einen Kanal bildet, der als Bypasskanal genutzt
wird (nicht luftspaltisoliert).
- – auf
der dem Scheibenbündel
zugewandten Seite des Deckels Abdeckblech wird ein weiteres Blech
aufgelötet
und einen zusätzlichen
Gaskanal bildet (nicht luftspaltisoliert)
- – auf
dem Deckel/Abdeckscheibe wird ein Bypassrohr, das einteilig oder
zweiteilig sein kann aufgelötet,
wobei durch Sicken bzw. Noppen im Bypasskanal und/oder im Abdeckblech/Deckel eine
flächige
Auflage vermieden wird
- – bei
Gaseintritt oder Austritt in der Gehäusewanne kann der Bypass auf
die gleichen Arten mit zusätzlichen
Blechen oder Rohren gebildet werden wie für den Deckel/Abdeckplatte beschrieben.
- – bei
Gaseintritt oder Austritt im Deckel/Abdeckplatte und dem anderen
gasanschluss in der Gehäusewanne
kann der Bypass auf einem der beiden Teile aufgebracht werden und
der Bypass die Querverbindung zwischen den Scheibenpaaren mit einschließen
- – Im
U-Flow kann eine Bypasslösung
dadurch bereit gestellt werden, dass die Entkoppelung zwischen den
Scheibenpaaren auf der Eintrittsseite und auf der gegenüberliegenden
Seite schaltbar ausgeführt
wird, beispielsweise durch einen Drehschieber, der im Bypassfall
den direkten Weg vom Eintritt zum Austritt freigibt und bei normalem Kühlerbetrieb
den Durchgang unterbricht, so dass der Kühler im U-Flow durchströmt wird.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausbildung wird als Bypassventil ein übliches,
externes Ventil verwendet mit getrennten Zuleitungen zum Bypass und
zu den wärmeübertragenden
Strömungskanälen. Es
können
aber auch in den Eintrittsszutzen oder Austrittsstutzen integrierte
Klappen bzw. Ventile eingesetzt werden. Diese können insbesondere auch als
Klappe oder Drehschieber ausgeführt
werden. Besonders vorteilhaft ist die Ausführung der Bypassklappe als
Kombiventil, bei dem neben der Schaltung zwischen Bypass und normalem
Kühlerbetrieb
auch beide Pfade komplett verriegelt werden können und somit die rückgeführte Abgasmenge
geregelt werden kann.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausführung wird insbesondere in
der gehäuselosen
Ausführung ein
Wärmeübertrager
im Kreuzstrom zwischen erstem und zweitem Medium eingesetzt werden.
Solche Wärmetauscher
könnten
bevorzugt im Kühlmodul
eines Kraftfahrzeuges eingesetzt werden. Dabei würde das zu kühlende Medium
als erstes Medium durch den Wärmetauscher
geführt
und als zweites Medium kommt Kühlluft
zum Einsatz. Ein solcher Wärmeübertrager
kann mit der Abdeckplatte und der Bodenplatte im Rahmen eines Kühlmodules
oder jeweils an anderen Komponenten des Kühlmodules befestigt werden,
er kann aber auch einen eigenen Rahmen aufweisen, der einerseits
Abdeckplatte und Bodenplatte mit beinhaltet zudem jedoch auch eine
Verbindung zwischen der Abdeckplatte und Bodenplatte herstellt und
so für
eine Versteifung des Wärmetauschers sorgt.
Die Verbindung zwischen Abdeck- und Bodenplatte kann entweder durch
zusätzliche
Bauteile, die mit Abdeck- und Bodenplatte verbunden sind dargestellt
werden oder durch die geschickte Ausgestaltung der Abdeck- und Bodenplatte,
beispielsweise als sich gegeneinander öffnende, U-förmige Bauteile, die
gemeinsam den Rahmen bilden. Dieser Rahmen kann zudem in Verbindung
mit den einzelnen Scheibenpaaren stehen. Dadurch wird insbesondere
die Schwingungsfestigkeit der Komponente erhöht. Die Verbindung kann durch
Formschluss erfolgen, insbesondere aber auch durch eine feste Lötverbindung dargestellt
werden. Die Befestigung des Wärmeübertragers
erfolgt dann am Rahmen und/oder über
die Anschlüsse
für das
erste Medium. Statt der Anordnung des Wärmeübertragers in einem Kühlmodul kann
dieser auch im Chassis also insbesondere am Rahmen eines Kraftfahrzeuges
befestigt werden, in Ausnahmefällen
auch motorfest. Bevorzugt kann eine solche Komponente als direkter
Abgaskühler eingesetzt
werden. Es sind aber auch Anwendungen als Ladeluftkühler, Kühlmittelkühler, Ölkühler, Kondesator
usw. sinnvoll.
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Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen und
aus der Zeichnung.
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Ausführungsbeispiele
sind in der Zeichnung dargestellt und werden im Folgenden näher erläutert. Es
zeigen
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1 eine
Explosionsansicht eines Wärmetauschers,
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2 eine
isometrische Darstellung des Wärmetauschers,
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3 einen
Schnitt A-A durch den Wärmetauscher,
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4 einen
Schnitt B-B durch den Wärmetauscher,
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5 eine
Explosionsansicht eines weiteren Wärmetauschers,
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6a eine
Draufsicht eines weiteren Ausführungsbeispiels
des Wärmetauschers
mit einer Ausformung im Ein- bzw- Austrittsbereich des Gehäuseelements,
-
6b eine
isometrische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels des Wärmetauschers mit
einer Ausformung im Ein- bzw- Austrittsbereich des Gehäuseelements,
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7 ein
weiters Ausführungsbeispiel
des Wärmetauschers
als U-Flow-Kühler,
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8 ein
weiters Ausführungsbeispiel
des Wärmetauschers
als Doppelwärmetauscher,
-
9 ein
weiters Ausführungsbeispiel
des Wärmetauschers
mit zweistufiger Kühlung,
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10 ein
weiteres Ausführungsbeispiel des
Wärmetauschers
als Doppelwärmetauschers mit,
wobei der erste Teilwärmetauscher
mit einem Hochtemperaturkreislauf gekühlt wird und der zweite Teilwärmetauscher
mit einem Niedertemperaturkreislauf gekühlt wird,
-
11 ein
weiteres Ausführungsbeispiel
eines Wärmetauschers
in Kreuzstromkonfiguration,
-
12 ein
weiteres Ausführungsbeispiel
eines Wärmetauschers
mit einem integrierten Bypasskanal und einem Drehschieber zur Ansteuerung
der Beströmung
des Bypasskanals und/oder des Wärmetauscherabschnitts,
-
13 ein
weiteres Ausführungsbeispiel
eines Wärmetauschers
mit einem integrierten Bypasskanal der luftspaltisoliert ausgebildet
ist.
-
1 zeigt
eine Explosionsansicht eines Wärmetauschers.
Der Wärmetauscher 1 weist
ein erste Gehäuseelement 6, 7 und
ein zweites Gehäuseelement 8 auf.
Das Gehäuseelement 6, 7 nimmt erste
Scheiben 4 und zweite Scheiben 5 in sich auf. Die
ersten Scheiben 4 und die zweiten Scheiben 5 sind
im Wesentlichen parallel zueinander angeordnet und stapelbar. Eine
erste Scheibe 4 bildet mit einer zweiten Scheibe 5 ein
Scheibenpaar 22. Die ersten und zweiten Scheiben sind miteinander
stoffschlüssig,
insbesondere durch Löten,
Schweißen
oder Kleben, verbunden. Ebenso sind benachbarte Scheibenpaare 22 insbesondere
an Näpfen 20 an
beiden Scheibenenden 19 der Scheiben 4, 5 bzw.
der Scheibenpaare 22 miteinander stoffschlüssig, insbesondere
durch Löten,
Schweißen
oder Kleben, verbunden. Die Scheiben 4, 5 und
die Scheibenpaare weisen Napföffnungen 21 auf.
Das erste Gehäuseelement 6, 7 ist
stoffschlüssig
und/oder formschlüssig
mit dem zweiten Gehäuseelement
verbunden. Das zweite Gehäuseelement
weist eine erste Gehäuseöffnung 10,
für den
Eintritt 11 des ersten Mediums auf. Durch den ersten Strömungskanal 2 strömt das erste
Medium, insbesondere das heiße
Abgas, in die Scheibenpaare 22 durch die Napföffungen 21 ein
undhindurch, durchströmt
die Scheibenpaare in dem im Inneren ausgebildeten Strömungskanal 2 und
strömt
durch eine zweite Gehäuseöffnung 12 des
Gehäuseelements 8 aus
diesem übe
den Austritt 13 heraus. Die Scheibenpaare sind in der Stapelrichtung
S stapelbar. Das Gehäuseelement 8 weist
eine dritte Gehäuseöffnung 14 auf,
wodurch über
einen Eintritt 15 Kühlmedium,
insbesondere flüssiges
Kühlmittel, Kühlwasser,
Gas oder Kältemittel,
insbesondere einer Klimaanlage, in das erste Gehäuseelement 6, 7 gelangt
und dieses Kühlt,
so dass im Wesentlichen keine Thermospannungen entstehen. Das zweite Kühlmedium
umspült
die Außenseiten
der Scheiben 4, 5 und der Scheibenpaare 22 sowie
die die Scheibenpaarrandflächen 24.
Es strömt
durch Öffnungen, die
durch die beabstandeten Scheibenpaare gebildet werden, wodurch ein
Wärmeaustausch
zwischen dem zu kühlendem
Abgas erfolgt. Zwischen dem ersten Gehäuseelement 6, 7 und
den Scheibenpaarrandflächen 24 werden
ebenfalls zweite Strömungskanäle 3 des
Kühlmediums
gebildet, wodurch das Gehäuseelement 6, 7 im
Wesentlichen gekühlt
wird. Das Kühlmedium
verlässt über einen
Austritt 17 eine vierte Gehäuseöffnung 16 des Gehäuseelements 8. Der
Wärmetauscher 1 ist
als Modul in ein modulares System einbaubar. Der Wärmetauscher
ist in ein Kühlmodul
integrierbar. Ein Kühlmodul
umfasst insbesondere mehrere Wärmetauscher,
insbesondere Kühlmittelkühler, Ölkühler, Ladeluftkühler, Abgaskühler, Wärmetauscher
einer Klimaanlage.
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2 zeigt
eine isometrische Darstellung des Wärmetauschers. Gleiche Merkmale
sind mit gleichen Bezugszeichen versehen wie in 1.
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Das
Gehäuseelement 6, 7 nimmt
in seinem Inneren die Scheiben 4, 5 und die Scheibenpaare 22 auf.
Das erste Gehäuseelement 6, 7 ist
mit dem zweiten Gehäuseelement 8 stoffschlüssig durch
Löten, Schweißen, Kleben
usw. und/oder formschlüssig durch
Bördeln,
Wellschlitzbördeln,
Crimpen, Falzen, Clipsen usw. verbunden. In einer nicht dargestellten Ausführung sind
beide Gehäuseelemente
durch ein Dichtelement, insbesondere einen O-Ring usw. gegenüber einander
abgedichtet.
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3 zeigt
einen Schnitt A-A durch die Napföffnungen 21 des
Wärmetauschers.
Gleiche Merkmale sind mit den gleichen Merkmalen versehen wie in
den vorhergehenden Figuren.
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4 zeigt
einen Schnitt B-B durch den Wärmetauscher.
Gleiche Merkmale sind mit den gleichen Merkmalen versehen wie in
den vorhergehenden Figuren. Benachbarte Scheibenpaare sind durch Ausprägungen,
insbesondere Turbulenzeinlagen bzw. turbulenzerzeugende Elemente, 18 beabstandet.
Insbesondere. Insbesondere wird die Wärmeübertragung zwischen dem ersten
Medium und dem zweiten Medium verbessert. Innerhalb der Scheibenpaare
sind ebenfalls Ausprägungen,
insbesondere Turbulenzeinlagen bzw. turbulenzerzeugende Elemente, 18 angeordnet
und insbesondere stoffschlüssig
mit den Scheiben 4, 5 durch Löten, Schweißen, Kleben verbunden und/oder
aus diesen durch Umformen ausgeprägt.
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Die
Scheibenpaare können
seitlich mit Gehäuseelement 6 sowohl
in Kontakt sein, als auch einen definierten Abstand zueinander haben.
Schnitt B-B zeigt Scheibenpaar in Kontakt mit Gehäuseelement.
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5 zeigt
eine Explosionsansicht eines weiteren Wärmetauschers. Gleiche Merkmale
sind mit den gleichen Merkmalen versehen wie in den vorhergehenden
Figuren. Der Wärmetauscher 25 verfügt über kein
erstes Gehäuseelement. 8.
Der Wärmetauscher 25 ist
als Modul in ein modulares System einbaubar. Inbesondere ist er
benachbart zu einem Lüfter 26 angeordnet
und mit Luft L durchtrömbar. Der
Wärmetauscher
ist in ein Kühlmodul
integrierbar. Ein Kühlmodul
umfasst insbesondere mehrere Wärmetauscher,
insbesondere Kühlmittelkühler, Ölkühler, Ladeluftkühler, Abgaskühler, Wärmetauscher
einer Klimaanlage.
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6a zeigt
eine Draufsicht und 6b zeigt eine isometrische Darstellung
eines weiteren Ausführungsbeispiels
Wärmetauschers 60 mit
einer Ausformung im Ein- bzw- Austrittsbereich des Gehäuseelements.
Gleiche Merkmale sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen wie
in den vorherigen Figuren.
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Beim
Wärmetauscher 60 wird
das Kühlmedium 17 im
Eintrittsbereich durch eine Ausformung 61, die insbesondere
als Ausbuchtung ausgebildet ist, in dem Gehäuseelement 6, 7 optimal über die
gesamt Breite der Scheibenpaare verteilt. Somit wird der Eintrittsbereich
des ersten Mediums an seinem ganzen Umfang gekühlt.
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7 zeigt
ein weiters Ausführungsbeispiel des
Wärmetauschers
als U-Flow-Kühler. Gleiche Merkmale
sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen wie in den vorherigen
Figuren.
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In
einer Schnittdarstellung ist der Wärmetauscher 70 dargestellt.
Der Wärmetauscher
ist als so genannte U-Flow Ausführung
ausgebildet. Dabei wird das Kühlmedium 15, 17 axial
durchgeleitet, während
das erste Medium U-förmig
durch den Wärmetauscher
strömt.
Dies wird dadurch realisiert, dass zwischen zwei Scheibenpaaren
ein Trennblech 71 eingelegt wird. Dieses weist im Bereich
des Ein-/Austritts des ersten Mediums (Napfbereich) keine Öffnung auf.
Während
auf der entgegen gesetzten Seite eine geeignete Öffnung im Napfbereich vorhanden ist,
so dass das erste Medium von der oberen Hälfte des Kühlers in die untere Hälfte strömen kann.
Dabei wird die Lage des Trennblechs 71 in anderen nicht dargestellten
Ausführungsformen
oberhalb oder unterhalb der Mitte angeordnet, so dass entweder ober-/unterhalb
der Trennbleches die gleich Anzahl an Scheibenpaaren vorhanden sind
oder diese ungleich verteilt sind.
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8 zeigt
ein weiters Ausführungsbeispiel des
Wärmetauschers
als Doppelwärmetauscher. Gleiche
Merkmale sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen wie in den
vorherigen Figuren.
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Der
zeigt einen Schnitt des Wärmetauschers 80 wobei
das oben genannte Trennblech 81 vollständig geschlossen ist. Dadurch
kann sehr einfach ein Wärmetauscher
realisiert werden, der als Doppelwärmetauscher ausgebildet ist.
In dem Doppelwärmetauscher 80 werden
zwei Medien, ein erstes Medium und ein drittes Medium, insbesondere
zwei verschiedene Medien, gekühlt
werden. Dazu gibt es sowohl am unteren Ende als auch am oberen Ende
des Scheibenstapels mit den Scheiben 4, 5 Öffnungen 82, 83, 84 und 85 für den Ein-/Austritt
des ersten Mediums und des dritten Mediums. Die Strömungsrichtung
der beiden Medien erfolgt dabei im Gleichstrom oder im Gegenstrom.
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Bezugszeichen 86 stellt
den Austritt für
das dritte Medium dar. Bezugszeichen 87 stellt den Eintritt
für das
dritte Medium dar. In einem anderen Ausführungsbeispiel der Eintritt 87 und
der Austritt 86 vertauscht.
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9 zeigt
ein weiters Ausführungsbeispiel des
Wärmetauschers
mit zweistufiger Kühlung.
Gleiche Merkmale sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen wie
in den vorherigen Figuren.
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Der
Wärmetauscher 90 weist
zwei Kühlmedien
Kreisläufe
auf. Der erste Kühlkreislauf
ist ein Hochtemperaturkreislauf. Der zweite Kreislauf ist ein Niedertemperaturkreislauf.
Das Kühlmittel
im Hochtemperturkreislauf weist eine höhere Temperatur auf, als das
Kühlmittel
im Niedertemperaturkreislauf. Damit lässt sich ein Hoch- und Niedertemperatur
Kühlmittelkreislauf
in einem Wärmetauscher
realisieren. Das Trennblech 91 ist als Rechen ausgebildet.
Das Trennblech 91 ist auf die Scheibenpaare aufgeschoben,
insbesondere orthogonal zur Scheibenlängsachse SLA. Weiterhin weist
das Gehäuseelement vier Öffnungen 92, 93, 94 und 95 auf
für den
Aus- und/oder Eintritt der zwei Kühlmedien.
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Bezugszeichen 97 stellt
den Eintritt für
das zweite Kühlmedium,
insbesondere des Niedertemperaturkreislaufs dar. Bezugszeichen 96 stellt
den Austritt für
das zweite Kühlmedium
dar. In einem anderen Ausführungsbeispiel
sind der Eintritt 97 und der Austritt 96 vertauscht.
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In
einer anderen Ausführungsvariante
der Wärmetauscher 90 als
U-Flow-Kühler, wobei
das erste und das zweite Kühlmedium
einen U-Flow vollzieht, ausgebildet, analog der Ausführungsbeispiele in 7 und 8.
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10 zeigt
ein weiteres Ausführungsbeispiel
des Wärmetauschers
als Doppelwärmetauschers.
Gleiche Merkmale sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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Der
Wärmetauscher 100 weist
einen ersten Teilwärmetauscher 101,
der mit einem Hochtemperaturkreislauf gekühlt wird und einen zweiten
Teilwärmetauscher 102,
der mit einem Niedertemperaturkreislauf gekühlt wird, auf.
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In
einer anderen Ausführungsvariante
sind Hochtemperaturkreislauf und Niedertemperaturkreislauf vertauscht.
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In
den Eintritt 103 tritt das zweite Kühlmedium, insbesondere des
Niedertemperaturkreislaufs, in Teilwärmetauscher 102, durchströmt diesen
und verlässt
den Teilwärmetauscher
durch den Austritt 104. Austritt 104 und Eintritt 103 sind
in einem anderen Ausführungsbeispiel
vertauscht.
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Das
dritte Medium tritt über
den Medieneintritt 105 in den Teilwärmetauscher 102, durchströmt diesen
und verlässt
ihn über
den Medienaustritt 106. In einer anderen Ausführungsvariante
sind der Medienaustritt 106 und der Medieneintritt 107 vertauscht.
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Die
Trennplatte 107 trennt ersten Teilwärmetauscher 102 und
zweiten Teilwärmetauscher 103, insbesondere
strömungsmäßig.
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11 stellt
ein weiteres Ausführungsbeispiel
des in 5 dargestellten Wärmetauschers in Kreuzstromkonfiguration
dar.
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Der
Wärmetauscher 110 weist
kein Gehäuse auf
und ist insbesondere als Kreuzströmwärmetauscher ausgebildet. Dabei überkreuzen
sich die Ströme
zwischen denen eine Wärmeübertragung
erfolgt zumindest bereichsweise. Dabei befindet sich zwischen den
Scheibenpaaren 4, 5, die die Strömungskanäle für das erste
Medium bilden, eine Kühlrippe. Diese
ist fest mit den Scheibenpaaren 4, 5 verbunden,
beispielsweise gelötet,
geklebt, mechanisch gefügt
usw., damit eine ausreichende Wärmeleitung zwischen
den Scheibenpaaren 4, 5 und der Rippe sichergestellt
ist. Die Rippe 111, insbesondere die Wellrippe, wird dabei
von einem Kühlmedium,
z.B. Luft, durchströmt.
Die Luft wird mittels eines Kühlmediumförderers
L, z.B. eines Lüfters
L, bewegt. In einem anderen Ausführungsbeispiel
ist keine Rippe vorgesehen. In diesem Fall ist eine turbulenzerzeugende
Struktur in die Scheiben eingeprägt,
die die Wärmeübertragung
verbessert. In einer anderen Ausführungsform die Kreuzströmer-Ausführung mit einem
Gehäuse
ausgeführt.
Damit ergibt sich der Vorteil, dass dieser Wärmeübeträger nicht nur im Frontmodul
des Fahrzeugs, also im vorderen Fahrzeugbereich, in welchem die
Anströmung
durch den Fahrtwind erfolgt, sondern unabhängig davon, an geeigneter Stelle
im Fahrzeug mit eigener Kühlmedienförderung
angebracht werden kann.
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12 zeigt
ein weiteres Ausführungsbeispiel
eines Wärmetauschers 120 mit
einem integrierten Bypasskanal und einem Drehschieber zur Ansteuerung
der Beströmung
des Bypasskanals 121 und/oder des Wärmetauscherabschnitts 122.
Gleiche Merkmale sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen wie
in den vorherigen Figuren.
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Der
Drehschieber 123 nimmt eine Bypassstellung ein und/oder
eine Kühlerdurchströmungsstellung.
Der Drehschieber 123 weist zumindest eine Aussparung auf.
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In
der Bypassstellung wird der Bypass 121 durchströmt. In der
Kühlerstellung
wird der Wärmetauscherabschnitt 122 durchströmt. In einer
anderen Ausführung
sind Bypass 121 und Wärmetauscherabschnitt
vertauscht.
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Der
Drehschieber 123 kann auch eine Stellung einnehmen, in
der sowohl der Bypass 121 als auch der Wärmetauscherabschnitt
durchströmt
werden.
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Der
Drehschieber vollzieht eine Drehung um einen Drehwinkel, insbesondere
von 90°,
um von der Bypassstellung in die Wärmetauscherdurchströmungsstellung
zu gelangen.
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13 zeigt
ein weiteres Ausführungsbeispiel
eines Wärmetauschers
mit einem integrierten Bypasskanal 131, der luftspaltisoliert
ausgebildet ist. Gleiche Merkmale sind mit den gleichen Bezugszeichen
versehen.
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Der
Bypasskanal 131 dient zum Bypassen von Medium, so dass
das Medium nicht durch den Wärmetauscher
strömt.
Die Isolierung, insbesondere Luftspaltisolierung, dient zur Verhinderung
bzw. Reduzierung der Wärmeübertragung
zwischen Bypasskanal 131 und dem Wärmetauscher.
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In
weiteren Ausführungen
der 1 bis 13 sind turbulenzerzeugenden
Elemente bzw. die Turbulenzeinlagen als Stegrippen ausgebildet.
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Turbulenzeinlagen
mit Stegrippen haben trotz ihrer grundsätzlich im Vergleich zu anderen
Einlagen, geringeren Durchtrittsquerschnitte, eine vergleichsweise
geringe Neigung zur Ansammlung von Ablagerungen. Grundsätzlich war
zu befürchten, dass
Turbulenzeinlagen mit Stegrippen verstärkt zur Verblockung einzelner
Durchtrittskanäle
aufgrund der feingliedrigen Struktur der Stegrippen führen würden. Dies
ist jedoch in überraschend
geringem Maße der
Fall, insbesondere wenn die Stege der Stegrippen relativ kurz sind.
Ein möglicher
Erklärungsansatz hierfür könnte sein,
dass durch die über
große
Teile der Stegrippeneinlage vorhandene turbulente Strömung des
Abgases eine Ablagerung von Partikeln verringert ist, wogegen bei
längeren,
einförmigen
Kanälen
geordnete Strömungen
ausgebildet werden, die in Wandnähe
aufgrund der dort sehr geringen Strömungsgeschwindigkeit die Ablagerung
von Partikeln begünstigen.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
weisen die Stege der Stegrippen eine Länge auf, die nicht mehr als
etwa 10 mm, bevorzugt nicht mehr als etwa 5 mm und insbesondere
bevorzugt nicht mehr als etwa 3 mm beträgt. Je nach gegebenem Bauraum und
Verbrennungsmotor können
bestimmte Anforderungen an den Druckabfall am Abgas-Wärmetauscher
bestehen. Je nach diesen Anforderungen kann einer der vorgenannten
Längenbereiche
bevorzugt sein.
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Weiterhin
bevorzugt beträgt
eine Dichte der Stegrippen quer zu der Abgasstromrichtung zwischen
etwa 20 Stegrippen/dm und etwa 50 Stegrippen/dm, bevorzugt zwischen
etwa 25 Stegrippen/dm und 45 Stegrippen/dm. Diese Stegrippendichten
haben sich in Versuchen als besonders geeignet herausgestellt. Insbesondere
stellen die Stegrippen besonders vorteilhaft einen guten Kompromiss
zwischen Verblockungsrisiko und Kühlleistung dar.
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Bezüglich einer
Höhe der
Stegrippen ist zu berücksichtigen,
dass bei großen
Höhen nur
relativ kleine Primärflächen, also
durch Kühlmittel
gekühlte Oberflächen, zur
Verfügung
stehen, über
die die gesamte Wärme
ins Kühlmittel
abgegeben werden muss. Bei relativ kleinen Primärflächen steigt dann das Siederisiko
im Falle eines flüssigen
Kühlmittels. Zudem
nimmt der Wirkungsgrad der Einlagen bei zunehmender Höhe der Stegrippen
ab. Eine bevorzugt Höhe
der Einlage bzw. Stegrippe beträgt
daher zwischen etwa 3,5 mm und etwa 10 mm, besonders bevorzugt zwischen
etwa 4 mm und etwa 8 mm und insbesondere bevorzugt zwischen etwa
4,5 mm und etwa 6 mm.
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In
einer bevorzugten Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung
kann es vorgesehen sein, dass vor der Mehrzahl von Strömungskanälen ein
Oxidationskatalysator angeordnet ist. Durch einen solchen Katalysator
lassen sich allgemein die Partikelgrößen, Partikeldichten und die
Anteile an Kohlenwasserstoffen im Abgas durch Oxidation verringern.
Es kann dabei ergänzend
oder alternativ vorgesehen sein, dass die Einlagen selber mit einer
Beschichtung zur katalytischen Oxidierung des Abgases versehen sind.
Insbesondere in Verbindung mit oxidkatalytischen Mitteln kann die
sinnvoll einsetzbare Dichte der Stegrippen quer zu der Abgasstromrichtung
mehr als etwa 50 Stegrippen/dm, insbesondere etwa 75 Stegrippen/dm
betragen. Hierdurch würde eine
besonders große
Wärmetauscherleistung
bei gegebenem Bauraum erzielt werden, ohne dass die langfristige
Gefahr von Verblockungen durch Ablagerungen besteht.
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In
einer besonders bevorzugten Ausführungsform
sind die Stegrippen schrägverzahnt. Schrägverzahnte
Rippen sind nach experimentellen Befunden besonders geeignet, eine
große
Langzeitstabilität
des Abgas-Wärmetauschers
gegen Ablagerungen zu gewährleisten.
Dabei beträgt
in bevorzugter Ausführung
der Winkel zwischen den Stegwänden
und einer Hauptrichtung der Stegrippen zwischen etwa 1° und etwa
45°. In
besonders bevorzugter Ausführung
beträgt
der Winkel zwischen etwa 5° und
etwa 25°,
wobei er in alternativer bevorzugter Ausführung auch zwischen etwa 25° und etwa
45° betragen
kann. Der erstgenannte Wertebereich 5° bis 25° eignet sich besonders gut bei üblichen
stark druckverlustsensiblen Anwendungen, wobei sich der zweitgenannte
Wertebereich zur Erzielung einer optimierten Leistungsdichte, insbesondere
bei weniger druckverlustsensiblen Anwendungen eignet.
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Allgemein
lässt sich
bei der Optimierung einer Einlage mit schräg verzahnten Stegrippen eine Korrelation
zwischen dem Winkel der Wandungen und einer Längsteilung der Stegrippe feststellen.
Dabei können
insbesondere optimale Ausführungen
bei kleinen Winkeln größere Teilungen
l aufweisen als optimierte Ausführungen
mit großen
Winkeln. Insbesondere bei kleinen Anstellwinkeln können sich
Ausführungen
mit moderatem Druckverlust ergeben. Insbesondere bei großen Anstellwinkeln
können
sich Ausführungen
mit optimierter Leistungsdichte ergeben. Insbesondere bei kleinen
Anstellwinkeln kann die Längsteilung
größer sein,
bei großen
Anstellwinkeln kann die Längsteilung
insbesondere kleiner sein, um optimierte Ausführungen zu erhalten.
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In
bevorzugter Ausführung
ist die Vorrichtung als Stapelscheiben-Wärmetauscher
ausgebildet. Sowohl hinsichtlich der Breite eines Strömungskanals
als auch hinsichtlich der kostengünstigen Fertigung und Kombinierbarkeit
eines Wärmetauschersgehäuses mit
Stegrippen-Einlagen bietet sich diese Ausführungsform in besonderem Maße an. Alternativ kann
die Vorrichtung aber auch als Rohrbündel-Wärmetauscher ausgebildet sein
oder als eine andere an sich bekannte Wärmetauscherform.
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Allgemein
bevorzugt ist die Einlage zur Verhinderung von durch das aggressive
Abgas bedingter Korrosion aus einem nichtrostenden Stahl, insbesondere
einem austenitischen Stahl, gefertigt.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung können Aluminiumwerkstoffe eingesetzt
werden, wobei dann besonders vorteilhaft ein geeigneter Korrosionsschutz
vorgesehen werden kann, wie insbesondere eine Legierung und/oder
eine Beschichtung.
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In
einer vorteilhaften Weiterbildung ist die Einlage aus Aluminium
ausgebildet. Die Einlage aus Aluminium hat ein besonders geringes
Gewicht. Besonders vorteilhaft kann die Einlage aus Aluminium mittels
einer Legierung oder Beschichtung zum Korrosionsschutz ausgebildet
sein.
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Abhängig von
den Strömungsparametern, insbesondere
der Reynoldszahl, beträgt
die Länge des
Einlaufbereichs der Strömungskanäle, insbesondere
Rohre und/oder Stapelscheibenpaare, l/s ca. 2,5 bis 5 und die Länge der
Stegrippen muss unterhalb dieses Grenzwertes gewählt werden. S bezeichnet die
mittlere Durchtrittsbreite zwischen zwei Stegen und beträgt somit
b/2-t, wobei t die Blechstärke bezeichnet.
Es ergibt sich ein erforderliches Verhältnis l/s < 4, insbesondere l/s < 2. Bei hohem Verblockungsrisiko
durch kritische Abgaszusammensetzung ist l/s < 1,5, insbesondere l/s < 1 zu wählen.
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Durch
eine Schrägstellung
der Stege tritt auf der Drallseite eine höhere Strömungsgeschwindigkeit an der
Wand auf, die der Russablagerung entgegenwirkt. Ein weiterer entscheidender
Vorteil schrägverzahnter
Stegrippen ist, dass in Fällen,
bei denen eine geringe Dichte der Stegrippen in Strömungsquerrichtung
zur Verblockungsvermeidung erforderlich ist, insbesondere bei ungünstiger
Abgaszusammensetzung, trotz geringer Rippenoberfläche eine ausreichende
Kühlerleistung
gewährleistet
werden kann.
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Der
erfindungsgemäße Stapelscheiben-Wärmetauscher
umfasst ein äußeres Gehäuse mit
einem Deckel, wobei ein Eintritt und ein Austritt für das Abgas
vorgesehen sind sowie ein Eintritt und ein Austritt für ein flüssiges Kühlmittel.
Innerhalb des Gehäuses
sind mehrere Scheibenelemente vorgesehen, wobei jedes der Scheibenelemente
aus einer oberen Hälfte
und einer unteren Hälfte
zusammengesetzt ist. Mittels aufgestülpter Kragen sind die Scheibenelemente
untereinander und mit dem Gehäuse so
verschweißt,
dass das Kühlmittel
jeweils zwischen den zwei Hälften
eines Scheibenelements vom Einlass zum Auslass strömt. Zwischen
zwei Scheibenelementen ist jeweils eine in nicht gezeigte Einlage
mit Stegrippen angeordnet, wobei der Zwischenraum zwischen zwei
Scheibenelementen jeweils einen Strömungskanal für das Abgas
bildet. Die Einlagen sind in aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt.
Die Einlagen bestehen aus einem rostfreien Stahl. Zur Verbesserung
des thermischen Kontakts zwischen den Einlagen und den Scheibenelementen bzw.
dem Gehäuse
können
die Einlagen flächig
mit den genannten Elementen verschweißt oder verlötet sein.
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Bei
einer weiteren Ausführungsform
besteht die Turbulenzeinlage aus einem dünnen Blechmaterial, in das
mittels formender Maßnahmen
parallele Stegrippen eingebracht sind. Jede der Stegrippen umfasst
eine Reihe von in Abgasströmungsrichtung nacheinander
angeordneten Stegen. Jeweils zwei in Abgasströmungsrichtung hintereinander
folgende Stege sind um eine halbe Stegbreite quer zur Abgasströmungsrichtung
gegeneinander versetzt angeordnet, so dass sich nach jedem Steg
eine Schnittkante mit einem nachfolgenden Steg anschließt. Im vorliegenden
Beispiel sind die Wandungen parallel zu der Strömungsrichtung des Abgases ausgerichtet
und bilden mit einer Achse B der Stegrippen bzw. der Hauptströmungsrichtung
des Abgases A einen Winkel von 0°.
Eine solche Stegrippen-Einlage wird als geradeverzahnte Stegrippe
bezeichnet.
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Im
ersten Ausführungsbeispiel
beträgt
die Länge
l eines Steges etwa 4 mm. Die Breite b einer einzelnen Stegrippe
ist als Breite der Wiederholeinheit der periodischen Struktur quer
zur Hauptströmungsrichtung
des Abgases definiert. Die Stegrippendichte 2/b beträgt im vorliegenden
Beispiel etwa 40 Stegrippen/dm. Die Breite b einer Stegrippe beträgt somit
etwa 5 mm Die Höhe
h der Stegrippen entspricht dem Abstand zweier benachbarter Scheibenelemente
des Wärmetauschers
und beträgt
vorliegend etwa 5 mm.
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Bei
einer weitere Ausgestaltung der Stegrippen-Einlage sind hierbei
die seitlichen Wandungen der einzelnen Stege nicht parallel zu der
Hauptrichtung B der Stegrippen ausgerichtet. Vielmehr schließt jede
der Wandungen der Stege mit der Hauptrichtung B der Stegrippen einen
Winkel W von etwa 30° ein. Die
weiteren Maße
der schrägverzahnten
Stegrippen-Einlage entsprechen den Maßen der geradeverzahnten Stegrippe.
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Geeignete
Längsteilung
l für entsprechende Winkel
der Wandungen W ergeben geeignete Ausführungen bei 10° mit Längsteilungen
l < ca. 10 mm, bei
20° mit
l < ca. 6 mm, bei
30° mit
l < ca. 4 mm und bei
45° mit
l < ca. 2 mm.
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Die
minimale Längsteilung
l liegt bei allen Winkeln bei ca. 1 mm. Die zulässige Kanalstreckung l/s liegt
in etwa innerhalb der gleichen Grenze wie für eine gerade verzahnte Stegrippe,
wobei s den Stegabstand quer zur Hauptströmungsrichtung B bezeichnet.
In der Regel sind Längsteilungen
l < 1 mm aus fertigungstechnischen
Gründen
schlecht herzustellen.
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Die
Merkmale der verschiedenen Ausführungsbeispiele
sind beliebig miteinander kombinierbar. Die Erfindung ist auch für andere
als die gezeigten Gebiete einsetzbar.