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Die
Erfindung betrifft einen Wärmeübertrager
nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
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Derartige
Wärmeübertrager,
die einen Wärmeübertragerblock,
kurz Block genannt, mit parallel zueinander angeordneten Strömungskanälen aufweisen,
sind bekannt, z. B. als Kühlmittel/Luftkühler bei
Kraftfahrzeugen. Durch die Strömungskanäle strömt ein zu
kühlendes
Medium, z. B. das Kühlmittel eines
Kühlkreislaufes
einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeuges. Das Kühlmittel
wird vorzugsweise von Luft (Umgebungsluft) gekühlt, wobei Sekundäraustauschflächen in
Form von Rippen vorgesehen sein können. Für einen derartigen Block sind unterschiedliche
Strömungsmuster
bekannt, z. B. Fallstromkühler
oder Querstromkühler
mit einem oder zwei Strömungsfäden. In
letzterem Falle erfolgt die Durchströmung des Blockes U-förmig. Hierzu sind
zwei Sammelkästen
am Block vorgesehen, wobei der erste eine Ein- und eine Austrittskammer aufweist und
der zweite als Umlenkkasten ausgebildet ist. Die Umlenkung der Strömung erfolgt
somit „in
der Breite", d.
h. in Längsrichtung
des Umlenkkastens. Die Aufteilung des Blockes in einen ersten und
einen zweiten Durchgang erfolgt in der Regel 50:50, so dass die
Strömungsgeschwindigkeiten
in den Rohren beider Blockhälften
gleich sind. Die Strömungsrichtung
der Kühlluft
ist senkrecht zur Strömungsrichtung des zu
kühlenden
Mediums – somit
erfolgt die Wärmeübertragung
im Kreuzstrom. Die Temperatur des Mediums in den Rohren des ersten
Durchganges ist infolge der Abkühlung
höher als
die Temperatur des Mediums im zweiten Durchgang. Im Vergleich zu
einem Parallelstromkühler
(wobei der gesamte Block in einer Richtung durchströmt wird)
ergeben sich durch die Umlenkung erhöhte Strömungsgeschwindigkeiten in den
Strömungskanälen, die
zu einem verbesserten Wärmeübergang
bei kleinen Kühlmitteldurchsätzen führen. Durch
die Temperaturdifferenz der Rohre im ersten und zweiten Durchgang
ergeben sich unterschiedliche Ausdehnungen der Rohre, welche zu
thermischen Spannungen im Wärmeübertrager
führen.
Insbesondere bei einer Erhöhung
der Kühlmitteleintrittstemperatur
in Folge einer höheren Motorlast
ergibt sich eine erhöhte
Temperaturdifferenz zwischen erstem und zweiten Durchgang des Blockes,
weil bei einem derartigen instationären Vorgang eine zeitliche
Verzögerung
auftritt, mit der das Medium die beiden Durchgänge nacheinander durchläuft.
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Durch
die
DE 197 22 099
B4 der Anmelderin wurde ein Wärmeübertrager bekannt, welcher
einen Sammelkasten mit eingesetzter Trennwand sowie Ein- und Austrittsstutzen
aufweist. Damit wird eine U-förmige
Durchströmung
des Wärmeübertragers
ermöglicht,
welche zu den oben erwähnten
Temperaturdifferenzen im ersten und zweiten Strömungsdurchgang führen.
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Durch
die
DE 32 12 891 C2 der
Anmelderin wurde ein Wärmeübertrager
für Verbrennungskraftmaschinen
ausgebildeter Wärmeübertrager
bekannt, welcher aus einem Rippen/Rohr-Block, einem oberen sowie
einem unteren Kasten und Seitenteilen besteht, welche als Strömungskanäle ausgebildet
und vom Kühlmittel
durchströmt
werden. Das zu kühlende
Medium wird den Kästen
entnommen und kühlt somit
die Seitenteile, die dadurch eine geringere Bauteiltemperatur erhalten.
Damit werden zu hohe Temperaturdifferenzen zwischen Kühlrohren
und Seitenteilen und erhöhte
Thermospannungen vermieden.
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Ausgehend
von einem U-förmig
durchströmbaren
Wärmeübertrager,
ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, thermische Spannungen,
hervorgerufen durch Temperaturdifferenzen im Wärmeübertrager, insbesondere in
dessen Strömungskanälen zu vermeiden
bzw. zu verringern.
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Diese
Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte
Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Erfindungsgemäß ist zunächst vorgesehen, dass
dem ersten Durchgang des Wärmeübertragers, also
dem ersten U-Schenkel des Strömungsverlaufes
ein Bypass zugeordnet ist, d. h. ein Anteil des zu kühlenden
Mediums wird vor Eintritt in den ersten Durchgang des Wärmeübertragers
abgezweigt, durch den Bypass geleitet und ungekühlt nach dem ersten Durchgang
bzw. vor dem zweiten Durchgang der Hauptströmung wieder zugeführt. Damit
wird der Vorteil erreicht, dass die Temperatur im zweiten Durchgang
angehoben und damit die Temperaturdifferenz verringert wird. Damit
werden auch die thermisch bedingten Spannungen in den Strömungskanälen, beispielsweise
Rohren und Rohrbodenverbindungen reduziert.
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Dem
Block des Wärmeübertragers
sind vorteilhafterweise ein erster Sammelkasten mit Ein- und Austrittskammer
sowie ein zweiter Sammelkasten in Form eines Umlenkkastens zugeordnet.
Der Bypasskanal erstreckt sich in diesem Falle zwischen Eintrittskammer
und Umlenkkasten, wobei der lokale Eintritt des Bypasskanals in
den Umlenkkasten variabel gestaltet werden kann, d. h. abhängig von
der gewünschten
Temperaturerhöhung
im zweiten Durchgang. Vorzugsweise kann der Eintritt des Bypasskanals
in den Umlenkkasten auf der Höhe
einer Trennwand liegen, welche Eintritts- und Austrittskammer voneinander
trennt. Der Wärmeübertrager
weist in diesem Falle vorzugsweise horizontal verlaufende Strömungskanäle und senkrecht
ange ordnete Sammelkästen
auf. Der Umlenkkasten weist eine Eintrittsöffnung auf. Der Bypasskanal
mündet
in den Umlenkkasten. Der Bypasskanal und/oder der Umlenkkasten führt nur
geringfügig
abgekühltes
Medium. Der Bypasskanal ist im Umlenkkasten angeordnet. Über eine
Eintrittsöffnung
gelangt geringfügig
abgekühltes
Medium in den Umlenkkasten. Je näher
die Eintrittsöffnung
des Bypasskanals an den Eintritt zum zweiten Durchgang gelegt wird,
desto weniger findet eine Vermischung mit dem abgekühlten Medium
des ersten Durchganges statt und umso mehr eine Anhebung der Temperatur
im zweiten Durchgang statt.
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Die
Aufteilung des Blockes in einen ersten Durchgang und einen zweiten
Durchgang kann 1:1, aber auch davon abweichend erfolgen. Bei gleicher Aufteilung
ergeben sich in beiden Durchgängen
im Wesentlichen gleiche Strömungsgeschwindigkeiten. Die
Strömungsgeschwindigkeit
im Bypasskanal dagegen ist höher
und kann durch Bemessung dessen Querschnittes oder Strömungswiderstandes
auf den gewünschten
Wert eingestellt werden. Je höher
die Strömungsgeschwindigkeit
im Bypasskanal ist, umso schneller erreicht die Temperaturfront
des heißen Mediums
den Umlenkkasten bzw. den Eintritt zum zweiten Durchgang. Damit
können
plötzlich
auftretende Temperaturerhöhungen
des zu kühlenden
Mediums und die damit verbundenen erhöhten Temperaturdifferenzen
zwischen erstem und zweiten Durchgang kompensiert werden, da die
Temperaturfronten im ersten und im zweiten Durchgang gegeneinander laufen.
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Der
Bypasskanal kann vorteilhafterweise als separate Bypassleitung zu
dem Wärmeübertrager ausgebildet
oder in den Wärmeübertrager
integriert sein. Letzteres kann beispielsweise durch Integration des
Bypasskanals in ein Seitenteil des Wärmeübertragers erfolgen. Dabei
ist das Seitenteil als Strömungskanal,
d. h. hohl ausgebildet und steht in Strömungsverbindung mit dem Eintrittskasten
und dem Umlenkkasten.
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Nach
einer bevorzugten Ausführungsform der
Erfindung ist der Wärmeübertrager
als Kühlmittel/Luftkühler im
Kühlmittelkreislauf
eines Verbrennungsmotors für
ein Kraftfahrzeug ausgebildet. Der Kühlerblock besteht dabei in
der Regel aus von Kühlmittel
durchströmbaren
Rohren und Rippen, welche durch die Umgebungsluft beaufschlagt werden.
Der Rippen/Rohr-Block
kann mechanisch gefertigt oder als gelöteter Block ausgebildet sein.
Die Sammelkästen
können
aus Kunststoff oder Metall, insbesondere Aluminium wie beispielsweise
bei Ganzaluminiumkühlern
hergestellt sein.
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Vorteilhafterweise
weist die Bypassleitung einen Durchmesser im Bereich von 7 bis 16
mm auf. Der Anteil des Durchsatzes durch den Bypass am gesamten
Durchsatz durch den Kühler
beträgt
damit zwischen 10 und 25 %.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben.
Es zeigen
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1 einen
Kühlmittelkühler mit
U-förmiger Strömungsumlenkung
nach dem Stand der Technik,
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2 einen
erfindungsgemäßen Kühlmittelkühler mit
Bypassleitung,
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3 ein
Temperatur/Zeit-Diagramm,
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4 eine
schematische Darstellung von Temperaturfronten bei einem Kühler nach
dem Stand der Technik,
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5 eine
schematische Darstellung der Temperaturfronten bei einem erfindungsgemäßen Kühler,
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6 eine
schematische Darstellung eines Einleitungsrohres zur Einleitung
des Kühlmittels
aus der Bypassleitung und
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7 eine
weitere Ansicht zur schematischen Darstellung eines Einleitungsrohres
zur Einleitung des Kühlmittels
aus der Bypassleitung.
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1 zeigt
einen als Kühlmittel/Luftkühler ausgebildeten
Wärmeübertrager 1 nach
dem Stand der Technik. Der Kühlmittelkühler 1,
im Folgenden kurz Kühler
genannt, ist als Querstromkühler
in einem nicht dargestellten Kühlmittelkreislauf
für eine Brennkraftmaschine
eines Kraftfahrzeuges angeordnet. Der Kühler 1 weist einen
Kühlerblock 2,
im Folgenden kurz Block 2 genannt, auf, welcher nicht dargestellte
horizontal verlaufende Rohre (Strömungskanäle) sowie auf der Außenseite
der Rohre angeordnete, ebenfalls nicht dargestellte Rippen aufweist. Rohre
und Rippen sind vorzugsweise zu einem Block, d. h. dem Block 2 verlötet. Allerdings
kommen auch andere Bauweisen, z. B. mechanisch gefertigte Rund-
oder Ovalrohrsysteme in Betracht. Die Rohrenden der nicht dargestellten
Rohre münden
jeweils in Sammelkästen 3, 4,
wobei der erste Sammelkasten 3 durch eine Trennwand 3a in
eine Eintrittskammer 3b und eine Austrittskammer 3c unterteilt
ist, während
der zweite Sammelkasten 4 keine Trennwand aufweist, sondern
als Umlenkkasten ausgebildet ist. Der Block 2 wird infolge
der Trennwand 3a vom Kühlmittel,
welches durch einen Eintrittsstutzen 3d in die Eintrittskammer 3b eintritt,
zunächst
in einem ersten, in der Zeichnung oben gelegenen Durchgang 2a (erste
Rohrgruppe) in Richtung eines Pfeils A durchströmt. Danach wird das Kühlmittel
im Umlenkkasten 4 umgelenkt, strömt dann durch einen zweiten,
in der Zeichnung unten gelegenen Durchgang 2b (zweite Rohrgruppe)
in Richtung eines Pfeils B zurück,
tritt in die Austrittskammer 3c ein und verlässt über einen
Austrittsstutzen 3e den Kühler 1. Die beiden
Durchgänge
bzw. Rohrgruppen 2a, 2b sind durch eine gestrichelte
Linie m in Höhe
der Trennwand 3a getrennt. Das die Rohre durchströmende Kühlmittel
wird durch Umgebungsluft, welche senkrecht zur Zeichenebene den
Block 2 durchströmt,
gekühlt.
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Vorteilhaft
bei dieser Anordnung sind einerseits eine erhöhte Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmittels
infolge der Umlenkung und damit ein verbesserter Wärmeübergang.
Andererseits kann bei bestimmten Einbaubedingun gen die Anordnung
von Kühlmitteleintritts-
und -austrittsstutzen auf derselben Seite bzw. an demselben Sammelkasten
vorteilhaft sein.
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2 zeigt
einen erfindungsgemäßen Wärmeübertrager 5,
der ebenfalls als Kühlmittel/Luftkühler für ein Kraftfahrzeug
ausgebildet ist und dem bekannten Kühler 1 nach dem Stand
der Technik entspricht – daher
werden für übereinstimmende
Teile des Kühlers 5 die
Bezugszahlen des Kühlers 1 aus 1 übernommen.
Der Kühler 5 weist – abweichend
vom bekannten Kühler 1 – eine Bypassleitung 6 auf,
welche den ersten Durchgang 2a des Blockes 2 umgeht,
ohne dass dabei das Kühlmittel
gekühlt wird.
Der eintretende Kühlmittelstrom
ist durch einen Pfeil VE, der austretende
Kühlmittelstrom
durch einen Pfeil VA gekennzeichnet. Die
Bypassleitung 6 zweigt also vor oder in der Eintrittskammer 3b ab
und ist über
eine Eintrittsöffnung 7 mit
dem Umlenkkasten 4 verbunden. Die Bypassleitung 6 kann
als separate Leitung, z. B. eine Rohrleitung ausgebildet oder – was nicht
in der Zeichnung dargestellt ist – in den Kühler 5 integriert
sein. Dies kann beispielsweise bei einem Kühler mit Seitenteilen erreicht
werden, wobei ein Seitenteil, welches an der Blockhälfte des
ersten Durchganges anliegt, hohl und als Strömungskanal ausgebildet ist
und vom Kühlmittel
von der Eintrittskammer bis zum Umlenkkasten durchströmt wird.
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Die
Eintrittsöffnung 7 ist
vorzugsweise in einem Bereich b angeordnet, der jeweils um etwa
15 % der Breite des Blockes 2 nach beiden Seiten von der Linie
m abweicht. Unter Eintrittsöffnung
oder Eintrittspunkt 7 soll die Stelle verstanden werden,
wo der Bypassstrom (die Kühlmittelströmung durch
den Bypasskanal 6) auf den Kühlmittelstrom im Umlenkkasten 4 trifft
und beide Ströme
sich mischen.
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Nach
einem bevorzugten Ausführungsbeispiel
der Erfindung liegt der Durchmesser der Bypassleitung für einen
Kühler
in einem Bereich von 7-16 mm mm – der Anteil der Bypassströmung am gesamten
Durchsatz durch den Kühler 5 lässt sich damit
zwischen 10 % und 25 % einstellen.
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Die
Eintrittsöffnung 7 im
Umlenkkasten 4 ist in der Zeichnung, d. h. bei einem bevorzugten
Ausführungsbeispiel,
oberhalb der Linie m angeordnet, die den ersten, in der Zeichnung
oben gelegenen Durchgang 2a von dem zweiten, in der Zeichnung
unten gelegenen Durchgang 2b trennt. Da der erste Durchgang 2a und
der zweite Durchgang 2b die gleiche Anzahl von (nicht dargestellten)
Rohren mit gleichen Strömungsquerschnitten
aufweisen, sind die obere und die untere Blockhälfte 2a, 2b gleich.
Es liegt jedoch auch im Rahmen der Erfindung, die Strömungsquerschnitte
der Durchgänge 2a, 2b abweichend
von 50:50, z. B. 40:60 auszulegen.
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Durch
die Bypassströmung,
d. h. den Anteil des durch die Bypassleitung 6 strömenden Kühlmittels
und den Wiedereintritt des praktisch ungekühlten Kühlmittels im mittleren Bereich
des Umlenkkastens 4 wird dem zweiten Durchgang 2b heißes bzw.
relativ ungekühltes
Kühlmittel
zugeführt,
sodass die Temperatur des Kühlmittels
im zweiten Durchgang 2b ansteigt. Diese erfindungsgemäße Wirkung
der Bypassströmung
wird im Folgenden näher
erläutert.
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3 zeigt
ein Diagramm, bei welchem die Eintrittstemperatur TE des
Kühlmittels,
also des Kühlmittelstromes
VE , aufgetragen
ist über
der Zeit t. Dem dargestellten Temperaturverlauf liegen folgende
beiden Betriebszustände
im Fahrzeug zu Grunde: Bei dem ersten Betriebszustand (Kurzschlussbetrieb)
ist der (nicht dargestellte) Thermostat des Kühlmittelkreislaufes geschlossen,
der Motor läuft
im Teillastbereich. Der Kühlmittelkühler kühlt das
Kühlmittel
nahezu auf Umgebungstemperatur (T1) ab. Der Volumenstrom im Kühler ist
bei diesem Betriebszustand gleich Null oder sehr gering. In dem
zweiten Betriebszustand läuft
der Motor unter Last, daher wird ihm mehr Wärme entzo gen, d. h. der Thermostat öffnet. Der
Volumenstrom steigt an, und es läuft
Kühlmittel mit
einer gegenüber
T1 erhöhten
Temperatur T2 in den Kühler.
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Im
Diagramm ist T1 die niedrige Kühlmitteleintrittstemperatur,
während
T2 die erhöhte
Kühlmitteleintrittstemperatur
repräsentiert,
welche – wie oben
erwähnt – bei einer
Erhöhung
der Motorlast auftreten kann. Der Linienzug, welcher die zeitliche
Abhängigkeit
der Temperatur TE von der Zeit t darstellt, zeigt
die Verzögerung,
mit welcher sich eine Temperaturerhöhung von T1 auf T2 am Kühlereintritt
bis zum Umlenkkasten fortpflanzt. Während die Kühlmitteleintrittstemperatur
in einer Zeitspanne (t2 – t1)
auf T2 anwächst,
vergeht eine Zeitspanne (t4 – t2),
bis die Temperatur T2 auch am Umlenkkasten, d. h. am Eintritt zum
zweiten Durchgang angekommen ist.
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4 zeigt
eine schematische Darstellung eines Kühlers nach dem Stand der Technik,
also gemäß 1,
welche zu einem Zeitpunkt t = t3 (vgl. 3) im ersten
(oberen) Durchgang die Temperaturfronten mit einer Temperatur von
T1 und einer erhöhten
Temperatur von T2 zeigt. Der obere Block 2a des Kühlers weist
bei einem Temperatursprung insbesondere am Eintritt im Wesentlichen
den schraffiert dargestellten Bereich A auf, in dem das Kühlmittel
in den Rohren die Eintrittstemperatur T2 erreicht hat. In einem Übergangsbereich
mit T2 > T > T1 werden kaltes Kühlmittel
und heißes
Kühlmittel
miteinander vermischt. In einem Bereich T = T1 befindet sich kaltes
Kühlmittel
mit der Temperatur T = T1. Man erkennt daraus deutlich, dass die
Temperaturdifferenz (T2 – T1)
in vollem Umfang wirksam ist, d. h. die Rohre des oberen Durchganges
haben größtenteils
bereits eine erhöhte
Temperatur T2, während
die Rohre des unteren Durchganges noch eine niedrigere Temperatur
von T1 aufweisen. Daraus resultieren die erwähnten thermischen Spannungen.
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5 zeigt
die Ausbreitung der Temperaturfronten zu einem Zeitpunkt t = t3
(vgl. 3) bei einem erfindungsgemäßen Kühler mit Bypassleitung 6 und Eintrittspunkt 7 der
Bypassströmung
im Umlenkkasten 4, entsprechend dem Ausführungsbeispiel gemäß 2.
Der Eintrittspunkt 7 ist vorteilhafterweise im Bereich
von ± 15
% der Kühlerbreite
relativ zur Position der Trennwand (Linie m) angeordnet. Durch die
Bypassströmung
und ihren Eintritt im Bereich der Linie m wird Kühlmittel mit der erhöhten Temperatur
T2 direkt zum Eintritt des zweiten Durchganges 2b geführt. Dadurch
bildet sich eine Temperaturverteilung bzw. eine Temperaturfront
aus, welche durch einen schraffierten Bereich 8 modellhaft (idealisiert)
dargestellt ist. Der Bereich mit erhöhter Kühlmitteleintrittstemperatur
T2 im ersten Durchgang ist ebenfalls schraffiert und mit der Bezugszahl 9 versehen.
Die schraffierten Bereiche 8, 9 bilden Flächen Au und Ao, welche
den Kühlmittelvolumina
mit der Temperatur T2 entsprechen. In 4 ist die
entsprechende schraffierte Fläche
der Temperatur T2 mit A bezeichnet. Im Vergleich der 4, 5 gilt
die Beziehung: A = Ao + Au.
Das Diagramm zeigt, dass die Temperaturfronten des Bereiches 9 (Ao) im ersten Durchgang und des Bereiches 8 (Au) im zweiten Durchgang gegeneinander, d.
h. aufeinander zu laufen. Dadurch werden die erhöhten Temperaturunterschiede,
wie sie aus dem Stand der Technik bekannt sind, reduziert und demzufolge
auch die daraus resultierenden Spannungen herabgesetzt.
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Aufgrund
des Strömungswiderstandes
und des Querschnittes der Bypassleitung kann der zeitliche Versatz
zwischen dem Temperaturanstieg im Kasten 3a und dem Kasten 4 an
der Stelle 7 variiert und angepasst werden.
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6 und 7 zeigen
ein Ausführungsbeispiel
eines Einleitungsrohrs 21. Das Einleitungsrohr 21 ist
an den Bypasskanal 6 mittels eines Rohrflansches 20 angeschlossen
und dient zur Einleitung des Kühlmittels
aus dem Bypasskanal 6 in den Umlenkkasten 4. Das
Einleitungsrohr 21 ragt dabei zumindest abschnittsweise
in den Umlenklasten 4 hinein. Ferner ist das Einleitungsrohr 21 zumindest
abgekröpft
und/oder weist zumindest eine Öffnung 22 zur Einleitung
des Kühlmittels
aus dem Bypasskanal 6 auf.