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Die
Erfindung betrifft einen inneren Wärmeübertrager
für einen Kältekreis nach dem Oberbegriff des
Anspruch 1 sowie eine integrierte Einheit aus einem Wärmetauscher
und einem erfindungsgemäßen inneren Wärmeübertrager.
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Beim
Bau von Wärmetauschern für Klimaanlagen von Kraftfahrzeugen
werden hohe Anforderungen an Leistungsfähigkeit, Bauraum
und Betriebssicherheit bei zugleich kostengünstiger Serienfertigung gestellt.
Dies gilt insbesondere für Hochdruck-Klimaanlagen, die
zum Beispiel mit dem umweltfreundlichen Kältemittel Kohlendioxid
betrieben werden.
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DE 10 2006 005 245
A1 beschreibt einen Wärmetauscher für
eine Kohlendioxid-Klimaanlage eines Kraftfahrzeugs, der einen seitlich
angeordneten inneren Wärmeübertrager aufweist,
welcher in Form von flächig miteinander verlöteten
Flachrohren ausgebildet ist. Die Flachrohre werden alternierend von
hochdruckseitigem und niederdruckseitigem Kältemittel durchströmt,
so dass ein Wärmeaustausch zwischen diesen Kältemittelströmen
stattfindet. Hier durch kann der Wirkungsgrad der Klimaanlage verbessert
werden, was in besonderem Maß für Kohlendioxid-Klimaanlagen
gilt.
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Es
ist die Aufgabe der Erfindung, einen inneren Wärmeübertrager
anzugeben, der eine hohe Übertragungsleistung und eine
hohe Betriebssicherheit aufweist.
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Diese
Aufgabe wird für einen eingangs genannten Wärmetauscher
erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden Merkmalen
des Anspruchs 1 gelöst. Durch die Anordnung des einen Strömungspfads
in einem den anderen Strömungspfad ausbildenden Hohlraum
ist ein innerer Wärmeübertrager nach der Bauart
eines Rohrbündel-Wärmetauschers gegeben. Hierdurch
lässt sich eine hohe Übertragungsleistung erzielen.
Zudem ist durch die unterschiedliche Gestaltung der Strömungspfade
den unterschiedlichen Eigenschaften des niederdruckseitigen und
des hochdruckseitigen Kältemittels Rechnung getragen. Ein
zusätzlicher Vorteil ergibt sich unter dem Aspekt der Betriebssicherheit,
da ein eventuelles Bersten eines der Tauscherohre nicht in den Außenbereich
erfolgen würde, sondern nur in das Gehäuse hinein.
Gerade bei Klimaanlagen mit hohen Drücken wie etwa CO2-Klimaanlagen
ergibt sich somit ein Sicherheitsvorsprung gegenüber herkömmlichen
inneren Wärmeübertragern. Unter diesem Gesichtspunkt
führt das Bündel von Tauscherrohren zweckmäßig
den hochdruckseitigen Strömungspfad. Je nach Anforderungen
und Eigenschaften des Kältekreises kann aber grundsätzlich
auch der niederdruckseitige Strömungspfad durch die Tauscherrohre verlaufen.
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In
vorteilhafter Detailgestaltung sind die Tauscherrohre als Flachrohre
mit insbesondere jeweils mehreren Kammern ausgebildet. Insbesondere
bevorzugt können die Tauscherrohre als Strangpressprofile
ausgebildet sein. Insgesamt ist hierdurch ein guter Wärmeübergang
zwischen den Strömungspfaden bei guter Druckfestigkeit
der Tauscherrohre gegeben.
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In
einfacher und kostengünstiger Ausführung ist das
Gehäuse zumindest abschnittsweise als Rohrteil ausgebildet.
Das Gehäuse kann einen runden, insbesondere kreisförmigen
Querschnitt haben, wodurch es besonders druckfest ist Alternativ
kann das Gehäuse aber auch einen im Wesentlichen rechteckigen
Querschnitt haben, wodurch eine gute Anpassung an das Bündel
aus Tauscherrohren besonders dann ermöglicht ist, wenn
dieses aus Flachrohren besteht. Hierdurch lässt sich dann
ein randseitiger Spalt zwischen Gehäuse und Tauscherrohrbündel
auf einfache Weise minimieren.
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Allgemein
vorteilhaft ist zwischen benachbarten Tauscherrohren des Bündels
zumindest ein Rippenelement vorgesehen. Neben einer Vergrößerung
der wärmeübertragenden Flächen können durch
solche Rippenelemente auch auf einfache Weise Strömungskanäle
definiert werden, die das Kältemittel zwischen den Tauscherohren
führen und ein unerwünschtes Umgehen der Tauscherohre
zum Beispiel entlang randseitiger Spalte vermeiden. Zweckmäßig
ist dabei das Rippenelement durchgängig mit den Tauscherrohren
verlötet.
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Bei
einer einfachen und effektiven Bauform eines erfindungsgemäßen
Wärmeübertragers durchgreifen die Tauscherrohre
einen den Hohlraum begrenzenden Boden wobei die Tauscherrohre dichtend
mit dem Boden verbunden sind. Dabei grenzt an eine erste Seite des
Bodens eine erste Kammer zum Anschluss des ersten Strömungspfads
an und an die gegenüberliegende Seite des Bodens grenzt
eine zweite Kammer zum Anschluss des zweiten Strömungspfads
an. Durch den zum Beispiel innenseitig eines Gehäuserohrs
dichtend verlöteten Boden ist dann eine Trennung zwischen
den Strömungspfaden bzw. Druckbereichen gegeben, die einfach
und effizient, zum Beispiel als scheibenförmiges Blechformteil,
ausformbar ist.
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In
bevorzugter Ausführungsform ist in dem Gehäuse
zumindest ein Strömungsmittel zur Beeinflussung der Strömung
des Kältemittels vorgesehen, wobei das Strömungsmittel
besonders bevorzugt eine Strömung des Kältemittels
zwischen den Tauscherrohren und einer Wand des Gehäuses
zumindest verringert. Ein solches Strömungsmittel kann zum
Beispiel eine Blende oder ein Strömungsblech sein, durch
das der Kältemittelstrom zwischen die Tauscherrohre gelenkt
wird und eine uneffektive Durchströmung von Spalten zwischen
der Gehäusewand und dem Tauscherohrbündel vermieden
wird. Je nach Anforderungen und Detailgestaltung können auch
mehrere solcher Strömungsmittel vorgesehen sein.
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Im
Interesse von Kosten und Gewicht bestehen zumindest die Tauscherrohre
und das Gehäuse vorteilhaft aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung.
Insbesondere durch Verwendung von geeignet lotplattierten Blechen
kann der innere Wärmeübertrager dabei mechanisch
vormontiert und dann insgesamt in einem Lötofen verlötet
werden.
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Bei
einer weiteren Ausführungsform der Erfindung hat der Wärmeübertrager
einen integriert ausgebildeten Sammler, wodurch zusätzliche
Komponenten und Bauraum gespart werden. Dieser kann insbesondere
vorteilhaft als Teil des Gehäuses ausgeformt sein. Auf
einfache Weise kann so ein überschüssiger Raum
im insbesondere niederdruckseitigen Strömungspfad bzw.
im Gehäuse als Sammelraum für flüssige
Phase des Kältemittels genutzt werden, so dass ein dem
niederdruckseitigen Strömungspfad nachgeordneter Verdichter
keine flüssige Phase ansaugen kann. Ein solcher überschüssiger Raum
kann etwa ein Bereich zwischen Tauscherrohrbündel und Gehäusewand
sein oder auch ein hierfür besonders vorgesehener unterer
Gehäuseabschnitt.
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Die
Aufgabe der Erfindung wird für eine eingangs genannte integrierte
Einheit von Wärmetauscher und innerem Wärmeübertrager
zudem durch die Merkmale des Anspruchs 14 gelöst. Die Kombination
eines erfindungsgemäßen Wärmeübertragers mit
einem zum Beispiel als Gaskühler oder Kondensator im Kältekreis
eingesetzten Wärmetauscher ermöglicht eine Reduzierung
von separaten Bauteilen des Kältekreises.
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In
vorteilhafter Weiterbildung umfasst dabei der Wärmeübertrager
zumindest ein Anschlussglied, wobei besonders bevorzugt ein Strömungspfad
des Wärmetauschers und einer der Strömungspfade
des Wärmeübertragers durch das Anschlussglied
miteinander verbunden sind. Das Anschlussglied ist vorteilhaft sowohl
mit dem Wärmeübertrager als auch mit dem Wärmetauscher
fluiddicht verlötet, so dass es neben der Verbindung des
Kältemittelstroms zugleich eine Halterung oder Festlegung
zwischen Wärmetauscher und Wärmeübertrager
ausbildet. Zur weiteren Integration und Reduzierung von separaten Bauteilen
hat das Anschlussglied bevorzugt einen Anschluss zur Verbindung
des Wärmetauschers oder des Wärmeübertragers
mit einer weiteren Komponente des Kältekreises. Zudem kann
das Anschlussglied auch noch einen Anschluss zur Aufnahme eines Sensors
umfassen. Ein solcher Sensor kann zum Beispiel eingangsseitig des
Gaskühlers eine Druck- und Temperaturmessung vornehmen,
um eine optimierte Regelung des Kältekreises zu ermöglichen.
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Vorteilhaft
kann der Wärmeübertrager in bezüglich
der Tauscherrohre im Wesentlichen senkrechter Orientierung an dem
Wärmetauscher angeordnet sein. Hierdurch ist unter anderem
einer zusätzlichen Funktion als Sammler Vorschub geleistet, wobei
eine senkrechte Orientierung ganz allgemein Vorteile z. B. für
den Einbau in der Frontpartie eines PKW bietet, da die Höhe
der aktiven Fläche des Wärmetauschers nicht beschränkt
wird.
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Zur
Vereinfachung und Kostenoptimierung des Herstellungsprozesses ist
es vorgesehen, dass der Wärmeübertrager und der
Wärmetauscher gemeinsam in einem Lötofen verlötet
werden.
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Weitere
Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus dem nachfolgend
beschriebenen Ausführungsbeispiel sowie aus den abhängigen
Ansprüchen.
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Nachfolgend
wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung
beschrieben und anhand der anliegenden Zeichnungen näher
erläutert.
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1 zeigt
eine Draufsicht auf eine integrierte Einheit aus Wärmetauscher
und erfindungsgemäßem Wärmeübertrager
von vorne.
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2 zeigt
eine vergrößerte Draufsicht auf den Wärmeübertrager
aus 1.
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3 zeigt
eine Schnittansicht des Wärmeübertragers aus 2 entlang
der Schnittebene A-A.
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4 zeigt
eine Schnittansicht des Wärmeübertragers aus 2 entlang
der Schnittebene B-B.
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5 zeigt
eine Detailvergrößerung des oberen Endes der Schnittansicht
aus 3.
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6 zeigt
eine Schnittansicht des unteren Endes des Wärmeübertragers
entlang einer in der Ebene von 1 liegenden
Schnittebene.
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7 zeigt
eine Schnittansicht des oberen Endes des Wärmeübertragers
entlang der Schnittebene der 6.
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8 zeigt
eine Detailvergrößerung der Draufsicht aus 1 im
Bereich des oberen Endes des Wärmeübertragers.
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Das
in 1 gezeigte Ausführungsbeispiel der Erfindung
umfasst einen erfindungsgemäßen inneren Wärmeübertrager 1,
der seitlich und senkrecht orientiert an einem als Gaskühler
bzw. Kondensator ausgebildeten Wärmetauscher 2 einer
Klimaanlage eines Kraftfahrzeugs angebracht ist. Das Kältemittel des
Kältekreises der Klimaanlage ist Kohlendioxid, so dass
der Wärmetauscher 2 und der Wärmeübertrager 1 besonders
hochdruckfest ausgelegt sind. Der Gaskühler 2 ist
in dem Kältekreis einem Verdichter nachgeordnet und der
innere Wärmeübertrager 1 ist einem Verdampfer
nachgeordnet und dem Verdichter vorgeschaltet. Der innere Wärmeübertrager ist
außerdem hochdruckseitig dem Gaskühler 2 nachgeordnet
und dem Expansionsventil vorge4schaltet. Zwischen dem Gaskühler 2 und
dem Verdampfer ist auf bekannte Weise ein Expansionsorgan vorgesehen.
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Der
Wärmeübertrager 1 hat ein Gehäuse 3, das
teilweise als Aluminiumrohr von kreisförmigem Querschnitt
ausgebildet ist und von dem Kältemittel niederdruckseitig
durchströmbar ist. Innerhalb des Rohrs 3 verläuft
ein Bündel von vorliegend vier Tauscherrohren 4,
die jeweils als Flachrohre in Form von Aluminium-Strangpressprofilen
ausgebildet sind und jeweils mehrere Separate Kammern 4a aufweisen. Zwischen
den beabstandet parallel angeordneten Flachrohren 4 sind
Rippenelemente 5 in Form von Wellrippen verlötet,
wodurch innerhalb des Bündels von Tauscherrohren 4 mehrere
Strömungskanäle 6 abgegrenzt werden.
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Die
Tauschrohre 4 bilden insgesamt einen ersten, hochdruckseitigen
Strömungspfad für hochdruckseitiges Kältemittel
und das Gehäuse 3 bildet einen zweiten, niederdruckseitigen
Strömungspfad für das Kältemittel.
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Das
in dem rohrförmigen Gehäuseteil 3 angeordnete
Bündel von Tauscherrohren 4 durchgreift endseitig
jeweils einen ersten, oberen Boden 7 und einen zweiten,
unteren Boden 8, wobei die Enden der Tauscherrohre in einer
oberen, hochdruckseitigen Kammer 9 und einer unteren, hochdruckseitigen Kammer 10 münden.
Die scheidenförmigen Böden 7, 8,
an denen die durchtretenden Tauscherrohre 4 dichtend verlötet
sind, sind ihrerseits dicht mit der Wandung des Rohres 3 verlötet
und trennen somit den ersten Strömungspfad bzw. die Hochdruckseite vom
zweiten Strömungspfad bzw. der Nieder druckseite. Der den
zweiten Strömungspfad bildende Hohlraum des Gehäuses
wird von dem Gehäuserohr 3 und den beiden Böden 7, 8 begrenzt.
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Zwischen
den Böden 7, 8 und dem von ihnen beabstandeten
Anfang der Wellrippen 5 ist jeweils eine obere niederdruckseitige
Kammer 11 und eine untere niederdruckseitige Kammer 12 abgegrenzt, die
einen Eintrittsbereich bzw. Austrittsbereich für das niederdruckseitige
Kältemittel darstellen und auf deren Höhe seitlich
im Rohr 3 entsprechende niederdruckseitige Anschlüsse 13, 14 angelötet
sind. Die Anschlüsse 13, 14 haben übliche
Ausformungen 13a, 14a zum dichten Verschrauben
einer Kältemittelleitung und umfassen jeweils einen Flanschteil 13b, 14b und
einen die Gehäusewandung 3 durchgreifenden und
mit der Gehäusewandung 3 als auch dem Flanschteil 13b, 14b dicht
verlöteten Hülsenteil 13c, 14c.
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Auf
Höhe des Anfangs der Wellrippen 5 sind jeweils
als Begrenzungen der Kammern 11, 12 Strömungsmittel 15, 16 in
Form von Blechen vorgesehen. Die Bleche 15, 16 überdecken
den freien Raumbereich 17 (siehe 4), der
zwischen dem Tauscherohrbündel 4 von quadratischem
Querschnitt und dem Gehäuserohr 3 von kreisförmigem
Querschnitt verbleibt. Somit wird zumindest der überwiegende Teil
des Kältemittels in die Kanäle 6 des
Tauscherrohrbündels geleitet und eine für die
Tauscherleistung ungünstige Durchströmung des
freien Raums 17 wird reduziert oder ganz vermieden.
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In
alternativer Ausgestaltung kann der Querschnitt des Gehäuserohrs
auch rechteckig sein und so an das Tauscherrohrbündel angepasst,
dass kaum ein freier Raum 17 verbleibt. Hierbei ist jedoch die
Druck- und Formfestigkeit des Gehäuses 3 entsprechend
sicherzustellen, zum Beispiel durch Verstärkungen oder
Verlötungen zwischen Gehäusewand und Tauscherrohrbündel.
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Bei
einer weiteren, nicht dargestellten Abwandlung können sowohl
der Eintritt 13 als auch der Austritt 14 des zweiten
Strömungspfades obenseitig bzw. unmittelbar benachbart
vorgesehen sein. Hierbei wird zweckmäßig auf das
untere Strömungsmittel 16 verzichtet, so dass
das Kältemittel zunächst durch den Eintritt 13 einströmt,
dann von oben nach unten durch die Kanäle 6 des
Bündels von Tauscherrohren 4, dann seine Richtung
im Bereich der unteren Kammer 12 umkehrt und durch die
seitlichen Räume 17 wieder nach oben und aus dem
dann obenseitig angeordneten zweiten Anschluss 14 wieder
ausströmt. Hierdurch kann auf besonders günstige
Weise die Funktion eines Sammlers in den inneren Wärmeübertrager 1 integriert
werden. Um einen ausreichend großen Sumpf für
angesammelte flüssige Phase bereitzustellen, kann zum Beispiel
die untere niederdruckseitige Kammer 12 entsprechend groß dimensioniert
sein.
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Der
erste bzw. hochdruckseitige Strömungspfad wird von unten
nach oben durchströmt und ist mittels eines oberen Anschlusses
oder Anschlussglieds 18 und eines unteren Anschlusses oder
Anschlussglieds 19 durch Verlötung mit einem seitlichen,
senkrechten Verteilerkasten 20 des Wärmetauschers 2 verbunden.
Die Anschlüsse bzw. Anschlussglieder 18, 19 bilden
dabei zugleich die Halterung des inneren Wärmeübertragers 1 an
dem Wärmetauscher 2, so dass eine integrierte
Einheit der beiden Komponenten 1, 2 ausgebildet
wird.
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6 zeigt
eine detaillierte Schnittansicht durch den unteren, für
den ersten Strömungspfad eintrittsseitigen Anschluss 19,
in dem auch die untere hochdruckseitige Kammer 10 ausgeformt
ist. Der Anschluss 19 hat einen runden Kragen 19a und
einen waagerecht verlaufenden Anschlusskanal 19b, der über
eine Anschlussöffnung 20a des Verteilerkastens 20 mit
selbigem verlötet ist. Der Kragen 19a ist in das Ende
des Gehäuserohrs 3 eingeschoben und dichtend mit
ihm verlötet. Hierzu hat der Kragen 19a eine umlaufende
Nut 19c, in die im Zuge der Herstellung ein Lotring eingelegt
wird.
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Der
obere, nach durchlaufen der Tauscherrohre 4 austrittsseitige
Anschluss 18 des hochdruckseitigen ersten Strömungspfads
ist detailliert in 7 und 8 gezeigt.
Wie der untere Anschluss 19 ist er mittels eines in das
Gehäuserohr 3 eingeschobenen Kragens 18a und
einem Lotring mit dem Gehäuserohr 3 verlötet.
Der Anschluss 18 hat eine übliche Ausformung 18b zur
dichtenden Verschraubung einer Kältemittelleitung, die
das Kältemittel nach Austritt aus dem ersten Strömungspfad
von der integrierten Einheit wegführt.
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In
dem Anschluss 18 ist zudem ein für den Wärmetauscher 2 eintrittsseitiger
Leitungsanschluss 18c integriert, der in einem einstückigen
Aluminiumblock mit einem Kragen 18d eines Anschlusskanals 18e gebohrt
ist. Der Kragen 18d ist dabei auf zu dem Anschluss 19 analoge
Weise mit einer Öffnung 20b des Kastens 20 dichtend
und halternd verlötet.
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In
den Anschlusskanal 18e ragt zudem eine schräg
von oben kommende Stichbohrung 18f hinein, die zur Aufnahme
eines Druck- und Temperatursensors (nicht dargestellt) ausgeformt
ist. An dieser Stelle wird der Zustand des Kältemittels
eintrittsseitig des Gaskühlers überwacht, um die
Regelung des Kältekreises zu optimieren.
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In
dem Aluminiumblock, der den Anschluss 18 ausbildet, ist
eine tiefe Nut 18g eingeschnitten, durch die eine Isolation
zwischen den Leitungsanschlüssen 18b und 18c erreicht
wird, um einen ungünstigen Wärmeaustausch an dieser
Stelle zu vermeiden.
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Der
Wärmetauscher 2 kann im Sinne der Erfindung auf
nahezu beliebige bekannte Weise ausgebildet sein. Vorliegend handelt
es sich um einen einreihigen Flachrohr-Wärmetauscher mit
seitlich senkrecht angeordneten Verteilerkästen 20.
Der Wärmetauscher 2 bzw. die integrierte Einheit 1, 2 ist
in einem Frontbereich eines Kraftfahrzeugs in Überdeckung mit
einem Hauptkühler des Fahrzeugmotors angeordnet.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102006005245
A1 [0003]