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Technisches Gebiet
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Diese
Erfindung betrifft Metalllegierungsgussteile mit eingegossen Metallrohren
für Fluidzirkulationsdurchgänge. Im Spezielleren
betrifft diese Erfindung Metalllegierungsgussteile mit Eingussrohren
für eine Kühlmittelströmung oder eine
andere Fluidströmung, wobei das Metall oder die Metalllegierungszusammensetzung
des Rohres das Bilden des Gussteiles ermöglicht, das Gussteil
vor einer Korrosion durch das/die Fluid/e isoliert und eine Verstärkung für
das Gussteil bereitstellen kann. Als ein Beispiel kann ein Motorblock
aus einer Magnesiumlegierung für einen Hubkolben-Verbrennungsmotor
unter Verwendung von Kupferrohren, Edelstahlrohren oder dergleichen
als Kerne gegossen werden, um Durchgänge um jeden Verbrennungszylinder
des Motorgussteiles herum für die Strömung eines
wasserhaltigen Kühlmittels bereitzustellen, um dadurch
die Magnesiumlegierung vor Korrosion durch das wasserhaltige Kühlmittel
zu schützen.
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Hintergrund der Erfindung
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Es
besteht fortwährender Bedarf, das Gewicht von Metallgussteilen,
die in vielen hergestellten Gegenständen verwendet werden,
zu reduzieren. Der Bedarf ist besonders akut, wenn die Gussteile
in Kraftfahrzeugen verwendet werden. Für solche Anwendungen
können relativ leichtgewichtige Metalllegierungen zur Verfügung
stehen. Wenn das Gussprodukt jedoch Kontakt mit einem Fluid zum
Kühlen, Schmieren oder für andere Zwecke er fordert,
ist die chemische Wirkung eines solchen Fluids auf das Material
aus der leichteren Legierung zu berücksichtigen.
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Zum
Beispiel sind Magnesiumlegierungen (und sogar bestimmte Aluminiumlegierungen)
Kandidaten für Motorzylinderblöcke für
benzinbetriebene Verbrennungsmotoren. Solche Legierungen können jedoch
durch die wasserhaltigen Kühlmittel und die Schmiermittel
korrodiert werden. Das Ersetzen dieser Fluide ist nicht zweckmäßig,
da sie weithin verfügbar und das Produkt jahrelanger Entwicklung
und effektiver Verwendung sind. Des Weiteren ist es keineswegs sicher,
dass Ersatzfluide irgendwie weniger aggressiv für die umgebenden
Legierungen sein werden.
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Es
besteht ein aktueller Bedarf, die Verwendung von leichtgewichtigen
Magnesiumlegierungsgussteilen, Aluminiumlegierungsgussteilen und
anderen Gussteillegierungen in Kombination mit Fluiden, die vorgesehen
sind, um in Gegenständen, welche aus solchen Metallzusammensetzungen
bestehen, verwendet zu werden, vorzusehen. Es besteht ein Bedarf,
die Verwendung einer Metalllegierung vorzusehen, um einen Gussgegenstand
herzustellen, der einen Kontakt mit einem Fluid erfordert, welches
mit der Metallzusammensetzung chemisch nicht verträglich
ist.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Es
gibt in der Konstruktion von Gussgegenständen, die Durchgänge
für eine Flüssigkeitsströmung erfordern,
Möglichkeiten, wo eine bevorzugte Kombination einer flüssigen
Zusammensetzung und einer Gusslegierungszusammensetzung zu einem chemischen
Angriff von Gussteilflächen führt, die mit der
Flüssigkeit in Kontakt stehen. Diese Erfindung verwendet
Eingussrohre, um das erwünschte Gussmetall von einer aggressiven Flüssigkeit
zu isolieren, die andererseits für die Funktion des Gussgegenstandes
bevorzugt wird.
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Es
werden Metalllegierungsgussgegenstände mit Eingussrohren
für eine Fluidströmung innerhalb des und/oder
durch den Gegenstand/es gebildet. Die Zusammensetzung des Rohres
ist für das Gießen eines fehlerfreien Gegenstandes
bestimmt, welcher ein Erwärmen und Abkühlen erfahren
kann, mit einem geeigneten Grenzflächenkontakt zwischen der
Rohroberfläche und dem Gussmetall. Die Rohrform und -zusammensetzung
sind auch gewählt, um den Durchgang des Fluids und den
Schutz des Gussmetalls vor einem chemischen Angriff durch das Fluid zu
berücksichtigen. In vielen Ausführungsformen der Erfindung
werden die Rohre aus einem Metall oder einer Metalllegierung gebildet.
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Eine
Ausführungsform der Erfindung ist durch das Gießen
eines Magnesiumlegierungszylinderblocks für einen Hubkolben-Verbrennungsmotor eines
Fahrzeuges veranschaulicht. Dieselbe Legierung kann zum Gießen
des Zylinderkopfes und/oder von Kurbelgehäuseteilen des
Motors verwendet werden. Die Verwendung von Magnesiumlegierungen reduziert
das Gewicht von Motorkomponenten merklich, allerdings sind Materialien
auf Magnesiumbasis anfällig für Korrosion durch
wasserhaltige Kühlmittel und andere Fluidmaterialien, die
durch einen Zylinderblock zirkulieren.
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Es
wurden wirksame Wasser/Glykol-Kühlmittelformulierungen
für die Zirkulation zwischen einem äußeren
Wärmetauscher und dem Zylinderblock erdacht. Das Kühlmittel
wird durch Kühlmittelkanäle gepumpt, die um jeden
Zylinder des Gussblockes herum gebildet sind, um die nicht gebrauchte Wärme
von der Aktivität des Verbrennungsprozesses und des sich
hin- und herbewegenden Kolbens in jedem Zylinder abzuführen.
Die Kolben und andere bewegliche Teile des Motors können
auch mit einer flüssigen Zusammensetzung auf Kohlenwasserstoffbasis
geschmiert sein. Dieses Schmieröl kann auch durch Kanäle
in dem Gussmotorblock gepumpt werden und die zirkulierende Kohlenwasserstoffflüssigkeit
kann Wasser aus dem Verbrennungsprozess in dem Motor erhalten.
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In Übereinstimmung
mit dieser Ausführungsform sind Leitungen für
zirkulierende Motorfluide, die mit einer gewählten Magnesiumlegierung
(oder einer anderen gewählten Legierung) reagieren können, aus
Rohren gebildet, die als Gießkerne dienen, und eine Magnesiumlegierungsschmelze
wird um solche rohrförmigen Leitungen herum gegossen. Wenn
die Flüssigkeit ein Kühlmittel ist, werden die
Rohre wahrscheinlich aus einem Metall bestehen, das eine geeignete
Wärmeleitfähigkeit aufweist. Und die Rohrzusammensetzung
muss eine Solidustemperatur und mechanische Eigenschaften aufweisen,
die es zulassen, dass eine Metallschmelze um eine Rohrstruktur und
-form herum gegossen wird, die wie ein Gießkern innerhalb
eines Gießformhohlraumes angeordnet ist. Diese Strategie
dient dazu, dass das Gussmetall eine geeignete Bindung oder Grenzfläche
mit frei liegenden Flächen des/der Rohre/s für
die vorgesehene Funktion der Flüssigkeit bildet. Das Rohrmaterial
ist derart gewählt, dass es mit der Flüssigkeit,
die es durch das Gussteil hindurch leitet, verträglich
ist und einer unerwünschten chemischen Wirkung mit der Flüssigkeit
standhält, während es mit der Funktion der Flüssigkeit
zusammenwirkt. Zum Beispiel kann/können in der Ausführungsform
eines Magnesiumlegierungszylinderblocks das/die Eingussrohr/e aus
Kupfer, einer Legierung auf Kupferbasis, Edelstahl oder einer anderen
Eisenlegierung gebildet sein.
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Die
Form des Rohres und seine Wanddicke (oder -dicken) sind für
den/die spezielle/n Gegenstand und Funktion bestimmt. Wenn das Rohr
z. B. in einem Gusszylinderblock ein Kühlmittel um eine
Zylinderbohrung führen soll, kann ein Rohr mit einem geeigneten
Innendurchmesser wie eine Spi rale vorgewickelt sein, um es in dem
Gussteil um jeden Zylinder herum einzubetten. Die Querschnittsfläche
des Rohres kann für seine Kühl-(und mögliche
Verstärkungs)-Funktion rund, quadratisch oder anderweitig geformt
sein. Die Rohre für jeden Gusszylinder können
für eine bevorzugte Kühlmittelströmung
für die Motorkonstruktion verbunden sein. Es können
andere Rohrformen für die Zylinderblockausführungsform erdacht
werden. Zum Beispiel kann das Rohr in der Form eines ringförmigen
Zylinders vorhanden sein, welcher derart dimensioniert ist, dass
er mit der Motorzylinderbohrung, mit einer inneren Zylinderwand, die
eng um die Zylinderwand des Gussteiles herum beabstandet ist, und
einer äußeren rohrförmigen Zylinderwand
mit einem größeren Durchmesser, die von der inneren
rohrförmigen Wand für eine erwünschte
Kühlmittelströmung von der gemeinsamen Achse der
Zylinder nach oben oder unten beabstandet ist, koaxial ist.
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Somit
ist es ein Ziel der Erfindung, die Verwendung eines gießbaren
Metalllegierungsmaterials in Kombination mit einem flüssigen
Material bei der Herstellung eines Fertigungsgegenstandes zuzulassen,
wobei die Metalllegierung und die Flüssigkeit andernfalls
unerwünschte chemische Reaktionen an ihren Grenzflächen
erfahren würden. Durch Verwendung eines geeigneten eingegossen
Barriererohres, um eine Flüssigkeit von den Gussteilflächen
zu trennen, können die Vorteile einer andernfalls unverträglichen
Kombination einer Flüssigkeit und Gussteillegierung genutzt
werden.
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Weitere
Ziele und Vorteile der Erfindung werden aus einer Beschreibung von
bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung offensichtlich,
welche in dieser Patentbeschreibung folgen wird. Es wird auf illustrative
Zeichnungen Bezug genommen, welche in dem nächsten Abschnitt
der Patentbeschreibung beschrieben sind.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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1 zeigt
in einer Phantomskizze einen Gusszylinderblock mit vier Zylindern
in Reihe. Es ist eine repräsentative Kühlrohrschlangengeometrie (wie 3A)
gezeigt, die innerhalb des Gussblocks angeordnet ist, wobei eine
spiralförmige Rohrschlange dicht bei jeder der vier Gusszylinderwände
vorhanden ist, um eine Fluidströmung fortschreitender Reihe
innerhalb der Rohrschlangen zur Motorzylinderkühlung vorzusehen.
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2A zeigt
eine einzelne spiralförmige Rohrschlange, die in einer
zylindrischen Form für eine Kühlmittelströmung
um die Gusszylinderfläche des Zylinderblocks herum gewickelt
ist.
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2B veranschaulicht
eine Rohrschlange für einen Zylinderabschnitt eines Gussblocks,
wobei die Rohrschlange für eine Kühlmittelströmung
nach oben und unten entlang der Achse eines Zylinders und fortschreitend
um den Umfang des Zylinders herum geformt ist.
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3 zeigt ein komplexeres Fluidzirkulationssystem
auf der Basis von Anordnungen von einzelnen Rohrschlangen, die in
einer Reihenkonfiguration angeordnet sind. In 3A werden
Rohrschlangen gleicher Geometrie verwendet; in 3B sind die
Rohrschlangen wiederum in einer Reihenkonfiguration gezeigt, die
einzelnen Rohrschlangen unterscheiden sich jedoch in der Anzahl
von Windungen in jeder Rohrschlange.
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4 zeigt
eine zweite Ausführungsform eines Fluidzirkulationssystems
auf der Basis von Anordnungen der einzelnen Rohrschlangen, die in
einer parallelen Konfiguration angeordnet sind.
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5 zeigt einen Kühlmantel: 5A zeigte eine
perspektivische Gesamtdarstellung; 5B zeigt
eine perspektivische Schnittdarstellung von 5A im
Schnitt entlang der Mittellinien der Verbinder; und 5C zeigt
eine Darstellung eines Querschnittes der in 5B in
Perspektive gezeigten Struktur und eine fragmentarische Darstellung
der um sie herum gegossenen Motorkomponentenstruktur.
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Beschreibung der bevorzugten
Ausführungsformen
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1 ist
eine illustrative Darstellung der Anwendung der Erfindung auf einen
repräsentativen Vierzylinder-Motorblock, der allgemein
die Merkmale und Attribute einer solchen Komponente beinhaltet. Der
Zylinderblock oder Motorblock 100, in einer Skizze gezeigt,
ist ein maschinell bearbeitetes Gussteil, das Zylinder 102 für
die Kolben eines Mehrzylinder-Hubkolben-Verbrennungsmotors enthält.
Die Oberseite 104 des Motors ist allgemein maschinell zu einer
flachen Fläche gearbeitet, die geeignet ist, mit einem
Zylinderkopf, nicht gezeigt, mit minimaler Abdichtung zusammenzupassen.
Der Block ist auch geeignet, eine Befestigung des Zylinderkopfes
und des Kurbelgehäuses zu ermöglichen, während
Befestigungspunkte wie z. B. Kernangüsse 106 und
Montageflansche, z. B. bei 108 gezeigt, für Zusatzmechanismen
wie z. B. Lichtmaschinen, Kraftstoffpumpen und dergleichen vorgesehen
sind, während er Durchgänge für Kühlmittel
und Schmiermittel beinhaltet.
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Eine
Verbundrohrstruktur 20, die zur Zirkulation eines Motorkühlmittels
vorgesehen ist, wobei einzelne Rohrschlangen die Zylinder 102 umgeben, ist
vollständig in der Gussmetalllegierung des Gussmotorblocks 100 eingebettet
gezeigt, um die praktische Umsetzung der Erfindung zu veranschaulichen. Der
Fachmann wird einsehen, dass die rohrförmige Struktur 20 nur
einen Teil eines komplexeren Kreislaufsystems bildet, von denen
einige außerhalb des Motorblocks liegen und weitere Kreislaufpfade,
eine Wasserpumpe und einen Kühler umfassen, von denen in
dieser Darstellung keines gezeigt ist. Es wird allerdings einzusehen
sein, dass, während sich die Erläuterung auf die
in 1 gezeigte Implementierung konzentriert, diese
beispielhaft und nicht einschränkend sein soll, und dass
diese Erfindung an anderen gegossenen Motorkomponenten wie z. B. dem
Zylinderkopf oder an anderen Kreislaufpfaden durch den Motorblock
hindurch ausgeführt sein kann.
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Motorblöcke
und Zylinderköpfe werden durch Metallgießen, allgemein
ein Gießprozess unter Verwendung einer Sandform, hergestellt.
In diesem Prozess wird eine Form oder ein Muster, die/das allgemein
der erwünschten äußeren Form und den
Abmessungen der Gusskomponente entspricht, in einem Behälter
positioniert. Das Volumen des Behälters, das durch das
Muster nicht eingenommen wird, wird dann mit Sand gefüllt,
welcher allgemein verdichtet oder niedergestampft wird. Um es dem
Sand besser zu ermöglichen, die durch das Muster und den
Behälter definierte Form beizubehalten, und um ihn dadurch
für flüssiges Metall undurchlässig zu
machen, wird der Sand allgemein ein Bindemittel enthalten. Das Muster
wird dann entfernt und hinterlässt einen Hohlraum, der
durch die Ränder des verdichteten Sandes definiert ist
und dessen Form und Abmessungen das Muster nachbilden. Diese Schritte haben
eine Sandform erzeugt.
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Bei
einfachen Gussteilen wird der Formhohlraum dann mit einem flüssigen
Metall gefüllt, welches abkühlen und erstarren
gelassen wird. Nach dem Erstarren wird das Gussteil aus der Sandform
entfernt und gibt allgemein das Muster wieder.
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Es
können komplexere Formen mit internen Merkmalen unter Verwendung
zusätzlicher Sandstrukturen, die als Kerne (welche auch
Sandbindemittel aufweisen) bekannt sind, gegossen werden, welche,
wenn sie in dem Formhohlraum positioniert sind, dieses Volumen einnehmen
und dadurch den Zutritt der Metallschmelze verhindern. Nach dem
Erstarren des flüssigen Metalls können diese Kerne aufgelöst
oder mechanisch aus dem Gussteil entfernt werden, um einen Hohlraum
oder Hohlräume zurückzulassen.
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Herkömmlich
verarbeitete Motor-Hauptkomponenten, Kopf und Block, welche primäre
Anwendungen für diese Erfindung sind, erfordern eine extensive
Verwendung von Kernen, um integrale Fluidzirkulationspfade auszubilden.
Diese Erfindung beinhaltet den Einbau von vorbereitend zusammengebauten
Fluidzirkulationsdurchgängen, welche zum Steuern der Verteilung
eines einzigen Fluids vorgesehen sind, in das Gussteil, um so eine
Vielfalt von temporären Sandkernen mit einer begrenzten
Anzahl von permanenten Eingusskernen effektiv zu ersetzen.
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Viel
von dem Kühlvermögen der vorbereitend zusammengebauten
Fluiddurchgänge ist durch die inneren Abmessungen der Durchgänge
vorgegeben, da diese die Strömungseigenschaften vorgeben werden.
Die äußeren Abmessungen sind für die
Fluidströmung von geringerer Bedeutung, werden jedoch auf
die strukturellen Eigenschaften der Fluiddurchgänge einen
bedeutenden Einfluss haben. Somit können die Fluiddurchgänge
durch ein Abspreizen und andere Mittel zur strukturellen Verstärkung wie
z. B. die Verwendung einer Rohrleitung mit einer größeren
Wanddicke strukturell dazu gebracht werden, der Gussstruktur eine
wesentliche Verstärkung zu verleihen, ohne dass dies nachteilig
für ihre Rolle bei der Unterstützung der Motorkühlung
ist.
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Infolgedessen
ermöglicht diese Erfindung: die Konstruktion und die Verlaufsführung
eines Fluidzirkulationssystems, das einfacher optimiert werden kann,
um ihr technisches Ziel einer Motorkühlung oder Motorschmierung
zu erreichen; die Eliminierung von mehreren Kernen in Verbindung
mit einer nützlichen Vereinfachung des Gießprozesses;
die Einführung von Fluiddurchgängen, deren korrosionsbeständige
Eigenschaften von dem Gussteilmaterial unabhängig sind;
und die Möglichkeit, die Gussstruktur durch die Einführung
von Fluidzirkulationspfaden mit strukturellem Leistungsvermögen
allgemein zu versteifen.
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Im
Speziellen ermöglicht diese Erfindung, wenn sie in Verbrennungsmotoren
verwendet wird, die aus kriechfesten Magnesiumlegierungen wie z.
B. AJ62 (Mg-6Al-2Sr), AS21 (Mg-2Al-1Si), AXJ530 (Mg-5Al-3Ca-0,2Sr),
AMT Legierung SC1 (Mg-Nd-Ce-Zn-Zr) und Dead Sea Magnesiumlegierung
MRI230D (Mg-5Al-2,5Ca-1Sn) hergestellt sind, die Verwendung von
derzeitigen Frostschutz-, Korrosionsschutzformulierungen direkt
in Magnesiummotoren und beugt Problemen im Zusammenhang mit Feuchtigkeit
in dem Schmiermittel vor. Ebenso gibt es einige Aluminiumgusslegierungen,
die auf Grund von Korrosionsproblemen (von wasserhaltigen Motorkühlmitteln)
gegenwärtig nicht für Motorkomponenten verwendet
werden, welche jedoch mit dieser Erfindung eine Motorgussanwendung
finden würden. Im Speziellen würden Legierungszusammensetzungen,
die großteils den Zusammensetzungen der bekannten Sandgusslegierungen
A356 und B319 und Hockdruckgusslegierungen A383 und A380, jedoch mit
zugesetzten Legierungszusätzen von bis zu 5 Gewichtsprozent
Kupfer für ver besserte mechanische Eigenschaften entsprechen,
für Motorgussanwendungen mit dieser Erfindung geeignet
gemacht werden.
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In
einem Verbrennungsmotor ist die Wärmequelle die Kraftstoffverbrennung
in den Zylindern. Somit ist es das vordringliche Ziel eines jeden
Kühlschemas, diese Wärme durch Zirkulation eines
Kühlmittels, vorzugsweise so eng wie möglich an
den Zylinderwänden, sofort abzuführen. Demzufolge
sollte sich jedes alternative Kühlschema auch auf die sofortige
Abfuhr von Wärme von dem Motorblock oder -kopf konzentrieren
und es wird somit die Herstellung von Kühlsystemen erfordern,
die für diese Rolle maßgeschneidert sind.
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Ein
einfacher Ansatz, um dies zu erreichen, besteht darin, den Zylinder
mit einer Kühlrohrschlange zu umgeben. Beispiele für
solche Rohrschlangen 10 sind in den 2A und 2B gezeigt,
von denen beide eine allgemein zylindrische Form aufweisen und sich
nur in der Verlaufsführung der Rohrleitung unterscheiden.
In 2A ist die Rohrschlange allgemein spiralförmig
um die Mittellinie des Zylinders herum, den sie umgibt; in 2B sind
die Rohrschlangensegmente parallel zu der Zylinderachse und in umgekehrter
Richtung an jedem Ende des Zylinders orientiert. Die Rohrschlange
kann ohne weiteres hergestellt werden, z. B. indem eine Rohrleitung eines
beliebigen passenden Bereiches bei Raum- oder erhöhter
Temperatur um einen Dorn herum gebildet wird. Die Rohrleitung kann
durch einen beliebigen passenden Prozess hergestellt werden, wird
jedoch am einfachsten über einen Extrusionsprozess, allgemein
bei erhöhter Temperatur, gebildet werden.
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Es
ist zu beachten, dass die Rohrschlange 10 lineare Endbereiche 3 und 5 mit Öffnungen 2 bzw. 4 umfasst.
Es wird einzusehen sein, dass, wie gezeigt, kein spezieller Vorteil
mit der Wahl der Öffnung 2 oder Öffnung 4 für den
Fluideinlass verbunden ist. Sobald jedoch eine Wahl getroffen wurde,
wird die verbleibende Öffnung gezwungenermaßen
der Auslass sein. Lediglich der Einfachheit halber wird in den/der
folgenden Zeichnungen und Beschreibung die Öffnung 2 als
der Fluideinlass bezeichnet und die Öffnung 4 wird
als der Fluidauslass bezeichnet.
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Die
speziellen in 2 gezeigten Rohrschlangengeometrien
sind lediglich beispielhaft und sollen nicht einschränkend
sein. Der Fachmann wird erkennen, dass viele alternative Rohrschlangenkonfigurationen
und Fluidströmungspfade möglich sind. Zum Beispiel
könnten die Rohrschlangen der 2A und 2B einen
Fluideinlass zu einer zentralen Rohrschlangenschleife aufweisen,
wo das Fluid auf zwei getrennte Pfade aufgeteilt und an jedem Ende der
Rohrschlange austreten würde, d. h., beide Öffnungen 2 und 4 würden
in dieser Konfiguration Auslässe sein. Unter Fortführung
dieser Prozedur könnte schließlich jede Rohrschlangenschleife
einzeln von einem Einlasssammler versorgt werden und ihr Kühlmittel
zu einem Auslasssammler austragen.
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Die
meisten flüssigkeitsgekühlten Verbrennungsmotoren,
die in Fahrzeugen verwendet werden, beinhalten mehrere Zylinder.
Somit wird eine Reihe von einzelnen Rohrschlangen wie z. B. jene, die
in 2 gezeigt ist, erforderlich sein,
um mehrere Zylinder zu kühlen, da für eine vergleichbare
Kühlung jeder Zylinder seine eigene Kühlrohrschlange
benötigen wird. Die Rohrschlangen können in einer
Reihenkonfiguration, wie allgemein in 3 gezeigt,
oder in einer parallelen Konfiguration, wie allgemein in 4 gezeigt,
angeordnet sein.
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In
der Reihenkonfiguration 20 von 3A ist der
Auslass 4 der Rohrschlange 10 durch einen Verbinder 12 mit
dem Einlass 2a einer Rohrschlange 10a verbunden.
Der Auslass 4a der Rohrschlange 10a wiederum versorgt
den Einlass 2b der Rohrschlange 10b über
einen Verbinder 12a. Diese Abfolge, dass der Auslass einer
speziellen Rohrschlange Kühlmittel an den Einlass der nachfolgenden
Rohrschlange liefert, setzt sich fort, bis die letzte Rohrschlange
erreicht ist und das Kühlmittel dann zu einem geeigneten
Wärmetauscher (nicht gezeigt), weitergeleitet wird, um
für weitere Durchgänge durch den Motor gekühlt
zu werden. Dies ist die in 1 gezeigte
Konfiguration, wie sie in dem Motorblock eines Vierzylindermotors
eingebaut sein würde.
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Eine
potenzielle Schwierigkeit mit der einfachen Reihenkonfiguration
von 3A besteht darin, dass die Kühlwirkung
des Kühlmittels abnehmen kann, wenn es sich erwärmt.
Somit kann die Kühlwirkung der Rohrschlange 10 größer
sein als jene der Rohrschlange 10c, was zu einer ungleichmäßigen Temperaturverteilung
in dem Block führt. Dies kann dadurch berücksichtigt
werden, indem die Rohrschlangengeometrie von Rohrschlange zu Rohrschlange
geändert wird, anstatt einfach eine fixe Rohrschlangengeometrie
zu verwenden. Ein Beispiel dieser Ausführungsform ist in 3B gezeigt,
die eine Reihe von Rohrschlangen, auch in Reihenkonfiguration und
wie in 3A angeordnet, veranschaulicht,
in der jedoch die Rohrschlange 10 4 Windungen beinhaltet,
die Rohrschlange 10a 5 Windungen beinhaltet, die Rohrschlange 10b 6
Windungen beinhaltet und die Rohrschlange 10c 7 Windungen
beinhaltet. Es ist zu beachten, dass diese speziellen Rohrschlangengeometrien
nicht einschränkend sein sollen und lediglich zu Illustrationszwecken
gewählt sind. Sie sind weder repräsentativ noch
typisch für irgendeine spezielle Anwendung.
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Ein
anderer Ansatz zur Minimierung der Temperaturgradienten ist in der
Ausführungsform von 4 gezeigt,
in der das Kühlmittel von einem Sammler 30 in
eine Reihe von parallel angeordneten Rohrschlangen (10–10c)
zugeführt wird, wobei der Auslass jeder Rohrschlange in
einen zwei ten Sammler 40 austrägt, bevor es zu
dem Wärmetauscher (nicht gezeigt) weitergeleitet und rezirkuliert
wird.
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Es
ist offensichtlich, dass die Fähigkeit einer rohrförmigen
Kühlleitung, jeden speziellen Ort in der Komponente zu
kühlen, von der Distanz des Ortes von der Kühlleitung
abhängen wird. Diese Variabilität in der Kühlwirkung
kann zum Vorteil verwendet werden, indem die Einlass- und Auslassleitungen
zu den zylindrischen Rohrschlangen durch lokal heiße Gebiete
verlaufen, welche entweder experimentell oder durch mathematisches
Modellieren identifiziert werden, um eine zusätzliche Kühlung
vorzusehen. Somit kann im Gegensatz zu der einfachen Verlaufsführung,
die in den Fig. veranschaulicht ist, die Verlaufsführung,
der in der Praxis gefolgt wird, deutlich komplexer sein.
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Die
eigenständige Beschaffenheit der rohrförmigen
Kühldurchgänge, welche die Rohrschlange umfassen,
kann jedoch nachteilig für die Kühlung des Zylinders
sein. Für eine maximale Kühlung sollte die Rohrschlange
knapp neben der Zylinderwand angeordnet sein. Wenn die Rohrschlange
jedoch knapp neben der Zylinderwand angeordnet ist, wird die Kühlwirkung
mit dem Abstand von der Rohrschlange zu der Zylinderwand invers
variieren. Dies mag bei kompakten Rohrschlangengeometrien, wo einzelne Schleifen
in Kontakt mit anstoßenden Schleifen stehen, insbesondere
wenn eine quadratische Rohrleitung verwendet wird, kein großes
Problem darstellen, offenere Rohrschlangenkonfigurationen können
jedoch zu unerwünschten Temperaturgradienten in der Zylinderwand
führen.
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Eine
letzte Ausführungsform, die dieses Problem überwindet,
ist in den 5A–C gezeigt. 5A zeigt
ein Fluidzirkulationssystem 50, welches den Zylinder umgibt
und in 5C selbst von einem Abschnitt
eines Motorblockgussmaterials 60 umgeben ist. In dieser
Ausführungsform ist das Fluidzirkulationssystem 50 als
ein zylindrischer Ringraum hergestellt, der durch einen inneren
Zylinder 52, einen äußeren Zylinder 54 und
an seinen Enden durch zwei ebene Ringräume 56 und 58 begrenzt
ist. Der äußere Zylinder 54 beinhaltet
einen Fluideinlass 2 und einen Fluidauslass 4.
Falls erwünscht kann die Strömung im Inneren des
zylindrischen Ringraumes weiter modifiziert oder durch die Einführung
von Umlenkblechen oder Strömungsdrosseln oder anderen geometrischen
Merkmalen (nicht gezeigt) gesteuert sein.
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Wie
gezeigt, könnte die Mantelstruktur aus zwei Rohrsegmenten
hergestellt sein, die koaxial positioniert sind und durch ringförmige
Bereiche begrenzt sind, welche aus/von flachen Blechen geschnitten
oder abgeschert sind, wobei Eintritts- und Austrittskanäle
aus Bereichen eines Rohres mit noch kleinerem Durchmesser erzeugt
sind. Das Ganze könnte dann durch einen Schweißprozess
dauerhaft zusammengebaut werden. Allerdings wären die Details
der Konstruktion und Herstellung dieser Mantelstrukturen für
den Fachmann auf dem Gebiet ohne weiteres verständlich,
und die oben angeführte Beschreibung soll beispielhaft
und nicht einschränkend sein.
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Wiederum
würde eine Anzahl dieser Mantelstrukturen, eine für
jeden Motorzylinder, erforderlich sein. Wie im Fall der Rohrschlangengeometrie
kann eine Reihen- oder parallele Konfiguration verwendet werden,
welche die Verwendung einer Rohrleitung oder anderer geeigneter
Verbindungen zu und von der Mantelstruktur erfordert. Ferner, wenn
sie in einer Reihenkonfiguration verwendet wird, könnte
die detaillierte Geometrie der Fluidzirkulation innerhalb der einzelnen
Mantelstrukturen modifiziert werden, um einen ausgeglichenen Wärmeentzug
aus allen Zylindern zu erzielen. Schließlich kann die Verlaufsführung
der Einlass- und Auslass leitungen wiederum Vorteile in der Steuerung
lokaler Hochtemperaturgebiete mit sich bringen.
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Es
ist vorgesehen, dass diese vorgefertigten Fluidzirkulationssysteme
aus einfachen, handelsüblichen Formen wie Rohren oder Platten
hergestellt sind. Auf einer Rohrleitung basierende Strukturen könnten
praktikabel aus einer durchgehenden Länge einer Rohrleitung
hergestellt sein, allgemeiner wird jedoch eine Reihe von einzelnen
Elementen oder Formen zusammengebaut und dauerhaft aneinander befestigt,
um eine kontinuierliche leckfreie Struktur zu bilden, die in der
Lage ist, das Fluid mithilfe eines geeigneten Zwanges wie z. B.
von einer Wasserpumpe entsprechend entlang eines vorbestimmten Pfades
zu leiten.
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Die
Positionierung des Fluidzirkulationssystems ist durch das Ziel eines
maximalen Wärmeentzugs aus dem Motor zu dem Kühlfluid
vorgegeben. Somit, wie am besten im 5C gezeigt,
wird das Fluidzirkulationssystem so nahe wie möglich an
den Zylinderwänden 102 und der Oberseitenfläche
des Blocks 104 positioniert.
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Wenngleich
das Hauptaugenmerk auf Kühlsysteme und nicht auf Schmiersysteme
gerichtet war, ist unmittelbar einzusehen, dass ein Schmiermittel
innerhalb des Motors durch Aufnahme von ähnlichen rohrförmigen
Schmiermittelverteilungssystemen einfach weitergeleitet werden kann.
Im Fall von Schmiersystemen besteht allerdings begrenzter Bedarf
an den komplexeren Konstruktionen, die für die Kühlsysteme
veranschaulicht sind, und es sollten einfachere Rohrkonfiguration
die Folge sein.
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Die
gesamte Fluidzirkulationsstruktur wird vorgefertigt, d. h., als
eine vollständige Verbundstruktur zusammengebaut, bevor
sie in die Gießform eingebracht und in das Gussteil eingebaut
wird. Ferner sollte die Fluidzir kulationsstruktur, sobald sie vorgefertigt
ist, stabil sein, sodass sie sich vor oder während des
Gießprozesses nicht verziehen oder neu ausrichten wird.
Somit können die Strukturen auch versteifende oder stabilisierende
Elemente beinhalten, die in den Fig. nicht bezeichnet wurden, da
sie, falls sie erforderlich sind, für einzelne Gussteile
spezifisch sein werden. Es wird auch nicht notwendig sein, diese
Strukturen in der Form in einer reproduzierbaren Position relativ
zu dem Formhohlraum und allfälligen Kernen, z. B. Kernen
für die Zylinder, zu positionieren. Die allgemeine Prozedur,
um dies zu bewerkstelligen, ist dem Fachmann gut bekannt.
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Eine
zweite Ausführungsform zur Positionierung der Fluidzirkulationsstrukturen
besteht darin, diese in/mit Polystyrolschaum einzubetten oder zu umgeben
und den Polystyrolschaum innerhalb der Form zu positionieren. Der
Vollformgießprozess ist ein gut bekannter Metallgießprozess,
der für Motorgussteile verwendet wurde. Dieser Prozess
verwendet eine Form oder ein Muster aus Polystyrolschaum, welche/s
von der Sandform nicht körperlich entfernt wird, um einen
Formhohlraum zu hinterlassen, sondern stattdessen in dem Formhohlraum
belassen wird, um durch einen Kontakt mit der Metallschmelze entfernt
oder „ausgebrannt” zu werden. Wie hier in Erwägung
gezogen, kann die Fluidzirkulationsstruktur in einer Polystyrolschaumstruktur
eingebettet sein, welches das gesamte Gussteil repräsentiert, oder
es könnte nur die Zirkulationsstruktur in dem Polystyrolschaum
eingebettet sein. Im ersten Fall würde es eine Variante
des „Vollform” gießprozesses bilden, während
es im zweiten Fall einfach ein geschäumter Einsatz in einem
herkömmlichen Sandgießprozess sein würde.
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Eine
besonders vorteilhafte Anwendung des Einbaus vorgefertigter Kühldurchgänge
ist für die Herstellung von Magnesiummotorkomponenten im Hinblick
auf die Problematik der Frostschutzverträglichkeit gegeben.
Infol gedessen sollte beachtet werden, dass der Vollformgießprozess
zur Verwendung mit Magnesium nicht gut geeignet ist, da die Erfahrung
gezeigt hat, dass der geringe Wärmegehalt des Magnesiums
nicht in der Lage ist, genug Wärmeenergie zu liefern, um
den gesamten Polystyrolschaum zuverlässig zu entfernen
oder „auszubrennen”. Wenn allerdings der einzige
Abschnitt der gesamten Form, der Polystyrolschaum enthält,
jenes Gebiet ist, das die Zirkulationsstruktur beinhaltet, muss
das stärker begrenzte Schaumvolumen, das zu entfernen ist, kein
Hindernis für die Verwendung von Magnesium sein.
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Idealerweise
sollte die chemische Zusammensetzung der Fluidzirkulationsstrukturen
von drei Überlegungen geleitet sein:
der Schmelzpunkt
der Fluidzirkulationsstruktur sollte höher sein als der
Schmelzpunkt des Gussteilmaterials, um sicherzustellen, dass die
Fluidzirkulationsstruktur während des Gießprozesses
nicht durch die Metallschmelze aufgelöst wird oder andernfalls
mit der Metallschmelze nachteilig reagiert;
das Gussteilmaterial
und die Fluidzirkulationsstruktur sollten in der Lage sein, eine
metallurgische Bindung zu bilden, um die Effizienz der Wärmeübertragung über
die Grenzfläche hinweg zu maximieren;
die Ausdehnungskoeffizienten
des Gussteilmaterials und der Fluidzirkulationsstruktur sollten ähnlich
sein, um sowohl Wärmespannungen zu minimieren als auch
den Sitz zwischen den beiden über den gesamten Motorbetriebstemperaturbereich
zu maximieren.
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Einige
nicht einschränkende Beispiele von Materialkombinationen,
die diese Kriterien erfüllen, sind: Kupfer oder Edelstahl,
in einer Aluminium legierung gegossen; Edelstahl, in einer Magnesiumlegierung
gegossen; Aluminium, in einer Aluminiumlegierung gegossen. Somit
können ähnliche oder ungleiche Materialien verwendet
werden.
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Es
können ähnliche Materialien verwendet werden,
vorausgesetzt, dass der Zusatz von Legierungselementen zu Aluminium
oder Magnesium, um eine geeignete Gussteillegierung für
Motorkomponenten hervorzubringen, den Schmelzpunkt der Legierung
relativ zu dem Reinmetall unbedingt herabsetzen wird.
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Allerdings
werden Metalle nicht mit einer Temperatur, die ihrem Schmelzpunkt
entspricht, in die Form hinein gegossen. Vielmehr ist die Gießtemperatur
um eine entsprechende Anzahl von Graden erhöht, überhitzt.
Die Überhitzungswärme kompensiert zumindest teilweise
die Wärmeverluste, welche die Metallschmelze vor und während
ihres Einbringens in die Form erfährt. Dies ist notwendig,
damit die Form mit flüssigen Metall gefüllt werden
kann, bevor die Erstarrung bis zu dem Punkt voranschreitet, an dem
die Metallbeschickungskanäle fest werden und erstarren
und einen Zutritt zu der Form zu dem zuletzt hinein gegossenen Metall
verhindern.
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Somit
wird, vorausgesetzt, dass der Schmelzpunkt des Reinmetalls, das
dem primären Legierungsbestandteil des Gussteilmetalls
entspricht, ausreichend hoch ist, sodass er höher ist als die
Gießtemperatur der Gussteillegierung, das Reinmetall nicht
schmelzen.
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Das
Gussmetall und das Strukturmetall (der Einfachheit halber wird in
diesem Abschnitt der Ausdruck „Strukturmetall” verwendet,
um das Material der Fluidzirkulationsstruktur zu bezeichnen, gleichgültig,
ob ein rohrförmiges Fabrikat oder aus eigenen Komponenten
hergestellt) oder die oben angegebenen Kombinationen sind allesamt
in der Lage, eine metal lurgische Bindung zu bilden. Es wird jedoch
einzusehen sein, dass Oxid- oder Verunreinigungsschichten auf der
Rohrleitung ein Benetzen des Strukturmetalls durch die Gusslegierung
verhindern und eine metallurgische Bindungsbildung unterbinden können.
Darauf kann, falls erforderlich, durch Aufbringen eines Flussmittels
oder eines anderen oberflächenaktiven Mittels auf das Strukturmetall
eingegangen werden, um eine saubere Oberfläche zu fördern,
die geeignet ist, um die erwünschte metallurgische Bindung
zu bilden.
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Der
lineare Wärmeausdehnungskoeffizient von Metallen variiert
invers mit dem Schmelzpunkt des Metalls, wobei Metalle mit einem
höheren Schmelzpunkt niedrigere lineare Wärmeausdehnungskoeffizienten
auf weisen und Metalle und Legierungen mit einem niedrigeren Schmelzpunkt
höhere lineare Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen.
Somit werden die Kombinationen aus einer/m ähnlichen Gussteillegierung
und Strukturmetall automatisch ähnliche lineare Wärmeausdehnungskoeffizienten
aufweisen. Kombinationen von unähnlichen Metallen werden
zwangsläufig zu Unterschieden in ihren Wärmeausdehnungskoeffizienten
führen und größere Wärmespannungen
erzeugen. Unter der Voraussetzung, dass die gegossene Motorkomponente
der erzeugten Spannung standhalten kann, muss dies kein Hinderungsgrund
sein und Strukturmetalle mit einem höheren Schmelzpunkt
können akzeptabel sein und können der Komponente
zusätzliche Vorteile wie z. B. eine erhöhte Steifigkeit
verleihen.
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Man
betrachte beispielsweise die folgende Prozedur zum Gießen
eines Edelstahlkühlsystems. Das Kühlsystem kann
ohne weiteres aus einem dünnwandigen geschweißten
oder nahtlosen Rohr hergestellt werden, das aus einem austenitischen Edelstahl
der Qualität 304 hergestellt ist, der eine ausgezeichnete
Korrosionsbeständigkeit bereitstellt. Diese Qualität
bietet auch eine hervorragende Schweißbarkeit und ermöglicht
es, das Kühlsystem je nach Bedarf aus einer einzigen Länge
einer Rohrleitung oder aus einer geschweißten Anordnung
von rohrförmigen Formen herzustellen.
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Da
dies für eine Kühlanwendung vorgesehen ist, wo
eine maximale Wärmeübertragung erwünscht ist,
sollte der Kühlrohrschlange die maximale Möglichkeit
geboten werden, an den Edelstahl zu binden. Somit sollte nach einem
entsprechenden Reinigen und Beizen des Rohraußendurchmessers
dieser mit einem geeigneten Flussmittel beschichtet werden, um die
Bindung zu unterstützen. Geeignete Flussmittel sind im
Handel erhältlich oder es kann die in dem
US-Patent 3 728 783 beschriebene Chloridformulierung
verwendet werden.
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Dann
werden das oberflächenbehandelte Kühlsystem, vorzugsweise
mit seinen vorübergehend abgedichteten Öffnungen,
um ein Eindringen der Gussteillegierung zu verhindern, und weitere
Elemente wie z. B. Kerne in einer Sandform positioniert, die trockenen
Seesand, Siliciumoxid, Zirkon oder Chromit umfasst und Gemische
von Sulfiden, Fluoriden und Ammoniumkomplexen beinhaltet, um eine Reaktion
der Magnesiumschmelze mit der Form zu unterbinden. Um auch ihre
mechanische Integrität zu erhöhen, wird die Sandform
eines von einer Vielfalt von organischen Bindemitteln beinhalten,
welche auf Urethan basieren können. Es wird einzusehen
sein, dass, um eine entsprechende Einleitung der Metallschmelze
in die Form und Verteilung der Metallschmelze innerhalb der Form
zu erreichen, Elemente zusätzlich zu dem Formhohlraum erforderlich
sein werden. Diese umfassen Angusstrichter, Zuläufe und Steiger.
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Eine
Magnesiumlegierung bei einer Gießtemperatur zwischen 625°C
und 725°C wird unter einer Schutzatmosphäre aus
Schwefelhexafluorid allgemein in einer Konzentration von weniger
als 1% in trockener Luft, Stickstoff oder Kohlendioxid in die Form
hinein gegossen und erstarren gelassen.
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Wenn
es erstarrt ist, wird das erstarrte Gussteil aus der Sandform im
Allgemeinen mechanisch entfernt, und jene Merkmale, die zusätzlich
zu der erwünschten Form vorhanden sind, d. h. der Angusstrichter,
der/die Zulauf/Zuläufe und der/die Steiger werden entfernt
und hinterlassen die erwünschte Gussform mit dem in ihrem
Inneren positionierten Edelstahlkühlsystem.
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Die
Vorteile dieser Erfindung in Bezug auf die Eliminierung einer korrosiven
Wechselwirkung zwischen dem Kühlfluid und dem Motorblock
wurden in Bezug auf derzeitige Motorblockmaterialien und derzeitige
Kühlmittelformulierungen veranschaulicht. Somit werden
durch die praktische Umsetzung der Erfindung Korrosionsprobleme,
welche die Wahl sowohl des Motorgussteilmaterials als auch die Wahl der
Kühlmittelchemie bestimmen oder beeinflussen könnten,
irrelevant. Ein weiterer Vorteil dieser Erfindung besteht darin,
dass die Vorteile der Verwendung alternativer Motorgussteilmaterialen
und/oder alternativer Motorkühlmittelformulierungen untersucht werden
können, ohne die Korrosionsverträglichkeit zu
berücksichtigen. Zum Beispiel wären Aluminiumlegierungen
mit einer höheren Leistungsfähigkeit möglich,
wenn ein höherer Kupfergehalt ohne Korrosion toleriert
werden könnte. Und moderne Motorkühlmittelformulierungen
wie z. B. Kupfer- und Kupferoxid-Nanodispersionen in einem Trägerfluid
wären attraktiver, wenn eine Korrosionsverträglichkeit
mit dem Motorgussmaterial nicht von Belang wäre.
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Während
einige bevorzugte Ausführungsformen bereitgestellt wurden,
um die Erfindung besser zu beschreiben, sind diese rein beispielhaft
und sind nicht als einschränkend auszulegen – weitere
Formen können durch den Fachmann ohne weiteres angepasst
werden. Somit ist der Schutzumfang der Erfindung nur durch die nachfolgenden
Ansprüche begrenzt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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