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Die Erfindung betrifft einen Kühler, insbesondere für Elektromotoren oder Generatoren, wie beispielsweise Windkraftgeneratoren, umfassend eine Vielzahl von ersten Kühlmediumkanälen zum Führen eines ersten Kühlmediums, insbesondere Umgebungsluft, und mindestens einem zweiten Kühlmediumkanal zum Führen eines zweiten Kühlmediums, insbesondere Luft.
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Derartige Kühler für Elektromotoren oder Generatoren sind bekannt. Beispielsweise offenbart die
WO 2006/026952 A1 ein elektrisches Aggregat mit einem Maschinenmodul und einem Kühlermodul. Das Kühlermodul kann dabei ausgetauscht werden, um verschiedenen Anforderungen gerecht zu werden. Dadurch, dass das Kühlmodul austauschbar ist, ist es vergleichsweise vielseitig. Der konstruktive Aufwand wird jedoch auch bei diesem Stand der Technik noch als vergleichsweise hoch empfunden.
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung den konstruktiven Aufwand für einen Kühler, insbesondere bei einer Anpassung an verschiedene Bedingungen, möglichst gering zu halten.
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Diese Aufgabe wird durch einen Kühler nach Anspruch 1 gelöst.
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Insbesondere wird die Aufgabe durch einen Kühler, insbesondere für Elektromotoren oder Generatoren, wie beispielsweise Windkraftgeneratoren, gelöst, umfassend eine Vielzahl von ersten Kühlmediumkanälen zum Führen eines ersten Kühlmediums, insbesondere Umgebungsluft, und mindestens einen zweiten Kühlmediumkanal zum Führen eines zweiten Kühlmediums, insbesondere Luft, wobei erster und zweiter Kühlmediumkanal derart angeordnet sind, dass ein Wärmeaustausch zwischen dem ersten und zweiten Kühlmedium stattfinden kann, wobei der Kühler mindestens ein erstes und ein zweites Modul umfasst, die jeweils eine Vielzahl von Modulkanälen aufweisen und derart zusammengesetzt sind, dass mindestens ein Modulkanal des ersten Moduls und mindestens ein Modulkanal des zweiten Moduls mindestens einen Kühlmediumkanal gemeinsam ausbilden, wobei ein Modulkanalende des ersten Moduls mit einem Modulkanalende des zweiten Moduls verbunden ist.
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Ein Kerngedanke der Erfindung besteht darin, dass der Kühler aus mehreren Modulen zusammengesetzt ist, wobei jedes Modul mehrere Modulkanäle aufweist, von denen mindestens ein Modulkanal mit einem Modulkanal eines anderen Moduls (fluid-leitend) verbunden wird. Dadurch kann auf einfache Weise die Kühlstrecke verlängert werden. Eine Anpassung des Kühlers ist durch Hinzufügen und Entfernen von einzelnen Modulen vergleichsweise einfach möglich. Der konstruktive Aufwand für die Herstellung des Kühlers ist gering.
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Eine (fluidtechnische) Verbindung der Module bzw. Modulkanäle kann durch mindestens ein Verbindungselement, insbesondere mindestens einen Blechstreifen und/oder mindestens ein Blechprofil erfolgen. Das mindestens eine Verbindungselement kann (an einer Außenseite der Module) an die Module bzw. Modulkanäle angeschraubt, genietet, geklebt und/oder gefalzt (gebördelt) werden.
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In einer konkreten Ausführungsform ist mindestens ein erster Kühlmediumkanal, insbesondere alle ersten Kühlmediumkanäle und/oder mindestens ein Modulkanal, insbesondere alle Modulkanäle röhrenförmig, insbesondere zylinderröhrenförmig und/oder als Glattrohr und/oder Lamellenrohr und/oder innen verripptes Rohr ausgebildet. Bisher wurden Rohre in gattungsgemäßen Kühlern üblicherweise durch mehrere Trennwände hindurchgeschoben. Durch die modulartige Ausbildung des vorliegenden Kühlers kann auf ein derartiges Durchschieben zumindest teilweise verzichtet werden. Es können daher auch Rohrgeometrien verwendet werden, die bei bisherigen Kühlern nicht denkbar waren, beispielsweise Lamellenrohre oder dergleichen. Insgesamt wird die Vielseitigkeit des Kühlers nochmals erheblich verbessert.
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Vorzugsweise sind mindestens zwei Kühlmediumkanäle und/oder Modulkanäle an ihren Enden in Ausnehmungen eines gemeinsamen Verbindungselementes, insbesondere eines Blechs (mit vorzugsweise einer Dicke von kleiner als 5 mm, weiter vorzugsweise kleiner als 2 mm, noch weiter vorzugsweise kleiner als 1,5 mm), eingebracht, insbesondere eingepresst. Dadurch kann auf konstruktiv einfache Art und Weise ein Modul mit mehreren Modulkanälen bzw. ein Kühler mit mehreren Kühlmediumkanälen hergestellt werden.
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Gemäß einem grundlegenden Gedanken kann das Verbindungselement, insbesondere Blech, in einem Abschnitt um mindestens eine Ausnehmung für die Aufnahme eines Kühlmediumkanals und/oder Modulkanals ein Federelement aufweisen. Beispielsweise kann in einem Abschnitt um mindestens eine Ausnehmung eine Biegung vorgesehen sein und/oder die Ausnehmung einen trichterförmigen oder tropfenförmigen oder trompetenförmigen Querschnitt aufweisen. Dadurch können die Kühlmediumkanäle bzw. Modulkanäle auf einfache Weise mit dem Verbindungselement bzw. untereinander verbunden werden. Auch eine Vielzahl von (parallelen) Kältemediumkanälen und/oder Modulkanälen ist somit auf einfache Weise realisierbar. Eine verbindende Presskraft kann durch eine federnde Wirkung des Abschnitts um die Ausnehmung bereitgestellt werden.
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In einer bevorzugten Ausführungsform sind mindestens zwei Module, vorzugsweise mindestens vier Module, insbesondere alle Module, gleich lang, insbesondere baugleich. Dadurch können die Herstellungskosten nochmals reduziert werden.
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Der Kühler kann einen Rahmen, in dem mindestens zwei Module angeordnet, insbesondere befestigt sind, aufweisen. Der Rahmen hat dabei beispielsweise stützende und/oder festlegende Funktion. Der Rahmen kann insbesondere Rohre (Vier-Kantrohre) und/oder (offene) Profilelemente, beispielsweise Blechprofile, umfassen. In jedem Fall wird trotz der modulartigen Ausbildung eine gute Stabilität gewährleistet.
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Mindestens zwei Module können einen gemeinsamen zweiten Kühlmediumkanal mindestens abschnittsweise ausbilden. Dabei ist es denkbar, dass sich ein Strömungsquerschnitt des zweiten Kühlmediumkanals über mindestens zwei Module erstreckt. Mindestens zwei Module können jedoch auch je einen Abschnitt des zweiten Kühlmediumkanals derart ausbilden, dass die Abschnitte in Serie angeordnet sind. Es wird in jedem Fall eine vergleichsweise gute Kühlleistung bei geringem konstruktiven Aufwand erreicht.
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Die oben genannte Aufgabe wird unabhängig durch ein Verfahren zur Herstellung eines Kühlermoduls für einen Kühler, vorzugsweise der vorbeschriebenen Art, insbesondere für einen Elektromotor oder einen Generator, wie beispielsweise einen Windkraftgenerator, gelöst, wobei die folgenden Schritte durchgeführt werden: Bereitstellen eines ersten und eines zweiten Blechs; Einbringen von Löchern in das erste und zweite Blech; Bereitstellen einer Vielzahl von Rohren zum Führen eines Kältemediums; Einpressen der Rohre in eine Ausnehmung des ersten und zweiten Blechs. Dabei können die Rohre gleichzeitig in die Ausnehmung des ersten und des zweiten Blechs eingepresst werden. Insgesamt ist der apparative Aufwand für dieses Verfahren sehr gering. Hinsichtlich weiterer Vorteile wird auf die Beschreibung zu dem Kühler verwiesen.
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Die Bleche können in einem Randbereich um mindestens ein Loch von einer Blechebene weggebogen sein, insbesondere dadurch, dass ein Lochwandabschnitt des Blechs im Querschnitt tropfenförmig oder trichterförmig oder trompetenförmig ausgebildet ist. Dadurch kann im Allgemeinen eine Federkraft erzeugt werden, die die Rohre in den Ausnehmungen hält. Eine aufwendige Verbindung der Rohre mit den Blechen kann dann entfallen. Dies reduziert weiter den Aufwand für das Herstellungsverfahren.
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Eine Rohrinnenwand kann beim Einpressen in die Ausnehmung bzw. das Loch von einem Dorn oder einem Stift abgestützt sein. Dadurch gelingt es wohldefinierte und stabile Kühlmodule herzustellen.
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Beim Einpressen können zwischen die Rohre Abstandshalter eingebracht sein bzw. werden. Durch diese Maßnahme wird die Stabilität des Kühlmoduls, insbesondere während des Pressvorgangs, weiter verbessert.
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Als Montagehilfe kann/können mindestens eine, vorzugsweise zwei gegenüber angeordnete, mit einer Vielzahl von Dornen besetzte(s) Pressbackenelemente zum Einsatz kommen. Eines der Pressbackenelemente kann beispielsweise auf der Oberseite eines Tisches ausgebildet sein oder eine Oberseite eines Tisches ausbilden. Das zweite Pressbackenelement kann dann von oben gegen das erste Pressbackenelement geführt werden. Durch ein derartiges Verfahren kann eine Vielzahl von Rohren auf einfache Weise mit dem ersten und zweiten Blech verbunden werden.
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Insgesamt wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren die Herstellung von Kühlern, insbesondere von Luft-Luft-Kühlern, vereinfacht. Die hergestellten Kühler zeichnen sich durch ein geringes Gewicht und damit geringe Kosten aus, wobei gleichzeitig die Wärmeabführleistung erhöht ist (insbesondere weil die Oberflächen erhöht werden können).
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Bei bekannten Luft-Luft-Kühlern für große Elektromotoren und Windkraftgeneratoren, die üblicherweise als Röhrenkühler bzw. rekuperativer Wärmeplattentauscher ausgeführt werden, werden die Rohre über die gesamte Länge in den Luft-Luft-Kühler eingeschoben und zur Befestigung aufgeweitet. Durch die vorgeschlagene Modulbauweise wird erreicht (insbesondere bei Luft-Luft-Kühlern), dass auch verschiedene Rohrtypen (z. B. Glattrohr, Lamellenrohr, innen verripptes Rohr) in kombinierter Anordnung eingesetzt werden können. Diese führt zu einer Erhöhung der Kühloberflächen und damit zu einer Erhöhung der Kühlleistung. Ein weiterer Vorteil liegt im einfachen Herstellungsverfahren der Module durch Einpressen der Rohre in Modulbleche, die beispielsweise mit einer Trichterform versehen sind. Durch die Verwendung von Fein- bzw. Dünnblech kann eine Gewichtsreduzierung erreicht werden.
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Weitere Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen. Nachfolgend wird die Erfindung auch hinsichtlich weiterer Merkmale und Vorteile anhand von Ausführungsbeispielen beschrieben, die anhand der Abbildungen näher erläutert werden.
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Hierbei zeigen:
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1 ein Kühlergehäuse in Schrägansicht;
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2 mehrere Kühlermodule in einer Seitenansicht;
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3 einen Ausschnitt eines Blechs mit einer Prägevorrichtung;
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4 einen Teilausschnitt aus 3;
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5 einen Ausschnitt einer Anordnung von mehreren Rohren und einem Blech zusammen mit einem Werkzeug zum Verbinden der Rohre mit dem Blech; und
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6 eine Vergrößerung des Ausschnitts F in 5.
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In der nachfolgenden Beschreibung werden für gleiche und gleichwirkende Teile dieselben Bezugsziffern verwendet.
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1 zeigt ein Gehäuse 10 für die Aufnahme mehrerer (konkret vier) Module 21 bis 24 (siehe 2) in entsprechenden Modulaufnahmeabschnitten 31 bis 34.
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Unterhalb des Gehäuses 10 kann beispielsweise ein Elektromotor oder Generator angeordnet sein. Das Gehäuse 10 weist (untere) Öffnungen 41 auf, durch die Luft von unten einströmen kann oder nach unten ausströmen kann. Beispielsweise wäre es in einer konkreten Ausführungsform denkbar, dass durch zwei mittlere Öffnungen 41 Luft nach oben strömt (durch das zweite Modul 22 und dritte Modul 23 und durch äußere Öffnungen 41 (durch das erste Modul 21 und das vierte Modul 24) nach unten wieder abströmt und somit ein rezirkulierender Kreislauf bzw. ein zweiter Kühlmediumkanal 64 gebildet wird. In einem oberen Bereich kann ein Deckelelement 42 ebenfalls einen Abschnitt dieses zweiten Kühlmediumkanals 64 ausbilden. Längsseitenwände 43 und 44 sind genauso wie das Deckelelement 42 geschlossen. Querseitenwände 45 und 46 des Gehäuses 10 sind offen bzw. werden bei eingesetzten Modulen 21 bis 24 durch das erste Modul 21 und das vierte Modul 24 definiert. Der zweite Kühlmediumkanal 64 verläuft also senkrecht zu den ersten Modulkanälen 47 bzw. in 2 im Bereich der beiden mittleren Module 22, 23 von unten nach oben und dem Bereich der äußeren Module 21 und 24 von oben nach unten, wobei eine Umlenkung über das Deckelelement 42 (siehe 1) stattfindet.
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Die Module 21 bis 24 weisen jeweils Modulkanäle 47 auf. Je vier Modulkanäle 47 von vier verschiedenen Modulen 21 bis 24 bilden dabei einen gemeinsamen Kühlmediumkanal 48 aus. Durch den Kühlmediumkanal 48 strömt im Gebrauch Umgebungsluft (in 2 von links nach rechts). Die Kühlmediumkanäle sind an ihren Enden offen.
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Zur Ausbildung der Kühlmediumkanäle 48 sind die Modulkanäle 47 jeweils an einem oder an beiden ihrer Enden 49 fluidtechnisch verbunden. In mechanischer Hinsicht sind die Modulkanäle 47 eines Moduls über Bleche 50, die auch die Enden 49 aufnehmen, verbunden (die Bleche 50 sind in 2 übertrieben dick dargestellt).
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Ein Rahmen des Gehäuses 10 (siehe 1) kann als Vollrahmen ausgebildet sein, beispielsweise mit Vier-Kantrohren als Normprofilen.
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In einer bevorzugten Alternative (nicht in den Fig. zu sehen) können jedoch auch Blech-Sonderprofile für den Rahmen vorgesehen sein.
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Zur Stützung des Gehäuses 10 können Standfüße 51 (in den Eckbereichen) ausgebildet sein.
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Die Modulkanäle 47 bzw. Kühlmediumkanäle 48 können in einem Schachbrettmuster oder Bienenwabenmuster angeordnet sein. Die Kühlmediumkanäle 48 sind im Bereich der Querseitenwände 45 und 46 offen, so dass Umgebungsluft durch die Kühlmediumkanäle 48 durchströmen kann. Es können beispielsweise (etwa) 600 bis 700 Kühlmediumkanäle 48 vorgesehen sein. Die Module 21 bis 24 sind im vorliegenden Ausführungsbeispiel baugleich.
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In den 3 bis 6 werden Schritte eines Herstellungsverfahrens zur Verbindung der Modulkanäle 47 mit den Blechen 50 beschrieben. In 3 ist ein Blech 50, ein Prägestempel 52 sowie ein erstes Unterwerkzeug 53 zu sehen. Das Verfahren läuft dabei mit folgenden Schritten ab. Zunächst wird das Modulblech mit Lochausschnitten 54 versehen. Danach wird der Prägestempel 52 gegen das Unterwerkzeug 53 geführt und dadurch um die Lochausschnitte 54 herum ein trompetenförmiger Abschnitt 55 eingeprägt (siehe auch 4, die einen vergrößerten Ausschnitt der Anordnung gemäß 3 zeigt). Zur Erzeugung der trompetenförmigen Abschnitte 55 weist das Unterwerkzeug 53 Löcher 56 auf, die Eckausnehmungen 57 aufweisen und zwar an einem Lochende 58, das im Herstellungsverfahren mit dem Blech 50 in Berührung kommt. Wird bei dieser Anordnung ein Kegelstumpfabschnitt 59 des Prägestempels 52 gegen das Loch 56 bzw. dessen Eckausnehmungen 57 geführt, wird die bereits erwähnte Trompetenform erzeugt. Um ein klar definiertes Einführen des Prägestempels 52 zu ermöglichen weist dieser um den Kegelstumpfabschnitt 59 herum einen Flanschabschnitt 60 auf, der verhindert, dass der Prägestempel 52 über eine vorbestimmte Länge in das Loch 56 eindringt. Konkret stößt der Flanschabschnitt 60 an eine Oberseite des Blechs 50.
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In 5 und 6 ist veranschaulicht, wie das gemäß 3 und 4 bearbeitete Blech mit den Modulkanälen 47 (im Folgenden als Rohre 47 bezeichnet) verbunden wird.
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Unterhalb des ersten Unterwerkzeugs 53 ist ein zweites Unterwerkzeug 61 angeordnet. Das zweite Unterwerkzeug 61 ist über Schrauben 62 (Verbindungsmittel) mit dem ersten Unterwerkzeug 53 und Dornen 63 verbunden. Das erste Unterwerkzeug 53 und das zweite Unterwerkzeug 54 können plattenförmig ausgebildet sein, insbesondere die Oberseite eines Tisches ausbilden oder auf einer solchen aufliegen.
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Nach der Verbindung der Unterwerkzeuge 53, 54 mit den Dornen 63, wird das Blech 50 aufgelegt (siehe 6) und auf jeden Dorn 63 ein Rohr 47 aufgeschoben. Einzelne Rohre 47 können mit Hilfe einer Kniehebelpresse eingepresst werden. Zusätzlich oder alternativ kann auch eine hydraulische Presse zum Einsatz kommen.
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Die Dorne 63 dienen insbesondere der Stabilisierung und Führung der Rohre 47 beim Einpressen in die Lochausschnitte 54. Insgesamt wird ein Ende 49 des Modulkanals 47 (siehe 6) auf einfache Weise durch Einpressen mit dem Blech 50 verbunden.
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Eine mögliche Ausführungsform einer Einpressvorrichtung umfasst einen Tisch, die beschriebenen Unterwerkzeuge 53, 54 (inklusive Dornen 63), ein Oberwerkzeug sowie ggf. massive (Vier-Kant-)Rohre, um eine Presskraft auf dem Oberwerkzeug zu verteilen, insbesondere wenn dieses nicht vollständig eben ist. Die Dornen 63 können als Drehteil konzipiert sein. Alternativ wäre es auch möglich, die Dornen 63 als Baugruppe aus mehreren (Norm-)Teilen, wie beispielsweise eine Gewindestange, zwei (Sechs-Kant-)Muttern und gegebenenfalls eine Scheibe und eine Hutmutter aufgebaut sein können.
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Eine Presskraft kann mindestens 1500 kN, vorzugsweise mindestens 2000 kN betragen.
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Das erwähnte Oberwerkzeug kann grundsätzlich wie das Unterwerkzeug bzw. die beiden Unterwerkzeuge 53, 54 ausgebildet sein. Die Begriffe Ober- und Unterbeziehen sich nur auf eine besondere Ausführungsform. Es ist auch denkbar Unter- bzw. Oberwerkzeug anders im Raum zu orientieren, so dass dann von einem ersten bzw. zweiten Werkzeug gesprochen werden müsste.
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Eine mögliche Abfolge von Verfahrensschritten ist dann: Auflegen eines ersten Blechs 50 auf die Unterwerkzeuge 53, 54, Aufstecken der Rohre, Auflegen eines zweiten Blechs 50, an einem gegenüber liegenden Ende der Rohre, Einfahren eines verschwenkbaren Tisches unter die Anordnung, Pressen, Ausfahren des verschiebbaren Tisches und Abnehmen des fertigen Moduls (beispielsweise mit einem Kran). Während des Verfahrens, insbesondere des Pressens, können Abstandshalter (beispielsweise aus Holz) zwischen die Rohre, insbesondere diagonal durch die Rohre geschoben werden.
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Überraschenderweise hat sich gezeigt, dass die Lochausschnitte 54 vergleichsweise nah aneinanderliegen können. Ein Abstand zwischen zwei Lochausschnitten 54 kann beispielsweise lediglich höchstens 100 %, vorzugsweise höchstens 50 %, noch weiter vorzugsweise höchstens 20 % eines Lochdurchmessers betragen. Bisher bestand immer ein Vorteil im Stand der Technik dahingehend, dass eine Prägung der Bleche, wie weiter oben beschrieben, nicht möglich ist, wenn die Löcher vergleichsweise nahe beieinander liegen. Möglicherweise wurde auch aus diesem Grund bisher von einer Verbindung durch Einpressen abgesehen.
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Die Modulkanäle 47 bzw. Kühlmediumkanäle 48 können aus verschiedenen (Rohr-)Materialien, wie Aluminium, Kupfer, Bronze und/oder Kunststoff etc. bestehen bzw. solche Materialien umfassen.
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Die Module können in das Gehäuse 10 eingesetzt werden und mit dem Gehäuse bzw. den anderen Modulen verbunden werden. Insbesondere können die Bleche 50 vernietet und/oder verschraubt werden. An die Querseitenwand 45 (siehe 1) kann eine Einblashaube, beispielsweise mit einem Radialventilator angebaut sein. An der Querseitenwand 46 kann eine Ausblashaube vorgesehen sein. Das Gehäuse 10 des Kühlers kann auf einem Generatorgehäuse (nicht in Fig. zu sehen) angeordnet sein.
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An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, dass alle oben beschriebenen Teile für sich alleine gesehen und in jeder Kombination, insbesondere die in den Zeichnungen dargestellten Details, als erfindungswesentlich beansprucht werden. Abänderungen hiervon sind dem Fachmann geläufig.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Gehäuse
- 21
- erstes Modul
- 22
- zweites Modul
- 23
- drittes Modul
- 24
- viertes Modul
- 31
- erster Modulaufnahmeabschnitt
- 32
- zweiter Modulaufnahmeabschnitt
- 33
- dritter Modulaufnahmeabschnitt
- 34
- vierter Modulaufnahmeabschnitt
- 41
- Öffnung
- 42
- Deckelelement
- 43
- Längsseitenwand
- 44
- Längsseitenwand
- 45
- Querseitenwand
- 46
- Querseitenwand
- 47
- Modulkanal
- 48
- Kühlmediumkanal
- 49
- Wände
- 50
- Blech
- 51
- Standfuß
- 52
- Prägestempel
- 53
- erstes Unterwerkzeug
- 54
- Lochausschnitt
- 55
- trompetenförmiger Abschnitt
- 56
- Loch
- 57
- Eckausnehmung
- 58
- Lochende
- 59
- Kegelstumpfabschnitt
- 60
- Flanschabschnitt
- 61
- zweites Unterwerkzeug
- 62
- Schraube
- 63
- Dorn
- 64
- zweiter Kühlmediumkanal
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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