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Die Erfindung betrifft einen von einem Kühlmittel durchströmbaren Kühlmantel für eine elektrische Kraft- oder Arbeitsmaschine, mit einer Innenschale und einer Außenschale und mit einem zwischen der Innenschale und der Außenschale angeordneten Strömungsleitelement. Weiterhin betrifft die Erfindung eine mit einem solchen Kühlmantel ausgestattete elektrische Kraft- oder Arbeitsmaschine als Antriebsmaschine eines Kraftfahrzeuges.
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Ein solcher Kühlmantel wird in der Praxis zum Kühlen einer Kraft- oder Arbeitsmaschine, beispielsweise eines Elektromotors, eingesetzt. Der Kühlmantel umschließt hierzu das Gehäuse der Kraft- oder Arbeitsmaschine, um so eine wirkungsvolle Wärmeabfuhr zu ermöglichen.
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Elektrische Maschinen werden als Motor oder Generator in vielen technischen Bereichen eingesetzt, weisen zumeist einen ruhenden Stator bzw. Ständer sowie einen drehbar gelagerten Rotor bzw. Läufer auf und produzieren im Betrieb Abwärme, welche die Effizienz und Lebensdauer der elektrischen Maschine erheblich einschränken kann.
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Insbesondere elektrische Maschinen hoher Leistungsdichte benötigen eine Kühlung, welche entweder mit Luft oder mit einem Kühlmittel realisiert ist. Eine Kühlung mit Luft erfordert zur effektiven Abführung der in der elektrischen Maschine entstehenden Abwärme große Flächen, wodurch die Gehäuse eine entsprechende Größe aufweisen müssen.
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Elektrische Antriebe, die beispielsweise in einem Kraftfahrzeug oder einem Schienenfahrzeug zu dessen elektrischen Fahrbetrieb eingesetzt werden, müssen jedoch zur Optimierung des zur Verfügung stehenden Bauraumes möglichst kompakt ausgeführt sein. Eine Luftkühlung scheidet deshalb für derartige elektrische Antriebe in der Regel aus.
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Zur Leistungssteigerung und aktiven Kühlung von derartigen elektrischen Maschinen werden insbesondere flüssigkeitsdurchströmte Kühlmäntel eingesetzt. Die bisher bekannten Kühllösungen für elektrische Maschinen beruhen auf radialen oder axialen Durchströmungen eines Kühlmantels bzw. einer Kühlleitung mit einem flüssigen Kühlmittel. Das Kühlmittel entzieht dabei der elektrischen Maschine die Abwärme, sodass ein störungsfreier Betrieb auf hohem Leistungsniveau gewährleistet werden kann.
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Als Kühlmittel wird üblicherweise ein Gemisch aus Wasser und Glykol oder Öl oder eine andere geeignete Kühlflüssigkeit verwendet. Die Kühlkanäle erstrecken sich beispielsweise parallel zu einer Längsachse eines Gehäuses, welche wiederum parallel zu einer von dem elektrischen Antrieb angetriebenen Welle liegt.
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Der Kühlmantel ist doppelwandig aus einer Innenschale und einer Außenschale aufgebaut, sodass der Ringspalt von dem Kühlmittel durchströmt werden kann.
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Eine Umlenkung des Kühlmittels von einem Kühlmittelkanal zu einem anderen benachbarten Kühlmittelkanal kann an den Stirnseiten der elektrischen Maschine bzw. des Gehäuses der elektrischen Maschine in einem mit dem Gehäuse verbundenen separaten Gehäusebauteil erfolgen. Es ist auch bereits bekannt, in dem Ringspalt mehrere Kühlkanäle vorzusehen, die für eine definierte Strömung des Kühlmittels sorgen, um so den Wärmeabtransport zu optimieren.
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In der
DE 10 2012 002 024 B3 wird ein Kühlmantel für eine Kraftmaschine beschrieben, bei dem zwischen einer inneren, wärmeleitfähigen und einer äußeren Deckschale sandwichartig eine Kühlschale angeordnet ist. Die Kühlschale umfasst einen mäanderförmigen Kühlkanal mit versetzt angeordneten Kammstegen, sodass das zugeführte Kühlmittel nicht nur zwischen einer Einlassöffnung und einer Auslassöffnung einmal über den gesamten Umfang geleitet, sondern durch die Kammstege in jeweils entgegengesetzten Richtungen parallel zur Drehachse der Kraftmaschine umgelenkt wird. Hierzu kann die Kühlschale aus einem Kunststoff bestehen, wobei die Kühlschale auch aus einer oder mehreren Platten bestehen kann, die während der Montage zu der Kühlschale geformt werden.
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Aus der
DE 199 50 660 A1 ist eine Kühlanordnung für einen Motor bekannt, bei der mittels eines in geringem Abstand um das Gehäuse des Motors liegenden Hüllrohres ein durch elastische Dichtmittel seitlich abgedichteter Kühlmantelraum geschaffen wird. In diesem Kühlmantelraum wird eine definierte Fluidführung in einem gewendelten Kühlkanal mittels mehrerer Strömungsleitelemente erzielt, welche sich zwischen Mantelrohr und Hüllrohr erstrecken. Die Strömungsleitelemente können als Struktur an der Innenwand des Hüllrohres oder an der Außenwand des Mantelrohres als Bestandteil dieser Bauteile oder aber durch eine mit keinem der beiden Rohre fest verbundene separate Struktur gebildet sein, welche vorteilhafterweise positionsstabil zwischen den beiden Rohren liegt. Die Strömungsleitelemente weisen vorzugsweise einen kreisrunden Querschnitt auf und können insbesondere aus Draht- bzw. Stangenmaterial als Halbzeug hergestellt sein.
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Außerdem ist aus der
DE 10 2012 008 209 A1 eine elektrische Maschine für den Hybridantrieb eines Fahrzeuges bekannt, bei der ein ringförmiger und mit einem Kühlmittel durchströmbarer Kühlmantel vorgesehen ist, um eine effektive Kühlung zu erreichen. Dabei ist das Kühlmittel axial in den Kühlmantel einführbar und aus diesem abführbar. Die Strömungsleitung erfolgt derart, dass das eingeleitete Kühlmittel in zwei Teilströmen mit entgegengesetzten Strömungsrichtungen durch einen Umlenkabschnitt strömt und derart umgelenkt wird, dass das Kühlmittel zum Kühlmittelabfluss zurückströmt. Hierdurch kann eine sogenannte 180°-Kühlung mit verbesserter Kühlleistung realisiert werden, bei welcher das Kühlmittel in zwei Teilströmen jeweils nur die Hälfte des Umfanges des Gehäuses der elektrischen Maschine umströmt.
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Ferner beschreibt die
DE 196 24 519 A1 eine Kühleinrichtung für eine elektrische Maschine, umfassend ein Gehäuse mit einem Gehäuseinnenteil und einem Gehäuseaußenteil. Das Gehäuseinnenteil umfasst ein System von mäanderförmig verlaufenden Kühlkanälen, die einen Großteil der Außenfläche des Gehäuseinnenteiles bedecken. Auch die
DE 198 54 464 C2 beschreibt einen Kühlkanal mit einem mäanderförmigen Verlauf.
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Als nachteilig erweist es sich bei diesem Stand der Technik, dass die Montage des Strömungsleitelementes in dem Ringraum zwischen der Innenschale und der Außenschale vergleichsweise aufwendig ist, weil das Strömungsleitelement einerseits zugleich gegen die Innenschale und die Außenschale dichtend anliegen soll, andererseits aber Toleranzeinflüsse zuverlässig auszugleichen sind und die Montagekräfte und Fügegenauigkeiten in einem beherrschbaren Rahmen bleiben müssen.
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Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Kühlmantel zu schaffen, durch den der Montageaufwand reduziert und zugleich ein problemloser Einsatz ermöglicht wird. Weiterhin liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine mit einem solchen Kühlmantel ausgestattete Kraft- oder Arbeitsmaschine zu schaffen, durch die ein besonders zuverlässiger Betrieb gewährleistet wird und die Herstellung vereinfacht ist.
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Die erstgenannte Aufgabe wird gelöst mit einem Kühlmantel gemäß den Merkmalen des Patentanspruches 1. Die Unteransprüche betreffen besonders zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung.
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Erfindungsgemäß ist also das Strömungsleitelement als eine Baueinheit mit zumindest einer gegen die Innenschale oder Außenschale flächig anlegbaren Trennschale und zumindest einem mit der Trennschale verbundenen Strömungsleitkörper ausgeführt. Indem also die Trennschale das Strömungsleitelement gegenüber zumindest einer der beiden Schalen derart abdichtet, dass das Kühlmittel nicht etwa wie beim Stand der Technik in einen direkten, unmittelbaren Kontakt mit dem Gehäuse der Kraft- oder Arbeitsmaschine kommt, sondern gegenüber diesem durch die Trennschale separiert ist, entfällt nicht nur die Abdichtung gegenüber zumindest einer Schale, sondern es wird auch die Montage des Strömungsleitelementes wesentlich vereinfacht. Insbesondere wird die zuverlässige Funktion auch bei größeren Toleranzwerten wirksam eingehalten und die Montage dadurch wesentlich erleichtert, wobei auch die Handhabung des nunmehr als Schale ausgeführten Strömungsleitelementes wesentlich einfacher ist als das Verlegen einzelner, die Kühlkanäle bildender Stege. Zudem wird aufgrund des fehlenden Kontaktes zwischen dem Kühlmittel und der durch die Trennschale geschützten Innenschale oder Außenschale das Risiko einer Korrosion des Gehäuses der Kraft- oder Arbeitsmaschine zuverlässig ausgeschlossen, sodass insbesondere entsprechende Korrosionsschutzmaßnahmen an dem Gehäuse entfallen können. Gegebenenfalls kann bei der Erfindung sogar auf eine Außenschale verzichtet werden, sodass der konstruktive Aufbau der Kraft- oder Arbeitsmaschine vereinfacht werden kann.
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Selbstverständlich könnte die Trennschale vollflächig die gesamte äußere Umfangsfläche der Innenschale bzw. die innere Umfangsfläche der Außenschale bedecken. Bei einer solchen Bauform erfolgt die Zuführung und Ableitung des Kühlmittels stirnseitig in den Ringspalt, also im Wesentlichen in axialer Richtung. Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird indes auch dadurch erreicht, dass die Trennschale abschnittsweise gegen die Innenschale oder die Außenschale anlegbar ist. Indem die Trennschale zumindest abschnittsweise, also unter Auslassung von Umfangsabschnitten der Innenschale oder der Außenschale, gegen die jeweilige Schale anliegt, kann eine einfache radiale Kühlfluidzuführung realisiert werden. Der Randbereich der Ausnehmungen in der Trennschale ist hierzu gegenüber der betreffenden Schale, insbesondere der Außenschale abgedichtet, sodass das Kühlmittel von außen durch die Außenschale und die Ausnehmung des Strömungsleitelementes hindurch in den Ringraum zwischen den Schalen eintreten kann.
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Darüber hinaus erweist es sich als besonders vorteilhaft, wenn das Strömungsleitelement an seinen axialen Endabschnitten jeweils ein zur Abdichtung des Ringspaltes zwischen der Innenschale und der Außenschale bestimmtes Dichtungselement aufweist, sodass die beiden Dichtungselemente in axialer Richtung zwischen sich die Trennschale einschließen, um so die erforderliche stirnseitige Abdichtung des Ringspaltes zwischen der Innenschale und der Außenschale zu erreichen.
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Das Dichtungselement kann als ein Ringprofil, beispielsweise ein O-Ring ausgeführt sein, welcher an beiden Endabschnitten des Strömungsleitelementes die Abdichtung gegenüber der Umgebung vornimmt. Besonders vorteilhaft ist es hingegen, wenn das Dichtungselement als ein gegenüber der Trennschale radial vorspringender Rand ausgeführt ist und zu diesem Zweck vorzugsweise einteilig mit der Trennschale verbunden ist. Auf diese Weise wird zugleich mit der Montage des Strömungsleitelementes in dem Ringraum zwischen der Innenschale und der Außenschale die gewünschte Abdichtung erreicht, ohne dass hierzu zusätzliche Dichtungselemente erforderlich sind. Der Herstellungs- und Montageaufwand wird dadurch weiter reduziert.
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Bei einer anderen, ebenfalls besonders sinnvollen Ausgestaltung der Erfindung weist die Trennschale ein Grundelement mit zumindest einer Aufnahme für in unterschiedlichen Positionen an dem Grundelement anordbare Strömungsleitkörper auf. Diese Bauweise gestattet erstmals einen modularen Aufbau des Strömungsleitelementes zur Anpassung an unterschiedliche Kraft- oder Arbeitsmaschinen oder verschiedene Einsatz- oder Umgebungsbedingungen. So kann der Kühlmantel beispielsweise aufgrund der Positionierung der Kraft- oder Arbeitsmaschine bzw. der Fixierung im Bereich bestimmter Umfangsbereiche mit daran angepassten Strömungsleitkörpern ausgestattet sein, um dort einem vermehrten oder reduzierten Kühlmittelbedarf gerecht zu werden. Zudem kann selbstverständlich auf diese Weise auch die Kühlmittelzufuhr und -abfuhr vereinfacht werden, indem die hierfür mit radialen oder axialen Anschlüssen versehenen Strömungsleitkörper an der geeigneten Stelle des Grundelementes angeordnet werden. Das Grundelement dient daher als Träger für mehrere baugleiche oder unterschiedliche Strömungsleitkörper, wobei zudem mehrere Strömungsleitkörper an dem Umfang des Grundelementes unter Aussparung oder Auslassung zumindest eines Umfangsabschnittes positioniert werden können.
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Auf diese Weise lassen sich in besonders praxisgerechter Weise auch solche Bauformen einer Trennschale realisieren, bei denen die Trennschale ringförmig geschlossen ausgeführt und mit zumindest einer Durchbrechung gegenüber der Innenschale oder der Außenschale ausgestattet ist, um so eine schnelle und zuverlässige Kühlmittelzuführung durch die Außenschale hindurch zu ermöglichen.
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Bei einer anderen, ebenfalls besonders Erfolg versprechenden Ausgestaltung der Erfindung verläuft zumindest ein Strömungsleitkörper helixförmig an der Trennschale. Indem also der Strömungsleitkörper nach Art eines Gewindes oder einer Spirale an der Trennschale mit einer Steigung verläuft, gelangt das Kühlmittel an dessen Umfang in unterschiedliche axiale Bereiche entsprechend der Steigung des Strömungsleitkörpers, sodass eine mangelnde Versorgung der stirnseitigen Bereiche innerhalb des Ringspaltes zwischen den konzentrischen Schalen ausgeschlossen ist.
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Darüber hinaus erweist es sich als besonders vorteilhaft, wenn mehrere Strömungsleitkörper mehrere untereinander nicht verbundene, benachbarte Kühlmittelkanäle begrenzen, sodass eine unabhängige Kühlmittelbeaufschlagung ermöglicht wird. So kann beispielsweise während einer Betriebsphase mit geringem Kühlbedarf der Kühlmitteldurchfluss auf einen oder mehrere ausgewählte Kühlmittelkanäle beschränkt werden, während weitere Kühlmittelkanäle mit einem verminderten Volumenstrom des Kühlmittels beaufschlagt werden. Hierzu können die Strömungsleitkörper beispielsweise nach Art eines zweigängigen Gewindes eine Doppelhelix bilden, die zwar benachbart, jedoch strömungstechnisch getrennt voneinander am Umfang der Trennschale verlaufen.
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Selbstverständlich können mit dem Strömungsleitelement nahezu beliebige Strömungsverläufe realisiert werden, die zudem in unterschiedlichen Umfangsabschnittsbereichen unterschiedlich sein können. Eine bevorzugte Variante wird dadurch erreicht, dass die Strömungsleitkörper mäanderförmig an dem Umfang verlaufend angeordnet sind, also zwischen stirnseitigen Begrenzungsflächen in dem Ringraum in axialer Richtung mehrfach umgelenkt werden. Hierdurch lassen sich geringe Strömungsgeschwindigkeiten erreichen.
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Gemäß einer bevorzugten Bauform der Erfindung bildet zumindest ein Strömungsleitkörper gemeinsam mit zumindest einer Trennschale einen geschlossenen Hohlkörper, also eine geschlossene Rohrleitung, sodass eine zusätzliche Dichtung, insbesondere auch die stirnseitige Abdichtung in dem Ringraum zwischen der Innen- und Außenschale entfällt. Hierdurch werden die Montage weiter vereinfacht und Leckagen zuverlässig ausgeschlossen. Dabei kann das Strömungsleitelement auch mit einer Vielzahl von parallelen Strömungsleitkörpern in regelmäßigen Abständen ausgestattet sein, sodass die axiale Länge in einfacher Weise durch Abtrennen nicht benötigter Bereiche angepasst werden kann. Selbstverständlich können hierzu beispielsweise besonders geeignete Trennstellen vorgesehen bzw. markiert oder mit einer Sollbruchstelle ausgestattet sein.
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Eine andere, ebenfalls besonders Erfolg versprechende Ausgestaltung der Erfindung wird auch dadurch realisiert, dass das Strömungsleitelement zwei konzentrische, gegen jeweils eine Innenschale oder Außenschale anlegbare Trennschalen aufweist und dass der zumindest eine Strömungsleitkörper mit den beiden Trennschalen verbunden ist. Hierdurch wird das Strömungsleitelement als eine geschlossene Baueinheit realisiert, die keinerlei zusätzliche Abdichtung gegenüber der Innenschale oder der Außenschale erfordert. Vielmehr bilden die stirnseitig verbundenen Trennschalen einen ringförmig geschlossenen Kühlmittelkanal mit einem vorzugsweise rechteckigen Querschnitt. Vorzugsweise sind hierzu die Trennschale und der Strömungsleitkörper bzw. die Trennschalen untereinander einteilig verbunden. Selbstverständlich können auch Anschlussstücke für die Kühlmittelzuleitung und -ableitung in das Strömungsleitelement integriert sein.
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Die Trennschale kann aus einem sehr dünnen, vorzugsweise flexiblen oder elastischen Material, beispielsweise auch aus einer Folie bestehen. Besonders praxisgerecht ist dabei eine Ausgestaltungsform der Erfindung, bei der das Strömungsleitelement aus einem Kunststoffmaterial mit einer insbesondere hohen Wärmeleitfähigkeit und Temperaturbeständigkeit besteht, welches vorzugsweise eine geringe thermische Dehnung aufweist. Dabei eignen sich vor allem auch solche Kunststoffmaterialien, die eine hohe Formstabilität aufweisen.
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Das Strömungsleitelement bildet erfindungsgemäß eine separate Baueinheit, die in den Ringraum bzw. Ringspalt zwischen der Innenschale und der Außenschale einsetzbar ist, sodass diese oftmals bereits klemmschlüssig fixierbar oder aber zwischen den Schalen durch eine Adhäsionsverbindung in der Position festlegbar ist. Eine besonders einfache Festlegung des Strömungsleitelementes wird auch dadurch erreicht, dass das Strömungsleitelement an der Kraft- oder Arbeitsmaschine mittels eines lösbaren oder unlösbaren Fixiermittels insbesondere formschlüssig fixierbar ist, wobei das Fixiermittel beispielsweise als ein Schnellverschluss, etwa eine Clipverbindung ausgeführt ist, und das Strömungsleitelement in der eingestellten Position sowohl hinsichtlich der axialen Position als auch der Winkelstellung in Bezug auf eine Drehachse der Maschine festlegt.
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Die zweitgenannte Aufgabe, eine mit einem Kühlmantel ausgestattete Kraft- oder Arbeitsmaschine mit einer Innenschale und einer Außenschale und mit einem zwischen der Innenschale und der Außenschale angeordneten Strömungsleitelement zu schaffen, die eine einfache und problemlose Montage gestattet, wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass das Strömungsleitelement zumindest eine gegen die Innenschale oder die Außenschale flächig anlegbare Trennschale und zumindest einen mit der Trennschale verbundenen Strömungsleitkörper aufweist, sodass zwischen der Trennschale und der betreffenden Schale keine Abdichtung erforderlich ist. Insbesondere entfällt ein direkter Kontakt zwischen dem Kühlmittel und der Schale, sodass unerwünschte Wechselwirkungen zwischen Materialbestandteilen der Schale und dem Kühlmittel ausgeschlossen sind.
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Die Erfindung lässt zahlreiche Ausführungsformen zu. Zur weiteren Verdeutlichung ihres Grundprinzips ist eine davon in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend beschrieben. Diese zeigt in
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1 eine perspektivische Darstellung einer Innenschale einer Arbeitsmaschine;
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2 ein zur umfangsseitigen Anordnung an der Innenschale bestimmtes Strömungsleitelement;
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3 eine geschnittene Prinzipdarstellung eines zwischen der Innenschale und einer Außenschale angeordneten Strömungsleitelementes.
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Der erfindungsgemäße Kühlmantel wird nachstehend anhand der 1 bis 3 näher erläutert. Dieser dient der Kühlung einer nicht weiter gezeigten elektrischen Arbeitsmaschine durch die Zuführung eines Kühlmittels, welches hierzu den Kühlmantel der Arbeitsmaschine durchströmt. Wie in 1 zu erkennen hat die Arbeitsmaschine eine Innenschale 1 mit einer zentralen Aufnahme 2 für eine Drehachse 3. Zusammen mit der in 3 anhand einer Prinzipdarstellung gezeigten Außenschale 4 der Arbeitsmaschine begrenzt die Innenschale 1 einen Ringraum 5, in dem ein eine separate, in 2 gezeigte Baueinheit bildendes Strömungsleitelement 6 angeordnet ist. Das Strömungsleitelement 6 ist als eine autonome Funktionseinheit ausgeführt und hat hierzu erfindungsgemäß eine gegen die Innenschale 1 flächig anlegbare Trennschale 7, welche mehrere im Querschnitt dreieckige Strömungsleitkörper 8 trägt. Diese sind jeweils von dem Kühlmittel durchströmbar und durch die Trennschale 7 gegenüber der Innenschale 1 separiert. Eine zusätzliche Abdichtung insbesondere im stirnseitigen Endbereich des Ringraumes 5 entfällt hierdurch. Zur Versorgung der so durch die Strömungsleitkörper 8 gebildeten Kühlmittelkanäle mit dem erforderlichen Kühlmittel ist die ringförmig geschlossene Trennschale 7 mit einer Durchbrechung 9 ausgestattet, die mit einer nicht gezeigten Öffnung in der Außenschale 4 korrespondiert. Durch diese tritt das Kühlmittel radial in den Ringraum 5 ein und gelangt, begünstigt durch die in der Draufsicht dreieckige Grundform der Durchbrechung 9, mit einem homogenen Strömungsprofil mit nahezu überstimmenden Volumenströmen in die einzelnen Kühlmittelkanäle. Das Strömungsleitelement 6 lässt sich problemlos herstellen und zudem durch Abtrennen nicht benötigter Abschnitte in seiner axialen Länge beliebig anpassen. Als Material eigenen sich vor allem Kunststoffe mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Innenschale
- 2
- Aufnahme
- 3
- Drehachse
- 4
- Außenschale
- 5
- Ringraum
- 6
- Strömungsleitelement
- 7
- Trennschale
- 8
- Strömungsleitkörper
- 9
- Durchbrechung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102012002024 B3 [0010]
- DE 19950660 A1 [0011]
- DE 102012008209 A1 [0012]
- DE 19624519 A1 [0013]
- DE 19854464 C2 [0013]
