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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kühlvorrichtung für eine rotierende elektrische Maschine, umfassend zwei Fluidkanäle, durch die ein Kühlfluid jeweils in Umfangsrichtung der elektrischen Maschine leitbar ist, wobei die Kühlvorrichtung dazu eingerichtet ist, das Kühlfluid mit entgegengesetzten Orientierungen durch die Fluidkanäle zu leiten.
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Daneben betrifft die Erfindung eine rotierende elektrische Maschine zum Antreiben eines Fahrzeugs.
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Elektrische Maschinen erwärmen sich während Ihres Betriebs aufgrund elektrischer Verluste in ihren Statorwicklungen. Eine unzulässig hohe Erwärmung kann zu einem thermischen Fehler der Statorwicklungen führen. Um die Ausnutzung der elektrischen Maschine, insbesondere bei einem Einsatz als Antriebsmaschine in einem Fahrzeug, zu erhöhen, werden Kühlvorrichtungen verwendet, die die Wärme abführen.
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Eine solche Kühlvorrichtung ist aus dem Dokument
US 9,692,277 B2 bekannt, welches eine Flüssigkeitskühlung für eine integrierte Motoranordnung offenbart. Dabei fließt ein Kühlmittel durch mehrere Statorkühlkanäle, welche sich in Umfangsrichtung um den Stator erstrecken und umgelenkt werden.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine effizientere Kühlvorrichtung für eine rotierende elektrische Maschine anzugeben
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einer Kühlvorrichtung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass die Fluidkanäle koaxial zueinander angeordnet und thermisch miteinander gekoppelt sind.
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Die Erfindung beruht auf der Überlegung, das Kühlfluid an einer Axialposition durch einen inneren Fluidkanal und einen äußeren Fluidkanal in Umfangsrichtung mit entgegengesetzten Orientierungen strömen zu lassen, so dass eine Wärmeabfuhr ebenfalls entgegengesetzt orientiert ist. Bei einer transienten strömungsmechanischen Betrachtung der Wärmeabfuhr liegen somit - zumindest abschnittsweise - kalte Abschnitte des inneren Fluidkanals wärmeren Abschnitten des äußeren Fluidkanals gegenüber und umgekehrt, was aufgrund der thermischen Kopplung der Kühlkanäle eine homogenere Temperaturverteilung in Umfangsrichtung in einem stationären Zustand bewirkt.
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Vorteilhafterweise kann eine elektrische Maschine mit der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung wesentlich stärker ausgenutzt werden, ohne dass es zu einer Überhitzung kommt, da bei gleicher Kühlleistung und einer homogeneren Temperaturverteilung im Vergleich zu herkömmlichen Kühlvorrichtungen, die wärmste Stelle bei der erfindungsgemäßen Kühlleistung wesentlich kühler ist. Folglich kann die Leistungsfähigkeit der elektrischen Maschine angepasst oder erhöht werden, ohne dass es zu einer Überhitzung ihrer Statorwicklungen kommt. Daneben ermöglicht die durch zwei koaxiale Fluidkanäle bewirkte Verlängerung des Kühlfluidflusses eine größere thermische Übertragungsfläche für die Wärmeabfuhr.
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Der zuvor beschriebene Effekt ist besonders ausgeprägt, wenn eine Winkelposition eines Endes eines ersten Fluidkanals und eine Winkelposition eines Anfangs des zweiten Fluidkanals nahe beieinander liegen, beispielsweise um höchstens 90°, bevorzugt um höchstens 45°, besonders bevorzugt um höchstens 10°, auseinander liegen, oder sogar gleich sind.
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Es wird bei der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung besonders bevorzugt, dass die Kühlkanäle in Axialrichtung weiter als in Radialrichtung ausgedehnt sind. Die thermische Kopplung erfolgt dann über eine besonders große Fläche. Im Hinblick auf typische elektrische Maschinen, die eine erhebliche axiale Ausdehnung aufweisen, können sich die Kühlkanäle in Axialrichtung über die gesamte axiale Erstreckung eines Stators der elektrischen Maschine ausdehnen. Die Fluidkanäle können jeweils beispielsweise nur einen Umlauf um die elektrische Maschine machen und am Anfang und/oder am Ende von der elektrischen Maschine wegführen.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung weist die erfindungsgemäße Kühlvorrichtung einen Umlenkabschnitt auf, der die Fluidkanäle miteinander verbindet und dazu ausgebildet ist, die Orientierung des Kühlfluidflusses zu wechseln. Mit anderen Worten, durch den Umlenkabschnitt sind die Fluidkanäle in Reihe geschaltet. In diesem Fall sind die Winkelpositionen des Endes eines der Fluidkanäle und des Anfangs des anderen Fluidkanals folglich im Wesentlichen gleich. Beim Übergang in den Umlenkabschnitt weisen die Kühlkanäle mithin eine im Wesentlichen identische Mitteltemperatur auf. Über den Umfang eines der Fluidkanäle steigt die Temperatur des Kühlfluids bei transienter Betrachtung von einer Minimaltemperatur bis zur Mitteltemperatur an, wohingegen die Temperatur des Kühlfluids des anderen Fluidkanals über den Umfang bei transienter Betrachtung von der Mitteltemperatur bis zu einer Höchsttemperatur ansteigt. Daraus folgt eine besonders homogene Temperaturverteilung im stationären Zustand.
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Alternativ ist es auch möglich, dass die Fluidkanäle fluidmechanisch getrennt sind. Dann kann sich ein Einlass eines der Fluidkanäle in der Nähe eines Auslasses des anderen Fluidkanals befinden, wobei die Fluidkanäle axial-parallel durchströmt werden.
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Vorteilhafterweise umfasst die erfindungsgemäße Kühlvorrichtung ein zylinderförmiges Trennelement, das die Fluidkanäle radial voneinander trennt. Mit anderen Worten, eine innere Seite des Trennelements bildet eine äußere Begrenzung des inneren Fluidkanals und einer äußeren Seite des Trennelements eine innere Begrenzung des äußeren Fluidkanals. Die thermische Kopplung wird durch das Trennelement realisiert.
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Dabei kann der Umlenkabschnitt durch eine oder mehrere Durchgangsöffnungen im Trennelement ausgebildet sein. Die Durchgangsöffnungen ermöglichen es folglich, dass der Kühlfluidfluss von der den inneren Fluidkanal begrenzenden Seite des Trennelements zu der den äußeren Fluidkanal begrenzenden Seite des Trennelements oder umgekehrt gelangen kann. Das Umlenkelement lässt sich so besonders einfach realisieren.
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Das Trennelement kann ferner ein Dichtelement aufweisen, welches sich axial entlang des Trennelements auf beiden Seiten erstreckt. Das Dichtelement bildet mithin eine Begrenzung der Kühlkanäle und ggf. auch des Umlenkabschnitts in Umfangsrichtung.
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Außerdem kann die Kühlvorrichtung einen Fluideinlass und einen Fluidauslass aufweisen, wobei der Fluideinlass mit einem der Fluidkanäle fluidleitend verbunden ist und der Fluidauslass mit dem anderen Fluidkanal fluidleitend verbunden ist, wobei das Trennelement ein den äußeren der Fluidkanäle durchsetzendes Verbindungselement aufweist, welches den inneren der Fluidkanäle mit dem Fluideinlass oder mit dem Fluidauslass fluidleitend verbindet.
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Ferner können ein zylindrisches äußeres Gehäuseelement, dessen Innenwand eine äußere Begrenzung des äußeren der Fluidkanäle bildet, und ein zylindrisches inneres Gehäuseelement, dessen Außenwand eine innere Begrenzung des inneren der Fluidkanäle bildet, vorgesehen sein, wobei das Trennelement zwischen dem inneren Gehäuseelement und dem äußeren Gehäuseelement angeordnet ist. Es kann so ein modularer Aufbau der Kühlvorrichtung realisiert werden. Zusätzlich können an Stirnseiten der Gehäuseelemente und des Trennelements ringförmige Dichtelemente vorgesehen sein, welche die Kühlkanäle in Axialrichtung begrenzen.
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Bei der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung kann mit Vorteil zusätzlich vorgesehen sein, dass innerhalb wenigstens eines Fluidkanals mehrere Fluidleitelemente angeordnet sind. Dadurch kann der Kühlfluidfluss strömungsmechanisch optimiert werden.
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Besonders bevorzugt laufen die Fluidleitelemente jeweils bezogen auf die Orientierung des Kühlfluidflusses spitz zu. Die Fluidleitelemente können eine Tropfenform aufweisen, beispielsweise die Form von NACA-Profilen. Dadurch wird ein besonders geringer Strömungswiderstand realisiert.
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Bevorzugt sind mehrere Gruppen von in Axialrichtung angeordneten Fluidleitelementen in Umfangsrichtung hintereinander angeordnet. Dabei sind die Gruppen bezüglich in Umfangsrichtung benachbarter Gruppen vorteilhafter Weise axial versetzt.
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Daneben betrifft die Erfindung eine rotierende elektrische Maschine zum Antreiben eines Fahrzeugs, insbesondere Elektrofahrzeug oder Hybridfahrzeug, umfassend einen Stator und eine erfindungsgemäße Kühlvorrichtung, welche den Stator zu dessen Kühlung umgibt. Alle Ausführungen zur erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung lassen sich analog auf die erfindungsgemäße elektrische Maschine übertragen, so dass die vorgenannten Vorteile auch mit dieser erzielt werden können.
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Weitere Vorteile und Einzelheiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den im folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen und anhand der Zeichnungen. Diese sind schematische Darstellungen und zeigen:
- 1 einen Querschnitt eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen elektrischen Maschine mit einem Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung;
- 2 einen vergrößerten Ausschnitt II von 1;
- 3 einen vergrößerten Ausschnitt III von 1;
- 4 eine Explosionsdarstellung der Kühlvorrichtung; und
- 5 eine perspektivische Darstellung eines Trennelements der Kühlvorrichtung.
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Die 1 bis 3 sind Querschnitte eines Ausführungsbeispiels einer elektrischen Maschine 1 mit einem Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung 2.
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Die elektrische Maschine 1 weist neben der Kühlvorrichtung 2 einen Stator 3, der thermisch mit der Kühlvorrichtung 2 zu seiner Kühlung gekoppelt ist, einen innerhalb des Stators 3 angeordneten Rotor 4 und eine drehfest mit dem Rotor 4 verbundene Welle 5 auf. Die Darstellung des Stators 3, des Rotors 4 und der Welle 5 ist rein schematisch.
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Die Kühlvorrichtung 2 umfasst einen ersten Fluidkanal 6 und einen zweiten Fluidkanal 7, durch die ein Kühlfluid jeweils in Umfangsrichtung der elektrischen Maschine 1 führbar ist. Die Kühlvorrichtung 2 ist dazu eingerichtet, dass Kühlfluid mit entgegengesetzten Orientierungen durch die Fluidkanäle 6, 7 zu führen.
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In der in 2 gezeigten vergrößerten Darstellung eines Ausschnitts II von 1 zeigen ein Pfeil P1 einen Vorlauf des Kühlfluids, der durch einen Einlass 8 in den ersten Fluidkanals 6 gelangt, und ein Pfeil P2 einen Rücklauf des Kühlfluids, der durch einen Auslass 9 den zweiten Fluidkanal 7 verlässt. Die Kühlkanäle 6, 7 sind koaxial bezüglich einer Rotationsachse der elektrischen Maschine 1 angeordnet, wobei der erste Fluidkanal 6 der äußere Fluidkanal und der zweite Fluidkanal 7 der innere Fluidkanal ist. Die Kühlkanäle 6, 7 sind thermisch gekoppelt, um einen Wärmeaustausch des nacheinander durch sie fließenden Kühlfluids zu realisieren. Die Kühlkanäle erstrecken sich über die gesamte axiale Erstreckung des Stators 3, so dass für den gesamten in Umfangsrichtung verlaufenden Kühlfluidfluss lediglich die Kühlkanäle 6, 7 vorgesehen sind.
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In der in 3 gezeigten vergrößerten Darstellung eines Ausschnitts III von 1 ist ein Umlenkabschnitt 10 der Kühlvorrichtung 2 im Detail dargestellt. Der Um lenkabschnitt 10 verbindet die Fluidkanäle 6, 7 fluidleitend miteinander und ist dazu ausgebildet, die Orientierung des Kühlfluid Flusses zu wechseln. Wie durch einen Pfeil P3 dargestellt fließt das Kühlfluid vom Einlass 8 aus einmal fast vollständig mit einer ersten Orientierung in Umfangsrichtung um den Stator 3 und gelangt in den Umlenkabschnitt 10. Dort wechselt, wie durch einen Pfeil P4 gezeigt, die Orientierung, d. h. der Fluidfluss wird um annähernd 180° umgeleitet. Aus dem Umlenkabschnitt 10 gelangt das Kühlfluid in den zweiten Fluidkanal 7 und fließt wie durch einen Pfeil P5 dargestellt ein weiteres Mal fast vollständig mit einer der ersten Orientierung entgegengesetzten zweiten Orientierung in Umfangsrichtung um den Stator 3 und gelangt zum Auslass 9.
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Die Kühlvorrichtung 2 weist ein Dichtelement 11 auf, welches einerseits den Umlenkabschnitt 10 und andererseits einlass- und auslassseitige Abschnitte der Kühlkanäle, also einen Anfang des ersten Fluidkanals 6 und ein Ende des zweiten Fluidkanals 7, fluiddicht trennt. Das Dichtelement 11 bildet mithin eine einseitige Begrenzung der Kühlkanäle 6, 7 und eine Begrenzung des Umlenkabschnitts 11 in Umfangsrichtung.
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Die Kühlvorrichtung 2 weist ferner ein zylindrisches Trennelement 12 auf, welches die Fluidkanäle 6, 7 radial voneinander trennt. Über das Trennelement 12 erfolgt auch die thermische Kopplung der Kühlkanäle 6, 7. Eine äußere Seite des Trennelements 12 bildet eine innere Begrenzung des ersten Fluidkanals 6 und eine innere Seite des Trennelements 12 bildet eine äußere Begrenzung des zweiten Fluidkanals 7.
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Das Dichtelement 11 ist integral mit dem Trennelement 12 ausgebildet und erstreckt sich folglich auf beiden Seiten des Trennelements 12 in axialer Richtung. Der Umlenkabschnitt 10 ist durch mehrere Durchgangsöffnungen 13 im Trennelement 12 ausgebildet, so dass das Kühlfluid vom ersten Fluidkanal 6 durch die Durchgangsöffnungen 13 in den zweiten Fluidkanal 7 gelangen kann.
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Außerdem weist das Trennelement 12 ein den ersten Fluidkanal 6 durchsetzendes Verbindungselement 14 (siehe 1 und 2) auf, welches den zweiten Fluidkanal 7 mit dem Fluidauslass 9 verbindet. Des Verbindungselement 14 ist als rohrartiger Körper an das Trennelement 12 angeformt und stellt eine vom ersten Fluidkanal 6 fluiddicht getrennte fluidleitende Verbindung zwischen dem zweiten Fluidkanal 7 und dem Auslass 9 her.
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4 ist eine Explosionsdarstellung der Kühlvorrichtung 2. Diese umfasst neben dem Trennelement 12 ein äußeres Gehäuseelement 15, ein inneres Gehäuseelement 16 und zwei ringförmige Dichtelemente 17, 18.
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Eine Innenwand des äußeren Gehäuseelements 15 bildet eine äußere Begrenzung des ersten Fluidkanals 6. Daneben sind der Einlass 8 und der Auslass 9 integral mit dem äußeren Gehäuseelement 15 ausgebildet. Ersichtlich befinden sich der Einlass 8 und der Auslass 9 an gleicher Axialposition. Eine Außenwand des inneren Gehäuseelements 16 bildet eine innere Begrenzung des zweiten Fluidkanals 7. Die Kühlvorrichtung 2 ist durch das innere Gehäuseelement 16 thermisch mit dem Stator 3 gekoppelt, wobei ein in 1 sichtbarer Zwischenraum lediglich aus der schematischen Darstellung des Stators 3 resultiert.
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Stirnseitig ist die Kühlvorrichtung 2 durch die Dichtelemente 17, 18 abgeschlossen, die eine axiale Begrenzung der Kühlkanäle 6, 7 und des Umlenkabschnitts 10 bilden. Die Kühlvorrichtung 2 ist mithin modular aufgebaut, um eine zweikanalige Kühlgeometrie für die elektrische Maschine 1 bereitzustellen.
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Aus der zuvor beschriebenen Struktur wird deutlich, dass im Bereich des Einlasses 8 und des Auslasses 9 sowohl das „frische“, also kalte Kühlfluid, in den ersten Fluidkanal 6 eingeleitet als auch das maximal erwärmte Kühlfluid aus dem zweiten Fluidkanal 7 ausgeleitet wird. Dort befindet sich folglich die heißeste Kühlfluidtemperatur in unmittelbarem thermischen Kontakt mit der kältesten Kühlfluidtemperatur, was einen hervorragenden Wärmeausgleich ermöglich. Im Umlenkabschnitt 10 herrscht folglich eine mittlere Temperatur. In einem strömungsmechanisch stationären Zustand wird so eine wesentlich homogenere Temperaturverteilung realisiert als bei einer Kühlvorrichtung, die lediglich eine einzige Orientierung des Kühlfluidflusses vorsieht.
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Die Kühlvorrichtung 2 weist ferner mehrere Fluidleitelemente 19, die innerhalb des ersten Fluidkanal 6 angeordnet sind, und mehrere von Fluidleitelemente 20, die innerhalb des zweiten Fluidkanals 7 angeordnet sind, auf. Im hier beschriebenen Ausführungsbeispiel sind die Fluidleitelemente 19 integral mit dem Trennelement 12 ausgebildet, welches in 5 in einer perspektivischen Ansicht dargestellt ist. Dabei sind die Fluidleitelemente 19 auf der äußeren Seite des Trennelements 12 und die Fluidleitelemente 20 auf der inneren Seite des Trennelements 12 ausgebildet.
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Mehrere Gruppen von axial nebeneinander angeordneten Fluidleitelementen 19, 20 sind in Umfangsrichtung hintereinander angeordnet, wobei benachbarte Gruppen zueinander axial versetzt sind. Die Fluidleitelement 19, 20 weisen die Form von NACA-Profilen auf, wobei sie bezogen auf die Orientierung des Kühlfluidflusses spitz zulaufen.
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In 5 sind ferner die drei Durchgangsöffnungen 13, welche den Umlenkabschnitt 10 bilden, und das rohrartige Verbindungelement 14 nochmals gut zu erkennen. Daneben weist die Kühlvorrichtung 2 ein nicht näher dargestelltes Fördermittel auf, welches das Kühlfluid in einem geschlossenen Kühlkreislauf durch die Fluidkanäle 6, 7 fördert.
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Im Rahmen der Erfindung wurden Simulationen mit dem zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel der Kühlvorrichtung 2 durchgeführt. Dabei wurde eine Verlustleistung der elektrischen Maschine von 2000 W zu Grunde gelegt, die in das aus Aluminium gebildete innere Gehäuseelement 16 abgegeben wird. Die thermische Kopplung zwischen dem ebenfalls aus Aluminium gebildeten äußeren Gehäuseelement 15 und der Umgebung wird als adiabatisch modelliert. Als Kühlfluid wurde Glysantin G40 mit einer Temperatur am Einlass von 20 °C und einem Volumenstrom von 6 l/min angenommen.
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Durch die Simulationen konnte gezeigt werden, dass die Temperatur des äußeren Gehäuseelements 15 in axialen Mittelbereichen nicht über 29°C hinausgeht. Dabei ist die Temperaturverteilung im Vergleich zu einer Kühlvorrichtung, die lediglich einen in Umfangsrichtung verlaufenden Fluidkanal aufweist wesentlich homogener. Als Kühlfluidtemperatur am Auslass wurden 26,03 °C ermittelt.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel ist der innere Fluidkanal mit dem Einlass und der äußere Fluidkanal mit dem Auslass verbunden.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel sind die Kühlkanäle fluiddicht getrennt, wobei für jeden Fluidkanal ein Einlass und ein Auslass und für den inneren Fluidkanal zwei Verbindungselemente vorgesehen sind. Ein Einlass und ein Auslass für einen Fluidkanal ersetzen dabei den Umlenkabschnitt. Die Einlässe und die Auslässe sind für eine möglichst homogene Temperaturverteilung nah aneinander angeordnet, bevorzugt an gleicher Winkelposition. Die Kühlvorrichtung realisiert die unterschiedlichen Orientierungen des Kühlfluidflusses durch parallele Teilflüsse, die entgegengesetzt durch die Fluidkanäle gefördert werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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