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Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft ein Mantelkühlsystem, umfassend einen Kühlmantel, der ein zu kühlendes Maschinenelement außenseitig mit Abstand umschließt, wobei der durch den Abstand gebildete Spalt einen von einem Kühlmittel durchströmten und gegenüber der Umgebung des Mantelkühlsystems abgedichteten Kühlkanal bildet, in dem eine strukturierte Kühlmittelführung angeordnet ist.
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Stand der Technik
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Ein solches Mantelkühlsystem ist allgemein bekannt. Die strukturierte Kühlmittelführung ist durch eine Oberflächenprofilierung des zu kühlenden Maschinenelements auf der dem Kühlmantel zugewandten Seite und/oder durch eine Oberflächenprofilierung des Kühlmantels auf der dem zu kühlenden Maschinenelement zugewandten Seite gebildet. Die strukturierte Kühlmittelführung ist von Vorteil, um während des Betriebs des Mantelkühlsystems eine gute Durchmischung des Kühlmittels und einen guten Wärmetransport vom zu kühlenden Maschinenelement in das Kühlmittel zu gewährleisten.
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Der Kühlmantel besteht aus einem zähharten, beispielsweise einem metallischen oder polymeren Werkstoff und weist im Anschluss an seine Herstellung und während der bestimmungsgemäßen Verwendung des Mantelkühlsystems stets dieselben geometrischen Abmessungen auf. Unabhängig davon, ob die Kühlmittelführung einen Bestandteil des Kühlmantels bildet und innenumfangsseitig des Kühlmantels angeordnet ist oder zusammen mit dem zu kühlenden Maschinenelement eine vormontierbare Einheit bildet und außenumfangsseitig des Maschinenelements angeordnet ist, wird der Kühlmantel zur Herstellung des Mantelkühlsystems über das Maschinenelement bewegt. Die Abdichtung des Kühlkanals erfolgt durch separat erzeugte Dichtungen, um eine Verunreinigung der Umgebung durch Leckage des Mantelkühlsystems zu verhindern.
Dabei ist allerdings zu beachten, dass die zuvor beschriebenen Mantelkühlsysteme fertigungstechnisch kompliziert herstellbar und dadurch teuer sind. Der Kühlmantel und das Maschinenelement müssen jeweils hochpräzise mit sehr geringen Toleranzen gefertigt werden, um eine einwandfreie Funktion und Dichtheit des Mantelkühlsystems sicherzustellen. Durch die sehr geringen Toleranzen ist die Montage des vorbekannten Mantelkühlsystems zeitaufwendig und beschädigungsanfällig.
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Darstellung der Erfindung
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Mantelkühlsystem der eingangs genannten Art derart weiterzuentwickeln, dass es bei gleichbleibend guten Gebrauchseigenschaften während einer langen Gebrauchsdauer einfacherer und kostengünstiger herstellbar ist.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale von Anspruch 1 und Anspruch 17 gelöst. Auf vorteilhafte Ausgestaltungen des Mantelkühlsystems nehmen die auf Anspruch 1 direkt oder indirekt rückbezogenen Ansprüche Bezug.
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Zur Lösung der Aufgabe ist ein Mantelkühlsystem vorgesehen, bei dem der Kühlmantel aus einem kaltverstreckten und unter Wärmeeinwirkung schrumpffähigen Kunststoff besteht. Solche kaltverstreckten und unter Wärmeeinwirkung schrumpffähigen Kunststoffe sind bekannt und gelangen in der Elektrotechnik zur Anwendung, um Elektrokabelverbindungen gegenüber der Umgebung elektrisch zu isolieren. Diese schrumpffähigen Kunststoffe sind folienartig dünn und praktisch nicht formstabil, was für die Verwendung als Isolierung von Elektrokabeln ausreichend ist.
Solche folienartig dünnen Kunststoffe wären für einen Kühlmantel eines Mantelkühlsystems nicht brauchbar.
Demgegenüber gelangt bei dem Mantelkühlsystem zwar ein unter Wärmeeinwirkung schrumpffähiger Kunststoff zur Anwendung, der jedoch bereits im herstellungsbedingten, kaltverstreckten Zustand eine ausreichende Formstabilität aufweist, ebenso wie während der bestimmungsgemäßen Verwendung des Mantelkühlsystems.
Ein möglicher Werkstoff kann ein Polymer, zum Beispiel Polypropylen, sein, der im herstellungsbedingten und kaltverstreckten Zustand eine Wandstärke von etwa 1 mm bis 20 mm aufweist. Der zuvor genannte Kunststoff mit der zuvor genannten Wandstärke hat den Vorteil, dass er beständig gegen die im Mantelkühlsystem herrschenden Temperaturen und beständig gegen die im Mantelkühlsystem zur Anwendung gelangenden Kühlmittel ist.
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Der Kühlmantel kann das Maschinenelement dichtend umschließen. Der Kühlmantel bildet die äußere Begrenzung des Kühlkanals und dichtet diesen gegenüber der Umgebung ab.
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Die Abdichtung zwischen dem Kühlmantel und dem Maschinenelement kann dadurch erfolgen, dass der Kühlmantel im Bereich der Begrenzungen des Kühlkanals unter Wärmeeinwirkung derart stark geschrumpft wird, dass er die Oberfläche des Maschinenelements unmittelbar dichtend umschließt.
Nach einer anderen Ausgestaltung kann es vorgesehen sein, dass zwischen dem Kühlmantel und dem Maschinenelement Dichtungen vorgesehen sind, die mit dem Kühlmantel und/oder dem Maschinenelement jeweils eine Einheit bilden.
Nachfolgend werden voneinander abweichende Ausgestaltungen von Mantelkühlsystemen näher beschrieben.
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Nach einer ersten Ausgestaltung kann es vorgesehen sein, dass die Kühlmittelführung durch ein separat erzeugtes Kühlmittel-Mischelement gebildet ist. Durch ein solches separat erzeugtes Kühlmittel-Mischelement braucht die Kühlmittelführung nicht am zu kühlenden Maschinenelement und/oder nicht am Kühlmantel vorgesehen zu sein. Das zu kühlende Maschinenelement und/oder der Kühlmantel können auch dann konstruktiv unverändert erhalten bleiben, wenn das Mantelkühlsystem an unterschiedliche/sich verändernde Gegebenheiten angepasst werden muss. Eine solche Anpassung würde erforderlichenfalls durch ein entsprechend angepasstes, anderes Kühlmittel-Mischelement erfolgen, das einfach gegen das zuvor verwendete Kühlmittel-Mischelement ausgetauscht wird. Insbesondere für Hochleistungs-Anwendungen, beispielsweise zur Kühlung von Hochleistungs-E-Motoren im Bereich e-mobility, ist eine wirksame Durchmischung des Kühlmittels im Kühlkanal unbedingt notwendig, um einen guten Wärmetransport vom zu kühlenden Maschinenelement in das Kühlmittel sicherzustellen.
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Zur Abdichtung des Kühlkanals kann es vorgesehen sein, dass das Kühlmittel-Mischelement Dichtungen umfasst. Diese Dichtungen dichten sowohl gegenüber dem Kühlmantel als auch gegenüber dem Maschinenelement ab.
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Der Kühlmantel kann in einem solchen Fall im Wesentlichen hohlzylinderförmig ausgebildet sein. Ein Kühlmantel, der außenumfangsseitig und innenumfangsseitig glatt ausgebildet ist, d.h. keine Profilierung aufweist, um beispielsweise eine strukturierte Kühlmittelführung zu bilden, ist besonders einfach und besonders kostengünstig herstellbar.
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Das gleiche gilt für ein Maschinenelement, das auf der dem Kühlmantel zugewandten Seite eine im Wesentlichen unprofilierte Außenfläche aufweist. Kostenaufwendiger und kompliziert herzustellender Anpassungen der Außenfläche des Maschinenelements bedarf es daher nicht.
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Nach einer anderen Ausgestaltung kann es vorgesehen sein, dass der Kühlmantel auf der dem Maschinenelement zugewandten Seite eine Innenfläche aufweist, die mit der Kühlmittelführung verbunden ist.
Der Kühlmantel und die Kühlmittelführung sind bevorzugt einstückig ineinander übergehend und materialeinheitlich ausgebildet. Das Mantelkühlsystem weist dadurch einen besonders einfachen und teilarmen Aufbau auf. Die Gefahr von Montagefehlern während des Verfahrens zur Herstellung des Mantelkühlsystems ist dadurch minimiert.
Durch die einstückig ineinander übergehende Ausgestaltung von Kühlmantel und Kühlmittelführung besteht die Kühlmittelführung aus demselben, zunächst kaltverstreckten und später unter Wärmeeinwirkung geschrumpften Kunststoff, wie der Kühlmantel. Das ist insofern von hervorzuhebendem Vorteil, als der Kühlmantel und die Kühlmittelführung dadurch denselben Wärmeausdehnungskoeffizient haben und beim Aufschrumpfen des Kühlmantels auf das Maschinenelement gleichmäßig schrumpfen. Die Anpassung der geometrischen Abmessungen der Kühlmittelführung erfolgt automatisch und zeitgleich mit dem Aufschrumpfen des Kühlmantels auf das Maschinenelement.
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Der Kühlmantel kann Dichtungen zur Abdichtung des Kühlkanals umfassen. Diese Dichtungen können entweder einstückig und materialeinheitlich mit dem Kühlmantel ausgebildet sein, oder die Dichtungen bestehen aus einem abweichenden Dichtungswerkstoff und bilden mit dem Kühlmantel eine vormontierte Einheit.
Besonders teilearm ist der Aufbau des Mantelkühlsystems dann, wenn der Kühlmantel, die Kühlmittelführung und die Dichtungen einstückig und materialeinheitlich ausgebildet sind.
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Das Maschinenelement kann bei der zuvor beschriebenen Ausgestaltung auf der dem Kühlmantel zugewandten Seite eine im Wesentlichen unprofilierte, glatte Außenfläche aufweisen. Die Vorteile sind dieselben, wie zuvor bereits beschrieben. Das zu kühlende Maschinenelement kann ohne aufwändige und teure Anpassung seiner Außenfläche einen Bestandteil des Mantelkühlsystems bilden.
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Bei einer weiteren Ausführungsform kann es vorgesehen sein, dass das Maschinenelement auf der dem Kühlmantel zugewandten Seite eine Außenfläche aufweist, die mit der Kühlmittelführung verbunden ist. Die Kühlmittelführung kann dabei, wie zuvor beschrieben, zum Beispiel durch ein separat erzeugtes Einzelteil gebildet sein, das während der Herstellung des Mantelkühlsystems mit der Außenfläche verbunden wird und dadurch mit dem Maschinenelement eine vormontierbare Einheit bildet. Davon abweichend kann es vorgesehen sein, dass die Kühlmittelführung zum Beispiel auf die Außenfläche des Maschinenelements aufgespritzt wird. Die Kühlmittelführung muss in einem solchen Fall den Schrumpf des Kühlmantels während der Herstellung des Mantelkühlsystems mitmachen. Die Kühlmittelführung kann dafür zum Beispiel aus einem ausreichend kompressiblen Werkstoff, wie beispielsweise einem Schaumstoff, bestehen. Bevorzugt ist ein solcher Schaumstoff geschlossenzellig, um beständiger gegen das Kühlmittel zu sein, das durch den Kühlkanal strömt.
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Das Maschinenelement kann Dichtungen zur Abdichtung des Kühlkanals umfassen. Das Maschinenelement und die Dichtungen bilden dadurch eine vormontierbare Einheit, die einfach mit dem Kühlmantel zum Mantelkühlsystem komplettiert werden kann.
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Die Kühlmittelführung und die Dichtungen können einstückig ineinander übergehend und materialeinheitlich ausgebildet sein. Das gesamte Mantelkühlsystem besteht in einem solchen Fall im Wesentlichen aus nur zwei miteinander zu montierenden Teilen, nämlich dem Maschinenelement, das mit der Kühlmittelführung und den Dichtungen eine vormontierbare Einheit bildet, wobei die Kühlmittelführung und die Dichtungen bevorzugt einteilig ausgebildet sind und dem Kühlmantel.
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Das Maschinenelement und die Kühlmittelführung können stoffschlüssig miteinander verbunden sein. Wie zuvor bereits ausgeführt, kann die Kühlmittelführung an die Außenfläche des Maschinenelements angespritzt sein. Dadurch sind die Teile ortsfest miteinander verbunden. Eine unerwünschte Bewegung der Teile relativ zueinander während der Montage des Mantelkühlsystems ist dadurch ausgeschlossen.
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Bei einem Mantelkühlsystem, wie zuvor beschrieben, ist der Kühlmantel im Wesentlichen hohlzylinderförmig ausgebildet. Die Außenfläche und die Innenfläche, die dem Maschinenelement zugewandt ist, ist dann im Wesentlichen glatt.
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Das zu kühlende Maschinenelement kann durch einen Elektromotor, insbesondere durch einen Kraftfahrzeug-Elektromotor gebildet sein. Kraftfahrzeug-Elektromotoren erzeugen während ihres Betriebs viel Wärme, die durch das Mantelkühlsystem abgeführt werden muss. Die Wärme wird maßgeblich dadurch abgeführt, dass das Kühlmittel im Kühlkanal durch das Kühlmittel-Mischelement wirkungsvoll verwirbelt wird.
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Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Mantelkühlsystems, wie zuvor beschrieben. Ein herstellungsbedingt auf ein Übermaß aufgeweiteter Kühlmantel aus Kunststoff wird über das Maschinenelement bewegt und anschließend unter Bildung des Kühlkanals mittels Wärmeeinwirkung dichtend auf das Maschinenelement aufgeschrumpft. Hierbei ist von Vorteil, dass die Herstellung besonders einfach und kostengünstig ist, dass das Mantelkühlsystem schnell montiert werden kann und das die Gefahr montagebedingter Beschädigungen der Einzelteile, aus denen das Mantelkühlsystem besteht, auf ein Minimum reduziert ist.
Der mit großzügigem Übermaß aufgeweitete Kühlmantel wird auf das Maschinenelement aufgeschoben, wobei die zur Anwendung gelangende strukturierte Kühlmittelführung entweder am Innenumfang des Kühlmantels, an der Außenfläche des Maschinenelements oder als separat erzeugtes Bauteil ausgeführt sein kann. Wird der auf ein Übermaß aufgeweitete Kühlmantel über das Maschinenelement geschoben, umschließt der Kühlmantel das Maschinenelement mit großzügigem radialem Abstand. Anschließend, wenn der Kühlmantel in axialer Richtung relativ zum Maschinenelement passend positioniert ist, wird der Kühlmantel erhitzt, schrumpft dadurch und umschließt das Maschinenelement unter Bildung des Kühlkanals mit radialer Vorspannung.
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Figurenliste
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Drei Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Mantelkühlsystems werden nachfolgend anhand der 1 bis 3 näher erläutert.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung des Mantelkühlsystems wird anhand von 4 beschrieben.
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Die 1 bis 4 zeigen jeweils in schematischer Darstellung:
- 1 ein erstes Ausführungsbeispiel, bei dem der Kühlmantel hohlzylinderförmig ausgebildet ist, das Maschinenelement eine unprofilierte Außenfläche aufweist und die Kühlmittelführung durch ein separat erzeugtes Kühlmittel-Mischelement gebildet ist,
- 2 ein zweites Ausführungsbeispiel, ähnlich dem Ausführungsbeispiel aus 1, wobei das Maschinenelement ebenfalls eine unprofilierte, glatte Außenfläche aufweist, der Kühlmantel und die Kühlmittelführung jedoch eine vormontierbare Einheit bilden,
- 3 ein drittes Ausführungsbeispiel, ähnlich dem Ausführungsbeispiel aus 1, wobei der Kühlmantel entsprechend hohlzylinderförmig ausgebildet ist und die Kühlmittelführung und das Maschinenelement eine vormontierbare Einheit bilden,
- 4 eine Darstellung zum Verfahren zur Herstellung des Mantelkühlsystems.
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Ausführung der Erfindung
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In den 1 bis 3 ist jeweils ein Mantelkühlsystem gezeigt, das einen Kühlmantel 1 aus einem kaltverstreckten und unter Wärmeeinwirkung schrumpffähigen Kunststoff umfasst.
Das zu kühlende Maschinenelement 2 ist durch einen Elektromotor für ein Kraftfahrzeug gebildet. Der Kühlmantel 1 umschließt das zu kühlende Maschinenelement 2 mit radialem Abstand, wobei in dem durch den Abstand gebildeten Spalt 3 jeweils eine strukturierte Kühlmittelführung angeordnet ist. Der Spalt 3 bildet den gegenüber der Umgebung 5 des Mantelkühlsystems abgedichteten Kühlkanal 6, der während der bestimmungsgemäßen Verwendung des Mantelkühlsystems von Kühlmittel durchströmt ist.
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In den hier gezeigten Ausführungsbeispielen gelangen Dichtungen 9, 10 zur Anwendung, die im Wesentlichen im Bereich der beiden Stirnseiten des Kühlmantels 1 angeordnet sind.
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In 1 ist ein erstes Ausführungsbeispiel des Mantelkühlsystems gezeigt. Dieses Ausführungsbeispiel hat dadurch einen sehr einfachen Aufbau, dass der Kühlmantel 1 hohlzylinderförmig ausgebildet ist und das Maschinenelement 2 auf der dem Kühlmantel 1 zugewandten Seite eine unprofilierte Außenfläche aufweist. Die einander zugewandten Flächen von Kühlmantel 1 und Maschinenelement 2 sind also jeweils glatt.
Um das durch den Kühlkanal 6 strömende Kühlmittel 4 ausreichend zu verwirbeln und dadurch eine gute Kühlleistung des Mantelkühlsystems zu erreichen, ist das separat erzeugte Kühlmittel-Mischelement 8 vorgesehen, das die Kühlmittelführung 7 bildet.
Im gezeigten Ausführungsbeispiel sind das Kühlmittel-Mischelement 8 und die Dichtungen 9, 10 zu einer vormontierbaren Einheit zusammengefasst und dichten den Kühlkanal 6 gegenüber der Umgebung 5 ab.
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In 2 ist ein zweites Ausführungsbeispiel gezeigt, das sich vom zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel hauptsächlich dadurch unterscheidet, dass der Kühlmantel 1 auf der dem Maschinenelement 2 zugewandten Innenfläche 12 die Kühlmittelführung 7 aufweist. Der Kühlmantel 1 und die Kühlmittelführung 7 bilden eine vormontierte Einheit, die als Ganzes über das Maschinenelement 2 geschoben und auf dieses aufgeschrumpft wird.
Der Kühlmantel 1 und die Kühlmittelführung 7 sind einstückig ineinander übergehend und materialeinheitlich ausgebildet. Bei Wärmebeaufschlagung W schrumpfen Kühlmantel 1 und Kühlmittelführung 7 deshalb gleichermaßen.
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Der Kühlmantel 1 umfasst außerdem auch die Dichtungen 9, 10 zur Abdichtung des Kühlkanals 6.
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Genau wie bei dem zuvor beschriebenen ersten Ausführungsbeispiel, ist auch bei dem hier beschriebenen zweiten Ausführungsbeispiel das Maschinenelement 2 auf der dem Kühlmantel 1 zugewandten Seite mit einer unprofilierten, glatten Außenfläche versehen.
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In 3 ist ein drittes Ausführungsbeispiel gezeigt, bei dem das Maschinenelement 2 auf der dem Kühlmantel 1 radial zugewandten Seite eine Außenfläche 12 aufweist, auf der die Kühlmittelführung 7 angeordnet ist. Außerdem sind auf der Außenfläche 12 die Dichtungen 9, 10 angeordnet, zur Abdichtung des Kühlkanals 6 gegenüber der Umgebung 5. Die Kühlmittelführung 7 und die Dichtungen 9, 10 sind auf die Außenfläche 12 des Maschinenelements 2 aufgespritzt und deshalb stoffschlüssig mit dem Maschinenelement 2 verbunden.
Der Kühlmantel 1 ist auf der dem Maschinenelement 2 radial zugewandten Seite glatt und hohlzylinderförmig ausgebildet.
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In 4 sind Verfahrensschritte zur Herstellung des Mantelkühlsystems gemäß 3 gezeigt.
Der Kühlmantel 1 ist herstellungsbedingt auf eine Übermaß Ü aufgeweitet. Der Kühlmantel 1 ist hohlzylinderförmig ausgebildet und weist auf der dem Maschinenelement 2 später radial zugewandten Innenseite eine glatte Oberfläche auf.
Die Kühlmittelführung 7 ist auf der dem Kühlmantel 1 zugewandten Seite der Außenfläche 12 angeordnet. Außerdem ist die Außenfläche 12 mit den Dichtungen 9, 10 versehen, die den Kühlkanal 6 gegenüber der Umgebung 5 abdichten.
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In 4a ist die vormontierte Einheit gezeigt, umfassend das Maschinenelement 2, die Kühlmittelführung 7 und die Dichtungen 9, 10. Axial mit Abstand benachbart ist der Kühlmantel 1 angeordnet, der bereits auf ein Übermaß aufgeweitet ist.
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In 4b wird der aufgeweitete Kühlmantel 1 aus 4a in axialer Richtung über die vormontierte Einheit geführt, bis er, bezogen auf das Maschinenelement 2 passend positioniert ist, so wie in 4c gezeigt.
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In 4c ist der Kühlkanal 6 zur Umgebung 5 des Kühlmantelsystems abgedichtet. Die strukturierte Kühlmittelführung 7 ist im Spalt 3 angeordnet, der den Kühlkanal 6 bildet. Nachdem der Kühlmantel 1 passend auf dem Maschinenelement 2 positioniert ist wird der Kühlmantel 1 durch Wärmeeinwirkung W geschrumpft. Dabei zieht sich der Kühlmantel 1 überwiegend in radialer Richtung zusammen, derart, dass er den Kühlkanal 6 gegenüber der Umgebung 5 abdichtet und die Kühlmittelführung 7 dichtend umschließt.
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Die Herstellung des Mantelkühlsystems nach dem zuvor beschriebenen Verfahren ist besonders prozesssicher, einfach, schnell und kostengünstig durchführbar.
