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Die Erfindung betrifft einen von einem Kühlmittel durchströmbaren Kühlmantel für eine Kraft- oder Arbeitsmaschine, mit einem Einlass und einem Auslass für das Kühlmittel und mit einer Innenschale und einer Außenschale, die zwischen sich einen von dem Kühlmittel durchströmbaren Ringspalt einschließen und mit zumindest einem in dem Ringspalt angeordneten Strömungsleitelement, welches sich über einen Umfangsabschnitt der Innenschale und/oder der Außenschale in dem Ringspalt erstreckt und den Ringspalt in zumindest zwei Ringkammern unterteilt. Weiterhin betrifft die Erfindung eine mit einem solchen Kühlmantel ausgestattete elektrische Kraft- oder Arbeitsmaschine als Antriebsmaschine eines Kraftfahrzeuges.
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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. Der Kühlmantel ist doppelwandig aus einer Innenschale und einer Außenschale aufgebaut, sodass der Ringspalt von dem Kühlmittel durchströmt werden kann. 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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Aus der
DE 10 2012 221 886 A1 ist ein Gehäuse bekannt, das einen Stator und/oder einen Rotor für eine elektrische Maschine umgibt. Eine ringförmige Kühlkammer im Gehäuse definiert eine umlaufende Fluidstrecke um den Stator oder Rotor herum. Abtrennungen oder Rippen sind so platziert, dass sie eine Strömung abwechselnd an einer ersten axialen Seite und an einer zweiten axialen Seite der ringförmigen Kühlkammer behindern.
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Bei der
DE 10 2012 223 372 A1 weist der ringförmige Kühlmittelkanal der elektrischen Maschine im Bereich des Kühlmittelzulaufes und des Kühlmittelablaufes einen sich axial zumindest teilweise über die axiale Länge des Kühlmittelkanals erstreckenden Trennsteg auf.
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Aus der
DE 10 2013 213 433 A1 ist ein Kühlmantel zur Montage auf einem Außenumfang eines Stators bekannt, bei dem zwischen einer Außenwandung des Kühlmantels und einer Innenwandung des Gehäuses ein mit einem flüssigen Kühlmedium befüllbarer Hohlraum verbleibt, wobei ein axial verlaufendes Barriereelement zur räumlichen Trennung des Einlassbereiches vom Auslassbereich dient.
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Die
WO 2015 / 176 703 A1 betrifft einen Kühlmantel zur Anbringung auf einer Außenseite einer elektrischen Maschine, der eine Vielzahl sich in Umfangsrichtung erstreckender Kühlrippen aufweist, zwischen denen Kühlmittelkanäle ausgebildet sind, durch die das Kühlmittel strömen und so die Kühlrippen großflächig umströmen kann. Ein den Kühlraum fluiddicht unterteilendes Barriereelement in Form eines Trennstegs am Kühlmantel trennt den Einlassbereich und den Auslassbereich in Umfangsrichtung im Wesentlichen fluiddicht voneinander ab, sodass das über die Einlassöffnung zugeführte Kühlmedium zwangsweise den gesamten Umfang des Kühlmantels umströmt.
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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.
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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.
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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.
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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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Um die Herstellung eines Gehäuses mit Kühlmantel zu vereinfachen, wird versucht, Teile oder zumindest Abschnitte der Teile mit einer einfachen Geometrie zu verwenden. Bekannt sind beispielsweise zylindrische Kühlmäntel mit axial orientierten Kühlkanälen. So ist aus der Druckschrift
US 6,300,693 B1 ein Kühlmantel zum Kühlen eines Stators einer Elektromaschine bekannt, der zwei koaxiale Schalen, Kühlrippen zwischen den Schalen sowie Endkappen aufweist. Die Kühlrippen sind parallel zu der Mittellängsachse der zylindrischen Schalen angeordnet. Die Endkappen sind derart ausgeführt, dass ein Fluid die durch einzelne Kühlrippen voneinander getrennten Kühlkanäle mäander- und/oder serpentinenförmig durchströmt. Eine ähnliche Vorrichtung zeigt die Druckschrift
US 7,800,259 B2 . Auch die Druckschrift
WO 2006/106086 A1 zeigt eine Elektromaschine mit einem zylindrischen Kühlmantel, der in axialer Richtung mäandrierend durchströmt wird. Weitere Vorrichtungen dieser Art zeigen die Druckschriften
US 6,727,611 B2 ,
EP 1 953 897 A2 und
US 7,675,209 B2 .
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Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Kühlmantel zu schaffen, durch den die Kühlwirkung bei unverändert hohem oder sogar reduziertem Volumenstrom des Kühlmittels wesentlich verbessert ist. Weiterhin liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine mit einem solchen Kühlmantel ausgestattete, besondere effiziente Kraft- oder Arbeitsmaschine zu schaffen.
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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 weist also zumindest ein Strömungsleitelement zumindest eine Durchbrechung auf, durch die das Kühlmittel von einer ersten Ringkammer in zumindest eine weitere, in axialer Richtung in Bezug auf den Ringspalt beabstandete Ringkammer eintritt und die Durchbrechung so eine Überströmöffnung bildet und dass der Einlass und der Auslass für das Kühlmittel unterschiedlichen Ringkammern zugeordnet sind. Hierdurch erfolgt die Umströmung der Innenschale abschnittsweise entlang des gesamten Umfangs mit dem Kühlmittel, sodass die Länge des Strömungspfades und damit einhergehend auch die Verweildauer des Kühlmittels in dem Ringspalt wesentlich erhöht ist. Infolgedessen wird eine wesentliche Steigerung der Effizienz des Wärmeüberganges von dem Kühlmantel auf das Kühlmittel erreicht, sodass ungeachtet des in der Praxis oftmals sehr geringen Spaltmaßes zwischen der Innenschale und der Außenschale die erforderliche Kühlwirkung zuverlässig erreicht werden kann. Eine nach dem Stand der Technik übliche Maßnahme zur Erhöhung des Volumenstromes, die in nachteiliger Weise die Abmessungen des Kühlmittels vergrößert, wird dadurch erfindungsgemäß entbehrlich. Obwohl der erfindungsgemäße Effekt der Umströmung der Innenschale in unterschiedlichen, axial beabstandeten Ringkammern bereits dann zu einer spürbar vorteilhaften Wirkung führt, wenn lediglich ein einziges Strömungsleitelement vorgesehen ist, haben sich in der Praxis bereits Ausführungsformen mit mehreren oder sogar einer Vielzahl vom mehr als fünf Strömungsleitelelementen als vorteilhaft erwiesen. Diese sind vorzugsweise jeweils in der Querschnittsebene des in seiner Grundform rotationssymmetrischen Kühlmantels angeordnet und dementsprechend parallel zueinander mit gleichbleibendem oder unterschiedlichen, beispielsweise zunehmenden oder abnehmenden Abstand voneinander angeordnet.
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Außerdem kann 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 werden. 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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Das Strömungsleitelement könnte zumindest umfangsabschnittsweise eine Steigung aufweisen, sodass die Strömungsumlenkung im Bereich der Durchbrechung reduziert wird, insbesondere also eine weitgehend stetige Form des Strömungsleitelementes im Bereich der Durchbrechung erreicht wird. Hierdurch kann eine zumindest überwiegend laminare Strömung des Kühlmittels erreicht werden. Besonders vorteilhaft ist es hingegen auch, wenn das Strömungsleitelement als eine sich von der Innenschale in der Querschnittsebene radial nach außen erstreckende Rippe ausgeführt ist, wobei die Höhe der Rippe von ihrem der Innenschale zugewandten Grund bis zu einer der Außenschale zugewandten Außenkante abnehmend gestaltet sein kann, oder benachbarte Strömungsleitelemente einteilig und in einem stetigen Verlauf der Oberfläche verbunden sein können.
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Eine andere, ebenfalls besonders zweckmäßige Abwandlung der vorliegenden Erfindung wird auch dadurch realisiert, dass zumindest ein Strömungsleitelement in einer nutenförmigen Aussparung der Innenschale oder der Außenschale angeordnet ist. Hierdurch lässt sich die Herstellung des Kühlmantels weiter vereinfachen, wenn lediglich an der Innen- und/oder Außenschale ringförmige Nuten eingebracht werden müssen. In diese können die Strömungsleitelemente eingesetzt werden und dadurch kraft- und formschlüssig fixiert werden. Die Strömungsleitelemente können hierzu sowohl als Formkörper, beispielsweise in Ringform hergestellt werden sowie eine ausreichende Flexibilität oder Elastizität aufweisen, um eine Anpassung an die Bogenform zu ermöglichen.
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Die nutenförmigen Aussparungen können sich dabei sowohl über den gesamten Umfang der Innenschale und/oder Außenschale erstrecken, also auch eine Unterbrechung aufweisen, um so durch die Unterbrechung zugleich die Position der Durchbrechung des Strömungsleitelementes festzulegen. Hierdurch lässt sich in einfacher Weise eine besonders Erfolg versprechende Ausgestaltungsform der Erfindung realisieren, bei welcher das Strömungsleitelement in einer vorbestimmten Winkelposition drehfest, insbesondere lösbar fixiert ist. Zur Montage werden die Strömungsleitelemente beispielsweise in nutenförmigen Aussparungen der Außenschale eingesetzt und anschließend die Innenschale unter elastischer Verformung der Strömungsleitelemente in die Außenschale eingeführt. In der vorbestimmten Sollposition bilden die Strömungsleitelemente in den gegenüberliegenden Aussparungen eine Hinterschneidung, wobei die gewünschte Abdichtung durch den anliegenden Strömungsdruck begünstigt wird.
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Eine andere, ebenfalls besonders Erfolg versprechende Weiterbildung der Erfindung wird erfindungsgemäß auch noch dadurch erreicht, dass mehrere Strömungsleitelemente mit nutenförmigen Aussparungen derart angeordnet sind, dass die Aussparungen mit unterschiedlichen Winkelpositionen in Bezug auf eine Mittellängsachse der Innenschale und/oder Außenschale angeordnet sind. Hierdurch wird sichergestellt, dass das Kühlmittel nach dem Eintritt in die jeweilige Ringkammer zunächst an einem Umfangsabschnitt der Ringkammer entlang strömt und insbesondere nicht etwa unmittelbar durch eine gegenüberliegende Durchbrechung eines weiteren Strömungsleitelementes in die nächste Ringkammer eintritt.
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Vorzugsweise ist das Strömungsleitelement als ein geteilter Ring ausgeführt und lässt sich dadurch ähnlich einem Wellensicherungsring zur Montage vorübergehend elastisch aufweiten oder komprimieren und in die nutenförmige Aussparung der Innenschale oder der Außenschale einsetzen.
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Zu diesem Zweck eignet sich ein Strömungsleitelement aus Kunststoff oder Metall, welches je nach der erforderlichen Temperaturbeständigkeit aufgrund der jeweiligen Einsatzbedingungen ausgewählt und angepasst werden kann.
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Hierbei hat es sich bereits als besonders sinnvoll erwiesen, wenn zumindest einzelne Strömungsleitelemente in einer relativen Winkelstellung zueinander positioniert sind, sodass die Aussparungen mehrere Strömungsleitelemente jeweils um einen zumindest im Wesentlichen überstimmenden Winkel, insbesondere 180° versetzt zueinander angeordnet sind, sodass die Länge des Strömungspfades maximiert ist. Indem also die Durchbrechungen benachbarter Strömungsleitelemente jeweils auf gegenüberliegenden Seiten des Umfanges liegen, ist sichergestellt, dass das Kühlmittel jeweils an beiden Seiten entlang des halben Umfanges strömt, bevor dieses in die nächste Ringkammer überströmt. Dabei hat es sich bereits gezeigt, dass sich die Aufteilung des durch die Durchbrechung in die Ringkammer eintretenden Kühlmittels in zwei im Wesentlichen gleich große Teilströme ohne weitere Hilfsmittel selbststätig einstellt.
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Man könnte daran denken, das Kühlmittel durch den Einlass derart in die Ringspalte einzuleiten, dass damit zugleich die Umfangsrichtung der Durchströmung in dem Ringspalt bestimmt wird. Besonders sinnvoll ist es hingegen, wenn das Kühlmittel durch den Einlass zugeführt und mittels eines Stromteilers in zwei Teilströme aufgeteilt wird, die im Bereich der Durchbrechung aufeinander treffen. Dadurch wird sichergestellt, dass die Kühlwirkung aufgrund der während der Durchströmung des Kühlmantels zunehmenden Temperatur an beiden Umfangshälften beiderseits der Einlassöffnung übereinstimmt.
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Die zweitgenannte Aufgabe, eine mit einem Kühlmantel nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche ausgestattete elektrische Kraft- oder Arbeitsmaschine mit einer Innen- und einer Außenschale, die zwischen sich einen von einem Kühlmittel durchströmbaren Ringspalt einschließen und mit zumindest einem in dem Ringspalt angeordneten Strömungsleitelement, welches sich über einen Umfangsabschnitt der Innenschale und/oder der Außenschale in dem Ringspalt erstreckt und den Ringspalt in zumindest zwei Ringkammern unterteilt, zu schaffen, wird dadurch gelöst, dass zumindest ein Strömungsleitelement zumindest eine Durchbrechung aufweist, durch die das Kühlmittel von einer ersten Ringkammer in zumindest eine weitere Ringkammer eintritt und dass der Einlass und der Auslass für das Kühlmittel unterschiedlichen Ringkammern zugeordnet sind. Hierdurch gelingt es erstmals, dass das Kühlmittel nach dem Einlass in den Ringspalt gleichermaßen in zwei Teilströmen an beiden Umfangsflächen entlang strömt, die an der gegenüberliegenden Seite aufeinander treffen. Dort befindet sich die Durchbrechung des Strömungsleitelementes, durch welche das Kühlmittel in die in axialer Richtung folgende Ringkammer gelangt. Dadurch strömt das Kühlmittel wiederrum in zwei Teilströmen bis zu der folgenden Durchbrechung, die beispielsweise auf derselben Umfangslinie parallel zur Mittelachse liegt wie der Einlass. Eine beliebige, lediglich von den räumlichen Umständen der Kraft- oder Arbeitsmaschine abhängige Abfolge von Strömungsleitelementen und dadurch gebildeten Ringkammern folgt in entsprechender Weise mit abwechselnd an gegenüberliegenden Seiten angeordneten Durchbrechungen. Dabei können sowohl die Form und die Abstände der Strömungsleitelemente und beispielsweise auch deren Durchmesser aufgrund eines beispielsweise konischen Verlaufes des Ringspaltes variieren.
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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
- 1 eine perspektivische Darstellung einer Innenschale einer Arbeitsmaschine;
- 2 eine perspektivische Darstellung einer Außenschale der Arbeitsmaschine;
- 3 einen Längsschnitt durch die Innen- und Außenschale;
- 4 einen Längsschnitt durch die Innen- und Außenschale mit einem eingelegten Leitelement.
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Der erfindungsgemäße Kühlmantel 1 wird nachstehend anhand der 1 bis 4 näher erläutert. Dieser dient der Kühlung einer nicht weiter gezeigten elektrischen Arbeitsmaschine durch die Zuführung eines Kühlmittels, welches hierzu den Kühlmantel 1 der Arbeitsmaschine durchströmt. Der Kühlmantel 1 ist durch eine Innenschale 2 und eine Außenschale 3 gebildet, die zwischen sich einen von dem Kühlmittel durchströmbaren Ringspalt 4 einschließen. In dem Ringspalt 4 sind mehrere parallel angeordnete Strömungsleitelemente 5 angeordnet, welche sich über den Außenumfang der Innenschale 2 bzw. den Innenumfang der Außenschale 3 in dem Ringspalt 4 erstrecken und den Ringspalt 4 in mehrere Ringkammern 6a, 6b unterteilen. Jedes Strömungsleitelement 5 hat eine Durchbrechung 7, durch die das Kühlmittel von einer ersten Ringkammer 6a in zumindest eine weitere, in axialer Richtung in Bezug auf den Ringspalt 4 beabstandete Ringkammer 6b eintritt, sodass die Durchbrechung 7 eine Überströmöffnung für das Kühlmittel bildet. Dadurch gelangt das Kühlmittel durch einen Einlass 8 zunächst in zwei Teilströmen des Kühlmittelstromes KS entlang des Umfanges der Innenschale 2 in der Ringkammer 6a zu der Durchbrechung 7 und strömt anschließend in der nachfolgenden Ringkammer 6b in Gegenrichtung zu einem Auslass 9 des Kühlmittels. Die Strömungsleitelemente 5 sind hierzu jeweils als geteilte Ringe aus Kunststoff oder Metall ausgeführt und werden in eine jeweilige nutenförmige Aussparung 10 in der Innenschale 2 und der Außenschale 3 eingesetzt. Die nutenförmige Aussparung 10 ist ihrerseits unterbrochen, sodass die Winkelposition des Strömungsleitelementes 5 und der Durchbrechung 7 konstruktiv vorbestimmt ist. Vorzugsweise sind die Durchbrechungen 7 benachbarter Strömungsleitelemente 5 um jeweils 180° versetzt zueinander, wie dies insbesondere der 2 entnehmbar ist. Ergänzend ist in 4 noch eine Variante dargestellt, bei welcher in der jeweiligen Ringkammer ein Leitelement 11 eingesetzt sind, welches die Strömungsführung des Kühlmittels begünstigt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Kühlmantel
- 2
- Innenschale
- 3
- Außenschale
- 4
- Ringspalt
- 5
- Strömungsleitelement
- 6, 6a, 6b
- Ringkammer
- 7
- Durchbrechung
- 8
- Einlass
- 9
- Auslass
- 10
- Aussparung
- 11
- Leitelement
- KS
- Kühlmittelstrom
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102012221886 A1 [0004]
- DE 102012223372 A1 [0005]
- DE 102013213433 A1 [0006]
- WO 2015176703 A1 [0007]
- DE 102012002024 B3 [0008]
- DE 19950660 A1 [0009]
- DE 102012008209 A1 [0010]
- DE 19624519 A1 [0011]
- DE 19854464 C2 [0011]
- US 6300693 B1 [0012]
- US 7800259 B2 [0012]
- WO 2006/106086 A1 [0012]
- US 6727611 B2 [0012]
- EP 1953897 A2 [0012]
- US 7675209 B2 [0012]
