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Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft ein Mantelkühlungssystem, umfassend einen Kühlmantel mit einem Strömungseinlass und einem Strömungsauslass sowie ein zu kühlendes Maschinenelement, das vom Kühlmantel außenseitig mit Abstand umschlossen ist, wobei der durch den Abstand gebildete Spalt zumindest einen von einem Kühlmittel in Strömungsrichtung vom Strömungseinlass zum Strömungsauslass durchströmten Kühlkanal bildet.
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Stand der Technik
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Mantelkühlungssysteme sind allgemein bekannt und gelangen zum Beispiel zur Kühlung von Elektromotoren in elektrisch angetriebenen Fahrzeugen zur Anwendung. Der Kühlkanal eines vorbekannten Mantelkühlungssystems weist einen in Strömungsrichtung vom Strömungseinlass zum Strömungsauslass konstanten Strömungsquerschnitt auf. Der Strömungsquerschnitt ist dabei so ausgelegt, dass für gemittelte thermische Bedingungen ein zufriedenstellender Wärmeübergang vom zu kühlenden Maschinenelement in das Kühlmittel gewährleistet ist.
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Dabei ist jedoch zu beachten, dass sich das Kühlmittel auf seinem Weg vom Strömungseinlass durch den Kühlkanal zum Strömungsauslass, insbesondere dann, wenn hohe Wärmeleistungen übertragen werden, signifikant erwärmt. Üblicherweise ist die Wärmequelle im zu kühlenden Maschinenelement gleichmäßig verteilt, deshalb ist die Wärmestromdichte, d.h. der Wärmestrom bezogen auf eine Übertragungsfläche ebenfalls gleichmäßig verteilt. Über den gesamten Strömungskanal stellt sich damit an der Grenzfläche Maschinenelement zu Kühlmittel ein gleichmäßiger Temperaturgradient zwischen diesen beiden ein. Die Folge ist, dass der zuvor genannte Temperaturgradient im Kühlmittel selbst an das Maschinenelement weitergetragen wird und dieses dadurch ungleichmäßig temperiert wird. Im Bereich des Kühlmittelauslasses ist die Temperatur des Maschinenelements damit ebenfalls signifikant höher als im Bereich des Kühlmitteleinlasses.
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Darstellung der Erfindung
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Mantelkühlungssystem der eingangs genannten Art derart weiterzuentwickeln, dass während der bestimmungsgemäßen Verwendung des Mantelkühlungssystems vom Strömungseinlass bis zum Strömungsauslass eine nahezu gleichbleibende Temperaturverteilung gegeben ist.
Die hydraulischen Bedingungen des Mantelkühlungssystems sollen so angepasst werden, dass in dem zu kühlenden Maschinenelement eine möglichst gleichmäßige Temperierung herrscht. Auch dann, wenn sich das Kühlmittel auf seinem Weg vom Strömungseinlass durch den Kühlkanal hindurch zum Strömungsauslass erwärmt, soll die Temperatur möglichst konstant sein.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem Mantelkühlungssystem der eingangs genannten Art durch die Merkmale von Anspruch 1 gelöst.
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Auf vorteilhafte Ausgestaltungen nehmen die Unteransprüche Bezug.
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Zur Lösung der Aufgabe ist es vorgesehen, dass der Kühlkanal vom Strömungseinlass zum Strömungsauslass einen variablen Strömungsquerschnitt aufweist.
Hierbei ist von Vorteil, dass der Strömungsquerschnitt des Kühlkanals derart an die jeweiligen Gegebenheiten des Anwendungsfalles angepasst ist, dass zum Beispiel in dem Maße, in dem sich das Kühlmittel auf seinem Weg vom Strömungseinlass durch den Kühlkanal hindurch zum Strömungsauslass erwärmt, die Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmittels durch einen sich verringernden Strömungsquerschnitt im Kühlkanal erhöht wird.
Der Wärmeübertragungskoeffizient für die Grenzfläche zwischen dem zu kühlenden Maschinenelement und dem Kühlmittel ist dadurch ebenfalls erhöht. In der Folge stellt sich bei gleicher zu erwartender Wärmestromdichte eine niedrigere Differenztemperatur zwischen Maschinenelement und Kühlmittel ein. Bei optimaler Auslegung kompensiert diese niedrigere Differenztemperatur die Erhöhung der Kühlmitteltemperatur.
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Der Strömungsquerschnitt kann in Strömungsrichtung vom Strömungseinlass zum Strömungsauslass verringert sein. Dadurch ergibt sich eine nahezu gleichbleibende Temperatur über die gesamte zu kühlende Fläche des zu kühlenden Maschinenelements entlang des Kühlkanals.
Das gekühlte Kühlmittel strömt durch den Strömungseinlass in den Kühlkanal, nimmt auf dem Weg durch den Kühlkanal Wärme von dem zu kühlenden Maschinenelement auf, erhöht durch den sich verringernden Strömungsquerschnitt im Kühlkanal seine Strömungsgeschwindigkeit und tritt durch den Strömungsauslass aus dem Kühlkanal wieder aus.
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Der Strömungsquerschnitt im Kühlkanal kann durch verschiedene Maßnahmen verringert werden.
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Der Strömungsquerschnitt kann in Strömungsrichtung durch eine sich vom Strömungseinlass zum Strömungsauslass verringernde Höhe und/oder Breite des Kühlkanals verringert sein. Die Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmittels durch den Kühlkanal kann durch eine derartige Veränderung der Geometrie von Höhe und/oder Breite besonders genau an die jeweiligen Gegebenheiten des Anwendungsfalles angepasst werden. Dadurch, dass die Höhe und/oder die Breite des Kühlkanals verringert werden kann, um das Mantelkühlungssystem besonders genau einstellen zu können, kann das Mantelkühlungssystem auch in komplizierten Einbausituationen zur Anwendung gelangen. Ist beispielsweise die Höhe des Kühlmantels durch die Einbausituation begrenzt, besteht die Möglichkeit, bei geringer Höhe des Strömungsquerschnitts die Breite des Kühlkanals zu variieren. Ist demgegenüber die Höhe des Kühlkanals durch die Einbausituation nicht begrenzt, kann bei gleichbleibender Breite nur die Höhe des Strömungsquerschnitts variiert werden.
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Durch eine Variation von Höhe und Breite des Kühlkanals kann eine praktisch konstante Wärmestromdichte vom Strömungseinlass zum Strömungsauslass besonders fein eingestellt werden.
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Die Höhe und/oder die Breite können kontinuierlich verringert sein. Solche Kühlkanäle sind einfach und prozesssicher herstellbar.
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Die Höhe und/oder die Breite können stufenförmig verringert sein. Dadurch ergibt sich innerhalb des Kühlkanals zusätzlich zur höheren Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmittels eine turbulente Strömung. Das Kühlmittel wird auf seinem Weg vom Strömungseinlass zum Strömungsauslass zunehmend verwirbelt, so dass die Temperatur entlang der gesamten zu kühlenden Fläche des Maschinenelements konstant bleibt.
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Nach einer anderen Ausgestaltung oder zusätzlich besteht die Möglichkeit, dass der Strömungsquerschnitt in Strömungsrichtung durch Strömungshindernisse im Kühlkanal verringert ist. Der Effekt, der dadurch erzielt wird, entspricht dem zuvor beschriebenen. Durch die Strömungshindernisse wird der Strömungsquerschnitt im Kühlkanal verringert und die Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmittels in diesem Bereich wird deshalb erhöht.
Ein ansteigender Wärmeübergangskoeffizient und damit gleichbleibende Temperatur über die gesamte zu kühlende Fläche des Maschinenelements wird dadurch erreicht.
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Die Anzahl und/oder die Größe der Strömungshindernisse im Kühlkanal kann in Strömungsrichtung vom Strömungseinlass zum Strömungsauslass zunehmen. Die Anzahl und/oder die Größe der Strömungshindernisse kann an den jeweiligen Strömungsquerschnitt des Kühlkanals angepasst sein. Sind die Einbauverhältnisse für Strömungshindernisse besonders beengt, können kleiner Strömungshindernisse in größerer Anzahl zur Anwendung gelangen.
Ist der Kühlkanal demgegenüber ausreichend groß, können zum Beispiel weniger und dafür größere Strömungshindernisse im Kühlkanal angeordnet werden.
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Generell kann der Strömungsquerschnitt in Strömungsrichtung nicht nur vom Strömungseinlass zum Strömungsauslass verringert werden, wie zuvor beschrieben. Es besteht auch die Möglichkeit, den Strömungsquerschnitt zu erweitern, also zum Beispiel lokal derart zu variieren, dass bestimmte Bereiche des zu kühlenden Maschinenelements gezielt stärker gekühlt werden als benachbarte Bereiche, um lokale Aufheizungen, sogenannte Hotspots, zu vermeiden. Die Kühlung kann demnach auch lokal verringert werden, um die Temperaturverteilung im zu temperierenden Bauteil zu vergleichmäßigen.
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In Abhängigkeit von den jeweiligen Gegebenheiten des Anwendungsfalles besteht zum Beispiel die Möglichkeit, den Strömungsquerschnitt vom Strömungseinlass bis zu einem Hotspot zunächst nur wenig zu verringern, im Bereich des Hotspots den Strömungsquerschnitt gezielt stärker zu verringern, damit die Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmittels gezielt stärker zu erhöhen und folglich mehr und/oder effektiver Wärme aus dem Bereich des Hotspots abzuführen und anschließend den Strömungsquerschnitt in Richtung des Strömungsauslasses zum Beispiel wieder zu erweitern.
Die Temperaturverteilung im zu kühlenden Maschinenelements kann dadurch besonders gut vergleichmäßigt werden.
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Nach einer ersten Ausgestaltung kann es vorgesehen sein, dass der zumindest eine Kühlkanal das zu kühlende Maschinenelement in Strömungsrichtung spiralförmig umschließt.
Ein solcher Kühlkanal ist besonders einfach und kostengünstig herstellbar, insbesondere dann, wenn der Strömungsquerschnitt des Kühlkanals vom Strömungseinlass zum Strömungsauslass kontinuierlich verringert ist. Das kann beispielsweise dadurch geschehen, dass die Höhe und/oder die Breite des Kühlkanals kontinuierlich verringert ist.
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Außerdem hat ein spiralförmiger Kühlkanal den Vorteil, dass das Kühlmittel die zu kühlende Mantelfläche gleichmäßig ohne starke Richtungsänderungen umspült. Dadurch werden mit Umlenkungen verbundene schnelle Strömungsbereiche, die lokal effektiver kühlen, aber höhere Druckverluste verursachen, vermieden.
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Nach einer anderen Ausgestaltung kann es vorgesehen sein, dass der zumindest eine Kühlkanal das zu kühlende Maschinenelement in Strömungsrichtung mäanderförmig umschließt. Eine solche Ausgestaltung gelangt bevorzugt immer dann zur Anwendung, wenn aus konstruktiven Gründen der Kühlmitteleinlass und -auslass nah beieinander oder in der Nähe einer Seite der zu kühlenden Fläche liegen sollen.
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Bei einem mäanderförmigen Kühlkanal ist von Vorteil, dass unter diesen konstruktiven Rahmenbedingungen eine gegensinnig durchströmte Doppelhelix mit eventuell längerer abzudichtender Kante zwischen Hin- und Rückführung, vermieden wird.
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Nach einer anderen Ausgestaltung kann es vorgesehen sein, dass der zumindest eine Kühlkanal das zu kühlende Maschinenelement in Strömungsrichtung in Form einer gegensinnig durchströmten Doppelhelix umschließt. Bei einer solchen Ausgestaltung ist von Vorteil, dass die gegensinnig durchströmten Bereiche des Kühlkanals für eine weitere Vergleichmäßigung der Temperatur innerhalb des Maschinenelements und des Kühlmantels sorgen. Die Wärmestromdichte ist dadurch besonders gleichmäßig entlang des zu kühlenden Maschinenelements.
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Der Kühlmantel kann aus einem polymeren Werkstoff bestehen. Kühlmäntel aus einem polymeren Werkstoff können besonders einfach und kostengünstig auch dann hergestellt werden, wenn die Geometrie, insbesondere die Geometrie des Kühlkanals, vergleichsweise kompliziert ist. Außerdem ist die Gefahr, dass sich im Kühlkanal Korrosion bildet und anlagert, auf ein Minimum begrenzt.
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Das zu kühlende Maschinenelement kann durch einen Elektromotor gebildet sein.
Trotz ihres sehr hohen Wirkungsgrades arbeiten Elektromotoren nicht verlustfrei, die Energieverluste werden als Wärme im Motor dissipiert. Insbesondere bei sehr leistungsstarken Motoren ist diese Wärmeentwicklung nicht vernachlässigbar, ohne wirksame Kühlung führt sie zur fortschreitenden Eigenerwärmung bis zur Zerstörung des Motors. Selbst eine über den Betriebsbereich erhöhte Temperatur verringert den Wirkungsgrad durch zusätzliche ohmsche Verluste und belastet die Bauteile durch entstehende mechanische Spannungen und Materialermüdung. Eine optimale Kühlung hält dagegen den Motor auf einer möglichst gleichmäßig verteilten Betriebstemperatur bei jedem Lastzustand und allen Umgebungsbedingungen.
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Figurenliste
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Vier Ausführungsbeispiele eines erfindungsgemäßen Mantelkühlungssystems und zwei Skizzen sind in den nachfolgenden 1 bis 7 jeweils schematisch dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben:
- 1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Mantelkühlungssystems mit einem Kühlkanal, der in Strömungsrichtung eine sich verringernde Höhe aufweist,
- 2 ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Mantelkühlungssystems, bei dem der Kühlkanal vom Strömungseinlass zum Strömungsauslass eine sich verringernde Breite aufweist,
- 3 ein drittes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Mantelkühlungssystems, bei dem der Kühlkanal das zu kühlende Maschinenelement in Strömungsrichtung mäanderförmig umschließt und wobei der Kühlkanal eine in Strömungsrichtung variable Breite aufweiset,
- 4 ein viertes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Mantelkühlungssystems, bei dem der Kühlkanal das zu kühlende Maschinenelement in Strömungsrichtung in Form einer gegensinnig durchströmten Doppelhelix umschließt, ebenfalls mit einer variablen Breite des Strömungskanals,
- 5 eine vergrößerte Darstellung des Kühlkanals aus 4,
- 6 eine einfache Darstellung des Kühlkanals mit einem Strömungsquerschnitt, der sich in Strömungsrichtung vom Strömungseinlass zum Strömungsauslass ausschließlich durch die Geometrie des Kühlkanals verringert,
- 7 eine einfache Darstellung eines Kühlkanals mit an sich gleichbleibendem Querschnitt vom Strömungseinlass zum Strömungsauslass, wobei im Kühlkanal Strömungshindernisse angeordnet sind, durch die der Strömungsquerschnitt in Strömungsrichtung vom Strömungseinlass zum Strömungsauslass zunehmend verringert ist.
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Ausführung der Erfindung
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In den 1 bis 4 sind vier Ausführungsbeispiele von Mantelkühlungssystemen gezeigt.
Alle Mantelkühlungssysteme umfassen einen Kühlmantel 1 mit einem Strömungseinlass 2 und einem Strömungsauslass 3, wobei Kühlmittel 6, das den Kühlkanal 8 durchströmt, durch den Strömungseinlass 2 in den Kühlkanal 8 eingeleitet und aus dem Strömungsauslass 3 aus dem Kühlkanal 8 ausgeleitet wird.
Der Kühlmantel 1 besteht in jedem der gezeigten Ausführungsbeispiele aus einem polymeren Werkstoff.
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In jedem der Ausführungsbeispiele ist das zu kühlende Maschinenelement 4 durch einen Elektromotor gebildet.
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Das zu kühlende Maschinenelement 4 ist vom Kühlmantel 1 außenumfangsseitig mit Abstand umschlossen, wobei der durch den Abstand gebildete Spalt 5 den von dem Kühlmittel 6 durchströmten Kühlkanal 8 bildet.
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Erfindungsgemäß ist es vorgesehen, dass der Kühlkanal 8 vom Strömungseinlass 2 zum Strömungsauslass 3 einen sich verändernden Strömungsquerschnitt 9 aufweist.
In den hier gezeigten Ausführungsbeispielen ist der Strömungsquerschnitt 9 in Strömungsrichtung 7 vom Strömungseinlass 2 zum Strömungsauslass 3 verringert, um zu bewirken, dass die hydraulischen Bedingungen im Mantelkühlungssystem so angepasst sind, dass in dem zu kühlenden Maschinenelement 4 eine möglichst gleichmäßige Temperierung erreicht wird. Der sich in Strömungsrichtung 7 verringernde Querschnitt führt zu einer Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmittels 6 und dadurch zu einer im Wesentlichen vergleichmäßigten Temperatur über das gesamte zu kühlende Maschinenelement 4. Durch den an die erforderliche Kühlleistung angepassten Strömungsquerschnitt 9 entlang des Kühlkanals 8 wird eine größere Designfreiheit für das zu kühlende Maschinenelement 4 erreicht, weil in unterschiedlichen Bereichen des Kühlkanals 8, trotz sich erwärmenden Kühlmittels 6, die Temperatur der temperierten Wand entlang des Kühlkanals 8 gleich bleibt.
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In den 1 und 2 sind zwei Mantelkühlungssysteme gezeigt, bei denen der Kühlkanal 8 das zu kühlende Maschinenelement 4 in Strömungsrichtung 7 jeweils spiralförmig umschließt.
In 1 ist der Strömungsquerschnitt 9 in Strömungsrichtung 7 durch eine sich vom Strömungseinlass 2 zum Strömungsauslass 3 verringernde Höhe 10 des Kühlkanals 8 verringert. Die Breite 11 des Kühlkanals 8 ist in diesem Ausführungsbeispiel konstant.
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In 2 ist demgegenüber der Strömungsquerschnitt 9 in Strömungsrichtung 7 durch eine sich vom Strömungseinlass 2 zum Strömungsauslass 3 verringernde Breite 1 des Kühlkanals 8 verringert. Hier ist die Höhe 10 konstant. In beiden Fällen wird eine nahezu gleichbleibende Temperatur entlang der gesamten zu kühlenden Fläche des Maschinenelements 4 erreicht.
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Das dritte Ausführungsbeispiel aus 3 unterscheidet sich von den beiden zuvor beschriebenen Ausführungsbeispielen dadurch, dass der Kühlkanal 8 das zu kühlende Maschinenelement 4 in Strömungsrichtung 7 mäanderförmig umschließt. Ein sich verringernder Strömungsquerschnitt 9 des Kühlkanals 8 wird dadurch erreicht, dass die Breite des Kühlkanals 8 in Strömungsrichtung 7 zwischen dem Strömungseinlass 2 und dem Strömungsauslass 3 verringert ist.
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In 4 ist ein viertes Ausführungsbeispiel gezeigt, das sich von den zuvor beschriebenen Ausführungsbeispielen durch die Form des Kühlkanals 8 unterscheidet. Der Kühlkanal 8 umschließt das zu kühlende Maschinenelement 4 in Strömungsrichtung 7 in Form einer gegensinnig durchströmten Doppelhelix 13.
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In jedem der zuvor gezeigten Ausführungsbeispiele können die Höhe 10 und/oder die Breite 11 des Kühlkanals in Strömungsrichtung 7 kontinuierlich oder stufenförmig verringert sein. Entscheidend ist, dass das zu kühlende Maschinenelement 4 entlang der gesamten Länge des Kühlmantels 1 in Strömungsrichtung 7 möglichst gleichmäßig gekühlt wird. Um das zu erreichen, weil sich das Kühlmittel 6 auf seinem Weg vom Strömungseinlass 2 durch den Kühlkanal 8 zum Strömungsauslass 4 erwärmt, ist es notwendig, die Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmittels 6 durch den sich verengenden Strömungsquerschnitt entsprechend zu erhöhen.
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In den 6 und 7 sind sehr vereinfacht die generellen Möglichkeiten gezeigt, wie eine solche Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit erreicht werden kann. Prinzipiell kann der Strömungsquerschnitt dadurch verringert und die Strömungsgeschwindigkeit erhöht werden, dass sich der Kühlkanal 8, ohne dass Strömungshindernisse im Kühlkanal 8 verbaut wären, verengt. Und/oder im Kühlkanal 8 können Strömungshindernisse 12 angeordnet sein, die für eine Verwirbelung des Kühlmittels 6 und einer Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmittels 6 im Kühlkanal 8 sorgen.
