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Die Erfindung betrifft einen Wärmeübertrager für ein Kraftfahrzeug nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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In einem Wärmeübertrager wird ein erstes Fluid mit einem zweiten Fluid auf ein Temperaturniveau des zweiten Fluids gebracht. Dabei sind abweichende Bauweisen denkbar.
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Öfters weist das erste Fluid eine derart hohe Temperatur auf, dass der Wärmeübertrager beschädigt werden kann. So kann beispielsweise die hohe Temperatur des ersten Fluids zum Lösen des Fügezusatzstoffs - beispielweise Lots, Schweißzusatzes oder Klebers - in dem Wärmeübertrager oder zum Weichwerden des Grundwerkstoffs des Wärmeübertragers oder zur Rissbildung in dem Wärmeübertrager durch die ausdehnungsbedingte Spannung im Bereich der Schnittstelle führen. Insgesamt können diese Veränderungen zum Versagen des Wärmeübertragers führen. Um das zu umgehen, können der Wärmeübertrager aus einem temperaturbeständigen Grundwerkstoff aufgebaut und die Schnittstelle entsprechend angepasst sein. Diese Lösung ist jedoch meist unwirtschaftlich.
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Die Aufgabe der Erfindung ist es daher, für einen Wärmeübertrager der gattungsgemäßen Art eine verbesserte oder zumindest alternative Ausführungsform anzugeben, bei der die beschriebenen Nachteile überwunden werden.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Die vorliegende Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, den Wärmeübertrager durch den Einsatz einer vorgelagerten Abschirmkontur zu schützen. Der erfindungsgemäße Wärmeübertrager ist für ein Kraftfahrzeug vorgesehen oder ausgelegt. Der Wärmeübertrager kann insbesondere ein Abgaswärmetauscher für ein Kraftfahrzeug sein. Der Wärmeübertrager weist dabei einen Wärmeübertragerblock mit ersten von einem ersten Fluid durchströmbaren Kanälen und mit zweiten von einem zweiten Fluid durchströmbaren Kanälen auf. Die ersten Kanäle und die zweiten Kanäle sind dabei in einer Stapelrichtung des Wärmeübertragers alternierend übereinander angeordnet. Die ersten Kanäle sind dabei quer zur Stapelrichtung durchströmbar und verbinden zwei gegenüberliegende und quer zur Stapelrichtung ausgerichtete Flächen des Wärmeübertragerblocks fluidisch miteinander. Der Wärmeübertrager weist zudem einen Einlasskasten und einen Auslasskasten auf. Der Einlasskasten und der Auslasskasten sind dabei an den jeweiligen Flächen des Wärmeübertragerblocks angeordnet und über die ersten Kanäle fluidisch miteinander verbunden. Erfindungsgemäß weist der Wärmeübertrager eine durchströmbare Schutzplatte auf, die bezüglich des ersten Fluids stromaufwärts vor der jeweiligen Fläche des Wärmeübertragerblocks angeordnet ist.
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Die durchströmbare Schutzplatte ist dem Wärmeübertragerblock vorgelagert und dadurch trifft das erste Fluid beim Durchströmen des Wärmeübertragers zuerst auf die Schutzplatte. Die Schutzplatte kann dabei mehrere durchströmbare Bereiche und mehrere nicht durchströmbare Bereiche aufweisen, die sich quer zur Strömungsrichtung des ersten Fluids an der Schutzplatte abwechseln. Das erste Fluid kann dadurch über die durchströmbaren Bereiche hindurch zu dem Wärmeübertragerblock strömen und an den nicht durchströmbaren Bereichen Wärme an die Schutzplatte abgeben und abgekühlt werden. Dadurch kann der Wärmeübertragerblock durch die nicht durchströmbaren Bereiche der Schutzplatte vor übermäßigen Temperatur des ersten Fluids geschützt werden. Entsprechend kann die Lebensdauer des Wärmeübertragers erhöht werden. Die Schutzplatte kann zudem die Strömung des ersten Fluids homogenisieren und dadurch auch für eine homogene Durchströmung des Wärmeübertragerblocks sorgen.
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Die Schutzplatte kann den ersten Kanälen bezüglich des ersten Fluids fluidisch vorgeschaltet sein. Die Schutzplatte kann innerhalb des Einlasskastens vor der jeweiligen Fläche des Wärmeübertragerblocks angeordnet sein. Die Schutzplatte kann dabei parallel zu der jeweiligen Fläche des Wärmeübertragerblocks angeordnet sein. Die Schutzplatte kann alternativ unter einem von Null abweichenden Winkel zu der jeweiligen Fläche des Wärmeübertragerblocks angeordnet sein. Die Schutzplatte kann an der jeweiligen Fläche des Wärmeübertragerblocks anliegend oder zu der jeweiligen Fläche des Wärmeübertragerblocks beabstandet angeordnet sein. Die Schutzplatte kann zwischen dem Wärmeübertragerblock und dem Einlasskasten angeordnet und mit dem Wärmeübertragerblock und/oder mit dem Einlasskasten, vorzugsweise stoffschlüssig und/oder kraftschlüssig und/oder formschlüssig, festverbunden sein. Insbesondere kann die Schutzplatte mit dem Wärmeübertragerblock und/oder mit dem Einlasskasten verschraubt oder vernietet oder verclincht oder verclipst sein.
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Die Schutzplatte kann eine durchströmbare Kontur aufweisen und diese Kontur kann einer durchströmbaren Kontur der jeweiligen Fläche des Wärmeübertragerblocks entsprechen. Die Schutzplatte kann mehrere Öffnungen aufweisen, die den ersten Kanälen gegenüberliegend angeordnet sind. Die Öffnungen können dabei in ihrer Form und in ihrer Größe derart angepasst sein, dass der beim Durchströmen der Schutzplatte hervorgerufene Druckverlust in dem ersten Fluid reduziert ist. So können die Öffnungen eine abgerundete Form aufweisen. Insbesondere können die Öffnungen Radien bzw. Mittel aufweisen, die den beim Durchströmen der Schutzplatte hervorgerufenen Druckverlust in dem ersten Fluid reduzieren. Insbesondere können die Öffnungen hierzu einen entsprechend großen Durchmesser aufweisen. Die ersten Kanäle können in dem Einlasskasten über Einlassöffnungen, die an der jeweiligen Fläche des Wärmeübertragerblocks geformt sind, münden. Die Öffnungen der Schutzplatte und die Einlassöffnungen an der jeweiligen Fläche können dabei in Form und/oder in Größe und/oder in Anzahl identisch sein. Insbesondere können die Öffnungen der Schutzplatte und die Einlassöffnungen an der jeweiligen Fläche in der Anzahl identisch sein. Die jeweiligen Öffnungen können den jeweiligen Einlassöffnungen gegenüberliegend angeordnet sein. Insbesondere können die Öffnungen der Schutzplatte und die Einlassöffnungen des Rohrbodens bezüglich der Strömungsrichtung des ersten Fluids einander gegenüberliegend angeordnet sein.
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Der Wärmeübertrager kann ein Gehäuse aufweisen, in dem der Wärmeübertragerblock aufgenommen ist. Das Gehäuse kann insbesondere mit den zweiten Kanälen fluidisch verbunden und von dem zweiten Fluid durchströmbar sein. Der Einlasskasten und/oder der Auslasskasten für die ersten Kanäle können mit dem Gehäuse, vorzugsweise stoffschlüssig und/oder kraftschlüssig und/oder formschlüssig, festverbunden sein. Die Schutzplatte kann zwischen dem Gehäuse und dem Einlasskasten angeordnet und mit dem Gehäuse und/oder mit dem Einlasskasten, vorzugsweise stoffschlüssig und/oder kraftschlüssig und/oder formschlüssig, festverbunden sein. Die ersten Kanäle können von dem Gehäuse fluidisch getrennt sein. Der Einlasskasten und/oder der Auslasskasten können von den ersten Kanälen fluidisch getrennt sein. Der Wärmeübertragerblock kann in einer Rohr-Bündel-Bauweise aufgebaut sein. Die ersten Kanäle können durch mehrere Flachrohre gebildet sein und die Flachrohre können beidseitig mit jeweils einem Rohrboden fest - vorzugsweise stoffschlüssig - verbunden sein. Die Flachrohre und die Rohrböden können miteinander verlötet oder geschweißt oder verklebt sein. Die jeweilige Fläche des Wärmeübertragerblocks kann dann durch den jeweiligen Rohrboden geformt sein und die Schutzplatte kann in Form und in Größe dem die jeweilige Fläche bildenden Rohrboden entsprechen.
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Die Schutzplatte kann aus einem wärmeleitenden und/oder wärmebeständigen Material geformt sein. Insbesondere kann die Schutzplatte aus Metall oder aus Keramik geformt sein. Die Schutzplatte kann aus Metall durch Stanzen oder durch Tiefziehen geformt sein. Die Schutzplatte kann beispielsweise aus Blech in einem Stanzverfahren oder aus Blech in einem Tiefziehverfahren geformt sein. Die Schutzplatte kann aus einem abweichenden Material als der Wärmeübertragerblock und/oder der Einlasskasten geformt sein.
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Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Komponenten beziehen.
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Es zeigen, jeweils schematisch
- 1 eine teilweise Explosionsansicht eines erfindungsgemäßen Wärmeübertragers in einer ersten Ausführungsform;
- 2 eine Ansicht des erfindungsgemäßen Wärmeübertragers in der ersten Ausführungsform ohne einen Einlasskasten;
- 3 und 4 eine Ansicht und eine Draufsicht auf eine Schutzplatte des erfindungsgemäßen Wärmeübertragers in der ersten Ausführungsform;
- 5 und 6 eine teilweise Explosionsansicht und eine Ansicht des erfindungsgemäßen Wärmeübertragers in einer zweiten Ausführungsform ohne den Einlasskasten;
- 7 eine Draufsicht des erfindungsgemäßen Wärmeübertragers in der zweiten Ausführungsform ohne den Einlasskasten;
- 8 eine Schnittansicht des erfindungsgemäßen Wärmeübertragers in der zweiten Ausführungsform in einer in 7 gekennzeichneten Schnittebene A-A;
- 9 und 10 eine Ansicht und eine Draufsicht auf die Schutzplatte des erfindungsgemäßen Wärmeübertragers in der zweiten Ausführungsform;
- 11 eine Ansicht einer Vorrichtung zur Aufladung eines Verbrennungsmotors eines Kraftfahrzeugs mit dem Wärmeübertrager in der ersten Ausführungsform in einer Hochdruck-Anwendung;
- 12 eine Ansicht einer Vorrichtung zur Aufladung eines Verbrennungsmotors eines Kraftfahrzeugs mit dem Wärmeübertrager in der zweiten Ausführungsform in einer Niederdruck-Anwendung.
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1 zeigt eine teilweise Explosionsansicht eines erfindungsgemäßen Wärmeübertragers 1 für ein Kraftfahrzeug in einer ersten Ausführungsform. Der hier gezeigte Wärmeübertrager 1 kann insbesondere in einer Vorrichtung zur Aufladung eines Verbrennungsmotors des Kraftfahrzeugs in einer Hochdruck-Anwendung eingesetzt werden, wie im Folgenden anhand 11 näher erläutert wird. Hier und weiter sind identische mehrmals abgebildete Elemente des Wärmeübertragers 1 zur Übersichtlichkeit nur exemplarisch mit Bezugszeichen versehen. Die nicht unmittelbar sichtbaren Elemente des Wärmeübertragers 1 sind mit unterbrochenen Linien gekennzeichnet.
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Der Wärmeübertrager 1 weist einen Wärmeübertragerblock 2 mit ersten Kanälen 3 für ein erstes Fluid und zweiten Kanälen 4 für ein zweites Fluid auf. Die ersten Kanäle 3 und die zweiten Kanäle 4 sind in dem Wärmeübertragerblock 2 in eine Stapelrichtung ST des Wärmeübertragers 1 alternierend übereinander angeordnet und quer zur Stapelrichtung ST durchströmbar. In dem Wärmeübertrager 1 sind die ersten Kanäle 3 durch die Flachrohre 5 abgebildet, die beidseitig in Rohrböden 6a und 6b münden. Dazu sind in den Rohrböden 6a und 6b Einlassöffnungen 14 geformt, die in die ersten Kanäle 3 bzw. die Flachrohre 5 oder aus den ersten Kanälen 3 bzw. aus den Flachrohren 5 führen. Die zweiten Kanäle 4 sind zwischen den Flachrohren 5 angeordnet. Die ersten Kanäle 3 verbinden zwei gegenüberliegende und quer zur Stapelrichtung ST ausgerichtete Flächen 7a und 7b des Wärmeübertragerblocks 2 fluidisch miteinander. Die zweiten Kanäle 4 verbinden zwei andere gegenüberliegende und quer zur Stapelrichtung ST ausgerichtete Flächen 8a und 8b fluidisch miteinander.
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Der Wärmeübertrager 1 weist ein Gehäuse 9 auf, in dem der Wärmeübertragerblock 2 aufgenommen ist. Zudem weist der Wärmeübertrager 1 einen Einlasskasten 10a und einen Auslasskasten 10b auf, die an den beiden Flächen 7a und 7b des Wärmeübertragerblocks 2 angeordnet sind und über die ersten Kanäle 3 fluidisch miteinander verbunden sind. Der Einlasskasten 10a ist mit dem Gehäuse 9 verschraubt. Zwischen dem Einlasskasten 10a und dem Gehäuse 9 ist der Rohrboden 6a des Wärmeübertragerblocks 2 angeordnet und dadurch der Wärmeübertragerblock 2 mit dem Gehäuse 9 und mit dem Einlasskasten 10a verschraubt.
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Zudem weist der Wärmeübertrager 1 einen Einlasskanal 11a und einen Auslasskanal 11b auf, die den jeweiligen Flächen 8a und 8b zugeordnet sind und über die zweiten Kanäle 4 fluidisch miteinander verbunden sind. Der Einlasskanal 11 a und der Auslasskanal 11b sind bereichsweise in dem Gehäuse 9 geformt und nach außen über den Einlasskasten 10a und den Auslasskasten 10b geführt. Die ersten Kanäle 3 und die zweiten Kanäle 4 sind innerhalb des Einlasskastens 10a und des Auslasskastens 10b fluidisch voneinander getrennt.
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Der Wärmeübertrager 1 weist zudem eine durchströmbare Schutzplatte 12 auf, die innerhalb des Einlasskastens 10a vor der jeweiligen Fläche 7a des Wärmeübertragerblocks 2, das heißt stromauf bezogen auf die Durchströmungsrichtung, angeordnet ist. Die Schutzplatte 12 weist eine durchströmbare Kontur auf, die einer durchströmbaren Kontur des Rohrbodens 6a bzw. einer durchströmbaren Kontur der Fläche 7a des Wärmeübertragerblocks 2 entspricht. Die Schutzplatte 12 ist dabei zwischen dem Einlasskasten 10a und dem Rohrboden 6a angeordnet und mit dem Gehäuse 9, dem Einlasskasten 10a und dem Wärmeübertragerblock 2 verschraubt.
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Die Schutzplatte 12 ist dem Wärmeübertragerblock 2 bzw. dem Rohrboden 6a also vorgelagert und dadurch trifft das erste Fluid beim Durchströmen des Wärmeübertragerblocks 2 zuerst auf die Schutzplatte 12. der Wärmeübertragerblock 2 kann dadurch vor übermäßiger Temperatur des ersten Fluids geschützt werden und seine Lebensdauer kann erhöht werden. Die Schutzplatte 12 sorgt zudem für eine homogene Durchströmung des Wärmeübertragerblocks 2. Die Schutzplatte 12 kann dabei aus Blech in einem Stanzverfahren oder aus Blech in einem Tiefziehverfahren oder aus Keramik geformt sein.
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2 zeigt eine Ansicht des erfindungsgemäßen Wärmeübertragers 1 in der ersten Ausführungsform 2 ohne den Einlasskasten 10a. Hier ist besonders gut erkennbar, das die durchströmbare Kontur der Schutzplatte 12 der durchströmbaren Kontur des Rohrbodens 6a bzw. der Fläche 7a des Wärmeübertragerblocks 2 entspricht. Dadurch kann der beim Durchströmen der Schutzplatte 12 hervorgerufene Druckverlust minimiert werden.
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3 zeigt eine Ansicht und 4 zeigt eine Draufsicht auf die Schutzplatte 12 des erfindungsgemäßen Wärmeübertragers 1 in der ersten Ausführungsform. Hier ist besonders gut erkennbar, dass die Schutzplatte 12 mehrere Öffnungen 13 aufweist, die die durchströmbare Kontur der Schutzplatte 12 abbilden. Die Öffnungen 13 sind dabei derart ausgeformt, dass der beim Durchströmen der Schutzplatte 12 hervorgerufene Druckverlust in dem ersten Fluid reduziert ist.
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5 zeigt eine teilweise Explosionsansicht und 6 zeigt eine Ansicht des erfindungsgemäßen Wärmeübertragers 1 in einer zweiten Ausführungsform. Der hier gezeigte Wärmeübertrager 1 kann insbesondere in einer Vorrichtung zur Aufladung eines Verbrennungsmotors des Kraftfahrzeugs in einer Niederdruck-Anwendung eingesetzt werden, wie im Folgenden anhand 12 näher erläutert wird. Hier ist der Wärmeübertrager 1 zur Übersichtlichkeit ohne den Einlasskasten 10a gezeigt. Der Wärmeübertragerblock 2 und entsprechend das Gehäuse 9 sind hier abweichend zu der ersten Ausführungsform ausgebildet. Die durchströmbare Kontur der Schutzplatte 12 entspricht jedoch auch hier der durchströmbaren Kontur des Rohrbodens 6a bzw. der Fläche 7a des Wärmeübertragerblocks 2. Die Schutzplatte 12 ist hier auch abweichend zu der ersten Ausführungsform mit dem Wärmeübertragerblock 2 verklipst.
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7 zeigt eine Draufsicht des erfindungsgemäßen Wärmeübertragers 1 in der zweiten Ausführungsform. Wie hier besonders gut erkennbar ist, entsprechen die durchströmbare Kontur der Schutzplatte 12 und des Rohrbodens 6a bzw. der Fläche 7a einander, so dass das erste Fluid ungehindert aus dem Einlasskasten 10a in die Flachrohre 5 strömen kann. Entsprechend kann der beim Durchströmen der Schutzplatte 12 hervorgerufene Druckverlust in dem ersten Fluid reduziert werden.
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8 zeigt eine Schnittansicht des erfindungsgemäßen Wärmeübertragers 1 in der zweiten Ausführungsform in einer in 7 gekennzeichneten Schnittebene A-A. Hier ist besonders gut erkennbar, dass Schutzplatte 12 zu dem Rohrboden 6a beabstandet und parallel angeordnet ist. Die Schutzplatte 12 ist dabei mit dem Rohrboden 6a verklipst und der Rohrboden 6a ist mit dem Gehäuse 9 stoffschlüssig verbunden, beispielweise verlötet oder verklebt oder verschweißt. Es versteht sich, dass der Rohrboden 6a und das Gehäuse 9 dazu aus passenden Materialien geformt sind.
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9 zeigt eine Ansicht und 10 zeigt eine Draufsicht auf die Schutzplatte 12 des erfindungsgemäßen Wärmeübertragers 1 in der zweiten Ausführungsform. Hier ist die Form der durchströmbaren Kontur der Schutzplatte 12 mit mehreren Öffnungen 13 besonders gut erkennbar.
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11 zeigt eine Vorrichtung 15 zur Aufladung eines Verbrennungsmotors 16 des Kraftfahrzeugs in einer Hochdruck-Anwendung. Die Vorrichtung 15 umfasst dabei den Verbrennungsmotor 16, einen Turbolader 17, einen Ladeluftkühler 18, einen Abgaskrümmer 19 und den Wärmeübertrager 1 in der ersten Ausführungsform. Der Wärmeübertrager 1 in der ersten Ausführungsform bildet also einen Abgaswärmetauscher bzw. einen Abgaskühler in der Vorrichtung 15 ab. Hier wird die Frischluft F von außen über den Turbolader 17 zu dem Ladeluftkühler 18 und anschließend zu dem Verbrennungsmotor 16 geführt. Das Abgas A wird von dem Verbrennungsmotor 16 über den Abgaskrümmer 19 zu dem Turbolader 17 und nach dem Turbolader 17 nach außen geführt. In der Hochdruck-Anwendung wird dabei ein Teil des Abgases A nach dem Abgaskrümmer 19 und vor dem Turbolader 17 abgegriffen und in dem Wärmeübertrager bzw. Abgaskühler 1 gekühlt. Anschließend wird das gekühlte Abgas A der Frischluft F nach dem Ladeluftkühler 18 und vor dem Verbrennungsmotor 16 hinzugeführt.
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12 zeigt eine Vorrichtung 15 zur Aufladung des Verbrennungsmotors 16 des Kraftfahrzeugs in einer Niederdruck-Anwendung. Die Vorrichtung 15 umfasst dabei den Verbrennungsmotor 16, den Turbolader 17, den Ladeluftkühler 18, den Abgaskrümmer 19 und den Wärmeübertrager 1 in der zweiten Ausführungsform. Der Wärmeübertrager 1 in der zweiten Ausführungsform bildet also einen Abgaswärmetauscher bzw. einen Abgaskühler ab. Hier wird die Frischluft F von außen über den Turbolader 17 zu dem Ladeluftkühler 18 und anschließend zu dem Verbrennungsmotor 16 geführt. Das Abgas A wird von dem Verbrennungsmotor 16 über den Abgaskrümmer 19 zu dem Turbolader 17 und nach dem Turbolader 17 nach außen geführt. In der Niederdruck-Anwendung wird ein Teil des Abgases A nach dem Turbolader 17 abgegriffen und in dem Wärmeübertrager bzw. Abgaskühler 1 gekühlt. Anschließend wird das gekühlte Abgas A der Frischluft F vor dem Turbolader 17 hinzugeführt.
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Die Unterschiede in der Anwendung des Wärmeübertragers 1 in der ersten und zweiten Ausführungsform ergeben sich aus dem Aufbau des Wärmeübertragers 1. Der Wärmeübertrager 1 in der ersten Ausführungsform eignet sich besonders für die oben beschriebe Hochdruck-Anwendung aufgrund eines vergleichsweise geringen Querschnitts und einer vergleichsweise großen Lauflänge der ersten Kanäle 3. Der Wärmeübertrager 1 in der zweiten Ausführungsform eignet sich besonders für die oben beschriebe Niederdruck-Anwendung aufgrund eines vergleichsweise großen Querschnitts der ersten Kanäle 3.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 1590615 B1 [0003]
- DE 102011081031 A1 [0003]
- DE 102020204845 A1 [0003]
