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Hintergrund der Erfindung und Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zum Enteisen eines Ladeluftkühlers gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.
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Die Menge an Luft, mit der ein aufgeladener Verbrennungsmotor in einem Fahrzeug versorgt werden kann, hängt vom Druck der Luft, aber auch von der Temperatur der Luft ab. Das Versorgen eines aufgeladenen Verbrennungsmotors mit so viel Luft wie möglich bedingt, dass die verdichtete Luft in einem Ladeluftkühler gekühlt wird, bevor diese zum Verbrennungsmotor geleitet wird. Der Ladeluftkühler befindet sich in einem Fahrzeug üblicherweise vor dem konventionellen Radiator. Ein Ladeluftkühler umfasst typischerweise zwei Behälter und eine Mehrzahl von zueinander parallelen rohrförmigen Elementen, die die Behälter miteinander verbinden. Die parallelen rohrförmigen Elemente sind mit einem Abstand zueinander angeordnet, so dass kalte Umgebungsluft zwischen ihnen hindurch strömt und die verdichtete Luft im Innern der rohrförmigen Elemente kühlen kann. In Abhängigkeit von der Größe des Ladeluftkühlers kann die verdichtete Luft auf eine Temperatur gekühlt werden, die in etwa gleich der Temperatur der Umgebungsluft ist.
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Ladeluftkühler an Fahrzeugen sind üblicherweise derart dimensioniert, dass sie eine relativ gute Effizienz erreichen. In Situationen bei denen eine niedrige Umgebungstemperatur vorliegt und/oder die Luft eine hohe Feuchtigkeit besitzt, wird die verdichtete Luft in Ladeluftkühlern möglicherweise auf eine Temperatur gekühlt, die unterhalb des Taupunktes der Luft liegt. Der Wasserdampf in der verdichteten Luft kondensiert, mit der Folge, dass sich Wasser in flüssiger Form innerhalb des Ladeluftkühlers absetzt. Wenn die Temperatur der Umgebungsluft sehr niedrig ist, besteht auch das Risiko, dass das kondensierte Wasser innerhalb des Ladeluftkühlers zu Eis gefriert. Unter solchen Umständen sind die Luftkanäle im Ladeluftkühler durch Eis versperrt und die Luftversorgung des Verbrennungsmotors ist unzureichend oder setzt komplett aus, was den Motor zum Anhalten bringt.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt darin, eine Anordnung bereitzustellen, die ein schnelles und sicheres Enteisen eines luftgekühlten Ladeluftkühlers ermöglicht, wenn sich Eis innerhalb des Ladeluftkühlers gebildet hat.
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Diese Aufgabe wird mittels der eingangs beschriebenen Anordnung gelöst, die durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des ersten Anspruches gekennzeichnet ist. In Situationen, in denen die Umgebungsluft mit Sicherheit eine Temperatur von weniger als 0°C besitzt und der Ladeluftkühler verdichtete Luft zu einem aufgeladenen Verbrennungsmotor leitet, der mit geringer Last betrieben wird, besteht ein Risiko der Eisbildung innerhalb des Ladeluftkühlers. In Situationen bei denen sich Eis innerhalb des Ladeluftkühlers bildet, wird ein warmes flüssiges Medium von einer Quelle zu einer Leitung geleitet, die nahe den rohrförmigen Elementen angeordnet ist. Das flüssige Medium besitzt vorteilhafterweise eine Temperatur von zum Beispiel über 50°C, wenn es zum Ladeluftkühler geleitet wird. Mit einer solch hohen Temperatur bewirkt das Medium eine relativ rasche Erwärmung des rohrförmigen Elements, so dass das Eis in diesem schmilzt. Ein Ladeluftkühler umfasst normalerweise eine relativ große Anzahl von solch zueinander parallelen rohrförmigen Elementen, in denen die verdichtete Luft durch Luft, die die Umgebungstemperatur besitzt, gekühlt wird. Der Leitungskreis umfasst in diesem Fall mindestens eine Leitung pro rohrförmigem Element, so dass einer Eisbildung in allen rohrförmigen Elementen des Ladeluftkühlers vorgebeugt werden kann.
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Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst die Anordnung mindestens einen Sensor, der dazu eingerichtet ist, einen Parameter zu erfassen, der in Beziehung dazu steht, ob sich Eis innerhalb der rohrförmigen Elemente gebildet hat. Eine Möglichkeit, eine Eisbildung innerhalb des Ladeluftkühlers zu erfassen, besteht darin, den Druckabfall der verdichteten Luft zu messen, wenn diese durch den Ladeluftkühler strömt. Wenn der Druckabfall unzulässig hoch ist, ist eventuell festzustellen, dass die Fließkanäle innerhalb des Ladeluftkühlers mehr oder weniger blockiert sind. Wenn dies in Situationen auftritt, in denen die Umgebungsluft eine geringe Temperatur besitzt, ist der Druckabfall wahrscheinlich durch eine Eisbildung innerhalb des Ladeluftkühlers verursacht. In diesem Fall kann die Anordnung einen Sensor umfassen, der dazu eingerichtet ist, den Druck der verdichteten Luft stromaufwärts der rohrförmigen Elemente zu messen, und einen Sensor, der dazu eingerichtet ist, den Druck der verdichteten Luft stromabwärts der rohrförmigen Elemente zu messen. Alternativ oder in Kombination kann ein Temperatursensor stromabwärts des Ladeluftkühlers vorgesehen sein, um die Temperatur der verdichteten Luft zu messen, wenn diese aus dem Ladeluftkühler geleitet wird. Wenn die verdichtete Luft innerhalb des Ladeluftkühlers auf eine Temperatur unterhalb von 0°C abgekühlt ist, kann festgestellt werden, dass möglicherweise eine Eisbildung innerhalb des Ladeluftkühlers vorliegt.
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Gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung umfasst die Anordnung eine Steuereinheit, die dazu eingerichtet ist, Informationen des Sensors oder der Sensoren zu empfangen und die Durchflussmittel zu steuern, so dass das flüssige Medium in Situationen, in denen sich Eis innerhalb der rohrförmigen Elemente gebildet hat, zu der Stelle geleitet wird, die sich nahe den rohrförmigen Elementen befindet. Die Steuereinheit kann ein Computer sein mit für diesen Zweck geeigneter Software. In diesem Fall wird das warme Medium automatisch zum Ladeluftkühler geleitet, so dass dieser enteist wird, sobald die Steuereinheit feststellt, dass darin eine Eisbildung vorliegt. Alternativ oder in Kombination kann das flüssige Medium mittels einer Steuervorrichtung, die manuell bedient wird, zum Ladeluftkühler geleitet werden, z. B. von einem Fahrer eines Fahrzeugs, wenn er/sie vermutet, dass der Ladeluftkühler enteist werden muss.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung umfasst der Leitungskreis mindestens eine Leitung, die nahe den rohrförmigen Elementen angeordnet ist und die sich im Wesentlichen parallel zu den rohrförmigen Elementen erstreckt. Das flüssige Medium kann dadurch in einer Leitung geleitet werden, die sich parallel zum gesamten rohrförmigen Element erstreckt. Wenn das flüssige Medium durch eine solche Leitung fließt, erwärmt es das rohrförmige Element effektiv, so dass das Eis innerhalb letzterem schmilzt. Die Leitung an der besagten benachbarten Stelle kann in Kontakt mit einer äußeren Oberfläche der rohrförmigen Elemente angeordnet sein. Vorteilhafterweise weisen das rohrförmige Element und die Leitung Kontaktflächen auf, die komplementär konfiguriert sind, um eine relativ große Wärmeübergangsfläche zu erreichen. Die rohrförmigen Elemente können dort, wo die Leitung angeordnet ist, mit einer Einwärtskrümmung versehen sein. Alternativ kann die Leitung innerhalb der rohrförmigen Elemente angeordnet sein, wobei die komplette äußere Oberfläche der Leitung genutzt werden kann, um Wärme innerhalb des rohrförmigen Elements bereitzustellen. Um das Enteisen der rohrförmigen Elemente effektiver zu gestalten, kann eine Mehrzahl von Leitungen, die das flüssige Medium enthalten, extern um die rohrförmigen Elemente oder innerhalb dieser angeordnet sein.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführung der Erfindung kann die Quelle ein Kühlsystem mit einem zirkulierenden Kühlmittel umfassen. Fahrzeuge können mit einem oder mehreren Kühlsystemen mit zirkulierenden Kühlmitteln ausgestattet sein. Nachdem das Kühlmittel zum Kühlen einer oder mehrerer Komponenten des Fahrzeugs benutzt worden ist, wird das erwärmte Kühlmittel in einem Radiator oder dergleichen gekühlt. Solch ein existierendes warmes Kühlmittel zum Enteisen eines Ladeluftkühlers zu verwenden, ist relativ einfach und schließt nur einige wenige Komponenten mit ein. Das besagte Kühlsystem ist vorteilhafterweise ein bestehendes Kühlsystem zum Kühlen eines Verbrennungsmotors. Das Kühlmittel im Motorkühlsystem besitzt im normalen Betrieb eine Temperatur von 70 bis 90°C. Das Enteisen des Ladeluftkühlers mit Kühlmittel, welches eine solche Temperatur besitzt, ist sehr effektiv. In diesem Fall umfasst der Leitungskreis eine Leitung zur Aufnahme des warmen Kühlmittels vom Kühlsystem, an einer Stelle stromaufwärts des Radiatorelements des Kühlsystems und eine Leitung, die das Kühlmittel an einer Stelle stromabwärts des Radiatorelements zurück zum Kühlsystem führt, nachdem das Kühlmittel zum Enteisen verwendet wurde. Das Radiatorelement des Kühlsystems ist üblicherweise in einem vorderen Bereich des Fahrzeugs hinter dem Ladeluftkühler angeordnet. In diesem Fall werden relativ kurze Leitungen benötigt, um das warme Kühlmittel zu und von dem Ladeluftkühler zu leiten. Die Quelle muss nicht als Kühlsystem mit einem zirkulierenden Kühlmittel ausgeführt sein, sondern kann auch als Speicherbehälter ausgeführt sein, der eine Erwärmungsvorrichtung besitzt, die das Erwärmen eines flüssigen Mediums im Speicherbehälter auf eine geeignete Temperatur bewirkt. Wenn ein Enteisen nötig ist, wird das warme flüssige Medium vom Speicherbehälter zum Ladeluftkühler geleitet.
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Obwohl die Aufgabe der Erfindung das Enteisen eines Ladeluftkühlers ist, kann das warme flüssige Medium auch in anderen Situationen verwendet werden, bei denen es vorteilhaft ist, die Abkühlung der verdichteten Luft im Ladeluftkühler zu verringern. Eine derartige Situation besteht dann, wenn die Abgase eine solch niedrige Temperatur besitzen, dass sie nicht die gewünschte Reinigung in einer Abgasreinigungskomponente erfahren. Wenn ein Fahrzeug aus dem kalten Zustand in Bewegung gesetzt wird oder nur gering belastet wird, besitzen die Abgase des Motors möglicherweise eine zu geringe Temperatur, um beispielsweise innerhalb eines Katalysators effektiv gereinigt zu werden. In solchen Fällen kann die Steuereinheit das warme flüssige Medium zum Ladeluftkühler leiten, um das Abkühlen der verdichteten Luft im Ladeluftkühler zu reduzieren. Die Luft, die zum Motor geleitet wird, kann so eine höhere Temperatur erreichen, genau wie die Abgase, die dadurch Katalysatoren auf eine gewünschte Temperatur erwärmen.
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Beschreibung der Zeichnungen
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Im Folgenden werden Ausführungen der Erfindung beispielhaft mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, bei denen:
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1 einen Ladeluftkühler mit einer Anordnung gemäß der vorliegenden Erfindung darstellt,
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2 einen Schnitt in der Ebene A-A in 1 darstellt und
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3 eine alternative Ausführungsform der rohrförmigen Elemente in 2 darstellt.
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Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführung der Erfindung
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1 stellt einen Ladeluftkühler 1 dar, der in einem vorderen Teil eines Fahrzeugs angeordnet sein kann, welches durch einen nicht dargestellten, aufgeladenen Verbrennungsmotor angetrieben wird. Ein aufgeladener Verbrennungsmotor muss mit verdichteter Luft versorgt werden. Der Zweck des Ladeluftkühlers 1 besteht darin, die verdichtete Luft zu kühlen, bevor sie zum Motor geleitet wird. Das Kühlen bewirkt, dass die Luft kompakter wird und dass dadurch eine größere Menge von Luft zum Motor geleitet werden kann. Der Ladeluftkühler 1 umfasst einen Einlassbehälter 2, der mittels einer Einlassöffnung 2a warme verdichtete Luft von einem nicht dargestellten Verdichter aufnimmt. Der Ladeluftkühler umfasst eine Radiatoreinheit 3, die sich zwischen dem Einlassbehälter 2 und dem Auslassbehälter 4 erstreckt, wobei letzterer die verdichtete Luft nach dem Kühlen in Radiatoreinheit 3 aufnimmt. Die Radiatoreinheit 3 umfasst eine Mehrzahl von rohrförmigen Elementen, die sich im Wesentlichen geradlinig in einer gemeinsamen Ebene zwischen Einlassbehälter 2 und Auslassbehälter 4 erstrecken.
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Die rohrförmigen Elemente 5 sind parallel und in im Wesentlichen gleichen Abständen zueinander angeordnet, so dass gleichmäßige Lücken 6 zwischen benachbarten rohrförmigen Elementen 5 gebildet werden. Umgebende Luft kann somit durch die Lücken 6 zwischen den rohrförmigen Elementen 5 strömen. Die Lücken 6 sind mit gefalteten Wärmeübertragungselementen versehen, um die Wärmeübertragungsoberfläche zwischen der Umgebungsluft und den rohrförmigen Elementen 5 zu erhöhen. Das Strömen von Umgebungsluft durch die Radiatoreinheit 3 wird durch die Bewegung des Fahrzeugs bewirkt und/oder durch ein nicht dargestelltes Radiatorgebläse, welches Luft durch die Radiatoreinheit 3 ansaugt. Die Umgebungsluft kühlt die verdichtete Luft, die durch die rohrförmigen Elemente 5 geleitet wird. Die gekühlte verdichtete Luft wird aus dem Auslassbehälter 4 mittels einer Auslassöffnung 4a geleitet. Die verdichtete Luft kann danach gegebenenfalls mit rückgeführten Abgasen vermischt werden, bevor sie zum aufgeladenen Verbrennungsmotor geleitet wird.
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Ein erster Drucksensor 7a ist im Einlassbehälter 2 angeordnet, um den Druck der verdichteten Luft zu erfassen, bevor diese in die Radiatoreinheit 3 geleitet wird. Ein zweiter Drucksensor 7b ist im Auslassbehälter 4 angeordnet, um den Druck der verdichteten Luft zu erfassen, nachdem diese die Radiatoreinheit 3 passiert hat. Eine Steuereinheit 8 ist dazu eingerichtet, um Informationen der Sensoren bezüglich der vorherrschenden Drücke im Einlassbehälter 2 und Auslassbehälter 4 zu empfangen. Die Steuereinheit verwendet diese Information, um den Druckabfall der verdichteten Luft zu berechnen, wenn diese durch die rohrförmigen Elemente 5 geleitet wird. Wenn die verdichtete Luft einen Druckabfall erfährt, der einen vorher festgelegten Schwellenwert überschreitet, kann die Steuereinheit 8 feststellen, dass sich Eis innerhalb der rohrförmigen Elemente gebildet hat und dass dieses den Luftstrom durch die rohrförmigen Elemente 5 blockiert. Die Luftversorgung des Motors ist dadurch gemindert, was Fehler im Betriebsablauf des Motors verursachen kann. Wenn die rohrförmigen Elemente 5 überwiegend vollständig durch Eis blockiert sind, hält der Motor an.
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Der Ladeluftkühler 1 ist hierbei vorteilhafterweise vor einem schematisch dargestellten Radiatorelement 9 in einem vorderen Teil des Fahrzeugs angebracht. Das Kühlmittel im Kühlsystem, welches den Verbrennungsmotor kühlt, wird zum Radiatorelement 9 mittels der Leitung 10 und vom Radiatorelement 9 mittels der Leitung 11 geleitet. Im normalen Betrieb besitzt das Kühlmittel eine Temperatur im Bereich von 70–90°C, wenn es zum Kühlen in Leitung 10 zum Radiatorelement 9 geleitet wird. In diesem Fall wird ein Leitungskreis 12a–g an das Kühlsystem des Motors angeschlossen. Der Leitungskreis 12a–g umfasst eine Leitung 12a, die an die Kühlsystemleitung 10 angeschlossen ist. Die Leitung 12a umfasst ein Ventilmittel 13, welches in einer geschlossenen Position verhindert, dass Kühlmittel von der Leitung 10 zur Leitung 12a geleitet wird und in einer offenen Stellung ermöglicht, dass Kühlmittel von der Leitung 10 zur Leitung 12a geleitet wird. Die Leitung 12a erstreckt sich in den Einlassbehälter 2, wo sie sich mit mindestens einer vertikalen Leitung 12b verbindet, die sich nahe den Einlassöffnungen der rohrförmigen Elemente 5 in vertikaler Richtung innerhalb des Einlassbehälters 2 erstreckt.
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2 stellt eine Querschnittsansicht in der Ebene A-A von drei der rohrförmigen Elemente 5 dar. Die rohrförmigen Elemente 5 weisen innere Turbulatoren 14 auf, um das Kühlen der verdichteten Luft innerhalb der rohrförmigen Elemente 5 zu erhöhen. In diesem Fall werden zwei parallele vertikale Leitungen 12b verwendet, um Kühlmittel zu den entsprechenden horizontalen parallelen Leitungen 12c zu leiten. Die rohrförmigen Elemente 5 sind hier mit Einwärtskrümmungen an einer vorderen Oberfläche und einer hinteren Oberfläche ausgeführt. Eine der horizontalen Leitungen 12c steht in Kontakt mit der Außenoberfläche des rohrförmigen Elements 5 an der vorderen Einwärtskrümmung und die andere horizontale Leitung 12c steht in Kontakt mit der Außenoberfläche der rohrförmigen Elemente 5 an der hinteren Einwärtskrümmung. Die entsprechenden horizontalen Leitungen 12c führen jeweils in eine entsprechende vertikale Leitung 12d. Die vertikalen Leitungen 12d sind mit einer Leitung 12e verbunden, die selbst mit der Leitung 11 im Kühlsystem verbunden ist.
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Im Betrieb des Verbrennungsmotors wird gekühlte Luft durch den Ladeluftkühler 1 geleitet. Zur selben Zeit zirkuliert Kühlmittel im Kühlsystem, welches den Motor kühlt. Die Steuereinheit 8 empfängt Informationen von einem Temperatursensor 15 bezüglich der Temperatur der Umgebungsluft. In Fällen, in denen die Umgebungsluft, welche die verdichtete Luft vom Ladeluftkühler 1 kühlt, eine Temperatur von über 0°C besitzt, stellt die Steuereinheit 8 fest, dass kein Risiko zur Eisbildung im Ladeluftkühler 1 besteht. In Situationen, in denen die Umgebungsluft eine Temperatur von weniger als 0°C besitzt, stellt die Steuereinheit 8 fest, dass ein Risiko zur Eisbildung besteht. Dieses Risiko hängt unter anderem von der Temperatur der Umgebungsluft und von der Belastung des Motors ab. Eine Eisbildung im Ladeluftkühler 1 tritt vor allem in Situationen auf, in denen die Umgebungsluft eine sehr niedrige Temperatur besitzt und gleichzeitig der Motor mit geringer Last betrieben wird. In Situationen, in denen Umgebungsluft eine Temperatur von weniger als 0°C besitzt, erhält die Steuereinheit 8 Informationen von den Drucksensoren 7a, 7b. Die Steuereinheit 8 verwendet diese Information, um den Druckabfall der verdichteten Luft beim Strömen durch die rohrförmigen Elemente 5 zu berechnen. Die Steuereinheit vergleicht den berechneten Druckabfall mit einem Schwellenwert. Wenn der errechnete Druckabfall den Schwellenwert überschreitet, stellt die Steuereinheit 8 fest, dass Eisbildung innerhalb der rohrförmigen Elemente 5 in einem solchen Ausmaß vorliegt, dass der Ladeluftkühler enteist werden muss.
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Daraufhin öffnet die Steuereinheit 8 das Ventilmittel 13, so dass ein Teil des warmen Kühlmittels in der Leitung 10 zur Leitung 12a geleitet wird und das Kühlmittel von der Leitung 12a zu den beiden vertikalen Leitungen 12b geleitet wird. Das Kühlmittel in den beiden vertikalen Leitungen 12b wird zu den horizontalen Leitungen 12c in jedem rohrförmigen Element 5 geleitet. Die horizontalen Leitungen 12c stehen in Kontakt mit der Außenoberfläche der entsprechenden rohrförmigen Elemente 5. Die rohrförmigen Elemente 5 werden daher durch das warme Kühlmittel erwärmt, welches innerhalb der horizontalen Leitung 12c fließt. Dadurch schmilzt Eis, welches sich nahe oder in Kontakt mit der Außenoberfläche der rohrförmigen Elemente 5 gebildet hat. Wenn das Kühlmittel durch die horizontalen Leitungen 12c geströmt ist, wird es von den zwei vertikalen Leitungen 12d aufgenommen. Das Kühlmittel wird danach in der Leitung 12e zurück zum Kühlsystem geleitet, welches den Verbrennungsmotor kühlt.
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Im Verlauf des Enteisungsprozesses erhält die Steuereinheit 8 im Wesentlichen kontinuierlich oder in geeigneten Intervallen Informationen von den Drucksensoren 7a, 7b, so dass sie den Druckabfall der verdichteten Luft über die rohrförmigen Elemente 5 berechnen kann. Wenn die Steuereinheit 8 Druckwerte von den Drucksensoren 7a, 7b empfängt, die darauf hinweisen, dass der Druckabfall unterhalb eines vorbestimmten Schwellenwerts gefallen ist, kann die Steuereinheit 8 feststellen, dass das Eis im Ladeluftkühler geschmolzen ist. Die Steuereinheit 8 schließt daraufhin dann das Ventilmittel 13, so dass der Kühlmittelfluss durch den Leitungskreis 12a–d anhält. 3 stellt eine alternative Möglichkeit dar, die horizontalen Leitungen 12c relativ zu den rohrförmigen Elementen 5 anzuordnen. In diesem Fall sind die vertikalen Leitungen 12b innerhalb der rohrförmigen Elemente 5 angeordnet. Die vertikalen Leitungen 12c sind hier in Fließkanälen angeordnet, die von den internen Turbulatoren 14 definiert werden. In diesem Fall weisen die rohrförmigen Elemente 5 eine konventionelle Außenoberfläche auf.
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Die Erfindung ist in keinem Fall auf die Ausführungsformen beschränkt, die hier in Anlehnung an die Figur beschrieben werden und kann stattdessen frei innerhalb der Umfänge der Ansprüche variiert werden. Zum Beispiel kann jede gewünschte Anzahl von horizontalen Leitungen 12c innerhalb der rohrförmigen Element 5 angeordnet werden.