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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Abgas-Kühleranordnung zur Kühlung von Abgas einer Brennkraftmaschine, die ein Gehäuse sowie einen im Gehäuse aufgenommenen Kühler aufweist. Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Brennkraftmaschinensystem mit einer derartigen Kühleranordnung.
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Im Betrieb einer Brennkraftmaschine entsteht Abgas, welches die Brennkraftmaschine mit hohen Temperaturen verlässt. Bei einer Vielzahl von Anwendungen ist es daher wünschenswert, das Abgas mit Hilfe eines Kühlers zu kühlen. Insbesondere bei einer Rückführung von Abgas zur Brennkraftmaschine ist eine derartige Kühlung gewünscht, um Beschädigungen nachfolgender, das heißt stromabseitiger, Bestandteile eines zugehörigen Brennkraftmaschinensystems zu verhindern oder zu reduzieren und/oder um die Dichte im Abgas zu erhöhen. In einer entsprechenden Abgas-Kühleranordnung ist der Kühler zum Kühlen des Abgases gewöhnlich in einem Gehäuse aufgenommen. Das Abgas strömt im Betrieb durch das Gehäuse und wird vom Kühler gekühlt. Aufgrund der erhöhten Temperaturen im Abgas ist es, insbesondere einlassseitig der Kühleranordnung, üblich, die Kühleranordnung aus metallischen, das heißt aus Metall oder einer Legierung hergestellten, Bestandteilen herzustellen, um eine Beständigkeit gegenüber dem heißen Abgas zu erreichen. Dies führt zu einer kostenintensiven Herstellung und/oder gewichtserhöhten Ausbildung der Kühleranordnung. Gleichzeitig stehen einer derartigen Kühleranordnung lediglich begrenzte Bauräume zur Verfügung. Dies ist insbesondere beim Einsatz der Kühleranordnung in einem Kraftfahrzeug der Fall, in dem die Kühleranordnung möglichst bauraumsparend auszugestalten ist.
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Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich daher mit der Aufgabe, für eine Abgas-Kühleranordnung zur Kühlung von Abgas einer Brennkraftmaschine sowie für ein Brennkraftmaschinensystem mit einer derartigen Kühleranordnung verbesserte oder zumindest andere Ausführungsformen anzugeben, die sich insbesondere durch eine wirtschaftlichere Herstellung und/oder eine erhöhte Effizienz auszeichnen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Die vorliegende Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, bei einer Abgas-Kühleranordnung, nachfolgend auch kurz Kühleranordnung genannt, einen das Abgas zu einem Kühler führenden Diffusor vorzusehen und diesen aus einer Außenwand aus Kunststoff und einer metallischen Innenwand herzustellen. Der Einsatz des Diffusors zur Zuführung des Abgases zum Kühler führt zu einer vorteilhaften Strömungsführung des Abgases zum Kühler, so dass das Abgas effizienter gekühlt wird. Die Ausgestaltung des Diffusors mit der Außenwand aus Kunststoff und der metallischen Innenwand führt zu einer kostengünstigen Ausgestaltung des Diffusors bei gleichzeitig hoher Hitzebeständigkeit.
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Dem Erfindungsgedanken entsprechend weist die Kühleranordnung ein Gehäuse auf, in dem der Kühler aufgenommen ist. Der Kühler dient dem Kühlen von Abgas, welches den Kühler im Betrieb passiert und/oder durchströmt. Hierzu weist das Gehäuse eine Einlassöffnung zum Einlassen von Abgas in das Gehäuse und eine Auslassöffnung zum Auslassen von Abgas aus dem Gehäuse auf. Der Diffusor dient der Zuführung von Abgas zur Einlassöffnung und somit zum Kühler. Dementsprechend wird der Diffusor nachfolgend auch als Einlassdiffusor bezeichnet. Der Einlassdiffusor ist einlassseitig des Gehäuses angeordnet und weist einen Diffusorauslass sowie einen zum Diffusorauslass beabstandeten Diffusoreinlass auf. Das Abgas strömt durch den Diffusoreinlass in den Diffusor und verlässt diesen durch den Diffusorauslass. Dementsprechend ist der Diffusorauslass fluidisch mit der Einlassöffnung des Gehäuses verbunden.
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Erfindungsgemäß erstreckt sich die metallische Innenwand des Einlassdiffusors zwischen dem Diffusoreinlass und dem Diffusorauslass, insbesondere vom Diffusoreinlass bis zum Diffusorauslass, und begrenzt einen Strömungspfad des Abgases durch den Einlassdiffusor. Das heißt, dass die Innenwand im Betrieb dem Abgas ausgesetzt ist. Hierzu ist die Innenwand vorzugsweise den Strömungspfad umschließend geschlossen ausgebildet. Die aus Kunststoff hergestellte Außenwand ist auf der vom Strömungspfad abgewandten Seite der Innenwand angeordnet, so dass die Innenwand die Außenwand vor dem Abgas schützt. Dabei umgibt die Innenwand die Außenwand, vorzugsweise entlang des Strömungspfads geschlossen.
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Unter „metallisch“ ist vorliegend aus Metall oder aus einer Metalllegierung, insbesondere aus Stahl, hergestellt zu verstehen. Das heißt, dass die Innenwand des Einlassdiffusors aus einem Metall oder einer Metalllegierung, beispielsweise aus Stahl, hergestellt ist.
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Als vorteilhaft sind Ausführungsformen zu betrachten, bei denen zwischen der Innenwand und der Außenwand zumindest abschnittsweise ein Spalt, vorzugsweise ein Luftspalt, ausgebildet ist. Hierdurch wird eine Wärmeübertragung zwischen der Innenwand und der Außenwand reduziert, so dass die Außenwand niedrigeren Temperaturen ausgesetzt ist. Somit kann die Außenwand aus weniger hitzebeständigen Kunststoffen und somit kostengünstiger hergestellt werden. Der Spalt erstreckt sich vorteilhaft entlang des Strömungspfads und in Umfangsrichtung des Einlassdiffusors, wobei der Spalt in Umfangsrichtung geschlossen ausgebildet sein kann.
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Die vorliegend verwendeten Richtungsangaben beziehen sich auf die Erstreckung des Einlassdiffusors. Das heißt, dass radial und in Umfangsrichtung bezüglich der Erstreckung des Einlassdiffusor zu verstehen sind. Erstreckt sich der Einlassdiffusor also axial, sind radial und in Umfangsrichtung bezüglich dieser Axialrichtung zu verstehen.
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Der Spalt kann prinzipiell beliebige Dimensionen aufweisen.
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Als vorteilhaft haben sich Ausführungsformen erwiesen, bei denen eine sich zwischen der Innenwand und der Außenwand streckende Höhe des Spalts, nachfolgend auch Spalthöhe genannt, zwischen 0,05 mm und 1,2 mm, insbesondere 1,0 mm, beträgt. Hierdurch ist ein ausreichend hoher thermischer Schutz der Außenwand gewährleistet, wobei der Einlassdiffusor gleichzeitig bauraumsparend ausgebildet ist.
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Bevorzugt sind Ausführungsformen, bei denen der Spalt lediglich im Bereich des Diffusoreinlasses vorgesehen ist. Das heißt, dass die Außenwand zum Ausbilden des Spalts im Bereich des Diffusoreinlasses zur Innenwand beabstandet ist. Im Die Spalthöhe kann dabei hin zum Diffusorauslass abnehmen. Die Abnahme der Spalthöhe kann dabei insbesondere kontinuierlich sein. Insbesondere ist die Außenwand im Bereich des Diffusorauslasses spaltfrei mit der Innenwand verbunden. Hierbei wird die Kenntnis genutzt, dass die Temperatur des Abgases hin zum Diffusorauslass abnimmt, so dass eine abnehmende Spalthöhe hin zum Diffusorauslass für den thermischen Schutz der Außenwand ausreichend ist. Zudem wird somit im Bereich des Diffusorauslasses eine mechanische Stabilisierung des Einlassdiffusors erreicht.
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Das Gehäuse der Kühleranordnung kann prinzipiell aus einem beliebigen Material hergestellt sein.
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Bei vorteilhaften Ausführungsformen ist das Gehäuse aus Kunststoff hergestellt. Somit kann das Gehäuse kostengünstig und/oder gewichtsreduziert hergestellt werden.
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Das aus Kunststoff hergestellt Gehäuse erlaubt ferner eine vereinfachte Verbindung zwischen dem Gehäuse und der Außenwand, wobei Ausführungsformen bevorzugt sind, bei denen die Außenwand stoffschlüssig am Gehäuse angebracht ist. Vorteilhaft ist die Außenwand mit dem Gehäuse verlötet. Vorstellbar ist es auch, die Außenwand mit dem Gehäuse zu verschweißen. Somit bildet die Außenwand des Einlassdiffusors einen Teil des Gehäuses.
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Vorteilhaft ist es, wenn die Innenwand des Einlassdiffusors am Kühler, insbesondere stoffschlüssig angebracht ist. Vorstellbar ist es, die Innenwand mit dem Kühler zu verlöten oder zu verschweißen.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen, bei denen die Außenwand die Einlassöffnung umgibt, zu dieser aber radial beabstandet ist. Demgegenüber ist die Innenwand die Einlassöffnung umschließend angeordnet und schließt radial an der Einlassöffnung an. Somit ist ein bauraumsparender Aufbau der Kühleranordnung realisiert, bei der der Strömungsquerschnitt des Diffusorauslasses und der Einlassöffnung maximiert sind.
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Die Innenwand und/oder die Außenwand können jeweils beliebige Wanddicken aufweisen, die entlang der Erstreckung des Einlassdiffusors variieren können.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen, bei denen eine Wandstärke der Innenwand hin zum Diffusoreinlass abnimmt. Hierbei wird die Kenntnis genutzt, dass die Abgastemperatur hin zum Diffusorauslass abnimmt bzw. hin zum Diffusoreinlass zunimmt, so dass mit der hin zum Diffusoreinlass abnehmenden Wandstärke, insbesondere in Kombination mit dem Spalt, ein verbesserter Ausgleich von Verformungen der Innenwand, welche thermisch bedingt sein können, erfolgen kann.
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Die Kühleranordnung weist bevorzugt einen Flansch auf, mit dem die Kühleranordnung an der zugehörigen Brennkraftmaschine oder einer Abgasanlage angeschlossen werden kann. Der Flansch ist vorteilhaft am Einlassdiffusor angebracht und umgibt den Einlassdiffusor im Bereich des Diffusoreinlasses. Das heißt, dass der Einlassdiffusor in den Flansch eindringt. Dabei ist die Außenwand zwischen dem Flansch und der Innenwand angeordnet. Vorteilhaft ist es ferner, wenn die Außenwand stoffschlüssig, insbesondere durch Verlöten, mit dem Flansch verbunden ist.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen, bei denen mehrere, vorzugsweise sämtliche, stoffschlüssige Verbindungen der Kühleranordnung gemeinsam hergestellt werden. Das heißt insbesondere, dass mehrere, vorzugsweise alle, miteinander zu verlötenden Bestandteile der Kühleranordnung gemeinsam verlötet werden. Entsprechendes gilt für miteinander zu verschweißende Bestandteile.
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Zum Verlöten der miteinander zu verlötenden Bestanteile der Kühleranordnung kommt vorteilhaft ein Lötmittel, insbesondere eine Nickelpaste, zum Einsatz. Dies erlaubt eine zuverlässige und stabile Lötverbindung zwischen den Bestandteilen.
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Es versteht sich, dass neben der Kühleranordnung auch ein Brennkraftmaschinensystem mit einer solchen Kühleranordnung und einer Brennkraftmaschine zum Umfang dieser Erfindung gehört, wobei das Brennkraftmaschinensystem Bestandteil eines Kraftfahrzeugs sein kann.
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Das Brennkraftmaschinensystem kann neben der Brennkraftmaschine und der Kühleranordnung eine Frischluftanlage zur Zuführung von Frischluft oder einer Frischluftmischung zur Brennkraftmaschine und eine Abgasanlage zum Abführen von Abgas der Brennkraftmaschine aufweisen.
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Die Kühleranordnung kann zum Kühlen von der Brennkraftmaschine rückzuführendem Abgas zum Einsatz kommen. Dementsprechend ist die Kühleranordnung vorteilhaft Bestandteil einer Abgasrückführeinrichtung, welche aus der Brennkraftmaschine stammendes Abgas der Brennkraftmaschine, insbesondere über die Frischluftanlage, zuführt.
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Der Kühler der Kühleranordnung kann prinzipiell beliebig ausgestaltet sein. Der Kühler ist vorteilhaft derart ausgestaltet, dass er vom Abgas durchströmbar ist und das Abgas somit kühlt. Vorstellbar ist es insbesondere, einen Rohre, insbesondere Flachrohre, aufweisenden Kühler vorzusehen, wobei die Rohre im Betrieb vom Abgas durchströmt und von einem Kühlfluid, beispielsweise von Luft, umströmt sind und somit ein Wärmeaustausch zwischen dem Kühlfluid und dem Abgas stattfindet, um das Abgas zu kühlen. Auch können die Rohre vom Kühlfluid durchströmt und vom Abgas umströmt 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 stark vereinfachte, schaltplanartige Darstellung eines Brennkraftmaschinensystems mit einer Abgas-Kühleranordnung,
- 2 eine isometrische Ansicht der Kühleranordnung,
- 3 einen Längsschnitt durch die Kühleranordnung.
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Ein Brennkraftmaschinensystem 1, wie es in 1 stark vereinfacht und schaltplanartig dargestellt ist, weist eine Brennkraftmaschine 2 auf, in dem im Betrieb Abgas entsteht. Das Brennkraftmaschinensystem 1 weist zudem eine Abgas-Kühleranordnung 3, nachfolgend auch kurz Kühleranordnung 3 genannt, zum Kühlen des Abgases der Brennkraftmaschine 2 auf.
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Im gezeigten Beispiel ist die Kühleranordnung 3 Bestandteil einer Abgasrückführeinrichtung 4, mit der das Abgas der Brennkraftmaschine 2 rückgeführt wird. Hierzu zweigt die Abgasrückführeinrichtung 4 von einer Abgasanlage 5 des Brennkraftmaschinensystems 1, das dem Abführen des in der Brennkraftmaschine 2 entstehenden Abgases dient, ab und mündet in eine Frischluftanlage 6, mit der der Brennkraftmaschine 2 Frischluft zugeführt wird. Vorstellbar ist es auch, dass die Abgasrückführeinrichtung 4 zum Abzweigen von Abgas unmittelbar an der Brennkraftmaschine 2 angeschlossen ist.
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Ein Beispiel einer Kühleranordnung 1 ist in den 2 und 3 dargestellt, wobei 2 eine isometrische Ansicht der Kühleranordnung 3 und 3 einen Längsschnitt der Kühleranordnung 3 zeigen. Zum Kühlen des Abgases weist die Kühleranordnung 3 einen Kühler 7 auf, der ein Rohrbündel 8 mit mehreren Rohren 9, im gezeigten Beispiel Flachrohren 10, aufweist. Ein Strömungspfad 11 des Abgases führt durch die Rohre 9 des Kühlers 7. Die Rohre 9 sind in einem Strömungspfad 12 eines Kühlfluids, nachfolgend Kühlfluid-Strömungspfad 12 genannt, derart angeordnet, dass das Kühlfluid die Rohre 9 fluidisch vom Strömungspfad 11 des Abgases getrennt umströmt. Beim Kühlfluid kann es sich um ein Kühlmittel oder um Luft handeln. Der Kühler 7 ist in einem Gehäuse 13 der Kühleranordnung 3 aufgenommen, welches aus Kunststoff hergestellt sein kann. Das Gehäuse 13 ist in den 2 und 3 lediglich teilweise, nämlich lediglich im Bereich einer Einlassöffnung 14 des Gehäuses 13 und einer Auslassöffnung 15 zum Auslassen von Abgas aus dem Gehäuse 13, dargestellt, durch die der Strömungspfad 11 des Abgases jeweils führt. In der Einlassöffnung 14 ist eine erste Aufnahmeplatte 16 des Kühlers 7 angeordnet, in der die Rohre 9 endseitig aufgenommen sind, derart, dass das Abgas durch die Einlassöffnung 14 in die Rohre 9 strömt. In der Auslassöffnung 15 ist eine zweite Aufnahmeplatte 17 angeordnet, in der die anderen Enden der Rohre 9 derart aufgenommen sind, dass aus den Rohren 9 strömendes Abgas durch die Auslassöffnung 15 strömt und das Gehäuse 13 verlässt. Auslassseitig des Gehäuses 13 weist die Kühleranordnung 3 eine Düse 18, nachfolgend auch Auslassdüse 18 genannt, auf, die aus Kunststoff hergestellt und fluidisch mit der Auslassöffnung 15 verbunden ist. Die Auslassdüse 18 ist mit dem Gehäuse 13 stoffschlüssig verbunden, insbesondere verlötet.
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Einlassseitig des Gehäuses 13 weist die Kühleranordnung 3 einen Diffusor 19, nachfolgend auch Einlassdiffusor 19 genannt, auf, der über einen Diffusorauslass 20 fluidisch mit der Einlassöffnung 14 verbunden ist. Der Einlassdiffusor 19 weist einen zum Diffusorauslass 20 beabstandeten Diffusoreinlass 21 auf, wobei sich der Einlassdiffusor 19 zwischen dem Diffusoreinlass 21 und dem Diffusorauslass 20 erstreckt. Dabei wird nachfolgend von einer axialen Erstreckung des Einlassdiffusors 19 ausgegangen. Der Strömungspfad 11 des Abgases führt durch den Diffusoreinlass 21 und den Diffusorauslass 20 sowie durch die Auslassdüse 18.
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Der Einlassdiffusor 19 weist eine aus einem Metall oder einer Metalllegierung hergestellte Innenwand 22 auf, die sich vom Diffusoreinlass 21 bis zum Diffusorauslass 20 erstreckt, in Umfangsrichtung 24 geschlossen ausgebildet ist und den Strömungspfad 11 des Abgases im Einlassdiffusor 19 begrenzt, derart, dass die Innenwand 22 beim Strömen von Abgas durch den Einlassdiffusor 19 unmittelbar mit dem Abgas in Kontakt steht. Der Einlassdiffusor 19 weist zudem eine auf der vom Strömungspfad 11 abgewandten Seite der Innenwand 22 angeordnete Außenwand 23 auf, die aus Kunststoff hergestellt ist und die sich vom Diffusoreinlass 21 bis zum Diffusorauslass 20 erstreckt und die Innenwand 22 im Umfangsrichtung 24 geschlossen umschließt. Die Innenwand 22 und die Außenwand 23 sind dabei jeweils diffusorförmig ausgebildet. Zwischen der Innenwand 22 und der Außenwand 23 ist ein Spalt 25, insbesondere ein Luftspalt 26, ausgebildet, wobei eine Höhe 27 des Spalts 25, die zwischen Innenwand 22 und Außenwand 23 verläuft, im gezeigten Beispiel in Richtung des Diffusorauslasses 22 abnimmt, derart, dass die Außenwand 23 im Bereich des Diffusorauslasses 20 spaltfrei an der Innenwand 22 anliegt. Die Höhe 27 des Spalts 25 ist also im Bereich des Diffusoreinlasses 21 am größten. Dabei beträgt die Höhe 27 im Bereich des Diffusoreinlasses 21 zwischen 0,5 mm und 1,2 mm, insbesondere 1,0 mm. Zu erkennen ist ferner, dass eine Wandstärke 28 der Innenwand 22 hin zum Diffusoreinlass 21 ab bzw. hin zum Diffusorauslass 20 zunimmt.
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Der Einlassdiffusor 23 ist einlassseitig in einem Flansch 29 eingeführt, derart, dass der Flansch 29 den Diffusoreinlass 21 in Umfangsrichtung 24 umschließt. Zwischen dem Flansch 29 und der Innenwand 22 ist die Außenwand 23 angeordnet. Mit dem Flansch 29 kann die Kühleranordnung 3 fluidisch und mechanisch in der Abgasrückführeinrichtung 4 eingebunden oder an der Brennkraftmaschine 2 angeschlossen werden.
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Die Außenwand 23 ist stoffschlüssig mit dem Gehäuse 13 verbunden, insbesondere verlötet. Dies erfolgt im gezeigten Beispiel durch einen radial abstehenden, in Umfangsrichtung geschlossenen Ringabschnitt 30 der Außenwand 23, der die Einlassöffnung 14 umschließt und radial zur Einlassöffnung 20 beabstandet ist. Der Ringabschnitt 30 liege dabei flächig am Gehäuse 13 an. Die Außenwand 23 ist zudem stoffschlüssig mit dem Flansch 29 verbunden, insbesondere verlötet. Die Innenwand 22 ist stoffschlüssig mit dem Kühler 7, insbesondere mit der ersten Aufnahmeplatte 16 verbunden, insbesondere verlötet. Die Auslassdüse 18 ist stoffschlüssig mit dem Gehäuse 13 verbunden, insbesondere verlötet, und weist hierzu einen die Auslassöffnung 15 in Umfangsrichtung 24 umgebenden und radial dazu beabstandeten, ringförmigen Verbindungsabschnitt 31 auf, welcher flächig am Gehäuse 13 anliegt. Die stoffschlüssigen Verbindungen, insbesondere Verlötungen, werden vorteilhaft in einem gemeinsamen Verfahren, insbesondere einem gemeinsamen Lötprozess, verlötet, wobei hierzu ein (nicht gezeigtes) Lötmittel zum Einsatz kommen kann.
