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Die
vorliegende Erfindung betrifft Luftverdichter und insbesondere ein
System für
Kühlluftverdichter
gemäß dem jeweiligen
Oberbegriff des Anspruchs 1 und 12. Ein derartiger Verdichter ist
beispielsweise aus der US-A-3961869 bekannt.
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Zahlreiche
Arten und Konstruktionen von Luftverdichtern gehören zum Stand der Technik. Während einige
zum unter Druck setzen der Luft rotierende Laufräder verwenden, sind Zwangsverdrängungsverdichter
am weitesten verbreitet. Zwangsverdrängungsverdichter umfassen einen
Kolben, eine Kurbelwelle, eine Verbindungsstange, einen Zylinder und
einen Ventilkopf. Typische Verdichter besitzen einen oder zwei Zylinder
und eine entsprechende Anzahl von Kolben. Zweizylinderverdichter
arbeiten in derselben Weise wie Einzylinderverdichter. Jeder Umlauf
der Kurbelwelle ruft jedoch zwei Verdichtungshübe hervor, jeweils einen für jeden
Kolben.
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Die
Kurbelwelle wird üblicherweise
durch einen Elektromotor oder eine Gasmaschine mit Kraft versorgt.
An der Oberseite des Zylinders befindet sich ein Ventilkopf mit
Einlass- und Auslassventilen, die den Luftdurchlass in den Zylinder
und aus diesem heraus steuern. Wenn die Kurbelwelle in Drehung versetzt
wird, bewegt die Verbindungsstange den Kolben innerhalb des Zylinders
auf- und abwärts. Wenn
sich der Kolben abwärts
bewegt, wird ein Vakuum erzeugt, das Außenluft durch das Einlassventil in
den Zylinder saugt. Wenn sich der Kolben aufwärts bewegt, wird die Luft in
dem Zylinder verdichtet, wodurch das Einlassventil schließt und das
Auslassventil öff net.
Die Verdichtung von Luft erzeugt außerdem beträchtliche Wärme.
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Zahlreiche
Verdrängungsverdichter
sind mit einem Ölbad
erstellt, das die Verbindungsstangenlager und die Zylinderwände mit Öl bespritzt.
Für derartige
Verdichten dichtet ein ringförmiger
Kompressionsring oder dichten mehrere derartige Ringe auf dem Kolben
den Innendurchmesser des Zylinders derart ab, dass sich Schmieröl nicht
mit der verdichteten Luft mischt. Häufig sind die Verdichtungsringe jedoch
nicht vollständig
wirksam dahingehend, zu verhindern, dass Öl in die verdichtet Luft in
Aerosolform gelangt, was in einigen Anwendungen nicht tolerierbar
ist. Ölgeschmierte
Verdichter erfordern Wartung und Ölwechsel sowie, dass der Verdichter
auf einer im Wesentlichen ebenen Fläche betrieben wird.
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Ölfreie Verdichter
stellen eine Lösung
für diese
Probleme dar. Typischerweise verwenden derartige Verdichter Verbindungsstangenlager
und Verdichterringe, die aus selbstschmierendem Material, wie etwa
PTFE, hergestellt sind. Da kein Öl
benötigt
wird, um die bewegten Teile zu schmieren, ist die Temperatur im
Kurbelgehäuse
und den Zylindern höher.
Da sich selbstschmierende Materialien, ähnlich wie die meisten Materialien,
im Laufe der Zeit in Hochtemperaturumgebungen verschlechtern, steht
die Nutzungszeit für
die Verdichtungsringe direkt in Beziehung zum Wirkungsgrad des Kühlsystems
des Verdichters.
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Einige
Verdichter besitzen ein offenes Kurbelgehäuse, wodurch Luft hindurchtreten
kann, um die Zylinder und Verdichtungsringe zu kühlen. Verdichter mit offenen
Kurbelgehäusen
sind jedoch häufig
laut und können
zusätzliche
Wartung erfordern auf Grund von Staub und Schmutz, die in das Kurbelgehäuse eindringen
und die Verbindungsstangenlager, die Verdichtungsringe und/oder
die Zylinderwände beschädigen. Es
ist deshalb erwünscht,
das Kurbelgehäuse
vollständig
zu verschließen.
Verdichter mit geschlossenen Kurbelgehäusen nutzen Gebläseräder, die
durch. den Antriebsmotor betätigt
sind, um Luft außen
am Kurbelgehäuse
und den Zylindern vorbei zu leiten.
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Eine
derartige Konstruktion kühlt
jedoch häufig
die Zylinder und Verdichtungsringe nicht in angemessener Weise.
Dies ist deshalb der Fall, weil die Zylinder gewöhnlich aus Gusseisen hergestellt
sind. Gusseisen führt
zu einer harten, gleichmäßigen Innenbohrung,
die eine Reibungsfläche
niedriger Reibung für
die Verdichtungsringe erzeugt. Der Gussprozess stellt ein kosteneffektives
Mittel zur Ausbildung von Kühlrippen
um den Zylinder bereit. Gusseisen besitzt jedoch eine relativ niedrige
Wärmeleitfähigkeit,
die etwa halb so groß ist
wie diejenige von Aluminium.
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Eine
Lösung
(für die
beschriebenen Probleme) ist in dem auf Tsuge am 8. Januar 1985 erteilten US-Patent
Nr. 4492533 offenbart. Der Luftverdichter besitzt demnach eine Antriebseinheit,
ein Kurbelgehäuse
und Zylinder, die in einem schalldichten Kasten eingeschlossen sind.
Der Verdichter umfasst einen Lüfter
und der Kasten besitzt Lufteinlass- und -auslassöffnungen. Die Kurbelwelle besitzt
außerdem
mehrere Bohrungen, die Durchlässe
für Luft festlegen,
damit diese hindurchtritt, um die Verbindungsstangenlager und Kolbenringe
zu kühlen.
Während
diese Konstruktion einige der vorstehend genannten Probleme überwindet,
erfordert sie einen schalldichten Kasten, der nicht vollständig verschlossen
ist, so dass Schmutz eindringen und die Reibung zwischen bewegten
Teilen erhöhen
kann.
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Die
GB-A-2175653 offenbart einen Verdichter mit einem offenen Kurbelgehäuse, in
das Luft eingelassen wird, und mit einem Zylinder mit einer Gusseisenauskleidung
im Inneren.
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Es
besteht deshalb ein Bedarf für
ein verbessertes Kühlsystem
für einen ölfreien
Verdichter mit vollständig
verschlossenem Kurbelgehäuse.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung stellt einen ölfreien Luftverdichter und
ein Kühlsystem
in Übereinstimmung
mit den Ansprüchen
12 und 1 bereit.
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Der
Zylindereinsatz ist bevorzugt aus einer Aluminiumlegierung mit geringem
Siliziumgehalt und hohem Schmelzpunkt hergestellt, bevorzugt mit
einem Siliziumgehalt geringer als ein Prozent und einem Schmelzpunkt
höher als
600 Grad Celsius.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
umfasst die vorliegende Erfindung einen ölfreien Luftverdichter mit
einer Zwangsverdrängungsverdichtereinheit
mit einem Paar von hin und her laufenden Kolben, die innerhalb eines
Paars von versetzten Verdichtungszylindern beweglich sind, die eine
V-Konfiguration bilden. Jeder Verdichtungszylinder umfasst einen
Wärme leitenden
Aluminiumlegierungszylindereinsatz mit geringem Siliziumgehalt und
eine wärmeleitfähige Aluminiumlegierungswärmesenkenstruktur,
die integral an den Außendurchmesser
des Zylindereinsatzes gegossen ist. Die Wärmesenke umfasst mehrere ringförmige Kühlrippen.
Eine Antriebseinheit betätigt
eine Kurbelwelle innerhalb eines vollständig verschlossenen Kur belgehäuses für einen
Hin- und Herlauf der Kolben innerhalb der Verdichtungszylinder.
Ein Gebläserad
außerhalb
des Kurbelgehäuses
wird durch die Antriebseinheit in Drehung versetzt, um Luft. an
der Wärmesenke
zur Kühlung
der inneren Bestandteile des Verdichters vorbei zu leiten.
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Die
vorliegende Erfindung stellt demnach einen Luftverdichter bereit,
in dem das Kurbelgehäuse vollständig verschlossen
werden kann, ohne dass Kühlluft
erforderlich wäre,
die dort hindurch strömt. Dies
erlaubt es, dass der Luftverdichter ruhiger arbeitet als Verdichter
mit offenem Kurbelgehäuse
und ein vorzeitiger Verschleiß der
Kolbendichtungen, Zylinder und Kolbenwellenlager wird verhindert.
Obwohl das Kurbelgehäuse
vollständig
verschlossen ist, wird es ausreichend gekühlt durch Blasen externer Luft
an der Außenseite
der einstückig
konstruierten Verdichtungszylinder, die einen Zylindereinsatz und
eine Wärmesenke
aufweisen, die beide aus einer Aluminiumlegierung hergestellt sind,
die hohe Wärmeleitfähigkeit
besitzt. Die Aluminiumlegierung besitzt darüber hinaus einen hohen Schmelzpunkt
derart, dass die Wärmesenke
um den Zylindereinsatz gegossen werden kann, ohne während des
Gießprozesses strukturelle
Integrität
zu verlieren. Die Aluminiumlegierung besitzt außerdem einen geringen Siliziumgehalt,
so dass der Innendurchmesser des Zylindereinsatzes auf einen glatten
Endzustand spanabhebend bearbeitet werden kann, folgend auf den
Gussprozess, und daraufhin auf geeignete Härte anodisiert werden kann,
ohne das Oberflächenfinish
zu beeinträchtigen.
Dadurch ist lediglich ein (einziger) spanabhebender Bearbeitungsvorgang
erforderlich, was zur Kostensenkung führt.
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Die
vorstehend genannten sowie weitere Aufgaben und Vorteile der Erfindung
erschließen
sich aus der nachfolgenden Beschreibung. In dieser Beschreibung
wird auf die anliegenden Zeichnungen Bezug genommen, die einen Teil
von ihr bilden, und die beispielhaft eine bevorzugte Ausführungsform der
Erfindung zeigen. Diese Ausführungsform
repräsentiert
nicht notwendigerweise den vollen Schutzumfang der Erfindung; diesbezüglich muss
vielmehr auf die Ansprüche
zurückgegriffen
werden.
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KURZE BESCHREIBUNG DER
ZEICHNUNGEN
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1 zeigt
eine perspektivische Ansicht eines Luftverdichters mit verkapseltem
Kurbelgehäuse und
einem Kühlsystem
gemäß der vorliegenden
Erfindung;
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2 zeigt
eine ähnliche
perspektivische Ansicht wie 1, wobei
jedoch ein Teil der Hülle aufgeschnitten
ist und Pfeile den Kühlluftströmungspfad
am Kurbelgehäuse
und der Wärmesenke
vorbei zeigen;
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3 zeigt
eine Querschnittsansicht entlang der Linie 3-3 von 1 unter
Darstellung eines Zylinders in dem verkapselten Kurbelgehäuse des
Verdichters; und
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4 zeigt
eine perspektivische Ansicht eines Zylinders mit einer mit Rippen
versehener Wärmesenke,
die an einem buchsenartigen Zylindereinsatz gegossen ist.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
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In 1 bis 3 ist
der erfindungsgemäße Luftverdichter
allgemein mit der Bezugsziffer 10 bezeichnet. Der Luftverdichter 10 umfasst
als Hauptbestandteile eine Antriebseinheit 12, eine Verdichtereinheit 14,
ein Gebläserad 16 und
eine Schutzhülle 18.
Die Antriebseinheit 12 besteht aus einem Elektromo tor 20 und
einer exzentrischen Kurbelwelle 22. Bei der Verdichtereinheit. 14 handelt
es sich um eine solche vom Zwangsverdrängungstyp mit einem Paar von
Verbindungsstangen 24, die an der Kurbelwelle 22 über Lager 26 schwenkbar
angebracht sind. Jede Verbindungsstange 24 ist schwenkbar
mit einem zylindrischen Kolben 28 verbunden. Ein Kurbelgehäuse 30 ist
an der Stirnseite des Elektromotors 20 angebracht und schließt die Kurbelwelle 22 und
die Verbindungsstangen 24 ein. In Gegenüberlage zur der Antriebseinheit 12 besitzt
das Kurbelgehäuse 30 ein offenes
Ende, das durch eine Kappenplatte 25 abgedeckt ist, die
am Kurbelgehäuse
durch eine geeignete Dichtung und geeignete Befestigungselemente (nicht
gezeigt) abgedichtet ist. Die Kappenplatte 25 umfasst eine
zentrale Bohrung, durch die sich ein gerades Ende der Kurbelwelle 22 erstreckt,
die das Gebläserad 16 trägt. Eine
(nicht gezeigte) geeignete Ringdichtung kann verwendet werden, um
die zentrale Bohrung um die Kurbelwelle 22 abzudichten. Das
Gebläserad 16 kann
beliebiger geeigneter Konfiguration sein, wie etwa einer Doppelkäfigkonfiguration,
die an sich bekannt ist, und es weist mehrere sich axial erstreckende
hohle Flügel 24 auf.
Das Kurbelgehäuse 30 besitzt
ebenfalls ein Paar gewinkelter zylindrischer Öffnungen 36 an seiner
Oberseite, durch die sich die Kolben 28 erstrecken. Verdichtungszylinder 38 (nachfolgend
näher erläutert) sind über den
Zylinderöffnungen 36 derart
angebracht, dass sie relativ zueinander in der standardgemäßen V-Konfiguration
versetzt sind. Jeder Verdichtungszylinder 38 ist mit einem
Ventilkopf 40 abgedeckt, der ein Umgebungslufteinlassventil
in Verbindung mit einer stromaufwärtigen Luftfilter-/Schalldämpfereinheit 42 in
Verbindung bringt, und mit einem Auslassventil für verdichtete Luft in Verbindung
mit einem stromabwärtigen
Anschluss 44 zum Anbringen eines Schlauchs von einer (nicht
gezeigten) Luftkraftzufuhreinrichtung. Die Hülle 18 deckt das Gebläserad 16, das
Kurbelgehäuse 30 und
die Verdichtungszylinder 38 ab und besitzt ein Gitter 32,
durch das Luft durch das Gebläserad 16 angesaugt
werden kann.
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Wie
in 4 gezeigt, ist in Übereinstimmung mit der vorliegenden
Erfindung jeder Verdichtungszylinder 38 aus einem Zylindereinsatz 46,
einer Halterungsplatte 48 und einer Wärmesenke 50 gebildet. Der
Zylindereinsatz 46 ist als getrennter Bestandteil gebildet,
während
die Halterungsplatte bzw. Montageplatte 48 und die Wärmesenke 50 integral
gegossen sind. Der Zylindereinsatz 46 ist ein hohler, offenendiger
Zylinder mit einem Innendurchmesser, der entsprechend dem Außendurchmesser
von Verdichtungsringen 52 bemessen ist, die um den Umfang
der Kolben 28 passen (siehe 3). Die
Verdichtungsringen 52 sind bevorzugt aus selbstschmierendem Polytetrafluorethylen-(PTFE)material
hergestellt.
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Bevorzugt
sind die Halterungsplatte 48 und die Wärmesenke 50 integral
miteinander in einem Gussformprozess gebildet worden, in dem der
Zylindereinsatz 46 innerhalb der Gussform enthalten ist. Auf
diese Weise können
mehrere ringförmige
Rippen 54 integral um den Zylindereinsatz 46 gegossen
werden. Die integrale Verbindung zwischen dem Zylindereinsatz 46 und
den Rippen 54 stellt einen ununterbrochenen Pfad zu Gunsten
einer Wärmeleitungsübertragung
bereit. Obwohl der Einsatz 46 nicht mit der Wärmesenke 50 verschmolzen
ist, resultiert der enge Oberflächenkontakt
zwischen den beiden Bestandteilen und die hohe Wärmeleitfähigkeit der beiden Materialien
in einer hohen Wärmeleitfähigkeit der
Verbundstruktur. Es wird bemerkt, dass es auch möglich ist, Materialien zu wählen und
den Wärmesenkengussprozess
mit einem bestimmten Ausmaß an
Verschmelzung zwischen der Außenseite
des Einsatzes 46 und der Wärmesenke 50 durchzuführen, während die
strukturelle Integrität
der Innenseite des Einsatzes 46 beibehalten ist.
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Nachdem
die Rippen 54 an den Zylindereinsatz 46 druckgegossen
worden sind, wird der Innendurchmesser des Zylindereinsatzes 46 spanabhebend
auf die endgültige
Größe und eine
hochqualitative Oberfläche
bearbeitet, um eine glatte Lagerfläche bereitzustellen, an der
die Verdichtungsringe 52 gleiten können. Bevorzugt besitzt der
Innendurchmesser eine Oberflächenglattheit
von 5-15 rms. Der Innendurchmesser des Zylindereinsatzes 46 wird
daraufhin anodisiert, um eine geeignete Härte und Lagerfläche zu erzielen.
Das Oberflächenfinish
des Innendurchmessers wird im Wesentlichen beibehalten ausgehend
von dem ursprünglichen,
spanabhebenden Vorgang, bevorzugt innerhalb 10-30 rms der ursprünglichen
Feinbearbeitung, wodurch die Notwendigkeit entfällt, eine sekundäre Bohrungsfertigbearbeitung
durchzuführen,
und wodurch die Kosten verringert sind.
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Jede
Halterungsplatte 48 und Wärmesenke 50 ist bevorzugt
hergestellt aus einer Standardaluminiumlegierung, die gussgeeignet
ist, wie etwa aus 380-Druckgussaluminium. Bevorzugt chemische Zusammensetzungsgrenzen
für das
380-Druckgussaluminium sind folgende: 3,5% Kupfer, 8,5% Silizium, 1,3%
Eisen, 0,5 Mangan, 0,5% Nickel, 0,1% Magnesium, 3,0% Zink, 0,35
Zinn, 0,5% Spurenelemente und mit dem Rest in Gestalt von Aluminium.
Dem gegenüber
ist jeder Zylindereinsatz 46 bevorzugt aus einer Aluminiumlegierung
mit einem Schmelzpunkt hergestellt, der höher ist als derjenige der Halterungsplatte 48 und
der Wärmesenke 50,
bevorzugt beträgt
der Schmelzpunkt 600 Grad Celsius oder höher, und mit einem geringen
Siliziumgehalt, wie etwa 6063-T6-Aluminium. Die chemischen Zusammensetzungsgrenzen
für das
6063-T6-Aluminium sind 0,2-0,6% Sili zium, 0,35% Eisen, 0,1% Kupfer,
0,1% Mangan, 0,45-0,9 Magnesium, 0,1% Chrom, 0,1% Zink, 0,1% Titan,
0,15% Spurenelemente und mit dem Rest in Gestalt von Aluminium.
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Ein
geringer Siliziumgehalt (geringer als 1% im Vergleich zu mehr als
8% in standardmäßigem Druckgussaluminium)
ist erwünscht,
weil Silizium in dem Anodisierungsprozess schlechter wird und den Fertigzustand
der maschinell bearbeiteten Oberfläche beeinträchtigt und aufraut. Da der
Zylindereinsatz 46 einen geringen Siliziumgehalt besitzt,
wird das Oberflächenfinish
des Innendurchmessers nicht in dem Ausmaß schlechter wie im Fall von
standardgemäßem Druckgussaluminium.
Wie angesprochen, ist deshalb kein spanabhebendes Bearbeiten nach der
Anodisierung erforderlich, um ein hochqualitatives Oberflächenfinish
erneut am Innendurchmesser des Einsatzes 46 bereitzustellen.
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Die
Halterungsplatte 48 umfasst Bohrungen zum Anbringen der
Verdichtungszylinder 38 über den Zylinderöffnungen
des Kurbelgehäuses 30 mit
geeigneten Befestigungselementen. Wenn die Kurbelwelle 22 im
Einsatz durch den Elektromotor 20 in Drehung versetzt wird,
wird Wärme
aus der Verdichtungswärme
und durch Gleitreibung zwischen den Kolbenverdichtungsringen 52 und
dem Innendurchmesser des Zylindereinsatzes 46 erzeugt,
wenn die Kolben 28 innerhalb der Verdichtungszylinder 38 hin
und her laufen. Diese Wärme
wird über
Wärmeleitfähigkeit
durch den Zylindereinsatz 46 und zu der Wärmesenke 50 von
jedem Verdichtungszylinder 38 übertragen. Das Gebläserad 16 leitet
Luft am Äußeren des
Kurbelgehäuses 30 vorbei
(wie in 2 durch die Pfeile gezeigt)
und an den Verdichtungszylindern 38 vorbei, einschließlich den
Wärmesenken 50,
wodurch die Wärme
in Übereinstimmung
mit den Prinzipien der Konvektionswärmeübertragung abgeführt wird,
um eine wirksame Kühlung des
Luftverdichters 10 bereitzustellen. Das Kurbelgehäuse 30 benötigt deshalb keine Öffnungen,
damit die Luft durch das Innere des Kurbelgehäuses 30 hindurchtreten
kann. Das Kurbelgehäuse 30 kann
stattdessen verschlossen sein, um Geräusch zu verringern und zu verhindern,
dass Staub und Schmutz bewegte Innenteile beschädigen, wie etwa die Lager 26,
die Verdichtungsringen 52 und die Zylinderinnenwände.
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Eine
illustrative Ausführungsform
der Erfindung ist als Offenbarung einer praktischen, betriebsgerechten
Struktur vorstehend erläutert,
in Gestalt welcher die Erfindung vorteilhafterweise in die Praxis umgesetzt
sein kann. Die Wärmesenke
und die Halterungsplatte der vorstehend erläuterten Ausführungsform
besitzen einen höheren
Siliziumgehalt als der Zylindereinsatz zur Verringerung von Kosten
und zur Bereitstellung eines besser geeigneten Gussmaterials; sie
können
jedoch auch aus einer Aluminiumlegierung mit geringem Siliziumgehalt
hergestellt werden. Der Schmelzpunkt des Zylindereinsatzes muss
außerdem
nicht höher
sein als derjenige der Wärmesenke
und der Halterungsplatte, vorausgesetzt, der Einsatz wird während des
Gussprozesses geeignet gekühlt.
Im Hinblick auf den vollen Schutzumfang der vorliegenden Erfindung
wird auf die nachfolgenden Ansprüche
Bezug genommen.