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Technisches Gebiet
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Die
vorliegende Erfindung betrifft allgemein Flüssigkeitskühler und genauer Flüssigkeitskühler mit
optionaler Laminarströmung.
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Hintergrund
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Flüssigkeitskühler werden
dazu verwendet, zusätzliche
Kühlung
für viele
verschiedene Fahrzeug- und Systembauteile vorzusehen. Im wesentlichen
bestehen Flüssigkeitskühler aus
Fluidrohren, die mit einem Fahrzeug- oder Systembauteil gekoppelt sind.
Die Außenflächen der
Fluidrohre sehen eine Oberfläche
vor, um Wärme
aus dem Fahrzeug- oder Systembauteil abzuleiten. Allgemein erfährt eine
durch die Rohrleitung strömende
Flüssigkeit eine
Laminarströmung,
Turbulenzströmung
oder eine Kombination aus Laminar- und Turbulenzströmung. Im
Kontext von Flüssigkeitskühlern ist
Laminarströmung
eine Fluidströmung,
bei welcher die gesamte Fluidbewegung in Richtung der Achse der
Rohrleitung läuft,
während
Turbulenzströmung
eine Fluidströmung
ist, bei welcher das Fluid rotiert oder sich innerhalb des Rohres
mischt.
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Betrachten
wir z.B. eine Laminarströmung
in einer horizontal orientierten Düse mit einem Durchmesser von
12,7 mm (1/2 Inch) und einer Länge
von einem Meter, mit einer Dieselströmung, die in das Rohr mit einer
Strömungsrate
von 0,5 Liter pro Minute in der Hauptmenge eintritt, und wobei 50
Watt gleichmäßig auf
die Rohrleitungswand aufgebracht werden. Wo die Einlassdieselkraftstofftemperatur
in der Hauptmenge fünfzig
Grad Celsius beträgt,
wird die Auslassdieselkraftstofftemperatur in der Hauptmenge 53
Grad Celsius sein. Die Temperatur entlang der Rohrleitungs wand und
der Dieselkraftstoff sehr nahe an der Rohrleitungswand ist 76 Grad
oder 24,5 Grad heißer
als die durchschnittliche Kraftstofftemperatur. Dies zeigt, daß der Temperaturanstieg
innerhalb des Fluids von der Hauptmenge des Fluids zu der Innenwand
der Rohrleitung den Gesamttemperaturanstieg dominiert. Da die Wärmemenge,
die ein Flüssigkeitskühler ableiten
kann, proportional zu der Temperaturdifferenz zwischen der Rohrleitungswandfläche und
dem Fluid sowie zu dem für
das Fluid verfügbaren
Flächeninhalt
der Rohrleitung ist, nehmen Flüssigkeitskühler im
vorliegenden Stand der Technik kostspielige U-Bögen in ihre Konstruktionen auf,
um den Flächeninhalt
zu erhöhen
und die geringe Konvektionsleistungsfähigkeit der Rohrleitung zu überwinden.
Die
GB 1146162 offenbart
die Verwendung eines Turbulenzerzeugers, um den Wärmeübergang
im Turbulenzströmungsbetrieb
zu verbessern.
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Deshalb
ist es sehr wünschenswert,
den Temperaturanstieg zwischen der Innenwand einer Rohrleitung und
einer Flüssigkeit
zu begrenzen, die durch die Rohrleitung mit einer konstanten Strömungsrate
strömt.
Dies würde
der thermische Wirksamkeitsgrad des Flüssigkeitskühlers zum Kühlen eines zugeordneten Bauteils
zu verbessern. Dadurch können
auch Flüssigkeitskühler mit
verringerten Größen gebildet
werden, während
kostspielige U-Bögen begrenzt
oder weggelassen werden, die normalerweise nötig sind, um eine adäquate Kühlung für ein zugeordnetes
Bauteil vorzusehen.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Nach
einem Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung ist ein Flüsskeitskühler nach
Anspruch 1 vorgesehen.
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Nach
einem weiteren Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung ist ein
Verfahren zum Verwenden eines Flüssigkeitskühlers nach
Anspruch 8 vorgesehen.
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Bei
der beanspruchten Erfindung kann mehr Wärme von einer mit der Kühlerrohrleitungsoberfläche gekoppelten
zugehörigen
Struktur geleitet werden, wodurch ein erhöhter thermischer Wirksamkeitsgrad
vorgesehen ist. Außerdem
sind Kosten für die
Herstellung der Flüssigkeitskühler reduziert,
weil kleinere Flüssigkeitskühler verwendet
werden können
und diese neuen Flüssigkeitskühler unter
Verwendung einfacherer Herstellungstechniken hergestellt werden
können.
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Weitere
Aufgaben und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden bei der
Betrachtung der folgenden detaillierten Beschreibung und den hinzugefügten Ansprüchen und
unter Bezug auf die beigefügten
Zeichnungen deutlich.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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1 ist
eine Perspektivansicht eines Flüssigkeitskühlers nach
einer bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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2 ist
eine Endansicht von 1;
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3 ist
eine Perspektivansicht des Flüssigkeitskühlers von 1,
der an einem Motorsteuermodul angebracht ist;
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4 ist
eine Perspektivansicht einer koaxialen Tangentenextrusionsrohranordnung;
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5 ist
eine Endansicht des Flüssigkeitskühlers von 4;
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6 ist
eine Perspektivansicht des Flüssigkeitskühlers von 1,
der an einem Motorsteuermodul angebracht ist;
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7 ist
eine Endansicht eines weiteren Flüssigkeitskühlers;
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8 ist
eine Endansicht eines weiteren Flüssigkeitskühlers;
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9 ist
eine Endansicht eines Flüssigkeitskühlers mit
einer Zweirohrkonstruktion; und
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10 ist
eine Endansicht eines Flüssigkeitskühlers mit
einer Dreirohrkonstruktion.
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Beschreibung der bevorzugten
Ausführungsform(en)
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Unter
Bezug auf 1 ist ein Flüssigkeitskühler 11 nach einer
bevorzugten Ausführungsform der
Erfindung mit einem Drahtströmungsleitkörper 12 dargestellt,
der innerhalb eines Rohrs 14 enthalten ist. Der Drahtströmungsleitkörper 12 ist
mindestens mit zwei beabstandeten Kinkenbereichen 16 gebildet,
die entlang seiner Länge
1 liegen. Für
ein Rohr 14 mit einem Durchmesser von etwa 12,7 mm (1/2 Inch)
ist ein Drahtströmungsleitkörper mit
einem Durchmesser von etwa 0,58 mm (0,023 Inch) mit Kinkenbereichen 16 etwa
alle 40 Millimeter bevorzugt, obwohl dickere oder dünnere Drähte mit
Kinkenlängen
unterschiedlicher Größen erwogen
werden. Jeder Kinkenbereich 16 hat einen äußeren Keulenbereich 17,
der an einen Innenwandabschnitt 18 des Rohrs 14 anstößt. Jeder
Kinkenbereich ist bevorzugt ovalförmig, aber eine andere glatte
Form wie eine im wesentlichen halbkreisförmige werden auch erwogen.
Das Rohr 14 hat auch eine Außenwand 19.
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2 veranschaulicht
eine Endansicht von 1, welche den Drahtströmungsleitkörper 12 innerhalb
des inneren kreisförmigen
Wandabschnitts 18 des Rohrs 14 zeigt. Zu Veranschaulichungszwecken
listet der innere kreisförmige
Wandabschnitt 18 verschiedene relative Gradpositionen auf.
Der Oberteil des inneren kreisförmigen
Wandabschnitts 18 ist z.B. bei 0 Grad oder zwölf Uhr aufgelistet;
der rechte Seitenabschnitt ist bei 90 Grad oder drei Uhr aufgelistet;
der Bodenabschnitt ist bei 180 Grad oder sechs Uhr aufgelistet;
und der linke Seitenabschnitt ist bei 270 Grad oder neun Uhr aufgelistet.
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Wie
in 2 zu sehen ist, ist jeder anschließende Kinkenbereich 16 in
einem Winkel α von
dem äußeren Keulenbereich 17 eines
Kinkenbereichs 16 zu dem äußeren Keulenbereich 17 eines
angrenzenden Kinkenbereichs 16 gedreht. Zusammen sind die Anzahl
von Kinkenbereichen 16 und der Winkel α zwischen den angrenzenden Kinkenbereichen 16 derart
eingestellt, dass gewährleistet
ist, dass das gerade Drahtstück 21 innerhalb
des Zentrums des Rohrs 14 angeordnet ist. Ferner gewährleistet
dieser Winkel α,
dass bestimmte Kinkenbereiche 16 zueinander planar oder
nicht planar sein können.
Bevorzugt ist wenigstens ein Kinkenbereich 16 nicht planar mit
einem anderen Kinkenbereich 16.
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In 2 ist
am besten zu sehen, dass der Winkel α bevorzugt auf 120 +/– Grad eingestellt
ist, so dass drei angrenzende Kinkenbereiche 16 jeweils dazu
dienen, das Drahtstück 21 des
Strömungsleitkörperdrahts 12 innerhalb
des Zentrums des Rohrs 14 anzuordnen. In 2 ist
jeder anschließende
Kinkenbereich 16 auf 0 Grad bzw. 120 Grad und 240 Grad
eingestellt. Selbstverständlich
kann dieser Winkel α variiert
werden und immer noch gewährleisten, dass
das gerade Drahtstück 21 innerhalb
des Zent rums des Rohrs gehalten wird. Z.B. könnte der Winkel α 90 Grad
sein, so dass vier angrenzende Kinkenbereiche 16 dazu dienen,
das gerade Drahtstück 21 des
Strömungsleitkörperdrahts 12 innerhalb
des Zentrums des Rohrs 14 zu halten. Bei diesem Szenario
wären die
relativen Anordnungen der Kinkenbereiche 16 0 Grad bzw.
90 Grad, 180 Grad und 270 Grad.
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Ferner
kann bei alternativen, nicht gezeigten Ausführungsformen die relative Anordnung
zwischen angrenzenden Kinkenbereichen 16 unregelmäßig von
null Grad bis 360 Grad variiert werden. Wie oben muss jedoch bei
diesem Szenario die Anzahl von Kinkenbereichen 16 gewährleisten,
dass das gerade Drahtstück 21 innerhalb
des Zentrums des Rohrs 14 gehalten wird. Ebenso kann die
Länge jedes
anschließenden
geraden Drahtstücks 21 die
gleiche, kürzer
oder länger
als das vorherige angrenzende gerade Drahtstück 21 sein.
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Ein
Prinzip der Fluiddynamik besagt, dass die Fluidgeschwindigkeit an
jeder stationären
Oberfläche
innerhalb einer Rohrleitung null ist. In einem Rohr ohne einen Drahtströmungsleitkörper ist
die maximale Geschwindigkeit von Fluid durch ein Rohr am Zentrum
der Rohrleitung, während
die Fluidströmung
an der inneren Rohrleitungswand etwa null beträgt. Ein Graph der Fluidgeschwindigkeit
entlang jedes Querschnittsdurchmessers des Rohrs ohne den Strömungsleitkörper würde eine
Parabelform wie das Profil einer halben Wassermelone haben.
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Die
Anordnung des Drahtströmungsleitkörpers 12 innerhalb
des Rohrs 14 wie in 1 und 2 sieht
eine solche stationäre
Oberfläche
vor und verzerrt die Laminarströmung,
so dass die maximale Geschwindigkeit der Fluidströmung nicht
mehr am Zentrum des Rohrs 14 angeordnet ist, sondern statt
dessen an einem Punkt in der Mitte zwischen dem Zentrum des Rohrs 14 und
dem inneren kreisförmigen
Wandabschnitt 18 des Rohrs 14 angeordnet ist.
Ein Geschwindigkeitsgraph, der entlang jedes Querschnittsdurchmessers
des Rohrs 14 mit einem Drahtströmungsleitkörper 12 eingetragen
ist, würde eine
Parabel mit grob der Hälfte
der Breite eines Diagramms ohne den Drahtströmungsleitkörper 12 ergeben. Da
der Konvektionswärmeübergangskoeffizient h
umgekehrt proportional zu der Breite der Parabel ist, wird der Temperaturanstieg
an dem inneren kreisförmigen
Wandabschnitt 18 und der Außenwand 19 des Rohrs 14 mit
der Einführung
des Strömungsleitkörperdrahts 12 dramatisch
abnehmen.
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Flüssigkeitskühler 10 sind
typischerweise mit System- oder Fahrzeugbauteilen gekoppelt und
werden dazu verwendet, Wärme
abzuleiten, die während des
Betriebs dieser Bauteile aufgebaut wird, Wärme, die eine schädliche Wirkung
auf die Operationen der Bauteile haben kann. Die Wärmemenge,
die von den Bauteilen abgezogen werden kann, steht direkt mit dem
Wärmeaufbau
an der Außenwand 19 des
Flüssigkeitskühlers 11 in
Zusammenhang. Je kühler
also die Außenwand 19 des
Flüssigkeitskühlers ist,
desto mehr Wärme
kann von dem Bauteil durch Konduktanz abgewogen werden.
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Unter
Bezug auf 3 ist nun gezeigt, dass ein
Flüssigkeitskühler 11 ähnlich 1 und 2 mit einem
Fahrzeugbauteil gekoppelt ist, in diesem Fall einem Motorsteuermodul 30.
Der Flüssigkeitskühler 11 ist
an dem elektronischen Steuermodul 30 bevorzugt mit Schrauben 31 angebracht.
Natürlich
werden spezifisch andere, im Stand der Technik bekannte Befestigungsverfahren
erwogen. Der Flüssigkeitskühler 11 könnte z.B.
innerhalb eines Aluminiumdruckgussteils installiert sein, das durch
Gießen
von geschmolzenem Aluminium um den Flüssigkeitskühler 11 gebildet ist.
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Der
Flüssigkeitskühler 11 hat
einen Einlass 33 und einen Auslass 35, die an
den Enden einer (nicht gezeigten) Gummikraftstoffleitung unter Ver wendung
einer Klemmverbindung oder anderer Befestigungsmittel angebracht
sind, die zur Befestigung von Rohrleitungen im Stand der Technik
bekannt sind. Außerdem
können
eine (nicht gezeigte) Schicht aus thermischem Fett, (nicht gezeigtem)
thermischen Klebstoff oder eine (nicht gezeigte) Folieneinlage zwischen
den Flüssigkeitskühler 11 und
das elektronische Steuermodul 30 gesetzt sein, wie sie
in der Elektronikindustrie gängig
ist, um seinen thermischen Wirksamkeitsgrad zu erhöhen. Um
den thermischen Wirksamkeitsgrad des Flüssigkeitskühler 11 weiter zu
erhöhen,
kann außerdem
eine Reihe von Bögen 37 in
den Flüssigkeitskühler 11 eingebracht seien.
Die Anzahl von Bögen 37 ist
eine Funktion der Kühlmenge,
die für
das elektronische Steuermodul 30 nötig ist.
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Unter
Bezug auf 4 und 5 ist ein
weiterer Flüssigkeitskühler 50 mit
einem länglichen
Rippenelement 52 gezeigt, das sich über die gesamte Länge eines
Rohrs 54 und in dessen Innerem erstreckt. Der Mittelabschnitt 53 des
länglichen
Rippenelements 52 ist nahe am Zentrum des Rohrs 54 angeordnet
und funktioniert so, dass die Laminarströmung im Zentrum des Rohrs unterbrochen
wird, ähnlich
wie der Strömungsleitkörperdraht 12 von 1–3.
Das Rohr 54 ist typischerweise mit einer hexagonalen Außenfläche 55 zur
Verwendung mit einem Gegendrehmomentschlüssel hergestellt und kann zur
bequemen Installation mit Innengewinden 57 versehen sein.
Ferner enthält
das Rohr eine thermische Grenzflächenplatte 56,
um die Wärmeübergangsfähigkeiten
zu verbessern. Wie in 6 am besten zu sehen ist, ist
die thermische Grenzflächenplatte 56 mit
einem Fahrzeugbauteil wie einem elektronischen Steuermodul 58 mit
einer Reihe von Schrauben 60 gekoppelt. Natürlich kann
die Platte 56 an dem elektronischen Steuermodul 58 auf
viele verschiedene andere Arten befestigt sein, die dem Fachmann
wohlbekannt sind. Außerdem
können
eine (nicht gezeigte) Schicht aus thermischem Fett, (nicht gezeigtem)
thermischen Klebstoff oder eine (nicht gezeigte) Folieneinlage zwischen
die Platte 56 und das elektronische Steuermodul 58 gesetzt
sein, um die Wärmeübergangscharakteristika
weiter zu verbessern.
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Der
Flüssigkeitskühler 55 mit
dem länglichen Rippenelement 52 ist
typischerweise ein Strangpressprofil aus einer Aluminiumlegierung
6063-T6, aber andere Metalle können
verwendet werden, die dem Fachmann bekannt sind. Der Flüssigkeitskühler 50 hat
viele Vorteile gegenüber
typischen Flüssigkeitskühlern, die
im Stand der Technik bekannt. Zunächst reduziert wie bei dem
Drahtströmungsleitkörper 12 der
Mittelabschnitt 53 des länglichen Rippenelements 52 die
Parabelbreite, womit der Konvektionswärmeübergangskoefizient h grob verdoppelt
wird, um die Innenfläche 60 des
Rohrs 54 zu kühlen.
Zweitens erhöht
das längliche
Rippenelement 52 den Flächeninhalt
innerhalb des Rohrs 54 um grob 60%, was den thermischen
Wirksamkeitsgrad des Flüssigkeitskühlers 50 weiter
erhöht.
Weil drittens das längliche Rippenelement 52 am
dichtesten an der thermischen Grenzflächenplatte 56 eingesetzt
ist, werden zusätzliche
Wärmeübergangscharakteristika
realisiert, da das längliche
Rippenelement 52 dabei hilft, direkt Wärme von der erwärmten Oberfläche eines
gekoppelten Bauteils abzuleiten. Der thermische Wirksamkeitsgrad
wird schätzungsweise
um weitere 2% erhöht.
Kombiniert kann das längliche
Rippenelement 52 den Wärmewiderstand
für eine
gegebene Länge des
Flüssigkeitskühlers 50 schätzungsweise
auf weniger als die Hälfte
desjenigen für
ein glattes Rohr reduzieren.
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Während der
Flüssigkeitskühler 50 von 4–6 ein
einziges längliches
Rippenelement 52 zeigt, wird erwogen, dass eine große Zahl
von verschiedenen Auslegungen der länglichen Rippen 52 außer den
dargestellten möglich
sind. Wie in 7 gezeigt, kann die Anzahl von
länglichen
Rippenelementen 52 um den Außenumfang des Rohrs 54 erhöht sein.
Wie in 8 gezeigt, könnte
die Gestalt des länglichen
Rippenelements 52 vari iert werden, indem der Mittelbereich 53a des
Elements 52 kreisförmiger
gemacht würde.
Ferner könnte
ein Konzept mit einem Zweirohr 60 oder Dreirohr 62,
wie in 9 und 10 gezeigt, das Konzept des
länglichen
Rippenelements 52 ersetzen. Auslegungskonzepte wie in 7–10 sind
repräsentativ
für andere
Ausführungsformen,
welche die Parabelbreite reduzieren oder die Laminarströmung durch
das Zentrum des Rohrs 54 beseitigen würden. Die Strömung durch diese
Rohre 54 ist jedoch durch ihre Formen unerwünscht eingeschränkt; damit
sind sie weniger erwünschte
Auslegungen.
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Der
Flüssigkeitskühler 11 von 1–3 und
der Flüssigkeitskühler 50 von 4–6 kann bei
vielen verschiedenen Anwendungen verwendet werden. Beispielsweise
kann der Flüssigkeitskühler 11, 50 bei
Hochleistungs- und/oder Leicht-Diesel-Controller-Programmen verwendet
werden, wobei der Flüssigkeitskühler tatsächlich eine
Dieselkraftstoffleitung ist. Der Flüssigkeitskühler 11, 50 kann
eine reguläre
Benzinleitung, eine Motorenölleitung,
eine Leitung für
mit Wasser gemischtes Motorkühlmittel
oder jeder andere Typ von Fluidrohrleitung sein, der zum Kühlen eines
Fahrzeug- oder Systembauteils erwogen wird, wie dies im Stand der
Technik erwogen wird.
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Die
vorliegende Erfindung bietet viele Verbesserungen gegenüber aktuell
verfügbaren
Flüssigkeitskühlern. Zunächst erforderten
frühere
Auslegungen von Flüssigkeitskühlern kostspielige
U-Bögen, um
die Gesamtlänge
aufgrund von niedriger Konvektionsleistungsfähigkeit zu erhöhen. Die
vorliegende Erfindung beseitigt diesen Aufwand, indem die Konvektionsleistung
des Flüssigkeitskühlers 11, 50 durch Reduzierung
der Parabelbreite erhöht
ist. Zweitens nahmen frühere
Rippenauslegungen, die gewöhnlich in
Flüssigkeitskühlern verwendet
wurden, eine luftartige Turbulenzströmung an. Kraftstoff, insbesondere Dieselkraftstoff
erfährt
jedoch haupt sächlich
eine Laminarströmung
innerhalb einer Rohrleitung. Die vorliegende Erfindung arbeitet
in Verbindung mit Laminarströmung,
nicht Turbulenzströmung,
die in Flüssigkraftstoffsystemen
gezeigt wird. Drittens erhöht der
Flüssigkeitskühler 11, 50 den
Flächeninhalt
in viskoser Kraftstoffströmung,
wodurch die Laminarströmungsbreite
verringert wird und kürzere
Flüssigkeitskühler ermöglicht werden,
die stark die Herstellungskosten und den Raum reduzieren.
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Während die
Erfindung mittels bevorzugter Ausführungsformen beschrieben worden
ist, versteht sich natürlich,
dass die Erfindung nicht darauf beschränkt ist, da vom Fachmann Modifizierungen
vorgenommen werden können,
besonders im Lichte der oben angegebenen Lehren.