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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen
einer Kühlvorrichtung sowie
auf einen Kühlkörper, der
beispielsweise zur Kühlung
von Leistungselektronik eingesetzt werden kann.
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Kühlkörper werden
zur Ableitung von Wärme eingesetzt,
die beispielsweise von einer Leistungselektronik abgegeben wird.
Zur besseren Wärmeableitung
können
die Kühlkörper von
einer Kühlflüssigkeit durchströmt werden.
Zur Durchleitung der Kühlflüssigkeit
weist der Kühlköper einen
Kühlmittelkanal
auf. Zurzeit wird eine „Kühlkontur” des Kühlmittelkanals eines
Flüssigkeitskühlkörpers zum
Teil aufwendig spanend hergestellt.
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Die 4a bis 4c zeigen
unterschiedliche Darstellungen eines spanend hergestellten Kühlkörpers 400.
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4a zeigt
eine Draufsicht auf den Kühlkörper 400.
Der Kühlkörper 400 ist
plattenförmig
und weist drei Bohrungen 402 auf. Die Bohrungen 402 verlaufen
parallel zu einer Oberfläche
des Kühlkörpers 400.
Die Bohrungen 402 stehen so miteinander in Verbindung,
dass sie einen Kühlmittelkanal
ausbilden. Durch den Kühlmittelkanal
kann ein Kühlmittel strömen. Die
Bohrungen 402 sind mit Verschlussstopfen 404 verschlossen.
Die Verschlussstopfen 404 weisen einen Innensechskant auf
und dürfen
weder nach außen
noch nach innen überstehen.
Die Bohrungen 402 sind mit Eintritts- und Austrittsöffnungen 406 verbunden.
Der Kühlkörpers 400 weist
eine Mehrzahl weiterer Bohrungen auf, die senkrecht zu der Oberfläche des
Kühlkörpers 400 verlaufen.
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4b zeigt
eine Seitenansicht des Kühlkörpers 400.
Die Eintritts- und Austrittsöffnungen 406 weisen
Nippel 408 auf, die zum Anschluss einer Schlauchtülle geeignet
sind.
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4c zeigt
eine weitere Seitenansicht des Kühlkörpers 400.
Die Verschlussstopfen 404 und die Nippel 408 können mit
dem Kühlkörper verklebt
sein. Dazu kann ein anaerober Klebstoff eingesetzt werden.
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Die 5a bis 5f zeigen
unterschiedliche Darstellungen eines weiteren Kühlkörpers 400.
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5a zeigt
eine weitere Darstellung des weiteren Kühlkörpers 400. Der Kühlkörper 400 weist ein
Kupferrohr 402 auf. Das Kupferrohr 402 weist drei Biegungen
auf. Zwei der Biegungen sind im Bereich des Kühlkörpers 400 und eine
der Biegung ist außerhalb
des Kühlkörpers 400 angeordnet.
Die beiden Enden des Kupferrohrs 402 weisen Anschlüsse 408 auf.
Der Kühlkörper weist
ein Durchgangsloch 510 auf.
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5b zeigt
eine Draufsicht auf den Kühlkörper 400.
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5c zeigt
eine Seitenansicht des Kühlkörpers 400.
Der Kühlkörper 400 besteht
aus einer Alu-Platte, in die das Kupferrohr 402 eingepresst
ist.
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5d zeigt
eine weitere Draufsicht auf den Kühlkörper 400. Die Anschlüsse 408 weisen
ein Fitting auf, das mit dem Kupferrohr 402 hartverlötet ist.
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5e zeigt
einen Schnitt durch den Kühlkörpers 400 im
Bereich des Durchgangslochs 510. Das Durchgangsloch 510 weist
zwei unterschiedliche Durchmesser auf.
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5f zeigt
einen weiteren Schnitt durch den Kühlkörpers 400.
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Die
in den 4 und 5 gezeigten
Kühlkörper erfordern
eine aufwendige spanende Herstellung von Tiefenbohrungen bzw. einer
Einpressmimik für
Kupfer-Rohre. Zum Teil ist keine optimale Positionierung der Kühlbohrungen
in Relation zu einer zu kühlenden Leistungselektronik
möglich.
Ferner ist eine Medienbeständigkeit
zum Teil nicht ausreichend. Eine fluidtechnische Optimierung, beispielsweise
durch den Einsatz von Verwirbelungsblechen, kann sehr aufwendig
sein.
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Es
ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein verbessertes Verfahren
zum Herstellen einer Kühlvorrichtung
und einen verbesserten Kühlkörper zu
schaffen.
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Diese
Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Herstellen einer Kühlvorrichtung
gemäß Anspruch
1 und einen Kühlkörper gemäß Anspruch
10 gelöst. Vorteilhafte
Ausgestaltungen ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen und
der nachfolgenden Beschreibung.
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Die
Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass sich ein Kühlkörper einer
Kühlvorrichtung
vorteilhafterweise unter Verwendung des Prinzips der verlorenen
Form herstellen lässt.
Der Kern der Erfindung liegt somit in der spanlosen, auf die Geometrie der
zu kühlenden
Vorrichtung optimierten Herstellung eines flüssigkeitsgekühlten Kühlkörpers. Beispielsweise
kann es sich bei der zu kühlenden
Vorrichtung um eine Leistungselektronik handeln.
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Vorteilhafterweise
ermöglicht
der erfinderische Ansatz die Herstellung kostengünstiger, medienbeständiger und
strömungstechnisch
optimaler Flüssigkeitskühlkörper. Der
Gestaltungsspielraum bezüglich
der Kühlkörperform
und Steuerungen nimmt wesentlich zu. in Bezug zur kühlenden
Leistungselektronik ist eine optimale Platzierung und Geometrie
des Kühlkreislaufes
möglich.
Weitere Vorteile liegen in der Medienbeständigkeit des Kühlkörpermaterials
und der wirtschaftlichen, rationellen und resourcenschonenden Herstellung.
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Die
vorliegende Erfindung schafft ein Verfahren zum Herstellen einer
Kühlvorrichtung,
das einen Schritt des Bereitstellens eines Modells eines Kühlmittelkanals;
einen Schritt des Umgebens des Modells mit einem Kühlkörpermaterial,
um einen Kühlkörper auszubilden;
und einen Schritt des Entfernens des Modells aus dem Kühlkörper, um
den Kühlmittelkanal
in dem Kühlkörper auszubilden.
Durch die Verwendung des Modells des Kühlmittelkanals ist keine aufwändige spanende
Herstellung von Tiefenbohrungen oder Einpressmimiken erforderlich.
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Das
Modell kann aus einem Formstoff ausgebildet sein und der Schritt
des Entfernens des Modells kann ein Entfernen des Formstoffes aus
dem Kühlkörper umfassen.
Durch das Entfernen des Formstoffes kann innerhalb des Kühlkörpers ein Hohlraum
geschaffen werden. Der Hohlraum kann als Kühlmittelkanal eingesetzt werden.
Beispielsweise kann der Formstoff Sand aufweisen. Sand hat den Vorteil,
dass er sich auf einfache Weise aus dem Kühlkörper entfernen lässt. Das
Kühlkörpermaterial kann
Aluminium aufweisen. Aluminium hat eine gute Wärmeleitfähigkeit und ist somit gut geeignet,
um Wärme
abzuleiten.
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Gemäß einer
Ausgestaltung kann das Modell mindestens eine Ausnehmung aufweisen,
um eine Einrichtung zum Verwirbeln eines in dem Kühlmittelkanal
strömenden
Kühlmittels
auszubilden. Mittels der Einrichtung zum Verwirbeln kann eine turbulente
Strömung
des Kühlmittels
erreicht werden, ohne dass der Einsatz von zusätzlichen Verwirbelungsblechen
erforderlich ist.
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Gemäß einer
weiteren Ausgestaltung kann das erfindungsgemäße Verfahren einen Schritt
des Beschichtens des Kühlmittelkanals
mit einer Schutzschicht aufweisen.
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Der
so hergestellte Kühlkörper besitzt
aufgrund der Schutzbeschichtung der inneren Kühlfläche höchste Medienbeständigkeit.
Beispielsweise kann das Beschichten des Kühlmittelkanals mit einer Schutzschicht
aus Polytetrafluorethylen (PTFE) erfolgen.
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Der
Kühlkörper ist
vorteilhafterweise zur Flüssigkeitskühlung einer
Leistungselektronik geeignet. Somit kann die gemäß dem erfinderischen Verfahren
hergestellte Kühlvorrichtung
beispielsweise zur Wärmeableitung
bei der Leistungselektronik im Bereich der Schweisstechnik oder
der Antriebstechnik eingesetzt werden. Dazu kann das Modell eine Form
aufweisen, die ausgebildet ist, um den Kühlmittelkanal mit einer an
die Leistungselektronik angepassten Kühlkontur auszubilden. Dies
ermöglicht eine
optimale Anpassung an eine von der Leistungselektronik generierte
Wärmeverteilung.
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Die
vorliegende Erfindung schafft ferner einen Kühlkörper mit einem Kühlmittelkanal,
der eine Einrichtung zum Verwirbeln eines in dem Kühlmittelkanal
strömenden
Kühlmittels
aufweist, und dadurch gekennzeichnet ist, dass der Kühlmittelkanal
und die Einrichtung zum Verwirbeln mit einer Schutzschicht beschichtet
sind. Ein solcher Kühlkörper bietet
eine Kombination aus höchster
Medienbeständigkeit
und optimaler Strömungseigenschaften.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Die
Erfindung wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft
näher erläutert. Es
zeigen:
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1 ein
Ablaufdiagramm eines erfinderischen Verfahrens zum Herstellen einer
Kühlvorrichtung;
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2 ein
Modell eines Kühlkanals
gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung;
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3 ein
Modell einer Kühlvorrichtung
gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung;
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4a bis 4c Darstellungen
eines Kühlkörpers gemäß dem Stand
der Technik; und
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5a bis 5f Darstellungen
eines weiteren Kühlkörpers gemäß dem Stand
der Technik.
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Gleiche
oder ähnliche
Elemente können
in den nachfolgenden Figuren durch gleiche oder ähnliche Bezugszeichen versehen
sein. Ferner enthalten die Figuren der Zeichnungen, deren Beschreibung sowie
die Ansprüche
zahlreiche Merkmale in Kombination. Einem Fachmann ist dabei klar,
dass diese Merkmale auch einzeln betrachtet werden oder sie zu weiteren,
hier nicht explizit beschriebenen Kombinationen zusammengefasst
werden können.
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1 zeigt
ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Herstellen einer Kühlvorrichtung,
gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung. In einem ersten Schritt 120 erfolgt
ein Bereitstellen eines Modells eines Kühlmittelkanals. In einem zweiten
Schritt 130 erfolgt ein Umgeben des Modells mit einem Kühlkörpermaterial.
Dadurch kann das Modell von dem Kühlkörpermaterial umschlossen werden.
Beispielsweise kann das Kühlkörpermaterial
in eine Form gegossen werden, in der das Modell angeordnet ist,
oder das Modell wird in eine Form mit dem Kühlkörpermaterial getaucht. Um das
Modell umgeben zu könne,
kann das Kühlkörpermaterial
in flüssiger
Form vorliegen und nach einem Erstarren oder Erhärten einen Kühlkörper ausbilden,
der dass Modell umschließt.
In einem dritten Schritt 140 erfolgt ein Entfernen des
Modells aus dem Kühlkörper. Durch
das Entfernen des Modells entsteht ein Hohlraum in dem Kühlkörper, der
die Kontur des Modells abbildet. Der Hohlraum formt somit den Kühlmittelkanal
des Kühlkörpers.
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2 zeigt
ein Modell 202 eines Kühlmittelkanals.
Das Modell 202 kann bei dem erfinderischen Verfahren zum
Herstellen einer Kühlvorrichtung
eingesetzt werden. Die Form des Modells 202 ist lediglich
beispielhaft gewählt.
Das Modell 202 kann jede Form aufweisen, die für einen
herzustellenden Kühlkanal
geeignet ist. Beispielsweise kann das Modell 202 einen
runden, ovalen oder eckigen Querschnitt aufweisen, wobei der Durchmesser
des Modells 202 zusätzlich
variiert werden kann. Ferner kann das Modell beliebige Biegungen
und Verzweigungen aufweisen. Auch ist die Bildung von nach außen oder
innen gerichteten Kammern beliebiger Form und Größe möglich. Das Modell 202 kann
somit eine Formgebung aufweisen, die es ermöglicht, dem herzustellenden
Kühlkanal
eine zur Wärmeableitung
optimal angepasste Kontur zu geben.
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Das
Modell 202 kann aus einem Formstoff hergestellt sein. Als
Formstoff kann jedes Material eingesetzt werden, dass sich zur Modellierung
der Kontur des Modells 202 eignet und später aus
dem gegossenen Kühlkörper wieder
entfernt werden kann. Beispielsweise kann Sand als Formstoff eingesetzt
werden. Der Sand kann durch ein Bindemittel stabilisiert sein.
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Gemäß diesem
Ausführungsbeispiel
weist das Modell 202 eine Ausnehmung 210 auf.
Die Ausnehmung wird beim Umgießen
des Modells 202 mit Kühlkörpermaterial
ausgefüllt
und führt
somit zu einem in den Kühlkanal
hineinragenden Vorsprung. Der Vorsprung kann in dem Kühlkanal
eine Verwirbelungsrippe ausbilden. Um eine Mehrzahl von Rippen auszubilden,
kann das Modell 202 eine Mehrzahl von Ausnehmungen aufweisen.
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3 zeigt
einen Kühlkörper 300 einer
Kühlvorrichtung,
gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung. Der Kühlkörper 300 weist einen
Kühlmittelkanal 302 auf.
Der Kühlmittelkanal 302 weist
eine Eintrittsöffnung
und eine Austrittsöffnung auf,
durch die ein Kühlmittel
in den Kühlmittelkanal 302 einströmen und
wieder ausströmen
kann. Der Kühlmittelkanal 302 kann
gemäß dem erfinderischen Verfahren
mit Hilfe des in 2 gezeigten Modells hergestellt
werden. Dabei wird das Modell, das beispielsweise aus einem Sandkern
besteht, von einem Kühlkörpermaterial
umgossen und anschließend
entfernt, um einen Hohlraum für
den Kühlmittelkanal 302 zu
bilden. Somit wird das Rohr für
den Kühlmittelkanal 302 gegossen.
Dass Modell stellt somit einen verlorenen Kern da.
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Der
Kühlkörper kann
als Platte ausgebildet sein. Alternativ kann der Kühlkörper jede
geeignete Form aufweisen, die zur Wärmeableitung bei dem entsprechenden
Anwendungsfall geeignet ist. Wird der Kühlkörper 300 zur Flüssigkeitskühlung einer Leistungselektronik
eingesetzt, so kann der Kühlkörper 300 eine
an die Leistungselektronik angepasste Form aufweisen. In entsprechender
Weise kann auch der Kühlmittelkanal 302 eine
an die Leistungselektronik angepasste Form aufweisen. Als Kühlkörpermaterial
kann Aluminium verwendet werden.
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Gemäß diesem
Ausführungsbeispiel
weist der Kühlmittelkanal 302 ein
Verwirbelungsrippe 310 auf. Mittels der Verwirbelungsrippe 310 kann
eine Verwirbelung des in dem Kühlmittelkanal 302 fließenden Kühlmittels
erreicht werden. Durch eine turbulente Strömung des Kühlmittels kann im Vergleich
zur laminaren Strömung
ein erhöhter
Wärmetransport
erreicht werden. Eine Form der Verwirbelungsrippe 310 kann
so gewählt
sein, dass eine für
den jeweiligen Anwendungsfall optimale turbulente Strömung erzielt werden
kann. Ebenso kann eine Anzahl von Verwirbelungsrippen 310 und
deren Anordnung innerhalb des Kühlmittelkanals 302 frei
gewählt
werden.
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Gemäß diesem
Ausführungsbeispiel
weist der Kühlmittelkanal 302 ferner
eine Schutzschicht 312 auf. Die Schutzschicht 312 ist
auf der Oberfläche des
Kühlkörpers 300 angeordnet.
Somit ist die Schutzschicht 312 eine Trennschicht zwischen
Kühlkörper 300 und
Kühlmittelkanal 302.
Die Schutzschicht 312 bildet eine Schutzbeschichtung, die
das Kühlkörpermaterial
vor aggressiven Medien schützt. Somit
können
als Kühlmittel
auch Stoffe eingesetzt werden, die das Kühlkörpermaterial des Kühlkörpers 300 ohne
Vorhandensein der Schutzschicht 312 beschädigen würden.
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Um
die Schutzschicht 312 herzustellen, kann das erfindungsgemäße Verfahren
einen Schritt des Beschichtens des Kühlmittelkanals 302 mit
der Schutzschicht 312 aufweisen. Ein die Schutzschicht 312 bildendes
Material kann dabei beispielsweise in flüssiger oder gasförmiger Form
in den Kühlmittelkanals 302 eingebracht
werden, um die Wand des Kühlmittelkanals 302 mit
der Schutzschicht 312 zu versehen. Als Materialien für die Schutzschicht 312 kommen
alle Stoffe in Frage, die einen Schutz gegenüber dem eingesetzten Kühlmittel
bieten und sich zur Beschichtung des Kühlkörpermaterials eignen. Beispielsweise
kann das Beschichten des Kühlmittelkanals 302 mit
einer Schutzschicht 312 aus Polytetrafluorethylen (PTFE)
erfolgen.
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Da
die Verwirbelungsrippe 310 als Teil des Kühlmittelkanals 302 direkt
beim Gießen
des Kühlkörpers 300 ausgeformt
wird, kann die Verwirbelungsrippe 310 bei dem Beschichtungsvorgang ebenso
wie die übrigen
Bereiche des Kühlmittelkanals 302 mit
der Schutzschicht 312 überzogen
werden. Somit werden Kühlmittelkanal 302 und
Verwirbelungsrippe 310 zeitgleich im selben Beschichtungsprozess
mit ein und derselben Schutzschicht 312 überzogen.
Somit besitzt der Kühlkörper 300 aufgrund
der Schutzbeschichtung 312 der inneren Kühlflächen höchste Medienbeständigkeit.
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Die
Eintritts- und Austrittsöffnung
des Kühlmittelkanals 302 können Anschlusseinrichtungen aufweisen,
an die beispielsweise ein Kühlschlauch angeschlossen
werden kann. Über
den Kühlschlauch kann
das Kühlmittel
zugeführt
bzw. abgeführt
werden. Als Kühlmittel
kann jedes geeignete gasförmige oder
flüssige
Medium eingesetzt werden.
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Zumindest
eine äußere Oberfläche des
Kühlkörpers kann
schwarz lackiert sein. Die übrigen Oberflächen können blank
sein. Als Lack kann ein 2-Komponenten-Polyurethangrundlach verwendet werden.
Der Lack kann einen Glanzgrad von seidenmatt aufweisen. Ferner kann
der Lack wisch- und kratzfest sein und eine hohe Chemikalienbeständigkeit
aufweisen.
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Die
beschriebenen Ausführungsbeispiele sind
nur beispielhaft gewählt
und können
miteinander kombiniert werden. Insbesondere können andere Konturen und Materialien
verwendet werden. Die erfindungsgemäße Kühlvorrichtung kann als Flüssigkeitskühlung von
Leistungselektronik eingesetzt werden. Beispielsweise im Zusammenhang
mit Leistungselektronik eines Umrichters. Alternativ kann die Kühlvorrichtung
im Zusammenhang mit beliebig anderen wärmeerzeugenden Einrichtungen
eingesetzt werden und Teil eines Kühlkreislaufes sein.
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- 120,
130, 140
- Schritte
des erfindungsgemäßen Verfahrens
- 202
- Modell
- 210
- Ausnehmung
- 300
- Kühlkörper
- 302
- Kühlmittelkanal
- 310
- Verwirbelungsrippe
- 312
- Schutzschicht
- 400
- Kühlkörper
- 402
- Kühlmittelkanal
- 404
- Verschlussstopfen
- 406
- Eintritts-
und Austrittsöffnungen
- 408
- Anschlüsse
- 510
- Durchgangsloch