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Die Erfindung betrifft einen heizbaren Flüssigkeitsbehälter aus Kunststoffmaterial, z. B. thermoplastischen Kunststoffen wie Polyethylen (PE), vernetztem Polyethylen (XPE), Polypropylen (PP), Polyamid 6, 11 oder 12. (PA 6, 11 oder 12) oder dergleichen, insbesondere zur Aufnahme von Wasser/Harnstoffgemischen, mit einem im Wesentlichen im Behälterinnenraum angeordneten Heizelement mit zumindest zwei Anschlussenden, wobei das Heizelement in mindestens einem Auflagebereich im Inneren des Flüssigkeitsbehälters durch ein Stützelement abgestützt wird.
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Für Verbrennungskraftmaschinen insbesondere in Kraftfahrzeugen gelten zunehmend schärfere Restriktionen hinsichtlich der Emissionsgrenzwerte. Um diesen Forderungen nachzukommen, werden zur Abgasnachbehandlung unter anderem Katalysatoren für eine selektive katalytische Reduktion (SCR) der in den Abgasen enthaltenen Stickoxide (NOx) eingesetzt. Für die am Katalysator ablaufende Reaktion muss zusätzlich Ammoniak eingebracht werden. Dies erfolgt durch das geregelte Einspritzen einer wässrigen Harnstofflösung aus einem Vorratstank am Fahrzeug. Umweltschädliche Stickoxide werden fast vollständig in Wasserdampf und atmosphärischen Stickstoff umgewandelt. Diese Harnstofflösung wird von der Industrie als AdBlue® oder in den USA als DIESEL EXHAUST FLUID (DEF) bezeichnet. Da die Harnstofflösung bei geringen Temperaturen versulzen und auch gefrieren kann, sehen gattungsgemäße Flüssigkeitsbehälter die Integration von Heizelementen im Inneren des Flüssigkeitsbehälters vor. Dadurch ist auch das Auftauen von bereits gefrorener Harnstofflösung, beispielsweise beim Kaltstart, möglich.
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Aus der
EP 1 640 577 B1 ist ein heizbarer Kunststofftank mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 bekannt, bei dem im Inneren des Kunststofftanks eine Wärme abstrahlende Heizwendel zum Aufheizen der in dem Behälter befindlichen Flüssigkeit angeordnet ist. Die im Bodenbereich des Behälters angeordnete Heizwendel tritt an zwei Stellen aus dem Tank heraus, wo sie an zwei Einlegeteile fest angeschlossen ist, die von dem Kunststoff der Behälterwand umschmolzen sind. Im Bodenbereich ist die Heizwendel zusätzlich abgestützt. Als Stützelement dient hierzu ein Bereich der Tankinnenwand, wobei die Heizwendel im Auflagebereich von dem Kunststoff der Tankwand fest umsintert ist.
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Eine ähnliche Abstützung findet sich in der
DE 102 56 727 A1 , die ebenfalls einen Behälter zur Aufnahme von Harnstofflösungen mit einem Heizelement zur Temperierung einer Harnstofflösung beschreibt, bei dem zur besseren Ausnutzung der nach oben steigenden Wärme das Heizelement im Bodenbereich des Behälters angeordnet ist und mittels an der Behälterinnenwand angeschweißter Befestigungselemente fixiert wird. Die Befestigungselemente halten das Heizelement derart, dass es auch bei starken Anregungen durch Fahrbahnunebenheiten, wie sie im regulären Betrieb bei Kraftfahrzeugen auftreten, in einer festen Position gehalten wird. Zur Vermeidung von Korrosion werden Befestigungselemente unter anderem aus einem Aluminiumwerkstoff vorgeschlagen, die mit der Heizwendel verschweißt sind.
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Nachteilig bei derartigen Abstütz- bzw. Befestigungsvorrichtungen der Heizwendel im Inneren des Kunststofftanks ist jedoch, dass wärmebedingte Materialdehnungen im späteren Betrieb grundsätzlich nicht vermieden werden können. Davon ist insbesondere das Heizelement betroffen, das sich beim Aufheizen ausdehnen kann. Die Überlegung gilt aber auch für den Flüssigkeitsbehälter selbst, da auch hier Längenänderungen bspw. infolge Schrumpfens nach dem Entformen oder durch Materialausdehnungen infolge eines Wärmeeintrags entstehen können. Infolge der Materialausdehnungen kann es bei gattungsgemäßen Flüssigkeitsbehältern zu Relativbewegungen zwischen dem Auflagebereich und dem Anschlussbereich der Anschlussenden der Heizwendel kommen. Aufgrund der festen Verbindung zwischen dem Heizelement und dem Flüssigkeitsbehälter können so Verspannungen in der Wand des Flüssigkeitsbehälters auftreten. Hinzu kommt, dass insbesondere Fahrzeuge nicht dauerhaft betrieben werden und auch im Betrieb Temperaturschwankungen auftreten können, wobei auch ein ständiges Aufheizen und Abkühlen eine Art Schwellbelastung hervorruft. Die Behälterwand ist damit dynamischen Beanspruchungen ausgesetzt, die das Bauteil ständig verformen. Je nach Werkstoff oder Konstruktion des Behälters kann es zu Rissbildungen, insbesondere an den kritischen Befestigungspunkten kommen, die die Gefahr einer Leckage mit sich bringen.
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Es ist ferner bekannt, das Heizelement über Halteklammern aus Metall zu lagern, die im Inneren des Behälters bereichsweise vom Kunststoff umsintert sind. Durch Kapillarwirkung tritt hierbei aber Flüssigkeit in den Zwischenraum zwischen der metallischen Halteklammer und der Kunststoffwandung ein, so dass Kriechleckagen auftreten können, durch die Flüssigkeit aus dem Behälter entweichen kann.
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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen mit einem Temperierungssystem ausgestatteten Flüssigkeitsbehälter vorzuschlagen, der in der Lage ist, die Folgen von Verformungen zu kompensieren und die Dichtheit des Behälters stets zu gewährleisten.
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Diese Aufgabe wird mit der Erfindung im Wesentlichen dadurch gelöst, dass das Heizelement im Auflagebereich im Inneren des Flüssigkeitsbehälters nicht fest fixiert ist, sondern in dem Stützelement in horizontaler Richtung schwimmend gelagert ist (Loslagerung), und dass das Stützelement ein von dem Kunststoffmaterial zumindest bereichsweise umsintertes Einlegeteil ist, welches aus dem gleichen Werkstoff besteht wie die Innenwand des Flüssigkeitsbehälters. Durch die schwimmende Lagerung kann das Problem der inneren Verspannung des Flüssigkeitsbehälters vermieden werden, weil Ausgleichsbewegungen des Heizelementes relativ zum Stützelement möglich sind. Das Heizelement kann horizontal wandern, was sowohl beim Schrumpfen des Kunststoffmaterials beim Entformen als auch bei Temperaturschwankungen im späteren Betrieb wichtig ist. Wenn das Heizelement beispielsweise im Bereich der Anschlussenden fest in den Seitenwänden des Flüssigkeitsbehälters verankert ist, ergibt sich eine kombinierte Fest-Los-Lagerung des Heizelementes im Flüssigkeitsbehälter. Damit wird das Heizelement auch bei starken Erschütterungen, wie sie vor allem bei nicht befestigten Straßen auftreten, in einer optimalen Position gehalten. Gleichzeitig wird es dem heizbaren Flüssigkeitsbehälter aber auch ermöglicht, die natürlich auftretenden und unvermeidlichen Materialausdehnungen zu vollziehen, ohne dass es zu Leckage verursachenden inneren Spannungen kommt. Damit trägt eine solche Lagerung des Heizelementes auch zu einer erhöhten Lebensdauer des Flüssigkeitsbehälters bei. Ein derartig vorteilhaft konstruierter Flüssigkeitsbehälter ist insbesondere unter Betriebsbedingungen einsetzbar, bei denen im Flüssigkeitsbehälter bzw. Heizelement starke Temperaturschwankungen und damit Längenänderungen auftreten. Dadurch dass das Stützelement darüber hinaus in dem Auflagebereich im Inneren des Flüssigkeitsbehälters ein Einlegeteil ist, das zumindest bereichsweise in den Kunststoff des Flüssigkeitsbehälters eingebracht ist und aus dem gleichen Werkstoff wie zumindest die Innenwand des Kunststoffbehälters besteht, wird eine in diesem Bereich besonders feste und dichte Verbindung zwischen der Tankwand und dem Einlegeteil hergestellt. Anders als beispielsweise bei Metallklammern, die lediglich von Kunststoff umschlossen werden, verbinden sich die Werkstoffe von Einlegeteil und Behälterwand, so dass durch die Umsinterung eine homogene Verbindung entsteht, die Kriechleckagen verhindert. Auch in Verbindung mit mehrschichtigen Behältern ist es von Vorteil, wenn das Einlegeteil und die Kunststoffbehälterschicht die gleichen Materialeigenschaften aufweisen, da auf diese Weise eine besonders feste und dichte Verbindung realisiert wird, die ein Kriechen des in dem Flüssigkeitsbehälter befindlichen Mediums nach außen ausschließt. Durch die Umsinterung des Einlegeteils entfallen zusätzliche Befestigungsmittel, wie Verschlussschrauben oder dergleichen. Darüber hinaus entfällt auch die Notwendigkeit von Dichtringen oder dergleichen, wie sie bei teilumsinterten, metallischen Abstützkonzepten erforderlich sind. Die Gefahr einer Leckage ist erheblich herabgesetzt, wobei gleichzeitig eine deutliche Kosteneinsparung erzielt wird.
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In Weiterbildung des Erfindungsgedankens ist es auch möglich, das Stützelement beispielsweise durch spezielle Formgebung von vorneherein einstückig mit der Behälterwand auszubilden, wodurch zusätzliche Bauteile und damit verbundene Kosten entfallen.
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Eine weitere Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass das Stützelement darüber hinaus elastische Eigenschaften zur Absorption von Schwingungen insbesondere in einer Richtung senkrecht zum translatorischen Freiheitsgrad der schwimmenden (Los-)Lagerung aufweist, wobei dies unter anderem durch spezielle Eigenschaften des Einlegeteils bzw. durch Formgebung oder einen besonderen Geometrieverlauf des Stützelementes realisiert werden kann. Auf diese Weise werden Erschütterungen in vorteilhafter Weise absorbiert.
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Es hat sich als vorteilhaft herausgestellt, wenn das Heizelement im Bodenbereich des Flüssigkeitsbehälters angeordnet ist. Die grundsätzlich aus dem Bodenbereich aufsteigende Wärme wärmt so die gesamte Flüssigkeit im Flüssigkeitsbehälter in effektiver Weise. Gleichzeitig wird auf diese Weise sichergestellt, dass die Flüssigkeit auch bei nur teilweise gefülltem Behälter zuverlässig erwärmt wird. Idealerweise besitzt das Heizelement dabei eine verwundene Form, wie beispielsweise eine Heizwendel oder eine mäanderförmige Heizschlange, wodurch sich die Wärme abgebende Oberfläche des Heizelementes vergrößert und der Wärmeeintrag in die Flüssigkeit verbessert wird.
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Zur Einleitung von Wärme in das System kann vorgesehen sein, dass das Heizelement als ein an eine Spannungsquelle angeschlossener elektrischer Leiter ausgebildet ist oder einen solchen enthält. Das Heizelement kann aber auch eine von einem Fluid durchströmte Heizleitung sein. Das von einer Verbrennungskraftmaschine erwärmte Kühlwasser kann dabei als Heizfluid dienen, wodurch eine sehr einfache und energiesparende Möglichkeit zur Wärmeversorgung offeriert wird. Durch das Heizelement in Form einer Heizleitung können auch andere Medien zur Erwärmung des Wasser-Harnstoff-Gemisches geleitet werden, beispielsweise wären auch Heißgase aus der Verbrennung (Auspuff) denkbar. Für ein solches System lassen sich grundsätzlich viele Einsatzgebiete definieren, wie beispielsweise die Verwendung in Kraftfahrzeugen oder auch in Verbindung mit Schiffsdieselantrieben oder dergleichen.
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Es hat sich weiterhin als vorteilhaft herausgestellt, wenn das Heizelement im Bereich seiner Anschlussenden wenigstens einen Flansch aufweist oder an wenigstens einem Flansch lösbar befestigt ist, wobei der wenigstens eine Flansch an wenigstens einer Wand des Flüssigkeitsbehälters befestigt ist. So können beispielsweise die Anschlussenden jedes für sich mit der Tankwand verbunden werden, Es ist aber auch möglich, beide Anschlussenden in einen Flansch zu integrieren, der an einer Wand des Flüssigkeitsbehälters befestigt ist. Mittels des Flansches kann beispielsweise die Wärmekonvektion in die Wände des Flüssigkeitsbehälters minimiert werden, was zu einer Verbesserung des Wirkungsgrades des Heizungssystems beiträgt. Gleichzeitig wird hierdurch in Verbindung mit der Loslagerung des Heizelementes im Inneren des Flüssigkeitsbehälters das Heizelement für Wartungs- bzw. Reparaturarbeiten zugänglich. Vorzugsweise weist auch der Flüssigkeitsbehälter Mittel zur Befestigung des wenigstens einen Flansches auf, wobei es sich als vorteilhaft herausgestellt hat, wenn zwischen dem Flansch und dem Flüssigkeitsbehälter wenigstens ein Mittel zur Abdichtung, wie beispielsweise ein Dichtring, angeordnet ist, wobei die Dichtung ein Austreten von Flüssigkeit aus dem Flüssigkeitsbehälter vermeidet.
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Die vorliegende Erfindung umfasst weiterhin ein Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Flüssigkeitsbehälters mittels Rotationsschmelzen. Bei einem derartigen Verfahren werden das Heizelement und das Stützelement über spezielle Formeinsätze in eine auf Haupt- und Nebendrehachsen gelagerten Rotationsschmelzform befestigt. Darauf folgend wird die Rotationsschmelzform mit Kunststoff befüllt und in Rotation um die Haupt- und Nebendrehachsen versetzt. Anschließend wird Wärme in den Rotationsschmelzraum eingetragen. Dies kann beispielsweise durch einen Ofen oder ein Wärmegebläse erfolgen. Anders als bei anderen Verfahren wird das Heizelement im Auflagebereich jedoch nicht von den Seitenwänden des Flüssigkeitsbehälters eingeschmolzen. Vielmehr wird lediglich das Stützelement bereichsweise umsintert. Der nicht umsinterte Bereich des Stützelementes bildet ein Loslager für das Heizelement.
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Der Erfindungsgedanke umfasst auch die Herstellung eines Flüssigkeitsbehälters mit zwei oder mehr Kunststoffschichten. Für derartige Kunststoffbehälter sprechen sowohl Festigkeits- als auch Isolationsgründe aber auch eine hinreichende Widerstandsfähigkeit des Behälters gegen die aufzunehmende Flüssigkeit. Bei einem derartigen Rotationsschmelzverfahren zur Herstellung eines derartigen Flüssigkeitsbehälters werden zunächst das Heizelement und das Stützelement in einem ersten Schritt in einem auf Haupt- und Nebendrehachsen gelagerten Rotationswerkzeug befestigt. Anschließend wird die Rotationsschmelzform mit einem ersten Kunststoffwerkstoff befüllt und in Rotation um die Haupt- und Nebendrehachsen versetzt. Dann wird Wärme in die Rotationsschmelzform eingetragen, wodurch eine erste Schicht aus dem ersten Kunststoffwerkstoff entsteht. Anschließend wird die Rotationsschmelzform wieder mit dem ersten oder einem weiteren Kunststoffwerkstoff befüllt, wie im vorherigen Schritt in Rotation um die Haupt- und Nebendrehachsen versetzt und Wärme eingetragen. Für jede weitere Schicht werden diese Schritte wiederholt. Dabei sieht auch dieses Verfahren in den einzelnen Schmelzstufen jeweils vor, dass das Stützelement zumindest bereichsweise fest in die Seitenwände des Flüssigkeitsbehälters eingeschmolzen wird.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels und der Zeichnung näher erläutert. Dabei bilden alle beschriebenen und/oder bildlich dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination den Gegenstand der Erfindung, unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Ansprüchen oder deren Rückbeziehung.
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Es zeigen:
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1 eine Außenansicht des erfindungsgemäßen Flüssigkeitsbehälters,
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2 einen vertikalen Schnitt durch den Flüssigkeitsbehälter gemäß 1 und
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3 einen Schnitt durch 2 entlang der Linie X-X.
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Der in 1 dargestellte Flüssigkeitsbehälter 1 wird zunächst durch seitliche Wände 2, eine untere Behälterwand 3 und eine obere Behälterwand 4 gebildet. Die obere Behälterwand 4 weist einen horizontalen und einen geneigten Abschnitt auf. In den Abschnitten sind jeweils Öffnungen ausgebildet, die beispielsweise als Befüllungs- und Entnahmeöffnungen verwendet werden können, aber auch als Anschlussöffnungen für zusätzliche Vorrichtungen, wie beispielsweise Füllstandsgeber, Temperaturmesser oder Qualitätssensoren. Im unteren Bereich der seitlichen Behälterwand 2, dem Bodenbereich 5 des Flüssigkeitsbehälters 1, treten die Anschlussenden 6a und 6b eines im Inneren des Flüssigkeitsbehälters 1 angeordneten Heizelements 10 heraus. Die Anschlussenden 6a, 6b sind jeweils mit Adaptern 7 zum Anschluss an eine geeignete Wärmequelle ausgestattet und jeweils für sich von der seitlichen Behälterwand in dichtender Weise umsintert. Zusätzlich sind weitere Anschlussöffnungen 8 ausgebildet, um weitere geeignete Vorrichtungen nach Wahl anzuschließen.
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Die 2 und 3 zeigen den Aufbau des Flüssigkeitsbehälters 1 im Behälterinnenraum 9. Das Heizelement 10, hier in Form einer Heizwendel, ist im Bodenbereich 5 des Flüssigkeitsbehälters 1 mit Abstand zur unteren Behälterwand 3 angeordnet, wobei sich das Heizelement 10 im Wesentlichen über die Breite des Flüssigkeitsbehälters 1 erstreckt. Gehalten wird das Heizelement 10 zunächst durch die in 1 dargestellten umsinterten Anschlussenden 6a, 6b. Zusätzlich ist jedoch im Bodenbereich 5 ein Stützelement 11 angeordnet. Das Stützelement 11 besitzt U-förmige Aussparungen 12, in die das Heizelement 10 eingesetzt ist. Darüber hinaus ist das Stützelement 11 mit der Innenwand der unteren Behälterwand 3 derart verbunden, dass der untere Teil des Stützelementes 11 von dem Kunststoff der Seitenwand 3 des Flüssigkeitsbehälters 1 umsintert ist. Auf diese Weise wird eine besonders dichte und feste Verbindung zwischen dem Stützelement 11 und der unteren Behälterwand 3 realisiert, ohne dass zusätzliche Befestigungselemente, wie Schrauben und entsprechende Dichtungen notwendig wären. Durch den vollständig geschlossenen, einstückigen Boden kann das im Behälter befindliche Medium nicht nach außen austreten.
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Die Abstützung bzw. Lagerung des Heizelementes 10 durch das Stützelement 11 wird in der horizontalen Schnittdarstellung gemäß 3 verdeutlicht. Wie 3 zeigt, besitzt das Heizelement 10 eine gewundene Form. In der in 3 rechten Seite mündet die Heizelement 10 in Einlegeteile 13, die von dem Kunststoff der seitlichen Wand 2 umsintert sind und in Verbindung mit einem Wärmeleitblech 14 zur Übertragung von Wärme zu den weiteren Anschlussöffnungen, die bspw. als Entnahmeöffnungen verwendet werden können, stehen. Ferner ist eine Dichtung 15 eingelegt, die ein Kriechen von Flüssigkeit zwischen dem Kunststoff und dem Einlegeteilen verhindert und für eine dichte, leckagefreie Verbindung und Halterung der Heizwendel 10 im Behälterinnenraum 9 sorgt. Anstelle der Umsinterung der Einlegeteile 13 können diese auch über einen nicht dargestellten Flansch an der Wand 2 des Flüssigkeitsbehälters 1 angebracht werden. Seitlich aus der Wand 2 treten die Anschlussenden 6a, 6b heraus.
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Das Stützelement 11 ist in einem zentralen Bereich der unteren Behälterwand 3 angeordnet und nimmt einen im Wesentlichen geraden Bereich des Heizelementes 10 in den U-förmigen Aussparungen 12 auf. In diesem Bereich der U-förmigen Aussparungen 12 kann sich das Heizelement 10 relativ zum Stützelement 11 in den Richtungen des Pfeils 16 bewegen, was den translatorischen Freiheitsgrad des Loslagers zwischen dem Stützelement 11 und dem Heizelement 10 widerspiegelt. Das Heizelement 10 ist in dem Stützelement 11 somit schwimmend gelagert. Erfährt das Heizelement 10 eine Längenänderung beispielsweise in Folge einer temperaturbedingten Materialdehnung in eine der Pfeilrichtungen 16, treten in den Wänden des Flüssigkeitsbehälters 1 zwischen den möglichen Krafteinleitungspunkten in der Verbindung des Stützelementes 11 zur unteren Behälterwand 3 und im Bereich der umsinterten Anschlussenden 6a, 6b keine Verspannungen auf, weil die Aufnahme des Heizelementes 10 in den U-förmigen Aussparungen 12 eine Ausgleichsbewegung ermöglich. Das Heizelement 10 kann sich relativ zum Stützelement 11 in Richtung des Pfeils 16 bewegen.
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Wie die 2 weiter zeigt, wird das Heizelement 10 dagegen in vertikaler Richtung durch die U-förmigen Aussparungen 12 gehalten. Im regulären Betrieb ermöglicht diese Lagerung, insbesondere in Verbindung mit der Befestigung des Heizelementes 10 im Bereich der Anschlussenden 6a, b, eine stets sichere Positionierung und Halterung des Heizelementes 10 im Flüssigkeitsbehälter 1 in Form einer Fest-Los Lagerung. Dies ist insbesondere bei einer Druckbelastung von oben durch gefrorenes Medium, ähnlich einem Eisblock, der Fall. Gleichzeitig kompensiert dieser Aufbau auch Materialdehnungen der Flüssigkeitsbehälterelemente, die ansonsten zu Spannungen zwischen den einzelnen Elementen führen würden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Flüssigkeitsbehälter
- 2
- seitliche Wand
- 3
- untere Behälterwand
- 4
- obere Behälterwand
- 5
- Bodenbereich
- 6a, 6b
- Anschlussenden
- 7
- Adapter
- 8
- weitere Anschlussöffnungen
- 9
- Behälterinnenraum
- 10
- Heizelement
- 11
- Stützelement
- 12
- Aussparung
- 13
- Einlegteile
- 14
- Wärmeleitblech
- 15
- Dichtung
- 16
- Freiheitsgrad der Lagerung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 1640577 B1 [0003]
- DE 10256727 A1 [0004]
