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Vorliegende Erfindung betrifft einen Behälter für ein flüssiges Betriebsmittel eines Kraftfahrzeuges sowie ein Kraftfahrzeug mit dem Behälter.
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Bei Kraftfahrzeugen mit einem Verbrennungsmotor muss unter Umständen aufgrund der Abgasgesetzgebung der Schadstoff NOx reduziert werden. Eine Methode, die zur Anwendung kommt, ist das sogenannte SCR Verfahren („Selective Catalytic Reduction“), bei dem der Schadstoff NOx unter Zuhilfenahme von flüssigem Reduktionsmittel zu N2 und H2O reduziert wird. Dazu fördert eine Pumpe das Reduktionsmittel über eine Leitung von einem Behälter zu einem Dosiermodul. In der Regel wird als Reduktionsmittel wässrige Harnstofflösung verwendet. Diese gefriert beispielsweise bei -11 °C und muss daher bei tiefen Temperaturen, beispielsweise durch eine Heizung, aufgetaut werden.
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Es ist eine Aufgabe vorliegender Erfindung, einen Behälter für ein flüssiges Betriebsmittel eines Kraftfahrzeuges anzugeben, der bei einfacher Herstellung das Betriebsmittel auch bei niedrigen Außentemperaturen bereitstellen kann.
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Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch einen Behälter für ein flüssiges Betriebsmittel eines Kraftfahrzeuges. Bei dem Betriebsmittel handelt es sich insbesondere um ein Reduktionsmittel, beispielsweise Harnstoff in wässriger Lösung (HWL). Das Reduktionsmittel wird in dem Kraftfahrzeug insbesondere in den Abgasstrang eingeleitet. Bei dem Kraftfahrzeug handelt es sich vorzugsweise um ein zweispuriges Kraftfahrzeug, beispielsweise einen Pkw oder Lkw.
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Der Behälter umfasst eine Außenwandung. Die Außenwandung wiederum umfasst insbesondere einen Bodenbereich, einen gegenüberliegenden Deckelbereich und einen Seitenwandbereich. Der Seitenwandbereich verbindet den Bodenbereich mit dem Deckelbereich. Der Behälter ist vorzugsweise aus Kunststoff gefertigt. Besonders bevorzugt ist der Behälter aus einer Oberschale und einer Unterschale zusammengesetzt.
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Die Außenwandung des Behälters bildet ein Behältervolumen. In diesem Behältervolumen kann das Betriebsmittel aufgenommen werden. Vorzugsweise umfasst der Behälter eine Zuführung zum Befüllen des Behältervolumens mit und einen Auslass zur Entnahme des Betriebsmittels. Der Auslass kann beispielsweise eine Pumpe umfassen.
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Im Rahmen der Erfindung wurde berücksichtigt, dass das Betriebsmittel im Behälter schneller aufgetaut werden kann, je geringer die Füllmenge und somit die Masse an Betriebsmittel im Behälter ist. Das Auftauen kann dabei durch entsprechende Außentemperaturen und/oder durch eine vorteilhafte Heizvorrichtung erfolgen. Die benötigte Menge an Betriebsmittel im Behälter kann bei jeder Fahrzeugkonfiguration, beispielsweise in Abhängigkeit des Motors oder in Abhängigkeit des Landes in dem das Fahrzeug verwendet wird, unterschiedlich ausfallen.
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Erfindungsgemäß befindet sich in dem Behälter und somit in dem Behältervolumen ein Volumenkörper. Der Volumenkörper dient zur Reduzierung der maximalen Füllmenge. Der Volumenkörper ist separat von der Außenwandung gefertigt und lediglich in das Behältervolumen eingesetzt. Die Außenwandung des Behälters kann somit für eine Vielzahl von Behältern mit unterschiedlichen Füllmengen baugleich sein. Es werden lediglich unterschiedliche Volumenkörper, jedoch ansonsten gleiche Außenwandung verwendet, um Behälter mit unterschiedlichen Füllmengen herzustellen. Dadurch ergibt sich eine sehr einfache und kostengünstige Herstellung der Behälter für unterschiedliche Fahrzeugkonfigurationen.
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Ein weiterer entscheidender Vorteil der Verwendung des Volumenkörpers im Behältervolumen ist, dass die Außenmaße des Behälters stets gleich sind, sodass die Veränderung der maximalen Füllmenge keinerlei Veränderung des Luftwiderstandes des Fahrzeugs zur Folge hat. Des Weiteren müssen die Behälter mit unterschiedlichen maximalen Füllmengen nicht bei der Anordnung und Dimensionierung angrenzender Bauteile berücksichtigt werden, da sämtliche Behälter in allen Fahrzeugkonfigurationen hinsichtlich der Außenmaße des Behälters gleich sind.
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Der hier verwendete Volumenkörper ist ein starres und relativ großes Bauteil, das die maximale Füllmenge signifikant verändert. In einer einfachen, bevorzugten Ausbildung wird ein einteiliger Volumenkörper verwendet. Allerdings ist es auch möglich, den Volumenkörper aus mehreren einzelnen Körpern zusammenzusetzen.
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Es ist bevorzugt vorgesehen, dass der Volumenkörper (oder die Summe aller einzelnen Körper) das Behältervolumen und somit die maximale Füllmenge um zumindest 5 %, vorzugsweise um zumindest 10 %, besonders vorzugsweise um zumindest 15 %, reduziert. Darüber hinaus gibt es auch Konfigurationen, bei denen der Volumenkörper das Behältervolumen um zumindest 20 %, vorzugsweise um zumindest 25 %, besonders vorzugsweise um zumindest 35 % reduziert.
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Ein weiterer Vorteil bei Verwendung des Volumenkörpers ist, dass dieser aus einem thermisch isolierenden Material gefertigt werden kann. So reduziert der Volumenkörper nicht nur die maximale Füllmenge sondern isoliert, zumindest in bestimmten Bereichen des Behälters, das Betriebsmittel auch gegenüber der Umgebung. In bevorzugter Ausführung ist vorgesehen, dass der Volumenkörper eine Wärmeleitfähigkeit von höchstens 0,1 W/(m*K), insbesondere höchstens 0,08 W/(m*K), besonders vorzugsweise höchstens 0,05 W/(m*K), aufweist. Besonders bevorzugt ist der gesamte Volumenkörper aus diesem thermisch isolierenden Material gefertigt.
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Insbesondere ist vorgesehen, dass der Volumenkörper aus einem aufgeschäumten Material gefertigt ist. Das aufgeschäumte Material weist insbesondere geschlossene Zellen bzw. Poren auf, sodass sich das aufgeschäumte Material nicht mit dem Betriebsmittel vollsaugt. Für das aufgeschäumte Material wird vorzugsweise expandiertes Polystyrol oder expandiertes Polypropylen oder geschlossenzelliger EPDM-Schaum (Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuk) verwendet.
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Vorzugsweise ist vorgesehen, dass der Volumenkörper formschlüssig und/oder kraftschlüssig und/oder stoffschlüssig an der Außenwandung befestigt ist. Dadurch wird vermieden, dass der Volumenkörper im Behälter aufschwimmt. Besonders bevorzugt weist die Außenwandung zumindest einen Befestigungssteg auf, der in das Behältervolumen ragt. Im Volumenkörper ist ein dazu komplementärer Befestigungsschlitz ausgebildet. Beim Einsetzen des Volumenkörpers in das Behältervolumen wird der Befestigungsschlitz auf den Befestigungssteg gesetzt, wodurch sich eine formschlüssige und kraftschlüssige Verbindung ergibt. Zusätzlich oder alternativ ist es auch möglich, den Volumenkörper an der Außenwandung stoffschlüssig anzubinden, beispielsweise zu verkleben.
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Vorzugsweise umfasst der Behälter eine Heizvorrichtung. Die Heizvorrichtung ist vorzugsweise im Behältervolumen angeordnete. Die Heizvorrichtung ist insbesondere dazu ausgebildet, gefrorenes Betriebsmittel zu erwärmen, insbesondere aufzutauen. Die Heizvorrichtung ist bevorzugt benachbart zum Auslass angeordnet. Als Heizvorrichtung kann jegliche Vorrichtung vorgesehen sein, die geeignet ist, das Betriebsmittel zu erwärmen. Insbesondere umfasst die Heizvorrichtung eine Widerstandsheizung oder PTC-Elemente (positive temprature coefficient elements) als Heizstein oder Heizfolie. Der Behälter kann auch mehr als eine Heizvorrichtung aufweisen.
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Im Behältervolumen sind vorzugsweise ein proximaler Bereich und ein distaler Bereich definiert. Der proximale Bereich liegt näher an der Heizvorrichtung als der distale Bereich. Der Volumenkörper ist vorzugsweise im distalen Bereich angeordnet, sodass das Betriebsmittel in den proximalen Bereich und somit zur Heizvorrichtung hin verdrängt wird. Der Volumenkörper kann dabei auch teilweise im proximalen Bereich angeordnet sein. Entscheidend ist, dass der Volumenkörper das Behältervolumen primär im distalen Bereich reduziert, sodass das Betriebsmittel entsprechend in den proximalen Bereich verdrängt wird. So befindet sich ein Großteil des Betriebsmittels, bevor selbiges einfriert, im proximalen Bereich und kann sehr schnell durch die Heizvorrichtung aufgetaut werden.
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Besonders bevorzugt ist die Oberseite des Volumenkörpers zum proximalen Bereich geneigt, sodass das Betriebsmittel auf dem Volumenkörper zum proximalen Bereich abfließt. Insbesondere ist der Volumenkörper hierzu hohlkegelförmig ausgebildet.
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In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des Behälters ist vorgesehen, dass der proximale Bereich durch eine Abtrennung vom distalen Bereich getrennt ist. Diese Abtrennung ist für das Betriebsmittel durchgängig, sodass das Betriebsmittel zwischen dem proximalen Bereich und dem distalen Bereich hin und her fließen kann. Besonders bevorzugt befindet sich der Volumenkörper nur auf einer Seite der Abtrennung, nämlich im distalen Bereich.
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Die Heizvorrichtung befindet sich insbesondere im proximalen Bereich. Dabei ist jedoch nicht ausgeschlossen, dass eventuell ein Teilbereich der Heizvorrichtung durch den distalen Bereich verläuft. Bevorzugt ist jedoch die vollständige Heizvorrichtung im proximalen Bereich angeordnet. Die Abtrennung kann alleine oder zusammen mit einem Seitenwandbereich der Außenwandung die Heizvorrichtung umschließen.
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Ferner ist bevorzugt vorgesehen, dass in der Abtrennung ein für das Betriebsmittel durchgängiger Strömungskanal ausgebildet ist. Der Strömungskanal ist mittels einer Öffnung zum proximalen Bereich und zum distalen Bereich offen. Insbesondere umfasst die Abtrennung eine proximale Wand und eine distale Wand, wobei der Strömungskanal zwischen den beiden Wänden ausgebildet ist.
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Da sich sowohl die Öffnungen als auch der Volumenkörper im Bodenbereich befinden, ist vorzugsweise vorgesehen dass der Volumenkörper an der Öffnung zum distalen Bereich ausgespart (distaler Freiraum) ist, sodass das Betriebsmittel ungehindert aus dem Strömungskanal, durch die Öffnung hindurch in den distalen Bereich strömen kann.
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Die Abtrennung samt Strömungskanal ist insbesondere als hydrostatische Schleife ausgebildet. Die hydrostatische Schleife ist eine Vorrichtung, die in einer ersten (Ausgangs)Lage das Strömen von Betriebsmittel aus einem ersten Bereich zu einem zweiten Bereich zulässt, wohingegen die hydrostatische Schleife diese Strömung in einer zweiten (Schräg)Lage ungleich der ersten Lage verringert bzw. verhindert.
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Die Abtrennung ist insbesondere ausgebildet, in der Einbaulage E-E des Behälters im Kraftfahrzeug mehr Betriebsmittel zwischen dem proximalen Bereich und dem distalen Bereich zuzulassen, als in einer Schräglage des Behälters mit Bezug auf die Einbaulage im eingebauten Zustand. Wenn beispielsweise das Kraftfahrzeug auf einer nicht ebenen Fläche betrieben oder abgestellt wird, ergibt sich diese Schräglage des Behälters. Die Abtrennung samt Strömungskanal kann ausgebildet sein, in der Schräglage des Behälters bzw. des Kraftfahrzeuges den Durchfluss von Betriebsmittel zwischen dem proximalen Bereich und dem distalen Bereich zu reduzieren, bevorzugt vollständig zu unterbinden. Insbesondere ist die Abtrennung samt Strömungskanal dazu ausgebildet, in der Schräglage des Behälters bzw. des Kraftfahrzeuges zumindest einen Betriebsmittelstrom vom proximalen Bereich zum distalen Bereich zu unterbinden.
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Die Abtrennung kann sich vom Bodenbereich des Behälters mindestens so weit in Richtung des Deckelbereichs erstrecken, dass das Betriebsmittel in der Schräglage nicht über den oberen Rand der Abtrennung hinweg vom proximalen Bereich in den distalen Bereich gelangen kann. Bevorzugt erstreckt sich die Abtrennung zumindest bereichsweise, bevorzugt vollständig, vom Bodenbereich bis zum Deckelbereich.
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Bevorzugt weist die Abtrennung in der Einbaulage E-E in der Draufsicht von oben auf den Behälter bzw. durch einen Schnitt durch den Behälter einen bogenförmigen Verlauf auf. Besonders bevorzugt verläuft die Abtrennung bogenförmig vom Seitenwandbereich zum Seitenwandbereich und umschließt dabei die mindestens eine Heizvorrichtung. Besonders bevorzugt sind die mindestens eine Heizvorrichtung und/oder der Auslass (gegebenenfalls mit Pumpe) und/oder die Zuführung mittig im Behälter angeordnet. So lässt sich besonders effizient das Betriebsmittel auftauen.
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Bevorzugt umschließt die Abtrennung zumindest bereichsweise konzentrisch die Heizvorrichtung bzw. den Auslass. Bevorzugt ist die Abtrennung leicht beabstandet von der Heizvorrichtung angeordnet. Im Falle einer ringförmigen Heizvorrichtung kann bspw. ein Abstand zwischen dem Heizring und der Abtrennung von ca. 1 bis 20 cm, bevorzugt 2 bis 10 cm, vorgesehen sein.
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Bevorzugt sind im Strömungskanal die mindestens zwei Öffnungen beabstandet voneinander angeordnet. Der Abstand der beiden Öffnungen voneinander beträgt bevorzugt mindestens 0,5L, bevorzugt mindestens 0,75L und besonders bevorzugt mindestens 0,9L, wobei L die Gesamtlänge der Abtrennung bzw. des Strömungskanals ist.
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Bevorzugt ist die erste der mindestens zwei Öffnungen eine proximale Öffnung, die den proximalen Bereich mit dem Strömungskanal der Doppelwandstruktur verbindet. Ferner ist die zweite der mindestens zwei Öffnungen eine distale Öffnung, die den distalen Bereich mit dem Strömungskanal der Doppelwandstruktur verbindet.
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Die Öffnungen sind bevorzugt in Bodennähe positioniert. Auch kann eine Unterbrechung in der Wand die Öffnung bilden. Auch kann die Abtrennung nur einer Wand aufweisen. Beispielsweise kann die Außenwand eine zweite Wand sein, die insbesondere zusammen im der einen Wand einen Kanal ausbildet.
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Die mindestens zwei Öffnungen können an entgegengesetzten Enden der Abtrennung oder unmittelbar benachbart zu diesen Enden vorgesehen sein. Die Enden der Abtrennung können bspw. die Bereiche der Abtrennung sein, an denen die Abtrennung auf Seitenbereiche der Außenwandung trifft.
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Insbesondere können die mindestens zwei Öffnungen, insbesondere mit Bezug auf die Heizvorrichtung, auf gegenüberliegenden Seiten angeordnet sein. Bevorzugt sind die Öffnungen gegenüberliegend zu positionieren.
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Bevorzugt mündet die Zuführung des Betriebsmittels im proximalen Bereich; insbesondere derart, dass Betriebsmittel in den Behälter einströmen kann, wenn im distalen Bereich das Betriebsmittel gefroren ist. Bevorzugt mündet die Zuführung unmittelbar benachbart zur mindestens einen Heizvorrichtung. Unmittelbar benachbart bedeutet insbesondere, dass der maximale Abstand zwischen der Zuführung und der zu ihr nächsten Stelle der Heizvorrichtung maximal 0 cm bis 20 cm, bevorzugt 0 cm bis ca. 10 cm und besonders bevorzugt 0 cm bis ca. 5 cm beträgt.
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Die Erfindung umfasst ferner ein Kraftfahrzeug mit mindestens einem Behälter für das flüssige Betriebsmittel, wie er hier beschrieben wurde. Insbesondere ist der Behälter im Kraftfahrzeug derart eingebaut, dass die Abtrennung samt Strömungskanal in der Einbaulage des Behälters und einer waagerechten Lage des Kraftfahrzeuges mehr Betriebsmittel zwischen dem proximalen Bereich und dem distalen Bereich zulässt als in einer Schräglage des Kraftfahrzeuges.
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Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und den Figuren. Es zeigen:
- 1 eine schematische Draufsicht auf den erfindungsgemäßen Behälter,
- 2 eine schematische Schnittansicht des erfindungsgemäßen Behälters aus 1,
- 3 eine schematische Draufsicht auf eine Variante des erfindungsgemäßen Behälters,
- 4 eine schematische Schnittansicht des erfindungsgemäßen Behälters aus 3, und
- 5 den Volumenkörper des erfindungsgemäßen Behälters aus 3 und 4.
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Die Figuren zeigen einen Behälter 1 für ein flüssiges Betriebsmittel. Der Behälter 1 wird insbesondere in einem Kraftfahrzeug verbaut.
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Gemäß 1 und 2 umfasst der Behälter 1 eine Außenwandung 2. Die Außenwandung 2 umfasst einen Bodenbereich 4, einen gegenüberliegenden Deckelbereich 5 und einen Seitenwandbereich 3, der den Bodenbereich 4 mit dem Deckelbereich 5 verbindet.
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Die Außenwandung 2 des Behälters 1 bildet ein Behältervolumen zur Aufnahme des flüssigen Betriebsmittels. In dieses Behältervolumen ist ein Volumenkörper 9 eingesetzt. Der Volumenkörper 9 ist aus einem thermisch isolierenden Material gefertigt. Der Volumenkörper 9 reduziert die maximale Füllmenge des Behältervolumens.
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Des Weiteren zeigen die 1 und 2 rein schematisch eine Zuführung 12 zum Betanken des Behälters 1. Über einen rein schematisch dargestellten Auslass 7, gegebenenfalls mit Pumpe, kann das Betriebsmittel aus dem Behälter 1 entnommen werden.
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Den Auslass 7 umgibt eine rein schematisch dargestellte Heizvorrichtung 6, die dazu geeignet ist, das Betriebsmittel zu erwärmen bzw. aufzutauen.
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An der Heizvorrichtung 6 ist ein proximaler Bereich 10 definiert. Ein distaler Bereich 11 ist von der Heizvorrichtung 6 weiter entfernt als der proximale Bereich 10. Der Volumenkörper 9 befindet sich in dem distalen Bereich 11. Dadurch wird das Betriebsmittel aus dem distalen Bereich 11 in den proximalen Bereich 10 verdrängt. Des Weiteren zeigt 2, dass die Oberseite des Volumenkörpers 9 zum proximalen Bereich 10 geneigt ist, sodass das Betriebsmittel auf dem Volumenkörper 9 zum proximalen Bereich 10 hin abfließt.
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3 und 4 zeigen eine Variante des Behälters 1. Hier ist der proximale Bereich 10 durch eine Abtrennung 8 vom distalen Bereich 11 abgetrennt. Die Abtrennung 8 ist durch eine proximale Wand 14 und eine distale Wand 15 gebildet. Die beiden Wände 14, 15 sind voneinander beanstandet, sodass zwischen den beiden Wänden 14, 15 ein Strömungskanal 16 gebildet ist.
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Die distale Wand 15 weist eine Öffnung 18 in den distalen Bereich 11 auf. Im Bereich dieser Öffnung 18 ist ein distaler Freiraum 17 ohne Volumenkörper 9 vorgesehen, sodass das Betriebsmittel ungehindert aus dem Strömungskanal 16 durch die Öffnung 18 in den distalen Bereich 11 strömen kann.
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Die proximale Wand 14 weist eine Öffnung 18 in den proximalen Bereich 10 auf.
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Die Abtrennung 8 mit dem Strömungskanal 16 und den beiden Öffnungen 18 bildet eine hydrostatische Schleife die es ermöglicht, in der gezeigten Einbaulage E-E mehr Betriebsmittel zwischen dem proximalen Bereich 10 und dem distalen Bereich 11 auszutauschen als in einer Schräglage des Behälters 1.
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Wie die 3 und 4 zeigen, befinden sich die Heizvorrichtung 6, der Auslass 7 und die Zuführung 12 im proximalen Bereich 10.
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5 zeigt den Volumenkörper 9 gemäß der Konstruktion in den 3 und 4. Zur Befestigung des Volumenkörpers 9 im Behältervolumen ist bevorzugt vorgesehen, dass von der Außenwandung 2 in das Behältervolumen zumindest ein Befestigungssteg 13 ragt. 3 zeigt beispielhaft einen gebogenen Befestigungssteg 13, der vom Bodenbereich 4 nach oben ragt und drei Befestigungsstege 13 die vom Seitenwandbereich 3 nach innen ragen.
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5 zeigt entsprechende Befestigungsschlitze 19. Beim Einsetzen des Volumenkörpers 9 in das Behältervolumen, werden die Befestigungsstege 13 in die Befestigungsschlitze 19 gesteckt, sodass die Lage des Volumenkörpers 9 im Inneren des Behälters 1 fixiert ist.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Behälter
- 2
- Außenwandung
- 3
- Seitenwandbereich
- 4
- Bodenbereich
- 5
- Deckelbereich
- 6
- Heizvorrichtung
- 7
- Auslass
- 8
- Abtrennung
- 9
- Volumenkörper
- 10
- proximaler Bereich
- 11
- distaler Bereich
- 12
- Zuführung
- 13
- Befestigungsstege
- 14
- proximale Wand
- 15
- distale Wand
- 16
- Strömungskanal
- 17
- distaler Freiraum
- 18
- Öffnungen
- 19
- Befestigungsschlitze
