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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Wärmeübertrager gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und einen stationären Flüssigkeitstank mit einem solchen Wärmeübertrager. Die Erfindung betrifft außerdem ein Wärmepumpensystem mit einem solchen stationären Flüssigkeitstank.
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Aus der
US 4 213 498 ist ein gattungsgemäßer Wärmeübertrager mit einem kreisförmig gebogenen Flachrohr bekannt, das längsendseitig mit einem ersten Sammelrohr und einem zweiten Sammelrohr fluidübertragend verbunden ist. Dabei ist eine Spannvorrichtung zum Spannen des Wärmeübertragers vorgesehen.
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Aus der
GB 1 125 341 ist ein weiterer Wärmeübertrager mit einem kreisförmig gebogenen Flachrohr bekannt. Auch hier ist eine Spannvorrichtung zum Spannen des Wärmeübertragers vorgesehen.
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In der Stationärtechnik wird z.B. bei der Brauchwassertemperierung in Wohngebäuden ein Wärmeübertrager zur Beheizung eines Brauchwassertanks um eben diesen gewickelt und für einen flächigen, dauerhaften Kontakt mit einer Spannvorrichtung gespannt. Bei einer solchen Ausführung sind Montage, Integration und Austausch im Falle eines Defekts einfacher, als wenn der Wärmeübertrager in dem Wassertank angeordnet ist. Zusätzlich wird ein direkter Kontakt des (Trink-)wassers mit dem Wärmeübertrager und damit eine Kontamination des im Wassertank befindlichen Trinkwassers durch Stoffe vom Wärmeübertrager ausgeschlossen. Auch ist bei einer Leckage von Kältemittel eine Kontamination des Trinkwassers ausgeschlossen, da dieses in die Umgebung entweicht.
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Um einen dauerhaften wärmeübertragenden Kontakt zu gewährleisten, sind Spannvorrichtungen bekannt. Die Federkonstante der Spannvorrichtung ist so ausgelegt, dass es dabei zu keiner unzulässigen Spannung im Wärmeübertrager kommt.
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Üblicherweise eingesetzte Wärmeübertrager besitzen dabei mehrere kreisförmig gebogene Flachrohre, die längsendseitig mit einem ersten Sammelrohr und einem zweiten Sammelrohr fluidübertragend gekoppelt sind. Die Verbindung zwischen dem Sammelrohr und den zugehörigen Flachrohren ist bei Designs nach dem Stand der Technik bereits stark belastet und stellt bei Flachrohrwärmeübertragern häufig den Ort des mechanischen Versagens bei Berstdruck und/oder Druckwechselbelastungen und/oder Temperaturwechselbelastungen dar. Eine zusätzliche Belastung an dieser Schnittstelle durch die Spannvorrichtung und eine unterschiedliche thermische Verformung von Flüssigkeitstank und Wärmeübertrager ist daher zu vermeiden.
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Nachteilig ist somit, dass es ohne Abstimmung des Designs zwischen der Spannvorrichtung und dem Wärmeübertrager zu einer Drehmomentbelastung an der Verbindung zwischen Flachrohr und Sammelrohr durch die Spannvorrichtung kommt, was bereits im stationären Fall zu einem Knick an der Verbindung zwischen Flachrohr und Sammelrohr und damit einer Vorschädigung führen kann. Zudem kann es im Betrieb durch einen Temperaturhub und der damit einhergehenden Ausdehnung und Kontraktion zu einer Belastung mit einem Drehmoment an eben dieser Stelle kommen.
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Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich daher mit dem Problem, einen Wärmeübertrager für einen stationären Flüssigkeitstank anzugeben, der insbesondere eine höhere Lebensdauer aufweist.
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Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Die vorliegende Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, eine Spannvorrichtung zum Spannen eines einen Flüssigkeitstank mit Flachrohren umschließenden Wärmeübertragers derart auszubilden, dass diese keinerlei Biegemomente in eine Verbindung zwischen einem Flachrohr und einem Sammelrohr des Wärmeübertragers einträgt, sondern üblicherweise ausschließlich Zugkräfte, wodurch insbesondere die für die Verbindung zwischen Flachrohr und Sammelrohr bislang temperaturbedingte kritische Belastung aufgrund eines Biegemomenteintrags entfällt und dadurch, insbesondere auch eine Knickneigung zwischen Sammelrohr und Flachrohr vermieden werden kann, die ebenfalls die Verbindung zwischen Sammelrohr und Flachrohr stark belastet und langfristig zu Schäden bzw. einer reduzierten Lebensdauer führt. Der erfindungsgemäße Wärmeübertrager besitzt dabei zumindest ein kreisförmiges Flachrohr, vorzugsweise mehrere kreisförmig gebogene Flachrohre, welche längsendseitig mit einem ersten Sammelrohr und einem zweiten Sammelrohr fluidübertragend verbunden sind. Das erste und zweite Sammelrohr liegen sich dabei an jeweils einem Längsende des jeweiligen Flachrohrs gegenüber. Der Wärmeübertrager liegt dabei im Einbauzustand mit seinem zumindest einen Flachrohr flächig an einer Außenmantelfläche eines Flüssigkeitstanks an und kann diesen somit temperieren. Um dabei auch bei unterschiedlichen Temperaturen, welche jeweils eine unterschiedliche Dehnung des Flüssigkeitstanks bewirken, flächig und damit optimal wärmeübertragend an der Außenmantelfläche des Flüssigkeitstanks anzuliegen, ist eine Spannvorrichtung zum Spannen des Wärmeübertragers vorgesehen, die nun erfindungsgemäß derart ausgebildet ist, dass von der Spannvorrichtung über das jeweilige Sammelrohr ausschließlich Zugkräfte in das zumindest eine Flachrohr, jedoch keine oder wenn, nur unkritisch geringe, das heißt marginale, Dreh-/Biegemomente eingetragen werden. Dies bietet den großen Vorteil, dass in einer Verbindung zwischen dem jeweiligen Flachrohr und dem zugehörigen Sammelrohr kein Moment auftritt und dadurch keine Knicke entstehen, die insbesondere die Verbindung stark belasten und dort langfristig zu Schäden führen können. Besonders das Einleiten von Momenten in eine Verbindung zwischen einem Sammelrohr und einem zugehörigen Flachrohr belastet die dortige Verbindung zwischen dem Flachrohr und dem Sammelrohr stark, sodass mit erfindungsgemäßen Spannvorrichtung eine deutliche Entlastung und damit eine deutliche Steigerung der Lebensdauer des erfindungsgemäßen Wärmeübertragers erreicht werden können. Da sich im Betrieb eines Flüssigkeitstanks mit einem derartigen Wärmeübertrager permanent temperaturbedingte Wärmedehnung ergeben, treten bei bisherigen Spannvorrichtungen derartige Momente im Verbindungsbereich der Flachrohre mit dem jeweiligen Sammelrohr häufig auf, wodurch insbesondere beispielsweise eine Lötverbindung, über welche ein in einen Durchzug eines Sammelrohrs eingeschobenes Flachrohr am Sammelrohr befestigt ist, stark belastet wird.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Spannvorrichtung ist diese ein Federbügel oder weist einen derartigen Federbügel auf. Ein derartiger Federbügel ist vergleichsweise einfach und zugleich qualitativ hochwertig herstellbar, insbesondere beispielsweise aus einem Federstahl, und ermöglicht ein langfristig zuverlässiges Aufbringen der erforderlichen Spannkräfte, um die Flachrohre enganliegend an der Außenmantelfläche des Flüssigkeitstanks zu halten und dadurch einen hohen Wärmeübertrag zu gewährleisten.
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Zweckmäßig weist der Federbügel einen Steg sowie längsendseitig daran angeordnete Torsionsfederbügel auf. Hierdurch kann der erfindungsgemäße Federbügel beispielsweise aus einem Federdraht aus Federstahl einfach geschnitten und umgebogen werden, wodurch die Herstellung derartiger Federbügel fertigungstechnisch einfach und zugleich kostengünstig ermöglicht wird.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wärmeübertragers weist zumindest ein Torsionsfederbügel einen um eine Achse gedrehten Federarm auf, über welchen er mit einem Verbindungselement, beispielsweise einem Hakenelement, mit einem zugehörigen Sammelrohr verbindbar ist. Die Achse, um welche der jeweilige Federarm gedreht ist, steht dabei senkrecht zur Längsachse des Steges. Der jeweilige Federarm wirkt somit in der Art einer Torsionsfeder. Der zwischen den beiden Federarmen verlaufende Steg bewirkt dabei die Kraftübertragung von einem Sammelrohr zum anderen Sammelrohr, während die beiden Federarme die jeweilige Zugkraft auf das zugehörige Sammelrohr aufbringen. Durch eine temperaturbedingte Wärmedehnung des Flüssigkeitstanks und damit auch durch eine temperaturbedingte Wärmedehnung der Flachrohre, bei welcher sich die beiden Sammelrohre in Umfangsrichtung voneinander wegbewegen, werden die beiden Federarme der Torsionsfederbügel stärker verdreht und bringen dadurch eine höhere Zugkraft auf das jeweilige Sammelrohr und damit den gesamten Wärmeübertrager auf.
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Die beiden Torsionsfederbügel mit ihrem jeweiligen Federarm können dabei baugleich ausgebildet sein, wobei rein theoretisch selbstverständlich auch eine unterschiedliche Ausführungsform denkbar ist, sodass ein Verdrehen des einen Federarms um seine Achse um einen bestimmten Winkel eine größere Kraft erfordert, als ein Verdrehen des anderen Federarms.
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Zweckmäßig schließt zumindest ein Federarm in unbelastetem Zustand einen Winkel α von ca. 45° mit dem Steg des Torsionsfederbügels ein. Der jeweilige Federarm ist dabei derart mit einem Verbindungselement des jeweiligen Sammelrohrs verbunden, dass bei einer temperaturbedingten Wärmedehnung der Winkel α zunimmt. Hierdurch steigt gleichzeitig die in die jeweiligen Sammelrohre eingebrachte Zugkraft aufgrund der Spannung der beiden Federarme.
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Zweckmäßig ist der Federbügel symmetrisch ausgebildet. Dies bietet den großen Vorteil, dass dieser richtungsunabhängig einbaubar ist, wodurch ein Einbau eines derartigen Federbügels auch durch ungeübte Werker möglich ist.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wärmeübertragers ist zumindest ein Flachrohr als ein Strangpressprofil oder als ein Schweißrohr ausgebildet. Derartige Strangpressprofile können darüber hinaus durch entsprechende Matrizen mit nahezu beliebigen Querschnittsformen hergestellt werden. Rein theoretisch ist auch eine Ausbildung als gefaltetes Flachrohr denkbar. Bereits diese nicht abschließende Aufzählung lässt erahnen, welch mannigfaltige Ausführungsformen für die jeweiligen Flachrohre denkbar sind. Besonders eine Ausführungsform als gefaltetes Flachrohr aus Aluminium, bietet dabei den großen Vorteil, einen hohen Wärmeübertrag bei gleichzeitig geringer Wanddicke des Flachrohrs zu ermöglichen.
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Die vorliegende Erfindung beruht weiter auf dem allgemeinen Gedanken, einen stationären Flüssigkeitstank mit einem Wärmeübertrager entsprechend den vorherigen Absätzen zum Temperieren einer Flüssigkeit, beispielsweise Wasser, in dem Flüssigkeitstank zu verwenden, wobei die Flachrohre des Wärmeübertragers flächig an einer Außenmantelfläche des stationären Flüssigkeitstanks anliegen und durch die Spannvorrichtung gegen die Außenmantelfläche gespannt sind. Ein derartiger erfindungsgemäßer stationärer Flüssigkeitstank kann mit dem ebenfalls erfindungsgemäßen Wärmeübertrager optimal temperiert werden, da die erfindungsgemäße Spannvorrichtung stets ein enges Anliegen der Flachrohre an der Außenmantelfläche des Wärmeübertragers ermöglicht. Zudem werden durch die Spannvorrichtung keinerlei Momente in eine Verbindung zwischen einem Sammelrohr und zugehörigen Flachrohren eingetragen, wodurch die Temperierung des stationären Flüssigkeitstanks über den erfindungsgemäßen Wärmeübertrager langfristig gewährleistet werden kann.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen stationären Flüssigkeitstanks, weist das Flachrohr an einer dem stationären Flüssigkeitstank abgewandten Außenseite eine Isolierung auf. Über eine derartige Isolierung kann eine Wärmeabgabe oder -aufnahme aus der Umgebung zumindest reduziert werden, wodurch die Effizienz der Temperiereinrichtung deutlich gesteigert werden kann. Eine derartige Isolierung kann beispielsweise mittels einer entsprechenden Kunststoffbeschichtung oder einem Art Gehäuse, insbesondere aus Kunststoff oder Mineralwolle, erfolgen.
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Zweckmäßig weist der Flüssigkeitstank einen Stahlkern sowie eine innenliegende und eine außenliegende Emaillebeschichtung auf. Über die Emaillebeschichtung kann insbesondere eine hygienische Lagerung von Flüssigkeit in dem Flüssigkeitstank, beispielsweise Trinkwasser, gewährleistet werden.
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Die vorliegende Erfindung beruht weiter auf dem allgemeinen Gedanken, den beschriebenen Flüssigkeitstank als Teil eines Wärmepumpenkreislaufs zu betreiben, über das der Flüssigkeitstank beheizt wird. Die Verwendung eines solchen Flüssigkeitsspeichers bietet den Vorteil, dass temperierte Flüssigkeit, zum Beispiel Heißwasser für Bedarfsspitzen bevorratet werden kann und das Wärmepumpensystem nur so dimensioniert werden muss, dass es über einen längeren Zeitraum das Vorratsvolumen auf die gewünschte Temperatur erwärmt. Bei der beschriebenen Ausführung ist eine Kontamination der Flüssigkeit im Flüssigkeitstanks mit Kältemittel oder Kühlmittel ausgeschlossen, da eine Leckage von Kühlmittel durch die Doppelwandigkeit in Form der Flachrohrwand und der Tankwand in die Umgebung entweichen würde.
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Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Komponenten beziehen.
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Dabei zeigen, jeweils schematisch:
- 1 eine Ansicht auf einen erfindungsgemäßen Flüssigkeitstank mit einem erfindungsgemäßen Wärmeübertrager,
- 2 eine Draufsicht auf den Flüssigkeitstank und den Wärmeübertrager der 1,
- 3 eine Detailansicht einer erfindungsgemäßen Spannvorrichtung für den erfindungsgemäßen Wärmeübertrager.
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Entsprechend den 1 bis 3, weist ein erfindungsgemäßer Wärmeübertrager 1 zumindest ein kreisförmig gebogenes Flachrohr 2, hier sechs Flachrohre 2, auf, die längsendseitig mit einem ersten Sammelrohr 3 und einem zweiten Sammelrohr 4 fluidübertragend verbunden sind. Das erste Sammelrohr 3 kann dabei beispielsweise als Einlasssammelrohr ausgebildet sein, während das zweite Sammelrohr 4 als Auslasssammelrohr ausgebildet ist. Um nun eine flächige und damit bestmöglich wärmeübertragende Anlage der Flachrohre 2 an eine Außenmantelfläche 5 eines Flüssigkeitstanks 6 zu ermöglichen und dies zusätzlich auch über sämtliche im Betrieb des erfindungsgemäßen Flüssigkeitstanks 6 auftretende Temperaturbereiche zu gewährleisten, ist eine Spannvorrichtung 7 zum Spannen des Wärmeübertragers 1 vorgesehen, die derart ausgebildet ist, dass vom Sammelrohr 3, 4 ausschließlich Zugkräfte in die Flachrohre 2 eingetragen werden. Es werden somit vorzugsweise keine Drehmomente eingetragen. Erreicht wird dies erfindungsgemäß dadurch, dass die Spannvorrichtung 7 einen Federbügel 8 aufweist, der ausschließlich Zugkräfte in die Flachrohre 2 einleitet.
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Die Spannvorrichtung 7 ist dabei in den 1 und 2 lediglich stark schematisiert dargestellt, wogegen sie in 3 entsprechend der Erfindung detaillierter dargestellt ist.
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Der Federbügel 8 kann dabei beispielsweise aus einem Federstahl ausgebildet sein und dadurch nicht nur kostengünstig, sondern zugleich auch qualitativ hochwertig und dennoch einfach herstellbar sein. Der Federbügel 8 besitzt einen Steg 9 (vgl. 3) sowie längsendseitig daran angeordnete Torsionsfederbügel 10, 11. Jeder Torsionsfederbügel 10, 11 weist einen um eine Achse 12 gedrehten Federarm 13, 14 auf, über welchen er mit einem Verbindungselement 15, 16 eines zugehörigen Sammelrohrs 3, 4, insbesondere einem Haken, verbunden ist. Hierzu kann in dem Federarm ein Loch angeordnet sein, in welches der Haken des Verbindungselements eingreift. Eine derartige Verbindung überträgt vorzugsweise auch keine oder wenn, nur unkritisch geringe, Drehmomente. Die Achsen 12 stehen dabei senkrecht zu einer Längsachse des Steges 9, wie dies gemäß der 3 zu erkennen ist, bei der die Achsen 12 orthogonal zur Blattebene und die Längsachse des Steges 9 innerhalb der Blattebene verlaufen.
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Zumindest einer der beiden Federarme 13, 14 schließt dabei in unbelastetem Zustand einen Winkel α von ca. 45° mit dem Steg 9 des Federbügels 8 ein. Der Federbügel 8 gemäß der 3 ist dabei zu dem symmetrisch ausgebildet, wodurch ein falscher Einbau ausgeschlossen werden kann. Rein theoretisch ist selbstverständlich auch denkbar, dass der eine Federarm 13 eine andere Gestalt, Ausrichtung oder Anordnung als der andere Federarm 14 aufweist.
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Zumindest eines der Flachrohre 2 kann darüber hinaus als Strangpressprofil, als Schweißrohr oder als gefaltetes Flachrohr ausgebildet sein, wodurch insbesondere bei der zuletzt genannten Ausführungsform ein hoher Wärmeübertrag bei gleichzeitig geringem Ressourcenbedarf für das Flachrohr 2 ermöglicht wird. Bei als Strangpressprofil ausgebildeten Flachrohren 2 bietet sich durch Verwendung individueller Matrizen zugleich die Möglichkeit, auf innenliegende Kanäle des Flachrohrs 2 in nahezu beliebiger Form Einfluss zu nehmen.
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Der erfindungsgemäße stationäre Flüssigkeitstank 6 kann beispielsweise als Wassertank ausgebildet sein, welcher über den Wärmeübertrager 1 entsprechend temperiert wird. Die Flachrohre 2 des Wärmeübertragers 1 liegen dabei flächig und damit optimal wärmeübertragend an der Außenmantelfläche 5 des Flüssigkeitstanks 6 an und sind durch die Spannvorrichtung 7 zugleich gegen die Außenmantelfläche 5 vorgespannt.
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An einer dem stationären Flüssigkeitstank 6 abgewandten Außenseite können die Flachrohre 2 zugleich eine Isolierung aufweisen, wodurch ein Wirkungsgrad des erfindungsgemäßen Wärmeübertragers 1 zusätzlich gesteigert werden kann. Eine derartige Isolierung kann beispielsweise eine Kunststoffbeschichtung sein. Eine derartige Isolierung kann beispielsweise auch in der Art einer Styroporschale, vorgesehen werden.
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Eine Wandung des erfindungsgemäßen Flüssigkeitstanks 6 kann beispielsweise aus einem Stahlkern sowie einer innen- und/oder außenliegenden Emaillebeschichtung bestehen. Über eine derartige Emaillebeschichtung kann insbesondere eine hygienische Lagerung von Flüssigkeit in dem Flüssigkeitstank 6, beispielsweise Trinkwasser, gewährleistet werden. Der stationäre Flüssigkeitstank 1 kann darüber hinaus Bestandteil eines Wärmepumpensystems sein.
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Zusammenfassend lässt sich somit feststellen, dass mit dem erfindungsgemäßen Flüssigkeitstank 6 und dem erfindungsgemäßen Wärmeübertrager 1 ein hinsichtlich einer Biegebeanspruchung belastungsfreies Spannen des Wärmeübertragers 1 möglich ist, wodurch insbesondere Verbindungen zwischen den jeweiligen Flachrohren 2 und dem zugehörigen Sammelrohr 3, 4 weniger stark belastet werden. Hierdurch kann insbesondere auch die Lebensdauer des erfindungsgemä-ßen Wärmeübertragers 1 deutlich verlängert werden.
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Die biegemomentfreie Einleitung der Zugkräfte in den Wärmeübertrager 1 erfolgt dadurch, dass die jeweiligen Federarme 13, 14 eine Kraft in das jeweilige Verbindungselement 15, 16 auf einer Achse 17, welche der Längsachse des jeweiligen Flachrohrs 2 im Verbindungsbereich zum Sammelrohr 3, 4 entspricht, einleitet. Hierdurch ist somit kein ein Moment erzeugender Hebel vorhanden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 4213498 [0002]
- GB 1125341 [0003]
- EP 2487443 A1 [0004]
- DE 102005050939 A1 [0004]
- EP 3524914 A1 [0004]
- DE 2129721 A1 [0004]
- EP 2963416 A1 [0004]
