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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Wärmeaustauscher, insbesondere einen Ladeluftkühler einer Verbrennungskraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Gattungsgemäße Wärmeaustauscher für Verbrennungskraftmaschinen bestehen im Wesentlichen aus einem Stapel übereinanderliegender Kanäle und Rohre, wobei die Kanäle mit darin einliegenden Lamellen zur Durchleitung von Kühlluft oder einem anderem Kühlmedium und die Rohre zur Durchleitung eines zu kühlenden Mediums, wie beispielsweise Wasser oder besondere Kühlflüssigkeiten, vorgesehen sind.
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An den Stirnseiten des Wärmeaustauschers sind üblicherweise Rohrböden mit Rohrdurchzügen vorgesehen, in denen stirnseitige Rohrenden der Rohre fluiddicht aufgenommen sind. Die Rohrenden münden dabei üblicherweise in sogenannte Sammelkästen zum Zuführen und Abführen des zu kühlenden Mediums.
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Bedingt durch die Wärmedifferenz zwischen dem Kühlmedium und dem zu kühlenden Medium sind die Rohre und der Rohrboden häufig großen Spannungen ausgesetzt, die sich aus dem wärmebedingten Zusammenziehen bzw. Ausdehnen der Bauteile ergeben.
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Dadurch kann es insbesondere im Bereich zwischen den Rohren und dem Rohrboden zu Ermüdungserscheinungen, insbesondere Rissen, kommen, durch die der Wärmaustauscher unbrauchbar wird.
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Ein gattungsgemäßer Wärmaustauscher ist beispielweise aus der
DE 10 2005 024 902 A1 bekannt. Zur Vermeidung solcher temperaturbedingter Risse oder Brüche werden hier Einsätze vorgeschlagen, mit an die Formgestaltung eines Rohrwandstückes angepassten Vorsprüngen, die in die Rohrenden bis unterhalb des Rohrbodens eingesteckt werden.
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Solche Einsätze haben sich an sich bewährt. Allerdings ist der Montageaufwand zum Einbau dieser Einsätze in die Rohrenden sowie der Herstellungsaufwand für diese Einsätze relativ hoch.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Wärmeaustauscher bereitzustellen, mit dem die oben genannten Probleme möglichst effektiv und kostengünstig sowie prozeßsicher gelöst werden.
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Diese Aufgabe wird durch einen Wärmaustauscher, insbesondere einen Ladeluftkühler einer Verbrennungskraftmaschine, mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Ein erfindungsgemäßer Wärmeaustauscher, insbesondere in Gestalt eines Ladeluftkühlers einer Verbrennungskraftmaschine, weist mehrere Kanäle zur Durchleitung eines Kühlmediums sowie mehrere Rohre zur Durchleitung eines zu kühlenden Mediums zwischen jedem der Kanäle auf.
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Die Rohrenden der Rohre sind dabei fluiddicht in einem Rohrboden mit Rohrdurchzügen aufgenommen.
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Zur Stabilisierung der Rohrenden gegenüber dem Rohrboden ist wenigstens eine Verstärkungsbaueinheit vorgesehen, die in den Rohrenden aufnehmbare Vorsprünge aufweist.
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Diese Verstärkungsbaueinheit weist dabei wenigstens zwei miteinander verbundene und parallel zueinander angeordnete Verstärkungsleisten auf, an denen die Vorsprünge angeformt sind.
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Die Vorsprünge erstrecken sich senkrecht zur Längsachse der Verstärkungsleisten von einer im montierten Zustand den Rohrenden zugewandten Unterkante der Verstärkungsleisten in die jeweiligen Rohrenden.
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Dabei weist jeder der Vorsprünge wenigstens zwei voneinander getrennte, im montierten Zustand an den jeweiligen Innenwandabschnitten eines jeweiligen Rohrendes anliegende Anlageflächen auf.
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Durch die Verbindung der beiden Verstärkungsleisten mit den jeweiligen Vorsprüngen ist eine einfache und schnelle Montage der Verstärkungsbaueinheit in den Rohrenden ermöglicht.
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Die Vorsehung von mindestens zwei an den jeweiligen Innenabschnitten eines jeweiligen Rohrendes anliegenden Anlageflächen an den Vorsprüngen ermöglicht eine materialsparende Formgestaltung der Vorsprünge.
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Vorteilhafte Ausführungsvarianten der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsvariante der Erfindung ist eine Einbuchtung zwischen den Anlageflächen von einem freien Ende der Vorsprünge her mit einer Ausbuchtung versehen.
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Alternativ oder zusätzlich ist die Einbuchtung teilweise ausgestanzt.
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Beide Ausführungsvarianten dienen dabei dem Spannungsabbau zwischen den Rohrenden und den in diese eingesetzten Vorsprüngen.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsvariante der Erfindung ist an den Anlageflächen abgewandten Seitenflächen wenigstens eine Nase angeformt. Durch die Anformung einer solchen Nase kann ein Verformen, insbesondere Quetschen, von in den Rohrenden eingesetzten Lamellen vermieden werden.
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In einer vorteilhaften Ausführungsvariante der Erfindung ist die Verstärkungsbaueinheit als einstückiges Bauteil ausgebildet, was die Montage des Wärmaustauschers nochmals erleichtert.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsvariante sind zwischen den jeweiligen Vorsprüngen der Verstärkungsleisten Fixierzungen an der Unterkante der Verstärkungsleisten angeformt, die in Zwischenräume zwischen benachbarten Rohrenden vorstehen und dadurch die Positionierung und Fixierung der Verstärkungsleisten erleichtern bzw. verbessern.
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Die Länge dieser Zungen ist nach einer vorteilhaften Ausführungsvariante so bemessen, dass sie, möglichst unmittelbar, vor dem Rohrboden enden und dadurch eine vertikale Justierung in Richtung der Rohre ermöglichen.
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Zur Verbindung zu den parallel zueinander angeordneten Verstärkungsleisten miteinander sind zumindest ein Teil der an den jeweiligen Verstärkungsleisten sich gegenüber stehende Zungen durch einen Quersteg miteinander verbunden.
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Dieser Quersteg ist bevorzugt senkrecht zur Längsachse der Verstärkungsleisten und zum Rohrboden ausgerichtet, um eine möglichst hohe Steifigkeit der Verstärkungsbaueinheit in Durchströmungsrichtung der Rohre zu erreichen.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Wärmeaustauschers sind zwischen den jeweiligen Vorsprüngen der Verstärkungsleisten Querstege an der Unterkante der Verstärkungsleisten angeformt, die in Zwischenräume zwischen benachbarten Rohrenden vorstehend parallel zum Rohrboden ausgerichtet sind.
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Durch das Eintauchen der Querstege zwischen die benachbarten Rohrenden ist auch bei dieser Ausführungsvariante eine einfache formschlüssige Fixierung der Verstärkungsbaueinheit ermöglicht.
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Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsvarianten der Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine perspektivische Darstellung einer Ausführungsvariante eines Wärmaustausches mit in den jeweiligen Rohrenden eingesetzter Verstärkungsbaueinheit,
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2 eine Seitenansicht einer Verstärkungsleiste der Verstärkungsbaueinheit aus 1,
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3a, 3b und 3c beiliegende Schnittansichten durch einen der Vorsprünge entlang einer in 2 gezeigten Schnittlinie S-S in drei unterschiedlich ausgeführten Ausführungsvarianten,
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4 eine Schnittansicht durch ein Teilstück des Wärmeaustauscher aus 1 mit aufgesetzter Verstärkungsbaueinheit,
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5 eine perspektivische Ansicht eines Wärmeaustauschers mit alternativ ausgebildeter Verstärkungsbaueinheit,
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6 eine perspektivische Ansicht der in 5 am Wärmeaustauscher montierte Verstärkungsbaueinheit,
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7 eine perspektivische Ansicht eines Wärmeaustauschers mit einer nochmals alternativ ausgebildeten Verstärkungsbaueinheit,
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8 eine perspektivische Ansicht des in 7 zwischen Verstärkungsleisten eingesetzten Stützteils, und
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9a, 9b Frontansichten zweier Ausführungsvarianten der Vorsprünge.
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In der nachfolgenden Figurenbeschreibung beziehen sich Begriffe wie oben, unten, links, rechts, vorne, hinten usw. ausschließlich auf die in den jeweiligen Figuren gewählte beispielhafte Darstellung und Position der Wärmeaustauscher, Kanäle, Rohre, Rohrboden, Verstärkungsleisten, Vorsprünge, Zungen und anderer Teile. Diese Begriffe sind nicht einschränkend zu verstehen, das heißt, durch verschiedene Arbeitsstellungen oder die spiegelsymmetrische Auslegung oder dergleichen können sich diese Bezüge ändern.
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In 1 ist mit dem Bezug zu insgesamt eine Ausführungsvariante eines erfindungsgemäßen Wärmeaustauschers bezeichnet. Der Wärmeaustauscher 1 weist dabei mehrere Kanäle 2 zur Durchleitung eines Kühlmediums sowie mehrere Rohre 3 zur Durchleitung eines zu kühlenden Mediums, wobei die Kanäle 2 und die Rohre 3 wechselweise zu einem Stapel angeordnet sind. In den Kanälen 2 sind dabei vorzugsweise Lamellen 6 eingesetzt, um die mit dem Kühlmedium wechselwirkende Kühlfläche zu erhöhen.
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Die Rohre 3 sind vorzugsweise als Flachrohre ausgebildet, durch die das zu kühlende Medium in einer Durchströmungsrichtung Z die Rohre 3 durchströmt. Die Lamellen 6 in den Kanälen 2 sind dabei so in den Kanälen 2 angeordnet, dass das Kühlmedium senkrecht zur Durchströmungsrichtung Z in einer Strömungsrichtung Y die Kanäle 2 durchströmt. Die Lamellen 6 sind dabei vorzugsweise als eckig gefaltete oder gerundete Wellenbleche ausgebildet. Alternativ ist auch denkbar, die Lamellen 6 als Turbulatoren mit rechteckig geformten Nocken zur Gewährleistung einer ausreichenden Festigkeit bei großen und kleinen mechanischen Wechselbelastungen auszubilden, wie es in 5 gezeigt ist.
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An den Enden der Rohre 3 sind Rohrböden 4 vorgesehen, die Rohrdurchzüge 8 aufweisen, in denen stirnseitige Rohrenden 7 der Rohre fluiddicht aufgenommen sind, insbesondere verklebt oder verlötet.
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Auf die Rohrböden 4 sind außerdem sogenannte Sammelkästen (nicht gezeigt) aufgesetzt, die mit entsprechenden Ein- und Ausgangsöffnungen versehen sind, in die oder aus denen das zu kühlende Medium ein- bzw. ausfließt und von einem Sammelkästen durch die Rohre hindurch zum anderen Sammelkasten strömt.
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Um den thermischen und mechanischen Wechselbelastungen Rechnung zu tragen, ist zur Verstärkung der Schnittstelle zwischen den Rohrenden 7 und dem Rohrboden 4 eine Verstärkungsbaueinheit 5 vorgesehen. Die Verstärkungsbaueinheit 5 weist dabei in die Rohrenden 7 eintauchende Vorsprünge 11 auf, die an Verstärkungsleisten 9, 10 der Verstärkungsbaueinheit 5 angeformt sind.
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Die Vorsprünge 11 verstärken dabei bevorzugt die Bereiche der stärksten Krümmung der Rohrenden 7, so dass, wie in 1 gezeigt, bei einer Ausbildung der Rohre 3 als Flachrohre in jedes der Flachrohre 3 jeweils zwei solcher Vorsprünge 11 an den voneinander beabstandeten Enden der Rohrenden 7, betrachtet senkrecht zur Strömungsrichtung Z des zu kühlenden Mediums und senkrecht zu einer Längsachse A der Verstärkungsleisten 9, 10, eingesetzt sind.
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Die Vorsprünge 11 erstrecken sich dabei senkrecht zur Längsachse A der Verstärkungsleisten 9, 10 von einer im montierten Zustand in den Rohrenden 7 zugewandten Unterkarte 14 der Verstärkungsleisten 9, 10 in die jeweiligen Rohrenden 7 hinein.
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Zum erleichterten Einführen der Vorsprünge 11 in die Rohrenden 7 sind die freien Enden der Vorsprünge 11 bevorzugt an den Außenflächen mit einer Fase 18 versehen.
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Die Verstärkungsleisten 9, 10 sind dabei in Richtung ihrer Längsachse A im Wesentlichen geradlinig ausgebildet, wie es in 1 zu erkennen ist. Insbesondere ist die Oberkante 20 der Verstärkungsleisten 9, 10 bevorzugt geradlinig ausgebildet, was die Herstellung und Handhabung der Verstärkungsbaueinheit erleichtert.
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Die Vorsprünge 11 selber weisen, wie es in den 2 und 3a) bis c) gezeigt ist, wenigstens zwei voneinander getrennte, im montierten Zustand am jeweiligem Innenwandabschnitt eines jeweiligen Rohrendes 7 anliegende Anlageflächen 15, 16 auf.
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Die beiden Anlageflächen 15,16 sind durch eine Einbuchtung 19 voneinander getrennt, wobei im Bereich der Einbuchtungen 19 der Vorsprünge 11 zwischen diesen und den jeweiligen Abschnitten des jeweiligen Rohrendes 7 ein Spalt verbleibt.
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Um beim Einschieben der Vorsprünge 11 in die Rohrenden 7 eine Verformung von in den Rohrenden 7 aufgenommenen Lamellen 13 zu verhindern, sind, wie in den 3b) und 3c) gezeigt, an den den Anlageflächen 15, 16 abgewandten Seitenflächen der Vorsprünge 11 wenigstens eine Nase 17, gezeigt in 3b), bevorzugt zwei voneinander beabstandet angeordnete Nasen 17, wie in 3c) gezeigt, angeformt, die sich zur Rohrmitte des jeweiligen Rohrendes 7 hin erstrecken.
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Der Bereich der Einbuchtungen 19 zwischen den Anlageflächen 15, 16 ist dabei in der in 2 gezeigten Ausführungsvariante als sich über die Länge der Vorsprünge 11 erstreckende konkave Ausbuchtung ausgebildet. In weiteren Ausführungsvarianten, gezeigt in den 9a) und 9b), ist die Einbuchtung 19 vom freien Ende der Vorsprünge 11 her mit einer bevorzugt u-förmigen Ausbuchtung versehen (9a)) oder mit einer bevorzugt als Langloch ausgebildeten Ausstanzung 28 (9b)). Beide letztgenannten Varianten dienen dabei dem Spannungsabbau der Verbindung zwischen den Rohrenden 7 und den Vorsprüngen 11.
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Wie des Weiteren in den 1 und 2 gezeigt ist, sind zwischen den Vorsprüngen 11 der Verstärkungsleisten 9, 10 Fixierzungen 12 an der Unterkante 14 der Verstärkungsleisten 9, 10 angeformt. Diese Fixierzungen 12 stehen dabei in Zwischenräume 22 zwischen benachbarten Rohrenden 7 vor und unterstützen dadurch die exakte Platzierung der Verstärkungsbaueinheit 5 sowohl in Richtung der Längsachse A der Verstärkungsleisten 9, 10 als auch in Durchströmungsrichtung Z des zu kühlenden Mediums.
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Dazu ist die Länge l der Fixierzungen 12 bevorzugt so bemessen, dass sie vor, insbesondere unmittelbar oberhalb des Rohrbodens enden bzw. auf diesem aufliegen, wenn die Verstärkungsbaueinheit 5 ihre vorbestimmte Endposition erreicht hat.
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An einem Teil dieser Zungen 12 sind, wie in 1 gezeigt, Querstege 23 befestigt, mit denen die parallel zueinander angeordneten Verstärkungsleisten 9, 10 miteinander verbunden sind.
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Die Querstege 23 sind in der Ausführungsvariante gemäß 1 senkrecht zur Längsachse A senkrecht zu den Verstärkungsleisten 9, 10 und senkrecht zum Rohrboden 4 ausgerichtet, was die Steifigkeit der Verstärkungsbaueinheit 5 in Durchströmungsrichtung Z des zu kühlenden Mediums erhöht.
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4 zeigt noch einmal in einer Schnittansicht die in die Rohrenden 7 eingeführte Verstärkungsbaueinheit 5. Wie hier zu erkennen ist, erstrecken sich die Vorsprünge 11 durch den Rohrboden 4 hindurch und erhöhen so die Festigkeit der Wände der Rohrenden 7 im Bereich des Rohrbodens 4. Die Zungen 12 stützen sich auf dem Rohrboden 4 ab.
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In einer in den 5 und 6 gezeigten alternativen Ausführungsvariante ist die Verstärkungsbaueinheit 5 als einstückiges Bauteil ausgebildet, wie besonders in 6 gut zu erkennen ist.
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Die Gestaltung der Vorsprünge 11, die auch hier an der Unterkante 14 der Verstärkungsleiste 9, 10 angeformt sind, entspricht dabei der oben anhand des ersten Ausführungsbeispiels erläuterten Formgestalt.
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Anstelle der in Durchströmungsrichtung Z des zu kühlenden Mediums ragenden Zungen 12 sind zwischen den jeweiligen Vorsprüngen 11 der Verstärkungsleisten 9, 10 Querstege 21 an der Unterkante 14 der Verstärkungsleisten 9, 10 angeformt, die in Zwischenräume 22 zwischen benachbarten Rohrenden 7 vorstehen und parallel zum Rohrboden 4 ausgerichtet sind. Diese Ausführungsvariante der Verstärkungsbaueinheit 5 hat den weiteren Vorteil einer noch einfacheren Montage der Verstärkungsbaueinheit 5 am Rohrboden 4 und den Rohrenden 7 des Wärmeaustauschers.
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In einer weiteren in den 7 und 8 gezeigten alternativen Ausführungsvariante weist die Verstärkungsbaueinheit 5 neben den Verstärkungsleisten 9, 10 wenigstens ein zwischen diesen einklemmbares Stützteil 24 auf. Das Stützteil 24 weist dabei aus mehreren, senkrecht zur Längsachse A der Verstärkungsleisten 9, 10 und parallel zum Rohrboden 4 ausgerichteten Querstegen 25 auf, die über Verbindungsstreben 26 miteinander verbunden sind.
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Die Verbindungsstreben 26 sind dabei bevorzugt wellen- oder dachartig geformt, wie es in 8 dargestellt ist.
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Die Länge des Stützteils 24 in Richtung der Längsachse A der Verstärkungsleisten 9, 10 ist dabei vorzugsweise so bemessen, dass zwischen die Verstärkungsleisten 9, 10 ein einziges Stützteil 24 einsetzbar ist. Denkbar ist auch, mehrere entsprechend kürzer ausgebildete Stützteile 24 in der Längsachse A der Verstärkungsleisten 9, 10 hintereinander zwischen die Verstärkungsleisten 9, 10 einzusetzen.
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Der fertig zusammengesetzte Wärmetauscher wird nach dem Zusammensetzten der Bauteile noch verlötet.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Wärmeaustauscher
- 2
- Kanäle
- 3
- Rohre
- 4
- Rohrboden
- 5
- Verstärkungseinheit
- 6
- Lamellen
- 7
- Rohrenden
- 8
- Rohrdurchzüge
- 9
- Verstärkungsleisten
- 10
- Verstärkungsleisten
- 11
- Vorsprünge
- 12
- Fixierzungen
- 13
- Lamellen
- 14
- Unterkante
- 15
- Anlageflächen
- 16
- Anlageflächen
- 17
- Nase
- 18
- Phase
- 19
- Einbuchtung
- 20
- Oberkante
- 21
- Quersteg
- 22
- Zwischenräume
- 23
- Querstege
- 24
- Stützteil
- 25
- Quersteg
- 26
- Verbindungsstrebe
- 27
- Ausbuchtung
- 28
- Ausstanzung
- A
- Längsachse der Verstärkungsleiste
- Y
- Durchströmungsrichtung
- Z
- Durchströmungsrichtung
- l
- Länge der Zungen
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102005024903 A1 [0006]
