EP0215934B1 - Wärmetauscher - Google Patents

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EP0215934B1
EP0215934B1 EP86902368A EP86902368A EP0215934B1 EP 0215934 B1 EP0215934 B1 EP 0215934B1 EP 86902368 A EP86902368 A EP 86902368A EP 86902368 A EP86902368 A EP 86902368A EP 0215934 B1 EP0215934 B1 EP 0215934B1
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heat exchanger
heat
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channel
walls
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Alexander Sen. Faller
Alexander Jun. Faller
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FALLER Alexander jun
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FALLER Alexander jun
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D9/00—Heat-exchange apparatus having stationary plate-like or laminated conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall
    • F28D9/04—Heat-exchange apparatus having stationary plate-like or laminated conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the conduits being formed by spirally-wound plates or laminae
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10S—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10S165/00—Heat exchange
    • Y10S165/355—Heat exchange having separate flow passage for two distinct fluids
    • Y10S165/398—Spirally bent heat exchange plate

Definitions

  • the invention relates to a heat exchanger with two mutually extending, spiral channels for the passage of a heat-emitting and a heat-absorbing medium, wherein an inlet and an outlet opening is provided for each channel, which radially outwardly and inwardly delimiting, spiral wall surfaces have a straight generatrix and the axial ends of the channel walls are each pressed against an elastically flexible sealing surface which is provided on a plate which closes the associated end face of the heat exchanger.
  • DE-GM 66 05 139 describes and shows a heat exchanger whose channel walls consist of two sheet metal strips, namely a so-called outer band and a so-called inner band.
  • the outer band is bent at one axial end towards the inner band and welded to it, so that the channel is sealed off on this end face.
  • the other channel is sealed in a corresponding manner on the other end face by welding the two metal strips.
  • DE-PS 128 288 has the object of a liquid cooling device with a square base, the channels for the passage of the liquid to be cooled, for example beer, run approximately in a helical shape and are each deflected at right angles at the square corners.
  • the channels are formed by two plates with approximately helical indentations, semicircular in cross-section, and a flat intermediate plate. To cool the liquid, this heat exchanger must be placed in a cooling container.
  • spiral channels having hollow disks are arranged, which in turn each consist of two plates, which are connected to one another by welding or the like. Cleaning these channels is therefore only possible to a limited extent.
  • a heat exchanger of the type specified at the outset is known from DE-C-594278.
  • two sheet metal strips are arranged spirally one inside the other, the inner ends being fastened to a pipe socket which is closed off at one end by a base and opens into a socket at the other end.
  • the space around the pipe socket communicates with an inlet socket which is attached to a plate.
  • This plate and the opposite fastening plate of the outlet connector are in turn attached to the inside of two ring-shaped floors which close off the channels axially to the outside.
  • connections for the supply of one medium and the discharge of the other medium open in the axial direction.
  • a disadvantage of this known construction is the fact that, despite the instructions given in the description, a simple disassembly of the heat exchanger for cleaning it is not possible, since a connection piece is provided on each of the two end faces, which in turn is attached to a plate, which in turn is attached is attached to the inside of the annular bottoms.
  • the two connecting pieces on the top of the heat exchanger hinder easy dismantling. Because of the construction described with the above connection piece, a combination with other heat exchangers is not possible.
  • the invention has for its object to provide a heat exchanger that is so simple that it not only allows inexpensive manufacture, but above all combined with other heat exchangers and can be easily disassembled to to be able to clean it thoroughly if necessary. Despite the possibility of simple and quick disassembly, the integrity sealing of the channels should not be impaired.
  • this object is achieved in a heat exchanger of the type specified in that an end plate of the heat exchanger simultaneously covers an axially connected second heat exchanger of the same type, with an axial passage opening for the heat-absorbing medium and an axial passage opening for in the middle region of this intermediate plate the counter-current, heat-dissipating medium are incorporated, and that the inlet and the outlet opening of each of the two coupled heat exchangers from its curved outer surface i. w. tangentially into or out of the associated channel.
  • twin heat exchanger with counterflow operation has excellent efficiency and, due to its compact design and its small outer surface, only minimal heat losses.
  • the channel walls of both channels consist of a single, contiguous sheet-metal strip which is bent spirally up to the center in order to merge into the second spiral leading outwards at this point.
  • the canal After removing the panels, the canal must be cleaned properly le is possible because no corners and edges or connection points make easy access difficult. This is particularly important when using the heat exchanger in the food industry with strict hygiene requirements, for example in breweries, distilleries or the like.
  • the channel walls and plates can be held together by clamp fasteners, which not only facilitates assembly, but above all disassembly for cleaning purposes.
  • the channels of the “twin heat exchanger” are covered on both ends by a plate 10 and in the middle by an intermediate plate 10 ′.
  • the plates are made of steel, for example.
  • Each of the two heat exchangers of the twin heat exchanger has two mutually extending, spiral channels 12 and 14, of which the channel 12 is used for the passage of a heat-emitting medium and the channel 14 for the passage of a heat-absorbing medium; of course, this can also be the other way round.
  • the channel walls 16 consist of an initially flat sheet metal strip, for example made of sheet steel, which i. w. is spiraled inwards; the same sheet metal strip is then spirally bent outwards (see FIGS. 2 and 3). In this way, the two spiral channels 12 and 14 which run into one another result.
  • the heat exchanger On the lateral surface, the heat exchanger is closed off by a cylindrical sleeve 18, from each of which a flange 20 protrudes radially outwards at both ends, which flange is connected to the plate 10 or the intermediate plate 10 'via screws 22 (not shown).
  • a sealing washer 24 made of elastically resilient material, for example rubber or plastic, is provided on the inner sides of each plate 10 and 10 ', against which the axial ends of the channel walls 16 are pressed.
  • the screws 22 produce a clamp connection between the channel walls 16 and the plates 10, 10 ', so that, as indicated above all in FIG. 1, the axial ends of the channel walls 16 press into these sealing washers 24.
  • the sealing washer 24 of the intermediate plate 10 ' is firmly connected to the entire surface thereof, while between the opposing sealing washer 24 and the outer plate 10 there is an intermediate space 26 into which a pressure medium (liquid or gas ) can be introduced.
  • This pressure medium improves the sealing of the channels 12 and 14 from one another and to the outside and compensates for deformations of the plate 10 which can be triggered by the internal pressure in the heat exchanger.
  • spacer pins 30 are attached to the sheet metal strips forming the channel walls 16 at certain intervals, which are indicated in FIGS. 1 and 2 and which are axially aligned with one another in the spirally bent state of the sheet metal strip and thereby Keep channel walls 16 at the desired distance from each other.
  • FIGS 1-3 show that each heat exchanger has an inlet opening 32 and an outlet opening 34. These are arranged one above the other and, starting from the lateral surface of the sleeve 18, open essentially tangentially into the associated channel 12 or 14.
  • FIG. 5 shows one of the plates 10 provided on the end face, on which fastening eyes 42 or the like are provided, which can be connected to the ends of the fastening tabs 36 provided on the intermediate plate 10 '.
  • the medium to be cooled flows, for example, via the inlet opening 32 in the heat exchanger on the right in FIG. 1 into the channel 12 to the center, where it flows via a passage opening 44 in the intermediate plate 10 'into the corresponding channel 12 of the adjacent heat exchanger and this via the outlet opening 34 leaves again.
  • the cooling medium that absorbs the heat initially flows over in countercurrent.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher mit zwei ineinander verlaufenden, spiralförmigen Kanälen für den Durchlauf eines Wärme abgebenden und eines Wärme aufnehmenden Mediums, wobei für jeden Kanal eine Einlaß- und eine Auslaßöffnung vorgesehen ist, die die Kanäle radial nach außen und nach innen begrenzenden, spiralförmigen Wandflächen eine gerade Erzeugende haben und die axialen Enden der Kanalwände jeweils gegen eine elastisch nachgiebige Dichtfläche gedrückt sind, die an einer die zugehörige Stirnseite des Wärmetauschers abschließenden Platte vorgesehen ist.
  • In dem DE-GM 66 05 139 ist ein Wärmetauscher beschrieben und dargestellt, dessen Kanalwände aus zwei Blechstreifen bestehen, nämlich einem sogenannten Außenband und einem sogenannten Innenband. Das Außenband ist an einem axialen Ende zum Innenband hin abgekröpft und mit diesem verschweißt, so daß der Kanal an dieser Stirnseite dicht abgeschlossen ist. Der andere Kanal ist in entsprechender Weise an der anderen Stirnseite durch Verschweißung der beiden Blechstreifen dicht abgeschlossen. Durch diese Konstruktion wird die Reinigung des Wärmetauschers erschwert, denn einerseits ist jeder Kanal nach Abnahme der entsprechenden Platte nur von einer Stirnseite her zugänglich, und andererseits können sich an der der offenen Stirnseite des Kanals gegenüberliegenden Schweißstelle Verschmutzungen absetzen, die nur sehr schwer oder gar nicht entfernt werden können. Nachteilig ist ferner die aufgrund der Abkröpfungen und Verschweißungen arbeitsaufwendige Herstellung dieses Wärmetauschers.
  • Die DE-PS 128 288 hat eine Flüssigkeitskühlvorrichtung mit quadratischer Grundfläche zum Gegenstand, deren Kanäle für den Durchlauf der zu kühlenden Flüssigkeit, beispielsweise Bier, etwa schneckenförmig verlaufen und an den Quadratecken jeweils rechtwinklig umgelenkt sind. Die Kanäle werden durch zwei mit etwa schneckenförmigen, im Querschnitt halbkreisförmigen Eindrückungen versehene Platten und eine ebene Zwischenplatte gebildet. Zur Kühlung der Flüssigkeit muß dieser Wärmetauscher in einen Kühlbehälter gestellt werden.
  • Bei einem weiteren Wärmetauscher, der in der DE-PS 19 13 226 erläutert ist, sind zwischen zwei Endplatten spiralförmige Kanäle aufweisende Hohlscheiben angeordnet, die ihrerseits jeweils aus zwei Platten bestehen, die miteinander durch Schweißen oder dgl. verbunden sind. Eine Reinigung dieser Kanäle ist damit nur bedingt möglich.
  • Ein Wärmetauscher der eingangs angegebenen Gattung ist aus der DE-C-594278 bekannt. Bei diesem sind zwei Blechstreifen spiralig ineinander angeordnet, wobei die inneren Enden an einem Rohrstutzen befestigt sind, der an einem Ende durch einen Boden abgeschlossen ist und am anderen Ende in einen Stutzen mündet. Der Raum um den Rohrstutzen herum steht mit einem Einlaßstutzen in Verbindung, der an einer Platte befestigt ist. Diese Platte sowie die gegenüberliegende Befestigungsplatte des Auslaßstutzens sind ihrerseits an der Innenseite von zwei ringförmigen Böden befestigt, welche die Kanäle axial nach außen abschließen. An der Oberseite des Wärmetauschers münden in axialer Richtung Stutzen für die Zufuhr eines Mediums und die Abfuhr des anderen Mediums.
  • Nachteilig bei dieser bekannten Konstruktion ist die Tatsache, daß trotz der in der Beschreibung angegebenen Hinweise eine einfache Zerlegung des Wärmetauschers zu dessen Reinigung nicht möglich ist, da an beiden Stirnseiten je ein Anschlußstutzen vorgesehen ist, der seinerseits an einer Platte befestigt ist, die ihrerseits wiederum an der Innenseite der ringförmigen Böden angebracht ist. Außerdem behindern die beiden Anschlußstutzen an der Oberseite des Wärmetauschers die einfache Zerlegbarkeit. Wegen der geschilderten Konstruktion mit den vorstehenden Anschlußstutzen ist eine Kombination mit weiteren Wärmetauschern nicht möglich.
  • Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Wärmetauscher zur Verfügung zu stellen, der so einfach aufgebaut ist, daß er nicht nur eine kostengünstige Herstellung erlaubt, sondern vor allem auch mit weiteren Wärmetauschern kombiniert und leicht auseinandergenommen werden kann, um ihn bei Bedarf gründlich reinigen zu können. Trotz der Möglichkeit der einfachen und raschen Zerlegung soll dabei die einwandfreie Abdichtung der Kanäle nicht beeinträchtigt werden.
  • Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe bei einem Wärmetauscher der angegebenen Bauart dadurch gelöst, daß eine stimseitige Platte des Wärmetauschers zugleich einen axial dahinter geschalteten, zweiten Wärmetauscher derselben Bauart abdeckt, wobei im mittleren Bereich dieser Zwischenplatte eine axiale Durchtrittsöffnung für das Wärme aufnehmende Medium und eine axiale Durchtrittsöffnung für das im Gegenstrom durchlaufende, Wärme abgebende Medium eingearbeitet sind, und daß die Einlaß- und die Auslaßöffnung jedes der beiden miteinander gekoppelten Wärmetauscher von dessen gekrümmter Mantelfläche aus i. w. tangential in den zugehörigen Kanal bzw. aus diesem mündet.
  • Ein derartiger Zwillingswärmetauscher mit Gegenstrombetrieb hat einen ausgezeichneten Wirkungsgrad und wegen seiner kompakten Bauweise und seiner geringen Außenfläche nur geringe Wärmeverluste.
  • Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung bestehen die Kanalwände beider Kanäle aus einem einzigen, zusammenhängenden Blechstreifen, der bis zur Mitte hin spiralförmig gebogen ist, um an dieser Stelle in die nach außen führende, zweite Spirale überzugehen. Nach Abnahme der Platten ist eine einwandfreie Reinigung der Kanäle möglich ist, weil keine Ecken und Kanten oder Verbindungsstellen die bequeme Zugänglichkeit erschweren. Dies ist besonders wichtig bei der Anwendung des Wärmetauschers in der Lebensmittelindustrie mit strengen Anforderungen an die Hygiene, beispielsweise in Brauereien, Brennereien oder dgl.
  • Die Kanalwände und die Platten können durch Klemmbefestigungsmittel zusammengehalten werden, wodurch nicht nur der Zusammenbau erleichtert wird, sondern vor allem die Zerlegung zum Zwecke der Reinigung.
  • Die Erfindung wird nachstehend an einem Ausführungsbeispiel beschrieben, das in der Zeichnung dargestellt ist.
  • Es zeigen :
    • Figur 1 einen Horizontalschnitt durch einen Zwillingswärmetauscher gemäß der Erfindung,
    • Figur 2 eine perspektivische Ansicht der in Figur 1 rechten Hälfte des Wärmetauschers bei' abgenommenen Platten,
    • Figur 3 eine der Figur 2 entsprechende Ansicht des in Figur 1 linken Teils des Wärmetauschers,
    • Figur 4 eine perspektivische Darstellung der die beiden Wärmetauscher gemäß Figuren 2 und 3 trennenden Zwischenplatte und
    • Figur 5 eine perspektivische Ansicht einer an den Stirnseiten vorgesehenen Platte.
  • Wie Figur 1 zeigt, sind die Kanäle des « Zwillingswärmetauschers » an beiden Stirnseiten durch je eine Platte 10 und in der Mitte durch eine Zwischenplatte 10' abgedeckt. Die Platten bestehen beispielsweise aus Stahl. Jeder der beiden Wärmetauscher des Zwillingswärmetauschers hat zwei ineinander verlaufende, spiralförmige Kanäle 12 und 14, von denen der Kanal 12 für den Durchlauf eines Wärme abgebenden Mediums und der Kanal 14 für den Durchlauf eines Wärme aufnehmenden Mediums dient; selbstverständlich kann dies auch umgekehrt sein. Die Kanalwände 16 bestehen aus einem zunächst ebenen Blechstreifen, beispielsweise aus Stahlblech, der bis zum mittleren Bereich i. w. spiralförmig nach innen gebogen ist; im Anschluß daran ist derselbe Blechstreifen spiralförmig nach außen gebogen (vgl. Figuren 2 und 3). Auf diese Weise ergeben sich die beiden ineinanderverlaufenden, spiralförmigen Kanäle 12 und 14.
  • An der Mantelfläche ist der Wärmetauscher durch eine zylindrische Hülse 18 abgeschlossen, von der an beiden Enden radial nach außen je ein Flansch 20 absteht, welcher über nicht weiter dargestellte Schrauben 22 mit der Platte 10 bzw. der Zwischenplatte 10' verbunden ist.
  • Zur Herstellung einer Abdichtung der Kanäle 12 und 14 ist an den Innenseiten jeder Platte 10 bzw. 10' eine Dichtscheibe 24 aus elastisch nachgiebigem Werkstoff, beispielsweise Gummi oder Kunststoff, vorgesehen, gegen die die axialen Enden der Kanalwände 16 gedrückt sind. Die Schrauben 22 stellen dabei eine Klemmbefestigung zwischen den Kanalwänden 16 und den Platten 10, 10' her, so daß sich, wie vor allem in Figur 1 angedeutet ist, die axialen Enden der Kanalwände 16 in diese Dichtscheiben 24 eindrücken.
  • Beim Beispiel der Figur 1 ist die Dichtscheibe 24 der Zwischenplatte 10' auf der ganzen Fläche fest mit dieser verbunden, während zwischen der gegenüberliegenden Dichtscheibe 24 und der äußeren Platte 10 ein Zwischenraum 26 besteht, in den über eine Anschlußleitung 28 ein Druckmedium (Flüssigkeit oder Gas) eingeführt werden kann. Dieses Druckmedium verbessert die Abdichtung der Kanäle 12 und 14 untereinander und nach außen und gleicht Verformungen der Platte 10 aus, die durch den Innendruck im Wärmetauscher ausgelöst werden können.
  • Um eine etwa gleichbleibende Höhe der Kanäle 12 und 14 sicherzustellen, sind an dem die Kanalwände 16 bildenden Blechstreifen in bestimmten Abständen Abstandsstifte 30 befestigt, die in den Figuren 1 und 2 angedeutet sind und die im spiralförmig gebogenen Zustand des Blechstreifens axial miteinander fluchten und dadurch die Kanalwände 16 auf dem gewünschten Abstand voneinander halten.
  • Dieser beträgt für die meisten Anwendungsfälle nur etwa 5 mm. Auf diese Weise ergibt sich trotz einer geringen Außenfläche und einem kleinen Bauraum eine große Austauschfläche. Wenn diese vergrößert werden soll, wird vorzugsweise nicht der Außendurchmesser des Wärmetauschers vergrößert, sondern über die Breite der Blechstreifen die axiale Ausdehnung des Wärmetauschers.
  • Die Figuren 1-3 zeigen, daß jeder Wärmetauscher eine Einlaßöffnung 32 und eine Auslaßöffnung 34 hat. Diese sind übereinander angeordnet und münden von der Mantelfläche der Hülse 18 ausgehend im wesentlichen tangential in den zugehörigen Kanal 12 bzw. 14.
  • In Figur 4 ist angedeutet, daß für den Zusammenbau des Zwillingswärmetauschers an der Zwischenplatte 10' Befestigungslaschen 36 angebracht sein können, an deren Enden die beiden stimseitig vorgesehenen Platte 10 befestigt werden können. Die Zwischenplatte 10' ist dabei auf einer Grundplatte 38 befestigt, auf der zwei parallel zur Zwischenplatte 10' verlaufende Leisten 39 vorgesehen sind, deren Abstand etwa der Breite der Kanalwände 16 entspricht und die zwischen sich den jeweiligen Wärmetauscher mit seiner stimseitig abschließenden Platte 10 aufnehmen. An einer Vertikalseite der Zwischenplatte 10 sind die Befestigungslaschen 36' mit einem Befestigungsauge 40 ausgerüstet, dem zwei an der Zwischenplatte 10' vorgesehene Befestigungsaugen 40' entsprechen. Mittels Durchsteckbolzen können die Befestigungsaugen 40, 40' miteinander verbunden werden. Diese Ausbildung ergibt eine besonders einfache Zerlegungsmöglichkeit für den Wärmetauscher, dessen Reinigung dadurch sehr erleichtert wird.
  • Die Figur 5 zeigt eine der stimseitig vorgesehenen Platten 10, an der Befestigungsösen 42 oder dgl. vorgesehen sind, die mit den Enden der an der Zwischenplatte 10' vorgesehenen Befestigungslaschen 36 verbunden werden können.
  • Bei dem beschriebenen und dargestellten Ausführungsbeispiel strömt das zu kühlende Medium beispielsweise über die Einlaßöffnung 32 im in Figur 1 rechten Wärmetauscher in den Kanal 12 bis zur Mitte, wo es über eine Durchtrittsöffnung 44 in der Zwischenplatte 10' in den entsprechenden Kanal 12 des benachbarten Wärmetauschers fließt und diesen über die Auslaßöffnung 34 wieder verläßt. Das die abgegebene Wärme aufnehmende Kühlmedium fließt im Gegenstrom zunächst über. die in Figur 3 gezeigte Einlaßöffnung 32 in den Kanal 14 des in Figur 1 linken Wärmetauschers, wo es im mittleren Bereich über die Durchtrittsöffnung 46 in den entsprechenden Kanal 14 im in Figur 1 rechten Wärmetauscher überströmt und diesen durch die Auslaßöffnung 34 verläßt.

Claims (3)

1. Wärmetauscher mit zwei ineinander verlaufenden, spiralförmigen Kanälen für den Durchlauf eines Wärme abgebenden und eines Wärme aufnehmenden Mediums, wobei für jeden Kanal eine Einlaß- und eine Auslaßöffnung vorgesehen ist, die die Kanäle radial nach außen und nach innen begrenzenden, spiralförmigen Wandflächen eine gerade Erzeugende haben und die axialen Enden der Kanalwände jeweils gegen eine elastisch nachgiebige Dichtfläche gedrückt sind, die an einer die zugehörige Stirnseite des Wärmetauschers abschließenden Platte vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß eine stimseitige Platte (10') des Wärmetauschers zugleich einen axial dahinter geschalteten, zweiten Wärmetauscher derselben Bauart abdeckt, wobei im mittleren Bereich dieser Zwischenplatte (101 eine axiale Durchtrittsöffnung (46) für das Wärme aufnehmende Medium und eine axiale Durchtrittsöffnung (44) für das im Gegenstrom durchlaufende, Wärme abgebende Medium eingearbeitet sind, und daß die Einlaß- und die Auslaßöffnung (32, 34) jedes der beiden miteinander gekoppelten Wärmetauscher von dessen gekrümmter Mantelfläche aus i. w. tangential in den zugehörigen Kanal (12 bzw. 14) bzw. aus diesem mündet.
2. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanalwände (16) aus einem zusammenhängenden, gebogenen Blechstreifen bestehen.
3. Wärmetauscher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanalwände (16) und die Platten (10, 10') durch Klemmbefestigungsmittel (22) zusammengehalten sind.
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DE3509226A DE3509226C2 (de) 1985-03-14 1985-03-14 Wärmetauscher

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EP0215934A1 EP0215934A1 (de) 1987-04-01
EP0215934B1 true EP0215934B1 (de) 1990-03-28

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US (1) US4907647A (de)
EP (1) EP0215934B1 (de)
DE (2) DE3509226C2 (de)
WO (1) WO1986005579A1 (de)

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