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Die
Erfindung betrifft einen Wärmeübertrager, insbesondere
einen Abgaswärmeübertrager für ein Kraftfahrzeug.
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Die
DE 296 22 411 U1 beschreibt
einen Abgaswärmeübertrager mit einem zur Führung
von Gas bestimmten Rohrbündel aus Rechteckrohren. Die Rechteckrohre
sind voneinander gleichmäßig beabstandet angeordnet
und ihre Enden sind in Rohrböden gehalten. Zusammen mit
einem Außenmantel bilden die Rohrböden ein Gehäuse,
welches das Rohrbündel aus Rechteckrohren umgibt und welches zur
Führung eines flüssigen Kühlmittels ausgebildet ist.
Ein zwischen Außenmantel und das Rohrbündel eingebrachter
Füllkörper aus Kunststoff weist zu dem Rohrbündel
einen Abstand auf, welcher dem Abstand der Rechteckrohre des Rohrbündels
zu einander entspricht.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, einen verbesserten Wärmeübertrager
bereitzustellen.
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Diese
Aufgabe wird durch einen Wärmeübertrager mit den
Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen
mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung
sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
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Bei
dem erfindungsgemäßen Wärmeübertrager,
bei welchem es sich insbesondere um einen Abgaswärmeübertrager
für ein Kraftfahrzeug handeln kann, ist in einem Gehäuse
eine Mehrzahl von Leitungen in Form von Rohren angeordnet. In einem Zwischenraum
zwischen einer Innenwandung des Gehäuses und wenigstens
einer der Rohre ist zumindest bereichsweise ein Dämpfungselement
angeordnet.
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Der
Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass der in das Kraftfahrzeug
eingebaute Abgaswärmeübertrager aufgrund seiner
zumindest mittelbaren Anbindung an die Brennkraftmaschine Schwingungen
ausgesetzt ist. Hierbei können Beschleunigungen von bis
zu 300 m·s–2 erreicht
werden. Dynamische Beanspruchungen der Rohre können auch durch
sich verändernde Drücke des in den Rohren strömenden
Mediums, nämlich des Abgases, und/oder des um die Rohre
strömenden, bevorzugt flüssigen, Kühlmediums
bewirkt sein. Des Weiteren können Temperaturänderungen
des Wärmeübertragers zu Relativbewegungen führen.
Das Dämpfungselement sorgt nun für ein Dämpfen
von Relativbewegungen zwischen den Rohren und dem Gehäuse und/oder
den Rohren relativ zueinander.
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Das
Vorsehen des Dämpfungselements vermeidet einen Verschleiß der
Rohre derart, dass die Rohre nur unterhalb einer kritischen Verschleißgrenze
beansprucht werden. Durch das Dämpfungselement ist eine
Beschleunigung verringerbar, welcher die Rohre ausgesetzt sind,
da kinetische Energie der Relativbewegung zumindest teilweise in
Wärmeenergie umgesetzt wird. Es wirkt dadurch eine geringere kinetische
Energie auf die Rohre, so dass es bei der Relativbewegung von sich
berührenden Oberflächen nur zu einem Verschleiß unterhalb
der Fressgrenze und/oder unterhalb der Verschleißgrenze
kommt. Die Vermeidung von abrasivem Verschleiß verhindert also
Leckagen der Rohre und/oder des Gehäuses. Es ist so eine
Lebensdauer des Abgaswärmeübertragers erreichbar,
welche seinen Einsatz während einer Fahrleistung des Kraftfahrzeugs
von 1,2 Mio. Meilen ohne einen Ausfall ermöglicht.
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Bei
Reibverschleiß (Fretting) lösen sich von einander
berührenden Oberflächen Werkstoffpartikel ab und
wirken selber zusätzlich verschleißend. An der
Reibverschleiß-Grenze ist der Reibungskoeffizient im Wesentlichen
konstant. Demgegenüber wird an der Verschleißgrenze,
welche in Schwingversuchen bestimmbar ist, eine definierte Verschleißrate nicht
mehr überschritten, und bei konstanter Verschleißrate
steigt der Reibungskoeffizient nicht weiter an. Durch das Dämpfungselement
kann nun ein Verschleiß mit im Wesentlichen konstantem
Reibungskoeffizient, also unterhalb der Verschleißgrenze
erreicht werden, so dass eine Leckage der Rohre über die
Lebensdauer des Abgaswärmeübertragers vermieden
ist.
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Durch
die gegenüber den Rohren bedeutend größere
elastische Verformbarkeit des Dämpfungselements kann Bewegungsenergie
bei Relativbewegungen von Rohren und Gehäuse gegenüber
einander geschluckt werden. Das Dämpfungselement kann das
Schwingungsverhalten der Rohre erheblich dämpfen und Kraftspitzen
reduzieren, welche aus der kinetischen Energie resultieren.
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Des
Weiteren ist durch das Dämpfungselement eine spezifische
Flächenpressung verringerbar. Das Dämpfungselement
führt des Weiteren zu einer Harmonisierung bzw. Verstimmung
der Schwingung des Rohrpakets und einzelner Rohre und reduziert bzw.
vergleichmäßigt Spannungen in Bodenplatten (oder
Endplatten) des Gehäuses, an welchen die Rohre, beispielsweise
durch Schweißen, festgelegt sind.
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Das
Dämpfungselement kann einen die Gesamtheit der Rohre umgebenden
Ring umfassen, welcher insbesondere einteilig oder zweiteilig ausgebildet
sein kann. Ergänzend oder alternativ kann das Dämpfungselement
in das Gehäuse eingelegt sein. Mit dem wenigstens einen
Dämpfungselement kann eine unkritische Schwingungsfrequenz
der Rohre einfach eingestellt werden.
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Gemäß vorteilhaften
Ausgestaltungen der Erfindung kann das Dämpfungselement
einen Gummi und/oder einen Duroplast und/oder einen Thermoplast
und/oder einen metallischen Werkstoff, insbesondere ein Metallgestrick
und/oder ein Metallvlies und/oder einen Metallschwamm, und/oder
einen, insbesondere ein Polymer umfassenden, Verbundwerkstoff, insbesondere
einen Faserverbundwerkstoff oder ein Laminat, und/oder einen faserverstärkten Kunststoff
und/oder einen Metall-Kunststoff-Verbund umfassen.
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Insbesondere
Gummi-Polymere und/oder Thermoplaste ermöglichen ein gezieltes
Abstimmen von Mischungsbestandteilen, durch welche das Temperaturverhalten
und die Dämpfungsleistung des Dämpfungselements
gezielt eingestellt werden kann. Auch Metall-Polymer-Verbindungen
ermöglichen es auf besonders einfache Weise, durch das
Dämpfungselement Federeigenschaften und Dämpfungseigenschaften
bereitzustellen. Bei einem Faserverbundwerkstoff kann insbesondere
eine Hochleistungsfaser, beispielsweise Aramid, zum Einsatz kommen,
welche insbesondere in eine Polyetheretherketon-(PEK) und/oder Polyphenylensulfid-(PPS)Matrix eingebettet
sein kann.
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Das
Dämpfungselement kann insbesondere eine strukturierte Oberfläche
aufweisen, etwa durch Anbringen von Noppen, Stegen, waffelartigen
Erhebungen und dergleichen regelmäßig oder unregelmäßig
auf einer Oberfläche angeordneten Vorsprüngen
des Dämpfungselements. Durch das Dämpfungselement
und/oder durch dessen Oberflächenstruktur kann insbesondere
ein Strömungsleitelement bereitgestellt sein, welches einen
Medienstrom lenken kann, und welches den Wärmeübergang
zwischen zu kühlendem, die Rohre durchströmendem und
kühlendem Medium verbessert. Auch eine zeilenförmige
und/oder rasterförmige Ausbildung der Oberflächenstruktur
kann sowohl die Dämpfungseigenschaft des Dämpfungselements
als auch dessen Eigenschaft, als Strömungsleitelement zu
wirken, positiv beeinflussen.
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Die
vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen
sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder
in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen
sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch
in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne
den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
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Weitere
Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus
den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter
Ausführungsformen sowie anhand der Zeichnungen, in welchen
gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit identischen Bezugszeichen
versehen sind. Dabei zeigen:
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1 schematisch
einen Abgaswärmeübertrager für ein Kraftfahrzeug
in einer Schnittansicht mit einem zweiteilig ausgebildeten Dämpfungselement, welches
in einem Zwischenraum zwischen einer Innenwandung eines Gehäuses
und einem Rohrbündel angeordnet ist;
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2 einen
Abgaswärmeübertrager mit an einer Außenwandung
des Gehäuses angeordneten Dämpfungselementen;
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3 schematisch
eine erste Möglichkeit der Anordnung von Dämpfungselementen
in einem Abgaswärmeübertrager;
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4 schematisch
eine zweite Möglichkeit der Anordnung von Dämpfungselementen
in einem Abgaswärmeübertrager;
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5 schematisch
eine dritte Möglichkeit der Anordnung von Dämpfungselementen
in einem Abgaswärmeübertrager;
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6 schematisch
eine vierte Möglichkeit der Anordnung von Dämpfungselementen
in einem Abgaswärmeübertrager;
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7 schematisch
eine fünfte Möglichkeit der Anordnung von Dämpfungselementen
in einem Abgaswärmeübertrager;
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8 schematisch
eine sechste Möglichkeit der Anordnung von Dämpfungselementen
in einem Abgaswärmeübertrager;
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9 eine
Schnittansicht eines Rohres des Abgaswärmeübertragers,
bei welchem ein Dämpfungselement das Rohr umhüllend
ausgebildet ist;
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10 eine
weitere Möglichkeit der Ausbildung eines Dämpfungselements;
und
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11 schematisch
einen Ausschnitt aus einem Bündel von Rohren eines Abgaswärmeübertragers
mit unterschiedlichen, exemplarischen Anordnungen von Dämpfungselementen.
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1 zeigt
in einer schematischen Schnittansicht einen Abgaswärmeübertrager 1 für
ein Kraftfahrzeug, welcher dem Kühlen von zu einer Verbrennungskraftmaschine
des Kraftfahrzeugs rückgeführtem Abgas dient.
Innerhalb eines Gehäuses 2 ist ein Rohrbündel 3 angeordnet,
welches eine Mehrzahl, vorliegend im Querschnitt rechteckigen, Rohre 4 umfasst,
die von Abgas durchströmbar sind. Denkbar sind auch andere
Querschnitte. Während die Rohre 4 des Rohrbündels 3 beim
Betreiben des Abgaswärmeübertragers 1 von
Abgas durchströmt werden, strömt um die Rohre 4 ein
flüssiges Kühlmedium zum Kühlen des Abgases.
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In
einem Zwischenraum zwischen einer Innenwandung des Gehäuses 2 und
dem Rohrbündel 3 ist ein Dämpfungselement 5 angeordnet.
Das Dämpfungselement 5 umfasst gemäß 1 ein
oberes Teilstück 6 und ein unteres Teilstück 7.
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Das
Rohrbündel 3 ist mit Endplatten des Abgaswärmeübertragers 1 verschweißt.
Die Rohre 4 unterliegen jedoch aufgrund von Schwingungen
der Verbrennungskraftmaschine, welche sich auf den Abgaswärmeübertrager 1 übertragen,
Beschleunigungen, welche zu einer Relativbewegung von Rohrbündel 3 und
Gehäuse 2 führen. Durch das Vorsehen des
Dämpfungselements 5 wird nun die kinetische Energie
einer solchen Relativbewegung zumindest teilweise in Wärmeenergie
umgesetzt und so abgebaut.
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Durch
die definierte dämpfende Charakteristik des Dämpfungselements 5 wird
so ein Verschleiß der Rohre 4 unterhalb einer
kritischen Verschleißgrenze gehalten, bei deren Unterschreiten
ein Übertritt von Abgas in das Kühlmedium und
umgekehrt sicher unterbunden ist.
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Das
Dämpfungselement 5 weist zum effizienten Absorbieren
der kinetischen Energie von Relativbewegungen bevorzugt elastische
Eigenschaften auf. Das Dämpfungselement 5 reduziert
dann besonders gut die aus der Beschleunigung resultierenden Kräfte.
Insbesondere kann das Dämpfungselement 5 einen
Kontakt der Rohre 4 mit dem Gehäuse 2 verhindern.
Das obere Teilstück 6 und/oder das untere Teilstück 7 können
als flächige Beschichtung der Innenwandung des Gehäuses 2 und/oder
als Beschichtung des Rohrbündels 3 ausgebildet
sein. Das als Beschichtung ausgebildete Dämpfungselement 5 kann
also flächig oder die Innenwandung des Gehäuses
bzw. das Rohrbündel 3 nur bereichsweise beschichtend
ausgebildet sein.
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Als
Werkstoffe für das Dämpfungselement 5 eignen
sich Gummi, Duroplast, Thermoplaste, metallische Werkstoffe, Verbundwerkstoffe,
insbesondere ein Gummi-Metall-Verbund oder ein Gummi-Polymer-Verbund,
und/oder Faserverbundwerkstoffe. Bei der Verwendung von Faserverbundwerkstoffen
können insbesondere Hochleistungsfasern, beispielsweise
Aramidfasern, in das Dämpfungselement 5 integriert
sein, um dem Dämpfungselement 5 eine besonders
hohe Verschleißfestigkeit zu verleihen. Das Dämpfungselement 5 kann
auch einen faserverstärkten Kunststoff umfassen. Bevorzugt
sind verschleißfeste Werkstoffe mit definierten dämpfenden
Eigenschaften zur Ausbildung des Dämpfungselements 5 geeignet.
Bei dem metallischen Werkstoff kann es sich insbesondere um ein
elastisches Metallgestrick und/oder ein Metallvlies und/oder einen
Metallschwamm handeln, welches bzw. welcher zusätzlich mit
einem Matrixwerkstoff gefüllt sein kann. Beim Vorsehen
eines metallischen Werkstoffs für das Dämpfungselement 5 kann
anstelle eines einfachen, bevorzugt elastischen Blechs auch ein
Sandwich-Blech mit dämpfender Zwischenschicht zum Einsatz
kommen.
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Das
Dämpfungselement 5 kann einen offenporigen und/oder
einen geschlossenporigen Werkstoff umfassen und es kann monolithisch
ausgebildet sein. Bevorzugt ist das Dämpfungselement 5 dazu ausgelegt,
wenigstens ein Rohr 4 in Frequenz und/oder Schwingung zu
verstimmen.
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Anstelle
der zwei Teilstücke 6, 7 kann auch eine
einteilige Ausbildung oder eine mehr als die zwei Teilstücke 6, 7 aufweisende
Ausbildung des Dämpfungselements 5 vorgesehen
sein. Es können mehrere Dämpfungselemente 5 in
Strömungsrichtung des Abgases durch die Rohre 4 hintereinander
geschaltet in dem Abgaswärmeübertrager 1,
insbesondere zueinander parallel, angeordnet sein.
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Bei
der Ausführungsform des Abgaswärmetauschers 1 gemäß 2 sind
Dämpfungselemente 5 an der Außenwandung
des Gehäuses 2 angeordnet. In dem Zwischenraum
zwischen der Innenwandung des Gehäuses 2 und dem
Rohrbündel 3 angeordnete Dämpfungselemente
und/oder Dämpfungselemente zwischen Rohre 4 sind
nicht dargestellt. Bei den gezeigten Dämpfungselementen 5 ist
unterhalb eines spezifisch schweren, beispielsweise metallischen,
Körpers 8 ein Schwingungsabsorber 9 angeordnet.
Der Schwingungsabsorber 9 kann monolithisch ausgebildet
sein oder einen Kern 10 aus einem weiteren Material aufweisen.
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3 zeigt
schematisch eine weitere Ausführungsform des Abgaswärmeübertragers 1,
bei welcher das obere Teilstück 6 lediglich oberseitig
des Rohrbündels 3 und das untere Teilstück 7 lediglich unterseitig
des Rohrbündels 3 angeordnet sind.
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Demgegenüber
sind bei der Ausführungsform des Abgaswärmeübertragers 1 gemäß 4 weitere
Dämpfungsteile 11 so in Querrichtung innerhalb
des Rohrbündels 3 angeordnet, dass sich auch zwischen
einzelnen Rohren 4 die Dämpfungsteile 11 befinden.
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Bei
der Ausführungsform gemäß 5 verlaufen
die zwischen den Rohren 4 innerhalb des Rohrbündels 3 angeordneten
zusätzlichen Dämpfungsteile 11 hingegen
in Hochrichtung. In alternativen Ausführungsformen können
die Dämpfungsteile 11 auch in Querrichtung und
in Hochrichtung in dem Rohrbündel 3 verlaufend
angeordnet sein.
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Bei
der Ausführungsform des Abgaswärmeübertragers 1 gemäß 5 sind
zudem das obere Teilstück 6 und das untere Teilstück 7 ein
flaches U-Profil bildend ausgebildet, so dass die Teilstücke 6, 7 jeweils
um Ecken des Rohrbündels 3 herumreichen.
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Bei
der Ausführungsform des Abgaswärmeübertragers 1 gemäß 6 sind
die seitlich sich erstreckenden Schenkel 12 des oberen
Teilstücks 6 und des unteren Teilstücks 7 gegenüber
der Ausführungsform gemäß 5 verlängert,
so dass das obere Teilstück 6 und das untere Teilstück 7 jeweils
weniger flache U-Profile bilden. Bei der Ausführungsform
des Abgaswärmeübertragers 1 gemäß 7 sind
die jeweiligen Schenkel 12 noch weiter verlängert,
so dass sie sich beinahe berühren. Das Rohrbündel 3 ist
somit von dem durch das obere Teilstück 6 und
das untere Teilstück 7 gebildeten Dämpfungselement 5 fast
vollständig umlaufend umschlossen. Bei der Ausführungsform
des Abgaswärmeübertragers 1 gemäß 8 ist
das Dämpfungselement 5 um das Rohrbündel 3 vollständig
umlaufend ausgebildet.
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9 zeigt
in einer Schnittansicht ein ein einzelnes Rohr 4 umlaufend
umhüllendes Dämpfungselement 5. 10 zeigt
eine mögliche Ausbildung des die Teilstücke 6, 7 und/oder
die in Querrichtung und/oder in Hochrichtung verlaufenden Dämpfungsteile 11 bereitstellendes
Dämpfungselement 5. Dieses Dämpfungselement 5 umfasst
einzelne Metallträger 13, welche nach Art eines
Gummi-Metall-Verbunds über Dämpfungskörper 14 aus
einem Material mit einem höheren Elastizitätsmodul
als die jeweiligen Metallträger 13 miteinander
gekoppelt sind. Eine Dicke der elastischen Dämpfungskörper 14 ist
hierbei größer als die Dicke der Metallträger 13.
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Wie
in dem in 11 schematisch gezeigten Ausschnitt
des Rohrbündels 3 erkennbar ist, können auch
mehr als ein Rohr 4 durch in Querrichtung und/oder in Hochrichtung
verlaufende jeweilige Dämpfungselemente 5 umhüllt
sein. Auch können zwischen jeweiligen Rohren 4 angeordnete
Dämpfungselemente 5 Erhebungen 15 und/oder
Verdickungen 16 aufweisen. Auch bei den mit Bezug auf die übrigen
Ausführungsformen des Abgaswärmeübertragers 1 beschriebenen
Ausbildungen der Dämpfungselemente 5, 6, 7, 11 können
durch Noppen und/oder zeilenförmige und/oder rasterförmige
Erhebungen 15 Oberflächenstrukturen mit besonders
hohen dämpfenden und/oder elastischen Eigenschaften bereitgestellt
sein.
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Die
Dämpfungselemente 5, 6, 7, 11 können Durchgangslöcher
oder dergleichen Öffnungen aufweisen, welche eine Passage
des Kühlmediums erleichtern und so für einen Druckausgleich
innerhalb des Abgaswärmeübertragers 1 und
für eine entsprechende Kühlmediumsverteilung sorgen.
Die Dämpfungselemente 5, 6, 7, 11 können
als im Wesentlichen rechteckige plattenförmige Strukturen
oder runde, flachzylindrische oder zylindrische Strukturen mit einer
den Durchmesser im Wesentlichen gleichen oder übersteigenden
Höhe ausgebildet sein. Die Dämpfungselemente 5, 6, 7, 11 können
auch dazu ausgelegt sein, wenigstens ein Rohr 4 und/oder
ein Paket von Rohren 4 und/oder das Rohrbündel 3 insgesamt
in seiner Lage gegenüber dem Gehäuse 2 des
Abgaswärmeübertragers 1 zu fixieren.
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Insbesondere,
wenn die Rohre 4 Abstandshalter, etwa in Form von lokalen
Aufwölbungen der Rohre 4, aufweisen, betten sich
diese Abstandshalter aufgrund des vergleichsweise geringen Elastizitätsmoduls
des Dämpfungselements 5 bei einer Relativbewegung
von wenigstens einem Rohr 4 und/oder dem Rohrbündel 3 gegenüber
dem Gehäuse 2 weich in die Kontaktfläche
des Dämpfungselements 5 ein. Dies reduziert die
spezifischen Pressungen zwischen den Abstandshaltern und der Innenwandung
des Gehäuses 2, sowie je nach Anordnung der Dämpfungselemente 5, 6, 7, 11 die
spezifischen Pressungen zwischen den Rohren 4.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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