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Die vorliegende Erfindung betrifft das technische Gebiet der Wärmetauscher für Kraftfahrzeuge. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf eine Sammelkammer von einem Wärmetauscher, wie etwa einem Verdampfer eines Klimatisierungskreislaufs, der von einem Kühlmittel im superkritischen Zustand, wie etwa CO2, durchströmt wird.
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Eine solche Sammelkammer muss somit darauf abgestimmt sein, einem besonders hohen Betriebsdruck standzuhalten, der bis zu 150 bar erreichen kann. Um die Zuverlässigkeit der Sammelkammer zu gewährleisten, muss diese dazu ausgelegt sein, einem Druck standzuhalten, der mindestens dreimal so hoch ist wie der Betriebsdruck. Damit wird verständlich, dass die verschiedenen Elemente des Kreislaufs und insbesondere der Sammelkammer eine besonders hohe mechanische Festigkeit aufweisen müssen.
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Aus der Druckschrift
FR 2 923 902 ist bereits eine Sammelkammer für einen Wärmetauscher bekannt, die eine Übereinanderordnung von Platten enthält, die mit Öffnungen zum Aufnehmen von Wärmetauscherrohren versehen sind. Eine solche Sammelkammer kann insbesondere enthalten:
- – eine Sammelplatte,
- – eine Verteilerplatte,
- – eine Abdeckung, die aus einer Zwischenplatte und einer Abdeckplatte
gebildet ist.
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Die verschiedenen Platten einer solchen Sammelkammer sind durch Ausstanzen und Tiefziehen hergestellt, wodurch es möglich ist, dass sie hohen Druckwerten standhalten. Eine solche Sammelkammer kann jedoch weiterhin verbessert werden. Insbesondere weist die Sammelkammer aus dem Stand der Technik eine Gestalt auf, die nicht dazu ausgelegt ist, mit Ein- und Auslassstutzen für das Medium zu kommunizieren, die gemäß einer sogenannten "Ende an Ende"-Anordnung vorgesehen sind. Unter "Ende an Ende"-Anordnung ist zu verstehen, dass der Fluideinlass- und der Fluidauslassstutzen im Wesentlichen mit der Längsrichtung der Sammelkammer fluchten, wobei die Achse der Stutzen im Wesentlichen senkrecht zu den Achsen der Wärmetauscherrohre verlaufen. Dagegen verlaufen bei der bekannten Sammelkammer der Fluideinlass- und der Fluidauslassstutzen mit ihren Achsen parallel zu denen der Rohre, da sie von unten an die Sammelkammer angeschweißt sind.
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Somit ist es mit einer Sammelkammer aus dem Stand der Technik nicht möglich, den Einlass- und den Fluidauslassstutzen in einer sogenannten "Ende an Ende "-Anordnung aufzunehmen.
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Auch wird dadurch, dass die Stutzen nicht in "Ende an Ende"-Anordnung vorgesehen werden können, die Verwendung von Sammelkammern aus dem Stand der Technik bei einer großen Zahl von Fahrzeugen insbesondere aufgrund des Platzbedarfs verhindert.
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Auch ist aus der Druckschrift
US 5 934 367 eine Sammelkammer mit einer Abdeckung, einer Sammelplatte und einer Zwischenplatte bekannt, bei welcher Sammelkammer die Stutzen in einer sogenannten "Seite an Seite"-Anordnung platziert sind. Unter "Seite an Seite"-Anordnung ist zu verstehen, dass der Einlass- und der Fluidauslassstutzen im Wesentlichen senkrecht zu einer Längsrichtung der Sammelkammer verlaufen, wobei sie mit ihrer Achse im Wesentlichen senkrecht zu den Achsen der Wärmetauscherohre verlaufen. Somit sind bei dieser Druckschrift der Einlass- und der Fluidauslassstutzen Bestandteil der Platten und der Abdeckung.
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Jedoch ist bei der Art von Sammelkrammer aus der oben genannten Druckschrift
US5934367 der angewandte Fluiddruck zehnmal geringer als bei der in der Erfindung vorgesehenen Sammelkammer, insbesondere aufgrund dessen, dass die zum Zeitpunkt der Offenbarung dieser Druckschrift verwendeten Kühlgase kein Kohlendioxid (CO
2) im superkritischen Zustand waren. Das CO
2 wurde bei Klimatisierungskreisläufen erst ab 2003 aufgrund einer europäischen Umweltnorm verwendet. Bei der Druckschrift
US 5 932 367 ist nämlich das verwendete Kühlgas R134a, das nicht so hohe Druckwerte in einem Klimatisierungskreislauf erreicht.
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Da in diesem Fall die Druckwerte niedrig sind, können Einlass- und Auslassstutzen bequem aus einem Stück mit Platten durch Umformen derselben hergestellt werden, da die diese Platten bildenden Bleche sehr dünn und damit einfach umzuformen sind.
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Bei Wärmetauschern, die einem Betriebsdruck in der Größenordnung von 150 bar ausgesetzt werden, wie diejenigen, auf die sich die Erfindung bezieht und in welchen Kohlendioxid strömt, muss die Sammelkammer besonders beständig sein, weshalb Platten vorgesehen werden müssen, die aus einem wesentlich dickeren Blech bestehen. Dabei bringt eine Erhöhung der Materialstärke dieses Blechs von Haus aus Schwierigkeiten beim Umformen mit sich, und zwar insbesondere aufgrund eines Risikos von Rissen und Mikrorissen des Blechs zum Zeitpunkt des Tiefziehens. Diese Schwierigkeit beim Umformen – obgleich dem Fachmann wohl bekannt – ist umso schwerwiegender, als es darum geht, Rohrstutzen in "Ende an Ende"-Anordnung umzuformen.
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Ferner ist es auch von vornherein nicht wünschenswert, aufgrund des hohen Betriebsdrucks zu hohe hydraulische Durchmesser zu haben. Folglich ist das Herstellen von stoffschlüssig mit den Platten und Abdeckungen selbst verbundenen Einlass- und Auslassstutzen eine potentielle Quelle von Leckagen und Abplatzungen der Sammelkammer.
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Somit ist es von vornherein nicht anzustreben, die Tiefziehtechnik anzuwenden, wenn gewünscht ist, stoffschlüssig mit den Platten der Sammelkammer ausgebildete Einlass- und Auslassstutzen herzustellen, wenn die betreffenden Druckwerte hoch sind, d. h. diejenigen, welche CO2 im superkritischen Zustand erreicht.
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Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben eine überraschende Lösung gefunden, die den obigen Vorurteilen entgegensteht. Der neuartige und erfinderische Gedanke der Erfindung besteht darin, eine Technik zum Herstellen eines Wärmetauschers, der mit geringem Druck (unter 15 bar) arbeitet, auf das technische Gebiet von Wärmetauschern mit hohem Betriebsdruck (nahe bei 150 bar) zu übertragen und ihn anzupassen, ohne auf die bestehenden Bedenken einzugehen.
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Die Erfindung zielt somit darauf ab, die vorgenannten Nachteile auszuräumen, indem eine Sammelkammer bereitgestellt wird, die dazu ausgelegt ist, mit einem Betriebsdruck von über 120 bar zu arbeiten und deren Rohrstutzen gemäß der "Ende an Ende"-Anordnung vorgesehen sind.
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Dazu schlägt die Erfindung eine Sammelkammer für einen Verdampfer eines Klimatisierungskreislaufs vor, der mit in einer Hauptrichtung ausgerichteten Rohren versehen ist, wobei die Sammelkammer eine Abdeckung und eine Verteilerplatte enthält, die durch Ausstanzen und Tiefziehen von Blechen hergestellt sind, sowie einen Fluideinlass- und einen Fluidauslassstutzen, die im Wesentlichen senkrecht zur Hauptrichtung verlaufen, dadurch gekennzeichnet, dass die Abdeckung und die Verteilerplatte jeweils eine Materialstärke größer oder gleich 1 mm haben und jeweils einen Abschnitt von Einlass- und Auslassstutzen aufweisen.
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Die Sammelkammer kann ferner ein oder mehrere der nachfolgenden Merkmale für sich genommen oder in Kombination aufweisen:
- – Die Abdeckung ist ihrerseits aus zwei Platten ausgebildet, nämlich aus einer Zwischenplatte und einer Deckplatte. Die Erfindung ist bei dieser Ausführungsform besonders vorteilhaft, da die Herstellung der Abdeckung durch Stapelung von zugeschnittenen und tiefgezogenen Platten eine gegenüber hohen Druckwerten beständige Abdeckung schafft.
- – Die Zwischenplatte ist ein Blech, das an einem seiner Enden Ausschnitte in seiner Materialstärke aufweist, die an einem Ende der Zwischenplatte ausmünden und einen Durchtritt von Fluid in der Materialstärke der Zwischenplatte gestatten. Mit diesen Ausschnitten wird der Durchtritt von Kühlmittel im Bereich von Einlass und Auslass von Kühlmittel in den Verdampfer optimiert.
- – Die Zwischenplatte weist longitudinale Durchführungen auf, die von Wandungen begrenzt werden, deren Ende einen Abschnitt von Einlass- und Auslassstutzen aufweist, und die die Fluidkreisläufe in der Sammelkammer bilden.
- – Die Abdeckplatte weist an einem Ende der Abdeckung parallel verlaufende, halbzylindrische Formen auf und die halbzylindrischen Formen der Abdeckplatte liegen jeweiligen Ausschnitten der Zwischenplatte gegenüber, die in ihrer Materialstärke ausgeführt sind und an einem Ende der Zwischenplatte ausmünden. Diese halbzylindrischen Formen und diese Ausschnitte bilden Abschnitte des Fluideinlassstutzens und des Fluidauslassstutzens, die besonders beständig sind und den Vorteil haben, in der "Ende an Ende"-Anordnung ausgerichtet zu sein.
- – Die Abdeckplatte weist longitudinale Erhebungen auf, die bis in die Nähe ihres Endes reichen, und die longitudinalen Erhebungen der Abdeckplatte liegen jeweiligen longitudinalen Durchführungen der Zwischenplatte gegenüber. Die longitudinalen Erhebungen und Durchführungen bilden Fluidkreislaufabschnitte in der Sammelkammer, die gegenüber hohen Fluiddruckwerten besonders beständig sind.
- – Die Zwischenplatte ist ausgehend von zwei übereinandergeordneten Platten herstellt, wobei jede übereinandergeordnete Platte vorzugsweise eine Materialstärke von zumindest 1,5 mm aufweist. Somit kann eine Zwischenplatte mit relativ großer Materialstärke gebildet werden und dabei die Vorteile des Tiefziehens und/oder des Ausstanzens von Platten mit begrenzter Materialstärke genutzt werden.
- – Der Einlass- und der Auslassstutzen werden jeweils von einem Ansatzstück umgeben, das deren Ausbildung vollendet und zum Halt der Platten gegeneinander beiträgt, zumindest bis zum Verschweißen der Platten aneinander.
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Die Erfindung hat auch eine Sammelkammer wie oben beschrieben zum Gegenstand, die dazu ausgelegt ist, einem Druck von über 350 bar standzuhalten, der gleich dem Prüfdruck ist, welcher das Dreifache des Betriebsdrucks der Wärmetauschers beträgt.
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Gegenstand der Erfindung ist auch ein Verbindungssystem für einen Verdampfer eines Klimatisierungskreislaufs, enthaltend eine Sammelkammer wie oben beschrieben und eine Sammelplatte mit Mitteln zum Crimpen einer Abdeckung, wobei diese Crimpmittel sich bis zum Fluideinlass- und zum Fluidauslassstutzen erstrecken. Dadurch wird aufgrund der Crimpmittel, die sich an das Ende des Verbindungsbereichs reichen, dieser druckempfindliche Bereich versteift.
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Bei einer vorteilhaften Ausführungsform weist die Sammelkammer Aussparungen auf, um die halbzylindrischen Formen der Verteilerplatte durchtreten zu lassen.
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Schließlich ist Gegenstand der Erfindung ein Wärmetauscher mit einer Sammelkammer wie oben beschrieben.
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Die Erfindung wird beim Lesen der beiliegenden Figuren besser verständlich, die sich beispielhaft verstehen und keine Einschränkung darstellen, worin zeigt:
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1 eine perspektivische Explosionsansicht einer erfindungsgemäßen Sammelkammer;
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2 eine perspektivische Ansicht der Sammelkammer aus 1.
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Bezugnehmend auf 1 ist eine erfindungsgemäße Sammelkammer 1 darstellt, die dazu bestimmt ist, an einem Kühlkreislauf eines Wärmetauschers vom Typ Verdampfer eines Klimatisierungskreislaufs angebracht zu werden. Der Verdampfer wird von einem Kühlmittel im superkritischen Zustand, wie etwa Kohlendioxid (CO2), durchströmt, dessen Druck Werte von über 150 bar erreichen kann.
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Der (nicht dargestellte) Verdampfer enthält (nicht dargestellte) parallel verlaufende Rohre, die in einer Hauptrichtung ausgerichtet sind, die als vertikale Richtung bezeichnet wird, da solche Rohre oftmals in vertikaler Richtung verlaufen, wenn der Verdampfer in normaler Gebrauchsstellung ist.
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Die Sammelkammer 1 enthält insbesondere eine Abdeckung 3 und eine Verteilerplatte 5, die durch Tiefziehen von Aluminiumblechen hergestellt sind.
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Die Verteilerplatte 5 geht aus einem tiefgezogenen Aluminiumblech hervor, dessen Materialstärke zwischen 1 und 1,5 mm liegt.
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Die Abdeckung 3 ist ihrerseits aus zwei Platten gebildet, nämlich aus einer Zwischenplatte 7 und einer Abdeckplatte 9, die beide durch Tiefziehen von Blechen erhalten werden, deren Materialstärke zwischen 1 und 1,5 mm liegt.
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Die Zwischenplatte 7 aus Aluminium wird durch Zuschneiden eines Aluminiumblechs erhalten und weist an einem ihrer Enden zwei Ausschnitte auf, die ein optimiertes Durchströmen von Kühlmittel im Bereich des Zulaufs und Ablaufs des Kühlmittels in den Verdampfer gestatten. Diese Ausschnitte werden in der nachfolgenden Beschreibung näher beschrieben.
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Neben diesen Bestandteilen enthält die Sammelkammer auch eine Sammelplatte 11, die auch durch Tiefziehen von einem Aluminiumblech erhalten wird, dessen Materialstärke zwischen 1 und 1,5 mm liegt.
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Die Materialstärke des Blechs, aus dem jedes Teil besteht, ist die Materialstärke dieses Teils.
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Jede dieser Platten weist eine insgesamt rechteckförmige Form auf. Die Abdeckung 3 kann wie eine Einheit aus zwei Hälften betrachtet werden, die in der Mitte 12 der Abdeckung getrennt sind.
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Jede longitudinale Hälfte der Abdeckung enthält:
- – auf der Abdeckplatte 9: vier longitudinale Erhebungen 13, die in dem beschriebenen Beispiel – ohne jedoch eine Einschränkung darzustellen – von der Mitte 12 der Abdeckung bis in die Nähe ihres Endes reichen;
- – auf der Zwischenplatte 7: vier longitudinale Durchführungen 15, die in dem beschriebenen Beispiel – ohne jedoch eine Einschränkung darzustellen – durch eine querverlaufende Wandung getrennt sind, die sich im Wesentlichen im Bereich der Mitte 12 der Abdeckung erstreckt.
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Die longitudinalen Erhebungen 13 befinden sich jeweils gegenüber der longitudinalen Durchführungen 15.
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Auf einer Hälfte der Abdeckung (in den Figuren auf der linken) treffen die longitudinalen Durchführungen 15 der Zwischenplatte 7 paarweise benachbart zum Ende der Abdeckung aufeinander, um zwei Durchführungen 17 zu bilden, die am Ende der Platte offen sind und die beiden vorgenannten Ausschnitte bilden. Diese Ausschnitte werden von den Wänden 18 eingegrenzt.
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Auf dieser gleichen Hälfte der Abdeckung enthält die Abdeckplatte 9 am Ende der Abdeckung zwei parallel verlaufende, halbzylindrische Formen 19. Jede halbzylindrische Form 19 befindet sich in der Verlängerung der beiden benachbarten Erhebungen 13.
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Die zylindrischen Formen 19 liegen jeweils den offenen Durchführungen 17 gegenüber, so dass die Abdeckung nach dem Vereinen von Zwischenplatte 7 und Abdeckplatte 9 vier Fluidkreisläufe bildet: zwei pro Abdeckungshälfte. Auf der linken Hälfte der Abdeckung (bezüglich der Figuren) steht jeder Fluidkreislauf mit einer der Durchführungen 17 in Verbindung, die am Ende der Abdeckung offen sind.
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Somit kann die aus zwei Platten gebildete Abdeckung als ein Teil betrachtet werden, das durch Ausstanzen und Tiefziehen von Blechen erhalten wird und an einem seiner Enden zwei halbzylindrische Formen enthält.
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Die Verteilerplatte 5 enthält:
- – im Wesentlichen auf ihrer Halbfläche, beispielsweise links bezüglich der Figuren, zwei Reihen 20a von länglichen Öffnungen, die dazu bestimmt sind, sich an parallel und vertikal verlaufende Rohre anzuschließen (senkrecht bezüglich der Figur, nicht dargestellt), wie dies bekannt ist;
- – im Wesentlichen auf ihrer anderen Halbfläche, beispielsweise rechts bezüglich der Figuren, eine einzige Reihe 20b von länglichen Öffnungen, die dazu bestimmt sind, sich an parallel und vertikal verlaufende Rohre anzuschließen (senkrecht bezüglich der Figur, nicht dargestellt), und die die Aufgabe haben, das Kühlmittel zu verteilen;
- – an einem ihrer Enden (links bezüglich der Figuren) zwei halbzylindrische Formen 21, die zu denen 19 der Abdeckplatte 9 symmetrisch verlaufen.
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Die halbzylindrischen Formen der Abdeck- 9 und der Verteilerplatte 5 bilden Abschnitte von Stutzen, ebenso wie die Wandungen der Zwischenplatte 7.
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Somit ist die Einheit, die aus der Abdeckung 3 – ihrerseits Ergebnis der Zusammenfügung von Abdeckplatte 9 und Zwischenplatte 7 – und der Verteilerplatte 5 besteht, eine Sammelkammer, die einen Einlass- und einen Auslassstutzen aufweist, die aus der Stapelung der halbzylindrischen Formen 19, 21 und der Wandungen 18 gebildet werden.
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Diese Stutzen verlaufen im Wesentlichen senkrecht zur vertikalen Richtung. Sie sind somit gemäß einer "Ende an Ende"-Anordnung vorgesehen. Mit dieser Anordnung der Stutzen wird vermieden, auf einen angesetzten Anschlussblock zurückgreifen zu müssen, um sie bei den meisten Fahrzeugen verwenden zu können, und sie gestattet, aufgrund der Festigkeit der Stutzen, die sich aus ihrem Aufbau ergibt, hohen Betriebsdruckwerten standhalten zu können, die mit der Verwendung von Kohlendioxid kompatibel sind, das durch einen Druck von 150 bar im superkritischen Zustand gehalten wird.
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An die so erhaltenen Stutzen werden dann Ansatzstücke 25 angesetzt.
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Die Sammelplatte 11 wird auch durch Tiefziehen eines Aluminiumblechs erhalten und hat, wie an sich bekannt, eine Crimpfunktion, die bis zum Ende des Verbindungsbereichs reicht, und somit gestattet, diesen gegenüber hohem Druck empfindlichen Bereich zu versteifen.
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Ferner besitzt die Sammelplatte zwei Aussparungen 23, die dazu vorgesehen sind, die halbzylindrischen Formen 21 durchtreten zu lassen, die aus der Verteilerplatte 21 vorstehen. Dadurch ist es möglich, die Crimpfunktion der Sammelplatte bis zum Ende der Rohrformen sicherzustellen.
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Die Sammelplatte 11 besitzt ferner Ränder 27, die Crimpmittel zum Crimpen einer Abdeckung (nicht dargestellt) bilden, die sich bis zu den Aussparungen 23 und somit bis zum Fluideinlass- und Fluidauslassstutzen der Sammelkammer nach deren Herstellung erstrecken, was dazu beiträgt, die Kammer in diesem besonders empfindlichen Bereich zu versteifen.
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Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten Ausführungsformen beschränkt, und der Fachmann kann weitere Ausführungsformen ersinnen.
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Insbesondere kann die Zwischenplatte 7 aus zwei übereinandergeordneten Platten hergestellt werden, wobei jede übereinandergeordnete Platte vorzugsweise eine Materialstärke von zumindest 1,5 mm hat.
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Ferner stellen die Anzahl an Platten, Stutzen, Erhebungen, Durchführungen, Ausschnitten und weitere Mengenangaben in dem oben beschriebenen Beispiel keinerlei Einschränkung dar.
