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Title:
HEAT EXCHANGER
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2019/063610
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a heat exchanger (1), in particular for an internal combustion engine (2) in a motor vehicle, comprising a heat exchanger block (3) having heat exchanger tubes (4), between which heat exchanger elements (5) are arranged, wherein a protective layer (9) for protection against, in particular, stone chipping is provided at least on an inflow-side outer side (8) of at least one heat exchanger tube (4).

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Inventors:
KNÖDLER, Wolfgang (Herderweg 9, Waiblingen, 71332, DE)
RUCKWIED, Jens (Schloßstr. 75, Stuttgart, 70176, DE)
Application Number:
EP2018/076123
Publication Date:
April 04, 2019
Filing Date:
September 26, 2018
Export Citation:
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Assignee:
MAHLE INTERNATIONAL GMBH (Pragstraße 26-46, Stuttgart, 70376, DE)
International Classes:
F28D1/053; F28F19/00; F28F19/02; F28D21/00
Domestic Patent References:
WO2017072945A12017-05-04
Foreign References:
US20160238329A12016-08-18
GB2466687A2010-07-07
US20030066623A12003-04-10
JP2009281693A2009-12-03
Other References:
None
Attorney, Agent or Firm:
BRP RENAUD UND PARTNER MBB (Königstraße 28, Stuttgart, 70173, DE)
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Claims:
Ansprüche

1 . Wärmeübertrager (1 ), insbesondere für eine Brennkraftmaschine (2) in einem Kraftfahrzeug, mit einem Wärmeübertragerblock (3) mit Wärmeübertragerrohren (4), zwischen denen Wärmeübertragerelemente (5) angeordnet sind, wobei zumindest an einer anströmseitigen Außenseite (8) zumindest eines

Wärmeübertragerrohres (4) eine Schutzschicht (9) gegen insbesondere

Steinschlag aufgebracht ist.

2. Wärmeübertrager nach Anspruch 1 ,

dadurch gekennzeichnet,

dass die Schutzschicht (9) auf die Außenseite (8) zumindest eines

Wärmeübertragerrohres (4) aufgedruckt, aufgeklebt oder aufgespritzt ist.

3. Wärmeübertrager nach einem der vorangehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet,

dass die Schutzschicht (9) eine Dicke d von 20μηη < d < 6mm aufweist.

4. Wärmeübertrager nach einem der vorangehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet,

dass die Wärmeübertragerrohre (4) als Flachrohre (6) mit jeweils zwei gegenüberliegenden Schmalseiten (12) und zwei gegenüberliegenden Breitseiten (13) ausgebildet sind.

5. Wärmeübertrager nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,

dass die Schmalseite (12) über einen ausgerundeten Eckbereich (14) in die Breitseite (13) übergeht.

6. Wärmeübertrager nach Anspruch 4 oder 5,

dadurch gekennzeichnet,

dass sich die Schutzschicht (9) über die Schmalseite (12) und über zumindest 30° vorzugsweise zumindest 45° der angrenzenden und ausgerundeten Eckbereiche (14) erstreckt.

7. Wärmeübertrager nach Anspruch 5 oder 6,

dadurch gekennzeichnet,

dass die Schutzschicht (9) in den ausgerundeten Eckbereichen (14) eine geringere Dicke d aufweist als an der Schmalseite (12), insbesondere zur Breitseite (13) hin ausläuft.

8. Wärmeübertrager nach einem der Ansprüche 1 bis 7,

dadurch gekennzeichnet,

dass die Schutzschicht (9) aus Kunststoff oder aus Silikon ausgebildet ist.

9. Wärmeübertrager nach Anspruch 8,

dadurch gekennzeichnet,

dass die Schutzschicht (9) einlagig ausgebildet ist.

10. Wärmeübertrager nach einem der Ansprüche 1 bis 8,

dadurch gekennzeichnet,

dass die Schutzschicht (9) eine weichere erste Lage (10) und eine dazu härtere zweite Lage (1 1 ) aufweist, wobei die weichere erste Lage (10) mit der

Schmalseite (12) verbunden ist.

1 1 . Wärmeübertrager nach Anspruch 10,

dadurch gekennzeichnet,

dass die erste Lage (10) einen anderen Temperaturdehnungskoeffizienten aufweist als die zweite Lage (1 1 ), wobei der Temperaturdehnungskoeffizient der ersten Lage (10) größer ist als der Temperaturdehnungskoeffizient der zweiten Lage (1 1 ) und insbesondere zumindest gleich groß ist wie der

Temperaturdehnungskoeffizient von Aluminium.

12. Wärmeübertrager nach Anspruch 10 oder 1 1 ,

dadurch gekennzeichnet,

dass die erste Lage (10) aus Silikon und die zweite Lage (1 1 ) aus Keramik, wie beispielsweise Aluminiumnitrid, ausgebildet sind.

13. Brennkraftmaschine (2) eines Kraftfahrzeugs mit einem Wärmeübertrager (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.

Description:
Wärmeübertrager

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Wärmeübertrager, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, mit einem Wärmeübertragerblock mit Wärmeübertragerrohren und dazwischen angeordneten Wärmeübertragerelementen. Die Erfindung betrifft außerdem eine Brennkraftmaschine des Kraftfahrzeugs mit einem solchen Wärmeübertrager.

Wärmeübertrager, wie bspw. Motorkühler in einem Kraftfahrzeug, sind stets der Gefahr von Steinschlag ausgesetzt, weshalb bspw. bei Wärmeübertrager mit sehr dünnen Flachrohren, so genannte Steinschlagschutzgitter eingesetzt werden, welche in Fahrtrichtung vor dem Wärmeübertrager eingebaut sind. Derartige Schutzgitter sind im Allgemeinen als separates, gitterartiges

Kunststoffbauteil ausgeführt, welches vorteilhafter Weise über eine

Klippsverbindung mit dem Wärmeübertragermodul verbunden ist. Das

Schutzgitter ist dabei üblicherweise direkt vor den zu schützenden Rohren bzw. Flachrohren angeordnet und spart den Bereich der zwischen den Flachrohren angeordneten Wärmeübertragerelemente, bspw. Wellrippen, aus, um einen Kühlluftstrom nicht zu behindern und die Leistung des Wärmeübertrager nicht negativ zu beeinflussen.

Nachteilig bei den aus dem Stand der Technik bekannten Steinschlag- Schutzgittern ist jedoch, dass diese stets ein separates Bauteil darstellen, welches nicht nur einen eigenen Bauraum benötigt, sondern auch eine entsprechende Anbindung, bspw. über eine Schraub- oder Klippsverbindung, erforderlich macht. Bei Wärmeübertragern in Kraftfahrzeugen ist jedoch in der Regel lediglich ein sehr begrenzter Bauraum vorhanden, was unter Umständen zu Schwierigkeiten bei der Anordnung des Schutzgitters führt. Zusätzlich erfordert die Montage des Schutzgitters einen zusätzlichen Arbeitsschritt, der nicht nur Zeit erfordert, sondern auch Kosten verursacht. Insbesondere für Flachrohre mit sehr schmalen Schmalseiten bzw. generell für schmale Rohre, ist die Herstellung eines derartigen Schutzgitters technisch aufwendig, da äußerst präzise dünne Schutzgitter benötigt werden. Durch die filigrane Ausführungsform derartiger Schutzgitter für schmale Rohre bzw. Flachrohre können bereits geringe Montage- und/oder Fertigungstoleranzen dazu führen, dass das Schutzgitter einen Teil des einströmenden Kühlluftstroms blockiert und dadurch die Leistung des Wärmeübertragers reduziert.

Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich daher mit dem Problem, einen

Wärmeübertrager anzugeben, der die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile überwindet.

Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des

unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind

Gegenstand der abhängigen Ansprüche.

Die vorliegende Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, bei einem Wärmeübertrager zum Schutz vor bspw. Steinschlag, nicht mehr wie bislang ein separates Schutzgitter vorzusehen, welches einen separaten Bauraumbedarf erfordert und in einem separaten Montageschritt montiert werden muss, sondern dieses Schutzgitter in der Art einer Schutzschicht direkt auf die zu schützenden Bereiche des Wärmeübertragers aufzubringen, wodurch nicht nur

Bauraumvorteile erzielt werden können, sondern sich zudem auch die Kosten reduzieren lassen. Der erfindungsgemäße Wärmeübertrager, der bspw. in einem Kraftfahrzeug als Frontendkühler eingesetzt sein kann, weist dabei einen

Wärmeübertragerblock mit Wärmeübertragerrohren auf, die bspw. als Flachrohre ausgebildet sein können, und zwischen denen Wärmeübertragerelemente, bspw. Wellrippen, angeordnet sind. An einer anströmseitigen Außenseite zumindest eines dieser Wärmeübertragerrohre ist nun die erfindungsgemäße Schutzschicht aufgebracht. Hierdurch kann ein direkter Schutz an der jeweils erforderlichen Stelle mit minimalem Aufwand an Material, Kosten und Bauraum erreicht werden. Die erfindungsgemäße Schutzschicht kann dabei auf Kunststoffbasis oder auf Silikonbasis ausgebildet oder aber auch mehrlagig aufgebaut sein und bspw. noch eine insbesondere für Steinschlag besonders robuste Keramikschicht aufweisen. Mit der erfindungsgemäß direkt auf die zu schützenden

Wärmeübertragerrohre aufgebrachte Schutzschicht lässt sich somit - wie eingangs erwähnt - der bislang erforderliche und separate Montageschritt einsparen, wodurch die Kosten zur Herstellung bzw. Anbringung der

Schutzschicht deutlich reduziert werden können. Von weiterem großen Vorteil ist zudem, dass die erfindungsgemäße direkt auf die Wärmeübertragerrohre aufgebrachte Schutzschicht unabhängig von der Ausführungsform der

Wärmeübertragerrohre ist, so dass die erfindungsgemäße Schutzschicht auch auf sehr schmale Rohre, das heißt sehr schmale Flächen, prozesssicher und konstruktiv einfach aufgebracht werden kann, ohne dass wie in diesem Fall bislang befürchtet werden muss, dass ein separates und sehr feines Schutzgitter durch Fertigungs- und/oder Montagetoleranzen falsch eingebaut wird und dadurch einen Teil des Kühlluftstroms blockiert. Da das Aufbringen der

erfindungsgemäßen Schutzschicht automatisch erfolgt, kann zudem eine

Schutzschicht mit hoher Qualität hergestellt werden.

Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung ist die Schutzschicht auf die Außenseite zumindest eines Wärmeübertragerrohres aufgedruckt, aufgeklebt oder aufgespritzt. Bereits diese nicht abschließende Aufzählung lässt erahnen, welche mannigfaltige Aufbringungsmöglichkeiten zum Auftragen/Aufbringen der Schutzschicht auf das Wärmeübertragerrohr zur Verfügung stehen. Das Aufbringen bspw. mittels eines Dosier- oder Druckverfahrens auf die Wärmeübertraggerrohrmatrix erfolgt dabei vorzugsweise nach dem Löten bzw. Fügen im Falle eines mechanischen Wärmeübertragers, wobei hierfür entsprechende Dosier- bzw. Druckeinrichtungen verwendet werden können, die einen zuverlässigen und prozesssicheren Auftrag der Schutzschicht ermöglichen.

Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung weist die Schutzschicht eine Dicke d zwischen 20 μιτι und 6 mm auf. Je nach Gefahr des zu erwartenden Steinschlags bzw. generell je nach gewünschter Schutzwirkung lässt sich dabei die Schutzschicht in unterschiedlichen Dicken und damit auch unterschiedlichen Schutzklassen auf die Wärmeübertragerrohre auftragen, wobei denkbar ist, dass bspw. die Dicke der Schutzschicht durch einen einmaligen Auftrag dünner ausgebildet und durch ein einfaches mehrmaliges Auftragen hinsichtlich ihrer Dicke angepasst werden kann.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung sind die Wärmeübertragerrohre als Flachrohre mit jeweils zwei

gegenüberliegenden Schmalseiten und zwei gegenüberliegenden Breitseiten ausgebildet. Derartige Flachrohre sind dabei mit ihren Schmalseiten

üblicherweise in Anströmrichtung bzw. Abströmrichtung ausgerichtet. Die

Schmalseiten gehen bei derartigen Flachrohren zu dem üblicherweise über einen ausgerundeten Eckbereich in die benachbarten Breitseiten über. Derartige Flachrohre können mit Hilfe der erfindungsgemäßen Schutzschicht äußerst flach und damit mit einem hohen Wärmeübertragungsgrad ausgebildet werden, der bislang ein sehr feines und äußerst kompliziertes und aufwendiges

herzustellendes Schutzgitter erforderte.

Zweckmäßig erstreckt sich die Schutzschicht über die Schmalseite und über einen Winkel α von zumindest 30°, vorzugsweise über einen Winkel α von zumindest 45° der angrenzenden und ausgerundeten Eckbereiche. Dies ist für eine Schutzwirkung der Wärmeübertragerrohre ausreichend, da im äußeren Bereich der ausgerundeten Eckbereiche einschlagende Steine durch die

Krümmung des Rohrradius bzw. Eckbereichs entsprechend abgelenkt werden, und daher nur noch eine reduzierte Schädigungswirkung vorliegt. Durch das nicht über den gesamten Eckbereich Führen der erfindungsgemäßen Schutzschicht können Material der Schutzschicht eingespart und hierdurch Kosten reduziert werden. Die entsprechende Reduzierung des für die Schutzschicht verwendeten Materials kann zusätzlich oder alternativ dazu dadurch erreicht werden, dass die Schutzschicht in den ausgerundeten Eckbereich eine geringere Dicke aufweist als an der Schmalseite, insbesondere auch in Richtung der Breitseiten hin hinsichtlich ihrer Dicke ausläuft.

Generell kann die Schutzschicht über die gesamte Länge des

Wärmeübertragerrohres aufgebracht werden, wobei selbstverständlich auch ein lediglich partieller Auftrag denkbar ist, insbesondere in Bereichen die nicht durch ein davor, das heißt in Fahrtrichtung davor, liegendes Bauteil geschützt sind. Derartige Bereiche können selbstverständlich auch solche sein, die durch

Luftschlitze eines davor angeordneten Kühlergrills tatsächlich von Steinschlag betroffen sind, wodurch eine noch kosteneffizientere Schutzfunktion ermöglicht wird.

Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung weist die Schutzschicht eine erste Lage und eine im Vergleich hierzu härtere zweite Lage auf, wobei die weichere erste Lage mit der Schmalseite verbunden ist, und bspw. als Haftschicht für die zweite Lage, die in diesem Fall die eigentliche Schutzfunktion übernimmt, dient. Durch einen zweilagigen Aufbau der erfindungsgemäßen Schutzschicht kann insbesondere eine Steigerung der Temperaturwechselbelastungsfähigkeit erreicht werden, da bspw. die direkt mit dem Wärmeübertragerrohr in Kontakt stehende erste Lage auch bei großen Temperaturänderungen einen zuverlässigen Haftverbund der Schutzschicht mit dem Wärmeübertragerrohr gewährleistet und insbesondere ein Abplatzen der Schutzschicht verhindert, da die erste, weichere Lage für eine gewisse

thermische Entkopplung sorgt. Die erste Lage kann dabei einen höheren

Temperaturdehnungskoeffizienten aufweisen als die zweite Lage und dadurch ein elastischeres Verhalten aufweisen. Rein theoretisch weist dabei die erste Lage der Schutzschicht, die bspw. aus Silikon oder einem Kunststoff ausgebildet ist, einen vergleichbaren Temperaturdehnungskoeffizienten bzw.

Wärmeausdehnungskoeffizienten auf, wie das bspw. aus Aluminium ausgebildete Wärmeübertragerrohr. Wird dabei bspw. Silikon als Material für die erste Lage ausgewählt, so weist dieses einen E-Modul von 1 MPa, eine Streckgrenze zwischen 20 und 30 MPa und eine Bruchdehnung von ca. 400% auf. Hierdurch können ein hohes Benetzungsverhalten und zugleich eine hohe

Alterungsbeständigkeit erreicht werden. Die zweite Lage der erfindungsgemäßen mehrlagigen Schutzschicht kann bspw. ein Keramikmaterial oder ein anderes elektrisch nicht leitendes Material aufweisen, welches eine höhere

Verschleißbeständigkeit, insbesondere im Hinblick auf Steinschlag, aufweist.

Die vorliegende Erfindung beruht weiter auf dem allgemeinen Gedanken, eine Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs mit einem solchen Wärmeübertrag auszustatten und dadurch einen nicht nur kostengünstigen, sondern zudem auch bauraumoptimierten Steinschlagschutz zu erreichen.

Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen

Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen. 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.

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.

Es zeigen, jeweils schematisch,

Fig. 1 einen erfindungsgemäßen Wärmeübertragerblock,

Fig. 2 eine Schnittdarstellung entlang der Schnittebene A-A aus Fig. 1 ,

Fig. 3 eine Detaildarstellung einer Schmalseite mit Schutzschicht eines

Wärmeübertragerrohres aus Fig. 2.

Entsprechend den Fig. 1 und 2, weist ein erfindungsgemäßer Wärmeübertrager 1 , der bspw. Bestandteil einer nicht näher beschriebenen Brennkraftmaschine 2 in einem Kraftfahrzeug sein kann, einen Wärmeübertragerblock 3 mit

Wärmeübertragerrohren 4 auf, zwischen denen Wärmeübertragerelemente 5 angeordnet sind. Die Wärmeübertragerrohre 4 können dabei bspw. als

Flachrohre 6 ausgeführt sein, während die Wärmeübertragerelemente 5 bspw. als Wellrippen 7 ausgebildet sind. Erfindungsgemäß ist nun an einer

anstromseitigen Außenseite 8 an zumindest einem Wärmeübertragerrohr 4 eine Schutzschicht 9 (vgl. insbesondere auch die Fig. 2 und 3) aufgebracht. Im Vergleich zu bislang separat zu dem Wärmeübertrager 1 angeordneten Schutzgittern, können mit der erfindungsgemäßen Schutzschicht 9 nicht nur ein separates Bauteil und der mit diesem zusammenhängende Bauraumbedarf eingespart werden, sondern zusätzlich können auch die Montage und

Herstellungskosten deutlich reduziert werden, da eine Montage eines separaten Schutzgitters nunmehr entfällt.

Die Schutzschicht 9 kann dabei bspw. einlagig sein und in diesem Fall insbesondere auf Kunststoffbasis oder auf Silikonbasis aufgebaut sein, wobei selbstverständlich alternativ auch eine mehrlagige Schutzschicht 9 denkbar ist. Bei einer mehrlagigen Ausbildung der Schutzschicht 9 weist diese bspw. eine erste Lage 10 und eine zweite Lage 1 1 auf, wobei die erste Lage 10 weicher ausgebildet ist als die im Vergleich hierzu härtere zweite Lage 1 1 . Die erste Lage 10 kann dabei bspw. als Haftschicht ausgebildet sein und auf Kunststoffbasis bzw. Silikonbasis aufgebaut sein und dadurch bspw. einen E-Modul von 1 MPa, eine Streckgrenze von 20 - 30 MPa bzw. eine Bruchdehnung von 400% aufweisen. Ein Wärmeausdehnungskoeffizient bzw.

Temperaturdehnungskoeffizient der ersten Lage 10 bzw. einer Schutzschicht 9 aus lediglich einer einzigen solchen Lage 10 ist dabei größer als ein

Temperaturausdehnungskoeffizient bzw. Wärmeausdehnungskoeffizient der zweiten Lage 1 1 und insbesondere zumindest gleich groß wie der

Wärmeausdehnungskoeffizient von Aluminium. Hierdurch kann eine einlagige Schutzschicht 9 bzw. auch eine mehrlagige Schutzschicht 9 mit einer ersten Lage 10 aus diesem Material ein hohes Benetzungsverhalten und eine hohe

Alterungsbeständigkeit erfahren. Die zweite Lage 1 1 kann bspw. aus Keramik, wie insbesondere Aluminiumnitrit, ausgebildet sein und dadurch eine hohe Schlagschutzwirkung aufweisen. Generell sind selbstverständlich aber auch andere Materialien, insbesondere auf Keramikbasis, oder einem anderen elektrisch nicht leitenden Material denkbar. Ein Aufbringen der Schutzschicht 9 auf die Außenseite 8 von zumindest einem der Wärmeübertragerrohre 4 bzw. Flachrohre 6, kann bspw. durch Aufdrucken, Aufkleben oder Aufspritzen, das heißt letzten Endes eine adhäsive Verbindung erfolgen. Eine Dicke d der Schutzschicht 9, egal ob ein- oder zweilagig, kann dabei zwischen einem 20 μιτι und 6 mm, je nach gewünschter Schutzklasse, liegen.

Betrachtet man die Fig. 2 und 3, so kann man erkennen, dass die dort gezeigten Wärmeübertragerrohre 4 als Flachrohre 6 mit jeweils zwei gegenüberliegenden Schmalseiten 12 und zwei gegenüberliegenden Breitseiten 13 ausgebildet sind. Die Schmalseiten 12 gehen dabei über einen ausgerundeten Eckbereich 14 in die jeweils benachbarte Breitseite 13 über. Die Schutzschicht 9 selbst erstreckt sich dabei vorzugsweise über die Schmalseite 12 der Außenseite 8 und über zumindest einen Winkel α von 30°, vorzugsweise sogar zumindest 45°, der angrenzenden und ausgerundeten Eckbereiche 14. Da die Gefahr einer

Beschädigung bei Einschlag eines entsprechenden Gegenstandes, bspw. eines Steines, im ausgerundeten Eckbereich 14 mit steigendem Winkel α abnimmt, ist es nicht erforderlich die Schutzschicht 9 über einen Winkel α von 90° zu führen. Hierdurch lässt sich Material der Schutzschicht 9 einsparen und diese kostengünstiger ausbilden. Ebenfalls denkbar ist, dass die Dicke d der

Schutzschicht 9 im Bereich der ausgerundeten Eckbereiche 14 hin zur Breitseite 13 abnimmt, wodurch ebenfalls Material eingespart werden kann. In den

Eckbereichen 14 auftreffende Steine werden durch die Krümmung der

Eckbereiche 14 entsprechend abgelenkt und besitzen dadurch eine lediglich reduzierte Schädigungswirkung.

Desweiteren ist zur Materialeinsparung und damit auch zur Kosteneinsparung denkbar, dass die Schutzschicht 9 lediglich partiell auf der Schmalseite 12 aufgebracht wird, wobei insbesondere Bereiche ausgespart werden können, die durch davor liegende Bauteile, bspw. eines Kühlergrills, ohnehin geschützt sind.

Mit der erfindungsgemäßen Schutzschicht 9 lässt sich erstmals ein bislang separat angeordnetes und separat zu montierendes Schutzgitter einsparen, wodurch nicht nur Kostenvorteile, sondern auch Bauraumvorteile realisierbar sind.