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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Fluidverteilungselement für
fluidführende Vorrichtungen, insbesondere für
Vorrichtungen, welche Mehrkanalrohre aufweisen. Das erfindungsgemäße
Fluidverteilungselement wird nachfolgend alternativ auch als Verteilerverbindungsstück,
Fluidverteilungseinrichtung oder Fluidsammeleinrichtung bezeichnet. Die
vorliegende Erfindung bezieht sich darüberhinaus auf eine
Anordnung aus solchen Fluidverteilungselementen sowie auf Herstellungsverfahren
zur Herstellung solcher Fluidverteilungselemente.
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Fluidverteilungselemente
sind insbesondere von Interesse, wenn ein Wärme- oder Stofftransport zwischen
mehreren Trägern (Fluiden) zeitgleich erfolgen soll. Ein
Beispiel stellen Rohr-in-Rohr-Wärmeüberträger
in Klimaanlagen in der Automobilindustrie dar, welche als innere
Wärmeüberträger für den Kältekreis
dienen. Wesentlich hierbei ist insbesondere die Erfüllung
von Anforderungen betreffs des Raumbedarfs und der Gewichtsreduzierung
sowie betreffs der Kostensenkung. Ein weiteres Beispiel, in welchem
Fluidverteilungselemente eingesetzt werden können, sind
sog. Kombinationsverdampfer (auch kurz: Kombiverdampfer) für
Wärmepumpen, wie sie beispielsweise in der Patentschrift
WO 2004/094921 A1 beschrieben
werden.
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Dabei
sind Herstellungsverfahren für Rohr-in-Rohr-Anordnungen
beispielsweise aus Metall oder Kunststoff bekannt, wo die Verbindung
zu der Zuleitung bzw. zum Sammelstrang über eine Durchdringung
des überstehenden Kanals erfolgt (siehe z. B.
DD 269205 A1 ). Ein solches
Herstellungsverfahren ist jedoch mehrstufig und nicht vollautomatisierbar:
Es erfordert u. a. das Dichten des durchdrungenen Kanals, in der
Regel durch ein Lötmittel, dessen thermisches Ausdehnverhalten
unterschiedlich zu dem des Kanalmaterials ist. Bei hoher thermischer
Belastung kann dies zur Rissbildung führen. Hierdurch entsteht
die Notwendigkeit eines umfassenderen, zeitlich und personell aufwendigen
Leckagetests.
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Aus
dem Stand der Technik sind darüberhinaus Konstruktionsprinzipien
für Wärmeüberträger zum Kühlen
oder Erwärmen von Flüssigkeiten oder von Gasen,
welche aus mehreren miteinander walzgepressten Metallblechen ausgebildet
sind, bekannt, wobei Kanäle aufgebläht werden.
Hierbei dienen dann Platten zur Trennung der Fluide (beispielsweise
DE 30 03 137 A1 ).
Hierbei wird ein sog. Walzenverbinden bzw. englisch Roll-Bonding
vorgenommen, wodurch eine Verbindung zweier oder mehrerer relativ
dünner Bahnen, Bleche oder Tafeln zustande kommt, was durch
Walzendruck geschieht. Eine solche Verbindung kann ggf. auch durch
Erwärmung oder durch Verklebung realisiert werden. Zwischenbleche
können hierbei Wellen aufweisen, um die Wärmeübertragung
zu intensivieren.
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Wärmeüberträger
bzw. Wärmetauscher werden ihrer Grundform nach unterteilt
in Röhrbündel-, Platten-, Koaxial- und Spiralwärmeüberträger.
Ein Plattenwärmeüberträger lässt
sich im Verhältnis zu den anderen Ausführungsformen
sehr kompakt bauen. Er ist dadurch aufgrund seines Materialbedarfs und
des Gesamtvolumens grundsätzlich überall dort vorzuziehen,
wo die Forderungen nach geringen Materialkosten und der Kompaktheit
für kleine Anlagen die Korrosions- und Druckbeständigkeit überwiegen. Dies
ist beispielsweise für im Bereich der Kältetechnik
eingesetzte Verdampfer der Fall. Im Bereich der Wärmepumpen
gilt, dass sich neben den Kosten für die Anlage selbst
erhöhte Anschaffungskosten durch die notwendige Erschließung
einer Wärmequelle ergeben. Aus diesem Grund sind Außenluftwärmepumpen
wirtschaftlich gesehen von Vorteil. Üblicherweise werden
in Kältekreisen dieser Anlagen für diesen Zweck
Lamellenrohr-Wärmeüberträger eingesetzt. Allerdings
ist die Effizienz einer solchen Wärmepumpe geringer, weil
die Wärmequelle viel stärkeren saisonal bedingten
Temperaturschwankungen unterliegt. Durch die Unterstützung
dieser primären Wärmequelle durch eine sekundäre
Wärmequelle lassen sich Zugewinne bei der Verdampferleistung
und eine geringere Frostbildung am Verdampfer einer Außenluftwärmepumpe
realisieren. Hierzu wurden beispielsweise Kombiverdampfersysteme
entwickelt (siehe
WO
2004/094921 A1 ). In all solchen genannten Systemen kann
das erfindungsgemäße Fluidverteilungselement als
Bauteil eingesetzt werden: Wie nachfolgend noch ausführlich
beschrieben, bietet dies den Vorteil, dass, beispielsweise beim
Kombiverdampfer, Anordnungen konzentrisch ineinander eingeführter
Rohre, bei denen die Geometrie Zuleitungen mit Durchdringungen aufweist,
vermieden werden können. Solche Zuleitungen mit Durchdringungen
sind im Stand der Technik notwendig, wenn Fluide in direktem thermischen
Kontakt zueinander stehen sollen. Hierzu sind aus dem Stand der
Technik die beiden folgenden Realisierungsmöglichkeiten bekannt:
- 1. Zwei Rohre unterschiedlichen Durchmessers werden
ineinander angeordnet und das Volumen des Ringspalts und das des
Innenrohrs werden mit Sand verpresst. In diesem Zustand lässt
sich eine typische mäanderförmige Rohranordnung (Rohrregister
im Lamellenkörper) realisieren. Dieses Verfahren ist technisch
sehr aufwendig und nicht voll automatisierbar.
- 2. Das Außenrohr wird bereits vorgeformt mit Lamellen
bezogen. Das Rohrregister ist dann bereits in dem Lamellenkörper
angeordnet. In dieses Rohrregister wird nun das Innenrohr eingebracht, wobei
dieses das Rohrregister im Bereich der Rohrkrümmer außerhalb
des Lamellenkörpers durchdringt. Hierdurch ergeben sich
insbesondere Problemstellen bei einer automatisierten Fertigung
aufgrund der komplexen Geometrie der durchdrungenen Bereiche der
Rohrwandung in den Rohrkrümmern.
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Ausgehend
vom Stand der Technik ist es somit die Aufgabe der vorliegenden
Erfindung, ein Fluidverteilungselement (bzw. eine Anordnung von
Fluidverteilungselementen) zur Verfügung zu stellen, mit welchem
auf konstruktiv einfache und preisgünstige Art und Weise
sowie auf über eine lange Lebensdauer hinweg gesehen zuverlässige
Art und Weise eine Fluidverteilung innerhalb einer fluidführenden
Vorrichtung, insbesondere innerhalb eines Wärmetauschers
oder innerhalb einer Vorrichtung zum Austausch von Stoffen zwischen
Fluidströmen, realisiert werden kann. Aufgabe der vorliegenden
Erfindung ist es darüberhinaus, entsprechende Herstellungsverfahren
zur Verfügung zu stellen.
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Die
vorliegende Erfindung wird durch ein Fluidverteilungselement nach
Anspruch 1 sowie durch eine Anordnung von solchen Fluidverteilungselementen
nach Anspruch 13 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungsformen
der erfindungsgemäßen Fluidverteilungselemente
bzw. Anordnungen lassen sich den abhängigen Ansprüchen
entnehmen. Erfindungsgemäße Verfahren lassen sich
den Ansprüchen 17 bis 19 entnehmen. Erfindungsgemäße
Verwendungen werden durch Anspruch 20 beschrieben.
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Nachfolgend
wird ein erfindungsgemäßes Fluidverteilungselement
(sowie eine entsprechende Anordnung) zunächst allgemein
beschrieben. Hieran schließen sich konkrete Ausführungsbeispiele
an. Die einzelnen konkreten Konstruktionsmerkmale, wie sie sich
sowohl der allgemeinen Beschreibung, wie auch den sich anschließenden
speziellen Ausführungsbeispielen entnehmen lassen, können
hierbei im Rahmen der vorliegenden Erfindung selbstverständlich
durch den Fachmann mittels seiner Fachkenntnisse auch konstruktiv
abgewandelt werden bzw. in einer beliebigen anderen, nicht gezeigten Kombination
eingesetzt werden, ohne hierdurch den Schutzbereich der vorliegenden
Erfindung, welcher allein durch die Patentansprüche gegeben
ist, zu verlassen.
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Erfindungsgemäß wird
ein Fluidverteilungselement bzw. eine Fluidverteilungseinrichtung/Fluidsammeleinrichtung,
insbesondere aus Metall oder Kunststoff, zur Verfügung
gestellt, welche(s) sich insbesondere zum Anschluss an ineinander
verschachtelte oder sich überlagernde mehrkanalartige Leitungen
(Mehrfachkanalrohre) eignet. Der Zweck von solchen Mehrfachkanalrohren
besteht darin, in einer platzsparenden Bauweise ein oder mehrere
unterschiedliche Fluide in getrennter Weise unabhängig voneinander
zu führen und die Möglichkeit der kontrollierten
Wärmeübertragung bzw. der kontrollierten Stoffübertragung
zu nutzen. Hierbei bieten beispielsweise Mehrfachkanal-Rohr-Wärmeüberträger
den Vorteil, dass sie in einem reduzierten Raum den Wärmeaustausch
zwischen verschiedenen Wärmeträgermedien (beispielsweise
aus zwei unterschiedlichen Wärmequellen mit unterschiedlichem
Temperaturniveau und mit unterschiedlicher Wärmeträgerzusammensetzung
und einer Wärmesenke) ermöglichen. Mehrfachkanalrohre
bieten u. a. den Vorteil, dass sie in einem reduzierten Raum beispielsweise mittels
des Diffusions-, des Osmose- oder des Siebprinzips den kontrollierten
Stoffübergang zwischen mehr als zwei Fluiden ermöglichen.
Die vorliegende Erfindung stellt ein Fluidverteilungselement bzw.
ein Verteilerverbindungsstück zur Verfügung, dessen Zweck
das Verbinden von einerseits Einrohr-Zuleitungen mit andererseits
einem Mehrfachkanalrohr ist, ohne dass sich die Kanäle
durchdringen müssen. Der erfindungsgemäße
Ansatz besteht darin, dass die einzelnen Zuleitungskanäle
sich in Teilkanäle öffnen und sich diese Teilkanäle
kreuzen und überlappen, so dass eine Kontaktfläche
zwecks Wärme- und/oder Stoffaustausch entsteht. Das Fluidverteilungselement
bzw. Verbindungsstück kann vorteilhafterweise aus Metall
oder Kunststoff und mit unterschiedlichen kostengünstigen
Verfahren (beispielsweise Pressschweißen, Kleben und/oder
Löten) hergestellt werden.
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Das
erfindungsgemäße Fluidverteilungselement hat einen
sehr geringen Raumbedarf und vereinfacht die verkettete Anbindung
von Mehrkanalrohren zum Zweck des Aufbaus eines kompakten Aggregats
zur Wärmeübertragung. Insbesondere ist das erfindungsgemäße
Fluidverteilungselement auf konstruktiv einfache Art und Weise so
herstellbar, ohne dass wie beim Stand der Technik an den Durchdringungsstellen
eine erhöhte Gefahr für Leckage besteht. Um mögliche
Druckverluste zusätzlich zu verhindern, kann der Aufbau
der fluidführenden Vorrichtung mittels der Fluidverteilungselemente
vorteilhafterweise so erfolgen, dass bionische Ansätze
bei der Trasse des Kanals verfolgt werden.
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Wie
nachfolgend anhand der speziellen Ausführungsbeispiele
noch ausführlich dargestellt, weist das erfindungsgemäße
Fluidverteilungselement mehrere übereinander gestapelt
angeordnete Einzellagen auf (beispielsweise flache Metalllagen oder Kunststofflagen),
welche jeweils mit Teilen ihrer Oberflächen miteinander
verbunden werden. Zwischen solchen Verbindungsbereichen werden (beispielsweise
durch Aufblähen von Teilbereichen der Oberflächen,
welche mit einem Trennmittel versehen wurden oder auch durch Vorformung)
senkrecht zur Lagenebene Auswölbungen bzw. Erhebungen realisiert,
welche dann Zwischenräume zwischen den einzelnen Lagen
ausbilden, mittels derer Fluidführungskanäle realisiert
werden. Vorteilhafterweise handelt es sich um eine Stapelanordnung
aus drei, beispielsweise druckgepressten Materiallagen, besonders
vorteilhaft (siehe auch nachfolgendes Ausführungsbeispiel)
werden vier Materiallagen verwen det.
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Hierbei
werden, wie bereits erwähnt, entlang bestimmter Pfade auf
den Trennflächen zwischen zwei Einzellagen, beispielsweise
durch das Anbringen eines Trennmittels, diese Areale nicht gefügt, sondern über
ein Druckfluid ausgeweitet (dies kann mit Hilfe des bekannten Roll-Bond-Verfahrens
zur Kanalbildung geschehen, vgl.
DE 30 03 137 A1 ). Hierdurch entstehen Kanäle
zwischen den verschiedenen Lagen, welche so geführt sind,
dass sie in den Randbereichen des Körpers auf der einen
Stirnseite separate Anschlüsse für Ein-Rohr-Zuleitungen
bilden, sich im Verlauf des Körpers annähern,
bis sie sich kreuzen und überdecken, so dass ineinander verschachtelte
oder sich überlagernde Kanäle entstehen, an die
dann auf der anderen Stirnseite des Körpers ein Mehrfachkanalrohr
angeschlossen werden kann.
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Neben
der kostengünstigen Herstellung mit Hilfe des beschriebenen
Roll-Bond-Verfahrens mit Metallblechen kann ein solches erfindungsgemäßes Fluidverteilungselement
auch mittels Verkleben von vorgeformten Kunststoff- oder Metallteilen,
in welchen Halbkanäle bereits vorgeformt sind, kostengünstig
und vollautomatisiert hergestellt werden.
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Ein
erfindungsgemäßes Fluidverteilungselement ist
somit im einfachsten Fall eine Struktur mit im wesentlichen kreisförmigen
oder halbkreisförmigen Strömungsquerschnitten
(Rohren), die in flache Körper (die Einzellagen) vorgeprägt
werden welche bei dieser Variante mit anderen flachen Körpern
geklebt oder gelötet werden. In den Randbereichen bzw.
an den Stirnseiten dieser flachen Körper verlaufen die Anschlussrohrstücke,
die mit den Zuleitungen schlüssig verbun den werden. Im
Bereich des Anschlusses der Einzelrohrleitungen überlagern
sich die Kanäle in den bzw. zwischen den einzelnen Schichten
nicht.
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Für
das vorbeschriebene Roll-Bond-Verfahren (bzw. das autogene Walzschweißen)
werden Einzellagen aus Metall verwendet. Es wird ein geeignetes
Trennmittel an den Stellen der zu bildenden Kanäle aufgetragen
und die Bleche werden durch Walzen miteinander kalt verschweißt.
Das Trennmittel lässt nicht verfügte Bereiche
bestehen, welche mit einem Fluid, insbesondere Luft, druckbeaufschlagt
zu Rohren aufgeweitet werden können. Für die Reihenfolge
der Expansion der nicht verfügten Bereiche gibt es erfindungsgemäß mehrere
Möglichkeiten: Beispielsweise wird zuerst der Raum zwischen
den inneren, mittig liegenden Einzelschichten bzw. Einzellagen aufgeweitet,
danach der Raum zwischen weiter außen liegenden Einzellagen.
Um die Kanalstruktur bereits aufgeblähter Kanäle
zu erhalten, ist es möglich, diese unter Druck zu belassen,
wenn weitere Kanäle aufgebläht werden. Leicht
lassen sich so die Einzellagen des Fluidverteilungselements bzw.
Verteilerverbindungsstückes miteinander verbinden und anschließend
einzelne Fluidverteilungselemente bzw. Verteilerverbindungsstücke
senkrecht zur Lagenebene aufstapeln und an Zuleitungen anschließen, so
dass ein Stack (Anordnung) aus verfügten, aufgeschichteten
und mit Fluidführungskanälen versehenen Fluidverteilungselementen
entsteht. Die Bauform einer solchen Anordnung von erfindungsgemäßen
Fluidverteilungselementen kann dann ähnlich wie bei einem
Lamellenwärmeüberträger ausgebildet sein,
bei dem die Rohre mit den Lamellen einen geschlossenen Körper
bilden. Auf diese Weise kann erfindungsgemäß eine
Anordnung von Fluidverteilungselementen bzw. ein mehrzügiges
Fluidführungsaggregat unter Nutzung mehrerer Flu ide gebildet
werden, wobei zwischen den einzelnen (aus Einzellagen beschichteten)
Fluidverteilungselementen bzw. um die im Stapel beabstandet voneinander
angeordneten einzelnen Fluidverteilungselementen, die nun als Lamellen
dienen, ein beispielsweise gasförmiges Fluid strömen
kann. Zwischen benachbarten einzelnen Fluidverteilungselementen
bzw. Plattenkörpern können dabei Abstandshalter
angeordnet werden, die so gewählt sein können,
dass ausreichend Fluid zwischen einzelnen Fluidverteilungselementen
hindurchströmen bzw. vorbeiströmen kann. Hierbei
können auf den äußeren Oberflächen
der erfindungsgemäßen Fluidverteilungselemente
Oberflächenstrukturen, wie Grate oder Rippen, aufgebracht sein,
welche eine turbulenzsteigernde Wirkung aufweisen. Dies führt
zu einer verbesserten Wärmeübertragung zwischen
einem in einem erfindungsgemäßen Fluidverteilungselement
strömenden Fluid und dem zwischen diesen und einem benachbarten Fluidverteilungselement
hindurchströmenden Fluid.
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Die
vorbeschriebene Art der Herstellung für die einzelnen Fluidverteilungselemente
bzw. das gesamte, die Anordnung von Fluidverteilungselementen aufweisende
Fluidführungsaggregat bringt neben dem Vorteil, dass keine
Löt- oder Schweißarbeiten notwendig sind, auch
den Vorteil mit sich, dass sie bzw. es mit denselben konventionellen
kostengünstigen Metallen oder Kunststoffen, wie die anzuschließenden
Mehrfachkanalrohre selbst erzeugt werden können bzw. kann.
Die Anschlüsse auf der Stirnseite der Eizelrohr-Zuleitungen
werden vorteilhafterweise mit kreisförmigem Querschnitt
geformt und mit standardisierter Innenweite gewählt, so
dass ein Anschluss mit konventionellen Leitungen und Überwurfstücken
problemlos erfolgen kann. Der Querschnitt der Kanäle kann
entlang der Strecke konstant bleiben, so dass Druck oder Durchfluss
konstant bleiben, oder variiert werden, so dass physikalische Phänomene,
wie z. B. das Verdampfen oder die Verdichtung gezielt begünstigt
werden können. Das erfindungsgemäße Verteilerverbindungsstück
bzw. Fluidverteilungselement ist somit durch einen einfachen Aufbau
und eine einfache Herstellung sowie durch geringe Materialkosten
gekennzeichnet. Die Form der Platten kann (in der Lagenebene gesehen)
beliebig sein, beispielsweise in Rechteckform oder auch in Polygonform.
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Besonders
vorteilhaft kann das erfindungsgemäße Fluidverteilungselement
in einem Kombinationsverdampfer eingesetzt werden: Hierbei wird dann
der gesamte Kombiverdampfer nicht konventionell als Lamellenrohr-Wärmeüberträger
aus Aluminiumlamellen und Rohrregistern aus Kupfer gefertigt, sondern
es wird ein mehrlagiger Körper aus mindestens vier Einzellagen
realisiert (beispielsweise mit dem vorbeschriebenen Roll-Bond-Verfahren).
Je nach Herstellungsverfahren (Löten, Roll-Bonden bzw.
Walzen, Schweißen oder Kleben) können mit Hilfe
von Trennmitteln oder Aussparungen bestimmte Bereiche in den Zwischenschichten
bzw. zwischen den Einzellagen von einer fügenden Verbindungen ausgenommen
bleiben, die sich nach der Verfügung der anderen Bereiche
aufblähen lassen oder die beim Verfügen bereits
vorgeprägt sind und somit Bereiche zwischen den einzelnen
Lagen für die Durchströmung von Fluiden (also
Kanäle) bilden. Ausnahme ist hier die Herstellung durch
Extrudieren, wobei sich Strukturen ohne Verzweigungen und Rückläufe aus
einem Stück fertigen lassen. Bei den anderen Herstellungsverfahren
können die durchströmten Bereiche in den Zwischenschichten
auch komplexere Strukturen, wie Verzweigungen und Rückläufe,
beinhalten.
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Wie
bereits vorbeschrieben, wird auch beim Einsatz des erfindungsgemäßen
Fluidverteilungselements im Kombiverdampfer der Aufbau so vereinfacht,
dass Zuleitungen nicht mehr komplexe Formen mit Durchdringungen
sind, sondern dass das Problem der Durchdringung auf den mehrlagigen
Körper verlagert wird. Auf der Seite des mehrlagigen Körpers
handelt es sich bei den durchströmten Körpern dann
um rohrartige Kanäle bzw. um kanalartige Rohre. Die mehrschichtigen
Platten werden so ausgeformt, dass eine dem Kombiverdampfer analoge Funktionalität
erreicht wird, was man erreicht, indem ein Körper mit vorteilhafterweise
vier Schichten an Platten beispielsweise in der Roll-Bond-Technik
miteinander kalt verschweißt wird. Hierdurch entstehen insgesamt
drei Zwischenschichten bzw. Bereiche zwischen zwei benachbarten
Einzellagen, welche entweder durch Trennmittel oder durch die Verwendung
von vorgeprägten Strukturen für die Fluidführung
zur Verfügung stehen. Die einzelnen Lagen können
jedoch auch verlötet oder verklebt werden, wobei dann Kanalführungen
ausgesparte Bereiche darstellen. Die obere und die untere Schicht
dieses mehrlagigen Körpers können dann für
die Herstellung eines sich in den Strömungsfäden überlagernden
Kanalsystems verwendet werden. Diese äußeren Kanalsysteme
können hierbei noch durch zwei weitere Platten voneinander
getrennt werden, was notwendig sein kann, da während der
späteren Fortführung dieser Kanäle der
Kanal in der mittleren Zwischenschicht in die äußeren
Kanäle seitlich eindringt. Dieser Vorgang des seitlichen
Eindringens entspricht der Durchdringung bei der bisherigen Herstellung
von Zuleitungen oder Verteilerleitungen.
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Nach
dem gleichen Prinzip wie vorbeschrieben können auch Y-förmige
Verzweigungen hergestellt werden. Ein solches Y-förmiges
Verzweigungsstück, welches in Kom bination mit einem erfindungsgemäßen
Fluidverteilungselement eingesetzt werden kann bzw. an dieses angeschlossen
werden kann, findet Anwendung, wenn beispielsweise ein Mehrkanalrohr
in zwei parallele Mehrkanalrohre aufgeteilt werden muss (beispielsweise
zwecks der Druckabfallreduzierung bei gleicher Übertragungsfläche
in Kombiverdampfern). Um ein solches Y-förmiges Element
herzustellen, kann beispielsweise ein Trennmedium auf den Lagenebenen
gemäß der Form und Anordnung der Verzweigung aufgetragen
werden. Wie bei dem erfindungsgemäßen Verbindungsstück
können dann die beispielsweise vier Einzellagen walzengepresst
und die Kanäle anschließend aufgebläht werden.
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Die
vorliegende Erfindung stellt somit ein Verteilerverbindungsstück
aus Metall oder Kunststoff für ineinander verschachtelte
bzw. überlagerte mehrkanalartige Fluidführungsapparate
zur Verfügung, welches im Wesentlichen aus separaten Zuleitungen auf
der einen Seite (erste Stirnseite) und aus ineinander verschachtelten
Kanälen auf der anderen Seite (zweite, der ersten Stirnseite
gegenüberliegende Stirnseite) besteht, wobei sich die Kanäle
nicht durchdringen, sondern sich in separate Teilkanäle (schließend
an das Mehrkanalrohr) öffnen, wobei sich diese Teilkanäle
kreuzen und zum Teil oder komplett überlagern, so dass
eine Kontaktfläche für Wärme- oder Stofftransport über
eine zwischenliegende Kanalwand entsteht. Hierbei kann die Zu- oder
Abfuhr der Fluide zu bzw. aus dem Wärmeüberträger
in getrennten, nicht überlagerten Kanälen erfolgen,
damit die Zuleitung auf einer Seite mit konventionellen Einrohrleitungen
angeschlossen werden kann. Das erfindungsgemäße
Element kann durch Roll-Bonding bzw. Pressschweißen aus
mehreren Einzellagen (vorteilhafterweise mindestens drei oder vier
Einzellagen) hergestellt werden. Die kanal artigen Strukturen können
durch Aufblähen erzeugt werden. Die kanalartigen Strukturen
können alternativ jedoch auch durch vorgeprägte
Kanalstrukturen in den einzelnen Lagen zur Verfügung gestellt
werden. Die einzelnen Lagen können auch gegossen werden
oder durch Kleben miteinander verbunden werden. Mehrere erfindungsgemäße
Fluidverteilungselemente lassen sich, bevorzugt senkrecht zur Lagenebene übereinander
und beabstandet zueinander aufstapeln, wodurch ein Wärmeüberträger
mit mehreren Mehrfachkanalrohren bzw. mehreren Zügen innerhalb
des Fluidführungsaggregats entsteht. Zwischen jedem einzelnen
Fluidverteilungselement eines solchen Fluidführungsaggregats
kann dann ein weiteres Fluid durch entsprechende fluidführende
Strukturen fließen. Bei der Festlegung des Kanalwegs der
einzelnen Kanäle im Fluidführungsaggregat können
dann bionische Ansätze (beispielsweise Harfenform) zwecks
Druckverlustminderung realisiert werden. Mit den beschriebenen Herstellungsverfahren
lassen sich auch Rohrverzweigungen (z. B. Y-förmige Verzweigungen)
realisieren. Im Falle eines Phasenwechsels können die Querschnitte
von ineinander geführten Kanälen zum Zweck eines
konstanten Volumenstroms aneinander angepasst werden.
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Nachfolgend
wird nun die vorliegende Erfindung anhand einzelner Ausführungsbeispiele
beschrieben.
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Es
zeigen
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1 ein
erstes erfindungsgemäßes Fluidverteilungselement
in Aufsicht auf die Lagenebene L (1a)
und in Schnittansicht senkrecht zur Lagenebene L (1b).
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2 eine
isometrische Ansicht des in 1 dargestellten
erfindungsgemäßen Fluidverteilungselements.
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3 ein
zweites erfindungsgemäßes Fluidverteilungselement,
welches analog zu dem in 1 gezeigten aufgebaut ist, jedoch
einen verzweigten Innenkanal ausbildet.
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4 eine
Anordnung von mehreren übereinander gestapelten erfindungsgemäßen
Fluidverteilungselementen.
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5 ein
Y-förmiges Fluidverteilungsstück, welches an ein
erfindungsgemäßes Fluidverteilungselement angeschlossen
werden kann.
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1 zeigt
ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen
Fluidverteilungselements. 1a zeigt
eine Aufsicht auf die Lagenebene L des Fluidverteilungselements, 1b zeigt verschiedene Schnittansichten
senkrecht zur Lagenebene und im Wesentlichen senkrecht zur Kanallängsrichtung
K (vgl. 2). Die Kanallängsachsrichtung
ist hierbei diejenige Richtung in der Lagenebene L, welche im Wesentlichen
der Strömungsrichtung des Fluids durch den Innenkanal I
bzw. den Außenkanal A entspricht.
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Das
Fluidverteilungselement besteht aus vier einzelnen Lagen bzw. Einzellagen 1 bis 4,
welche jeweils aus flächigen Metallkörpern, hier
Zinkblechen oder Alublechen, bestehen. Die einzelnen Alublechlagen
oder Zinkblechlagen 1 bis 4 sind senkrecht zur
Lagenebene L übereinander gestapelt. Teile der Oberflächen
bzw. der Oberseiten und/oder Unterseiten der einzel nen Lagen 1 bis 4 sind
jeweils durch das vorbeschriebene Roll-Bonding-Verfahren bzw. Walzenpressen
mit Teilen der gegenüberliegenden Oberflächen
benachbarter Einzellagen druckdicht verbunden. Zwischen diesen verbundenen
Teilflächenbereichen zweier Lagen sind jeweils, wie nachfolgend
noch näher beschrieben, nicht verbundene Bereiche ausgebildet,
in welchen durch Aufwölbung einer oder beider der benachbarten
Einzellagen Hohlräume entstehen, welche dann als Fluidführungskanäle
(Innenkanal I und Außenkanäle A, ASP, siehe
nachfolgend) ausgebildet sind.
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Wie 1 zeigt,
ist in der obersten Einzellage 1 eine erste in Richtung
senkrecht zur Lagenebene L nach oben (vgl. 1b)
ausgewölbte Kanalstruktur 1S ausgeformt. In der
benachbart zur obersten Lage 1 angeordneten ersten Zwischenlage
(obere Zwischenlage 2) ist eine weitere, senkrecht zur
Lagenebene L nach oben ausgewölbte Kanalstruktur, die zweite
Kanalstruktur 2S ausgeformt. In Richtung der Kanallängsrichtung
K gesehen (in 1a die Richtung von
unten nach oben, vgl. 2) sind nun die beiden Kanalstrukturen 1S und 2S in
unterschiedlichen Bereichen der Einzellagen, wie nachfolgend noch
näher beschrieben, so ausgebildet, dass sich zunächst
zwei separat verlaufende Kanäle, der Innenkanal I und der
Außenkanal A, ausbilden, welche sich in Kanallängsrichtung
K gesehen zunehmend annähern, schließlich kreuzen
und teilweise überlappen und schließlich im wesentlichen
parallel zueinander und vollständig übereinander überlappend
zueinander verlaufen.
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1a links unten zeigt hierzu den Anschlussbereich
AB, an dessen außenseitiger Stirnseite (die in 1a unten gezeigte Seite) der Innenkanal
I und der Außenkanal A vollständig separat zueinander
und seitlich versetzt zueinander verlaufen, so dass an dieser Stirnseite
zwei getrennte Einzelrohre an den erfindungsgemäßen
Fluidverteiler angeschlossen werden können. Wie die Schnittansicht A-A'
(1b rechts unten) zeigt, ist an der
außenseitigen Stirnseite des Anschlussbereichs AB die Kanalstruktur 1S der
obersten Lage 1 in Form von zwei seitlich versetzt zueinander
gebildeten Auswölbungen ausgeformt. Im Bereich der einen
Auswölbung (die in 1b ganz
unten links gezeigte Auswölbung) weist die darunterliegende
Einzellage 2 ebenfalls eine Auswölbung (welche
die Kanalstruktur 2S ausbildet) auf, welche so ausgebildet
und angeordnet ist, dass sie sich formschlüssig in die
Auswölbung 1S der ersten Lage 1 einschmiegt.
Im Bereich des zweiten Auswölbungsteils der Kanalstruktur 1S (1b ganz unten rechts) weist die darunterliegende
Einzellage 2 jedoch keine Auswölbung auf, sondern
ist als ebene Fläche ausgebildet: Hierdurch wird zwischen
den Einzellagen 1 und 2 ein im gezeigten Querschnitt
trapezförmiger, sich nach oben verjüngender Hohlraum
ausgebildet, welcher als erstes Außenkanalteilstück
A1 eines zum Fluidtransport ausgebildeten Außenkanals A
ausgeformt ist.
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Die
angrenzend an die zweite Einzellage 2 und unterhalb derselben
angeordnete dritte Einzellage 3 ist nun in Bezug auf die
Lagenebene L gesehen spiegelsymmetrisch zur zweiten Einzellage 2 ausgeformt.
Die vierte Einzellage, welche angrenzend an diese dritte Einzellage 3 und
unterhalb derselben angeordnet ist, ist spiegelsymmetrisch (in Bezug
auf die Lagenebene L gesehen) zur obersten Einzellage 1 ausgeformt.
Aufgrund dieser spiegelsymmetrischen Ausformung (und einer entsprechenden
spiegelsymmetrischen Anordnung) entsteht im Anschlussbereich AB
durch die ausgewölbte Kanalstruktur 2S der zweiten
Einzellage 2 und durch ihr Ebenbild in der dritten Einzellage 3 ein
im Querschnitt annähern doppeltrapezförmiger Hohlraum
zwischen der zweiten Einzellage 2 und der dritten Einzellage 3,
welcher als Innenkanal I (im Bereich AB als erstes Innenkanalteilstück
I1) ebenfalls zur Fluidführung ausgebildet ist. Aufgrund
der vorbeschriebenen symmetrischen Ausgestaltung ergibt sich darüberhinaus
in Bezug auf die Lagenebene L gesehen gegenüberliegend
des ersten Außenkanalteilstücks A1 des Außenkanals
A zwischen der vierten Lage und der dritten Lage ein ebenfalls im
Querschnitt annähern trapezförmiger Hohlraum,
welcher als weiterer Außenkanal ASP (SP
steht hierbei für spiegelsymmetrisch) ausgebildet ist.
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Wie
nun die weiteren Querschnitte B-B' und C-C', welche beabstandet
vom Querschnitt A-A' in Kanallängsrichtung K gesehen aufgenommen
wurden, zeigen, verringert sich in Kanallängsrichtung K gesehen
der Abstand der Kanalmitten des ersten Innenkanalteilstücks
I1 und des ersten Außenkanalteilstücks A1 des
Innenkanals I bzw. des Außenkanals A sukzessive, so dass
sich die beiden Kanäle I und A (bzw. ASP)
sukzessive annähern, bis sie in dem sich an den Anschlussbereich
AB in Kanallängsrichtung K anschließenden Kreuzungsbereich
KB beginnen, sich zu kreuzen.
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Im
Kreuzungsbereich KB sind nun die erste Kanalstruktur 1S der
obersten Lage und die zweite Kanalstruktur 2S der oberen
Mittellage 2 so ausgebildet (dies gilt ebenso für
die ihnen spiegelsymmetrisch gegenüberliegenden dritten
Kanalstrukturen 3S und 4S der unteren Mittellage 3 und
der unteren Lage 4), dass sich der Überlappungsbereich
zwischen der ersten Kanalstruktur 1S und der zweiten Kanalstruktur 2S zunehmend
vergrößert, und zwar solange, bis (aufgrund der
größeren Breite der Kanalstruktur 1S im
Vergleich zur Kanalstruktur 2S; die Breite ist hierbei
die Ausdehnung senkrecht zur Richtung K in der Lagenebene L) die
erste Kanalstruktur 1S die zweite Kanalstruktur 2S vollständig überlappt.
Im Kreuzungsbereich KB schiebt sich somit in Kanallängsachsrichtung
K nach oben (vgl. 1a) gesehen die
erste Kanalstruktur 1S sukzessive über die zweite
Kanalstruktur 2S, so dass sich sukzessive übereinanderschiebende
zweite Kanalteilstücke (Teilstück A2 des Außenkanals
A und Teilstück I2 des Innenkanals) ausbilden. Am oberen
Rand des Kreuzungsbereichs KB überdeckt die erste Kanalstruktur 1S die
zweite Kanalstruktur 2S vollständig. Einen Schnitt
im Bereich einer noch teilweisen Überlappung zeigt die
Schnittansicht D-D'.
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Am
oberen Ende des Kreuzungsbereichs KB schließt sich dann
der Überlappungsbereich ÜB an, in dem dritte Kanalteilstücke
(drittes Innenkanalteilstück I3 und drittes Außenkanalteilstück
A3) so ausgebildet sind, dass der Innenkanal I bzw. die zweite Kanalstruktur 2S vollständig
vom Außenkanal A bzw. von der ersten Kanalstruktur 1S überlappt
wird bzw. überdeckt ist. Am oberen Rand des Überlappungsbereichs ÜB
(obere Stirnseite des Fluidverteilungselements) überlappt
die erste Kanalstruktur 1S die zweite Kanalstruktur 2S beidseitig
symmetrisch, so dass der Innenkanal I, I3 mittig unterhalb des Außenkanals A,
A3 verläuft bzw. von diesem halbseitig umschlossen ist.
Eben solches gilt natürlich entsprechend für den
symmetrisch dazu angeordneten weiteren Außenkanal ASP.
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An
der oberen Stirnseite weist das gezeigte Fluidverteilungselement
somit einen im wesentlichen konzentrisch innerhalb zweier Außenkanäle
A, ASP laufenden Innenkanal I auf, so dass
auf einfache Art und Weise an dieser oberen Anschlussseite ein entsprechend
ausgebildetes Mehrfachkanalrohr angeschlossen werden kann (vgl.
auch Schnittansicht F-F').
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Wie
dem Fachmann klar ist, lässt sich das gezeigte Ausführungsbeispiel
eines Fluidverteilungselements auf vielgestaltige Art und Weise
im Rahmen der vorliegenden Erfindung variieren: So kann im Bereich
der oberen Anschlussseite statt der Ausbildung eines Anschlussstücks
für ein Mehrfachkanalrohr das Fluidverteilungselement integriert
mit einem solchen Mehrkanalrohr ausgebildet sein bzw. weitergeführt
werden. Verschiedendste Fluidführungsstrukturen können
zusätzlich in das gezeigte Fluidverteilungselement integriert
werden, so z. B. ein Y-förmiges Verzweigungselement (vgl.
auch 5), bei dem sich der konzentrisch innerhalb der
beiden Außenkanäle A, ASP geführte
Innenkanal I samt der ihn umgebenden Außenkanäle
in zwei separate Stränge verzweigt.
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Ebenso
ist es auch möglich, das erfindungsgemäße
Fluidverteilungselement aus lediglich drei Einzellagen 1 bis 3 auszugestalten,
so dass sich lediglich ein Außenkanal A und ein Innenkanal
I ergeben (Wegfall des zweiten Außenkanals ASP).
Die weiteren Lagenelemente 3 und 4 müssen
auch nicht symmetrisch zu den Lagenelementen 1 und 2 ausgeformt
sein, sondern können auch als ebene Flachplatten ausgeführt
sein. In diesem Fall ergibt sich dann lediglich ein hier im Beispiel
einfach trapezförmiger (es sind im allgemeinen jedoch auch
andere Formen möglich) Innenkanal I und ein Außenkanal
A.
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Alternativ
zur Ausbildung aus mehreren ursprünglich getrennten Elementen
können die Einzellagen (beispielsweise durch ein Extrudierverfahren) auch
gleich einstückig ausgebildet sein. Dies muss nicht alle
Einzellagen betreffen, sondern kann auch nur einzelne der gezeigten
Einzellagen betreffen (so könnten beispielsweise unter
Verzicht auf die Einzellage 4 die beiden Einzellagen 2 und 3 als
einstückiger, extrudierter Formkörper hergestellt
sein, welchem eine weitere Lage (oberste Lage 1) überlagert wird).
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Im
gezeigten Beispiel bildet somit die Unterseite der obersten Lage 1 sowie
die Oberseite der oberen Mittellage 2 die Wandung des Außenkanals A,
die Unterseite des Lagenelementes 2 sowie die Oberseite
des Lagenelementes 3 die Außenwandung des Innenkanals
I sowie die Unterseite des Lagenelementes 3 sowie die Oberseite
des Lagenelementes 4 die Wandung des unteren Außenkanals ASP.
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2 zeigt
eine isometrische Ansicht des in 1 dargestellten
Fluidverteilungselementes. Im untenseitig gezeigtem vorderen Schnitt
sind deutlich die beiden getrennten Außenkanäle
A und ASP (halbkreisförmig) sowie
der Innenkanal I (kreisförmig) zu erkennen.
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3 zeigt
ein weiteres Ausführungsbeispiel für ein erfindungsgemäßes
Fluidverteilungselement (hier nur die Aufsicht auf die Lagenebene
L gezeigt). Dieses ist grundsätzlich ebenso aufgebaut wie
das in 1 gezeigte Lagenelement, so dass hier nur die Unterschiede
beschrieben werden. Im in 3 gezeigten
Beispiel sind die beiden Kanalstrukturen 1S und 2S so
ausgebildet, dass im Anschlussbereich AB und im Kreuzungsbereich
KB der Innenkanal I sich in zwei separate Innenkanalteilstücke
auftrennt: Im Anschlussbereich AB werden somit zwei separate, versetzt
zueinander und versetzt zum Außenkanal A, A1 ausgebil dete
erste Innenkanalteilstücke I1a und I1b ausgebildet, welche
an der außenseitigen Stirnseite den Anschluss von zwei
separaten Einzelrohr-Zufuhrleitungen für den Innenkanal
I erlauben. Die beiden separaten Innenkanalteilstücke kreuzen
sich im Kreuzungsbereich KB somit beiderseits des Außenkanals
A und unterhalb desselben in diesen ein, was durch eine entsprechende
Konstruktion, wie sie bereits zu 1 beschrieben
worden ist, realisiert werden kann. Wie in 1 gezeigtem
Fall verlaufen im Überlappungsbereich ÜB dann
der Innenkanal I, I3 und der Außenkanal A, A3 übereinander überlappend.
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4 zeigt
eine erfindungsgemäße Anordnung aus mehreren (hier
drei) Fluidverteilungselementen F1 bis F3. Die drei Fluidverteilungselemente F1
bis F3 sind hierbei senkrecht zur Lagenebene bzw. in Stapelrichtung
S beabstandet voneinander und übereinander angeordnet.
Die Lagenebenen L der einzelnen Fluidverteilungselemente verlaufen hierbei
parallel zueinander. Die einzelnen Fluidverteilungselemente werden
durch Abstandshalter Abs voneinander beabstandet gehalten. Vorderseitig
in 4 gezeigt ist die Anschlussseite für
die Einzelrohr-Zuleitungen für die Fluidverteilungselemente. Die
einzelnen Rohrzuleitungen sind hier so realisiert, dass von einer
ersten, in Stapelrichtung S angeordneten Anschlussleitung 3 auf
Höhe der einzelnen Fluidverteilungselemente jeweils Einzelrohrkanäle
abzweigen, welche dann jeweils mit einem Innenkanal I eines Fluidverteilungselementes
verbunden sind. Parallel zur ersten Anschlussleitung 3 und
seitlich versetzt davon ist ebenfalls in Stapelrichtung S eine zweite
Anschlussleitung 4 angeordnet, aus welcher ebenfalls auf
Höhe der einzelnen Fluidverteilungselemente Einzelrohrkanäle
abzweigen, welche dann jeweils mit den einzelnen Einzelrohran schlössen
der Außenkanäle A der Fluidverteilungselemente
verbunden sind.
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Die
gezeigte Anordnung ist hier aufgrund des durch die Abstandshalter
Abs realisierten Abstandes der einzelnen Fluidverteilungselemente
F1 bis F3 so realisiert, dass zwischen zwei benachbarten Fluidverteilungselementen
ein Volumen entsteht, welches ebenfalls durch ein Fluid (drittes
Fluid außerhalb der Innenkanäle I und der Außenkanäle
A) durchströmt werden kann. Um hier eine optimale Wärmeübertragung
zwischen diesem dritten Fluid und dem durch die Innen- und die Außenkanäle
durchströmenden Fluiden zu gewährleisten, ist
die äußere Oberfläche (Oberseite der
Einzellagen 1 und Unterseite der Einzellagen 4)
mit einer Vielzahl von einzelnen, parallel zueinander und versetzt
zueinander verlaufenden Rippenstrukturen 5 versehen. Diese
Rippenstrukturen sind sowohl seitlich neben den Kanalstrukturen 1S bzw. 4S,
als auch außenseitig auf diesen angeordnet und sorgen für
eine Verwirbelung des durch die Zwischenräume zwischen
den Fluidverteilungselementen hindurch strömenden dritten
Fluids, wodurch der Wärmeaustausch optimiert wird.
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5 skizziert
schließlich ein aus den Einzellagen 1 bis 4 beispielsweise
durch Rollbonding hergestelltes Y-Verzweigungsstück, welches
in Kombination mit einem erfindungsgemäßen Fluidverteilungselement
eingesetzt werden kann, um den Fluidstrom des Innenkanals I und
des Außenkanals A jeweils in zwei separate Fluidströme
aufzuspalten (das gezeigte Y-Verzweigungsstück kann beispielsweise an
der oberen Stirnseite des Überlappungsbereiches ÜB
des in 1 gezeigten erfindungsgemäßen
Fluidverteilungselementes, siehe dort Schnittansicht F-F') angedockt
werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - WO 2004/094921
A1 [0002, 0005]
- - DD 269205 A1 [0003]
- - DE 3003137 A1 [0004, 0012]