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Die
Erfindung betrifft ein Gehäuse zur Aufnahme elektrischer
und/oder elektronischer Baueinheiten, insbesondere Schaltschrank
mit einer Gehäusewand, die ein Wärmetauscherelement
aufweist oder bildet, wobei das Wärmetauscherelement eine wärmeaufnehmende
und eine wärmeabgebende Seite aufweist, wobei im Bereich
der wärmeaufnehmenden und/oder der wärmeabgebenden
Seite ein Luftstrom geführt ist.
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Aus
der
DE 196 09 845
C1 ist ein Schaltschrank bekannt, der mit drei vertikalen
Seitenwänden und einer frontseitigen Tür sowie
einem Boden und einem Dach einen Gehäuseinnenraum umschließt.
Darin sind elektrische Einbauten gehalten, die beim Betriebseinsatz
Verlustwärme in den Gehäuseinnenraum abgeben.
Zur Vermeidung einer Überhitzung muss diese Wärme
an die Umgebung abgeführt werden. Die Wärme wird
von den als Wärmetauscherelementen ausgebildeten vertikalen
Seitenwänden aufgenommen. An der Gehäuseaußenseite
sind im Abstand zu den Seitenwänden Kanalabdeckungen gehalten.
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Zwischen
den Kanalabdeckungen und den Seitenwänden ist ein Strömungskanal
gebildet, durch den ein Luftstrom geführt wird, dieser
wird über den natürlichen Kamineffekt in den Seitenwänden
erzeugt oder durch einen Lüfter erzwungen. Der Luftstrom
nimmt die Wärme von der Außenseite der Seitenwand
auf und führt sie an die Umgebung ab. Es ist üblich,
die Luft am Rand der Wärmetauscherfläche einzuführen
und zwar so, dass die Öffnungen möglichst groß sind,
um die Strömungsverluste zu reduzieren, wie dies beispielsweise
in der
DE 296 05 555 U1 gezeigt
ist. Weiterhin sind Gehäuse bekannt, bei denen keine zusätzlichen
Seitenwände vorhanden sind, die die Luft führen.
Hier wird die Wärme über natürliche Konvektion
direkt an die Umgebungsluft abgegeben.
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Die
Wärmeabgabe in dem Innenraum erfolgt auf ähnliche
Weise. Es sind weiterhin sowohl Gehäuse bekannt, die eine
innere Wandaufdopplung haben und einen Volumenstrom in diesen führen,
der die Wärme an die Wand abgibt, als auch Gehäuse
ohne Doppelwand, wobei die Luft im Innenraum lediglich zirkuliert
wird und ein Volumenstrom infolge von Konvektion an den Wänden
vorbeiströmt und die Wärme an diese abgibt. Bei
Gehäusen mit einer innen liegenden Wandaufdopplung ist
erwähnenswert, dass diese mit dem Lüfter einen
geschlossenen Kanal bilden insbesondere zwischen Lüfter
und Wärmetauscherfläche wobei der Lüfter
in der Regel auf der Druckseite angeordnet ist. Der Volumenstrom
also vom Lüfter über geeignete Kanäle
zu der Wärmetauscherflächen geführt wird.
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Es
ist Aufgabe der Erfindung, einen Wärmetauscher bzw. ein
Gehäuse zu schaffen, mit dem der Wirkungsgrad zur Verbesserung
der Kühlleistung gesteigert ist.
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Diese
Aufgabe wird dadurch gelöst, dass eine Luftzuführ-Anordnung
mittels mindestens einer Düse einen Luftstrahl bildet,
die den Luftstrom erzeugt, wobei zwischen der Strömungsrichtung
des Luftstrahls und der zugeordneten Fläche der wärmeabgebenden/wärmeaufnehmende
Seite ein Winkel im Bereich von 0 bis 45° gebildet ist.
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Erfindungsgemäß weist
die Luftzuführ-Anordnung eine oder mehrere Düsen
auf, die jeweils Luftstrahle mit hoher kinetischer Energie erzeugen. Diese
Luftstrahle werden parallel oder im flachen Winkel (< 45°) zugeführt.
Die Luftstrahle bilden aufgrund ihrer Ausrichtung und mit ihrer
Strömungsgeschwindigkeit einen Luftstrom, der direkt an
der wärmeabgebenden/-aufnehmenden Seite entlang geführt
und über eine ausreichend große Wegstrecke an
dieser gehalten werden kann. Dort kann der an der wärmeabgebenden/-aufnehmenden
Seite anstehende Wärmeabtausch dann effektiv vorgenommen werden.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung kann es dabei vorgesehen
sein, dass die Luftzuführ-Anordnung dem Luftstrahl soviel
kinetische Energie aufgibt, dass der Luftstrom zumindest über
50% der Wanderstreckung in Strömungsrichtung des Luftstroms
an der Fläche der wärmeabgebenden/wärmeaufnehmenden
Seite geführt ist. Damit wird zumindest in einem ersten
Teilbereich ein effektives Anhaften des Luftstromes an der wärmeaufnehmenden/-abgebenden
Seite erreicht. Danach löst sich der Luftstrom ab und es
werden Turbulenzen und Strömungswirbel gebildet, die noch
für einen ausreichenden Wärmeabtausch sorgen.
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Eine
denkbare Erfindungsvariante ist dergestalt, dass im Bereich der
wärmeabgebenden/wärmeaufnehmenden Seite eine offener
Strömungskanal gebildet ist, der auf der der wärmeabgebenden/wärmeaufnehmenden
Seite abgewandten Seite des Luftstroms offen ist. Der Luftstrom
wird dabei ohne zusätzliche Führungselemente an
dem Wärmetauscherelement gehalten, was einfache Konstruktionen
ermöglicht. Dabei kann es insbesondere vorgesehen sein,
dass die Luftzuführ-Anordnung mehre Düsen aufweist,
die zueinander derart angeordnet sind, dass die einzelnen Luftstrahle
einen gemeinsamen geschlossenen Luftstrom erzeugen. Dabei wird der
Luftstrom ausreichend nahe und parallel oder nahezu parallel zu
dem Wärmetauscherelement zugeführt, so dass die
zwischen dem Wärmetauscherelement und dem Luftstrom befindliche
Luft mitgerissen und beschleunigt wird. Dadurch entsteht dann zwischen
dem Wärmetauscherelement und dem Luftstrom ein geringerer
Druck als der Umgebungsdruck.
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Als
Folge davon legt sich der Luftstrom an die wärmeaufnehmende
bzw. die wärmeabgebende Seite an. Auf der Umgebungsseite
des Luftstromes wird aus dem Gehäuseinnenraum Luft mitgerissen. Es
entsteht somit ein Sekundärerstrom, der dem Luftstrom zugeführt
wird. Der resultierende Strom hat einen deutlich größeren
Volumenstrom, als der zugeführte Primärstrom.
Berechnungen haben gezeigt, dass dieser um ein Vielfaches größer
sein kann. Der Luftstrom hat nun die Möglichkeit, die Wärmetauscherseite
effektiv zu belüften und den Wärmetausch zwischen
Luftstrom und Wärmetauscherelement mit hohem Wirkungsgrad
vorzunehmen.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung kann es dabei vorgesehen
sein, dass die Luftzuführ-Anordnung eine oder mehrere Düsen aufweist,
und dass die Düsen zur wärmeabgebenden/wärmeaufnehmenden
Seite im Abstand kleiner als 50 mm angeordnet sind.
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Bei
gängigen Schaltschränken hat sich gezeigt, dass
gute Wärmetauscherergebnis dann erreicht werden können,
wenn vorgesehen ist, dass mit der Luftzuführ-Anordnung
der Luftstrahl in Richtung der wärmeabgebenden/wärmeaufnehmenden
Seite derart zuführbar ist, dass zwischen dem Luftstrom und
der wärmeabgebenden/wärmeaufnehmenden Seite ein
geringerer Luftdruck vorliegt, als zwischen dem Luftstrom und der
an den Luftstrom anschließenden, der wärmeabgebenden/wärmeaufnehmenden
abgewandten Seite des Luftstroms.
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Um
einen geschlossenen Volumenstrom an der Wand zu gewährleisten
können die Düsen in einem engen Raster oder Schlitzförmig
beispielsweise auch mit kleinen Stegen zwischen den Düsen
angeordnet sein, dadurch wird gewährleistet das keine Luft
aus der Umgebung hinter den Volumenstrom gelangen kann, wodurch
dieser sich von der Gehäusewand abwenden könnte.
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Als
effektiv haben sich schlitzartige Düsen mit den Abmessungen
von 2 × 25 mm im Raster von 50 mm und einem Abstand von
0 bis 4 mm von der Wärmetauscherwand erwiesen.
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Besonders
geeignet sind auch Düsen in Form von Bohrungen im 25 mm
Raster, die in der Summe den gleichen Querschnitt wie die vorgenannten
schlitzförmigen Düsen haben.
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Um
eine ausreichende Sogwirkung zu erreichen, sollte die Strömungsgeschwindigkeit
mit der der Luftstrahl die Luftführ-Anordnung verlässt,
im Bereich größer als 1 m/s betragen.
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Als
besonders effektiv, insbesondere in Kombination mit den durch die
Lüfter und Düsen erzeugten Geräusche
haben sich Geschwindigkeiten von 3 bis ca. 10 m/s gezeigt. Mit gängigen
Lüftern können jedoch problemlos Strahlgeschwindigkeiten
von bis zu 20 m/s und mehr erreicht werden, bei diesen Geschwindigkeiten
sind allerdings auch die Luftgeräusche in den Düsen
deutlich hörbar, und die Druckverluste stehen nicht mehr
im Verhältnis zu der gewonnenen Mehrleistung.
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Ein
besonders guter Wirkungsgrad lässt sich insbesondere dann
erreichen, wenn vorgesehen ist, dass an der wärmeaufnehmenden
oder der wärmeabgebenden Seite des Wärmetauscherelementes ein
Strömungskanal mittels einer Kanalabdeckung gebildet ist,
wobei in dem Strömungskanal ein Luftstrom im Wesentlichen
in Strömungskanallängsrichtung förderbar
ist, dass in den Strömungskanal eine oder mehren Düsen
münden, über die ein Teilluftstrom förderbar
ist, und dass die Strömungsrichtung des Teilluftstromes
nach der Düse im Winkel zur Strömungsrichtung
des Luftstromes im Strömungskanal verläuft. Auf
der einen Seite des Wärmetauscherelementes erfolgt dabei
der Wärmeabtausch effektiv in einem Strömungskanal.
Dabei werden dem Luftstrom die Teilluftströme überlagert,
wobei diese im Winkel zum Luftstrom fließen. Auf diese
Weise lassen sich an der wärmeaufnehmenden/wärmeabgebenden
Seite lokal Strömungsverwirbelungen erzeugen, die dort
für eine Durchmischung der Luft im Strömungskanal
sorgen. Auf diese Weise kann ein effektiver Wärmeabtausch
erfolgen. (Die zweite Seite des Wärmetauscherelementes
wird mit einem Luftstrom gemäß der Ausführung
nach Anspruch 1 beaufschlagt.
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Eine
besonders gute lokale Verwirbelung des Luftstromes lässt
sich dadurch erreichen, dass der Winkel zwischen der Strömungsrichtung
des Teilluftstroms und der Strömungsrichtung im Strömungskanal
im Bereich zwischen 5 und 90° beträgt.
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Erfindungsgemäß kann
es vorgesehen sein, dass ein Gehäuseinnenraum von Gehäusewänden begrenzt
ist, und dass wenigstens eine Gehäusewand zumindest in
einem Teilbereich das Wärmetauscherelement bildet. Dabei
wird eine oder mehrere der, beispielsweise aus Blech bestehenden
Gehäusewände als Wärmetauscher verwendet.
Auf diese Weise wird mit geringem Teileaufwand eine effektive Kühlung
des Gehäuseinnenraumes möglich, ohne dass dabei
der Gehäuseinnenraum wesentlich eingeschränkt
wird.
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Eine
denkbare Erfindungsvariante kann dergestalt sein, dass zwei oder
mehrere Gehäusewände ein Wärmetauscherelement
aufweisen, und dass den Wärmetauscherelementen gemeinsam über
einen Zuführkanal jeweils ein Luftstrom zuführbar
ist. Dann lassen sich mit geringem Teileaufwand mehrere Gehäusewände
zur Klimatisierungszwecken heranziehen.
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Die
Erfindung wird im Folgenden anhand von in den Zeichnungen dargestellten
Ausführungsbeispielen erörtert.
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Es
zeigen:
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1 einen
Schaltschrank mit einer Klimatisierungsanordnung in Seitenansicht
und im Schnitt als Prinzipdarstellung;
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2 einen
weiteren Schaltschrank mit einer Klimatisierungseinrichtung in Seitenansicht
und im Schnitt als Prinzipdarstellung;
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3 einen
weiteren Schaltschrank, ähnlich wie die Anordnung gemäß 2,
jedoch mit einer veränderten Luftzuführung;
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4 die
Darstellung gemäß 3, jedoch mit
einer zusätzlichen Seitenwand;
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5 die
Anordnung gemäß 4 mit einer perforierten
Wand;
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6 einen
weiteren Schaltschrank mit einer Klimatisierungseinrichtung in Seitenansicht
und im Schnitt mit einen innen liegenden Strömungskanal und
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7a–j
verschiedene Varianten von Düsenanordnungen.
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Die 1 zeigt
ein Gehäuse 10, nämlich einen Schaltschrank,
der in üblicher Bauweise ein aus Rahmenprofilen zusammengesetztes
Rahmengestell aufweist. Das Rahmengestell ist mit vier vertikalen
Gehäusewänden 12 verkleidet, wobei wenigstens eine
als Schranktür ausgebildet ist. Die Gehäusewände 12 bestehen
aus Blech und bilden ein Wärmetauscherelement 12.1. Über
das Blechmaterial kann Wärme zwischen dem Gehäuseinnenraum
und der Umgebung abgetauscht werden. Der Schaltschrank weist auch
einen Boden und ein Dach 13 auf. Damit ist der Gehäuseinnenraum 11 gegenüber
der Umgebung luftdicht abgeschlossen.
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Im
Deckenbereich ist mittels eines Trennblechs 14 ein Zuführkanal 18 zwischen
dem Dach 13 und dem Trennblech 14 abgeteilt. In
den Zuführkanal 18 ist ein Lüfter 15,
vorliegend ein Radiallüfter zur Erzeugung hoher statischer
Drücke angeordnet.
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Der
Lüfter 15 saugt aus dem Gehäuseinnenraum 11 Luft
durch eine düsenförmige Luftzuführung 15.1 des
Trennbleches 14 an und gibt diese in den Zuführkanal 18 ab,
wie dies die Luftströmung symbolisierenden Pfeildarstellungen
zeigen. Das Trennblech 14 weist im Randbereich Düsen 14.1 auf.
Diese können schlitzförmig ausgestaltet parallel
zur zugeordneten Gehäusewand 12 verlaufen.
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Die
Düsen 14.1 können aber auch mehrere Einzelöffnungen
mit kleinem Querschnitt sein, die entlang der Gehäusewand 12 in
einer Reihe verlaufen (siehe 7a–7j – verschiedene
Düsenvarianten). Die Düsen 14.1 sind
im Abstand senkrecht zu der Gehäusewand 12 kleiner
als 60 mm positioniert.
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Die
einzelnen Düsen 14.1 haben beispielsweise einen Öffnungsquerschnitt
von 20 bis 50 mm2. Die Düsen 14.1 erzeugen
jeweils einen Luftstrom, der parallel zur Gehäusewand 12 verläuft.
Die Strömungsgeschwindigkeit am Düsenaustritt
sollte dabei im Bereich von 1 bis 20 m/s liegen. Wie die Zeichnung
erkennen lässt, ist auf der der Gehäusewand 12 abgewandten
Seite des Luftstromes keine Abdeckung, so dass ein offener Strömungskanal
gebildet wird.
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Der
Luftstrom reißt die zwischen Gehäusewand 12 und
Luftstrom stehende Luft mit und gibt ihr eine Strömungsgeschwindigkeit
auf. Auf diese Weise entsteht in diesem Bereich ein kleinerer Druck
als der Druck im Gehäuseinnenraum 11. Diese Druckdifferenz
bewirkt, dass der Luftstrom an die Gehäusewand 12 „gedrückt"
wird. Damit kann der Luftstrom die an der Gehäusewand 12 anstehende
Wärme gut und über einen großen Bereich
abführen, wobei ersichtlich ein nur geringer technischer
Aufwand erforderlich ist.
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Die
Gehäusewände 12 können zur Verbesserung
der Kühlleistung auch außenseitig gekühlt sein.
Hierzu ist parallel beabstandet zu der Gehäusewand 12 zur
Bildung eines Strömungskanals 25 eine Kanalabdeckung 20 gehalten.
Die Kanalabdeckung 20 ist matrixartig mit einer Vielzahl
von Öffnungen durchdrungen, die Düsen 21 bilden.
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Der
Durchtrittsquerschnitt aller Düsen 21 ist kleiner
als der Querschnitt des Strömungskanals 25. Seitenteile 22,
die senkrecht zur Gehäusewand 12 verlaufen, verschließen
den Strömungskanal 25 randseitig. Der Strömungskanal 25 geht
in einen Sammelkanal 26 über, in dem die Luftströmungen mehrerer
Strömungskanäle 25, die verschiedenen Gehäusewänden 12 zugeordnet
sind, zusammengeführt werden.
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Unter
Verwendung des Dachs 14 wird der Sammelkanal 26 von
einer Dachabdeckung 23 begrenzt. Auf der Dachabdeckung 23 ist
ein Lüfter 19 befestigt, der wieder von einem
Radiallüfter gebildet ist. Der Lüfter 19 ist
in einem Abführkanal 27 zwischen der Dachabdeckung 23 und
einer dazu parallel im Abstand gehaltenen Kanalabdeckung 24 untergebracht.
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Der
Lüfter 19 saugt Umgebungsluft durch die Düsen 21 aus
der Umgebung U in den Strömungskanal 25. Diese
Teillüftströme sind senkrecht auf die Außenseite
der Gehäusewand 12 gerichtet und können
daher dort die Wärme effektiv abführen. Im Strömungskanal 25 bildet
sich ein Luftstrom (dicke Pfeildarstellung) der in Längsrichtung
des Strömungskanals 25 verläuft. Diesem
werden die Teilluftströme aus den Düsen 21 überlagert.
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Damit
entstehen lokale Verwirbelungen, die für eine gleichmäßige
Temperaturdurchmischung im Luftstrom sorgen und so zur Steigerung
des Wirkungsgrades beitragen. Die erwärmte Luft wird über den
Sammelkanal 26, den Lüfter 19 und den
Abführkanal 27 wieder an die Umgebung U abgegeben.
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Die 2 zeigt
eine weitere Ausführungsform der Erfindung. Wie diese Darstellung
veranschaulicht, ist die Luftführung im Gehäuseinnenraum 11 identisch
zu der Luftführung gemäß 1 gelöst. An
der Außenseite der Gehäusewand 12 ist
nun ebenfalls eine offene Kanalführung verwirklicht. Damit
wird auf der Außenseite das gleiche Wirkprinzip wie auf
der Innenseite verwirklicht. Hierzu ist im Bodenbereich ein Zuführkanal 18 angeordnet,
der in der Nähe der Gehäusewand 12 Düsen 14.1 bildet.
Diese sind analog zu den Düsen 14.1 im Gehäuseinnenraum 11 angeordnet
und ausgebildet. Der Zuführkanal 18 kann beispielsweise
von einem Leitungsabschnitt gebildet sein, der in Richtung der Bildtiefe
gemäß 2 verläuft und in den
die Düsen 14.1 zueinander beabstandet in einer
Reihe angeordnet sind, wobei diese Reihe ebenfalls in Richtung der
Bildtiefe verläuft.
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Wie
die 3 zeigt, kann der Zuführkanal 18 auch
unterhalb des Schaltschrankes unter dem Boden vorgesehen sein.
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In
Erweiterung dieses Prinzips kann auch zum Schutz vor Schmutz, Sonne
etc. außenseitig eine Wand 28 vorgesehen sein.
Diese ist bodenseitig mit einer ausreichend großen Luftzuführung 28.1 versehen,
wie dies 4 zeigt.
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Wie
aus 5 hervorgeht, kann die Wand 28 gemäß 4 auch
analog zu der Kanalabdeckung 20 gemäß 1 ausgeführt
sein, um eine weitere Wirkungsgradverbesserung zu erreichen.
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Auch
im Innenbereich des Schaltschrankes kann das Wirkprinzip gemäß 5 verwirklicht
sein, wie 6 veranschaulicht.
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In
den 7a bis 7j sind
verschiedene Varianten von Düsen 14.1 gezeigt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 19609845
C1 [0002]
- - DE 29605555 U1 [0003]