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Die Erfindung betrifft eine Druckluftanlage für Nutzfahrzeuge.
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Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Bereitstellen und Verwalten von Druckluft mittels einer Druckluftanlage für Nutzfahrzeuge.
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Nutzfahrzeuge sind häufig mit verschiedenartigen Druckluftverbrauchern ausgestattet. Als typische Druckluftverbraucher sind beispielsweise pneumatische Bremsanlagen, Luftfederungen und Liftachseinrichtungen bekannt. Es ist auch bekannt, diesen Druckluftverbrauchern verschiedene Luftdrücke zur Verfügung zu stellen, was durch die Verwendung von Druckminderern erreicht wird. Die gesamte verwendete Druckluft wird also zunächst auf ein maximales Druckniveau komprimiert, woraufhin sie mit unverändertem Druck den Hochdruckluftverbrauchern und mit vermindertem Druck den Niedrigdruckverbrauchern zur Verfügung gestellt wird. Ein hierfür verwendeter Kompressor muss also Druckluft von einem Ausgangsdruckniveau, im Allgemeinen Atmosphärendruck, auf den benötigten Hochdruck von oberhalb 10 bar, in manchen Fällen bis 15 bar, komprimieren.
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Eine Kompression mit einem solch hohen Differenzdruck hat prinzipiell einen schlechten Wirkungsgrad. Um diesem Problem zu begegnen, wurde bereits vorgeschlagen, zweistufige Kompressoren zu verwenden, wobei jede Kompressorstufe geringere Differenzdrücke zu überwinden hat. Üblicherweise werden hierfür Kompressoren mit mehr als einem Zylinder verwendet, wobei die Luft aus der ersten Kompressionsstufe des Niedrigdruckzylinders sofort der zweiten Kompressionsstufe, nämlich dem Hochdruckzylinder, zugeführt wird. Der Wirkungsgrad der Kompression wird hierdurch erhöht, allerdings wird der zweiten Kompressionsstufe Luft zugeführt, die in der ersten Kompressionsstufe erwärmt wurde, was wiederum einen thermodynamischen Wirkungsgradverlust mit sich bringt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Druckluftanlage und ein Verfahren zum Bereitstellen und Verwalten von Druckluft zur Verfügung zu stellen, so dass die genannten Probleme und Nachteile des Standes der Technik vermieden werden, wobei insbesondere eine Kompression mit gegenüber dem Stand der Technik verbessertem Wirkungsgrad ermöglicht werden soll.
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Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst.
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Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Die Erfindung besteht in einer Druckluftanlage für Nutzfahrzeuge, mit mindestens einem Kompressor, mindestens einem Niedrigdruckbehälter zur Speicherung von Druckluft auf einem ersten Druckniveau, mindestens einem Hochdruckbehälter zur Speicherung von Druckluft auf einem zweiten Druckniveau, wobei das zweite Druckniveau höher ist als das erste Druckniveau, und mindestens einer Steuereinrichtung, wobei die Steuereinrichtung geeignet ist, eine Kompression von Luft ausgehend von einem Ausgangsdruckniveau auf das erste Druckniveau sowie eine Einspeisung der so komprimierten Luft in den Niedrigdruckbehälter zu veranlassen, und wobei die Steuereinrichtung weiterhin geeignet ist, eine Entnahme von Luft aus dem Niedrigdruckbehälter, eine Kompression der Luft ausgehend von dem ersten Druckniveau auf das zweite Druckniveau und eine Einspeisung der so komprimierten Luft in den Hochdruckbehälter zu veranlassen. Im Gegensatz zur zweistufigen Kompression des Standes der Technik ist erfindungsgemäß also vorgesehen, die auf einen niedrigen Druck in einer ersten Stufe komprimierte Luft zunächst in einem Niedrigdruckbehälter zu speichern. Während dieser Speicherung kühlt die Luft ab, so dass der zweiten Kompressionsstufe abgekühlte Druckluft zugeführt werden kann. Hierdurch wird eine Erhöhung des thermodynamischen Wirkungsgrades erreicht. Ferner kann dem Niedrigdruckbehälter Druckluft für die Druckluftverbraucher entnommen werden, die ohnehin mit einem geringen Luftdruck auskommen. Eine Kompression der gesamten Druckluft auf ein hohes Niveau, um diese dann teilweise für die Niedrigdruckverbraucher wieder zu entspannen, ist daher nicht mehr erforderlich. Auch dies erhöht den thermodynamischen Wirkungsgrad. Im Gegensatz zum Stand der Technik, wo Kompressoren mit mehreren Zylindern für die Realisierung der mehrstufigen Kompression erforderlich sind, kann hier mit einem vereinfachten Kompressor gearbeitet werden, der mit einem einzigen Zylinder auskommt.
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Nützlicherweise ist vorgesehen, dass die Steuereinrichtung eine steuerbare Ventileinrichtung aufweist, die geeignet ist, dem Kompressor Luft zuzuführen, welche sich auf dem Ausgangsdruckniveau befindet, oder dem Niedrigdruckbehälter Luft zu entnehmen. Mit der Steuereinrichtung lässt sich also bestimmen, welche Kompressionsstufe eingestellt werden soll. Entweder die Steuereinrichtung führt dem Kompressor Luft zu, die sich auf dem Ausgangsdruckniveau befindet, beispielsweise auf Atmosphärendruck, oder die Steuereinrichtung entnimmt dem Niedrigdruckbehälter Luft, um diese dann weiter zu komprimieren.
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Diese Ausführungsform ist vorteilhafterweise so weitergebildet, dass die steuerbare Ventileinrichtung mindestens ein elektrisch ansteuerbares 2/2-Wege-Rückführventil aufweist, das geeignet ist, eine Entnahme von Luft aus dem Niedrigdruckbehälter zu steuern. Das elektrisch ansteuerbare 2/2-Wege-Rückführventil bestimmt also zunächst, ob Luft aus dem Niedrigdruckbehälter entnommen wird und so für eine weitere Kompression zur Verfügung steht.
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Diese Vorgehensweise kann dann dadurch weitergebildet sein, dass die steuerbare Ventileinrichtung ein elektrisch ansteuerbares 2/2-Wege-Zuführventil aufweist, das geeignet ist, eine Zuführung von Luft zu dem Kompressor, welche sich auf dem Ausgangsdruckniveau befindet, zu steuern. Es wird also entweder das 2/2-Wege-Rückführventil oder das 2/2-Wege-Zuführventil geöffnet sein, um wahlweise entweder Luft, welche sich auf dem Ausgangsdruckniveau befindet, oder vorkomprimierte Luft der weiteren Kompressionsstufe zuzuführen. Ebenfalls ist es möglich, sowohl das 2/2-Wege-Rückführventil als auch das 2/2-Wege-Zuführventil zu schließen. Dieser Zustand wird eingestellt, wenn keine weitere Druckluft benötigt wird.
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Die steuerbare Ventileinrichtung mit ihrem elektrisch ansteuerbaren 2/2-Wege-Rückführventil kann aber auch dadurch weitergebildet sein, dass die steuerbare Ventileinrichtung ein Wechselventil aufweist, welches bei geschlossenem 2/2-Wege-Rückführventil eine Zuführung von Luft zu dem Kompressor, welche sich auf dem Ausgangsdruckniveau befindet, gestattet und welches bei geöffnetem 2/2-Wege-Rückführventil eine Zuführung von Luft zu dem Kompressor, welche sich auf dem Ausgangsdruckniveau befindet, verhindert. Es ist also ausreichend ein einziges ansteuerbares Ventil zu verwenden und die Selektivität der Luftzuführung zur weiteren Kompression durch ein Wechselventil zu realisieren.
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Ebenfalls ist es möglich, dass die steuerbare Ventileinrichtung mindestens ein elektrisch ansteuerbares 3/2-Wege-Ventil aufweist, das geeignet ist, eine Entnahme von Luft aus dem Niedrigdruckbehälter und eine Zuführung von Luft zu dem Kompressor, welche sich auf dem Ausgangsdruckniveau befindet, zu steuern. Ein solches 3/2-Wege-Ventil ist in der Lage, beide Luftwege zu steuern, so dass weder ein separates 2/2-Wege-Zuführventil noch ein Wechselventil erforderlich ist.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Kompression von Luft ausgehend von dem Ausgangsdruckniveau auf das erste Druckniveau und die Kompression von Luft ausgehend von dem ersten Druckniveau auf das zweite Druckniveau durch denselben Kompressor erfolgen. Wenn nur ein einziger Kompressor erforderlich ist, kann dies eine besonders kostengünstige Lösung darstellen.
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Es ist aber auch möglich, dass die Kompression von Luft ausgehend von dem Ausgangsdruckniveau auf das erste Druckniveau und die Kompression von Luft ausgehend von dem ersten Druckniveau auf das zweite Druckniveau durch verschiedene Kompressoren erfolgen. Auf diese Weise kann jeder Kompressor auf die von ihm bereitzustellenden Druckdifferenzen und die zu bedienenden Druckniveaus optimal ausgelegt sein.
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In diesem Zusammenhang kann es insbesondere nützlich sein, dass der Kompressor, welcher Luft ausgehend von dem ersten Druckniveau auf das zweite Druckniveau komprimiert, diese dem Hochdruckbehälter unter Umgehung von Komponenten einer Luftaufbereitungsanlage zuführt. Insbesondere ist nach der zweiten Kompressionsstufe keine Lufttrocknung mehr erforderlich, denn der zweiten Kompressionsstufe wird bereits getrocknete Luft zugeführt.
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Wie bereits erwähnt, kann üblicherweise vorgesehen sein, dass das Ausgangsdruckniveau das Niveau des Atmosphärendrucks ist.
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Es ist aber auch möglich, dass das Ausgangsdruckniveau ein gegenüber dem Atmosphärendruck erhöhtes Druckniveau ist. Die Luft im Ansaugtrakt des Nutzfahrzeugs ist je nach Fahrzustand bereits verdichtet, so dass hierdurch die in der ersten Kompressionsstufe von dem Kompressor zu liefernde Druckdifferenz verkleinert wird.
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Die Erfindung besteht weiterhin in einem Verfahren zum Bereitstellen und Verwalten von Druckluft mittels einer Druckluftanlage für Nutzfahrzeuge, wobei die Druckluftanlage mindestens einen Kompressor, mindestens einen Niedrigdruckbehälter zur Speicherung von Druckluft auf einem ersten Druckniveau, mindestens einen Hochdruckbehälter zur Speicherung von Druckluft auf einem zweiten Druckniveau, wobei das zweite Druckniveau höher ist als das erste Druckniveau, und mindestens eine Steuereinrichtung aufweist, wobei die Steuereinrichtung, eine Kompression von Luft ausgehend von einem Ausgangsdruckniveau auf das erste Druckniveau sowie eine Einspeisung der so komprimierten Luft in den Niedrigdruckbehälter veranlasst, und wobei die Steuereinrichtung eine Entnahme von Luft aus dem Niedrigdruckbehälter, eine Kompression der Luft ausgehend von dem ersten Druckniveau auf das zweite Druckniveau und eine Einspeisung der so komprimierten Luft in den Hochdruckbehälter veranlasst. Auf diese Weise werden die Vorteile und Besonderheiten der erfindungsgemäßen Druckluftanlage auch im Rahmen eines Verfahrens realisiert.
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Dieses ist besonders nützlich dadurch weitergebildet, dass eine Erzeugung von Druckluft, die auf das erste Druckniveau und/oder das zweite Druckniveau gebracht wird, in Abhängigkeit des Druckluftmengenbedarfs gesteuert oder geregelt wird. Hierdurch wird der Energieverbrauch minimiert, denn es wird stets nur so viel Druckluft auf dem jeweiligen Niveau bereitgehalten, wie eben benötigt wird.
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Besonders nützlich ist auch, dass für eine Regeneration eines Lufttrockners Druckluft aus dem Niedrigdruckbehälter verwendet wird. Die Luft aus dem Niedrigdruckbehälter wurde mit geringem Energiebedarf gespeichert, wurde allerdings nach ihrer Kompression von einer Luftaufbereitungsanlage getrocknet. In der Regel wird es ausreichend sein, diese trockene Luft mit niedrigem Druck zur Regeneration des Lufttrockners zu verwenden, so dass die mit höherem Energieaufwand erzeugte Luft mit hohem Druck gespeichert bleiben und ganz den Verbrauchern zur Verfügung gestellt werden kann.
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Die Art und Weise der Drucklufterzeugung durch einen mehrstufigen Prozess gemäß der vorliegenden Erfindung wurde am Beispiel einer zweistufigen Drucklufterzeugung ohne Beschränkung der Allgemeinheit erläutert. Die beteiligten Ventile wurden als elektrisch ansteuerbare Wegeventile bezeichnet. Ebenfalls können pneumatisch ansteuerbare Ventile verwendet werden, die in eine vollständig pneumatische Steuerung oder in eine Anlage mit elektrischer Vorsteuerung integriert sind.
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Die Erfindung wird nun mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen anhand besonders bevorzugter Ausführungsformen beispielhaft erläutert.
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Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Druckluftanlage;
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2 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Druckluftanlage;
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3 eine schematische Darstellung einer dritten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Druckluftanlage und
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4 ein Flussdiagramm zur Erläuterung eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Bei der nachfolgenden Beschreibung der Zeichnungen bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder vergleichbare Komponenten.
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1 zeigt eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Druckluftanlage. Die Druckluftanlage 10 weist einen Kompressor 12 auf, der ausgangsseitig mit einer Luftaufbereitungsanlage 30 pneumatisch verbunden ist. Der Kompressor 12 kann mechanisch über eine Welle durch den Verbrennungsmotor des Nutzfahrzeugs angetrieben werden. Ebenfalls ist es möglich, einen elektrischen Kompressor 12 zu verwenden. Die Luftaufbereitungsanlage 30 enthält als typische Komponenten einen Luftfilter, einen Druckregler, Ventile, Druckbegrenzer, Druck- und Temperatursensoren sowie ein Mehrkreisschutzventil 36. Über das Mehrkreisschutzventil 36 werden die verschiedenen Verbraucherkreise des Nutzfahrzeugs mit Druckluft versorgt, wobei hier drei Druckbehälter 14, 16, 18 dargestellt sind. Der obere Druckbehälter ist ein Hochdruckbehälter 18, während die beiden anderen Druckbehälter Niedrigdruckbehälter 14, 16 sind. Der größere der Niedrigdruckbehälter 14 ist über ein Sicherheitsventil 34 und ein 2/2-Wege-Rückführventil 22 mit dem Eingang des Kompressors 12 pneumatisch verbunden. Über ein weiteres 2/2-Wege-Ventil, nämlich das 2/2-Wege-Zuführventil 24 ist der Eingang des Kompressors 12 mit der Atmosphäre verbunden. Die 2/2-Wege-Ventile 22, 24 werden von einer elektronischen Steuereinheit 20 der Luftaufbereitungsanlage 30 angesteuert. Ebenfalls ist es möglich, eine separate Steuereinheit oder eine in ein sonstiges System integrierte Steuereinheit für diese Zwecke zu verwenden.
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Die Druckluftanlage gemäß 1 arbeitet wie folgt: Zunächst wird das 2/2-Wege-Zuführventil 24 geöffnet, während das 2/2-Wege-Rückführventil 22 geschlossen bleibt. Der Kompressor 12 saugt somit Luft mit Atmosphärendruck an und verdichtet diese auf ein erstes Druckniveau. Die Luft wird über den Lufttrockner 32 und das Mehrkreisschutzventil 36 den Niedrigdruckbehältern 14, 16 zugeführt, optional auch dem Hochdruckbehälter 18. Soll nun der Hochdruckbehälter 18 gefüllt werden, wird zu diesem Zweck das 2/2-Wege-Zuführventil 24 geschlossen, und das 2/2-Wege-Rückführventil 22 wird geöffnet. Liegt in dem Niedrigdruckbehälter 14 mindestens ein ausreichender Luftdruck für die Hilfsbremswirkung vor, so ist das Sicherheitsventil 34 geöffnet, andernfalls geschlossen. Bei geöffnetem Sicherheitsventil 34 und geöffnetem 2/2-Wege-Rückführventil 22 kann so dem Eingang des Kompressors 12 verdichtete Luft zugeführt werden. Folglich kann der Kompressor 12 unter Überwindung einer im Vergleich zum einstufigen Komprimierungsprozess niedrigeren Druckdifferenz den Hochdruckbehälter 18 befüllen. Die Druckluft aus beiden Niedrigdruckbehältern 14, 16 steht Verbrauchern zur Verfügung, die mit niedrigem Druck arbeiten können. Der Niedrigdruckbehälter 14 ist größer als der Niedrigdruckbehälter 16, um ausreichende Luftmengen für die nachfolgende Kompression auf hohem Druck zur Verfügung zu stellen.
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Nicht dargestellt, aber ebenfalls im Rahmen der Erfindung ist, den dem Sicherheitsventil 34 abgewandten Ausgang des 2/2-Wege-Rückführventil 22 nicht mit dem dargestellten Kompressor 12, sondern mit einem anderen Kompressor zu verbinden. Da dieser andere Kompressor trockene Luft aus dem Niederdruckbehälter 14 verarbeitet, muss diese Nachkompression nicht mehr dem Luftfilter 32 zugeführt werden. Vielmehr kann der Ausgang dieses anderen Kompressors direkt an einen Hochdruckbehälter angeschlossen sein.
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2 zeigt eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Druckluftanlage. Die Druckluftanlage 10 entspricht in weiten Teilen derjenigen gemäß 1. Allerdings sind keine separaten 2/2-Wege-Ventile, nämlich ein 2/2-Wege-Rückführventil 22 und ein 2/2-Wege-Zuführventil 24 (siehe 1) vorgesehen, sondern ein einziges 3/2-Wege-Ventil, welches den Eingang des Kompressors 12 selektiv mit dem Niederdruckbehälter 14 oder der Atmosphäre verbinden kann.
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3 zeigt eine schematische Darstellung einer dritten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Druckluftanlage. Im Vergleich zur Druckluftanlage gemäß 1 ist bei der hier dargestellten Druckluftanlage 10 das 2/2-Wege-Zuführventil 24 durch ein Wechselventil 26 ersetzt. Ist das 2/2-Wege-Rückführventil 22 geschlossen, so wird das Wechselventil 26 bei aktivem Kompressor 12 den Weg zur Atmosphäre freimachen, so dass der Kompressor 12 die erste Kompression auf das erste niedrigere Druckniveau vornehmen kann. Wird aber das 2/2-Wege-Rückführventil 22 geöffnet, so steht an dem zugewandten Eingang des Wechselventils 26 ein Druck an, der höher ist als der Atmosphärendruck. Folglich schaltet das Wechselventil 26 um, und der Kompressor 12 kann in seiner zweiten Betriebsart vorkomprimierte Luft weiterkomprimieren, um den Hochdruckbehälter 18 zu füllen.
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4 zeigt ein Flussdiagramm zur Erläuterung eines erfindungsgemäßen Verfahrens. Geht man von einem Zustand der Druckluftanlage aus, bei dem gemäß Schritt S01 eine Kompression von Luft auf ein erstes Druckniveau, also das niedrigere Druckniveau, erfolgt, so wird danach in Schritt S02 abgefragt, ob mehr Luft benötigt wird, die sich auf diesem ersten Druckniveau befindet. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn der Druck für die Hilfsbremswirkung noch nicht zur Verfügung steht.
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Wird also mehr Luft auf dem ersten Druckniveau benötigt, so geht das Verfahren von Schritt S02 wieder auf Schritt S01 über. Wird keine zusätzliche Luft auf dem ersten Druckniveau benötigt, so wird in Schritt S03 erfasst, ob mehr Luft auf dem zweiten Druckniveau benötigt wird. Ist dies der Fall, so wird in Schritt S04 Luft auf das zweite Druckniveau komprimiert. Im gegenteiligen Fall geht das Verfahren zu Schritt S02 über, fährt also damit fort, das Vorliegen einer ausreichenden Druckluftmenge auf dem ersten Druckniveau zu überwachen. Parallel zu diesem schematisch dargestellten Verfahrensablauf findet auch eine kontinuierliche Überwachung von insbesondere dem ersten Druckniveau statt, so dass unabhängig von dem Erreichen des Hochdruckniveaus in jedem Fall das Niedrigdruckniveau zur Bereitstellung der Hilfsbremswirkung erreicht bzw. aufrechterhalten wird.
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Der im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung verwendete Begriff Druckniveau bezeichnet in der Regel ein bestimmtes Druckintervall um einen bestimmten Druckwert. Es sind also stets Drücke innerhalb dieser Intervalle und nicht singuläre Druckwerte gemeint.
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Die in der vorstehenden Beschreibung, in den Zeichnungen sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung wesentlich sein.
