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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung wenigstens eines Parameters eines in einer Hauptströmungsrichtung strömenden fluiden Mediums nach der Gattung des Anspruchs 1.
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Die Erfindung geht aus von bekannten Vorrichtungen zur Bestimmung wenigstens eines Parameters eines in einer Hauptströmungsrichtung strömenden fluiden Mediums. Bei dem fluiden Medium kann es sich grundsätzlich um Gase und/oder Flüssigkeiten handeln, insbesondere um Luft, beispielsweise um Ansaugluft in einem Ansaugtrakt einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs. Auch andere Einsatzgebiete sind jedoch denkbar. Bei der mindestens einen zu bestimmenden Eigenschaft kann es sich grundsätzlich um einen beliebigen physikalischen und/oder chemischen Parameter des fluiden Mediums handeln. Insbesondere kann es sich bei der Eigenschaft um eine Strömungseigenschaft handeln, beispielsweise eine Strömungsgeschwindigkeit und/oder einen Massenstrom und/oder einen Volumenstrom.
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Die Erfindung wird im Folgenden, ohne Beschränkung weiterer möglicher Ausgestaltungen, insbesondere beschrieben unter Bezugnahme auf eine Luftmassenmessung, beispielsweise im Ansaugtrakt einer Brennkraftmaschine. Aus dem Stand der Technik sind zahlreiche Luftmassenmesser bekannt. Insbesondere kann es sich hierbei um so genannte Heißfilmluftmassenmesser handeln, welche in der Regel als Steckfühler bzw. Steckerteile ausgestaltet sind und welche mindestens einen Kanal aufweisen, insbesondere einen Bypasskanal, durch welchen ein Teil des strömenden fluiden Mediums geleitet wird. Beispielsweise kann das Steckerteil in ein Strömungsrohr eingebracht werden, und ein Teil des strömenden fluiden Mediums wird durch einen Kanal des Steckerteils geleitet. In dem Kanal ist üblicherweise ein Sensorchip, beispielsweise ein Heißfilmluftmassenmesschip, angeordnet, welcher mindestens ein Heizelement und mindestens zwei stromaufwärts und stromabwärts des Heizelements angeordnete Temperaturfühler umfasst. Aus einer Asymmetrie der Temperaturverteilung kann auf einen Massenstrom des fluiden Mediums, beispielsweise der Ansaugluft, geschlossen werden.
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Des Weiteren sind Vorrichtungen bekannt, welche zumindest zwei von dem fluiden Medium durchströmbare Kanäle aufweisen, wobei der in die Vorrichtung eintretende Strom des Mediums aufgeteilt wird und ein möglichst gleich bleibender und von Verunreinigungen freier Teilstrom in einen Messkanal, nämlich einen Bypasskanal, eingeleitet und der Messung zugrunde gelegt wird. Die Auslassöffnung des der Messung dienenden Kanals, üblicherweise als Bypasskanal bezeichnet, ist dabei üblicherweise in einer Seitenwand des Steckerteils angeordnet, welche zumindest annähernd parallel zur Hauptströmungsrichtung des fluiden Mediums orientiert ist.
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Es sind eine Reihe derartiger Vorrichtungen bekannt, welche eine Verbesserung der innerhalb und/oder außerhalb des Steckerteils herrschenden Strömungsverhältnisse zum Inhalt haben.
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Die
DE 102 53 970 A1 schlägt ein Steckerteil mit in den Messkanal hinein ragenden Mitteln vor, welche die Strömung leiten und einer Ablösung der Strömung des Medienteilstroms von den Kanalwänden des Messkanals entgegenwirken sollen.
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Die
DE 10 2004 022 271 A1 schlägt vor, abströmseitig des Steckerteils, nämlich in der Hauptströmungsrichtung des Mediums gesehen hinter der Auslassöffnung, eine im Wesentlichen parallel zu der mit der Auslassöffnung versehenen Seitenwand des Steckerteils verlaufende Strömungsleitwand anzuordnen, um eine Strömungsablösung von den Seitenwänden des Steckerteils zu vermeiden. Dadurch soll ein negativer Effekt der der Hauptströmungsrichtung zugewandten Frontseite und der Seitenwände des Steckerteils auf die Umströmung des Steckerteils vermieden werden.
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Die
DE 10 2006 045 660 A1 schlägt ein Steckerteil vor, welches auf mindestens einer Seite ein im Wesentlichen parallel zur Hauptströmungsrichtung ausgerichtetes Strömungsleitelement aufweist. Dieses Strömungsleitelement soll Querströmungen in Oberflächennähe und senkrecht zur Hauptströmungsrichtung des fluiden Mediums vermindern, um die Verhältnisse bei der Umströmung des Steckerteils weiter zu stabilisieren und reproduzierbarer zu gestalten.
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Die
DE 10 2008 042 807 A1 zeigt eine gattungsgemäße Vorrichtung und befasst sich mit Effekten, die im Zusammenhang mit einem Strom eines fluiden Mediums auftreten, welcher aus einer Auslassöffnung in einer Seitenwand des Steckerteils austritt. Dieser Schrift liegt der Gedanke zugrunde, dass sich in vielen Fällen an der Seitenwand hinter der Auslassöffnung unvermeidlich Ablösegebiete der Strömung bilden. Um diese Ablösegebiete im Bereich der Auslassöffnung räumlich zu begrenzen, wird dort vorgeschlagen, auf der Seitenwand des Steckerteils zumindest abströmseitig der Auslassöffnung mindestens einen sich von der Seitenwand abhebenden Leitkanal vorzusehen, welcher einen Austausch zwischen aus der Auslassöffnung austretendem fluiden Medium und fluidem Medium aus der Umgebung des Steckerteils zumindest vermindert.
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Die weitgehende Verminderung der Ablösung eines aus einer seitlichen Auslassöffnung austretenden Stroms eines Mediums von der Seitenwand gestaltet sich bei gattungsgemäßen Vorrichtungen jedoch unter Umständen schwierig. Der aus der Auslassöffnung in einer Seitenwand des Steckerteils austretende Strom des fluiden Mediums weist üblicherweise eine sehr viel geringere Geschwindigkeit auf als die das Steckerteil insgesamt umgebende Kernströmung. Dies trifft umso mehr zu, falls das Steckerteil eine aerodynamische Form (Flügelform) aufweist und die betreffende Auslassöffnung auf der Saugseite des Steckerteils angeordnet ist. Hierdurch entstehende Wechselwirkungen zwischen der Umströmung und Nachlaufströmung des Steckerteils und dem aus der Auslassöffnung austretenden Teilstrom des Mediums pflanzen sich bis zur Auslassöffnung fort und führen zu einer instationären Ausströmung aus der Auslassöffnung. Im Ergebnis legt sich der aus der Auslassöffnung austretende Strom des fluiden Mediums teilweise an die Seitenwand des Steckerteils an, löst sich aber zu anderen Zeiten wiederum von der Seitenwand ab. Auch dem Geschwindigkeitsprofil der Strömung im Querschnitt der Auslassöffnung werden Störungen aufgeprägt. Im Ergebnis kann eine instationäre Überströmung des Sensorelements zur Bestimmung des Parameters stattfinden, welches insbesondere in einem zu der Auslassöffnung führenden Bypasskanal angeordnet ist. Folglich können unzuverlässige, schwankende oder gänzlich falsche Messwerte des Sensorchips erhalten werden.
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Offenbarung der Erfindung
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Dementsprechend wird eine Vorrichtung zur Bestimmung wenigstens eines Parameters eines in einer Hauptströmungsrichtung strömenden fluiden Mediums vorgeschlagen, welche die Nachteile bekannter Vorrichtungen dieser Art zumindest weitgehend vermeidet und insbesondere eine Stabilisierung eines aus der Auslassöffnung austretenden Stroms eines Mediums mit reduzierten Schwankungen der Druck- und/oder Geschwindigkeitsverhältnisse an der Auslassöffnung bereitstellt.
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Die vorgeschlagene Vorrichtung ist nach den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 ausgestaltet. Vorteilhafte Weiterbildungen des Erfindungsgedankens sind Gegenstand der nachgeordneten Ansprüche.
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Die Vorrichtung kann grundsätzlich ausgestaltet sein wie bekannte Vorrichtungen dieser Art, nämlich insbesondere wie eingangs genannte Vorrichtungen.
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Die Vorrichtung umfasst mindestens ein sich in einer Längserstreckungsrichtung erstreckendes Steckerteil, welches in das fluide Medium eingebracht ist oder einbringbar ist. Dieses Steckerteil kann beispielsweise analog zu bekannten Steckerteilen für Heißfilmluftmassenmesser ausgestaltet sein und kann beispielsweise fest in dem Strömungsrohr installiert oder als austauschbares Steckerteil ausgestaltet sein. Die Längserstreckungsachse des Steckerteils kann im Wesentlichen senkrecht zu einer Hauptströmungsrichtung des fluiden Mediums ausgerichtet sein.
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Das Steckerteil weist mindestens eine Einlassöffnung und mindestens eine Auslassöffnung sowie mindestens einen sich zwischen der Einlassöffnung und der Auslassöffnung erstreckenden, von dem fluiden Medium durchströmbaren Kanal auf. Beispielsweise kann die Einlassöffnung an einer der Hauptströmungsrichtung entgegenweisenden Anströmseite des Steckerteils angeordnet sein. Die Auslassöffnung oder, wenn mehrere Auslassöfnungen vorgesehen sind, mindestens eine dieser Auslassöffnungen, ist in einer Seitenwand des Steckerteils angeordnet, also in einer Wand des Steckerteils, welche sich im Wesentlichen parallel zur Längserstreckungsachse des Steckerteils erstreckt und vorzugsweise im Wesentlichen auch parallel zur Hauptströmungsrichtung erstreckt. Da diese Seitenwand von dem strömenden fluiden Medium mit hoher Geschwindigkeit überströmt wird, herrscht somit im Bereich dieser Auslassöffnung ein verringerter Druck, wohingegen sich im Bereich der Einlassöffnung ein Staudruck ausbildet. Diese Druckdifferenz treibt die Strömung des fluiden Mediums durch den Kanal in dem Steckerteil an, so dass der Durchsatz durch diesen Kanal gefördert wird, was sich positiv auf den Signalhub und das Signal-zu-Rausch-Verhältnis auswirkt.
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In dem durch das fluide Medium durchströmbaren Kanal ist mindestens ein Sensorchip zur Bestimmung des Parameters angeordnet. Der Sensorchip kann beispielsweise ein Sensorelement gemäß bekannten Sensorelementen für Heißfilmluftmassenmesser aufweisen, und kann beispielsweise eine Sensoroberfläche aufweisen, auf welcher mindestens ein Sensor angeordnet ist. Ein Sensorelement kann eine mikromechanische Sensormembran und/oder einen Temperaturfühler und/oder mindestens einen Heizwiderstand oder andere Arten von Elementen umfassen, welche für die Sensorfunktion zur Bestimmung des Parameters erforderlich sind.
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Der Kanal kann auch eine komplexere Kanalstruktur umfassen, wie beispielsweise in der oben beschriebenen
DE 102 53 970 A1 dargestellt ist. So kann der mindestens eine Kanal beispielsweise einen von einem Hauptkanal abzweigenden Bypasskanal aufweisen, in welchem der Sensorchip angeordnet ist. Dementsprechend können mehrere Auslassöffnungen vorgesehen sein, beispielsweise eine Hauptkanalauslassöffnung und eine Bypasskanalauslassöffnung.
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Der Erfindung liegt zunächst die Erkenntnis zugrunde, dass die Sicherstellung des Anliegens eines aus einer Auslassöffnung austretenden Stroms des Mediums an der Seitenwand des Steckerteils zumindest über weite Massenstrombereiche schwierig bzw. unmöglich ist. Dementsprechend verfolgt die Erfindung die Idee, dass unter den genannten Bedingungen ein stationäres Strömungsverhalten vielmehr durch ein kontrolliertes Ablösen des aus der Auslassöffnung austretenden Stroms als durch den Versuch der Sicherstellung einer stets anliegenden Strömung zielführend ist. So soll ein definiertes Abreißen des aus der Auslassöffnung austretenden Stroms erreicht werden, beispielsweise durch ein konstruktiv bedingtes Führen und/oder Beschleunigen des aus der Auslassöffnung austretenden Stroms.
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Die erfindungsgemäß vorgesehenen Strömungsleitmittel sorgen über einen weiten Massenstrombereich für eine definierte Strömungstopologie im Bereich der Auslassöffnung und auch im Nachlauf der gesamten Steckerteil-Umströmung. Durch die definierte Ablösung des austretenden Stroms mit Hilfe der erfindungsgemäßen Strömungsleitmittel werden Druck- und Geschwindigkeits-Fluktuationen an der Auslassöffnung deutlich reduziert. Eine definierte und stationäre Überströmung des Sensorelements ist daher aufgrund fehlender nachteiliger Wechselwirkungen zwischen den verschiedenen Strömen und deutlich reduzierter Fluktuationen im Strom durch den zugeordneten Kanal sichergestellt. Aufgrund der erreichten Reduktion oder sogar der Verhinderung von Fluktuationen des Massenstroms durch den Kanal und der Verhinderung nachteiliger Wechselwirkungen, insbesondere zwischen dem aus der Seitenwand austretenden Strom und der das Steckerteil umgebenden Kernströmung, wird überdies auch die anströmseitig der Auslassöffnung stattfindende Überströmung des Steckerteils stabilisiert.
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Mit dem Begriff "Strömungsleitmittel" ist dabei generell jede technische Einrichtung, Ausgestaltung, Formgebung oder jeder Körper umfasst, welche bzw. welcher eine Ablösung des aus der Auslassöffnung austretenden Stroms von der Seitenwand begünstigt. Die Strömungsleitmittel können dabei einen oder mehrere Körper oder Vorrichtungen aufweisen. Insbesondere sei darauf verwiesen, dass ein einziger Körper bzw. eine einzige Vorrichtung ebenfalls von dem hier stets im Plural gebrauchten Begriff der "Strömungsleitmittel" umfasst ist.
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Vorteilhaft ist es, wenn die Strömungsleitmittel abströmseitig der Auslassöffnung angeordnet sind und/oder sich abströmseitig der Auslassöffnung erstrecken. Auf diese Weise kann der aus der Auslassöffnung in der Seitenwand austretende Strom des fluiden Mediums unmittelbar von den erfindungsgemäßen Strömungsleitmitteln abgelenkt bzw. in geeigneter Weise geleitet werden, um eine Ablösung des Stroms von der Seitenwand zu begünstigen.
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Gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel können alternativ oder zusätzlich die Strömungsleitmittel integral mit der Auslassöffnung ausgebildet sein, oder können die Strömungsleitmittel separat gefertigt und der Auslassöffnung nachträglich zugeordnet sein. Mit anderen Worten können die erfindungsgemäßen Strömungsleitmittel, insbesondere hinsichtlich einer raschen und einfachen Fertigung, unmittelbar bei der Herstellung integral mit der Auslassöffnung ausgebildet werden. Insbesondere kann dabei eine Auslassöffnung hergestellt werden, deren Randbereich in geeigneter Weise in die erfindungsgemäßen Strömungsleitmittel übergeht. Andererseits kann es vorteilhaft erscheinen, die erfindungsgemäß vorgesehenen Strömungsleitmittel separat zu fertigen und erst nachträglich dem Steckerteil, nämlich einer seitlichen Auslassöffnung, zuzuordnen. Auf diese Weise kann eine Umrüstbarkeit von Steckerteilen und eine nachträgliche Anpassbarkeit von Steckerteilen an verschiedene Einsatzfälle durch eine Austauschbarkeit von unterschiedlichen Strömungsleitmitteln realisiert werden.
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Hinsichtlich einer wirksamen Leitung des austretenden Stroms und einer effektiven Ablösung des Stroms von der Seitenwand ist eine Ausführungsform der Vorrichtung bevorzugt, in der die Strömungsleitmittel unmittelbar an den abströmseitigen Rand der Auslassöffnung angrenzen. So kann ein kleinstmöglicher Abstand zwischen der Auslassöffnung und den Strömungsleitmitteln erreicht werden. Bereiche mit schwer vorhersagbarem Strömungsverhalten zwischen der Auslassöffnung und den Strömungsleitmitteln können so verkleinert bzw. ganz vermieden werden.
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In diesem Zusammenhang erweist sich eine Weiterbildung als besonders vorteilhaft, in der der anströmseitige Rand der Strömungsleitmittel mit dem abströmseitigen Rand der Auslassöffnung korrespondiert, insbesondere wobei der anströmseitige Rand der Strömungsleitmittel den abströmseitigen Rand der Auslassöffnung einfasst. Mit anderen Worten kann eine Ausführungsform geschaffen werden, in der sich der anströmseitige Rand der Strömungsleitmittel unmittelbar an den abströmseitigen Rand der Auslassöffnung anschmiegt und den Rand der Auslassöffnung insoweit als Negativ wiedergibt.
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Besonders vorteilhaft ist eine Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung, in der die Strömungsleitmittel so geformt sind, dass diese sich bezogen auf die Seitenwand anströmseitig verjüngen und abströmseitig verdicken. Mit anderen Worten werden Strömungsleitmittel vorgeschlagen, welche den aus der Auslassöffnung austretenden Strom von der Seitenwand wegleiten, während dieser sich in der Hauptströmungsrichtung über die Seitenwand bewegt. Aufgrund der Hauptströmungsrichtung der ausgeprägten Kernströmung kann der aus der Auslassöffnung austretende Strom mit derart geformten Strömungsleitmitteln von der Seitenwand weggeleitet werden, wobei eine Führung und eine Beschleunigung des austretenden Teilstroms erreicht wird. Vorzugsweise kann dabei das anströmseitige Ende der Strömungsleitmittel eine möglichst geringe Dicke aufweisen und/oder einen möglichst geringen Abstand zum abströmseitigen Rand der Auslassöffnung einnehmen. Andererseits kann das abströmseitige Ende der Strömungsleitmittel eine maximale Dicke aufweisen. Beim Überstreichen des abströmseitigen Endes der Strömungsleitmittel durch einen in der beschriebenen Weise beschleunigten und geführten Teilstrom kann so – aufgrund der erzielten Beabstandung, Ausrichtung und Beschleunigung des Teilstroms – ein sicheres Ablösen des Teilstroms von der Seitenwand des Steckerteils erreicht werden.
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Als besonders vorteilhaft erweist sich eine Ausgestaltung, in der die Strömungsleitmittel eine Rampe oder einen Keil aufweisen. Insbesondere kann eine Rampe oder ein Keil bzw. ein rampen- oder ein keilförmiger Körper als Strömungsleitmittel mit anströmseitig ausgerichteter Kante auf der Seitenwand aufliegen und in vorbeschriebener Weise der Auslassöffnung zugeordnet sein, nämlich insbesondere an diese angrenzen. Als Rampe oder Keil werden dabei Körper verstanden, welche zwei zumindest annähernd ebene Flächen aufweisen, welche anströmseitig einen Rampen- bzw. Keilwinkel einschließen. Eine Grundfläche der Rampe oder des Keils liegt dabei auf der Seitenwand auf (oder ist mit dieser integral ausgebildet), während eine gegenüberliegende, der Seitenwand abgewandte Oberfläche mit einem definierten, oben beschriebenen Winkel gegen die Grundfläche geneigt ist und eine Leitung, Führung und/oder Beschleunigung des aus der Auslassöffnung austretenden Stroms bereitstellt.
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Innerhalb der Strömungsleitmittel kann der Winkel zwischen einer der Seitenwand zugewandten Grundfläche und einer gegenüberliegenden, der Seitenwand abgewandten Oberfläche jeden sinnvollen Wert annehmen, der zu einer Ablösung des aus der Auslassöffnung austretenden Stroms von der Seitenwand zu führen vermag. Im Hinblick auf eine besonders effektive Stromführung wird ein solcher Winkel, insbesondere ein Keil- oder Rampenwinkel, vorgeschlagen, welcher ca. 30° bis ca. 60°, und insbesondere ca. 40° beträgt. So hat sich insbesondere für einen das Steckerteil um- und durchströmenden Fluid-Massenstrom von 200 kg/h ein Öffnungswinkel der Strömungsleitmittel bzw. ein Keil- oder Rampenwinkel von 40° als vorteilhaft erwiesen, um den aus der Auslassöffnung austretenden Teilstrom aus dem Bereich des ansonsten (d.h. bei einem Nichtvorhandensein von Strömungsleitmitteln) entstehenden Gebiets mit sehr geringer Strömungsgeschwindigkeit herauszuleiten.
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Vorzugsweise weisen die Strömungsleitmittel an ihrem abströmseitigen Ende eine Abrisskante für die Strömung auf. Durch die Abrisskante wird sichergestellt, dass die Strömung definiert ablöst und sich nicht erneut an die Seitenwand oder andere abströmseitige Teile des Steckerteils anlegt. Vorzugsweise ist die Abrisskante der Strömungsleitmittel so geformt, dass eine in Hauptströmungsrichtung weisende Stirnfläche der Strömungsleitmittel orthogonal zur darunter liegenden Seitenwand orientiert ist.
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Weiter vorteilhaft ist eine Ausführungsform, in der die Strömungsleitmittel benachbart zu zumindest einer parallel zur Hauptströmungsrichtung orientierten Leitrippe angeordnet sind, und insbesondere wobei die Strömungsleitmittel zwischen zwei parallel zur Hauptströmungsrichtung orientierten Leitrippen angeordnet sind. Derart in der Hauptströmungsrichtung orientierte Leitrippen sind bereits aus der
DE 10 2008 042 807 A1 bekannt. Zwei voneinander beabstandete, parallel zur Hauptströmungsrichtung orientierte Leitrippen können dabei eine Art Leitkanal bilden. Solche Leitrippen bzw. Leitkanäle unterbinden insbesondere eine Querkomponente des die Seitenwand überstreichenden Medium-Stroms. Zusammen mit den erfindungsgemäßen Strömungsleitmitteln bewirkt die vorgeschlagene Leitrippe bzw. bewirken die vorgeschlagenen Leitrippen in besonders vorteilhafter Weise eine weitere Stabilisierung der von der Seitenwand abgelösten Strömung und verhindert bzw. verhindern wirkungsvoll ein erneutes Anlegen des Medium-Stroms an die Seitenwand.
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Sofern die Strömungsleitmittel zwischen zwei voneinander beabstandeten, parallel zur Hauptströmungsrichtung orientierten Leitrippen angeordnet sind, wird vorgeschlagen, dass diese bündig an den Leitrippen anliegen. Mit anderen Worten schließt gemäß dieser Ausführung jedes sich orthogonal zur Hauptströmungsrichtung erstreckende Ende der Strömungsleitmittel bündig mit einer Leitrippe ab. So kann das Entstehen von Verwirbelungen zwischen den Strömungsleitmitteln und den Leitrippen verhindert werden. Alternativ können Strömungsleitmittel zwischen zwei voneinander beabstandeten, parallel zur Hauptströmungsrichtung orientierten Leitrippen angeordnet werden, welche zumindest auf einer Seite nicht bündig mit der jeweiligen Leitrippe abschließen. Durch auf diese Weise definiert entstehende Randwirbel kann eine zusätzliche Stabilisierung der Strömung erreicht werden.
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Alternativ oder zusätzlich wird vorgeschlagen, dass die abströmseitige Höhe der Strömungsleitmittel, d.h. die Höhe einer Abrisskante, etwa die Hälfte der Höhe eines benachbarten Leitblechs beträgt. So kann nicht nur während der Ablösung des aus der Auslassöffnung austretenden Stroms von der Seitenwand und des Überströmens der Abrisskante der Strömungsleitmittel, sondern auch abströmseitig der Strömungsleitmittel eine vorteilhafte Wirkung der vorgeschlagenen Leitrippen entfaltet werden.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im Folgenden näher erläutert.
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Es zeigen:
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1 eine Draufsicht auf ein Steckerteil einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,
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2 eine perspektivische Darstellung der Rückseite des Steckerteils einer erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß 1 mit entfernter Seitenwandabdeckung zur Verdeutlichung der Stromführung,
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3 eine schematische Schnittdarstellung des Steckerteils im Bereich der Auslassöffnung des Mess- bzw. Bypasskanals mit angedeuteter Stromführung des austretenden Mediums,
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4 die schematische Schnittdarstellung einer weiteren Ausführungsform des Steckerteils einer erfindungsgemäßen Vorrichtung im Bereich der Auslassöffnung, wobei zusätzlich Leitrippen angeordnet sind,
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5 eine schematische Draufsicht auf den in 4 gezeigten Ausschnitt, und
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6 eine schematisch dargestellte Rückansicht des Ausschnittsbereichs gemäß 4 und 5.
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Ausführungsformen der Erfindung
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In
1 ist eine Vorrichtung
110 zur Bestimmung eines Parameters eines in einer Hauptströmungsrichtung
112 strömenden fluiden Mediums dargestellt. Bei der dargestellten Vorrichtung
110 handelt es sich beispielsweise um einen Heißfilmluftmassenmesser. Die Vorrichtung
110 umfasst ein sich in einer Längsrichtung
113 erstreckendes Steckerteil
114, welches in das strömende fluide Medium eingebracht werden kann. Dabei kann es sich beispielsweise um ein Strömungsrohr handeln. Eine allgemeine Darstellung eines in einen Ansaugtrakt eingebrachten Steckfühlers ist beispielsweise der
DE 10 2006 045 660 A1 entnehmbar.
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Das Steckerteil 114 weist eine Einlassöffnung 116 auf, welche in einer Anströmseite 118 des Steckerteils 114 vorgesehen ist und der Hauptströmungsrichtung 112 entgegenweist. Von dieser Einlassöffnung 116 aus erstrecken sich durch das Steckerteil 114 zwei in 1 nicht erkennbare Kanäle, welche jeweils in Auslassöffnungen 120, 122 münden.
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Dabei stellt die Öffnung 120 einen Bypasskanal-Auslass dar, welcher mit der Einlassöffnung 116 über einen Bypasskanal, nämlich einen Messkanal (in 1 nicht erkennbar) verbunden ist. In diesem Messkanal ist ein ebenfalls in 1 nicht erkennbarer Sensorchip angeordnet, welcher der Bestimmung des wenigstens einen Parameters, beispielsweise des Massenstroms einer Ansaugluftmasse, dient. Die Hauptkanal-Auslassöffnung 122 ist hingegen mit der Einlassöffnung 116 über einen Hauptkanal verbunden. Beide Auslassöffnungen 120, 122 sind in einer Seitenwand 124 des Steckerteils 114 angeordnet, welche die Anströmseite 118 mit einer Abströmseite 126 verbindet. Dabei sind in dem dargestellten Beispiel die Auslassöffnungen 120, 122 entlang der Längsrichtung 113 des Steckerteils 114 gesehen untereinander angeordnet.
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Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel entspricht der Bypasskanal dem Messkanal, und entspricht die Bypasskanal-Auslassöffnung 120 der Messkanal-Auslassöffnung 120. Die jeweiligen Begriffe werden hier synonym verwendet.
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Der Durchsatz durch die Kanäle, welche die Auslassöffnungen 120, 122 mit der Einlassöffnung 116 verbinden, wird im Wesentlichen durch die Druckverhältnisse an den Auslassöffnungen 120, 122 bestimmt. Dabei ist insbesondere die Umgebung der Bypasskanal-Auslassöffnung 120 durch hohe Strömungsgeschwindigkeiten und im Vergleich zum Staudruck im Bereich der Einlassöffnung 116 niedrige Drücke gekennzeichnet. Nachteilige Wechselwirkungen auf den im Vergleich zur Überströmung der Seitenwand 124 mit geringerer Geschwindigkeit aus den Auslassöffnungen 120, 122, und insbesondere aus der Bypasskanal-Auslassöffnung 120, austretenden Strom aufgrund der Um- und Nachlaufströmung des Steckerteils 114 können sich daher bis zu den Auslassöffnungen 120, 122 fortpflanzen und führen insbesondere zu einem instationären Ausströmen des Mediums aus der Bypasskanal-Auslassöffnung 120 und aufgrund der Unterschall-Strömungssituation und Weiterleitung von Strömungsschwankungen durch den Bypasskanal stromauf zu einem instationären Strömen im Bereich des Sensorchips.
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Zur Stabilisierung der Strömungsverhältnisse und zum Erhalt eines stationär ausgebildeten Strömungsregimes im Bypasskanal sind daher im vorliegenden Ausführungsbeispiel der Bypasskanal-Auslassöffnung 120 Strömungsleitmittel 128 zugeordnet, die eine zeitlich stabile Ablösung des aus der Auslassöffnung 120 austretenden Stroms des Mediums von der Seitenwand 124 begünstigen.
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Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung 110 sind lediglich der Bypasskanal-Auslassöffnung 120 solche Strömungsleitmittel 128 zugeordnet. Beim vorliegenden Ausführungsbeispiel ist es besonders wichtig, eine stationäre Durchströmung des Bypasskanals, nämlich hier gleichzeitig des Messkanals, zu erhalten, da sich weiter stromauf in diesem Messkanal der Sensorchip mit der Sensoranordnung befindet. Selbstverständlich liegt es ebenfalls im Rahmen der Erfindung, einer Hauptkanal-Auslassöffnung 122 entsprechende Strömungsleitmittel 128 zuzuordnen, sofern dies zweckdienlich erscheint. Des Weiteren liegt es ausdrücklich im Rahmen der Erfindung, bei einem Steckerteil 114 mit insgesamt lediglich einer Auslassöffnung 120, 122 innerhalb einer Seitenwand 124 dieser einzigen Auslassöffnung 120, 122 Strömungsleitmittel 128 zuzuordnen.
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In der Darstellung gemäß 1 sind die Strömungsleitmittel 128 lediglich in einer Draufsicht dargestellt, so dass deren Profilierung zur vorteilhaften Beeinflussung des aus der Auslassöffnung 120 austretenden Stroms hier nicht entnehmbar ist. Hier sind die Strömungsleitmittel 128 allerdings so geformt, dass diese sich bezogen auf die Seitenwand 124 anströmseitig verjüngen und abströmseitig verdicken. So wird der aus der Auslassöffnung 120 austretende Strom des Mediums, welcher die Strömungsleitmittel 128 in Hauptströmungsrichtung 112 überstreicht, von der Seitenwand 124 weggeleitet.
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Die Strömungsleitmittel 128 sind abströmseitig der Auslassöffnung 120 angeordnet und erstrecken sich ausgehend vom abströmseitigen Rand der Auslassöffnung 120 in Richtung der Hauptströmungsrichtung 112, d.h. in abströmseitiger Richtung.
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Gemäß vorliegendem Beispiel weisen die Strömungsleitmittel 128 obere und untere Seitenwände auf, welche parallel zur Hauptströmungsrichtung 112 orientiert sind. Es ist jedoch ebenfalls möglich, Strömungsleitmittel 128 vorzusehen, welche sich nicht nur bezogen auf die Seitenwand 124, sondern auch bezogen auf die Hauptströmungsrichtung 112 abströmseitig verdicken, so dass diese in einer Darstellung gemäß 1 eine fächerartige Form annehmen würden.
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Die hier gezeigten Strömungsleitmittel 128 sind separat vom Steckerteil 124 gefertigt und der Auslassöffnung 120 nachträglich zugeordnet. Es ist ebenfalls möglich, die Strömungsleitmittel 128 integral mit der Auslassöffnung 120, d.h. integral mit dem Steckerteil 114, auszubilden.
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In 1 ist ebenfalls zu erkennen, dass der anströmseitige Rand der Strömungsleitmittel 128 den abströmseitigen Rand der Auslassöffnung 120 einfasst. So kann eine unmittelbare Einflussnahme auf den aus der Auslassöffnung 120 austretenden Strom stattfinden.
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2 zeigt eine perspektivische Darstellung der Rückseite des Steckerteils einer erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß 1 mit entfernter Seitenwandabdeckung zur Verdeutlichung der Stromführung. Diese Darstellung zeigt den unteren Abschnitt der hinteren Seitenwand 224 eines Steckerteils 114 einer Vorrichtung 110 gemäß einer Ausführungsform nach 1, wobei die sonst vorhandene Abdeckung der Seitenwand 224 entfernt ist. Die Hauptströmungsrichtung 112 des Mediums ist in dieser Darstellung von rechts nach links orientiert. Stromlinien 130 verdeutlichen die Strömung des Mediums durch das Steckerteil 114. Die Einlassöffnung 116 des Steckerteils 114 mündet in einer Gabelung zwischen dem im Wesentlichen parallel zur Hauptströmungsrichtung 112 verlaufenden Hauptkanal 132 und dem nach oben verschwenkten Bypasskanal 134, der hier auch als Messkanal 134 bezeichnet werden kann. Dementsprechend ist der Mündungsbereich der Einlassöffnung 116 bzw. der Ursprung von Hauptkanal 132 und Bypasskanal 134 durch eine Stromumlenkung 135 gekennzeichnet.
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Aufgrund der Umlenkung des durch den Bypasskanal 134 fließenden Teilstroms verbleiben Verunreinigungen wie Schmutzpartikel oder Wasser im Hauptkanal 132, so dass durch den Bypasskanal 134 gereinigtes Medium geführt werden kann. Der durch den Bypasskanal 134 führende Medium-Strom wird nach Passieren eines optional vorhandenen Leitflügels 136 zur Strömungsstabilisierung über den Sensorchip 138 geleitet. Nach einer weiteren Umlenkung und einem Rückfluss entgegen der Hauptströmungsrichtung 112 verlässt der durch den Bypasskanal 134 fließende Teilstrom des Mediums das Steckerteil 114 durch die bereits beschriebene Bypasskanal-Auslassöffnung 120.
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Der durch den Hauptkanal 132 fließende Medium-Strom wird hingegen ohne größere Umlenkungen zu der in 1 dargestellten Seitenwand 124 geleitet und verlässt das Steckerteil 114 durch die ebenfalls bereits beschriebene Hauptkanal-Auslassöffnung 122.
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Aus 2 wird deutlich, dass der durch den Bypasskanal 134 fließende und aus der Bypasskanal-Auslassöffnung 120 austretende Teilstrom des Mediums einem beträchtlichen Druckverlust unterworfen ist, was sich durch eine deutliche Erniedrigung der Austrittsgeschwindigkeit bemerkbar macht. Schon aus diesem Grund soll die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Strömungsleitmittel 128 dafür sorgen, dass der sich einstellende Unterdruck auf der Saugseite (siehe 3) im Bereich der Bypasskanal-Auslassöffnung 120 als treibende Kraft der Bypasskanaldurchströmung möglichst stabil ist.
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Schließlich ist eine Schnittlinie 140 aufgetragen, welche Grundlage der Darstellung gemäß 3 ist.
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3 zeigt die schematische Darstellung einer entlang der Schnittlinie 140 gemäß 2 gesehenen Schnittansicht der erfindungsgemäßen Vorrichtung 110, umfassend das Steckerteil 114. Demnach befindet sich der Schnitt auf Höhe der Bypasskanal-Auslassöffnung 120. Der Bypasskanal 134 ist in dieser Ansicht an zwei unterschiedlichen Stellen geschnitten, nämlich einmal im Bereich der Anströmseite 118, unweit der Stromumlenkung 135 gemäß 2, welche hier nicht sichtbar ist, und andererseits im Bereich der Rückführung des Teilstroms zur Bypasskanal-Auslassöffnung 120 und der Bypasskanal-Auslassöffnung 120 selber.
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Zunächst ist in dieser Darstellung gut erkennbar, dass das Querschnittsprofil des Steckerteils 114 eine aerodynamische Formgebung, nämlich ein Flügelprofil, aufweist. Dementsprechend kann die Oberseite des Steckerteils 114 als Saugseite 142 und die Unterseite als Druckseite 144 bezeichnet werden. Die Saugseite 142 fällt dabei mit der Seitenwand 124 zusammen, während die Druckseite 144 mit der Seitenwand 224 zusammenfällt.
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Des Weiteren ist dieser Darstellung sehr gut entnehmbar, dass die Strömungsleitmittel 128 die Form eines Keils oder einer Rampe 146 aufweisen. Die Rampe 146 schließt unmittelbar an den abströmseitigen Rand der Auslassöffnung 120 an und verdickt sich – bezogen auf die Seitenwand 124 – abströmseitig. Dabei wird zwischen der der Seitenwand 124 zugewandten Grundfläche 148 der Strömungsleitmittel 128 und der gegenüberliegenden, der Seitenwand 124 abgewandten Oberfläche 150 der Strömungsleitmittel 128 ein definierter Winkel 152, insbesondere ein Rampenwinkel 154, beschrieben. Der Winkel 154 beträgt in 3 ca. 40°, was sich für einen Massenstrom von ca. 200 kg/h durch das Steckerteil 114 als vorteilhaft erwiesen hat. Selbstverständlich können sich je nach konstruktiver Auslegung und variierender Betriebsbedingungen (insbesondere hinsichtlich des Massenstroms) hiervon abweichende Winkel als vorteilhaft erweisen. Besonders bevorzugt für den Winkel 152 ist ein Wertebereich von ca. 30° bis ca. 60°.
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Die Rampe 146 endet abströmseitig mit einer Abrisskante 156, um einen definierten Strömungsabriss zu erhalten und ein Wiederanlegen der Strömung an die Seitenwand 124 zu verhindern. Diese besonders vorteilhafte Stromführung wird mit den Stromlinien 130 simuliert.
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Die abströmseitige Fläche der Rampe 146, welche sich hier zwischen der Abrisskante 156 und der Grundfläche 148 erstreckt, ist orthogonal zur Seitenwand 124 orientiert, was ein sicheres Abreißen der Strömung begünstigt.
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4 zeigt die schematische Schnittdarstellung einer weiteren Ausführungsform des Steckerteils 114 einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 110 im Bereich der Auslassöffnung 120, wobei zusätzlich Leitrippen 158 angeordnet sind. In dieser geschnittenen Seitenansicht ist gut zu erkennen, dass sich in Blickrichtung gesehen hinter der Rampe 146 eine Leitrippe 158 erstreckt. Insgesamt fassen bei diesem Ausführungsbeispiel zwei parallel zur Hauptströmungsrichtung 112 orientierte Leitrippen 158 die Auslassöffnung 120 sowie die Rampe 146 ein. Die vordere Leitrippe ist allerdings in dieser Darstellung nicht sichtbar. Die Leitrippen 158 sind besonders vorteilhaft, um Querströmungen, welche quer zur Hauptströmungsrichtung 112 verlaufen oder solche Geschwindigkeitsanteile enthalten, zu verhindern. Dies führt zu einer sicheren Ablösung des aus der Auslassöffnung 120 austretenden Stroms des Mediums von der Seitenwand 124 und verhindert insbesondere ein unerwünschtes Wiederanlegen der Strömung an die Seitenwand 124.
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5 zeigt eine Draufsicht auf den in 4 gezeigten Ausschnitt einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung 110. Dieser Darstellung ist gut entnehmbar, dass die beiden gemäß dieser Ausführungsform vorgesehenen Leitrippen 158 sich orthogonal zur Seitenwand 124 und parallel zur Hauptströmungsrichtung 112 erstrecken. In diesem Beispiel grenzen die Leitrippen 158 bündig an den Seitenrändern der Auslassöffnung 120 an. Des Weiteren sind die Strömungsleitmittel 128, nämlich die Rampe 146, ebenfalls bündig von den Leitrippen 158 eingefasst. Dadurch wird das Entstehen von Verwirbelungen zwischen den Strömungsleitmitteln 128 und den Leitrippen 158 verhindert.
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Andererseits kann es unter bestimmten Bedingungen vorteilhaft erscheinen, dass die Strömungsleitmittel 128 nicht bündig mit optionalen Leitrippen 158 abschließen. Aufgrund einer solchen Anordnung entstehende Randwirbel können dazu dienen, die von der Seitenwand 124 abgelöste Strömung zu stabilisieren und so ein unerwünschtes Wiederanlegen der Strömung an die Seitenwand 124 zu verhindern.
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Schließlich ist 5 entnehmbar, dass der anströmseitige Rand der Rampe 146 unmittelbar an den abströmseitigen Rand der Auslassöffnung 120 anschließt und diesem in der Formgebung nachgebildet ist, d.h. den abströmseitigen Rand der Auslassöffnung 120 einfasst. So ist eine besonders wirksame Beeinflussung des aus der Auslassöffnung 120 austretenden Stroms gewährleistet.
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6 zeigt schließlich eine in Hauptströmungsrichtung 112 gesehene, auf Höhe der Auslassöffnung 120 geschnittene Ansicht des Ausschnitts der Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung 110 gemäß 4 und 5.
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Diese Darstellung zeigt gut, dass die aus der Auslassöffnung 120 austretende Strömung unmittelbar auf die Strömungsleitmittel 128, nämlich hier die Oberfläche 150 der Rampe 146, trifft. Die Oberfläche 150 ist dabei unter einem Winkel 152, nämlich einem Rampenwinkel 154, gegenüber der Seitenwand 124 aufgestellt. Diese Winkel sind in den 3 und 4 aufgetragen.
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Nach dem Überströmen der Abrisskante 156 wird der Strom entlang der Hauptströmungsrichtung 112 weiter durch die Leitrippen 158 stabilisiert. Die Leitrippen 158 weisen in diesem Beispiel etwa die doppelte Höhe der Abrisskante 156 auf, wobei die Höhe auf die Seitenwand 124 bezogen ist. Aufgrund des aus 4 entnehmbaren geschwungenen Anfangsabschnitts der Leitrippen 158 sind diese in der Darstellung gemäß 6 nur teilweise geschnitten. Eine abweichende Formgebung der Leitrippen 158 ist dabei problemlos möglich.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10253970 A1 [0006, 0017]
- DE 102004022271 A1 [0007]
- DE 102006045660 A1 [0008, 0040]
- DE 102008042807 A1 [0009, 0029]
