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Die Erfindung bezieht sich auf die Verwendung einer Luftströmungserzeugungsvorrichtung, umfassend einen Aktuatorkörper mit einem Hohlraum, der von einer zu Schwingungen anregbaren Membran begrenzt ist und über wenigstens eine Öffnung strömungstechnisch mit den Aktuatorkörper umgebender Umgebungsluft in Verbindung steht.
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Die Erfindung bezieht sich weiter auf ein Kraftfahrzeug mit einer Mehrzahl derartiger Luftströmungserzeugungsvorrichtungen.
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Die Erfindung bezieht sich schließlich auf besondere Ausgestaltungen derartiger Luftströmungserzeugungsvorrichtungen.
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Luftströmungserzeugungsvorrichtungen der vorgenannten Art sind als sogenannte Synthetik-Jet-Vorrichtungen allgemein bekannt und werden üblicherweise als verschleißfreie und energetisch günstige Kühlvorrichtungen für elektronische Komponenten, wie z.B. Computerchips verwendet. Im Wesentlichen besteht eine Synthetik-Jet-Vorrichtung aus einem Hohlkörper, dessen Hohlraum von einer Membran begrenzt ist. Die Membran kann beispielsweise kapazitiv oder mittels piezoelektrischer Elemente in Schwingungen versetzt werden. Diese Schwingungen führen zu einer periodischen Vergrößerung und Verkleinerung des Hohlraums. Mit der Volumenänderung geht eine entsprechende Druckänderung einher, sodass ein periodisch seine Strömungsrichtung wechselnder Luftstrom durch eine in die Wandung des Hohlkörpers eingebrachte Öffnung entsteht. Dabei hat sich gezeigt, dass in der Ansaugphase Luft aus dem Halbraum oberhalb der Oberfläche des Hohlkörpers angesaugt wird, wohingegen in der Ausblasphase ein im Wesentlichen normal zur Hohlkörperwandung gerichteter Strömungsstrahl entsteht.
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Im Bereich der Kfz-Klimatechnik finden derartige Synthetik-Jet-Vorrichtungen als Steuerelemente für die Richtungsbeeinflussung eines ventilatorgetriebenen Luftstroms Anwendung. Die
EP 2 119 581 B1 offenbart eine derartige, insbesondere piezoelektrisch angetriebene Vorrichtung. Hier werden zwei Synthetik-Jet-Vorrichtungen beidseitig eines herkömmlichen Strömungskanals angeordnet, wobei ihre Öffnungen in das Kanalinnere münden. Die den Kanal durchströmende Luft wird in herkömmlicher Weise von einem Gebläse angetrieben. Die Synthetik-Jet-Vorrichtungen dienen der gezielten Erzeugung von Turbulenzen in der Luftströmung, die hierdurch eine einstellbare Ablenkung erfährt. Dadurch kann auf verstellbare Lamellen im Luftstrom zur Richtungsbeeinflussung verzichtet werden.
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Nachteilig bei dieser bekannten Verwendung ist, dass nach wie vor herkömmliche Strömungskanäle sowie herkömmliche Gebläse zur Strömungserzeugung verwendet werden müssen. Separate Strömungskanäle sind bauraumtechnisch ungünstig. Herkömmliche Gebläse zur Strömungserzeugung sind energetisch ungünstig, was insbesondere im Hinblick auf elektrisch angetriebene Fahrzeuge mit stark begrenztem Energievorrat von besonderer Bedeutung ist.
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Ein ähnlicher Ansatz wird in der
FR 2 896 758 A1 verfolgt, die ebenfalls eine gattungsgemäße, insbesondere elektrostatisch betriebene Synthetik-Jet-Vorrichtung zur Steuerung eines externen Luftstroms offenbart.
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine bauraumtechnisch und energetisch günstigere Klimatisierungsvorrichtung für ein Kraftfahrzeug zu schaffen.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch Verwendung der oben genannten Luftströmungserzeugungsvorrichtungen als auf anzuströmende Objekte im Innenraum eines Kraftfahrzeugs gerichtete oder richtbare und im Innenraum des Kraftfahrzeugs angeordnete Richtdüsen. Die Erfindung sieht somit vor, die grundsätzlich bekannten Synthetik-Jet-Vorrichtungen direkt als Richtdüse in einem Kraftfahrzeug und nicht etwa als Steuereinheit einer herkömmlichen Richtdüse einzusetzen. Dadurch kann auf Zuluftkanäle und Gebläse verzichtet werden. Die Synthetik-Jet-Vorrichtung saugt Luft aus dem Inneren des Kraftfahrzeugs an und bläst sie gepulst, gezielt in Richtung anzuströmender Körperteile des Fahrzeuginsassen, wie etwa Füße, Hände, Kopf, Nacken etc. Ein kühlender Effekt auf der Haut des Fahrzeuginsassen ergibt sich durch den konvektiven Wärmeabtransport, der durch die Luftströmung verursacht wird. Anders als bei herkömmlichen Richtdüsen, denen über Strömungskanäle Außenluft zugeführt wird, besteht kein Temperaturunterschied zwischen dem Strahl und der übrigen Innenluft im Kraftfahrzeug. Daher werden keine separaten Strömungskanäle benötigt und auf Grund des geringen Massentransportes und der günstigen Ansteuerbarkeit der Synthetik-Jet-Vorrichtungen ergeben sich wesentliche energetische Vorteile. Aus dem Wegfall der Notwendigkeit eines strömungstechnischen Anschlusses an Strömungskanäle ergibt sich auch eine erhebliche Flexibilität bei der Anordnung der erfindungsgemäßen Richtdüsen. Insbesondere können sie, wie bei einer bevorzugten Ausführungsform vorgesehen, in einem Ausstattungselement des Kraftfahrzeuginnenraums, wie etwa einer Nackenstütze, dem Armaturenbrett, der Wandung des Fußraums, einer Sonnenblende etc., integriert sein. Der geringe Bauraum und die flexible Ausrichtbarkeit und Positionierbarkeit erlaubt die Verwendung etlicher solcher Richtdüsen, sodass trotz des vergleichsweise geringen Massenstroms jedes einzelnen Moduls insgesamt ein erheblicher und vom Fahrzeuginsassen als sehr komfortabel empfundener Kühlungseffekt erzielt werden kann.
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Ein besonderer Aspekt der Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug mit einer Mehrzahl der vorgenannten Luftströmungserzeugungsvorrichtungen. Diese sind derart benachbart zueinander im Innenraum des Kraftfahrzeugs angeordnet, dass jede Luftströmungserzeugungsvorrichtung bei Betrieb einen auf eine benachbarte Luftströmungserzeugungsvorrichtung gerichteten Einzelluftstrom erzeugt und die Einzelluftströme gemeinsam einen zirkularen Gesamtluftstrom im Inneren des Kraftfahrzeugs erzeugen. Die Richtdüsen werden somit kaskadierend hintereinander geschaltet. Die exakte Positionierung und der Abstand zwischen den Richtdüsen sind vom Fachmann in Ansehung des Einzelfalls, insbesondere in Ansehung der individuellen Topografie des Fahrzeuginnenraums sowie der Leistungsstärke der einzelnen Richtdüsen anzupassen. Dabei ist es nicht zwingend erforderlich, dass der Abstand zwischen zwei benachbarten Düsen so klein bemessen ist, dass die einzelnen Strömungspulse einer Düse bis zur benachbarten Düse reichen. Bei synchronisiertem Betrieb der Düsen wird sich durch die Luftreibung auch bei größerem Abstand mit der Zeit ein stationärer, zirkularer Strom einstellen. Hierdurch wird eine effiziente und energetisch günstige Umwälzung der Luft im Fahrzeuginnenraum erreicht.
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Diese kann beispielsweise im Rahmen einer Standklimatisierung genutzt werden, sodass die Luft im beispielsweise in der Sonne abgestellten Fahrzeug ständig umgewälzt wird, was zu einer Vorkühlung führt, sodass das Einsteigen für den Fahrer komfortabler wird.
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Bei einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Luftströmungserzeugungsvorrichtungen energetisch mit einem an der Außenwandung des Kraftfahrzeugs, vorzugsweise auf dessen Dach angebrachten Photovoltaik-Modul gekoppelt sind. Mit anderen Worten wird eine solarbetriebene Standklimatisierung vorgeschlagen. Dies ist besonders günstig, da keine Energie aus der Batterie des Kraftfahrzeugs gezogen werden muss und der Standklimatisierungseffekt ohnehin nur an warmen, sonnigen Tagen besonders nachgefragt ist.
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Für alle vorgenannten Anwendungen sind grundsätzlich herkömmliche Synthetik-Jet-Vorrichtungen, wie sie dem Fachmann bekannt sind, einsetzbar. Nachfolgend sollen jedoch besonders vorteilhafte Ausführungsformen solcher Synthetik-Jet-Vorrichtungen erläutert werden, die sich zum Einsatz zu den vorgenannten Anwendungen besonders eignen, jedoch hier auch als Vorrichtung und anwendungsunabhängig unter Schutz gestellt werden sollen.
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So zeichnet sich eine erfindungsgemäße Weiterbildung einer gattungsgemäßen Luftströmungserzeugungsvorrichtung dadurch aus, dass der Aktuatorkörper eine Mehrzahl von Öffnungen aufweist, von denen mindestens einer, die als Auslassöffnung dient, ein in Durchlassorientierung ausgerichtetes Richtungsventil, insbesondere ein Tesla-Ventil in Ausblasrichtung nachgeschaltet ist. Tesla-Ventile sind dem Fachmann grundsätzlich bekannt. Es handelt sich dabei um einen Hauptkanal mit einem oder mehreren Seitenkanälen, die vom Hauptkanal, in Strömungsrichtung gesehen, nach schräg hinten abzweigen, ihre Richtung umkehren und schräg in Strömungsrichtung wieder in den Hautkanal einmünden. Luft, die den Hauptkanal in Strömungsrichtung durchströmt bleibt von diesen Zweigkanälen weitgehend unbeeinflusst. Bei einer Luftströmung entgegen der vorgesehenen Strömungsrichtung jedoch tritt Luft in die Zweigkanäle ein, wird umgelenkt und entgegen der unerwünschten Strömungsrichtung wieder in den Hauptkanal eingeleitet, sodass die Strömung aus den Zweigkanälen, die Strömung in unerwünschter Strömungsrichtung blockiert. Ein solches Tesla-Ventil stellt somit ein Richtungsventil dar, welches nur eine Luftströmung in der erwünschten Strömungsrichtung zulässt, Strömung in Gegenrichtung jedoch unterbindet.
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Wird ein solches Tesla-Ventil oder allgemeiner ein Richtungsventil mit nach außen gerichteter Strömungsrichtung an die Öffnung einer herkömmlichen Synthetik-Jet-Vorrichtung montiert, entsteht eine reine Auslassöffnung. Ein Ansaugen von Luft, wie bei herkömmlichen Synthetik-Jet-Vorrichtungen durch dieselbe Öffnung wird unterbunden. Daher ist es erforderlich, wenigstens eine weitere Ansaugöffnung vorzusehen. Hierdurch wird eine räumliche Trennung des Ansaugens und Ausblasens erzielt. Durch den Anschluss von geeigneten Luftleitkanälen kann diese räumliche Trennung weiter verstärkt werden, sodass z.B. Frischluft von außerhalb des Fahrzeugs angesaugt und im Fahrzeuginneren ausgeblasen werden kann. Hierdurch kann eine Entfeuchtung der Innenraumluft vorgenommen werden. Die Synthetik-Jet-Vorrichtung dient dabei im Wesentlichen als Pumpstation.
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Bei einer Weiterbildung dieser Ausführungsform ist vorgesehen, dass wenigstens einer der Mehrzahl von Öffnungen, die als Einlassöffnung dient, ein in Durchlassorientierung ausgerichtetes Richtungsventil, insbesondere ein Tesla-Ventil in Ansaugrichtung vorgeschaltet ist. Das oben erläuterte Prinzip wird somit in umgekehrter Richtung auch für die Ansaugung eingesetzt, sodass sichergestellt ist, dass während der Ausblasphase sämtliche Luft durch die Auslassöffnung strömt und keine Verluste durch Ausströmung durch die Einlassöffnungen entstehen.
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Als besonders günstig hat sich eine Ausgestaltung erwiesen, bei der die mindestens eine Auslassöffnung normal und zentriert zu der Membran angeordnet ist und als ein die Wandung des Aktuatorkörpers durchsetzender Ausblaskanal ausgebildet ist und die wenigstens eine Einlassöffnung als ein parallel zu der Membran im Abschlussdeckel geführter Ansaugkanal ausgebildet ist, der in einer gemeinsamen Mündung mit dem Ausblaskanal in den Hohlraum des Aktuatorkörpers mündet. Auslassort und Einlassort sind somit räumlich getrennt. Andererseits erfolgt der Lufteinlass in den Hohlkörper an einer besonders günstigen Stelle, nämlich zentral zu der Membran und normal zu dieser ausgerichtet. Hierdurch werden Turbulenzen im Hohlraum des Aktuators, d. h. im Aktuator-Innenraum, weitestgehend vermieden, sodass hier keine Energie verlorengeht, die ansonsten dem erzeugten Strömungsstrahl nicht zur Verfügung stünde.
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Um auch einen Heiz- und/oder einen zusätzlichen Kühleffekt erzielen zu können, ist bei einer Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, dass in dem Hohlraum und/oder wenigstens einem mit ihm verbundenen Luftleitkanal ein elektrisch ansteuerbares Kühl- und/oder Heizelement angeordnet ist. Dieses ist besonders bevorzugt als Peltier-Element ausgebildet. Auf diese Weise kann die von der Synthetic-Jet-Vorrichtung gepumpte Luft beliebig temperiert werden.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden, speziellen Beschreibung und den Zeichnungen.
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Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung eines Synthetik-Jet-Moduls nach dem Stand der Technik
- 2: eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Verwendung von Synthetik-Jet-Modulen in einem Kraftfahrzeug,
- 3 eine schematische Darstellung eines Kraftfahrzeugs mit einer Mehrzahl Synthetik-Jet-Modulen zur Erzeugung einer zirkularen Innenluftumwälzung.
- 4 eine Prinzipskizze zur Wirkungsweise eines Tesla-Ventils,
- 5 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Synthetik-Jet-Moduls,
- 6 eine schematische Darstellung einer Weiterbildung des Synthetik-Jet-Moduls von 5.
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines Synthetik-Jet-Moduls 10, wie es im Stand der Technik grundsätzlich bekannt ist. Das Modul 10 umfasst einen Hohlkörper 12, dessen hohler Innenraum, d. h. sein Hohlraum 14, von einer Membran 16 begrenzt ist. Die Membran 16 ist mittels nicht im Detail dargestellter Erreger 18, die beispielsweise als piezoelektrische oder kapazitive Aktuatoren ausgebildet sein können, in Schwingungen versetzbar, wie durch den Schwingungspfeil 20 angedeutet. Die Schwingungen der Membran 16 führen zu einer periodischen Vergrößerung und Verkleinerung des Volumens des Hohlraums 14. Hiermit gehen Druckänderungen einher, die zu einem periodischen Ansaugen und Ausblasen von Luft durch die Öffnung 22 in der Wandung des Aktuatorkörpers 12, insbesondere in dessen Abschlussdeckel 24 führt. Während des Ansaugvorgangs wird im Wesentlichen Luft aus dem Raum oberhalb des Abschlussdeckels 24 angesaugt, wie durch die Ansaugpfeile 26 angedeutet. Während der Ausblasphase wird die Luft hingegen senkrecht aus der Öffnung 22 ausgeblasen, sodass ein scharfer Strahl entsteht, wie durch den Ausblaspfeil 28 angedeutet.
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2 zeigt schematisch eine Verwendung mehrerer solcher Synthetik-Jet-Module im Inneren eines Kraftfahrzeugs Die hier als einfache Quader dargestellten Module 10 erzeugen gerichtete, durch die Ausblaspfeile 28 angedeutete Luftströmungen, die in den gezeigten Ausführungsbeispielen auf Füße, Hände und Gesicht eines Fahrzeuginsassen eines Kraftfahrzeugs gerichtet sind. Selbstverständlich können die Module 10 auch an anderen oder zusätzlichen Stellen angeordnet sein, beispielsweise integriert in Sitz oder Nackenstütze.
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3 zeigt eine schematische Darstellung eines Kraftfahrzeugs, in dem symbolisch vier Synthetik-Jet-Module angeordnet und so zueinander ausgerichtet sind, dass sich aus der Summe der durch Ausblaspfeile 28 und Ansaugpfeile 26 angedeuteten Einzelströmungen ein durch die Umluftpfeile 30 angedeuteter zirkularer Gesamtstrom ergibt, der eine Umwälzung der gesamten Luft im Fahrzeuginnenraum bewirkt.
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4 zeigt schematisch die grundsätzliche Wirkung eines Tesla-Ventils 32 mit einem Hauptkanal 34 und zwei Seiten- oder Zweigkanälen 36. Die schräg vom Hauptkanal 34 abzweigenden Zweigkanäle 36 beschreiben eine Schleife, sodass ihre Mündungsbereiche zum Hauptkanal 34 im Wesentlichen parallel zueinander stehen. Dies bewirkt, dass Luft, die in Richtung der durch die „verbotenen“ Strömungsrichtungspfeile 38 symbolisierten Richtung durch den Hauptkanal 34 zu strömen versucht, teilweise in die Zweigkanäle 36 abgelenkt und dem Hauptkanal entgegen der „verbotenen“ Strömungsrichtung wieder zugeführt wird, sodass sich insgesamt eine Strömungsblockade ergibt. Das Tesla-Ventil 32 ist somit für die „verbotene“ Strömungsrichtung undurchlässig. In entgegengesetzter Richtung wird ein Luftstrom jedoch nicht behindert.
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5 zeigt eine besonders vorteilhafte Ausführungsform eines Synthetik-Jet-Moduls 10, bzgl. dessen zuvor bereits in Verbindung mit 1 erläuterter Elemente auf das dort gesagte verwiesen wird. Der Öffnung 22 ist in der durch den Ausblaspfeil 28 angedeuteten Ausblasrichtung ein Tesla-Ventil gem. 4 nachgeschaltet. Allerdings wird es dadurch zwingend erforderlich, wenigstens eine weitere Öffnung als Einlassöffnung vorzusehen. Im vorliegenden Fall sind Einlassöffnungen 23 räumlich getrennt angeordnet und über Ansaugkanäle 40, die im Abschlussdeckel 24 eingelassen sind, mit dem Hohlraum 14 verbunden. Durch die Ansaugkanäle 40 kann Luft in der durch den Ansaugpfeil 26 angedeuteten Ansaugrichtung einströmen. In den Innenwandungen der Ansaugkanäle 40 sind Peltier-Elemente 25 eingelassen, mit denen sich der angesaugte Luftstrom bedarfsgemäß kühlen oder anwärmen lässt. Alternativ oder zusätzlich könnte auch die Innenwandung des Hohlraums 14 mit Kühl-/Heizelemententen ausgestattet sein. Bei der dargestellten Ausführungsform münden sowohl der Hauptkanal 34 des Tesla-Ventils 32 als auch die Ansaugkanäle 40 gemeinsam in den Hohlraum 14. Durch die räumliche und funktionale Trennung von Saugen und Ausblasen lässt sich gezielt Luft aus einer vorgegebenen Quelle zu einem vorgegebenen Ziel pumpen, was z.B. eine Frischluftzufuhr ermöglicht.
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6 stellt eine Weiterbildung der Ausführungsform von 5 dar, wobei auf spezielle Ansaugkanäle 40 verzichtet wurde. Die Ansaugöffnung 23 ist bei der Ausführungsform von 6 mit einem weiteren Tesla-Ventil 32 versehen, welches jedoch im Gegensatz zu dem Tesla-Ventil 32 hinter der Auslassöffnung 22 umgekehrt orientiert ist, d.h. bei dem seine Durchlassrichtung und die Ansaugrichtung des Synthetik-Jet-Moduls 10 übereinstimmen. Zur Vermeidung von Wiederholungen wird bzgl. der übrigen Elemente, die die gleichen Bezugszeichen tragen wie in 5, auf das dort gesagte verwiesen.
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Natürlich stellen die in der speziellen Beschreibung diskutierten und in den Figuren gezeigten Ausführungsformen nur illustrative Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung dar. Dem Fachmann ist im Lichte der hiesigen Offenbarung ein breites Spektrum an Variationsmöglichkeiten an die Hand gegeben. Insbesondere hat der Fachmann die Größe, Leistung und Anordnung der erfindungsgemäßen Synthetik-Jet-Module stets an die Vorgaben des konkreten Einzelfalls, insbesondere an die Topgrafie im Fahrzeuginnenraum anzupassen.
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Selbstverständlich ist es auch möglich, die erfindungsgemäßen Richtdüsen nicht zur Kühlung von Körperteilen von Fahrzeuginsassen, sondern z.B. auch als Beschlagschutz auf Scheiben des Fahrzeugs o.ä. zu richten. Weiter ist es möglich, anstelle der hier als bevorzugt beschriebenen Tesla-Ventile andere Ventilarten, wie z.B. Klappenventile zu verwenden.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Luftströmungserzeugungsvorrichtung / Synthetik-Jet-Modul
- 12
- Aktuatorkörper, Hohlkörper
- 14
- Hohlraum von 12
- 16
- Membran
- 18
- Erreger
- 20
- Schwingungspfeil
- 22
- Öffnung / Auslassöffnung
- 23
- Öffnung / Einlassöffnung
- 24
- Abschlussdeckel
- 25
- Peltier-Elemente
- 26
- Ansaugpfeil
- 28
- Ausblaspfeil
- 30
- Umluftpfeil
- 32
- Richtungsventil / Tesla-Ventil
- 34
- Hauptkanal von 32
- 36
- Zweigkanal von 32
- 38
- „verbotener“ Strömungspfeil
- 40
- Ansaugkanal
