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Die Erfindung betrifft eine Strömungsmaschine in der Funktionsweise eines Abscheiders zum Abscheiden von Flüssigkeitströpfchen aus einem Aerosol, insbesondere eines Ölabscheiders für die Kurbelgehäuseentlüftung eines Hubkolben-Verbrennungsmotors, mit einem in einem stationären Gehäuse angeordneten, um eine Rotorachse drehantreibbaren Rotor, der einen Satz von mit der Rotorachse konzentrischen, parallel zueinander angeordneten Scheiben aufweiset, welche in Richtung der Rotorachse in Abständen voneinander angeordnet sind, mit einem Gasströmungspfad zwischen einem Rohgaseinlass für ein abzuscheidende Flüssigkeitströpfchen mitführendes Gas und einem Reingasauslass für das von den Flüssigkeitströpfchen mindestens weitgehend befreite Gas, mit einem Flüssigkeitsauslass für die abgeschiedene Flüssigkeit sowie mit einem Ringraum zwischen dem Umfang des Rotors und einer diesen umschließenden Umfangswand des Gehäuses, wobei der Flüssigkeitsauslass in den Ringraum mündet und Letzterer mit dem Reingasauslass verbunden ist und einander benachbarte Scheiben zwischen sich jeweils einen mit der Rotorachse konzentrischen, vom Gas zu durchströmenden Spalt bilden, dessen radial innerer Bereich mit dem Rohgaseinlass kommuniziert und dessen radial äußerer Bereich direkt mit dem Ringraum verbunden ist.
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Derartige Abscheider für die Reinigung sogenannter Blow-by-Gase, welche aus dem Kurbelgehäuse eines Hubkolben-Verbrennungsmotors abgeführt und nach der Reinigung in den Ansaugtrakt des Motors eingeleitet werden, sind in Form sogenannter Tellerseparatoren bekannt; bei diesen Tellerseparatoren haben die Scheiben die Gestalt kegelstumpfförmiger Teller, welche in Richtung der Rotorachse so aufeinanderfolgen, dass jeweils die konkave Seite eines Tellers der konvexen Seite des benachbarten Tellers zugewandt ist. Solche Tellerseparatoren ergeben sich beispielsweise aus der
EP 1 273 335 B1 bzw. der dieser entsprechenden
US 6,821,319 B1 , und zwar auch mit einer solchen Betriebsweise, dass die Zwischenräume bzw. Spalte zwischen den Tellern von dem zu reinigenden Gas in radialer Richtung von innen nach außen durchströmt werden. Bei einem solchen als Tellerseparator gestalteten Zentrifugalabscheider wird das die Zwischenräume zwischen den Tellern durchströmende Gas durch die rotierenden Teller beschleunigt, wodurch die vom Gas mitgeführten Flüssigkeitströpfchen infolge der auf sie einwirkenden Zentrifugalkräfte auch in radialer Richtung beschleunigt werden und dadurch mehrheitlich auf die konkaven Seiten der kegelstumpfförmigen Teller auftreffen; das dadurch an den Tellern abgeschiedene Öl wird von den rotierenden Tellern am Außenumfang des Rotors abgeschleudert und gelangt in den Ringraum zwischen dem Rotor und der diesen umschließenden Gehäuseumfangswand und sodann in den in diesen Ringraum mündenden Flüssigkeitsauslass.
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Nur der Vollständigkeit halber sei noch erwähnt, dass ein solcher Tellerseparator auch als Gebläse bzw. Gaspumpe wirken kann, wobei die Förderwirkung von der Rotordrehzahl abhängt.
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Die in jüngster Zeit erfolgte Steigerung des Wirkungsgrads von Hubkolben-Verbrennungsmotoren durch das sogenannte Downsizing sowie durch Direkteinspritzung des Brennstoffs und das Aufladen der Motoren führt zu höheren Gasdrücken in den Brennräumen (Zylindern); mit diesen steigenden Gasdrücken geht aber eine Verkleinerung der von den Blow-by-Gasen mitgeführten Öltröpfchen einher, welche infolge ihrer dann geringeren Masse durch die bekannten Trägheits- und Zentrifugalabscheider deutlich schlechter aus den Blow-by-Gasen abgeschieden werden können. Ein nennenswerter Öleintrag in den Ansaugtrakt des Motors muss aber vermieden werden, und zwar nicht nur deshalb, weil sonst der Motor auf diesem Weg im Betrieb vermehrt Motoröl verbraucht, sondern weil dadurch die Abgasemissionen erhöht werden, Ablagerungen am Turbolader und einem von diesem bedingten Ladeluftkühler sowie an den Einlassventilen des Motors gebildet werden und sich, bedingt durch die sich ändernden Verbrennungseigenschaften die Funktion des im Abgasstrang des Motors befindlichen Partikelfilters verschlechtert.
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Sehr kleine Öltröpfchen mit einer Tröpfchengröße von insbesondere weniger als 0,5 µm lassen sich aber durch die bekannten Tellerseparatoren entweder nur ungenügend oder, wenn überhaupt, nur mit einem sehr hohen Energieaufwand für den Antrieb des Rotors mit sehr hohen Drehzahlen abscheiden. Außerdem ist dann eine Optimierung der Abscheideleistung des Tellerseparators durch Regelung/Steuerung der Rotordrehzahl in Abhängigkeit vom jeweiligen Betriebszustand des Motors zwingend erforderlich.
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Der Erfindung lag deshalb die Aufgabe zugrunde, einen Abscheider der eingangs erwähnten Art zu schaffen, welcher auch für feine und feinste Flüssigkeitströpfchen eine bessere Abscheideeffizienz als die bekannten Tellerseparatoren aufweist, ohne dass hierzu die Drehzahl des Rotors bzw. der Scheiben erhöht werden muss.
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Erfindungsgemäß wird zur Lösung dieser Aufgabe vorgeschlagen, bei einem Abscheider der eingangs definierten Art den Rotor als Reibungsgebläse bzw. -pumpe in Form eines Scheibengebläses (auch Scheibenpumpe genannt) zu gestalten, u.z. derart, dass in mindestens einem der von jeweils zwei einander benachbarten Scheiben gebildeten Spalte, insbesondere in der Mehrzahl der Spalte und vorzugsweise in jedem Spalt mindestens eine Abscheidevorrichtung vorgesehen ist, durch welche die Gasströmung in bezüglich der Rotorachse axialer und/oder Umfangsrichtung mindestens einmal scharf umgelenkt wird.
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Insbesondere zeichnet sich ein erfindungsgemäßer Abscheider der eingangs definierten Art dadurch aus, dass die Abscheidevorrichtung mindestens zwei von mindestens einer Scheibe (abstandslos oder unter Einschluss eines schmalen, gegebenenfalls unterbrochenen Spalts) in Richtung der Rotorachse abstehende Prallwände für die Gasströmung aufweist, welche die Rotorachse umschließen und in bezüglich der Rotorachse radialer Richtung voneinander beabstandet sind, wobei im Spalt jede Prallwand längs ihres Umfangs mindestens eine Gasdurchlassöffnung bildet, der in bezüglich der Rotorachse radialer Richtung ein geschlossener Bereich einer anderen Prallwand gegenüberliegt.
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Zu der vorstehenden Definition des erfindungsgemäßen Abscheiders ist Folgendes zu bemerken: Bei einem in einem Fahrzeug eingesetzten erfindungsgemäßen Abscheider ist das Gehäuse natürlich nicht stationär im engeren Sinne, sondern nur bezüglich des drehantreibbaren Rotors. Eine Gasdurchlassöffnung muss nicht innerhalb einer Prallwand liegen, sondern kann sich auch am Rand der Prallwand befinden dergestalt, dass die Gasdurchlassöffnung von der Prallwand zusammen mit einer Scheibe gebildet wird. Eine Prallwand muss die Rotorachse in Umfangsrichtung nicht lückenlos umschließen, sondern kann zur Bildung einer Gasdurchlassöffnung in Umfangsrichtung unterbrochen sein. Eine Prallwand kann von einer Scheibe ausgehen und, insbesondere zur Bildung einer Gasdurchlassöffnung, in axialer Richtung, d.h. in Richtung der Rotorachse im Abstand von der anderen Scheibe enden, sie kann sich aber auch von Scheibe zu Scheibe erstrecken. Im Allgemeinen werden die Prallwände senkrecht zur Scheibe bzw. den Scheiben bzw. einer Scheibenmittelebene orientiert sein, sie könnten mit dem Lot auf die betreffende Scheibenmittelebene aber auch einen kleinen spitzen Winkel einschließen. Vorzugsweise wird eine Gasdurchlassöffnung so gestaltet, dass aufgrund ihrer freien Querschnittsfläche die Gasströmung beschleunigt wird, so dass sie mit erhöhter Geschwindigkeit auf die in radialer Richtung nächste Prallwand auftrifft.
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Durch eine scharfe axiale Umlenkung (d.h. eine Umlenkung in Richtung der Rotorachse) oder in Umfangsrichtung der Rotorachse an einer Prallwand wird die Effizienz der Abscheidung der Flüssigkeitströpfchen deutlich erhöht, vor allem dann, wenn durch eine mit einer stromaufwärts liegenden Prallwand gebildete Gasdurchlassöffnung die radiale Komponente der Gasströmungsgeschwindigkeit erhöht wurde. Außerdem kommt es durch jede Umlenkung der Gasströmung zu einer Erhöhung der Konzentration, aber auch zu einer Umverteilung der mit der Gasströmung transportierten Flüssigkeitströpfchen, wodurch auch sehr feine Tröpfchen in wandnahe Bereiche der Prallwand bzw. Prallwände gelangen und an der Prallwand bzw. den Prallwänden abgeschieden werden.
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Durch eine Umlenkung der in radialen Richtungen verlaufende Hauptströmungskomponenten aufweisenden Gasströmung in Umfangsrichtung der Rotorachse kann der Volumenstrom des zu reinigenden Gases in Teilvolumenströme aufgeteilt werden, welche zwischen der für die Aufteilung verantwortlichen Prallwand und der radial nach außen benachbarten Prallwand mit hoher Relativgeschwindigkeit aufeinander treffen, so dass die von den Teilvolumenströmen mitgeführten Flüssigkeitströpfchen aufeinanderprallen und zu größeren Tropfen koaleszieren, an denen sich auch feine und feinste Flüssigkeitströpfchen abscheiden, so dass ein Effekt ähnlich demjenigen einer Auswaschung von Teilchen aus einem Gas auftritt, zusätzlich zu dem Vorteil, dass die durch Koaleszenz entstandenen größeren Tropfen an einer stromabwärts folgenden Prallwand und/oder dem den Rotor umgebenden Gehäusebereich effizient abgeschieden werden.
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Schließlich sei noch darauf hingewiesen, dass sich bevorzugte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Abscheider erfindungsgemäß in bestimmten Bereichen der Größe des den Abscheider pro Zeiteinheit durchströmenden Gasvolumens selbstregelnd, nämlich trotz sich zeitlich ändernden Volumenstroms mit konstanter Drehzahl betreiben lassen, wegen seiner Gasförderwirkung kann der erfindungsgemäße Abscheider auch zur Regelung des im Kurbelgehäuse herrschenden Drucks verwendet werden, wozu die Rotordrehzahl in Abhängigkeit von dem im Kurbelgehäuse herrschenden Druck variiert, d.h. gesteuert wird. In diesem Zusammenhang ist auf Folgendes hinzuweisen:
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Für eine Kurbelgehäuse-Entlüftung ist der Druck in der Kurbelgehäuse-Entlüftungsleitung hinter dem Abscheider durch den Gasdruck im Ansaugtrakt des Motors vorgegeben. Erhöht sich im Motorbetrieb die pro Zeiteinheit anfallende Menge an Blow-by-Gas, führt dies zunächst zu einem Anstieg des Gasdrucks im Kurbelgehäuse. Da der Gasdruck in der Kurbelgehäuse-Entlüftungsleitung hinter dem auch als Gebläse wirkenden Abscheider höher ist als im Kurbelgehäuse, führt dies zu einer Verringerung der Differenz des Gasdrucks vor und hinter dem Abscheider und damit gemäß der Gebläsekennlinie zu einer Erhöhung der Gasförderleistung. Somit passt sich der als Gebläse wirkende erfindungsgemäße Abscheider an eine Erhöhung der vom Motor erzeugten Menge an Blow-by-Gas an, was im Motorbetrieb zu einer Art Regelverhalten des Abscheiders führt, da sich das Gebläse kontinuierlich an sich verändernde Betriebszustände des Motors anpasst und Spitzen des Gasdrucks des Blow-by-Gases durch eine Erhöhung des geförderten Gasvolumenstroms abbaut.
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Eine in einem Spalt vorgesehene erfindungsgemäße Abscheidevorrichtung, mit welcher die Gasströmung in axialer Richtung (d.h. in Richtung der Rotorachse) umgelenkt werden soll, wird bevorzugt so ausgebildet, dass eine erste Prallwand von einer ersten Scheibe absteht und zumindest mit Umfangsabschnitten in einem Abstand A von der der ersten Scheibe zugekehrten Seite einer zweiten Scheibe endet und so zusammen mit der zweiten Scheibe mindestens eine erste Gasdurchlassöffnung bildet, und dass eine zweite Prallwand von der zweiten Scheibe absteht und zumindest mit Umfangsabschnitten in einem Abstand B von der der zweiten Scheibe zugekehrten Seite der ersten Scheibe endet und so zusammen mit der ersten Scheibe mindestens eine zweite Gasdurchlassöffnung bildet, wobei, von der Rotorachse aus in radialer Richtung gesehen, sich die ersten und zweiten Gasdurchlassöffnungen in Richtung der Rotorachse nicht überlappen (bei den Abständen A und B handelt es sich um Abstände in Richtung der Rotorachse). In einem die Rotorachse enthaltenden Schnitt durch den Abscheider bilden die Scheiben, Prallwände und Gasdurchlassöffnungen dann ein Labyrinth für die vom radial inneren zum radial äußeren Spaltbereich verlaufende Gasströmung, wobei die beiden Prallwände noch mit einer weiteren Prallwand oder mehreren weiteren Prallwänden kombiniert werden können, um so die Anzahl der scharfen axialen Umlenkungen und gegebenenfalls die Anzahl derjenigen Stellen, an denen die Gasströmung beschleunigt wird, zu erhöhen. Ergänzend sei noch bemerkt, dass der Bereich einer Scheibe, welcher einem eine Gasdurchlassöffnung begrenzenden axialen Ende einer Prallwand gegenüberliegt, nicht eben sein muss, sondern seinerseits gleichfalls einen insbesondere steg- oder rippenartigen Vorsprung haben kann.
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Bei bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Abscheiders haben die einander zugekehrten Seiten der Scheiben außerhalb der Prallwände einen Abstand C, gegebenenfalls einen mittleren Abstand C, voneinander, welcher um ein Mehrfaches größer ist als jeder der Abstände A und B; der gesamte Strömungswiderstand eines zwischen zwei Scheiben liegenden Spalts und damit der durch Letzteren hervorgerufene Druckverlust ist dann nicht allzu groß, während die Gasströmungsgeschwindigkeit durch jede der Gasdurchlassöffnungen vor der stromabwärts nächsten Prallfläche vergrößert werden kann. Wenn vorstehend davon die Rede ist, dass der Abstand C um ein Mehrfaches größer ist als der Abstand A bzw. B, so ist hierunter nicht nur ein ganzzahliges Mehrfaches der Größe des Abstands A bzw. B zu verstehen. Der vorstehend erwähnte mittlere Abstand C gilt für den Fall, dass die einander zugekehrten Seiten der beiden einen Spalt begrenzenden Scheiben über die radiale Breite des Spalts keinen konstanten Abstand voneinander haben, wie dies bei Scheiben mit planparallelen, senkrecht zur Rotorachse orientierten Seiten der Fall ist, sondern der Abstand in radialer Richtung variiert, insbesondere in radialer Richtung nach außen größer wird.
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Für die Ausbildung von hinsichtlich der Abscheideeffizienz vorteilhaften Strömungsverhältnissen im Spalt bzw. in den Spalten ist es günstig, wenn der radiale Abstand D der Prallwände voneinander größer als jeder der Abstände A und B ist, wobei Ausführungsformen bevorzugt werden, bei denen der Abstand D um ein Mehrfaches größer ist als jeder der Abstände A und B. Andererseits ist es günstig, wenn der Abstand D kleiner als der Abstand C ist.
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Für besonders vorteilhafte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Abscheiders werden für die Abstände A, B, C und D einzeln, in Kombination oder in einer Unterkombination die folgenden Bereiche empfohlen:
- A 0,4 bis 1 mm
- B 0,4 bis 1 mm
- C 3 bis 6 mm
- D 1 bis 3 mm.
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Bei einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Abscheiders ist mindestens eine der Prallwände an mehreren, längs ihres Umfangs im Abstand voneinander angeordneten Stellen zur Bildung von Gasdurchlassöffnungen unterbrochen – bei dieser Ausführungsform könnten also an die Stelle einer Prallwand mehrere Prallwandsegmente treten, welche in Umfangsrichtung der Rotorachse in Abständen voneinander angeordnet sind. Wenn dann den Unterbrechungen der Prallwand öffnungs- und unterbrechungslose Bereiche der radial nach außen nächsten Prallwand gegenüberliegen, wird die durch eine Prallwandunterbrechung hindurchströmende Gasströmung zwischen den beiden Prallwänden in Umfangsrichtung umgelenkt und in Teilströme aufgeteilt, so dass sich nicht nur ein Abscheideeffekt aufgrund der scharfen Umlenkung und des Aufprallens der Gasströmung auf die radial äußere Prallwand, sondern auch der vorstehend beschriebene Koaleszenz- und ggf. Auswascheffekt ergibt. Eine oder alle der vorstehend erwähnten Prallwände kann sich über die gesamte axiale Höhe des Spalts erstrecken (dies führt dann zu einer Umlenkung nur in Umfangsrichtung), aber auch nur über den größten Teil der axialen Höhe (dann kann sich auch noch eine zusätzliche axiale Umlenkung ergeben).
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Erfindungsgemäße Abscheidevorrichtungen können über die gesamte radiale Breite des Spalts bzw. der Spalte verteilt angeordnet sein, eine oder mehrere Abscheidevorrichtungen können aber auch nur im radial äußeren Bereich eines Spalts bzw. der Spalte vorgesehen werden; im letztgenannten Fall kann es vorteilhaft sein, auch im radial inneren Bereich des Spalts bzw. der Spalte mindestens eine Abscheidevorrichtung vorzusehen, um eine Umverteilung der Flüssigkeitströpfchen in der in den Spalt einströmenden Gasströmung bzw. der in die Spalte einströmenden Gasströmungen herbeizuführen.
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Besonders vorteilhaft sind Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Abscheiders, bei denen im Bereich des Rotorumfangs der Spalt (bzw. die mit Abscheidevorrichtungen versehenen Spalte) bis auf mindestens eine die Geschwindigkeit der Gasströmung vergrößernde äußere Gasdurchlassöffnung verschlossen ist – die Letztere kann dann ggf. die Gestalt eines sich längs des gesamten Rotorumfangs erstreckenden Schlitzes haben. Bei einer solchen Ausführungsform trifft dann das Gas mit verhältnismäßig großer Geschwindigkeit auf die dem Rotorumfang mit geringem Abstand benachbarte Umfangswand des Gehäuses auf, so dass an Letzterer durch Koaleszenz gebildete größere Tropfen, aber auch kleinere Tröpfchen effizient abgeschieden werden. Dabei kann die mindestens eine äußere Gasdurchlassöffnung durch eine weitere Prallwand für die Gasströmung gebildet werden (gegebenenfalls zusammen mit einer der beiden Scheiben oder beiden Scheiben). Eine solche Gestaltung des Rotors kann in Kombination mit einem oder mehreren der anderen, vorstehend erwähnten Merkmale des erfindungsgemäßen Abscheiders verwirklicht sein.
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Weitere Merkmale, Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den beigefügten Ansprüchen und/oder aus der nachfolgenden Beschreibung und der beigefügten zeichnerischen Darstellung bevorzugter Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Abscheiders; in den Zeichnungen zeigen:
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1 einen schematischen axialen Schnitt durch eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Abscheiders, wobei jedoch zur Vereinfachung der Darstellung die zwischen den Scheiben des Rotors vorgesehenen Abscheidevorrichtungen weggelassen wurden;
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2 einen wiederum schematischen axialen Schnitt durch zwei einander benachbarte Scheiben der ersten Ausführungsform, wobei von den Scheiben nur Teilbereiche dargestellt wurden;
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3 eine Hälfte einer Scheibe der ersten Ausführungsform im Schnitt und in schaubildlicher Darstellung;
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4 zwei einander benachbarte Scheiben der ersten Ausführungsform in einer Darstellung entsprechend der 3, jedoch im zusammengebauten Zustand;
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5 einen Teil einer der 4 entsprechenden schaubildlichen Darstellung einer zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Abscheiders;
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6 eine stark schematisierte Draufsicht auf eine Scheibe einer dritten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Abscheiders, und
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7 eine der 2 entsprechende Darstellung dieser dritten Ausführungsform.
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Der in 1 in einem axialen Schnitt zur einfacheren Darstellung nur sehr schematisch und unter Weglassung erfindungsgemäßer Teile gezeigte Abscheider hat ein Gehäuse 10, in dem eine Antriebswelle 12 für einen als Scheibengebläse gestalteten Rotor 14 durch nicht dargestellte Mittel um eine Rotorachse 16 drehbar und in axialer Richtung unverschiebbar gelagert ist. Die Antriebswelle 12 kann durch beliebige, bei Strömungsmaschinen und insbesondere bei Zentrifugalabscheidern bekannte Mittel angetrieben werden, z.B. durch einen Hydraulikmotor, zu bevorzugen ist jedoch ein Elektromotor. Der Rotor 14 wird von einer Umfangswand 10a des Gehäuses 10 umschlossen, wobei sich zwischen dem Rotor und dieser Umfangswand ein in bezüglich der Rotorachse radialer Richtung nur sehr schmaler Ringraum 18 befindet. Empfehlenswert ist es, den Rotor und die Umfangswand 10a rotationssymmetrisch zur Rotorachse 16 zu gestalten, obwohl es grundsätzlich auch möglich wäre, den Rotor anders auszubilden – es muss nur vermieden werden, dass der angetriebene Rotor eine Unwucht aufweist.
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Der Rotor 14 besitzt einen Satz von Scheiben 20, welche alle identisch gestaltet sein können, aber nicht müssen, und in der Praxis werden alle Zwischenräume zwischen den Scheiben 20 identisch gestaltet sein. Wie sich aus 1 ergibt, hat jeder dieser Zwischenräume die Gestalt eines mit der Rotorachse 16 konzentrischen ringscheibenförmigen Spalts 22.
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Bei bevorzugten Ausführungsformen sind die Scheiben 20 mit in Richtung der Rotorachse gleich großen Abständen voneinander angeordnet, und nur beispielhaft zeigt die 1, dass die Scheiben 20 an einem Rohr 24 befestigt sind, welches mittels zweier Stirnscheiben 26 und 28 unten und oben verschlossen und an der Antriebswelle 12 so befestigt ist, dass das Rohr 24 und die Scheiben 20 ein bezüglich der Rotorachse insbesondere rotationssymmetrisches Gebilde bilden. Die Stirnscheibe 26 verschließt zusammen mit der Antriebswelle 12 den zentralen Bereich der untersten Scheibe 20, und der zentrale Bereich der obersten Scheibe 20 könnte mit einem äquivalenten Element verschlossen sein, mit dessen Hilfe auch die oberste Scheibe an der Antriebswelle 12 befestigt ist, jedoch müsste dieses Element in Richtung der Rotorachse 16 gasdurchlässig sein, z.B. Gasdurchtrittsöffnungen aufweisen. Da, wie bereits erwähnt, ein erfindungsgemäßer Abscheider aufgrund seiner rotierenden Scheiben 20 auch als Gebläse oder Gaspumpe wirkt, muss die Durchführung der Antriebswelle 12 durch die untere Wand des Gehäuses 10 nicht gasdicht sein, und Gleiches gilt für die Durchführung des Rohrs 24 durch die obere Wand des Gehäuses 10, die Durchführung der Antriebswelle 12 durch die Stirnscheibe 28 und/oder die Durchführung des oberen Bereichs des Rohrs 24 durch eine in 1 erkennbare und später noch zu beschreibende Manschette 44. Die Konstruktion könnte aber auch so gestaltet sein, dass die Antriebswelle 12 unten gasdicht aus dem Gehäuse 10 herausgeführt, die oberste Stirnscheibe 28 gasdicht an der Antriebswelle 12 angebracht und das Rohr 24 oben am Gehäuse 10 gasdicht aus Letzterem herausgeführt ist, wobei dann zwischen dem Gehäuse 10 und dem Rohr 24 bzw. der Antriebswelle 12 zusätzlich zu nicht gezeichneten Gleit- oder Wälzlagern gleichfalls nicht dargestellte Ringdichtungen vorgesehen sein könnten – durch die erwähnten Lager sollen das Rohr 24 und die Antriebswelle 12 am Gehäuse 10 drehbar und axial unverschieblich gelagert werden. Da Radialwellendichtringe, aber auch andere Ringdichtungen, die für den Rotor 14 erforderliche Antriebsenergie erhöhen, werden jedoch Ausführungsformen bevorzugt, bei denen die erwähnten Durchführungen nicht gasdicht sind.
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Zwischen der untersten und der obersten Scheibe 20 weist eine Umfangswand 32 des Rohrs 24 im Bereich der Spalte 22 Gasdurchtrittsöffnungen 34 auf, so dass die Spalte 22 mit einem Zentralraum 36 kommunizieren, den die Umfangswand 32 umschließt und der seinerseits die Antriebswelle 12 umgibt.
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Ein Aerosol aus einem zu reinigenden Gas und von diesem mitgeführten Flüssigkeitströpfchen wird über einen Rohgaseinlass 38, der im oberen oder unteren Bereich des Gehäuses vorgesehen sein könnte, in den Zentralraum 36 eingeleitet; durch den erfindungsgemäß als Scheibengebläse gestalteten Rotor 14 in noch zu beschreibender Weise abgeschiedene Flüssigkeit wird über einen Flüssigkeitsauslass 40 unten aus dem Gehäuse 10 abgeführt, und das von den mitgeführten Flüssigkeitströpfchen zumindest weitestgehend befreite Reingas verlässt den Abscheider über einen Reingasauslass 42, welcher erfindungsgemäß am (im Betriebszustand des Abscheiders) unteren Ende des Gehäuses 10 angeordnet ist. Der Reingasauslass 42 könnte aber auch in einem anderen Gehäusebereich angeordnet werden.
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Der Rohgaseinlass 38 mündet in eine hohle Manschette 44, welche das obere Ende des Rohrs 24 umgibt und oben am Gehäuse 10 befestigt ist. Diese Manschette 44 hat an ihrem Innenumfang einen ringförmigen Schlitz, dem mehrere insbesondere schlitzförmige Öffnungen am Außenumfang des Rotors 24 gegenüberliegen, so dass Gasdurchtrittsöffnungen 48 für das zu reinigende Rohgas entstehen und dieses vom Innenraum der Manschette 44 in den Zentralraum 36 einströmen kann. Zu beiden Seiten (in Richtung der Rotorachse 16) der Gasdurchtrittsöffnungen 48 können zwischen dem Innenumfang der Manschette 44 und dem Außenumfang des Rohrs 24 Dichtmittel, z.B. Gleitdichtungen vorgesehen sein, welche in 1 der Einfachheit halber nicht dargestellt wurden und dem Zweck dienen, die Verbindung des Zentralraums 36 mit dem Innenraum der Manschette 44 außerhalb der Gasdurchtrittsöffnungen 48 gasdicht zu gestalten.
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Der in 1 dargestellte Rotor 14 hat eine mit der Rotorachse 16 koaxiale Rotormantelwand 50, welche vorzugsweise kreiszylindrisch gestaltet ist; diese Rotormantelwand grenzt gasdicht an die Umfänge der Scheiben 20 an und ist mit diesen fest verbunden. Die Rotormantelwand 50 weist für jeden Spalt 22 mindestens eine vorzugsweise schlitzförmige und sich in Rotorumfangsrichtung erstreckende Gasdurchtrittsöffnung 54 auf; für die die Spalte 22 in radialer Richtung von innen nach außen durchströmenden Gasströmungen führen die Rotormantelwand 50 mit ihren Gasdurchtrittsöffnungen 54 zu einer sprunghaften Verkleinerung des Spaltströmungsquerschnitts. Wie sich aus dem Folgenden noch ergeben wird, erfolgt bei bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Abscheiders diese sprunghafte Verkleinerung des Strömungsquerschnitts jedoch auf andere Weise.
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Die 2 bis 4 zeigen eine erste bevorzugte Ausführungsform einer in einem Spalt 22 vorgesehenen erfindungsgemäßen Abscheidevorrichtung, gebildet von Prallwänden, die vorzugsweise an zwei insbesondere identisch gestaltete Scheiben 20 1 und 20 2 angeformt sind. An jede dieser Scheiben ist ein die Rotorachse 16 umschließender Rohrabschnitt 24a angeformt (die in 1 dargestellten Gasdurchtrittsöffnungen 34 wurden weggelassen). Die im Spalt 22 vorgesehene Abscheidevorrichtung wird von einer ersten, radial inneren und einer zweiten, radial äußeren Prallwand 61 bzw. 62 gebildet, welche in einem radialen Abstand D voneinander angeordnet sind und die Rotorachse 16 als in Umfangsrichtung geschlossene ringförmige Gebilde umgeben. Vorteilhafterweise ist die erste Prallwand 61 an die Unterseite der jeweiligen Scheiben 20 1 bzw. 20 2angeformt, die zweite Prallwand 62 an die Oberseite der jeweiligen Scheiben 20 1 bzw. 20 2, die erste Prallwand 61 endet in einem axialen Abstand A von der Oberseite der unteren Scheiben 20 1, die zweite Prallwand 62 in einem axialen Abstand B von der Unterseite der benachbarten Scheibe 20 2, so dass die erste Prallwand 61 mit der benachbarten Scheibe eine erste Gasdurchlassöffnung 71 und die zweite Prallwand 62 mit der benachbarten Scheibe eine zweite Gasdurchlassöffnung 72 bildet; die beiden Gasdurchlassöffnungen 71 und 72 können die Gestalt ringförmiger, die Rotorachse 16 umschließender, durchgehender oder unterbrochener Schlitze haben, deren Breiten A und B identisch sein können, jedoch nur einen Bruchteil des axialen Abstands C einander benachbarter Scheiben voneinander beträgt; außerdem ist der radiale Abstand D der beiden in ein und demselben Spalt 22 liegenden Prallwände 61 und 62 voneinander erheblich größer als der axiale Abstand A bzw. B, insbesondere jedoch kleiner als der axiale Abstand C.
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Da das in einen Spalt 22 eingeleitete, zu reinigende Rohgas eine Gasströmung bildet, deren Hauptströmungskomponenten bezüglich der Rotorachse 16 radial nach außen orientiert sind, bilden in einem Spalt 22 die erste und die zweite Prallwand 61 bzw. 62 zusammen mit den beiden den Spalt 22 begrenzenden Scheiben 20 1 und 20 2 für die Gasströmung ein Labyrinth – zunächst wird die Gasströmung an der Anströmseite der ersten Prallwand 61 (gemäß 2 deren rechte Seite) in Richtung der Rotorachse 16 scharf umgelenkt, was dazu führt, dass aufgrund der Trägheitskräfte ein Teil der Flüssigkeitströpfchen an der Anströmseite der ersten Prallwand 61 abgeschieden wird, wobei die Flüssigkeit größere Tropfen, gegebenenfalls einen Flüssigkeitsfilm auf der Prallwand 61 bildet, worauf die Gasströmung durch die erste Gasdurchlassöffnung 71 beschleunigt wird und zumindest den größten Teil der an der ersten Prallwand 61 abgeschiedenen Flüssigkeit mit sich reißt, worauf die Gasströmung an der Anströmseite der zweiten Prallwand 62 (gemäß 2 an der rechten Seite dieser Prallwand) erneut axial scharf umgelenkt und sodann durch die zweite Gasdurchlassöffnung 72 wieder beschleunigt wird, wobei weitere feine Flüssigkeitströpfchen an der Anströmseite der zweiten Prallwand 62 abgeschieden werden und die abgeschiedene Flüssigkeit von der Gasströmung mitgerissen und durch die zweite Gasdurchlassöffnung 72 hindurch radial nach außen transportiert wird.
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Stromabwärts der zweiten Gasdurchlassöffnung 72, d.h. radial nach außen, könnte der Spalt 22 über seine ganze Höhe C offen sein, so dass die im Spalt 22 abgeschiedene Flüssigkeit und von der Gasströmung noch mitgeführte feine und feinste Flüssigkeitströpfchen direkt gegen die Umfangswand 10a des Gehäuses 10 geschleudert werden und dort größere Tropfen und/oder einen Flüssigkeitsfilm bilden, die bzw. der nach unten zum Flüssigkeitsauslass 40 gelangen bzw. gelangt.
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Bei der dargestellten bevorzugten Ausführungsform wird der Spalt 22 an seinem radial äußeren Umfang jedoch bis auf eine äußere Gasdurchlassöffnung 73 durch eine äußere Prallwand 63 verschlossen, die sich ebenso wie die erste Prallwand 61 von der Unterseite der zweiten Scheiben 20 2 nach unten erstreckt und an diese Scheibe vorzugsweise angeformt ist sowie in einem axialen Abstand E von der Oberseite der unteren Scheiben 20 1 endet. Für die äußere Gasdurchlassöffnung 73 und den Abstand E gilt insbesondere dasselbe wie für die beiden anderen Gasdurchlassöffnungen 71 und 72 bzw. die Abstände A und B. Bei der dargestellten bevorzugten Ausführungsform führt die äußere Prallwand 63 zu einer radialen Verlängerung des im Spalt 22 für die Gasströmung ausgebildeten Labyrinths, an der Anströmseite der äußeren Prallwand 63 werden weitere feine und feinste Flüssigkeitströpfchen abgeschieden, und die äußere Gasdurchtrittsöffnung 73 führt zu einer erneuten Beschleunigung der Gasströmung und damit zu einer noch effizienteren Flüssigkeitsabscheidung an der Umfangswand 10a des den Rotor 24 umgebenden Gehäuses 10.
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Wie sich aus den 2 bis 4 ergibt, sind bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Abscheiders alle Scheiben 20 identisch gestaltet, sieht man von der Oberseite der obersten und der Unterseite der untersten Scheibe 20 des Rotors 24 ab.
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Ferner sei der Vollständigkeit halber noch darauf hingewiesen, dass jede in einem Spalt 22 vorgesehene erfindungsgemäße Abscheidevorrichtung von mindestens zwei den Prallwänden 61 und 62 entsprechenden Prallwänden gebildet wird, welche in radialer Richtung aufeinanderfolgen, jedoch in dieser Richtung voneinander beabstandet sind und Gasdurchlassöffnungen entsprechend den Gasdurchlassöffnungen 71 und 72 bilden, wobei mindestens der stromaufwärts liegenden Gasdurchlassöffnung, bei der gezeichneten Ausführungsform also der Gasdurchlassöffnung 71, in bezüglich der Rotorachse 16 radialer Richtung ein geschlossener Bereich der nächsten Prallwand, bei der zeichnerisch dargestellten Ausführungsform also der Prallwand 62, gegenüberliegt, so dass sich, von der Rotorachse 16 aus in radialer Richtung gesehen, die beiden Gasdurchlassöffnungen (71 und 72) in Richtung der Rotorachse nicht überlappen.
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Bevorzugt werden zwar Ausführungsformen, bei denen eine oder mehrere erfindungsgemäße Abscheidevorrichtungen in einem radialen Bereich eines Spalts 22 angeordnet wird bzw. werden, welcher sich zumindest überwiegend in der radial äußeren Hälfte der radialen Spaltbreite befindet, eine oder mehrere wie eine solche Abscheidevorrichtung ausgebildete Vorrichtungen kann bzw. können aber auch in einem radial inneren Bereich des Spalts vorgesehen werden, um die in einen Spalt einströmende Gasströmung und die von dieser mitgeführten Flüssigkeitströpfchen bei der Einströmung in den Spalt umzuverteilen.
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Bei der in den 2 bis 4 dargestellten Ausführungsform können die Scheiben 20 des Rotors 24 prinzipiell mittels der an den Scheiben befestigten oder an die Scheiben angeformten Rohrabschnitte 24a relativ zueinander positioniert und fixiert werden; bevorzugt werden jedoch Ausführungsformen, welche Abstandshalter/Distanzhalteelemente aufweisen, mit deren Hilfe auch radial äußere Bereiche der Scheiben sicher und präzise im gewünschte axialen Abstand voneinander gehalten werden. Eine solche Ausführungsform ist in 5 dargestellt, in welcher für die verschiedenen Elemente dieselben Bezugszeichen wie in 2 verwendet wurden, jedoch unter Hinzufügung eines Strichs.
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Wie die 5 erkennen lässt, sind die ersten Prallwände 61' an ihrer jeweils unteren Kante und die zweiten Prallwände 62' an ihrer jeweils oberen Kante mit Distanzhaltelementen 161' bzw. 162' versehen, welche in Umfangsrichtung der betreffenden Prallwand voneinander beabstandet sind. Wie die 5 ferner erkennen lässt, stützen sich die Distanzhalteelemente 161' der oberen Scheibe 20 2' auf der unteren Scheibe 20 1' ab, während sich die obere Scheibe 20 2' auf den Distanzhaltelementen 162' abstützt. Die Distanzhalteelemente 161' und 162' führen dazu, dass die in 2 näher bezeichnete erste Gasdurchlassöffnung 71 und die zweite Gasdurchlassöffnung 72 in Umfangsrichtung durch die Distanzhalteelemente unterbrochen werden, d.h. die Distanzhalteelemente führen zu einer Verkleinerung der freien Querschnittsflächen der beiden Gasdurchlassöffnungen 71 und 72. Die verbleibenden freien Querschnittsflächen können durch eine entsprechende Bemessung der Abstände A und B, welche der Höhe der Distanzhalteelemente 161' bzw. 162' entsprechen, und/oder der Anzahl der Distanzhalteelemente 161' bzw. 162' und/oder der Form dieser Distanzhalteelemente (von der Rotorachse 16 in radialer Richtung gesehen) bestimmt werden.
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Während bei den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen die in einem zwischen zwei einander benachbarten Scheiben befindlichen Spalt vorgesehenen erfindungsgemäßen Abscheidevorrichtungen so gestaltet sind, dass durch die Prallwände dieser Abscheidevorrichtungen die Gasströmung nur in axialer Richtung, d.h. in Richtung der Rotorachse 16, umgelenkt wird, kann eine Prallwand oder können die Prallwände einer Abscheidevorrichtung erfindungsgemäß aber auch so gestaltet werden, dass die Gasströmung in einem Ringraum zwischen zwei in bezüglich der Rotorachse 16 radialer Richtung aufeinander folgenden Prallwänden nur in Umfangsrichtung des Rotors oder sowohl in axialer Richtung als auch in Umfangsrichtung umgelenkt wird. Derartige Gestaltungen der erfindungsgemäßen Abscheidevorrichtungen lassen sich den im Folgenden zu beschreibenden 6 und 7 entnehmen.
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Die 6 zeigt eine stark schematisierte Draufsicht auf eine der Scheiben des Rotors des erfindungsgemäßen Abscheiders, wobei in dieser Draufsicht zwar die Rotorachse 16 angedeutet wurde, jedoch diejenigen Teile oder Elemente weggelassen wurden, welche der Einleitung des Rohgases von einem zentralen Rotorbereich in einen Spalt zwischen zwei einander benachbarten Scheiben dienen. Die eigentliche Scheibe, deren gemäß 1 obere Seite die 6 zeigt, wurde mit 220 bezeichnet. Auf der Scheibe 220 sind insgesamt fünf Prallwände angeordnet, welche lediglich durch kreisförmige bzw. kreisbogenförmige Linien angedeutet wurden, nämlich eine radial innere erste Prallwand 261, eine zweite Prallwand 262, eine dritte Prallwand 263, eine vierte Prallwand 264 und eine radial äußere fünfte Prallwand 265, welche alle die Rotorachse 16 ununterbrochen oder mit Unterbrechungen umschließen und mit radialen Abständen voneinander sowie konzentrisch zur Rotorachse 16 angeordnet sind. Soweit die Prallwände Unterbrechungen aufweisen, zeigt die 6 nur einen Teil dieser Unterbrechungen. Diejenigen Prallwände, welche Unterbrechungen aufweisen, können sich über die gesamte Höhe des Spalts zwischen der Scheibe 220 und der über dieser liegenden und in 6 nicht dargestellten zweiten Scheibe erstrecken, eine solche unterbrochene Prallwand kann aber auch von einer der beiden Scheiben ausgehen und in einem geringen axialen Abstand von der jeweils anderen Scheibe enden oder mit Distanzhalteelementen, wie sie die 5 zeigt, versehen sein, welche gegen diese andere Scheibe anliegen. Andererseits soll für die nicht unterbrochenen Prallwände gelten, dass eine solche Prallwand von einer der beiden Scheiben ausgeht und in einem geringen axialen Abstand von der jeweils anderen Scheibe endet, wobei sie mit Distanzhalteelementen, wie sie die 5 zeigt, versehen sein kann, welche gegen diese andere Scheibe anliegen.
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Wie die 6 zeigt, weist beispielsweise die erste Prallwand 261 Unterbrechungen 261a auf, wobei es sich bei einer solchen Unterbrechung auch nur um eine fensterartige Öffnung in der Prallwand handeln kann. In 6 wurden Teile der Gasströmung des zu reinigenden Gases mit Pfeilen F bezeichnet. Gasströmungsteile F1 strömen in radialer Richtung durch die Unterbrechungen 261a der ersten Prallwand 261 hindurch in einen ersten Ringraum 301 zwischen den Prallwänden 261 und 262, werden an geschlossenen Bereichen der Prallwand 262 in Umfangsrichtung scharf umgelenkt und teilen sich in Gasströmungsteile F2 und F3 auf, so dass dann in diesem Ringraum Gasströmungsteile F2 und F3 aufeinander treffen, wobei von den Gasströmungsteilen F2 und F3 mitgeführte Flüssigkeitströpfchen aufeinanderprallen und durch Koaleszenz größere Flüssigkeitstropfen bilden. Vom ersten Ringraum 301 könnte die Gasströmung über eine nicht unterbrochene Prallwand hinweg in den nächsten Ringraum gelangen (analog zu der Situation an der zweiten Prallwand 62 der Ausführungsform gemäß 2), bei der in 6 dargestellten Ausführungsform gelangen Gasströmungsteile F4 jedoch durch Unterbrechungen 262a der zweiten Prallwand 262 hindurch in einen zweiten Ringraum 302 zwischen den Prallwänden 262 und 263, werden an der dritten Prallwand 263 in axialer Richtung scharf umgelenkt, worauf Gasströmungsteile F4 über die dritte Prallwand 263 hinweg in einen dritten Ringraum 303 zwischen den Prallwänden 263 und 264 gelangen und durch die vierte Prallwand 264 erneut in axialer Richtung scharf umgelenkt werden. Bei der in 6 dargestellten Ausführungsform soll sich die vierte Prallwand 264, ausgehend von der in 6 nicht dargestellten zweiten Scheibe (über der Scheibe 220) nach unten in Richtung auf die Scheibe 220 erstrecken und in einem geringen axialen Abstand von der Scheibe 220 enden; die Gasströmung strömt dann vom dritten Ringraum 303 unter der vierten Prallwand 264 hindurch in einen vierten Ringraum 304 zwischen den Prallwänden 264 und 265, wird an der Prallwand 265 erneut in axialer Richtung scharf umgelenkt und verlässt den Rotor in radialer Richtung nach außen durch eine in 6 nicht gezeigte äußere Gasdurchlassöffnung zwischen der äußeren Prallwand 265 und der über der Scheibe 220 liegenden Scheibe, so wie dies durch den Pfeil F5 angedeutet wurde.
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Die 7 stellt eine Darstellung der vorstehend anhand der 6 beschriebenen Ausführungsform entsprechend der Darstellung der ersten Ausführungsform in 2 dar, wobei in 7 die in 6 gezeigte Scheibe 220 mit 220 1 bezeichnet wurde, die über dieser Scheibe liegende Scheibe mit 220 2. Die 7 zeigt jedoch nicht die Unterbrechungen 261a und 262a in den Prallwänden 261 und 262.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 1273335 B1 [0002]
- US 6821319 B1 [0002]
