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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Tropfenabscheider und insbesondere auf Tropfenabscheider zur Verwendung von Wärmepumpen und Wärmepumpen, die zur Gebäudeheizung oder Gebäudekühlung oder aber auch zur Heizung oder Kühlung von sonstigen Gegenständen eingesetzt werden können.
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9A und
9B stellen eine Wärmepumpe dar, wie sie in dem europäischen Patent
EP 2016349 B1 dargestellt ist.
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9A zeigt eine Wärmepumpe, die zunächst einen Wasserverdampfer 10 zum Verdampfen von Wasser als Arbeitsflüssigkeit aufweist, um ausgangsseitig einen Dampf in einer Arbeitsdampfleitung 12 zu erzeugen. Der Verdampfer umfasst einen Verdampfungsraum (in 5A nicht gezeigt) und ist ausgebildet, um in dem Verdampfungsraum einen Verdampfungsdruck kleiner als 20 hPa zu erzeugen, so dass das Wasser bei Temperaturen unter 15°C im Verdampfungsraum verdampft. Das Wasser ist vorzugsweise Grundwasser, im Erdreich frei oder in Kollektorrohren zirkulierende Sole, also Wasser mit einem bestimmten Salzgehalt, Flusswasser, Seewasser oder Meerwasser. Erfindungsgemäß werden alle Arten von Wasser, also kalkhaltiges Wasser, kalkfreies Wasser, salzhaltiges Wasser oder salzfreies Wasser verwendbar bevorzugt. Dies liegt daran, dass alle Arten von Wasser, also alle diese ”Wasserstoffe”, die günstige Wasser-Eigenschaft haben, nämlich dass Wasser, das auch als ”R718” bekannt ist, eine für den Wärmepumpen-Prozess nutzbares Enthalpie-Differenz-Verhältnis von 6 hat, was dem mehr als 2-fachen des typischen nutzbaren Enthalpie-Differenz-Verhältnisses von z. B. R134a entspricht.
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Der Wasserdampf wird durch die Saugleitung 12 einem Verdichter/Verflüssiger-System 14 zugeführt, das eine Strömungsmaschine wie z. B. einen Radialverdichter, beispielsweise in Form eines Turboverdichters aufweist, der in 5A mit 16 bezeichnet ist. Die Strömungsmaschine ist ausgebildet, um den Arbeitsdampf auf einen Dampfdruck zumindest größer als 25 hPa zu verdichten. 25 hPa korrespondiert mit einer Verflüssigungstemperatur von etwa 22°C, was zumindest an relativ warmen Tagen bereits eine ausreichende Heizungs-Vorlauftemperatur einer Fußbodenheizung sein kann. Um höhere Vorlauftemperaturen zu generieren, können Drücke größer als 30 hPa mit der Strömungsmaschine 16 erzeugt werden, wobei ein Druck von 30 hPa eine Verflüssigungstemperatur von 24°C hat, ein Druck von 60 hPa eine Verflüssigungstemperatur von 36°C hat, und ein Druck von 100 hPa einer Verflüssigungstemperatur von 45°C entspricht. Fußbodenheizungen sind ausgelegt, um mit einer Vorlauftemperatur von 45°C auch an sehr kalten Tagen ausreichend heizen zu können.
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Die Strömungsmaschine ist mit einem Verflüssiger 18 gekoppelt, der ausgebildet ist, um den verdichteten Arbeitsdampf zu verflüssigen. Durch das Verflüssigen wird die in dem Arbeitsdampf enthaltene Energie dem Verflüssiger 18 zugeführt, um dann über den Vorlauf 20a einem Heizsystem zugeführt zu werden. Über den Rücklauf 20b fließt das Arbeitsfluid wieder in den Verflüssiger zurück.
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Erfindungsgemäß wird es bevorzugt, dem energiereichen Wasserdampf direkt durch das kältere Heizungswasser die Wärme(-energie) zu entziehen, welche vom Heizungswasser aufgenommen wird, so dass dieses sich erwärmt. Dem Dampf wird hierbei so viel Energie entzogen, dass dieser verflüssigt wird und ebenfalls am Heizungskreislauf teilnimmt.
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Damit findet ein Materialeintrag in den Verflüssiger bzw. das Heizungssystem statt, der durch einen Ablauf 22 reguliert wird, derart, dass der Verflüssiger in seinem Verflüssigerraum einen Wasserstand hat, der trotz des ständigen Zuführens von Wasserdampf und damit Kondensat immer unterhalb eines Maximalpegels bleibt.
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Wie es bereits ausgeführt worden ist, wird es bevorzugt, einen offenen Kreislauf zu nehmen, also das Wasser, das die Wärmequelle darstellt, direkt ohne Wärmetauscher zu verdampfen. Alternativ könnte jedoch auch das zu verdampfende Wasser zunächst über einen Wärmetauscher von einer externen Wärmequelle aufgeheizt werden. Dabei ist jedoch zu bedenken, dass dieser Wärmetauscher wieder Verluste und apparativen Aufwand bedeutet.
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Darüber hinaus wird es bevorzugt, um auch Verluste für den zweiten Wärmetauscher, der auf Verflüssiger-Seite bisher notwendigerweise vorhanden ist, zu vermeiden, auch dort das Medium direkt zu verwenden, also, wenn an ein Haus mit Fußbodenheizung gedacht wird, das Wasser, das von dem Verdampfer stammt, direkt in der Fußbodenheizung zirkulieren zu lassen.
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Alternativ kann jedoch auch auf Verflüssiger-Seite ein Wärmetauscher angeordnet werden, der mit dem Vorlauf 20a gespeist wird und der den Rücklauf 20b aufweist, wobei dieser Wärmetauscher das im Verflüssiger befindliche Wasser abkühlt und damit eine separate Fußbodenheizungsflüssigkeit, die typischerweise Wasser sein wird, aufheizt.
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Aufgrund der Tatsache, dass als Arbeitsmedium Wasser verwendet wird, und aufgrund der Tatsache, dass von dem Grundwasser nur der verdampfte Anteil in die Strömungsmaschine eingespeist wird, spielt der Reinheitsgrad des Wassers keine Rolle. Die Strömungsmaschine wird, genauso wie der Verflüssiger und die ggf. direkt gekoppelte Fußbodenheizung immer mit destilliertem Wasser versorgt, derart, dass das System im Vergleich zu heutigen Systemen einen reduzierten Wartungsaufwand hat. Anders ausgedrückt ist das System selbstreinigend, da dem System immer nur destilliertes Wasser zugeführt wird und das Wasser im Ablauf 22 somit nicht verschmutzt ist.
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Darüber hinaus sei darauf hingewiesen, dass Strömungsmaschinen die Eigenschaften haben, dass sie – ähnlich einer Flugzeugturbine – das verdichtete Medium nicht mit problematischen Stoffen, wie beispielsweise Öl, in Verbindung bringen. Stattdessen wird der Wasserdampf lediglich durch die Turbine bzw. den Turboverdichter verdichtet, jedoch nicht mit Öl oder einem sonstigen Reinheits-beeinträchtigenden Medium in Verbindung gebracht und damit verunreinigt.
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Das durch den Ablauf abgeführte destillierte Wasser kann somit – wenn keine sonstigen Vorschriften im Wege stehen – ohne Weiteres dem Grundwasser wieder zugeführt werden. Alternativ kann es hier jedoch auch z. B. im Garten oder in einer Freifläche versickert werden, oder es kann über den Kanal, sofern dies Vorschriften gebieten – einer Kläranlage zugeführt werden.
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Die Kombination von Wasser als Arbeitsmittel mit dem um das 2-fache besseren nutzbaren Enthalpie-Differenz-Verhältnis im Vergleich zu R134a und aufgrund der damit reduzierten Anforderungen an die Geschlossenheit des Systems (es wird vielmehr ein offenes System bevorzugt), und aufgrund des Einsatzes der Strömungsmaschine, durch den effizient und ohne Reinheitsbeeinträchtigungen die erforderlichen Verdichtungsfaktoren erreicht werden, wird ein effizienter und umweltneutraler Wärmepumpenprozess geschaffen, der dann, wenn im Verflüssiger der Wasserdampf direkt verflüssigt wird, noch effizienter wird, da dann im gesamten Wärmepumpenprozess kein einziger Wärmetauscher mehr benötigt wird.
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9B zeigt eine Tabelle zur Illustration verschiedener Drücke und der diesen Drücken zugeordneten Verdampfungstemperaturen, woraus sich ergibt, dass insbesondere für Wasser als Arbeitsmedium recht niedrige Drücke im Verdampfer zu wählen sind.
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Um eine Wärmepumpe mit einem hohen Wirkungsgrad zu erreichen, ist es wichtig, dass alle Komponenten günstig ausgelegt sind, also der Verdampfer, der Verflüssiger und der Verdichter.
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Andererseits ist es von großer Bedeutung, dass die Wärmepumpe eine hohe Langzeitstabilität hat, weil sie je nach Einsatz sehr lange laufen muss, ohne dass ein Schaden auftritt bzw. ohne dass eine Wartung erforderlich ist.
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Insbesondere dann, wenn als Arbeitsmedium Wasser eingesetzt wird, und wenn zum Komprimieren eine Strömungsmaschine, wie beispielsweise ein Turboverdichter oder ein Radialkompressor, eingesetzt wird, sind relativ hohe Drehzahlen des Kompressorrads nötig.
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Andererseits ist problematisch, dass bei der Verdampfung nicht nur reiner Dampf entsteht, sondern Dampf und zusätzlich Tröpfchen der Arbeitsflüssigkeit. Wenn diese Tröpfchen der Arbeitsflüssigkeit jedoch im Kompressor auf das sich sehr schnell drehende Radialrad aufschlagen, kann es dort zu Beschädigungen des Radialrads kommen, die dadurch vermieden werden können, dass die Verdampfungseffizienz im Verdampfer reduziert wird, dass die Parameter im Verdampfungsraum so eingestellt werden, dass die im Verdampfungsraum zu verdampfende Flüssigkeit nicht zu stark in Bewegung ist. Dies hat jedoch den Nachteil, dass die Effizienz im Verdampfer fällt, und dass, um eine genügend große Menge an Dampf für eine notwendige Leistung der Wärmepumpe zu erhalten, ein größeres Volumen nötig wird.
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Die andere Möglichkeit besteht darin, einen Tropfenabscheider vorzusehen, der sicherstellt, dass der Dampf, der das Radialrad erreicht, keine oder nur eine sehr geringe Anzahl von Tröpfchen enthält.
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Wichtig bei diesem Tropfenabscheider ist jedoch, dass der Abscheider selbst keine besonders großen Verluste mit sich bringt. Stellt der Tropfenabscheider einen großen Widerstand für den Dampf dar, so muss dieser Widerstand durch eine noch höhere Drehzahl des Kompressors ausgeglichen werden, was wiederum effizienzmäßig und volumenmäßig problematisch ist. So hat sich herausgestellt, dass Tropfenabscheider in der Form eines Geflechts aus Kunststofffäden zwar einfach und preisgünstig in der Herstellung und im Aufbau sind, jedoch zum einen dennoch Tropfen durchlassen, die zu den Problemen im Radialrad führen können, und zum anderen dann, wenn sie derart ausgelegt werden, dass sie nur eine sehr geringe Anzahl oder keine Tropfen mehr durchlassen, einen relativ hohen Widerstand für den Dampf darstellen.
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Die
DE 10 2012 220 186 A1 offenbart einen Tropfenabscheider mit einer Mehrzahl von gekrümmten Lamellen und einen Halter zum Halten der gekrümmten Lamellen in einem Abstand zueinander. Insbesondere bildet jede Lamelle der Mehrzahl von Lamellen einen vollen Ring oder die Lamellen sind kreisförmig oder elliptisch und parallel zueinander angeordnet. Jede Lamelle kann einen Sektor aus einer Kugelhülle darstellen. Darüber hinaus umfasst der Tropfenabscheider eine obere und eine untere Hälfte, wobei die obere und die untere Hälfte zueinander gleich sind und aneinandergefügt sind. Der Tropfenabscheider umfasst eine Oberseite, die zu einem Saugmund eines Kompressors in einer Arbeitsposition des Tropfenabscheiders gerichtet ist. Darüber hinaus sind die Lamellen so ausgebildet, dass Tangenten an den Lamellen an der Oberseite zu einem Mittelbereich des Saugmunds hin gerichtet sind, so dass eine Strömungsrichtung eines Dampfes, der durch den Tropfenabscheider strömt, zu dem Mittelbereich des Saugmunds hin gelenkt wird.
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Die
CN 101791505 offenbart ein Konzept für einen zusammengesetzten Entnebler zu Zwecken der Luftverschmutzungssteuerung. Das Gerät umfasst einen Entnebler einer ersten Stufe und einen Entnebler einer zweiten Stufe. Insbesondere haben die Lamellen des Entneblers eine V-Form, und zwar sowohl in der oberen als auch in der unteren Stufe. Darüber hinaus werden die erste Stufe und die zweite Stufe gedreht.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein verbessertes Tropfenabscheiderkonzept zu schaffen.
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Diese Aufgabe wird durch einen Tropfenabscheider nach Patentanspruch 1, eine Verdampfer/Verdichter-Kombination nach Patentanspruch 15, und ein Verfahren zum Herstellen eines Tropfenabscheiders nach Patentanspruch 17 gelöst.
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Ein Tropfenabscheider umfasst eine erste Anzahl von Schaufeln, die an einem ersten Träger angeordnet sind. Jede Schaufel der ersten Anzahl von Schaufeln hat einen ersten Abschnitt und einen zweiten Abschnitt, zwischen denen ein stumpfer Winkel gebildet ist. Ferner ist eine zweite Anzahl von Schaufeln vorgesehen, die an einem zweiten Träger angeordnet sind, wobei jede Schaufel der zweiten Anzahl von Schaufeln einen ersten Abschnitt und einen zweiten Abschnitt aufweist, zwischen denen ebenfalls ein stumpfer Winkel ist. Der erste und der zweite Träger sind so zusammengefügt, dass zwischen den zwei Schaufeln der ersten Anzahl von Schaufeln eine Schaufel der zweiten Anzahl von Schaufeln angeordnet ist, dass also die beiden Anzahlen von Schaufeln zueinander verschachtelt angeordnet sind. Insbesondere sind die Schaufeln der ersten Anzahl von Schaufeln lediglich mit dem ersten Träger und nicht mit dem zweiten Träger verbunden. Genauso sind die Schaufeln der zweiten Anzahl von Schaufeln nur mit dem zweiten Träger, nicht aber mit dem ersten Träger verbunden. Dies bedeutet, dass der Tropfenabscheider dann, wenn der erste und der zweite Träger zusammengefügt sind, eine Anzahl von Schaufeln hat, die gleich der Summe der ersten Anzahl von Schaufeln des ersten Trägers und der zweiten Anzahl von Schaufeln des zweiten Trägers ist.
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Bei bestimmten Ausführungsbeispielen erstreckt sich die erste Anzahl von Schaufeln von dem ersten Träger radial nach außen. Entsprechend erstreckt sich auch die zweite Anzahl von Schaufeln von dem zweiten Träger radial nach außen, so dass sich ein Tropfenabscheider mit einer relativ kreisrunden Form ergibt, der einen mittleren Bereich hat, der durch den ersten und den zweiten Träger gebildet wird, von dem sich die ersten und die zweiten Anzahlen von Schaufeln nach außen erstrecken. Durch Bereitstellen des stumpfen Winkels zwischen dem ersten Abschnitt und dem zweiten Abschnitt, wobei der stumpfe Winkel zwischen 90° und 180° liegen kann, wird sichergestellt, dass eine Tropfenabscheidefunktion erreicht wird. Diese Tropfenabscheidefunktion beruht beispielsweise darauf, dass sich die jeweiligen zweiten Abschnitte benachbarter Schaufeln „überlappen”.
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Eine solche Struktur wäre in einteiliger Ausführung nicht oder nur mit besonders schwierigem Aufwand herstellbar, insbesondere bei einer Herstellung mit einer Spritzgussvorrichtung. Solche stark hinterschnittenen Strukturen können mit Spritzgussherstellverfahren, aber auch mit anderen Herstellverfahren nicht oder nur mit sehr großem Aufwand und damit einhergehend relativ großem Ausschuss hergestellt werden. Werden die beiden Träger mit den entsprechenden Schaufein jedoch separat voneinander hergestellt, so darf der Abstand der einzelnen Schaufeln relativ groß sein, und muss insbesondere jeder einzelne Träger nicht unbedingt eine Tropfenabscheidefunktion erfüllen, da direkte Durchgänge von der einen Seite des Tropfenabscheiders zur anderen Seite des Tropfenabscheiders aufgrund von Tropfenflugbahnen möglich sind.
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Durch Zusammenfügen der beiden Träger und der damit verbundenen Schaufelanzahlen wird jedoch die Tropfenabscheidefunktion erreicht. Dadurch, dass der gesamte Tropfenabscheider jedoch aus zwei oder noch mehr einzelnen Trägern hergestellt wird, wird eine einfache Herstellbarkeit mit hoher Effizienz, geringem Ausschuss und geringen Toleranzen ermöglicht.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen detailliert erläutert. Es zeigen:
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1 eine schematische Ansicht eines ersten Trägers mit einer ersten Anzahl von Schaufeln, eine schematische Ansicht eines zweiten Trägers mit einer zweiten Anzahl von Schaufeln und einer verschachtelten Anordnung in Arbeitsposition, also wenn der erste und der zweite Träger zusammengefügt sind;
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2 eine schematische Ansicht eines ersten Trägers, eines zweiten Trägers separat vom ersten Träger und von beiden Trägern mit verschachtelten Schaufeln und dem entsprechenden Gasstrom mit und ohne Tropfen;
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3a eine Seitenansicht eines Oberteils (ersten Trägers) des Tropfenabscheiders gemäß einer Ausführungsform;
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3b eine Draufsicht auf das Oberteil von 3a;
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4a eine Seitenansicht eines Unterteils eines Tropfenabscheiders gemäß einer Ausführungsform;
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4b eine Ansicht von unten auf das Unterteil des Tropfenabscheiders;
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5a eine Draufsicht auf den Tropfenabscheider mit zusammengefügtem Oberteil und Unterteil;
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5b eine Seitenansicht des Tropfenabscheiders mit zusammengefügtem ersten und zweiten Träger;
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6a eine schematische Schaufelansicht;
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6b eine Schnittansicht einer Schaufel;
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7 eine Sequenz des Zusammenbaus des ersten Trägers und des zweiten Trägers zur Herstellung des Tropfenabscheiders;
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8 eine schematische Verdampfer/Verdichter-Kombination;
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9a eine schematische Wärmepumpe gemäß dem Stand der Technik; und
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9b eine Tabelle mit Drücken für die Wärmepumpe von 9a.
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1 zeigt einen Tropfenabscheider mit einem ersten Träger 100 und einer ersten Anzahl von Schaufeln 101 bis 108, die an dem ersten Träger angeordnet sind. Bei dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel handelt es sich um einen relativ runden nahezu radialsymmetrischen Tropfenabscheider, so dass sich jede Schaufel 101 bis 108 von dem ersten Träger 100 radial nach außen erstreckt. In 1 nicht gezeigt ist, dass jede Schaufel einen ersten Abschnitt und einen zweiten Abschnitt hat, zwischen denen ein stumpfer Winkel ist. 1 zeigt ferner einen zweiten Träger 200 mit einer zweiten Anzahl von Schaufeln 201 bis 208, die an dem zweiten Träger 200 angebracht sind und sich bei dem in 1 gezeigten hier runden Ausführungsbeispiel ebenfalls radial nach außen erstrecken. Ferner hat jede Schaufel der zweiten Anzahl von Schaufeln wieder einen ersten Abschnitt und einen zweiten Abschnitt, zwischen denen eine stumpfer Winkel angeordnet ist.
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In der unteren Ansicht in 1 ist die verschachtelte Anordnung in Arbeitsposition gezeigt, also dass der erste Träger und der zweite Träger so zusammengefügt sind, dass zwischen zwei Schaufeln der ersten Anzahl von Schaufeln eine Schaufel der zweiten Anzahl von Schaufeln angeordnet ist. Zu Illustrationszwecken sind die zweiten Schaufeln 201 bis 208 in 1 in der unteren Ansicht gestrichelt gezeichnet. Damit ist auch der zweite Träger 200 gestrichelt gezeichnet. Darüber hinaus sind der erste Träger 100 und die ersten Schaufeln durchgezogen gezeichnet. Damit ergibt sich, dass der Abstand zwischen den benachbarten Schaufeln der beiden unterschiedlichen Träger für den einzelnen Träger gesehen relativ groß ist, nämlich bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel ein 45-Grad-Segment, während in der verschachtelten Anordnung der Winkelabstand lediglich ein 22,5-Grad-Segment beträgt. Damit haben der erste Träger und der zweite Träger eine wesentlich einfachere Herstellbarkeit, als wenn die gesamte verschachtelte Anordnung einstückig, also mit einem einzigen Träger hergestellt worden wäre, an dem alle Schaufeln angebracht sind.
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Bei dem Tropfenabscheider gemäß der vorliegenden Erfindung sind jedoch die ersten Schaufeln lediglich an dem ersten Träger angebracht und nicht an dem zweiten Träger, und sind die zweiten Schaufeln lediglich an dem zweiten Träger angeordnet, nicht aber an dem ersten Träger und die beiden Träger werden zusammengefügt, um die verschachtelte Anordnung in Arbeitsposition zu erreichen, die unten in 1 gezeigt ist.
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2 zeigt eine Anordnung der Schaufeln des ersten Trägers 101. Beispielsweise umfasst eine Schaufel der ersten Anzahl von Schaufeln den ersten Abschnitt 101a und den zweiten Abschnitt 101b, zwischen denen der erste stumpfe Winkel 110 gebildet ist. Darüber hinaus ist in 2 in der mittleren Ansicht der zweite Träger beispielhaft mit der Schaufel 201 dargestellt, die wieder den ersten Abschnitt 201a und den zweiten Abschnitt 201b und den stumpfen Winkel 210 aufweist. Ferner sind Tröpfchen-Flugbahnen 220a durch die benachbarten Schaufeln des ersten Trägers und 220b durch benachbarte Schaufeln des zweiten Trägers gezeigt. Es ist ersichtlich, dass Tröpfchen durch benachbarte Schaufeln des ersten Trägers hindurchfliegen können und durch benachbarte Schaufeln des zweiten Trägers ebenfalls hindurchfliegen können. Insbesondere können die Tröpfchen, die auf den Flugbahnen 220a, 220b sind, den ersten Träger und den zweiten Träger passieren, wenn die beiden Träger separat voneinander sind, also jeweils für sich betrachtet nicht die Tropfenabscheidefunktion erfüllen. Werden die beiden Träger jedoch zusammengefügt, dahin gehend, dass zwischen zwei Schaufeln der ersten Anzahl von Schaufeln eine Schaufel der zweiten Anzahl von Schaufeln angeordnet ist, dass also zwischen den beiden Schaufeln 101, 102 des ersten Trägers eine Schaufel 201 des zweiten Trägers angeordnet ist, oder dass zwischen den benachbarten Schaufeln 201, 202 des zweiten Trägers eine Schaufel 102 des ersten Trägers angeordnet ist, so können Tröpfchen auf Flugbahnen 221a, 221b, 221c und 221d den Tropfenabscheider nicht mehr passieren. Stattdessen schlagen die Tröpfchen, sofern sie von dem ersten Abschnitt kommen, entweder an der Ecke 222 auf und gelangen nicht durch den Tropfenabscheider hindurch oder die Tröpfchen schlagen an einer Wand, also an dem ersten Abschnitt oder dem zweiten Abschnitt auf, je nachdem wie ihre Flugbahn ist.
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Aus der Darstellung in 2 ist ersichtlich, dass der stumpfe Winkel 110, 210 beliebig gewählt werden kann, dass jedoch davon abhängig entweder die Länge des ersten Abschnitts oder des zweiten Abschnitts variiert werden sollte, um eine Tropfenabscheidefunktion zu erhalten. Wird der stumpfe Winkel 210 kleiner, so kann der zweite Abschnitt kleiner werden im Vergleich zu einer Anordnung, bei der der stumpfe Winkel größer ist.
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Die kleinste Länge hätte der zweite Abschnitt, wenn der stumpfe Winkel etwas größer als 90° ist. Dann wäre der zweite Abschnitt lediglich etwas länger als ein Abstand zwischen zwei benachbarten Schaufeln. Die Länge des zweiten Abschnitts würde jedoch immer größer werden, je mehr der stumpfe Winkel in Richtung 180° geht.
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Bei bevorzugten Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung wird ein stumpfer Winkel zwischen 120° und 150° bevorzugt, weil in diesem Winkelbereich eine optimale Situation erhalten ist, nämlich bezüglich des Strömungswiderstands einerseits und der Tropfenabscheidefunktion andererseits und auch der erhaltenen Rotation des Gasstroms durch den Tropfenabscheider hindurch, die noch näher dargelegt wird. Je kleiner der stumpfe Winkel ist, also je näher dieser in Richtung 90° geht, umso größer wird der Strömungswiderstand des gesamten Tropfenabscheiders, während der Strömungswiderstand am kleinsten wäre, wenn der stumpfe Winkel nahezu bei 180° wäre. Dann wäre jedoch die vertikale Länge des gesamten Tropfenabscheiders sehr groß. Der Winkelbereich zwischen 120 und 150° hat sich daher am günstigsten herausgestellt z. B. für die Anwendung des Tropfenabscheiders in einer Wärmepumpe, wie es anhand von 8 dargestellt ist.
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Darüber hinaus wird es bevorzugt, dass, wie es ebenfalls in 2 gezeigt ist, der jeweilige erste Abschnitt 101a, 201a einer Schaufel in Arbeitsposition des Tropfenabscheiders vertikal angeordnet ist, also in Richtung der Hauptgasstromrichtung, wie sie bei 230 gezeigt ist. 230 zeigt den Gasstrom generell typischerweise mit Tropfen, der durch die entsprechenden zweiten Abschnitte 201b, 101b umgelenkt wird, und zwar bei dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel nach rechts. Bei der rotatorischen Implementierung des Tropfenabscheiders, wie er noch Bezug nehmend auf die 3a–5b dargestellt ist, wird der Gasstrom nicht nur nach rechts abgelenkt, sondern in Rotation versetzt, was insbesondere für eine effiziente Verdampfung günstig ist, weil der Gasstrom, der durch den dem Verdampfer nachgeschalteten Verdichter angesaugt wird, dann wesentlich stabiler verläuft als wenn eine Rotationsausrichtung nicht vorhanden wäre.
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Der Tropfenabscheider ist somit gewissermaßen „blickdicht”, wenn der erste und der zweite Träger zusammengefügt sind, während jedoch die beiden Einzelteile nicht „blickdicht” sind, also einen direkten Durchgang von der einen auf die andere Seite aufweisen.
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Die Anordnung der ersten und zweiten Abschnitte der Schaufeln dahin gehend, dass zwischen den beiden Abschnitten ein entsprechender stumpfer Winkel ist, ist dahin gehend besonders günstig, weil damit die Tropfen, die an die Abschnitte fliegen, nicht nach oben beschleunigt werden können, sondern nach unten, entweder direkt dort, wo sie auf den Tropfenabscheider auftreffen, abtropfen oder aber an der schrägen Kante des zweiten Abschnitts 201b beispielsweise schräg nach unten über den stumpfen Winkel und dann senkrecht nach unten in den Verdampfer zurückfließen. Die Tropfen fliegen also nahezu ungebremst auf die ersten oder zweiten Abschnitte der Schaufeln und werden dann nach unten gelenkt, jedoch nie nach oben gelenkt.
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Bei den in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispielen ist der Tropfenabscheider zweiteilig ausgeführt. Es sei darauf hingewiesen, dass auch eine mehrteilige Ausführung möglich ist, wobei dann jeder Träger mit entsprechend weniger Schaufeln verbunden ist. Bei den in den 3a–5b gezeigten Ausführungsbeispielen sind insgesamt 48 Schaufeln vorhanden, wobei 24 Schaufeln an dem ersten Träger angebracht sind und 24 Schaufeln an dem anderen Träger angebracht sind. Genauso könnte jedoch auch eine dreiteilige Form gewählt werden, bei der 16 Schaufeln an dem ersten Träger angebracht sind, 16 Schaufeln an dem zweiten Träger angebracht sind und wieder 16 Schaufeln an einem dritten Träger angebracht sind. Durch Ineinanderverschachteln der drei Träger wieder dahin gehend, dass zwischen zwei Schaufeln einer Anzahl von Schaufeln eine Schaufel einer anderen Anzahl von Schaufeln angeordnet ist, und zwar vorzugsweise so, dass die Reihenfolge der Schaufeln zwischen zwei Schaufeln des ersten Trägers beispielsweise immer gleich ist, wird dann wieder ein Tropfenabscheider erhalten, der 48 Schaufeln hat. Die Reihenfolge wäre dann, wenn man in einer Richtung des Tropfenabscheiders geht, so dass eine Schaufel vorn ist, die nur mit dem ersten Träger verbunden ist, dann würde benachbart eine Schaufel kommen, die nur mit dem zweiten Träger verbunden ist und dann wiederum benachbart zu dieser Schaufel würde eine Schaufel eines dritten Trägers kommen, also eine Schaufel, die nur mit dem dritten Träger verbunden ist, usw.
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Diese zweiteilige oder mehrteilige Ausführungsform mit einem ersten Träger, einem zweiten Träger und gegebenenfalls einem weiteren Träger führt dazu, dass die einzelnen Träger/Schaufel-Kombinationen einfach herstellbar sind und dass hierzu ein langlebiges robustes An-Auf-Werkzeug zum Kunststoffspritzguss verwendet werden kann, weil keine problematischen Hinterschnitte gegossen werden müssen.
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Bei weiteren Ausführungsbeispielen erstrecken sich die entsprechenden Schaufeln radial nach außen. Ferner wird es bevorzugt, dass die Anzahlen der Schaufeln für jeden Träger gleich sind. Ferner wird es bevorzugt, dass aufgrund einfacher Herstellbarkeit die erste Anzahl von Schaufeln so an dem ersten Träger angeordnet ist, dass ein direkter Weg zwischen zwei Schaufeln offen ist. Dasselbe gilt auch für die zweite Anzahl von Schaufeln. Wenn jedoch der erste und der zweite Träger zusammengefügt sind, dann ist der direkte Weg zwischen zwei benachbarten Schaufeln, also zwischen jeweils einer Schaufel des ersten Trägers und einer Schaufel des zweiten Trägers versperrt.
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Wie es in 2 beispielsweise gezeigt ist, hat ein Tropfenabscheider eine erste Seite, die dem Tropfen ausgesetzt ist, nämlich die Unterseite, wo die ersten Abschnitte 101a, 102a sind. Ferner ist die zweite Seite, mit den zweiten Abschnitten 101b, 201b dem Gasstrom zugewandt, der von den Tropfen befreit ist, wie es bei 230 in 2 gezeigt ist. Ferner wird es bevorzugt, dass die ersten Abschnitte der Schaufeln der ersten und zweiten Anzahl von Schaufeln im Wesentlichen parallel zu einer Gesamtgasströmung auf der ersten Seite angeordnet sind, so dass die Gasströmung durch die zweiten Abschnitte der Schaufeln umgelenkt wird, jedoch durch die ersten Abschnitte der Schaufeln nicht umgelenkt wird. Dies ist für einen besonders günstigen Strömungswiderstand, also einen besonders niedriger Strömungswiderstand des Tropfenabscheiders, von hoher Bedeutung.
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Bei bevorzugten Ausführungsbeispielen sind die ersten und zweiten Träger relativ rotationssymmetrisch, abgesehen von bestimmten Bohrungen bzw. von bestimmten anderen Konstruktionsdetails, wobei die zweiten Abschnitte bzw. die stumpfen Winkel so geformt und gebildet sind, dass die Gasströmung durch die zweiten Abschnitte in eine rotierende Gasströmung umgeleitet wird, wie es beispielsweise bei 800 in 8 dargestellt ist.
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Wie gesagt, wird es bevorzugt, dass die Schaufeln und die Träger aus einem Kunststoff-Spritzguss-Material gebildet sind, wobei jedoch andere Materialien ebenfalls verwendet werden können, wobei sich auch wenn andere Materialien und andere Verfahren zur Herstellung verwendet werden, die Herstellung ebenfalls vereinfacht, weil auf eine mehrteilige Ausführungsform des Tropfenabscheiders gegangen worden ist.
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3a zeigt ein Oberteil eines Tropfenabscheiders mit einer Anzahl von Schaufeln 101, 102, 103, 104, die alle an dem ersten Träger 100 angebracht sind.
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3b zeigt eine Draufsicht auf die Oberseite, wo der Träger 100 zentral dargestellt ist, und wo sich die einzelnen Schaufeln 101, 102, 103, 104 radial nach außen erstrecken. Die sich radial nach außen erstreckenden Schaufeln müssen jedoch nicht an allen Stellen gleich lang sein, wie es z. B. rechts unten in 3b oder links oben gezeigt ist, wo etwas kürzere Schaufeln vorhanden sind. Dies kann an einer entsprechenden Formung des Gehäuses, an dem der Tropfenabscheider angeordnet ist, liegen und ist nicht wesentlich. 4a zeigt ein Unterteil bzw. den zweiten Träger 200 wieder mit Schaufeln 201, 202, 203, 204. 4b zeigt eine Ansicht von unten auf den Träger 200 und die Schaufeln 201, 202, 203, 204.
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5a zeigt den zusammengebauten Tropfenabscheider in der Draufsicht, während 5b den zusammengebauten Tropfenabscheider in der Seitenansicht zeigt. Wie es in den 3a–5b dargestellt ist, gehört der erste Träger 100 zu einem Oberteil bzw. einer Oberseite des Tropfenabscheiders. Ferner wird es bevorzugt, dass der erste Träger eine nach oben hin gewölbte Form hat, die dahin gehend vorteilhaft ist, dass stabile Schaufelverbindungen erreicht werden können. Ferner hat der zweite Träger 200 eine nach der Mitte hin verjüngende ebenfalls gewölbte Form, wie es bei 200 in 5b gezeigt ist. Außerdem sind zur Verstärkung der Schaufelverbindungen Verstärkungsrippen angeordnet, wie es von der Ansicht von unten in 4b ersichtlich ist.
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Das Zusammenfügen des ersten und des zweiten Trägers ist schematisch in 7 gezeigt. In der oberen Ansicht von 7 sind bestimmte Zusammenfügelemente des ersten und des zweiten Trägers getrennt voneinander gezeigt. Durch eine lineare Bewegung werden dann der erste und der zweite Träger zueinander gebracht, damit hierfür vorgesehene Oberflächen 701, 702 anstoßen, wobei diese Oberflächen so geformt sind, dass die an den Trägern befestigten Schaufeln damit bezüglich der Höhe des Tropfenabscheiders gleich hoch angeordnet sind. Durch eine relative Dreh-Bewegung, bis die Drehoberflächen 703, 704 an die entsprechenden Oberflächen des anderen Trägers anstoßen, werden die Schaufeln ausgerichtet, derart, dass die Abstände zwischen zwei Schaufeln des einen Trägers und der jeweiligen Schaufel des anderen Trägers gleich sind. Durch die relative Drehbewegung in der unteren Ansicht von 7 werden somit gleichzeitig die Schaufeln ausgerichtet. Es wird bevorzugt, dass die beiden Träger dann durch Einrasten in ihrer Arbeitsposition bleiben. Alternativ kann jedoch auch ein Kleben oder eine sonstige Verbindung des ersten und des zweiten Trägers verwendet werden, um den ersten und den zweiten Träger in der Arbeitsposition miteinander zu verbinden, dass die Schaufeln sowohl zueinander als auch in ihrer einzelnen Höhe ausgerichtet sind.
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Der erste und der zweite Träger sind bei Ausführungsbeispielen so ausgebildet, dass der erste Träger und der zweite Träger durch eine relative Drehbewegung zueinander einrastbar sind, wobei im eingerasteten Zustand die Schaufeln der ersten Anzahl und die Schaufeln der zweiten Anzahl verschachtelt angeordnet sind und ferner so ausgerichtet sind, dass die Abstände einer Schaufel zu den benachbarten Schaufeln im Wesentlichen gleich sind oder innerhalb von einer Toleranz von 10% wenigstens gleich sind.
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6a zeigt eine schematische Schaufelansicht, also eine schematische Ansicht einer Schaufel mit dem ersten Abschnitt 101a und dem zweiten Abschnitt 101b für eine spezielle Anordnung, wie sie anhand der 3a–5b dargestellt ist.
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Insbesondere umfasst bei einem Ausführungsbeispiel der erste Abschnitt folgende Merkmale. Eine erste Seite 601, die an dem Träger angebracht ist, eine zweite Seite 602, die eine äußere Begrenzung darstellt, eine dritte Seite 603, die mit einer dritten Seite einer benachbarten Schaufel eine Gas/Tropfen-Einströmöffnung bildet, und eine vierte Seite 604, an der der zweite Abschnitt 101b angebracht ist. Bei der bevorzugten Ausführungsform ist die zweite Seite länger als die erste Seite und/oder ist die vierte Seite länger als die dritte Seite. Bei einem Ausführungsbeispiel umfasst der zweite Abschnitt 101b wieder eine erste Seite 611, an der der zweite Abschnitt an dem ersten Abschnitt angebracht ist, eine zweite Seite 612, die an dem Träger angebracht ist, eine dritte Seite, die eine äußere Begrenzung des zweiten Abschnitts ist und eine vierte Seite, die mit einer vierten Seite eines benachbarten zweiten Abschnitts eine Gas-Ausströmöffnung bildet, wobei die dritte Seite größer als die zweite ist und/oder die vierte Seite kleiner als die erste Seite ist. Der stumpfe Winkel ist zwischen dem ersten Abschnitt und dem zweiten Abschnitt, also an der Kante 604 gebildet, die mit der Kante bzw. Seite 611 zusammenfällt.
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6b zeigt eine Schnittansicht einer Schaufel, wobei ein Schaufelende eine spitze Kante 631 bzw. 632 an dem ersten Abschnitt 101a oder dem zweiten Abschnitt 101b aufweist. Alternativ oder zusätzlich ist an der Stelle, wo der erste Abschnitt und der zweite Abschnitt verbunden ist, eine Verstärkungsrippe 630 angeordnet. Ferner wird es bevorzugt, dass die Materialstärke von der Spitze 631 zu dem Abschnitt, wo die Verstärkungsrippe 630 angeordnet ist, zunimmt und zur anderen Spitze bzw. Kante 632 wieder abnimmt.
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Entsprechende Verstärkungsrippen sind auch z. B. bei 630 in 3a gezeigt.
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8 zeigt eine Verdampfer/Verdichter-Kombination. Diese umfasst einen Verdampferboden 802 mit einer Zuführung für zu verdampfende Arbeitsflüssigkeit 804. Ferner ist der Tropfenabscheider 806 angeordnet, und zwar in einem mittleren Bereich des Verdampfers, wobei der Tropfenabscheider so angeordnet ist, dass die ersten Abschnitte der Schaufeln zu der zu verdampfenden Arbeitsflüssigkeit hin gerichtet sind und die zweiten Abschnitte, die den Dampf, der von dem Tropfen befreit ist, in die Rotationsrichtung 800 versetzen, zu einem Turboverdichter 808 hin gerichtet sind, also zu einem Kompressor zum Abführen der verdampften Arbeitsflüssigkeit, z. B. zu einem Verflüssigen, wie es bei 810 gezeigt ist.
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Ferner sind die zweiten Abschnitte so geformt und angeordnet, dass eine durch den Turboverdichter 808 angesaugte verdampfte Arbeitsflüssigkeit in eine Rotation mit einer Rotationsrichtung versetzt wird, wobei der Turboverdichter so ausgebildet ist, dass ein Verdichterrad entgegen der Rotationsrichtung 800 betrieben wird. Damit wird für eine maximale Wärme/Kälteleistung einer Wärmepumpe mit dem Verdampfer/Verdichter ein höherer Massestrom im komprimierten Dampf zum Verflüssigen hin erreicht. Würde der Kompressor hingegen gleichläufig, in Richtung der Rotationsrichtung das Verdichterrad drehen, so würde statt einer maximalen Wärme/Kälteleistung ein höheres Verdichtungsverhältnis erreicht werden.
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Bei einem Verfahren zum Herstellen eines Tropfenabscheiders wird in einem ersten Schritt beispielsweise durch Kohlenstoffspritzguss der erste Träger mit der ersten Anzahl von Schaufeln bereitgestellt und wird in einem zweiten Schritt wieder beispielsweise durch Kunststoffspritzguss der zweite Träger mit der zweiten Anzahl von Schaufeln bereitgestellt. In einem dritten Schritt werden dann die beiden Teile zusammengefügt. Bei einer Ausführungsform umfasst das Zusammenfügen das Ausrichten des ersten Trägers und des zweiten Trägers so, dass die erste Anzahl von Schaufeln und die zweite Anzahl von Schaufeln verschachtelt zueinander sind, wie es z. B. in der oberen Ansicht in 7 gezeigt ist. Dann wird der erste Träger und wird der zweite Träger aufeinander zubewegt, bis die Schaufeln verschachtelt angeordnet sind, wie es z. B. durch die lineare Bewegung in der mittleren Ansicht von 7 schematisch dargestellt ist. Schließlich wird in einem weiteren Schritt eine Verdrehung der Träger durchgeführt, bis die Schaufeln des ersten und des zweiten Trägers zueinander ausgerichtet sind, wobei dann gleichzeitig oder in einem separaten Schritt eine Befestigung des ersten und des zweiten Trägers beispielsweise durch Kleben, Einrasten, etc. erreicht wird, um einen fertigen Tropfenabscheider zu haben.
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Obwohl manche Aspekte im Zusammenhang mit einer Vorrichtung beschrieben wurden, versteht es sich, dass diese Aspekte auch eine Beschreibung des entsprechenden Verfahrens darstellen, sodass ein Block oder ein Bauelement einer Vorrichtung auch als ein entsprechender Verfahrensschritt oder als ein Merkmal eines Verfahrensschrittes zu verstehen ist. Analog dazu stellen Aspekte, die im Zusammenhang mit einem oder als ein Verfahrensschritt beschrieben wurden, auch eine Beschreibung eines entsprechenden Blocks oder Details oder Merkmals einer entsprechenden Vorrichtung dar.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 2016349 B1 [0002]
- DE 102012220186 A1 [0022]
- CN 101791505 [0023]
