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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Wärmeübertrager für ein Kraftfahrzeug, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Erfindung betrifft des Weiteren ein Wärmeübertragersystem mit zumindest zwei Wärmeübertragern.
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Wärmeübertrager dienen der Temperierung von Fluiden und Gegenständen und kommen in zahlreichen Anwendungen zum Einsatz. Derartige Wärmeübertrager können insbesondere in einem Kraftfahrzeug zum Einsatz kommen, um für den Betrieb des Kraftfahrzeugs benötigte Fluide und Gegenstände zu temperieren, das heißt zu kühlen und/oder zu erwärmen. Zur Temperierung derartiger Fluide und/oder Gegenstände weisen Wärmeübertrager üblicherweise einen Strömungsraum auf, durch den ein Temperierfluid strömt, wobei das Temperierfluid über einen Einlass in den Strömungsraum und über einen Auslass aus dem Strömungsraum geführt wird.
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Zum Einstellen entsprechender Betriebszustände des Wärmeübertragers und/oder zum Anpassen des Wärmeübertragers an die erwünschten Temperierbedingungen ist es vorstellbar, Zustandsgrößen des Wärmeübertragers zu überwachen und ggf. Maßnahmen einzuleiten, um besagte gewünschte Betriebszustände bzw. Temperierbedingungen zu erzielen.
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Aus der
US 6,817,408 B2 ist es bspw. bekannt, an fluidführenden Rohren eines Wärmeübertragers Temperatursensoren anzubringen, um die Temperatur im Wärmeübertrager zu bestimmen. Die somit bestimmte Temperatur wird an eine Steuereinrichtung übertragen, die ein Ventil zum Verstellen der Durchströmung des Strömungsraums vom Temperierfluid abhängig von der ermittelten Temperatur ansteuert.
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Die
WO 2013/048858 A1 hat einen Wärmeübertrager zum Gegenstand, in dem eine Temperatursonde eingeführt ist, um die Temperatur innerhalb des Wärmeübertragers zu bestimmen. Hierdurch wird insbesondere ein Gefrieren des Temperierfluids und/oder des zu temperierenden Fluids überwacht und verhindert.
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Derartige Überwachungen von Wärmeübertragern führen zu einer aufwendigen Integration der Wärmeübertrager in zugehörige Anwendungen, welche den Einsatz solcher Wärmeübertrager insbesondere zeitaufwendig und teuer machen.
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Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich daher mit dem Problem, für einen Wärmeübertrager der eingangs genannten Art sowie für ein Wärmeübertragersystem mit zumindest zwei Wärmeübertragern verbesserte oder zumindest andere Ausführungsformen anzugeben, die sich insbesondere durch eine vereinfachte Integration in zugehörigen Anwendungen auszeichnen.
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Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Die vorliegende Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, einen Wärmeübertrager mit einer Sensoreinrichtung zum Bestimmen wenigstens einer Zustandsgröße des Wärmeübertragers sowie mit einem Aktuator zum Verstellen zumindest eines Parameters des Wärmeübertragers abhängig von der bestimmten Zustandsgröße zu versehen und die Sensoreinrichtung sowie den Aktuator innerhalb des Wärmeübertragers anzuordnen. Somit kann die Überwachung und Bestimmung der Zustandsgrößen sowie das Verstellen des Parameters abhängig von der Zustandsgröße wärmeübertragerintern erfolgen, was ein autonomeres und/oder unabhängigeres Betreiben des Wärmeübertragers ermöglicht. Insbesondere lässt sich der Wärmeübertrager somit vereinfacht in einer zugehörigen Anwendung, insbesondere in einem zugehörigen Kraftfahrzeug, integrieren. Im Vergleich zu aus dem Stand der Technik bekannten Wärmeübertragern ist ein solcher Aktuator also nicht außerhalb des Wärmeübertragers angeordnet und erfordert somit nicht zusätzlichen Montage- und Verstellaufwand, was zur besagten vereinfachten Integration des Wärmeübertragers führt.
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Dem Erfindungsgedanken entsprechend weist der Wärmeübertrager einen Strömungsraum auf, der von einem Temperierfluid durchströmt ist. Mittels des Temperierfluids ist es hierbei möglich, ein anderes Fluid und/oder einen Gegenstand zu Temperieren, das heißt zu kühlen und/oder zu erwärmen. Das Temperierfluid gelangt über einen Einlass in den Wärmeübertrager und zum Strömungsraum und wird über einen Auslass aus dem Wärmeübertrager und dem Strömungsraum abgeführt. Dabei ist der Wärmeübertrager mit zumindest einer solchen Sensoreinrichtung versehen, die der Bestimmung wenigstens einer Zustandsgröße des Wärmeübertragers dient und innerhalb des Wärmeübertragers angeordnet ist. Insbesondere ist es dabei vorstellbar, zumindest eine solche Sensoreinrichtung im Strömungsraum anzuordnen. Erfindungsgemäß ist wenigstens ein solcher Aktuator vorgesehen, der dem Verstellen eines Parameters des Wärmeübertragers dient und abhängig von der zumindest einer bestimmten Zustandsgröße verstellbar ist, wobei der Aktuator innerhalb des Wärmeübertragers angeordnet ist. Der Aktuator kann dabei insbesondere innerhalb des Strömungsraums, das heißt zwischen dem Einlass und dem Auslass oder im Einlass bzw. im Auslass, angeordnet sein.
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Der Aktuator kann prinzipiell beliebig ausgestaltet sein, sofern sich hierdurch wenigstens ein Parameter des Wärmeübertragers verstellen lässt. Zumindest ein solcher Aktuator kann dabei als ein Ventil oder eine Ventileinrichtung ausgestaltet sein.
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Mittels der jeweiligen Sensoreinrichtung kann eine beliebige Zustandsgröße des Wärmeübertragers ermittelt und bestimmt werden. Vorstellbar ist es insbesondere als Zustandsgröße die Temperatur und/oder den Druck innerhalb des Wärmeübertragers, insbesondere die Temperatur des Temperierfluids und/oder eines zu temperierenden Fluids bzw. den Druck im Temperierfluid und/oder im zu temperierenden Fluid, zu bestimmen.
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Dabei ist es vorstellbar, mittels des Wärmeübertragers ein beliebiges Fluid im Kraftfahrzeug zu temperieren. Bevorzugt ist es hierbei, wenn das zu temperierende Fluid und das Temperierfluid fluidisch getrennt durch den Wärmeübertrager geführt sind. Das heißt, dass der Wärmeübertrager einen vom Fluid durchströmbaren Temperierraum aufweist, der fluidisch vom Strömungsraum getrennt ist. Hierbei kann ein beliebiges Fluid des Kraftfahrzeugs temperiert werden. Zu denken ist an die Temperierung von Frischluft für eine Brennkraftmaschine des Kraftfahrzeugs. Zu denken ist ebenfalls an die Temperierung von Luft einer Klimaanlage des Kraftfahrzeugs zum Klimatisieren eines Innenraums des Kraftfahrzeugs.
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Ebenso ist es vorstellbar, mittels des Wärmeübertragers einen Gegenstand des Kraftfahrzeugs zu temperieren. Ein solcher Gegenstand ist insbesondere ein solcher, der während des Betriebs des Kraftfahrzeugs innerhalb eines erwünschten oder vorgegebenen Temperaturbereichs zu halten ist. Der Wärmeübertrager kann insbesondere zum Temperieren eines elektrischen Energiespeichers, bspw. eines Akkumulators, des Kraftfahrzeugs zum Einsatz kommen.
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Bei bevorzugten Ausführungsformen steht der von dem zumindest einen Aktuator verstellte Parameter mit wenigstens einer solchen, bestimmten Zustandsgröße in Zusammenhang. Vorstellbar ist es insbesondere, dass der Parameter und die Zustandsgröße voneinander abhängen, derart, dass ein Verstellen bzw. Verändern des Parameters zu einer entsprechenden Veränderung der Zustandsgröße führt. Vorstellbar hierbei ist es insbesondere, dass der Parameter der Zustandsgröße entspricht. Hierdurch ist es insbesondere möglich, innerhalb des Wärmeübertragers einen Regelkreis zu realisieren, der eine Bestimmung bzw. Ermittlung der Zustandsgröße und eine Änderung der Zustandsgröße innerhalb des Wärmeübertragers ermöglicht. Somit kann der Wärmeübertrager unabhängiger bzw. autonomer betrieben werden. Insbesondere können entsprechende externe Regelkreise, insbesondere fahrzeugseitige Regelkreise, entfallen.
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Zum Verstellen bzw. Ändern des Parameters abhängig von der bestimmten Zustandsgröße kann eine Steuereinrichtung vorgesehen sein. Die Steuereinrichtung empfängt hierbei die von zumindest einer solchen Sensoreinrichtung bestimmten Zustandsgröße und steuert wenigstens einen solchen Aktuator abhängig von der Zustandsgröße an. Hierzu ist die Steuereinrichtung vorzugsweise kommunizierend mit der Sensoreinrichtung und dem Aktuator verbunden. Mittels der Steuereinrichtung ist es vorteilhaft möglich, unterschiedliche Betriebsmodi des Wärmeübertragers zu betreiben. Das heißt, dass die Steuereinrichtung bevorzugt derart ausgestaltet ist, dass in unterschiedlichen Betriebsmodi abhängig von der bestimmten zumindest einen Zustandsgröße unterschiedliche Ansteuerungen zumindest eines solchen Aktuators erfolgen. Die Betriebsmodi können hierbei mit entsprechenden Betriebsmodi des zugehörigen Kraftfahrzeugs abgestimmt sein. Beispielsweise kann bei einem Sportmodus eine andere Ansteuerung zumindest eines solchen Aktuators erfolgen als bei einem Sparmodus, bei dem das Kraftfahrzeug sparsamer betrieben wird. Hierdurch ist es insbesondere möglich, das sportliche Verhalten des Kraftfahrzeugs zu verbessern bzw. das Kraftfahrzeug insgesamt sparsamer zu betreiben und somit insbesondere die Reichweite des Kraftfahrzeugs, insbesondere bei elektrisch oder teilelektrisch betriebenen Kraftfahrzeugen, zu erhöhen.
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Die Steuereinrichtung kann prinzipiell beliebig angeordnet sein. Insbesondere ist es vorstellbar die Steuereinrichtung oder zumindest Komponenten davon in die Sensoreinrichtung und/oder in den Aktuator zu integrieren.
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Bevorzugt sind Ausführungsformen, bei denen die Steuereinrichtung am oder innerhalb des Wärmeübertragers angeordnet ist. Das heißt, dass die Steuereinrichtung Teil des Wärmeübertragers ist. Hierdurch ist der Wärmeübertrager insgesamt autonomer ausgestaltet und lässt sich vereinfacht in zugehörige Anwendungen, insbesondere in das Kraftfahrzeug einbinden. Zudem ist der Wärmeübertrager hierdurch „intelligent ausgestaltet“, da das Bestimmen der zumindest einen Zustandsgröße, deren Auswertung und das davon abhängige Ansteuern des zumindest einen Aktuators im Wärmeübertrager selbst, das heißt wärmeübertragerintern, erfolgen und somit bspw. keiner externen Überwachung, Regelung und/oder Ansteuerung bedürfen.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des Wärmeübertragers weist der Wärmeübertrager eine Datenverbindung zur Datenübertragung zwischen dem Wärmeübertrager und dem zugehörigen Kraftfahrzeug auf. Eine solche Datenverbindung kann hierbei prinzipiell kabellos erfolgen. Zu denken ist auch an Ausgestaltungen, bei denen die Datenverbindung kabelgebunden ist, so dass die Datenverbindung zumindest ein Kabel aufweist. Die Datenverbindung erlaubt dabei insbesondere eine Kommunikation zwischen dem Wärmeübertrager und dem zugehörigen Kraftfahrzeug. Die Datenverbindung erlaubt also insbesondere ein Vernetzen des Wärmeübertragers mit dem zugehörigen Kraftfahrzeug. Mittels der Datenverbindung werden hierbei beliebige Parameter und/oder Zustandsgrößen des Wärmeübertragers an das Kraftfahrzeug übertragen und/oder umgekehrt. Vorstellbar ist es insbesondere, mittels der Datenverbindung zumindest eine solche bestimmte Zustandsgröße, zumindest eine Stellung eines solchen Aktuators bzw. eine Aktuatorstellung, die momentane Verstellung bzw. Ansteuerung zumindest eines solchen Aktuators und dergleichen an das Kraftfahrzeug zu übertragen. Mittels der Datenverbindung ist es ebenfalls möglich, beliebige Parameter bzw. Zustandsgrößen des Kraftfahrzeugs an den Wärmeübertrager zu übertragen. Dabei ist es insbesondere vorstellbar, dass die Datenverbindung bzw. die Datenübertragung mit einer fahrzeugseitigen Steuereinrichtung erfolgt. Insbesondere ist vorstellbar, über die Datenverbindung eine Datenübertragung zwischen einer kraftfahrzeugseitigen Steuereinrichtung und einer solchen Steuereinrichtung des Wärmeübertragers herzustellen. Die Datenverbindung erlaubt es hierbei insbesondere, die Steuereinrichtung des Wärmeübertragers zu entsprechenden Ansteuerungen zumindest eines solchen Aktuators abhängig von wenigstens einer Zustandsgröße des Wärmeübertragers und/oder des Kraftfahrzeugs anzusteuern. Vorstellbar ist es dabei, die Betriebsmodi des Kraftfahrzeugs und des Wärmeübertragers aneinander anzupassen. Zu denken ist auch an Ausführungsformen, bei denen über die Datenverbindung eine entsprechende Umgestaltung der Steuereinrichtung, insbesondere über eine Programmierung der Steuereinrichtung, dahingehend zu ermöglichen, dass bspw. die Ansteuerung zumindest eines solchen Aktuators geändert wird.
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Vorteilhaft sind hierbei Varianten, bei denen die Datenverbindung mit einem weiteren Anschluss des Wärmeübertragers gemeinsam ausgebildet ist. Somit kann die Datenverbindung und der weitere Anschluss gemeinsam erfolgen, so dass der Montageaufwand des Wärmeübertragers in das zugehörige Kraftfahrzeug und/oder die Integration des Wärmeübertragers in das Kraftfahrzeug vereinfacht wird. Vorstellbar ist es hierbei insbesondere, die Datenverbindung mit dem Einlass oder dem Auslass in einem gemeinsamen Anschluss vorzusehen. Ein solcher Anschluss kann als ein Stecker oder eine Steckeraufnahme ausgestaltet sein. In diesem Fall erfolgt also die fluidische Verbindung und die Datenverbindung des Wärmeübertragers mit dem Kraftfahrzeug über einen solchen gemeinsamen Anschluss.
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Die jeweilige Sensoreinrichtung kann prinzipiell beliebig ausgestaltet sein, sofern sie sich zum Bestimmen zumindest einer Zustandsgröße des Wärmeübertragers eignet.
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Die Sensoreinrichtung kann zumindest einen Bestandteil bzw. ein Bauteil aufweisen, das mittels Verlötung im Wärmeübertrager oberflächenmontiert ist. Auch ist es vorstellbar, die Steuereinrichtung des Wärmeübertragers mit zumindest einem solchen Bauteil zu versehen, das mittels Verlötung im oder am Wärmeübertrager oberflächenmontiert ist. Eine solche Oberflächenmontierung mittels Verlötung, auch als surface mounted device oder SMD bekannt, erlaubt hierbei ein besonders einfaches und zuverlässiges Anbringen der Sensoreinrichtung im Wärmeübertrager bzw. der Steuereinrichtung am oder im Wärmeübertrager. Hierbei ist bspw. im Vergleich zu einer Durchsteckmontage, auch bekannt als THT, kein Versehen des Wärmeübertragers mit entsprechenden Aufnahmeöffnungen erforderlich.
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Der Wärmeübertrager kann prinzipiell aus einem beliebigen Material hergestellt sein. Vorstellbar ist es insbesondere, den Wärmeübertrager aus einem Metall oder einer Metalllegierung herzustellen. Vorstellbar ist es auch, den Wärmeübertrager aus einem Kunststoff herzustellen.
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Zu denken ist auch an Varianten, bei denen der Wärmeübertrager zumindest bereichsweise aus Kunststoff hergestellt ist. Das heißt, dass der Wärmeübertrager als ein Hybridbauteil aus Kunststoff und Metall hergestellt sein kann. Dabei ist zumindest ein Abschnitt, insbesondere ein Bauteil, des Wärmeübertragers aus Kunststoff hergestellt.
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Bei bevorzugten Ausführungsformen ist zumindest ein Abschnitt des Wärmeübertragers aus Kunststoff hergestellt, wobei wenigstens eine solche Sensoreinrichtung auf den Kunststoff des Abschnitts angebracht ist.
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Vorteilhaft sind hierbei Ausführungsformen, bei denen der Abschnitt als spritzgegossener Schaltungsträger mit metallisch leitenden Leiterbahnen ausgebildet ist, wobei wenigstens eine solche Sensoreinrichtung auf zumindest einer solchen Leiterbahn angebracht ist. Der Abschnitt des Wärmeübertragers kann dabei durch ein Zweikomponenten-Spritzgussverfahren hergestellt sein, bei dem Kunststoff und zum Ausbilden der Leiterbahnen ein metallisches Material angespritzt werden. Der Abschnitt ist also insbesondere als ein so genanntes molded interconnect device (MID), vorzugsweise als ein 3D-MID-Bauteil, ausgestaltet. Dies ermöglicht ein besonders kostengünstiges, einfaches Versehen des Wärmeübertragers mit der Sensoreinrichtung.
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Analog hierzu ist es vorstellbar, die Steuereinrichtung auf einen solchen Abschnitt aus Kunststoff anzubringen. Insbesondere ist es vorstellbar, die Steuereinrichtung analog auf einen solchen, als spritzgegossenen Schaltungsträger auszubildenden Abschnitt anzubringen.
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Der jeweilige Aktuator kann prinzipiell beliebig ausgestaltet sein, sofern er sich im Wärmeübertrager anordnen lässt und das Ändern bzw. Verstellen zumindest eines Parameters des Wärmeübertragers erlaubt.
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Vorstellbar ist es, zumindest einen solchen Aktuator mit einem von einer solchen Zustandsgröße des Wärmeübertragers abhängigen Formgedächtnismaterial zum Verstellen des Aktuators zu versehen. Das heißt, dass das Formgedächtnismaterial sich abhängig von der Zustandsgröße verformt und sich insbesondere innerhalb eines vorgegebenen Bereichs der Zustandsgröße in seine ursprüngliche Form zurückverformt. Somit erfolgt also ein Verstellen des Aktuators. Der Einsatz derartiger Formgedächtnismaterialien hat den Vorteil, dass keine zusätzliche Ansteuerung des Aktuators erforderlich ist, so dass insbesondere auf Steuereinrichtung und dergleichen verzichtet werden kann. Zudem kann das Formgedächtnismaterial auch als eine solche Sensoreinrichtung fungieren, so dass eine solche Sensoreinrichtung und der zugehörige Aktuator in einen bzw. einteilig ausgestattet sein können. Darüber hinaus erfordert ein solches Formgedächtnismaterial keine externe Versorgung mit Energie, insbesondere keine externe Versorgung mit elektrischer Energie, so dass eine stärkere Unabhängigkeit des Wärmeübertragers erreicht wird. Ein solches Formgedächtnismaterial kann insbesondere aus einer Metalllegierung hergestellt sein.
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Zu denken ist auch an Ausführungsformen, bei denen zumindest ein solcher Aktuator als ein thermoelastisches Expansionsventil, insbesondere als ein so genanntes TXV, ausgebildet ist. Das heißt, dass der Aktuator abhängig von der in der Umgebung des Aktuators herrschenden Temperatur verformt und verstellt wird, wobei diese Verformung elastisch erfolgt. Auch ein solcher Aktuator erfordert also insbesondere keine externe Ansteuerung, das heißt insbesondere keine Steuereinrichtungen. Zudem kann auf eine separate Sensoreinrichtung verzichtet werden. Zudem erfordert ein solcher Aktuator keine Versorgung mit Energie, insbesondere keine elektrische Versorgung.
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Vorteilhaft sind auch Ausführungsformen, bei denen zumindest ein solcher Aktuator ein elektrisch verstellbares Verstellelement zum Verstellen des Aktuators aufweist. Der Aktuator kann also insbesondere als ein elektrisches Ventil, insbesondere als ein EXV, ausgebildet sein. Der Einsatz solcher Aktuatoren bietet den Vorteil, dass der Aktuator über größere Bereiche der zugehörigen Zustandsgröße, insbesondere nicht lediglich in einem vorbestimmten Bereich der Zustandsgröße, verstellbar ist. Dies erlaubt einen flexibleren Einsatz des Aktuators.
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Ein solches, elektrisch verstellbares Verstellelement kann dabei insbesondere als ein piezoelektrisches Verstellelement ausgebildet sein. Dies bietet den Vorteil, dass der Aktuator genauer bzw. exakter verstellbar ist. Zudem bedarf es zur Verstellung derartiger Aktuatoren weniger elektrischer Energie.
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Zur Versorgung von Komponenten des Wärmeübertragers, insbesondere von zumindest einer solchen Sensoreinrichtung und/oder zumindest eines solchen Aktuators und/oder der Steuereinrichtung, kann der Wärmeübertrager mit einem elektrischen Energieversorger versehen sein. Ein solcher elektrischer Energieversorger kann bspw. ein Akkumulator sein, der über entsprechend elektrische Verbindungen und/oder induktiv wiederaufladbar ist. Vorstellbar ist es auch, einen solchen elektrischen Energieversorger mit einer langen Lebenszeit einzusetzen, so dass über die Lebensdauer des Wärmeübertragers keine oder lediglich eine geringe Anzahl von Aufladungen des elektrischen Energiespeichers notwendig sind.
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Der Wärmeübertrager kann prinzipiell Bestandteil eines Wärmeübertragersystems mit mehreren Wärmeübertragern sein. Ein solches Wärmeübertragersystem weist also wenigstens zwei Wärmeübertrager auf, wobei wenigstens einer der Wärmeübertrager erfindungsgemäß ausgebildet ist. Der Einsatz des erfindungsgemäßen Wärmeübertragers im Wärmeübertragungssystem erlaubt hierbei eine einfachere und/oder unabhängigere Regelung des Wärmeübertragungssystems, insbesondere im Vergleich zu solchen Systemen, bei denen alle Wärmeübertrager über externe Aktuatoren geregelt werden. Insbesondere ist es hierdurch möglich, das Wärmeübertragersystem, zumindest im Bereich des erfindungsgemäßen Wärmeübertragers selbstregulierend auszubilden. Auch ist es hierdurch möglich, schnellere Reaktionen des Wärmeübertragersystems, insbesondere auf Änderungen zumindest einer solchen Zustandsgröße und/oder auf vorgegebene Anforderungen, zu erzielen.
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Der erfindungsgemäße Wärmeübertrager lässt sich vorteilhaft in einem solchen Wärmeübertragersystem einbinden, der einen Temperierkreis aufweist, in dem das Temperierfluid in Betrieb zirkuliert, wobei zumindest zwei Wärmeübertrager des Systems, von denen wenigstens eine erfindungsgemäß ausgebildet ist, im Temperierkreis eingebunden sind. Das heißt, dass die zumindest zwei Wärmeübertrager vom Temperierfluid durchströmt sind. Durch den gemeinsamen Temperierkreis kann also auf eine separate Einbindung des jeweiligen Wärmeübertragers in einem separaten zugehörigen Temperierkreis verzichtet werden, so dass das System insgesamt vereinfacht wird. Hierdurch wird zudem Bauraum und Gewicht eingespart. Die selbstregulierende Ausbildung des erfindungsgemäßen Wärmeübertragers erlaubt es zudem, das System effizienter auszugestalten und/oder schneller auf Anforderungen und/oder Änderungen zumindest einer solchen Zustandsgröße reagieren zu lassen. Der Temperierkreis kann dabei als eine gemeinsame Ringleitung des Wärmeübertragersystems ausgebildet sein. Die selbstregulierende Ausgestaltung des Wärmeübertragers kann insbesondere dafür eingesetzt werden, die jeweils benötigte Menge an Temperierfluid durch eine entsprechende Verstellung zumindest eines solchen Aktuators aus dem Temperierkreis abzugreifen. Somit kann eine komplizierte, oft schwer realisierbare Anpassung unterschiedlicher Wärmeübertrager an eine entsprechende Temperierfluidverteilung verzichtet werden.
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Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Komponenten beziehen.
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Es zeigen, jeweils schematisch,
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1 eine stark vereinfachte Darstellung eines Kraftfahrzeugs,
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2 einen Schnitt durch einen Wärmeübertrager des Kraftfahrzeugs,
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3 die Ansicht aus 2 bei einem anderen Ausführungsbeispiel,
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4 einen Schnitt durch einen Anschluss des Wärmeübertragers,
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5 eine stark vereinfachte, schaltplanartige Darstellung eines Wärmeübertragersystems.
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1 zeigt eine stark vereinfachte Darstellung eines Kraftfahrzeugs 1. Das Kraftfahrzeug 1 weist einen Wärmeübertrager 2 auf, das von einem Fluid 3, bspw. Luft 4, durchströmt wird, wobei das Fluid 3 beim Durchströmen des Wärmeübertragers 2 temperiert, das heißt gekühlt und/oder erwärmt, wird. Die Luft 4 kann nach dem Temperieren einer nicht gezeigten Brennkraftmaschine des Kraftfahrzeugs 1 zugeführt werden. Die temperierte Luft 4 kann alternativ einem Innenraum 5 des Kraftfahrzeugs 1 zugeführt werden, um den Innenraum 5 zu temperieren. Das Kraftfahrzeug 1 weist einen weiteren solchen Wärmeübertrager 2 auf, mit dem ein elektrischer Energiespeicher 6, insbesondere ein Akkumulator 7, des Kraftfahrzeugs 1 temperiert wird. Der elektrische Energiespeicher 6 kann dabei dem Antrieb oder einem Teilantrieb des Kraftfahrzeugs 1 dienen. Der das Fluid 3, insbesondere die Luft 4, temperierende Wärmeübertrager 2 ist also insbesondere ein Fluidtemperierer 8, bspw. ein Luftkühler 8', während der den elektrischen Energiespeicher 6 temperierende Wärmeübertrager 2 ein Gegenstandtemperierer 9 insbesondere ein Akkumulatortemperierer 9' ist. Das Kraftfahrzeug 1 weist ferner eine Steuerung 10 auf, die kommunizierend mit den Wärmeübertragern 2 verbunden ist.
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In 2 ist ein solcher Wärmeübertrager 2 des Kraftfahrzeugs 1 bspw. ein solcher Fluidtemperierer 8 bzw. Luftkühler 8' im Schnitt dargestellt. Der Wärmeübertrager 2 weist einen Strömungsraum 10 auf, der von einem Temperierfluid durchströmbar ist. Der Strömungsraum 10 wird von zwei gegenüberliegenden Sammlern 11 sowie zwischen den Sammlern 11 verlaufenden Rohren 12 gebildet, die jeweils vom Temperierfluid durchströmbar sind. Einer der Sammler 11 ist mit einem Einlass 13 und der andere Sammler 11 mit einem Auslass 14 für das Temperierfluid versehen, so dass der mit dem Einlass 13 versehene Sammler 11 als Einlasssammler 11' und der mit dem Auslass 14 versehene Sammler 11 als Auslasssammler 11'' bezeichnet werden können. Zwischen den Rohren 12 und von den Sammlern 11 beschränkt ist ein vom zu temperierenden Fluid 3 durchströmbarer Fluidraum 15 angeordnet, der fluidisch vom Strömungsraum 10 getrennt ist. Das Temperierfluid tauscht hierbei über die Rohre 12 Wärme mit dem durch den Fluidraum 15 strömenden Fluid 3, insbesondere Luft 4, aus, wodurch das Fluid 3 temperiert wird.
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Der Wärmeübertrager 2 kann in Hybridbauweise realisiert sein. Im gezeigten Beispiel kann bspw. ein Kasten 16 des jeweiligen Sammlers 11 der zusammen mit einem von den Rohren 12 durchsetzten Boden 17 Bestandteil des Sammlers 11 ist, aus Kunststoff hergestellt sein, während der Boden 17 und/oder die Rohre 12 aus einem metallhaltigen Material, insbesondere aus einem Leichtmetall oder einer Legierung hergestellt sind. Der Fluidraum 15 ist an gegenüberliegenden Enden mit einem Fluideintritt 18 und einem Fluidaustritt 19 versehen, wobei das Fluid 3 durch den Fluideintritt 18 in den Fluidraum 15 gelangt und über den Fluidaustritt 19 aus dem Fluidraum 15 strömt.
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Der Wärmeübertrager 2 ist mit mehreren Sensoreinrichtungen 20 versehen, die innerhalb des Wärmeübertragers 2 angeordnet sind. Im gezeigten Beispiel ist im jeweiligen Sammler 11 versetzt zum Einlass 13 und Auslass 14 jeweils eine solche Sensoreinrichtung 20 im Strömungsraum 10 vorgesehen. Zudem ist im Fluidraum 15 eine weitere solche Sensoreinrichtung 20 vorgesehen. Mittels der jeweiligen Sensoreinrichtung 20 kann eine Zustandsgröße des Wärmeübertragers 2 ermittelt bzw. bestimmt werden. Bei der Zustandsgröße kann es sich insbesondere um eine Temperatur bzw. einen Druck handeln. Mit dem in den Sammlern 11 angeordneten Sensoreinrichtungen 20 kann also bspw. die Temperatur des Temperierfluids und/oder der Druck im Temperierfluid bestimmt werden. Mit der im Fluidraum 15 angeordneten Sensoreinrichtung 20 kann dementsprechend die Temperatur des durch den Fluidraum 15 strömenden Fluids 3 und/oder der Druck im durch den Strömungsraum 15 strömenden Fluids 3 bestimmt werden. Der Wärmeübertrager 2 ist ferner mit zumindest einem Aktuator 21 versehen, der innerhalb des Wärmeübertragers 2 angeordnet ist. Im gezeigten Beispiel weist der Wärmeübertrager 2 vier solche Aktuatoren 21 auf. Mit dem jeweiligen Aktuator 21 ist es möglich, einen Parameter des Wärmeübertragers 2 zu verstellen bzw. zu verändern. Im gezeigten Ausführungsbeispiel sind dem Einlass 13 und dem Auslass 14 jeweils ein solcher Aktuator 21 zugeordnet. Dabei kann mit dem dem Einlass 13 zugeordneten Aktuator 21, nachfolgend als Einlassaktuator 21' bezeichnet, der Querschnitt des Wärmeübertragers 2 zum Einlassen des Temperierfluids in den Strömungsraum 10 verstellt und somit der in den Strömungsraum 10 gelangende Volumenstrom des Temperierfluids verändert werden. Mit dem am Auslass 14 versehenen Aktuator 21, nachfolgend als Auslassaktuator 21'' bezeichnet, kann der zum Auslassen des Temperierfluids aus dem Strömungsraum 10 durchströmbare Querschnitt des Wärmeübertragers 2 verstellt und somit der aus dem Wärmeübertrager 2 strömende Volumenstrom des Temperierfluids verändert werden.
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Zudem sind dem Fluideintritt 18 und dem Fluidaustritt 19 jeweils ein solcher Aktuator 21 zugeordnet, mit denen die entsprechenden Querschnitte des Wärmeübertragers 2 und Volumenströme des Fluids 3 verändert werden können. Analog zur vorstehenden Erläuterung wird der dem Fluideintritt 18 zugeordnete Aktuator 21 als Eintrittaktuator 21''' und der dem Fluidaustritt 19 zugeordnete Aktuator 21 als Austrittsaktuator 21'''' bezeichnet. Mit Hilfe der Aktuatoren 21 werden also entsprechende Querschnitte des Wärmeübertragers 2 bzw. Volumenströme durch den Wärmeübertrager 2 als Parameter des Wärmeübertragers 2 verstellt. Das Verstellen dieser Parameter erfolgt hierbei abhängig von zumindest einer der mit Hilfe einer solchen Sensoreinrichtung 20 bestimmten Zustandsgröße. Insbesondere werden der Einlassaktuator 21' und/oder der Auslassaktuator 21'' abhängig von der mit Hilfe der im Strömungsraum 10 angeordneten Sensoreinrichtungen 20 bestimmten Zustandsgrößen verstellt. Analog hierzu werden der Eintrittaktuator 21''' und der Austrittaktuator 21'''' insbesondere abhängig von zumindest einer von der im Fluidraum 15 angeordneten Sensoreinrichtung 20 bestimmten Zustandsgröße verstellt. Da der mittels dem jeweiligen Aktuator 21 verstellte Parameter des Wärmeübertragers 2 mit der zugehörigen Zustandsgröße zusammenhängt, führt die Verstellung bzw. Veränderung des Parameters zu einer Veränderung der zugehörigen Zustandsgröße. Da sowohl die Sensoreinrichtungen 20 als auch die zugehörigen Aktuatoren 21 innerhalb des Wärmeübertragers 2 angeordnet sind, erfolgt somit eine im Wärmeübertrager 2 angeordnete bzw. realisierte Regelung bzw. ein Regelkreis, die insbesondere auf externe Aktuatoren und dergleichen verzichten kann.
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Der jeweilige Aktuator 21 kann hierbei beliebig ausgestaltet sein. Insbesondere kann der jeweilige Aktuator 21 als ein Ventil 22 ausgebildet sein oder ein solches Ventil 22 aufweisen. Zudem kann der jeweilige Aktuator 21 selbstgeregelt bzw. selbstverstellend sein. Das heißt, dass der jeweilige Aktuator 21 abhängig von der zugehörigen Zustandsgröße selbst verstellt wird. Hierzu kann ein solcher Aktuator 21 ein von einer solchen Zustandsgröße abhängiges Formgedächtnismaterial zum Verstellen des Aktuators 21 aufweisen. Alternativ kann ein solcher, selbstgeregelter Aktuator 21 ein thermoelastisches Expansionsventil 22' aufweisen, das abhängig von der Temperatur als Zustandsgröße elastisch verformt und somit verstellt wird.
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Vorstellbar sind auch extern verstellbare solche Aktuatoren 21. Solche Aktuatoren 21 weisen ein elektrisch verstellbares Verstellelement 23, insbesondere ein piezoelektrisches Verstellelement 23', auf. Derartige Aktuatoren 21 können also insbesondere als elektrische Ventile 22'' ausgebildet sein. Zur Versorgung derartiger, elektrisch betriebener Aktuatoren 21 ist ein elektrischer Energieversorger 24, insbesondere ein Akkumulator 24', vorgesehen. Im gezeigten Beispiel sind dem Einlass 13 und dem Auslass 14 solche, selbstregulierende Aktuatoren 21 zugewiesen, während dem Fluideintritt 18 und dem Fluidaustritt 19 solche, elektrisch betriebenen Aktuatoren 21 zugeordnet sind. Selbstverständlich kann jeder Art von Aktuator 21 dem Einlass 13, dem Auslass 14, dem Fluideintritt 18 sowie dem Fluidaustritt 19 zugeordnet werden.
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Der Wärmeübertrager 2 weist zudem eine Steuereinrichtung 25 auf, der, mit gestrichelten Linien angedeutet, mit den Sensoreinrichtungen 20 und den Aktuatoren 21 kommunizierend verbunden ist. Die Steuereinrichtung 25 empfängt die von den Sensoreinrichtungen 20 ermittelten Zustandsgrößen und steuert abhängig von den Zustandsgrößen die entsprechenden Aktuatoren 21 an. Die Ansteuerung des jeweiligen Aktuators 21 kann dabei in der Steuereinrichtung 25 hinterlegt sein und bei unterschiedlichen Betriebsmodi unterschiedlich erfolgen. Dabei ist die Steuereinrichtung 25 im gezeigten Beispiel innerhalb des Wärmeübertragers 2 angeordnet, wobei es vorstellbar ist, die Steuereinrichtung 25 auch am Wärmeübertrager 2, das heißt außerhalb des Wärmeübertragers 2 am Wärmeübertrager 2, anzubringen. Somit ist der Wärmeübertrager 2 weitestgehend autonom und unabhängig von der zugehörigen Anwendung, insbesondere vom Kraftfahrzeug 1 betreibbar und vereinfacht im Kraftfahrzeug 1 zu integrieren. Insbesondere bedarf es zum Betreiben und Regeln des Wärmeübertragers 2 keiner zusätzlichen Steuerung, insbesondere einer solchen Steuerung 10 des Kraftfahrzeugs.
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Die Steuereinrichtung 25 und/oder zumindest eine solche Sensoreinrichtung 20 können zumindest teilweise durch eine Oberflächenverlötung am Wärmeübertrager 2 angebracht sein. Das heißt, dass die Steuereinrichtung 25 und/oder zumindest eine solche Sensoreinrichtung 20 ein so genanntes surface mounted device (SMD) 26 sein können. Alternativ oder zusätzlich ist es vorstellbar die Steuereinrichtung 25 und/oder eine solche am aus Kunststoff hergestellten Kasten 16 als Abschnitt 27 des Wärmeübertragers 2 angebrachte Sensoreinrichtung 20 zumindest teilweise als mounted interconnect device (MID) 28, insbesondere 3D-MID 28 zu realisieren, bei dem der Abschnitt 27 als spritzgegossener Schaltungsträger mit metallisch leitenden Leiterbahnen ausgebildet ist, an denen die Sensoreinrichtung 20 bzw. die Steuereinrichtung 25 angebracht ist.
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3 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel des Wärmeübertragers 2, bei dem es sich um den Gegenstandstemperierer 9 bzw. dem Akkutemperierer 9' handeln kann. Bei diesem Wärmeübertrager 2 ist kein solcher Fluidraum 15 vorgesehen. Auch ist im Strömungsraum 10 kein solches Rohr 12 sichtbar. Dabei sind gegenüberliegende Endplatten 29 als solche Abschnitte 27 des Wärmeübertragers 2 aus Kunststoff hergestellt. An diesen Endplatten 29 sind der Einlass 13 und der Auslass 14 vorgesehen. Im Übrigen stimmt der Wärmeübertrager 2 in 3 im Wesentlichen mit dem Wärmeübertrager 2 in 2 überein.
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Wie vorstehend in 1 erläutert, ist der jeweilige Wärmeübertrager 2 des Kraftfahrzeugs 1 mit der Steuerung 10 des Kraftfahrzeugs 1 kommunikativ verbunden.
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Entsprechend 4 weist der Wärmeübertrager 2 hierfür eine Datenverbindung 30 auf, mit der zwischen dem Wärmeübertrager 2 und dem Kraftfahrzeug 1, insbesondere der Steuerung 10, Daten austauschbar sind. Die Datenverbindung 30 erlaubt also insbesondere die Übertragung der bestimmten Zustandsgrößen, der Stellung der Aktuatoren 21 und bspw. dem Betriebsmodi des Wärmeübertragers 2 an die Steuerung 10. Auch kann die Datenverbindung 30 dafür eingesetzt werden, ein Betriebsmodus des Wärmeübertragers 2 an einen entsprechenden Betriebsmodus des Kraftfahrzeugs 1 anzupassen. Zudem kann das von der Zustandsgröße abhängige Verstellen zumindest eines solchen Aktuators 21 mittels der Datenverbindung 30 über die Steuerung 10 des Kraftfahrzeugs 1 verändert und angepasst werden. Die Datenverbindung 30 besteht dabei insbesondere zwischen der Steuerung 10 des Kraftfahrzeugs 1 und der Steuereinrichtung 25 des Wärmeübertragers 2. Bei dem in 4 gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Datenverbindung 30 mit dem Einlass 13 oder dem Auslass 14 des Wärmeübertragers 2 in einem gemeinsamen Anschluss 31 realisiert, derart, dass zum fluidischen Verbinden zwecks Zuführen des Temperierfluids zum Wärmeübertrager 2 bzw. zum Abführen des Temperierfluids vom Wärmeübertrager 2 und zum Anschließen des Wärmeübertragers 2 zwecks Datenübertragung mit dem Kraftfahrzeug 1 ein einziger solcher gemeinsamer Anschluss 31 notwendig ist. Hierdurch wird der Montageaufwand des Wärmeübertragers 2 in das Kraftfahrzeug 1 und somit die Integration des Wärmeübertragers 2 in das Kraftfahrzeug 1 vereinfacht.
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In 5 ist ein Wärmeübertragersystem 32 gezeigt, das in einem solchen Kraftfahrzeug 1 zum Einsatz kommen kann. Das System 32 weist einen Temperierkreis 33, insbesondere eine Ringleitung 33' auf, in dem das Temperierfluid zirkuliert. Im Temperierkreis 33 können nicht gezeigte Komponenten wie eine Fördereinrichtung, ein Expander und ein Verdampfer zum Kühlen des Temperierfluids vorgesehen sein. Das System 32 weist ferner zumindest zwei Wärmeübertrager 2 auf, von denen zumindest einer erfindungsgemäß ausgebildet sind, wobei das gezeigte Beispiel zwei solche Wärmeübertrager 2 aufweist, welche beide erfindungsgemäß ausgebildet sind. Dabei kann einer der Wärmeübertrager 2 ein solcher Fluidwärmeübertrager 8 zum Temperieren eines solchen Fluids 3 und der andere Wärmeübertrager 2 ein solcher Gegenstandstemperierer 9, insbesondere Akkutemperierer 9', zum Temperieren eines elektrischen Energiespeichers 6 bzw. eines Akkumulators 7 sein. Beide Wärmeübertrager 2 sind im Temperierkreis 33 eingebunden und werden über den Temperierkreis 33 mit Temperierfluid versorgt. Das heißt, dass der Einlass 13 und der Auslass 14 des jeweiligen Wärmeübertragers 2 fluidisch mit dem Temperierkreis 33 verbunden ist, so dass Temperierfluid aus dem Temperierkreis 33 abgeführt und nach der Temperierung des Fluids 3 bzw. des elektrischen Energiespeichers 6 wieder dem Temperierkreis 33 zugeführt werden kann. Durch die selbstregulierende Ausgestaltung der Wärmeübertrager 2, bei denen die Aktuatoren 21 im Wärmeübertrager 2 angeordnet sind und abhängig von einer solchen, von einer im Wärmeübertrager 2 angeordneten Sensoreinrichtung 20 bestimmten Zustandsgröße verändert werden, kann der jeweilige Wärmeübertrager 2 je nach Bedarf Temperierfluid aus dem gemeinsamen Temperierkreis 33 abführen. Somit kann eine komplizierte Abstimmung der Versorgung der unterschiedlichen Wärmeübertrager 2 und/oder das Versehen separater Temperierkreise 33 für die Wärmeübertrager 2 entfallen. Somit kann das Wärmeübertragersystem 32 erheblich vereinfacht werden. Zudem kann das Wärmeübertragungssystem 32 bauraumsparend und/oder gewichtsreduziert ausgebildet werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 6817408 B2 [0004]
- WO 2013/048858 A1 [0005]
