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TECHNISCHES GEBIET
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Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf Systeme und Verfahren zur Steuerung eines Fluidstroms durch eine Lüftungsöffnung oder einen Anschluss mit elektrisch reagierenden Schaufeln.
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HINTERGRUND
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Die hier bereitgestellte Hintergrundbeschreibung dient dem Zweck der allgemeinen Darstellung des Zusammenhangs der Offenbarung. Die Arbeit der gegenwärtig genannten Erfinder in dem in diesem Hintergrundabschnitt beschriebenen Umfang, sowie Aspekte der Beschreibung, die zum Zeitpunkt der Anmeldung ansonsten nicht als Stand der Technik gelten, gelten gegenüber der vorliegenden Offenbarung weder ausdrücklich noch implizit als Stand der Technik.
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In Fahrzeugen, wie beispielsweise in PKWs und LKWs, beinhaltet ein Armaturenbrett des Fahrzeugs die Verwendung einer Vielzahl von Entlüftungsöffnungen, durch die kühle oder heiße Luft über ein definiertes Heizungs-, Lüftungs- und Klimasystem (HVAC) in einen Fahrgastraum geleitet werden kann. Die Lüftungsöffnung ist im Allgemeinen auf dem Armaturenbrett voneinander abgegrenzt, um den kalten oder erwärmten Luftstrom in den Fahrgastraum zu verteilen. Die Lüftungsöffnung beinhaltet typischerweise eine Vielzahl von Schaufeln, die an einem Rahmen befestigt sind. Die Lüftungsöffnung kann mit einem Steuerhebel ausgestattet sein, den ein Insasse entweder von links nach rechts und/oder von oben nach unten bewegen kann, um die Schaufeln zu bewegen. Die Schaufeln regulieren die Richtung des Luftstroms, der aus der Entlüftungsöffnung austritt.
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Der Steuerhebel blockiert jedoch teilweise den Luftstrom durch die Lüftungsöffnung. Darüber hinaus kann es erforderlich sein, dass der Benutzer die Schaufeln wiederholt verstellen muss, um den Luftstrom im Fahrgastraum des Fahrzeugs zu optimieren.
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KURZDARSTELLUNG
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In einem Aspekt bezieht sich die vorliegende Offenbarung auf ein System zur Steuerung der Richtung eines Fluidstroms. Das System kann eine Lüftungsöffnung umfassen, um den Fluidstrom in einen definierten Bereich zu leiten. Eine Schaufel, die innerhalb der Lüftungsöffnung getragen wird, kann mindestens einen Abschnitt beinhalten, der aus einem elektrisch ansprechenden Material gebildet ist, das eine erste Form annimmt, wenn kein elektrisches Signal angelegt wird, und das sich in eine zweite Form verformen kann, wenn ein elektrisches Signal an diese angelegt wird. Eine elektrische Signalquelle, die mit der Schaufel elektrisch gekoppelt ist, kann verwendet werden, um ein elektrisches Signal an die Schaufel anzulegen. Eine Steuerung, die das Anlegen des elektrischen Signals an die Schaufel steuert, kann auch verwendet werden, um eine Form der Schaufel so zu steuern, dass die Schaufel den Fluidstrom in verschiedene Richtungen lenkt.
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In einem weiteren Aspekt bezieht sich die vorliegende Offenbarung auf ein System zur Steuerung einer Richtung eines Fluidstroms. Das System kann eine Lüftungsöffnung umfassen, um den Fluidstrom in einen definierten Bereich zu leiten. Die Lüftungsöffnung kann eine Vielzahl von Schaufeln beinhalten, die in der Lüftungsöffnung getragen werden. Jede Schaufel kann mindestens einen Abschnitt beinhalten, der aus einem elektroaktiven Polymer gebildet ist, womit jede Schaufel in die Lage versetzt wird, eine erste Form anzunehmen, wenn kein elektrisches Signal an sie angelegt wird, und sich in eine zweite Form zu verformen, wenn ein elektrisches Signal an sie angelegt wird. Die Lüftungsöffnung kann auch eine Gleichstrom (DC)-Signalquelle beinhalten, die mit jeder der Schaufeln elektrisch gekoppelt ist, die ein elektrisches Signal an jede der Schaufeln anlegt, und eine Steuerung, welche das Anlegen der elektrischen Signale an die Schaufeln steuert, um zu bewirken, dass sich die Schaufeln abwechselnd verformen und in einen unverformten Zustand zurückkehren, um den Fluidstrom in verschiedene Richtungen zu lenken.
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Weitere Anwendungsbereiche der vorliegenden Offenbarung ergeben sich aus der ausführlichen Beschreibung, den Ansprüchen und den Zeichnungen. Die ausführliche Beschreibung und die spezifischen Beispiele dienen lediglich der Veranschaulichung und schränken den Umfang der Offenbarung nicht ein.
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Figurenliste
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Die vorliegende Offenbarung wird verständlicher unter Zuhilfenahme der ausführlichen Beschreibung und der zugehörigen Zeichnungen, worin gilt:
- 1 ist ein vereinfachtes Blockdiagramm eines Kraftfahrzeug-Armaturenbretts, das ein Paar Lüftungsöffnungen gemäß einem Beispiel der vorliegenden Offenbarung darstellt, die mit einem HVAC-System des Fahrzeugs in Verbindung gebracht werden können, und in dem jede der Lüftungsöffnungen eine verformbare Schaufel gemäß der vorliegenden Offenbarung beinhaltet;
- 2 ist ein Blockdiagramm, das verschiedene Komponenten darstellt, die zur Steuerung der Form der Schaufel(n) der Lüftungsöffnung verwendet werden können;
- 3-5 stellen eine vereinfachte Seitenansicht einer Schaufel innerhalb der Lüftungsöffnung dar, die verschiedene Formen veranschaulicht, in welche die Schaufel verformt werden kann, um eine Richtung des Luftstroms durch die Lüftungsöffnung zu steuern;
- 6 veranschaulicht ein Beispiel für eine verformbare Schaufel der vorliegenden Offenbarung, die zur vollständigen Blockierung eines Strömungsweges in einer Leitung und beim Öffnen eines anderen Strömungsweges verwendet wird und somit als ein Strömungsleitventil wirkt; und
- 7 stellt eine Draufsicht eines Beispiels einer Schaufel dar, die teilweise ein elektrisch reagierendes Material und teilweise ein nicht-elektrisch reagierendes Material umfasst.
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In den Zeichnungen werden dieselben Bezugszeichen für ähnliche und/oder identische Elemente verwendet.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
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Unter Bezugnahme auf 1 beinhalten eine Vielzahl von Lüftungsöffnungen 10 eine Vielzahl von Schaufeln 12 gemäß einem Beispiel der vorliegenden Offenbarung. In diesem Beispiel sind zwei Lüftungsöffnungen 10 in einem Armaturenbrett des Fahrzeugs montiert dargestellt, obwohl die Lüftungsöffnungen 10 in einem Armaturenbrett, einem Dachhimmel oder an jeder anderen gewünschten Stelle angebracht werden können, an der warme und/oder kalte Luft aus einem Heizungs-, Lüftungs- und Klimaanlagen (HVAC)-System des Fahrzeugs zugeführt werden muss. Obwohl zwei Lüftungsöffnungen 10 veranschaulicht wurden, ist die vorliegende Offenbarung nicht auf eine bestimmte Anzahl an Lüftungsöffnungen 10 und/oder Schaufeln 12 beschränkt. Die Lüftungsöffnungen 10 leiten jeweils einen Fluidstrom (z. B. Heißluft und/oder Kaltluft) in einen vordefinierten Bereich, wie beispielsweise den Fahrgastraum eines Kraftfahrzeugs.
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In einigen Beispielen sind die Schaufeln 12 ganz oder teilweise aus einem elektrisch reagierenden Material, wie beispielsweise einem elektroaktiven Polymer, aufgebaut. Die Menge des elektroaktiven Polymers reicht aus, um zu ermöglichen, dass sich die Schaufeln 12 verbiegen, wenn ein elektrisches Signal, wie beispielsweise ein Gleichstrom (DC)-Signal, über jede der Schaufeln angelegt wird. Abhängig davon, wie jede Schaufel 12 aufgebaut ist, z. B. wie das elektroaktive Polymer bei der Konstruktion der Schaufeln 12 eingesetzt wird, kann die Art und Weise, wie die Schaufeln 12 verbiegen oder verformen, gesteuert werden. Die Höhe oder der Grad der Verformung kann auch durch die Größe des DC-Signals gesteuert werden, das an die einzelnen Schaufeln 12 angelegt wird. Da elektroaktive Polymere dadurch gekennzeichnet sind, dass sie beim Entfernen des elektrischen Signals in eine Ausgangsform zurückkehren, kann eine oszillierende Bewegung erreicht werden, wenn das Gleichstromsignal intermittierend oder pulsartig an die Schaufel 12 angelegt wird. Elektroaktive Polymere können über verschiedene Unternehmen bezogen werden, z. B. Danfoss PolyPower A/S aus Nordborg, Dänemark; EAMEX Corporation aus Osaka, Japan; Environmental Robots, Inc. aus Albuquerque, New Mexiko; LEAP Technology aus Lyngby, Dänemark; und Nanosonic, Inc. aus Blacksburg, Virginia.
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In einigen Beispielen kann das elektroaktive Polymer bei der Konstruktion der Schaufeln 12 mit anderen nicht-elektrisch reagierenden Materialien kombiniert werden, oder alternativ wird aus dem elektroaktiven Polymer ein Abschnitt oder Teilbereich einer Schaufel 12 gebildet. Der mit dem elektroaktiven Polymer gebildete Abschnitt kann sich an einem Bereich der Schaufel 12 befinden, der die gewünschte Verformung oder Biegung der Schaufel ermöglicht, wenn ein Gleichstromsignal an die Schaufel angelegt wird.
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Unter Bezugnahme auf 2 kann die Verformung der Schaufel 12 durch Steuern des Anlegens eines elektrischen Signals, in diesem Beispiel einer DC-Spannung von einer DC-Signalquelle 16, über die Schaufel 12 gesteuert werden. Die DC-Signalquelle 16 kann eine positive oder negative Spannungsquelle sein, oder sie kann sowohl positive als auch negative DC-Signale liefern. Die DC-Signalquelle 16 kann bei Bedarf ein- und ausgeschaltet werden, um die gewünschte Bewegung (d. h. Verformung) der Schaufel 12 zu erreichen. Die DC-Signalquelle 16 kann von einer Motorsteuerung 18 gesteuert werden, die auch den Betrieb eines HVAC-Systems 20 eines Fahrzeugs, in dem die Lüftungsöffnung 10 verwendet wird, steuern kann. Optional kann die Motorsteuerung ein Motorsteuergerät (ECU) des Fahrzeugs sein. Optional ist auch ein Zwischenschaltnetzwerk 16a erhältlich. Wenn das Zwischenschaltnetzwerk 16a enthalten ist, kann es über die Motorsteuerung 18 gesteuert werden, die sich zwischen der DC-Signalquelle 16 und der Schaufel 12 befindet, und zur Steuerung des Anlegens der Gleichspannung zu unterschiedlichen Zeiten an die verschiedenen Schaufeln verwendet werden. Auf diese Weise konnten einige Schaufeln 12 in ihrem „Ruhezustand“ (d. h. unverformter Zustand) gehalten werden, während andere Schaufeln zum Verformen elektrisch aktiviert werden. Optional kann ein vom Benutzer zuschaltbarer elektronischer Schalter 20a elektrisch mit der Motorsteuerung 18 verbunden werden, um es dem Benutzer zu ermöglichen, eine oder mehrere der Lüftungsöffnungen 10 ein- und auszuschalten und somit eine gewisse Kontrolle über die Richtung des Luftstroms im Fahrgastraum zu haben. Der elektronische Schalter 20a kann es dem Benutzer auch ermöglichen, eine oder mehrere Gruppen der Schaufeln 12 innerhalb einer gegebenen Lüftungsöffnung 10 auszuwählen, die elektrisch bestromt sind, oder alle Lüftungsöffnungen so zu steuern, dass sie weit geöffnet oder vollständig geschlossen bleiben.
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Es wird auch erwogen, dass einige Ausführungen der Schaufeln 12 sich innerhalb einem oder mehreren Kanälen 22 befinden können, die das HVAC-System 20 bilden, wie durch die Schaufel 12' angezeigt. Auf diese Weise können eine oder mehrere der Schaufeln 12' verwendet werden, um die Leitwege von Warm- und Kaltluft durch verschiedene Kanäle des HVAC-Systems 20 zu steuern.
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Unter Bezugnahme auf die 3-5 sind vereinfachte Seitenansichten von einer der Schaufeln 12 dargestellt, um zu veranschaulichen, wie die Schaufel 12 verformt werden kann, um die Richtung des Luftstroms durch die Lüftungsöffnung 10 zu steuern. In den 3-5 ist die Schaufel 12 bei Punkt 12a abgestützt dargestellt. 3 stellt dar, wie die Schaufel 12 verformt werden kann, um mit einem oberen Innenwandabschnitt 10a der Lüftungsöffnung 10 in Kontakt zu kommen, was dazu beiträgt, den Luftstrom aus der Lüftungsöffnung 10 nach oben zu lenken. 4 stellt die Schaufel 12 in ihrem unverformten oder „Ruhezustand“ dar, sodass der Luftstrom direkt aus der Lüftungsöffnung 10 herausgeführt werden kann. 5 stellt die Schaufel 12 in einem nach unten verformten Zustand dar, der an den unteren inneren Wandabschnitt 10b der Lüftungsöffnung 10b anschließt, was dazu führt, dass der Luftstrom die Lüftungsöffnung nach unten verlässt. Wie vorstehend erwähnt, kann die Biegebewegung der Schaufel 12 durch die spezielle Konstruktion der Schaufel oder durch die Befestigung der Schaufel in der Lüftungsöffnung 10 erreicht werden. Des Weiteren kann die Richtung des Luftstroms aus jeder Lüftungsöffnung 10 teilweise durch die Krümmung der Innenwände der Abschnitte 10a und 10b angepasst werden. Die Innenwandabschnitte 10a und 10b können so gebildet sein, dass sie in Verbindung mit einer Form der Schaufel 12 wirken, um einen Luftstrom durch die Lüftungsöffnung 10 in eine, zwei oder mehr verschiedene Richtungen zu leiten, je nach Form der Schaufel 12. Wahlweise kann durch die wechselseitige Verwendung einer negativen Gleichstromspannung und einer positiven Gleichstromspannung eine Biegebewegung der Schaufel 12 in verschiedene Richtungen erreicht werden. Dementsprechend ist zu beachten, dass eine einfache Änderung der Polarität des DC-Signals von positiv auf negativ, wenn das DC-Signal auf die Schaufeln 12 angewendet wird, ausreichen kann, um zwei unterschiedliche Verformungen derselben Schaufel 12 zu verursachen.
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6 veranschaulicht eine Schaufel 100 gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung, bei der die Schaufel an einer Innenwand einer Leitung 102 bei Punkt 100a befestigt ist. In einer Ausrichtung (dargestellt als durchgehende Linien) arbeitet die Schaufel 100, um eine Fluidströmung (z. B. Luft) in einem separaten Abschnitt der Leitung 104 vollständig zu blockieren. Wenn die Schaufel 100 jedoch elektrisch bestromt ist, verformt (d. h. biegt) sie sich, wie durch die gestrichelte Linie 100' dargestellt, um den Strömungsweg in die Leitung 104 zu öffnen, während sie die Strömung durch die Leitung 102 blockiert. Somit arbeitet die Schaufel 100 als Wegeventil. Die Schaufel 100 kann zum Steuern eines Durchflusses praktisch jeder Art von Fluid verwendet werden, vorausgesetzt, dass das für die Schaufel 100 ausgewählte Material mit dem zu steuernden Fluid kompatibel ist. Somit kann die Schaufel 100' zum Steuern einer Strömungsrichtung von Luft, Gas oder sogar eines Fluids verwendet werden.
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7 veranschaulicht eine Schaufel 200 gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung, wobei die Schaufel nur teilweise aus einem elektrisch reagierenden Material besteht. Der Abschnitt 202 umfasst das elektrisch reagierende Material, das zum Beispiel ein elektroaktives Polymer oder ein anderes elektrisch reagierendes Material sein kann. Die Abschnitte 204 können aus einem nicht elektrisch reagierenden Material, zum Beispiel Kunststoff oder Metall, hergestellt sein.
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In Automobilanwendungen wird erwartet, dass die Schaufel 12 verwendet werden kann, um einen Luftstrom aus der Lüftungsöffnung 10 automatisch so zu steuern, dass der Luftstrom seitlich hin und her von der Fahrerseite zur Beifahrerseite im Fahrgastraum des Fahrzeugs hin und her gelenkt wird, und zwar in oszillierender Weise, um entweder heiße Luft oder kalte Luft im Fahrgastraum gleichmäßiger zu verteilen. Ein wesentlicher Vorteil ist, dass kein greifbares Element an der Lüftungsöffnung 10 für den Bediener zum Einstellen angebracht werden muss, sodass der Luftstrom durch die Lüftungsöffnung nicht behindert wird. Dadurch kann ein noch kleinerer Bereich der Lüftungsöffnung genutzt werden, um einen Luftstrom zu erreichen, der mit einer größeren Lüftungsöffnung vergleichbar ist, die den herkömmlichen, greifbaren Teil für die manuelle Lüftungseinstellung benötigt. Der elektronische Schalter 20a kann es einem Benutzer ermöglichen, mit nur einem einzigen Befehl das gleiche Signal (z. B. Schließen der Lüftung) an alle Lüftungsöffnungen anzulegen, z. B. mit einem einzigen Touch-Befehl auf einem Touchscreen.
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Die Schaufeln 12 können in bestehende Lüftungsstrukturen integriert werden, wobei nur minimale Modifikationen erforderlich sind. Darüber hinaus erschweren die Schaufeln 12 nicht wesentlich die Konstruktion der Lüftungsöffnung 10 und/oder erhöhen die Gesamtkosten des HVAC-Systems oder das Gewicht des Fahrzeugs erheblich.
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Die vorhergehende Beschreibung ist rein illustrativ und soll die vorliegende Offenbarung sowie ihre Ausführungen oder Verwendungen keineswegs einschränken. Die umfassenden Lehren der Offenbarung können in zahlreichen Formen umgesetzt werden. Obwohl die vorliegende Offenbarung also bestimmte Beispiele beinhaltet, ist der eigentliche Umfang der Offenbarung hierdurch in keiner Weise eingeschränkt und weitere Modifikationen gehen aus dem Studium der Zeichnungen, der Beschreibung und den folgenden Patentansprüchen hervor. Es sei darauf hingewiesen, dass einer oder mehrere Schritte innerhalb eines Verfahrens in anderer Reihenfolge (oder gleichzeitig) ausgeführt werden können, ohne die Prinzipien der vorliegenden Offenbarung zu verändern. Ferner, obwohl jede der Ausführungsformen oben dahingehend beschrieben ist, dass sie bestimmte Merkmale aufweist, kann/können eines oder mehrere dieser Funktionen, die in Bezug auf jede Ausführungsform der Offenbarung beschrieben sind, in jeder der anderen Ausführungsformen implementiert und/oder kombiniert werden, selbst wenn diese Kombination nicht explizit beschrieben wird. Mit anderen Worten ausgedrückt, schließen sich die beschriebenen Ausführungsformen nicht gegenseitig aus, und Permutationen von einer oder mehreren Ausführungsformen gegeneinander bleiben innerhalb des Schutzumfangs dieser Offenbarung.
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Räumliche und funktionale Beziehungen zwischen Elementen (z. B. zwischen Modulen, Schaltkreiselementen, Halbleiterschichten usw.) werden unter Verwendung von verschiedenen Begriffen beschrieben, einschließlich „verbunden“, „eingerastet“, „gekoppelt“, „benachbart“, „neben“, „oben auf”, „über“, „unter“ und „angeordnet“. Sofern nicht ausdrücklich als „direkt“ beschrieben, kann eine Beziehung eine direkte Beziehung sein, wenn eine Beziehung zwischen einem ersten und zweiten Element in der oben genannten Offenbarung beschrieben wird, wenn keine anderen intervenierenden Elemente zwischen dem ersten und zweiten Element vorhanden sind, kann jedoch auch eine indirekte Beziehung sein, wenn ein oder mehrere intervenierende(s) Element(e) (entweder räumlich oder funktional) zwischen dem ersten und zweiten Element vorhanden ist/sind. Wie hierin verwendet, sollte der Satz „zumindest eines von A, B und C“ so zu verstehen sein, dass damit eine Logik gemeint ist (A ODER B ODER C), unter Verwendung eines nicht ausschließlichen logischen ODER, und sollte nicht dahingehend zu verstehen sein, dass gemeint ist „zumindest eines von A, zumindest eines von B und zumindest eines von C.“
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In den Figuren bezeichnen die Pfeilrichtungen, wie angezeigt, durch die Pfeilspitze im Allgemeinen den Fluss von Informationen (wie Daten oder Befehlen), die im Kontext der Darstellung relevant sind. Wenn beispielsweise Element A und Element B eine Vielzahl von Informationen austauschen, aber die Informationen, die von Element A nach Element B übertragen werden, für die Darstellung relevant sind, kann der Pfeil von Element A nach Element B zeigen. Diese unidirektionalen Pfeile implizieren nicht, dass keine anderen Informationen von Element B nach Element A übertragen werden. Zudem kann Element B im Zusammenhang mit Informationen, die von Element A nach Element B gesendet werden, Anforderungen oder Bestätigungen dieser Informationen zu Element A senden.
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In dieser Anwendung kann einschließlich der folgenden Definitionen der Begriff „Modul“ oder der Begriff „Steuerung“ ggf. durch den Begriff „Schaltung“ ersetzt werden. Der Begriff „Modul“ kann auf Folgendes verweisen bzw. Teil von Folgendem sein oder Folgendes beinhalten: einen anwendungsspezifischen integrierten Schaltkreis (ASIC); eine digitale, analoge oder gemischt analog/digitale diskrete Schaltung; eine digitale, analoge oder gemischt analog/digitale integrierte Schaltung; eine kombinatorische Logikschaltung; ein feldprogrammierbares Gate-Array (FPGA); eine Prozessorschaltung (gemeinsam genutzt, dediziert oder Gruppe), die Code ausführt; eine Memory-Schaltung (gemeinsam genutzt, dediziert oder Gruppe), die einen von der Prozessorschaltung ausgeführten Code speichert; andere geeignete Hardware-Komponenten, die die beschriebene Funktionalität bereitstellen; oder eine Kombination von einigen oder allen der oben genannten, wie zum Beispiel in einem System-on-Chip.
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Das Modul kann eine oder mehrere Schnittstellenschaltungen beinhalten. In einigen Beispielen können die Schnittstellenschaltungen kabelgebundene oder -lose Schnittstellen beinhalten, die mit einem lokalen Netzwerk (LAN), dem Internet, einem Weitverkehrsnetz (WAN) oder Kombinationen hier aus verbunden sind. Die Funktionalität der in vorliegender Offenbarung genannten Module kann auf mehrere Module verteilt werden, die über Schnittstellenschaltungen verbunden sind. So können zum Beispiel mehrere Module einen Lastenausgleich zulassen. In einem anderen Beispiel können von einem Servermodul (z. B. Remote-Server oder Cloud) ermittelte Funktionen eines Client-Moduls übernommen werden.
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Keines der in den Ansprüchen genannten Elemente ist als Mittel für eine Funktion (sog. „means plus function“) nach 35 U.S.C. §112(f) zu verstehen, es sei denn, ein Element wird ausdrücklich unter Verwendung des Begriffes „means for“ (Mittel für) beschrieben oder falls in einem Verfahrensanspruch die Begriffe „Vorgang für“ oder „Schritt für“ verwendet werden.
