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Die Erfindung betrifft ein Fitting, welches dazu eingerichtet ist, eine erste Rohrleitung mit einer zweiten Rohrleitung fluidisch zu verbinden.
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Aus dem Stand der Technik sind Fittings bekannt, welche dazu dienen, Fluid aus einer ersten Richtung in eine zweite Richtung umzulenken. Üblicherweise werden derartige Fittings aus einem geraden Rohrstück hergestellt, welches um einen vorbestimmten Winkel gebogen wird. Alternativ werden solche Fittings bereits als gebogene Leitungsstücke, zum Beispiel unter Verwendung eines Gussverfahrens, ausgebildet, wobei der gebogene Abschnitt des Fittings einen zu den geraden Abschnitten des Fittings im Wesentlichen gleichen kreisförmigen Querschnitt aufweist.
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Die bekannten Fittings weisen das Problem auf, dass sich darin transportiertes Fluid an einer Innenseite des gekrümmten Abschnitts staut, wodurch es zu Verwirbelungen kommt und ein Abfluss des Fluids aus dem gekrümmten Abschnitt gestört wird. Im Ergebnis steigt der Druck in dem zuführenden geraden Abschnitt des Fittings stark an und eine Strömung des Fluids durch und nach dem gekrümmten Abschnitt ist stark beeinträchtigt.
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Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Fitting bereitzustellen, welches Fluid aus einer ersten Richtung in eine davon abweichende zweite Richtung umgelenkt, und welches einen optimierten Durchfluss von Fluid ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Fitting gelöst, welches dazu eingerichtet ist, eine erste Rohrleitung mit einer zweiten Rohrleitung fluidisch zu verbinden, umfassend ein einlassseitiges Anschlussstück, welches in seinem Inneren einen Fluid zuführenden Kanal definiert, ein auslassseitiges Anschlussstück, welches in seinem Inneren einen Fluid abführenden Kanal definiert, und ein Umleitungsstück, welches das einlassseitige Anschlussstück mit dem auslassseitigen Anschlussstück verbindet, und welches in seinem Inneren einen Fluid von dem zuführenden Kanal zu dem abführenden Kanal umleitenden gekrümmten Kanal definiert, wobei der Umfang des umleitenden Kanals einen zu einem Krümmungsmittelpunkt weisenden inneren Abschnitt, einen von dem Krümmungsmittelpunkt weg weisenden äußeren Abschnitt und zwei zwischen dem inneren und dem äußeren Abschnitt angeordnete Seitenabschnitte umfasst, und wobei eine Linie, welche jeweilige Mittelpunkte von Querschnittsflächen über die Erstreckung des umleitenden Kanals hinweg verbindet, näher zu einem Krümmungsmittelpunkt des umleitenden Kanals angeordnet ist als eine Kreisbogenlinie, welche zu sowohl einer Mittelachse des zuführenden Kanals, an einem Übergangspunkt von dem zuführenden Kanal in den umleitenden Kanal, als auch zu einer Mittellinie des abführenden Kanals tangential verläuft.
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Das heißt, die Kreisbogenlinie kann aus dem Übergangspunkt zwischen dem zuführenden Kanal und dem umleitenden Kanal durch den umleitenden Kanal und in einen Übergangspunkt zwischen dem umleitenden Kanal und dem abführenden Kanal laufen, wobei sie tangential zu den Mittellinien des zuführenden und abführenden Kanals verlaufen kann. Bei der Betrachtung des Versatzes zwischen der die Mittelpunkte verbindenden Linie und der Kreisbogenlinie können natürlich die Übergangspunkte selbst von dem umleitenden Kanal in den abführenden bzw. zuführenden Kanal außer Betracht bleiben, da diese insbesondere mit den jeweiligen Mittellinien bzw. mit der Kreisbogenlinie zusammenfallend sein können. Ein Mittelpunkt einer jeweiligen Querschnittsfläche kann dabei insbesondere derjenige Punkt sein, welcher sowohl in einer Breitenrichtung als auch in einer Höhenrichtung des umleitenden Kanals mittig angeordnet ist, wobei die Höhenrichtung in Bezug auf eine Krümmung des umleitenden Kanals radial verläuft und die Breitenrichtung dazu orthogonal (und quer zur Strömungsrichtung) verläuft.
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Als der „Umfang“ des umleitenden Kanals soll hier insbesondere der Umfang angesehen werden, welcher umlaufend um den umleitenden Kanal in einer Ebene rechtwinklig zu einer Längserstreckung, das heißt im Wesentlichen rechtwinklig zu einer Hauptströmungsrichtung, des umleitenden Kanals genommen wird.
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Das Fitting kann dabei dazu eingerichtet sein, Fluid aus einer ersten Richtung in eine zweite Richtung umzuleiten, wobei die erste Richtung zu der zweiten Richtung einen Winkel zwischen 30° und 150°, insbesondere 90°, aufweisen kann.
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Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben erkannt, dass Fluid in gekrümmten Rohren, insbesondere Glattrohren, hauptsächlich am Krümmungsinnenradius entlang strömt. Um an dieser Stelle eine verbesserte Strömung zu ermöglichen, weist das erfindungsgemäße Fitting einen derart geformten umleitenden Kanal auf, dass ein Abschnitt davon radial zum Krümmungsmittelpunkt hin versetzt ist. So können Stauungen und Verwirbelungen reduziert oder sogar vermieden werden, wodurch insgesamt, verglichen mit einem ähnlich gekrümmten Fitting mit gleichem Durchmesser bzw. gleicher Querschnittsfläche, ein Durchsatz von Fluid gesteigert werden kann und/oder eine ungewünschte Erwärmung und/oder ein Druckverlust des Fluids auf Grund von durch die Krümmung des Fittings auf das Fluid ausgeübten Kräften reduziert werden kann.
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Vorteilhafterweise kann ein den inneren Abschnitt mit einem der Seitenabschnitte verbindender Abschnitt des Umfangs des umleitenden Kanals einen Radius aufweisen kann, welcher kleiner ist als ein Radius eines den äußeren Abschnitt mit einem der Seitenabschnitte verbindenden Abschnitts des Umfangs des umleitenden Kanals.
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Ein Radius der Abschnitte, welche den inneren Abschnitt mit einem der Seitenabschnitte bzw. den äußeren Abschnitt mit einem der Seitenabschnitte verbinden, kann zwischen 1 mm und 50 mm, insbesondere zwischen 1 mm und 10 mm, betragen.
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Das Fitting kann so einen Strömungsverlauf des darin geführten Fluids insbesondere dadurch verbessern, dass, wenn die Querschnittsfläche des umleitenden Kanals entlang einer Richtung von dem äußeren Abschnitt zu dem inneren Abschnitt auf einen entsprechenden Krümmungsmittelpunkt zu in eine näher zu dem entsprechenden Krümmungsmittelpunkt angeordnete innere Hälfte und eine äußere Hälfte unterteilt wird, ein Wert der inneren Hälfte des umleitenden Kanals größer ist als ein Wert der äußeren Hälfte des umleitenden Kanals. Auf diese Weise kann mehr Fluid an einer inneren Seite des umleitenden Kanals, bezogen auf die Krümmung des umleitenden Kanals, den umleitenden Kanal durchströmen als an einer äußeren Seite des umleitenden Kanals.
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In einer Weiterbildung der vorliegenden Erfindung kann der umleitende Kanal bezüglich einer Mittelebene, welche eine Distanz zwischen den beiden Seitenabschnitten halbiert, symmetrisch ausgebildet sein. Durch eine in Bezug auf eine Breitenrichtung des Fittings, welche sich von einem Seitenabschnitt direkt zu dem anderen Seitenabschnitt und rechtwinklig zu einer Längserstreckung des Fittings erstreckt, symmetrische Ausbildung des umleitenden Kanals kann ein gleiches fluidisches Verhalten der beiden symmetrischen Hälften in Breitenrichtung erreicht werden. Dies kann eine negative Strömungsbeeinträchtigung in Strömungsquerrichtung verhindern.
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Insbesondere kann wenigstens einer aus dem inneren Abschnitt, dem äußeren Abschnitt und den Seitenabschnitten eine im Wesentlichen ebene Fläche aufweisen. Das heißt, wenigstens einer dieser Abschnitte kann einen in zwei Richtungen gerade verlaufenden Abschnitt von nicht verschwindender Größe aufweisen.
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Dabei können die ebenen Flächen der Seitenabschnitte im Wesentlichen parallel zueinander ausgerichtet sein und/oder die ebene Fläche des inneren Abschnitts kann im Wesentlichen orthogonal zu wenigstens einer ebenen Fläche der Seitenabschnitte ausgerichtet sein. Dabei kann die parallele und/oder orthogonale Ausrichtung in Bezug auf eine gemeinsame Querschnittsebene durch das Fitting genommen werden.
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Wenigstens einer aus dem zuführenden Kanal und dem abführenden Kanal kann im Wesentlichen gerade verlaufen. Somit kann Fluid auf den umleitenden Kanal zu entlang eines im Wesentlichen geraden Verlaufs strömen und/oder entlang eines im Wesentlichen geraden Verlaufs von dem umleitenden Kanal weg strömen. Durch eine derartige Ausbildung kann auch ein Verbinden des erfindungsgemäßen Fittings mit zuführenden oder abführenden Leitungen an dem einlassseitigen Anschlussstück bzw. an dem auslassseitigen Anschlussstück vereinfacht werden.
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Ferner kann eine Breite des umleitenden Kanals, welche als direkte oder kürzeste Distanz zwischen den Seitenabschnitten definiert ist, entlang des Umleitungsstücks im Wesentlichen gleichbleibend ausgebildet sein. Eine gleichbleibende Breite des Umleitungsstücks bzw. des darin definierten umleitenden Kanals kann einen Platzbedarf des Fittings reduzieren, so dass dieser bauraumoptimiert ausgebildet sein kann. Dabei können Änderungen in der Breite des umleitenden Kanals zwischen dem umleitenden Kanal und dem zuführenden oder dem abführenden Kanal unbeachtet bleiben.
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Der umleitende Kanal, insbesondere das gesamte Fitting, kann symmetrisch in Bezug auf eine Scheitelebene ausgebildet sein, welche eine Erstreckung des umleitenden Kanals von dem zuführenden Kanal zu dem abführenden Kanal halbiert. Als die „Scheitelebene“ soll hier eine Ebene verstanden werden, welche die beiden Scheitel der, in Bezug auf die Krümmung, am weitesten innen und außen liegenden Krümmungslinien der Hauptkrümmung des umleitenden Kanals einschließt und senkrecht zu einer Hauptströmungsrichtung durch den umleitenden Kanal, das heißt die gekrümmte Längserstreckung des umleitenden Kanals, ausgerichtet ist. Eine Symmetrie des Fittings bezüglich der Scheitelebene kann es ermöglichen, dass das Fitting richtungsunabhängig verwendet werden kann, das heißt ein Strömungsverhalten eines Fluids durch das Fitting kann in beiden Strömungsrichtungen gleich sein.
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Vorteilhafterweise kann ein mit dem zuführenden Kanal verbundener Teil des umleitenden Kanals und/oder ein mit dem abführenden Kanal verbundener Teil des umleitenden Kanals im Querschnitt im Wesentlichen kreisförmig ausgebildet sein, wobei sich der jeweilige kreisförmige Querschnitt dieses Teils des umleitenden Kanals allmählich von der Kreisform dahingehend ändert, dass der den inneren Abschnitt mit einem der Seitenabschnitte verbindende Abschnitt des Umfangs des umleitenden Kanals den Radius aufweist, welcher kleiner ist als der Radius des den äußeren Abschnitt mit einem der Seitenabschnitte verbindenden Abschnitts des Umfangs des umleitenden Kanals. In anderen Worten, kann sich der Querschnitt des umleitenden Kanals von einer anfänglichen Kreisform an einem oder beiden Enden des umleitenden Kanals zu der beschriebenen angenäherten Rechtecksform mit, bezogen auf die Krümmung, kleineren Radien innen als außen verändern. Hierdurch können abrupte Änderungen in der Querschnittsform des Fittings verhindert werden, wodurch eine Strömung des darin geführten Fluids negativ beeinträchtigt werden könnte.
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Insbesondere kann die Änderung von dem kreisförmigen Querschnitt an einer Mitte der Erstreckung des umleitenden Kanals von dem zuführenden Kanal zu dem abführenden Kanal maximal sein. Die maximale Änderung der Querschnittsform des umleitenden Kanals kann somit in der Scheitelebene liegen. Diese Ausbildung kann zu einer Symmetrieanforderung an das Fitting in Bezug auf die Scheitelebene vereinbar sein.
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In einer Weiterbildung der vorliegenden Erfindung kann eine Querschnittsfläche des umleitenden Kanals über die Erstreckung des umleitenden Kanals von dem zuführenden Kanal zu dem abführenden Kanal hinweg im Wesentlichen konstant bleiben. Dabei können jeweilige Querschnittsflächen über die Erstreckung des umleitenden Kanals senkrecht zu einer Hauptströmungsrichtung durch den umleitenden Kanal, das heißt die gekrümmte Längserstreckung des umleitenden Kanals, genommen werden. Mit Bezug auf die oben erwähnte Ausführungsform, kann sich so der umleitende Kanal von einem anfänglich kreisförmigen Querschnitt zu der, insbesondere in der Scheitelebene maximal ausgebildeten, angenäherten Rechtecksform mit gleichem Flächeninhalt wie der kreisförmige Querschnitt ändern, und von dort wieder zurück zu dem kreisförmigen Querschnitt.
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Ferner kann sich eine Querschnittsfläche im Bereich eines Übergangs von dem zuführenden Kanal zu dem umleitenden Kanal und/oder von dem abführenden Kanal zu dem umleitenden Kanal vergrößern. Eine derartige Vergrößerung der Querschnittsfläche im Bereich der Übergänge kann insbesondere fertigungstechnischer Herkunft sein, zum Beispiel, wenn das Fitting in seinem zuführenden Kanal und/oder abführenden Kanal spanend bearbeitet wird, kann ein sogenannter Freistich vorgesehen sein, welcher als Auslauffläche eines entsprechenden Bearbeitungswerkzeugs dient. Für den Fall der oben beschriebenen Ausführungsform, in welcher eine Querschnittsfläche über eine Längserstreckung des umleitenden Kanals im Wesentlichen gleich bleibt, kann die Längserstreckung des umleitenden Kanals mit Ausnahme der fertigungstechnischen Änderungen der Querschnittsfläche betrachtet werden.
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Das Fitting kann aus Metall, insbesondere unter Verwendung eines Kokillengussverfahrens, und/oder aus Kunststoff, insbesondere unter Verwendung eines Spritzgussverfahrens, hergestellt sein. Die Herstellung des Fittings aus Metall, zum Beispiel aus Messing, insbesondere aus einer bleifreien Kupfer-Zink-Legierung des Typs CW724R, kann eine Reduzierung von äußeren Abmessungen des Fittings bei gleich bleibendem innerem Strömungsdurchmesser ermöglichen, das heißt eine Wandstärke des Fittings kann reduziert werden. Die Herstellung des Fittings aus Kunststoff, zum Beispiel aus PPSU, kann hingegen ermöglichen, dass das Fitting nach dem Urformen in Bezug auf den zuführenden und/oder den abführenden und/oder den umleitenden Kanal nicht nachbearbeitet werden muss. Insbesondere kann bei einem aus Kunststoff hergestellten Fitting auf den oben erwähnten Freistich verzichtet werden.
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Es sei nachzutragen, dass eine Krümmung des umleitenden Kanals nicht stetig über die Erstreckung des umleitenden Kanals verlaufen muss. Insbesondere kann eine Krümmung des umleitenden Kanals zur Scheitelebene hin abnehmen. Das heißt, der umleitende Kanal krümmt sich im Anschluss an den zuführenden Kanal und/oder abführenden Kanal zunächst stärker und flacht dann, zum Beispiel bis hin zu einer etwa geraden Erstreckung, zur Scheitelebene hin ab.
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Allgemein ist anzumerken, dass ein Krümmungsmittelpunkt einer jeweiligen Krümmung des umleitenden Kanals nicht ortsfest über eine gesamte Erstreckung des umleitenden Kanals hinweg an einer gleichen Stelle verbleiben muss, sondern dass sich der Krümmungsmittelpunkt entsprechend der jeweils betrachteten Krümmung verlagern kann, aber vorteilhafterweise stets auf einer gleichen Seite, das heißt auf der inneren Seite, der Krümmung des umleitenden Kanals verbleibt. In dem zuletzt beschriebenen Fall kann das bedeuten, dass die Krümmung des umleitenden Kanals keine Wendepunkte aufweist, an welchen ein Krümmungsmittelpunkt einer entsprechenden Krümmung an einer, in bezogen auf die Krümmung des umleitenden Kanals, äußeren Seite des umleitenden Kanals angeordnet sein kann.
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Im Folgenden wird die vorliegende Erfindung in größerem Detail mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben werden. Es stellt dar:
- 1 eine perspektivische Ansicht eines in einem erfindungsgemäßen Fitting definierten Strömungsvolumens;
- 2 eine Seitenquerschnittsansicht durch das Strömungsvolumen aus 1, welche entlang der Linie II-II aus 3 genommen worden ist;
- 3 eine Querschnittsansicht durch das Strömungsvolumen der 1 und 2, welche entlang der Linie III-III aus 2 genommen worden ist; und
- 4 eine zu 3 analoge Ansicht eines Strömungsvolumens einer zweiten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Fittings.
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In 1 ist ein erfindungsgemäßes Fitting allgemein mit dem Bezugszeichen 10 bezeichnet. Das Fitting 10 umfasst ein einlassseitiges Anschlussstück 12, ein auslassseitiges Anschlussstück 14 und ein Umleitungsstück 16 (jeweils gestrichelt dargestellt). Das einlassseitige Anschlussstück 12 definiert in seinem Inneren einen Fluid zuführenden Kanal 18, das auslassseitige Anschlussstück 14 definiert in seinem Inneren einen Fluid abführenden Kanal 20 und das Umleitungsstück 16 definiert in seinem Inneren einen umleitenden Kanal 22. Der zuführende Kanal 18 und der abführende Kanal 20 erstrecken sich im Wesentlichen gerade entlang einer jeweiligen Mittellinie A, B.
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Mit Bezug auf 2 ist zu erkennen, dass Fluid, welches durch den zuführenden Kanal 18 in das Fitting 10 einströmt, an dem umleitenden Kanal 22 aus einer zu der Mittellinie A im Wesentlichen parallelen Hauptströmungsrichtung in eine zu der Mittellinie B im Wesentlichen parallelen Hauptströmungsrichtung umgelenkt wird. Dabei erstreckt sich der umleitende Kanal 22 nicht entlang einer Kreisbogenlinie 24, welche konstant um einen Krümmungsmittelpunkt 26 gekrümmt ist, sondern entlang einer jeweilige Mittelpunkte von zur Hauptströmungsrichtung rechtwinkligen Querschnittsflächen verbindenden Mittelpunktslinie 28, welche in Bezug auf den Krümmungsmittelpunkt 26 zu der Kreisbogenlinie 24 nach radial innen versetzt ist.
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In 2 ist ferner eine Scheitelebene 30 zu erkennen, welche einen inneren Scheitel 32 und einen äußeren Scheitel 34 der Krümmung des umleitenden Kanals 22 umfasst und rechtwinklig zu der Hauptströmungsrichtung des Fluids durch den umleitenden Kanal 22 entlang der Mittelpunktslinie 28 ausgerichtet ist. Das Fitting 10 bzw. ein durch den zuführenden Kanal 18, den umleitenden Kanal 22 und den abführenden Kanal 20 definierter Strömungsweg ist in der hier dargestellten Ausführungsform in Bezug auf die Scheitelebene 30 symmetrisch ausgebildet.
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3 zeigt einen Querschnitt des umleitenden Kanals 22, welcher entlang der Scheitelebene 30 genommen worden ist. Dabei ist zu erkennen, dass ein Umfang 36 des umleitenden Kanals 22, in Bezug auf eine Krümmung des umleitenden Kanals 22, einen inneren Abschnitt 38, einen äußeren Abschnitt 40 und zwei Seitenabschnitte 42, 44 aufweist. In der in 3 dargestellten Ausführungsform umfasst jeder aus dem inneren Abschnitt 38, dem äußeren Abschnitt 40 und den beiden Seitenabschnitten 42, 44 jeweilige gerade verlaufende Abschnitte, welche im Zusammenspiel mit einer Erstreckung des umleitenden Kanals 22 vor und hinter der Scheitelebene 30 im Wesentlichen ebene Flächen ausbilden.
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Ein in 3 orthogonaler Abstand D zwischen den Seitenabschnitten 42 und 44 kann als eine Breite des umleitenden Kanals 22 betrachtet werden.
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Eine Mittelebene 46, welche den Abstand D zwischen den Seitenabschnitten 42 und 44 halbiert und rechtwinklig zu der Blattebene der 3 verläuft, stellt zugleich eine Symmetrieebene der in 3 links und rechts dargestellten Hälften des Fittings 10 bzw. der Kanäle 18, 20 und 22 dar.
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Innen gelegene Radien 48 und 50, welche den inneren Abschnitt 38 mit den beiden Seitenabschnitten 42, 44 verbinden, weisen einen kleineren Wert, das heißt eine stärkere Krümmung, auf als Radien 52 und 54, welche den äußeren Abschnitt 40 mit den beiden Seitenabschnitten 42, 44 verbinden. Wird die in 3 gezeigte Querschnittsfläche durch eine Linie C, welche sowohl zu dem inneren Abschnitt 38 als auch dem äußeren Abschnitt 40 gleich beabstandet ist, in eine, in Bezug auf die Krümmung, innere Hälfte 56 und eine äußere Hälfte 58 unterteilt, so weist folglich die innere Hälfte 56 einen größeren Flächeninhalt auf als die äußere Hälfte 58.
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Wie in der Zusammenschau der 1 bis 3 zu sehen ist, entwickelt sich die Querschnittsform des umleitenden Kanals 22 allmählich von einem kreisförmigen Querschnitt an dem Übergang zwischen dem zuführenden Kanal 18 und dem umleitenden Kanal 22 zu dem in 3 gezeigten Querschnitt in der Scheitelebene 30 und von dort allmählich zurück zu einer kreisförmigen Querschnittsform an dem Übergang zwischen dem umleitenden Kanal 22 und dem abführenden Kanal 20.
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In 4 ist eine alternative Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Fittings 10' dargestellt. Die Ausführungsform des Fittings 10' unterscheidet sich von dem Fitting 10 lediglich durch die Ausbildung der Radien 48', 50', 52', 54', so dass in Bezug auf das Fitting 10' auf die beschriebenen Merkmale, Vorteile und Effekte des Fittings 10 verwiesen sei.
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In der besonderen Ausführungsform des Fittings 10' sind die Radien 52' und 54' derart für die Größe des Fittings 10' bzw. des umleitenden Kanals 22' strömungsoptimiert ausgelegt, dass die Radien 52' und 54' annähernd oder vollständig ineinander übergehen und so im Wesentlichen den Seitenabschnitt 42' mit dem Seitenabschnitt 44' in Form eines Halbkreisbogens verbinden. Auch in der in 4 dargestellten Ausführungsform sind die Radien 48' und 50' kleiner als die Radien 52' und 54'.
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In 2 ist auch zu sehen, dass eine Änderung h1 eines Wandungsverlaufs im Bereich des Übergangs von dem zuführenden Kanal 18 zu dem umleitenden Kanal 22 in dem äußeren Abschnitt 40 des umleitenden Kanals 22 stärker ausgebildet ist als eine Änderung h2 in dem inneren Abschnitt 38 des umleitenden Kanals. Analoges ist für den Übergang zwischen umleitenden Kanal 22 und abführendem Kanal 20 gültig. Diese Änderungen können fertigungsbedingter Natur sein, zum Beispiel als Auslaufzonen eines Drehmeißels.
