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GEBIET
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Diese Offenbarung betrifft im Allgemeinen einen Wärmetauscher, der einen Kern aufweist, der durch eine Vielzahl von Röhren und Rippen definiert wird. Insbesondere betrifft diese Offenbarung einen Wärmetauscher, der eine Vorrichtung einschließt, die dafür konfiguriert ist, beim Entfernen von Kondensat aus dem Verdampferkern zu unterstützen.
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ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
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Die Darlegungen in diesem Abschnitt liefern nur Hintergrundinformationen im Zusammenhang mit der vorliegenden Offenbarung und können nicht den Stand der Technik darstellen.
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Klimaanlagen und Wärmepumpenanlagen, wie sie in den meisten Wohn-/Gewerbeanwendungen verwendet werden, umfassen im Allgemeinen einen Wärmetauscher, der einen Einlassverteiler, einen Auslassverteiler, eine Vielzahl von stranggepressten Mehrwege-Kältemittelrohren, die hydraulisch die Verteiler für einen Kältemittelfluss zwischen denselben verbinden, und gewellte Rippen, die zwischen den Kältemittelrohren angeordnet sind, einschließt. Die gewellten Rippen verbinden benachbarte Kältemittelrohre miteinander, um sowohl den Wärmeübertragungswirkungsgrad als auch die strukturelle Integrität zu verbessern. Die Vielzahl von Kältemittelrohren und verbindenden gewellten Rippen definiert typischerweise den Kern des Wärmetauschers. Die Kältemittelrohre sind herkömmlicherweise in einer parallelen und aufrechten Ausrichtung in Bezug auf die Richtung der Schwerkraft ausgerichtet, während die gewellten Rippen normalerweise mit Lüftungsschlitzen versehen sind.
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Während des Betriebs kann der Wärmetauscher als ein Verdampfer wirken. Mit anderen Worten, ein Zweiphasen-Kältemittel tritt in die unteren Abschnitte der Kältemittelrohre von dem Einlassverteiler aus ein und bewegt sich durch die Rohre, wobei es sich in eine Dampfphase ausdehnt, wenn das Kältemittel Wärme von der Umgebungsluft absorbiert. Wenn der Luftstrom durch den Kern des Wärmetauschers hindurchgeht, nimmt die Temperatur der Luft ab. Wenn die Temperatur der Luft unter ihren Taupunkt abfällt, kondensiert jegliche Feuchtigkeit, die in der Luft vorhanden ist, an den Außenflächen der Kältemittelrohre und der Rippen. Falls sich genügend Kondensat ansammelt, kann das Kondensat den Großteil des Raums einnehmen, der zwischen den Kältemittelrohren und den Rippen vorhanden ist, was zu einem Hindernis für den Strom von Luft durch den Kern und einer Verringerung beim Gesamt-Wärmeübertragungswirkungsgrad des Wärmetauschers führt. Außerdem kann die Wechselwirkung des Luftstroms und des in dem Kern angesammelten Kondensats zur Zerstreuung von Kondensattröpfchen aus dem Kern und in stromabwärts angeordnete Luftsammelkammern führen.
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Obwohl die obigen Konstruktionen allgemein verfügbar sind, gibt es einen fortgesetzten Wunsch, den Wärmeübertragungswirkungsgrad eines Wärmetauschers durch Herausziehen und Befördern von Kondensat weg von dem Kern zu steigern. Eine solche Verbesserung kann ebenfalls nutzbringend beim Minimieren der Behinderung des Luftstroms durch den Kern und Beseitigen der Fähigkeit von Kondensattröpfchen, die Luftsammelkammern zu erreichen, sein.
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KURZDARSTELLUNG
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Die vorliegende Offenbarung stellt im Allgemeinen einen Wärmetauscher bereit, der eine Vorrichtung einschließt, die dafür konfiguriert ist, Kondensat von einem Verdampferkern zu entfernen, der durch eine Vielzahl von Rohren und Rippen definiert wird. Nach einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung umfasst der Wärmetauscher einen ersten Verteiler, einen zweiten Verteiler, eine Vielzahl von Kältemittelrohren, die dafür konfiguriert sind, den ersten und den zweiten Verteiler fluidmäßig zu koppeln, eine Vielzahl von Rippen, die derart zwischen der Vielzahl von Kältemittelrohren platziert sind, dass die Rippen und die Kältemittelrohre einen Kern definieren, der eine Vielzahl von offenen Kanälen aufweist, die ermöglichen, dass Luft durch dieselben strömt, und eine Wasserabscheider-Vorrichtung, die nahe dem ersten Verteiler positioniert ist, wobei ein Trennungsabstand zwischen denselben aufrechterhalten ist. Mindestens ein Abschnitt der Wasser abweisenden Vorrichtung erstreckt sich derart in ein oder mehrere rippenlose Fenster, die zwischen der Vielzahl von Kältemittelrohren angeordnet sind, dass Kondensat von zwischen den Kältemittelrohren herausgezogen wird.
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Ein Vorteil des Wärmetauschers, wie er hierin offenbart wird, ist, dass er eine Vorrichtung einschließt, die dafür konfiguriert ist, beim Herausziehen und Befördern von Kondensat weg von dem Kern des Wärmetauschers zu unterstützen. Die Beförderung von Kondensat weg von dem Kern des Wärmetauschers minimiert das Auftreten eines behinderten Luftstroms durch den Kern, wodurch der Wärmeübertragungswirkungsgrad verbessert und die Möglichkeit des Mitreißens jeglichen Kondensats in einer stromabwärts gelegenen Luftleitung verringert wird.
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Weitere Anwendbarkeitsgebiete werden aus der hierin bereitgestellten Beschreibung offensichtlich werden. Es sollte sich verstehen, dass die Beschreibung und spezifischen Beispiele nur zu Erläuterungszwecken vorgesehen sind und nicht dafür vorgesehen sind, den Rahmen der vorliegenden Offenbarung zu beschränken.
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Figurenliste
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Damit die Offenbarung gut verstanden werden kann, werden nun verschiedene Formen derselben beschrieben werden, die als Beispiel angegeben werden, wobei Bezug genommen wird auf die beigefügten Zeichnungen, in denen:
- 1 eine schematische Darstellung eines herkömmlichen Wärmetauschers ist, der einen Kern aufweist, der durch eine Vielzahl von Kältemittelrohren und Rippen definiert wird,
- 2 eine schematische Darstellung eines Wärmetauschers ist, der mit einer Wasser abweisenden Vorrichtung nach den Lehren der vorliegenden Offenbarung ausgestattet ist, und
- 3 eine Querschnittsansicht eines Abschnitts des Wärmetauschers von 2 ist, der die Wasserabscheider-Vorrichtung einschließt.
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Die hierin beschriebenen Zeichnungen dienen nur zu Erläuterungszwecken und sind nicht dafür vorgesehen, den Rahmen der vorliegenden Offenbarung auf irgendeine Weise zu beschränken. Es sollte sich verstehen, dass durch die gesamte Beschreibung entsprechende Bezugszahlen gleiche oder entsprechende Teile und Merkmale bezeichnen.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
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Die folgende Beschreibung ist nur von beispielhafter Beschaffenheit und ist keinesfalls dafür vorgesehen, die vorliegende Offenbarung oder ihre Anwendung oder Verwendungen zu beschränken. Zum Beispiel wird die Wasserabscheider-Vorrichtung, die nach den hierin enthaltenen Lehren hergestellt und verwendet wird, durch die gesamte vorliegende Offenbarung in Verbindung mit einem Wärmetauscher beschrieben, der in einer Wohnraum-Verdampferanwendung verwendet wird, um die Konstruktion und die Verwendung derselben vollständiger zu veranschaulichen. Es ist vorgesehen, dass die Einbindung und Verwendung einer solchen Wasser abweisenden Vorrichtung in anderen Wärmetauschern, in denen ein kaltes Fluidströmungsrohr feuchte Luft hat, die über es hinweggeht, was dadurch zu zurückgehaltener Kondensation führt, nicht den Rahmen der vorliegenden Offenbarung überschreitet.
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Die vorliegende Offenbarung stellt im Allgemeinen einen Wärmetauscher bereit, der einen verbesserten Wärmeübertragungswirkungsgrad aufweist. Ein Vorteil des Wärmetauschers, wie er hierin offenbart wird, ist, dass er eine Wasserabscheider-Vorrichtung einschließt, die dafür konfiguriert ist, beim Herausziehen und Befördern von Kondensat weg von dem Kern des Wärmetauschers zu unterstützen. Die Beförderung von Kondensat weg von dem Kern des Wärmetauschers minimiert das Auftreten eines behinderten Luftstroms durch den Kern, wodurch der Wärmeübertragungswirkungsgrad verbessert und die Möglichkeit des Mitreißens jeglichen Kondensats in einer stromabwärts gelegenen Luftleitung verringert wird. Die Wasserabscheider-Vorrichtung kann an einem beliebigen vorhandenen Wärmetauscher der hierin beschriebenen Art hinzugefügt oder nachgerüstet werden. Folglich kann die Wasserabscheider-Vorrichtung ohne Änderung an der grundlegenden Kernkonstruktion die Entwässerung steigern und den Wirkungsgrad des Wärmetauschers verbessern.
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Unter Bezugnahme auf 1 schließt ein herkömmlicher Wärmetauscher 1 einen Einlassverteiler 10 und einen Auslassverteiler 20, der in einer im Wesentlichen parallelen Beziehung mit dem Einlassverteiler 10 beabstandet ist, ein. Eine Vielzahl von parallelen Kältemittelrohren 30 sorgt für eine Fluidverbindung zwischen dem Einlass- und dem Auslassverteiler 10, 20. Eine Vielzahl von gewellten Rippen 40 mit oder ohne Lüftungsschlitze (nicht gezeigt), die zwischen benachbarten Kältemittelrohren 30 eingefügt sind, steigert den Wärmeübertragungswirkungsgrad des Wärmetauschers 1. Die Kältemittelrohre 30 und die gewellten Rippen 40 definieren den Kern 50 des Wärmetauschers 1. Die Außenflächen der Kältemittelrohre 30 definieren in Verbindung mit den Außenflächen der gewellten Rippen 40 eine Vielzahl von Kanälen 55 für einen Luftstrom durch den Kern 50.
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Noch unter Bezugnahme auf 1 sind, für eine Wohnanwendung der Wärmetauscherbaugruppe 1, die Verteiler 10, 20 typischerweise senkrecht zu der Richtung der Schwerkraft ausgerichtet, während die Kältemittelrohre 30 senkrecht zu den Verteilern 10, 20 ausgerichtet sind. Mit anderen Worten, die Kältemittelrohre 30 sind entweder im Wesentlichen in der Richtung der Schwerkraft ausgerichtet oder zum allermindesten zumindest hin zu der Richtung der Schwerkraft geneigt.
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Während des Betriebs im Verdampfungsmodus tritt ein teilweise expandiertes Zweiphasen-Kältemittel in die unteren Abschnitte der Kältemittelrohre 30 von dem Einlassverteiler 10 ein. Wenn das Kältemittel in den Kältemittelrohren 30 aufsteigt, dehnt es sich zu einer Dampfphase aus, durch Absorbieren von Wärmeenergie von dem Luftstrom, der durch den Kern 50 des Wärmetauschers 1 hindurchgeht, über die Luftstromkanäle 55, die zwischen den Rohren 30 und den Rippen 40 angeordnet sind. Wenn sich Energie in der Form von Wärme von dem Luftstrom zu dem Kältemittel überträgt, wird die Luft kühler. Wenn die Temperatur der Luft unter den Taupunkt abfällt, kondensiert die Feuchtigkeit in der Luft und sammelt sich auf den Außenflächen der Kältemittelrohre 30 und der Rippen 40 an. Wenn das Kondensat sich anzusammeln beginnt, bewirkt die Schwerkraft, dass das Kondensat hin zu dem unteren Abschnitt des Wärmetauschers 1 fließt. Die Ansammlung von Kondensat zwischen benachbarten Kältemittelrohren 30 kann zur Bildung einer Säule von Kondensat (C) führen, die den Strom von Luft durch den Kern 50 behindern kann. Jegliche Behinderung des Luftstroms durch den Kern 50 verringert den Wärmeübertragungswirkungsgrad des Wärmetauschers 1. Außerdem kann die hohe Geschwindigkeit des Luftstroms über die Fläche des Wärmetauschers 1 Kondensattröpfchen aus dem Kern in die stromabwärts gelegenen Luftsammelkammern ausstoßen.
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Nun unter Bezugnahme auf 2 and 3 umfasst der Wärmetauscher 100 der vorliegenden Offenbarung im Allgemeinen einen ersten Verteiler 110, einen zweiten Verteiler 120, eine Vielzahl von Kältemittelrohren 130, eine Vielzahl von Rippen 140 und eine Wasserabscheider-Vorrichtung 160. Die Vielzahl von Kältemittelrohren 130 ist dafür konfiguriert, den ersten und den zweiten Verteiler 110, 120 fluidmäßig zu koppeln. Die Vielzahl von Rippen 140 ist derart zwischen der Vielzahl von Kältemittelrohren 130 platziert, dass die Rippen 140 und die Kältemittelrohre 130 einen Kern 150 definieren, der eine Vielzahl von offenen Kanälen 155 definiert, die ermöglichen, dass Luft durch dieselben strömt. Die Wasserabscheider-Vorrichtung 160 ist nahe dem ersten Verteiler 110 positioniert, wobei ein Trennungsabstand (D) zwischen denselben aufrechterhalten wird. Mindestens ein Abschnitt der Wasser abweisenden Vorrichtung 160 erstreckt sich derart in ein oder mehrere rippenlose Fenster 157, die zwischen der Vielzahl von Kältemittelrohren 130 angeordnet sind, dass Kondensat (C) von zwischen den Kältemittelrohren 130 herausgezogen wird.
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Ein erster Verteiler 110 und der zweite Verteiler 120 sind in einer im Wesentlichen parallelen Beziehung zueinander beabstandet. Die Vielzahl von Kältemittelrohren 130, die den ersten Verteiler 130 und den zweiten Verteiler 140 fluidmäßig verbinden, sind im Wesentlichen in der Richtung der Schwerkraft ausgerichtet oder zumindest hin zu der Richtung der Schwerkraft geneigt. Alternativ ist die Vielzahl von Kältemittelrohren 130 senkrecht zu den Verteilern 110, 120 ausgerichtet.
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Die Vielzahl von Rippen 140, die im Allgemeinen abwechselnde Stege einschließt, ist zwischen benachbarten Kältemittelrohren 130 eingefügt. Die abwechselnden Stege der Rippen 140 befinden sich in Kontakt mit den Außenflächen der benachbarten Kältemittelrohre 130. Wenn wünschenswert, können die Rippen 140 gewellt sein und/oder Lüftungsschlitze (nicht gezeigt) einschließen, um den Wärmeübertragungswirkungsgrad zu steigern und um die Kondensatableitung entlang der Länge der Kältemittelrohre 130 zu erleichtern.
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Die Vielzahl von Kältemittelrohren 130 und Rippen 140 zwischen benachbarten Kältemittelrohren 130 definiert den Wärmetauscherkern 150. Der Kern 150 des Wärmetauschers 100 schließt eine Vielzahl von Luftstromkanälen 155 für einen Luftstrom durch den Kern 150 ein. Der Luftstrom durch die Rippen 140 ist zwischen benachbarte Luftstromkanäle 155 gerichtet. Die Kältemittelrohre 130 und die Rippen 140 können aus einem beliebigen bekannten Wärme leitenden Material, einschließlich eines Metalls oder einer Metall-Legierung, wie zum Beispiel Aluminium, geformt sein, aber ohne darauf beschränkt zu sein. Die Verteiler 110, 120, Kältemittelrohre 130 und Rippen 140 können durch ein beliebiges auf dem Gebiet bekanntes Verfahren zu dem Wärmetauscher 100 zusammengebaut und hartgelötet werden, um einen stabilen, flüssigkeitsdichten Wärmetauscher 100 bereitzustellen.
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Nun unter Bezugnahme auf 3 schließt der Wärmetauscher 100 eine Wasserabscheider-Vorrichtung 160 ein, die nahe dem ersten Verteiler 110, aber in einem räumlichen Abstand (D) in Bezug auf den ersten Verteiler 110, angeordnet ist. Dieser räumliche Abstand (D) wird entlang der Länge (L) der Wasser abweisenden Vorrichtung 160 aufrechterhalten. Die Wasserabscheider-Vorrichtung 160 umfasst im Allgemeinen eine Platte 163, die eine Vielzahl von Beschlägen 165 aufweist, die sich von einer Seite der Platte 163 aus erstrecken. Diese Beschläge 165 stellen den Abschnitt der Wasser abweisenden Vorrichtung 160 dar, der sich in das eine oder die mehreren rippenlosen Fenster 157 erstreckt.
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Die Platte 163 und die Vielzahl von Beschlägen 165 sind einzeln so ausgewählt, dass sie ein geformtes Kunststoffteil, ein warm geformtes Kunststoffteil oder ein aus einem Metall oder einer Metall-Legierung geformtes Teil sind. Folglich können die Platte 163 und die Vielzahl von Beschlägen 165 der Wasser abweisenden Vorrichtung 160 integral geformt oder an der Platte 163 befestigt sein. Der Prozess zum Befestigen der Beschläge 165 an der Platte 163 kann, ohne Beschränkung, Hartlöten, Löten und/oder die Verwendung von Klebstoffen einschließen. Die Bildung eines integralen Teils, das die Platte 163 und die Beschläge 165 umfasst, kann durch ein beliebiges bekanntes Verfahren ausgeführt werden, einschließlich von Spritzgießen, Blasformen, Warmformen, Gießen oder Metallstanzen, aber nicht darauf beschränkt.
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Unter erneuter Bezugnahme auf 2 schließt die Wasserabscheider-Vorrichtung 100 ein erstes Ende, das eine Breite w1 aufweist, und ein zweites Ende, das eine Breite w2 aufweist, ein. Die Breite w2 des zweiten Endes ist größer als die Breite w1 des ersten Endes. Folglich wird ein abgewinkeltes Gefälle 170 entlang der Länge (L) der Wasser abweisenden Vorrichtung 160 erzeugt, und das herausgezogene Kondensat fließt das Gefälle 170 hinab. Dieses Gefälle 170 kann als eine Wanne wirken, die in einem Winkel positioniert ist, wobei sie ähnlich wie eine Kornrinne funktioniert, unter Verwendung der Schwerkraft, um das Kondensat von dem Kern 150 weg zu befördern.
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Wie am besten in 3 gezeigt, bildet einer oder bilden mehrere von der Vielzahl von Beschlägen 165 einen Winkel (QJ) mit der Platte 163, der kleiner als oder gleich 90° ist. Alternativ ist der Winkel (QJ) größer als 1° und kleiner als oder gleich 90°, alternativ größer als 5°, alternativ größer als 10°, alternativ kleiner als 85°, alternativ kleiner als 75°, alternativ etwa 60° oder etwa 45°. Diese Beschläge können zumindest einen Abschnitt des Gefälles 170 entlang der Länge (L) der Platte 163 bilden, wobei sie dafür konfiguriert sind, bei dem Strom von Kondensat weg von den Kältemittelrohren 130 zu unterstützen. Die Beschläge 165 können unterschiedlich geformt sein, solange sie eine Ableitungsbahn für Kondensat bereitstellen, das aus dem Kern 150 herausgezogen werden soll. Wenn wünschenswert, können örtlich festgelegte, vorspringende Merkmale als Teil der Beschläge 165 bereitgestellt werden, um beim Unterbrechen der Oberflächenspannung des Kondensats und/oder Zerreißen der Meniskusfilme zu helfen, damit das Kondensat von zwischen den Kältemittelrohren 130 herausgezogen wird.
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Die Vielzahl der Beschläge 165 kann dafür konfiguriert sein, die Wasserabscheider-Vorrichtung 160 an dem Wärmetauscher 100 zu befestigen. Zu diesem Zweck kann eine beliebige Art von bekanntem Befestigungsverfahren oder Befestigungselement verwendet werden, einschließlich, ohne Beschränkung, von Hartlöten, Löten, der Anwendung eines Klebstoffs oder der Verwendung eines Einrast-Befestigungselements. Alternativ ist mindestens einer von der Vielzahl von Beschlägen 165, welche die Wasserabscheider-Vorrichtung 160 an dem Wärmetauscher 100 befestigen, ein Einrast-Befestigungselement. Auf diese Weise kann die Vielzahl von Beschlägen 165 einen abdichtenden Eingriff gegenüber den Außenflächen der Kältemittelrohre 130 gewährleisten, um zu verhindern, dass sich Kondensat weiter den Kern 150 hinab bewegt, und, um das Kondensat von zwischen den Kältemittelrohren 140 herauszuziehen.
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Nach einem anderen Aspekt der vorliegenden Offenbarung kann die Wasserabscheider-Vorrichtung 160, wie in 3 gezeigt, ferner einen oder mehrere Abstandshalter 167 umfassen, die dafür konfiguriert sind, den Trennungsabstand (D) von dem Verteiler 110 aufrechtzuerhalten. Der eine oder die mehreren Abstandshalter 167 können integral mit mindestens einem von der Vielzahl von Beschlägen 165 und/oder der Platte 163 geformt sein. Alternativ können der eine oder die mehreren Abstandshalter 167 an mindestens einem von der Platte 163 und/oder der Vielzahl von Beschlägen 165 befestigt sein. Zu diesem Zweck kann eine beliebige Art von bekanntem Befestigungsverfahren oder Befestigungselement verwendet werden, einschließlich, ohne Beschränkung, von Hartlöten, Löten oder der Anwendung eines Klebstoffs.
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Zum Zweck dieser Offenbarung werden die Ausdrücke „etwa“ und „im Wesentlichen“ in Bezug auf messbare Werte und Bereiche auf Grund erwarteter Abweichungen, die den Fachleuten bekannt sind (z. B. Beschränkungen und Veränderlichkeit bei Messungen) verwendet.
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Zum Zweck dieser Offenbarung werden die Ausdrücke „mindestens ein(e)“ und „ein(e(s)) oder mehrere“ von einem Element austauschbar verwendet und können die gleiche Bedeutung aufweisen. Diese Ausdrücke, die sich auf den Einschluss eines einzelnen Elements oder einer Vielzahl der Elemente beziehen, können ebenfalls durch den Zusatz „(s/n)“ am Ende des Elements dargestellt werden. Zum Beispiel können „mindestens ein Verteiler“ „ein oder mehrere Verteiler“ und „Verteiler“ austauschbar verwendet werden und sind dafür vorgesehen, die gleiche Bedeutung aufzuweisen.
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Innerhalb dieser Beschreibung sind Ausführungsformen auf eine Weise beschrieben worden, die es ermöglicht, dass eine klare und präzise Spezifikation geschrieben wird, aber es ist beabsichtigt und wird zu erkennen sein, dass Ausführungsformen verschieden kombiniert oder getrennt werden können, ohne von der Erfindung abzuweichen. Zum Beispiel wird zu erkennen sein, dass alle hierin beschriebenen bevorzugten Merkmale auf alle Aspekte der hierin beschriebenen Erfindung anwendbar sind.
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Die vorstehende Beschreibung verschiedener Formen der Erfindung ist zu Erläuterungs- und Beschreibungszwecken vorgelegt worden. Es ist nicht beabsichtigt, dass sie erschöpfend ist oder die Erfindung auf die genauen offenbarten Formen beschränkt. Zahlreiche Modifikationen oder Variationen sind im Licht der obigen Lehren möglich. Die erörterten Formen wurden gewählt und beschrieben, um die beste Erläuterung der Prinzipien der Erfindung und ihrer praktischen Anwendung bereitzustellen, um dadurch eine Durchschnittsfachperson in die Lage zu versetzen, die Erfindung in verschiedenen Formen und mit verschiedenen Modifikationen zu benutzen, wie sie für die besondere vorgesehene Verwendung geeignet sind. Alle solchen Modifikationen und Variationen liegen innerhalb des Rahmens der Erfindung, wie er durch die angefügten Ansprüche bestimmt wird, wenn sie entsprechend der Breite ausgelegt werden, zu der sie angemessenerweise, rechtmäßig und gerechterweise berechtigt sind.
