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GEBIET DER ERFINDUNG
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Diese Erfindung betrifft allgemein Luftwirbler für Kraftstoffeinspritz- und Verbrennungssysteme und insbesondere für Luftwirbler, die aus Blech hergestellt werden.
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STAND DER TECHNIK
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Um die Verbrennungseffizienz zu erhöhen und das Erzeugen von NOx und anderer unerwünschter Emissionen zu verringern, verwenden moderne Kraftstoffinjektordüsendesigns typisch einen Luftwirbler, wie den in 4 veranschaulichten. Wie in dieser 4 veranschaulicht, weist der typische Luftwirbler 400 eine Vielzahl geschlitzter Drallbleche 402, die in den Körper des Luftwirblers 400 geschnitten sind, auf. Diese geschlitzten Drallbleche 402 werden typisch abgewinkelt, um die Luft, die durch die Öffnungen 404 strömt, in ein Wirbelmuster zu lenken, das beim Zerstäuben und Mischen des durch die Kraftstoffdüse in den Verbrennungsbereich der Brennkammer eingespritzten Kraftstoffs unterstützt. Dabei wird eine viel vollständigere Verbrennung des injizierten Kraftstoffs verwirklicht, so dass die gesteigerte Effizienz und verringerten Emissionen, wie oben erwähnt, erzielt werden.
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Leider drängen beschränkte Platzverhältnisse und Materialkosten typisch zur Verringerung der Düsengröße. Die Strömungserfordernisse zum Erzielen höherer Ausgangsleistungen und Effizienzen tendieren jedoch dazu, solche Größenverringerungen zu verbieten, im Gegensatz zu den Raum- und Kostenauflagen, die zu einer Verkleinerung der Größe anhalten würden. Bei den meisten Verbrennungs-Kraftstoffdüsenkonzepten wird der Gesamtdurchmesser der Baugruppe von der Größe des Luftwirblers selbst vorgeschrieben.
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Da der Luftstrom durch die Drallblechgröße gesteuert wird, erfordert eine Steigerung in der Massenstromrate, die für höhere Kraftstoffflussanforderungen erforderlich ist, eine gesteigerte Drallblechgröße. Um jedoch niedrige Kosten sicherzustellen, werden Luftwirbler typisch konzipiert, um als ein tiefgezogener Blechbauteil hergestellt zu werden. Die Wirbel-Drallblechgröße wird daher davon vorgeschrieben, wie weit das Blech gestaucht werden kann, ohne in seinem Reißen zu resultieren. Aufgrund dieser Einschränkung würde das ständige Drängen nach einer Erhöhung der Drallblechgröße, um höheren Strömungsanforderungen Rechnung zu tragen, ein entsprechendes Zunehmen des Wirbeldurchmessers erfordern. Ein solcher erhöhter Durchmesser ist jedoch direkt konträr zu den Erfordernissen der verringerten Düsengröße, um den räumlichen Einschränkungen und Materialkostenauflagen bei vielen Anwendungen Rechnung zu tragen.
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Bei gesteigerten Luftströmungsanforderungen werden auch zusätzliche Probleme in Zusammenhang mit den typischen geschlitzten Drallblechen 402 des Luftwirblers 400 offensichtlich. Während solche geschlitzte Drallbleche 402 Luft, die durch die Öffnungen 404 strömt, in ein Wirbelmuster lenken, das auf dem Winkel des geschlitzten Drallblechs basiert, während der Luftstrom dadurch zunimmt, kann immer mehr Luft um die Seiten der geschlitzten Drallbleche 402 lecken. Dieser Leckluftstrom unterbricht das Wirbelmuster und verringert daher die Effizienz des Luft-/Kraftstoffmischens, für das der Wirbler konzipiert wurde.
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Während der Luftstrom zunimmt, können sich die geschlitzten Drallbleche 402 außerdem verformen und potenziell Ermüdung unterliegen. Eine derartige Verformung verringert auch das konzipierte Wirbelmuster, das dadurch erzeugt wird, während der Winkel der geschlitzten Drallbleche 402 unter dem gesteigerten Druck des größeren Luftstroms vergrößert werden kann. Eine derartige Änderung im Drallblechwinkel stört auch das Wirbelmuster, verringert die Wirbelstärke und verringert daher die Effizienz des Luft-Kraftstoffmischens.
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Die Ermüdung, die die geschlitzten Drallbleche 402 entlang ihres Knickpunkts über den breiteren Strömungsbereich erfahren, kann schlussendlich zum Versagen der geschlitzten Drallbleche 402 führen. Wie man sehen wird, stört der Verlust eines geschlitzten Drallblechs 402 das Wirbelmuster stark, resultiert in einer stark geschwächten Wirbelstärke und daher in einer starken Verringerung der Luft-Kraftstoffmischeffizienz. Obwohl solche Probleme durch den Gebrauch stärkerer Werkstoffe oder durch die Bereitstellung von Strukturen zum Verstärken der geschlitzten Drallbleche 402 behoben werden könnten, würde dies die Materialkosten prohibitiv hochtreiben.
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Es besteht daher ein Bedarf an einem Kraftstoffdüsen-Luftwirbler, der verbesserten Strom ohne Steigerung des Gesamtdurchmessers des Luftwirblers oder Steigerung der Materialkosten bereitstellt. Ausführungsformen des Luftwirblers der vorliegenden Erfindung stellen solche Luftwirbler bereit. Dieser und andere Vorteile der Erfindung sowie zusätzliche erfinderische Merkmale ergeben sich aus der Beschreibung der hier bereitgestellten Erfindung.
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KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
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Angesichts des oben Stehenden, stellen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung einen neuen und verbesserten Luftwirbler bereit, der eines oder mehrere der Probleme bewältigt, die im Stand der Technik existieren. Insbesondere stellen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung einen neuen und verbesserten Luftwirbler für eine Kraftstoffinjektordüse bereit, die als ein tiefgezogener Metallbauteil hergestellt wird. Insbesondere stellen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung einen neuen und verbesserten Blechluftwirbler bereit, der gesteigerten und/oder effizienteren Luftstrom erlaubt, ohne den Gesamtdurchmesser des Luftwirblers zu erhöhen.
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Bei einer Ausführungsform weist ein tiefgezogener Blechluftwirbler eine Vielzahl von Halbröhren-Drallblechen, die darin ausgebildet sind, auf. Jedes der Vielzahl von Halbröhren-Drallbleche ist auf Endwänden des Luftwirblers ausgebildet und ausgerichtet, um ein wirbelndes Luftmuster zu erzeugen, während Luft dadurch strömt. Da die Halbröhren-Drallbleche eine ununterbrochene Wand entlang ihrer Seiten aufweisen, kann Luftlecken um die Drallbleche, das bekannterweise bei den geschlitzten Drallblechen der typischen Luftwirbler auftritt, nicht auftreten.
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Bei einer Ausführungsform weist der Luftwirbler einen zentralen Schacht auf, der eine erste Endwand hat, durch welche ein Kraftstoffinjektor Kraftstoff einspritzt. Eine erste Vielzahl von Halbröhren-Drallblechen ist innerhalb des zentralen Schachts ausgebildet und stellt darin ein erstes Luftwirbelmuster bereit. Bei einer Ausführungsform weist eine zweite Endwand, die den zentralen Schacht umgibt, eine zweite Vielzahl von Halbröhren-Drallblechen auf. Diese zweite Vielzahl von Halbröhren-Drallblechen bildet ein zweites Luftwirbelmuster. Bei einer Ausführungsform drehen sowohl das erste als auch das zweite Luftwirbelmuster in dieselbe Richtung.
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Bei einer weiteren Ausführungsform ist jedes der Halbröhren-Drallbleche als ein zweiseitiges Halbröhren-Drallblech ausgebildet, das einen ersten Teil in einem spiegelbildlichen zweiten Teil hat, der sich in entgegengesetzte Richtungen zu der Endseite, in der sie ausgebildet sind, erstreckt. Die zweiseitigen Halbröhren-Drallbleche verdoppeln effektiv den offenen Bereich des Drallblechs im Vergleich zu Ausführungsformen, die ein einseitiges Halbröhren-Drallblech verwenden.
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Weitere Aspekte, Zielsetzungen und Vorteile der Erfindung ergeben sich besser aus der folgenden ausführlichen Beschreibung gemeinsam mit den begleitenden Zeichnungen.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die begleitenden Zeichnungen, die einbezogen und ein Bestandteil der Spezifikation sind, veranschaulichen mehrere Aspekte der vorliegenden Erfindung und dienen gemeinsam mit der Beschreibung zum Erklären der Konzepte der Erfindung. In den Zeichnungen:
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ist 1 eine Querschnitt-Seitenansicht einer Ausführungsform eines Halbröhren-Drallblech-Luftwirblers der zweiseitige Drallbleche hat, die in Übereinstimmung mit den Konzepten der vorliegenden Erfindung gebaut sind,
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ist 2 eine Vorderseitenansicht des Halbröhren-Drallblech-Luftwirblers der 1,
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ist 3 eine isometrische Ansicht einer alternativen Ausführungsform eines Halbröhren-Drallblech-Luftwirblers, der einseitige Drallbleche hat, die in Übereinstimmung mit den Konzepten der vorliegenden Erfindung gebaut sind,
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ist 4 eine isometrische Ansicht eines Blechluftwirblers des Stands der Technik.
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Obwohl die Erfindung in Verbindung mit bestimmten bevorzugten Ausführungsformen beschrieben wird, wird nicht beabsichtigt, sie auf diese Ausführungsformen zu beschränken. Im Gegenteil wird beabsichtigt, dass sie alle Alternativen, Änderungen und Äquivalente, die im Sinn und Geltungsbereich der Erfindung, wie von den anliegenden Ansprüchen definiert, enthalten.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen, ist in 1 eine Ausführungsform eines Luftwirblers 100, der in Übereinstimmung mit den Lehren der vorliegenden Erfindung gebaut ist, veranschaulicht. Ein derartiger Luftwirbler 100 kann in verschiedenen Betriebsumgebungen verwendet werden, um das Mischen der Luft und des Kraftstoffs zum Verbrennen in einer Brennkammer zu unterstützen. Bei einer beispielhaften Ausführungsform ist der Luftwirbler 100 ein tiefgezogener Blechbauteil für den Gebrauch mit einem Kraftstoffinjektor für einen Diesel-Partikelfilter-Regenerationsbrenner. Der Fachmann erkennt jedoch, dass andere Brennkammerumgebungen von der verbesserten Luftstromkapazität durch einen Luftwirbler mit einem gegebenen Durchmesser profitieren, der von Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ermöglicht wird, und während die folgende Besprechung die beispielhafte Betriebsumgebung betrifft, sollte sie beispielhaft und nicht einschränkend verstanden werden.
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Wie in 1 gezeigt, ist der Luftwirbler 100 ausgebildet, um eine zentrale Kraftstoffdüsen-Aufnahmeöffnung 102 aufzuweisen, durch welche Kraftstoff, der zu verbrennen ist, eingespritzt wird. Solcher Kraftstoff wird zuerst in einen zentralen Schacht 104 eingelassen, der eine Endwand 106 und eine Seitenwand 108 hat. In der Endwand 106 ist eine Vielzahl von Halbröhren-Drallblechen 110 ausgebildet. Jedes der Halbröhren-Drallbleche 110 bildet eine Luftstromöffnung 112 durch die Endwand 106, um Luft in den zentralen Schacht 104 einzulassen. Die Halbröhren-Drallbleche 110 sind so abgewinkelt, dass die Luft, die durch die Öffnungen 112 eingelassen wird, in einem wirbelnden Muster innerhalb des zentralen Schachts 104 strömt, um bei dem Mischen der Luft und des Kraftstoffs, der durch die Kraftstoffdüsen-Aufnahmeöffnung 102 eingespritzt wird, zu unterstützen.
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Bei einer Ausführungsform weist der Luftwirbler 100 auch einen Flanschteil 114 auf, der sich radial von dem zentralen Schacht 104 auswärts erstreckt. In dem Flanschteil 114 ist eine Vielzahl von Halbröhren-Drallblechen 116 ausgebildet. Jedes dieser Halbröhren-Drallbleche bildet eine Luftstromöffnung 118 durch dieses, auch um Luft in die Brennkammer einzulassen. Die Halbröhren-Drallbleche 116 sind so abgewinkelt, dass die Luft, die durch die Öffnungen 118 eingelassen wird, in einem wirbelnden Muster strömt, um bei dem Mischen der Luft und des Kraftstoffs, der durch die Kraftstoffdüsen-Aufnahmeöffnung 102 eingespritzt wird, zu unterstützen. Bei der in 1 veranschaulichten Ausführungsform weist der Flanschteil 114 eine Flanschseitenwand 120 auf, die sich axial von der Endwand 106 weg erstreckt, um eine Wirbelkammer 122 zu bilden.
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Wie in dieser 1 sichtbar ist, sind die Richtung und der Winkel der Drallbleche 110 und 116 derart, dass sie das Wirbelmuster unterstützen, das heißt, sie sind so abgewinkelt, dass beide Wirbelmuster in den Uhrzeigersinn oder beide gegen den Uhrzeigersinn sind. Während die Richtung der induzierten Drehung der Wirbelmuster dieselbe sein kann, kann der tatsächliche Winkel der Drallbleche 110, 116 in Abhängigkeit von dem gewünschten Gesamtwirbelmuster derselbe oder unterschiedlich sein. Ein seichterer Winkel ergäbe ein flacheres, schnelleres Wirbelmuster, während ein größerer Winkel ein längeres, langsameres Wirbelmuster ergäbe. Der Winkel bestimmter Drallbleche oder Gruppen von Drallblechen kann sich von denen anderer unterscheiden, um komplexere Wirbelmuster zu bilden. Bei einer alternativen Ausführungsform kann die Richtung des Winkels der Drallbleche 110, 116 unterschiedlich sein, um eine scherende Beziehung zwischen den wirbelnden Luftströmen, die dadurch gebildet werden, bereitzustellen.
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Wie aus der Endansicht von 2 klarer ersichtlich, weist jedes der ersten Vielzahl von Halbröhren-Drallblechen 110 und der zweiten Vielzahl von Halbröhren-Drallblechen 116 einen ersten Teil 110 1, 116 1 und einen zweiten Teil 110 2, 116 2 auf. Der erste und der zweite Teil (110 1, 110 2 und 116 1, 116 2) schaffen eine spiegelbildliche Drallblechgeometrie bei einer Ausführungsform, die den offenen Bereich jedes der Halbröhren-Drallbleche 110, 116 im Vergleich zum Beispiel zu der Ausführungsform der 3, die unten ausführlicher besprochen wird, verdoppelt. Bei einer anderen Ausführungsform ist die Drallblechgeometrie nicht spiegelbildlich, sondern der erste und der zweite Teil (110 1, 110 2 und 116 1, 116 2) werden zu zwei unterschiedlichen Axialwinkeln gestanzt oder gezogen. Das ergibt eine vereinfachte Flügelprofilform (Kammerform) für den Wirbler 100. Bei einer weiteren Ausführungsform sind die Drallbleche 110, 116 mit einer Krümmung für eine kontinuierliche Kammer- oder Flügelprofilform ausgebildet.
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Diese spiegelbildliche Drallblechgeometrie wird bei einer Ausführungsform ausgebildet, indem das Blech in entgegengesetzte Richtungen in Bezug zu der Ebene der Wand (106, 114) gestaucht wird. Derart kann die effektive Drallblechgröße für einen Luftwirbler mit gegebenem Durchmesser erhöht werden, ohne Bedrohung, das Blech, aus dem der Luftwirbler 100 gebildet wird, zu zerreißen. Das ist besonders vorteilhaft, wenn der Luftwirbler eine tiefgezogene Blechstruktur ist.
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Durch Gebrauch eines derartigen zweiseitigen Drallblechdesigns stellt der Luftwirbler 100 gesteigerte Luftstromkapazität gegenüber den früheren geschlitzten Drallblechdesigns bereit, ohne den Durchmesser des Luftwirblers zu erhöhen. Indem der Durchmesser im Vergleich zu der Luftstromkapazität klein gehalten wird, werden die Materialkosten verringert und die Bauraumeinschränkungen werden gelindert. Ein weiterer Vorteil ist die Verringerung des Bauteilgewichts verbunden mit der insgesamt verringerten Düsengröße. Ferner untersagen solche Halbröhren-Drallbleche 110, 116 das Lecken von Luft um die Seiten der Drallbleche heraus, wie das bei herkömmlichen geschlitzten Drallblechdesigns auftritt (siehe zum Beispiel 4). Daher stellen die Halbröhren-Drallbleche 110, 116 effizientere Luftnutzung und größere Wirbelstärke, insbesondere während Bedingungen mit hohem Durchfluss bereit. Zusätzlich ist die Drallblechgeometrie viel starrer als die Drallblechgeometrie des typischen geschlitzten Drallblech-Luftwirblers, der in 4 gezeigt ist, und ist daher weniger für Verformung und potentielle Ermüdung anfällig.
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3 veranschaulicht eine alternative Ausführungsform des Luftwirblers 100', der einseitige Halbröhren-Drallbleche 110', 116' im Gegensatz zu den zweiseitigen Halbröhren-Drallblechen 110, 116, die in der Ausführungsform der 1–2 veranschaulicht sind, verwendet. Während 3 die Konfiguration dieser Drallbleche 110' und 116' mit ihrem Halbröhrenteil, der sich in die Brennkammer oder zu der Brennkammer erstreckt, veranschaulicht, kann eine spiegelbildliche Konfiguration ebenfalls verwendet werden, um den Wirbelluftstrom zu erzeugen (ähnlich zu dem Gebrauch nur eines Teils 110 1 oder 110 2, 116 1 oder 116 2 der zweiseitigen Halbröhren-Drallbleche 110, 116 aus 2). Die Konfiguration dieser einseitigen Halbröhren-Drallbleche 110', 116' kann auch basierend auf dem gewünschten Wirbelluftstrommuster variiert werden. Wie gezeigt, sind die Richtung und der Winkel der Drallbleche 110' und 116' derart, dass sie das Wirbelmuster unterstützen, das heißt, sie sind so abgewinkelt, dass beide Wirbelmuster in den Uhrzeigersinn oder beide gegen den Uhrzeigersinn sind.
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Während die Richtung der induzierten Drehung der Wirbelmuster dieselbe sein kann, kann der tatsächliche Winkel der Drallbleche 110', 116' in Abhängigkeit von dem gewünschten Gesamtwirbelmuster derselbe oder unterschiedlich sein. Ein seichterer Winkel ergäbe ein flacheres, schnelleres Wirbelmuster, während ein größerer Winkel ein längeres, langsameres Wirbelmuster ergäbe. Bei einer alternativen Ausführungsform kann die Richtung des Winkels der Drallbleche 110', 116' unterschiedlich sein, um eine scherende Beziehung zwischen den wirbelnden Luftströmen, die dadurch gebildet werden, bereitzustellen.
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Während der Luftstrom durch die Halbröhren-Drallbleche 110', 116' des Luftwirblers 100' geringer ist als durch den Luftwirbler 100, der in den 1–2 veranschaulicht ist (unter der Annahme, dass die Halbröhren-Drallbleche 110', 116' dieselbe Größe haben wie einer der Teile (110 1 oder 110 2, 116 1 oder 116 2) der zweiseitigen Halbröhren-Drallbleche 110, 116), kann der Luftwirbler 100' immer noch Nutzen aus der größeren Wirbelkraft für einen gegebenen Strom beziehen. Das ist darauf zurückzuführen, dass die Luft, die durch die Öffnungen 118' strömt, nicht um die Seiten der Drallbleche lecken kann, wie sie es bei dem geschlitzten Drallblechdesign, das in 4 gezeigt ist, kann.
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Diese Ausführungsform des Luftwirblers 110' profitiert auch von der gesteigerten Starrheit der Drallblechgeometrie im Vergleich zu dem geschlitzten Drallblechdesign der 4, was ihn daher weniger für Verformung und potentielle Ermüdung anfällig macht. Die Ausführungsform, die in 3 veranschaulicht ist, weist auch eine Seitenwand 120' auf, die sich von dem Flanschteil 114' zu der Endwand 106' erstreckt, obwohl bei beiden Ausführungsformen die alternative Seitenwandkonfiguration basierend auf Installationsanforderungen verwendet werden kann.
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Obwohl die obenstehenden Ausführungsformen als Halbröhren-Drallbleche verwendend besprochen wurden, die besonders gut für Luftwirbler 100, 100', die als ein tiefgezogener Blechteil hergestellt werden, geeignet sind, um das Blech während des Bildens nicht zu zerreißen, erkennt der Fachmann, dass andere Konfigurationen von Drallblechen innerhalb des Sinns und Geltungsbereichs der Erfindung verwendet werden können. Es können nämlich verschiedene Konfigurationen, die geschlossene Seiten auf dem Drallblechen haben, im Gegensatz zu den geschlitzten Drallblechen, die in 4 veranschaulicht sind, verwendet werden. Diese weisen beispielhaft rechteckige, dreieckige, ovale usw. Konfigurationen auf. Wie er hier verwendet wird, muss der Ausdruck Halbröhre als jede Form geschlossener Seitendrallbleche, seien sie in gerundeter oder abgewinkelter Konfiguration, umfassend ausgelegt werden.
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Alle Bezugnahmen, darunter Veröffentlichungen, Patentanmeldungen und Patente, die hier zitiert werden, werden hiermit durch Erwähnung in demselben Ausmaß einbezogen, als wäre jede Bezugnahme einzeln und spezifisch angegeben, um durch Erwähnung einbezogen zu werden, und hier komplett dargelegt.
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Der Gebrauch der Begriffe „eine” und „die” und ähnliche Verweise in dem Zusammenhang der Beschreibung der Erfindung (insbesondere in dem Zusammenhang der folgenden Ansprüche) muss als sowohl den Singular als auch den Plural deckend ausgelegt werden, außer wenn hier anders angegeben oder wenn dem vom Kontext klar widersprochen wird. Die Begriffe „umfassend”, „haben”, „aufweisend” und „enthaltend” sind als offene Begriffe auszulegen (das heißt, dass sie „inklusive aber nicht beschränkt auf” bedeuten), außer wenn es anders angegeben ist. Die Angabe von Wertebereichen soll allein als eine schnelle Methode dienen, um einzeln auf jeden getrennten Wert zu verweisen, der in den Bereich fällt, außer wenn es anders angegeben ist, und jeder getrennte Wert ist in der Spezifikation so enthalten, als wäre er einzeln erwähnt. Alle Methoden, die hier beschrieben sind, können in einer geeigneten Reihenfolge ausgeführt werden, außer wenn es anders angegeben ist oder der Kontext dem klar widerspricht. Der Gebrauch sämtlicher Beispiele oder beispielhafter Sprache (zum Beispiel „wie zum Beispiel”), der hier gegeben wird, soll nur die Erfindung besser erläutern und ist keine Einschränkung des Geltungsbereichs der Erfindung, außer wenn dies anders beansprucht wird. Keine Ausdrucksweise in der Spezifikation sollte als dahingehend ausgelegt werden, dass sie irgendwelche nicht beanspruchte Elemente als für die Umsetzung der Erfindung wesentlich angibt.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind hier beschrieben, inklusive die den Erfindern beste bekannte Art zum Ausführen der Erfindung. Variationen dieser bevorzugten Ausführungsformen können dem Durchschnittsfachmann bei der Lektüre der oben stehenden Beschreibung deutlich werden. Die Erfinder erwarten, dass qualifizierte Handwerker solche Variationen entsprechend verwenden, und die Erfinder sehen vor, dass die Erfindung anders als hier spezifisch beschrieben ausgeübt wird. Daher umfasst diese Erfindung alle Änderungen und Äquivalente des Gegenstands, der in den Ansprüchen, die anliegen, vorgetragen sind, wie sie vom geltenden Recht erlaubt werden. Ferner schließt die Erfindung jede Kombination der oben beschriebenen Elemente in allen möglichen Variationen ein, außer wenn dies hier anders angegeben oder wenn dem vom Kontext klar widersprochen wird.
