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Hintergrund der Erfindung
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Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf Wärmetauscher. Insbesondere betrifft
sie Wärmetauschervorrichtungen
mit Fluideinleitung, mit dem Ziel, den Wärmeaustausch zu steigern und
um den Anteil an suspendierter Gasphase in einem Fluid wie zum Beispiel
einem Kühlmittel
zu reduzieren.
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Beschreibung
des Standes der Technik
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Kühlsysteme,
welche übliche
Kühl- oder Wärmerückgewinnungstechnologien
einsetzen, sind allgemein bekannt und umfassen Kühlanlagen, Klimaanlagen, Kältemaschinen
und Wärmepumpen. Typischerweise
enthalten diese Systeme oder Vorrichtungen Gase oder Flüssigkeiten,
welche in einem normalerweise geschlossenen System verdichtet, entspannt,
erhitzt und/oder gekühlt
werden, so dass Temperaturgradienten erzeugt werden. Es wurden bedeutende
Anstrengungen unternommen, um Strukturen zu entwickeln, die den
Wirkungsgrad bekannter kühlender
Kreisprozesse steigern sollen.
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In
einem typischen Kühlsystem
werden zum Beispiel Unterkühler
eingesetzt, um das Kühlmittel teilweise
zu kühlen,
bevor dieses in die Entspannungsvorrichtung und in den nachgeschalteten
Verdampfer gelangt. Es konnte gezeigt werden, dass ein Kühlen des
Kühlmittels
den Wirkungsgrad bei der Wärmeübertragung
im Verdampfer steigert. Es gibt verschiedenartige Unterkühler. Die
meistverbreitete Ausführungsform
kühlt das
Kühlmittel,
indem es in kühlere
Flüssigkeit
gezogen wird, welche das warme Kühlmittel
umhüllt.
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Eine
andere allgemein bekannte Methode, um den Wirkungsgrad des Wärmeaustausches
in einem kühlenden
Kreisprozess zu steigern, umfasst Maßnahmen zur Erzeugung turbulenter
Strömungen im
verflüssigten
Kühlmittel.
Die turbulente Strömung im
Kühlmittel
vermindert die Grenzschicht, welche entlang der Innenflächen der
Verrohrung oder des Wärmetauschers
gebildet werden; dadurch wird ein verbesserter Wärmeaustausch zwischen dem Kühlmittel
und der Verrohrung oder dem Wärmetauscher gewährleistet,
um so den Gesamtwirkungsgrad des Systems zu steigern.
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Ein
aus dem Stand der Technik bekanntes Mittel, das Kühlmittel
verwirbelt um den Wärmetausch
zu steigern, ist in den Vereinigten Staaten und anderswo seit mindestens
1992 in öffentlichem
Gebrauch. Dieses bekannte Mittel aus dem Stand der Technik ist Gegenstand
des jüngst
veröffentlichten US-Patents
Nr. 5,426,956, das am 27. Juni 1995 für Gary E. Phillippe für eine den
Wirkungsgrad eines Kühlsystems
steigernde Vorrichtung erteilt wurde (US-Seriennummer 08/148,008, angemeldet
am 4. November 1993). Phillippe lehrt den Gebrauch einer behälterähnlichen
Vorrichtung, die in Fluidverbindung mit einer Kühlleitung angeordnet werden
kann. Die behälterähnliche
Vorrichtung von Phillippe weist ein abgewinkeltes Einlassrohr auf,
das so ausgelegt ist, dass eine turbulente Bewegung erzeugt wird,
sobald das Fluid aus der Einlassleitung in den Behälter eintritt.
Während
der typischen Betriebsweise der Vorrichtung von Phillippe trifft
das Fluid, das in den Behälter
eintritt, auf sich in dem Behälter
befindliches Fluid und verursacht eine Verwirbelung beim Einspritzen
des Fluids. Leider kann durch das Einspritzen oder die Verwirbelung
das eintretende Fluid mit suspendierter Gasphase verunreinigt werden.
Außerdem
leitet die Vorrichtung von Phillippe das eintretende Fluid nicht
nach außen
gegen die Innenflächen des
Behälters,
um jegliche Wärmeübertragung
von dort zu verbessern, sondern richtet das eintretende Fluid eher
in einen mittleren Bereich des Behälters. Die Phillippe-Vorrichtung
weist ein Ausgangsrohr auf. Aus dem Ausgangsrohr des Behälters austretendes Fluid
bildet einen Strudel aus Dampf, der zusätzlich Gas und Dampf in das
austretende flüssige
Kühlmittel
einzieht welche dann darin suspendiert werden. Die Vorrichtung von
Phillippe weist keine Einrichtung auf, die die Entstehung eines
Strudels aus Dampf in dem austretenden Fluid begrenzt. Die Vorrichtung von
Phillippe kann jedoch zusätzlich
ein scheibenähnliches
Element aufweisen, das als „Turbulator" (Turbulenzerzeuger)
bezeichnet wird. Der Turbulator ist in dem Ausgangsrohr angeordnet;
er dient dazu, Fluid zu verwirbeln, das aus dem Behälter austritt. Der
Turbulator der Phillippe-Vorrichtung ist eine besonders ausgebildete
Scheibe mit zwei symmetrischen Schaufeln, die von zwei diametral
gegenüberliegenden
Seiten der Scheibe radial nach innen verlaufen, die einfach in den
Fluidstrom ragen und das aus dem Behälter austretende Fluid in Bewegung versetzen.
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Ein
weiterer im Stand der Technik nicht bekannter Effizienzverlust des
Systems wurde von den genannten Erfindern der vorliegenden Gebrauchspatentanmeldung
(Utility Patent Application) gefunden. Der festgestellte Effizienzverlust
resultiert daraus, dass eine bestimmte Kühlmittelmenge nicht vollständig innerhalb
einer Flüssigkeitsleitung
verflüssigt wird.
Innerhalb der Fluidleitung schafft ein solcher Mangel an vollständiger Verflüssigung
von Kühlmittel eine
Schicht oder einen Hohlraum aus isolierendem Dampf oder Gas, was
die Wärmeübertragung
gegenüber
dem Kühlmittel
verringert.
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US 5,059,226 beschreibt
einen statischen, zentrifugalen Zwei-Phasen Verteiler mit den im
Oberbegriff des Anspruchs 1 beschriebenen Merkmalen.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Demgemäß ist es
ein primäres
Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Wärmetauschervorrichtung mit
Fluideinleitung bereitzustellen, wobei deren Innenflächen mit
Fluid überzogen
oder belegt werden, um die Wärmeübertragung
auf das Fluid oder Kühlmittel,
das durch die Vorrichtung strömt,
zu verbessern.
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Ein
anderes Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine Wärmetauschervorrichtung
mit Fluideinleitung bereitzustellen, welche das Fluid verdichtet, ohne
darin einen Wirbel zu bilden, bevor das Fluid aus der Vorrichtung
austritt.
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Ein
weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine Wärmetauschervorrichtung
mit Fluideinleitung bereitzustellen, welche das Fluid oder das Kühlmittel,
welches aus der Vorrichtung austritt, verwirbelt.
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Ein
weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine neuartige
Wärmetauschervorrichtung
mit Fluideinleitung und ein Verfahren bereitzustellen, welches viele
der Vorteile der oben genannten Wärmetauscher und viele neue
Merkmale aufweist, welche eine Wärmetauschervorrichtung
mit Fluideinleitung bilden, die nicht vorweggenommen ist, offenkundig wiedergegeben,
vorgeschlagen oder worauf sogar durch jeglichen Austauscher nach
dem Stand der Technik geschlossen werden kann, und zwar entweder
einzeln betrachtet oder in jeglichen Kombinationen.
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Ein
weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine neue Wärmetauschervorrichtung
mit Fluideinleitung bereitzustellen, welche einfach und effizient
hergestellt und vertrieben werden kann.
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Noch
ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine neue Wärmetauschervorrichtung mit
Fluideinleitung bereitzustellen, welche aus einer robusten und zuverlässigen Konstruktion
besteht.
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Ein
weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine neue Wärmetauschervorrichtung
mit Fluideinleitung bereitzustellen, welche sich durch niedrige
Herstellungskosten in Bezug auf Material und Arbeitskosten auszeichnet,
und welche sich dementsprechend durch niedrige Verkaufspreise gegenüber dem
Verbraucher auszeichnet, wodurch Wärmetauschervorrichtungen mit
Fluideinleitung dem Käufer wirtschaftlich
zugänglich
gemacht werden können.
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Noch
ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine neuartige
Wärmetauschervorrichtung
mit Fluideinleitung bereitzustellen, welche gegenüber den
Apparaten und Verfahren nach dem Stand der Technik einige Vorteile
bietet, während gleichzeitig
einige der Nachteile, die normalerweise damit verbunden sind, überwunden
werden.
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Um
dies zu erreichen, umfasst die vorliegende Erfindung im Wesentlichen
eine Vorrichtung welche die charakterisierenden Merkmale von Anspruch 1
aufweist, um die Wärmeübertragung
zu erhöhen und
die suspendierte Gasphase innerhalb eines Fluids zu verringern.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst
einen Hauptkörper,
der ein oder mehrere Paare von Rohren aufweist, die so positioniert
werden können,
dass sie mit einer Fluid- oder Kühlmittelleitung
kommunizieren. Ein Radialdiffusor bewirkt, dass Fluid, welches aus
dem Hauptkörper
austritt, dessen Innenwände überzieht
oder belegt, wodurch die Wärmeübertragung
verbessert wird. Ein Radialinfusor empfängt gesammeltes Fluid und leitet
es in eine Behälterkammer
innerhalb des Hauptkörpers. Ein
Rotationsturbulenzerzeuger verwirbelt das Fluid, sobald es aus dem
Hauptkörper
austritt, um die Wärmeübertragung
zwischen dem Fluid und dem Rohr zu erhöhen, und leitet das Fluid unter
relativem Überdruck
in die Behälterkammer
ein. Alternative Ausführungsformen
der Erfindung umfassen eine Turbine, die innerhalb der Behälterkammer
angebracht ist, um das Rotationsdrehmoment aus der Bewegung des Fluids
durch die Vorrichtung abzutrennen, und einen unteren Hauptkörper mit
einem Paar, wahlweise mit einem Ventil gesteuerter, Radialinfusoren,
die den Fluss durch die Vorrichtung in umgekehrter Richtung ermöglichen.
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Es
wurden hier die wichtigeren Merkmale der Erfindung deshalb relativ
breit dargestellt, um deren nachfolgende detaillierte Beschreibung
besser verständlich
zu machen und um den vorliegenden Beitrag zum Stand der Technik
besser abschätzen
zu können.
Es gibt zusätzliche
Merkmale der Erfindung, die im folgenden beschrieben werden und
den Gegenstand der beigefügten
Ansprüche
bilden.
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Bevor
mindestens eine Ausführungsform
der Erfindung im Detail erläutert
wird, ist in diesem Zusammenhang davon auszugehen, dass die Erfindung
nicht in ihrer Anwendung auf die Details des Aufbaus und der Anordnung
der Komponenten beschränkt
wird, die in der folgenden Beschreibung erläutert und in den Figuren dargestellt
sind. Die Erfindung kann auch andere Ausführungsformen umfassen und kann
auf verschiedene Arten ausgeführt
und ausgeübt
werden. Es versteht sich, dass die hierin verwendete Ausdrucksweise
und Terminologie Beschreibungszwecken dient und nicht beschränkend betrachtet
werden sollte.
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Fachleute
werden verstehen, dass die Vorstellung, worauf die Offenbarung gründet, ohne
weiteres als Grundlage für
das Erstellen anderer Strukturen, Methoden und Systeme genutzt werden
kann, um die verschiedenen Ziele der vorliegenden Erfindung umzusetzen.
Es ist deshalb wichtig, dass die Ansprüche so angesehen werden, dass
sie auch gleichartige Konstruktionen umfassen, insoweit diese nicht
von Geist und Umfang der vorliegenden Erfindung abweichen.
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Die
verschiedenen neuartigen Merkmale, die die Erfindung charakterisieren,
werden in den beigefügten
Ansprüchen
besonders hervorgehoben; sie stellen einen Teil dieser Offenbarung
dar. Zum besseren Verständnis
der Erfindung, seiner Vorteile bei der Ausführung und der einzelnen Zwecke,
die durch ihren Gebrauch erzielt werden, soll auf die beigefügten Zeichnungen
und auf die Beschreibung, worin die bevorzugten Ausführungsformen
der Erfindung dargestellt sind, Bezug genommen werden.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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Die
Erfindung wird besser zu verstehen sein, und andere Zwecke als die
bereits oben genannten werden offensichtlich, wenn die deren folgende
detaillierte Beschreibung berücksichtigt
wird. Diese Beschreibung nimmt Bezug auf die anhängigen Zeichnungen, wobei:
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1 eine
Querschnittsansicht einer Wärmetauschervorrichtung
mit Fluideinleitung gemäß der vorliegenden
Erfindung ist,
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2 eine
Querschnittsansicht entlang der Linie 2-2 der 1 ist,
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3 eine
Querschnittsansicht eines Teils der vorliegenden Erfindung ist,
welche eine alternative Form eines Radialdiffusors beinhaltet,
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4 eine
Querschnittsansicht entlang der Linie 4-4 der 3 ist,
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5 eine
Querschnittsansicht eines Teils der vorliegenden Erfindung ist,
welche eine weitere alternative Form des Radialdiffusors beinhaltet,
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6 eine
Querschnittsansicht der Erfindung ist, welche noch eine andere alternative
Form des Radialdiffusors beinhaltet,
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7 eine
Querschnittsansicht entlang der Linie 7-7 der 6 ist,
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8 eine
Querschnittsansicht der Erfindung ist, welche eine weitere alternative
Form des Radialdiffusors beinhaltet und eine Konstruktion der vorliegenden
Erfindung darstellt, worin kein Radialinfusor der Erfindung im Hauptkörper angebracht
ist,
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9 eine
Draufsicht eines Rotationsturbulenzerzeugers der vorliegenden Erfindung
ist,
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10 eine
Ansicht des Rotationsturbulenzerzeugers ist,
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11 eine
Ansicht eines Aufbaus eines Reihenturbulenzerzeugers zur Verwendung
im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist,
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12 eine
Querschnittsansicht einer alternativen Form der vorliegenden Erfindung
ist, die eine Turbine beinhaltet,
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13 eine
Querschnittsansicht entlang der Linie 13-13 der 12 ist,
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14 eine
Querschnittsansicht einer weiteren alternativen Form der vorliegenden
Erfindung ist, die einen unteren Hauptkörper beinhaltet, mit einem Paar,
wahlweise mit einem Ventil gesteuerter, Radialinfusoren,
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15 eine
Querschnittsansicht entlang der Linie 15-15 der 14,
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16 eine
Querschnittsansicht entlang der Linie 16-16 der 14.
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Beschreibung
bevorzugter Ausführungsformen
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Mit
Verweis auf die Zeichnungen und insbesondere auf die 1–16,
wird eine neuartige Wärmetauschervorrichtung
mit Fluideinleitung beschrieben, die die Prinzipien und Konzepte
der vorliegenden Erfindung verkörpert
und allgemein mit der Bezugszahl 10 bezeichnet wird.
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Mehr
im Detail ist zu erwähnen,
dass die Wärmetauschervorrichtung
mit Fluideinleitung 10 einen Hauptkörper 12 mit jeglichem
gewünschten Querschnitt
umfasst, wobei dieser vorzugsweise aber in zylindrischer Konfiguration
ausgebildet ist. Der Hauptkörper 12 umfasst
eine obere Endplatte 14 und eine untere Endplatte 16,
die mit einer äußeren Seitenwand
des Hauptkörpers 12 so zusammenwirken,
dass Fluid innerhalb der Vorrichtung 10 gehalten wird,
während
es diese durchströmt.
Ein erstes Zuflussrohr 18 erstreckt sich in den Hauptkörper 12 und kann
so positioniert sein, dass es mit einer nicht dargestellten Kühlleitung
eines Kühl-
oder Wärmetauschersystems
in Fluidverbindung kommuniziert. Ein zweites Abflussrohr 20 erstreckt
sich vom Hauptkörper 12 und
ist in ähnlicher
Weise positionierbar, dass es in einer Fluidverbindung mit einem
Kühl- oder Wärmetauschersystem
kommuniziert. Ein Radialdiffusor 22 ist innerhalb eines
oberen Teils des Hauptkörpers 12 angebracht
und steht in Fluidverbindung mit dem Zuflussrohr 18, sodass
das Fluid, welches in den Hauptkörper
eintritt, radial so nach außen
geleitet wird, dass es die Innenflächen des Hauptkörpers 12 überzieht
oder „belegt", um die Wärmeübertragung
zwischen dem Fluid und dem Hauptkörper zu verbessern. Rippen 24 können sich
von einem Außenbereich
des Hauptkörpers 12 erstrecken,
um so einen Wärmeaustausch
zwischen einem Außenbereich
des Hauptkörpers 12 und
der umgebenden Umgebungsluft zu erlauben. Ein Radialinfusor 26 kann innerhalb
des Hauptkörpers 12 nahe
der unteren Endplatte 16 davon angebracht sein, um gesammeltes
Fluid innerhalb einer Wirbelbehälterkammer 44, welche
in Fluidverbindung mit dem zweiten Abflussrohr 20 steht,
aufzunehmen. Einer oder mehrere Rotationsturbulenzerzeuger 28 sind
innerhalb des zweiten Abflussrohrs 20 angebracht, um Rotationsturbulenzen
innerhalb des Fluids oder Kühlmittels,
welches aus dem Hauptkörper 12 austritt,
zu erzeugen. Durch diese Konstruktion wird eine verbesserte Effizienz
der Wärmeübertragung
zwischen dem Fluid und dem Hauptkörper 12 sowie dem
zweiten Abflussrohr erreicht. Desweiteren wird das Kühlmittel
oder Fluid, welches durch die Vorrichtung 10 strömt, innerhalb
der Wirbelbehälterkammer 44 verdichtet,
bevor es aus dem Hauptkörper 12 austritt,
um so suspendiertes Gas oder Dampf innerhalb des Fluids oder Kühlmittels
zu beseitigen oder zu reduzieren. Indem die vorliegende Erfindung 10 entweder
im Überdruck, im
Unterdruck oder mit atmosphärischem
Druck arbeitet, ermöglicht
sie es einem Kühlmittelkreislauf oder
Wärmetauschsystem
effizienter zu arbeiten, indem die Wärmeübertragung bezogen auf das
Fluid oder Kühlmittel
erhöht
wird und eine Menge an existierendem Dampf oder Gas innerhalb des
Kühlmittels gesenkt
wird.
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Wie 1 zeigt,
kann der Radialdiffusor 22 der vorliegenden Erfindung 10 ein
konkaves Kuppelteil 30 umfassen, welches in dem Hauptkörper 12 in
der Nähe
der oberen Endplatte 14 davon angebracht ist. Ein aufwärts gerichtetes
Rohrknie 32 kann sich von innerhalb der Fluidverbindung
mit dem ersten Zuflussrohr 18 zu einer konzentrischen Position innerhalb
des Hauptkörpers 12 erstrecken,
um das Fluid, welches in den Hauptkörper eintritt, gegen die konkave
Innenfläche
des konkaven kuppelförmigen Teils 30 leitet.
Das konkave kuppelförmige
Teil 30 erstreckt sich in durchgehender Verbindung mit
der Innenfläche
des Hauptkörpers 12 auf
die Weise, dass Fluid, welches auf das Kuppelteil 30 geleitet
wird, gezwungen wird, radial auswärts gegen Innenflächen des
Hauptkörpers 12 zu
fließen,
um derartige Flächen
zu überziehen
oder zu belegen, was eine verbesserte Wärmeübertragung zwischen dem Fluid und
dem Hauptkörper 12 zur
Folge hat. Das Überziehen
oder Belegen des Fluids oder Kühlmittels
auf die Innenfläche
des Hauptkörpers 12 wird
durch die Oberflächenspannung
des Fluids zurückgehalten und
gestützt,
während
das Fluid entlang der inneren Fläche
des Hauptkörpers 12 sinkt.
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Eine
erste alternative Ausführungsform
des Radialdiffusors 22, wie in 3 und 4 dargestellt,
umfasst das Führen
des ersten Zuflussrohres 18 durch die obere Endplatte 14 in
den Hauptkörper 12 und
in die Mitte des Hauptkörpers.
Eine Vielzahl von überlappenden
Diffusorteilen 34 sind auf den Innenflächen des Hauptkörpers 12 befestigt
und reichen von dort radial in eine Mitte des Hauptkörpers 12.
Die überlappenden
Diffusorteile 34 reichen jeweils nur entlang eines Teiles
des inneren Kreisumfangs oder -bogens des Hauptkörpers 12; sie sind, bei überlappenden
Teilen, derart voneinander beabstandet, dass Fluid, welches in das
erste Zuflussrohr 18 eintritt und auf die Diffusorteile 34 prallt,
veranlasst wird, von einer Mitte des Hauptkörpers aus, radial nach außen und
zwischen die beabstandeten und überlappenden
Diffusorteile 34 auf die Innenflächen des Hauptkörpers 12 zu
fließen.
Bevorzugt sind die Diffusorteile 34 so ausgebildet, dass
sie zumindest eine leichte Drehbewegung im oder entgegen dem Uhrzeigersinn
auf das Fluid übertragen,
wie es in 4 der Zeichnungen zu sehen ist.
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Eine
zweite alternative Ausführungsform
des Radialdiffusors 22 ist in 5 gezeigt
und umfasst die Positionierung des ersten Zuflussrohrs 18 durch die obere
Endplatte 14 des Hauptkörpers 12,
so dass die Flüssigkeit
in die Mitte des Hauptkörpers 12 geführt wird.
Ein Streuelement 36 in Form einer kreisförmigen Platte
ist konzentrisch im Hauptkörper 12 befestigt
und umfasst eine äußere periphere
Kante, die von der Innenfläche
des Hauptkörpers 12 beabstandet
ist, so dass Fluid, das auf das Streuelement 36 prallt,
radial auswärts
gegen die Innenflächen
des Hauptkörpers 12 fließt, um diese
zu überziehen
und anschließend
daran entlang zu fließen.
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Eine
dritte alternative Form des Radialdiffusors 22 ist in den 6 und 7 gezeigt
und umfasst die Führung
des ersten Zuflussrohrs 18 durch eine Seitenwand des Hauptkörpers 12,
wobei ein bogenförmiges
Innenrohr 38, das daraus herausreicht, in Fluidverbindung
mit dem ersten Zuflussrohr kommuniziert und an eine Innenfläche des
Hauptkörpers 12 angrenzt,
und zwar zumindest für
einen Teil des inneren Bogens. Durch diese Struktur wird Fluid,
welches in das erste Zuflussrohr 18 einfließt und anschließend in
das bogenförmige
Innenrohr 38 fließt, dazu
gebracht, auf die Innenflächen
des Hauptkörpers 12 zu
prallen und außerdem
schraubenförmig zu
rotieren, während
die Schwerkraft das Fluid in Richtung der unteren Endplatte 16 des
Hauptkörpers 12 zieht.
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Wie
in 8 gezeigt, kann der Radialdiffusor 22 in
einer vierten Ausführungsform
einfach ein gerades Innenrohr 40 umfassen, das ausgehend
vom ersten Zuflussrohr 18 direkt durch eine Seitenwand
des Hauptkörpers 12 gerichtet
ist, wodurch Fluid, das die Vorrichtung 10 erreicht, veranlasst
wird, senkrecht auf die Innenfläche
des Hauptkörpers 12 aufzutreffen.
In dieser alternativen Ausführungsform
der in 8 dargestellten Erfindung kann weiterhin gezeigt werden,
dass diese, in einer einfacheren Ausführungsform dieser Erfindung,
ohne den in 1 der Zeichnungen gezeigten
Radialinfusor 26 konstruiert werden kann.
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Nun
zurückkommend
auf 1 der Zeichnungen kann gezeigt werden, dass der
Radialinfusor 26 der vorliegenden Erfindung 10 vorzugsweise
einen verlängerten
Innenkörper 42 beinhaltet,
der innerhalb des Hauptkörpers 12 konzentrisch
befestigt und so positioniert ist, dass ein tiefer gelegenes Ende des
Innenkörpers 42 konzentrisch
im Hauptkörper 12 angebracht
und so positioniert ist, dass das tiefere Ende des Innenkörpers 42 in
Fluidverbindung mit dem zweiten Abflussrohr 20 kommuniziert,
das durch die untere Endplatte 16 des Hauptkörpers 12 herausragt.
Die Wirbelbehälterkammer 44 des
Radialinfusors 26 wird durch eine Anti-Kavitationsplatte 46 gebildet,
die quer durch das Innere des Innenkörpers 42 reicht. Bevorzugt
ist das obere Ende des Innenkörpers 42 geschlossen
und so ausgebildet, dass es eine nicht bezeichnete, kuppelförmige Oberfläche bildet,
die alles auftreffende Fluid davon radial nach außen in Richtung
der Innenflächen
des Hauptkörpers 12 richtet.
Um den Druck im oberen abgeschlossenen Ende des Innenkörpers 42 zu
reduzieren, können
Belüftungsöffnungen 48,
die durch die oberen Seitenwände
des Innenkörpers 42 oberhalb
der Anti-Kavitationsplatte 46 führen, vorgesehen sein, um einen
Druckausgleich im oberen Teil des Innenkörpers 42 zu ermöglichen.
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Der
Radialinfusor 26 umfasst außerdem mindestens eine radiale
Fluidströmungsführung 50,
die vom Innenkörper 42 in
etwa zu einer unbeschrifteten Öffnung
reicht, die entlang der Anti-Kavitationsplatte 46 ausgerichtet
ist. Bevorzugt umfasst der Radialinfusor 26 mindestens
ein Paar radialer Fluidführungen 50,
die aus diametral gegenüberliegenden
Außenflächen des
Innenkörpers 42 in
eine in Bezug zur Innenfläche
des Hauptkörpers 12 beabstandete
Position ragen. Alternativ können
die radialen Fluidströmungsführungen 50,
falls erwünscht,
soweit reichen, dass sie eine Innenfläche des Hauptkörpers 12 berühren. Die
radialen Fluidströmungsführungen 50 funktionieren
so, dass sie Fluid erfassen und im Hauptkörper 12 radial einwärts gerichtet
mit einem relativen Überdruck
in die Wirbelbehälterkammer 44 leiten,
welches diese durch das zweite Abflussrohr 20 verlässt. Bevorzugt
ist ein Sichtfenster 52 in der Seitenwand des Hauptkörpers 12 angebracht,
dass das Befüllen
mit Kühlmittel
oder Flüssigkeit
im damit verbundenen Kühlmittel-
oder Wärmetauschersystem bis
zu einem Flüssigkeitsstand
an oder leicht oberhalb der Anti-Kavitationsplatte 46 erlaubt.
Wenn das Kühl-
oder Wärmetauschersystem
daher auf diese Art vollständig
befüllt
ist, wird Fluid oder Kühlmittel
im Hauptkörper 12 die
Anti-Kavitationsplatte 46 derart bedecken,
dass radial einwärts
gerichteter Fluidstrom in die Wirbelbehälterkammer 44 und
nach unten gerichteter Fluidstrom durch das zweite Abflussrohr 20 keine
Verwirbelung im Fluid hervorrufen. Dies deshalb, weil aufgrund der
Anti-Kaviationsplatte 46 und dem durch die radialen Strömungsführungen 50 erzeugten
Druck eine vollständige
Füllung
der Wirbelbehälterkammer 44 mit
Flüssigkeit
erhalten bleibt.
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Mit
weiterem Bezug auf 1 kann gezeigt werden, dass
der Radialinfusor 26 außerdem eine oder mehrere halbschraubenförmige Führungsrampen 54 enthalten
kann, welche mit einer Außenfläche des
Innenkörpers 42 verbunden
sind und davon radial nach außen
bis an die Innenfläche
des Hauptkörpers 12 reichen.
Die halbschraubenförmige
Führungsrampe 54,
nur eine davon ist in 1 der Zeichnungen dargestellt,
reicht bogenförmig
entlang des Innenkörpers 42 und
schraubenförmig
nach unten, so dass Fluid, welches an der Innenfläche des Hauptkörpers 12 herabfließt, aufgenommen
wird und in eine schraubenförmige
Rotation versetzt wird. Vorzugsweise reicht jede der Führungsrampen 54 jeweils
von einer ersten Position am inneren Körper 42 hinunter zu
einer zweiten Position an der Innenfläche des Hauptkörpers 12,
wobei sich die zweite Position im Wesentlichen unterhalb der ersten
Position befindet, wie in 1 der Zeichnungen
dargestellt. Durch einen solchen Aufbau der halbschraubenförmigen Führungsrampe 54 wird
bedingt, dass Flüssigkeit, die
vertikal zwischen dem Innenkörper 42 und
der Innenfläche
des Hauptkörpers 12 fällt, auf
die Führungsrampe
prallt und radial nach außen
vom Innenkörper 42 gegen
die Innenfläche
des Hauptkörpers 12 fließt, während sie
gleichzeitig um den Innenkörper
rotiert. Vorzugsweise sind die halbschraubenförmigen Führungsrampen 54 so
positioniert, dass sie sich leicht überlappen, so dass sämtliches
Fluid, das sich vertikal durch das Innere des Hauptkörpers 12 bewegt,
zumindest teilweise auf eine der halbschraubenförmigen Führungsrampen 54 prallt.
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Nun
verweisend auf 9 und 10 und mit
gleichzeitigem Bezug auf 1 ist zu sehen, dass die vorliegende
Erfindung 10 vorzugsweise ein Paar Rotationsturbulenzerzeuger 28 enthält, die
in übereinstimmenden
Rotationsrichtungen oder -orientierungen angeordnet sind und einen
Abstand zueinander innerhalb eines vergrößerten Teils des zweiten Abflussrohrs 20 nahe
der unteren Endplatte 16 des Hauptkörpers 12 aufweisen.
Jeder der Rotationsturbulenzerzeuger 28 umfasst vorzugsweise
ein ringförmiges
Element 56, welches entweder Teil des zweiten Abflussrohrs 20 der
unteren Endplatte 16 oder des inneren Körpers 42 sein kann
oder nicht. Ein Paar Rotationsrampen 58 erstrecken sich
von diametral entgegengesetzten Seiten des ringförmigen Elements 56 und
umfassen jeweils eine nicht bezeichnete bogenförmige innere Verbindungsplatte,
welche sich von einer Innenfläche
des ringförmigen
Elements 56 nach innen erstrecken, um sich mit einer nicht
bezeichneten bogenförmigen
Kante der genannten Rotationsrampe 58 zu verbinden. Von
jeder Rampe 58 reicht eine gerade Kante 60 radial
in Richtung der Mitte des ringförmigen
Elements 56 vom Schnittpunkt der bogenförmigen inneren Verbindungsplatte
und der genannten Rotationsrampe 58. Die Rotationsrampen 58 sind
so geformt, dass sie eine äußere bogenförmige Kante 62 definieren,
wie in 9 für
eine der Rotationsrampen gezeigt ist und die sich bogenförmig von
einem inneren Ende der geraden Kante 60 aus in das ringförmige Element 56 erstreckt
und sich an dieses anschmiegt. Wie in 10 gezeigt,
liegt die gerade Kante 60 von jeder der Rotationsrampen 58 in
einer Ebene beabstandet zu einer Ebene, die das ringförmige Element 56 enthält, so dass
sich die bogenförmige
Kante 62 von jeder der Rotationsrampen 58 bogenförmig und
winkelig von der geraden Kante 60 zu der Innenfläche des ringförmigen Elements 56 erstreckt.
Darüber
hinaus kann jeder der Rotationsrampen 58 zusätzlich eine nicht
bezeichnete bogenförmige
innere Verbindungsplatte enthalten, die im Wesentlichen senkrecht
nach unten von der äußeren bogenförmigen Kante 62 der genannten
Rotationsrampe 58 führt,
so dass eine druckinduzierte lateral gerichtete Fluidverbindung, die
von einer oberen Fläche
der genannten Rampe über
die äußere bogenförmige Kante 62 bis
jenseits der unteren Fläche
der Rampe führt,
verringert wird. Durch diesen Aufbau wird Fluid, das axial durch
das ringförmige
Element 56 fließt,
einem schnell wechselnden Druckgradienten ausgesetzt, während es
in einen Zustand einer turbulenten Strömung gebracht wird und darüber hinaus,
je nach Orientierung der Rotationsrampen 58 innerhalb des
zweiten Abflussrohrs 20, im oder gegen den Urzeigersinn
zum Rotieren gebracht wird.
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Wie
in 11 dargestellt, kann die vorliegende Erfindung 10 als
zwischengeschaltete Turbulenzinduktionseinrichtung 64 ausgebildet
werden, die einen Induktionseinrichtungskörper 66 mit einer
ersten Öffnung 68 und
einer zweiten Öffnung 70 aufweist, der
in beiden Rohren 18 oder 20 der vorliegenden Erfindung 10 zwischengeschaltet
werden kann oder alternativ in Reihe mit einem Teil des Kühl- oder
Wärmetauschsystems
angeordnet ist. Die zwischengeschaltete Turbulenzinduktionseinrichtung 64 weist eine
oder mehrere Rotationsturbulenzerzeuger 28 auf, die in
diesem angeordnet sind und mit dem durch die Induktionseinrichtung 64 strömenden Fluid
zusammenwirken, um dieses in Bewegung und in Rotation zu versetzen.
Vorzugsweise weist die Induktionseinrichtung 64 ein Paar
beabstandeter und gegenüberliegend
angeordneter Rotationsturbulenzerzeuger 28 auf, wie in 11 dargestellt,
die so ausgerichtet sind, dass sie das Fluid in entsprechende Richtungen
in Rotation versetzen, so dass das Fluid von der ersten Öffnung 68 durch
den Induktionseinrichtungskörper 66 zur
zweiten Öffnung 70 strömt. Durch
diese Ausgestaltung kann die zwischengeschaltete Turbulenzinduktionseinrichtung 64 in
Verbindung mit der vorliegenden Erfindung oder ohne diese verwendet
werden, um eine erhöhte
Turbulenz und/oder einen erhöhten
Wärmeaustausch
des Fluids oder des Kühlmittels
des Systems zu bewirken.
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Unter
Bezugnahme auf 12 und 13, in
denen eine abgewandelte Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung 10 im Detail dargestellt ist, kann
dargelegt werden, dass die abgewandelte Ausführungsform der Fluidinduktions- und Wärmetauschervorrichtung 10 eine
Turbine 72 umfassen kann, die drehbar innerhalb des inneren
Körpers 42 des Radialinfusors 26 angeordnet
ist zwischen einer Anti-Kavitationsplatte 46 und der unteren
Endplatte 16 des Hauptkörpers 12.
Die Turbine 72 wird dort innerhalb nicht näher bezeichneter
Lager gehalten, die zusammenwirken, um die Turbine sowohl in radialer
als auch in axialer Richtung zu unterstützen. Obwohl dies nicht im
Einzelnen dargestellt ist, kann eine Welle mechanisch mit der Turbine 72 gekoppelt
werden und sich durch den Hauptkörper 12 erstrecken,
um das Rotationsdrehmoment aus der alternativen Ausgestaltung der
vorliegenden Erfindung 10 abzutrennen. Wie in 13 dargestellt,
sind die radialen Fluidführungen 50 des
Radialinfusors 26 so ausgelegt, dass sie Fluid in die Wirbelkammer 44 leiten,
in der die Turbine 72 so montiert ist, dass das Fluid in
entgegengesetzte Richtungen auf diametral gegenüberliegende Seiten einer zentralen
Drehachse der Turbine 72 geschleudert wird, um eine Rotation
des Fluids zu bewirken, während
dieses in die Wirbelkammer 44 eintritt, bevor es durch
das zweite Abflussrohr 20 aus der Vorrichtung 10 austritt.
Dazu weist die Turbine 72 zumindest ein Paar nicht näher bezeichneter
in einem Abstand angeordneter Platten auf, wobei eine untere Platte
eine Durchgangsöffnung
aufweist, die in Fluidverbindung mit dem zweiten Abflussrohr 20 steht.
Eine Vielzahl von Schaufeln 74 erstreckt sich senkrecht
zwischen den in einem Abstand angeordneten Platten der Turbine 72 und
nehmen Fluid auf, das in die Wirbelkammer 44 eintritt,
um die Turbine 72 in Rotation zu versetzen. Durch diesen
Aufbau kann die alternative Ausgestaltung der in den 12 und 13 beschriebenen
vorliegenden Erfindung 10 als Wärmetauschervorrichtung, als
Fluidmotor oder beides verwendet werden.
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Durch
Bezugnahme auf die 14 bis 16, in
denen eine weitere Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung 10 dargestellt
ist, kann gezeigt werden, dass die vorliegende Erfindung so ausgelegt werden
kann, dass Fluid sowohl vorwärts
als auch rückwärts strömen kann,
und in einem reversiblen Wärmepumpensystem
verwendet werden kann. Dazu umfasst die weitere alternative Ausgestaltung der
vorliegenden Erfindung 10 außerdem einen unteren Hauptkörper 76,
der am Hauptkörper 12 befestigt ist
und nicht bezeichnete Trennplatten aufweist, die sich durch diesen
erstrecken und das Innere des unteren Hauptkörpers 76 in eine rechte
Kammer 78, eine obere Mittelkammer 80, eine untere
Mittelkammer 82 und in eine linke Kammer 84 aufteilen.
Die untere Mittelkammer 82 steht in Fluidverbindung mit
der rechten Kammer 78, so dass Fluid, das in die untere Mittelkammer 82 eintritt,
in die rechte Kammer 78 strömen wird. Zumindest eine obere
Mittelkammer 80 steht in Fluidverbindung mit dem ersten
Zuflussrohr 18, das in den Hauptkörper 12 eintritt.
Ein oberes Rückschlagventil 86 erstreckt
sich von der rechten Kammer 78 in die obere Mittelkammer 80 und
ermöglicht
nur einen Fluidstrom aus der rechten Kammer 78 in die obere
Mittelkammer 80. Ein unteres Rückschlagventil 88 erstreckt
sich von der linken Kammer 84 in die untere Mittelkammer 82 und
ermöglicht
nur einen Fluidstrom von der linken Kammer 84 in die untere
Mittelkammer 82. Ein rechtes Rohr 90 erstreckt sich
durch eine rechte Endplatte des unteren Hauptkörpers 76 und steht
in Fluidverbindung mit dessen rechter Kammer 78. In ähnlicher
Weise erstreckt sich ein linkes Rohr 92 durch eine linke
Endplatte des unteren Hauptkörpers 76 und
steht in Fluidverbindung mit dessen linker Kammer 84. Bei
dieser weiteren abgewandelten Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung 10 steht der Hauptkörper 12 in Fluidverbindung
mit der linken Kammer 84 des unteren Hauptkörpers 76 und
umfasst auch einen abgewinkelten Abschluss 94, der sich
dazwischen erstreckt und ein Fluid in eine radial versetzte Richtung
gegenüber
der Mitte der linken Kammer 84 radial ablenkt, so dass aus
dem Hauptkörper 12 austretendes
Fluid rotierend in die linke Kammer 84 eintritt.
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Eine
weitere Abwandlung der Erfindung 10 ist in den 14 bis 16 dargestellt.
Sie weist zusätzlich
einen rechten Radialinfusor 96 auf, der sich innerhalb
der rechten Kammer 78 erstreckt, die einen rechten Innenkörper 98 umfasst,
der konzentrisch innerhalb der rechten Kammer 78 zum unteren
Hauptkörper 76 angeordnet
ist und zumindest eine, vorzugsweise ein Paar entgegengesetzt ausgerichteter rechter
radialer Strömungsführungen 100 umfasst, die
davon vorspringen. Ein rechter Rotationsturbulenzerzeuger 102 kann
in Fluidverbindung mit dem rechten Rohr 90 angeordnet werden,
um Turbulenzen in dem Fluid zu erzeugen, das durch eine weitere abgewandelte
Ausbildungsform der Vorrichtung 10 strömt. Entsprechend weist die
linke Kammer 84 vorzugsweise einen linken Radialinfusor 104 auf,
der in dieser angebracht ist und einen linken Innenkörper 106 umfasst,
der sich konzentrisch durch die linke Kammer 84 des unteren
Hauptkörpers 76 erstreckt, der
zumindest eine und vorzugsweise ein Paar linker radialer Fluidführungen 108 aufweist,
die davon vorspringen. Außerdem
kann ein linker Rotationsturbulenzerzeuger 110 in Fluidverbindung
mit dem linken Rohr 92 montiert werden.
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Wie
in 14 dargestellt, strömt im Betrieb der Vorrichtung
Fluid durch die rechte Leitung 90 der abgewandelten Ausführungsform
der Erfindung 10 und wird anfangs von dem rechten Rotationsturbulenzerzeuger 102 verwirbelt.
Das Fluid strömt
dann in entgegengesetzter Richtung durch den rechten Radialinfusor 96 im
Vergleich zur beschriebenen Fluidströmungsrichtung durch den rechten
Radialinfusor 96 der Erfindung, wie sie in 1 dargestellt
ist; es strömt
dann in einen äußeren Bereich
der rechten Kammer 78. Das Fluid kann dann durch ein oberes Rückschlagventil
in die obere mittlere Kammer 80 strömen, um in den Hauptkörper 12 durch
das erste Zuflussrohr 18 weitergeleitet zu werden. Der
Radialdiffusor 22 lenkt das Fluid radial nach außen, um
eine innere Fläche
des Hauptkörpers 12 zu überziehen oder
zu belegen und zwar bis zu einem Niveau, das vielleicht durch das
Sichtfenster 52 definiert wird, das sich durch den Hauptkörper 12 erstreckt.
Das kondensierte und komprimierte Fluid strömt dann durch den abgewinkelten
Auslauf 94 und in die linke Kammer 84 des unteren
Hauptkörpers 76,
wobei durch die Ausbildung des abgewinkelten Auslasses 94 eine Rotation
des Fluids innerhalb der linken Kammer bewirkt wird, welche das
Fluid in die linke Kammer 84 in einer versetzten Lage bezüglich ihrer
Mittelachse leitet. Linke radiale Fluidführungen 108 fangen
das Fluid auf und leiten dieses radial nach innen in eine nicht bezeichnete
Wirbelbehälterkammer
des linken Radialinfusors 104, damit diese durch den linken
Rotationsturbulenzerzeuger 110 und letztlich die linke
Leitung 92 austritt.
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Wenn
in der alternativen Ausführungsform der
Vorrichtung 10, wie sie in 14 dargestellt
ist, die Strömungsrichtung
des Fluids umgekehrt wird, wird Fluid anfänglich in die linke Kammer 84 eintreten und
durch das Rückschlagventil 88 in
die untere Zentralkammer 82 und darauf in die rechte Kammer 78 fließen. Dadurch
wird ein Weg der Fluidströmung durch
Hauptkörper 12 und
Zuflussrohr 18 vollständig vermieden.
Das dann aus der unteren Zentralkammer 82 in die rechte
Kammer 78 strömende
Fluid wird radial einwärts
durch den rechten Radialinfusor 96 abgelenkt, um durch
den rechten Rotationsturbulenzerzeuger 102 und das rechte
Rohr 90 auszutreten. Diese alternative Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung 10, die in 14 dargestellt
ist, kann in der in 14 dargestellten Position, wo
sich eine Längsachse
des unteren Hauptkörpers 76 parallel
zu einer Horizontalachse erstreckt, eingesetzt werden. Es sollte
jedoch erwähnt
werden, dass unter einem normalen Betriebsdruck von ungefähr 20 bar
(290 P.S.I.) die weitere alternative Form der vorliegenden Erfindung 10 vermutlich
auch in der vertikalen Position verwendbar ist.
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Hinsichtlich
einer weiteren Erläuterung
von Gebrauchsweise und Betriebsart der vorliegenden Erfindung, sollten
diese aus obiger Beschreibung ersichtlich sein. Entsprechend werden
keine weiteren Ausführungen
zu Gebrauchsweise und Betriebsart bereitgestellt.
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Unter
Bezug auf die obige Beschreibung sollte daher anerkannt werden,
dass die optimalen Größenverhältnisse
für Teile
der Erfindung, wie Abweichungen in Größe, Material, Gestalt, Form,
Funktion und Betriebsweise, Zusammenbau und Gebrauch, von Fachleuten
ohne weiteres ersichtlich und offensichtlich sind; alle denen in
den Zeichnungen dargestellten und in der Beschreibung beschriebenen gleichwertigen
Beziehungen sollen von der vorliegenden Erfindung umfasst werden.
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Deshalb
ist das oben Genannte nur als Darstellung der Prinzipien der Erfindung
zu betrachten. Da zahlreiche Modifikationen und Änderungen für Fachleute ohne weiteres ersichtlich
werden, ist es außerdem
nicht erwünscht,
die Erfindung auf exakt den gezeigten und beschriebenen Aufbau und
die Betriebsart zu beschränken;
und folglich sind alle geeigneten Modifikationen und Äquivalente
als unter den Schutzumfang der Erfindung fallend zu erachten.