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Die
Erfindung betrifft einen Wärmeübertrager nach
dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
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Wärmeübertrager,
insbesondere Heizkörper für Kraftfahrzeuge werden
primärseitig von einem flüssigen Medium, insbesondere
Kühlmittel durchströmt und sekundärseitig
von Umgebungsluft beaufschlagt, die der Fahrzeugkabine zugeführt
wird. Bekannte Heizkörper weisen einen aus Rohren und Rippen
bestehenden Block auf, in welchen die zu erwärmende Luft
eintritt und auf dessen Rückseite wieder austritt. Ein
Problem bei der Erwärmung der Luft im Heizkörperblock
besteht darin, dass die Luftaustrittstemperaturen auf der Luftaustrittsfläche
nicht überall gleich sind, sodass in der erwärmten
Luft Strähnen unterschiedlicher Lufttemperatur auftreten.
Dies ist für eine gezielte Erwärmung des Innenraumes
nachteilig.
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Für
die Durchströmung eines Heizkörpers, der meistens
mehrreihig oder mehrflutig ausgebildet ist, sind verschiedene Strömungsmuster
bekannt, wobei die einfachste Form eine Paralleldurchströmung
ist, bei welcher alle Rohre in derselben Richtung durchströmt
werden. Bekannt ist ferner eine U-förmige Durchströmung
des Heizkörpers, wobei in einem Kühlmittelkasten
eine Trennwand (Quertrennwand) angeordnet ist. Da diese Umlenkung
des Kühlmittels quer zur Luftströmungsrichtung
erfolgt, spricht man von einer Umlenkung „in der Breite".
Bezogen auf beide Medienströme, Kühlmittel und Luft,
spricht man hier von einem Kreuzstrom. Auf dem Wege vom Kühlmitteleintritt
zum Kühlmittelaustritt kühlt sich das Kühlmittel
ab, sodass die Luft auf der eintrittsseitigen Heizkörperhälfte
stärker als auf der austrittsseitigen Hälfte erwärmt
wird, was zu der erwähnten Strähnigkeit führt.
Bekannt ist auch, das Kühlmittel in Relation zum Luftstrom
im Gleich- oder Gegenstrom zu führen, d. h. das Kühlmittel
wird in einem mehrreihigen Heizkörper von einer Reihe in
die benachbarte Reihe umgelenkt. Hierzu ist eine Längstrennwand
erforderlich, welche benachbarte Reihen auf einer Seite trennt.
Man spricht hier von Umlenkung „in der Tiefe". Je nachdem,
ob die Umlenkung in oder entgegen der Luftströmungsrichtung
erfolgt, spricht man von Gleichstrom oder Gegenstrom. Bekannt ist,
dass sich mit dem Gegenstrom bessere Wirkungsgrade erzielen lassen.
Nachteilig ist, insbesondere bei breiteren Heizkörpern,
dass das Kühlmittel auf der Eintrittsseite über
die volle Breite verteilt werden muss – dies kann dazu
führen, dass die äußeren Rohre bei mittigem
Kühlmitteleintritt langsamer durchströmt werden,
was die Luftaustrittstemperatur ebenfalls ungünstig beeinflusst.
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Durch
die
DE 10 2005
048 227 A1 der Anmelderin wurde ein Heizkörper
mit Flachrohren bekannt, bei welchem das Kühlmittel im
Kreuzgegenstrom zum Luftstrom geführt ist, d. h. es findet
eine Umlenkung in der Tiefe in Richtung auf die Lufteintrittsseite
statt. Bei einer weiteren Variante, die nicht dargestellt und nicht
näher beschrieben ist, ist zusätzlich eine Umlenkung
in der Breite vorgesehen.
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In
der
DE 102 47 609
A1 ist ein Heizkörper beschrieben, bei welchem
das Kühlmittel ausschließlich in der Breite, und
zwar in mehreren Stufen umgelenkt wird, wobei mehrere Kühlmittelströme
parallel geschaltet sind. Ziel dieser Anordnung ist, durch Verwirbelung
des Kühlmittels an den Umlenkstellen der Wasserkästen
relativ große Druckverluste zu erreichen.
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Durch
die
DE 44 31 107 C1 wurde
ein Heizkörper für Kraftfahrzeuge bekannt, welcher
nach dem Gegenstromprinzip arbeitet. Dabei wird das Kühlmittel
in einer oder mehreren Stufen von der Luftaustrittsseite in Richtung
Lufteintrittsseite umgelenkt. Hiermit kann eine höhere
Wärmeübertragungsleistung erzielt werden.
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Durch
die
DE 603 06 291
T2 (entsprechend
EP
1 410 929 B1 ) wurde ein Heizkörper für
Kraftfahrzeuge mit einer getrennten Regelung für die rechte und
die linke Seite der Kabine (Fahrerseite und Beifahrerseite) bekannt.
Hierbei wird das Kühlmittel über zwei Vorläufe
zugeführt, in der Breite bis zur Mitte umgelenkt und dort
durch einen gemeinsamen Rücklauf abgeführt. In
einer speziellen Ausführung (
8) ist zusätzlich
zur Umlenkung in der Breite eine Umlenkung in der Tiefe, und zwar
entgegen der Luftströmungsrichtung vorgesehen. Bei der
so genannten Links/Rechts-Regelung wird der aus dem Heizkörper
austretende Luftstrom über eine Trennwand in zwei Teilströme
aufgespalten, welche der linken bzw. rechten Kabinenseite zugeführt
werden.
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Es
ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, bei einem Wärmeübertrager
der eingangs genannten Art ein möglichst homogenes Luftaustrittstemperaturprofil
zu schaffen.
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Die
Aufgabe der Erfindung wird durch die Merkmale des Patentanspruches
1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus
den Unteransprüchen.
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Erfindungsgemäß ist
vorgesehen, dass bei einem Kreuzgegenstrom-Wärmeübertrager
das flüssige Medium (Kühlmittel) in einen ersten
Bereich, den Eintrittsbereich, eintritt und innerhalb dieser luftaustrittsseitigen
Reihe in einen zweiten Bereich umgelenkt wird, wobei sowohl der
erste als auch der zweite Bereich Teilbereiche aufweisen können.
Mit anderen Worten: das in der ersten Reihe von Strömungskanälen
eintretende Kühlmittel wird mindestens einmal in der Breite
umgelenkt. Anschließend wird das Kühlmittel aus
der ersten in die zweite, d. h. die lufteintrittsseitige Reihe umgelenkt,
wobei sämtliche Strömungskanäle der zweiten
Reihe in derselben Richtung durchströmt werden. Mit der
erfindungsgemäßen Kühlmittelführung
durch Umlenkungen in der Breite und in der Tiefe wird der Vorteil
erreicht, dass sich an der Luftaustrittsseite des Wärmeübertragers ein
weitgehend homogenes Temperaturprofil einstellt.
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Nach
einer vorteilhaften Weiterbildung wird das Kühlmittel auch
in der zweiten, d. h. der luvseitigen Reihe mindestens einmal umgelenkt.
Insgesamt wird der Kühlmittelstrom somit zweimal in der
Breite und einmal in der Tiefe umgelenkt. Durch die gegenläufige
Kühlmittelströmung in beiden Rohrreihen kann das
Luftaustrittstemperaturprofil noch stärker homogenisiert
werden.
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Gemäß einem
ersten Aspekt der Erfindung, ist der Eintrittsbereich in der ersten
Reihe mittig angeordnet, während der zweite Bereich zwei
Teilbereiche umfasst, die symmetrisch neben dem ersten Bereich angeordnet
sind. Der eintretende Kühlmittelstrom wird somit nach dem
ersten Durchgang geteilt und in entgegengesetzte Richtungen in der
Breite des Wärmeübertragers umgelenkt. Anschließend werden
die aus den beiden Teilbereichen austretenden Kühlmittelströme
in der Tiefe umgelenkt und auf die zweite Reihe derart verteilt,
dass sämtliche Strömungskanäle in derselben
Richtung durchströmt werden. Hiermit wird ein symmetrisches
Luftaustrittstemperaturprofil erreicht, d. h. etwaige Abweichungen
von einer homogenen Temperaturverteilung treten symmetrisch auf.
Alternativ kann in der zweiten Reihe auch in der Breite umgelenkt
werden.
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Nach
einem zweiten Aspekt der Erfindung, ist der Eintrittsbereich in
der ersten Reihe außermittig, vorzugsweise in einer ersten
Hälfte angeordnet, während der zweite Bereich
neben dem ersten Bereich angeordnet ist. Das Kühlmittel
strömt hierbei in der ersten Hälfte der Reihe
in den Wärmeübertrager ein, wird in der Breite
umgelenkt, und der gesamte Kühlmittelstrom tritt in den
zweiten Bereich ein. Von dort erfolgen wiederum die Umlenkung in
der Tiefe und die Verteilung des Kühlmittelstromes auf
die gesamte zweite Reihe, wobei diese in gleicher Richtung oder
in unterschiedlichen Richtungen durchströmt werden kann.
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Nach
einem dritten Aspekt der Erfindung sind zwei, vorzugsweise symmetrisch
angeordnete Eintrittsbereiche vorgesehen, welche über ein
Verbindungsrohr miteinander kommunizieren. Man erhält dadurch
zwei Teilströme auf der Eintrittsseite, welche in der Breite
nach innen umgelenkt werden und in den zweiten Bereich eintreten.
Danach erfolgen die Umlenkung in der Tiefe und die Verteilung des
Kühlmittels auf sämtliche Rohre der zweiten Reihe.
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Alternativ
kann – nach analogem Strömungsmuster wie in der
ersten Reihe – auch in der zweiten Reihe in der Breite
umgelenkt werden.
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Bevorzugt
sind die Strömungsquerschnitte des ersten und des zweiten
Bereiches gleich, d. h. es ergeben sich nach der bekannten Kontinuitätsgleichung
gleiche Strömungsgeschwindigkeiten in den Strömungskanälen
des ersten und zweiten Bereiches, d. h. über die gesamte
Breite gesehen. Besonders bevorzugt ist der Strömungsquerschnitt
des zweiten Bereiches jedoch größer als der des
ersten Bereiches – mit der Folge, dass sich in den Strömungskanälen
des zweiten Bereiches eine Verzögerung der Strömung
ergibt. Dies kompensiert die Abkühlung des flüssigen
Mediums, sodass man als Vorteil eine homogene Luftaustrittstemperaturverteilung erhält.
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Nach
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der Strömungsquerschnitt
der zweiten Reihe an den Strömungsquerschnitt des zweiten
Bereiches der ersten Reihe angepasst, und zwar in der Weise, dass
der gesamte Strömungsquerschnitt der zweiten Reihe entweder
gleich oder größer als der gesamte Strömungsquerschnitt
des zweiten Bereiches ist. Bevorzugt erfolgt wegen der weiteren
Abkühlung des flüssigen Mediums eine Erweiterung
des Strömungsquerschnittes. Damit kann entweder die gleiche
Strömungsgeschwindigkeit in der zweiten Reihe wie im zweiten
Bereich erzielt werden oder auch eine Verzögerung der Strömung-
mit der Folge, dass mehr Wärme an die Luft abgegeben werden kann
und ein geringerer Druckabfall auftritt. Auch bei einer Umlenkung
in der Breite in der zweiten Reihe kann eine Erweiterung des Strömungsquerschnittes mit
der Folge einer reduzierten Strömungsgeschwindigkeit erfolgen.
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Gemäß einer
bevorzugten Anwendung ist der Wärmeübertrager
als Heizkörper einer Heizungsanlage für Kraftfahrzeuge
ausgebildet, d. h. die Strömungskanäle sind als
Rohre, vorzugsweise als Flachrohre oder Mehrkammerrohre ausgebildet,
die vom Kühlmittel durchströmt werden und zwischen denen
als Sekundärflächen vorzugsweise Wellrippen angeordnet
sind.
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Bevorzugt
weisen die Flachrohrquerschnitte der zweiten Reihe – je
nach Strömungsmuster – die gleiche, eine größere
oder geringere Tiefe als die Flachrohre der ersten Reihe auf. Damit
ergibt sich nach der Umlenkung in der Tiefe eine Vergrößerung des
Strömungsquerschnittes mit der Folge, dass die Strömungsgeschwindigkeit
des Kühlmittels in der zweiten Reihe reduziert wird. Damit
werden eine stärkere Abkühlung des Kühlmittels
und damit eine höhere Wärmeübertragungsleistung
erreicht.
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Der
erfindungsgemäße Heizkörper weist bevorzugt
Sammelkästen oder Behälter, d. h einen Eintrittskasten, über
welchen das Kühlmittel eintritt, einen Austrittskasten, über
welchen das Kühlmittel austritt, oder einen Kühlmitteleintritts-
und -austrittskasten oder einen Umlenkkasten auf.
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Um
die oben beschriebenen Strömungsmuster an einem Heizkörper
zu realisieren, sind in den Sammelkästen Trennwände
in Form von Längs- und/oder Quertrennwänden angeordnet,
welche die Sammelkästen in einzelne Kammern unterteilen.
Bevorzugt ist der Eintrittsbereich für die Strömungskanäle
bzw. Flachrohre des ersten Bereiches durch eine Längstrennwand
und mindestens eine Quertrennwand innerhalb des Eintrittskastens
abgeteilt. Der Austrittskasten dagegen weist eine Längstrennwand
auf, sodass die erste und die zweite Reihe voneinander abgeteilt
sind und in der ersten Reihe eine Umlenkung in der Breite erfolgen
kann. Ferner können – bei „doppelter"
Umlenkung in der Breite – Quer- und Längstrennwände
H-förmig angeordnet sein.
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Ausführungsbeispiele
und weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in der
Zeichnung dargestellt und werden im Folgenden näher erläutert.
Es zeigen
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1 die
Durchströmung eines Wärmeübertragerblockes
mit mittigem Eintrittsbereich als erstes Ausführungsbeispiel
der Erfindung,
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2 das
Strömungsmodell gemäß 1 in einer
schematischen Ansicht von oben,
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2a Ausführungsbeispiele
für Formen von Flachrohren,
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3 ein
zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung mit außermittigem
Einrittsbereich,
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4 ein
drittes Ausführungsbeispiel der Erfindung mit zwei Eintrittsbereichen,
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5a, 5b einen
Heizkörper mit Strömungspfeilen, geschlossen und
in Explosivdarstellung,
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6a, 6b die
Heizkörper mit Strömungspfeilen in Explosivdarstellung
mit Blick auf die Luftaustritts- und die Lufteintrittsseite,
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7a, 7b, 7c Ansichten
von oben und unten auf den Heizkörperblock sowie eine vergrößerte
Darstellung der Heizkörperrohre,
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8 als
weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung einen Heizkörper
mit „doppelter" Umlenkung in der Breite, d. h. in der ersten
und zweiten Reihe,
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9a den
Heizkörper gemäß 8 in Explosivdarstellung,
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9b den
Heizkörper im Schnitt,
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10a, 10b, 10c Ansichten von oben und unten auf die Rohrenden
des Heizkörperblockes,
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11 als
weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung einen Heizkörper
mit seitlichem Kühlmittelanschluss und
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12 als
weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung einen Heizkörper
mit äußeren Einströmbereichen.
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1 zeigt
in schematischer Darstellung ein erstes Ausführungsbeispiel
der Erfindung, nämlich ein Strömungsmodell für
einen zweirreihigen Heizkörper 1, von dem lediglich
Rohre 2 (ohne Rippen) einer ersten Reihe 3 und
einer zweiten Reihe 4 dargestellt sind. Zusätzlich
sind eine Längstrennwand 5 mit zwei Quertrennwänden 6, 7 im
Eintrittsbereich der Rohre 2 und eine weitere, durchgehende Längstrennwand 8 im
unteren Bereich des Blockes 1 teilweise dargestellt. Die
Rohre 2 werden, wie durch Strömungspfeile angedeutet,
von einem Kühlmittel durchströmt, welches von
einem nicht dargestellten Kühlkreislauf einer Brennkraftmaschine
eines Kraftfahrzeuges abgezweigt wird. Der Heizkörperblock 1 dient
der Erwärmung von Luft, welche den Block 1 entsprechend
dem Pfeil L durchströmt und dabei nicht dargestellte Rippen zwischen
den Rohren 2, so genannte Sekundärflächen, überströmt.
Die erwärmte Luft wird der Kabine des Kraftfahrzeuges zugeführt.
Die erste Reihe 3 des Heizkörperblockes 1,
im Folgenden auch kurz Block 1 genannt, ist aufgrund der
Trennwände 5, 6, 7 in drei Bereiche
unterteilt, wobei ein erster Bereich 9 innerhalb der Trennwände 5, 6, 7 und
ein zweiter Bereich 10, umfassend zwei Teilbereiche 10a, 10b,
beiderseits der Quertrennwände 6, 7 angeordnet
sind. Im dargestellten Ausführungsbeispiel umfasst der
erste Bereich 9, auch Eintrittsbereich genannt, vier Rohre 2,
während die beiden Teilbereiche 10a, 10b jeweils
zwei Rohre 2 umfassen. Das Kühlmittel tritt über
den Eintrittsbereich 9 entsprechend den Pfeilen E in die
Rohre 2 ein und durchströmt diese von oben nach
unten (die Begriffe oben und unten beziehen sich auf die Darstellung
in der Zeichnung). Nach Austritt des Kühlmittels aus dem
ersten Bereich 9 wird der Kühlmittelstrom geteilt, jeweils
nach außen – innerhalb der ersten Reihe 3 – umgelenkt
und tritt dann in die Rohre 2 der Teilbereiche 10a, 10b ein,
um diese von unten nach oben zu durchströmen. Die Umlenkung
des Kühlmittels ist durch die Pfeile UB angedeutet, wobei
UB Umlenkung in der Breite bedeutet. Nach dem Austritt des Kühlmittels
aus den Rohren 2 der beiden Teilbereiche 10a, 10b erfolgt
eine Umlenkung der beiden Teilströme in der Tiefe, dargestellt
durch die Pfeile UT. Die beiden in der Tiefe umgelenkten Kühlmittelteilströme werden
auf sämtliche Rohre 2 (im dargestellten Ausführungsbeispiel
8) der zweiten Reihe 4 verteilt und durchströmen
diese von oben nach unten. Danach erfolgt der Austritt des Kühlmittels
aus dem Block 1. Die Umlenkung des Kühlmittels
in der Breite entsprechend den Pfeilen UB wird durch die durchgehende Längstrennwand 8 – in
Verbindung mit einem nicht dargestellten Kühlmittelkasten,
wie in nachfolgenden 6a, 6b dargestellt – ermöglicht.
Das oben beschriebene Strömungsmuster entspricht einem Kreuzgegenstrom,
bezogen auf Kühlmittel- und Luftströmung. Die
erste Reihe 3 ist die luftaustrittsseitige Reihe, im Folgenden
auch kurz leeseitige Reihe genannt, während die zweite
Rohrreihe 4 die lufteintrittsseitige Reihe, im Folgenden
auch kurz luvseitige Reihe genannt, ist. In kurzen Worten ausgedrückt, tritt
das Kühlmittel also in der leeseitigen Reihe 3 in den
Block 1 ein, wird zunächst in der Breite und anschließend
in der Tiefe umgelenkt, wobei sämtliche Rohre 2 der
luvseitigen Reihe 4 in derselben Richtung durchströmt
werden. Diese Durchströmung des Heizkörperblockes 1 bewirkt
eine weitestgehend homo gene Luftaustrittstemperatur, d. h. nach
Austritt der Luft aus der ersten Reihe 3.
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2 zeigt
eine schematische Darstellung des Heizkörperblockes 1 gemäß 1 in
einer Ansicht von oben auf die Rohre 2, welche in den beiden Reihen 3 und 4 angeordnet
sind. Die Luftströmungsrichtung ist wiederum durch einen
Pfeil L angedeutet. Die Strömungsrichtung des Kühlmittels
ist durch Punktsymbole 11 und Kreuzsymbole 12 dargestellt, wobei
die Punktsymbole 11 eine Strömungsrichtung nach
oben (aus der Zeichnungsebene heraus) und die Kreuzsymbole eine
Kühlmittelströmung nach unten, d. h. in die Zeichenebene
hinein darstellen. Die Rohre 2 des Eintrittsbereiches 9 sind
mit einer Klammer a, die Rohre 2 der beiden Teilbereiche 10a, 10b mit
Klammern b1, b2 und die Rohre 2 der Reihe 4 mit einer
Klammer c gekennzeichnet. Dabei stehen die Buchstaben a, b1, b2,
c für die jeweilige Anzahl von Rohren. Die Querschnitte
der Rohre 2 sind als Flachrohrquerschnitte ausgebildet
und weisen jeweils eine Tiefe T1 in der ersten Reihe 3 und
eine Tiefe T2 in der zweiten Reihe 4 auf. Die gesamte Tiefe
des Blockes 1 ist mit T gekennzeichnet. Nach einer bevorzugten Ausführung
gilt die Beziehung a ≤ (b1 + b2). Für den Fall
dass b1 + b2 = a ist, ergibt sich in den Rohren 2 der äußeren
Teilbereiche 10a, 10b die gleiche Strömungsgeschwindigkeit
für das Kühlmittel wie in den Rohren 2 des
Eintrittsbereiches 9. Infolge der Abkühlung des
Kühlmittels wird der Strömungsquerschnitt für
den zweiten Bereich jedoch etwas vergrößert, sodass
eine Verzögerung der Kühlmittelströmung
erreicht wird. Dies trägt auch zu einer Homogenisierung
des Luftaustrittstemperaturprofils bei. Die Anzahl der Rohre in
der zweiten Reihe 4 entspricht im dargestellten Ausführungsbeispiel
der Anzahl der Rohre der ersten Reihe 3, d. h. es gilt:
a + b1 + b2 = c. Wäre T2 = T1, ergäbe sich eine
Reduzierung der Kühlmittelströmungsgeschwindigkeit
um 50%. Bei T2 = ½ T1 ergäben sich gleiche Kühlmittelströmungsgeschwindigkeiten
in beiden Reihen 3, 4. Je nach Abkühlung
des Kühlmittels liegt das bevorzugte Tiefenmaß T2
für die zweite Reihe 4 im Bereich zwischen 0,5
T1 und T1. Das beschriebene Strömungsmodell mit Umlenkungen
in der Breite und in der Tiefe bietet somit die Möglichkeit,
die Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmittels stufenweise
zu reduzieren, indem die Strömungsquerschnitte verändert
werden.
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2a zeigt
zwei äquivalente Ausführungsbeispiele für
die zuvor erwähnten und dargestellten Rohre 2,
welche jeweils einen Flachrohrquerschnitt aufweisen. Grundsätzlich
ist es möglich, getrennte Rohre 2 in unterschiedlichen
Reihen zu verwenden (zweireihige Bauweise) oder ein Zweikammerrohr 2' zu
verwenden, d. h. ein Rohr mit zwei Kammern (einreihige Bauweise).
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3 zeigt
ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung, wobei für
gleiche Teile gleiche Bezugszeichen verwendet werden. Der Block 1 weist wiederum
zwei Reihen 3, 4 von Flachrohren 2 auf, wobei
die erste Reihe 3 in einen ersten Bereich 13, den
Eintrittsbereich, und einen zweiten Bereich 14 unterteilt
ist. Der Eintrittsbereich 13 wird durch eine Längstrennwand 15 und
eine Quertrennwand 16 abgeteilt. Das Kühlmittel
tritt entsprechend den Pfeilen E in die Rohre 2 des Eintrittsbereiches 13 ein,
wird anschließend entsprechend den Pfeilen UB in der Breite,
d. h. innerhalb der Reihe 3 umgelenkt und durchströmt
dann die Rohre 2 des zweiten Bereiches 14 von
unten nach oben. Anschließend wird das Kühlmittel
in der Tiefe, entsprechend den Pfeilen UT umgelenkt und auf sämtliche
Rohre 2 der zweiten Reihe 4 verteilt, welche sämtlich
in derselben Richtung von oben nach unten durchströmt werden.
Danach tritt das Kühlmittel aus dem Block 1 aus.
Auch bei diesem Strömungsmuster ergibt sich ein homogenes
Luftaustrittstemperaturprofil.
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4 zeigt
ein drittes Ausführungsbeispiel der Erfindung, wobei für
gleiche Teile wiederum gleiche Bezugszahlen verwendet werden. Abweichend von
den vorherigen Ausführungsbeispielen sind hier ein erster
Bereich 17 mit zwei äußeren Teilbereichen 17a, 17b sowie
ein mittlerer zweiter Bereich 18 vorgesehen. Die Teilbereiche 17a, 17b sind
jeweils durch Längstrennwände 19a, 19b sowie
durch Quertrennwände 20a, 20b, zwischen
denen ein Verbindungsrohr 21 angeordnet ist, abgeteilt.
Das Kühlmittel tritt entsprechend den Pfeilen E – teilweise über das
Verbindungsrohr 21 – in die Rohre 2 der
Teilbereiche 17a, 17b ein, durchströmt
diese von oben nach unten, wird dann, entsprechend den Pfeilen UB, in
der Breite umgelenkt und durchströmt die mittleren Rohre 2 des
zweiten Bereiches 18. Anschließend erfolgen eine
Umlenkung des Kühlmittelstromes in der Tiefe und eine Verteilung
auf sämtliche Rohre 2 der zweiten Reihe 4,
welche anschließend in derselben Richtung von oben nach
unten durchströmt werden. Dieses Strö mungsmuster
gewährleistet ein weitestgehend homogenes Luftaustrittstemperaturprofil.
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5a und 5b zeigen
eine konstruktive Ausführung eines Heizkörpers 22,
der dem ersten Ausführungsbeispiel gemäß 1 und 2 entspricht.
Allerdings besteht der Unterschied, dass der Kühlmitteleintritt,
gekennzeichnet durch einen Pfeil E, unten und der Kühlmittelaustritt,
gekennzeichnet durch einen Pfeil A, oben erfolgt. Diese Darstellung entspricht
der bevorzugten Einbaulage des Heizkörpers 22 im
Kraftfahrzeug. Der Heizkörper 22 umfasst einen
Heizkörperblock 23, auch kurz Block genannt, einen
unteren Sammel- oder Kühlmittelkasten 24 und einen
oberen Sammel- oder Kühlmittelkasten 25. Der untere
Sammelkasten 24 weist einen Eintrittsstutzen 24a und
der obere Kühlmittelkasten, auch Austrittskasten genannt,
weist einen Austrittsstutzen 25a auf. Der Block 23 umfasst – wie
im Ausführungsbeispiel gemäß 1 und 2 dargestellt
und erläutert – zwei hier nicht mit Bezugszahlen
versehene Rohrreihen, welche entsprechend den Pfeilen durchströmt werden.
Der Pfeil I symbolisiert den eintretenden Kühlmittelstrom
im ersten Bereich, die Pfeile IIa, IIb symbolisieren die in der
Breite umgelenkten Teilströme und der Pfeil III symbolisiert
den Kühlmittelstrom in der zweiten, d. h. der luvseitigen
Rohrreihe. Die Pfeile UB, UT zeigen die Umlenkung des Kühlmittelstromes
I in der Breite und die Umlenkung des Teilstromes IIb in der Tiefe.
Die Strömungsrichtung der Luft ist durch einen Pfeil L
dargestellt, d. h. man sieht auf die Luftaustrittsseite des Heizkörperblockes 23. Die
dargestellte Einbaulage des Heizkörpers 22 mit dem
oben angeordneten Kühlmittelaustritt 25a ist wegen
der besseren Entlüftung des Heizkörpers 22 gewählt.
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5b zeigt
den Heizkörper 22 in Explosivdarstellung, d. h.
der untere Eintrittskasten 24, der obere Austrittskasten 25 sowie
der Block 23 sind getrennt voneinander dargestellt. Dadurch
ist das Innere des Eintrittskastens 24, insbesondere der
durch eine Längs- und zwei Quertrennwände 26a, 26b, 26c abgeteilte
Eintrittsbereich 26 erkennbar. Der Kühlmitteleintrittsstrom
ist in Block 23 durch drei nach oben gerichtete Pfeile
dargestellt. Die Umlenkung in der Breite erfolgt entsprechend den
Pfeilen UB (hier ist im oberen Kühlmittelkasten 25 eine
nicht sichtbare Längstrennwand angeordnet). Die Umlen kung
in der Tiefe erfolgt im unteren Kühlmittelkasten 24 entsprechend
den Pfeilen UT. Die Strömung in der luvseitigen Reihe ist
durch fünf nach oben gerichtete Pfeile gekennzeichnet.
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6a und 6b zeigen
zur Verdeutlichung nochmals den Heizkörper 22 gemäß 5a, 5b in
Explosivdarstellungen, und zwar in 6a mit
Blick auf die Luftaustrittsseite 23a und in 6b mit
Blick auf die Lufteintrittsseite 23b. Die Strömungsrichtung
der Luft ist jeweils durch Pfeile L dargestellt. Im Übrigen
werden für gleiche Teile gleiche Bezugszahlen verwendet.
Aus dieser Darstellung wird die unterschiedliche Durchströmung
auf der Leeseite 23a und auf der Luvseite 23b des
Heizkörperblockes 23 deutlich. Im ersteren Falle
erfolgt eine Kühlmittelströmung in entgegengesetzten
Richtungen, im zweiten Falle in gleicher Richtung. In 6b ist
eine Längstrennwand 27 erkennbar, welche der Längstrennwand 8 in
den Ausführungsbeispielen gemäß 1 bis 4 entspricht.
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7a zeigt
eine Ansicht von oben auf den Heizkörperblock 23 entsprechend 5a bis 6b.
Der Block 23 weist zwei Reihen 28, 29 von Zweikammerrohren 30, 31 auf.
Die Strömungsrichtung des Kühlmittels ist wiederum
durch Punkt- und Kreuzsymbole dargestellt. Die Luftströmungsrichtung ist
durch einen Pfeil L gekennzeichnet. Zwischen beiden Rohrreihen 28, 29 ist
die Längstrennwand 27 angedeutet.
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7b zeigt
eine Ansicht auf den Heizkörperblock 23 von unten
mit erster Rohrreihe 28 und zweiter Rohrreihe 29 sowie
mit dem Eintrittsbereich 26 (erster Bereich) und Trennwänden 26a, 26b, 26c. Die
Zahl der Rohre in den einzelnen Bereichen, d. h. im ersten und zweiten
Bereich sowie in der zweiten Reihe 29 sind durch die Maßpfeile
a, b1, b2, c dargestellt. Die Zahl der in der Zeichnung dargestellten Rohre
bzw. die Maßverhältnisse entsprechen einem bevorzugten
Ausführungsbeispiel. Danach sind im ersten Bereich a fünfzehn
Rohre 30 vorgesehen, und in den zweiten Bereichen b1, b2
jeweils neun Rohre. Damit ergibt sich nach der Umlenkung in der
Breite eine Vergrößerung des Strömungsquerschnittes
in den zweiten Bereichen b1, b2, sodass in den Rohren 30 mit
dem Punktsymbol eine Verzögerung der Kühlmittelströmung
auftritt. Dies ist wegen der Abkühlung des Kühlmittels
vom Bereich a zu den Bereichen b1, b2 erwünscht. Es gilt
folgende Beziehung: a ≤ (b1 + b2).
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7c zeigt
die Rohre 30, 31 der ersten Reihe 28 und
der zweiten Reihe 29 in vergrößerter
Darstellung, wobei die Tiefenmaße T1 für die Rohre 30 und
T2 für die Rohre 31 sowie T für die gesamte Blocktiefe
gelten. Die Breite der Rohre ist mit B angegeben. Die zeichnerische
Darstellung ist maßstabsgerecht für ein bevorzugtes
Ausführungsbeispiel, d. h. das Tiefenmaß T2 der
zweiten Reihe 29 ist kleiner als das Tiefenmaß T1
der ersten Reihe 28. Die Zahl der Rohre 30, 31 in
beiden Reihen 28, 29 ist – wie die 7a, 7b zeigen – gleich.
Der gesamte Strömungsquerschnitt der Rohre 31 in
der zweiten Reihe 29 ist derart bemessen, dass sich nach
der Umlenkung in der Tiefe eine weitere Verzögerung der
Kühlmittelströmung ergibt. Somit erreicht man
auf der Lufteintrittsseite eine erhöhte Temperaturdifferenz und
damit einen Leistungsgewinn. Nach einem bevorzugten Ausführungsbeispiel
ist das Tiefenmaß T2 in einem Bereich von 0,5 T1 bis 1,0
T1 gewählt.
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Nach
einer bevorzugten Ausführungsform weisen der erfindungsgemäße
Heizkörper bzw. dessen Flachrohre folgende Abmessungen
auf: Die Rohrbreite B liegt in einem Bereich von 0,5 bis 4,0 mm,
vorzugsweise in einem Bereich von 0,8 bis 2,5 mm. Die Materialstärke
(Rohrwanddicke) s der Flachrohre liegt in einem bevorzugten Bereich
von 0,10 bis 0,50 mm. Die Tiefe T des Blockes (so genannte Netztiefe)
liegt in einem Bereich von 10 bis 100 mm, vorzugsweise in einem
Bereich von 20 bis 70 mm.
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Durch
die stufenweise erfolgende Erweiterung des Strömungsquerschnittes,
jeweils nach der Umlenkung in der Breite und/oder der Umlenkung
in der Tiefe, ergibt sich in Verbindung mit der Verzögerung
der Kühlmittelströmung auch ein geringerer Druckabfall
auf der Kühlmittelseite, was den Leistungsbedarf für
die Kühlmittelpumpe vermindert.
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8 zeigt
ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung in Form
eines zweireihigen Heizkörpers 32, bei welchem
das Kühlmittel sowohl in der ersten als auch in der zweiten
Rohrreihe in der Breite umgelenkt wird. Der Eintritt des Kühlmittels
in den Heizkörper 32 ist durch einen Pfeil E und
der Aus tritt des Kühlmittels aus dem Heizkörper 32 ist
durch einen Pfeil A gekennzeichnet. Die Strömungsrichtung der
Luft durch den Heizkörper 32 ist durch zwei Pfeile L
gekennzeichnet, d. h. Luft und Kühlmittel sind im Kreuzgegenstrom
zueinander geführt. Der Heizkörper 32 weist
eine erste, leeseitige Rohrreihe 33 und eine zweite luvseitige
Rohrreihe 34 sowie einen oberen Kühlmittelkasten 35 sowie
einen unteren Kühlmittelkasten 36 auf, in welche
die (nicht mit Bezugszahlen versehenen) Rohrenden münden.
Das Kühlmittel tritt zunächst in einen Eintrittsbereich,
dargestellt durch Pfeile I, in die erste Rohrreihe 33 ein,
wird im unteren Kühlmittelkasten 36 jeweils nach
außen, entsprechend den Pfeilen UB in der Breite, umgelenkt, tritt
in die beiden äußeren Teilbereiche ein, durchströmt
diese von unten nach oben, entsprechend den Pfeilen IIa, IIb, und
wird im oberen Kühlmittelkasten 35 in der Tiefe,
entsprechend den Pfeilen UT, umgelenkt. In der hinteren, luvseitigen
Rohrreihe 34 erfolgen eine Durchströmung von oben
nach unten – was hier nicht dargestellt ist – eine
erneute Umlenkung in der Breite, eine Durchströmung von
unten nach oben und schließlich der durch den Pfeil A gekennzeichnete
Austritt des Kühlmittels. Wie in den nachfolgenden Figuren
noch genauer dargestellt ist und erläutert wird, werden
die Bereiche I, IIa, IIb in der vorderen und in der hinteren Reihe 33, 34 jeweils
in entgegengesetzten Richtungen durchströmt.
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9a zeigt
den Heizkörper 32 aus 8 in einer
Explosivdarstellung, wobei für gleiche Teile gleiche Bezugszahlen
verwendet werden. Die Strömung des Kühlmittels
ist durch Pfeile in den Rohren und den Kühlmittelkästen 35, 36 dargestellt.
Die beiden Rohrreihen 33, 34 weisen eine Vielzahl
von Flachrohren 37 auf, zwischen denen nicht mit Bezugszahlen
versehene Wellrippen angeordnet sind. Die Enden der Flachrohre 37 werden
mit Rohrböden 38, 39 verbunden, vorzugsweise
durch Löten. Die Rohrböden 38, 39 werden
mit den Kühlmittelkästen 35, 36,
vorzugsweise durch Löten verbunden. Im unteren Kühlmittelkasten 36 ist
eine Längstrennwand 40 angeordnet, welche die
erste und die zweite Rohrreihe 33, 34 trennt,
sodass im unteren Kühlmittelkasten 36 jeweils
für die erste und die zweite Rohrreihe 33, 34 eine
Umlenkung in der Breite erfolgen kann, wie dies durch die Pfeile
UB1, UB2, jeweils in entgegengesetzte Richtung erfolgen kann. Im
oberen Kühlmittelkasten 35 sind zwei sich über
beide Rohrreihen erstreckende Quertrennwände 41, 42 sowie eine
sich zwischen den Quertrennwänden 41, 42 erstreckende
Längstrennwand 43 angeordnet. Aufgrund dieser
Anordnung der Trennwände 40, 41, 42, 43 ergibt
sich der durch die Pfeile dargestellte Strömungsverlauf
des Kühlmittels. In senkrechter Richtung, d. h. innerhalb
der Flachrohre 37 strömt das Kühlmittel
in der ersten und der zweiten Reihe 33, 34 jeweils
in entgegengesetzter Richtung, ebenso im unteren Kühlmittelkasten 36.
Dort erfolgt in der ersten Reihe 33 eine Umlenkung in der
Breite von innen nach außen, während in der zweiten
Reihe 34 eine Umlenkung in der Breite von außen
nach innen erfolgt.
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9b zeigt
den Heizkörper 32 in einem Schnitt, in welchem
die beiden Rohrreihen 33, 34, die beiden Kühlmittelkästen 35, 36,
der Eintritt des Kühlmittels durch einen Pfeil E, der Austritt
des Kühlmittels durch einen Pfeil A sowie die Strömungsrichtung der
Luft durch einen Pfeil L dargestellt sind. Das Gegenstromprinzip
ist hier deutlich erkennbar.
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10a, 10b und 10c zeigen Draufsichten auf die Rohrenden sowie
deren Anzahl und Bemessung. Es werden wiederum die gleichen Bezugszahlen
für gleiche Teile verwendet. 10a zeigt
eine Draufsicht (Ansicht von oben) auf die beiden Rohrreihen 33, 34,
hier R1, R2 genannt. Die beiden Quertrennwände 41, 42 bilden
in Verbindung mit der Längstrennwand 43 die Form
eines H. Die Strömungsrichtung des Kühlmittels
durch die Flachrohre 37 ist durch Punkt- und Kreuzsymbole
dargestellt. Die Anzahl der Rohre in den einzelnen Abschnitten der
Rohrreihen R1, R2 ist durch die Streckenabschnitte a, b1, b2, c
repräsentiert. Um nach der ersten Umlenkung in der Breite
eine Verzögerung der Kühlmittelströmung
zu erzielen, ist die Summe der Rohre b1 und b2 größer
als die Zahl der Rohre a, d. h. (b1 + b2) > a. Bezogen auf das Ausführungsbeispiel
gemäß 10a weist
der Abschnitt a fünfzehn Rohre und die Abschnitte b1 und
b2 jeweils neun Rohre auf, sodass sich ein Zuwachs des Strömungsquerschnittes
um drei Rohrquerschnitte ergibt. Dies ergibt eine Reduzierung der
Strömungsgeschwindigkeit in den Abschnitten b1 und b2.
Nach der Umlenkung des Kühlmittels in der Reihe R1 strömt
es in den Teilbereichen b1 und b2 nach oben (Punktsymbol) und wird
dann – entgegen der Luftströmungsrichtung L – in
die Tiefe umgelenkt, d. h. in die Reihe R2, wo es wieder nach unten
strömt (Kreuzsymbol).
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10b zeigt eine Ansicht von unten auf die Rohrenden
der Rohrreihen R1 und R2, zwischen denen die Längstrennwand 40 angeordnet
ist. Die gesamte Breite der Rohrreihen R1, R2 ist mit c angegeben – dieser
Bereich ist nicht durch Querwände unterteilt, sodass in
beiden Reihen R1, R2 eine Umlenkung in der Breite erfolgen kann.
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10c zeigt einen vergrößerten
Ausschnitt der beiden Rohrreihen R1, R2 mit jeweils fünf
Flachrohren 37a, 37b, deren Ersteckung in der
Tiefe (in Luftströmungsrichtung) jeweils mit T1 und T2
bezeichnet ist. Die Gesamttiefe der beiden Rohrreihen (des Blockes)
ist mit T angegeben. Um eine weitere Verzögerung der Kühlmittelströmung
auch in der zweiten Reihe R2, d. h. nach der Umlenkung in der Tiefe
zu erreichen, kann die Tiefe T2 der Flachrohre 37b größer
als die Tiefe T1 der Flachrohre 37a gewählt werden – dies
bei gleicher Rohrbreite B und gleicher Rohranzahl.
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Für
ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel liegt die Rohrbreite
B in einem Bereich von 0,5 bis 4,0 mm, vorzugsweise 0,8 bis 2,5
mm. Die Materialdicke der Flachrohre 37a, 37b liegt
im Bereich von 0,10 bis 0,50 mm. Die Bautiefe T (Netz- oder Blocktiefe)
beträgt 10 bis 100 mm, vorzugsweise 25 bis 70 mm. In der
Zeichnung sind zwei Reihen von Flachrohren 37a, 37b,
welche als Zweikammerrohre ausgebildet sind, dargestellt. Möglich
sind jedoch auch Mehrkammerrohre oder auch eine einreihige Bauweise
mit einem durchgehenden Flachrohr, welches etwa im mittleren Bereich
eine Trennwand (Sicke) aufweist.
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11 zeigt
ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung mit einem
Heizkörper 44, welcher vom Strömungsmuster
dem Ausführungsbeispiel gemäß 10a, 10b entspricht.
Eine konstruktive Variante sieht eine seitliche Einströmung
des Kühlmittels über ein Einströmrohr 45 vor, über
welches das Kühlmittel von außen in den mittleren
Einströmbereich 46 zugeführt wird. In
analoger Weise kann für den in der Zeichnungsebene hinter
dem Einströmbereich 46 gelegenen Ausströmbereich
ein Ausströmrohr (nicht dargestellt) vorgesehen sein. Ein
derartiger seitlich angeordneter Kühlmittelanschluss kann aufgrund
der Einbausituation im Fahrzeug vorteilhaft sein.
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12 zeigt
ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung mit einem
Heizkörper 47, welcher außen angeordnete
Einströmbereiche 48, 49 (Teilbereiche)
aufweist, welche über ein Verbindungsrohr 50 miteinander
kommunizieren. Das über den Eintrittsstutzen 51 eintretende
Kühlmittel wird somit auf beide Einströmkammern 48, 49 verteilt.
Analog ist die Situation auf der nicht dargestellten Ausströmseite,
d. h. in der zweiten Rohrreihe.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102005048227
A1 [0004]
- - DE 10247609 A1 [0005]
- - DE 4431107 C1 [0006]
- - DE 60306291 T2 [0007]
- - EP 1410929 B1 [0007]