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Erklärung zu verwandten Fällen
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Diese Anmeldung beansprucht die Priorität der provisorischen Anmeldung Serien-Nr. 61/306 002, eingereicht am 19. Februar 2010, mit dem Titel Combustion Chamber Wall Cooling Chamber Design For Semi-Permanent Mold Cylinder Head Casting, welche hierin durch Bezugnahme aufgenommen ist.
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Hintergrund der Erfindung
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Die Brennkammerwände in einem Zylinderkopfgussteil sind während eines Motorbetriebes stark beansprucht. Es ist ein hochfestes Material in diesem Bereich erforderlich, um eine lange Lebensdauer für die Kornponente zu erhalten. Während die Wahl der Legierung und die Wärmebehandlung eine wichtige Rolle bei der Endfestigkeit der Legierung spielen, ist die Rolle der Bedingungen während des Erstarrens eine gleichbedeutende. Die Rate der Erstarrung der Brennkammerwände ist durch die Wandkonstruktion, die Formmaterialien, die Kernmaterialien, die Kühlkonstruktion und die Prozessvariablen bestimmt. Die Ausgewogenheit zwischen diesen Variablen und der verwendeten Legierung kann für höchste Festigkeit schwierig zu optimieren sein.
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Eine der Prozessvariablen, die ausgewogen sein müssen, ist die Formwandtemperatur. Wenn die Formwand, welche die Brennkammer bildet, kalt ist, wird dies die Erstarrungsrate erhöhen, es kann aber auch nachteilig für das Füllen des Formhohlraumes sein. Ein übermäßiger Verlust an Metalltemperatur während des Formfüllens wird Kaltschweißfehlstellen verursachen und zu Porosität unter der Oberfläche beitragen. Eine heiße Form wird den Temperaturverlust des flüssigen Metalls minimieren, sie wird aber auch die Erstarrungszeit des Gussteils verlängern und die Mikrostrukturgröße des Brennkammerwandmaterials vergrößern. Um eine heiße Form während des Füllens und eine kalte Form während des Erstarrens zu erreichen, werden die Formkühlkammern für die Brennkammergussteilwände typischerweise nach dem Formfüllvorgang aktiviert. Um die Erstarrungsrate des Gussteils zu maximieren, ist ein maximal hoher Wärmefluss aus den Kühlkammern erwünscht. Die Konstruktion der Formkühlkammer, welche die Brennkammergussteilwände bildet, ist zum Erreichen dieses maximalen Wärmeflusses während des Erstarrens von Bedeutung.
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Ein typisches Maß für die Mikrostrukturgröße in Aluminium-Silizium- oder Aluminium-Kupfer-Gusslegierungen ist der sekundäre Dendritenarmabstand (SDAS von secondary dendrite arm spacing). Diese gemessene Länge wird von einer geschnittenen Probe in der Brennkammerwand genommen. Eine typische SDAS-Spezifikation beträgt maximal 25 Mikrometer in der Brückenwand für einen Hochleistungs-Motorzylinderkopf. Diese Mikrostrukturlänge ist über die gesamte Brennkammerfläche hinweg wünschenswert, ist jedoch mit dem herkömmlichen Prozess nicht erreichbar.
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Eine herkömmliche Halbkokillenanordnung (von engl.: ”semi-permanent mold assembly”) für einen Aluminiumlegierungszylinderkopf weist Wasserkühlkammern unter jeder der Brennkammergussteilwände auf. Die Brennkammermerkmale und Kühlleitungen werden typischerweise mit individuellen Werkzeugen hergestellt, die in der größeren Basisform eingesetzt sind. Diese Einsätze werden präzise angeordnet und an der Basisform, typischerweise mit einem Positionierungspassstift und vier Bolzenvorsprünge, von unten befestigt. Auch die Kühlleitungseingangs- und -ausgangsverrohrung sind von unten verbunden. Die Kühlkammer benötigt einen Abstand zu diesen Merkmalen, was ihre Größe deutlich beschränkt.
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Die 1–2 zeigen ein Beispiel eines typischen Brennkammerkühleinsatzes 10. 1 veranschaulicht die innere Geometrie. Der Kühleinsatz 10 ist typischerweise aus H13 Stahl hergestellt. Die obere Fläche bildet die Gießfläche 15. Es ist ein Kühlmittelhohlraum 20 mit einem Kühlmitteleinlass 25 und einem Kühlmittelauslass 30 vorhanden. Es ist ein Leitblech 35 vorhanden, welches die Kühlmittelströmung von dem Kühlmitteleinlass 25 zu dem Kühlmittelauslass 30 in Richtung der oberen Fläche des Kühlmittelhohlraumes 20 leitet. 2 zeigt die Unterseite des Brennkammereinsatzes 10 mit den vier Bolzenvorsprünge 40 und dem Positionierungspassstift 45.
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Der Platzbedarf für die Bolzenvorsprünge 40 und den Positionierungspassstift 45 schränkt den Platz für den Kühlkammerdurchmesser selbst ein. Dies erfordert eine Wanddicke von etwa 25 mm (oder 50 mm Wandgesamtdicke). Infolgedessen weist ein Brennkammereinsatz mit einem Gesamtdurchmesser von 75 mm einen typischen Kühlmittelhohlraumdurchmesser von nur etwa 25 mm auf, ein 85 mm-Einsatz weist einen Kühlmittelhohlraum von etwa 35 mm auf, ein 95 mm-Einsatz weist einen Kühlmittelhohlraum von etwa 45 mm auf und ein 105 mm-Einsatz weist einen Kühlmittelhohlraum von etwa 55 mm auf. Folglich sind die Kühlanforderungen für einen SDAS von 25 Mikrometer oder weniger mit Standardkühlkammerkonstruktionen schwierig zu erreichen. Die begrenzte Kammeroberfläche und die Masse von Stahl über den Bolzenvorsprüngen bewirken ein langsames thermisches Ansprechen auf die Gussteilwand von dem aktivierten Kühlmittel.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Ein Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zum Kühlen eines Zylinderkopfgussteiles. In einer Ausführungsform umfasst das Verfahren, dass ein Kühlkuppeleinsatz in einer Zylinderkopfgießform befestigt wird, wobei der Kühlkuppeleinsatz einen Einsatzkörper mit einer oberen Wand, Seitenwänden und einer Unterseite, die eine Kühlkammer definieren, und mit einem Kühlmitteleinlass und einem Kühlmittelauslass, die in fluidtechnischer Verbindung mit der Kühlmittelkammer stehen, umfasst, wobei eine Gesamtdicke der Seitenwände weniger als etwa 40 mm beträgt; geschmolzene(s) Aluminium oder Aluminiumlegierung in die Zylinderkopfgießform eingeleitet wird; ein Kühlmittel durch den Kühlmitteleinlass und den Kühlmittelauslass hindurch zu der Kühlkammer im Kreislauf geführt wird, wobei der SDAS an der Zylinderkopfbrückenwand etwa 25 Mikrometer oder weniger beträgt.
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Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist ein Kühlkuppeleinsatz. In einer Ausführungsform umfasst der Kühlkuppeleinsatz einen Einsatzkörper mit einer oberen Wand, Seitenwänden und einer Unterseite, die eine Kühlkammer darin definieren, und mit einem Kühlmitteleinlass und einem Kühlmittelauslass, die in fluidtechnischer Verbindung mit der Kühlmittelkammer stehen, wobei eine Gesamtdicke der Seitenwände weniger als etwa 40 mm beträgt, und wobei ein vorhergesagter SDAS an der Zylinderkopfbrückenwand etwa 25 Mikrometer oder weniger beträgt.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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1 ist eine Veranschaulichung eines Querschnitts einer Konstruktion für einen Brennkammerkühleinsatz nach dem Stand der Technik.
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2 ist eine Veranschaulichung der Unteransicht des Kühleinsatzes von 1.
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3 ist eine Veranschaulichung einer Ausführungsform eines Brennkammerkühleinsatzes der vorliegenden Erfindung.
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4 ist ein Graph, der die thermische Entwicklung in der Brennkammerbrücke zeigt.
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5 ist ein Graph, der die Oberflächentemperatur für den gekühlten Einsatz der Konstruktion nach dem Stand der Technik von 1 zeigt.
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6 ist ein Graph, der die Oberflächentemperatur für den gekühlten Einsatz der Ausführungsform von 3 der vorliegenden Erfindung zeigt.
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Detaillierte Beschreibung der Erfindung
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Die innovative Brennkammereinsatzkühlkammerkonstruktion weist eine schnelle Ansprechzeit zur Einwirkung auf das Gussteil innerhalb des schmalen Betriebsfensters auf, was die Materialfestigkeit in den Brennkammerwänden verbessert. Die Konstruktion ist auch hilfreich, um die thermische Energie der Metallform und der Aluminiumschmelze zu regeln.
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Sie gestattet die Verwendung einer höheren Basisformtemperatur während des Füllens der Form, um das Risiko von Kaltschweißfehlstellen oder eine Herabsetzung der Gießtemperatur zu reduzieren. Die Reduktion von Gussschrott und geringere Energiebedarfe bringen Kosteneinsparungen mit sich. Die Verbesserung in der gerichteten Erstarrung des Gussteils hat weniger Ausschuss durch Erstarrungsschwindungsporosität zur Folge.
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Die Konstruktion lässt das Erstarren der Brennkammerwände in 60 s zu, um den erwünschten SDAS unter 25 Mikrometer zu erreichen. Sie gestattet auch, das gleiche Material für den Einsatz und den Rest der Form zu verwenden, was mögliche Probleme mit Unterschieden in der thermischen Ausdehnung eliminiert.
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Die Brennkammereinsatzkonstruktion maximiert ihren Durchmesser und die obere Oberfläche der Kühlkammer durch Anpassen der Kontur der Gussfläche. Eine einheitliche H-13-Stahlwand umgibt die Kühlmittelkammer. Sie ist allgemein etwa 8 bis etwa 15 mm, typischerweise etwa 10 bis etwa 12 mm, dick. Dies verdoppelt die minimale Wanddicke in typischen Kühlkammerformen.
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Geeignete Kühlmittel umfassen Wasser, sind jedoch nicht darauf beschränkt.
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Der Kühlhohlraumdurchmesser spielt eine wichtige Rolle in dem Spitzenwärmefluss, den die Brennkammergießteilwände erfahren. Die Maximierung des Spitzenwärmeflusses lässt eine heißere Form für bessere Formfüllbedingungen und eine höhere Kühlrate während des Erstarrens für verbesserte mechanische Eigenschaften zu.
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Der Durchmesser der Einsätze liegt typischerweise im Bereich von etwa 75 bis etwa 105 mm. In einer Ausführungsform beträgt die Wandgesamtdicke weniger als etwa 40 mm oder weniger als etwa 35 mm oder weniger als etwa 30 mm oder weniger als etwa 25 mm oder etwa 20 mm.
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In einer Ausführungsform, die etwa 10 mm für die Wanddicke an beiden Seiten (eine Wandgesamtdicke von etwa 20 mm) zulässt, kann der Kühlmittelkammerdurchmesser je nach Einsatzgröße bis zu etwa 55 bis etwa 85 mm, z. B. bis zu etwa 55 mm für den 75 mm Einsatz, bis zu etwa 65 mm für den 85 mm Einsatz, bis zu etwa 75 mm für den 95 mm-Einsatz oder bis zu etwa 85 mm für den 105 mm Einsatz betragen.
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Zum Beispiel beträgt in einer Ausführungsform für einen Einsatz mit einem Durchmesser von 75 mm der Kühlkammerdurchmesser mindestens etwa 30 mm oder mindestens etwa 35 mm oder mindestens etwa 40 mm, mindestens 45 mm oder mindestens etwa 50 mm oder etwa 55 mm. Für einen Einsatz mit einem Durchmesser von 85 mm beträgt der Kühlkammerdurchmesser mindestens etwa 40 mm, mindestens etwa 45 mm oder mindestens etwa 50 mm oder mindestens etwa 55 mm oder mindestens etwa 60 mm oder etwa 65 mm. Für einen 95 mm-Einsatz beträgt der Kühlkammerdurchmesser mindestens etwa 50 mm, mindestens etwa 55 mm oder mindestens etwa 60 mm oder mindestens etwa 65 mm oder mindestens etwa 70 mm oder etwa 75 mm. Für einen 105 mm-Einsatz beträgt der Kühlkammerdurchmesser mindestens etwa 60 mm oder mindestens etwa 65 mm oder mindestens etwa 70 mm oder mindestens etwa 75 mm oder mindestens etwa 80 mm oder etwa 85 mm.
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In einer Ausführungsform beträgt das Verhältnis zwischen dem Durchmesser der Kühlmittelkammer und der Gesamtdicke der Wände (beide Seiten) allgemein mindestens etwa 1,12 oder mindestens etwa 1,14 oder mindestens etwa 1,16 oder mindestens etwa 1,18 oder mindestens etwa 1,2 oder mindestens etwa 1,4 oder mindestens etwa 1,5 oder mindestens etwa 1,6 oder mindestens etwa 1,7 oder mindestens etwa 1,8 oder mindestens etwa 1,9 oder mindestens etwa 2,0 oder mindestens etwa 2,1 oder mindestens etwa 2,2 oder mindestens etwa 2,3 oder mindestens etwa 2,4 oder mindestens etwa 2,5.
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In einer Ausführungsform beträgt der Durchmesser der Kühlmittelkammer allgemein mindestens etwa 55% oder mindestens etwa 60% oder mindestens etwa 65% oder mindestens etwa 70% oder mindestens etwa 75% oder mindestens etwa 80% des Durchmessers des Einsatzkörpers.
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Die Konstruktion lässt einen Kühlmittelkammerdurchmesser von bis zu etwa 85 mm für den 105 mm Einsatz zu, wodurch sich eine obere Oberfläche von etwa 7200 mm2 ergibt, was mehr als das Dreifache der oberen Oberfläche der herkömmlichen Konstruktion für diese Einsatzgröße ist. Für einen 75 mm Einsatz mit einer 55 mm Kühlmittelkammer beträgt die obere Oberfläche etwa 2400 mm2 oder mehr als das Siebenfache der oberen Fläche der herkömmlichen Konstruktion.
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Der Einsatz kann als zwei Stücken gebildet sein, falls erwünscht. Die Kühlkammer kann maschinell in jede Komponente gearbeitet und die Komponenten zusammengesetzt und miteinander verschweißt sein. Da die Montage- und Positionierungslöcher die gleichen sind wie in der herkömmlichen Konstruktion, können sie ohne Modifizierungen in der Standardbasisformkonstruktion implementiert sein.
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Die gefräste und geschweißte Einsatzkonstruktion eliminiert die Platzeinschränkung an der Rückseite des Einsatzes, da sich die Kühlkammer direkt über den Vorsprungsmerkmalen befinden kann, was in der Konstruktion nach dem Stand der Technik nicht möglich ist. Dies gestattet es, dass die verbesserte Konstruktion die erforderliche Wärmeflusserhöhung erreicht.
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Die Schweißstelle ist unter der Deckseitenfläche und von der Metallvorderseite weg positioniert, sodass sie nicht mit der Aluminiumschmelze in Kontakt kommen würde. Eine Formwanddicke von 10 mm wurde seit vielen Jahren beim Gießen von Kolben in sicherer Weise verwendet. Die Verwendung eines ähnlichen Materials für den Einsatz und die Basisform (z. B. H-13) reduziert das Risiko von Spannungen auf Grund von thermischer Ausdehnung. Die einzige physikalische Belastung des Brennkammereinsatzes besteht während des Auswerfens des Aluminiumgussteiles, was eine vernachlässigbare Spannung an der Schweißstelle wäre. Mit den richtigen Schweiß- und Prüftechniken wird diese Konstruktion in sicherer Weise über die Lebensdauer der Zelle arbeiten.
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Die Konstruktion ist dabei hilfreich, die Festigkeit des Gussmaterials in der Brennkammerwand eines Aluminiumlegierungszylinderkopfgussteiles durch Erhöhen der Kühlrate während des Erstarrens zu verbessern. Die Verbesserung kann innerhalb des Standardformkonstruktionsfensters des Prozesses mit Halbkokille erhalten werden.
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3 veranschaulicht eine Ausführungsform einer verbesserten Kühlkuppelkonstruktion. Der Kühleinsatz 50 ist in zwei Teilen, einem oberen Teil 55 und einem unteren Teil 60, gegossen. Der Kühleinsatz weist eine obere Wand 65, Seitenwände 67 und eine Unterseite 69 auf, welche die Kühlkammer 75 definieren. Die obere Wand 65 zwischen der Gießfläche 70 und der Kühlkammer 75 weist eine einheitliche Dicke auf, da die Kühlkammer 75 der Rundung der Brennkammer folgt. Kühlmittel tritt durch den Kühlmitteleinlass 80 hindurch ein und tritt durch den Kühlmittelauslass 85 hindurch aus. Falls erwünscht, kann/können eine oder mehrere Stützsäule/n 90 in Kontakt mit der oberen Wand 65 vorhanden sein, was das Risiko minimiert, dass auf die Gusswandabmessungen eingewirkt wird. Falls erwünscht, können die Stützsäulen 90 an der oberen Wand 65 in einer beliebigen geeigneten Weise, welche Schweißen oder Gewinde umfasst, jedoch nicht darauf beschränkt ist, angebracht sein. Der obere Teil 55 und der untere Teil 60 sind typischerweise an der Schweißstelle 95 miteinander verschweißt.
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Für eine A319 Legierung lag der vorhergesagte SDAS-Bereich für die Konstruktion nach dem Stand der Technik für die gesamte Brennfläche bei 23 bis 38 Mikrometer, während er für die verbesserte Konstruktion 20 bis 27 Mikrometer betrug. Somit verbesserte die Kuppelkühlung den SDAS an der Brückenwand von 23 auf 20 Mikrometer, der maximale SDAS wurde von 38 auf 27 Mikrometer reduziert und der allgemeine SDAS-Bereich wurde von 15 auf 7 Mikrometer reduziert. Die feinere Mikrostruktur erhöht die Festigkeit des Gussmaterials.
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4 veranschaulicht die vorgesehene verbesserte Kühlung der Kuppelkühlung im Vergleich mit der Konstruktion nach dem Stand der Technik. Die Erstarrungszeit der Brennkammerbrückenwand wurde um über 50% von 450 s auf 215 s reduziert.
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5 zeigt die Einsatzoberflächentemperaturen für die Brückenstelle und die Zündkerzenstelle für die Konstruktion nach dem Stand der Technik. Bei 60 s lag die Oberflächentemperatur im Bereich von 250°C bis 395°C, ein Unterschied von 145°C. Der hohe Temperaturgradient über die Brennkammer hinweg hat unerwünschte größere Mikrostrukturmerkmale außerhalb der Brücke zur Folge.
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Für den Kühlkuppeleinsatz lag die Oberflächentemperatur im Bereich von 180°C bis 195°C bei 60 s, wie in 6 gezeigt. Die einheitliche Wanddicke über der Kühlmittelkammer stellte eine annähernd gleichmäßige Kühlung der Brennkammerwände und eine einheitlich feine Mikrostruktur bereit.
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Es wird darauf hingewiesen, dass Ausdrücke wie „vorzugsweise” „üblicherweise” und „typischerweise” hierin nicht verwendet werden, um den Schutzumfang der beanspruchten Erfindung einzuschränken oder zu implizieren, dass gewisse Merkmale kritisch, wesentlich oder auch wichtig für die Struktur oder Funktion der beanspruchten Erfindung sind. Vielmehr sollen diese Ausdrücke lediglich alternative oder zusätzliche Merkmale hervorheben, die in einer speziellen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet werden können oder nicht.
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Es wird darauf hingewiesen, dass, um die vorliegende Erfindung zu beschreiben und zu definieren, der Ausdruck „Vorrichtung” hierin verwendet wird, um eine Kombination von Komponenten und Einzelkomponenten unabhängig davon zu repräsentieren, ob die Komponenten mit weiteren Komponenten kombiniert sind. Eine „Vorrichtung” gemäß der vorliegenden Erfindung kann z. B. eine elektrochemische Umwandlungsanordnung oder Brennstoffzelle, ein Fahrzeug, in dem eine elektrochemische Umwandlungsanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung eingebaut ist, etc. umfassen.
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Es wird darauf hingewiesen, dass, um die vorliegende Erfindung zu beschreiben und zu definieren, der Ausdruck „im Wesentlichen” hierin verwendet wird, um den natürlichen Grad von Unsicherheit darzustellen, der einem/r beliebigen quantitativen Vergleich, Wert, Messung oder anderen Darstellung zugeordnet werden kann. Der Ausdruck „im Wesentlichen” wird hierin auch verwendet, um den Grad darzustellen, um den eine quantitative Darstellung von einer angegebenen Referenz abweichen kann, ohne dass dies zu einer Änderung in der grundlegenden Funktion des betrachteten Gegenstandes führt.
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Nach der Beschreibung der Erfindung im Detail und durch Bezugnahme auf spezielle Ausführungsformen derselben wird offensichtlich sein, dass Abwandlungen und Varianten möglich sind, ohne von dem Schutzumfang. der Erfindung abzuweichen, der in den beiliegenden Ansprüchen definiert ist. Im Spezielleren, wenngleich einige Aspekte der vorliegenden Erfindung hierin als bevorzugt oder besonders vorteilhaft identifiziert sind, wird in Erwägung gezogen, dass die vorliegende Erfindung nicht notwendigerweise auf diese bevorzugten Aspekte der Erfindung beschränkt ist.
