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TECHNISCHES GEBIET
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Die Erfindung betrifft einen Triebwerkssimulator für Windkanalmodelle, ein Verfahren zum Herstellen einer Heizbeschichtung an einem Strömungskörper eines Triebwerkssimulators und die Verwendung einer Heizbeschichtung aus einem Matrixmaterial mit einem Leitfähigkeitsadditiv zum Verhindern von Eisansatz an einem Strömungskörper eines Windkanalmodells.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Zur Validierung einer Konfiguration eines Flugzeugs, die ein oder mehrere Triebwerke umfasst, werden häufig Windkanalmodelle mit Triebwerkssimulatoren verwendet, welche für Windkanalmodelle von modernen Verkehrsflugzeugen ein Mantelstromgebläse und einen durchströmten Mantel aufweisen. Derartige Simulatoren werden durch einen mechanisch einfachen Druckluftantrieb betrieben, bei dem sich Druckluft in einer drehbar gelagerten Turbine mit einer oder mehreren Turbinenstufen entspannt, wobei die Turbine in Drehung versetzt wird. Durch die Rotation wird das über eine Welle mit der Turbine verbundene Mantelstromgebläse zum Erzeugen eines Mantelstroms angetrieben. Der aus der Turbine über einen düsenartigen Strömungskörper austretende Luftstrom weist aufgrund der in der Turbine erfolgten Entspannung der Druckluft eine deutlich niedrigere Temperatur, die beispielsweise bis zu –100°C betragen kann, als der Mantelstrom auf und durchmischt sich im Bereich einer Austrittsstelle des Strömungskörpers mit dem Mantelstrom. Aufgrund der örtlichen Durchmischung entsteht zumindest örtlich durch die niedrige Temperatur der durchmischten Luft eine Kondensation von Feuchtigkeit des Mantelstroms, die sich in Form von Eis an einer umströmten Hinterkante des Strömungskörpers ansammelt. Die Vereisung der Hinterkante beeinflusst den Strömungszustand am Austritt des Triebwerkssimulators und damit Messdaten der durchgeführten Windkanalversuche.
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DE 10 2006 044 996 A1 beschreibt ein Druckluftnadelventil zur Regelung eines Luftstroms zum Antrieb von Triebwerkssimulatoren in Flugzeugmodellen für Windkanaluntersuchungen.
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US 4,821,566 A beschreibt eine Vorrichtung zum Erfassen von Luftdaten für ein Luftfahrzeug, welche im Inneren eine Heizspirale aufweist.
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DE 102 53 844 A1 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Sichtbarmachung der Strömungsablösung in einer Überschalldüse.
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WO 2010/066730 A1 beschreibt eine leitfähige Zubereitung sowie ein Verfahren zu deren Herstellung.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Eine Aufgabe der Erfindung liegt daher darin, einen Triebwerkssimulator für Windkanalmodelle vorzuschlagen, bei dem möglichst keine Vereisungseffekte entstehen.
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Die Aufgabe wird gelöst durch einen Triebwerkssimulator für Windkanalmodelle, aufweisend eine Turbine mit einem Einlass für ein druckbeaufschlagtes Fluid und einem Auslass für ein entspanntes Fluid, einen Strömungskörper, der stromabwärts der Turbine angeordnet ist, einen Mantel, der zumindest teilweise den Strömungskörper unter Bildung eines Spalts umgibt und mindestens zwei Elektroden, wobei ein stromabwärts gerichtetes Ende des Strömungskörpers mit einer Heizbeschichtung aus einem ein Leitfähigkeitsadditiv beinhaltenden Matrixmaterial versehen ist, die mit den Elektroden zum Anlegen einer elektrischen Spannung verbunden ist.
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Ein derartiger Triebwerkssimulator ist dazu eingerichtet, bei Fördern von druckbeaufschlagtem Fluid an den Einlass, zum Beispiel Druckluft, durch Rotation der Turbine ein möglichst realistisches triebwerksinduziertes Strömungsszenario in dem Windkanal zu erzeugen. Das aus der Turbine über den Auslass ausströmende, entspannte Fluid streicht durch oder über den stromabwärts angeordneten Strömungskörper, an dem sich eine Durchmischungszone ergibt, in der das entspannte Fluid mit dem durch das Mantelstromgebläse erzeugten Mantelstrom örtlich durchmischt wird. Das durch die Durchmischung anfallende Kondensat, welches sich an dem stromabwärts gerichteten Ende des Strömungskörpers als Eis ansammeln würde, wird durch die Heizbeschichtung stets mit Wärme beaufschlagt, so dass es nicht dazu neigt, an dem Strömungskörper als Eis anzuhaften, sondern den Strömungskörper in flüssiger oder dampfförmiger Phase unter Einfluss der Luftströmung verlässt.
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Die Heizbeschichtung könnte bevorzugt mit einem flüssigen, härtbaren und beispielsweise harzartigen Matrixmaterial realisiert werden, in das ein Leitfähigkeitsadditiv dispergiert ist, so dass sich eine leitfähige Schicht bildet. Durch Anlegen einer Spannung aus einer Gleich- oder Wechselstrom-Spannungsquelle an der Heizbeschichtung über die Elektroden kann ein Stromfluss durch die Heizbeschichtung verursacht werden, was aufgrund eines durch das Leitfähigkeitsadditiv bestimmten Widerstands zu einer Verlustleistung in Form von Wärme führt. Der besondere Vorteil einer derartigen Heizbeschichtung liegt darin, dass durch Verwendung üblicher harzartiger Matrixmaterialien sehr dünne Schichten realisierbar sind, die durch Eintauchen oder Aufsprühen mit einer beliebigen Form und unter beliebigen Biegeradien an einem Ende, beispielsweise einer scharfen Kante, eines Strömungskörpers aufbringbar sind. Das Leitfähigkeitsadditiv kann dabei auf Kohlenstoffbasis, etwa in Form von dispergierten Kohlenstoffpartikeln, ausgeführt sein.
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Ein geeignetes Heizbeschichtungsmaterial, das etwa in
WO 2010/066730 A1 detailliert beschrieben wird, beeinflusst bei sehr geringer Auftragsdicke die aerodynamischen Eigenschaften des Triebwerkssimulators kaum spürbar, anders als elektrische Heizfolien, die auf eine Innen- oder Außenfläche des Strömungskörpers in einem Bereich nahe einer Austrittskante aufgeklebt werden müssten. Derartige aus dem Stand der Technik bekannte Heizfolien weisen zudem eine eingeschränkte mechanische Flexibilität und damit eine sehr begrenzte Formanpassungsfähigkeit auf, so dass sie nicht gänzlich um eine Hinterkante eines Strömungskörpers gelegt werden können. Eine vorgeschlagene Heizbeschichtung ist zudem deutlich als vorteilhaft gegenüber einem ebenfalls im Stand der Technik bekannten, elektrisch betriebenen Heizdraht zu bewerten, der ausschließlich einen recht schmalen Bereich an einer Hinterkante des Strömungskörpers beheizen kann.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform ist mindestens eine der zwei Elektroden als ein Metallband ausgeführt. Das Metallband ist besonders bevorzugt aus einem möglichst weichen, leicht biegbaren und gut leitfähigen Metall ausgeführt, wofür besonders Kupfer oder Aluminium in Frage kommen, wobei optional auch eine Verzinnung auf dem Metallband aufgebracht sein kann. Ein derartiges Metallband lässt sich flexibel an dem Strömungskörper berührend an, auf oder unter der Beschichtung anbringen. Aufgrund ihrer guten Formbarkeit lässt sich eine als Metallband ausgeführte Elektrode leicht an die Form des Endes des Strömungskörpers anpassen und würde damit die Strömung im Bereich des Endes möglichst wenig durch eine Aufdickung oder dergleichen beeinflussen. Zur Befestigung an dem Strömungskörper könnte das Metallband einen Klebefilm auf der Unterseite aufweisen, der nach Abziehen einer Schutzschicht ein sicheres Kleben des Metallbands an dem Strömungskörper ermöglicht.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform ist mindestens eine der Elektroden zwischen der Heizbeschichtung und dem von der Heizbeschichtung abgedeckten Bereich des Endes des Strömungskörpers angeordnet. Die Elektrode ist damit an dem Strömungskörper vollständig von der Beschichtung gekapselt und vor einer Ablösung geschützt. Zusätzlich wird durch die Kapselung eine gewisse räumliche Trennung zwischen zwei oder mehr Elektroden realisiert.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist der Strömungskörper als eine Austrittsdüse für einen Kernstrom aus der Turbine ausgeführt und die Heizbeschichtung erstreckt sich von einer Innenseite des Strömungskörpers über das stromabwärts liegende Ende zu einer Außenseite des Strömungskörpers. Die Beschichtung kann dadurch eine relativ große Fläche an einem Ende eines Strömungskörpers zuverlässig erwärmen, so dass zuverlässig ein Eisansatz vermieden wird.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform sind die Elektroden jeweils an Stirnflächen der Heizbeschichtung angeordnet und erstrecken sich im Wesentlichen senkrecht zu der Erstreckungsrichtung der Heizbeschichtung bzw. des Strömungskörpers. In einer Abwicklung wäre die Beschichtung demnach ein flaches Rechteck, an dessen zwei gegenüberliegenden kürzeren Kanten die Elektroden angeordnet sind, was zu einem weitgehend gleichmäßigen Stromfluss durch die gesamte Beschichtung führt.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung sind die Elektroden ringförmig an der Heizbeschichtung im Wesentlichen parallel zur Fläche des Strömungskörpers angeordnet. Als Fläche ist dabei die lokale Oberfläche gemeint, die mit der Heizbeschichtung beaufschlagt ist. Bevorzugt ist dabei eine erste Elektrode an der Innenseite des Strömungskörpers flach angebracht, während eine zweite Elektrode an der Außenseite des Strömungskörpers flach angebracht ist. Die Heizbeschichtung erstreckt sich dabei ebenfalls von der Außenseite zur Innenseite des Strömungskörpers und umschließt dabei die beiden Elektroden. Diese Anordnung eignet sich besonders zur Ausrüstung eines als Austrittsdüse geformten Strömungskörpers. Der Aufbau bestehend aus Heizbeschichtung und Elektroden kann dadurch recht flach sein, gleichzeitig wird eine vergleichsweise große Fläche zum Anlegen einer Spannung genutzt. Die Distanz zwischen den beiden Elektroden ist weiterhin sehr kurz, so dass die angelegte Spannung moderat gewählt werden kann. Durch die Beaufschlagung eines großen Bereichs der zu erwärmenden Hinterkante ergeben sich ein gleichmäßiger Stromfluss und damit eine gleichmäßige Beheizung am gesamten Umfang des Strömungskörpers, ohne dass Lücken entstehen. Zusätzlich ist das Anbringen der Heizbeschichtung bei innen- und außenseitiger Anordnung von Elektroden sehr einfach, denn dies erlaubt ein einfaches Eintauchen der mit Elektroden ausgerüsteten Hinterkante des Strömungskörpers in ein flüssiges Matrixmaterial.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist mindestens eine der Elektroden bereichsweise unterbrochen, wobei zueinander benachbarte Abschnitte einer betreffenden Elektrode mit unterschiedlichen Polaritäten einer Spannungsquelle verbunden sind. Dadurch kann ein Stromfluss in mehreren Richtungen zwischen den einzelnen Abschnitten der Elektroden ergeben, was ebenfalls zu einer besonders gleichmäßigen Beheizung führt.
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Die Aufgabe wird weiterhin gelöst durch ein Verfahren zum Herstellen einer Heizbeschichtung an einem Strömungskörper eines Triebwerkssimulators für Windkanalmodelle. Das Verfahren weist im Wesentlichen die Schritte des Anordnens zweier Elektroden an einem Ende des Strömungskörpers, des Beschichtens der Hinterkante mit einem ein Leitfähigkeitsadditiv aufweisenden Matrixmaterial und des Aushärtens des Matrixmaterials auf.
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Das Beschichten des Strömungskörpers wird dabei bevorzugt derart realisiert, dass die an der Hinterkante angeordneten Elektroden von dem Matrixmaterial vollständig abgedeckt werden und kann durch Besprühen, Anstreichen oder bevorzugt durch Eintauchen in ein harzartiges Matrixmaterial mit einem dispergierten Leitfähigkeitsadditiv realisiert werden.
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Das Aushärten kann weiterhin durch eine reine Lufttrocknung oder durch eine Beaufschlagung mit Wärme durchgeführt werden. Letzteres wäre bei der Verwendung von wärmehärtbaren Matrixmaterialien sinnvoll.
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Die Elektroden werden weiterhin bevorzugt derart an dem Strömungskörper angeordnet, dass sie auf einer Innenseite und der Außenseite des Strömungskörpers flach anliegen und bevorzugt, aber nicht unbedingt, über eine Klebeschicht, einen Klebefilm oder dergleichen mit dem Strömungskörper verbunden werden.
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Die Aufgabe wird weiterhin gelöst durch die Verwendung einer Beschichtung aus einem Matrixmaterial mit einem Leitfähigkeitsadditiv als Heizbeschichtung zum Verhindern von Eisansatz an einem Strömungskörper eines Triebwerkssimulators eines Windkanalmodells.
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KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN
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Weitere Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele und den Figuren. Dabei bilden alle beschriebenen und/oder bildlich dargestellten Merkmale für sich und in beliebiger Kombination den Gegenstand der Erfindung auch unabhängig von ihrer Zusammensetzung in den einzelnen Ansprüchen oder deren Rückbeziehungen. In den Figuren stehen weiterhin gleiche Bezugszeichen für gleiche oder ähnliche Objekte.
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1 zeigt einen Triebwerkssimulator für Windkanalmodelle in einer Schnittdarstellung.
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2 zeigt die Hinterkante eines Strömungskörpers mit einer Beschichtung in einer Schnittdarstellung.
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3 zeigt eine Anordnung von Elektroden in einer schematischen Darstellung.
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4 zeigt ein Verfahren zum Herstellen einer Beschichtung in einer schematischen, blockbasierten Darstellung.
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DETAILLIERTE DARSTELLUNG EXEMPLARISCHER AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Ein Triebwerkssimulator 2 in 1 zum Simulieren eines Mantelstromtriebwerks an einem Windkanalmodell eines Flugzeugs weist eine beispielhaft zweistufig dargestellte und drehbar gelagerte Turbine 4 mit einem Einlass 6 und einem Auslass 8 auf, die durch ein druckbeaufschlagtes Fluid aus einer Zufuhrleitung 10 in Rotation versetzt wird. Das Fluid gerät über den Einlass 6 in die Turbine 4, führt dort zu einer Rotation der Turbine 4 und eines über eine Welle 12 mit der Turbine 4 verbundenen Mantelstromgebläses 14 und strömt als Kernströmung aus dem Auslass 8 aus einem Strömungskörper 16 aus dem Triebwerkssimulator 2 aus.
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Das Mantelstromgebläse 14 wird von einem Mantel 18 umgeben, der zu einem zwischen dem Strömungskörper 16 und dem Mantel 18 vorbeiströmenden ringförmigen Mantelstrom führt. In einem Bereich eines als Hinterkante 20 ausgeführten stromabwärts gerichteten Endes des Strömungskörpers 16 berühren sich der Mantelstrom und der Kernstrom aus der Turbine 4, so dass sich die beiden Luftströme in einem Bereich an der Hinterkante 20 durchmischen. In dem durchmischten Bereich wird aufgrund der Entspannung des Fluids eine deutlich niedrigere Temperatur als die des reinen Mantelstroms erreicht, so dass im Bereich der Hinterkante 20 zumindest der durchmischte Teil der Strömung den Taupunkt erreicht, was zum Auskondensieren von Wasser im Bereich der Hinterkante 20 führt, wobei das Kondensat aufgrund der niedrigen Temperatur des vorbeiströmenden Fluids zur Bildung von Eis neigt. An der Hinterkante 20 würde sich ohne Beeinflussung der Oberflächentemperatur des Strömungskörpers 16 demnach eine Art Eiskranz bilden, der sich entlang der Grenzfläche zwischen dem Kernstrom und dem Mantelstrom aus dem Strömungskörper 16 erstrecken würde.
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Um diesen Eisansatz zu vermeiden, ist an der Hinterkante 20 eine Heizbeschichtung 22 vorgesehen, die in 2 detaillierter dargestellt ist. Diese besteht aus einem Matrixmaterial mit einem darin enthaltenen Leitfähigkeitsadditiv, etwa dispergierten Kohlenstoffpartikeln oder dergleichen. Mit Hilfe zweier Elektroden 24 und 26 wird eine Spannung an die Heizbeschichtung 22 angelegt, die aufgrund der Leitfähigkeit in einem Stromfluss durch die Heizbeschichtung 22 resultiert, der zum Erwärmen der Hinterkante 20 führt. Der Eisansatz an der Hinterkante 20 kann dadurch wirkungsvoll verhindert werden.
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2 zeigt einen Austrittsbereich des düsenartig geformten Strömungskörper 16 in einer etwas detaillierteren Darstellung. An der Hinterkante 20 befindet sich die Heizbeschichtung 22 als eine dünne Schicht, die sich von einer Innenseite 28 zu einer Außenseite 30 des Strömungskörpers 16 erstreckt, um einen Auslaufbereich 32 des Strömungskörpers 16 vollständig abzudecken. Zum Einleiten einer Spannung ist eine erste Elektrode 24 ringförmig flach an der Innenseite 28 des Strömungskörpers 16 angeordnet, während eine zweite Elektrode 26 ringförmig flach an der Außenseite des Strömungskörpers 16 angeordnet ist. Die Heizbeschichtung 22 umgibt die beiden folien- oder blechartigen, formangepassten Elektroden 24 und 26 vollständig, so dass eine angelegte Spannung aus einer Spannungsquelle (nicht gezeigt) zu einem Stromfluss in der Heizbeschichtung 22 und damit zu einem Wärmeeintrag im gesamten Hinterkantenbereich führt.
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In einem realisierbaren Triebwerkssimulator kann sich der Auslaufbereich 32 beispielsweise entlang einer Länge von 5 mm erstrecken, während die gesamte Dicke des Auslaufbereichs an der Hinterkante 20 unter 1 mm betragen kann. Die Beschichtung 22 kann so dünn ausgeführt werden, dass eine Beeinflussung der Strömung um den Strömungskörper 16 praktisch ausgeschlossen wird.
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In den 3a bis 3c werden mehrere verschiedene Möglichkeiten der Anordnung von Elektroden 24 und 26 gezeigt. In der Darstellung aus 3a ist die Beschichtung 22 abgewickelt gezeigt und an den Stirnflächen jeweils mit einem Pol einer Spannungsquelle versorgt.
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In der 3b wird eine abweichende und der Anordnung aus 2 entsprechende Anordnung gezeigt, bei der eine Oberseite und eine Unterseite einer Heizbeschichtung 22 mit jeweils einem Pol einer Spannungsquelle verbunden ist. Dies könnte beispielsweise so ausgeführt sein, dass der Strömungskörper 16 aus 2 sowohl an einer Innenseite als auch an einer Außenseite an den Enden der Beschichtung jeweils eine bandartige Elektrode aufweist, die mit der Heizbeschichtung 22 verbunden ist.
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In 3c wird eine mäandrierende Gestaltung von einzelnen Elektrodenabschnitten 38 und 40 dargestellt. Auf jeder Seite der Heizbeschichtung ist eine Anordnung von Elektroden 38 oder 40 angeordnet, die durch Zwischenräume voneinander getrennt sind. Die zueinander benachbarten Elektroden 38 bzw. 40 können abwechselnd mit unterschiedlichen Polen der Spannungsquelle verbunden werden.
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4 zeigt schließlich ein erfindungsgemäßes Verfahren in einer schematischen Ansicht. Ein erster Verfahrensschritt kann etwa das Anordnen von zwei Elektroden auf einer Hinterkante des Strömungskörpers umfassen 42, das Beschichten 44 durch Bestreichen, Besprühen oder Eintauchen der Hinterkante in ein ein Leitfähigkeitsadditiv aufweisendes Matrixmaterial und das Aushärten 46 umfassen. Zusätzlich kann das Verfahren das Verbinden 48 der Elektroden mit jeweils einer Anschlussleitung umfassen, die mit einer Spannungsquelle zu verbinden sind.
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Ergänzend sei darauf hinzuweisen, dass „aufweisend” keine anderen Elemente oder Schritte ausschließt und „ein” oder „eine” keine Vielzahl ausschließt. Ferner sei darauf hingewiesen, dass Merkmale, die mit Verweis auf eines der obigen Ausführungsbeispiele beschrieben worden sind, auch in Kombination mit anderen Merkmalen anderer oben beschriebener Ausführungsbeispiele verwendet werden können. Bezugszeichen in den Ansprüchen sind nicht als Einschränkungen anzusehen.
