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1. Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf einen Turbolader und insbesondere auf einen Turbolader mit einem thermischen Damm.
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2. Beschreibung des verwandten Stands der Technik
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Turbolader beinhalten ein Turbinenrad, ein Verdichterrad, das über eine Welle mit dem Turbinenrad gekoppelt ist, und ein Lagergehäuse, das sich um die Welle erstreckt und zwischen dem Turbinenrad und dem Verdichterrad angeordnet ist. Turbolader verwenden einen Abgasstrom von einem Verbrennungsmotor auf und liefern Druckluft an den Verbrennungsmotor. Genauer gesagt verwenden Turbolader den Abgasstrom, um das Turbinenrad schnell zu drehen. Das Turbinenrad wiederum dreht die Welle, die das Verdichterrad dreht, um die komprimierte Luft an den Verbrennungsmotor zu liefern. Der Abgasstrom, der verwendet wird, das Turbinenrad schnell zu drehen, ist jedoch sehr heiß, was wiederum dazu führt, dass Komponenten des Lagergehäuses neben dem Turbinenrad ebenso heiß werden, was einen Ausfall des Turboladers bewirken kann.
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Einige der herkömmlichen Turbolader verwenden wassergekühlte Lagergehäuse, um die Komponenten des Lagergehäuses unter kritischen Temperaturen zu halten, um einen Ausfall des Turboladers zu verhindern. Die Wasserkühlung erfordert jedoch zusätzliche Komponenten in dem Lagergehäuse. Außerdem produziert das verwendete heiße Wasser aus der Wasserkühlung Abwärme, die zu höheren Fahrzeugemissionen führen kann.
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Daher besteht nach wie vor die Notwendigkeit, einen verbesserten Turbolader bereitzustellen.
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KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG UND VORTEILE
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Ein Turbolader zum Liefern von Druckluft zu einem Verbrennungsmotor beinhaltet eine Welle, die sich entlang einer Achse zwischen einem ersten Ende und einem zweiten Ende erstreckt, das von dem ersten Ende entlang der Achse beabstandet ist. Der Turbolader beinhaltet ebenso ein Verdichterrad, das mit dem ersten Ende der Welle gekoppelt ist, und ein Turbinenrad, das mit dem zweiten Ende der Welle gekoppelt ist und einen ersten Durchmesser aufweist. Außerdem beinhaltet der Turbolader ein Lagergehäuse, das sich um die Welle erstreckt und zwischen dem Verdichterrad und dem Turbinenrad angeordnet ist. Das Lagergehäuse weist einen thermischen Damm mit einem Volumen auf, das sich in Umfangsrichtung um die Welle erstreckt und in der Nähe des zweiten Endes der Welle zwischen dem Verdichterrad und dem Turbinenrad angeordnet ist. Der thermische Damm definiert einen zweiten Durchmesser und der zweite Durchmesser des thermischen Damms ist zwischen 1,1- und 1,2-mal größer als der erste Durchmesser des Turbinenrads.
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Außerdem wird ein zusätzlicher Turbolader zum Liefern von Druckluft an einen Verbrennungsmotor offenbart. Der Turbolader beinhaltet eine Welle, die sich entlang einer Achse zwischen einem ersten Ende und einem zweiten Ende erstreckt, das von dem ersten Ende entlang der Achse beabstandet ist, ein Verdichterrad, das mit dem ersten Ende der Welle gekoppelt ist, und ein Turbinenrad, das mit dem zweiten Ende der Welle gekoppelt ist und einen ersten Durchmesser aufweist. Der Turbolader beinhaltet ebenso ein Lagergehäuse, das sich um die Welle erstreckt und zwischen dem Verdichterrad und dem Turbinenrad angeordnet ist. Das Lagergehäuse beinhaltet eine innere Lageroberfläche, die einen thermischen Damm definiert, der ein Volumen aufweist, das sich in Umfangsrichtung um die Welle erstreckt und in der Nähe des zweiten Endes der Welle zwischen dem Verdichterrad und dem Turbinenrad angeordnet ist. Der Turbolader beinhaltet ebenso ein Hitzeschild, das neben dem zweiten Ende der Welle angeordnet und so konfiguriert ist, dass es das Volumen des thermischen Damms verschließt. Ein axialer Abstand des thermischen Damms ist zwischen der inneren Lageroberfläche und dem Hitzeschild definiert, und der axiale Abstand des thermischen Damms liegt zwischen .3- und .4-mal des ersten Durchmessers des Turbinenrads.
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Wenn der zweite Durchmesser des thermischen Damms zwischen 1,1- und 1,2-mal größer als der erste Durchmesser des Turbinenrads ist und/oder wenn der axiale Abstand des thermischen Damms zwischen .3- und .4-mal des ersten Durchmessers des Turbinenrads liegt, wird die Wärmeübertragung auf andere Komponenten in dem Lagergehäuse reduziert und die Wärmeübertragung auf den Verdichter während des Betriebs und ebenso während der Heißabschaltung des Turboladers reduziert. Dies stellt eine Vielzahl von Vorteilen für den Turbolader bereit, einschließlich, jedoch ohne darauf beschränkt zu sein, Verbesserungen bei der Abdichtung, erhöhte Verdichterleistung und erhöhte Lagerstabilität und erhöhte Lagerlebensdauer. Darüber hinaus ermöglicht der Turbolader mit dem hierin beschriebenen thermischen Damm, dass Zieltemperaturen des Turboladers ohne Einbeziehung von Wasserkühlung erreicht werden.
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Figurenliste
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Andere Vorteile der vorliegenden Erfindung werden leicht anerkannt, da diese durch die folgende detaillierte Beschreibung besser verstanden werden, wenn sie in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen betrachtet werden, hierbei zeigen:
- 1 eine Querschnittsansicht eines Fahrzeugsystems einschließlich eines Turboladers, der einen thermischen Damm aufweist;
- 2 eine vergrößerte Querschnittsansicht des Turboladers von 1, die einen zweiten Durchmesser des thermischen Damms darstellt;
- 3 eine vergrößerte Querschnittsansicht des Turboladers von 1, die einen Achsabstand des thermischen Damms darstellt;
- 4 ist eine teilweise vergrößerte Querschnittsansicht des Turboladers von 1 einschließlich Thermografien des Turboladers im Betrieb;
- 5 ist eine grafische Darstellung der Betriebstemperaturen verschiedener Komponenten von verschiedenen Turboladern, einschließlich eines Turboladers nach dem Stand der Technik und des Turboladers von 1; und
- 6 ist eine grafische Darstellung der Heißabschaltungstemperaturen verschiedener Komponenten von verschiedenen Turboladern, einschließlich eines Turboladers nach dem Stand der Technik und des Turboladers von 1.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Unter Bezugnahme auf die Figuren, in denen gleiche Ziffern gleiche Teile in den verschiedenen Ansichten bezeichnen, ist ein Turbolader 20 im Allgemeinen in 1 gezeigt. Der Turbolader 20 ist mit einem Fahrzeugmotor 12 gekoppelt, wie einem Verbrennungsmotor 12, es wird jedoch in Betracht gezogen, dass der Fahrzeugmotor jede Art von Stromgenerator sein kann, einschließlich, jedoch ohne darauf beschränkt zu sein, eines Elektromotors, einer Batterie oder einer Brennstoffzelle. Der Turbolader 20 erhält Abgas von dem Verbrennungsmotor 12 und liefert Druckluft an den Verbrennungsmotor 12.
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Obwohl er nicht erforderlich ist, wird der Turbolader 20 in der Regel in Pkw- und Nutzfahrzeuganwendungen verwendet. Es ist jedoch zu erkennen, dass der Turbolader 20 in Nicht-Automobil-Anwendungen wie Anwendungen für schwere Geräte, Nicht-Automobil-Dieselmotoranwendungen, Nicht-Automobil-Motoranwendungen und dergleichen verwendet werden kann.
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Unter erneutem Bezug auf 1, beinhaltet der Turbolader 20 typischerweise eine Turboladerwelle 22, ein Verdichterrad 24, ein Verdichtergehäuse, ein Turbinenrad 26, ein Turbinengehäuse und ein Lagergehäuse 28. Das Verdichterrad 24 ist in dem Verdichtergehäuse angeordnet. Während des Betriebs des Turboladers 20 nimmt das Turbinenrad 26 Abgas von dem Verbrennungsmotor 12 auf, was bewirkt, dass sich das Turbinenrad 26 dreht. Die Turboladerwelle 22 ist mit dem Turbinenrad 26 gekoppelt und durch dieses drehbar. Das Verdichterrad 24 ist mit der Turboladerwelle 22 gekoppelt und durch die Turboladerwelle 22 drehbar, um dem Verbrennungsmotor 12 Druckluft zu liefern.
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Wie am besten in 1 dargestellt, erstreckt sich die Welle 22 entlang einer Achse A zwischen einem ersten Ende und einem zweiten Ende, das von dem ersten Ende entlang der Achse A beabstandet ist. Die Welle 22 ist typischerweise fest und so konfiguriert, dass sie mit dem Verdichterrad 24 an dem ersten Ende der Welle 22 und mit dem Turbinenrad 26 an dem zweiten Ende der Welle 22 gekoppelt wird. Das Turbinenrad 26 und das Turbinengehäuse können eine Axial- oder Radialturbine sein. Das Turbinenrad 26 besteht typischerweise aus einer Mehrzahl von Schaufeln 30, die zum Drehen konfiguriert sind. Außerdem weist das Turbinenrad 26 einen ersten Durchmesser 32 auf. Der erste Durchmesser 32 wird senkrecht zu der Achse A und von einer Spitze einer Schaufel 30 zu einer Spitze einer gegenüberliegenden Schaufel 30 gemessen. Mit anderen Worten, wenn sich die Schaufeln 30 drehen, bilden sie im Betrieb einen Kreis, der den ersten Durchmesser 32 des Kreises aufweist und damit des Turbinenrads 26, gemessen senkrecht zu der Achse A. Es wird ebenso in Betracht gezogen, dass der erste Durchmesser 32 entlang einer anderen Achse A oder auf andere Weise von einem Durchschnittsfachmann gemessen werden kann. In einem Beispiel liegt der erste Durchmesser 32 des Turbinenrades 26 zwischen 50 und 150 mm. In einem anderen Beispiel beträgt der erste Durchmesser 32 des Turbinenrads 26 ungefähr 50 mm-60 mm. In noch einem anderen Beispiel beträgt der erste Durchmesser 32 des Turbinenrads 26 ungefähr 90 mm-110 mm. Es sind jedoch ebenso andere Bereiche in Betracht zu ziehen.
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Unter erneute Bezugnahme auf 1 erstreckt sich das Lagergehäuse 28 um die Turbolader- 20 Welle 22 zwischen dem Turbinenrad 26 und dem Verdichterrad 24. Das Lagergehäuse 28 nimmt ebenso andere Komponenten des Turboladers 20 auf, einschließlich, jedoch ohne darauf beschränkt zu sein, wenigstens einen Kolbenring 34, der so konfiguriert ist, dass er sich innerhalb einer in dem Lagergehäuse 28 definierten Bohrung bewegt, einer Mehrzahl von Axiallagern 36, die so konfiguriert sind, dass sie eine hohe axiale Last parallel zu der Achse A tragen, und einer Mehrzahl von Dichtungen 38, die so konfiguriert sind, dass sie ein Austreten von Fluid aus dem Lagergehäuse 28 verhindern. Es wird ebenso in Betracht gezogen, dass das Lagergehäuse 28 eine Mehrzahl anderer Komponenten enthält, definiert und/oder aufnimmt, wie sie einem Durchschnittsfachmann bekannt sind.
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Das Lagergehäuse 28 beinhaltet eine innere Lageroberfläche 40, die einen thermischen Damm 42 definiert. Der thermische Damm 42 definiert ein Volumen, das sich in Umfangsrichtung um die Welle 22 erstreckt. Außerdem ist der thermische Damm 42 in der Nähe des zweiten Endes der Welle 22 zwischen dem Verdichterrad 24 und dem Turbinenrad 26 angeordnet. Wie am besten in 1 dargestellt, ist der thermische Damm 42 ein Hohlraum in dem Lagergehäuse 28 und beinhaltet einen oberen Damm 44, der sich oberhalb der Welle 22 erstreckt, und einen unteren Damm 46, der sich unterhalb der Welle 22 erstreckt. Es wird in Betracht gezogen, dass der obere Damm 44 und der untere Damm 46 die gleiche Größe und Form aufweisen. Wie jedoch in 1 dargestellt, können der obere Damm 44 und der untere Damm 46 unterschiedliche Größen und Formen aufweisen, um andere Merkmale des Lagergehäuses 28 aufzunehmen, einschließlich, jedoch ohne darauf beschränkt zu sein, eines Fluideinlasses 48 und/oder eines Fluidabflusses 50. Typischerweise besteht das Lagergehäuse 28 mit dem thermischen Damm 42 aus gestanztem Metall und wird im Allgemeinen durch Stanzen hergestellt. Es ist jedoch auch denkbar, dass das Lagergehäuse 28 durch ein anderes Verfahren hergestellt wird, einschließlich, jedoch ohne darauf beschränkt zu sein, Gießen, Walzen oder Schmieden.
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Wie am besten in 1 dargestellt, definiert das Lagergehäuse 28 den Fluideinlass 48, der neben dem oberen Damm 44 des thermischen Damms 42 zwischen dem Verdichterrad 24 und dem thermischen Damm 42 angeordnet ist, um Fluid in das Lagergehäuse 28 zu lassen. Darüber hinaus definiert das Lagergehäuse 28 den Fluidabfluss 50, der neben dem unteren Damm 46 des thermischen Damms 42 zwischen dem Verdichterrad 24 und dem thermischen Damm 42 angeordnet ist, um überschüssiges Fluid aus dem Lagergehäuse 28 herauszulassen. Das Fluid, das durch den Fluideinlass 48 und den Fluidabfluss 50 fließen kann, kann jedes beliebige Fluid sein, einschließlich, jedoch ohne darauf beschränkt zu sein, Schmieröl, Kühlwasser oder eines anderen Fluids, wie von einem Durchschnittsfachmann gewünscht.
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Unter Bezugnahme auf 1 und 2 kann der Turbolader 20 ebenso einen Hitzeschild 52 beinhalten, der neben dem zweiten Ende der Welle 22 angeordnet und so konfiguriert ist, dass er das Volumen des thermischen Damms 42 verschließt. Obwohl nicht erforderlich, ist der Hitzeschild 52, wenn vorhanden, zwischen dem thermischen Damm 42 und dem Turbinenrad 26 angeordnet und so konfiguriert, dass er einen Luftstrom von dem thermischen Damm 42 verhindert. Der thermische Damm 42 ist so konfiguriert, dass er Luft zwischen den Axiallagern 36 und dem Hitzeschild 52 einkapselt, um eine Überhitzung der Axiallager 36 und zusätzlicher Merkmale in dem Lagergehäuse 28, einschließlich, jedoch ohne darauf beschränkt zu sein, des Kolbenrings 34 und der Dichtungen 38, zu verhindern. Es wird unter Betracht gezogen, dass der Hitzeschild 52 das Volumen des thermischen Damms 42 nicht vollständig verschließt, sodass ein gewisser Luftstrom aus dem thermischen Damm 42 auftreten kann. Der Hitzeschild 52, wie er in 1 dargestellt ist, weist eine allgemeine L-Form und einen Befestigungsabschnitt auf, der sich von der L-Form aus erstreckt. Es wird jedoch ebenso in Betracht gezogen, dass der Hitzeschild 52 eine beliebige Form und/oder Größe aufweisen kann, die so konfiguriert ist, dass sie das Volumen des thermischen Damms 42 verschließt. In einem Beispiel besteht der Hitzeschild 52 aus Aluminium, es wird jedoch ebenso in Betracht gezogen, dass der Hitzeschild 52 aus Stahl, Polymer oder einem anderen Material besteht, falls gewünscht.
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In einem Beispiel, wie am besten in 2 dargestellt, weist der thermische Damm 42 einen zweiten Durchmesser 54 auf, der sich radial von der Welle 22 erstreckt. Wie vorstehend beschrieben, kann der thermische Damm 42 an dem oberen Damm 44 und an dem unteren Damm 46 nicht symmetrisch sein. So wird der sich radial erstreckende Durchmesser von dem höchsten Punkt zu dem niedrigsten Punkt senkrecht zu der Achse A gemessen. In einem Beispiel ist der zweite Durchmesser 54 des thermischen Damms 42 zwischen 1,1- und 1,2-mal größer als der erste Durchmesser 32 des Turbinenrads 26. In einem anderen Beispiel ist der zweite Durchmesser 54 des thermischen Damms 42 zwischen 1,13- und 1,16-mal größer als der erste Durchmesser 32 des Turbinenrades 26. In noch einem anderen Beispiel ist der zweite Durchmesser 54 des thermischen Damms 42 zwischen 1,14- und 1,15-mal größer als der erste Durchmesser 32 des Turbinenrades 26.
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In einem weiteren Beispiel, das am besten in 3 dargestellt ist, ist jedoch ein axialer Abstand 56 des thermischen Damms 42 zwischen der inneren Lageroberfläche 40 und dem Hitzeschild 52 definiert. Der axiale Abstand 56 wird parallel zu der Achse A gemessen. Außerdem wird der axiale Abstand 56, ähnlich wie der vorstehend beschriebene zweite Durchmesser 54, von dem am weitesten von dem Turbinenrad 26 entfernten Punkt des thermischen Damms 42 bis zu dem dem Turbinenrad 26 am nächsten liegenden Punkt des thermischen Damms 42 parallel zu der Achse A gemessen. In einem Beispiel beträgt der axiale Abstand 56 des thermischen Damms 42.3- bis .4-mal des ersten Durchmessers 32 des Turbinenrads 26. In einem anderen Beispiel beträgt der axiale Abstand 56 des thermischen Damms 42 zwischen .32- und .37- mal des ersten Durchmessers 32 des Turbinenrades 26. In noch einem anderen Beispiel beträgt der axiale Abstand 56 des thermischen Damms 42 zwischen .33- und .36-mal des ersten Durchmessers 32 des Turbinenrades 26. Es ist zu verstehen, dass die Parameter für den axialen Abstand 56 unabhängig von oder in Kombination mit den vorstehend beschriebenen Parametern in Bezug auf den zweiten Durchmesser 54 des thermischen Damms 42 sein können.
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Im Betrieb wird der Turbolader 20 aktiviert, der den Abgasstrom von dem Verbrennungsmotor 12 verwendet, um das Turbinenrad 26 schnell zu drehen. Das Turbinenrad 26 wiederum dreht die Welle 22, die das Verdichterrad 24 dreht, um die komprimierte Luft an den Verbrennungsmotor 12 zu liefern. Der Abgasstrom ist jedoch sehr heiß, was wiederum dazu führt, dass Komponenten des Lagergehäuses 28, wie der Kolbenring 34, die Dichtungen 38 und die Axiallager 36, ebenso heiß werden und ebenso Komponenten in der Nähe des Lagergehäuses 28 heiß werden, wie eine Verdichterwiege 51 oder eine Turbinenwiege 53 , was unerwünscht ist.
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Wenn der zweite Durchmesser 54 des thermischen Damms 42 zwischen 1,1- und 1,2-mal größer als der erste Durchmesser 32 des Turbinenrads 26 ist und/oder wenn der axiale Abstand 56 des thermischen Damms 42 zwischen .3 und .4 mal des ersten Durchmessers 32 des Turbinenrads 26 liegt, wird die Wärmeübertragung auf andere Komponenten in dem Lagergehäuse 28, wie dem Kolbenring 34, die Dichtungen 38 und die Axiallager 36, reduziert und die Wärmeübertragung auf das Verdichterrad 24 während des Betriebs und ebenso während der Heißabschaltung des Turboladers 20 reduziert. Dies stellt eine Vielzahl von Vorteilen für den Turbolader 20 bereit, einschließlich, jedoch ohne darauf beschränkt zu sein, Verbesserungen bei der Abdichtung, erhöhter Verdichterleistung und erhöhter Lagerstabilität der Axiallager 36. Darüber hinaus ermöglicht der vorstehend beschriebene thermische Damm 42, dass Zieltemperaturen des Turboladers 20 ohne Einbeziehung einer Wasserkühlung erreicht werden, d. h. der hierin beschriebene Turbolader 20 keine Wasserkühlung aufweist. Dies wird in der in 4 dargestellten Betriebsthermografie und in den grafischen Darstellungen von 5 und 6 deutlich. Genauer gesagt, stellen die dunkleren Bereiche von 4 eine höhere Betriebstemperatur dar, während die helleren Bereiche von 4 eine niedrigere Betriebstemperatur darstellen. Darüber hinaus weisen Komponenten, einschließlich, jedoch ohne darauf beschränkt zu sein, der Bohrung in dem Lagergehäuse 26, des Kolbenrings 34, der Turbinenwiege 53 und der Verdichterwiege 51 des vorstehend beschriebenen Turboladers 20 jeweils eine deutlich reduzierte Betriebstemperatur gegenüber einem herkömmlichen Turbolader auf. Eine reduzierte Betriebstemperatur stellt die vorstehend beschriebenen Verbesserungen bereit, einschließlich, jedoch ohne darauf beschränkt zu sein, Verbesserungen der Abdichtung, erhöhter Verdichterleistung und erhöhter Stabilität des Axiallagers 36. Darüber hinaus beinhaltet der hierin beschriebene Turbolader 20 eine erhöhte Leistung der Axiallager 36 und verhindert ebenso das Versagen der Dichtungen 38 während des Betriebs.
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Es ist ebenso zu verstehen, dass alle Bereiche und Teilbereiche, auf die man sich bei der Beschreibung verschiedener Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung stützt, unabhängig und kollektiv in den Umfang der beigefügten Ansprüche fallen und so verstanden werden, dass sie alle Bereiche einschließlich ganzer und/oder gebrochener Werte darin beschreiben und in Betracht ziehen, auch wenn solche Werte hierin nicht ausdrücklich geschrieben sind. Ein Fachmann erkennt leicht, dass die aufgezählten Bereiche und Teilbereiche verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung ausreichend beschreiben und ermöglichen, und solche Bereiche und Teilbereiche weiter in relevante Hälften, Drittel, Viertel, Fünftel und so weiter eingeteilt werden können. Als nur ein Beispiel kann ein Bereich „von 0,1 bis 0,9“ weiter in ein unteres Drittel, d. h. von 0,1 bis 0,3, ein mittleres Drittel, d. h. von 0,4 bis 0,6, und ein oberes Drittel, d. h. von 0,7 bis 0,9 abgegrenzt werden, die einzeln und kollektiv innerhalb des Umfangs der beigefügten Ansprüche fallen und auf die einzeln und/oder kollektiv zurückgegriffen werden kann und die eine angemessene Unterstützung für bestimmte Ausführungsformen innerhalb des Umfangs der beigefügten Ansprüche bereitstellen. Darüber hinaus ist in Bezug auf die Sprache, die einen Bereich definiert oder modifiziert, wie „wenigstens“, „größer als“, „kleiner als“, „nicht mehr als“ und dergleichen, zu verstehen, dass diese Sprache Teilbereiche und/oder eine Ober- oder Untergrenze beinhaltet. Als ein weiteres Beispiel beinhaltet ein Bereich von „wenigstens 10“ von Natur aus einen Teilbereich von wenigstens 10 bis 35, einen Teilbereich von wenigstens 10 bis 25, einen Teilbereich von 25 bis 35 usw., und jeder Teilbereich kann einzeln und/oder kollektiv in Anspruch genommen werden und stellt eine angemessene Unterstützung für bestimmte Ausführungsformen innerhalb des Umfangs der beigefügten Ansprüche bereit. Schließlich kann man sich auf eine einzelne Zahl innerhalb eines offengelegten Bereichs stützen, die eine angemessene Unterstützung für bestimmte Ausführungsformen innerhalb des Umfangs der beigefügten Ansprüche bereitstellt. Beispielsweise umfasst ein Bereich „von 1 bis 9“ verschiedene einzelne ganze Zahlen, wie 3, sowie einzelne Zahlen einschließlich eines Dezimalpunkts (oder Bruchs), wie 4,1, auf die man sich stützen kann und die eine angemessene Unterstützung für bestimmte Ausführungsformen innerhalb des Umfangs der beigefügten Ansprüche bereitstellen.
