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Die
Erfindung betrifft eine mehrstufige Drehkolbenvakuumpumpe bzw. -verdichter
gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Zunehmender
Kostendruck bei den Herstellern trockenlaufender Vakuumpumpen bzw.
Verdichter hat dazu geführt, dass bei den bereits etablierten Schrauben-
oder Schraubenspindelvakuumpumpen große Anstrengungen unternommen
werden, um die bisher noch hohen Herstellungskosten für
die schraubenspindelförmigen Verdrängerrotoren
zu senken. Dennoch bleiben die dreidimensionalen, zumeist nichtlinearen
Oberflächen für die Fertigung eine technische
Herausforderung. Außerdem sind die Kosten für
die Bearbeitung nach wie vor hoch, da die Geometrien komplex sind
und in den allermeisten Fällen im Zahnprofil ein Hinterschnitt
vorgesehen werden muss.
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Gegenüber
den Schrauben- oder Schraubenspindelvakuumpumpen erreichen die gleichfalls trocken
laufenden Klauenvakuumpumpen in einstufiger Ausführung
nur ein Endvakuum > 50
mbar abs. für kleinere Baugrößen. Bei
größeren Baugrößen oberhalb
eines Nennvolumenstroms von etwa 160 m3/h
steigt das erreichbare Endvakuum mit zunehmendem Nennvolumenstrom
drastisch bis über 150 mbar abs. an. Aus diesem Grund wurde
eine Vielzahl von Klauenvakuumpumpen in mehrstufiger Ausführung
geschaffen, die ein Endvakuum < 1
mbar abs. für kleinere Baugrößen erreichen
und seit Jahrzehnten am Weltmarkt etabliert sind. Derartige mehrstufige
Klauenvakuumpumpen sind jedoch aufwendig, sowohl in der Herstellung
als auch in der Montage und der Wartung. Sie benötigen
zudem immer viele Einzelteile und zeigen im Betrieb nicht selten
Störungen in Folge von festen oder flüssigen Ablagerungen zwischen
den einzelnen Pumpenstufen.
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Bei
einer bekannten Rotationskolbenmaschine (
DE 29 44 714 A1 ), die nach
dem Prinzip zweier gegenläufiger Spiralen arbeitet, ist
die Ausbildung derart getroffen, dass Läufer und Zylinder
aus einzelnen Scheiben bestehen. Die einzelnen Scheiben sind im
Stirnschnitt prinzipiell identisch, erreichen aber durch Variation
der Außendurchmesser sowie der Dicke der Scheiben die jeweils
gewünschte Verdichtung oder Entspannung des Arbeitsgases.
Die Mantelflächen und Kernflächen der einzelnen
Rotorscheiben haben jeweils Sektorenwinkel von 180°. Außerdem
weisen die Verbindungsflächen zwischen diesen Mantelflächen
und Kernflächen einen vom Drehwinkel beim Abwälzen
der Rotoren abhängigen veränderlichen Dichtspalt
auf. Damit handelt es sich um nicht dicht abschließende
Abrollgeometrien, was eine hohe Undichtigkeit zur Folge hat. Aufgrund
dieser unzureichenden Abdichtung ist daher eine derartige bekannte
Rotationskolbenmaschine für Vakuumpumpen nicht geeignet.
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Bei
einer weiteren bekannten Schrauben-Drehkolbenmaschine (
DE 29 34 065 A1 ) besteht lediglich
der Rotor aus einzelnen Scheiben in großer Vielzahl. Die
Stirnprofile der miteinander kämmenden Scheiben sind identisch.
Hierbei wird die angestrebte Entspannung oder Verdichtung des Arbeitsgases durch
einen konischen Verlauf von Rotor und Zylinder sowie durch eine
zur Druckseite hin abnehmende Dicke der Scheiben erreicht. Es handelt
sich hierbei ebenfalls um eine eingängige Ausführung
der Schraubenrotoren, d. h. die Mantelflächen und die Kernflächen
der einzelnen Rotorscheiben haben jeweils Sektorenwinkel von 180°.
Die Verbindungsflächen zwischen Mantel- und Kernflächen
sind omegaartig ausgebildet und schließen die einzelnen
Kammern beim Abwälzen der Rotoren mit einem konstanten
Dichtspalt ab. Eine derartige Schrauben-Drehkolbenmaschine ist jedoch
aufgrund der erforderlichen hohen Anzahl stufenförmiger
Begrenzungsflächen nur mit einem hohen konstruktiven Aufwand
zu fertigen. Aus diesem Grund ist sie gleichfalls für Vakuumpumpen
bzw. Verdichter nicht geeignet.
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Schließlich
ist bei einer bekannten Rotationskolbenmaschine der gattungsgemäßen
Art (
AT 261 792 ) die
Ausbildung derart getroffen, dass mindestens zwei in einem gemeinsamem
Gehäuse dicht eingeschlossene, miteinander zwangsläufige
drehbare Rotationskolben vorgesehen sind, deren Achsen parallel
zueinander verlaufen, wobei jeder Rotationskolben aus einer Mehrzahl
von paarweise ineinander greifenden Scheiben besteht.
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Die
Verdichtung und Entspannung des Arbeitsgases wird dadurch erreicht,
dass die Scheiben an ihrem Umfang konisch sind und/oder in ihrer
Breite gegen die Druckseite schmäler werden und außerdem
zueinander winkelversetzt sind. Die Mantelflächen und Kernflächen
der einzelnen Rotorscheiben haben jeweils Sektorenwinkel von 90°,
wobei die Verbindungsflächen dazwischen als verlängerte
Epizykloiden ausgebildet sind und die einzelnen Kammern beim Abwälzen
der Rotoren mit einem konstanten Dichtspalt abschließen.
Als nachteilig hat sich hierbei gezeigt, dass die Anzahl der Scheiben,
die zur Ausbildung von mehr als zwei Kammern je Rotor erforderlich
ist, zu hoch ist. Damit ist auch hier der fertigungstechnische Aufwand
zur Ausführung als Vakuumpumpe zu hoch.
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Hinzu
kommt außerdem, dass alle drei vorbeschriebenen Lösungsversuche
für ein erfolgreiches Industrieprodukt aus zwei maßgeblichen
Gründen ungeeignet sind. So ist zum einen die Vielzahl der
erforderlichen, teils sehr dünnen Teilscheiben nicht wirtschaftlich
herstellbar, d. h. für eine mechanische Fertigung sogar
ungeeignet. Zum anderen führt die Häufung der
unvermeidbaren Totvolumina und der langen Gaswege im Vergleich zu
alternativen Vakuumpumpen bzw. Verdichtern zu hohen Verlusten in der
Arbeitskammer.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die mehrstufige Drehkolben-Vakuumpumpe bzw.
-verdichter der gattungsgemäßen Art zur Beseitigung
der geschilderten Nachteile derart auszugestalten, dass die aufwendige
Herstellung von Schraubengeometrien oder auch mehrstufigen Klauenvakuumpumpen
umgangen ist und dennoch ein gleiches Endvakuum, d. h. bis weit
unter 1 mbar abs. erreicht werden kann.
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Die
Merkmale der zur Lösung dieser Aufgabe geschaffenen Erfindung
ergeben sich aus Anspruch 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen hiervon
sind in den weiteren Ansprüchen beschrieben.
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Der
Erfindung liegt der wesentliche Gedanke zugrunde, dass jeweils wenigstens
zwei Teilscheiben jedes Drehkolbens einstückig ausgebildet,
d. h. aus einem einzigen Werkstück gefertigt sind, derart,
dass bei Hintereinanderreihung der einzelnen Teilscheiben jedes
Rotors eine eingängige Schraubenstufung sowie durch zykloidenförmige
Ausbildung der Verbindungsflächen zwischen Mantelfläche
und Kernfläche jeder Teilscheibe eine in sich geschlossene,
dichte Arbeitskammer gebildet ist, die saugseitig eine zur Steuerung
der Gasfüllung ausgebildete Steueröffnung sowie
druckseitig eine zur Steuerung der Gaskompression ausgebildete Steueröffnung
aufweist.
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Hierdurch
ist auf verblüffend einfache Weise die aufwändige
Herstellung von Schraubengeometrien vermieden und gleichzeitig gewährleistet,
dass dennoch ein gleich hohes Endvakuum, d. h. bis weit unter 1
mbar abs. erreicht werden kann. Dies gelingt durch aufeinander abwälzende
Verdrängerrotoren, die ihrerseits aus einfachen Teilscheiben
bestehen, welche, gleichsam als Doppel- oder Dreifacheinheit, durch
bewährte zweidimensionale Bearbeitung herzustellen sind.
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Die
Erfindung kann angewendet werden bei sowohl fliegend als auch beidseitig
des Arbeitsraumes gelagerte trocken laufende Drehkolbenvakuumpumpen
bzw. -verdichtern, bei denen die Rotoren im Verhältnis
1:1 synchronisiert, beispielsweise mechanisch durch ein Getriebe
oder auch elektronisch mit einem Antriebsmotor je Rotorwelle, zwangsläufig
und berührungsfrei gegeneinander drehbar angeordnet sind.
Hierbei sind einzelne Teilscheiben der in Form von Drehkolben ausgebildeten
Rotoren erfindungsgemäß so zusammengefasst, dass
jeweils wenigstens zwei Teilscheiben jedes Drehkolbens aus einer einzigen
Scheibe, d. h. aus einem einzigen Werkstück, insbesondere
durch einfache Dreh- und Fräsbearbeitung, von jeder der
beiden Stirnseiten her gefertigt sind. Aufgrund dieser Herstellung
der einzelnen Teilscheiben der Drehkolben wird nicht nur die Bearbeitung
der druckseitig dünnen Teilscheiben erst ermöglicht,
sondern es wird auch die Abdichtung zwischen den Teilscheiben sowie
die Drehmomentenübertragung selbst vereinfacht. Schließlich
kann die Gesamtzahl der Teilscheiben der Drehkolben niedrig gehalten
werden, und zwar unter anderem dadurch, dass sowohl saugseitig als
auch druckseitig zu den Arbeitskammern eine speziell ausgebildete
Steueröffnung vorhanden ist. Hierbei wird die Kompression des
Arbeitsgases durch Variation der Scheibendicke, ggf. auch durch
Variation der Scheibenaußendurchmesser sowie durch Größe
und Form der Steueröffnungen festgelegt.
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In
Weiterbildung der Erfindung ist es auch möglich, die Ausgestaltung
derart zu treffen, dass jeder Rotor aus mindestens einem dreistufigen
Drehkolben besteht, dessen drei Teilscheiben einstückig ausgebildet,
d. h. aus einem einzigen Werkstück gefertigt sind.
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Wie
schon erwähnt, liegt es im Rahmen der Erfindung, Größe
und Form der saugseitigen und/oder druckseitigen Steueröffnung
an ausgewählte technische Parameter anzupassen, wie Gasfüllung,
Gaskompression, Differenz zwischen den Sektorenwinkeln der Mantel-
und Kernfläche der jeweils miteinander kämmenden
Teilscheiben usw.
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Es
ist von Vorteil, wenn die saugseitige Steueröffnung einen
radialen äußeren Dichtrand aufweist.
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Zweckmäßigerweise
kann weiterhin die Ausbildung derart getroffen werden, dass die
Dicke und/oder der Außendurchmesser der Teilscheiben eines
jeden Rotors von der Saugseite zur Druckseite hin abnimmt.
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Die
Auswuchtung der Rotoren zusätzlich zu einer abgestimmten
Massenverteilung bei der Gestaltung der Drehkolben kann erfindungsgemäß dadurch
erreicht werden, dass entsprechendes Material, insbesondere an der
saugseitigen Stirnfläche der Teilscheiben, entfernt wird.
Dies kann beisp. durch Ausbildung von Taschen in den vorrangig saugseitig dickeren
einzelnen Teilscheiben der Drehkolben erreicht werden.
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Stattdessen
oder zusätzlich ist es erfindungsgemäß auch
möglich, die Auswuchtung der Rotoren dadurch zu gewährleisten,
dass die Teilscheiben aus Werkstoffen mit unterschiedlicher spezifischer
Masse gefertigt werden.
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Es
liegt schließlich im Rahmen der Erfindung, dass die Dichtung
zwischen den miteinander kämmenden Teilscheiben innerhalb
der Arbeitskammer, insbesondere an der Saugseite, durch eine zusätzliche
statische Abdichtung, beispielsweise durch einen O-Ring, verbessert
wird.
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Die
Erfindung wird im Folgenden in Form mehrerer Ausführungsbeispiele
anhand der Zeichnung näher erläutert. Hierbei
zeigen:
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1 schematisch
im Schnitt eine fliegend gelagerte Doppelstufen-Drehkolben-Vakuumpumpe mit
insgesamt drei Doppelscheiben;
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2 einen
Schnitt durch das Gehäuse vor den Rotoren gemäß Linie
II-II mit Blick auf die Saugseite;
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3 einen
Schnitt durch die Rotoren gemäß Linie III-III
mit Blick auf die Druckseite der Rotoren von der Getriebeseite her;
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4 eine
der 2 entsprechende Darstellung der saugseitigen,
miteinander kämmenden Teilscheiben der Rotoren in Draufsicht,
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5 in
perspektivischer Darstellung und
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6 in
Seitenansicht, wobei die ineinander kämmenden Teilscheiben
beider Rotoren gleiche Sektorenwinkel bei Mantel- und Kernflächen,
nämlich jeweils 180° aufweisen;
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7 eine
abgewandelte Ausführungsform der Teilscheiben der Rotoren
mit einem Sektorenwinkel zwischen den Mantel- bzw. Kernflächen
von 325° bzw. 35° in Draufsicht,
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8 in
perspektivischer Darstellung und
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9 in
Seitenansicht;
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10 schließlich
eine weitere abgewandelte Ausführungsform der Teilscheiben
der Rotoren mit einem Sektorenwinkel zwischen den Mantelflächen bzw.
Kernflächen von 270° bzw. 90°, in Draufsicht,
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11 in
perspektivischer Darstellung und
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12 in
Seitenansicht.
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Wie
aus der Zeichnung, insbesondere aus 1, ersichtlich,
wird bei der dargestellten Doppelstufen-Drehvakuumpumpe das Fördermedium über einen
nicht näher dargestellten Saugstutzen sowie über
eine in einem Gehäuse 1 angeordnete saugseitige
Steueröffnung 2 seitlich von jeweils einer der
abwechselnd entstehenden Arbeitskammern 3.1, 3.2 angesaugt.
Das Fördermedium wird sodann durch verschiedene Doppelscheiben 6.1, 6.2, 6.3 bzw. 7.1, 7.2, 7.3 vorverdichtet
bis zur Öffnung der jeweiligen Förderkammer durch
eine druckseitige Steueröffnung 4 mit der gewünschten
Gesamtkompression dem Gasaustritt zugeführt.
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Wie
leicht erkennbar, bilden die jeweiligen drei Doppelscheiben jeweils
einen Rotor 6 bzw. 7 in Form eines mehrstufigen
Drehkolbens. Diese sind auf parallelen Wellen 5 bzw. 8 befestigt,
die im Verhältnis 1:1 synchronisiert gegenläufig
angetrieben werden, und zwar durch einen nicht näher dargestellten
Antriebsmotor an der aus dem Gehäuse 1 herausgeführten
unteren Welle 8 gemäß 1.
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Wie
aus 2 ersichtlich, ist hierbei die Saugseite der Rotoren 6, 7 zu
erkennen, wobei die saugseitige Steueröffnung 2 in
Größe und Form an die gewünschte Gasfüllung
angepasst ist.
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3 zeigt
demgegenüber die Druckseite der Rotoren 6, 7 von
der Getriebeseite her, wobei auch hier die druckseitige Steueröffnung 4 in
geeigneter Weise hinsichtlich Größe und Form ausgebildet,
d. h. an die gewünschte erzielbare Gaskompression angepasst
ist.
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Bei
den drei Ausführungsformen gemäß 4 bis 6 bzw. 7 bis 10 bzw. 10 bis 12 sind
drei mögliche Varianten dargestellt, mit denen eingängige
Doppelscheibenrotoren realisiert werden können. Hierbei
sind exemplarisch dargestellt drei verschiedene Sektorenwinkelkombinationen
für Kernflächen und Mantelflächen. Der
erste Grenzwert besteht darin, dass die jeweils ineinander kämmenden
Teilscheiben beider Rotoren 6, 7 gleiche Sektorenwinkel
bei Mantel- und Kernflächen, nämlich 180°,
aufweisen, wie in 4 bis 6 dargestellt. Der
zweite Grenzwert besteht in einer Sektorenwinkelkombination, bei
der von den jeweils ineinander kämmenden Teilscheiben beider
Rotoren 6, 7 die eine Teilscheibe den herstellungs-
und festigkeitstechnisch geringstmöglichen Sektorenwinkel,
nämlich 35°, der Mantelfläche aufweist
und die jeweils korrespondierende Teilscheibe am gegenüber
angeordneten Rotor die größtmögliche
Mantelfläche, nämlich über einen Winkel
von 325°, erreicht, wie aus 7 bis 9 ersichtlich.
Schließlich zeigen 10 bis 12 eine
Ausführungsform, bei welcher eine Sektorenwinkelkombination
gewählt wurde (270° bzw. 90°), die zwischen
den vorher erwähnten Grenzwerten liegt.
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Bei
der Ausführungsform gemäß 4 bis 6 betragen
die Sektorenwinkel der Mantel- und Kernflächen jeder einzelnen
Teilscheibe, wie schon erwähnt, jeweils 180°.
Hierbei weisen aufeinander abwälzende Teilscheiben identische
Stirnprofile auf. Um einen Strömungskanal zu bilden, d.
h. eine Arbeitskammer über mehrere hintereinander angeordnete
Teilscheiben zu realisieren, sind die in Richtung der Gasströmung
folgenden korrespondierenden Teilscheiben in einem geeigneten Winkel
versetzt angeordnet.
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Hierbei
sind aus 4 die dicht ineinander kämmenden,
d. h. abwälzenden zykloidenförmigen Übergangsflächen 10, 11 zwischen
den Mantelflächen und den Kernflächen der ersten
beiden Doppelscheiben 6.1 bzw. 7.1 zu erkennen.
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Die
erfindungsgemäße Ausgestaltung der einzelnen Teilscheiben
jedes Rotors 6 bzw. 7 ergibt sich besonders deutlich
aus 6. Hierbei sind die jeweils miteinander kämmenden
Teilscheiben 12, 13, anschließend in
Richtung der Druckseite folgend dann die nächst miteinander
kämmenden Teilscheiben 14 und 15, 16 und 17, 18 und 19, 20 und 21 sowie 22 und 23 zu
erkennen. Hierbei bilden jeweils zwei Teilscheiben ein Einzelteil,
d. h. sind aus einem einzigen Werkstück gefertigt. Es bilden
also die Teilscheiben 12 und 14, 16 und 18 sowie 20 und 22 den aus
drei doppelten Teilscheiben bestehenden Rotor 6. Demgegenüber
bilden die Teilscheiben 13 und 15, 17 und 19 sowie 21 und 23 den
gleichfalls aus drei doppelten Teilscheiben bestehenden Rotor 7.
Dies vereinfacht, wie schon dargelegt, die Herstellung der einzelnen
Rotoren 6, 7 ganz wesentlich.
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Bei
der abgewandelten Ausführungsform gemäß 7, 8 und 9 weisen
die Sektorenwinkel der miteinander kämmenden Teilscheiben
den jeweils größtmöglichen Unterschied
bei den Mantelflächen auf. Hierbei beträgt der
Sektorenwinkel der Mantelfläche der einen Teilscheibe 325°,
während der Sektorenwinkel der Mantelfläche der
hiermit kämmenden anderen Teilscheibe 35° beträgt.
Es weisen daher in diesem Fall jeweils miteinander kämmende
Teilscheiben keine identischen Stirnprofile auf. Um hierbei eine
Arbeitskammer über mehrere hintereinander angeordnete Teilscheiben
zu realisieren, sind die in Richtung der Gasströmung folgenden korrespondierenden
Teilscheiben in einem geeigneten Winkel zueinander versetzt.
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Bei
der Ausführungsform gemäß 10, 11 und 12 beträgt
schließlich der Sektorenwinkel der Mantelfläche
einer der miteinander korrespondierenden Teilscheiben 270°,
während der Sektorenwinkel der hiermit kämmenden
anderen jeweiligen Teilscheibe 90° beträgt.
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Hinsichtlich
vorstehend nicht im Einzelnen näher erläuterter
Merkmale der Erfindung wird abschließend ausdrücklich
auf die Patentansprüche sowie auf die Zeichnung verwiesen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 2944714
A1 [0004]
- - DE 2934065 A1 [0005]
- - AT 261792 [0006]