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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Filter für einen hydraulischen
Fluidkreislauf, insbesondere in einem Verbrennungsmotor, wobei der
Filter eine in einem Fluidstrom angeordnete Zentrifuge mit einer Zentrifugenachse
zur Fluidfilterung umfasst.
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Ein
solcher hydraulischer Fluidkreislauf findet sich üblicherweise
in Verbrennungsmotoren, z. B. von Kraftfahrzeugen, zur Versorgung
des Motors mit gereinigtem Schmieröl. Neben dem Filter
umfasst der Fluidkreislauf üblicherweise eine Ölpumpe,
einen Ölkühler, ein Umgehungsventil, Ölkanäle
zu und von den Schmierstellen im Bereich des Motors sowie eine Motorölwanne,
die den Ölvorrat aufnimmt. Das Schmieröl (Fluid)
wird aus der Ölwanne von der Ölpumpe angesaugt
und unter Druck durch den Filter und einen Ölkühler
in die Ölkanäle gefördert. Die Ölpumpe,
beispielsweise als Innen- oder Außenzahnradpumpe ausgeführt,
wird von dem Verbrennungsmotor angetrieben. Dabei ist es wichtig,
dass die Pumpe derart ausgelegt ist, dass auch bei geringen Motordrehzahlen
und Öltemperaturen eine Schmierung des Motors gewährleistet
ist. Daraus ergibt sich jedoch, dass die Pumpe, die bereits bei
geringen Motordrehzahlen eine ausreichende Schmierung gewährleisten
soll, bei höheren Motordrehzahlen für den notwendigen
Fluiddruck im hydraulischen Fluidkreislauf überdimensioniert
ist und der Fluiddruck unverhältnismäßig
ansteigt.
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Die
Aufgabe des Filters besteht darin, feste Fremdstoffe aus dem Schmieröl
zu entfernen und auf diese Weise die Funktionsfähigkeit
des Schmieröls zu gewährleisten. Daher wird dieser
im Regelfall vom gesamten Fluidstrom durchlaufen. Das Umgehungsventil
oder auch Bypassventil ist in einer Umgehungsleitung für
den Filter angeordnet und dient so der Sicherstellung einer Schmierung
des Motors auch in solchen Fällen, in denen der Filter
aufgrund der Verunreinigungen verstopft ist und den Fluidstrom blockiert.
Zudem wird es bei einem unverhältnismäßig
hohen Fluiddruck aktiviert, so dass ein Teil des Fluidstroms am
Hauptstromfilter vorbeigeleitet wird und ungefiltert verbleibt.
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Im
Bereich von Verbrennungsmotoren, die z. B. in Lastfahrzeugen eingesetzt
werden, ist der Einsatz einer Zentrifuge als Filter bekannt, wobei
diese im allgemeinen zusätzlich zu einem im Hauptstrom angeordneten
Filter im Nebenstrom angeordnet ist. Sie wird für eine
bessere Filtrierung und damit zur Reduzierung der Feinverschmutzung
im Öl eingesetzt, da sie selbst feinste Partikel, die der
Hauptstromfilter durchlässt, aufgrund ihres hohen Abscheidegrads
herausfiltert.
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Durch
die Zentrifuge als Nebenstromfilter fließen bis zu 30%
der insgesamt fließenden Ölmenge, welche anschließend
nicht über die Schmierstellen, sondern direkt in die Ölwanne
zurückgeführt werden. Auch bei dieser Ausgestaltung
der Vorrichtung ist es notwendig, dass bei einem vorbestimmten Fluiddruckwert
bzw. einer vorbestimmten Drehzahl ein in einer Umgehungsleitung
angeordnetes Umgehungsventil aktiviert wird, damit ein Teil des
Fluids an den Filtern vorbeigeführt werden kann. Dies hat
jedoch wiederum eine Verminderung der Reinigungswirkung der Fluidfilter
zur Folge.
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Aus
dem Dokument
DE 44
30 751 A1 ist ein hydraulischer Fluidkreislauf bekannt,
bei dem eine zusätzliche Vorrichtung zum Abriegeln und/oder
Einstellen des Mindestfluiddruckes in dem Fluidkreislauf zwischen
Pumpe
112 und Zentrifuge
124 angeordnet ist (vgl.
3).
Auf diese Weise wird letztere erst bei einem bestimmten Mindestdruck
aktiviert, so dass der im Hauptstrom herrschende Fluiddruck ab einer bestimmten
Motordrehzahl durch den freigegebenen zusätzlichen Nebenstrom
herabgesetzt wird. Die Zentrifuge
124 kann dazu genutzt
werden, das Fluid mit einem besseren Abscheidegrad zu filtern, und
zugleich kann durch Freigabe eines zusätzlichen Nebenstroms
der Fluiddruck im Hauptstrom gesenkt werden. Der am Hauptstrom vorbeigeführte
Nebenstrom verbleibt nicht, wie bei anderen Lösungen, ungefiltert,
sondern kann mittels der Zentrifuge
124 von Schmutzpartikeln
befreit werden.
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Diese
Lösung ermöglicht die Verwendung einer kleineren
Pumpe, die geringere Reibungsverluste und damit einen geringeren
Energieverbrauch hat als es bei anderen bekannten hydraulischen
Fluidkreisläufen mit Haupt- und Nebenstromfilter der Fall ist.
Jedoch benötigt die zusätzliche Vorrichtung 140 zum
Abriegeln und/oder Einstellen des Mindestfluiddrucks, die zwischen
Pumpe 112 und Zentrifuge 124 angeordnet ist, zusätzlichen
Bauraum. Dies stellt, wie dem Fachmann bekannt ist, insbesondere
in modernen von einem Verbrennungsmotor angetriebenen Anlagen mit
einem hohen technischen Reifegrad ein Problem dar, da der Bauraum
aufgrund der vielen verschiedenen notwendigen technischen Komponenten
im Bereich des Motors äußerst begrenzt ist.
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Daher
ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung
der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, dass eine
einfache, kostengünstige und platzsparende Vorrichtung
geschaffen wird, ohne dabei ihre Wirksamkeit und Zuverlässigkeit
zu verringern.
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Diese
Aufgabe wird durch einen Filter für einen hydraulischen
Fluidkreislauf der eingangs bezeichneten Art gelöst, bei
dem vorgesehen ist, dass die Vorrichtung zum Steuern des Mindestansprechdrucks
in der Zentrifuge integriert ist.
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Dadurch,
dass die Vorrichtung zum Steuern des Mindestansprechdrucks in der
Zentrifuge integriert ist, ist eine platzsparende Konstruktion des
Fluidfilters möglich. Die gesamte Ölfiltervorrichtung kann
so in ihrem Aufbau sehr kompakt gehalten werden. Dies vereinfacht
zum Einen die Integration in den Motorraumbereich moderner Anlagen.
Zum Anderen ermöglicht es jedoch auch, einen erfindungsgemäßen
Filter in den Fluidkreislauf bereits bestehender Verbrennungsmotoren
zu integrieren, da die zusätzliche Vorrichtung zum Steuern
des Mindestansprechdrucks keinen zusätzlichen Bauraum beansprucht.
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Eine
Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Vorrichtung zum
Steuern eines Mindestansprechdrucks ein Druckventil umfasst. Ein
solches Druckventil ist – intergiert in die Zentrifuge – in
dem Nebenstrom des hydraulischen Fluidkreislaufs angeordnet und
regelt abhängig von dem wirkenden Fluiddruck, ob der Nebenstrom
die Filterzentrifuge passiert oder von dem Druckventil blockiert
wird. Dabei ist, wie bei derartigen Ventilen üblich, ein
bewegbarer Ventilkörper sowie ein dem Fluiddruck entgegenwirkendes
Rückstellelement, beispielsweise eine elastische Druckfeder,
ein Federpaket bestehend aus mehreren Druckfedern mit unterschiedlichen
Kennlinien zum Erreichen einer progressiven Gesamtkennlinie, ein
Tellerfederpaket, ein pneumatisches Federglied oder eine Kombination
hieraus, angebracht. Der Ventilkörper wird infolge des
wirkenden Fluiddrucks in bekannter Weise gegen das Rückstellelement
gedrückt, welches bei einem Fluiddruck, der größer
ist als der durch das Rückstellventil festgelegte Mindestansprechdruck,
diesem in der Folge nachgibt und eine Verlagerung des Ventilkörpers
ermöglicht. Dadurch wird eine Öffnung freigegeben,
durch die das Fluid des Nebenstroms in den Innenraum der Zentrifuge
fließen kann. Bei nachlassendem Öldruck wird der
Ventilkörper von dem Rückstellelement in seine
blockierende Ausgangsstellung zurückstellt. Alternativ
ist auch die Verwendung eines pneumatischen Druckventils denkbar.
Die Verwendung eines Druckventils als Vorrichtung zum Steuern des
Mindestansprechdrucks spart weiterhin Bauraum und Kosten.
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Eine
vorteilhafte Ausführungsvariante der Erfindung sieht vor,
dass die Vorrichtung zum Steuern eines Mindestansprechdrucks integral
mit der Zentrifuge verbunden ist. Dadurch dass die Vorrichtung zum
Steuern eines Mindestansprechdrucks integral als Teil der Zentrifuge
ausgebildet ist, können gegebenenfalls weitere Kosten gespart
werden, da weniger zusätzliche Komponenten zugekauft oder zusätzlich
hergestellt und montiert werden müssen.
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Ferner
sieht eine Ausführungsvariante der Erfindung vor, dass
die Vorrichtung zum Steuern eines Mindestansprechdrucks im Bereich
der Zentrifugenachse innerhalb der Zentrifuge angeordnet ist. Bei
einer Weiterbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die
Zentrifugenachse eine Hohlwelle umfasst, innerhalb derer die Vorrichtung
zum Steuern eines Mindestansprechdrucks angeordnet ist. Das vom
Hauptstromkanal in einen Nebenstromkanal umgeleitete Fluid fließt
hierbei durch die Hohlwelle im Bereich der Zentrifugenachse bis
zu der in der Zentrifuge aufzunehmenden Vorrichtung zum Steuern
des Mindestansprechdrucks in den Innenraum der Zentrifuge. Bei einem
ausreichend hohen Fluiddruck wird die Vorrichtung zum Steuern des
Mindestansprechdrucks derartig aktiviert, dass der Nebenstromkanal
in die Zentrifuge hinein geöffnet wird und das Fluid darüber
in den Innenraum der Filterzentrifuge gelangt. Durch Austrittsdüsen,
beispielsweise am Boden der Zentrifuge, tritt das Fluid wieder aus der
Zentrifuge aus und setzt hierbei Rückstoßkräfte frei,
die die Zentrifuge in Drehung versetzen. Auf diese Weise wird in
Abhängigkeit von dem wirkenden Fluiddruck die Zentrifuge
betrieben, welche in bekannter Weise durch Drehung im Fluid befindliche Schmutzpartikel
nach außen schleudert, während das gefilterte
Fluid weiter über die Austrittsdüsen abfließen
kann.
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Eine
weitere Ausführungsvariante der Erfindung sieht vor, dass
die Vorrichtung zum Steuern eines Mindestansprechdrucks wenigstens
eine Eingangsbohrung und wenigstens eine Ausgangsbohrung umfasst.
Ferner kann die Vorrichtung zum Steuern eines Mindestansprechdrucks
wenigstens eine Entlüftungsbohrung zum Entlüften
der Vorrichtung aufweisen. Es kann bei einer Weiterbildung der Erfindung
vorgesehen sein, dass die Eingangsbohrung und die Entlüftungsbohrung
koaxial zueinander angeordnet sind. Dabei kann die Entlüftungsbohrung
einen kleineren Durchmesser aufweisen als die Eingangsbohrung. Sobald
die Vorrichtung zum Steuern des Mindestansprechdrucks, insbesondere
ein Druckventil, in Folge eines über dem zulässigen
Maximaldruck des Hauptstroms liegenden Öldrucks aktiviert
wird, kann das Fluid durch die Eingangsbohrung in die Zentrifuge
eindringen und über die Ausgangsbohrung in den Innenraum
der Zentrifuge gelangen. Bei einem Druckventil wird über
die Entlüftungsbohrung sichergestellt, dass sich der Ventilkörper
in Richtung des wirkenden Drucks entgegen dem Rückstellelement,
beispielsweise der elastischen Feder, verlagern kann. Alternativ
dazu kann auch auf eine Entlüftungsbohrung verzichtet werden,
wenn beispielsweise ein pneumatisch wirkendes Ventil eingesetzt
wird.
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Eine
zueinander koaxiale Anordnung der Eingangsbohrung und der Entlüftungsbohrung
ist insbesondere deswegen vorteilhaft, da diese bei der Herstellung
in einem einzigen Arbeitsschritt als eine durchgehende Bohrung gefertigt
werden können. Da die Entlüftungsbohrung nur dazu
dient, bei einer entsprechenden Anordnung einen unerwünschten,
sich aufbauenden Gegendruck zu verhindern, der entgegen der Verlagerungsbewegung
des Ventilkörpers wirkt, ist eine Bohrung mit einem kleineren
Durchmesser als der der Eingangsbohrung ausreichend.
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Bei
einer Ausführungsform der Erfindung kann vorgesehen sein,
dass die Eingangsbohrung oder/und die Ausgangsbohrung oder/und die
Entlüftungsbohrung koaxial zu der Zentrifugenachse angeordnet
ist/sind. Ferner kann die Vorrichtung zum Steuern eines Mindestansprechdrucks
im Wesentlichen zylinderförmig ausgebildet sein. Bei einer
Weiterbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die wenigstens
eine Ausgangsbohrung in der Mantelfläche der Vorrichtung
zum Steuern eines Mindestansprechdrucks angeordnet ist.
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Die
Erfindung betrifft ferner einen hydraulischen Fluidkreislauf mit
einem Filter entsprechend einer der vorhergehenden Ausführungsformen.
Dabei kann dieser weiterhin durch einen Hauptstromzweig und einen
Nebenstromzweig gekennzeichnet sein, wobei ein Filter entsprechend
einer der vorhergehenden Ausführungsformen als Nebenstromfilter ausgebildet
in dem Nebenstromzweig angeordnet ist.
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Die
Erfindung betrifft auch einen Verbrennungsmotor, der einen hydraulischen
Fluidkreislauf entsprechend einer der vorhergehenden Ausführungsformen
aufweist.
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Die
Erfindung wird im Folgenden beispielhaft anhand der beiliegenden
Figuren erläutert. Es stellen dar:
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1 eine
schematische Darstellung eines Nebenstromfilters des erfindungsgemäßen
Fluidkreislaufs in einem achsenthaltenden Schnitt,
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2a und 2b eine
schematische längsgeschnittene Ansicht einer Vorrichtung
zum Steuern eines Mindestansprechdrucks des erfindungsgemäßen
Fluidkreislaufs gemäß 1 in zwei unterschiedlichen
Stellungen, und
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3 eine
schematische Ansicht eines hydraulischen Fluidkreislaufs gemäß dem
Stand der Technik.
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Der
in 1 dargestellte Nebenstromfilter 24 umfasst
eine Zentrifuge 26, die sich drehbar gelagert ist und sich
um eine Zentrifugenachse 28 drehen lässt. Wie
bereits aus dem Stand der Technik bekannt, verfügt eine
derartige Zentrifuge 26 ferner über eine Hohlwelle 30 sowie
einen Zentrifugeninnenraum 34, der seitlich durch die Zent rifugenseitenwände 36 begrenzt
ist. Eine derartige Zentrifuge 26 kann beispielsweise zylinderförmig
ausgebildet sein, wobei die Seitenwände 36 durch
die Mantelfläche des Zylinders gebildet werden. An der
Mantelfläche der Hohlwelle 30 sind ferner Eintrittsöffnungen 32 vorgesehen,
durch die ein Fluid, beispielsweise Motoröl, in den Innenraum 34 der
Zentrifuge 26 eintreten und dort zentrifugiert werden kann.
Das Fluid wird über Austrittsdüsen 38,
die beispielsweise im Bodenbereich der Zentrifuge 26 angeordnet
sind, abgegeben und setzt bei seinem Austritt Rückstosskräfte frei,
die die Zentrifuge 26 in eine rotatorische Bewegung um
die Zentrifugenachse 28 versetzen. Die durch Rotation entstehenden
Zentrifugalkräfte, die ausgehend von der Zentrifugenachse 28 radial
in Richtung der Seitenwände 36 wirken, schleudern
in bekannter Weise die im Fluid befindlichen Festkörperpartikel
nach außen, wo sie sich an den Seitenwänden 36 in
Form einer ringförmig umlaufenden „Schmutzschicht"
ablagern können. Das festkörperpartikel-freie
Fluid kann hingegen abfließen. Auf diese Weise wird das
Fluid gefiltert.
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Im
Inneren der Hohlwelle 30 in der Zentrifuge 26 ist
eine Vorrichtung 40 zum Steuern des Mindestansprechdrucks
angeordnet. Auch diese verfügt über eine Eingangsbohrung 50 sowie
Ausgangsbohrungen 52, wobei letztere mit den Eintrittsöffnungen 32 der
Hohlwelle 30 fluchten. Das Fluid wird in die Hohlwelle 30 der
Zentrifuge 26 geführt und fließt entlang
der Eingangsbohrung 50, der Ausgangsbohrungen 52 und
der Eintrittsöffnungen 32 in den Innenraum 34 der
Zentrifuge 26. Die Vorrichtung 40 zum Steuern
des Mindestansprechdrucks ist bei der dargestellten Ausführungsform
als Druckventil 42 ausgebildet, das einen in der Eingangsbohrung 50 aufgenommenen
Ventilkörper 44 besitzt. Dieser Ventilkörper 44 ist
entlang der Eingangsbohrung 50 bewegbar angeordnet und
stützt sich an der der Öffnung der Eingangsbohrung 50 gegenüberliegenden Seite
an einem Rückstellelement 46 ab. Dieses ist als elastische
Druckfeder 48 ausgebildet und stützt sich wiederum
an seinem anderen Ende an einer Schulter 56 innerhalb der
Eingangsbohrung 50 ab.
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Wirkt
aus Richtung der Öffnung der Eingangsbohrung 50 eine
Kraft F auf den Ventilkörper 44, die größer
ist als die Federkraft der Druckfeder 48, so gibt die Druckfeder 48 nach
und der Ventilkörper 44 verschiebt sich in Richtung
der Schulter 56. Auf diese Weise können die durch
den Ventilkörper 44 blockierten Ausgangsbohrungen 52 bzw.
die Eintrittsöffnungen 32 als Zulauf des Fluids
in den Zentrifugeninnenraum 34 freigegeben werden.
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Das
Druckventil 42 verfügt ferner über eine Entlüftungsbohrung 54,
die angeordnet ist, um zu verhindern, dass sich innerhalb des Druckventils 42 ein
der Verlagerung des Ventilkörpers 44 entgegenwirkender
Gegendruck aufbauen kann. Bei der darge stellten Ausführungsform
ist die Entlüftungsbohrung 54 koaxial zu der Eingangsbohrung 50 angeordnet,
was die Herstellung des Druckventils 42 maßgeblich
erleichtert. Zudem wird die Schulter 56, an der sich die
Druckfeder 48 abstützt, dadurch gebildet, dass
der Durchmesser der Entlüftungsbohrung 54 geringer
ist, als der der Eingangsbohrung 50.
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2a und 2b zeigen
schematisch die Funktionsweise der Vorrichtung 40 zum Steuern
des Mindestansprechdrucks, beispielsweise im Bereich von 3 bis 10
bar, die in der gezeigten Ausführungsform als Druckventil 42 ausgeführt
ist. In 2a ist das Druckventil 42 in
seiner Ausgangsstellung gezeigt, während in 2b eine
Druckkraft F von dem Fluid auf den Ventilkörper 44 ausgeübt
wird, die größer als die Rückstellkraft
des Rückstellelements 46 – hier als elastische
Druckfeder 48 ausgebildet – ausübt. Eine
alternative Ausbildung der Vorrichtung 40 zum Steuern eines
Mindestansprechdrucks, beispielsweise als ein hydraulisches oder
pneumatisches Druckventil oder dergleichen, ist ebenfalls denkbar.
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3 zeigt
schematisch den Aufbau eines hydraulischen Fluidkreislaufes, wie
er bereits aus dem Stand der Technik bekannt ist. Dieser verfügt
im Regelfall über eine Pumpe 112, die das Fluid
in einem Hauptstrom zu einem Hauptstromfilter 114 fördert.
Das von dem Hauptstromfilter 114 gefilterte Fluid wird
weiter zu den entsprechenden Schmierstellen 118 gefördert
und gelangt von dort zurück zu einem Vorratsbehältnis 120,
wie einer Motorölwanne. Um zu gewährleisten, dass
auch im Falle eines verstopften Hauptstromfilters 114 eine
Schmierung an den Schmierstellen 118 erfolgen kann, ist
zusätzlich ein Umgehungsventil 116 angeordnet,
das bei ausreichend hohem Druck den Strom an dem Hauptstromfilter 114 vorbei
leitet. Ferner kann in einem derartigen Fluidkreislauf 110 auch
ein Kühler 122 zur Kühlung des Fluids
vorgesehen sein. Für eine optimierte Filterung kann zusätzlich
ein Nebenstromfilter 124 in Form einer Zentrifuge im hydraulischen
Fluidkreislauf 110 vorgesehen sein. Dieser wird, wie bereits
eingangs in der Beschreibung erläutert jedoch auch erst ab
einem bestimmten Mindestdruck über ein Umgehungsventil 140 dem
Hauptstrom zugeschaltet. Das Umgehungsventil 140 ist in
dem Fluidkreislauf vor der Zentrifuge angeordnet und benötigt
somit einen separaten Bauraum.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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