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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Kolben für einen Verbrennungsmotor,
der einen Kolbenboden, einen umlaufenden Feuersteg sowie eine umlaufende
Ringpartie mit Kolbenringnuten aufweist, wobei der Kolben mit einem
umlaufenden Kühlkanal versehen ist.
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Bei
derartigen, an sich bekannten Kühlkanalkolben wird regelmäßig
eine Optimierung der Kühlwirkung des im Kühlkanal
befindlichen Kühlöls angestrebt. Das Kühlöl
läuft im Kühlkanal um und wird aufgrund des von
der Kolbenbewegung herrührenden Shakereffekts bewegt. Insbesondere
bei hoch belasteten Kolben ist die durch die Bewegung des Kühlöls bewirkte
Wärmeabfuhr nicht ausreichend.
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Zu
diesem Zweck wird in der
DE 10 2004 038 946 A1 vorgeschlagen, in einem
einteiligen Kolben zur Verbesserung der Wärmeabfuhr von
den besonders wärmebelasteten Kolbenbereichen, flüssigkeitsgefüllte
Wärmerohre vorzusehen, die in zum Kolbenkopf hin gerichteten,
in der Wand des Kühlkanals vorgesehenen Bohrungen aufgenommen
sind. Eine derartige Konstruktion ist jedoch äußerst
aufwändig und mit Sicherheitsrisiken verbunden, da die
Gefahr besteht, dass die Wärmerohre im Laufe der Zeit undicht werden.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, einen gattungsgemäßen
Kolben mit verbesserter Kühlwirkung des in einem Kühlkanal umlaufenden
Kühlöls zu schaffen, der mit möglichst wenig
Aufwand herstellbar ist und sich zugleich durch eine verbesserte
Betriebssicherheit auszeichnet.
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Zur
Lösung dieser Aufgabe wird ein Kolben mit den Merkmalen
des Patentanspruchs 1 vorgeschlagen. Erfindungsgemäß ist
vorgesehen, dass im Kühlkanal ein oder mehrere Kühlelemente
aus einem Wärme leitenden massiven Werkstoff angeordnet sind, das
oder die mit einem zum Kolbenboden hin gerichteten Wandabschnitt
des Kühlkanals verbunden ist bzw. sind.
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Der
erfindungsgemäße Kolben zeichnet sich zunächst
durch eine verbesserte Kühlwirkung aus, die mehrere Ursachen
hat. Das mindestens eine Kühlelement stellt eine zusätzliche
Kühloberfläche im Kühlkanal dar, über
die die vom Kolbenboden zum mindestens einen Kühlelement
transportierte Wärme schneller an das das mindestens eine
Kühlelement umspülende Kühlöl
abgegeben wird. Ferner wird ein direkter Wärmefluss vom
Kolbenboden zum Kühlkanal und von dort zum Kühlöl
gewährleistet, was insbesondere die Wärmebelastung
des dem Brennraum zugewandten Kolbenbodens schnell und zuverlässig vermindert.
Bei Kolben, deren Kolbenboden mit einer Brennraummulde versehen
ist, wird damit insbesondere der hoch wärmebelastete Muldenrand
besonders wirksam entlastet.
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Zusätzlich
zur deutlich verbesserten Kühlwirkung bewirkt das mindestens
eine Kühlelement eine Verbesserung der Formstabilität
des erfindungsgemäßen Kolbens. Daher ist es möglich,
den erfindungsgemäßen Kolben trotz des vorgesehenen
mindestens einen Kühlelements so auszugestalten, dass eine
Gewichtserhöhung im Vergleich zu herkömmlichen
Kolben vermieden wird. Dies kann dadurch bewirkt werden, dass einerseits
für das mindestens eine Kühlelement ein geeigneter
Werkstoff mit möglichst geringer Dichte ausgewählt
wird und dass andererseits aufgrund der verbesserten Formstabilität
die Wanddicken insbesondere zwischen dem Kühlkanal und
angrenzenden Strukturelementen des erfindungsgemäßen
Kolbens verringert werden können. Bei geeigneter Bauweise
ist sogar eine Gewichtsreduktion im Vergleich mit konventionellen
Kolben möglich.
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Die
erfindungsgemäße Ausgestaltung ist für alle
Typen von Kühlkanalkolben geeignet und erlaubt eine Vielzahl
von Varianten hinsichtlich Materialauswahl und Kolbenkonstruktion.
Der erfindungsgemäße Kolben kann bspw. aus Stahl,
Gusseisen, Leichtmetall sowie einer Kombination dieser Werkstoffe
bestehen, er kann einteilig oder mehrteilig sowie mit oder ohne
Kühlölanspritzung ausgeführt sein.
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Vorteilhafte
Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Erfindungsgemäß kann
ein einziges, kreisringförmiges Kühlelement vorgesehen
sein, das zusätzlich mit Durchtrittsöffnungen
für das Kühlöl versehen sein kann, um
die Durchmischung des Kühlöls zu optimieren. Eine
weitere geeignete Ausgestaltung sieht zwei oder mehrere ringsegmentförmige
Kühlelemente vor, die ebenfalls mit Durchtrittsöffnungen
für das Kühlöl versehen sein können,
um die Durchmischung des Kühlöls zu optimieren.
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Eine
besonders bevorzugte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen
Kolbens besteht darin, dass zwei oder mehr stiftförmige
Kühlelemente vorgesehen sind. Diese Ausgestaltung geht
mit der größtmöglichen Erhöhung
der Kühloberfläche einher, so dass eine besonders
wirkungsvolle Wärmeabfuhr von den Kühlelementen
zum Kühlöl erfolgt.
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Wenn
sich das mindestens eine Kühlelement in axialer Richtung
im Wesentlichen über die gesamte Höhe des Kühlkanals
erstreckt, wird die Wärmeabfuhr nochmals verbessert, da
das Kühlöl in den unteren Bereichen des Kühlkanals
eine niedrigere Temperatur aufweist als in den oberen Bereichen
des Kühlkanals.
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In
vorteilhafter Weise sind ein oder mehrere Kühlelemente
vorgesehen, die in ein oder mehrere korrespondierenden Ausnehmungen
aufgenommen sind, die in einem zum Kolbenboden hin gerichteten Wandabschnitt
des Kühlkanals angeordnet sind. Die mindestens eine Ausnehmung
verringert die Materialdicke hin zum Kolbenboden. In besonders vorteilhafter
Weise wird dann, wenn der Kolbenboden mit einer Brennraummulde versehen
ist, die Materialdicke hin zum Muldenrand reduziert. Dies bewirkt
einen weiter verbesserten und beschleunigten Wärmetransport
zum mindestens einen Kühlelement. Das aus einem massiven
Werkstoff bestehende mindestens eine Kühlelement sorgt
zugleich für eine ausreichende Formstabilität
des erfindungsgemäßen Kolbens, indem es mögliche,
durch die Ausnehmung(en) bewirkte Stabilitätsverluste ausgleicht. Dies
hat zur Folge, dass der Durchmesser einer im Einzelfall vorgesehenen
Brennraummulde gegenüber dem Stand der Technik noch vergrößert
werden kann. Dies wiederum verbessert ein weiteres Mal die Wärmeableitung
in Richtung des mindestens einen Kühlelements und von dort
zum Kühlöl. Die Anzahl der insbesondere stiftförmigen
Kühlelemente kann aufgrund der verbesserten Form stabilität
besonders groß gewählt werden, so dass die wirksame
Kühloberfläche optimiert wird. Zusätzlich
wird verhindert, dass die vom Kolbenboden aufgenommene Wärme in
den Bereich der Ringpartie durchdringt.
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Der
erfindungsgemäße Kolben kann bspw. als einteiliger
Kolben mit einem nach unten offenen, von einer Abdeckung verschlossenen
Kühlkanal ausgebildet sein. In diesem Fall kann die Abdeckung
in vorteilhafter Weise als umlaufendes, im Querschnitt L-förmiges,
am Kolbeninneren abgestütztes Bauteil ausgebildet sein.
Ein derartiges Bauteils mit einem langen und einem kurzen Schenkel
kann besonders einfach am erfindungsgemäßen Kolben
fixiert werden, indem das freie Ende des langen Schenkels, der die
eigentliche Kühlkanalabdeckung bildet, in einer unterhalb
der Ringpartie vorgesehenen Nut aufgenommen ist, und der kurze Schenkel
sich kolbeninnenseitig abstützt, bspw. mit Hilfe einer
Ausformung, die bspw. nutförmig und/oder kontinuierlich
abflachend ausgebildet sein kann.
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In
vorteilhafter Weise kann das mindestens eine Kühlelement
durch die Abdeckung des Kühlkanals hindurchragen, wodurch
ein zusätzlicher Wärmetransport in Richtung der
Abdeckung des Kühlkanals erfolgt.
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Der
erfindungsgemäße Kolben kann aber auch als zweiteiliger
Kolben mit einem Kolbenoberteil, einem Kolbenunterteil sowie einem
aus Kolbenoberteil und Kolbenunterteil gebildeten geschlossenen Kühlkanal
ausgebildet sein. In diesem Fall kann das mindestens eine Kühlelement
mit einem zum Kolbenunterteil hin gerichteten Wandabschnitt des
Kühlkanals verbunden sein. Dadurch findet eine zusätzliche Wärmeabfuhr
in das Kolbenunterteil statt. Zusätzlich wird eine besonders
hohe Formstabilität erzielt, da das mindestens eine Kühlelement
das Kolbenoberteil und das Kolbenunterteil miteinander verbindet.
Dies ermöglicht eine weitere Verringerung der Wanddicken
zwischen dem Kühlkanal und angrenzenden Bereichen des erfindungsgemäßen
Kolbens, was zu einer zusätzlichen Materialersparnis bzw.
Gewichtsreduzierung beiträgt. Das oder die Kühlelemente
sind bspw. in ein oder mehrere korrespondierenden Ausnehmungen aufgenommen,
die in einem vom Kolbenunterteil gebildeten Wandabschnitt des Kühlkanals
angeordnet sind und als Sackboh rungen, der Einfachheit halber aber
auch als Durchgangsbohrungen ausgebildet sein können.
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Das
mindestens eine Kühlelement ist vorzugsweise als Vollmetall-Kühlelement
ausgebildet und besteht bspw. aus Kupfer, Aluminium oder deren Legierungen.
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Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung werden im Folgenden anhand der beigefügten
Zeichnungen erläutert. Es zeigen in einer schematischen,
nicht maßstabsgetreuen Darstellung:
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1 einen
Schnitt durch ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen
Kolbens;
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2 den
Kolben gemäß 1 in einer Draufsicht,
teilweise im Schnitt;
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3 ein
vergrößerter Ausschnitt eines zweiten Ausführungsbeispiels
eines erfindungsgemäßen Kolbens im Schnitt;
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4 ein
vergrößerter Ausschnitt eines dritten Ausführungsbeispiels
eines erfindungsgemäßen Kolbens im Schnitt;
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5 ein
vergrößerter Ausschnitt eines vierten Ausführungsbeispiels
eines erfindungsgemäßen Kolbens im Schnitt;
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6 ein
vergrößerter Ausschnitt eines fünften
Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Kolbens
im Schnitt;
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7 einen
Schnitt durch die Linie VII-VII in 6.
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Die 1 und 2 zeigen
ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen
Kolbens 10, wobei die Darstellung gemäß 1 in
der linken Hälfte gegenüber der Darstellung in
der rechten Hälfte um 90° gedreht ist.
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Der
erfindungsgemäße Kolben 10 setzt sich zusammen
aus einem Kolbenoberteil 11 und einem Kolbenunterteil 12.
Das Kolbenoberteil 11 weist einen Kolbenboden 13 mit
einer Brennraummulde 14 sowie eine Seitenwand mit einem
umlaufenden Feuersteg 15 und einer umlaufenden Ringpartie 16 zur Aufnahme
von Kolbenringen (nicht dargestellt) auf. Das Kolbenunterteil 12 weist
einen Kolbenschaft 17, Naben 18 mit Nabenbohrungen 18a zur
Aufnahme des Kolbenbolzens (nicht dargestellt) und Nabenabstützungen 19 auf,
die mit dem Kolbenschaft 17 verbunden sind. Das Kolbenoberteil 11 und
das Kolbenunterteil 12 bilden einen umlaufenden äußeren
Kühlkanal 21 und einen inneren Kühlraum 22,
die im Ausführungsbeispiel durch Überlaufkanäle 27 für
das Kühlöl miteinander verbunden sind.
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Das
Kolbenoberteil 11 weist eine sich an die Ringpartie 16 anschließende äußere
Auflagefläche 23 und an seiner Unterseite eine
ringförmig umlaufende innere Stützfläche 24 auf.
Das Kolbenunterteil 12 weist an seiner Oberseite ebenfalls
eine äußere Auflagefläche 25 sowie
eine ringförmig umlaufende innere Stützfläche 26 auf.
Im zusammengebauten Zustand sind das Kolbenoberteil 11 und
das Kolbenunterteil 12 so zueinander ausgerichtet, dass
die beiden Stützflächen 24, 26 sowie
die beiden Auflageflächen 23, 25 aufeinander
liegen.
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Die
Materialien des Kolbenoberteils 11 und des Kolbenunterteils 12 können
beliebig gewählt und miteinander kombiniert werden, bspw.
Warmstahl, AFP-Stahl oder Leichtmetalllegierungen, insbesondere
Aluminiumlegierungen.
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Im
Ausführungsbeispiel sind im Kühlkanal 21 des
Kolbens 10 eine Vielzahl stiftförmiger Kühlelemente 28 angeordnet.
Die Kühlelemente 28 bestehen aus einem massiven,
gut Wärme leitenden Werkstoff, vorzugsweise mit geringer
Dichte. Geeignet sind bspw. metallische Werkstoffe wie Aluminium, Kupfer
oder deren Legierungen. Die freien Enden der Kühlelemente 28 sind
in als Bohrungen ausgebildete Ausnehmungen 31, 32 aufgenommen.
Die als Sackbohrung ausgebildete Ausnehmung 31 ist in einem vom
Kolbenoberteil 11 gebildeten Wandabschnitt des Kühlkanals 21 angeordnet
und zum Kolbenboden 13 hin gerichtet. Die als Durchgangsbohrung
ausgebildete Ausnehmung 32 ist in einem vom Kolbenunterteil 12 gebildeten
Wandabschnitt des Kühlkanals 21 angeordnet. Die
Kühlelemente 28 sind im Ausführungsbei spiel
sowohl im Kolbenoberteil 11 als auch im Kolbenunterteil 12 mittels
Presssitz befestigt. Es sind aber auch andere geeignete Befestigungsmöglichkeiten
denkbar, bspw. Schrumpfsitz, Verschraubung, etc. Ferner ist jede
beliebige andere geeignete Anbindung der Kühlelemente 28 an
den betreffenden Wandabschnitt des Kühlkanals 21 denkbar,
bspw. in einstückiger Form.
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Die
Oberflächen der zahlreichen Kühlelemente 28 wirken
als zusätzliche große Kühloberfläche
im Kühlkanal 21. Über diese Kühloberfläche
wird die vom Kolbenboden 13 zu den Kühlelementen 28 transportierte
Wärme besonders schnell an das Kühlöl
abgegeben, welches die Kühlelemente 28 umspült.
Ferner wird ein direkter Wärmefluss vom Kolbenboden 13 zum
Kühlkanal 21 und von dort zum Kühlöl
gewährleistet, was insbesondere die Wärmebelastung
des Kolbenbodens 13 und des Muldenrands der Brennraummulde 14 besonders
wirksam reduziert.
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Die
Kühlelemente 28 bewirken ferner eine Verbesserung
der Formstabilität des erfindungsgemäßen
Kolbens 10. Daher ist die Wanddicke zwischen der Brennraummulde 14 und
der Ausnehmung 31 besonders gering ausgebildet. Damit geht
eine Material- und Gewichtsreduktion einher. Ferner wird die Wärme
vom der Brennraummulde 14 besonders schnell zu den Kühlelementen 28 abgeleitet.
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3 zeigt
ausschnittsweise ein weiteres Ausführungsbeispiel eines
mehrteiligen Kolbens 110, wobei für gleiche Bauteile
dieselben Bezugszeichen verwendet wurden. In 3 sind lediglich
ein Teil des Kolbenoberteils 11 und ein Teil des Kolbenunterteils 12 sowie
der Kühlkanal 21 und ein Kühlelement 128 dargestellt.
Der Kolben 110 ist genauso aufgebaut wie der in 1 dargestellte
Kolben 10. Der einzige Unterschied besteht darin, dass
die unteren freien Enden der Kühlelemente 128 auch
in als Sackbohrung ausgebildeten, im Kolbenunterteil 12 vorgesehenen
Ausnehmungen 132 aufgenommen sind. Die oberen freien Enden
der Kühlelemente 128 sind, genauso wie im Kolben 10,
in als Sackbohrungen ausgebildeten Ausnehmungen 131 aufgenommen,
die im Kolbenoberteil 11 vorgesehen sind. Die Kühlelemente 128 können
auch bei diesem Ausführungsbeispiel auf jede denkbare geeignete
Weise befestigt sein, bspw. mittels Presssitz oder Schrumpfsitz.
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4 zeigt
ausschnittsweise ein weiteres Ausführungsbeispiel der vorliegenden
Erfindung. In diesem Fall handelt es sich um einen einteiligen Kolben 210 mit
einem Kolbenkopf 220, der in 4 ausschnittsweise
dargestellt ist, sowie einem nicht dargestellten Kolbenschaft. Der
Kolbenkopf 220 weist einen Kolbenboden 13 mit
einer Brennraummulde 14, eine Seitenwand mit einem umlaufenden
Feuersteg 15 und einer umlaufenden Ringpartie 16 zur
Aufnahme von Kolbenringen (nicht dargestellt) auf. Der Kolbenkopf 220 weist
ferner einen ringförmig umlaufenden, nach unten offenen
Kühlkanal 221 auf, der radial nach außen
durch den Feuersteg 15 und die Ringpartie 16 begrenzt
ist. Der Kühlkanal 221 ist in an sich bekannter
Weise mit einer Abdeckung 233 verschlossen.
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Im
Ausführungsbeispiel sind im Kühlkanal 221 des
Kolbens 210 eine Vielzahl stiftförmiger Kühlelemente 228 angeordnet.
Die Kühlelemente 228 bestehen aus einem massiven,
gut Wärme leitenden Werkstoff, vorzugsweise mit geringer
Dichte. Geeignet sind bspw. metallische Werkstoffe wie Aluminium, Kupfer
oder deren Legierungen. Die oberen freien Enden der Kühlelemente 228 sind
in als Sackbohrungen ausgebildete Ausnehmungen 231 aufgenommen,
die in einem vom Kolbenkopf 220 gebildeten Wandabschnitt
des Kühlkanals 221 angeordnet sind. Die Kühlelemente 228 sind
im Ausführungsbeispiel mittels Presssitz befestigt. Es
sind aber auch andere geeignete Befestigungsmöglichkeiten
denkbar, bspw. Schrumpfsitz, Verschraubung, etc. Die Kühlelemente 228 erstrecken
sich im Ausführungsbeispiel über nahezu die gesamte
Höhe des Kühlkanals 221, so dass ihr
unteres freies Ende geringfügig oberhalb der Abdeckung 233 positioniert
ist. Die Kühlelemente 228 weisen die gleichen
Wirkungen und Vorzüge auf, wie sie für die Kühlelemente 28 gemäß 1 beschrieben
worden sind.
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5 zeigt
ausschnittsweise ein weiteres Ausführungsbeispiel eines
einteiligen Kolbens 310 mit einem Kolbenkopf 320,
der in 5 ausschnittsweise dargestellt ist, sowie einem
andeutungsweise dargestellten Kolbenschaft 317 und einer
andeutungsweise dargestellten Nabenabstützung 319.
Der Kolbenkopf 320 weist einen Kolbenboden 13 mit
einer Brennraummulde 14, eine Seitenwand mit einem umlaufenden
Feuersteg 15 und einer umlaufenden Ringpartie 16 zur
Aufnahme von Kolbenringen (nicht dargestellt) auf. Der Kolbenkopf 320 weist
ferner einen ringförmig umlaufenden, nach unten offenen Kühlkanal 321 auf,
der radial nach außen durch den Feuersteg 15 und
die Ringpartie 16 begrenzt ist.
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Der
Kühlkanal 321 ist im Ausführungsbeispiel
mit einer Abdeckung 333 verschlossen, die einen L-förmigen
Querschnitt mit einem langen Schenkel 334 und einem kurzen
Schenkel 335 aufweist. Das freie Ende des langen Schenkels 334,
der die eigentliche Abdeckung für den Kühlkanal 321 bildet,
ist in einer unterhalb der Ringpartie 15 vorgesehenen umlaufenden
Nut 336 aufgenommen. Der kurze Schenkel 335 stützt
sich kolbeninnenseitig an der Nabenabstützung 319 ab.
Zu diesem Zweck ist im Ausführungsbeispiel an der Nabenabstützung 319 eine
nutähnliche, sich kontinuierlich abflachende Ausformung 337 vorgesehen,
in die der kurze Schenkel 335 aufgenommen ist. Der lange
Schenkel 334 ist ferner mit einer Öffnung 338 versehen.
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Auch
in diesem Ausführungsbeispiel sind im Kühlkanal 321 des
Kolbens 310 eine Vielzahl stiftförmiger Kühlelemente 328 angeordnet,
die den Kühlelementen 228 gemäß 4 entsprechen.
Die oberen freien Enden der Kühlelemente 328 sind
ebenfalls in als Sackbohrungen ausgebildete Ausnehmungen 331 aufgenommen,
die in einem vom Kolbenkopf 320 gebildeten Wandabschnitt
des Kühlkanals 321 angeordnet sind, und wie oben
beschrieben in geeigneter Weise befestigt. Die Kühlelemente 328 erstrecken sich
in diesem Ausführungsbeispiel über die gesamte Höhe
des Kühlkanals 321, treten durch die Öffnung 338 der
Abdeckung 333 hindurch und erstrecken sich bis in den Kolbenschaft 317.
Die Kühlelemente 328 weisen die gleichen Wirkungen
und Vorzüge auf, wie sie für die Kühlelemente 28 gemäß 1 beschrieben
worden sind.
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Die 6 und 7 zeigen
ausschnittsweise ein weiteres Ausführungsbeispiel eines
einteiligen Kolbens 410, der dem in 5 gezeigten
Kolben 310 gleicht und im Kolbenkopf 420 ebenfalls
einen ringförmig umlaufenden, nach unten offenen Kühlkanal 421 aufweist,
der mit einer im Querschnitt L-förmigen Abdeckung 433 in
der in 5 dargestellten Weise verschlossen ist. Die Unterschiede
bestehen darin, dass der lange Schenkel 434 der Abdeckung 433 keine Öffnung
aufweist und dass statt der bisher beschriebenen stiftförmigen
Kühlelemente ringsegmentförmige Kühlelemente 428 vorgesehen
sind. Die oberen freien Enden der Kühlelemente 428 sind
in Aus nehmungen 431 aufgenommen, die in einem vom Kolbenkopf 420 gebildeten
Wandabschnitt des Kühlkanals 421 angeordnet sind,
und wie oben beschrieben in geeigneter Weise befestigt, bspw. mittels
Schrumpfsitz oder Presssitz. Die Kühlelemente 428 erstrecken
sich im Ausführungsbeispiel über nahezu die gesamte
Höhe des Kühlkanals 421, so dass ihr
unteres freies Ende geringfügig oberhalb der Abdeckung 433 positioniert
ist. Die Kühlelemente 428 weisen Durchtrittsöffnungen 439 für
Kühlöl auf, um eine optimale Durchmischung des
im Kühlkanal 410 aufgenommenen Kühlöls
zu gewährleisten. Die Kühlelemente 428 weisen
die gleichen Wirkungen und Vorzüge auf, wie sie für
die Kühlelemente 28 gemäß 1 beschrieben
worden sind.
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Es
ist ferner denkbar, ein einzelnes umlaufendes kreisringförmiges,
ggf. mit Durchtrittsöffnungen für Kühlöl
versehenes Kühlelement vorzusehen, das in vergleichbarer
Weise mit dem betreffenden Wandabschnitt des Kühlkanals
verbunden ist (nicht dargestellt).
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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A1 [0003]