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Stand der Technik
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Die
Erfindung geht aus von einem Strömungsenergiewandler für
strömende Gewässer, der die kinetische Energie
der Strömung des Gewässers in eine Drehbewegung
umsetzt, um damit beispielsweise einen Generator zur Stromerzeugung
anzutreiben.
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Bekannte
Freistromturbinenanlagen sind außerhalb der Schifffahrtsrinne
von Flüssen angeordnet und mittels Anker, Zugmitteln und
ggf. Bojen gesichert. Mit dem Ziel, mit geringstmöglichen
Abmessungen bei größtmöglichem Strömungsquerschnitt eine
hohe Energieausbeute aus der Strömung des Gewässers
zu erreichen, wurde eine Freistromturbinenanlage entwickelt, bei
der axial beaufschlagte Turbinenlaufräder nebeneinander
an einem Turbinenrohr-Zylinder befestigt sind und über
ein Getriebe jeweils einen Generator antreiben. Zum Schutz vor Eis
und Treibgut ist der Turbinenrohr-Zylinder in einem als ringförmiger
Schwimmkörper ausgebildeten Gehäuse untergebracht,
dessen Innenmantel zur Erhöhung der Durchflussgeschwindigkeit
im Bereich der Turbinenlaufräder strömungstechnisch
gestaltet ist. Das Gehäuse ist ferner doppelwandig ausgeführt, wobei
der dadurch gebildete Zwischenraum in Kammern unterteilt ist, die
zur Regulierung des Auftriebs der Anlage mit Wasser oder Luft gefüllt
werden können (
WO
2005/078276 A1 ). Der wesentliche Nachteil derartiger Freistromturbinenanlagen
besteht darin, dass sie zur Erzielung eines wirtschaftlich vertretbaren
Wirkungsgrades verhältnismäßig große
Turbinenlaufräder, d. h. lange Rotorblätter, benötigen,
um der Strömung ausreichend Angriffsfläche zu
bieten. Das wiederum schränkt ihre Anwendung auf Flüsse mit
einer Mindesttiefe von 2 m ein. Mit der großen Bauweise
ist natürlich auch ein entsprechend hoher Herstellungsaufwand
verbunden, der sich durch den erforderlichen Strömungskanal,
in dem sich die Turbinenlaufräder befinden, sowie dadurch,
dass jedes Turbinenlaufrad jeweils einen Generator über
ein Getriebe antreibt, noch vergrößert.
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Nachteilig
wirkt sich ferner die von den Turbinenlaufrädern hervorgerufene
Wasserverwirbelung aus, die sich bis zur nächsten Anlage
abgebaut haben muss. Damit ist die Anzahl der pro Flusskilometer
zu installierenden Anlagen begrenzt.
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Aus
rein umweltästhetischen Gründen ist schließlich
die optische Wahrnehmung derartiger Anlagen (auch
DE 26 35 529 und
DE 29 33 907 ) als nachteilig zu nennen,
da die Anlage aus dem Wasser herausragt.
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Die Erfindung und ihre Vorteile
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Der
erfindungsgemäße Strömungsenergiewandler
mit den Merkmalen des Anspruchs 1 baut bei deutlich größerer
strömungswirksamer Fläche wesentlich kleiner als
Freistromturbinenanlagen. Der angeströmte erfindungsgemäße Rotationskörper
besteht aus einem segmentierten scheibenförmigen Körper,
der unterhalb der Wasseroberfläche quer zur Strömung
gelagert ist. Unter einem scheibenförmigen Körper
ist hier ein solcher Körper zu verstehen, der der Strömung
zunächst keinen größeren Widerstand als
den aufgrund seiner Dicke funktionstechnisch bedingten Widerstand, ähnlich
dem einer längs zur Strömung drehbar angeordneten
Scheibe, entgegensetzt. Als strömungswirksame Fläche
wirken die Segmente dieser Scheibe, die innerhalb der Rotationsebene
der Scheibe schwenkbar angeordnet sind und wie Flügel aus
der Ebene des scheibenförmigen Körpers heraus
in die Strömung hinein und, bevor ihre der Strömungsrichtung
abgewandte Fläche durch die Drehung des Rotationskörpers
in die Strömung gelangt und dadurch seine Drehung behindert, wieder
in die Rotationsebene zurückschwenkbar sind. Dieses Ein-
und Ausklappen erfolgt mit Hilfe von speziell dafür an
dem Rotationskörper und/oder den Flügeln vorgesehenen
Mitteln durch die Strömung automatisch. Der Schwenkwinkel
wird durch einen Anschlag begrenzt und beträgt in der Regel
90°, um einen größtmöglichen
Teil der Strömungsenergie in eine Drehbewegung umzusetzen
und Querkräfte auf den Rotationskörper so gering
wie möglich zu halten. Bei vollständig in die
Strömung geschwenktem Flügel befindet sich die
Flügelebene demzufolge genau senkrecht zur Strömung
des Gewässers. Die Anzahl der Flügel bestimmt
die Größe der strömungswirksamen Fläche
sowie die Kontinuität der Drehbewegung des Rades. Die Fläche
der Flügel ist so zu gestalten, dass einerseits der Strömung
eine größtmögliche wirksame Fläche
entgegensteht, anderseits dürfen sich die Flügel
beim Schwenken nicht behindern und auch nicht in vollständig
ausgeschwenkter Position über die Drehachse der Welle hinausragen,
was den Rotationskörper abbremsen würde.
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Aufgrund
der größeren wirksamen Fläche je Rotationskörper
wird gegenüber Freistromturbinen eine bis zu sechsfach
höhere Energieausbeute erreicht. Dadurch arbeitet der erfindungsgemäße
Strömungsenergiewandler auch bei Strömungsgeschwindigkeiten
von nur 1 m/s noch wirtschaftlich. Das auf die Winkelstellung des
Rotationskörpers abgestimmte automatische Ausklappen der
Segmente erlaubt auch eine wesentliche Verringerung der Baugröße
des Rotationsköpers. Bei einem Durchmesser von lediglich
90 cm steht eine wirksame Fläche von 36 m2 zur
Verfügung, während bei der im Stand der Technik
beschriebenen Ausführungsform einer Freistromturbinenanlage
zwei Rotore mit einem Durchmesser von 250 cm lediglich 9,8 m2 wirksame Fläche bieten. Die kleinere
Bauweise des Rotationskörpers hat außer der Reduzierung
der Baugröße des Strömungsenergiewandlers
noch den Vorteil, dass der erfindungsgemäße Strömungsenergiewandler
auch in flacheren Gewässern eingesetzt werden kann, was
seine Anwendungsbreite wesentlich vergrößert.
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Durch
das Flügelrad wird das Wasser in einem wesentlich geringerem
Maße verwirbelt als das bei den in Freistromturbinenanlagen
verwendeten Propellerrotoren der Fall ist. Dadurch können
pro nutzbarem Flusskilometer ca. 15 Anlagen installiert werden,
deutlich mehr als das bei Freistromturbinenanlagen möglich
ist. Da der Strömungsenergiewandler keine Strömungskörper
benötigt, entspricht die Länge des beeinträchtigten
Gewässerbereichs lediglich dem Durchmesser der Rotationskörper,
und die Drehgeschwindigkeit der Flügelräder entspricht
der Strömungsgeschwindigkeit des Gewässers, so
dass im Gewässer lebende Tiere nicht geschädigt
werden.
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Schließlich
besteht ein wesentlicher Vorteil auch darin, dass mehrere Rotationskörper
auf einer Welle nebeneinander angeordnet sein können, die ein
Summendrehmoment aller Rotationskörper liefert. Damit braucht
auch nur an einer Stelle, nämlich an der Welle, auf der
sich sämtliche Rotationskörper befinden, die gewonnene
Energie abgegriffen zu werden. Zur Gewinnung von Elektroenergie
ist also pro Anlage lediglich ein Getriebe und/oder Generator erforderlich.
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Da
die Anlage vollständig unter Wasser angeordnet werden kann,
wird auch die Gewässerlandschaft optisch nicht unzulässig
beeinträchtig. Es werden lediglich Bojen zur Kennzeichnung
der Lage der Anlage zum Zweck der Gewährleistung der Sicherheit
für den Schiffsverkehr, den Tourismus oder andere Nutzungen
des Gewässers erforderlich sein.
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Nach
einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung besteht der scheibenförmige
Körper aus einer Nabe, an deren Umfang die Segmente schwenkbar
angeordnet sind. Aus der Nabe ragen also mehrere Achsen radial nach
außen, an denen die Segmente schwenkbar befestigt sind.
Es ist aber auch möglich, die Segmente fest mit ihrer Achse
zu verbinden und letztere in der Nabe schwenkbar zu lagern.
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Nach
einer anderweitigen vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung besteht
der scheibenförmige Körper aus einem Speichenrad,
dessen Speichen die Schwenkachse für die Segmente bilden.
Damit sind die Segmente in ihrer Schwenkachse nicht nur innen an
der Nabe, sondern auch außen am Umfang des scheibenförmigen
Körpers gelagert, wodurch eine günstigere Übertragung
der Strömungsenergie von den Segmenten auf die Nabe erzielt
wird.
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Nach
einer anderweitigen vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung bestehen
die Segmente aus Kreissegmenten, wobei jedes Kreissegment in etwa den
Bruchteil der Kreisfläche abdeckt, der durch die Anzahl
der Segmente des Rotationskörpers bestimmt ist. Die wirksame
Angriffsfläche eines Segments ist in diesem Fall durch
die von zwei aufeinanderfolgenden Schwenkachsen und dem diese verbindenden
Kreisbogen eingeschlossene Fläche bestimmt.
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Nach
einer diesbezüglich vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung
weist der Rotationskörper mindestens vier Segmente auf,
wobei bereits bei sechs Segmenten eine ausreichend gute Kontinuität in
der Rotation erzielt wird.
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Nach
einer zusätzlichen Ausgestaltung der Erfindung weisen die
Segmente zumindest an einer ihrer freien Kanten eine Anströmkante
auf, die etwas aus der Rotationsebene herausragt. An dieser greift die
Strömung zuerst an und bewegt das Segment ein kurzes Stück
aus der Rotationsebene in die Strömung, die dann die gesamte
Fläche des Segments erfasst und dieses bis zu dessen Anschlag
schwenkt, wo es der Strömung den größten
Widerstand entgegensetzt.
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Nach
einer diesbezüglich vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung
ist die Anströmkante jeweils an der radial verlaufenden
freien Kante des Segments angeordnet.
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Nach
einer diesbezüglich vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung
ist die Anströmkante als Teil des Segments an diese angeformt.
Durch den dadurch möglichen kontinuierlichen Übergang
von Anströmkante zur eigentlichen Anströmfläche
werden besonders günstige Strömungsverhältnisse
erreicht.
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Außerdem
lassen sich so gestaltete Segmente leicht durch umformtechnische
Verfahren herstellen.
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Nach
einer anderweitigen vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind
aufeinanderfolgende Segmente abwechselnd nach links und rechts aus der
Rotationsebene des Rotationskörpers heraus schwenkbar.
Dadurch können die Flächen der Segmente auch größer
als ein Kreisausschnitt dimensioniert werden, so dass sie sich teilweise
lamellenartig überlappen, ohne sich jedoch beim Ein- und
Ausschwenken zu behindern. Außerdem wird der Rotationskörper
dadurch gleichmäßig belastet.
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Nach
einer zusätzlichen Ausgestaltung der Erfindung schwenken
die Segmente zeitlich nacheinander aus und ein, d. h. es befindet
sich immer nur ein Segment in Anschlagposition. Alternativ dazu können
pro Schwenkachse zwei Segmente angeordnet sein, von denen gleichzeitig
eines nach links und das andere nach rechts schwenkt. Dadurch wird
die pro Zeiteinheit zur Verfügung stehende wirksame Fläche
verdoppelt.
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Nach
einer anderweitigen vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind
mehrere Rotationskörper nebeneinander auf einer Welle angeordnet.
Dadurch wird die Strömungsenergie des Gewässers
auf einer größeren Breite ausgenutzt, ohne jedoch
zusätzliche Energieabnahmesysteme, beispielsweise Getriebe
und/oder Generatoren, installieren zu müssen. Von sämtlichen
auf der Welle angeordneten Rotationskörpern wird an der
Welle ein Summendrehmoment abgegriffen.
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Nach
einer zusätzlichen vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung
ist die Lagerung des oder der Rotationskörper innerhalb
des Gewässerbettes, beispielsweise auf dem Grund, verankert.
Damit befindet sich die gesamte Anlage unter Wasser und beeinträchtigt
nicht die Flusslandschaft.
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Andererseits
ist es aber auch möglich, zumindest eine Lagerung der Welle
für die Rotationskörper am Ufer zu befestigen,
so dass lediglich die Welle mit den Rotationskörpern in
das Gewässer hineinragt. Die gegenüberliegende
Lagerung der Welle kann z. B. von einem durch Seile gesicherten Schwimmkörper übernommen
werden.
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Weitere
Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der
nachfolgenden Beschreibung, der Zeichnung und den Ansprüchen
entnehmbar.
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Zeichnung
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Ein
Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen
dargestellt und im Folgenden näher beschrieben. In den
Zeichnungen zeigen
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1 eine
Prinzipskizze einer Anlage mit erfindungsgemäßen
Strömungsenergiewandlern,
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2 einen
Strömungsenergiewandler in räumlicher Darstellung
und
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3 eine
Vorderansicht des Strömungsenergiewandlers.
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Beschreibung des Ausführungsbeispiels
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In 1 ist
das Prinzip einer in einem strömenden Gewässer
angeordneten Anlage zur Umwandlung der kinetischen Energie der Strömung
des Gewässers in Elektroenergie dargestellt, bei der die erfindungsgemäßen
Strömungsenergiewandler verwendet wurden.
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Auf
einem schwimmfähigen Grundkörper 1 ist
ein Generator 2 befestigt, aus dem eine Antriebswelle 3 herausragt,
die mittels zweier Lagerböcke 4 auf dem Grundkörper 1 gelagert
ist. Auf der Antriebswelle 3 sind zwischen den Lagerböcken 4 fünf
erfindungsgemäße Rotationskörper 5 mit
gleichem Abstand zueinander befestigt. Jeder Rotationskörpern 5 ist
in sechs gleichgroße Segmente 6 unterteilt, die sich
in dieser Darstellung alle in der Ebene des Rotationskörpers 5 befinden.
Der Grundkörper 1 besteht aus einem lenzfähigen
Hohlkörper und weist an seinen beiden kurzen Seitenflächen
Halteklammern 7 zur Befestigung an Dalben auf. Er kann
durch Wasserfüllung oder auch mittels Seilen so tief im
Gewässer fixiert werden, dass sich die Rotationskörper 5 unterhalb
der Wasseroberfläche in der strömungstechnisch
wirksamsten Höhe befinden. Um deutlich zu machen, dass
die Rotationskörper 5 quer, im vorliegenden Beispiel
auch noch waagerecht zur Strömungsrichtung des Gewässers
gelagert sind, ist die Strömungsrichtung durch einen Pfeil
angegeben.
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Ein
einzelner Rotationskörper 5 ist in 2 mit
einem Stück der Antriebswelle 3 räumlich
und in 3 in der Vorderansicht dargestellt, wobei seine Segmente 6 in 2 lediglich
zur Darstellung und Erläuterung ihrer Schwenkbewegung in
unterschiedlichen Winkelstellungen gezeigt sind. Der Rotationskörper 5 besteht
aus einer Nabe 8 und einem reifenförmigen äußeren
Rahmen 9, der über sechs Speichen 10 mit
der Nabe 8 verbunden ist. Die Nabe 8 ist drehfest
mit der Antriebswelle 3 verbunden. An seiner der Strömung
zugewandten Außenfläche ist der Rahmen 9 so
gestaltet, dass er der Strömung einen geringstmöglichen
Widerstand entgegensetzt. Das wird dadurch erreicht, dass er den
Querschnitt eines Strömungskörpers aufweist (alternativ:
in seinem Querschnitt als Strömungskörper ausgebildet
ist). Seine Breite ist so gewählt, dass er die Segmente 6, die
Speichen 10 sowie die Mittel zum Schwenken der Segmente 6 verdeckt,
so dass diese im Strömungsschatten liegen und der Strömung
keinen nennenswerten Widerstand bieten.
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An
jeder Speiche 10 ist jeweils mittels zweier Scharniere 11 eines
der Segment 6 schwenkbar befestigt, und zwar in nur einer
Richtung aus der Rotationsebene heraus und wieder zurück
schwenkbar. Im vorliegenden Beispiel füllt jedes Segment 6 in etwa
den von zwei benachbarten Speichen 10 und dem diese verbindenden
Kreisbogenstück des Rahmens 9 eingeschlossenen
Kreisausschnitt aus, so dass jedes Segment 6 eine gleichgroße
Fläche aufweist. Für jedes Segment 6 ist
auf der Nabe 8 ein in den Zeichnungen nicht sichtbarer
Anschlag vorgesehen, der die Schwenkbewegung des Segments 6 aus der
Rotationsebene heraus auf einen Winkel von 90° begrenzt.
An die freie, parallel zum Radius verlaufende Kante des Segments 6 ist
eine Anströmkante 12 angeformt, die aus der Rotationsebene
herausragt.
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Erkennbar
ist, dass aufeinander folgende Segmente 6 abwechselnd nach
links und rechts aus der Rotationsebene heraus schwenkbar sind.
Dadurch wird ein aufklappendes Segment 6 nicht von dem
nachfolgenden verdeckt, so dass die Strömung ungehindert
auf das Segment 6 auftrifft bis dieses die 12-Uhr-Position
durchlaufen hat. Ein zusätzlicher Vorteil des wechselseitigen
Ausschwenkens der Segmente 6 besteht ferner in der gleichmäßigeren Belastung
des Rotationskörpers 5 und damit auch der Antriebswelle 3.
Der gleiche Effekt wird dadurch erreicht, dass ein Rotationskörper 5 aus
zwei äußeren Rahmen 9 besteht, von denen
der eine Rahmen nur nach rechts und der andere nur nach links schwenkende
Segmente 6 aufweist.
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Nachfolgend
wird die Wirkungsweise der Erfindung beschrieben:
Im Ausgangszustand
befinden sich alle Segmente 6 in Ruheposition, d. h. eingeklappt
in der Rotationsebene. Lediglich die Anströmkanten 12 ragen
aus der Rotationsebene heraus und bieten der Strömung eine
kleine Angriffsfläche. Dadurch wird das sich in der Dreiviertel-Position
befindende Segment 6 in die Strömung geklappt,
von dieser erfasst und umgehend vollständig, also bis zum
Anschlag aufgeklappt, wobei der Rotationskörper 5 gleichzeitig
in Drehbewegung versetzt wird. Nach dem Passieren der obersten Position,
also der 12-Uhr-Position, klappt dieses Segment 6 wieder
in seine Ausgangsposition zurück, wobei dieser Vorgang
durch die Anströmkante 12 unterstützt
wird, und verbleibt in dieser Position bis es sich wieder in Ausklappposition,
also Dreiviertel-Position befindet. Dieser Vorgang läuft
so für jedes Segment 6 ab, so dass der Rotationskörper 5 eine
kontinuierliche Drehbewegung auf die Antriebswelle 3 überträgt.
Das schnelle Einschwenken der Segmente 6 in die Rotationsebene,
noch bevor ihre wirksame Fläche in der Position unterhalb
der Drehachse die Drehbewegung abbremsen würde, trägt wesentlich
zur Erhöhung der Energieausbeute des Strömungsenergiewandlers
bei.
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Aufgrund
der wesentlichen Vorteile des beschriebenen Strömungsenergiewandlers
gegenüber Freistromturbinenanlagen wird die Erfindung dazu beitragen,
die in strömenden Gewässern vorhandenen Energieressourcen
intensiver und trotzdem umweltschonend ausnutzen zu können.
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Alle
in der Beschreibung, den nachfolgenden Ansprüchen und der
Zeichnung dargestellten Merkmale können sowohl einzeln
als auch in beliebiger Kombination miteinander erfindungswesentlich
sein.
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- 1
- Grundkörper
- 2
- Generator
- 3
- Antriebswelle
- 4
- Lagerbock
- 5
- Rotationskörper
- 6
- Segment
- 7
- Halteklammer
- 8
- Nabe
- 9
- äußerer
Rahmen
- 10
- Speiche
- 11
- Scharnier
- 12
- Anströmkante
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - WO 2005/078276
A1 [0002]
- - DE 2635529 [0004]
- - DE 2933907 [0004]