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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Rückgewinnung einer
Verlustwärme einer Verbrennungskraftmaschine gemäß dem
Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft weiterhin eine
Verbrennungskraftmaschine mit einer Wärmerückgewinnungsvorrichtung
gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 4.
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Heutige
Verbrennungskraftmaschinen weisen einen Wirkungsgrad von bis zu
40 Prozent auf. Die Verluste werden überwiegend als Wärme
an ein Kühlmittel und als Abgaswärme abgegeben.
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Im
Stand der Technik existieren verschiedene Verfahren und Vorrichtungen,
mittels derer aus der Abgaswärme und/oder der Kühlmittelwärme elektrische
und/oder mechanische Energie gewonnen wird.
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Aus
der
WO 2005/021
936 A2 ist eine Wärmerückgewinnungsvorrichtung
für eine Verbrennungskraftmaschine eines Kraftfahrzeugs
bekannt, die einen Wärmetauscher, eine Turbine, einen Kondensator
und eine Fördereinheit umfasst und nach dem Prinzip eines
Clausius-Rankine-Kreisprozesses betreibbar ist. Die Wärmerückgewinnungsvorrichtung
ermöglicht die Rückgewinnung einer Verlustwärme
in Form einer Abgaswärme der Verbrennungskraftmaschine.
Dazu ist es vorgesehen, ein Arbeitsmedium in der Fördereinheit
zunächst zu verdichten. Anschließend ist das Arbeitsmedium
in flüssigem Aggregatzustand dem Wärmetauscher
zuführbar, in dem es sich durch einen Wärmeübergang
von dem Abgas zum Arbeitsmedium erwärmen und verdampfen
lässt. Nach Durchströmen des Wärmetauschers
ist das Arbeitsmedium in die Turbine einleitbar. In der Turbine
lässt sich das Arbeitsmedium entspannen, wobei der Turbine
Arbeit an einer Turbinenwelle entnehmbar ist, die wiederum über
einen elektromechanischen Wandler und einen Generators in elektrische
Energie umwandelbar ist. Nach Durchströmen der Turbine
ist das dampfförmige Arbeitsmedium einem Kondensator zuführbar,
in dem es sich wieder in den flüssigen Aggregatzustand überführen lässt.
Nach Durchströmen des Kondensators ist das Arbeitsmedium
wieder der Fördereinheit zuführbar, so dass der
Kreislauf geschlossen ist.
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Nachteilig
an dem bekannten Systems ist, dass insbesondere bei großen
Verlustwärmemengen nur eine geringe Nutzung der Verlustwärme
möglich ist. Weiterhin besteht die Gefahr eines Filmsiedens des
Arbeitsmediums in dem Wärmetauscher, das heißt
einer Bildung eines durchgehenden Dampffilms an der Heizfläche.
Ein Filmsieden kann zu einer Beschädigung oder Zerstörung
des Wärmetauschers führen.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren
zur Rückgewinnung einer Verlustwärme einer Verbrennungskraftmaschine
und eine verbesserte Verbrennungskraftmaschine mit Wärmerückgewinnungsvorrichtung
anzugeben, bei der ein Wirkungsgrad verbessert und die Gefahr eines
Filmsiedens vermindert ist.
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Hinsichtlich
des Verfahrens wird die Aufgabe erfindungsgemäß durch
die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst. Hinsichtlich
der Verbrennungskraftmaschine mit Wärmerückgewin nungsvorrichtung
wird die Aufgabe erfindungsgemäß durch die im
Anspruch 2 angegebenen Merkmale gelöst.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Das
Verfahren zur Rückgewinnung einer Verlustwärme
einer Verbrennungskraftmaschine umfasst mehrere Arbeitsschritte.
In einem ersten Arbeitschritt wird ein Arbeitsmedium unter Beibehaltung
eines zumindest weitgehend flüssigen Aggregatzustands mittels
einer Fördereinheit verdichtet. In einem zweiten Arbeitsschritt
wird das Arbeitsmedium in einem ersten Wärmetauscher durch
eine Wärmeübertragung von einem eine Verlustwärme
der Verbrennungskraftmaschine enthaltenden Wärmemedium
erwärmt, wobei das Arbeitsmedium von einem zumindest weitgehend
flüssigen Aggregatzustand in einen zumindest weitgehend
gasförmigen Aggregatzustand überführt
wird. In einem dritten Schritt wird das Arbeitsmedium in einer Expansionsvorrichtung expandiert,
wobei eine mechanische Arbeit abgegeben wird. In einem vierten Arbeitsschritt
wird das Arbeitsmedium in einem Kondensator abgekühlt und/oder
kondensiert, wobei das Arbeitsmedium von einem zumindest weitgehend
gasförmigen Aggregatzustand in einen zumindest weitgehend
flüssigen Aggregatzustand überführt wird.
Anschließend wird das Arbeitsmedium zu der Fördereinheit
weitergeleitet, so dass der Kreislauf geschlossen ist. Erfindungsgemäß wird
das Wärmemedium vor Eintritt in den ersten Wärmetauscher
mittels eines zweiten Wärmetauschers temperiert, so dass
es dem ersten Wärmetauscher mit einer Temperatur zugeführt
wird, die kleiner ist als eine vorgegebene Grenztemperatur.
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Der
dem Verfahren zugrunde liegende Kreisprozess ist in der Literatur
auch unter dem Begriff Clausius-Rankine-Prozess bekannt. Durch die
Anordnung eines zweiten Wärmetauschers ist eine maximale
Temperaturdifferenz in dem ersten Wärmetauscher zwischen
dem Arbeitsmedium und dem Wärmemedium verringert, und die
Gefahr eines Filmsiedens ist vermindert. Als Wärmemedium
können beispielsweise Abgas der Verbrennungskraftmaschine oder
ein Kühlmittel eines Kühlsystems der Verbrennungskraftmaschine
vorgesehen sein. Der zweite Wärmetauscher ist vorteilhafterweise
in Strömungsrichtung des Wärmemediums vor dem
ersten Wärmetauscher angeordnet. Durch den zweiten Wärmetauscher
ist weiterhin eine verbesserte Wärmerückgewinnung
insbesondere bei großen Verlustwärmemengen ermöglicht.
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Eine
erfindungsgemäße Verbrennungskraftmaschine mit
einer Wärmerückgewinnungsvorrichtung umfasst eine
Fördereinheit zur Verdichtung eines zumindest weitgehend
flüssigen Arbeitsmediums; einen ersten Wärmetauscher
zur Erwärmung des Arbeitsmediums durch einen Wärmeübergang von
einem Wärmemedium, wobei das Arbeitsmedium von einem zumindest
weitgehend flüssigen Aggregatzustand in einen zumindest
weitgehend gasförmigen Aggregatzustand überführbar
ist; eine Expansionsvorrichtung, in der das Arbeitsmedium expandierbar
ist und der eine mechanische Arbeit entnehmbar ist und einen Kondensator
zur Abkühlung und/oder Kondensation des Arbeitsmediums,
wobei das Arbeitsmedium von einem zumindest weitgehend gasförmigen
Aggregatzustand in einen zumindest weitgehend flüssigen
Aggregatzustand überführbar ist. Die Fördereinheit,
der erste Wärmetauscher, die Expansionsvorrichtung und
der Kondensator sind in einem Kreislauf verschaltet. Erfindungsgemäß ist
zumindest ein zweiter Wärmetauscher vorgesehen, der in
Strömungsrichtung des Wärmemediums vor dem ersten
Wärmetauscher angeordnet ist. Mit Hilfe des zweiten Wärmetauschers
ist das Wärmemedium derart temperierbar, dass es dem ersten Wärmetauscher
mit einer Temperatur zuführbar ist, die geringer ist als
eine vorgegebene Grenztemperatur, und eine maximale Tem peraturdifferenz
in dem ersten Wärmetauscher zwischen dem Arbeitsmedium
und dem Wärmemedium ist verringert.
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In
einer Ausgestaltung der Erfindung ist der zweite Wärmetauscher
mit dem Arbeitsmedium durchströmbar ausgeführt,
wobei ein Wärmeübergang zwischen dem Wärmemedium
und dem Arbeitsmedium vorgesehen ist. Der erste Wärmetauscher
und der zweite Wärmetauscher sind somit von den gleichen
Medien durchströmt und es wird eine effektive Temperierung,
insbesondere Kühlung, des Wärmemediums vor Eintritt
in den ersten Wärmetauscher erzielt.
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In
einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist das Wärmemedium
in dem ersten Wärmetauscher und dem zweiten Wärmetauscher
in einer zu dem Arbeitsmedium entgegengesetzten Strömungsrichtung
führbar. Dadurch ist eine maximale Temperaturdifferenz
zwischen dem Arbeitsmedium und dem Wärmemedium weiter verringert.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher
erläutert.
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Dabei
zeigen:
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1 schematisch
eine erfindungsgemäße Wärmerückgewinnungsvorrichtung,
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2 schematisch
ein Druck-Enthalpie-Diagramm eines mit Hilfe der Wärmerückgewinnungsvorrichtung
realisierbaren Kreisprozesses, und
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3 schematisch
einen Temperaturverlauf eines Arbeitsmediums und einen Temperaturverlauf eines
die Verlustwärme enthaltenden Mediums Wärmemediums über
einer Wärmetauscherlänge.
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Einander
entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen
versehen.
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In 1 ist
eine Wärmerückgewinnungsvorrichtung 1 einer
erfindungsgemäßen Verbrennungskraftmaschine dargestellt.
Die Wärmerückgewinnungseinrichtung 1 ist
zur Durchführung eines Clausius-Rankine-Kreisprozesses
geeignet. Dazu wird ein Arbeitsmedium A, z. B. Wasser, Ammoniak
oder eine andere geeignete Flüssigkeit oder ein Flüssigkeitsgemisch,
zunächst mittels einer Fördereinheit 2 von
einem flüssigen ersten Aggregatzustand L1,
gekennzeichnet durch einen ersten Druck p1 und
eine erste Temperatur T1, in einen flüssigen
zweiten Aggregatzustand L2, gekennzeichnet
durch einen zweiten Druck p2 und eine zweite
Temperatur T2, überführt.
Anschließend wird das Arbeitsmedium einem ersten Wärmetauscher 3 über
entsprechende Anschlüsse an einer Eingangsseite 3.1 zugeführt.
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Der
erste Wärmetauscher 3 wird im Betrieb von einem
Wärmemedium M in Form von Abgas einer nicht näher
dargestellten Verbrennungskraftmaschine durchströmt, wobei
Wärme von dem Abgas M zu dem Arbeitsmedium A überführbar
ist. Eine Strömungsrichtung des Abgases M ist dabei bevorzugt entgegen
einer Strömungsrichtung des Arbeitsmediums A gerichtet.
Das Arbeitsmedium A wird in dem ersten Wärmetauscher 3 annähernd
isobar von dem flüssigen zweiten Aggregatzustand L2 unter Nutzung einer in dem Abgas M enthaltenen
Verlustwärme der Verbrennungskraftmaschine zuerst auf eine
Verdampfungstemperatur T und anschließend über
die Verdampfungstemperatur T2, hinaus auf
eine dritte Temperatur T3 erwärmt.
Das Arbeitsmedium wird somit in einen zumindest weitgehend gasförmigen dritten
Aggregatzustand G3 überführt,
der durch eine dritte Temperatur T3 und
einen dritten Druck p3 charakterisiert ist,
wobei der dritte Druck p3 annähernd gleich
groß ist wie der zweite Druck p2.
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Anschließend
wird das Arbeitsmedium A in dem gasförmigen dritten Aggregatzustand
G3 einer Expansionsvorrichtung 5 zugeführt,
die beispielsweise in Form einer Turbine oder einer Kolbenexpansionsmaschine
ausgeführt ist. In der Expansionsvorrichtung 5 wird
das Arbeitsmedium A weitgehend adiabat auf eine vierte Temperatur
T4 und einen vierten Druck p4 expandiert,
wobei die vierte Temperatur T4 beziehungsweise
der vierte Druck P4 zumindest annähernd
der ersten Temperatur T1 beziehungsweise dem
ersten Druck P1 entsprechen. Das Arbeitsmedium
A wird somit bis an eine Sattdampfgrenze expandiert und liegt nach
der Expansion in einem zumindest weitgehend gasförmigen
vierten Aggregatzustand G4 vor. Der Expansionsvorrichtung 5 ist über eine
nicht dargestellte Welle eine mechanische Arbeit entnehmbar, die
beispielsweise bei einer Kopplung der Expansionsvorrichtung 5 mit
einem nicht dargestellten elektrischen Generator in eine elektrische
Energie umgewandelt werden kann. Diese elektrische Energie kann
z. B. zum Antrieb eines nicht näher dargestellten Elektromotors
genutzt werden, der unterstützend zu der Verbrennungskraftmaschine wirkt.
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In
einem modifizierten Ausführungsbeispiel wird das Arbeitsmedium
A in der Expansionsvorrichtung 5 in ein Trockendampfgebiet
TG auf eine Temperatur T4* expandiert, wobei
die Temperatur T4* größer
ist als die Temperatur T4. Nach der Expansion liegt
das Arbeitsmedium A in einem vollständig gasförmigen
Aggregatzustand G4* vor. In einem weiteren modifizierten
Ausführungsbeispiel wird das Arbeitsmedium A in ein Nassdampfgebiet
NG auf eine Temperatur T4** expandiert,
wobei das Arbeitsmedium in der Expansionsvorrichtung 5 teilweise
kondensiert. In diesem Fall ist als Expansionsvorrichtung 5 bevorzugt
eine Kolbenexpansionsmaschine vorgesehen.
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Nach
der Expansion wird das Arbeitsmedium A einem Kondensator 6 zugeführt.
In dem Kondensator 6 wird das Arbeitsmedium weitgehend
isobar und isotherm kondensiert und somit in den flüssigen
ersten Aggregatzustand L1 überführt.
Anschließend wird das Arbeitsmedium der Fördereinheit
mit der ersten Temperatur T1 und dem ersten
Druck p1 zugeführt, so dass der
Kreislauf geschlossen ist.
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Im
ersten Wärmetauscher 3 besteht aufgrund der großen
Temperaturdifferenz zwischen dem Arbeitsmedium A und dem Abgas M
eine Gefahr eines sogenannten Filmsiedens an der Wärmeübergangsfläche.
Das bedeutet, dass sich auf der Wärmeübergangsfläche
des ersten Wärmetauschers 3 ein durchgehender
Dampffilm im Arbeitsmedium bilden kann, wodurch ein Wärmeübergangskoeffizient im
Vergleich zu einer anliegenden Flüssigkeit deutlich verringert
ist. Dies hat zur Folge, dass eine Temperatur der Wärmeübergangsfläche
des ersten Wärmetauschers 3 deutlich ansteigt,
was zu einer Beschädigung oder Zerstörung des
Wärmetauschers führen kann.
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Um
der Gefahr des Filmsiedens zu begegnen, ist ein zweiter Wärmetauscher 4 in
Strömungsrichtung des Wärmemediums M gesehen stromaufwärts
von dem ersten Wärmetauscher 3 angeordnet. In
dem zweiten Wärmetauscher ist ein Wärmeübergang
von dem Abgas M zu einem Kühlmedium K und damit eine Kühlung
des Abgases M realisierbar. Insbesondere lässt sich das
Abgas M mit Hilfe des zweiten Wärmetauschers so weit abkühlen,
dass eine Temperatur des Abgases bei Eintritt in den ersten Wärmetauschers 3 eine
vorgegebene Grenztemperatur unterschreitet oder allgemeiner, dass
eine maximale Temperaturdifferenz zwischen dem Abgas M und dem Arbeitsmedium
A innerhalb eines vorgegebenen Grenzbereichs bleibt.
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Die
Kühlung des Abgases M in dem zweiten Abgaswärmetauscher 4 ist
bevorzugt mit Hilfe einer nicht näher dargestellten Durchsatzsteuerung
an einen Betriebszustand der Verbrennungskraftmaschine anpassbar,
wobei bevorzugt eine Durchsatzmenge des Kühlmediums K gesteuert
und/oder geregelt wird. Als Kühlmedium K ist beispielsweise
Wasser einsetzbar. Auf diese Weise ist die Gefahr eines Filmsiedens
des Arbeitsmediums A in einem weiten Betriebsbereich der Verbrennungskraftmaschine
deutlich verringert.
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In
einem modifizierten, nicht dargestellten Ausführungsbeispiel
ist der zweite Wärmetauscher zwischen den ersten Wärmetauscher
und der Turbine geschaltet und anstelle des Kühlmediums
K von dem Arbeitsmedium A durchströmt. Dadurch ist in dem
zweiten Wärmetauscher 4 ein Wärmeübergang zwischen
dem Abgas M und dem Arbeitsmedium A auf einem vergleichsweise hohen
Temperaturniveau ermöglicht. Dem zweiten Wärmetauscher
wird demnach heißes Abgas und durch den ersten Wärmetauscher
bereits erwärmtes Arbeitsmedium A zugeführt. Auf
diese Weise wird das Arbeitsmedium A zur Kühlung des Abgases
in dem zweiten Wärmetauscher verwendet, so dass auf ein
separates Kühlmittel K und einen damit verbundenen zusätzlichen
Kühlkreislauf verzichtet werden kann.
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In 3 sind
im oberen Diagramm schematisch die Temperaturverhältnisse
in einem Wärmetauscher einer Wärmerückgewinnungsvorrichtung gemäß dem
Stand der Technik skizziert. Das Arbeitsmedium und das Abgas durchströmen
den Wärmetauscher dabei gegenläufig, wobei die
Verdampfung und Überhitzung des Arbeitsmediums gemäß dem Stand
der Technik in einem Schritt beziehungsweise in einem Wärmetauscher
erfolgt. Im Diagramm dargestellt sind die Temperaturverläufe
des Arbeitsmediums und des Abgases über einer Wärmetauscherlänge
x. Das Arbeitsmedium strömt von links mit der zweiten Temperatur
T2 in den Wärmetauscher ein und
wird zunächst in noch flüssigem Aggregatzustand
auf eine Temperatur T2' erwärmt.
Im weiteren Verlauf wird das Arbeitsmedium bei gleich bleibender Temperatur
T2' = T2'' vollständig
verdampft und anschließend der Dampf auf eine Temperatur
T3 überhitzt. Insbesondere an der
Sattdampfgrenze, an der das Arbeitsmedium vollständig verdampft
ist, liegt eine hohe Temperaturdifferenz ΔT1 zwischen
dem Abgas und dem noch teilweise flüssigen Arbeitsmedium
an, bei der die Gefahr eines Filmsiedens und einer damit verbundenen
Zerstörung des Wärmetauschers besteht.
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Demgegenüber
sind im unteren Diagramm in 3 schematisch
die Temperaturverhältnisse in den Wärmetauschern
einer erfindungsgemäßen Verbrennungskraftmaschine
mit Wärmerückgewinnungsvorrichtung skizziert.
Der erste Wärmetauscher und der zweite Wärmetauscher
sind dabei in Reihe geschaltet und jeweils mit Abgas und Arbeitsmedium
durchströmbar. Das Arbeitsmedium und das Abgas durchströmen
die Wärmetauscher dabei wiederum gegenläufig,
wobei im ersten Wärmetauscher im Wesentlichen eine Verdampfung
bis an eine Sattdampfgrenze und im zweiten Wärmetauscher
im Wesentlichen eine Überhitzung des dampfförmigen
Arbeitsmediums vorgesehen ist. Im Diagramm dargestellt sind die
Temperaturverläufe des Arbeitsmediums und des Abgases über
einer Wegstrecke x. Das Arbeitsmedium strömt von links
mit der zweiten Temperatur T2 in den ersten
Wärmetauscher ein und wird zunächst in noch flüssigem
Aggregatzustand auf eine Temperatur T2,
erwärmt. Im weiteren Verlauf wird das Arbeitsmedium im
ersten Wärmetauscher bei gleich bleibender Temperatur T2' = T2'' vollständig verdampft,
wobei bestenfalls eine geringe Überhitzung des Arbeitsmediums
vorgesehen ist. Der erste Wärmetauscher ist so ausgelegt,
dass die Verdampfung des Arbeitsmediums auf einem geringeren Temperaturniveau
erfolgt, so dass eine maximal auftretende Temperaturdifferenz ΔT2 zwischen Abgas und Arbeitsmedium begrenzt
ist. Nach Durchströmen des ersten Wärmetauschers
wird das Arbeitsmedium in gesättigtem, dampfförmigem
Zustand dem zweiten Wärmetauscher zugeführt, in
dem der Dampf auf eine Temperatur T3 überhitzt
wird. Ein Vorteil der erfindungsgemäßen Verbrennungskraftmaschine
mit Wärmerückgewinnungsvorrichtung ist darin zu
sehen, dass eine maximale Temperaturdifferenz zwischen dem noch
teilweise flüssigen Arbeitsmedium und dem Abgas im ersten
Wärmetauscher begrenzt ist. Dadurch ist die Gefahr eines
Filmsiedens im ersten Wärmetauscher verringert. Darüber
hinaus ermöglicht der zweite Wärmetauscher eine Überhitzung
des Arbeitsmediums, wodurch der Wirkungsgrad der Wärmerückgewinnungsvorrichtung
verbessert ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - WO 2005/021936
A2 [0004]