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Die
Erfindung bezieht sich auf ein beheizbares Leitungselement für
ein Fluid entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Ein
derartiges Leitungselement kann beispielsweise im Abgassystem dieselbetriebener
Fahrzeuge für eine zur Führung eines Reduktionsmittels, z.
B. AdBlue® bestimmten Leitung eingesetzt
werden, und zwar zur Nachbehandlung der Abgase in Verbindung mit
einem SCR-Katalysator, in welchem unter Mitwirkung einer Harnstofflösung
Stickoxide in Stickstoff und Wasserdampf umgewandelt werden. Da das
Reduktionsmittel bei Temperaturen unter –11,5°C
gefriert, ist eine Temperierung des Reduktionsmittels erforderlich.
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Für
dieses Reduktionsmittel ist ein separater Tank erforderlich der
mit dem Abgassystem zu verbinden ist, welches häufig das
Problem mit sich bringt, eine dieses Mittel führende Leitung
unter räumlich beengten Verhältnissen zu verlegen
und an der Fahrzeugstruktur zu befestigen. Insbesondere eine Darstellung
kleiner und zahlreicher aufeinander folgender Krümmungsradien
kann Schwierigkeiten bereiten. Üblicherweise werden diese
Leitungen mit allen erforderlichen Krümmungen hergestellt
und in diesem an die Einbausituation angepassten Zustand in das
Fahrzeug eingebaut, d. h. in Verbindung mit Haltern an diesem befestigt.
Es ist bekannt, diese Leitungen jeweils endseitig mit Kupplungsstücken
zu versehen, welche zur Anbindung an vor- bzw. nachgeordnete Baugruppen
bestimmt sind.
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Im
eingebauten Zustand werden die Leitungen durch den herrschenden
Innendruck und durch Schwingungen beansprucht die – bedingt
durch den Fahrzeugbetrieb – von den genannten Kupplungststücken
sowie den Haltern in die Leitung eingeleitet werden, so dass bei
der Konzeption des Leitungssystems sowie der genannten Befestigungspunkte
auch das Schwingungsverhalten der Leitung beachtet werden muss.
Nachdem die Kupplungsstücke und die genannten Halter im
allgemeinen unter schiedliche Schwingbewegungen ausführen,
ist ein Mindestmaß an Flexibilität der Leitung
erforderlich.
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Aus
den Fundstellen
DE
20 2005 004 602 U1 und
DE 39 00 821 C1 sind beheizbare medienführende
Leitungen für Fahrzeuge bekannt, die einen kreisförmigen
Querschnitt aufweisen und aus drei radial aneinander grenzenden,
kreisringförmigen, konzentrischen Schichten bestehen. Eine
innere Schicht umschließt den medienführenden
Querschnitt und eine sich anschließende Schicht besteht
aus einem, ein PTC-Verhalten (positive temperature coefficient)
aufweisenden Kunststoff, in den elektrische Leiterelemente eingebettet
sind. Die verbleibende radial äußere Schicht soll
neben einer mechanischen Schutzwirkung eine elektrische Isolation
bereitstellen. Durch die Verwendung eines Kunststoffs mit PTC-Verhalten
erübrigt sich eine Temperturregelung, da eine Überhitzung
auszuschließen ist.
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Dadurch,
dass die elektrischen Leiter dieser bekannten Medienleitungen am
Umfang des Rohres angeordnet sind, einander diametral gegenüberliegen
und der Leitungsachse folgen, ergeben sich – in einer Querschnittsebene
gesehen – bezüglich einer, die Leiter verbindenden
Achse und einer sich zu dieser senkrecht erstreckenden Achse erheblich
abweichende Flächenträgheitsmomente. Hinzu tritt
der Umstand, dass sich aufgrund des aus drei Schichten zusammengesetzten
Aufbaus dieser Leitungen ein ohnehin im Verhältnis zu einer
unbeheizten, durch eine geringere Anzahl an Schichten gekennzeichneten
Leitung höheres Flächenträgheitsmoment
ergibt. Insgesamt weisen diese bekannten Leitungen zwei unterschiedliche
Flächenträgheitsmomente auf, die einzeln betrachtet
deutlich höher ausfallen als das Flächenträgheitsmoment
einer vergleichbaren, nicht beheizten Leitung. Die resultierende
mindere und – entlang des Umfangs gesehen – ungleichförmige Flexibilität
begrenzt die Eignung dieser Leitungen, entlang aufeinander folgender,
insbesondere kleiner Krümmungsradien verlegt zu werden.
Von Bedeutung ist das höhere Flächenträgheitsmoment
auch für das Schwingungsverhalten, insbesondere die Resonanzeigenschaften
der Leitung, ein Umstand, der sich ebenfalls störend auswirken
kann.
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Um
eine in peripherer Richtung gleichförmige Beheizung darzustellen,
ist bei diesen bekannten Leitungselementen eine vollständige,
die innere medienführende Schicht umgebende Schicht aus
vergleichweise teuren PTC-Kunststoffen erforderlich. Die radial äußerste
Schicht muss somit auch unter dem Gesichtspunkt eingerichtet werden,
dass möglichst keine Wärme in die Umgebung ausgestrahlt wird.
Da dies nur unvollkommen möglich sein wird, verschlechtert
sich dementsprechend der Wirkungsgrad einer Umsetzung eingespeister
elektrischer Energie.
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Aufgrund
der somit rohrförmigen Anordnung des PTC-Kunststoffes und
dessen festen Verbundes mit den anderen Schichten des Leitungselements
unterliegt die PTC-Schicht sämtlichen auf das Leitungselement
einwirkenden mechanischen Beanspruchungen. Dieses hat zur Folge,
dass die Dimensionierung der PTC-Schicht einen Kompromiss zwischen
Heizleistung und mechanischer Widerstandsfähigkeit darstellt.
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Techniken
zur Nutzung von Kunststoffen mit PTC-Eigenschaften zur Darstellung
von Heizelementen sind beispielsweise aus der Fundstelle
DE 25 43 314 C2 bekannt.
Im einfachsten Fall sind hiernach zwei elektrische Leiter beiderseits
einer PTC-Schicht vorgesehen.
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Es
ist die Aufgabe der Erfindung, ein Leitungselement der eingangs
bezeichneten Gattung dahingehend auszugestalten, dass sich bei verbesserten
Bedingungen eines Wärmeübergangs auf das zu beheizende
Fluid eine ebenfalls verbesserte Eignung zur Verlegung entlang kleiner
Krümmungsradien ergibt. Gelöst ist diese Aufgabe
bei einerm solchen Leitungselement durch die Merkmale des Kennzeichnungsteils
des Anspruchs 1.
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In
Abweichung von dem eingangs zitierten Stand der Technik wird somit
erfindungsgemäß der Heizleiter von dem zu beheizenden
Fluid außenseitig umströmt und bildet in jedem
Fall eine Struktur innerhalb des fluiddurchströmten Rohres.
Dessen Wandungen können somit auch nach Maßgabe
eines erforderlichen kleinstmöglichen Biegeradius gestaltet werden.
Das somit die Medienführung vermittelnde Rohr kann im einfachsten
Fall aus einer einzigen Schicht bestehen. Wesentlich ist in diesem
Zusammenhang jedoch, dass das Rohr – in einer Querschnittsebene
gesehen – ein konstantes Flächenträgheitsmoment
aufweist und ebenfalls in Abweichung von dem eingangs dargelegten
Stand der Technik in in allen Richtungen eine gleiche Biegeelastizität
aufweist.
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Der
zur flächigen Wärmeübertragung bestimmte
Formkörper, in den die genannten elektrischen Leiter eingebunden
sind, besteht entsprechend den Merkmalen des Anspruchs 2 aus einem Kunststoff
mit PTC-Charakteristik. Dieser an sich bekannte Kunststoff wird
somit zur Darstellung einer faktisch selbsttätigen Begrenzung
der infolge einer Beheizung sich einstellenden Temperatur des Fluids benutzt.
Die elektrischen Parameter dieses Kunststoffs sind in einer dem
Fachmann geläufigen Weise konfektionierbar, um die an den
konkreten Einsatzfall angepasste Charakteristik bereitzustellen.
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Entsprechend
den Merkmalen der Ansprüche 3 und 4 ist ein Heizleiter
dargestellt, der sich bei einer Biegung des Rohres nach Maßgabe
seiner bevorzugten Biegerichtung um seine Längsachse innerhalb
des Rohres verdrillt. Er beeinflußt auf diese Weise den
erreichbaren minimalen Biegeradius des Rohres kaum, wobei außerdem
elastische Rückstellkräfte des Heizleiters geringstmöglich
ausfallen. Auf diese Weise ist ein beheizbares Leitungselement bereitgestellt,
welches gegenüber dem eingangs zitierten Stand der Technik
verbesserte Montageeigenschaften insoweit aufweist, als sich eine
Eignung auch für eine Verlegung entlang relativ kleiner
aufeinander folgender unterschiedlicher Krümmungsradien ergibt.
Die flexible Ummantelung erfüllt lediglich eine Schutzfunktion
für den Werkstoff des Formkörpers und behindert
vorstehend genannte Eigenschaft des Heizleiters nicht. Infolge seiner
Verdrillung geht von dem Heizleiter kein, die Krümmung
wesentlich behindernder Einfluss aus.
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Die
Merkmale der Ansprüche 5 bis 12 sind auf mögliche
konstruktive Ausführungsbeispiele eines erfindungsgemäß einzusetzenden
Heizleiters gerichtet. Die bezogen auf die genannten Querschnittshauptachsen
unterschiedlichen Flächenträgheitsmomente können
durch die Querschnittsgestaltung des Heizleiters in Verbindung mit
der Längsrippe/den Längsrippen dargestellt werden.
Besonders vorteilhaft ist ein streifenförmiger Formkörper,
wobei sich die Längsrippen senkrecht zu dessen Breitseite erstrecken.
Die Längsrippen können sich gleichförmig über
die gesamte Länge des Leitungselements oder über
ausgewählte Abschnitte desselben erstrecken und segmentweise
vorgesehen sein. Sie können ferner im unverformten Zustand
einen achsparallelen oder einen schräg zu der Achse des
Heizleiters orientierten Verlauf aufweisen bzw. wendelförmig
bezüglich dieser Achse gekrümmt sein. Die Längsrippen
können zusätzlich auch unter dem Gesichtspunkt
ausgebildet werden, dass Schwingungen bzw. Relativbewegungen des
Heizleiters innerhalb des Rohres begrenzt bzw. gedämpft
werden.
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Die
Merkmale der Ansprüche 12 bis 16 sind auf eine Ausgestaltung
des Leitungselements mit Hinblick auf eine Einbindung in ein Fluidleitungssystem
gerichtet. Wesentlich in diesem Zusammenhang sind erste und zweite
Abschlussgehäuse, von denen ein erstes dazu bestimmt ist,
neben einer Fluiddurchleitung auch den notwendigen elektrischen
Anschluss aufzunehmen, wohingegen das zweite lediglich der Anbindung
an sich anschließende Komponenten der Fluidleitung bzw.
eines Leitungssystems dient. Beispielsweise kann es sich bei den
Letzteren um einen Tank, einen Vorratsbehälter oder dergleichen
handeln, so dass durch den, aus dem zweiten Abschlussgehäuse
heraus und in den Tank hineinragenden Heizleiter die Möglichkeit
eingerichtet ist, bereits den Tankinhalt einer Beheizung zu unterziehen.
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Um
in kürzester Zeit gleichförmige Temperaturverhältnisse
entlang des gesamten Leitungssystems zu erreichen, ist entsprechend
den Merkmalen der Ansprüche 12 und 17 vorgesehen, zumindest
die genannten Abschlussgehäuse beiderseits eines Rohres
aus einem Kunststoff von hoher Wärmeleitfähigkeit
ausbilden. Gleiches gilt für das Rohr.
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Die
Erfindung wird im Folgenden unter Bezugnahme auf das in den Zeichnungen
wiedergegebene Ausführungsbeispiel näher erläutert
werden. Es zeigen:
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1 eine
perspektivische Darstellung eines erfindungsgemäßen
Heizleiters;
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2 eine
perspektivische Darstellung eines zur Verbindung mit dem Heizleiter
gemäß 1 endseitig zu verbindenden
Steckers;
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3 eine
perspektivische Darstellung des einen Endabschnitts eines erfindungsgemäßen
Leitungselements;
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4 eine
Längsschnittdarstellung des Endabschnitts des Leitungselements
gemäß 3;
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5 eine
Ansicht eines anderen Endbereichs eines erfindungsgemäßen
Leitungselements;
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6 eine
Längsschnittdarstellung des Endabschnitts des Leitungselements
gemäß 5.
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1 zeigt
den Aufbau des erfindungsgemäß eingesetzten Heizleiters 15.
Dieser ist durch zwei elektrische Leiter 1, 1' gekennzeichnet,
die in einen, aus einem PTC-Kunststoff hergestellten streifenförmigen
Formkörper 2 eingebunden sind. In diesem Formkörper 2 erstrecken
sich die beiden Leiter 1, 1' mit gleich bleibendem
Abstand voneinander. Wird eine elektrische Spannung an die Leiter 1, 1' angelegt,
fließt ein elektrischer Strom durch den PTC-Kunststoff
des Formkörpers 2, so dass dieser sich erwärmt.
Infolge der PTC-Eigenschaft des Kunststoffs stellen sich in Abhängigkeit
von der aufgeprägten Spannung und dem durch die geometrischen
Verhältnisse des Formkörpers 2 zwischen
den Leitern 1, 1' dargestellten Widerstand im
stationären Zustand ein konstanter Strom und damit eine
konstante Temperatur ein. Ändert sich bei ansonsten unveränderten
Bedingungen die Temperatur des Formkörpers 2, ändern
sich der Widerstand und der Strom nach Maßgabe einer PTC-Charakteristik.
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Der
Heizleiter 15 ist zum Einsetzen in das äußere
Rohr 8 eines erfindungsgemäßen, ein Fluid führenden
Leitungselements bestimmt. Um den Formkörper 2 gegenüber
dem Fluid elektrisch zu isolieren, ist dieser mit einer flexiblen
Ummantelung 3 umgeben.
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Die
Ummantelung 3 weist zwei längs verlaufende, einander
diametral gegenüberliegende Längsrippen 4 auf,
die auch als elastische Dämpfung zwischen dem inneren Heizleiter 15 und
dem äußeren Rohr 8 dienen, so dass ein
Kontakt zwischen dem Heizleiter 15 und dem äußeren
Rohr 8 bei möglichen Relativbewegungen gedämpft
wird. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel weist der Formkörper 2 eine streifenartige,
ovale bzw. ellipsenartige Querschittsgestalt auf, wobei sich die
beiden Längsrippen 4 in einer Ebene senkrecht
zu der jeweils großen Achse des elliptischen Querschnitts
bzw. der entsprechenden Richtung eines ovalen Querschnitts erstrecken.
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Der
Aufbau des Heizleiters 15 ist somit derart gewählt,
dass sich – in einer Querschnittsebene gesehen – zwei
stark voneinander unterscheidende Flächenträgheitsmomente
ergeben. Hieraus ergeben sich in Umfangsrichtung gesehen unterschiedliche Biegeeigenschaften
des Heizleiters 15, wobei eine Biegung in Richtung des
Pfeiles B gegenüber einer solchen in Richtung des Pfeiles
A durch ein geringeres Biegemoment gekennzeichnet ist, so dass eine Darstellung
kleinerer Biegeradien möglich ist.
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Dies
führt dazu, dass sich der Heizleiters 15 um seine
Längsachse leicht verdrillen lässt. Wird der Heizleiter 15 in
das Rohr 8 hineingeschoben und dann das Rohr 8 gebogen,
so verdrillt sich der Heizleiter 15 um seine Längsachse
in der Form, dass er sich mit seiner bevorzugten Biegerichtung,
nämlich derjenigen mit dem geringeren Flächenträgheitsmoment
im Bogen des äußeren Rohres 8 ausrichtet. Hierdurch
beeinflusst er den minimal möglichen Biegeradius des Rohres 8 nicht.
Unter diesen Bedingungen fallen auch die Biegerückstellkräfte
des Heizleiters 15 minimal aus.
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2 zeigt
eine mögliche Ausbildung des elektrischen Anschlusses des
Heizleiters 15, der mit einem Stecker 5 dargestellt
ist. Die Leiter 1, 1' stehen mit elektrischen
Kontaktstiften 6, 6' in leitfähiger Verbindung,
wobei diese Verbindung in einem aus einem Thermoplast bestehenden,
in einem Spritzverfahren hergestellten Gehäuse 5' eingerichtet
ist. Mit 7 ist ein Dichtring bezeichnet, der in eine Nut 7' des
Steckers 5 eingesetzt ist, dessen Funktion im Folgenden
noch erläutert werden wird.
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Die 3 und 4 zeigen
den fertig montierten Zustand des einen Endbereichs des Leitungselements.
Dieser Endbereich ist durch ein erstes Abschlussgehäuse 9 gekennzeichnet,
welches in zueinander gleichachsiger Anordnung einen zur Verbindung
mit dem fluidführenden Rohr 8 bestimmten Aufsteckabschnitt 13 und
einen, zur Verbindung mit dem Stecker 5 bestimmten Einsteckabschnitt 16 aufweist. Das
Rohr 8 ist auf seiner, dem Abschlussgehäuse 9 zugekehrten
Ende mit einem Muffenabschnitt 17 versehen, in welchem
der Aufsteckabschnitt 13 aufgenommen ist, wobei über
einen Dichtring 7, der in eine außenseitige Nut 7'' des
Aufsteckabschnitts 13 eingesetzt ist, eine hinreichende
Abdichtung bereitgestellt wird. Der in die außenseitige
Nut 7' des Steckers 5 eingesetzte Dichtring 7 bewirkt
eine Abdichtung auf dessen Seite.
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Das
Abschlussgehäuse 9 ist ferner durch einen Anschlussstutzen 18 gekennzeichnet,
dessen Achse sich senkrecht zu derjenigen des Rohres 8 erstreckt
und der zur Aufnahme einer Steckdose 10 eingerichtet ist,
welche als Kupplungselement zur Anbindung einer Fluidleitung bestimmt
ist. Eine Dichtwirkung wird durch zwei zwischen den einander zugekehrten
Oberflächen des Anschlussstutzens 18 sowie der
Steckdose 10 aufgenommene und gehaltene Dichtringe 7 bereitgestellt.
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Zur
Montage des Leitungselements wird der Heizleiter 15, an
dessen einem Ende sich der Stecker 5 befindet, über
den Einsteckabschnitt 16 in das Abschlussgehäuse 9 eingeführt.
Der Muffenabschnitt 17 des Rohres 8 kann auf den
Aufsteckabschnitt 13 gepresst sein. Eine Lagesicherung,
insbesondere in axialer Richtung des Steckers 5 in dem
Einsteckabschnitt 16 kann beispielsweise durch Klipsen,
Kleben, Verschweißen und dergleichen erfolgen. Ein Anschluss
weiterführender Leitungselemente kann über die
Steckdose 10 erfolgen. Nach dem Zusammenstecken und Fixieren
dieser Elemente wird das so definierte Leitungselement nach Maßgabe
seiner konzipierten Einbauform in Biegelehren gebogen und thermisch
fixiert, so dass schließlich die gebogene Form ohne Biegelehre
beibehalten wird.
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Um
eine schnelle Erwärmung des gesamten, vom Fluid durchströmten
Bauraumes zu erreichen, ist es vorteilhaft das Abschlußgehäuse 9 aus
einem hoch wärmeleitfähigen Werkstoff, beispielsweise
einem Kunststoff herzustellen.
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In
der 5 wird eine mögliche Ausgestaltung des
zweiten Endes des Leitungselements gezeigt. Der Heizleiter 15 wird
durch ein, sich an diesem Ende befindliches zweites Abschlussgehäuse 11 und einen
Fluidkupplungsstutzen 12 hinausgeführt.
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Der
Fluidkupplungsstutzen 12 ist nicht Bestandteil der Fluidleitung,
sondern bereits ein Anschluss weiterer fluidführender Bauteile.
Der Abschluss des Heizleiters 15 wird durch das elektrisch isolierende
Abschlussstück 14 gebildet. Mit dieser Anordnung
ist es möglich, den Fluidinhalt auch nachgeschalteter Bauteile
aufzuheizen. Beispielsweise könnte ein Fluidvorratsbehälter
auf diese Weise beheizt werden, so dass eine eigene Heizung dieses Behälters
entfallen könnte.
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6 zeigt
einen Längsschnitt der in 5 vorgestellten
Ausführungsform. Mittels Dichtungen 7 ist der
Fluidkupplungsstutzen 12 gegen das Abschlussgehäuse 11 abgedichtet.
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- 1
- elektrischer
Leiter
- 1'
- elektrischer
Leiter
- 2
- Formkörper
- 3
- Ummantelung
- 4
- Längsrippe
- 5
- Stecker
- 6
- Kontaktstift
- 6'
- Kontaktstift
- 7
- Dichtung
- 7'
- Nut
- 7''
- Nut
- 8
- Rohr
- 9
- Abschlussgehäuse
- 10
- Steckdose
- 11
- Abschlussgehäuse
- 12
- Fluidkupplungsstutzen
- 13
- Aufsteckabschnitt
- 14
- Abschlussstück
- 15
- Heizleiter
- 16
- Einsteckabschnitt
- 17
- Muffenabschnitt
- 18
- Anschlussstutzen
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 202005004602
U1 [0005]
- - DE 3900821 C1 [0005]
- - DE 2543314 C2 [0009]