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Die
vorliegende Erfindung betrifft das oberbegrifflich Beanspruchte
und befasst sich somit mit dem Schienenverkehr.
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In
den komplexen Schienennetzen des öffentlichen Schienenverkehrs
ist es erforderlich, feststellen zu können, ob sich auf
einem bestimmten Streckenabschnitt ein Schienenfahrzeug befindet oder
ob die Schienen des Streckenabschnittes frei sind. Dies erhöht
beispielsweise im Eisenbahnbetrieb die Sicherheit vor Kollisionen.
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Es
ist seit langem bekannt, vergleiche beispielsweise
DE-PS 814 303 , dass Gleise überwacht werden
können, indem zwischen die Gleispaare eines gegebenen Abschnittes
eine Niederspannung gelegt und dann überwacht wird, ob
diese Spannung kurz geschlossen ist, was auf ein die Gleise überbrückendes
Schienenfahrzeug hindeutet. Dadurch kann beispielsweise für
Meldezwecke oder zum Umschalten von Signalanlagen bestimmt werden,
ob ein Schienenfahrzeug im Gleisabschnitt befindlich ist. Verwiesen
sei auch zum Beispiel auf die
DE 100 22 636 A1 ,
DE 10 2005 030 297 A1 ,
DE 1 036 902 ,
DE 654 655 ,
US-PS2,176,616 .
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Der
Kurz- beziehungsweise Nebenschluss, den das Schienenfahrzeug bewirkt,
wird dabei im Regelfall über die Radpaare hervorgerufen,
auf welchen das Schienenfahrzeug auf den Gleisen aufsteht, weil die
Radpaare über ihre Radachse elektrisch leitend miteinander
verbunden sind.
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Problematisch
ist nun, dass unter bestimmten Umständen der Übergangswiderstand
zwischen Gleis und Rad so groß ist, dass die angelegte
Niederspannung nicht zuverlässig kurzgeschlossen wird. Dies
ist etwa dann kritisch, wenn Rost oder andere Ablagerungen den Übergangswiderstand
erhöhen. Besonders häufig ist dies der Fall, wenn
Schienenfahrzeuge grenzüberschreitend benutzt werden, weil zum
Beispiel die Radprofile von Land zu Land unterschiedlich sein können,
so dass ein Schienenfahrzeug aus dem Ausland nicht auf derselben – durch ständige
Benutzung blanken – Stelle des Schienenkopfes fährt
wie ein entsprechendes Schienenfahrzeug aus dem Inland. Dies führt
beispielsweise zu Problemen beim Einsatz deutscher Schienenfahrzeuge
in Frankreich, wo zur Gleisfreimeldung eine Niederwechselspannung
von ca. 250 mV mit einer Frequenz zwischen 2 000 und 2 600 Hz zwischen
die Gleise eines Gleispaares angelegt wird, da der Gleisnebenschluss
nicht immer ordnungsgemäß zu erhalten ist. Es
sind deswegen bereits verschiedene Maßnahmen ergriffen
worden, wie Putzbürsten, die sich in ständigem
Kontakt mit den Schienen befinden, Klötze, die die Räderlaufflächen
putzen usw. Auf die induktiv arbeitenden
DE 690 07 295 T2 und die
US-PS 3,913,874 sei verwiesen.
Induktiv arbeitende Systeme sind in der Regel nachteilig, weil sie
für einwandfreie Funktion typisch die Spannungsversorgung
der Lokomotive benötigen.
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Die
bisher ergriffenen Maßnahmen sind jedoch technisch aufwendig
und erhöhen oftmals die Abnutzung am Rad und/oder Gleis.
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Es
ist wünschenswert, angeben zu können, wie auf
einfache Weise der Übergangswiderstand zwischen Gleis und
Schienenfahrzeug verringert werden kann.
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, Neues für
die gewerbliche Anwendung bereitzustellen.
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Die
Lösung dieser Aufgabe wird in unabhängiger Form
beansprucht. Bevorzugte Ausführungsformen finden sich in
den Unteransprüchen.
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Die
vorliegende Erfindung schlägt somit in einem ersten Grundgedanken
ein mehrgleisiges Schienenfahrzeug vor, das zur elektrisch leitenden Verbindung
von Gleispaaren und mit einem Übergangswiderstandsverringerungsmittel
zur Verringerung des Übergangswiderstandes zum Gleis ausgebildet
ist, bei welchem vorgesehen ist, dass das Übergangswiderstandsverringerungsmittel
zum Generieren von Funken zwischen zumindest einem Gleis und dem
Schienenfahrzeug ausgebildet ist.
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Ein
erster wesentlicher Aspekt der vorliegenden Erfindung nutzt damit
die Erkenntnis, dass der Nebenschluss weder dau erhaft noch zwingend über eine
von vorneherein gute Verbindung von Gleis und Rad erfolgen muss,
sondern vielmehr über den durch Funken ermöglichten
Strom bewirkt werden kann. Die Stromleitung durch den Funken erweist
sich dabei als völlig ausreichend, um den erforderlichen Spannungsabfall
durch Nebenschluss zwischen den Schienen eines Gleispaares zu bewirken,
zwischen welchen eine Gleismelde-Niederspannung angelegt wird; überdies
erweist sich die Funkenbildung als zumindest so weit unabhängig
von Ablagerung von Rost oder Schmutz auf Rädern oder Schienen,
dass sich bei allen praktischen Betriebsbedingungen ausreichend
niedrige Übergangswiderstände ergeben können.
Dazu trägt einerseits bei, dass zur Funkenbildung eine
hinreichend hohe Spannung generiert werden kann und ein einmal gezündeter
Funke selbst einen sicheren Kontakt zum Massepotential des Gleises
bildet und andererseits der Übergangswiderstand durch Nichtlinearität
ausreichend verringert wird. Der Übergangswiderstand zwischen
Rad und Schiene selbst ist dabei hoch nichtlinear. Dies bedeutet,
dass über den vom Funken herrührenden Spannungsabfall
beziehungsweise Strom zwischen Rad und Schiene der Übergangswiderstand
so weit gesenkt wird, dass die (niedrige) Gleisfreimeldespannung über
diesen – durch nichtlineare Effekte verringerten – Übergangswiderstand
nebengeschlossen wird.
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Das
Schienenfahrzeug wird typisch Radachsen aufweisen, über
welche, wie herkömmlich, eine elektrisch leitende Verbindung
zwischen den Gleisen eines Gleispaares über die Räder
ebenfalls hergestellt werden kann. Es ist möglich und bevorzugt,
bei Vorhandensein solcher Achsen auch mit der Erfindung den zum
Nebenschluss der Gleismeldespannung erforderlichen Strom zumindest
partiell durch die Achse fließen zu lassen.
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In
einer besonders bevorzugten Variante wird das Übergangswiderstandsverringerungsmittel Funkenfolgen
generieren und dabei auch, wie bevorzugt, kontinuierlich und automatisch
Funken generieren. Die Funkenfolge ist bevorzugt schnell gegenüber
der Frequenz bei einer gepulsten oder alternierenden Gleismeldespannung
wie etwa im französischen Schienensystem, bei welchem die
Gleismelde-Niederwechselspannung, die es kurzzuschließen gilt,
eine Frequenz zwischen 2 000 Hz und 2 600 Hz aufweist. Die mit dem Übergangswiderstandsverringerungsmittel
generierte Funkenfolgenfrequenz wird bevorzugt höher als
eine solche Gleismelde-Niederspannungswechsel-Frequenz sein, was
es erlaubt, die Gleismeldefrequenz in herkömmlicher Weise
abzutasten. Dabei sei darauf hingewiesen, dass die durch Funkengenerierung
ermöglichten Nebenschlussströme hinreichend groß sein
können, um einen zumindest weitgehenden Potenzialabfall
zwischen den Gleisen des Gleispaares zu bewirken. Dabei ist auch
zu beachten, wie schnell die nichtlineare Absenkung des Übergangswiderstandes
wieder beendet ist usw.
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Es
sei darauf hingewiesen, dass die Spannungsquelle für die
Erzeugung der Gleisfreimelde-Niederspannung typisch einen so großen
Innenwiderstand haben wird, dass das Aufladen, beziehungsweise,
im Falle einer alternierenden Gleismeldespannung, das Umladen des
Gleispaares so langsam gegenüber der Wiederholfrequenz
der Funkenfolge ist, dass sich zwischen zwei Funken keine signifikanten
Spannungen aufbauen können. Dies stellt sicher, dass sich
auch bei digitaler Abtastung der zwischen den Gleisen des Gleispaares
liegenden Spannung über A-/D-Wandler keine signifikanten
Spannungen aufbauen können, und zwar auch dann nicht, wenn
eine Abtastung der Spannung zwischen den Gleisen eines Gleispaares
erst kurz vor einem neuerlichen entladenden Funken erfolgt. Dass
im Übrigen mit dem Verfahren auch eine analoge Gleisfreimeldung
ermöglicht wird, sei erwähnt.
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Es
ist möglich und bevorzugt, wenn die Funkenfolgefrequenz
mehrere kHz beträgt, bevorzugt wenigstens 5 kHz, insbesondere
bevorzugt zumindest 10 kHz und, noch weiter bevorzugt, wenigstens 20
kHz. Die entsprechend höheren Frequenzen erlauben es, während
einer Schwingungsperiode einer alternierenden Niederspannung einen
mehrfachen Nebenschluss eines Gleispaares vorzusehen.
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Es
sei im Übrigen erwähnt, dass typisch zweigleisige
Schienenfahrzeuge wie herkömmliche Eisenbahnfahrzeuge für
die Erfindung in Frage kommen, dass aber gegebenenfalls die Erfindung
auch für andere Schienenfahrzeuge wie Zahnradbahnen und
dergleichen mit Erfolg eingesetzt werden kann.
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Besonders
bevorzugt ist es, wenn das Übergangswiderstandsverringerungsmittel
dazu ausgebildet, auf beiden Gleisen eines Gleispaares Funken, insbesondere
Funkenfolgen zu erzeugen. Mit anderen Worten wird die Erfindung
bevorzugt auf jedem Gleis eines Gleispaares eingesetzt. Es sei hier
auch darauf hingewiesen, dass es sich bei dem mehrgleisigen Schienenfahrzeug
sowohl um eine Lokomotive als auch um ein anderes Fahrzeug, wie
beispielsweise einen Personen- oder Güterwaggon handeln kann.
Dies ist insbesondere im Rangierbetrieb vorteilhaft und verhindert,
dass ein Gleis nur versehentlich als frei gemeldet wird, weil dort
Waggons stehen, die auf Grund schlechter Rad-Gleis-Übergangswiderstände
selbst sonst keinen ausreichenden Nebenschluss bewirken.
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Wenn
Funken für beide Gleise eines Gleispaares erzeugt werden,
ist es bevorzugt, diese auf beiden Seiten synchron zu erzeugen,
was durch Verwendung eines elektronischen Zündkreises beziehungsweise
einer elektronischen Schaltung der Zündfunken ohne weiteres
möglich ist. Durch die Synchronerzeugung von Funken auf
beiden Seiten wird sichergestellt, dass auch tatsächlich
ein Nebenschluss beziehungsweise Kurzschluss der Gleise des Gleispaares
erfolgt und nicht nur kapazitive Ströme fließen.
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Es
ist auch möglich, je Gleis mehr als einen Funkengenerator
vorzusehen. Die dadurch gegebene Redundanz erhöht zunächst
die Sicherheit gegen das Eintreten von Versagensfällen.
Darüberhinaus ist es bevorzugt, wenn die Funkengeneratoren
gegenphasig arbeiten, das heißt Funken durch den ersten Funkengenerator
eines Gleises genau dann erzeugt werden, wenn der andere Funkengenerator
gerade geladen wird. Auf diese Weise ist sichergestellt, dass die
Funkenfolgefrequenz noch erhöht werden kann, was, wie aus
dem Obenstehenden ersichtlich, vorteilhaft ist.
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In
einer bevorzugten Variante wird eine Funkenelektrode an einem Rad-Drehgestell
angeordnet. Besonders bevorzugt ist es, wenn die Funkenelektrode
schienennah, insbesondere mit einem Abstand zwischen 5,0 cm und
0,5 cm, bevorzugt zwischen 1,0 cm und 0,5 cm zur Schiene angeordnet
ist. Ein zu großer Abstand zur Schiene hat zur Folge, dass
die Zündspannung zur Generierung der Funken sehr groß wird.
Bei zu kleinen Abständen besteht die Gefahr der Beschädigung
der Funkenelektrode. Dass im Übrigen mehrere Elektrodenspitzen
nebeneinander angeordnet werden können, um je nach Land
einer im Regelfall besonders blanken Stelle eines Schienenprofils
gegenüberliegen zu können, sei erwähnt.
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Schutz
wird auch für ein Verfahren zur Erzeugung eines Gleisnebenschlusses
durch Schienenfahrzeuge beansprucht, bei welchem vorgesehen ist,
dass zwischen Schienenfahrzeug und Gleis eine Funkenfolge generiert
und der Nebenschluss zumindest während und/oder vermittels
des durch Funkengenerierung ermöglichten Stromflusses nachgewiesen
wird. Dass hierbei Strom zur Erzeugung des Gleisnebenschlusses sowohl über
die erfindungsgemäß erzeugten Funken als auch über
den Rad-Gleis-Kontakt fließen kann, sei noch einmal betont.
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Die
Erfindung wird im Folgenden beispielsweise anhand der Zeichnung
erläutert. In dieser ist dargestellt durch:
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1.
ein mehrgleisiges Schienenfahrzeug der vorliegenden Erfindung;
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2 ein
Schaltkreisschema für eine prinzipielle Anwendung der vorliegenden
Erfindung.
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Nach 1 umfasst
ein allgemein mit 1 bezeichnetes, hier nur angedeutetes
Schienenfahrzeug 1 zur elektrischen Verbindung eines Paares
von Gleisen 2a, 2b ein Übergangswiderstandsverringerungsmittel 3 zur
Verringerung des Übergangswiderstands zum Gleis, das als
Mittel 3 zur Generierung von Funken 4a, 4b zwischen
den Gleisen 2a, 2b und dem Schienenfahrzeug 1 ausgebildet
ist.
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Im
dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Schienenfahrzeug 1 eine
Lokomotive, es kann sich aber auch um einen Waggon oder dergleichen
handeln. Die Lokomotive 1 hat mehrere Achsen 5.1, 5.2, an
denen Räder 5.1a, 5.1b, 5.2a, 5.2b vorgesehen sind.
Die Räder eines auf einer Achse angeordneten Radpaares,
beispielsweise die Räder 5.1a und 5.1b sind über
die jeweilige Achse, hier also Achse 5.1, elektrisch leitend
miteinander verbunden. Den Gleisen 2a, 2b als
Gleispaar ist eine Spannungsquelle 2c1 zugeordnet, die
einen endlichen Innenwiderstand 2c1 aufweist und eine Wechselspannung
erzeugt. Die Gleise 2a, 2b sind von angrenzenden Gleisabschnitten,
die in Fahrtrichtung davor und dahinter liegen, durch elektrisch
isolierende Lücken 2a1, 2b1 beziehungsweise 2a2, 2b2 isoliert,
so dass die an den Gleisabschnitt zwischen den Gleisen 2a, 2b durch
die Spannungsquelle 2c angelegte Spannung nur in dem Abschnitt
zwischen den Isolationen zu erfassen ist, nicht aber an den angrenzenden Gleisabschnitten.
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Den
Gleisen 2 ist weiter eine Spannungserfassung 2d zugeordnet,
mit welcher die zwischen die Gleise 2a, 2b angelegte
Wechselspannung so genau erfasst werden kann, dass ermittelt werden
kann, ob ein Kurz- beziehungsweise Nebenschluss der Gleise 2a, 2b gegeben
ist oder nicht.
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Im
Normalbetrieb reicht bei vollkommen blanken Schienen und Rädern
die elektrische Leitfähigkeit des Schienenfahrzeugs 1 aus,
um die Gleise 2a, 2b des Gleispaares so gut elektrisch
miteinander zu verbinden, dass der Zustand als Kurz- und Nebenschluss
an der Spannungserfassung 2d erfasst werden kann.
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Das Übergangswiderstandsverringerungsmittel 3 umfasst
nun einen noch detaillierter mit Bezug auf 2 zu beschreibenden
Funkengenerator 3 zur Erzeugung der Funken 4a, 4b zwischen
Schienenfahrzeug 1 und Schiene. Dabei sind Elektrodenspitzen
nahe der Schienen 2a, 2b angeordnet, und zwar
bevorzugt an einem Rad-Drehgestell (nicht dargestellt), so dass
sie sich in stets gleichem Abstand zu einem Gleis befinden.
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Nach 2 umfasst
das Mittel zur Übergangswiderstandsverringerung je Schiene
einen Zündkreis mit einer Gleichspannungsquelle 3a, Zündspulen 3b1, 3b2,
Entstörkondensatoren 3c1, 3c2 sowie einen
Unterbrecher 3d1, 3d2, der als Relais dargestellt
ist, aber ohne weiteres, wie dem Fachmann bekannt ist, elektronisch
realisiert sein kann. Die Gleichspannungsquelle 3a wird
für beide Zündkreise gemeinsam bewirkt. Ein Pol
der Gleichspannungsquelle 3a ist verbunden mit einer Radachse 5.1,
während der andere Pol über die Spule 3b1 beziehungsweise 3b2 mit
einer Elektrodenspitze 3e1 beziehungsweise 3e2 verbunden
ist, die zur Erzeugung der Funken 4a, 4b benachbart
den Schienen 2a, 2b angeordnet ist. Weiter dargestellt
in 2 sind weitere Radachsenpaare, nur beschriftet
bei 5.2, 5.3, 5.4 usw. sowie die Gleisfreimeldespannungsquelle 2c mit
Innenwiderstand 2c1 sowie der Gleisfreimeldespannungserfassungssensor 2d.
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Die
Unterbrecher 3d1, 3d2 sind dazu ausgebildet, mit
einer Frequenz über 5 kHz zu öffnen beziehungsweise
zu schließen. Die Gleichspannungsquelle 3a ist
dazu ausgelegt, innerhalb der sich ergebenden Zündpausen
die Spulen 3b1, 3b2 mit einem ausreichend großen
Erregungsstrom zu beaufschlagen. Die Unterbrecher 3d1, 3d2 öffnen
so schnell, dass die Unterbrechung des Stromflusses durch die Spulen 3b1, 3b2 an
den Elektroden 3e1, 3e2 Funken 4a, 4b generieren.
Die Unterbrecher 3d1, 3d2 öffnen gleichzeitig,
wozu eine entsprechende Synchronisationsschaltung (nicht dargestellt)
vorgesehen ist.
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Die
Anordnung wird verwendet wie folgt:
Zunächst wird über
die Spannungsquelle 2c eine Gleismeldespannung erzeugt,
die mit dem Spannungsmesser 2d erfasst wird, solange kein
Schienenfahrzeug auf dem Schienenabschnitt 2a, 2b steht und
diesen kurzschließt.
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Wenn
nun ein Schienenfahrzeug 1 in den Schienenabschnitt bewegt
wird, soll die Spannung aus der Gleisfreimeldespannungsquelle 2c soweit kurzgeschlossen
werden, dass an dem Spannungssensor 2d keine Spannung mehr
erfassbar ist. Bei schlechten Kontakten, das heißt hohen Übergangswiderständen
gelingt dies nicht zuverlässig.
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Gelangt
nun ein Schienenfahrzeug mit dem erfindungsgemäßen
Funkengenerator in den Gleisabschnitt, wird ungeachtet eines zunächst
hohen Übergangswiderstandes zwischen Gleis und Rad der Spannungsgenerator 3a bei
geschlossenem Unterbrecher 3d1, 3d2 einen Strom
durch die Zündspulen senden. Das spontane Öffnen
der Unterbrecher 3d1, 3d2 führt zur Ausbildung
von Zündfunken, die einerseits in den Funkenstrecken einen
geringen Übergangswiderstand zwischen der Zündelektrode 3e1 beziehungsweise 3e2 und
der zugeordneten Schiene 2a beziehungsweise 2b bewirken
und bereits dadurch die Gleisfreimeldespannung aus der Gleisfreimeldespannungsquelle 2c kurzschließen.
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Weiter
fließt im Funkenkreis ein Strom, der auch über
den Rad-Schiene-Kontakt läuft. Dieser Strom ist ausreichend,
um den nichtlinearen Übergangswiderstand zwischen Rad und
Schiene zu senken, so dass auch dadurch die Gleismeldespannung nebengeschlossen
wird, denn es kann nun Strom über die Radachse zum gegenüberliegenden
Rad fließen. Es wird dadurch an der Spannungserfassung 2d keine
Gleisfreimeldespannung mehr er fasst, woraus auf das Vorhandensein
eines Schienenfahrzeugs auf dem betrachteten Gleisabschnitt geschlossen
werden kann.
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Im Übrigen
ist es nicht zwingend erforderlich, dass der Nebenschlussstrom unbedingt über
die Radpaare fließt, die zu ein und derselben Achse gehören.
Vielmehr ist auch ein Nebenschluss zu Rädern auf anderen
Radachsen, insbesondere über das Fahrzeugchassis möglich.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 814303 [0003]
- - DE 10022636 A1 [0003]
- - DE 102005030297 A1 [0003]
- - DE 1036902 [0003]
- - DE 654655 [0003]
- - US 2176616 [0003]
- - DE 69007295 T2 [0005]
- - US 3913874 [0005]