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HINTERGRUND
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(a) Technisches Gebiet
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung eines Brennstoffzellenstapels,
bei welcher ein Draht zum Zusammenbauen eines Brennstoffzellenstapels
verwendet wird, während
ein konstanter Oberflächendruck
auf jeder Brennstoffzelle durch Verwenden eines breiten Elastizitätsbereiches
des Drahtes beibehalten wird, welcher selbst bei einer kleinen Materialmenge
eine hohe Befestigungskraft gewährleisten
kann, wodurch die Brennstoffzelle folglich mit einem leichten Gewicht
hergestellt und die Packeffizienz maximiert wird.
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(b) Stand der Technik
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Im
Allgemeinen betrifft ein Brennstoffzellenstapel eine Vorrichtung
zum Erzeugen von elektrischer Energie, bei welcher eine Vielzahl
an Elementarzellen aufeinander gestapelt ist.
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Solch
ein Brennstoffzellenstapel weist eine Struktur auf, bei welcher
ein- oder zweihundert Trennvorrichtungen, Gasdiffusionsschichten
(GDLs), Dichtungen und ähnliches
auf ordentliche Weise gestapelt und Endplatten an beiden Enden des
Brennstoffzellenstapels angebracht sind.
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Bei
einem Brennstoffzellenstapel des Stands der Technik sind die Endplatten
auf beiden Enden des Brennstoffzellenstapels üblicherweise mittels Bändern oder
Bolzen mit voll ausgeschnittenen Gewinden verbunden.
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Der
Brennstoffzellenstapel des Stands der Technik weist jedoch Nachteile
auf. Da die Dichtung oft aus einem Gummimaterial mit einer viskoelastischen
Eigenschaft besteht, welche abhängig
von der Umgebungstemperatur des Stapels variiert, kann beispielsweise
mit der Zeit die anfängliche
Anziehkraft (tightening force) abgeschwächt werden und schließlich daran
scheitern die Anziehkraft gleichmäßig beizubehalten. Um die unvollständige Anziehkraft auf
der Dichtung zu komplementieren, wird erfordert, dass die Endplatten
auf beiden Enden des Stapels zudem mittels zusätzlicher Bolzen oder Bänder befestigt
werden.
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Nachstehend
werden die Nachteile der Anordnung eines Brennstoffzellenstapels
des Stands der Technik in Bezug auf die 1A und 1B detailliert
beschrieben werden.
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1A ist
eine schematische Ansicht eines herkömmlichen Brennstoffzellenstapels,
bei welchem die Endplatten 20 mittels Bolzen 10 montiert sind,
und 1B ist eine schematische Ansicht eines herkömmlichen
Brennstoffzellenstapels, bei welchem die Endplatten 20 mittels
Bändern 30 montiert sind.
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Der
Brennstoffzellenstapel, wie in 1A gezeigt,
weist dadurch Nachteile auf, dass es schwierig ist, den Stapel 50 zu
verpacken, da das Gesamtvolumen eines Stapels 50 vergrößert ist.
Zudem ist das Gewicht des Stapels 50 aufgrund des Gewichtes der
Bolzen 10 erhöht
und die Belastung auf einen Gewindeabschnitt des Bolzens 10 konzentriert,
wenn eine Last in Längsrichtung
des Bolzens 10 wirkt, und folglich kann der Gewindeabschnitt
leicht beschädigt werden.
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Der
Brennstoffzellenstapel, wie in 1B gezeigt,
weist dadurch Nachteile auf, dass es schwierig ist, den Oberflächendruck
in Bezug auf einen Stapel 60 zu steuern, und es auch schwierig
ist, den anfänglichen
Oberflächendruck
zu steuern, da die Größe der Bänder 30 nicht
einheitlich ist.
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Die
in dem Hintergrund-Abschnitt offenbarten Informationen dienen nur
zur Verbesserung des Verständnisses
des Hintergrunds der Erfindung und sind nicht als Bestätigung oder
eine Art Vorschlag zu nehmen, dass diese Informationen den Stand
der Technik bilden, der Fachmänner
bereits bekannt ist.
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ZUSAMMENFASSUNG DER OFFENBARUNG
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Die
vorliegende Erfindung erfolgte in einer Bestrebung die oben beschriebenen
Probleme zu lösen,
welche mit dem Stand der Technik assoziiert werden. Die vorliegende
Erfindung ist auf eine Anordnung eines Brennstoffzellenstapels gerichtet,
welche einen konstanten Oberflächendruck
auf der Brennstoffzelle durch Verwenden eines breiten Elastizitätsbereiches
des Drahtes beibehalten und selbst bei einer kleinen Materialmenge
eine hohe Befestigungskraft gewährleisten
kann, wodurch die Brennstoffzelle folglich mit einem leichten Gewicht
hergestellt und die Packeffizienz maximiert wird.
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In
einem Aspekt liefert die vorliegende Erfindung eine Anordnung eines
Brennstoffzellenstapels für
eine Brennstoffzelle, wobei die Anordnung eines Brennstoffzellenstapels
Folgendes aufweist: zumindest einen Draht zum Befestigen der Endplatten,
welche auf beiden Endabschnitten eines Brennstoffzellenstapels montiert
sind; zumindest eine Spannvorrichtung, welche auf zumindest einem
Abschnitt der Oberseite einer oberen Endplatte montiert ist; zumindest
eine Spannführung,
welche jeweils eine mittlere Führung
zum Führen
einer nach oben und nach unten gerichteten Bewegung der Spannvorrichtung
enthält
und die Spannvorrichtung umgibt; zumindest eine obere Führung, welche
auf beiden Seiten der Oberseite der oberen Endplatte zum Führen des Drahtes
montiert ist; und zumindest eine untere Führung, welche auf beiden Seiten
der Unterseite einer unteren Endplatte zum Führen des Drahtes montiert ist.
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Die
Spannvorrichtung kann vorzugsweise auf der Oberseite der oberen
Endplatte mittels eines Zugbolzens derart montiert sein, dass die
Höhe der Spannvorrichtung
durch den Zugbolzen eingestellt werden kann, wodurch die Spannung
des Drahtes eingestellt werden kann.
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Geeigneter
Weise können
die Spannvorrichtung, obere Führung
und untere Führung
jeweils eine Vielzahl an Führungsnuten
derart aufweisen, dass die in den Führungsnuten aufgenommenen Drähte einander
nicht stören.
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Geeigneter
Weise kann auch die untere Führung
eine Arretiernut enthalten, welche in derselben senkrecht zu den
Führungsnuten
gebildet ist. Beide Enden des Drahtes sind mit einem Arretierelement verbunden,
welches auf denselben montiert ist. Das Arretierelement kann in
die Arretiernut der unteren Führung
eingeführt
werden.
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Vorzugsweise
ist der Draht beispielsweise aus einem Klavierdraht oder einer Formgedächtnislegierung
gebildet.
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Es
ist klar, dass der Ausdruck „Fahrzeug" oder „Fahrzeugs-„ oder
ein anderer ähnlicher
Ausdruck, der hierin verwendet wird, Kraftfahrzeuge im Allgemeinen,
wie beispielsweise Personenkraftwagen, welche Geländefahrzeuge
(SUV), Busse, Lastwagen, verschiedene Geschäft wagen enthalten, Wasserfahrzeuge,
welche eine Vielzahl an Booten und Schiffen enthalten, Luftfahrzeuge
und ähnliches enthält.
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Die
oben erwähnten
Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus den
beiliegenden Zeichnungen, welche in dieser Beschreibung enthalten
sind und einen Teil derselben bilden, und der folgenden detaillierten
Beschreibung offensichtlich sein oder in denselben detaillierter
dargelegt werden, welche zusammen zum Erläutern der Prinzipien der vorliegenden
Erfindung mittels eines Beispiels dienen.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die
oben erwähnten
und andere Merkmale der vorliegenden Erfindung werden in Bezug auf
bestimmte beispielhafte Ausführungsformen
derselben detailliert beschrieben werden, welche in den beiliegenden
Zeichnungen veranschaulicht sind, welche nachstehend nur zur Veranschaulichung
geben sind und folglich die vorliegende Erfindung nicht beschränken und
in welchen:
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1A eine
schematische Ansicht eines herkömmlichen
Brennstoffzellenstapels ist, welcher mittels Bolzen zusammengebaut
ist;
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1B eine
schematische Ansicht eines herkömmlichen
Brennstoffzellenstapels ist, welcher mittels Bändern zusammengebaut ist;
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2 eine
schematische Draufsicht einer Anordnung eines Brennstoffzellenstapels
nach einer bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist;
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3 eine
schematische Ansicht der Anordnung eines Brennstoffzellenstapels
der 2 von unten ist; und
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die 4 bis 6 detaillierte
Ansichten der Anordnung eines Brennstoffzellenstapels der 2 sind.
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Die
in den Zeichnungen dargelegten Bezugsnummern enthalten den Bezug
auf die folgenden Elemente, wie nachstehend weiter erörtert wird:
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- 100
- obere
Endplatte
- 110
- Spannvorrichtung
- 120
- Spannführung
- 130
- obere
Führung
- 140
- untere
Endplatte
- 150
- untere
Führung
- 160
- Arretierelement
- 200
- Draht
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Es
sollte klar sein, dass die beiliegenden Zeichnungen nicht notwendigerweise
maßstabsgetreu
sind und eine etwas vereinfachte Darstellung verschiedener bevorzugter
Merkmale aufzeigen, welche für
die grundlegenden Prinzipien der Erfindung veranschaulichend sind.
Die bestimmten Ausgestaltungsmerkmale der vorliegenden Erfindung,
die hierin offenbart ist, welche beispielsweise bestimmte Maße, Ausrichtungen,
Stellen und Formen enthalten, werden zum Teil durch die bestimmte,
vorgesehene Anwendung und Einsatzumgebung bestimmt werden.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
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Nun
wird auf die bevorzugten Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung detailliert Bezug genommen werden, deren
Beispiele in den im Folgenden beiliegenden Zeichnungen veranschaulicht sind,
in welchen überall ähnliche
Bezugsnummern ähnliche
Elemente betreffen. Die Ausführungsformen werden
nachstehend beschrieben, um die vorliegende Erfindung in Bezug auf
die Figuren zu erläutern.
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2 ist
eine schematische Draufsicht einer Anordnung eines Brennstoffzellenstapels
nach einer bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, 3 ist eine
schematische Ansicht derselben von unten, und die 4 bis 6 sind
detaillierte Ansichten derselben.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, die in den 2 und 3 gezeigt
ist, ist ein Brennstoffzellenstapel durch das Wickeln einer Vielzahl
an Drähten 200 auf
eine Spannvorrichtung 110 und obere Führung 130, welche
auf einem Abschnitt der Oberseite einer oberen Endplatte 100 montiert
sind, und das Einführen
eines Arretierelements 160 in eine untere Führung 150, welche
auf einem Abschnitt der Unterseite einer unteren Endplatte 140 montiert
ist, zusammengebaut, wodurch folglich ein konstanter Oberflächendruck
auf einer Brennstoffzelle beibehalten wird.
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Genauer
ist jeder der zwei Endabschnitte des Drahtes 200 mit dem
Arretierelement 160 verbunden. Ein mittlerer Abschnitt
des Drahtes 200 ist auf die Spannvorrichtung 110 und
die obere Führung 130 gewickelt.
Das Arretierelement 160 wird in eine Arretiernut 151 der
unteren Führung 150 eingeführt.
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Der
Draht 200 kann vorzugsweise aus einem Klavierdraht gebildet
sein. Der Klavierdraht ist im Allgemeinen aus einem Federstahlmaterial
mit einem Durchmesser von 0,1 bis 5 mm gebildet. Die Klavierdrähte können, falls
erforderlich, vorzugsweise auch in ein Seil gedreht sein.
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Normalerweise
weist der aus einem Federstahlmaterial gebildete Klavierdraht mit
einem Durchmesser von ca. 1 mm eine Bruchlast von ca. 1230 N und
eine Zugfestigkeit von ca. 151 MPa auf.
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Wenn
der Draht 200 aus einem Klavierdraht durch ein Ziehverfahren
und ähnliches
hergestellt wird, kann er zudem Defekte, wie beispielsweise Verunreinigungen,
Poren und ähnliches
verhindern, welche mit einem Brennstoffzellenstapel assoziiert werden,
bei welchem die Endplatten durch einen Bolzen oder ein Band zusammengebaut
sind und eine Festigkeit nahe dem theoretischen Wert aufweisen,
wodurch folglich ermöglicht
wird, dass der Brennstoffzellenstapel leicht ist und effizient verpackt
wird.
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Wenn
der Draht 200 aus einer superelastischen Legierung gebildet
ist, kann der Elastizitätsbereich
im Vergleich zu dem, welcher aus einem Federstahl gebildet ist,
zudem um das 8- bis 10-fache erhöht
werden. Wenn er aus einer Formgedächtnislegierung gebildet ist,
ist es möglich,
die Drahtkompensation für
eine Veränderung
im Oberflächendruck aufgrund
einer Wärmeausdehnung
bei einer Betätigungstemperatur
(ca. 80°C)
der Brennstoffzelle zu ermöglichen.
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Um
die Spannung des Drahtes 200 einzustellen, wie in 4 gezeigt,
ist eine Vielzahl an Spannvorrichtungen 110 auf einer Vielzahl
an Abschnitten der Oberseite der oberen Endplatte 100 mittels
Zugbolzen 111 montiert. In diesem Fall kann die vertikale
Stellung aller Spannvorrichtungen 110 durch den Zugbolzen 111 eingestellt
und folglich die Spannung des Drahtes 200 gemäß der Höhe des Zugbolzens 111 eingestellt
werden.
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Insbesondere
wird die Spannung des Drahtes 200 erhöht, wenn die Spannvorrichtung 110 durch Drehen
des Zugbolzens 111 in einer Richtung nach oben bewegt wird,
wohingegen die Spannung des Drahtes 200 verringert wird,
wenn die Spannvorrichtung 110 durch Drehen des Zugbolzens 111 in
der entgegen gesetzten Richtung nach unten bewegt wird, damit es
möglich
ist, einen konstanten Oberflächendruck
auf der Brennstoffzelle durch Einstellen der Höhe der Spannvorrichtung 110 gemäß dem Spannungszustand
des Drahtes 200 beizubehalten.
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In
diesem Fall ist eine Vielzahl an Führungsnuten 112 auf
einer Vielzahl an Abschnitten der Oberseite der Spannvorrichtung 110 in
regelmäßigen Abständen derart
gebildet, dass die Drähte 200 auf
die Spannvorrichtung 110 gewickelt werden können ohne
einander zu stören.
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Vorzugsweise
ist es möglich,
ein Sperrrad zum Wickeln des Drahtes 200 anstelle der Spannvorrichtung 110 an
der Position vorzusehen, an welcher die Spannvorrichtung 110 montiert
ist. In diesem Fall kann der Einstellbereich für die Drahtlänge vergrößert werden
und folglich ist es möglich,
den Draht 200 ohne Druck während einer anfänglichen
Verbindung des Drahtes 200 zu befestigen.
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Zudem
ist eine Spannführung 120 mit
einer mittleren Nut in Form von 'Π' auf einem Abschnitt
der Oberseite der oberen Endplatte 100 montiert, um die Spannvorrichtung 110 an
beiden Enden der Spannvorrichtung 110 zu umgeben, und kann
folglich die vertikale (nach oben und unten gerichtete) Bewegung
der Spannvorrichtung 110 führen.
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Jedes
Ende der Spannführung 120 weist eine
Vorsprungsfläche 121 auf.
Die Vorsprungsfläche 121 befindet
sich mit einem Abschnitt der Oberseite der oberen Endplatte 100 in
Kontakt. Ein Bolzen 122 wird in die Vorsprungsfläche 121 eingeführt, um
die Spannführung 120 an
der oberen Endplatte 100 zu befestigen.
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Wie
in 5 gezeigt, ist eine Vielzahl an oberen Führungen 130 auf
einer Vielzahl an Abschnitten der Oberseite der oberen Endplatte 100 montiert.
Vorzugsweise sind die oberen Führungen 130 entlang
den Seitenabschnitten der Oberseite auf beiden Seiten der Spannvorrichtung 110 mittels
eines Bolzens 132 positioniert, um den Draht 200 zu führen, welcher
von beiden Seiten der Spannvorrichtung 110 kommt.
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In
diesem Fall enthält
jede der oberen Führungen 130 eine
Vielzahl an Führungsnuten 131,
welche auf denselben gebildet sind, um zu verhindern, dass die Drähte 200 einander
stören.
Geeigneter Weise können
die Führungsnuten 131 der
oberen Führung 130 mit
einer gebogenen Oberfläche
gebildet sein, um zu verhindern, dass eine Belastung auf die Drähte 200 konzentriert
wird.
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Wie
in den 5 und 6 gezeigt, ist zudem eine Vielzahl
an unteren Führungen 150 auf
einer Vielzahl an Abschnitten der Unterseite der unteren Endplatte 140 mittels
Bolzen 153 montiert, um den Draht 200 zu führen, welcher
in die untere Endplatte 140 eingeführt ist.
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In
diesem Fall enthält
jede untere Führung 150 eine
Vielzahl an Führungsnuten 152,
welche in regelmäßigen Abständen gleich
den Führungsnuten 131 der
oberen Führung 130 gebildet
sind. Eine Arretiernut 151 ist auf einer Seite der Führungsnut 152 der
unteren Führung 150 in
Längsrichtung
derselben (d. h. senkrecht zur Führungsnut)
derart gebildet, dass das Arretierelement 160, welches
auf dem Ende des Drahtes 200 montiert ist, in dieselbe
eingeführt wird.
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D.
h. die Arretierelemente 160, welche auf beiden Enden der
Drähte 200 montiert
sind, sind in die Arretiernuten 151 eingeführt, welche
auf beiden Seiten der unteren Endplatte 140 derart vorgesehen sind,
dass der Draht 200 die Straffheit mit einer konstanten
Spannung beibehält
und die Spannung gemäß der Höhe der Spannvorrichtung 110 eingestellt wird,
auf welche der Draht 200 gewickelt ist.
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Das
Arretierelement 160 kann vorzugsweise aus einem zylinderförmigen Metallmaterial
derart gebildet sein, dass die Vielzahl an Drähten 200 in regelmäßigen Abständen verbunden
sind.
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Wie
oben beschrieben wurde, liefern die Anordnungen eines Brennstoffzellenstapels
nach den bevorzugten Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung Vorteile, welche Folgendes: 1) da der Brennstoffzellenstapel
mittels des Drahtes zusammengebaut ist, ist es möglich, einen konstanten Oberflächendruck
auf der Brennstoffzelle durch Verwenden eines breiten Elastizitätsbereiches
des Drahtes beizubehalten; 2) selbst bei einer kleinen Materialmenge
ist es möglich,
eine hohe Befestigungskraft zu gewährleisten, wodurch die Brennstoffzelle
folglich mit einem leichten Gewicht hergestellt und die Packeffizienz
maximiert wird; und 3) mit der nach oben und nach unten gerichteten
Bewegung der Spannvorrichtung ist es möglich, die Span nung der Drähte einzustellen,
um den Oberflächendruck
auf der Brennstoffzelle zu steuern und die Spannung, welche direkt
mit dem Oberflächendruck
auf der Brennstoffzelle assoziiert wird, leicht zu messen.
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Die
Erfindung wurde in Bezug auf bevorzugte Ausführungsformen derselben detailliert
beschrieben. Es wird jedoch von Fachmännern eingesehen werden, dass
Veränderungen
an diesen Ausführungsformen
vorgenommen werden können
ohne von den Prinzipien und dem Wesen der Erfindung abzuweichen,
deren Bereich in den beiliegenden Ansprüchen und den Äquivalenten
derselben definiert ist.