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Die
Erfindung betrifft eine elektrische Schaltung mit Übertemperaturschutz,
der insbesondere durch eine rein mechanische Trennung der elektrischen
Verbindung erfolgt.
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Der
Defekt eines elektrischen Bauteils einer Schaltung, beispielsweise
eines Treibertransistors, kann einen unkontrollierten überhöhten
Stromfluss verursachen, der eine lokale Überhitzung zur
Folgen haben kann. Die Überhitzung beschädigt
nicht nur das Bauteil selbst, sondern kann auch andere Komponenten
der Leiterkarte beschädigen. Zur Vermeidung von Beschädigungen
infolge überhöhten Stromflusses wird im Regelfall
eine Schmelzsicherung in der zu schützende Schaltung eingesetzt.
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Die
Schmelzsicherung wird thermisch zerstört, wenn übermäßig
große Ströme fließen, was beispielsweise
im Falle eines Defekts eines Bauteils der Fall sein kann. Damit
kann die Schaltung vor einer Zerstörung geschützt
werden. Herkömmliche thermische Sicherungen nutzten also
den Selbsterwärmungseffekt des durch ein Sicherungselement fließenden
Stroms, um das Sicherungselement zu durchschmelzen und somit den
Stromfluss zu unterbrechen. Problematisch dabei ist, dass sich mit
diesen Schmelzsicherungen kein optimaler Schutz der Leiterbahnen
von Schaltungen erreichen lässt. Beispielsweise kann beim
Auftreten kurzzeitig anliegender Überströme eine übliche
elektrische Leitung im Fahrzeug wesentlich mehr Strom tragen als
die Schmelzsicherung, so dass für kurzzeitige Überströme
eine übliche Schmelzsicherung unterdimensioniert ist. Im
Bereich länger andauernder Überströme schaltet
die Sicherung dagegen zu spät ab, so dass in diesem Fall
eine elektrische Leitung und/oder ein elektrischer Verbraucher nicht
ausreichend geschützt ist.
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In
der Praxis wird normalerweise noch ein zusätzliches Heizelement
zum Betreiben der Schmelzsicherung eingesetzt. Mit Hilfe eines Stromsensors
und einer Auswerteeinheit wird dabei der Strom im zu schützenden
Schaltkreis bestimmt. In der Auswerteeinheit ist ein Stromreferenzwert
abgespeichert. Übersteigt der aktuelle Stromwert diesen Referenzwert,
so schaltet die Einheit das Heizelement ein, so dass ein Strom durch
das Heizelement fließt und dieses sehr schnell erwärmt.
Die Schmelzsicherung wird nahezu ebenso schnell durch die thermische
Last des Heizelements erhitzt und die Sicherung löst als
Folge davon aus. Beispiele für derartige Schutzschaltungen
finden sich in
DE
197 35 546 A1 und
DE
100 49 071 A1 . Derartige Schutzschaltungen stellen in der
Regel jedoch einen erhöhten Aufwand dar, da sie einerseits
eine Schmelzsicherung mit aktivem Heizelement benötigen,
die einen ausreichenden elektrischen Widerstand haben muss, damit
sie auslösen kann. Andererseits ist eine Auswerteinheit zum
Bestimmen des Stroms und zum Aktivieren des Heizelements notwendig.
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Weiter
werden in einigen technischen Gebieten, beispielsweise im Automotive-Bereich,
elektrische Verbraucher mitunter über Halbleiterschalter bzw.
-treiber, d. h. Leistungstransistoren, angesteuert. Diese Transistoren
oder anderen elektrischen Schaltelemente können im Fehlerfall
durchlegieren oder auf andere Weise einen Nebenschluss aufweisen,
was zu einem erhöhten Stromfluss führt, wobei dieser
erhöhte Stromfluss aber noch nicht den Stromschwellwert überschreitet,
ab dem das Heizelement eingeschaltet wird und/oder die Schmelzsicherung auslöst.
Der erhöhte Stromfluss kann zu einer thermischen Überhitzung
des durchlegierten Schaltelements führen, was nicht unerhebliche
Folgeschäden bis zur Entstehung eines Brandes haben kann.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, eine elektrische Schaltung mit Übertemperaturschutz
zu schaffen, bei der Schäden der Schaltung bzw. anderer Komponenten
infolge eines Überstroms ohne zusätzliche elektrische
Mittel (und damit auf einfache Art und Weise) verhindert werden
können.
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Zur
Lösung dieser Aufgabe wird mit der Erfindung eine elektrische
Schaltung mit Übertemperaturschutz vorgeschlagen, wobei
die Schaltung versehen ist mit,
- – einer
Leiterkarte mit mindestens einem ersten elektrischen Kontaktfeld
und
- – einem elektrischen Bauteil, das mindestens ein erstes
elektrisches Anschlusselement aufweist,
- – wobei das erste Anschlusselement mittels eines schmelzbaren,
elektrisch leitenden Kontaktierungsmaterials mit dem ersten Kontaktfeld
verbunden ist, und
- – einem Krafterzeugungselement zum Aufbringen einer
auf das Bauteil wirkenden Bewegungskraft,
- – wobei das Bauteil durch das Krafterzeugungselement
zwischen einer Verbindungsposition, in der das mindestens eine erste
Anschlusselement des Bauteils mit dem ersten Kontaktfeld der Leiterkarte
verbunden ist, und einer Trennungsposition bewegbar ist, in der
bei infolge einer Erhitzung des Bauteils geschmolzenem Kontaktierungsmaterial
durch die Bewegung des Bauteils mittels des Krafterzeugungselements
die elektrische Verbindung zwischen dem ersten Anschlusselement des
Bauteils und dem ersten Kontaktfeld der Leiterkarte mechanisch getrennt
ist.
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Nach
der Erfindung ist also vorgesehen, dass die erfindungsgemäße
elektrische Schaltung eine Leiterkarte mit mindestens einem ersten
elektrischen Kontaktfeld und ein elektrisches Bauteil mit mindestens
einem ersten elektrischen Anschlusselement aufweist, wobei das erste
Anschlusselement mittels eines schmelzbaren, elektrisch leitenden
Kontaktierungsmaterials mit dem ersten Kontaktfeld verbunden ist.
Beispielsweise kann die Verbindung zwischen dem Anschlusselement
des Bauteils und dem Kontaktfeld der Leiterkarte durch Lötmaterial
erfolgen.
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Erfindungsgemäß weist
die Schaltung ein Krafterzeugungselement zum Aufbringen einer Bewegungskraft
auf, die auf das Bauteil wirkt. Durch das Krafterzeugungselement
wird das Bauteil unter bestimmten Umständen (wenn nämlich
keine feste Verbindung zwischen dem Bauteil und der Leiterkarte
besteht) aus einer Verbindungsposition in eine Trennungsposition
bewegt. In der Verbindungsposition sind die Anschlusselemente des
Bauteils mit den zugehörigen Kontaktfeldern der Leiterkarte
verbunden. In dieser Position ist das Bauteil in Betrieb und durch
z. B. Lötmaterial auf der Leiterkarte befestigt. Während
des normalen Betriebs des Bauteils ist das Krafterzeugungselement
entweder deaktiviert oder seine Andruckkraft bewirkt keine Bewegung
des auf der Leiterkarte fixierten Bauteils. Sobald infolge eines Bauteilsdefekts
eine derart große Erhitzung entsteht, dass das Lötmaterial
aufgeschmolzen ist, liegt das Bauteil lediglich noch lose an der
Leiterkarte an. Nun kann das Krafterzeugungselement das Bauteil
in die Trennungsposition bewegen. In dieser Position wird mindestens
die elektrische Verbindung zwischen einem der Anschlusselemente
des Bauteils und dem zugehörigen Kontaktfeld der Leiterkarte
durch die Bewegung des Bauteils infolge der von dem Krafterzeugungselement
erzeugten Kraft aufgetrennt.
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Normalerweise
umfasst das Bauteil mehrere erste Anschlusselemente und die Leiterkarte
mehrere erste Kontaktfelder für die Anschlusselemente.
In der Trennungsposition des Bauteils sind dann zumeist sämtliche
erste Anschlusselemente von den Kontaktfeldern der Leiterkarte,
mindestens aber eine dieser Verbindung elektrisch und mechanisch
getrennt.
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Zusätzlich
zu dem oder den ersten Anschlusselementen kann das Bauteil z. B.
an seiner Unterseite mindestens ein zweites Anschlusselement aufweisen,
das mit einem zweiten Kontaktfeld der Leiterkarte verbunden ist.
Das Lötmaterial zwischen dem zweiten Anschlusselement und
dem zugehörigen Kontaktfeld braucht hier in erster Linie
nicht der elektrischen Verbindung zu dienen, sondern fungiert hauptsächlich
zur mechanischen Fixierung. In der Verbindungsposition des Bauteils
wird das Bauteil durch das Lötmaterial, das auch der elektrischen
Verbindung dient, zwischen dem Anschlusselement und dem Kontaktfeld
auf der Leiterkarte fixiert. Bei der Erhitzung infolge des Überstroms
wird das Lötmaterial geschmolzen; damit ist das Bauteil
bewegbar. Durch die Aufbringung der Bewegungskraft durch das Krafterzeugungselement wird
das Bauteil in seine Trennungsposition bewegt. Infolge der Oberflächenspannung
des geschmolzenen Lötmaterials ist das Bauteil während
seiner Bewegung zwischen der Verbindungsposition und der Trennungsposition
gegen ein Abfallen von der Leiterkarte gesichert.
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Während
das oder die ersten Anschlusselemente in der Trennungsposition von
dem oder den ersten Kontaktfeldern elektrisch getrennt ist/sind, kann
das zweite Anschlusselement des Bauteils mit dem zweiten Kontaktfeld
der Leiterkarte elektrisch verbunden bleiben, da der Stromkreis
durch die Auftrennung zwischen dem oder den ersten Anschlusselementen
und dem oder den ersten Kontaktfeldern bereits untergebrochen ist.
Zwischen den elektrisch und mechanisch nicht getrennten Anschlusselementen
und zugehörigen Kontaktfeldern befindet sich immer noch
Kontaktierungs-(Löt-)Material, das nach seiner Erstarrung
der Fixierung des Bauteils auf der Leiterkarte dient.
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Zur
Begrenzung der Bewegung des Bauteils aus der Verbindungsposition
in die Trennungsposition kann die Leiterkarte ein Endanschlagelement
aufweisen. Nach Unterbrechung der elektrischen Verbindung kühlen
sich das Bauteil und das Kontaktierungsmaterial wieder ab und das
Bauteil wird nach Erstarrung des Kontaktierungsmaterials durch den Endanschlag
in einer neuen, unkritischen Position fixiert.
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Zweckmäßigerweise
ist das Bauteil durch das Krafterzeugungselement translatorisch
oder rotatorisch in die Trennungsposition bewegbar. Eine erste Möglichkeit
der translatorischen Bewegung ist, dass das Bauteil auf der Leiterkarte
verschoben wird. Diese seitliche Verschiebung kann durch eine an
das Bauteil angreifende Druck- oder Zugkraft erfolgen. Alternativ
kann sich das Bauteil auch dadurch translatorisch bewegen, dass
es durch das Krafterzeugungselement von der Leiterkarte abgehoben
wird. Eine weitere Bewegungsmöglichkeit des Bauteils in die
Trennungsposition bezieht sich auf eine Drehung des Bauteils. In
sämtlichen der vorgenannten Fällen sollte für
eine sichere Fixierung des Bauteils in der Verschiebungsposition
gesorgt werden.
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Es
ist ferner beispielsweise möglich, dass es sich bei dem
Krafterzeugungselement um ein Federelement oder um ein Bimetallelement
handelt. Wenn das Krafterzeugungselement ein Federelement ist, wirkt
auf das Bauteil bereits in dessen auf der Leiterkarte montierten
und elektrisch angeschlossenen Zustand eine Vorspannkraft, die wesentlich
kleiner als die durch das erstarrte Kontaktierungsmaterial hervorgerufene
Haltekraft ist. Bei aufgeschmolzenen Kontaktierungsmaterial ist
diese Haltekraft nicht mehr gegeben und die auf das Bauteil einwirkende Vorspannkraft
führt dann zur Bewegung des Bauteil aus der Verbindungsposition
in die Trennungsposition, wobei die Kraft zur Überwindung
der Adhäsionskräfte infolge der Oberflächenspannung
des aufgeschmolzenen Kontaktierungsmaterials recht gering ist.
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Wenn
das Krafterzeugungselement ein Bimetallelement ist, so kann auf
eine Vorspannung des Bauteils in der Verbindungsposition verzichtet
werden. Das Bimetallelement wird mit dem Bauteil thermisch gekoppelt.
Bei einer Erhitzung des Bauteils z. B. infolge eines Überstroms
wird das Bimetallelement von dem Bauteil aufgrund der thermischen Kopplung
erwärmt. Diese Erwärmung führt zu mechanischen
Verspannungen im Bimetallelement, das somit eine Kraft auf das Bauteil
ausübt. Es bedarf also keiner zusätzlichen Wärmequelle
für die Aktivierung (und damit Verformung) des Bimetallelements. Infolge
dieser Aktivierung übt das Bimetallelement eine Kraft auf
das defekte Bauteil aus, die bei aufgeschmolzenem Kontaktierungsmaterial
die Bewegung des Bauteils in die Trennungsposition bewirkt.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand zweier Ausführungsbeispiele
und unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert.
Im einzelnen zeigen dabei:
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1 einen
ersten Lösungsansatz für eine elektrische Schaltung
mit Übertemperaturschutz im Normalbetrieb des Bauteils,
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2 die
elektrische Schaltung nach 1 nach einer
Erhitzung des Bauteils, das nun nicht mehr betriebsmäßig
elektrisch mit den Kontaktfeldern der Leiterkarte verbunden ist,
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3 einen
zweiten Lösungsansatz für eine elektrische Schaltung
mit Übertemperaturschutz im Normalbetrieb des Bauteils
und
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4 die
elektrische Schaltung nach 3 nach einer
Erhitzung des Bauteils, das nun nicht mehr betriebsmäßig
elektrisch mit den Kontaktfeldern der Leiterkarte verbunden ist.
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In
den 1 und 2 ist eine elektrische Schaltung 10 mit Übertemperaturschutz
in zwei verschiedenen Betriebszuständen dargestellt. Die
elektrische Schaltung 10 weist eine Leiterkarte 12 mit
beispielsweise zu zwei ersten elektrischen Kontaktfeldern 14 führenden
Leiterbahnen 15 und ein Bauteil 16 mit beispielsweise
zwei ersten elektrischen Anschlusselementen 18 auf. Außer
seinen zwei ersten Anschlusselementen 18 weist das Bauteil 16 noch ein
zweites Anschlusselement 20 auf seiner Unterseite auf.
Entsprechend ist die Leiterkarte 12 mit einem zu dem zweiten
Anschlusselement 20 des Bauteils 16 zugehörigen
zweiten Kontaktfeld 22 versehen. Erfindungsgemäß weist
die elektrische Schaltung 10 ein Krafterzeugungselement 24 zum
Aufbringen einer auf das Bauteil 16 wirkenden Bewegungskraft
auf. In der Schaltung 10 gemäß den 1 und 2 handelt
es sich bei dem Krafterzeugungselement 24 beispielsweise
um ein Federelement 26, das als Blattfeder ausgebildet
ist. Durch das Federelement 26 wird das Bauteil 16 unter
bestimmten Umständen von einer Verbindungsposition (1)
aus in eine Trennungsposition (2) bewegt.
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In
der Verbindungsposition des Bauteils 16 sind die ersten
Anschlusselemente 18 mittels eines schmelzbaren, elektrisch
leitenden Kontaktierungsmaterials 28 in Form z. B. eines
Lötmaterials mit den ersten Kontaktfeldern 16 verbunden.
Eine mechanische (und ggf. auch elektrische) Verbindung zwischen
dem zweiten Anschlusselement 20 des Bauteils 16 und
dem zweiten Kontaktfeld 22 der Leiterkarte 12 erfolgt
auch durch das schmelzbare, elektrisch leitende Kontaktierungs-(Löt-)material 28.
Mittels dieses Kontaktierungsmaterials 28 ist das Bauteil 16 also
auf der Leiterkarte 12 im Normalbetrieb sowohl elektrisch
Kontaktiert als auch mechanisch fixiert.
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Wie
anhand von 1 zu erkennen ist, ist das Federelement 26 als
Blattfeder ausgebildet, die an ihrem einen Ende durch Fixierelemente 30 an
der Leiterkarte 12 festgelegt ist und über ihr
anderes Ende auf das Bauteil 16 bereits in dessen auf der
Leiterkarte 12 fixierten und elektrisch angeschlossenen Zustand
eine (geringe) Vorspannkraft ausübt. Das Federelement kann
z. B. auch an einem Gehäuse befestigt sein, in dem die
Leiterkarte angeordnet ist. Da diese Vorspannkraft kleiner als die
durch das erstarrte Kontaktierungsmaterial 28 hervorgerufene
Haltekraft ist, kann das Bauteil 16 im Normalbetrieb bzw. in
der Verbindungsposition des Bauteils 16 nicht von dem Federelement 26 bewegt
werden.
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In
der 2 ist die elektrische Schaltung 10 in
der Trennungsposition des Bauteils 16 gezeigt. Bei einer
Erhitzung des Bauteils 16 infolge eines Überstroms
wird das Kontaktierungsmaterial 28 aufgeschmolzen; nun
ist das Bauteil 16 nicht mehr fixiert und somit bewegbar.
Durch die Aufbringung der Bewegungskraft durch das Krafterzeugungselement 24 wird
das Bauteil 16 in seine Trennungsposition bewegt. Infolge
der Oberflächenspannung des geschmolzenen Kontaktierungsmaterials 28 ist
das Bauteil 16 während seiner Bewegung zwischen
der Verbindungsposition und der Trennungsposition gegen ein Abfallen
von der Leiterkarte 12 gesichert.
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In
der Trennungsposition des Bauteils 16 sind seine zwei ersten
Anschlusselemente 18 von den zwei zugehörigen
Kontaktfeldern 14 der Leiterkarte 12 mechanisch
und elektrisch getrennt; dadurch ist der Stromkreis unterbrochen.
Das zweite Anschlusselement 20 des Bauteils 16 mit
dem zweiten Kontaktfeld 22 der Leiterkarte 12 bleibt
in der Trennungsposition des Bauteils 16 noch verbunden. Zwischen
dem (elektrisch und) mechanisch nicht getrennten zweiten Anschlusselement 20 des
Bauteils 16 und dem zugehörigen Kontaktfeld 22 der
Leiterkarte 12 befindet sich immer noch Kontaktierungsmaterial 28,
das nach seiner Erstarrung der Fixierung des Bauteils 16 dient.
Zur Erzielung dieses Effekts ist es nicht zwingend erforderlich,
dass das zweite Anschlusselement 20 und das zugehörige
Kontaktfeld 22 zum Leiten eines elektrischen Stroms dient.
Das Kontaktfeld 22 braucht also auf der Leiterkarte 12 lediglich als
metallisierte Fläche (ohne Leiterbahn) ausgeführt
zu sein, während das zweite Anschlusselement 20 ohne
elektrische Funktion für das Bauteil 16 sein kann.
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Zur
Begrenzung der Bewegung des Bauteils 16 aus der Verbindungsposition
in die Trennungsposition weist die Leiterkarte 12 ein Endanschlagelement 32 auf.
Nach Unterbrechung der elektrischen Verbindung kühlen sich
das Bauteil 16 und das Kontaktierungsmaterial 28 wieder
ab und das Bauteil 16 wird nach Erstarrung des Kontaktierungsmaterials 28 durch
den Endanschlag 32 in einer neuen, unkritischen Position
fixiert.
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In
den 3 und 4 ist eine alternative elektrische
Schaltung 10' mit einem Bimetallelement 34 als
Krafterzeugungselement 24 in zwei verschiedenen Betriebszuständen
dargestellt. Soweit die Teile der Schaltung 10' nach den 3 und 4 den Teilen
des Schaltung 10 nach den 1 und 2 gleichen,
sind sie in den 3 und 4 mit den gleichen
Bezugszeichen bezeichnet.
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Wie
man anhand von 3 erkennen kann, übt
das Bimetallelement 34 keine Vorspannkraft auf dem Bauteil 16 in
der Verbindungsposition aus. Im Normalbetrieb des Bauteils 16 ist
das Bimetallelement 34 mit dem Bauteil 16 thermisch
gekoppelt. Bei einer Erhitzung des Bauteils 16 z. B. infolge
eines Überstroms wird das Bimetallelement 34 durch
das Bauteil 16 aufgrund der thermischen Kopplung erhitzt und
durch die Erhitzung verformt. Infolge dieser Verformung übt
das Bimetallelement 34 eine Bewegungskraft auf das defekte
Bauteil 16 aus. Dies bewirkt die Bewegung des Bauteils 16 in
die Trennungsposition.
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- 10
- elektrische
Schaltung mit Übertemperaturschutz
- 10'
- elektrische
Schaltung mit Übertemperaturschutz
- 12
- Leiterkarte
- 14
- erstes
elektrisches Kontaktfeld der Leiterkarte
- 15
- Leiterbahn
- 16
- Bauteil
- 18
- erstes
elektrisches Anschlusselement des Bauteils
- 20
- zweites
Anschlusselement des Bauteils
- 22
- zweites
Kontaktfeld der Leiterkarte
- 24
- Krafterzeugungselement
- 26
- Federelement
als Krafterzeugungselement
- 28
- Kontaktierungsmaterial
- 30
- Fixierelemente
für das Krafterzeugungselement
- 32
- Endanschlagelemente
- 34
- Bimetallelement
als alternatives Krafterzeugungselement
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 19735546
A1 [0004]
- - DE 10049071 A1 [0004]