DE102009043443A1 - Method for cooling of battery module for vehicle, involves supplying cooling fluid for cooling of battery module from side of battery module - Google Patents
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Abstract
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren, um ein Batteriemodul eines Fahrzeugs zu kühlen, sowie ein entsprechend ausgestaltetes Batteriemodul und Fahrzeug.The present invention relates to a method for cooling a battery module of a vehicle, as well as a correspondingly designed battery module and vehicle.
Die
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Die
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Moderne Batterien, welche beispielsweise zum Antrieb eines Fahrzeugs eingesetzt werden, benötigen eine Kühlung. Nach dem Stand der Technik wird dabei ein Kühlmittel von einer Seite eines Batteriemoduls eingeführt und auf einer dieser Seite gegenüberliegenden Seite des Batteriemoduls abgeführt. Bei einer axialen Führung des Kühlmittels (entlang einer Achse eines zylinderförmigen Batteriemoduls) liegt somit ein Kühlmittelanschluss auf derselben Seite wie die elektrischen Anschlüsse der Batterie, was zu Problemen bei einem Kühlmittelaustritt führen kann. Darüber hinaus gibt es nach dem Stand der Technik Probleme mit so genannten Wärmenestern, d. h. mit Stellen am Batteriemodul, welche wärmer sind als andere Stellen.Modern batteries, which are used for example for driving a vehicle, require cooling. According to the prior art, a coolant is introduced from one side of a battery module and discharged on a side of the battery module opposite this side. With an axial guidance of the coolant (along an axis of a cylindrical battery module), a coolant connection thus lies on the same side as the electrical connections of the battery, which can lead to problems with a coolant outlet. Moreover, according to the prior art, there are problems with so-called heat esters, d. H. with points on the battery module, which are warmer than other places.
Daher ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, diese Probleme nach dem Stand der Technik zu vermeiden.Therefore, it is the object of the present invention to avoid these problems according to the prior art.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren zur Kühlung eines Batteriemoduls für ein Fahrzeug nach Anspruch 1 und Anspruch 2, ein Batteriemodul für ein Fahrzeug nach Anspruch 4 und 5 sowie ein Fahrzeug nach Anspruch 14 gelöst. Die abhängigen Ansprüche definieren bevorzugte und vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.According to the invention this object is achieved by a method for cooling a battery module for a vehicle according to
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Kühlung eines Batteriemoduls, welches mehrere Batteriezellen umfasst, für ein Fahrzeug bereitgestellt. Dabei sind die Batteriezellen derart angeordnet, dass elektrische Anschlüsse jeder Batteriezelle auf derselben Seite des Batteriemoduls liegen, welche als erste Seite des Batteriemoduls bezeichnet wird. Zur Kühlung des Batteriemoduls wird von einer zweiten Seite des Batteriemoduls ein Kühlfluid zugeführt und von derselben zweiten Seite auch abgeführt. Diese zweite Seite des Batteriemoduls liegt dabei der ersten Seite des Batteriemoduls gegenüber. Dabei wird unter einem Kühlfluid eine Kühlflüssigkeit, ein Kühlgas oder eine Mischform verstanden.In the context of the present invention, a method for cooling a battery module, which comprises a plurality of battery cells, is provided for a vehicle. In this case, the battery cells are arranged such that electrical connections of each battery cell lie on the same side of the battery module, which is referred to as the first side of the battery module. For cooling the battery module, a cooling fluid is supplied from a second side of the battery module and also discharged from the same second side. This second side of the battery module is located opposite the first side of the battery module. In this case, a cooling fluid is understood as meaning a cooling fluid, a cooling gas or a mixed form.
Indem das Kühlfluid von derselben Seite zu- und abgeführt wird, wobei diese Seite nicht derjenigen Seite entspricht, auf welcher sich die elektrischen Anschlüsse der Batteriezellen befinden, treten die nach dem Stand der Technik bekannten Probleme, dass das Kühlfluid bei einem Austritt mit den elektrischen Anschlüssen der Batteriezellen in Verbindung gerät, vorteilhafterweise nicht auf.By supplying and discharging the cooling fluid from the same side, this side not corresponding to the side on which the electrical connections of the battery cells are located, the problems known in the prior art arise that the cooling fluid exits with the electrical connections the battery cells in connection device, advantageously not on.
Wenn man die zweite Seite als Bodenseite des Batteriemoduls bezeichnet, dann strömt das Kühlfluid insbesondere im Wesentlichen von unten (und nicht von der Seite) dieser Bodenseite und damit dem Batteriemodul zu.In particular, when referring to the second side as the bottom side of the battery module, the cooling fluid flows substantially from below (and not from the side) of this bottom side and thus to the battery module.
Es sei darauf hingewiesen, dass es erfindungsgemäß auch möglich ist, dass die Batteriezellen durch Kühlelemente gekühlt werden, welche nicht von einem Kühlfluid durchströmt werden. In diesem Fall sitzen die Kühlelemente oder Kühlfinger auf einem Kühlkörper, welcher mittels eines Kühlfluids gekühlt werden kann und über welchen die Kühlelemente selbst gekühlt werden.It should be noted that according to the invention it is also possible that the battery cells are cooled by cooling elements, which are not flowed through by a cooling fluid. In this case, the cooling elements or cooling fingers sit on a cooling body, which can be cooled by means of a cooling fluid and via which the cooling elements themselves are cooled.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird ein weiteres Verfahren zur Kühlung eines Batteriemoduls für ein Fahrzeug bereitgestellt. Dabei umfasst das Batteriemodul mehrere Batteriezellen. Eine Kühlanordnung mit mehreren Kühlelementen wird zur Kühlung des Batteriemoduls mit den Batteriezellen verbunden. Erfindungsgemäß ist eine Kontaktfläche, an welcher sich eine der mehreren Batteriezellen mit einem oder mit mehreren der Kühlelemente berührt, für alle Batteriezellen gleich groß. Mit anderen Worten weist jede Batteriezelle im selben Umfang eine Kontaktfläche oder Berührungsfläche auf, die dadurch definiert ist, dass die jeweilige Batteriezelle an dieser Kontaktfläche von einem oder von mehreren Kühlelementen berührt oder kontaktiert und damit gekühlt wird.In the context of the present invention, a further method for cooling a battery module for a vehicle is provided. In this case, the battery module comprises a plurality of battery cells. A cooling arrangement with a plurality of cooling elements is connected to the battery cells for cooling the battery module. According to the invention, a contact surface on which contacts one of the plurality of battery cells with one or more of the cooling elements, the same size for all battery cells. In other words, each battery cell to the same extent on a contact surface or contact surface, which is defined by the fact that the respective battery cell is touched or contacted at this contact surface of one or more cooling elements and thus cooled.
Da die Kontaktfläche für jede Batteriezelle gleich groß ist, ist auch die Kühlleistung für jede Batteriezelle gleich groß. Daher werden durch das erfindungsgemäße Verfahren zur Kühlung des Batteriemoduls alle Batteriezellen gleichmäßig gekühlt.Since the contact area for each battery cell is the same size, the cooling capacity for each battery cell is the same size. Therefore, all battery cells are uniformly cooled by the inventive method for cooling the battery module.
Dabei sind die Batteriezellen vorteilhafterweise gleichförmig (d. h. gleiche Bauform) und parallel zueinander angeordnet, wodurch ein Aufbau des Batteriemoduls und damit auch die Kühlung des Batteriemoduls vereinfacht wird.The battery cells are advantageously uniform (ie the same design) and parallel arranged to each other, whereby a structure of the battery module and thus the cooling of the battery module is simplified.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird auch ein Batteriemodul für ein Fahrzeug bereitgestellt. Dabei umfasst das Batteriemodul mehrere Batteriezellen und eine Kühlanordnung. Die Batteriezellen sind derart angeordnet, dass ein elektrischer Anschluss jeder Batteriezelle auf derselben Seite des Batteriemoduls liegt, welche als erste Seite bezeichnet wird. Die Kühlanordnung ist zur Kühlung des Batteriemoduls mit den Batteriezellen verbunden, wobei die Kühlanordnung einen Einlass und einen Auslass für ein Kühlfluid aufweist. Der Einlass und der Auslass sind auf derselben Seite des Batteriemoduls angeordnet, welche als zweite Seite bezeichnet wird. Erfindungsgemäß liegt die erste Seite der zweiten Seite gegenüber.In the context of the present invention, a battery module for a vehicle is also provided. In this case, the battery module comprises a plurality of battery cells and a cooling arrangement. The battery cells are arranged such that an electrical connection of each battery cell lies on the same side of the battery module, which is referred to as the first side. The cooling arrangement is connected to the battery cells for cooling the battery module, the cooling arrangement having an inlet and an outlet for a cooling fluid. The inlet and the outlet are arranged on the same side of the battery module, which is referred to as the second side. According to the invention, the first side is opposite to the second side.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird auch ein weiteres Batteriemodul für ein Fahrzeug bereitgestellt, wobei das Batteriemodul wiederum mehrere Batteriezellen und eine Kühlanordnung umfasst. Die Kühlanordnung weist mehrere Kühlelemente auf und ist zur Kühlung des Batteriemoduls mit den Batteriezellen verbunden. Erfindungsgemäß ist die Kühlanordnung derart angeordnet, dass eine Kontaktfläche, an welcher sich eine der Batteriezellen mit einem oder mit mehreren der Kühlelemente berührt, für alle Batteriezellen gleich groß ist, d. h. die jeweilige Kontaktfläche weist für alle Batteriezellen dieselbe Fläche auf.In the context of the present invention, a further battery module for a vehicle is also provided, wherein the battery module in turn comprises a plurality of battery cells and a cooling arrangement. The cooling arrangement has a plurality of cooling elements and is connected to the battery cells for cooling the battery module. According to the invention, the cooling arrangement is arranged in such a way that a contact surface, at which one of the battery cells contacts one or more of the cooling elements, is the same size for all battery cells, ie. H. the respective contact surface has the same area for all battery cells.
Die Vorteile der erfindungsgemäßen Batteriemodule entsprechen im Wesentlichen den Vorteilen des entsprechenden erfindungsgemäßen Verfahrens, welche vorab im Detail ausgeführt sind, so dass hier auf eine Wiederholung verzichtet wird.The advantages of the battery modules according to the invention essentially correspond to the advantages of the corresponding method according to the invention, which are carried out in advance in detail, so that a repetition is dispensed with here.
Die Batteriezellen des Batteriemoduls sind vorteilhafterweise zylinderförmig und parallel zueinander in dem Batteriemodul angeordnet.The battery cells of the battery module are advantageously arranged cylindrical and parallel to each other in the battery module.
Jedes Kühlelement steht insbesondere über dieselbe Länge entlang der Zylinderachse der mit ihm in Verbindung stehenden Batteriezelle(n) mit einer oder mit mehreren der Batteriezellen in Kontakt. Dabei ist ein Umschlingungswinkel (bzw. eine Summe von Umschlingungswinkeln), über welchen die jeweilige Batteriezelle mit einem oder mit mehreren der Kühlelemente in Kontakt steht, für jede Batteriezelle gleich groß. Der Umschlingungswinkel wird dabei im Bezug auf die Kreisfläche des Zylinderkörpers der jeweiligen Batteriezelle gemessen.Each cooling element is in particular over the same length along the cylinder axis of the associated battery cell (s) with one or more of the battery cells in contact. In this case, a wrapping angle (or a sum of wrapping angles) over which the respective battery cell is in contact with one or more of the cooling elements is the same size for each battery cell. The wrap angle is measured in relation to the circular area of the cylinder body of the respective battery cell.
Da der Umschlingungswinkel für jede Batteriezelle gleich groß ist und jedes Kühlelement dieselbe Länge aufweist, ist somit die Voraussetzung erfüllt, dass die Kontaktfläche, über welche die jeweilige Batteriezelle von einem oder von mehreren Kühlelementen gekühlt wird, für alle Batteriezellen gleich groß ist.Since the wrap angle for each battery cell is the same size and each cooling element has the same length, thus the condition is met that the contact surface over which the respective battery cell is cooled by one or more cooling elements, is the same size for all battery cells.
Bei einer bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführungsform umfasst das Batteriemodul genau sechs Batteriezellen jeweils derselben ersten Abmessung und drei Kühlelemente jeweils derselben zweiten Abmessung. Die zylinderförmigen und parallel zueinander angeordneten Batteriezellen weisen dieselbe Zylinderachsenrichtung auf. Die Batteriezellen sind derart angeordnet, dass im Bezug zu einem Querschnitt des Batteriemoduls senkrecht zu der Zylinderachsenrichtung jeweils drei Batteriezellen eine Seite eines gleichseitigen Dreiecks ausbilden. Dabei wird jede der drei Seiten des Dreiecks jeweils von einer Strecke gebildet, welche die Schnittpunkte der Zylindermittelachsen der zu der jeweiligen Seite gehörenden Batteriezellen mit der jeweiligen Querschnittsebene (Zeichenebene, in welcher sich der Querschnitt befindet) verbindet. Anders ausgedrückt wird jede Seite des gleichseitigen Dreiecks von drei auf einer Gerade liegenden Batteriezellen gebildet. Eine Seite des gleichseitigen Dreiecks wird dabei durch Schnittpunkte definiert, welche die jeweilige Zylindermittelachse der entsprechenden Batteriezelle mit der Querschnittsebene ausbilden. Genauer gesagt wird eine Seite des Dreiecks durch eine Verbindung der beiden Schnittpunkte der beiden am äußeren Rand der jeweiligen Seite liegenden Batteriezellen gebildet, wobei der Schnittpunkt der in der Mitte der Seite liegenden Batteriezelle ebenfalls auf der die Seite definierenden Strecke liegt. Da die drei an den drei Ecken des gleichseitigen Dreiecks liegenden Batteriezellen zu jeweils zwei Seiten des gleichseitigen Dreiecks gehören, wird das Batteriemodul von sechs Batteriezellen gebildet. Jedes der drei Kühlelemente kontaktiert zum einen eines der drei an einer Ecke des gleichseitigen Dreiecks angeordneten Batteriezellen und zusätzlich die beiden Batteriezellen, welche mit der jeweiligen Eck-Batteriezelle unmittelbar benachbart sind.In a preferred embodiment of the invention, the battery module comprises exactly six battery cells each having the same first dimension and three cooling elements each having the same second dimension. The cylindrical and parallel to each other arranged battery cells have the same cylinder axis direction. The battery cells are arranged such that, with respect to a cross section of the battery module perpendicular to the cylinder axis direction, three battery cells each form one side of an equilateral triangle. In this case, each of the three sides of the triangle is formed in each case by a path which connects the intersections of the cylinder center axes of the battery cells belonging to the respective side with the respective cross-sectional plane (drawing plane in which the cross-section is located). In other words, each side of the equilateral triangle is formed by three battery cells lying on a straight line. One side of the equilateral triangle is defined by intersections, which form the respective cylinder center axis of the corresponding battery cell with the cross-sectional plane. More specifically, one side of the triangle is formed by connecting the two intersections of the two battery cells located on the outer edge of the respective side, wherein the intersection of the battery cell located in the center of the page is also on the side defining path. Since the three battery cells located at the three corners of the equilateral triangle belong to two sides of the equilateral triangle, the battery module is formed by six battery cells. Each of the three cooling elements contacts, for one of the three battery cells arranged at one corner of the equilateral triangle, and additionally the two battery cells, which are directly adjacent to the respective corner battery cell.
Dabei besitzt insbesondere eine erste Kontaktfläche jedes Kühlelements, welche das entsprechende Kühlelement mit der jeweiligen Eck-Batteriezelle aufweist, eine genauso große Fläche wie zusammen zwei zweite Kontaktflächen des entsprechenden Kühlelements, welche das entsprechende Kühlelement mit den beiden anderen von dem entsprechenden Kühlelement kontaktierten Batteriezellen aufweist. Anders ausgedrückt weist jedes Kühlelement drei Kontaktflächen mit drei Batteriezellen auf. Eine erste Kontaktfläche kontaktiert die Eck-Batteriezelle und jeweils eine von zwei zweiten Kontaktflächen kontaktiert eine der beiden Batteriezellen, welche unmittelbar mit der entsprechenden Eck-Batteriezelle in Verbindung stehen. Die Fläche der ersten Kontaktfläche ist dabei genauso groß, wie die Summe der Flächen der beiden zweiten Kontaktflächen.In particular, a first contact surface of each cooling element, which has the corresponding cooling element with the respective corner battery cell, has the same area as together two second contact surfaces of the corresponding cooling element, which has the corresponding cooling element with the other two battery cells contacted by the corresponding cooling element. In other words, each cooling element has three contact surfaces with three battery cells. A first contact surface contacts the corner battery cell and one of each of two second contact surfaces makes contact with one of the two battery cells which are directly connected to the corresponding corner battery cell. The area of the first contact surface is just as large as the sum of the areas of the two second contact surfaces.
Da die drei Eck-Batteriezellen jeweils nur mit einem Kühlelement (mit einer Flächeneinheit) in Verbindung stehen und die drei jeweils in der Mitte einer Seite des gleichseitigen Dreiecks liegenden Batteriezellen von jeweils zwei Kühlelementen (jeweils mit einer halben Flächeneinheit) kontaktiert werden, ist die Gesamtkontaktfläche und damit die Gesamtkühlleistung für jede Batteriezelle gleich groß. Since the three corner battery cells each only with a cooling element (with a unit area) are in communication and the three each lying in the middle of one side of the equilateral triangle battery cells of each two cooling elements (each with a half surface unit) are contacted, the total contact surface and thus the total cooling capacity for each battery cell the same size.
Vorteilhafterweise sind die Kühlelemente derart miteinander in Form einer Reihenschaltung verbunden, dass das Kühlfluid nacheinander alle Kühlelemente durchströmt.Advantageously, the cooling elements are connected to one another in the form of a series connection such that the cooling fluid flows through all the cooling elements one after the other.
Dabei ist insbesondere ein Querschnitt eines Strömungskanals, in welchem das Kühlfluid durch die Kühlanordnung strömt, an allen Stellen, d. h. in jedem Kühlelement und auch bei den Verbindungselementen zwischen den Kühlelementen, gleich groß.In particular, a cross section of a flow channel, in which the cooling fluid flows through the cooling arrangement, is at all points, i. H. in each cooling element and also in the connecting elements between the cooling elements, the same size.
Indem der Querschnitt des Strömungskanals überall gleich groß ist, herrscht in dem Strömungskanal eine gleichmäßige Strömungsgeschwindigkeit, was auch zu einer gleichmäßigen Kühlleistung für die Batteriezellen führt und damit zu einer Vermeidung von Wärmenestern führt.By the cross section of the flow channel is the same everywhere, there is a uniform flow velocity in the flow channel, which also leads to a uniform cooling capacity for the battery cells and thus leads to an avoidance of hot spots.
Es sei ausdrücklich darauf hingewiesen, dass die Ausführungsform des Batteriemoduls, bei welcher der Einlass und der Auslass auf derselben Seite des Batteriemoduls angeordnet sind und die Ausführungsform des Batteriemoduls, bei welcher die Kontaktflächen für alle Batteriezellen gleich groß sind, auch kombiniert werden können. Anders ausgedrückt wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung auch ein Batteriemodul unter Schutz gestellt, bei welchem der Einlass und der Auslass auf derselben Seite des Batteriemoduls angeordnet sind und bei welchem die Kontaktflächen für alle Batteriemodulzellen gleich groß sind.It should be expressly understood that the embodiment of the battery module in which the inlet and the outlet are disposed on the same side of the battery module and the embodiment of the battery module in which the contact surfaces are the same size for all battery cells, can also be combined. In other words, in the context of the present invention, a battery module is also protected, in which the inlet and the outlet are arranged on the same side of the battery module and in which the contact areas for all battery module cells are equal.
Das erfindungsgemäße Batteriemodul weist vorteilhafterweise einen geringen Bauraumbedarf auf und ermöglicht eine gezielte, erzwungene Durchströmung des Kühlfluids durch die Kühlanordnung.The battery module according to the invention advantageously has a small space requirement and allows a targeted, forced flow through the cooling fluid through the cooling arrangement.
Bei einer erfindungsgemäßen Ausführungsform des Batteriemoduls umfasst die Kühlanordnung einen Kühlkörper, über welchen die Kühlelemente gekühlt werden. Dabei fließt insbesondere kein Kühlfluid durch die Kühlelemente, so dass die Gefahr, dass ein Kühlfluid mit den elektrischen Anschlüssen der Batteriezellen in Kontakt kommt, bei dieser Ausführungsform noch geringer ist, als bei den vorab skizzierten Ausführungsformen. Die Kühlelemente sind vorteilhafterweise aus einem stark Wärme leitenden Material (z. B. Kupfer) ausgebildet, um die Wärme von den Batteriezellen über den Kühlkörper abzutransportieren. Der Kühlkörper selbst kann zur Kühlung von einem Kühlfluid durchflossen sein.In an embodiment according to the invention of the battery module, the cooling arrangement comprises a heat sink, via which the cooling elements are cooled. In particular, no cooling fluid flows through the cooling elements, so that the risk that a cooling fluid comes into contact with the electrical terminals of the battery cells is even lower in this embodiment than in the previously outlined embodiments. The cooling elements are advantageously formed of a highly heat-conductive material (eg, copper) to carry away the heat from the battery cells via the heat sink. The heat sink itself can be traversed by a cooling fluid for cooling.
Schließlich wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung auch ein Fahrzeug bereitgestellt, welches ein vorab beschriebenes erfindungsgemäßes Batteriemodul umfasst.Finally, in the context of the present invention, a vehicle is provided, which comprises a previously described battery module according to the invention.
Die vorliegende Erfindung ist insbesondere für Kraftfahrzeuge geeignet, welche zumindest zeitweise zusätzlich durch elektrische Energie angetrieben werden. Selbstverständlich ist die vorliegende Erfindung nicht auf diesen bevorzugten Anwendungsbereich beschränkt, da die vorliegende Erfindung auch allgemein außerhalb und losgelöst von Fahrzeugen, beispielsweise als Batteriemodul zur Energieversorgung eines Hauses, eingesetzt werden könnte. Darüber hinaus ist ein Einsatz der vorliegenden Erfindung bei Schiffen, Flugzeugen und gleisgebundenen Fahrzeugen denkbar.The present invention is particularly suitable for motor vehicles which are at least temporarily driven by electrical energy. Of course, the present invention is not limited to this preferred application, since the present invention could also be used generally outside and detached from vehicles, for example, as a battery module for powering a home. In addition, an application of the present invention in ships, aircraft and track-bound vehicles is conceivable.
Im Folgenden wird die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter erfindungsgemäßer Ausführungsformen mit Bezug zu den Figuren im Detail erläutert.In the following, the present invention will be explained in detail with reference to preferred embodiments of the invention with reference to the figures.
In
In
In
In
In
In
In
In
Die drei Kühlelemente
In
Darüber hinaus sind in
Da die Batteriezellen
In
In
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Batteriemodulbattery module
- 22
- Batteriezellebattery cell
- 2a–f2a-f
- Batteriezellebattery cell
- 33
- Modulgehäusemodule housing
- 44
- Kühlelementcooling element
- 55
- Kühlanordnungcooling arrangement
- 66
- KühlverbindungselementCooling connecting element
- 77
- Umlenkblechbaffle
- 88th
- gleichseitiges Dreieckequilateral triangle
- 99
- Modulanordnungmodule assembly
- 1010
- Fahrzeugvehicle
- 1111
- elektrische Anschlussseiteelectrical connection side
- 1212
- KühlfluideinlassCooling fluid inlet
- 1313
- Kühlfluidauslasscooling fluid outlet
- 1414
- Strömungsrichtungflow direction
- 1515
- Batteriemodulseite bzw. BodenseiteBattery module side or bottom side
- 1616
- elektrische Anschlüsseelectrical connections
- 1717
- ZylindermittelachseCylinder center axis
- 1818
- KreismittelpunktCircle center
- 1919
- Kühlkörperheatsink
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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- EP 0599137 B1 [0003] EP 0599137 B1 [0003]
- US 4853100 [0004] US 4853100 [0004]
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