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Die Erfindung betrifft eine Bodenteil für einen Solar-Flachkollektor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, ein Verfahren zur Herstellung des Bodenteils und einen Solar-Flachkollektor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 15.
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Solar-Flachkollektoren sind in zahlreichen Varianten bekannt. Sie bestehen in der Regel aus einem Bodenteil in Form eines plattenförmigen Rahmens oder einer Metallwanne, in die ein der Wärmedämmung dienendes Isoliermaterial eingebracht ist (z. B.
DE 196 33 106 C2 ). Als Isoliermaterial kann z. B. Gesteinswolle oder ein Kunststoffschaum verwendet werden. Ein Hauptnachteil derartiger Bodenteile in Platten- oder Wannenform besteht darin, dass die verwendeten Metalle wie Stahl oder Aluminium bei den auftretenden Temperaturen, die z. B. zwischen –80°C und +200°C schwanken können, vergleichsweise großen Wärmedehnungen bzw. -stauchungen unterworfen sind. Die in den fertigen Flachkollektoren z. B. mit den oberen Rändern einer Wanne verbundenen, z. B. aus Quarzglas hergestellten Glasabdeckungen weisen dagegen einen äußerst geringen thermischen Ausdehnungskoeffizienten auf. Das hat zur Folge, dass die Verbindung zwischen der Metallwanne und der Glasabdeckung schnell undicht wird und dann Feuchtigkeit in den mit einem Absorber versehenen Kollektorraum eindringen kann. Entsprechende Probleme können sich bei anderen Formen des Bodenteils ergeben. Als Folge davon kann die Glasabdeckung beschlagen, was den Wirkungsgrad des Flachkollektors wesentlich herabsetzt. Zu beanstanden ist außerdem, dass über Bodenteile aus Metall, die eine hohe thermische Leitfähigkeit aufweisen, Wärme nach außen abgegeben wird. Das gilt insbesondere dann, wenn Gesteinswolle als Isoliermaterial verwendet wird und z. B. die Seitenwände einer Wanne mangels ausreichender Haftung des Isoliermaterials gar nicht oder nur schlecht isoliert werden können. Außerdem müssen im Innenraum des Flachkollektors in der Regel Halterungen, Abstandhalter od. dgl. angebracht werden, um den Absorber in einem vorgegebenen Abstand von der Glasabdeckung zu halten, weil Gesteinswolle od. dgl. allein keinen festen Halt bieten kann.
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Daneben ist es bekannt, Bodenteile vollständig aus einem Hartschaum auszubilden (
AT 364 975 ). Hierdurch ergibt sich gegenüber einem Bodenteil aus Metall der Nachteil, dass eine ausreichende Stabilität des gesamten Flachkollektors nur mit einer vergleichsweise dicken Hartschaumschicht erreicht werden kann, was zu einer unerwünscht großen Bauhöhe führt. Außerdem entstehen durch die großen benötigten Dicken des Hartschaums vergleichsweise große Kosten. Schließlich ist Hartschaum kein geeignetes Trägermaterial für die üblichen Glasabdeckungen, so dass zusätzliche Mittel für deren Befestigung erforderlich sind.
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Ausgehend von diesem Stand der Technik besteht das der Erfindung zugrunde liegende Problem darin, das Bodenteil der eingangs bezeichneten Gattung so auszubilden, dass es einen geringeren thermischen Ausdehnungskoeffizienten besitzt, mit einer geringen Bauhöhe und dennoch mit einer hohen mechanischen Stabilität hergestellt werden kann, im Fall einer Wanne eine dauerhaft gute Verbindung zwischen der Wanne und der Glasabdeckung möglich ist und eine stark reduzierte Wärmeabstrahlung nach außen auftritt. Außerdem sollen ein Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen Bodenteils und ein mit einem solchen Bodenteil versehener Solar-Flachkollektor vorgeschlagen werden.
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Gelöst wird dieses Problem erfindungsgemäß dadurch, dass das Bodenteil als einstückiger Mehrschichtkörper ausgebildet ist, der eine erste, aus faserverstärktem Polyester hergestellte Schicht und eine mit deren Innenseite integral verbundene, zweite Schicht aus dem Isoliermaterial enthält, wobei das Isoliermaterial aus Polyurethan- oder Faserschaum besteht.
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Die Erfindung bringt den Vorteil mit sich, dass das Bodenteil bereits bei Dicken von nur ca. 1,5 mm bis 3 mm eine so hohe mechanische Festigkeit besitzen, wie es für eine Anwendung als Bodenteil eines Flachkollektors erforderlich ist. Dadurch können eine geringe Bauhöhe und ein geringes Gewicht erzielt werden. Ferner besitzt das erfindungsgemäße Bodenteil einen äußerst geringen thermischen Ausdehnungskoeffizienten, so dass sich bei seiner Ausbildung als Wanne eine dauerhaft dichte Verbindung mit einer Glasabdeckung herstellen lässt. Da Polyester ein schlechter Wärmeleiter ist, sind die Wärmeverluste durch das Bodenteil hindurch vergleichsweise gering. Für ein wannenförmiges Bodenteil gilt dies insbesondere dann, wenn das Isoliermaterial an den Seitenwänden bis zur Glasabdeckung reicht. Schließlich ergibt sich der zusätzliche Vorteil, dass das Bodenteil trotz Beschichtung mit dem Isoliermaterial hart und wenig eindrückbar ist. Daher ist ein mit dem Bodenteil hergestellter, erfindungsgemäßer Flachkollektor dadurch gekennzeichnet, dass die Absorberrohre ohne zusätzliche Halterungen, Abstandhalter od. dgl. auf der Schicht aus Isoliermaterial oder einer auf dieser angebrachten Schutzschicht abgestützt und bei Bedarf zumindest teilweise mit dieser durch Kleben verbunden sind. Schließlich besitzen das erfindungsgemäße Bodenteil und damit auch der erfindungsgemäße Flachkollektor im Vergleich zum Stand der Technik ein erheblich geringeres Gewicht.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ist durch die Merkmale des Anspruchs 12 gekennzeichnet.
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Weitere vorteilhafte Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Die Erfindung wird nachfolgend in Verbindung mit einem Ausführungsbeispiel näher erläutert. Es zeigen:
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1 schematisch eine perspektivische Ansicht eines Ausschnitts eines erfindungsgemäßen Bodenteils in Form einer Wanne, und
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2 einen schematischen Querschnitt durch einen erfindungsgemäßen, mit der Wanne nach 1 hergestellten Solar-Flachkollektor.
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1 zeigt einen Ausschnitt aus einem erfindungsgemäßen Bodenteil in Form einer Wanne 1, die vorzugsweise eine quadratische oder rechteckige Grundform hat. Die Wanne 1 besitzt daher einen vorzugsweise quadratischen oder rechteckigen Boden 2, von dessen Rändern vier Seitenwände 3 vorzugsweise senkrecht aufragen. Insgesamt besteht die Wanne 1 aus einem einstückig hergestellten Mehrschichtkörper, indem der Boden 2 und die Seitenwände 3 in gleicher Weise aus mehreren Schichten aufgebaut sind. Insbesondere enthält die Wanne 1 eine erste Schicht 4 aus einem faserverstärkten Polyester und eine an deren Innenseite anliegende, zweite Schicht 5 aus einem Isoliermaterial, das entweder aus Polyurethanschaum oder aus einem Faserschaum besteht. Die der Sicherstellung einer hohen mechanischen Stabilität der Wanne 1 dienende Faserverstärkung des Polyesters in der ersten Schicht 4 wird wegen des günstigeren Preises vorzugsweise mit Glasfasern bewirkt. Alternativ könnte eine hohe mechanische Festigkeit natürlich auch mit anderen, allein oder in Kombination eingebrachten Fasern, insbesondere z. B. Kohlefasern oder Kevlarfasern erhalten werden, die aber wesentlich teurer sind. Aus demselben Grund wird für die zweite Schicht 5, wenn sie aus Faserschaum hergestellt wird, vorzugsweise ein Glasfaserschaum verwendet.
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Die Wanne 1 dient zur Herstellung eines weiter unten erläuterten, in 2 schematisch dargestellten Solar-Flachkollektors 6. Die Außenflächen der ersten Schicht 4 sind daher, was nur in 2 schematisch angedeutet ist, mit je einer dünnen dritten Schicht 7 belegt, die eine Schutzschicht ist und die Wanne 1 außen gegen Feuchtigkeit und Schäden durch mechanische Stöße od. dgl. schützt. Diese, auch als Gelcoat bezeichnete Schicht 7 besteht z. B. aus einem geeigneten Hartlack. Vorzugsweise ist die Schicht 7 außerdem geschwärzt und dient daher auch zur Verbesserung der Wärmespeicherung bzw. zur Vermeidung unerwünscht hoher Wärmeverluste des Flachkollektors 6 durch den Boden 2 und die Seitenwände 3 hindurch nach außen.
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Die zweite Schicht 5 ist auf ihren Innenseiten mit einer vierten Schicht 8 belegt. Diese Schicht 8 ist eine auch als Topcoat bezeichnete Schutzschicht, die wie die Schicht 7 aus einem geeigneten Harz besteht. Das Material für die vierte Schicht 8 ist insbesondere derart gewählt, dass die zweite Schicht 5 versiegelt und daher die sie bildenden Isoliermaterialien vor Sonneneinstrahlung geschützt werden, da die angegebenen Isoliermaterialien andernfalls durch einfallendes Sonnenlicht zerstört werden könnten. Auch die vierte Schicht 8 besteht z. B. aus einem geeigneten Harz, z. B. Isophthalsäureharz, und ist vorzugsweise geschwärzt, um Wärme allenfalls aufzunehmen und zu speichern, d. h. Wärmeverluste des fertigen Flachkollektors 6 weitgehend zu verhindern. Außerdem dient die vierte Schicht 8 dem Zweck, die Wanne mit glatten Innenflächen zu versehen.
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Die Seitenwände 3 sind an ihren oberen Rändern vorzugweise mit einer umlaufenden, nur von den Schichten 4, 7 und 8 gebildeten Auflageschulter 9 versehen, die nach außen ragt und zur Auflage des Umfangsrandes einer z. B. aus Quarzglas bestehenden, in an sich bekannter Weise gefertigten Glasabdeckung 10 des Flachkollektors 6 dient. Diese Auflageschulter 9 bietet einerseits genügend Fläche zur sicheren Verbindung der Glasabdeckung 10 mit der ersten, aus Polyester gebildeten und als Trägerschicht dienenden Schicht 4 mit Hilfe eines geeigneten Klebers. Andererseits ermöglicht die Auflageschulter 9 eine versenkte Anordnung der Glasabdeckung 10 in der Weise, dass die Oberseite der Glasabdeckung 10 vorzugsweise bündig mit den oberen Rändern der Seitenwände 3 abschließt. Dadurch wird die Glasabdeckung 10 vor Beschädigungen geschützt, insbesondere wenn der Flachkollektor 6 hochkant transportiert und abgestellt wird. Außerdem werden Wasseransammlungen auf der Glasabdeckung 10 vermieden. Wie insbesondere 2 zeigt, reicht der die Seitenwände 3 bedeckende Teil der Schicht 5 aus Isoliermaterial vorzugsweise bis unmittelbar an die Schulter 9 und die Glasabdeckung 10 heran, so dass der gesamte vom Boden 2, den Seitenwänden 3 und der Glasabdeckung 10 eingeschlossene Raum 11 nicht nur hermetisch abgedichtet, sondern auch gut wärmeisoliert ist.
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Die Erfindung ermöglicht es, die Wanne 1 mit einer vergleichsweise geringen Bauhöhe herzustellen. Mit dem faserverstärkten Polyester ist z. B. eine Gesamtdicke der ersten und dritten Schicht 4, 7 von ca. 1,5 mm bis 3 mm ausreichend, um die erforderliche mechanische Stabilität zu erzielen, wobei die dritte Schicht 7 weit weniger als 1 mm dick ist. Dagegen ist die Gesamtdicke der zweiten und vierten Schicht 5, 8 davon abhängig, welches Isoliermaterial verwendet wird. Im Fall von Polyurethanschaum beträgt diese Dicke z. B. ca. 8 mm bis 12 mm, wobei die Schicht 8 sehr dünn und dünner als 1 mm sein kann, so dass die Gesamtdicke des Bodens 2 und der Seitenwände 3 ca. 9,5 mm bis 15 mm beträgt. Der Vorteil von Polyurethanschaum besteht vor allem in dem vergleichsweise geringen Preis. Wird dagegen Faserschaum als Isoliermaterial vorgesehen, dann braucht die Gesamtdicke der Schichten 5 und 8 nur ca. 4 mm bis 6 mm betragen, was zu einer extrem geringen Gesamtdicke des Wannenbodens 2 und der Seitenwände 3 von z. B. nur 5,5 mm bis 9 mm führt. Allerdings ist der Preis für Isoliermaterialien aus Faserschaum erheblich größer als der von Polyurethanschaum, so dass Wannen mit Faserschaum-Isolierung bevorzugt für Spezialfälle wie sogenannte Hybrid-Kollektoren angewendet werden, die als Wärmeträgermedium neben einer üblichen Flüssigkeit wie z. B. einem Wasser/Propylenglykol-Gemisch, auch Luft führen. Mit beiden Varianten wird außer der erforderlichen mechanischen Festigkeit auch der üblicherweise verlangte k-Wert (= Wärmeleitzahl in W/mk) erreicht.
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Aufgrund der beschriebenen Bauweise der wärmegedämmten und selbsttragenden Wanne 1 ergeben sich auch wesentliche Vorteile für den mit ihr hergestellten Solar-Flachkollektor 6 nach 2. Mit besonderem Vorteil wird dieser mit einem in dem Raum 11 zwischen der Glasabdeckung 10 und dem Boden 2 angeordneten Absorber 12 versehen, der eine Platte 14 mit einem im Wesentlichen dem Wannenboden 2 entsprechenden Querschnitt und an deren Unterseite befestigte Rohre 15 für eine Solarflüssigkeit enthält. Die Platte 14 und die Rohre 15 bestehen vorzugsweise wie üblich aus Kupfer oder Aluminium und sind bei Bedarf mit üblichen Beschichtungen versehen. Erfindungsgemäß wird der Absorber 12 einfach mit seinen Rohren 15 auf dem Boden 2 der Wanne 1 abgestützt, ohne dass zusätzliche Halterungen, Abstandhalter od. dgl. erforderlich sind. Das ist deshalb möglich, weil das Isoliermaterial und die auf diesem angebrachte vierte Schicht 8 vergleichsweise hart sind und durch den Absorber 12 nicht eingedrückt werden. Der in der Regel vorgegebene Abstand zwischen der Platte 14 und der Glasabdeckung 10 bleibt daher beim Gebrauch des Flachkollektors 6 auch ohne zusätzliche Hilfsmittel im Wesentlichen konstant. Allerdings kann vorgesehen sein, die Rohre 15 zumindest teilweise durch Kleben fest mit der vierten Schicht 8 zu verbinden, damit der Absorber 12 auch unter ungünstigen Transportbedingungen seine gewünschte Lage in der Wanne 1 beibehält. Außerdem ist klar, dass anstelle mehrerer Rohre 15 auch nur ein einziges, z. B. mäanderförmig geformtes Rohr 15 vorhanden sein kann.
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Die Herstellung der beschriebenen Wanne 1 wird erfindungsgemäß beispielsweise wie folgt vorgenommen. Es wird zunächst eine Produktionsform (Negativform) hergestellt, die einen von einem Boden und Seitenwänden begrenzten Hohlraum aufweist und deren innere Abmessungen denen der äußeren Wannenkontur entsprechen. Die Innenflächen dieser Form werden mit einem geeigneten Trennmittel bestrichen. Anschließend werden der Boden und die Seitenwände der Form durch Spritzen oder mit einem Pinsel oder Roller mit der dritten Schicht 7 belegt, wobei z. B. ein mit Kieselsäure eingedicktes, schwarz gefärbtes Kunstharz verwendet wird. Nach dem einige Minuten dauernden Erhärten dieses Gelcoats wird die erste Schicht 4 durch Laminieren aufgebracht, indem abwechselnd flüssiges, mit den üblichen Reaktionsbeschleunigern und Katalysatoren (Härtern) versetztes Polyesterharz vorzugsweise aufgespritzt und dünne Glasfasermatten eingelegt werden. Anstelle einer Glasfasermatte kann die Schicht 4 auch durch Faserspritzen aufgebracht werden, indem über einer Spritzpistole ein Schneidwerk für Glasfaser-Rovings angebracht wird, um zusammen mit dem Polyester kleine Glasfaserteilchen auf die Form aufzubringen. Anschließend wird das aufgebrachte Material mit einer Laminierrolle od. dgl. verdichtet.
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Vor dem Aushärten des Polyesters werden auf die mit der Schicht 4 belegten Boden- und Seitenflächen der Form zugeschnittene Polyurethanplattenteile aufgelegt, die die zweite Schicht 5 bilden, und unmittelbar danach wird die so vorbereitete, oben offene Form in noch feuchtem Zustand des Polyesters in eine Temperkammer eingebracht, in welcher der Schichtkörper einer Wärmebehandlung bei z. B. 80°C unterzogen und dadurch ausgehärtet wird. Dabei erhärtet die Schicht 4 und geht mit dem Isoliermaterial der Schicht 5 eine innige, allenfalls mit Gewalt lösbare Verbindung ein, und zwar sowohl am Boden 2 als auch an den Seitenwänden 3, so dass insgesamt eine einstückige Wanne 1 mit hoher mechanischer Stabilität entsteht. Diese, hier als integrale Verbindung bezeichnete Verbindung entsteht insbesondere dadurch, daß das Polyestermaterial in der Grenzfläche zwischen den Schichten 4 und 5 teilweise in die offenen Poren des Polyurethanschaums eindringt und dadurch nach dem Aushärten eine zumindest teilweise formschlüssige und sehr feste Verbindung mit diesem eingeht.
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Mit besonderem Vorteil wird die Wärmebehandlung so durchgeführt, dass alles etwa im Polyester als Verdünnungsmittel vorhandenes Styrol ausgetrieben und vollständig aus dem Polyester entfernt wird. Die erforderliche Wärmebehandlung kann leicht durch Versuche ermittelt werden, da styrolfreies Polyester auch unter extremer Sonnenstrahlung hart bleibt und sich nicht verbiegen lässt. Nicht zuletzt dadurch wird sichergestellt, dass die erfindungsgemäße Wanne 1 unter allen Betriebsbedingungen einerseits die erforderliche mechanische Festigkeit besitzt und andererseits über einen hohen Temperaturbereich eine vernachlässigbar kleine Wärmedehnung erfährt.
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Nach Beendigung der Wärmebehandlung wird die Form der Temperkammer entnommen. Im Anschluss daran wird die vierte Schicht 8 als Topcoat auf das Isoliermaterial aufgebracht, z. B. aufgespritzt, und einige Minuten lang erhärten gelassen. Abschließend wird dann die fertige Wanne 1 der Produktionsform entnommen, womit der Herstellungsprozess beendet ist. Der Trennvorgang kann z. B. unter Anwendung von Pressluft erfolgen, die durch wenigstens eine Öffnung im Boden der Produktionsform eingeblasen wird.
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Wird ein Faserschaum anstelle von Polyurethanschaum für die zweite Schicht verwendet, dann ist der Herstellungsprozess analog zur obigen Beschreibung mit Ausnahme des dem Aufbringen des Faserschaums dienenden Verfahrensschritts. Auch hierbei entsteht eine integrale Verbindung zwischen den beiden Schichten 4 und 5.
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Als Isoliermaterial in Form von Polyurethanschaum hat sich ein unter der Bezeichnung PU 40 HT im Handel befindliches Material der Firma Schurg GmbH in D-34537 Bad Wildungen als besonders geeignet erwiesen. Dagegen ist als Faserschaum besonders ein unter der Bezeichnung MATLINE + 501N im Handel befindliches Material der Firma Chomarat in F-07160 Mariac geeignet. Dieses Material besteht aus Mikrokügelchen, die in einen Emulsionskleber, insbesondere einen Acrylkleber eingebettet sind, und ist z. B. in Form einer zu einer Rolle aufgewickelten Materialbahn erhältlich. Bei der Anwendung werden abgelängte Abschnitte der Materialbahn auf die bereits auf die Form aufgebrachte Polyesterschicht aufgelegt und dann mit einer weiteren Polyesterschicht überdeckt, wobei sich der Emulsionskleber auflöst und eine feste Verbindung mit dem Polyester erzielt wird. Alternativ können natürlich auch mehrere Polyesterschichten und Materialbahnabschnitte im Wechsel aufgebracht werden.
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Im Übrigen versteht sich, dass alle genannten Materialien einschließlich etwa erforderlicher Kleber aus Hochtemperaturmaterialien bestehen und vorzugsweise in Temperaturbereichen von ca. –80°C bis +200°C anwendbar sind, ohne dass sich unzulässige Wärmedehnungen ergeben und die Verbindung zwischen der Glasabdeckung 10 und der Wanne 1 beeinträchtigt wird. Außerdem kann die Wanne 1 oder der Flachkollektor 6 in an sich bekannter Weise mit einem Membranventil zum Druckausgleich und/oder mit anderen erforderlichen Bauelementen versehen sein.
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Die Erfindung ist nicht auf das beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt, das auf zahlreiche Weise abgewandelt werden kann. Das gilt insbesondere für die beschriebene Ausbildung des Bodenteils als Wanne, die auch anders als rechteckig oder quadratisch sein kann. Außerdem kann das Bodenteil natürlich auch anders als in Form einer Wanne ausgebildet sein und z. B. eine im wesentlichen planparallele Platte bilden, auf welcher die übrigen Teile eines Flachkollektors abgestützt werden. Weiter ist klar, dass zur Faserverstärkung der Polyesterschicht alle für diesen Zweck geeigneten Fasermaterialien eingesetzt werden können. Außerdem können die Laminierung und die Wärmebehandlung auf andere als die beschriebene Weise vorgenommen werden. Weiterhin können als Gel- und Topcoat andere als die beschriebenen Materialien verwendet werden. Schließlich versteht sich, dass die verschiedenen Merkmale auch in anderen als den beschriebenen und dargestellten Kombinationen angewendet werden können.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 19633106 C2 [0002]
- AT 364975 [0003]
- DE 2947956 A1 [0004]
- DE 4002892 C2 [0004]
- DE 10164670 A1 [0004]
- DE 7909689 U1 [0004]
- DE 8106685 U1 [0004]
