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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur elektrischen Energiegewinnung mittels Wind- und/oder Wasserkraft, die aus mindestens einem Flügelrad besteht, längs dessen Umfang mehrere Flügel angeordnet sind, auf die Wind- oder Wasserkräfte wirken, durch die das Flügelrad um eine zum Erdboden gerichtete Welle in eine Drehbewegung versetzt wird.
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Mit Windkraftanlagen, die sich um eine vertikale Achse drehen, kann auch bei geringen Windgeschwindigkeiten elektrische Energie gewonnen werden. Zudem kann, im Gegensatz zu Windkraftanlagen die sich um eine horizontale Achse drehen, die Bauhöhe deutlich reduziert werden. Daher eignet sich der Einsatz solcher Windkraftanlagen zum Beispiel dort, wo nicht oder nur eingeschränkt auf andere Energiequellen zurückgegriffen werden kann, wenn die Windgeschwindigkeit gering ist und dort, wo nur ein begrenzter Bauraum zur Verfügung steht.
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Bei derartigen Anlagen bilden die am Flügelrad angeordneten Flügel einem durch und um das Flügelrad strömenden Fluid einen Strömungswiderstand. Durch die Kräfte, die dabei auf die Flügelflächen wirken, wird das Flügelrad in Rotation versetzt. Die dadurch erzeugten Drehmomente hängen dabei auch unmittelbar von der Ausgestaltung der Flügel ab. So spielen unter anderem Größe, Form und Anstellwinkel eine entscheidende Rolle. Dabei muss insbesondere berücksichtigt werden, dass ein Flügel, der das Flügelrad in einer ersten Position beschleunigt hat, in einer zweiten Position abbremsen kann, da in dieser zweiten Position der Flügel aus der anderen Richtung angeströmt wird.
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Aus der
CN 101 27 0721 A ist eine Flügelradvorrichtung bekannt, bei der Flügel schwenkbar gelagert sind. Auf Grund der Formgebung der schwenkbar gelagerten Flügel werden diese bei einer Bewegung in Windrichtung aufgeklappt und bewirken einen erhöhten Strömungswiderstand, der zu einer Drehbewegung des Flügelrads führt. Dagegen werden die Flügel bei einer Bewegung gegen die Windrichtung wieder in eine im Wesentlichen horizontale Stellung zurückgeschwenkt, so dass lediglich ein geringer Strömungswiderstand erzeugt wird.
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Eine andere Flügelradvorrichtung ist zum Beispiel auch aus der deutschen Offenlegungsschrift
DE 43 05 600 A1 bekannt. Bei der dort beschriebenen Vorrichtung wird ein Anstellwinkel von Luftschaufeln bei Vertikalachsenrotoren über eine entsprechende Mechanik verändert.
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Eine weitere Verbesserung des Wirkungsgrads solcher Anlagen wird durch die Verwendung mehrerer Flügelräder mit einer gemeinsamen vertikalen Achse erreicht. Eine derartige Anordnung ist z. B. aus der deutschen Offenlegungsschrift
DE 37 30 401 A1 bekannt.
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Die Verwendung verstellbarer Klappen stellt allerdings eine hohe Anforderung an die Mechanik und/oder die verwendeten Aktoren. Dies erhöht die Fehleranfälligkeit und den Montageaufwand. Darüberhinaus haben Experimente gezeigt, dass durch eine Veränderung der Flügelform ein höherer Strömungswiderstand, der zu einem höheren Drehmoment in Drehrichtung führt, erzeugt werden kann. Insbesondere wird bei den ausgeführten Flügelformen keine optimale Nutzung der Strömungsenergie in allen Winkellagen bezüglich der Strömungsrichtung bis zu einem Winkel von 90Grad in Strömungsrichtung erreicht. Ein weiterer Nachteil der beschriebenen Kraftwerksanlagen ist die auf Grund des hohen Montageaufwands schwierige Montage an schwer zugänglichen Orten, sowie auf Häusern beziehungsweise Hochhäusern. Dabei erschwert insbesondere das hohe Gewicht der Anlagen den Montageaufwand.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, eine Wind- und/oder Wasserkraftanlage der eingangs beschriebenen Art zu entwickeln, die die Nutzung der vorhandenen Strömungsenergie verbessert, leicht zu transportieren und leicht zu montieren ist.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Flügel der Flügelräder an ihren Innenseiten jeweils mindestens eine Strömungstasche aufweisen. Vorteilhafterweise weisen die Flügel der Flügelräder auch an ihren Außenseiten jeweils mindestens eine Strömungstasche auf.
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Der erfindungsgemäße Aufbau der Flügelkonstruktion besteht aus einem Flügel, an dessen Außenflächen eine oder mehrere Ausnehmungen, die Strömungstaschen, mittels geeigneter Verbinder angebracht sind. Diese Strömungstaschen sorgen dafür, dass der Strömungswiderstand erhöht wird.
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Darüberhinaus kann durch die Anordnung der Strömungstaschen die Strömungsenergie über einen größeren Drehbereich des Flügelrads genutzt werden. Durch die feste Verbindung der Strömungstaschen mit den Flügeln einerseits und der Flügel mit den Flügelrädern andererseits ist eine einfache Montage gewährleistet. Zudem wird dadurch die Fehleranfälligkeit reduziert.
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Eine vorteilhafte Ausbildung des Erfindungsgegenstands sieht vor, dass eine vom Flügel aus nach außen gerichtete Seite der mindestens einen Strömungstasche S-förmig ausgebildet ist. Experimente haben gezeigt, dass durch die S-förmige Ausbildung ein besonders vorteilhaftes Strömungsverhalten erzielt werden kann, insbesondere wenn sich der entsprechende Flügel entgegen der Strömungsrichtung bewegt. In diesem Fall wirkt entgegen dem strömenden Material nur ein sehr geringer Strömungswiderstand.
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Es ist außerdem vorteilhaft, jeweils mindestens zwei Strömungstaschen an den Flügeln anzuordnen. Experimente haben gezeigt, dass dadurch insbesondere der Strömungswiderstand der Flügel erhöht werden kann, die sich annähernd in Strömungsrichtung bewegen.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des Erfindungsgegenstands sieht vor, mehrere Strömungstaschen in Strömungsrichtung hintereinander auf den Flügeln anzuordnen. Dadurch wird der Strömungswiderstand weiter erhöht, wenn sich der Flügel näherungsweise in Strömungsrichtung bewegt, da jede der hintereinander angeordneten Strömungstaschen einen Teil der Strömung in die jeweilige Strömungstasche lenkt. Dagegen bleibt der Strömungswiderstand nahezu unverändert, wenn sich der Flügel gegen die Strömungsrichtung bewegt, da sich die hintereinander angeordneten Strömungstaschen gegenseitig verdecken.
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Eine zweckmäßige Ausgestaltung des Erfindungsgegenstands sieht vor, dass die Flügel, die Flügelräder und die Strömungstaschen mittels geeigneter Verbindungselemente am Aufstellungsort miteinander verbunden werden können. Durch diese einfache Montage wird auch der Aufbau an schwer erreichbaren Orten leicht durchführbar, da die Flügelräder in Einzelteilen verbracht werden können und nur einfaches Werkzeug zur Montage benötigt wird.
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Eine vorteilhafte Ausbildung der Wind- und/oder Wasserkraftanlage sieht vor, mehrere Flügelräder übereinander um eine gemeinsame Achse anzuordnen, die so eine Flügelradeinheit bilden. Mehrere Flügelradeinheiten können dann z. B. zur Nutzung von Wind- und Wasserenergie benutzt werden. Dabei können die Flügelräder beispielsweise den gleichen Durchmesser besitzen, so dass sich ein zylinderähnlicher Aufbau ergibt oder beispielsweise vom unteren zum oberen Flügelrad abnehmende Durchmesser aufweisen, so dass sich ein pyramidenähnlicher Aufbau ergibt. Es ist bekannt, dass bei einem solchen Aufbau erhebliche Kräfte auf die Gesamtkonstruktion wirken. Zur Stabilisierung der Anlage können beispielsweise Abspannseile von der Spitze der Anlage zum Erdboden geführt werden. Zur Dämpfung der in der Anlage auftretenden Drehimpulse können an der gemeinsamen Achse zusätzliche Gewichte angebracht werden. Auf diese Weise kann die Anlage kostengünstig und mit geringem zusätzlichen Gewicht und Montageaufwand errichtet werden. Beispielsweise kann die Anlage auch auf einem runden Sockel errichtet werden, um insbesondere bei sehr großen Anlagen das Gewicht besser zu verteilen. Um die Transportabilität besonders großer und schwerer Anlagen zu gewährleisten, kann die Anlage auch auf Rädern montiert sein, die zum Beispiel in Schienen geführt werden.
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Es ist von besonderem Vorteil, wenn ein Flügelrad oder eine Flügelradeinheit zur Nutzung von Windkraft und/oder ein Flügelrad oder eine Flügelradeinheit zur Nutzung von Wasserkraft und/oder ein Elektromotor und/oder ein Verbrennungsmotor über eine Kupplungsvorrichtung einen gemeinsamen Generator antreiben. Auf diese Weise können sowohl Wind- als auch Wasserkraft in einem gemeinsamen Kraftwerk genutzt werden. Der Elektromotor kann eingesetzt werden, um die Flügelräder beziehungsweise Flügelradeinheiten vom Stillstand bis zu einer unteren Betriebsdrehzahl zu schleppen. Für den Fall, dass die aus Wind- und/oder Wasserkraft gewonnene Energie nicht ausreicht, ist es möglich, zusätzlich einen Verbrennungsmotor beziehungsweise Dieselmotor hinzu zuschalten und bei Bedarf in Benutzung zu nehmen.
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Alternativ zu einer Kupplung kann eine gleichzeitige Nutzung von Wind- und Wasserkraft auch dadurch erreicht werden, dass eine Windkraftdrehwelle mit dem Anker eines elektrischen Generators und eine Wasserkraftdrehwelle mit dem Rotor des elektrischen Generators so verbunden werden, dass Anker und Rotor unterschiedliche Drehrichtungen aufweisen. Alternativ kann die Wasserkraftdrehwelle auch mit dem Anker und die Windkraftdrehwelle mit dem Rotor verbunden werden.
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Bei der Nutzung von Wasserkraft kann eine Wasserströmung durch spezielle Leitflächen zusätzlich so auf die Flügelräder gelenkt werden, dass immer besonders vorteilhafte Strömungsverhältnisse auch bei unterschiedlichen Gezeiten an den Flügelrädern gewährleistet sind.
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Erfindungsgemäß wird weiter vorgeschlagen, dass bei Unterschreiten einer vorgebbaren unteren Geschwindigkeit eines Flügelrads oder einer Flügelradeinheit, dieses Flügelrad oder diese Flügelradeinheit von der Kupplungsvorrichtung trennbar ist.
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Schließlich sieht eine weitere Ausbildung des Gegenstands der Erfindung vor, dass bei Überschreiten einer vorgebbaren oberen Geschwindigkeit eines Flügelrads oder einer Flügelradeinheit, dieses Flügelrad oder diese Flügelradeinheit bremsbar ist. Dadurch werden zu hohe Geschwindigkeiten der Flügelräder beziehungsweise Flügelradeinheiten vermieden, die die Stabilität der Anlage gefährden können. Beispielsweise können die Flügel schwenkbar am Flügelrad befestigt sein. Durch Veränderung des Anstellwinkels der Flügel bezüglich des Flügelrads, kann der durch das Flügelrad der Strömung entgegengesetzte Strömungswiderstand variiert werden. Dabei hat die Veränderung der Strömungsverhältnisse innerhalb des Flügelrads durch Veränderung des Anstellwinkels der Flügel einen wesentlichen Einfluss auf den Strömungswiderstand.
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Weitere Einzelheiten der Erfindung werden in der Zeichnung anhand von schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen beschrieben.
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Hierbei zeigt
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1a eine Draufsicht auf ein Flügelrad mit mehreren Flügeln und
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1b einen vergrößerten Ausschnitt des in 1a dargestellten Flügelrads,
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2a eine Vorderansicht eines Flügels und
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2b eine Rückansicht eines Flügels,
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3 eine schematische Darstellung der Strömungsverhältnisse an dem in 1a gezeigten Flügelrad,
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4 eine schematische Darstellung einer kombinierten Wind- und Wasserkraftanlage,
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5a eine Draufsicht auf eine Kupplungsvorrichtung und
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5b einen vergrößerten Ausschnitt aus der in 5a dargestellten Kupplungsvorrichtung,
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6 einen Querschnitt einer Drehwelle an der Stelle, an der der Schwenkarm befestigt ist und
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7 eine schematische Vorderansicht einer Windkraftanlage.
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In 1 ist eine schematische Draufsicht auf ein Flügelrad dargestellt. Das Flügelrad besteht im Wesentlichen aus einem oberen Metallring 1 und einem nicht dargestellten unteren Metallring, zwischen denen achtzehn Flügel 2 befestigt sind. Die Metallringe sind mittels Flügelradspeichen 3 mit einer Drehwelle 4 verbunden. Die Flügelradspeichen 3 können zum Transport teleskopartig zusammengeschoben werden. Die Flügel 2 sind in einem mittleren Bereich 5 zwischen einem hinteren Flügelteil 6 und einem vorderen Flügelteil 7 mit dem Flügelrad verbunden. Der vordere Flügelteil 7 und der hintere Flügelteil 6 sind gekrümmt und besitzen in dieser Ausführungsform unterschiedliche Anstellwinkel 8' und 8''. Die unterschiedlichen Anstellwinkel 8' und 8'' sind so gewählt, dass eine Strömung auf einer der Strömung zugewandten Seite des Flügelrads in den inneren Bereich des Flügelrads einströmt und dort in Umfangsrichtung abgelenkt wird. Auf diese Weise wird ein größerer Anteil der Strömungsenergie nutzbar gemacht. Durch die Anordnung der Flügel 2 wird eine Drehrichtung 9 bestimmt. Die Flügel 2 sind so ausgestaltet, dass eine Projektion der Flügel 2 auf einen Flügelradumfang eine geschlossene Hülle ergibt. An den Flügeln 2 sind äußere Strömungstaschen 10 und innere Strömungstaschen 11 angebracht. In diesem Ausführungsbeispiel sind an jedem der achtzehn Flügel 2 je fünf äußere Strömungstaschen 10 in Strömungsrichtung hintereinander an der bezüglich der Drehachse 4 nach außen gerichteten Flügelseite befestigt. Dabei sind die Strömungstaschen 10 so ausgebildet, dass ihre vom Flügel 2 aus nach außen gerichtete Seite S-förmig ist. Auf der nach innen gerichteten Seite der Flügel 2 ist jeweils eine innere Strömungstasche 11 und ein Strömungsführungselement 11' vorgesehen.
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In 2a/2b sind die Innenseite 12 und Außenseite 13 der Flügel 2 dargestellt. Das vordere Flügelteil 7 und das hintere Flügelteil 6 sind in diesem Ausführungsbeispiel eben ausgestaltet. Dabei besitzen der vordere Flügelteil 7 und der hintere Flügelteil 6 unterschiedliche nicht dargestellte Anstellwinkel 8' und 8''. An der Innenseite 12 ist eine innere Strömungstasche 11 dargestellt. An der Außenseite 13 sind mehrere äußere Strömungstaschen 10 abgebildet, deren jeweils nach außen gerichtete Seite S-förmig ausgestaltet ist. In diesem Ausführungsbeispiel sind die Strömungstaschen einseitig offen ausgebildet.
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3 zeigt die Strömungsverhältnisse an einem in Aufsicht dargestelltem Flügelrad mit sechzehn Flügeln 2, die jeweils vier äußere 10 und eine innere Strömungstasche 11 aufweisen. Die Strömungsrichtung in einiger Entfernung vor dem Flügelrad ist durch den Pfeil 14 gekennzeichnet. Die übrigen Pfeile 15, 16, 17, 18, 18', 18'', 19, 20 zeigen die Strömungsverhältnisse am und innerhalb des Flügelrads. Die Kräfte, die durch die Strömungen 15, 16, 17 auf die Strömungstaschen 10, 11 wirken, werden unmittelbar zur Erzeugung der Rotationsbewegung 21 genutzt. Die Strömung 18 strömt zunächst durch das Flügelrad hindurch. Bevor die Strömung dieses wieder verlässt, trifft sie auf die nach innen gerichtete Strömungstasche 11. Dadurch tritt auch hier eine Kraft in Drehrichtung 9 auf, wodurch das Flügelrad weiter angetrieben wird. Die Strömung 19 wird durch eine Strömungstasche 10, 11 so abgelenkt, dass die Strömung anschließend auf eine nach innen gerichtete Strömungstasche 11 trifft und das Flügelrad ebenfalls antreibt. Pfeil 20 kennzeichnet eine Strömung, die nicht zum Antrieb des Flügelrads genutzt werden kann. Diese Strömung wird mit einem geringen Strömungswiderstand am Flügelrad vorbeigelenkt. Die Strömungslinie 18' zeigt, wie und wo die Strömung das Windrad verlässt. Da diese Strömung an der Rückseite des entsprechenden Flügels stark umgelenkt wird und die Strömung dadurch eine Kraft auf die Rückseite des Flügels und auf das Strömungsführungselement 11' in Drehrichtung ausübt, kann weitere Strömungsenergie beim Verlassen genutzt werden. Der aus dem Flügelrad strömende Wind 18' wirkt kaum entgegen der Drehrichtung, da der Wind, wie bei der Strömung 20 beschrieben, am Flügelrad vorbeigeführt wird. Die Strömungslinien 18'' deuten Strömungen an, aus denen im weiteren zeitlichen Verlauf Strömungen analog zu 18 und 18' entstehen. Die besonderen Strömungsverhältnisse innerhalb des Flügelrads sind auf die spezielle Ausgestaltung der Flügel und Flügeltaschen zurückzuführen. Der Wind wird innerhalb des Flügelrads in eine Rotationsbewegung versetzt und wie die Strömung 18' aus dem Flügelrad herausgeführt. So können große Teile der Strömungsenergie durch die inneren Strömungstaschen 11 genutzt werden.
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In 4 ist eine Anordnung mit einer Windkraftflügelradeinheit 23 zur Gewinnung von Windkraft und einer Wasserkraftflügelradeinheit 24 zur Gewinnung von Wasserkraft dargestellt, die über eine Kupplungsvorrichtung 26 einen schematisch dargestellten Generator 27 antreiben.
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Zusätzlich zu der Windkraftflügelradeinheit 23 und der Wasserkraftflügelradeinheit 24 kann die Anlage über einen nicht dargestellten Elektromotor, der in dem oberen Bereich 22 mit der Elektromotordrehwelle 28 verbunden ist und mit einem nicht dargestellten Dieselmotor, mit dem die Dieselmotorhohlwelle 31 in dem Bereich 25 verbunden ist, angetrieben werden. Die Elektromotordrehwelle 28 dreht sich innerhalb einer mit der Windkraftflügelradeinheit 23 verbundenen Windkrafthohldrehwelle 29. Die Drehwellen sind durch nicht dargestellte Kugellager drehbar gelagert. Ebenso dreht sich eine mit der Wasserkraftflügelradeinheit 24 verbundene Wasserkraftdrehwelle 30 innerhalb einer mit dem Dieselmotor verbundenen Dieselmotorhohlwelle 31. An je einer Drehwelle ist ein Schwenkarm 32 befestigt. Die Elektromotordrehwelle 28 ist länger als die Windkrafthohldrehwelle 29; so dass am Ende beider Drehwellen je ein Schwenkarm 32 befestigt werden kann. Ebenso ist die Wasserkraftdrehwelle 30 länger als die Dieselmotorhohlwelle 31. Das Ende der Schwenkarme 32 läuft mittels einer speziellen Radkonstruktion 33 in speziell ausgeformten Schwenkarmschienen 34. Die Radkonstruktion 33 ist drehbar mit den Schwenkarmschienen verbunden. Diese Schwenkarmschienen 34 sind mit einer näherungsweise kegelstumpfförmigen, drehbar gelagerten Kupplungswand 35 verbunden. Die Schwenkarme 32 sind mittels der Radkonstruktionen 33 so mit den Schwenkarmschienen 34 verbunden, dass ein Drehmoment von der Drehwelle 4 über die Schwenkarme 32 auf die Schwenkarmschienen 34 wirkt. Von dort wirkt ein entsprechendes Drehmoment über die Kupplungswand 35 auf eine Kupplungswelle, die einen elektrischen Generator 27 antreibt. Die Länge der Schwenkarme 32 ist variabel und wird durch den jeweiligen Winkel des Schwenkarms 32 relativ zur Drehwelle 4 vorgegeben, da ein Ende des Schwenkarms 32 in der Schwenkarmschiene 34 gelagert ist und ein anderes Ende an der Drehwelle 4 gelagert ist. Der Winkel des Schwenkarms 32 bezüglich der Drehwelle 4 wird durch die Drehgeschwindigkeit der zugehörigen Drehwelle 4 und dem Schwenkarmgewicht 36 bestimmt. Die Schwenkarmschienen 34 liegen an der Kupplungswand 35 an und sind bogenförmig ausgebildet. Dabei verlaufen die Schwenkarmschienen 34 von der unteren Seite 35' des Kegelstumpfs zur oberen Seite 35''.
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In 5 ist eine Aufsicht auf die Kupplungsvorrichtung 26 und im Detailausschnitt die Radkonstruktion 33 in der Schwenkarmschiene 34 dargestellt. Die Schwenkarmschiene 34 ist mit Schwenkarmschienenwellen 37 ausgestattet. Die Radkonstruktion 33 besitzt drei an den Spitzen eines Dreiecks angeordnete Räder 38, wobei die beiden Räder an der Basis des Dreiecks durch eine starre Achse 39 verbunden sind und das dritte Rad über eine Federachse 40 mit der starren Achse 39 verbunden ist. Dadurch ist der Abstand der Räder 38 zueinander variabel und die Radkonstruktion kann das entsprechende Drehmoment auf die Schwenkarmschiene 34 übertragen.
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6 zeigt einen Querschnitt einer Drehachse 4 an der Stelle, an der der Schwenkarm 32 mit der Drehachse 4 verbunden ist. Der Schwenkarm 32 ist mit Hilfe eines Rings 41 um den Umfang der Drehwelle 4 mit der Drehwelle 4 verbunden. Der Ring 41 besitzt eine Kerbe 42. In der Drehwelle 4 sind ein Mitnehmer 43 und eine Feder 44 angeordnet. Befindet sich der Mitnehmer 43 in der Kerbe 42, wird der Schwenkarm 32 durch die Drehwelle angetrieben und besitzt die gleiche Drehgeschwindigkeit. Übersteigt hingegen die Drehgeschwindigkeit des Schwenkarms 32 die Drehgeschwindigkeit der Drehwelle 4, wird der Mitnehmer 43 zurückgeschoben und Drehwelle 4 und Schwenkarm 32 drehen unabhängig voneinander.
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In 7 ist eine Ansicht einer Windkraftanlage dargestellt. Die Windkraftanlage besteht aus einer Flügelradeinheit mit 10 Flügelrädern 45, einer schematisch dargestellten Kupplungsvorrichtung 46 und einem schematisch dargestellten Generator 27. Zur Stabilisierung wird die vor Ort montierbare Flügelradeinheit mittels dreier Stahlseile 47 von einer sternförmig ausgebildeten Spitze 48 der Flügelradeinheit gegen den Erdboden abgespannt und zusätzlich mit einem Anker 49 gesichert. Der Anker ist als Bodenschraube ausgebildet. Auf diese Weise kann die Anlage mit einem geringen zusätzlichen Gewicht errichtet werden, so dass auch an schwer zugänglichen Orten eine einfache Montage gewährleistet ist. Anstelle des Ankers 49 können auch weitere Abspannseile zur Sicherung verwendet werden. Auf diese Weise kann die Anlage automatisch senkrecht ausgerichtet werden. Dadurch sind die Drehwellen und der Generator immer senkrecht ausgerichtet. Dies stellt insbesondere bezüglich einer sich ändernden Untergrundoberfläche beispielsweise eines Gletschers einen besonderen Vorteil dar. Mit Hilfe des Gewichtsrads 50, das die Trägheit der Flügelradeinheit erhöht, werden Drehimpulse gedämpft.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- CN 101270721 A [0004]
- DE 4305600 A1 [0005]
- DE 3730401 A1 [0006]