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Die Erfindung bezieht sich auf ein System von Solarthermie-Kollektoren, die modular aneinander gereiht werden können und dadurch die eigentliche Kollektorfläche bilden. Durch unterschiedliche Kombinationen einzelner Module kann die eigentliche Kollektorfläche entsprechend ihrer Größe und Form an die konkreten Erfordernisse, die sich aus der Anwendung ergeben, angepasst werden kann. Die einzelnen Kollektormodule haben eine speziellen, energietechnisch optimierten Aufbau und gliedern sich in End-Mittel- und Eckteile, was eine große Flexibilität gewährleistet. Sie wirken fertig aufgebaut wie ein einziger, großer Kollektor. Dieses System ist hauptsächlich für die solar-thermische Erwärmung von gasförmigen Wärmeträgermedien wie beispielsweise Luft konzipiert, das Prinzip kann jedoch auch auf Kollektoren zur Erwärmung anderer niedrig viskoser Medien wie beispielsweise Wasser oder anderen flüssigen Wärmeträgern übertragen werden.
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Das solare Luftsystem ist eine noch wenig verbreitete Technologie. Sie kann aber entscheidende Beiträge liefern, die Wärmeversorgung von Gebäuden ökologisch verträglich zu gestalten. Im Unterschied zu den bereits etablierten solaren Systemen zur Wassererwärmung muss bei der Nutzung von Luft als Wärmeträger beachtet werden, dass aufgrund der geringen Wärmekapazität von Luft große Volumina benötigt werden, um die erforderlichen Energiemengen zu transportieren. Im Kollektor direkt erschwert der im Vergleich zu Wasser wesentlich schlechtere Wärmeübergang auf den gasförmigen Wärmeträger (Luft) den Prozess. Dies hat in der Regel relativ große, benötigte Kollektorflächen zur Folge. Aus diesem Grund besteht ein Bedarf an innovativen Systemen, wie in der vorliegenden Erfindung dargestellt, die mit überschaubarem Aufwand in die Gebäudearchitektur zu integrieren sind.
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Insbesondere durch die Tendenz zur Niedrigenergiebauweise wie sie aktuell zu beobachten ist, gewinnt die Frage einer energieeffizienten Wohnraumbelüftung einen neuen Stellenwert. In diesem Zusammenhang werden daher auch Systeme zur solaren Erwärmung von Luft immer attraktiver.
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Grundsätzlich sind die derzeit verfügbaren Solar-Luftkollektoren wie folgt aufgebaut: Unter einer Deckscheibe befindet sich eine dunkle Absorberfläche. Die Absorberfläche wird von der Sonnenstrahlung erwärmt und somit auch die Luft, die mit ihr in Kontakt kommt. Die Luft dient als Wärmeträgermedium. Sie wird mittels eines Lüfters (Ventilators) durch den Kollektor bewegt, der entweder in den Kollektor integriert ist, oder sich außerhalb dessen befindet. Um die Wärmeverluste so gering wie möglich zu halten, werden die Kollektoren mit einem Dämmstoff ausgekleidet.
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Die derzeit verfügbaren Solar-Luftkollektoren lassen sich nach den in ihrem Inneren umgesetzten Strömungsprinzipien in vier technologischen Grundprinzipien unterteilen:
- 1. Kollektoren mit unterströmter Absorberfläche
- 2. Kollektoren mit übeströmter Absorberfläche
- 3. Kollektoren mit umströmter Absorberfläche
- 4. Kollektoren mit durchströmter Absorberfläche
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Kollektoren mit unterströmter Absorberfläche
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Bei diesem Kollektortyp wird das gasförmige Wärmeträgermedium (Luft) unter der Absorberplatte entlang geleitet. Der Vorteil dieser Konstruktion ist es, dass der Luftspalt zwischen Absorber und Verglasung wärmedämmend wirkt. Nachteilig wirkt sich jedoch aus, dass nur eine Oberfläche als Wärmeübertragungsfläche dient.
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Kollektoren mit übeströmter Absorberfläche
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Dieser Kollektortyp ist sehr einfach aufgebaut und deswegen sehr kostengünstig herzustellen. Das gasförmige Wärmeträgermedium (Luft) wird hier über die Absorberfläche geleitet, das heißt die Luft strömt zwischen der Glasabdeckung und der Absorberplatte. Ein großer Nachteil dieses Kollektortyps sind seine hohen Wärmeverluste, die insbesondere bei hohen Differenzen zwischen der Absorber- und Außentemperatur auftreten. Hinzu kommt, dass auch hier nur eine Oberfläche als Wärmeübertragungsfläche dient.
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Kollektoren mit umströmter Absorberfläche
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Bei dieser Konstruktion wird das gasförmige Wärmeträgermedium (Luft) sowohl unter- als auch oberhalb der Absorberfläche geführt. Obwohl dieser Kollektortyp eine höhere Wärmeausbeute als jener mit überströmter Absorberflächen vermuten lässt, treten auch hier hohe Wärmeverluste auf.
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Kollektoren mit durchströmter Absorberfläche
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Dieser Kollektortyp bietet die beste Wärmeleistung, da er von einem sehr guten Wärmeübergang vom Absorber auf das gasförmige Wärmeträgermedium (Luft) profitiert. Dieser gute Wärmeübergang wird dadurch gewährleistet, dass die Luft die Absorberplatte durchströmt was zu einer relativ großen Kontaktfläche führt. Häufig werden bei diesem Kollektortyp Vliese oder andere poröse Materialien als Absorberflächen eingesetzt. Obwohl diese Materialien sich im Hinblick auf die Wärmeübertragung vorteilhaft auswirken, können sie jedoch zu hohen Druckverlusten im Kollektor führen, was sich nachteilig auf die gesamte Konstruktion auswirkt.
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Messungen haben gezeigt, dass von all den Konstruktionsmerkmalen der Wärmeübergang vom Absorber auf den Wärmeträger (Luft) ein wesentlicher Punkt ist. Für einen guten Wärmeübergang sind möglichst große Oberflächen erforderlich. Dem Luftstrom große Flächen entgegenzustellen, kann jedoch zu einem erhöhten Druckabfall im Kollektor führen, was eine erhöhte elektrische Leistung für den Lüfter (Ventilator) mit sich bringt. Eine Optimierung der Bauweise von Solar-Luftkollektoren stellt daher ein komplexes Problem dar, das in der vorliegenden Erfindung durch einen speziellen Aufbau der Kollektormodule gelöst wird.
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In der Literatur sind viele Varianten dieser Kollektoren beschrieben. Stellvertretend sind nachfolgend einige Schutzrechte benannt:
So beschreibt beispielsweise die Patentanmeldung
WO 2009024135 A3 einen Kollektor mit umströmter Absorberfläche, der als Hybridkollektor ausgeführt ist. Mit seiner Hilfe kann sowohl Luft als auch Wasser erwärmt werden. Unterhalb der Absorberplatte befinden sich bei dem Kollektor speziell geformte Ablenkbleche, die eine optimale Luftzirkulation gewährleisten sollen. Trotz der innovativen Hybridkonstruktion weist der Kollektor die bereits dargestellten Nachteile von Kollektoren mit umströmter Absorberfläche auf.
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In der Anmeldung
WO 2009008895 A1 wird ein Kollektor überströmter Absorberfläche beschrieben, der zum belüfteten von Räumen gedacht ist. Bei diesem Kollektor ist im Inneren, also unter der Deckscheibe ein Fotovoltaikmodul angebracht. Die Temperatur im Inneren des Kollektors wird über Thermostate geregelt, die die zum Kollektor gehörenden Lüfter steuern. Gemäß der Erfindung soll dieser Aufbau nicht nur warme Luft produzieren, sondern durch die Lüftersteuerung auch das Fotovoltaikmodul vor Überhitzung geschützt werden.
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Die dänische Patentschrift
WO 03048655 A1 beschreibt einen Solarkollektor mit durchströmter Absorberfläche. Bei dem gezeigten Aufbau wird auf wärmeisolierendes Material unterhalb der Absorberplatte verzichtet. Der Kollektor besitzt eine durchlässige Rückwand, durch die die Luft in dessen Inneres gelangt. Der Lüfter, mit dem der Kollektor ausgestattet ist wird über ein Fotovoltaikmodul im Inneren des Kollektors mit elektrischer Energie versorgt.
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In der US-Anmeldung US 2010000520 A1 wird ein Kollektor mit überströmter Absorberfläche beschrieben, der mit einer durchlässigen, durchsichtigen Deckplatte ausgestattet ist. Die Frischluft gelangt über kleine Öffnungen in dieser Deckplatte in den Kollektor, die erwärmte Luft wird über einen entsprechenden Stutzen aus dem Kollektor geführt. Obwohl der Wirkungsgrad einer solchen Bauweise vermutlich nicht über dem anderer Kollektoren mit überströmter Absorberfläche liegt, hat sie den Vorteil, dass sie sehr flach ausgeführt werden kann, da Frischluftzuleitungen fehlen.
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Die US-Anmeldung US 2009133687 A1 beschreibt einen Aufbau, der aus mehreren aneinandar gereihten Luftkollektoren besteht. Die Kollektoren sind Standard-Einzelkollektoren, die mit geeigneten Adapterstücken miteinander verbunden werden. Die Adapterstücke selbst sind nicht als Absorberflächen ausgestaltet und dienen lediglich der physikalischen Verbindung der Einzelkollektoren.
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In der Patentschrift
DE 20 2005 004 563 U1 wird ein Kollektor zur solaren Erwärmung von Luft beschrieben, bei dem die Absorberfläche nicht eben sondern gefältelt ähnlich einer Ziehharmonika ausgestaltet ist. Diese Fläche wird sowohl über- als auch unterströmt. Obwohl diese Bauweise zu einer größeren Absorberfläche, und somit einen besseren Wärmeaustausch führt, weist dieser Kollektoren dennoch die bereits beschriebenen Nachteile einer Konstruktion mit umströmter Absorberfläche auf.
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Die Patentschrift
DE 10200704425 A1 beschreibt einen Aufbau, bei dem das Prinzip eines Kollektors mit überströmter Absorberfläche umgesetzt wurde. Hier ist der Kollektor allerdings nicht als eine selbständige Einheit ausgestaltet. Die Erfindung verfolgt das Konzept eines Kollektors, der als Rückwand bereits vorhandene Flächen nutzt, auf die lediglich die Isolationsschicht, die Absorberfläche, und die durchsichtige Abdeckung aufgebracht werden. Trotz dieses ungewöhnlichen Aufbaus weist der Kollektor die Unzulänglichkeiten eines herkömmlichen Kollektors mit überströmter Absorberfläche auf. Der Vorteil dieser Konstruktion ist jedoch, dass man nicht auf vorgefertigte Kollektorgeometrien angewiesen ist, sondern die Abmessungen frei nach den Bedürfnissen und Platzverhältnissen gestalten kann.
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In der Patentanmeldung
DE 10 2008 29 676.7 wird ein Kollektor für die solarthermische Erwärmung von Flüssigkeiten beschrieben, mit einer sehr hohen Energieeffizienz. Im Unterschied zu den klassischen Flachkollektoren zirkuliert hier das Wärmeträgermedium nicht in Rohren, die über Absorberbleche erwärmt werden, sondern direkt in Hohlräumen in der Absorberplatte selbst. Dieser Aufbau hat den Vorteil, dass das sich die Energieverluste durch Wärmeabstrahlung sehr in Grenzen halten.
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Ausgehend von dem hier beschrieben Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein System von Solarthermie-Kollektoren zu beschreiben, die modular aneinander gereiht und miteinander verbunden werden können, so dass eine Kollektorfläche entsteht, die entsprechend ihrer Größe und Form an die konkreten Erfordernisse angepasst werden kann. Die einzelnen Kollektormodule haben eine speziellen, energietechnisch optimierten Aufbau, der nachfolgend näher beschrieben wird.
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Die Grundidee des neuen Kollektors besteht darin, das Wärmeträgermedium (z. B. Luft) in Modulen zu erwärmen, die so aufgebaut sind, dass sie unmittelbar miteinander verbunden werden können. Diese Module weisen demnach an ihren Enden Teile auf, wie zum Beispiel Verschlüsse, Verschraubungen, Steckverbindungen, Nieten usw. mit denen sie zu einer Einheit verbunden werden können.
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Um eine möglichst hohe Energieeffizienz zu erzielen, ist der Aufbau der einzelnen Module an jenen angelehnt, der in der Patentanmeldung
DE 10 2008 29 676.7 beschrieben ist: Das Wärmeträgermedium wird durch Hohlräume geleitet, die sich direkt in der Absorberplatte befinden. Um die Kontaktfläche zusätzlich zu vergrößern können diese Hohlräume (z. B. Kanäle) Einbauten und/oder Füllungen aufweisen, wie zum Beispiel Metallprofile, Metallwolle, Vliese usw. und sind somit auf die Erfordernisse der vorliegenden Erfindung abgestimmt.
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In 1 wird beispielhaft eine mögliche Ausführungsvariante eines solchen Moduls gezeigt: Im Inneren eines rahmenförmiges Gehäuses [1] befindet sich ein Absorber [2], der die Sonnenenergie auf das Wärmeträgermedium überträgt. Die Oberseite des Kollektors, die der Sonne zugewandt ist, bildet eine lichtdurchlässige Platte [3], beispielsweise aus Spezialglas, das sowohl eine hohe Wärmetransmission gewährleistet, als auch die erforderliche mechanische Festigkeit aufweist. Es kommen jedoch auch andere Materialien wie beispielsweise geeignete Kunststoffe in Betracht. Zwischen dieser Abdeckplatte unter Oberseite des Absorbers befindet sich ein Spalt, der die Abstrahlungsverluste der Absorberoberseite minimiert.
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Der Absorber [2] weist in seinem Inneren Hohlräume (Kanäle) [6] auf, durch die das Wärmeträgermedium (zum Beispiel Luft) zirkuliert. Im Inneren dieser Hohlräume können zusätzliche Einbauten vorhanden sein, die die Kontaktfläche zum Wärmeträgermedium vergrößern. Solche Einbauten [7] können beispielsweise Wellprofile, wie hier gezeigt oder anderen Profile sein, aber auch beispielsweise eine grobe Wolle, oder gar ein geeignetes Vlies (siehe hierzu auch 4). Wichtig für den Wärmetransport auf das Trägermedium ist, dass sich der gesamte Absorber wie auch die Einbauten im Inneren der Kanäle durch deren unmittelbaren Kontakt zur Deckplatte, zu den Seitenwänden und zur Bodenplatte des Absorbers gleichmäßig erwärmen. Auf diese Weise erhält man eine völlig neue Absorberkonstruktion, der die Vorteile eines Absorbers mit unterströmter, durchströmter und überströmter Absorberfläche vereint. Die Oberseite des Absorbers wird von einer dunklen Platte [4] gebildet, die auf eine möglichst hohe Wärmeabsorption hin optimiert ist. Eine solche Platte kann beispielsweise aus einer speziellen für die solare Wärmeabsorption beschichtete Metallplatte (aus Aluminium, Kupfer, usw.) bestehen. Sie kann aber auch, wie der ganze Absorber selbst aus einem geeigneten Kunststoff (zum Beispiel Duroplast) gefertigt sein. Der Absorber ist wie ein Kasten geringer Höhe ausgebildet, an dessen Stirn- bzw. Rückseite das Wärmeträgermedium ein- bzw. austreten kann. Um die Wärmeverluste so gering wie möglich zu halten ist der Absorber durch geeignete Wärmedämmstoffe [5] von den Gehäuseaußenwänden [1] und der Gehäusebodenplatte [8] isoliert.
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2 zeigt in eine Draufsicht von Ausführungsvarianten weiterer modularer Teile, die durch ihre Aneinanderkopplung die spätere Kollektorfläche ergeben. Die gepunkteten Linien deuten den Verlauf der Strömungskanäle für das Wärmeträgermedium im Inneren des Absorbers an.
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Modul A ist ein so genanntes Endstück, das sowohl auf Modul B als auch auf Modul C aufgesetzt werden kann. Es verfügt auf der einen Seite über konventionelle Anschlüsse wie beispielsweise Rohrstutzen durch die späteren der gesamte Aufbau zum Beispiel in einer Heiz- beziehungsweise Lüftungsanlage integriert werden kann. Das Endstück kann auch einen Ventilator (Lüfter) beinhalten, der das Wärmeträgermedium (Luft) durch die ganze spätere Kollektorfläche (beispielsweise in Pfeilrichtung) bewegt. Auf der anderen Seite ist das Modul A so ausgestaltet, dass es weitestgehend gasdicht an die entsprechenden Anschlussseiten der Module des Typs B und/oder C angekoppelt werden kann.
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Das Modul B ist ein so genanntes Mittelstück. Es kann wie in 1 beispielhaft dargestellt aufgebaut sein. Die Kanäle, die das Wärmeträgermedium (Luft) durch den Absorber leiten verlaufen linear, so dass dieses sich beispielsweise in Pfeilrichtung durch den Absorber bewegen wird. An den Längsseiten ist das Modul dicht verschlossen, die Stirnseiten sind hier als Anschlussseiten ausgestaltet. Durch diese kann das Modul weitestgehend gasdicht z. B. ein zwei Module des Typs A oder C oder an ein Modul des Typs A und ein eines des Typs C oder B, oder zwei weitere Module des Typs B angekoppelt werden. (Siehe hierzu auch 3). Dies wird durch spezielle Kupplungselemente erzielt, die einerseits die Absorber aus zwei aneinander gekoppeltem Modulen für das Wärmeträgermedium dicht miteinander verbinden, und andererseits auch eine weitestgehend gasdichte Verbindung der gesamten Module miteinander ermöglichen.
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Das Modul des Typs C ist ähnlich dem Modul B aufgebaut. Der Unterschied besteht einzig und alleine darin, dass die Kanäle für den Transport des Wärmeträgermediums im Inneren des Absorbers nicht durchgehend linear, sondern in einem Winkel von beispielsweise 90° verlaufen. Auf diese Weise erhält man ein so genanntes Eckmodul, bei dem die Strömungsrichtung des Wärmeträgermediums (Luft) um beispielsweise 90° entsprechend der Pfeilrichtung gedreht wird. Selbstverständlich sind auch Module mit anderen Ablenkwinkeln als 90° denkbar. Der Grenzfall dieser Möglichkeiten ist das Modul B, bei dem die Fließrichtung des Wärmeträgermediums linear verläuft (Ablenkwinkel 180°). Entsprechend dem Ablenkwinkel im Inneren des Absorbers, stehen auch die Anschlussflächen in einem gewissen Winkel (z. B. 90° bei 90° Ablenkwinkel zueinander. Sie sind auch hier wie bei dem Modul B so ausgestaltet, dass sie einen weitestgehend gasdichtes Verbinden dieses Moduls mit anderen Modulen des gleichen Typs oder auch mit Modulen des Typs A und/oder B und/oder C ermöglichen. (Siehe hierzu auch 3)
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3 zeigt beispielhaft anhand einer Draufsicht eine möglichen Kollektorfläche, die durch die Kombination von Modulen des Typs A und/oder B und/oder C erreicht wurde. Die Pfeile zeigen die Strömungsrichtung des Wärmeträgermediums (z. B. Luft), während die gepunkteten Linien im Inneren der Module, wie auch in 2 den Verlauf der Kanäle im Inneren der jeweiligen Absorber darstellen. Die Module sind alle an den dafür vorgesehenen Anschluss-Seiten oder -Flächen gasdicht verbunden. Durch entsprechende Halterungen an den Modulen, kann ein solcher Verbund beispielsweise auf einem Dach, einer Wand, an der Fassade, usw. eines Gebäudes montiert werden. Konventionelle Rohrleitungen, die an die dafür vorgesehenen Stutzen der Endstücke angeschlossen sind, transportieren das in dem Verbund erwärmte Wärmeträgermedium (z. B. Luft) durch geeignete Ventilatoren (Lüfter) oder Pumpen ins Innere des Gebäudes. Auf diese Weise kann das System in konventionelle Lüftungsanlagen oder aber in Heizanlagen Gebäude integriert werden.
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In 4 sind beispielhaft einige mögliche Ausführungsvarianten, beziehungsweise Einbauten und/oder Füllungen für den Absorber dargestellt. Die Variante A zeigt einen Absorber der in seinem Inneren wellenförmige Einbauten besitzt. Ein solcher Aufbau ist in 1 detaillierter dargestellt. Baut man in den Absorber Kammerprofile ein, erhält man eine Konstruktion wie in Variante B gezeigt. Hier entsteht eine Reihe dicht aneinander gepackter und parallel zueinander verlaufender Kanäle, durch die das Wärmeträgermedium transportiert wird. In den Varianten C und D wurden die Kanäle, wie zum Beispiel in den Varianten A und B dargestellt, zusätzlich mit einem Füllmaterial versehen. Dieses Filmmaterial kann beispielsweise ein Vlies sein, es kann sich dabei aber auch um eine Wolle oder Späne aus gut wärmeleitenden Materialien wie beispielsweise Metallen handeln. Besteht der ganze Absorber aus Kunststoff kann dieses Füllmaterial ebenfalls ein Kunststoff sein. Es hat die Aufgabe, die Kontaktfläche mit dem Wärmeträgermedium zusätzlich zu vergrößern. Von besonderer Bedeutung für alle hier gezeigten möglichen Konstruktionen des Absorbers (Varianten A; B; C; oder D) ist der besonders gute Wärmekontakt einschließlich der Füllmaterialien mit den umgebenden Absorberflächen. Nur auf diese Weise wird ein optimaler Wärmeübergang im Absorber auf das Wärmeträgermedium gewährleistet. Ebenfalls wichtig ist die Tatsache, dass bei der Wahl der Einbauten beziehungsweise Füllmaterialien darauf geachtet wird, dass der Druckverlust im Inneren des Absorbers so gering wie möglich gehalten wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2009024135 A3 [0011]
- WO 2009008895 A1 [0012]
- WO 03048655 A1 [0013]
- DE 202005004563 U1 [0016]
- DE 10200704425 A1 [0017]
- DE 10200829676 [0018, 0021]
