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Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft eine Axialkolbenmaschine enthaltend
- (a) eine Welle, und
- (b) eine Zylinderanordnung mit Zylindern und darin geführten Kolben zum Antrieb der Welle,
- (c) wobei die Zylinder jeweils eine mit einer Einlasssteuerung gesteuerte Einlassöffnung für ein Arbeitsmedium und eine Auslassöffnung aufweisen.
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Axialkolbenmaschinen weisen mehrere Zylinder auf, in denen jeweils ein Kolben einen Hub ausführt. Der Hub wird beispielsweise über eine Taumelscheibe auf die Welle übertragen. Mit der rotierenden Welle kann insbesondere ein Generator oder ein Fahrzeug angetrieben werden. Die Einlasssteuerung für das Arbeitsmedium erfolgt mittels Steuerorganen.
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Stand der Technik
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Aus der
DE 10 2004 004 692 A1 ist eine ventilgesteuerte Axialkolbenmaschine bekannt. Die bekannte Anordnung weist eine rotierende Nockenscheibe auf, welche von der Welle angetrieben wird. Die Nockenscheibe steuert Ventilstößel und mittels der Ventilstößel die Ventile am jeweiligen Einlass der Zylinder. Die Anordnung ist voluminös und komplex.
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Offenbarung der Erfindung
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Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, die kleiner ist und einfacher aufgebaut. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass Kanäle vorgesehen sind, welche die Endbereiche der Zylinder miteinander verbinden, so dass der Kolben beidseitig mit Arbeitsmedium beaufschlagbar und das Arbeitsmedium zweistufig expandierbar ist. Die Kanäle verlaufen vorzugsweise in der Gehäusewandung, insbesondere in axialer Richtung.
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Der Kolben ist als Doppelkolben ausgebildet. Das Arbeitsmedium, beispielsweise unter Druck stehender, heißer Wasserdampf, wird bei dieser Anordnung zunächst über den Einlass in ein erstes Expansionsvolumen eingelassen und auf ein niedrigeres Druckniveau expandiert. Dabei wird der Kolben in einer ersten Richtung bewegt. Durch den Kanal gelangt das teilexpandierte Arbeitsmedium in ein Expansionsvolumen, welches sich auf der gegenüberliegenden Kolbenseite in dem Zylinder befindet. Dort wird das teilexpandierte Arbeitsmedium von dem niedrigeren Druckniveau auf beispielsweise Umgebungsdruck oder ein anderes, noch niedrigeres Druckniveau expandiert. Diese Expansion bewirkt eine Bewegung des Kolbens in eine zweite Richtung, welche entgegengesetzt zu der ersten Richtung ist.
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In einer weiteren, besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist dem Arbeitsmedium im Bereich der Kanäle, welche die Endbereiche der Zylinder miteinander verbinden, zusätzliche Energie zuführbar. Dabei können die Kanäle über einen Zwischenüberhitzer geführt sein, in welchem dem Arbeitsmedium Wärmeenergie zuführbar ist. Vorzugsweise weisen die Zylinder beidseitig jeweils eine mit einer Einlasssteuerung gesteuerte Einlassöffnung für das Arbeitsmedium auf. In dem Zwischenüberhitzer kann dem in der ersten Stufe expandierten und dabei abgekühlten Arbeitsmedium weitere Energie in Form von Wärme aus anderen Prozessen, beispielsweise Abgasabwärme zugeführt werden. Dadurch wird die Energiebilanz des Gesamtprozesses weiter verbessert.
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In einem alternativen Ausführungsbeispiel sind die Kanäle in der Gehäusewandung geführt. Das Arbeitsmedium muß in dem Kanal einen Weg zurücklegen, wodurch eine Verzögerung bewirkt wird. Diese Verzögerung ist an die Taktfrequenz des Kolbens angepasst. Dabei weisen die Kanäle vorzugsweise eine Länge auf, bei der eine ausgewählte Zeitverzögerung bewirkt wird. Die Zeitverzögerung wird vorzugsweise so ausgewählt, dass eine ideale Abstimmung des Einlassvorgangs erfolgt.
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Dabei können die Kanäle, welche die Endbereiche der Zylinder miteinander verbinden, derart angeordnet sein, dass jeder obere Endbereich eines Zylinders mit dem unteren Endbereich des benachbarten Zylinders verbunden ist. Die Kanäle sind quasi helixförmig um die Welle herum angeordnet. Jeder Kanal mündet an der Niederdruckseite des benachbarten Zylinders. Durch diese Anordnung der Kanäle wird erreicht, dass der Auslass eines Kolbens erst nach dem Totpunkt des benachbarten Kolbens zum Kanal öffnet, so dass keine unerwünschten Kräfte in der Richtung auftreten, die der Kolbenbewegung entgegengesetzt ist.
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Die erfindungsgemäße Anordnung ist besonders einfach und kostengünstig aufgebaut und ermöglicht eine kompakte Bauweise.
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Eine Ausgestaltung der Erfindung kann derart ausgebildet sein, dass
- (d) die Einlasssteuerung einen von der Welle angetriebenen, um eine zu der Welle koaxiale Achse rotierenden Schließkörper mit einem außerachsialen Durchgang umfasst,
- (e) der Durchgang bei Rotation des Schließkörpers die Einlassöffnungen überstreicht, und
- (f) der Schließkörper in einer Einlasskammer für das Arbeitsmedium mit erhöhtem Druck angeordnet ist, so dass Arbeitsmedium zum Expandieren durch den Durchgang und die Einlassöffnung in den zugehörigen Zylinder leitbar ist.
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Bei typischen Axialkolbenmaschinen sind mehrere Zylinder kranzförmig um eine Welle herum angeordnet. Die Hubrichtung verläuft parallel zur Mittenachse der Welle. Die Zylinder werden am oberen Ende von einem gemeinsamen Zylinderkopf begrenzt. Darin sind bei der vorliegenden Erfindung Bohrungen als Einlassöffnungen vorgesehen. Die Einlassöffnungen sind entlang einer Kreislinie angeordnet. Der Schließkörper ist mit der Welle verbunden und wird von dieser angetrieben. Entsprechend rotiert der Schließkörper um eine gemeinsame Rotationsachse, welche durch den Kreismittelpunkt verläuft.
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Der Schließkörper ist mit einem Durchgang versehen. Dieser kann eine Bohrung in einem von einer Scheibe gebildeten Schließkörper sein. Der Durchgang ist derart in dem Schließkörper angeordnet, dass er bei Rotation nacheinander die Einlassöffnungen der Zylinder überstreicht. Entsprechend werden die Zylinder nacheinander mit dem Inneren der Einlasskammer verbunden. In der Einlasskammer ist das Arbeitsmedium vorgesehen. Das Arbeitsmedium kann beispielsweise Wasserdampf unter hohem Druck sein. Wenn das Arbeitsmedium durch den Durchgang und die Einlassöffnung in den Zylinder tritt, kann es im Zylinder expandieren. Der Kolben wird dann nach unten gedrückt. Die Arbeitsleistung wird beispielsweise über eine Taumelscheibe auf die Welle übertragen und steht dann zur weiteren Verwendung, etwa an einem Generator oder zum Antrieb eines Fahrzeugs oder einer Maschine zur Verfügung.
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Bei der erfindungsgemäßen Anordnung kann auf aufwändige Ventile und Ventilsteuerungen vollständig verzichtet werden. Ein Schließkörper, wie eine Scheibe mit einer Bohrung, kann kostengünstig hergestellt werden und erfordert nur sehr wenig Raum. Dadurch ist die Anordnung sehr kompakt.
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In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist die Zylinderanordnung einen Zylinderkopf mit einem Lager aus Kohlenstoff für den Schließkörper auf. Dadurch wird die Reibung minimiert. Das Lager ist selbstschmierend. Der Schließkörper besteht vorzugsweise aus gehärtetem Stahl. Die Kombination von gehärtetem Stahl in einem Kohlenstofflager hat sich als besonders reibungsarm herausgestellt.
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Bei einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Zylinderanordnung ein Zylindergehäuse, durch welches die Welle geführt ist, kranzförmig um die Welle angeordnete Zylinderbohrungen und axialbewegliche Kolben in den Zylinderbohrungen zum Antrieb der Welle mittels einer Taumelscheibe.
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Die Axialkolbenmaschine kann eine Dampfmaschine sein und das Arbeitsmedium kann im wesentlichen Wasserdampf sein.
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In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist das Zylindergehäuse einen Zylinderkopf auf, und ein teilweise flächig auf dem Zylinderkopf aufliegendes Anschlussteil mit einer die Einlasskammer bildenden Wölbung, in welcher der Schließkörper umläuft, wobei die Einlasskammer im Bereich der Wölbung mit einer Quelle für unter Druck stehendes Arbeitsmedium verbindbar ist. Das Anschlussteil wird dann an den Zylinderkopf angeflanscht und ist leicht abzudichten. Ein solches Anschlussteil mit einer Einlasskammer und einem Schließkörper kann bei Verwendung einer Zwischenüberhitzung auch niederdruckseitig zur Einlasssteuerung vorgesehen sein.
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Das Zylindergehäuse kann mehrteilig ausgebildet sein, wobei ein im wesentlichen topfförmiger Teil einen Gehäuseboden umfasst und der andere Teil mit einem separaten Zylinderkopf versehen ist.
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Vorzugsweise weist das Zylindergehäuse seitliche Schlitze im Bereich des Expansionsvolumens der Zylinder auf, welche Auslässe für das expandierte Arbeitsmedium bilden. Dadurch wird eine besonders kompakte Anordnung erreicht.
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In einer besonders kompakten Ausgestaltung der Erfindung ist das Zylindergehäuse in axialer Richtung durchgehend mit einem separaten Zylinderkopf und einem separaten Gehäuseboden ausgebildet.
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Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche. Ein Ausführungsbeispiel ist nachstehend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 ist eine perspektivische Darstellung einer Axialkolbenmaschine mit zweistufiger Expansion mit Überströmkanälen in der Gehäusewandung.
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2 ist ein Längsschnitt durch die Axialkolbenmaschine aus 1.
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3 ist ein Querschnitt entlang der Schnittfläche B-B in 2.
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4 ist ein Längsschnitt durch die Axialkolbenmaschine entsprechend 2, wobei die Kolben in einer unterschiedlichen Position sind.
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5 ist eine perspektivische Darstellung einer Axialkolbenmaschine mit zweistufiger Expansion mit Anschlüssen für eine Zwischenüberhitzung.
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6 ist ein Längsschnitt durch die Axialkolbenmaschine aus 5.
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7 ist ein Querschnitt entlang der Schnittfläche B-B in 6.
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8 ist ein Längsschnitt durch die Axialkolbenmaschine entsprechend 6, wobei die Kolben in einer unterschiedlichen Position sind.
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9 zeigt Ausschnitte der Axialkolbenmaschine aus 5 mit unterschiedlichen Kolbenstellungen im Vergleich.
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Beschreibung des Ausführungsbeispiels
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Die Figuren, in denen gleiche Bauteile mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind, zeigen eine Axialkolbenmaschine, die allgemein mit 110 bezeichnet ist. Die Axialkolbenmaschine 110 weist ein durchgängiges, zylindrisches Gehäuse 112 auf. Ein Gehäuseboden 114 schließt das Gehäuse 112 unten ab. Koaxial durch das Gehäuse 112 ist eine zweiteilige, drehbar gelagerte Welle 116, 118 geführt. Das Gehäuse 112 ist mit fünf Bohrungen 120 versehen, welche kranzförmig, parallel zur Rotationsachse der Welle um die Welle herum angeordnet sind. Dies ist in 3 und 7 dargestellt. Die Bohrungen 120 bilden Zylinder. In den Bohrungen 120 sind Doppelkolben 122 geführt. Die Doppelkolben 122 weisen Hohlräume 124 auf. Dadurch sind diese leicht und erfordern nur wenig Material. Im mittleren Bereich der Doppelkolben sind zwei Gleitsteine 126, welche die Form eines Kugelsegments haben können, drehbar gelagert. Eine Taumelscheibe 128 ist mit den Gleitsteinen 126 der Doppelkolben 122 verbunden.
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Die Taumelscheibe 128 ist im mittleren Bereich der Welle mit einer Aufspannmutter fest gegen einen Ringvorsprung der Welle 116 gespannt und so mit der Welle 116 verbunden. Neben der Aufspannmutter ist noch eine Passfeder zur Drehmomentübertragung verbaut. Der untere Teil 116 der Welle ist mit einer axialen Vierkant-Nut versehen. Darin steckt der obere Teil 118 der Welle. Die Rotation des unteren Teils 116 der Welle wird so auf den oberen Teil 118 der Welle übertragen.
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Am oberen Ende des Gehäuses 112 ist ein gemeinsamer, scheibenförmiger Zylinderkopf 130 angeordnet. Der Zylinderkopf 130 ist mit dem Gehäuse 112 mittels eines durchgehenden Bolzens 150 mit dem Gehäuseboden 114 verbunden. Mit dem Zylinderkopf 130 werden die Bohrungen 120 verschlossen. Der obere Teil 118 der Welle ist durch eine Mittenbohrung in dem Zylinderkopf 130 geführt. Das obere Ende des oberen Teils 118 der Welle mündet in eine Einlasskammer 132. Die Einlasskammer 132 ist auf ein auf dem Zylinderkopf 130 aufliegenden Anschlussteil 134 aufgesetzt und gegen dieses abgedichtet. In der Einlasskammer 132 läuft ein scheibenförmiger Drehschieber 136 um. Die Einlasskammer 132 ist mit einer Quelle für unter Druck stehendes Arbeitsmedium verbindbar. Hierfür sind Dampfzuleitungen 138 vorgesehen, die in der Einlasskammer 132 münden.
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Der Drehschieber 136 ist formschlüssig mit dem oberen Teil 118 der Welle verbunden und wird von dieser angetrieben. Der Drehschieber 136 läuft zwischen einem Wellenkopf 140 am oberen Ende des oberen Teils 118 der Welle und einem Kohlenstofflager 142 um. Das Kohlenstofflager besteht im vorliegenden Ausführungsbeispiel aus gesintertem Kohlenstoff. Es ist scheibenförmig und in eine hierfür vorgesehene Aussparung auf der Außenseite des Zylinderkopfes 130 eingelassen.
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Der Drehschieber 136 weist einen außeraxialen Durchgang 148 auf. Der Zylinderkopf 130 weist im Bereich des Kohlenstofflagers 142 Bohrungen 144 auf. Jedem Zylinder 120 ist eine Bohrung 144 zugeordnet. Die Bohrungen 144 sind kranzförmig um die Welle herum angeordnet. Der Durchgang 148 überstreicht die Bohrungen. Dabei ist der Bereich um die Bohrungen 144 mit einem etwas vorstehenden Rand versehen, wodurch die Reibung reduziert wird. Die geringe Reibung bewirkt eine hohe Effizienz der Anordnung.
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Das Gehäuse 112 weist in einem ersten Ausführungsbeispiel, das in den 1 bis 4 dargestellt ist, in der seitlichen Wandung Überströmkanäle 152 auf. Die Überströmkanäle 152 verbinden das Expansionsvolumen 154 oberhalb des oberen Kolbenteils mit dem Expansionsvolumen 156 unterhalb des unteren Kolbenteils. Der Zugang 158 zum Überströmkanal 152 befindet sich dabei in einem Bereich, der durch den oberen Teil des Doppelkolbens 122 erst nach Expansion freigegeben wird. Der Ausgang 160 des Überströmkanals 152 bildet den Einlass für das Expansionsvolumen unterhalb des Doppelkolbens 122. Im unteren Bereich jedes Zylinders sind in der äußeren Wandung Schlitze 146 vorgesehen. Die Schlitze 146 bilden den Auslass des Zylinders, in dem der untere Kolben des Doppelkolbens 122 bewegt wird.
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Mit der Anordnung wird eine zweistufige Expansion realisiert:
Unter Druck stehender Wasserdampf gelangt durch die Dampfzuleitung 138 in die Einlasskammer 132. Der Durchgang 148 im Drehschieber 136 überstreicht bei Rotation der Welle mit dem Drehschieber nacheinander die Bohrungen 144. Der Drehschieber gibt somit immer eine Bohrung 144 frei. Durch diese tritt der Wasserdampf in den oberen Bereich des Zylinders 120. Dort erfolgt eine teilweise Expansion des Wasserdampfes. Der zugehörige Doppelkolben 122 bewegt sich dabei nach unten in der Darstellung. Über die Gleitsteine 126 und die Taumelscheibe 128 wird so die Welle 116 angetrieben. Mit Erreichen des Totpunktes des Kolbens wird der Zugang 158 zum Überströmkanal 152 freigegeben. Der teilweise expandierte Wasserdampf tritt durch den Zugang 158 in den Überströmkanal 152. Der immer noch unter Druck stehende Dampf tritt durch den Ausgang 160 in den unteren Teil des Zylinders 120. Dort expandiert er weiter und bewegt den Doppelkolben 122 wieder nach oben. Am anderen Totpunkt werden Schlitze 146 in der Wandung des Gehäuses 112 vom unteren Teil des Doppelkolbens 122 freigegeben. Durch diese Schlitze 146 kann das nun vollständig expandierte Arbeitsmittel austreten.
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Die zweistufige Expansion hat den Vorteil, dass ein großer Hub bei langen Einlasssteuerzeiten erreicht wird. Die Laufzeit durch den Überströmkanal bewirkt die erforderliche Verzögerung, die zur Steuerung des Doppelkolbens nötig ist. Die Anordnung arbeitet ohne zusätzliche Ventile, Schieber oder sonstige Steuerorgane. Dadurch ist sie einfach aufgebaut und sehr kompakt. Bei kleinen Baugrößen lassen sich besonders hohe Leistungsdichten erreichen. Der obere Teil des Doppelkolbens ist das Steuerorgan für den unteren Teil des Doppelkolbens.
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5 bis 9 zeigen ein alternatives Ausführungsbeispiel der Erfindung. Der in der ersten Stufe expandierte Dampf wird über einen Kanal in Form einer Dampfableitung 168 nach der Expansion abgeleitet. Die Dampfableitung 168 mündet in einem nicht dargestellten Zwischenüberhitzer. Dort wird dem Arbeitsmedium Energie in Form von Wärme zugeführt. Die Wärme wird aus der Abwärme anderer Prozesse gewonnen. Vom Zwischenüberhitzer wird das heiße Arbeitsmedium über eine Dampfzuleitung 153 in eine weitere Einlasskammer 166 geleitet. Die Einlasskammer 166 ist Teil einer Einlasssteuerung, mit einem scheibenförmigen Drehschieber 162, die genauso aufgebaut ist, wie die bereits beschriebene Einlasssteuerung am oberen Ende des Zylindergehäuses 112. Entsprechend weist der Drehschieber 162 ein Kohlenstofflager 170 und einen Durchgang 172 auf Die Einlasskammer wird mit einem Anschlussteil 164 am unteren Ende des Zylindergehäuses 112 angeflanscht.
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Die Einlasskammer ist zur Antriebswell abgedichtet. Im Übrigen ist das zweite Ausführungsbeispiel identisch mit dem ersten Ausführungsbeispiel und braucht daher hier nicht weiter beschrieben werden.
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In den oben aufgeführten Ausführungsbeispielen beziehen sich die Begriffe „oben” und „unten” auf die Darstellungen in den Figuren und sind nicht absolut zu verstehen. Die Ausführungsbeispiele dienen ferner lediglich zur Illustration der Erfindung und nicht zur Beschränkung des Schutzumfangs, der durch die beigefügten Ansprüche definiert ist.
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Insbesondere kann die Erfindung auch an weiteren Modifikationen verwirklicht werden. So können unterschiedlich aufgebaute Gehäuse und unterschiedliche Anzahl an Zylindern verwendet werden. Auch ist die Erfindung nicht auf ein konkretes Arbeitsmedium beschränkt. Vielmehr eignen sich auch andere Arbeitsmedien zur Expansion.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102004004692 A1 [0003]
