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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Ventileinrichtung zum Steuern eines Bypasses einer Turbine, insbesondere eines Abgasturboladers, mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft außerdem ein Wastegateventil einer Turbine, insbesondere eines Abgasturboladers, das mit einer derartigen Ventileinrichtung ausgestattet ist. Die Erfindung betrifft ferner eine Turbine, insbesondere eines Abgasturboladers, die mit einem derartigen Wastegateventil ausgestattet ist. Schließlich betrifft die vorliegende Erfindung noch einen Abgasturbolader, insbesondere einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs, der mit einer derartigen Turbine ausgestattet ist.
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Aus der
WO 2010/135104 A2 ist ein Abgasturbolader bekannt, dessen Turbine einen Bypass, sogenanntes „Wastegate“, aufweist, der mit Hilfe eines Wastegateventils steuerbar ist, um so die Leistung der Turbine bzw. des Abgasturboladers zu steuern. Hierzu verfügt das Wastegateventil über eine Ventileinrichtung mit einem Ventilteller zum Öffnen und Verschließen einer durch einen Ventilsitz eingefassten Bypassöffnung der Turbine. Die Ventileinrichtung umfasst außerdem einen Dorn, der an einer vom Ventilsitz abgewandten Rückseite des Ventiltellers absteht, und eine Spindel zum Verschwenken des Ventiltellers um eine Spindelachse. Die Spindel weist einen seitlich abstehenden Spindelarm auf, der exzentrisch zur Spindelachse mit dem Dorn verbunden ist, wobei der Dorn eine im Spindelarm ausgebildete Durchgangsöffnung parallel zu einer Dornlängsmittelachse durchsetzt.
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Herstellungsbedingt besitzen die einzelnen Bestandteile der Ventileinrichtung Herstellungstoleranzen, was zu Spiel innerhalb der Ventileinrichtung führt. Hebt beim Öffnen des Bypasses der Ventilteller vom Ventilsitz ab, sind die einzelnen Komponenten der Ventileinrichtung relativ zueinander beweglich, was zu einer unerwünschten Geräuschentwicklung führen kann.
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Bei der aus vorstehend genannter
WO 2010/135104 A2 bekannten Ventileinrichtung ist eine Ringfeder vorgesehen, welche den Ventilteller parallel zur Dornlängsmittelachse mit dem Spindelarm verspannt und wodurch Spiel und Relativbewegungen reduziert bzw. eliminiert sind.
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Durch das in den Komponenten der Ventileinrichtung vorhandene Spiel muss jedoch auch der Ventilsitz entsprechend größer dimensioniert sein, um im gesamten Bereich der möglichen Lagetoleranzen ein sicheres Verschließen der vom Ventilsitz eingefassten Bypassöffnung durch den Ventilteller gewährleisten zu können.
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Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem, für eine Ventileinrichtung der eingangs genannten Art bzw. für ein damit ausgestattetes Wastegateventil bzw. für eine damit ausgestattete Turbine bzw. für einen damit ausgestatteten Abgasturbolader eine verbesserte oder zumindest eine andere Ausführungsform anzugeben, die es insbesondere ermöglicht, den Ventilsitz mit engeren Toleranzen herzustellen.
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Erfindungsgemäß wird dieses Problem durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, die Ventileinrichtung mit einem Zentrierelement auszustatten, das den Dorn in der Durchgangsöffnung des Spindelarms zumindest in einer quer zur Dornlängsmittelachse orientierten Querrichtung zentriert. In der Folge kann der Ventilsitz zumindest in dieser Querrichtung mit engeren Toleranzen und somit mit kleinerer Wandstärke realisiert werden, was die Herstellungskosten reduziert.
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Entsprechend einer vorteilhaften Ausführungsform kann das Zentrierelement einerseits bezüglich der Dornlängsmittelachse radial außen am Dorn abgestützt sein und andererseits bezüglich der Dornlängsmittelachse radial außen am Spindelarm abgestützt sein. Somit ist das Zentrierelement außerhalb der Durchgangsöffnung des Spindelarms angeordnet, so dass die Funktionalität zwischen Ventilteller, Dorn und Spindelarm durch das Zentrierelement nicht beeinträchtigt ist.
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Gemäß einer anderen zweckmäßigen Ausführungsform kann das Zentrierelement einen Zentrierkragen aufweisen, der den Spindelarm an zwei voneinander abgewandten Randseiten spielfrei übergreift. Hierdurch kann nun die Relativlage zwischen Spindelarm und Zentrierelement definiert werden. Beispielsweise kann zwischen dem Zentrierkragen und dem Spindelarm eine Presspassung vorgesehen sein. Ebenso ist es möglich, den Zentrierkragen federelastisch zu konzipieren, so dass der Zentrierkragen den Spindelarm mittels Federkraft am Zentrierelement zentriert.
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Bei einer anderen Ausführungsform kann das Zentrierelement einerseits bezüglich der Dornlängsmittelachse radial außen am Dorn abgestützt sein und andererseits bezüglich der Dornlängsmittelachse radial innen am Spindelarm abgestützt sein. Bei dieser Ausführungsform befindet sich das Zentrierelement somit im Bereich der Durchgangsöffnung, wobei insbesondere vermieden werden kann, dass das Zentrierelement eine über den Spindelarm radial vorstehende Störkontur bildet.
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Gemäß einer zweckmäßigen anderen Ausführungsform kann das Zentrierelement in eine Ausnehmung eingesetzt sein, die am Spindelarm an einer dem Ventilteller zugewandten oder an einer vom Ventilteller abgewandten Seite ausgebildet ist. Diese Ausnehmung kann insbesondere im Bereich der Durchgangsöffnung ringförmig umlaufend ausgestaltet sein. Sie befindet sich vorzugsweise an einem die Durchgangsöffnung einfassenden Rand bzw. Innenrand des Spindelarms. Die Ausnehmung kann als Ringstufe oder als Fase ausgestaltet sein. Die Ausnehmung kann eine konische oder ballige Profilierung besitzen. Im Bereich der Ausnehmung kann sich das Zentrierelement einerseits radial innen am Dorn abstützen und andererseits radial außen über die Ausnehmung am Spindelarm. Sofern die Ausnehmung an der dem Ventilteller zugewandten Seite des Spindelarms ausgebildet ist, kann sich das Zentrierelement außerdem axial am Ventilteller abstützen, sofern die Ausnehmung und/oder das Zentrierelement eine entsprechende Geometrie aufweisen. Befindet sich die Ausnehmung jedoch an einer vom Ventilteller abgewandten Seite kann sich, je nach geometrischer Ausgestaltung der Ausnehmung und/oder des Zentrierelements, das Zentrierelement an einem Halteelement axial abstützen, das an einem vom Ventilteller entfernten Ende des Dorns befestigt ist.
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Zweckmäßig besitzt das Zentrierelement eine Zentrieröffnung, die vom Dorn spielfrei durchsetzt ist. Insbesondere kann die Zentrieröffnung so dimensioniert sein, dass sich beim Einsetzen des Dorns eine Presspassung ergibt. Durch diese Maßnahme ist die Relativlage zwischen Dorn und Zentrierelement definiert.
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Besonders preiswert kann das Zentrierelement als Blechformteil ausgestaltet sein. Ebenso ist es möglich, das Zentrierelement als Drahtformteil zu konzipieren. Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausführungsform kann das Zentrierelement außerdem als Drehsicherung ausgestaltet sein, die eine freie Verdrehung des Ventiltellers um die Dornlängsmittelachse relativ zum Spindelarm verhindert. Dies kann bspw. bereits durch die vorstehend genannte Presspassung zwischen Zentrierelement und Dorn realisiert werden, wenn sich das Zentrierelement außerdem drehfest am Spindelarm abstützt. Alternativ dazu kann eine vom Zentrierelement unabhängige Drehsicherung vorgesehen sein, die bspw. am Ventilteller ausgebildet ist.
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Zur Realisierung des als Drehsicherung dienenden Zentrierelements kann das Zentrierelement einen Sicherungskragen aufweisen, der eine Randseite eines drehfest mit dem Dorn verbundenen Halteelements übergreift. Ein derartiges Halteelement kann innerhalb der Ventileinrichtung zwischen einem Dornkopf und dem Spindelarm angeordnet sein und über den Dornkopf drehfest mit dem Ventilteller verbunden sein. Der Sicherungskragen ist hierzu zweckmäßig geradlinig konzipiert. Er kann an einer vom Spindelarm abgewandten Seite vom Zentrierelement abgewinkelt sein.
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Entsprechend einer anderen vorteilhaften Ausführungsform kann das Zentrierelement außerdem als Vorspannfeder ausgestaltet sein, die den Ventilteller und den Spindelarm parallel zur Dornlängsmittelachse voneinander weg oder aufeinander zu antreibt. Hierdurch kann Axialspiel zwischen Spindelarm und Ventilteller eliminiert werden. Das Zentrierelement kann dabei axial zwischen dem Ventilteller und dem Spindelarm angeordnet sein oder axial zwischen dem Spindelarm und dem zuvor genannten Halteelement positioniert sein. Sofern das Zentrierelement als Vorspannfeder wirkt, kann es bspw. eine gekrümmte Platte aufweisen, die zentral die Zentrieröffnung und randseitig den Zentrierkragen aufweist. Alternativ kann zusätzlich zum Zentrierelement eine separate Vorspannfeder vorgesehen sein, die an geeigneter Stelle in die Ventileinrichtung eingebaut ist.
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Bei einer anderen vorteilhaften Ausführungsform kann das Zentrierelement außerdem als Dämpfer ausgestaltet sein, der parallel zur Dornlängsmittelachse orientierte Relativbewegungen zwischen Ventilteller und Spindelarm dämpft. Hierzu kann das Zentrierelement aus einem zur Dämpfung geeigneten Material hergestellt sein. Ebenso ist es möglich, das Zentrierelement mit einer entsprechenden, dämpfenden Beschichtung zu versehen, welche die gewünschte Dämpfungswirkung erzeugt.
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Vorzugsweise ist das Zentrierelement bezüglich des Ventiltellers und des Spindelarms ein separates Bauteil. Auch bezüglich des vorstehend bereits genannten Halteelements handelt es sich beim Zentrierelement vorzugsweise um ein separates Bauteil. Alternativ ist es jedoch insbesondere möglich, das Zentrierelement bezüglich des vorstehend genannten Halteelements als Integralbauteil zu konzipieren, das am Halteelement integral ausgeformt ist.
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Ein erfindungsgemäßes Wastegateventil besitzt zusätzlich zur vorstehend beschriebenen Ventileinrichtung bspw. eine Betätigungseinrichtung zum Betätigen der Ventileinrichtung.
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Eine erfindungsgemäße Turbine besitzt zusätzlich zum vorstehend genannten Wastegateventil bspw. ein Turbinenrad, das vom Bypass umgangen wird. Ferner ist der Ventilsitz am Turbinengehäuse der Turbine ausgebildet.
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Ein erfindungsgemäßer Abgasturbolader umfasst zusätzlich zur vorstehend beschriebenen Turbine einen Verdichter.
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Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Bauteile beziehen.
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Es zeigen, jeweils schematisch,
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1 eine stark vereinfachte, schaltplanartige Prinzipdarstellung eines Abgasturboladers,
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2 eine teilweise geschnittene Seitenansicht einer Ventileinrichtung mit einem Zentrierelement,
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3 eine Ansicht eines Zentrierelements bei einer anderen Ausführungsform,
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4 eine teilweise geschnittene Seitenansicht der Ventileinrichtung wie in 2, jedoch mit dem Zentrierelement aus 3,
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5 eine teilweise transparent dargestellte isometrische Ansicht der Ventileinrichtung aus 4.
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Entsprechend 1 umfasst ein Abgasturbolader 1 einen Verdichter 2 mit einem Verdichterrad 3 und eine Turbine 4 mit einem Turbinenrad 5, das über eine Antriebswelle 6 drehfest mit dem Verdichterrad 3 verbunden ist. Die Turbine 4 weist einen Bypass 7 auf, der das Turbinenrad 5 umgeht und in einer Bypassöffnung 8 mündet, die von einem Ventilsitz 9 umschlossen ist. Bypassöffnung 8 und Ventilsitz 9 sind dabei an einem Turbinengehäuse 10 ausgebildet. Zum Steuern des Bypasses 7 ist ein Wastegateventil 10 vorgesehen. Das Wastegateventil 10 umfasst hierzu eine Ventileinrichtung 11 und eine Betätigungseinrichtung 12. Die Ventileinrichtung 11 weist einen Ventilteller 13 zum Steuern der Bypassöffnung 8 auf, wobei der Ventilteller 13 zum Öffnen und Schließen der Bypassöffnung 8 mit dem Ventilsitz 9 zusammenwirkt. Hierzu wird der Ventilteller 13 um eine Spindelachse 14 verschwenkt. Die Betätigungseinrichtung 12 dient zum Betätigen der Ventileinrichtung 11 und umfasst z. Bsp. einen Stellantrieb 15, der ein Elektromotor oder eine Druckdose sein kann, sowie eine Betätigungsstange 16, die vom Stellantrieb 15 bidirektional angetrieben ist und die einen Antriebshebel 17 antreibt. Der Antriebshebel 17 ist mit der Ventileinrichtung 11 antriebsgekoppelt.
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Gemäß den 2, 4 und 5 umfasst die Ventileinrichtung 11 eine Spindel 18, die um die Spindelachse 14 drehbar am Turbinengehäuse 10 angeordnet ist. Beispielsweise kann die Spindel 18 hierzu in einer hier nicht gezeigten Lagerbuchse angeordnet sein, welche in das Turbinengehäuse 10 eingebaut, insbesondere eingepresst ist. Der zuvor genannte Antriebshebel 17 ist mit der Spindel 18 drehfest gekoppelt, so dass ein Verschwenken des Antriebshebels 17 eine Verdrehung der Spindel 18 um die Spindelachse 14 bewirkt.
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An der Spindel 18 steht ein Spindelarm 19 seitlich ab. Im gezeigten Beispiel steht der Spindelarm 19 bezüglich der Spindelachse 14 radial von der Spindel 18 ab. Ferner ist der Spindelarm 19 hier radial zur Spindelachse 14 an der Spindel 18 angeordnet. Der Spindelarm 19 besitzt eine Durchgangsöffnung 20. Die Durchgangsöffnung 20 ist dabei beabstandet zur Spindelachse 14 am Spindelarm 19 vorgesehen, so dass der Spindelarm 19 exzentrisch zur Spindelachse 14 mit einem Dorn 23 verbunden ist.
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Der Ventilteller 13 weist eine Vorderseite 21 auf, die im Betrieb mit dem zuvor genannten Ventilsitz 9 zusammenwirkt. Ferner weist der Ventilteller 13 eine von seiner Vorderseite 21 abgewandte Rückseite 22 auf, an welcher der Dorn 23 vom Ventilteller 13 absteht. Der Dorn 23 erstreckt sich dabei parallel zu einer Dornlängsmittelachse 24, die im gezeigten bevorzugten Beispiel mit einer Ventiltellerlängsmittelachse 25 zusammenfällt. Somit steht der Dorn 23 koaxial vom Ventilteller 13 ab. Der Dorn 23 durchsetzt die Durchgangsöffnung 20 parallel zur Dornlängsmittelachse 24. Der Dorn 23 durchsetzt außerdem ein Halteelement 26 in einer Durchgangsöffnung 27 des Halteelements 26. Der Dorn 23 besitzt hier an seinem vom Ventilteller 13 entfernten Ende einen Dornkopf 28, der im Beispiel als Nietkopf konzipiert ist. Das Halteelement 26 ist an einer vom Ventilteller 13 abgewandten Seite des Spindelarms 19 angeordnet, so dass im montierten Zustand der Spindelarm 19 bezüglich der Dornlängsmittelachse 24 axial zwischen dem Halteelement 26 und dem Ventilteller 13 angeordnet ist. Das Halteelement 26 ist dabei drehfest mit dem Dorn 23 verbunden, insbesondere durch die Vernietung mit dem Dornkopf 28.
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Die hier gezeigte Ventileinrichtung 11 weist außerdem ein Zentrierelement 29 auf, das so gestaltet und angeordnet ist, dass es den Dorn 23 in der Durchgangsöffnung 20 des Spindelarms 19 zumindest in einer quer zur Dornlängsmittelachse 24 orientierten, in den 2 und 4 durch einen Doppelpfeil angedeuteten Querrichtung 30 zentriert. Erkennbar besitzt die Ventileinrichtung 11 in der Querrichtung 30 ein Radialspiel 31 zwischen Dorn 23 und Spindelarm 19. Durch das Zentrierelement 29 wird jedoch die Lage zwischen Dorn 23 und Spindelarm 19 in der Querrichtung 30 fixiert bzw. bezüglich der Durchgangsöffnung 20 zentriert.
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Bei der in 2 gezeigten Ausführungsform stütz sich das Zentrierelement 29 einerseits bezüglich der Dornlängsmittelachse 24 radial außen am Dorn 23 ab. Andererseits stützt sich das Zentrierelement 29 bezüglich der Dornlängsmittelachse 24 radial außen am Spindelarm 19 ab. Zur Abstützung am Dorn 23 besitzt das Zentrierelement 29 hier eine Zentrieröffnung 32, die vom Dorn 23 spielfrei durchsetzt ist. Beispielsweise besitzt die Zentrieröffnung 32 gegenüber dem Dorn 23 ein Untermaß, so dass der Dorn 23 in die Zentrieröffnung 32 eingepresst ist.
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Zur Abstützung am Spindelarm 19 besitzt das Zentrierelement 29 hier einen Zentrierkragen 33, der den Spindelarm 19 an zwei bezüglich der Querrichtung 30 voneinander abgewandten Randseiten 34 spielfrei übergreift. Auch hier kann grundsätzlich eine Presspassung zwischen dem Zentrierkragen 33 und den Randseiten 34 vorgesehen sein. Ebenso kann der Zentrierkragen 33 als Federelement dienen, das parallel zur Querrichtung 30 orientierte Federkräfte auf die Randseiten 34 übertragen und dadurch die gewünschte Zentrierung bewirken kann. Insbesondere kann der Zentrierkragen 33 nach innen, also in Richtung Dorn 23 vorgespannt oder vorgebogen sein.
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In dem in 2 gezeigten Beispiel handelt es sich beim Zentrierelement 29 um ein Blechformteil. Alternativ kann das Zentrierelement 29 entsprechend der in den 3 bis 5 gezeigten Ausführungsform auch als Drahtformteil realisiert werden.
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Gemäß 3 besitzt das Zentrierelement 29 radial innere Abschnitte 41 und radial äußere Abschnitte 42, die sich in der Umfangsrichtung abwechseln und über Verbindungsabschnitte 43 ineinander übergehen.
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Entsprechend 4 und 5 weist der Spindelarm 19 in einer weiteren Ausführungsform der Ventileinrichtung 11 an einem die Durchgangsöffnung 20 einfassenden Rand eine, insbesondere konische oder ballige, Fase oder Ausnehmung 40 an der dem Halteelement 26 zugewandten Seite des Spindelarms 19 auf. Die Ausnehmung 40 kann auch als Ringstufe gestaltet sein. Das Zentrierelement 29 liegt im Bereich der Ausnehmung 40 und stützt sich gegen den Spindelarm 19 im Bereich der Ausnehmung 40 ab. Das Zentrierelement 29 weist somit in der teilweise geschnittenen Seitenansicht in 4 ebenfalls eine entsprechende konische oder ballige Form auf. Das Zentrierelement 29 stützt sich an seinen radial äußeren Abschnitten 42 ebenfalls gegen das Halteelement 26 axial ab. An seinen radial inneren Abschnitten 41 stützt sich das Zentrierelement 29 gegen den Dorn radial 23 ab. Mit den Verbindungsabschnitten 43 und/oder mit den äußeren Abschnitten 42 stützt sich das Zentrierelement 26 in der Ausnehmung 40 am Spindelarm 19 radial ab.
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Im gezeigten Beispiel der 2 besitzt der Ventilteller 13 eine Drehsicherungskontur 35, die mit einer der Randseiten 34 des Spindelarms 19 zusammenwirkt, um eine übermäßige Verdrehung des Ventiltellers 13 relativ zum Spindelarm 19 um die Dornlängsmittelachse 24 zu verhindern. Bei einer vorteilhaften Ausführungsform kann das Zentrierelement 29 außerdem als Drehsicherung ausgestaltet sein, die eine freie Verdrehung des Ventiltellers 13 um die Dornlängsmittelachse 24 bezüglich des Spindelarms 19 verhindert.
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Beispielsweise kann das Zentrierelement 29 hierzu einen hier mit unterbrochener Linie angedeuteten Sicherungskragen 36 aufweisen, der mit einer Randseite 37 des Halteelements 26 zusammenwirkt, indem das Halteelement 26 an dieser Randseite 37 übergreift. Zur vereinfachten Herstellung kann der Sicherungskragen 36 bspw. an der in 2 dem Betrachter zugewandten Randseite des Halteelements 26 positioniert sein, die hier durch die Schnittansicht nicht erkennbar ist. Sofern das Zentrierelement 29 selbst als Drehsicherung dient, kann bspw. auf die Drehsicherungskontur 35 am Ventilteller 13 verzichtet werden. In der Folge lässt sich der Ventilteller 13 rotationssymmetrisch und somit einfacher herstellen und einfacher montieren.
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Zusätzlich oder alternativ kann das Zentrierelement 29 als Vorspannfeder ausgestaltet sein. Das Zentrierelement 29 kann bspw. den Ventilteller 13 und den Spindelarm 19 parallel zur Dornlängsmittelachse 24 voneinander weg oder aufeinander zu antreiben. Hierzu kann das Zentrierelement 29 eine Platte 38 aufweisen, die innen die Zentrieröffnung 32 und außen den Zentrierkragen 33 aufweist und die sich zur Realisierung der Vorspannfeder axial einerseits am Spindelarm 19 und andererseits am Halteelement 26 abstützen kann. Durch eine entsprechende Formgebung, z. B. eine Wölbung, dieser Platte 38 kann die axiale Abstützung dabei unter Federkraft erfolgen.
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Bei der hier gezeigten Ausführungsform ist das Zentrierelement 29 bezüglich der Dornlängsmittelachse 24 axial zwischen dem Spindelarm 19 und dem Halteelement 26 positioniert. Bei einer anderen Ausführungsform kann das Zentrierelement 29 bezüglich der Dornlängsmittelachse 24 auch axial zwischen dem Ventilteller 13 und dem Spindelarm 19 angeordnet sein.
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Das Zentrierelement 29 kann des Weiteren als Dämpfer ausgestaltet sein. Beispielsweise kann das Zentrierelement 19 hierzu aus einem entsprechenden, schwingungsdämpfenden Material hergestellt sein. Ebenso ist es möglich, das Zentrierelement 29 mit einer dämpfenden Beschichtung zu versehen. Somit kann das Zentrierelement 29 bspw. Relativbewegungen zwischen Ventilteller 13 und Spindelarm 19, die parallel und/oder quer zur Dornlängsmittelachse 24 orientiert sind, dämpfen.
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Bei der hier gezeigten, bevorzugten Ausführungsform ist das Zentrierelement 29 bezüglich des Ventiltellers 13 und des Spindelarms 19 sowie des Halteelements 26 als separates Bauteil konzipiert. Bei einer anderen Ausführungsform kann das Zentrierelement 29 grundsätzlich integral am Halteelement 26 ausgeformt sein.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2010/135104 A2 [0002, 0004]