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Die Erfindung betrifft eine Pumpe zur Förderung eines Fluids, beispielsweise Öl, in einer Leitungsvorrichtung, insbesondere einem Kreislauf wie einem Kühl- und/oder Schmierkreislauf einer Brennkraftmaschine, wobei die Pumpe einen Pumpenraum mit einer Saugseite und einer Druckseite umfasst.
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Weiterhin betrifft die Erfindung eine Leitungsvorrichtung, insbesondere einen Kreislauf wie einen Kühl- und/oder Schmierkreislauf einer Brennkraftmaschine, für ein Fluid umfassend eine Leitung, beispielsweise ein Rohr und/oder einen Schlauch, mit einer Saugseite und einer Druckseite, wobei zwischen der Druckseite und der Saugseite eine Pumpe angeordnet ist und auf der Druckseite in der Leitung zumindest eine Leitungseinrichtung und/oder zumindest ein Leitungselement angeordnet ist.
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Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betrieb einer Leitungsvorrichtung, insbesondere eines Fluidkreislaufs einer Brennkraftmaschine, wobei die Leitungsvorrichtung eine Druckseite, eine Saugseite und eine zwischen der Druckseite und der Saugseite angeordnete Pumpe umfasst und das Fluid mittels der Pumpe von der Saugseite zu der Druckseite bewegt wird.
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Aus der Druckschrift
DE 36 38 437 A1 ist ein Kühl- und Schmierkreislauf einer mit Öl gekühlten Brennkraftmaschine bekannt. Diese Druckschrift zeigt eine Pumpe zum Fördern des Fluids mit getrennten Ölwegen für einerseits die Schmierung und die innere Kühlung und andererseits die äußere Kühlung der Brennkraftmaschine.
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Als Ölpumpen bei Brennkraftmaschinen werden meist Zahnradpumpen, Pendelschieberpumpen, Drehschieberpumpen oder Flügelzellenpumpen eingesetzt. Solche Pumpen werden unter anderem in der Druckschrift
EP 1 931 879 B1 beschrieben.
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Eine Pendelschieberpumpe besteht aus einem Stator mit einem zylinderförmigen Pumpenraum. In dem Stator ist ein Außenrotor angeordnet. In dem Außenrotor ist auf einer Welle ein Innenrotor angeordnet. Der Innenrotor wird mittels der Welle angetrieben. Der Außenrotor und der Innenrotor sind relativ zu dem Stator drehbeweglich. Der Innenrotor und die Welle sind gegenüber dem Pumpengehäuse unverschieblich gelagert. Hingegen sind der Außenrotor und der Stator gegenüber dem Pumpengehäuse linear verschieblich gelagert. In dem Rotor sind mehrere Schieber radial verschieblich aufgenommen. Die Schieber sind in dem ringförmigen Außenrotor schwenkbar gehalten. Der Außenrotor ist konzentrisch zu dem Stator positioniert. Die Schieber definieren gemeinsam mit dem Innenrotor und dem Außenrotor die Förderzellen. Die Drehachse des Innenrotors ist gegenüber der Drehachse des Außenrotors versetzt, wodurch im Betrieb ebenfalls sich zunächst vergrößernde und dann wieder verkleinernde Förderzellen gebildet werden. Das führt dazu, dass das Fluid von den Förderzellen von einer Saugseite der Pumpe zu einer Druckseite der Pumpe transportiert und zugleich mit Druck beaufschlagt wird.
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Obwohl die Förderzellen kontinuierlich bewegt werden, beispielsweise rotierend, wird das Fluid durch die absoluten Volumina der Förderzellen diskret bewegt. Der dabei auf der Druckseite entstehende Druck und Volumenstrom weist pulsierende Schwankungen im Rhythmus der Bewegung der Förderzellen auf. Bei einer Pendelschieberpumpe entstehen die Pulsationen beim Eintritt der Schieber in die Druckseite und beim Austritt der Schieber aus der Druckseite.
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Die auftretende Druckpulsation umfasst kurzzeitige Druckspitzen, die deutlich über dem gewünschten Förderdruck liegen. Bei hohen Leistungsanforderungen an die Pumpe kann die Druckpulsation mitunter über dem Nenndruck der Leitungsvorrichtung liegen. Das dauerhafte Überschreiten eines maximal zulässigen Drucks wird üblicherweise durch ein Überdruckventil verhindert. Ein Überdruckventil wird entweder in der Leitung und/oder im Pumpengehäuse angeordnet. Resultierend aus ihrer massigen Konstruktion reagieren Überdruckventile sehr träge. Um möglicherweise aus der Druckpulsation resultierende Beschädigungen an der Leitungsvorrichtung, an den Leitungseinrichtungen, wie Filtern oder Kühlern, und/oder an den Leitungselementen, beispielsweise Ventilen oder Dichtungen, zu verhindern, werden diese entsprechend robust ausgelegt. Auch ist es möglich, die Leitungsvorrichtung mit Dämpfern und/oder Ausgleichsbehältern aus elastischen Materialien auszustatten. Dies können Schläuche oder Membranflächen sein. Die aus dem Stand der Technik bekannten Maßnahmen wirken sich jedoch alle negativ auf die Masse, die Anzahl der Teile und das Bauraumvolumen der Leitungsvorrichtung und somit auch auf die Kosten für die Leitungsvorrichtung aus.
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Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Pumpe, eine Leitungsvorrichtung und/oder ein Verfahren zum Betrieb einer Leitungsvorrichtung der eingangs genannten Art derart auszuführen, dass die Druckpulsation signifikant gesenkt wird und zugleich die Nachteile des Stands der Technik reduziert werden.
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Diese Aufgabe wird gelöst mit einer Pumps gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Die Unteransprüche betreffen besonders zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung.
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Erfindungsgemäß ist also eine Pumpe vorgesehen, die auf der Druckseite eine definierte Leckage aufweist. Hierdurch ist es möglich, dass die Pulsspitzen durch die Leckage entspannt werden, ohne dass die Pumpenleistung wesentlich beeinflusst wird. Über die Leckage wird die Energie der Pulsspitzen abgebaut. Die definierte Leckage kann beispielsweise als eine Nut, insbesondere eine Ringnut in der Wand des Pumpenraums, oder als ein erhöhtes Spiel der Pumpe ausgeführt sein. Hinsichtlich einer einfachen Herstellung hat es sich als praktikabel erwiesen, dass die definierte Leckage als eine Durchbrechung ausgeführt ist. Die Durchbrechung ist bevorzugt in einer Trennwand zwischen der Saugseite und der Druckseite der Pumps angeordnet. Die definierte Leckage hat eine Leckrate zwischen zwei Kubikdezimetern und einem Kubikmillimeter pro Minute, vorzugsweise weniger als einen Kubikdezimeter pro Minute. Eine solche Leckage mindert die Druckspitzen der Druckpulsation signifikant. Darüber hinaus hat die erfindungsgemäße Lösung keine beweglichen Teile. Ohne bewegliche Teile kann sehr schnell auf die nur kurzzeitig auftretenden Druckspitzen reagiert werden. Außerdem ist der Aufwand für Fertigung, Wartung und/oder Entsorgung gering.
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Die Leckage sollte auf der Druckseite der Leitung in einem Bereich mit einem hohen Solldruck angeordnet sein. Das bei der Leckage austretende Öl kann wieder in die Druckseite der Leitung geführt werden. Diese Rückführung erfolgt dann in einem Bereich der Leitung mit einem geringeren Solldruck als am Ort der Leckage. Es hat sich als besonders funktional herausgestellt, dass die definierte Leckage als eine Umgehung des Pumpenraums ausgeführt ist. Die Rückführung des durch die Leckage entweichenden Fluids erfolgt dann zur Saugseite der Pumpe. Dazu kann in einer Trennwand des Gehäuses der Pumpe und/oder in der Wand des Pumpenraums eine Durchbrechung vorgesehen sein. Die Umgehung des Pumpenraums gewährleistet einen sicheren Abbau der Energie der Pulsspitzen, da die Druckdifferenz zwischen Druckseite und Saugseite groß ist. Darüber hinaus ist eine solche Umgehung einfach herzustellen.
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Erfindungsgemäß ist weiterhin eine Leitungsvorrichtung vorgesehen, die eine Umgehung der Pumpe aufweist. Hierdurch ist es möglich, konventionelle Pumpen zu verwenden und doch die ungewünschte Energie der Druckpulsation abzubauen. Dies ist auch im Rahmen einer Nachrüstung möglich. Dazu wird eine Leitung auf der Druckseite mit einer Leitung auf der Saugseite verbunden. Als Leitungen sind Rohre und Schläuche üblich. Die Verbindung kann beispielsweise über ein Bauteil geschehen, an das beide Leitungen angeschlossen sind, wobei das Bauteil eine definierte Öffnung zwischen den beiden Leitungen hat. Die beiden Leitungen können auch über einen Kanal verbunden sein. Eine Umgehung wird in der Technik regelmäßig auch Bypass genannt. Die Erfindung findet ihren Einsatz bevorzugt bei Verwendung eines inkompressiblen Fluids, beispielsweise Öl.
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Günstig ist es, dass mittels der Umgehung die Saugseite und die Druckseite miteinander verbunden sind. Die Rückführung des durch die Umgehung entweichenden Fluids erfolgt zur Saugseite der Pumpe oder zurück in die Ölwanne. Dabei ist die Ölwanne der Saugseite der Leitungsvorrichtung zugeordnet. Die Umgehung des Pumpenraums gewährleistet darüber hinaus einen sicheren Abbau der Energie der Pulsspitzen. Die größte Druckdifferenz zur Druckseite herrscht auf der Saugseite der Pumpe beziehungsweise in der Ölwanne. Durch die Minimierung der Druckpulsation müssen die der Pumpe nachfolgenden Leitungseinrichtungen beispielsweise ein Ölkühler, und/oder Leitungselemente wie das Ölkühlerumgehungsventil, nicht verstärkt werden.
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Der Durchfluss in der Umgehung ist eine definierte Leckage mit einer Leckrate zwischen zwei Kubikdezimetern und einem Kubikmillimeter pro Minute, vorzugsweise weniger als einen Kubikdezimeter pro Minute. Eine solche Leckrate mindert die Druckspitzen der Druckpulsation signifikant. Bei einem Ölkreislauf einer Brennkraftmaschine ist die Öffnungsgröße der Umgehung beispielsweise nach der definierten Leckrate bei einer Temperatur des Fluids von ca. 120°C und bei Nenndrehzahl der Brennkraftmaschine bestimmt.
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Weiterhin ist es vorteilhaft, dass die Pumpe eine diskontinuierlich fördernde Pumpe, beispielsweise eine Pendelschieberpumpe, Drehschieberpumpe oder eine Flügelzellenpumpe ist. Die Erfindung ist besonders geeignet für extern geregelte Pumpen, insbesondere mit variablem Hub, deren Steuerdruck zur Einstellung des Fluiddrucks nicht direkt in der Pumpe abgegriffen wird, sondern entfernt von der Pumpe, beispielsweise erst nach einer Leitungseinrichtung wie einem Filter oder Kühler. Eine Ausführungsform der Erfindung betrifft eine Leitungsvorrichtung für einen Kühl- und/oder Schmierkreislauf einer Brennkraftmaschine, bei dem die Pumpe, die Leitungseinrichtung und/oder das Leitungselement mit der Brennkraftmaschine verbunden sind.
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Bei einer insbesondere extern geregelte Pumpen betreffenden Ausführungsform der Erfindung ist die Umgehung auf der Druckseite in Förderrichtung des Fluids vor einer Steuerleitung der Pumpe mit der Leitung verbunden. Hierdurch ist es möglich, dass die Steuerung der Pumpe auf Druckänderungen reagiert und diese kompensiert. Bei einer extern gesteuerten Pumpe ermöglicht die erfindungsgemäße Lösung die Einsparung weiterer Bauteile. So kann auf eine Drossel in der Steuerleitung verzichtet werden.
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Der erfindungsgemäße Effekt, die Druckpulsation signifikant zu senken, wird besonders gut erreicht, wenn die Umgehung auf der Druckseite möglichst nah am Pumpenraum angeordnet ist. Hierdurch kann bereits kurz nach der Entstehung den Druckspitzen die Energie entzogen werden. Vorzugsweise ist die Umgehung in dem Gehäuse der Pumpe angeordnet. Eine solche Ausführung ist fertigungstechnisch und konstruktiv einfach zu realisieren. Nach einer Ausführungsform der Erfindung ist die Umgehung als eine Durchbrechung einer Trennwand zwischen Druckseite und Saugseite der Pumpe ausgeführt.
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Erfindungsgemäß ist weiterhin ein Verfahren zum Betrieb einer Leitungsvorrichtung vorgesehen, bei dem das Fluid auf der Druckseite über eine Umgehung der Pumpe zur Saugseite hin teilweise entspannt wird. Hierdurch ist es möglich, dass die Druckpulsation signifikant gesenkt wird.
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Die Erfindung lässt zahlreiche Ausführungsformen zu. Zur weiteren Verdeutlichung ihres Grundprinzips sind zwei davon in der Zeichnung dargestellt und werden nachfolgend beschrieben. Die Zeichnung zeigt in
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1 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform einer Leitungsvorrichtung;
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2 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform einer Leitungsvorrichtung;
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3 eine geschnittene schematische Darstellung einer Pumpe gemäß der in 2 beschriebenen Ausführungsform.
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Die 1 und 2 zeigen eine schematische Darstellung einer Leitungsvorrichtung 1 für einen Kühl- und Schmierkreislauf einer Brennkraftmaschine 2 umfassend eine Leitung 3 mit einer Saugseite 4 und einer Druckseite 5. Zwischen der Druckseite 5 und der Saugseite 4 ist eine Pumpe 6 angeordnet. Auf der Druckseite 5 sind in der Leitung 3 eine Leitungseinrichtung 7 und ein Leitungselement 8 angeordnet. Die Leitungseinrichtung 7 ist eine Filtereinrichtung. In der gezeigten Ausführungsform ist eine weitere Leitungseinrichtung, ein Kühler 9, vorhanden. Das Leitungselement 8 ist ein Kühlerumgehungsventil für die Ansteuerung der Kühlerumgehung 10. Die Pumpe 6 ist eine extern gesteuerte Pumpe, deren Steuerleitung 11 an der Druckseite 5 der Leitung 3 angeschlossen ist. Dabei ist der Anschluss der Steuerleitung 11 an der Leitung 3 entfernt von der Pumps 6 angeordnet. Eine entfernte Anordnung bedeutet, dass in der Leitung 3 zwischen der Pumpe 6 und der Anschlussposition der Steuerleitung 11 zumindest ein Leitungselement 8 oder eine Leitungseinrichtung 7 angeordnet ist. Der Brennkraftmaschine 2 ist auf der Saugseite 4 der Leitung 3 eine Ölwanne 12 zugeordnet.
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1 zeigt eine erste Ausführungsform der Erfindung, bei der die Leitungsvorrichtung 1 eine Umgehung 13 der Pumps 6 aufweist. Diese Umgehung 13 ist so dimensioniert, dass sie im Regelbetrieb der Pumpe 6 für die Pumpe 6 eine Leckrate zwischen zwei Kubikdezimetern und einem Kubikmillimeter pro Minute, vorzugsweise weniger als einem Kubikdezimeter pro Minute darstellt. Dabei wird ein Teil des mit der Pumpe 6 auf der Druckseite 5 erzeugten Drucks über die Umgehung 13 in die Saugseite 4 entspannt. Aufgrund der Dimensionierung der Umgehung 13 wird dabei im Wesentlichen die Energie der Druckspitzen der Druckpulsation abgebaut. So wird verhindert, dass Leitungselemente 8 und Leitungseinrichtungen 7 auf der Druckseite 5 der Leitung 3 zu hohen Druckstößen ausgesetzt werden.
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2 zeigt eine zweite Ausführungsform der Erfindung, bei der die Pumpe 6 auf der Druckseite 5 eine definierte Leckage, wie sie in 1 beschrieben wurde, aufweist. Um das durch die Leckage entweichende Fluid wieder der Nutzung zuzuführen, ist die definierte Leckage als eine Umgehung 13 eines Pumpenraums 27 der Pumpe 6 ausgeführt.
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3 zeigt eine geschnittene Darstellung einer Pumpe 6 gemäß der in 2 beschriebenen Ausführungsform. Diese Pumpe 6 ist eine Pendelschieberpumpe. Die Pumpe 6 besteht aus einem Stator 15 mit einem zylinderförmigen Pumpenraum 27. In dem Stator 15 ist ein Außenrotor 19 angeordnet. In dem Außenrotor 19 ist auf einer Welle 17 ein Innenrotor 16 angeordnet. Der Innenrotor 16 wird mittels der Welle 17 angetrieben. Der Außenrotor 19 und der Innenrotor 16 sind relativ zu dem Stator 15 drehbeweglich. Der Innenrotor 16 und die Welle 17 sind gegenüber dem Pumpengehäuse 18 unverschieblich gelagert. Hingegen sind der Außenrotor 19 und der Stator 15 gegenüber dem Pumpengehäuse 18 linear verschieblich gelagert. In dem Rotor 16 sind mehrere Schieber 14 radial verschieblich aufgenommen. Die Schieber 14 sind in dem ringförmigen Außenrotor 19 schwenkbar gehalten. Der Außenrotor 19 ist konzentrisch zu dem Stator 15 positioniert. Die Schieber 14 definieren gemeinsam mit dem Innenrotor 16 und dem Außenrotor 19 die Förderzellen 20. Die Drehachse des Innenrotors 16 ist gegenüber der Drehachse des Außenrotors 19 versetzt, wodurch im Betrieb ebenfalls sich zunächst vergrößernde und dann wieder verkleinernde Förderzellen 20 gebildet werden. Das führt dazu, dass das Fluid von den Förderzellen 20 von einer Saugseite 4 der Pumpe 6 zu einer Druckseite 5 der Pumpe 6 transportiert und zugleich mit Druck beaufschlagt wird. Die Strömungsrichtung des Fluids ist durch die Pfeile 26 dargestellt.
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Für die Steuerung der Pumpe 6, also die Steuerung der Fördermenge und des Drucks, ist einerseits die Drehzahl der Welle 17 maßgeblich. Andererseits werden Fördermenge und Druck durch die Änderung der Volumina der Förderzellen 20 bestimmt. Die Steuerung der Größe der Förderzellen 20 geschieht durch die gemeinsame lineare Verschiebung von Stator 15 und Außenrotor 19. Dazu hat die Pumpe 6 einen Steuerraum 21, der über eine Steuerleitung 11 auf der Druckseite 5, wie in den 1 und 2 dargestellt, mit der Leitung 3 verbunden ist. Der in dem Steuerraum 21 anstehende Druck bewegt den Stator 15 gegen die Kraft einer Steuerfeder 22.
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Obwohl die Förderzellen 20 kontinuierlich bewegt werden, in der gezeigten Ausführungsform rotierend, wird des Fluid durch die absoluten Volumina der Förderzellen 20 diskret bewegt. Der dabei auf der Druckseite 5 entstehende Druck und Volumenstrom weist pulsierende Schwankungen im Rhythmus der Bewegung der Förderzellen 20 auf. Bei einer Pendelschieberpumpe entstehen die Pulsationen beim Eintritt der Schieber 14 in die Druckseite 5 und beim Austritt der Schieber 14 aus der Druckseite 5. Die Druckpulsation hat kurzzeitig auftretende Druckspitzen, die deutlich über dem gewünschten Förderdruck liegen. Um das Überschreiten eines zulässigen Maximaldrucks zu vermeiden, hat die Pumpe 6 ein Überdruckventil 23.
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Erfindungsgemäß ist eine Pumpe 6 vorgesehen, die auf der Druckseite 5 eine definierte Leckage aufweist. Hierdurch ist es möglich, dass die Spitzen der Druckpulsation durch die Leckage entspannt werden, ohne dass die Pumpenleistung wesentlich beeinflusst wird. Über die Leckage wird die Energie der Druckspitzen abgebaut. Die definierte Leckage ist in der gezeigten Ausführungsform als eine Umgehung des Pumpenraums 27 ausgeführt. Dazu ist in einer Trennwand 24 zwischen der Druckseite 5 und der Saugseite 4 der Pumpe 6 eine Durchbrechung 25 vorgesehen. Diese Durchbrechung 25 ist als eine Bohrung mit einem Durchmesser von 2,3 bis 2,4 mm ausgeführt. Damit wird bei einer Temperatur von ungefähr 120°C und einer Regeldrehzahl von 6300 Umdrehungen pro Minute eine Leckrate von ungefähr einem Kubikdezimeter pro Minute und eine signifikante Senkung der Druckpulsation erreicht.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Leitungsvorrichtung
- 2
- Brennkraftmaschine
- 3
- Leitung
- 4
- Saugseite
- 5
- Druckseite
- 6
- Pumpe
- 7
- Leitungseinrichtung
- 8
- Leitungselement
- 9
- Kühler
- 10
- Kühlerumgehung
- 11
- Steuerleitung
- 12
- Ölwanne
- 13
- Umgehung
- 14
- Schieber
- 15
- Stator
- 16
- Innenrotor
- 17
- Welle
- 18
- Pumpengehäuse
- 19
- Außenrotor
- 20
- Förderzellen
- 21
- Steuerraum
- 22
- Steuerfeder
- 23
- Überdruckventil
- 24
- Trennwand
- 25
- Durchbrechung
- 26
- Pfeil
- 27
- Pumpenraum
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 3638437 A1 [0004]
- EP 1931879 B1 [0005]
