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Ziel dieser Erfindung ist das Erhitzen eines Fluids mit Sonnenstrahlung, insbesondere das Erhitzen des Arbeitsfluids einer Wärmekraftmaschine nach
DE 10 2010 017 943.4 .
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Stand der Technik ist zum Beispiel ein Parabolspiegel mit einem Stirlingmotor im Brennpunkt, einer Wärmekraftmaschine, welche die vom Parabolspiegel eingefangene Sonnenstrahlung in mechanische Arbeit umwandelt.
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Parabolspiegel sind nicht nur aufwändig in der Herstellung, auch lässt sich das gebündelte Licht technisch nicht so leicht handhaben, da es aus einer Vielzahl von Richtungen kommend in einem Punkt zusammenläuft, aber nur von der Seite des Spiegels her, während es nach der anderen Seite an der Abstrahlung gehindert werden muss.
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Technische Strahlungsaufnehmer sind aber eher linienförmig als punktförmig, denn es sind im Wesentlichen Rohrleitungen, durch die ein zu erwärmendes Fluid fließt. Rohrleitungen lassen sich nur recht mühsam im Brennpunkt eines Parabolspiegels unterbringen, weswegen man sie beispielsweise in einen Hohlraumabsorber packt, einen wärmeisolierten Kasten mit einer kleinen Öffnung am Brennpunkt des Spiegels, durch die das gebündelte Licht eintritt. Der Hohlraumabsorber wirkt als Lichtfalle, in die gebündeltes Licht zwar leicht hinein, aber nicht so leicht wieder heraus kommt, weil es dort an inneren Flächen absorbiert und gestreut wird.
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Zum Stand der Technik gehören auch Spiegel in Form einer Rinne, sogenannte Parabolrinnenkollektoren, welche das Sonnenlicht in einer geraden Brennline bündeln. Entlang dieser Brennlinie verläuft als Strahlungsaufnehmer eine Rohrleitung, in der ein Fluid erhitzt wird. Jedoch trifft auch hier die Strahlung nur von der Seite des Spiegels her ein, während man nach der anderen Seite die Abstrahlung von Wärme aufwändig verhindern muss.
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Das wie auch immer im Wärmeaufnehmer erhitzte Fluid ist üblicherweise nicht gleichzeitig auch Arbeitsfluid eines anzutreibenden Motors. Die Übertragung der Wärme auf letzteres geschieht dann über Wärmetauscher, was wieder mit Verlusten behaftet ist.
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Die vorliegende Erfindung vermeidet die genannten Nachteile des Standes der Technik und bildet letzteren in vorteilhafter Weise weiter.
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Der erfindungsgemäße Sonnenkollektor ist in 1 dargestellt. Er hat einen stabförmigen Strahlungsaufnehmer (8), auf dem die gebündelte Sonnenstrahlung (4) möglichst von allen Seiten her eintrifft, und zwar immer rechtwinklig zur Stabachse (5). Die Strahlung wird von einem kegelförmigen Hohlspiegel (1) dorthin gelenkt, wobei die Achse des Kegels mit der Achse des Strahlungsaufnehmers zusammen fällt und auf die Sonne ausgerichtet ist. Der Öffnungswinkel dieses so genannten Kegelspiegels ist 90°. Der Strahlungsaufnehmer (8) ist Teil eines Gaserhitzers (2), welcher das Arbeitsgas einer Wärmekraftmaschine (3) erhitzt. 2 zeigt den Strahlengang des Sonnenkollektors.
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Die Strahlungsintensität entlang des Strahlungsaufnehmers verläuft nicht gleichmäßig, sondern ist proportional zum Kegelumfang, von dem die jeweilige Strahlung kommt, also linear zunehmend. Dies ist erfindungsgemäß von Vorteil und die beiden Enden des Strahlungsaufnehmers können entsprechend als „heiß” (18) und als „kalt” (19) unterschieden werden.
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Der Strahlungsaufnehmer (8) ist oder enthält vorzugsweise ein gerades Rohr mit außen umlaufenden Rillen, die wesentlich tiefer als breit sind. Schluchten mit parallelen Wänden und einem geneigten Grund, die als Lichtfallen wirken. 3 zeigt so eine Lichtfalle (20) im Schnitt. Das senkrecht vom Hohlspiegel kommende Licht (4) trifft zunächst auf den geneigten Grund der Lichtfalle. Dort gibt das Licht einen Teil seiner Energie an das Rohr ab, der Rest wird schräg gegen eine der Wände gelenkt. An den parallelen Wänden wird das Licht dann mehrmals hin und her geworfen und verliert bei jeder Reflexion weitere Energie, so lange, bis es möglichst vollständig in Wärmeenergie des Rohrmaterials umgewandelt ist. Selbst ein Material mit hohem Reflexionsgrad wie etwa Kupfer wird licht- und wärmeschluckend, wenn sich das Licht nur oft genug daran stößt.
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Zwischen solchen Lichtfallen (20) kann es weitere kleinere Lichtfallen (20) von ähnlicher Gestalt geben, die ebenso Licht verschlucken wie ihre größeren Nachbarn, siehe 4. Dazwischen kann es noch kleinere Lichtfallen von wiederum ähnlicher Gestalt geben und so weiter. Setzte sich dieses bis in alle Unendlichkeit fort, verbliebe keine reflektierende Fläche mehr zwischen den Lichtfallen. Man erhielte eine fraktale Struktur, die jegliche Strahlung weitgehend verschluckte, jedenfalls solange diese senkrecht auf die Achse des Strahlungsaufnehmers zuliefe. Dennoch könnten die dabei verbleibenden Wände dick genug sein, um die absorbierte Wärme in das Innere des Strahlungsaufnehmers zu leiten und dort auf ein Fluid (21) zu übertragen. Würde man hingegen die Außenseite des Strahlungsaufnehmers in demselben Maße mit Lichtfallen von gleicher Größe abdecken wollen, so würden deren Zwischenwände alle unendlich dünn sein und eine Wärmeleitung in diesen unmöglich.
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In der Realität sind der Feinheit von Rillen natürlich Grenzen gesetzt, vor allem durch den Herstellungsprozess. Aber es dürften auf diese Weise ziemlich gute Strahlungsaufnehmer machbar sein, selbst wenn man die Iteration nach wenigen Schritten abbräche. Auch Schluchten und Löcher von anderer Form und Richtung wären möglich, jedoch lassen sich umlaufende Rillen recht gut auf einer Drehbank herstellen. Das Verhältnis von Breite, Tiefe und Abstand der Rillen wählt man am besten so, dass sich zwischen der lichtschluckenden Oberfläche und der Rohrinnenseite eine größtmögliche Wärmeleitfähigkeit ergibt, und zwar bei möglichst vollständiger Abdeckung der Rohraußenseite. Bei einem Winkel von 30° zwischen der einfallenden Strahlung und der Flächennormalen des Rillengrundes ist die Anzahl der Wandreflexionen für alle Strahlen maximal.
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5 zeigt einen Strahlungsaufnehmer (8), der zusammen mit weiteren Bauteilen einen Gaserhitzer darstellt. Der Strahlungsaufnehmer mit den Lichtfallen ist in einer für Strahlung durchlässigen, aber für Wärmeleitung undurchlässigen Hülle (10) eingeschlossen. Die Hülle könnte aus doppelwandigem Glas bestehen, dessen Zwischenraum evakuiert ist. Das Fluid (21), in diesem Fall ein Gas, wird vorzugsweise zunächst vom kalten Ende (19) des Strahlungsaufnehmers her in Richtung des heißen Endes (18) geführt, wobei es Wärme aufnimmt. Die Gastemperatur folgt dabei in etwa der Strahlungsintensität am Strahlungsaufnehmer. Die höchste Temperatur, und damit auch die höchsten Abstrahlungsverluste, werden nur am heißen Ende des Strahlungsaufnehmers erreicht, also nur dort, wo zum weiteren Erhitzen des bereits heißen Gases eine hohe Temperatur auch wirklich gebraucht wird. Überall sonst und insgesamt bleiben die Abstrahlverluste daher gering. Die Rückleitung des erhitzen Gases erfolgt durch ein weiteres Rohr (9) im Inneren des Strahlungsaufnehmers, so dass Wärmeverluste von dem noch zu erhitzenden Gas drumherum aufgefangen werden. Zum Befestigen des Gaserhitzers bietet sich sein kaltes Ende an, wo wegen der niedrigeren Temperatur die Wärmedehnung und auch die Wärmeleitverluste geringer sind als am heißen Ende. Das heiße Ende lässt man hingegen besser frei stehen.
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Die Kegelform des Hohlspiegels hat den Vorteil, dass sie sich aus ebenen Blechen, Folien oder Geweben biegen lässt. Der Kegelspiegel wird daher vorzugsweise nach Art eines Zeltes aus dünnen Blechen oder Folien oder Ähnlichem aufgebaut, die über einen geeigneten Rahmen gespannt sind und vorzugsweise durch mechanische Spannung in Form gehalten werden. Ein geeigneter Rahmen könnte insbesondere aus zwei Ringen bestehen, die durch Stäbe in paralleler Anordnung gehalten werden, ähnlich wie bei einem Lautsprecherchassis. Der Kegelspiegel kann mit oder ohne Rahmen auch aufblasbar ausgeführt sein, teils aus spiegelnder, teils aus lichtdurchlässiger Folie. Besonders leicht herstellbar wären zwei aufblasbare Kegelfolien beiderseits eines Ringrahmens, die eine verspiegelt, die andere transparent. Wenn der Kegelspiegel nicht schwenkbar sein muss, genügte es, eine an einem waagrechten Ringrahmen befestigte kegelförmige Spiegelfolie in der Mitte mit einem Gewicht zu beschweren. Der Kegelspiegel kann mehrschichtig aufgebaut sein, wobei nur die innere Schicht das Licht bündelt, während eine äußere Schicht beispielsweise den Wind abhält. Der Kegelspiegel kann auf vielerlei Weise von Schutzhüllen, Mauern und Bedachungen umgeben sein.
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Da der Sonnenkollektor eine Wärmekraftmaschine antreiben soll, kann seine relativ große Oberfläche auch noch in einer anderen Weise genutzt werden, und zwar als Kühler. Zwischenräume können von einem zu kühlenden Fluid durchströmt werden, wobei das Fluid seine Wärme durch dünne Wände hindurch an die Umgebungsluft abgibt. Der Druck des durchströmenden Fluids darf dabei den Kollektor nicht wesentlich verformen. 6 zeigt eine mögliche Durchströmung eines Kegelspiegels.
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Der Kegelspiegel kann geteilt sein, wie in 7 gezeigt, oder sogar mehrfach geteilt, so wie in 8. Die Teile, in diesem Fall Kegelringe, müssen dabei nicht notwendigerweise in derselben Weise angeordnet sein, wie im ungeteilten Kegel. In 8 entsteht durch die umgekehrte Abfolge der Kegelringe ein kegelförmiges Spiegelsystem, dessen spitzes Ende auf die Sonne zu zeigt anstatt des breiten. Diese Bauform bietet dem Wind weniger Angriffsfläche und ist stabiler, weil das breite Ende und auch der Schwerpunkt näher am Boden sind. Die Kegelringe können zudem zusammen mit zwei transparenten Deckschichten zu einer sehr stabilen Sandwich-Konstruktion zusammengefasst sein. Kegelringe können auch, anstatt sich zu schließen, mit benachbarten Kegelringen zu einer Spiralstruktur verbunden sein. Dann sind es, genau genommen, zwar keine Kegelringe mehr, wirken aber näherungsweise genauso. In diesem Zusammenhang sollen daher alle optischen Systeme in dem Begriff „Kegelspiegel” zusammengefasst sein, die zumindest näherungsweise das Sonnenlicht senkrecht auf die Achse eines stabförmigen Strahlungsaufnehmers werfen, möglichst gleichmäßig aus allen Richtungen und verteilt entlang einer endlichen Linie. Dazu dürfen sie nicht nur Spiegel, sondern auch Linsen, Prismen und andere optische Elemente benutzen.
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Ein Kegelspiegel kann sich beim Schwenken nach der Sonne unter seinem Eigengewicht verbiegen, zumal wenn dieser aus dünnem Blech aufgebaut ist und schwere Teile wie etwa ein Strahlungsaufnehmer mit Wärmekraftmaschine daran befestigt sind. Außerdem erfordert das Schwenken und Drehen eines Kegels sehr viel Platz, so dass sich ein solcher nur mühsam in oder auf einem Gebäude installieren lässt. Ein unbeweglicher Kegelspiegel ist dagegen sehr viel handlicher, jedoch benötigt dieser ein zusätzliches bewegliches Spiegelsystem, welches das Sonnenlicht ungebündelt in diesen hinein leitet. 9 zeigt eine mögliche Lösung. Der Kegelspiegel zeigt hier senkrecht nach oben, ein der Sonne nachführbares Gitter aus ebenen Spiegeln bildet darüber ein schützendes Dach. Beide Spiegelsysteme zusammen decken ein zylinderförmiges Gebäude, vielleicht eine Garage oder ein Lagerhaus, oder sogar ein rundes Gewächshaus auf einem runden Floß, mitten in einem großen Fischteich – so braucht es kein Drehlager mehr. Das Spiegelgitter lenkt die Sonnenstrahlen nur um, der Kegelspiegel bündelt sie.
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Besser verwendet man eine Hintereinanderschaltung mehrerer Spiegelgitter, denn ein einzelnes Spiegelgitter kann das Licht nur in einem sehr engen, für dieses Gitter charakteristischen Winkelbereich nahezu vollständig umlenken. Bei Abweichung von diesem Winkel trifft nämlich ein Teil des Lichts entweder auf gar keinen, oder aber auf mehrere Spiegel, in jedem Fall landet dabei das Licht nicht dort, wo es hin soll. Eine teilweise Umlenkung des Lichts kann im Einzelfall erwünscht sein, doch meistens ist das nicht der Fall. Will man die Sonne einfangen, so benötigt man eine möglichst vollständige Umlenkung des Lichts über einen großen Winkelbereich.
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Andererseits ist es so, dass eine Hintereinanderschaltung mehrerer Spiegelgitter einen gegebenen Umlenkwinkel unter sich aufteilt, so dass jedes einzelne Spiegelgitter relativ zum Lichtstrahl nur einen Bruchteil jeder Richtungsänderung mitmachen muss, also immer sehr nahe an seinem optimalen Umlenkwinkel bleiben kann. Eine Hintereinanderschaltung mehrerer Spiegelgitter ist daher durchaus in der Lage, Licht in einem weiten Winkelbereich verlustarm umzulenken.
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Da eine Änderung des Neigungswinkels eines Spiegelgitters eine doppelt so große Änderung des Umlenkwinkels zur Folge hat, muss man es nur halb so viel bewegen wie einen Sonnenkollektor ohne Spiegelgitter. Bei zwei Spiegelgittern ist nur noch ein Viertel dieser Bewegung erforderlich, bei drei Gittern nur noch ein Achtel. Man kann also damit Sonnenkollektoren sehr platzsparend und bewegungsarm gestalten.
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Anstelle des Spiegelgitters kann man auch eine oder mehrere Prismenscheiben nehmen. Allerdings werden dann Strahlen unterschiedlicher Wellenlänge in leicht unterschiedliche Richtungen gelenkt, was die Lichtbündelung im Kegelspiegel beeinträchtigt.
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Spiegelgitter kann man auf vielerlei Weise herstellen. Zum Beispiel als Sandwich mit einer spiegelnden Wabenstruktur und transparenten Deckschichten. Oder als transparente Platte mit verspiegelten Verstärkungsrippen, vielleicht aus Acrylglas gepresst. Besser jedoch fertigt man Spiegelgitter aus einseitig verspiegeltem Acrylglas, welches man scheibenweise zu einem Block verklebt, und dann sägt man diesen Block wieder in Scheiben, aber senkrecht oder auch in einem anderen Winkel zu den ursprünglichen Scheiben. Die Scheiben verklebt man wenn nötig zu größeren Platten und poliert die Oberflächen. Man kann auch eine Hintereinanderschaltung von Spiegelgittern in einer Platte integrieren, in dem man zwei oder mehrere Spiegelgitter aufeinander klebt. Die Spiegelschichten können etwa durch bedampfen mit Aluminium, Kupfer oder Silber hergestellt sein. Spiegelgitter auf Acrylbasis kann man thermoplastisch verformen, insbesondere auch zu geteilten Kegelspiegeln wie in 8, wobei man dann aber vorzugsweise von Spiegelgitter ausgeht, dessen Spiegellamellen gebogen verlaufen, so dass echte Kegelringe entstehen. Überhaupt könnte man thermoplastisches Spiegelgitter in vielen Bereichen der Technik sinnvoll einsetzen, nicht nur in der Solarthermie.
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Alternativ zu den genannten einfachen Spiegelgittern mit konstantem Abstand, konstanter Breite und konstantem Winkel der Einzelspiegel könnte man diese Parameter auch dynamisch dem Umlenkwinkel anpassen, zumindest Abstand und Winkel, vielleicht durch eine Mechanik nach Art eines Scherengitters, an dem die Spiegel, Prismen, oder sonstige optische Elemente befestigt sind.
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Mit vorliegender Erfindung werden die folgenden Vorteile erreicht.
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Kegelförmige Hohlspiegel lassen sich sehr viel einfacher herstellen als die verbreiteten Parabolspiegel.
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Kegelspiegel bündeln die Sonnenstrahlung entlang einer Linie, wodurch sie besser zum Erwärmen einer Rohrleitung geeignet sind als die punktförmig bündelnden Parabolspiegel.
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Kegelspiegel erzeugen entlang ihrer Brennlinie ein Strahlungsfeld von zunehmender Intensität, dem die Temperatur eines zu erwärmenden Fluids mehr oder weniger folgen kann. So wird die größte Temperatur und damit auch der größte Abstrahlungsverlust erst am Ende der Heizstrecke erreicht, also dort, wo zum weiteren Erwärmen des bereits heißen Fluids die hohe Temperatur auch wirklich gebraucht wird, und kurz bevor das heiße Fluid in einer verlustarmen Rückleitung verschwindet. So bleiben die Abstrahlungsverluste insgesamt gering.
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Da die gebündelt Strahlung von allen Seiten auf den Strahlungsaufnehmer trifft, ist eine halbseitige Abschirmung der Abstrahlverluste nicht erforderlich.
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Da die Strahlung immer Senkrecht auf den Strahlungsabnehmer trifft, kann man mit einfachen Mitteln ein effizientes Lichtfallensystem auf dessen Oberfläche herstellen.
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Die Handhabung eines Kegelspiegels ist besonders einfach, wenn man diesen unbeweglich senkrecht nach oben ausrichtet und die Sonnenstrahlen mittels beweglicher ebener Spiegel in diesen hinein lenkt. In dieser Verwendungsart benötigt der Kegelspiegel dann viel weniger Platz als ein Parabolspiegel gleichen Querschnitts.
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Nachfolgend werden die Zeichnungen näher erläutert.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Kegelspiegel
- 2
- Gaserhitzer
- 3
- Wärmekraftmaschine
- 4
- Lichtstrahl
- 5
- Mittelachse
- 6
- Fluideingang
- 7
- Fluidausgang
- 8
- Strahlungsaufnehmer
- 9
- Rückleitung
- 10
- Außenhülle
- 11
- Druckausgleichsloch
- 12
- Halterung
- 13
- Wandisolierung
- 14
- Bodenisolierung
- 15
- Rohrisolierung
- 16
- Tellerfeder
- 17
- Klemmhut
- 18
- Heißes Ende
- 19
- Kaltes Ende
- 20
- Lichtfalle
- 21
- Wärmetransportfluid
- 22
- Wand transparente
- 23
- Spiegelgitter
- 24
- Dreh- und Schwenkmechanik
- 25
- Nutzraum
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1 zeigt einen erfindungsgemäßen Sonnenkollektor in perspektivischer Darstellung, mit Kegelspiegel (1), Gaserhitzer (2), Wärmekraftmaschine (3).
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2 zeigt den Strahlengang im Kegelkollektor.
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3 zeigt eine Lichtfalle im Schnitt, sowie den Verlauf eines senkrecht eintreffenden Lichtstrahls.
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4 zeigt die Oberfläche eines fraktalen Strahlungsaufnehmers, bei dem sich zwischen je zwei Lichtfallen weitere, kleinere Lichtfallen befinden.
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5 zeigt einen Gaserhitzer im Schnitt.
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6 zeigt einen Kegelspiegel, der gleichzeitig als Kühler dient und daher von einem zu kühlenden Fluid durchströmt wird.
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7 und 8 zeigen geteilte Kegelspiegel.
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9 zeigt einen unbeweglichen Kegelkollektor mit einem beweglichen Spiegelgitter als Dachkonstruktion.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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