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Die Erfindung betrifft ein Energiespeichermodul mit einer vollständig von einem Gehäuse umgebenen Akkumulatoranordnung, die über eine in das Gehäuse integrierte Koppelspule und Ladeelektronik auf induktivem Wege aufladbar ist. Die Erfindung betrifft außerdem ein Energiespeichersystem, welches mehrere Energiespeichermodule aufweist.
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Viele Geräte des täglichen Gebrauchs weisen Energiespeicher wie Batterien oder Akkumulatoren auf. Besonders bei vielgenutzten Geräten erweisen sich dabei wiederaufladbare Akkumulatoren als besonders wirtschaftlich. Dabei sind Akkumulatoren zunehmend als integraler Bestandteil von Geräten vorgesehen und so in die Gehäuse von elektronischen (beispielsweise Musikabspielgeräten) oder elektromechanischen Geräten (zum Beispiel Elektrozahnbürsten) fest eingebaut.
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Akkumulatorbetriebene elektrische Geräte weisen zumeist einen elektrischen Steckverbinder als Ladeanschluss auf, über den ein, beispielsweise mit einem Netzteil verbundenes, Ladekabel angeschlossen wird. Darüber hinaus sind auch kontaktlose Ladevorrichtungen bekannt, die mittels einer magnetischen Kopplung Energie zum Aufladen des Akkumulators übertragen.
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Diese haben sich beispielsweise für die erwähnten Elektrozahnbürsten durchgesetzt, da dadurch sowohl die Zahnbürste als auch die an eine Netzsteckdose anzuschließende Ladevorrichtung wasserdicht gekapselt ausgeführt sein können. Da die Energieübertragung zum Laden des Akkumulators über ein magnetisches Wechselfeld erfolgt, kann auf freiliegende elektrische Kontakte vollständig verzichtet werden. Dieses ist vorteilhaft, da Kontakte eines galvanisch mit dem Spannungsnetz verbundenen elektrischen Geräts, besonders in Nassräumen ein Gefahrenpotential darstellen. Magnetfelder sind dagegen in der verwendeten Stärke für Menschen vollständig ungefährlich.
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Während das Aufladen eines Akkumulators auf vorteilhafte Weise kontaktlos erfolgen kann, ist es üblich, einen die Energie des Akkumulators nutzenden elektrischen Verbraucher galvanisch, also über elektrische Leitungen an den Akkumulator anzuschließen. Dies ist grundsätzlich vorteilhaft, da so der Verbraucher mit nur geringem schaltungstechnischem Aufwand und mit hohem Wirkungsgrad (verlustarm) angekoppelt werden kann. Alternativ kann auch der Anschluss des Verbrauchers über den Transformator eines Spannungswandlers vorgesehen werden; auch in diesem Fall ist der Verbraucher elektrisch nicht vollständig vom Akkumulator getrennt.
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Aus der internationalen Patentanmeldung
WO 2006/018229 A1 sind tragbare, insbesondere als Chipkarten ausgeführte Datenträger bekannt, welche Akkumulatoren aufweisen, die kontaktlos aufgeladen werden können. Darüber hinaus können die Akkumulatoren sowohl als Energiequelle als auch als Energiesenke eingesetzt werden. Dies ermöglicht es, elektrische Energie kontaktlos von einem voll geladenen Akkumulator auf einen schwach geladenen Akkumulator, also speziell von einer Chipkarte auf eine andere, zu übertragen. Die auf den Chipkarten angeordneten Verbraucher, insbesondere Prozessorchips, welche die Nutzfunktionen der Chipkarte bereitstellen, sind aber auch hier galvanisch mit dem jeweils zugehörigen Akkumulator verbunden.
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Die zur Erfindung führenden Überlegungen betreffen insbesondere Energiespeichermodule, welche zur Speicherung wesentlich größerer elektrischer Energiemengen vorgesehen sind und etwa als Pufferspeicher für Überschussleistungen regenerativer Energiequellen einsetzbar sind. Solaranlagen und Windräder erzeugen elektrische Energie in unterschiedlichem Maß in Abhängigkeit von äußeren Gegebenheiten, und oftmals nicht in Übereinstimmung mit dem momentanen Energiebedarf, beispielsweise eines Gebäudes. Es ist daher wünschenswert, temporär überschüssige Energie speichern zu können, bis sie sinnvoll verwendet werden kann.
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Hierzu können Akkumulatoren als elektrische Energiespeicher eingesetzt werden, deren Speichervermögen mindestens mehrere Kilowattstunden betragen sollte. Die Speicherung derartiger Energiemengen erfordert das Zusammenschalten einer Vielzahl von einzelnen Akkumulatoren zu einer Akkumulatoranlage, an der hohe Spannungen und/oder Ströme auftreten. Grundsätzlich ist die Handhabung einer solchen Akkumulatoranlage nicht ungefährlich.
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Eine Akkumulatoranlage, die aus sehr vielen einzelnen Akkumulatoren oder Akkumulatorzellen besteht, kann erstens als ein monolithischer Block ausgeführt sein, in welchem alle einzelnen Akkumulatoren fest miteinander verschaltet sind und lediglich die Endanschlüsse nach außen geführt sind. Da diese Endanschlüsse im Allgemeinen hohe Spannungen führen, müssen diese berührungssicher ausgeführt sein und vorsichtig gehandhabt werden.
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Bei einem derartigen Akkumulatorenblock ist es nicht einfach möglich einzelne Akkumulatoren auszutauschen, wenn deren Speichervermögen nachlässt, so dass hierdurch die gesamte Akkumulatoranlage in ihrer Qualität beeinträchtigt wird und mit zunehmenden Ausfällen einzelner Akkumulatoren komplett ausgetauscht werden muss. Hierdurch entsteht ein hoher Kostenaufwand.
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Eine zweite Möglichkeit, eine leistungsstarke Akkumulatoranordnung aufzubauen, besteht darin, viele einzelne Akkumulatoren in Reihen- und Parallelschaltungen zu einem Verbund zusammenführen. Die Akkumulatoren bleiben damit einzeln zugänglich und austauschbar. Allerdings können bereits beim elektrischen Verbinden der Akkumulatoren hohe Spannungen auftreten.
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Problematisch ist auch die spätere Wartung einer solchen Akkumulatoranordnung. Sollen innerhalb des Verbunds einzelne, schadhaft gewordene Akkumulatoren ersetzt werden, so ergibt sich die Schwierigkeit, dass an der Austauschstelle durch die jeweils anderen Akkumulatoren gefährlich hohe Spannungen anliegen können. Ein Austausch schadhafter Akkumulatoren ist daher für einen Laien auf dem Gebiet der Elektrotechnik nicht durchführbar und selbst für einen Fachmann mit Gefährdungen verbunden.
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Es stellte sich daher die Aufgabe, ein Energiespeichermodul zu schaffen, welches sowohl als Einzelteil als auch im Verbund mit weiteren Energiespeichermodulen gefahrlos zu handhaben ist.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass eine Energieauskopplung aus der Akkumulatoranordnung ausschließlich auf induktivem Weg vorgesehen ist.
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Erfindungsgemäß ist somit vorgesehen dass nicht nur das Aufladen der Akkumulatoranordnung, sondern auch die Energieentnahme aus der Akkumulatoranordnung ausschließlich auf induktivem Weg erfolgt. Dies bedeutet insbesondere, dass auf die Möglichkeit eines galvanischen Anschlusses von Verbrauchern oder Ankopplungsvorrichtungen von vornherein verzichtet wird. Vorteilhaft hierbei ist, dass das Energiespeichermodul somit keine elektrischen Anschlusskontakte oder herausgeführte Verbindungsleitungen aufweisen muss, an welchen elektrische Spannungen anliegen.
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Die Energieentnahme aus der Akkumulatoranordnung erfolgt ausschließlich über magnetische Felder mittels einer resonanten oder nichtresonanten Kopplung an eine an das Energiespeichermodul anfügbare Koppelspule. An diese Koppelspule, welche mit einer zum Laden der Akkumulatoranordnung verwendbaren Koppelspule identisch sein kann, können auch mehrere Energiespeichermodule zugleich angefügt sein, so dass eine höhere elektrische Leistung entnommen werden kann.
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Die Energiespeichermodule können besonders vorteilhaft derart ausgeführt sein, dass sie auch aneinander induktiv koppeln können und so Energie von einem Energiespeichermodul zu einem anderen übertragen können. Hierdurch können Energiespeichermodule, etwa zu einem Stapel aneinander gefügt werden, wodurch sich die Kapazität des so gebildeten Energiespeichersystems praktisch beliebig erhöhen lässt. Energie wird hierbei induktiv von einem Energiespeichermodul zum nächsten übertragen und beim letzten Energiespeichermodul der Reihe durch die externe Koppelspule abgenommen. Die in die Koppelspule induzierte Spannung kann durch elektrische Spannungswandler den jeweiligen Spannungserfordernissen angepasst und elektrischen Verbrauchern zugeführt werden.
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Zwischen den einzelnen Energiespeichermodulen Wechselwirken nur magnetische Felder, welche in der hier verwendeten Größenordnung, für Menschen ungefährlich sind. Dies ermöglicht auch einen ungefährdeten Zugriff auf einzelne Energiespeichermodule, so dass insbesondere ein Austausch einzelner Energiespeichermodule des Energiespeichersystems auch für Laien gefahrlos möglich ist.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungsmöglichkeiten der Erfindung sollen durch die nachfolgende Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnung verdeutlicht werden. Die 1 bis 4 zeigen dabei auf schematische Weise die Verwendung eines bzw. mehrerer Energiespeichermodule 10, 11, 12, 13, 14. Zur Veranschaulichung des Aufbaus sind die Gehäuse 510, 511, 512, 513, 514 der Energiespeichermodule 10, 11, 12, 13, 14 transparent dargestellt.
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Die 1 und 2 zeigen jeweils ein einzelnes Energiespeichermodul 10, dem Energie entnommen bzw. zugeführt wird. Das Energiespeichermodul 10 besteht aus einem, vorzugsweise, aber nicht notwendigerweise quaderförmigen Gehäuse 510, in welchem eine Akkumulatoranordnung 50 angeordnet ist, die hier vereinfacht durch acht zylinderförmige Körper dargestellt wird, welche einzelne Akkumulatoren schematisch darstellen.
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Der Begriff Akkumulator kann hier weit gefasst verstanden werden und sich auf jede Art von energiespeichernder Vorrichtung beziehen, der wiederholt elektrische Energie zugeführt und entnommen werden kann. Dabei kann die Energiespeicherung grundsätzlich auf verschiedene Weisen erfolgen, vorzugsweise elektrochemisch aber beispielsweise auch durch mechanische Schwungräder.
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In den Figuren nicht im Detail ersichtlich ist, dass die Akkumulatoren der Akkumulatoranordnung 50 entsprechend den Strom- und Spannungserfordernisse des jeweiligen Anwendungsumfelds durch Reihen- oder Parallelschaltungen miteinander verbunden und über eine Lade- /Entladeelektronik mit wenigstens einer Koppelspule 101 verschaltet sind, welche in oder an einer Fläche des Gehäuses 510 angeordnet ist.
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Die 2 verdeutlicht schematisch das Aufladen des Energiespeichermoduls 10. Hierzu wird an die Außenfläche des Energiespeichermoduls 10, an oder innerhalb der die Koppelspule 101 angeordnet ist, von außen eine weitere Koppelspule 201 angelegt, die mit einer Energiequelle 60 verbunden ist.
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Die Energiequelle 60 speist eine Wechselspannung in die Koppelspule 201 ein. Das dadurch von der Koppelspule 201 erzeugte magnetische Wechselfeld koppelt resonant oder nichtresonant an die Koppelspule 101 an und überträgt so Energie von der Energiequelle 60 auf das Energiespeichermodul 10, welche über die Koppelspule 101 und die nicht dargestellte interne Lade-/Entladeschaltung zum Aufladen der Akkumulatoranordnung 50 verwendet wird. Als Energiequelle 60 kann vorzugsweise der elektrische Ausgang einer Photovoltaikanlage, einer Windkraftanlage oder auch einer andere regenerative Energiequelle vorgesehen sein.
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Das Aufladen eines elektrischen Energiespeichers über eine induktive Ankopplung ist ein an sich bekannter Vorgang. So beschreibt beispielsweise die deutsche Auslegeschrift
DE 24 34 890 B1 das kontaktlose Aufladen des Energiespeichers eines Elektrofahrzeugs mittels einer induktiven Energieübertragung. Im Unterschied zu bekannten Vorrichtungen weist das hier beschriebene Energiespeichermodul
10 jedoch keine elektrischen Kontakte zur Abnahme elektrischer Energie auf, insbesondere nicht am Gehäuse
510 des Energiespeichermoduls
10.
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Stattdessen erfolgt die Entnahme der in der Akkumulatoranordnung 50 eingespeicherten Energie wie in der 1 dargestellt ebenfalls auf induktivem Weg. Eine Ankoppelvorrichtung 30 besitzt innerhalb eines Gehäuses 530 wiederum eine Koppelspule 301, auf die die in der Akkumulatoranordnung 50 gespeicherte elektrische Energie übertragen wird. Über eine mit der Koppelspule 301 verbundene, nicht dargestellte Elektronik kann die Energie über eine in das Gehäuse 530 geführte Leitung elektrischen Verbrauchern zugeführt werden. Alternativ können elektrisch Verbraucher oder elektrische Wandler auch innerhalb des Gehäuses 530 der Ankoppelvorrichtung 30 angeordnet sein. In jedem Fall dient die Ankoppelvorrichtung 30 als kontaktloses, induktives Anschlussmittel an das Energiespeichermodul 10.
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Bei der Energieentnahme arbeitet die Koppelspule 101 des Energiespeichermoduls 10 als induktive Sendespule, während die Koppelspule 301 der Ankoppelvorrichtung 30 eine induktive Empfangsspule ausbildet. Die Koppelspule 101 des Energiespeichermoduls 10 kann somit, je nach dem ob die Akkumulatoranordnung 50 gerade geladen oder entladen wird, entweder als induktive Sendespule oder auch als Empfangsspule wirken.
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Das Gleiche gilt umgekehrt für die an das Energiespeichermodul 10 extern anfügbaren Koppelspulen 201 und 301. Den Koppelspulen 101, 201, 301 zugeordnete, hier nicht dargestellte Lade-/Entladeelektronik-Schaltungen können durch eine über die Koppelspulen 101, 201, 301 geführte Datenkommunikation miteinander aushandeln, welche Betriebsart für welche Koppelspule 101, 201, 301 aktuell vorgesehen ist. Hierdurch können die beiden in den 1 und 2 dargestellten externen Koppelspulen 201 und 301 grundsätzlich auch durch ein und dieselbe Koppelspule realisiert sein, die einmal zum Laden und in ein anderes mal zum Entladen des Energiespeichermoduls 10 verwendet wird.
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Ist die externe Koppelspule 301 als eine induktive Empfangsspule vorgesehen oder temporär geschaltet, so kann die von der Koppelspule 301 aufgenommene elektrische Energie entweder einer elektrischen Vorrichtung zugeführt werden, die innerhalb des Gehäuses 530 angeordnet ist oder über eine feste elektrische Leitungsverbindung vom Gehäuse 530 weggeleitet werden. Unter einer festen elektrischen Verbindung sei hierbei eine elektrische Verbindung verstanden, welche keine frei zugänglichen elektrischen Kontakte aufweist. Die elektrische Vorrichtung kann insbesondere Spannungswandler aufweisen und dazu vorgesehen sein, elektrische Energie in das elektrische Netz eines Gebäudes einzuspeisen.
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Ein besonderer Vorteil des hier beschriebenen Energiespeichermoduls 10 besteht darin, dass an der Verbindungsstelle zwischen dem Energieversorgungsmodul 10 und der Ladevorrichtung 20 bzw. der Ankoppelvorrichtung 30 (als Entladevorrichtung) auch bei einer Auftrennung der Verbindung keine elektrischen Anschlusskontakte zugänglich werden, an denen hohe elektrische Spannungen anliegen oder hohe Ströme fließen und von denen daher Gefährdungen ausgehen können. Stattdessen treten auch bei einem aktiven Energiespeichermodul 10 nur ungefährliche Magnetfelder auf, für die zudem eine automatische Abschaltung vorgesehen werden kann, wenn die internen Lade-/Entladeschaltungen eine Unterbrechung der Ankopplung zu einer anderen Koppelspule 201, 301 erkennen.
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Eine Erhöhung der Speicherkapazität kann durch die Verwendung mehrerer Energiespeichermodule 11, 12, 13, 14 erreicht werden, die ohne galvanische Verbindungen zur Ausbildung eines Energiespeichersystems aneinander gekoppelt werden. Hierzu geeignete Energiespeichermodule 11, 12 weisen jeweils mindestens zwei Koppelspulen 111, 112 bzw. 121, 122 auf, die vorzugsweise an den Hauptflächen der quaderförmigen Energiespeichermodule 11, 12 angeordnet sind. In der 3 sind die Koppelspulen 111, 112, 121, 122 an den Ober- und Unterseiten der Energiespeichermodule 11 und 12 erkennbar.
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Die induktive Kopplung der Energiespeichermodule 11, 12 erfolgt durch einfaches Übereinanderstapeln, wobei die Gehäusen 511, 512 hier nicht dargestellte mechanische Verbindungsmittel aufweisen können, welche den Stapel mechanisch stabilisieren. Alternativ kann auch ein Halterahmen vorgesehen werden, in den die Energiespeichermodule 11, 12 eingesetzt werden. An die Oberseite und/oder die Unterseite des durch die Energiespeichermodule 11, 12 gebildeten Stapels wird/werden eine oder mehrere als Lade- bzw. Entladespule fungierende Koppelspule(n) 201 extern angefügt.
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Bei jedem Energiespeichermodul 11, 12 wirkt jeweils eine der beiden internen Koppelspulen 111, 112 bzw. 121, 122 als Lade- und die jeweils andere Koppelspule 112, 111 bzw. 122, 121 als Entladespule. Durch diese Anordnung kann elektrische Energie je nach Ladezustand der einzelnen Energiespeichermodule 11, 12 von einem Energiespeichermodul 11, 12 zum nächsten weitergegeben werden. Die einzelnen Energiespeichermodul 11, 12 können so sequentiell „leergefahren” und wieder aufgeladen werden. Ein besonderer Vorteil dieser Anordnung ist der geringe Platzbedarf hinsichtlich der Grundfläche des Stapels. Vorteilhafterweise ist die Anzahl der so induktiv verbindbaren Energiespeichermodul 11, 12 nicht auf zwei beschränkt, sondern kann den jeweiligen Speichererfordernissen angepasst werden.
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Vorteilhafterweise kann vorgesehen werden, dass die in die Energiespeichermodule integrierte Lade-/Entladeelektronik eine Diagnosemöglichkeit für die eingebauten Akkumulatoranordnung 50 aufweist und beispielsweise an einer Außenfläche ein optisches Signalisierungsmittel, beispielsweise eine LED oder ein Display, aufweist, um den Funktionszustand der Akkumulatoranordnung 50 zu signalisieren. Hierdurch werden Energiespeichermodule 11, 12 deren Akkumulatoren nicht mehr ausreichend funktionstüchtig sofort erkennbar und können durch Herausnehmen aus dem Stapel und Wiedereinfügen eines neuen Energiespeichermoduls leicht ersetzt werden. Besonders vorteilhaft ist, dass derartige Wartungsarbeitungen selbst für Nichtfachleute ohne Gefährdungen ausführbar sind.
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Eine andere vorteilhafte Möglichkeit zur Ausbildung eines Energiespeichersystems zeigt die 4. Hier sind mindestens zwei Energiespeichermodule 13, 14 nebeneinander angeordnet, wobei eine für beide Energiespeichermodule 13, 14 gemeinsame Lade-/Entladespule 401 die Grundfläche beider Energiespeichermodule 13, 14 abdeckt und so beide Energiespeichermodule 13, 14 gleichzeitig auf- bzw. entlädt. Selbstverständlich können auch hier wiederum mehr als zwei Energiespeichermodule 13, 14 nebeneinander angeordnet sein.
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Darüber hinaus können selbstverständlich auch in Kombination der in den 3 und 4 dargestellten Anordnungen Energiespeichermodule sowohl nebeneinander als auch übereinander positioniert werden. Hierdurch können Energiespeichersysteme sehr hoher Kapazität aufgebaut werden, wobei neben einer Erhöhung der Speicherfähigkeit (Kapazität) auch eine Erhöhung der elektrischen Leistungsfähigkeit erreicht wird, da sich die Gesamtleistung des Systems aus der Summe der Einzelleistungen der Energiespeichermodule ergibt.
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Bezugszeichenliste
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- 10, 11, 12, 13, 14
- Energiespeichermodule
- 20
- Ladevorrichtung
- 30
- Ankoppelvorrichtung (Verbraucher)
- 40
- Lade- oder Entladespulenanordnung
- 50
- Akkumulatoranordnung
- 60
- Energiequelle
- 70
- Signalisierungsmittel
- 101, 111, 112, 121, 122
- Koppelspulen
- 201, 301
- Koppelspulen (externe)
- 401
- Lade- oder Entladespule
- 510, 511, 512, 513, 514, 530
- Gehäuse
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2006/018229 A1 [0006]
- DE 2434890 B1 [0025]