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Die Erfindung betrifft eine Kolbenanordnung für einen Kältemittelverdichter mit einem Kolben, der einen Kolbenboden und ein Kolbenhemd aufweist, das einen Innenraum umgibt, in dem eine Einbaueinrichtung mit einem Ölpfad angeordnet ist, wobei das Kolbenhemd eine äußere Mantelfläche aufweist, in der eine Schmiernut ausgebildet ist, die mit dem Ölpfad verbunden ist.
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Eine derartige Kolbenanordnung ist beispielsweise aus
DE 103 56 396 B4 bekannt. Dort weist die Einbauanordnung ein Kugelgelenk mit einer Kugel auf, die durch ein Befestigungselement in einem an der Innenseite des Kolbenbodens angeordneten Verstärkungselement festgehalten ist. Das Befestigungselement ist mit der Innenseite des Kolbenhemds verschweißt oder durch andere thermische Verfahren verbunden.
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Bei einer derartigen Ausbildung können Deformationen des Kolbens auftreten. Wenn die Form des Kolbens von einer zylindrischen Form abweicht, ergeben sich im Betrieb des Kältemittelverdichters Undichtigkeiten im Spalt zwischen dem Kolben und einem Zylinder, in dem der Kolben geführt ist. Derartige Undichtigkeiten verschlechtern den Wirkungsgrad des Verdichters und führen zu erhöhtem Verschleiß.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Kolbenanordnung bereitzustellen, mit der ein guter Wirkungsgrad erzielbar ist.
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Diese Aufgabe wird bei einer Kolbenanordnung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass die Einbaueinrichtung ein elastisches Dichtelement aufweist, das von innen am Kolbenhemd anliegt und den Ölpfad begrenzt.
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Die Schmiernut auf der Umfangsfläche des Kolbenhemds steht also nach wie vor mit dem Ölpfad in Verbindung. Dieser Ölpfad wird aber nicht mehr durch starre Elemente begrenzt, sondern durch ein elastisches Dichtelement. Das elastische Dichtelement stellt zwar eine ausreichende Dichtigkeit für den Ölpfad zur Verfügung. Es übt aber praktisch keine Kräfte auf das Kolbenhemd aus, die zu einer Deformation des Kolbenhemdes führen könnten. Darüber hinaus ist es nicht länger notwendig, das Kolbenhemd mit Teilen der Einbaueinrichtung zu verschweißen oder auf andere Weise thermisch zu verbinden, so dass auch durch die Herstellung der Kolbenanordnung keine Deformationen des Kolbenhemdes zu befürchten sind. Wenn das Kolbenhemd einmal mit der gewünschten zylindrischen Form hergestellt worden ist, kann diese Form beibehalten werden, was zu einem verbesserten Wirkungsgrad beim Betrieb des Kältemittelverdichters führt. Darüber hinaus kann der Verschleiß klein gehalten werden.
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Vorzugsweise ist die Schmiernut über eine erste Öffnungsanordnung und über eine zweite Öffnungsanordnung mit dem Innenraum verbunden, wobei die erste Öffnungsanordnung und die zweite Öffnungsanordnung in Axialrichtung relativ zueinander versetzt sind und das Dichtelement zwischen der ersten Öffnungsanordnung und der zweiten Öffnungsanordnung am Kolbenhemd anliegt. Das Dichtelement trennt dann einen Zufluss von Öl in die Schmiernut von einem Rückfluss von Öl aus der Schmiernut, so dass ein Ölstrom durch die Schmiernut auf einfache Weise aufrechterhalten werden kann.
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Hierbei ist bevorzugt, dass die erste Öffnungsanordnung und die zweite Öffnungsanordnung jeweils mehrere in Umfangsrichtung verteilt angeordnete Öffnungen aufweisen, wobei die Öffnungen der ersten Öffnungsanordnung und die Öffnungen der zweiten Öffnungsanordnung in Umfangsrichtung zueinander versetzt sind. Wenn man also beispielsweise zwei Öffnungen in jeder Öffnungsanordnung hat und die Öffnungen der ersten Öffnungsanordnung gegenüber den Öffnungen der zweiten Öffnungsanordnung um 90° in Umfangsrichtung zueinander versetzt sind, dann muss das Öl aus dem Ölpfad lediglich einen Umfangswinkel von 90° durchströmen, bevor es wieder in den Innenraum des Kolbens zurückfließen kann. Je kürzer der Weg des Öls durch die Schmiernut ist, desto geringer ist der Strömungswiderstand und desto geringer ist der notwendige Druck, den man zum Einspeisen des Öls in die Schmiernut benötigt. Je kleiner der Druck des Öls ist, desto geringer kann auch die Anlagekraft des elastischen Dichtelements am Kolbenhemd sein.
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Vorzugsweise sind das Dichtungselement und die Einbaueinrichtung miteinander verrastet. Im Grunde ist für die Verbindung zwischen dem Dichtelement und der Einbauanordnung nur eine Verbindung in Axialrichtung erforderlich, weil das Dichtelement durch die elastische Anlage an der Innenseite des Kolbenhemds in radialer Richtung ohnehin festgelegt ist. Eine derartige Verbindung lässt sich durch eine Rastverbindung problemlos bewerkstelligen.
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Vorzugsweise weist das Dichtelement eine Dichtlippe auf, die am Kolbenhemd anliegt und vom Kolbenboden weg weist. Eine Dichtlippe kann mit einer relativ geringen Kraft an dem Kolbenhemd anliegen und dennoch für eine ausreichende Dichtigkeit sorgen. Der große Vorteil der Dichtlippe liegt allerdings darin, dass der Zusammenbau der Kolbenanordnung erleichtert wird. Man kann das Dichtelement und die Einbauanordnung zusammen vormontieren und dann die so gebildete Einheit in den Kolben einschieben. Die Dichtlippe kann sich dann soweit radial nach innen verformen, dass sie über Unebenheiten auf der Innenseite des Kolbenhemdes hinweggeführt werden kann, ohne dass sich die Gefahr einer Beschädigung ergibt. In der endgültigen Einbauposition legt sie sich dann an die Innenseite des Kolbenhemdes an.
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Vorzugsweise liegt die Einbaueinrichtung an drei Vorsprüngen an, die sich vom Kolbenboden in den Innenraum erstrecken. Die Höhe dieser Vorsprünge ist vorzugsweise größer als die für die Planheit des Kolbenbodens und/oder die Planheit der entsprechenden Anlagefläche der Einbaueinrichtung zulässige Toleranz. Dadurch wird eine Drei-Punkt-Auflage des Kolbenbodens auf der Einbaueinrichtung gewährleistet. Dies sichert eine optimale Übertragung der Kompressionskräfte vom Kolbenboden über die Einbauanordnung zu einer Pleuelstange, die mit der Einbauanordnung verbunden ist. Eine Auflage mit drei Punkten kann in jedem Fall ein Kippen des Kolbens im Betrieb verhindern, so dass im Betrieb ein Spalt zwischen dem Kolben und dem Zylinder mit hoher Genauigkeit aufrechterhalten werden kann.
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Vorzugsweise umgeben die Einbaueinrichtung und der Kolbenboden einen ringförmigen Hohlraum, wobei die Einbaueinrichtung radial außen am Kolbenboden anliegt. Die Einbaueinrichtung bildet also sozusagen auch die Umfangswand des Hohlraumes. Durch den Hohlraum ist es möglich, die Masse der Einbaueinrichtung klein zu halten. Die Abstützung der Einbaueinrichtung radial relativ weit außen am Kolbenboden erlaubt eine günstige Verteilung der Kräfte zwischen dem Kolbenboden und der Einbaueinrichtung im Betrieb.
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Vorzugsweise sind die Einbaueinrichtung und der Kolbenboden stoffschlüssig miteinander verbunden. Die Einbaueinrichtung und der Kolbenboden können beispielsweise miteinander verschweißt oder verklebt sein. Verformungen, die sich bei dieser Verbindung am Kolbenboden ergeben könnten, können durch eine Nachbearbeitung des Kolbenbodens leicht entfernt werden. Die Nachbearbeitung kann beispielsweise in einem Schleifen bestehen. Da man hier eine ebene Fläche schleifen muss, ist der Aufwand für eine derartige Bearbeitung nicht allzu groß.
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Vorzugsweise sind die Einbaueinrichtung und der Kolbenboden im Bereich der radialen Mitte miteinander verbunden. Damit kann man die Verbindung von dem elastischen Dichtelement trennen, so dass die Gefahr, dass beim Herstellen der Verbindung eine Beschädigung des Dichtelementes erfolgt, relativ gering ist.
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Hierbei ist bevorzugt, dass die Einbaueinrichtung einen Vorsprung aufweist, der in einer Ausnehmung im Kolbenboden eingesteckt ist. Durch das Einstecken des Vorsprungs in die Ausnehmung erreicht man einen Formschluss zwischen der Einbaueinrichtung und dem Kolbenboden in radialer Richtung, so dass die Einbaueinrichtung sehr genau positioniert werden kann.
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Vorzugsweise weist der Kolbenboden eine Dicke auf, die größer ist als eine Wandstärke des Kolbenhemds. Dies trägt dazu bei, Deformationen des Kolbens bei der Verbindung mit der Einbaueinrichtung zu vermeiden. Der Kolben kann beispielsweise aus einem Stahlblech gezogen sein.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung beschrieben. Hierin zeigen:
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1 einen Schnitt durch eine Kolbenanordnung,
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2 eine vergrößerte Einzelheit X aus 1,
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3 eine Seitenansicht der Kolbenanordnung nach 1,
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4 eine perspektivische Ansicht des Kolbens und
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5 eine perspektivische Ansicht der Kolbenanordnung nach 1.
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Eine Kolbenanordnung 1, die für einen Kältemittelverdichter vorgesehen ist, weist einen Kolben 2 auf. Der Kolben 2 weist einen Kolbenboden 3 und ein Kolbenhemd 4 auf. Der Kolbenboden 3 weist eine Dicke auf, die größer ist als eine Wandstärke des Kolbenhemds 4.
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Das Kolbenhemd 4 weist eine Mantelfläche 5 auf, in der eine Schmiernut 6 ausgebildet ist.
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Das Kolbenhemd 4 umgibt einen Innenraum 7. Der Innenraum 7 ist an einer axialen Stirnseite durch den Kolbenboden 3 begrenzt. An der gegenüberliegenden Stirnseite ist der Innenraum 7 offen.
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Im Innenraum 7 ist eine Einbaueinrichtung 8 angeordnet. Die Einbaueinrichtung 8 weist ein Kugelgelenk mit einer Kugel 9 und einer Kugelpfanne 10 auf. Die Kugelpfanne 10 ist in einem Lagerelement 11 ausgebildet.
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Eine Pleuelstange 12 ist mit der Kugel 9 verbunden. Die Pleuelstange 12 kann beispielsweise in die Kugel eingeschraubt oder mit der Kugel verschweißt sein. Die Pleuelstange 12 ist hohl und weist somit einen Ölzufuhrkanal 13 auf, durch den Öl unter Druck zugeführt werden kann. Die Kugel 9 weist eine Querbohrung 14 auf, in die der Ölzufuhrkanal 13 mündet. Durch die Querbohrung kann Öl in eine erste Kammer 15 eintreten, die zwischen dem Lagerelement 11 und einem Sicherungselement 16 ausgebildet ist, das die Kugel 9 in der Kugelpfanne 10 festhält. Das Sicherungselement 16 ist mit dem Lagerelement 11 verbunden, beispielsweise durch eine Schweißnaht 17. Es ist auch möglich, eine andere Verbindung vorzusehen, beispielsweise eine Reihe von Schweißpunkten oder eine Klebe- oder Schraubverbindung.
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Das Sicherungselement 16 weist eine Umfangswand 18 auf, in der mehrere Öffnungen 19 ausgebildet sind, durch die das Öl aus der ersten Kammer 15 in eine zweite Kammer 20 übertreten kann. Die zweite Kammer 20 wird radial außen durch das Kolbenhemd 4 begrenzt. An ihrem vom Kolbenboden 3 abgewandten Ende ist die zweite Kammer 20 durch eine Dichtlippe 21 eines elastischen Dichtelements 22 begrenzt. Die Dichtlippe 21 liegt unter einer kleinen Spannung an der Innenseite des Kolbenhemds 4 an. Die Dichtlippe weist vom Kolbenboden 3 weg.
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Der Ölzufuhrkanal 13, die Querbohrung 14, die erste Kammer 15, die Öffnungen 19 und die zweite Kammer 20 bilden einen Ölpfad.
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Die zweite Kammer 20 und damit der Ölpfad stehen mit mehreren Öffnungen 23 in Verbindung. Die Öffnungen 23 gehören zu einer ersten Öffnungsanordnung und verbinden die zweite Kammer 20 mit der Schmiernut 6 in der Mantelfläche 5 des Kolbenhemdes. Eine Öffnung 23 kann auch als Öffnungspaar ausgebildet sein, so dass in Umfangsrichtung verteilt mehrere Öffnungspaare 23 vorgesehen sind. Wie man insbesondere in 3 erkennen kann, sind im Kolbenhemd 4 weitere Öffnungen 24 oder Öffnungspaare vorgesehen, die zu einer zweiten Öffnungsanordnung gehören. Die Dichtlippe 21 liegt in Axialrichtung (bezogen auf die Achse des Kolbens) an einer Position innen am Kolbenhemd 4 an, die sich zwischen den Öffnungen 23 der ersten Öffnungsanordnung und den Öffnungen 24 der zweiten Öffnungsanordnung befindet.
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Die Öffnungen 23 sind um 180° relativ zueinander in Umfangsrichtung versetzt. Die Öffnungen 24 können beispielsweise ebenfalls um 180° in Umfangsrichtung zueinander versetzt sein, wobei, wie in 3 dargestellt, die Öffnungen 24 auch als Öffnungspaare ausgebildet sein können. Die Öffnungen 23 der ersten Öffnungsanordnung und die Öffnungen 24 der zweiten Öffnungsanordnung sind im Wesentlichen um 90° in Umfangsrichtung relativ zueinander versetzt, so dass das Öl in der Schmiernut 6 lediglich über einen Umfangswinkel von 90° in der Schmiernut 6 strömen muss. Dementsprechend setzt die Schmiernut 6 dem Ölfluss nur einen relativ geringen Widerstand entgegen. Durch die Öffnungen 24 der zweiten Öffnungsanordnung kann das Öl aus der Schmiernut 6 wieder zurück in den Innenraum 7 fließen und von dort in einen Ölsumpf gelangen, wie dies allgemein bekannt ist.
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Das elastische Dichtelement 22 ist mit dem Sicherungselement 16 durch eine Rastverbindung verbunden. Hierzu weist das elastische Dichtelement 22 radial nach innen vorstehende Zungen 25 auf, die in die Öffnungen 19 am Sicherungselement 16 eingreifen können. Durch die Ausbildung des Dichtelements 22 mit den Zungen 25 wird gleichzeitig eine Öffnung 26 im Dichtelement 22 geschaffen, durch die das Öl aus der ersten Kammer 15 in die zweite Kammer 20 übertreten kann.
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Wie man in 4 erkennen kann, weist der Kolbenboden 3 an seiner axialen Innenseite 3 Vorsprünge 27 auf. Diese Vorsprünge sind in radialer Richtung (bezogen auf die Achse des Kolbens 2) relativ weit außen angeordnet. Diese Vorsprünge 27 haben eine axiale Erstreckung, also eine Höhe, die größer ist als die Toleranz der Planheit der umlaufenden Kontaktfläche zwischen dem Lagerelement 11 und dem Kolbenboden 3. Dadurch wird eine Drei-Punkt-Auflage des Kolbenbodens 3 auf dem Lagerelement 11 gewährleistet, bevor das Lagerelement 11 und der Kolben 2 miteinander verbunden werden. Dies stellt eine optimale Übertragung der Kompressionskräfte vom Kolbenboden 3 über das Lagerelement 11 und die Kugel 9 zur Pleuelstange 12 sicher. Bei einer undefinierten Auflage, beispielsweise an nur zwei oder an vier Punkten, könnten zyklische Verformungen des Kolbenbodens 3 und damit auch des Kolbenhemds 4 während des Betriebs des Kältemittelverdichters auftreten, was wiederum die Dichtigkeit im Spalt zwischen dem Kolben 2 und einem nicht näher dargestellten Zylinder verschlechtern könnte.
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Der Kolbenboden 3 weist eine zentrische Öffnung 28 auf. Das Lagerelement 11 weist einen zentrischen Vorsprung 29 auf, der in die Öffnung 28 eingesteckt wird. Die Öffnung 28 ist hier als Durchgangsöffnung ausgebildet. Dies ist allerdings nicht unbedingt erforderlich. Die Öffnung 28 kann auch durch eine Ausnehmung im Kolbenboden 3 ersetzt werden. In diesem Fall muss der Vorsprung 29 des Lagerelements 11 entsprechend kürzer ausgebildet sein. Das Lagerelement 11 wird im Bereich des Vorsprungs 29 mit dem Kolbenboden 3 verbunden, beispielsweise durch eine Schweißnaht 30. Andere Verbindungen, wie Verlöten, Verkleben oder dergleichen, sind möglich. Nach dem Verbinden des Lagerelements 11 mit dem Kolbenboden 3 kann der Kolbenboden 3 nachbearbeitet werden, beispielsweise durch Schleifen. Dabei kann der Kolbenboden 3 auf seiner axialen Außenseite eben geschliffen werden. Gleichzeitig kann man eine Rechtwinkligkeit des Kolbenbodens 3 zur Mantelfläche 5 mit einer relativ hohen Genauigkeit erzeugen.
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Das Lagerelement 11 weist radial außen einen Flansch 31 auf, mit dem es auf dem Kolbenboden 3, genau gesagt, auf den Vorsprüngen 27 am Kolbenboden 3, aufsteht. Der Flansch 31 ist an einer Ringwand 32 des Lagerelements 11 ausgebildet. Die Ringwand 32 begrenzt radial außen einen Hohlraum 33, der im Übrigen durch den Kolbenboden 3 und das Lagerelement 11 begrenzt ist. Diese Ausbildung hat den Vorteil, dass auch das Lagerelement 11 als Blechformteil ausgebildet sein kann und somit die Masse der Kolbenanordnung 1 kleingehalten werden kann.
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Die Herstellung der Kolbenanordnung 1 lässt sich wie folgt beschreiben:
Die Kolbenstange 12 wird mit der Kugel 9 verbunden. Hierzu kann die Kolbenstange 12 durch eine Öffnung 34 im Sicherungselement 16 geführt werden. Die Kugel 9 wird in die Kugelpfanne 10 im Lagerelement 11 eingesetzt und das Sicherungselement 16 wird mit dem Lagerelement 11 verbunden. Diese Verbindung kann durchaus bei einer höheren Temperatur erfolgen, weil bis zu diesem Zeitpunkt lediglich Teile miteinander verbunden werden, die gegen eine erhöhte Temperatur beständig sind.
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Nach der Verbindung von Sicherungselement 16 und Lagerelement 11 wird das Dichtelement 22 aufgeschoben und mit dem Sicherungselement 16 verrastet. Diese Rastverbindung muss im Grunde nur eine axiale Positionierung des Dichtelements 22 gegenüber dem Sicherungselement 16 sicherstellen.
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Die so vormontierte Einbaueinrichtung 8 kann dann in den Innenraum 7 des Kolbens 2 eingeschoben werden. Die Dichtlippe 21 gleitet dann an der Innenseite des Kolbenhemdes 4 entlang, ohne dass das Risiko einer Beschädigung besteht. Der Vorsprung 29 tritt dann in die Öffnung 28 ein und kann mit dem Kolbenboden 3 verschweißt werden. Auch hier kann eine erhöhte Temperatur auftreten, die aber unkritisch ist, weil das Verschweißen mit einer ausreichend großen Entfernung zum Dichtelement 22 erfolgt, das aus einem Kunststoffmaterial gebildet ist.
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Abschließend wird der Kolbenboden 3 noch eben und rechtwinklig zur Mantelfläche 5 geschliffen.
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Bei der Herstellung und im Betrieb wird das Kolbenhemd 4 praktisch nicht mit Kräften beaufschlagt, die zu einer Verformung führen könnten. Das Kolbenhemd 4 behält also seine ursprünglich hergestellte Form, idealerweise eine Zylinderform, bei, so dass ein Spalt zwischen dem Kolben 2 und dem Zylinder, in dem sich der Kolben bewegt, relativ eng ausgebildet werden kann. Das Öl in der Schmiernut 6 kann dann quasi als "flüssiger Kolbenring" angesehen werden. Es ergibt sich eine sehr gute Abdichtung des Spalts durch das Öl in der Schmiernut.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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