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Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Seitenkanalpumpe zum Fördern von Fluiden. Ferner betrifft die Erfindung eine Kraftstoffpumpe mit einer solchen Seitenkanalpumpe.
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Stand der Technik
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Fluide wie Flüssigkeiten und Gase können mit unterschiedlichen Arten von Pumpen gefördert und/oder unter Druck gesetzt werden. Insbesondere in Kraftfahrzeugen werden Pumpen häufig dazu eingesetzt, um Kraftstoff aus einem Tank hin zu einem Verbrennungsmotor zu fördern. Die Pumpe sollte zu diesem Zweck die Fähigkeit besitzen, Kraftstoff zuverlässig und in ausreichender Menge unter verschiedenen Umgebungsbedingungen zu fördern. Beispielsweise sollte der Kraftstoff sowohl bei einem Kaltstart als auch bei starker Erwärmung, bei der es leicht zu einer Gasblasenbildung innerhalb des Kraftstoffs kommen kann, gefördert werden können. Ferner sollte die Pumpe langlebig sein und über eine lange Lebensdauer von beispielsweise mehr als 10 Jahren ihre Fördereigenschaften zuverlässig behalten können.
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Zum Fördern von Kraftstoff in Kraftfahrzeugen werden daher häufig sogenannte Seitenkanalpumpen eingesetzt, da sie sowohl robust im Einsatz als auch kostengünstig und einfach herzustellen und zu montieren sind. Allerdings wurde beobachtet, dass bei herkömmlichen Seitenkanalpumpen teilweise keine hohe Langlebigkeit erreicht wird oder dass es über die Lebensdauer der Pumpe hin zumindest zu erheblichen Verschleißerscheinungen kommt.
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Offenbarung der Erfindung
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Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ermöglichen in vorteilhafter Weise, die Langlebigkeit einer Seitenkanalpumpe beziehungsweise einer mit einer solchen Seitenkanalpumpe ausgestatteten Kraftstoffpumpe zu erhöhen und/oder Verschleißerscheinungen gering zu halten.
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Es wird eine Seitenkanalpumpe vorgeschlagen, die ein Gehäuse, welches eine Pumpkammer umschließt, aufweist. Innerhalb der Pumpkammer ist rotierbar ein Laufrad aufgenommen. Ferner sind innerhalb der Pumpkammer ein einlassseitiger Seitenkanal und ein auslassseitiger Seitenkanal ausgebildet. Das Gehäuse weist einen in den einlassseitigen Seitenkanal mündenden Einlasskanal und einen aus dem auslassseitigen Seitenkanal ableitenden Auslasskanal auf. Das Laufrad weist nahe seinem Außenumfang in einem Schaufelbereich eine Vielzahl von sich nach radial außen erstreckenden Schaufeln auf. Der einlassseitige Seitenkanal und der auslassseitige Seitenkanal verlaufen an gegenüberliegenden Seiten des Laufrads und grenzen beide an das Laufrad an. Die beiden Seitenkanäle erstrecken sich beide entlang eines Strömungspfades von dem Einlasskanal teilringförmig zu dem Auslasskanal. Die vorgeschlagene Seitenkanalpumpe zeichnet sich dadurch aus, dass der einlassseitige Seitenkanal gemittelt entlang des Strömungspfades einen kleineren Querschnitt aufweist als der auslassseitige Seitenkanal.
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Die vorgeschlagene Seitenkanalpumpe kann als auf den nachfolgend erläuterten Erkenntnissen und Ideen beruhend angesehen werden.
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Bei Seitenkanalpumpen wird ein zu förderndes Fluid durch den Einlasskanal in die Pumpkammer eingesaugt. In der Pumpkammer rotiert das Laufrad, angetrieben beispielsweise von einem Elektromotor. Die Schaufeln des Laufrads wirken auf das Fluid derart ein, dass Teile des Fluids mitgerissen werden. Angrenzend an die Schaufeln des Laufrads befinden sich an beiden gegenüberliegenden Seiten des Laufrads Seitenkanäle. Der Einlasskanal mündet in den einlassseitigen Seitenkanal.
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Da beide Seitenkanäle an das Laufrad angrenzen und hin zu den Schaufeln des Laufrads offen sind, kann durch den Einlasskanal eingesaugtes Fluid einerseits zu den Schaufeln des rotierenden Laufrads gelangen und von den sich parallel zu den Seitenkanälen bewegenden Schaufeln mitgerissen werden, andererseits kann ein Anteil des eingesaugten Fluids auch an den Schaufeln vorbei und zwischen zwei benachbarten Schaufeln hindurch hin zu dem gegenüberliegenden auslassseitigen Seitenkanal gelangen. Die Schaufeln des Laufrads wirken mit dem Fluid dabei derart zusammen, dass das Fluid teilweise in der Drehrichtung des Laufrads mitgerissen wird und teilweise vom Laufrad weg hin zu einem der Seitenkanäle gepresst wird. Dadurch bewegt sich das Fluid, nachdem es durch den Einlasskanal in die Pumpkammer eingeströmt ist, spiralartig entlang eines Strömungspfades, der vom Einlasskanal entlang den Seitenkanälen hin zu dem Auslasskanal führt. Während dieser spiralartigen Bewegung wird dem Fluid von dem Laufrad erheblich Energie übertragen, so dass das Fluid hin zu dem Auslasskanal gefördert und dabei gleichzeitig unter Druck gesetzt werden kann und dann die Pumpkammer durch den Auslasskanal verlassen kann.
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Es wurde nun beobachtet, dass durch das Ansaugen des Fluids durch den Einlasskanal, das Durchströmen des Fluids zwischen den Schaufeln des Laufrads und/oder durch das Ausstoßen des Fluids durch den Auslasskanal eine Kraft auf das Laufrad ausgeübt wird, welche versucht, das Laufrad in Richtung hin zu der Einlassseite zu verlagern. Aufgrund einer solchen Kraft kann das Laufrad beim Betrieb der Pumpe an einer einlassseitigen Wand des Gehäuses oder beispielsweise eines Ansaugdeckels reiben, was zu Verschleiß und zu einem erheblichen Abfall der Förderleistung der Pumpe führen kann.
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Es wurde erkannt, dass die beobachtete einseitige Kraftbeaufschlagung des Laufrads während des Betriebs der Pumpe dadurch vermieden oder zumindest vermindert werden kann, dass die beiden Seitenkanäle mit unterschiedlichen Querschnittsflächen ausgebildet werden. Dabei sollte der Querschnitt des einlassseitigen Seitenkanals gemittelt über den gesamten Strömungspfad einen kleineren Querschnitt aufweisen als der auslassseitige Seitenkanal. Dies schließt jedoch nicht aus, dass der einlassseitige Seitenkanal in kleinen Teilen des Strömungspfades wie zum Beispiel direkt angrenzend an den Einlasskanal einen größeren Querschnitt aufweist als der gegenüberliegende auslassseitige Seitenkanal. Allerdings sollte der einlassseitige Seitenkanal über vorzugsweise deutlich mehr als die Hälfte des Strömungspfades, d.h. zum Beispiel über wenigstens 50%, vorzugsweise über wenigstens 60% und stärker bevorzugt über wenigstens 75% des Strömungspfades zwischen dem Einlasskanal und dem Auslasskanal einen kleineren Querschnitt aufweisen als der auslassseitige Seitenkanal.
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Mit anderen Worten weist der einlassseitige Seitenkanal gemäß einer Ausführungsform der Erfindung an zumindest 60%, vorzugsweise zumindest 75% oder 90% der Positionen entlang des Strömungspfades einen kleineren Querschnitt auf als der auslassseitige Seitenkanal an der gleichen Position entlang des Strömungspfades.
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Es wurde erkannt, dass durch eine solche asymmetrische Ausbildung der beiden Seitenkanäle eine Kraft auf das Laufrad bewirkt werden kann, die der ansonsten beobachteten weiter oben beschriebenen Kraft entgegenwirken kann und diese zumindest teilweise kompensieren kann. Damit kann erreicht werden, dass das Laufrad während des Betriebs nicht mehr übermäßig hin zur Einlassseite gepresst wird, sodass hiermit verbundene Verschleißerscheinungen vermieden oder deutlich vermindert werden können.
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Gemäß einer Ausführungsform weist der einlassseitige Seitenkanal an zumindest 50% der Positionen entlang des Strömungspfades einen um zwischen 5% und 30%, vorzugsweise zwischen 10% und 25% kleineren Querschnitt auf als der auslassseitige Seitenkanal an der gleichen Position entlang des Strömungspfades. Es wurde beobachtet, dass bereits derartig geringfügige Asymmetrien hinsichtlich der Kanalquerschnitte zu einer deutlichen Verringerung von unerwünschten Kräften auf das Laufrad und damit zu verringertem Verschleiß führen können.
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Gemäß einer Ausführungsform weist der einlassseitige Seitenkanal an zumindest 50% der Positionen entlang des Strömungspfades eine kleinere Tiefe auf als der auslassseitige Seitenkanal an der gleichen Position entlang des Strömungspfades. Mit anderen Worten kann die Asymmetrie der Querschnitte der Seitenkanäle hauptsächlich durch eine einfach zu implementierende Modifizierung der Tiefen der beiden Seitenkanäle implementiert werden. Die Tiefen der beiden Seitenkanäle können sich dabei beispielsweise um zwischen 5% und 30%, vorzugsweise zwischen 10% und 25% unterscheiden.
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Es wird darauf hingewiesen, dass mögliche Merkmale und Vorteile der Erfindung hierin mit Bezug auf unterschiedliche Ausführungsformen der Seitenkanalpumpe beschrieben sind. Ein Fachmann wird erkennen, dass sich Merkmale in geeigneter Weise kombinieren oder ersetzen lassen, um auf diese Weise zu weiteren Ausführungsformen und möglicherweise zu Synergieeffekten gelangen zu können.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Nachfolgend werden Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, wobei aber weder die Zeichnungen noch die Beschreibung als die Erfindung einschränkend ausgelegt werden sollen.
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1 zeigt eine perspektivische, teilweise weggeschnittene Ansicht einer Seitenkanalpumpe.
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2 zeigt eine Explosionsansicht eines Pumpenteils einer Seitenkanalpumpe.
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3 zeigt eine Draufsicht auf ein Gehäuseteil einer Seitenkanalpumpe mit einem darin ausgebildeten Seitenkanal.
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4 zeigt stark schematisiert eine Querschnittsansicht durch eine Pumpkammer und angrenzende Gehäuseteile einer herkömmlichen Seitenkanalpumpe.
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5 zeigt stark schematisiert eine Querschnittsansicht durch eine Pumpkammer und angrenzende Gehäuseteile einer Seitenkanalpumpe gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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Die Figuren sind lediglich schematisch und nicht maßstabsgetreu. Gleiche oder ähnliche Merkmale werden in den Figuren mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet.
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Ausführungsformen der Erfindung
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1 zeigt den wesentlichen Aufbau einer Seitenkanalpumpe 1. In der Seitenkanalpumpe 1 ist ein Laufrad 3, welches teilweise auch als Impeller bezeichnet wird, innerhalb einer von einem Gehäuse 5 umschlossenen Pumpkammer 7 aufgenommen. Das Laufrad 3 weist nahe seinem Außenumfang 9 eine Vielzahl von Schaufeln 11 auf, welche zumindest teilweise in radialer Richtung verlaufen. Das Laufrad 3 kann sich dabei innerhalb der Pumpkammer 7 drehend bewegen und wird während eines Betriebs der Pumpe 1 beispielsweise von einem mit dem Laufrad 3 über eine Welle 29 gekoppelten Elektromotor 13 in Rotation versetzt. Das Gehäuse 5 ist derart ausgebildet, dass Teile des Gehäuses 5, welche auch als Ansaugdeckel 15 und Zwischengehäuse 17 genannt werden, Wände 19, 21 bilden, die über überwiegende Bereiche an die Stirnflächen des scheibenförmigen Laufrads 3 angrenzen und von diesen allenfalls durch einen engen Spalt 23 beabstandet sind.
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Während des Betriebs der Seitenkanalpumpe 1 wird das Laufrad 3 von dem Elektromotor 13 über eine mit diesen beiden Komponenten verbundene Welle 29 in Rotation versetzt. Indem die Schaufeln 11 des Laufrads 3 mit dem Fluid in der Pumpkammer 7 zusammenwirken, wird z.B. Kraftstoff von einem Tank über eine Leitung (nicht dargestellt) kommend durch einen durch das Gehäuse 5 reichenden Einlass 25 in die Pumpkammer 7 gesogen. Durch die Rotation des Laufrads 3 und der daran angeordneten Schaufeln 11 wird das Fluid unter Druck gesetzt, durch die Pumpkammer gefördert und schließlich durch einen Auslass 27 z.B. hin zu einem Verbrennungsmotor (nicht dargestellt) ausgestoßen.
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Bei der in 1 beispielhaft dargestellten Seitenkanalpumpe 1 wird das Laufrad 3 von dem Gehäuse 5 und insbesondere von dem Ansaugdeckel 15 und dem Zwischengehäuse 17 umschlossen. Wie in der Explosionsansicht aus 2 zu erkennen, ist dabei innerhalb des von dem Ansaugdeckel 15 und dem Zwischengehäuse 17 umschlossenen Raums das Laufrad 3 aufgenommen. Ferner verbleibt innerhalb dieses Raumes ein freies Volumen, durch das ein Fluid hindurch strömen kann und das als Pumpkammer 7 bezeichnet wird. Die Pumpkammer 7 wird dabei von einem in dem Ansaugdeckel 15 ausgebildeten einlassseitigen Seitenkanal 31, einem in dem Zwischengehäuse 17 ausgebildeten auslassseitigen Seitenkanal 33 sowie einem freien Volumen zwischen den Schaufeln 11 des Laufrads 3 gebildet. Mit Ausnahme des Bereichs der Pumpkammer 7 grenzen Wände 19, 21 des Ansaugdeckels 15 und des Zwischengehäuses 17 fast direkt an entsprechende Stirnflächen des Laufrads 3, wobei sie von diesen allenfalls durch einen schmalen Spalt von z.B. 100µm beabstandet sind.
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Zu förderndes Fluid kommt von dem Einlass 25 und erreicht die Pumpkammer 7 über einen in den einlassseitigen Seitenkanal 31 mündenden Einlasskanal 35. Von dort verteilt sich das Fluid über die Pumpkammer 7, das heißt auch in Bereiche zwischen den Schaufeln 11 des Laufrads 3 sowie in den gegenüberliegenden auslassseitigen Seitenkanal 33. Dabei bewegt es sich, angetrieben durch das rotierende Laufrad 3, entlang eines Strömungspfades 39 (siehe 3), der von dem Einlasskanal 35 bis hin zu einem Auslasskanal 37 reicht. Das Fluid strömt dabei teilweise durch den einlassseitigen Seitenkanal 31, teilweise durch den auslassseitigen Strömungskanal 33 und wird teilweise durch die Schaufeln 11 des Laufrads mitgerissen. Dabei zirkuliert das Fluid in einer spiralartigen Bewegung zwischen den einzelnen Teilbereichen der Pumpkammer 7. Das hierbei unter Druck gesetzte Fluid verlässt die Pumpkammer 7 durch den Auslasskanal 37, durchströmt in dem in 1 dargestellten Beispiel den Elektromotor 13 und verlässt dann das Gehäuse 5 durch den Auslass 27.
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Wie in der Draufsicht aus 3 zu erkennen, reicht der in dem Ansaugdeckel 15 ausgebildete einlassseitige Seitenkanal 31 von dem Einlasskanal 35 ringförmig entlang des Strömungspfades 39 in einem Teilkreis von etwa 300° bis hin zu einem Bereich 41, an dem im gegenüberliegenden Zwischengehäuse 17 der dortige auslassseitige Seitenkanal 33 in den Auslasskanal 37 führt. Dabei passiert er eine Entgasungsbohrung 43.
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In 4 ist die Konfiguration eines Ansaugdeckels 15, eines Zwischengehäuses 17 sowie des darin aufgenommenen Laufrads 3 für den Fall einer herkömmlichen Seitenkanalpumpe dargestellt. 5 zeigt eine entsprechende Konfiguration für eine Seitenkanalpumpe gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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Bei der herkömmlichen Pumpe gemäß 4 sind der einlassseitige Seitenkanal 31 und der auslassseitige Seitenkanal 33 mit gleichen Breiten B und gleichen Tiefen KT1, KT2 dimensioniert und weisen bei ansonsten gleicher Form somit gleiche Querschnitte auf.
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Obwohl die beiden Seitenkanäle 31, 33 somit bezüglich einer Ebene durch die Mitte des Laufrads 3 symmetrisch ausgebildet sind, wurde beobachtet, dass eine Kraft F1, welche aufgrund des sich in dem einlassseitigen Seitenkanal 31 aufbauenden Drucks auf das Laufrad 3 ausgeübt wird, kleiner ist als eine Kraft F2, welche aufgrund des sich in dem auslassseitigen Seitenkanal 33 aufbauenden Drucks auf das Laufrad 3 in entgegengesetzter Richtung ausgeübt wird. Da sich die beiden entgegengesetzt gerichteten Kräfte F1, F2 somit nur teilweise kompensieren, wirkt eine resultierende Kraft F2 – F1 auf das Laufrad 3, welche das Laufrad 3 hin zu dem einlassseitigen Ansaugdeckel 15 presst. Das Laufrad 3 kann dabei in mechanischen Kontakt mit dem Ansaugdeckel 15 kommen, das heißt ohne einen zwischenliegenden Spalt 23. Es kann somit zu einer Festkörperreibung zwischen dem Laufrad 3 und dem Ansaugdeckel 15 kommen, welche wesentlich stärker ist als eine Flüssigkeitsreibung, wie sie auftritt, solange das Laufrad 3 über einen Spalt 23 von dem Ansaugdeckel 15 beabstandet ist und durch den Spalt das zu fördernde Fluid, d.h. zum Beispiel niedrigviskoser Treibstoff, strömen kann.
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Bei der Seitenkanalpumpe 1 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wie sie in 5 dargestellt ist, sind der einlassseitige Seitenkanal 31 und der auslassseitige Seitenkanal 33 zwar mit gleichen Breiten B ausgebildet, weisen aber unterschiedliche Tiefen KT1, KT2 auf. Daher unterscheiden sich ihre Querschnitte und sie sind bezüglich einer Ebene, die quer zu den Seitenkanälen 31, 33 und mittig durch das Laufrad 3 verläuft, asymmetrisch.
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Die Kanaltiefen KT1, KT2 können sich beispielsweise um 10% bis 25% voneinander unterscheiden. Zum Beispiel können die beiden Kanaltiefen KT1, KT2 im Bereich von 1 bis 2mm liegen, aber die Kanaltiefe KT1 des einlassseitigen Seitenkanals 31 um 0,1 bis 0,2mm kleiner sein als die Kanaltiefe KT2 des auslassseitigen Seitenkanals 33.
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Anstatt nur die Kanaltiefen KT1, KT2 der beiden Seitenkanäle 31, 33 unterschiedlich zu dimensionieren, kann prinzipiell alternativ oder ergänzend auch die Breite und/oder Form der Seitenkanäle 31, 33 derart unterschiedlich gewählt werden, dass der Querschnitt des einlassseitigen Seitenkanals 31 etwas kleiner ist als derjenige des auslassseitigen Seitenkanals 33.
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Es wurde beobachtet, dass durch eine solche relative Verkleinerung des Querschnitts des einlassseitigen Seitenkanals 31 erreicht werden kann, dass die Kraft F1, welche aufgrund des sich in dem einlassseitigen Seitenkanal 31 aufbauenden Drucks auf das Laufrad 3 ausgeübt wird, in etwa gleich groß ist wie eine Kraft F2, welche aufgrund des sich in dem auslassseitigen Seitenkanal 33 aufbauenden Drucks auf das Laufrad 3 in entgegengesetzter Richtung ausgeübt wird.
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Aufgrund des somit ausgeglichenen Kräfteverhältnisses auf das Laufrad 3 wird dieses nicht mehr in axialer Richtung belastet oder gar verschoben. Es können somit Spalte 23 zwischen beiden Stirnflächen und jeweils angrenzenden Wänden 19, 21 des Ansaugdeckels 15 beziehungsweise des Zwischengehäuses 17 gewährleistet werden. Die somit gegebene Beabstandung des Laufrads 3 von den angrenzenden Wänden 19, 21 und die hierdurch andauernde geringe Flüssigkeitsreibung zwischen den Stirnflächen des Laufrads 3 und diesen Wänden 19, 21 kann zu verringerten Verschleißerscheinungen und damit zu einer erhöhten Langlebigkeit der Seitenkanalpumpe 1 beitragen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 4343078 B4 [0004]
- US 4591311 [0004]
- DE 4300845 A1 [0004]
