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GEBIET
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Die vorliegende Offenbarung bezieht sich allgemein auf mikroelektronischmechanische Systeme (MEMS) und insbesondere auf Ventilprofile zum Erzielen eines angepassten Ausgabeansprechens von einem MEMS-Ventil.
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HINTERGRUND
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Die Aussagen in diesem Abschnitt stellen lediglich Hintergrundinformationen in Bezug auf die vorliegende Offenbarung dar und können, müssen jedoch nicht Stand der Technik bilden.
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Ein typisches Steuerventil eines mikroelektromechanischen Systems (MEMS) ist ein Mikroventil, das unter Verwendung der Mikroherstellungstechnologie in ein Siliciumsubstrat integriert worden ist. Diese Systeme weisen sowohl mechanische als auch elektrische Komponenten mit im Mikrometerquerschnitt bemessenen Merkmalen auf. Verschiedene Mikroventilvorrichtungen werden verwendet, um die Fluidströmung innerhalb eines Fluidkreises zu steuern. Eine typische Mikroventilvorrichtung umfasst ein bewegliches Ventil, das durch einen festen Gehäuseabschnitt der Vorrichtung gestützt ist und mit einem Aktuator funktional gekoppelt ist. Das bewegliche Ventil ist in der Lage, in Ansprechen auf elektrische Signale, die für das Mikroventil bereitgestellt werden, Anschlüsse alternativ zu sperren, was ein Hydrauliksignalansprechen erzeugt.
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In verschiedenen Anwendungen ist das durch das Mikroventil bereitgestellte Hydraulikdruckansprechen für die Anforderungen der Anwendung geeignet. Wenn die Mikroventiltechnologie in weiteren Anwendungen genutzt wird, erfordert das Wesen der Anwendung aber genauere Fluiddrucksignale, die unter Verwendung der gegenwärtigen linearen Ventilpositionseingaben nicht erzielt werden können. Im Ergebnis besteht ein Bedarf an einem Verfahren zur Optimierung des Fluiddruckansprechens eines Mikroventils, wenn es in Anwendungen, die ein solches Ansprechen erfordern, genutzt wird.
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Dementsprechend besteht im Gebiet Raum für ein Verfahren zur Optimierung des Fluiddruckansprechens eines Mikroventils, wenn es in Anwendungen, die ein solches Ansprechen erfordern, genutzt wird.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Es wird eine mikroelektromechanische Fluidsteuervorrichtung geschaffen, wobei die Vorrichtung eine erste Platte, eine zweite Platte und eine Zwischenplatte umfasst. Die Zwischenplatte ist zwischen der ersten und der zweiten Platte angeordnet. Die erste Platte umfasst ein Paar Hohlräume für elektrische Kontakte. Die zweite Platte umfasst einen ersten, einen zweiten und einen dritten Anschluss. Die Zwischenplatte umfasst ein Ventil, einen Ventilhohlraum und einen Aktuator. Der erste, der zweite und der dritte Anschluss stehen in Verbindung mit dem Ventilhohlraum. Das Ventil ist in dem Hohlraum angeordnet. Das Ventil ist mit dem Aktuator verbunden. Das Ventil umfasst einen langgestreckten Abschnitt und einen Sperrabschnitt und der Sperrabschnitt umfasst einen ersten, einen zweiten und einen dritten Abschnitt.
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In einem anderen Beispiel der vorliegenden Erfindung umfasst der erste Abschnitt des Sperrabschnitts eine erste und eine zweite konvexe Oberfläche und eine erste ebene Oberfläche. Die erste konvexe Oberfläche liegt der zweiten konvexen Oberfläche gegenüber und die erste und die zweite konvexe Oberfläche sind durch die erste ebene Oberfläche verbunden.
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In einem abermals anderen Beispiel der vorliegenden Erfindung umfasst der zweite Abschnitt des Sperrabschnitts eine zweite und eine dritte ebene Oberfläche. Die zweite ebene Oberfläche ist mit der ersten konvexen Oberfläche verbunden und die dritte ebene Oberfläche ist mit der zweiten konvexen Oberfläche verbunden.
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In einem abermals anderen Beispiel der vorliegenden Erfindung umfasst der dritte Abschnitt des Sperrabschnitts eine dritte und eine vierte konvexe Oberfläche und eine vierte ebene Oberfläche. Die dritte konvexe Oberfläche liegt der vierten konvexen Oberfläche gegenüber, die dritte und die vierte konvexe Oberfläche sind durch die vierte ebene Oberfläche verbunden, die dritte konvexe Oberfläche ist mit der zweiten ebenen Oberfläche verbunden und die vierte konvexe Oberfläche ist mit der dritten ebenen Oberfläche verbunden.
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In einem abermals anderen Beispiel der vorliegenden Erfindung umfasst der erste Abschnitt des Sperrabschnitts einen ersten Fluiddurchlass in wahlweiser Verbindung mit dem ersten Anschluss.
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In einem abermals anderen Beispiel der vorliegenden Erfindung umfasst der zweite Abschnitt des Sperrabschnitts einen zweiten Fluiddurchlass und steht der zweite Fluiddurchlass mit dem ersten Fluiddurchlass und mit dem zweiten Anschluss in Verbindung.
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In einem abermals anderen Beispiel der vorliegenden Erfindung umfasst der dritte Abschnitt des Sperrabschnitts einen dritten Fluiddurchlass, steht der dritte Fluiddurchlass mit dem zweiten Fluiddurchlass in Verbindung und steht der dritte Fluiddurchlass mit dem dritten Anschluss in wahlweiser Verbindung.
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In einem abermals anderen Beispiel der vorliegenden Erfindung umfasst der erste Abschnitt des Sperrabschnitts einen Durchflussquerschnitt, der durch die folgende Gleichung definiert ist:
wobei H einen Gesamtdurchflussquerschnitt für den ersten und für den zweiten Abschnitt repräsentiert, k eine Konstante für den Ventilentwurf ist und X die Entfernung in einer Bewegungsrichtung des Sperrabschnitts ist.
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In einem abermals anderen Beispiel der vorliegenden Erfindung umfasst der dritte Abschnitt des Sperrabschnitts einen Durchflussquerschnitt, der durch die folgende Gleichung definiert ist: A2 = H – A1.
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Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung gehen mit Bezug auf die folgende Beschreibung und auf die beigefügten Zeichnungen hervor, in denen sich gleiche Bezugszeichen auf dieselbe Komponente, auf dasselbe Element oder auf dasselbe Merkmal beziehen.
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ZEICHNUNGEN
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Die hier beschriebenen Zeichnungen dienen nur zu Veranschaulichungszwecken und sollen den Schutzumfang der vorliegenden Erfindung in keiner Weise einschränken.
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1 ist eine perspektivische Ansicht einer MEMS-Vorrichtung;
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2A ist eine Draufsicht eines der MEMS-Vorrichtung zugeordneten Mikroventils;
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2B ist eine Draufsicht eines anderen der MEMS-Vorrichtung zugeordneten Mikroventils;
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3A ist eine Querschnittsansicht eines in 2 gezeigten Mikroventils im Schnitt entlang der Linie 3-3 mit dem Mikroventil in einer ersten oder nicht betätigten Position.
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3B ist eine Querschnittsansicht eines Abschnitts des in 2 gezeigten Mikroventils im Schnitt entlang der Linie 3-3 mit dem Mikroventil in einer zweiten oder betätigten Position;
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4A ist ein Graph, der ein Beispiel eines Vollkurvenprofils zeigt, das den idealen Auslassanschluss-Durchlassquerschnitt und den idealen Zuführungsanschluss-Durchlassquerschnitt zeigt;
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4B ist ein Graph, der den Druck eines Steueranschlusses in Ansprechen auf den Durchflussquerschnitt des Auslass- und des Zuführungsanschlusses zeigt;
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5A ist ein Graph, der ein Beispiel eines Halbkurvenprofils zeigt, das einen Auslassanschluss-Durchlassquerschnitt und einen Zuführungsanschluss-Durchlassquerschnitt zeigt; und
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5B ist ein Graph, der den Druck eines Steueranschlusses in Ansprechen auf den Durchflussquerschnitt des Auslass- und des Zuführungsanschlusses zeigt.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
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Die folgende Beschreibung ist dem Wesen nach lediglich beispielhaft und soll die vorliegende Offenbarung, die vorliegende Anwendung oder die vorliegenden Verwendungen nicht einschränken.
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Anhand der Zeichnungen, in denen sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche Komponenten beziehen, ist in
1 eine perspektivische Ansicht einer mikroelektromechanischen Vorrichtung (MEMS)
8 in Form eines Mikroventils
10 dargestellt, das nun beschrieben wird. Verschiedene Beispiele eines MEMS-Mikroventils sind im
US-Patent Nr. 8,011,388 zu finden, dessen Offenbarung hier durch Bezugnahme mit aufgenommen ist. Das Mikroventil
10 ist üblicherweise an einem Krümmer (nicht gezeigt) angebracht, der Fluidverbindungen zwischen den Anschlüssen des Mikroventils ermöglicht. Das Mikroventil
10 umfasst eine erste und eine zweite Platte
12,
14 mit der dazwischenliegenden Zwischenplatte
16. Die erste Platte
12 des Mikroventils umfasst ein Paar elektrischer Kontakte
18, die für die Verbindung mit einer Quelle elektrischer Leistung oder mit dem Controller (nicht gezeigt) ausgelegt sind, um dem Mikroventil
10 wahlweise Strom zuzuführen.
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Die Zwischenplatte 16 definiert einen Hohlraum 20, während ein fester Abschnitt 22 der Zwischenplatte 16 an der ersten und an der zweiten Platte 12, 14 befestigt ist. Die Zwischenplatte umfasst ein Ventil 24, einen Ventilaktuator 26 und ein Scharnier 28. Das Ventil 24 ist in dem Hohlraum 20 der Zwischenplatte 16 angeordnet und ist in der Lage, sich zwischen einer ersten Position und einer zweiten Position zu bewegen. Das Ventil 24 umfasst einen langgestreckten Abschnitt 24A und einen Sperrabschnitt 24B. Der langgestreckte Abschnitt 24A des Ventils 24 ist über das Scharnier 28 mit dem festen Abschnitt 22 der Zwischenplatte 16 verbunden. In einem in 2A gezeigten ersten Beispiel der vorliegenden Erfindung geht der Sperrabschnitt 24B von einem Ende des langgestreckten Abschnitts 24A aus und umfasst einen ersten Abschnitt 24C, einen zweiten Abschnitt 24D und einen dritten Abschnitt 24E. Der erste Abschnitt 24C des Sperrabschnitts 24B umfasst ein erstes Paar konvexer Oberflächen 24F, die eine erste Strömungskammer 25A bilden. Der überlappende Abschnitt 25A über dem darunterliegenden Fluiddurchlass in der Platte 12 wirkt zusammen, um den effektiven Durchflussquerschnitt 34A zu bilden. Der zweite Abschnitt 24D des Sperrabschnitts 24B umfasst ein Paar paralleler Oberflächen 24G, das eine rechteckige zweite Strömungskammer 25D bildet, die mit der ersten Strömungskammer 25A in Verbindung steht. Der dritte Abschnitt 24E des Sperrabschnitts 24B umfasst ein zweites Paar konvexer Oberflächen 24H, die eine dritte Strömungskammer 25E bilden. Der überlappende Abschnitt der dritten Strömungskammer 25E über dem darunterliegenden Abschnitt 32 in der Platte 12 bildet den effektiven Durchflussquerschnitt 32A. Die dritte Strömungskammer 25D des zweiten Abschnitts 24D des Sperrabschnitts 24B steht in Verbindung mit der dritten Strömungskammer 25E. Sowohl das erste Paar konvexer Oberflächen 24F als auch die parallelen Oberflächen 24G und das zweite Paar konvexer Oberflächen 24H sind verbunden, um eine durchgehende Oberfläche bereitzustellen.
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In einem wie in 2B gezeigten anderen Beispiel der vorliegenden Erfindung geht der Sperrabschnitt 124B von einem Ende des langgestreckten Abschnitts 124A aus und umfasst einen ersten Abschnitt 124C, einen zweiten Abschnitt 124D und einen dritten Abschnitt 124E. Der erste Abschnitt 124C des Sperrabschnitts 124B umfasst ein erstes Paar konvexer Oberflächen 124F, die eine erste Strömungskammer 125A bilden. Der überlappende Abschnitt 125A und der darunterliegende Anschluss 34 der Platte 12 bilden einen effektiven Durchflussquerschnitt 134A. Der zweite Abschnitt 124D des Sperrabschnitts 124B umfasst ein Paar paralleler Oberflächen 124G, das eine rechteckige zweite Strömungskammer 125D bildet, die mit der ersten Strömungskammer 125A in Verbindung steht. Der dritte Abschnitt 124E des Sperrabschnitts 124B umfasst ein zweites Paar konvexer Oberflächen 124H, die eine zweite Strömungskammer 125D bilden. Der überlappende Abschnitt 125D und der darunterliegende Anschluss 132 der Platte 12 bilden einen effektiven Durchflussquerschnitt 132A. Die zweite Strömungskammer 125D des zweiten Abschnitts 124D des Sperrabschnitts 124B steht in Verbindung mit der dritten Strömungskammer 125E. Sowohl das erste Paar konvexer Oberflächen 124F als auch die parallelen Oberflächen 124G und das zweite Paar konvexer Oberflächen 124H sind verbunden, um eine durchgehende Oberfläche bereitzustellen.
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Die genauer in 3A und 3B gezeigte zweite Platte 14 umfasst mehrere Fluidanschlüsse. Zum Beispiel umfasst die zweite Platte 14 aus 3A einen Steueranschluss 30, einen Zuführungsanschluss 32 und einen Auslassanschluss 34. Die Anschlüsse 30, 32, 34 stehen in Verbindung mit dem Hohlraum 20 der Zwischenplatte 16. Der erste Abschnitt 24C des Sperrabschnitts 24B des Ventils 24 sperrt und entsperrt alternativ den Zuführungsanschluss 32 von der Verbindung mit dem Hohlraum 20. Die Anschlüsse 30, 32, 34 stehen z. B. mit Fluiddurchlässen in dem Krümmer in Verbindung, die in dieser Reihenfolge durch die Durchlässe 30B, 32B, 34B dargestellt sind. Der Sperrabschnitt 24B des Ventils 24 sperrt und entsperrt den Zuführungsanschluss 32 und den Auslassanschluss 34 alternativ von der Verbindung mit dem Hohlraum 20.
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Wenn das Ventil 24 wie in 3A gezeigt in der ersten Position ist, ist der Zuführungsanschluss 32 durch den Sperrabschnitt 24B von der Verbindung mit dem Hohlraum 20 gesperrt. Außerdem öffnet die erste Position die Verbindung zwischen dem Auslassanschluss 34 und dem Hohlraum 20, da der Sperrabschnitt 24B in der Weise positioniert ist, dass die erste Strömungskammer 25A mit dem Auslassanschluss 34 in Verbindung steht. Wenn das Ventil 24 wie in 3B gezeigt in der zweiten Position ist, wird der Auslassanschluss 34 durch den Sperrabschnitt 24B von der Verbindung mit dem Hohlraum 20 gesperrt. Da der Sperrabschnitt 24B in der Weise positioniert ist, dass die fünfte Strömungskammer 25F mit dem Zuführungsanschluss 32 in Verbindung steht, öffnet außerdem die zweite Position die Verbindung zwischen dem Zuführungsanschluss 32 und dem Hohlraum 20.
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Der Ventilaktuator 26 der Zwischenplatte 16 bewegt das Ventil 24 wahlweise aus der ersten Position in die zweite Position. Der Aktuator umfasst einen langgestreckten Dorn 26A, mehrere erste Rippen 26B und mehrere zweite Rippen 26C. Der Dorn 26A ist an dem langgestreckten Abschnitt 24A des Ventils 24 befestigt. Jede der mehreren ersten Rippen 26B umfasst ein erstes Ende, das an einer ersten Seite des Dorns 26A befestigt ist, und ein zweites Ende, das an dem ersten Abschnitt 22 der Zwischenplatte befestigt ist. Jede der mehreren zweiten Rippen 26C umfasst ein erstes Ende, das an einer zweiten Seite des Dorns 26A befestigt ist, und ein zweites Ende, das an dem festen Abschnitt der Zwischenplatte 22 befestigt ist. Die mehreren Rippen 26B, 26C sind so ausgelegt, dass sie sich thermisch ausdehnen, wenn sie in Kontakt mit einer elektrischen Quelle stehen. Die ersten Enden jeder der mehreren Rippen 26B, 26C stehen in Kontakt mit dem Paar elektrischer Kontakte 18 der ersten Platte 12. Die gegenüberliegenden mehreren Rippen 26B, 26C sind in einem Fischgrätenmuster unter einem kleinen Winkel zu dem Dorn 26A angeordnet, so dass die Rippen 26B, 26C, wenn sie langgestreckt sind, den Dorn 26A drängen, sich in Richtung des Ventils 24 zu bewegen, wobei sie den langgestreckten Abschnitt 24A des Ventils 24 schieben. Das Scharnier 28 setzt der Bewegung des langgestreckten Abschnitts 24A des Ventils 24 einen Widerstand entgegen und die resultierende Kraft biegt das Scharnier 28, während das Ventil 24 in die wie in 3B gezeigte zweite Position schwenkt. Die Bewegung des Ventils 24 aus der ersten Position in die zweite Position wird durch die Eingabe eines elektrischen Signals in die Kontakte 18 gesteuert.
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Nun in
4A ist die Profilform des Sperrabschnitts
24 graphisch dargestellt und wird nun weiter beschrieben. In diesem Beispiel ist das Profil als ein Vollkurvenprofil beschrieben, wobei der zu dem Zuführungsanschluss
32 offene Querschnitt A1 mathematisch wie folgt beschrieben ist:
wobei X und k Konstanten sind und H der Gesamtquerschnitt des Zuführungs- und des Auslassanschlusses ist, der eine Konstante ist, die auf einem bestimmten Satz von Dimensionen für einen bestimmten Entwurf beruht. Außerdem wird die folgende Gleichung verwendet, um den Querschnitt A2 des Auslassanschlusses
34 zu bestimmen:
A2 = H – A1. -
Nun in 4B zeigt ein Graph die Durchflussquerschnitte A1 und A2 für den Zuführungsanschluss 32A und für den Auslassanschluss 34A und den Steuerdruck für den Signalanschluss 30A in Übereinstimmung mit der Position des Sperrabschnitts 24. Während sowohl der Zuführungsanschluss als auch den Auslassanschluss in dem Anfangs- und in dem Endabschnitt des Ventilhubs eine schnelle Änderung des Durchflussquerschnitts zeigen, wird angemerkt, dass der Steuerdruck 30A des Signalanschlusses 30 weiter mit einer verhältnismäßig linearen Rate zunimmt, was sonst anderenfalls mit einer sehr niedrigen Rate mit einer linearen Änderung des Durchflussquerschnitts geschehen würde. Außerdem nimmt die Verstärkung des Durchflussquerschnitts sowohl des Zuführungsanschlusses als auch des Auslassanschlusses in dem Mittelabschnitt des Ventilhubs ab, was ermöglicht, dass der Steuerdruck 30A mit einer konstanten linearen Rate weiter zunimmt.
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Nun in
5A ist die Profilform des Sperrabschnitts
124 aus
2B graphisch dargestellt und wird nun weiter beschrieben. In diesem Beispiel ist das Profil als ein Halbkurvenprofil beschrieben und ist der zu dem Zuführungsanschluss
32 offene Querschnitt A1 mathematisch wie folgt beschrieben:
wobei H der Gesamtquerschnitt des Zuführungs- und des Auslassanschlusses ist, der eine Konstante ist, die auf einem bestimmten Satz von Dimensionen für einen bestimmten Entwurf beruht. Natürlich wird die folgende Gleichung zum Bestimmen des Querschnitts A2 des Auslassanschlusses
34 verwendet:
A2 = H – A1. -
Nun in 5B zeigt ein Graph die Durchflussquerschnitte A1 und A2 für den Zuführungsanschluss 32A und für den Auslassanschluss 34A und den Steuerdruck für den Signalanschluss 30A in Übereinstimmung mit der Position des Sperrabschnitts 24 für das Halbkurvenprofil aus 5A. Während sowohl der Zuführungsanschluss als auch der Auslassanschluss in dem Anfangs- und in dem Endabschnitt des Ventilhubs eine schnelle Änderung des Durchflussquerschnitts zeigen, wird angemerkt, dass der Steuerdruck 30A des Signalanschlusses 30 weiter mit einer verhältnismäßig linearen Rate zunimmt, die anderenfalls eine sehr niedrige Rate mit einer linearen Änderung des Durchflussquerschnitts wäre. Außerdem nimmt die Verstärkung in dem Durchflussquerschnitt sowohl des Zuführungsanschlusses als auch des Auslassanschlusses in dem Mittelabschnitt des Ventilhubs ab, was ermöglicht, dass der Steuerdruck 30A mit einer linearen Rate weiter zunimmt.
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Die Beschreibung der Offenbarung ist dem Wesen nach lediglich beispielhaft und Änderungen, die nicht von dem Hauptpunkt der Offenbarung abweichen, sollen im Schutzumfang der Offenbarung liegen. Solche Änderungen werden nicht als Abweichung vom Erfindungsgedanken und Schutzumfang der Offenbarung angesehen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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