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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Latentwärmespeicherelements, bestehend aus einem in einer starren oder semistarren, zylinderförmigen Kapselung angeordneten Phasenwechselspeichermaterial (Phase Change Material – PCM), zum Einsatz in einem Wärmeträgermedium.
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Ein Latentwärmespeicherelement ist anwendbar beispielsweise zur (zumindest zeitweisen) Speicherung von thermischer Energie in Speichereinrichtungen von Anlagen für die zeitliche Trennung von Energie-Gewinnung und -Nutzung. Es ist darüber hinaus ebenso in einer Vielzahl von speziellen technischen und auch nicht-technischen Bereichen, wie beispielsweise Wiedergewinnung von Wärme in zyklischen Prozessen, Ausgleich des Versorgungsbedarfs (z. B. Solar) oder Spitzenlastausgleich, anwendbar.
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Es ist allgemein bekannt, dass bei einem PCM eine im Vergleich zur sensiblen spezifischen Wärmekapazität des Materials große Wärmemenge durch einen Phasenübergang reversibel aufgenommen und als sogenannte latente Wärme nahezu verlustfrei über längere Zeiträume gespeichert werden kann. Dabei finden häufig Erstarrungs- bzw. Schmelzvorgänge Verwendung, bei denen beim Übergang vom festen in den flüssigen Zustand latente Wärme (Schmelzwärme) aufgenommen und gespeichert bzw. beim Übergang vom flüssigen in den festen Zustand diese Wärme wieder freigesetzt wird (Erstarrungswärme).
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Um diesen Effekt jedoch technisch nutzen zu können, ist es erforderlich, dass ein flüssig schmelzendes PCM für den Direktkontakt mit einem Wärmeträgermedium zur Verhinderung von Medien-Wechselwirkungen mit einer Ummantelung versehen wird. Ist für die Wiederholbarkeit des Wärmeaustauschs die Erhaltung der Formstabilität der Speicherelemente gefordert, so muss eine formstabile Kapselung des PCM Anwendung finden. Zur Bildung eines Latentwärmespeicherelements wird eine Menge von PCM in einer Kapselung eingeschlossen.
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Für den Bau eines Wärmespeichers wird eine Anzahl von derartigen Latentwärmespeicherelementen als Packung/Schüttung in einen Behälter mit einem Wärmeträgermedium, beispielsweise Wasser, Luft, Öl, oder Glykol, eingegeben und von diesem Wärmeträgermedium umströmt. Dabei wird Wärmeenergie vom Wärmeträgermedium in die Speicherelemente übertragen und dort gespeichert, bzw. die dort gespeicherte Energie wieder an das umgebende Wärmeträgermedium abgegeben.
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Aus der
DE 2741829 A1 ist ein Latentwärmespeicher mit einem Speichermedium aus Paraffin bekannt, bei dem mit einem Kunststofffilm ummantelte Paraffinteilchen das Latentwärmespeicherelement bilden und der Raum zwischen den ummantelten Paraffinteilchen mit einer Flüssigkeit, beispielsweise Wasser, gefüllt ist.
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Aus der Druckschrift „PlusICE“ der PCM Phase Change Material Products Ltd., Yaxley, Cambridgeshire, United Kingdom (2011), sind beispielsweise kugelförmige oder längliche und plattenförmige, gekapselte PCM-Fertiglösungen bekannt, die großtechnisch als Latentwärmespeicherelemente in verschiedenartig ausgebildeten Gehäusen in Verbindung mit einem geeigneten Trägermedium zur wärme- beziehungsweise kältetechnischen Nutzung eingesetzt werden. Insbesondere dokumentiert diese Druckschrift Kapselungen in Form von flaschenähnlichen, blasgeformten Körpern, die jedoch eine eingeengte Füllöffnung aufweisen.
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Die Nachteile der vorgenannten Lösungen bestehen im Wesentlichen in einer aufwendigen und kostenintensiven Herstellung der Latentwärmespeicherkörper.
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Die Füllung der Kapselung mit dem PCM muss definiert erfolgen. Einerseits muss der Ausdehnung der Materialien bei Temperaturerhöhung und beim Phasenübergang Rechnung getragen werden, andererseits wird durch einen zu geringen Füllstand in der Kapselung Wärmespeichervolumen nicht ausgenutzt (wodurch die volumetrische Speicherkapazität verringert wird).
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Zur Herstellung von gekapselten, makroskopischen Latentwärmespeicherelementen sind zwei prinzipielle Verfahren bekannt: Ummanteln eines Körpers aus festem PCM mit einer Kapselung oder Einfüllen des in der Regel flüssigen PCM in eine Kapselung.
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Aus der
DE 10 2010 025 297 A1 ist ein Verfahren bekannt, Speicherelemente dieser Art durch Anformen einer Kapsel an einen kugelförmigen PCM-Körper herzustellen.
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Ein Nachteil bei dieser Lösung besteht darin, dass die Herstellung der Ummantelung der PCM-Körper eine Vielzahl von Arbeitsschritten und damit einen hohen technischen und zeitlichen Aufwand erfordert, weshalb eine großtechnische Anwendung hohe Kosten verursacht; zudem ist ein hoher Materialaufwand notwendig.
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Bei einem Herstellungsverfahren durch Befüllen einer vorgefertigten Kapsel kann das PCM in flüssiger oder fester Form in die Kapsel eingefüllt werden.
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Mit bei der Einfüllung in flüssiger Phase vorliegendem PCM hergestellte Latentwärmespeicherelemente sind in
DE 25 51 379 A1 ,
US 4,388,963 A ,
JP H11-153 392 A und
JP H02 89 994 A offenbart.
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Nachteilig bei der Befüllung einer Kapselung mit flüssigem PCM ist – neben der Notwendigkeit des Heizens bei PCM mit Schmelztemperaturen oberhalb der Raumtemperatur – das mögliche Auftreten von Lufteinschlüssen in der Flüssigkeit. Daraus ergibt sich ein schlechter Füllfaktor (Anteil des mit PCM gefüllten Volumens der Kapselung).
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Bei der Füllung mit pulver- oder granulatförmigem PCM wird aufgrund der begrenzten Schüttdichte nicht das gesamte von der Kapselung umschlossene und zur Verfügung stehende Volumen ausgenutzt. Der Volumenfüllgrad des PCM erreicht hier selten mehr als 60 %.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eines gekapselten Latentwärmespeicherelements in industrietechnischem Maßstab bereit zu stellen, das durch wenige Verfahrensschritte und die Verwendung großindustriell fertigbarer Halbzeuge gekennzeichnet und damit schnell und kostengünstig durchführbar ist, bei gleichzeitig hoher Packungsdichte des PCM und ohne wesentliche Einschränkung des verwendeten PCM-Materials und damit des Temperatureinsatzbereiches für das Speicherelement.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit den Merkmalen gemäß des Patentanspruchs 1 gelöst; vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
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Die Erfindung beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines zylinderförmigen, gekapselten Latentwärmespeicherelements, wobei die Kapselung als Abschnitt einer langgestreckten, rohrförmigen, zunächst beidseitig offenen Wandung – bestehend aus einem Material, das bei Schmelztemperatur des PCM ausreichend formstabil ist – ausgebildet ist. Dafür ist vorzugsweise ein Abschnitt eines langen Rohres vorgesehen, wobei kreisringförmige, aber auch andere, bevorzugt axialsymmetrische, Querschnittsgeometrien eingesetzt werden.
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Erfindungsgemäß wird die rohrförmige Kapselung mit einem stangenförmigen PCM gefüllt, welches durch eine der beiden unverschlossenen Öffnungen in die Kapselung eingebracht wird. Vorzugsweise wird das PCM in fester oder pastöser Form eingefüllt, wobei unter der Bezeichnung „pastös“ hierin eine pastenartige Konsistenz (d. h. mit geringem Kraftaufwand plastisch verformbar, jedoch mit ausreichend hoher Viskosität und damit geringer Fließfähigkeit) verstanden wird. Beispielsweise ist das als PCM einsetzbare Polyethylen (PE) pastös, wenn es aus der Austrittsöffnung eines Extruders austritt, mittels dem in bekannter Weise das PE in eine stangenartige Form gebracht wird.
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Da beide Öffnungen der Kapselung beim Einfüllen des PCM unverschlossen sind, kann die Luft schnell aus der Kapselung entweichen; es ist somit kein erhöhter Kraftaufwand zum Einschieben des stangenförmigen PCM notwendig. Zum Erreichen eines hohen Volumenfüllgrades kann die Passung eng toleriert werden.
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Das PCM wird in der Art in die Kapselung gefüllt, dass die Länge der Stange aus PCM, welche sich in der Kapselung befindet, geringfügig kürzer als die Länge der Kapselung ist. Somit verbleibt in der Kapselung ausreichend Leerraum für ein Verschließen der Öffnungen und insbesondere für eine Längenausdehnung des PCM, die als Folge einer Änderung der Temperatur auftritt. Vorzugsweise beträgt die Länge der Stange aus PCM 80 % bis 99 % der Länge der Kapselung, d. h. bis zu 20 % der Kapselung werden nicht mit PCM gefüllt.
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Nach dem Füllen der Kapselung werden an den jeweiligen Endabschnitten die Öffnungen verschlossen, wozu an die jeweilige Querschnittsgeometrie der Kapselung angepasste Verschlusselemente, beispielsweise Pfropfen mit oder ohne ausgebildetem Anschlag oder kappenförmige Deckel, eingesetzt werden, die mit der jeweiligen Wandung durch geeignete Mittel hermetisch verbunden beziehungsweise mit einer Versiegelung dichtend versehen werden.
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Mit der Erfindung ist es möglich, zylinderförmige, gekapselte Latentwärmespeicherelemente gegenüber bisherigen Lösungen technologisch effizient und kostengünstig in hoher Stückzahl herzustellen. Das Verfahren ermöglicht eine Füllung der jeweiligen Kapselung ohne großen technischen Aufwand, ohne Erhitzen und ohne Luftwiderstand bei gleichzeitig hohem Füllgrad des PCM, und damit höherer volumetrischer Speicherkapazität.
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Ein besonderer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass die Geometrie der Kapselung an ein beispielsweise in Stabform vorliegendes PCM oder die Stabform des PCM an die jeweilige Kapselung und deren Querschnitt (geometrische Form und Abmessungen) anpassbar ist.
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Mit der Erfindung ist außerdem die Herstellung von Latentwärmespeicherelementen unter Verwendung verschiedener Arten von PCM und entsprechend im Material angepasster Kapselungen, beispielsweise für eine Anwendung in unterschiedlichen Temperaturbereichen sowie Einsatzgebieten, möglich.
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Es gibt eine Reihe von Materialen, wie zum Beispiel Polyolefine oder Wachse, die als Latentspeichermaterial eingesetzt werden können und die, beispielsweise als stabförmige, Halbzeuge verfügbar sind.
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Die Kapselung besteht vorzugsweise aus Polypropylen. Alternativ kann sie auch aus Edelstahl, PTFE, Silikon oder anderem geeigneten Werkstoff bestehen, wobei die Dicke ihrer Wandung dem Werkstoff und dem Einsatzgebiet des Speicherelements entsprechend gewählt werden kann. Generell vorteilhaft für das Erzielen hoher Speicherdichten sind geringe Wandstärken der Kapselung, da dann nur ein geringer Volumenanteil des Speichers durch das Kapselmaterial in Anspruch genommen wird; die Wandstärke ist aber so groß zu wählen, dass eine mechanische Stabilität der Speicherelemente gewährleistet ist. Ebenso kann die Kapselung in der Länge sowie ihrer Querschnittsgeometrie dem jeweiligen Anwendungsfall entsprechend in vorteilhafter Weise modifiziert werden. Vorzugsweise wird eine Länge der Kapselung in einem Bereich von einigen Zentimetern bis zu maximal wenigen Metern, gewählt.
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Gemäß einer Ausführungsform ist vorgesehen, stangenförmiges, festes PCM in die Kapselung einzuführen, wobei die PCM-Stange vor dem Einfüllen in die Kapselung auf die entsprechende Länge zurechtgeschnitten wird. Alternativ sind auch Teilstücke von kürzerer Länge möglich, die nacheinander in die Kapselung eingeschoben werden.
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Das Verfahren kann auch derart ausgebildet sein, dass pastöses PCM, welches beispielsweise aus der Austrittsöffnung eines Extruders gepresst wird, direkt in die Kapselung eingefüllt wird. Hierzu wird vorzugsweise die Kapselung mit einer ihrer Öffnungen an der Austrittsöffnung des Extruders in der Art positioniert, dass das pastöse PCM vom Extruder direkt in die Kapselung hinein gepresst wird, wobei das PCM in der Kapselung seine feste Form annimmt. Wenn eine ausreichende Menge PCM in die Kapselung gefüllt wurde, kann der PCM-Strang an der Austrittsöffnung des Extruders abgeschnitten werden. Alternativ kann der Antrieb der Schneckenwelle angehalten werden, sodass der PCM-Strang abreißt.
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Vorzugsweise befindet sich die Kapselung beim Befüllen in einer waagerechten Lage, d. h. die Längsachse der Kapselung ist horizontal ausgerichtet.
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Es kann vorgesehen sein, eine Kapselung zu verwenden, die an der Innenseite der Wandung und vorzugsweise in Längserstreckung der Kapselung rippenförmige Erhebungen oder Stege aufweist, um die Fläche der Innenseite der jeweiligen Wandung zu vergrößern und somit die Effektivität der Wärmeübertragung zu erhöhen. Diese Ausführungsart ist in besonderem Maße geeignet, wenn das Kapselungsmaterial eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist. Es ist auch vorgesehen, dass die Kapselung nutförmige Vertiefungen an der Außenseite der Wandung zur Verbesserung der Umströmung haben kann.
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Gemäß einer Ausführungsform wird flüssiges PCM in die Kapselung eingebracht, wobei vorher eine der beiden Öffnungen mit einem Verschlusselement hermetisch dicht versiegelt wird. Erfindungsgemäß ist auch vorgesehen, dass das beim Füllvorgang rückseitige Verschlusselement ein an die Querschnittsgeometrie der Kapselung angepasstes Rückschlagventil ist, womit gewährleistet wird, dass die Luft beim Füllvorgang rasch entweichen, gleichzeitig aber das Wärmeträgermedium im Betrieb nicht in das Element eindringen kann.
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Erfindungsgemäß werden die Öffnungen an der Kapselung nach der Befüllung mit Verschlussstücken hermetisch dicht verschlossen. Dazu können die – an die Öffnungen der Kapselung angepassten – Verschlussstücke mit den jeweiligen Endabschnitten der Kapselung verklebt oder verschweißt (z. B. mittels Spiegelschweißen) werden. Es können auch Schraubverschlüsse vorgesehen sein, die beispielsweise durch eine, z. B. gummiartige, Dichtung abgedichtet werden.
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Gemäß einer Variante werden an den Innendurchmesser der Kapselung angepasste, zylinderförmige Pfropfen mittels Muffeninnenschweißen in die Endbereiche der Kapselung eingebracht. Ein zusätzliches hermetisches Verschließen des kreisringförmigen Kontaktspaltes kann sodann z. B. durch Spaltkontaktschweißen erfolgen.
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Es kann auch vorgesehen sein, eine Kapselung aus einem transparenten Material zu verwenden und opake Verschlusselemente. Auf diese Art ist es ermöglicht, durch optisches Innenschweißen die Kapselung mit den Verschlusselementen dicht zu verschließen.
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Alternativ ist auch ein hermetisches Verschließen der Kapselung, ohne Verwendung eines speziellen Verschlussstücks, durch Zukneifen/Crimpen oder thermisches Bördeln der Wandung vorgesehen.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels und zwei Zeichnungen in schematischer Darstellung näher erläutert. Hierzu zeigen die
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1: ein Latentwärmespeicherelement im Querschnitt; und
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2: Verfahrensschritte zur Herstellung dieses Speicherelements.
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Die in 1 gezeigte Kapselung 1 umfasst die Wandung 2 und die Verschlussstücke 6. Die Wandung 2 ist hiernach als ein langgestrecktes Rohr mit einer definierten Länge L ausgebildet, an deren beiden Endabschnitten 3.1 und 3.2 jeweils eine Öffnung 4.1 bzw. 4.2 gebildet ist, die in Geometrie und Dimension der Innenseite der Wandung 2 entspricht.
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Nach der vorliegenden Ausführung haben die Öffnungen 4.1 und 4.2 einen kreisförmigen Querschnitt, und die Kapselung 1 ist mit einer glatten Innen- und Außenseite ihrer Wandung 2 versehen.
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Die Kapselung 1 ist in ihrem Inneren mit einem vorgefertigten festen, stangenförmigen Phasenwechselspeichermaterial (PCM) 5 so ausgefüllt, dass die Innenseite der Wandung 2 ganzflächig bedeckt ist. Aus Gründen der Übersichtlichkeit ist in 1 der Spalt zwischen der Wandung 2 und dem PCM 5 übertrieben dargestellt. Tatsächlich ist der Außendurchmesser des stangenförmigen PCM derart gewählt, dass es mit seiner Mantelfläche relativ passgenau in der Wandung 2 der Kapselung 1 sitzt. Alternativ zu stangenförmigem PCM 5 kann ebenfalls PCM als frisch extrudierter Strang eingesetzt sein.
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Die beiden Endabschnitte 3.1 und 3.2 der Wandung 2 sind mit den Verschlussstücken 6 hermetisch dicht verschlossen.
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Die erfindungsgemäßen Verfahrensschritte zur Füllung der Kapselung 1 mit dem PCM 5 sind (in der Reihenfolge von oben nach unten) in 2 dargestellt. Die an beiden Endabschnitten 3.1 und 3.2 offene Wandung 2 wird in der Art vor dem Extruder 7 positioniert, dass die Öffnung 4.2 exakt vor der Austrittsöffnung 8 des Extruders 7 angeordnet ist.
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Sodann wird der Antrieb (nicht dargestellt) der Schnecke 9 in Gang gesetzt, sodass ein Strang pastösen PCMs 5 in die Wandung 2 gepresst wird. Die für eine hohe Speicherkapazität förderliche, effiziente Ausnutzung des Volumens der Kapselung 1 ist bei dieser Erfindung vorteilhaft in einem Schritt und als einheitlicher Arbeitsprozess möglich.
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Sobald das Innenvolumen der Wandung 2 zu 90 % gefüllt ist, wird der Antrieb (nicht dargestellt) der Schnecke 9 gestoppt. Die Wandung 2 wird weggenommen und das PCM 5 reißt an der Austrittsöffnung 8 des Extruders 7 ab oder wird abgetrennt.
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Nach dem Füllen der Wandung 2 mit dem PCM 5 werden abschließend zur vollständigen Ausbildung der Kapselung 1 die jeweiligen Öffnungen 4.1 und 4.2 und somit der durch die Wandung 2 gebildete Innenraum mit jeweils einem Verschlussstück 6, in diesem Beispiel einem mit einem Anschlag ausgebildeten Pfropfen, hermetisch verschlossen. Die hermetische Verbindung der Verschlussstücke 6 mit der Wandung 2 erfolgt hier durch Pressfügen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Kapselung
- 2
- Wandung
- 3.1
- erster Endabschnitt der Wandung
- 3.2
- zweiter Endabschnitt der Wandung
- 4.1
- Öffnung am ersten Endabschnitt
- 4.2
- Öffnung am zweiten Endabschnitt
- 5
- PCM/PCM-Füllung
- 6
- Verschlussstück mit ausgebildetem Anschlag
- 7
- Extruder
- 8
- Austrittsöffnung
- 9
- Schnecke
- L
- Länge
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 2741829 A1 [0006]
- DE 102010025297 A1 [0011]
- DE 2551379 A1 [0014]
- US 4388963 A [0014]
- JP 11-153392 A [0014]
- JP 0289994 A [0014]
