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Die Erfindung betrifft eine Funkenstrecke mit adaptiver Kühl- und/oder Dämpfungseinrichtung.
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Aus dem Stand der Technik sind zahlreiche Anordnungen für Funkenstrecken bekannt. Dabei ist festzustellen, dass Funkenstrecken keine triviale Anordnungen sind, sondern für eine zuverlässige Zündung als auch für die Kühlung des entstanden Plasmalichtbogens ein nicht zu unterschätzender Aufwand getrieben werden muss.
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Bisherige Funkenstrecken zeichneten sich durch eine auf bestimmte zu übernehmende Impulsenergie aus.
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Allerdings stellt sich dies als nachteilig voraus, da nunmehr eine optimierte Lösung für eine bestimmte Impulsenergie vorhanden ist, jedoch die Eingeschalten bei anderen Impulsenergien sub-optimal sind.
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Zwar könnte man nun versuchen verschiedene Ableitorgane parallel zu betreiben, dabei ergeben sich jedoch Probleme in Bezug auf ein abgestimmtes Schaltverhalten. Zudem sind solche parallelen Anordnung auch erheblich kostenintensiver.
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Es wäre daher wünschenswert eine flexiblere kostengünstige Lösung bereitstellen zu können.
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Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die anliegende Zeichnung anhand bevorzugter Ausführungsformen näher erläutert.
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Es zeigen
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1 eine erste Anordnung gemäß Ausführungsformen der Erfindung in einem ersten Zustand,
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2 die erste Anordnung gemäß Ausführungsformen der Erfindung in einem zweiten Zustand,
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3 beispielhafte Ausführungen von Scheiben gemäß Ausführungsformen der Erfindung, und
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4 eine weitere beispielhafte Ausführungsform von Scheiben in Draufsicht und Schnittdarstellungen.
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Die 1 und 2 zeigen eine erste Anordnung gemäß Ausführungsformen der Erfindung in zwei unterschiedlichen Zuständen.
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Dabei weist die Funkenstrecke 1 eine adaptive Kühl- und/oder Dämpfungseinrichtung auf, die nachfolgend näher erläutert werden wird.
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Die Funkenstrecke 1 weist zumindest eine erste Funkenstreckenelektrode FS1 und eine zweite Funkenstreckenelektrode FS2 Ohne weiteres kann die Funkenstrecke auch weitere Elektroden für unterschiedliche Zwecke aufweisen. Beispielsweise können Messelektroden vorgesehen sein, um z.B. die Degradierung von isolierenden Bauteilen innerhalb der Funkenstrecke auf kapazitivem, induktivem oder resistivem Wege zu messen.
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Weiterhin weist die Funkenstrecke
1 zumindest eine Zündhilfselektrode ZE zur Verbindung mit einem Zündkreis auf. Solche Anordnungen sind beispielsweise aus der
EP 1423894 B1 der Anmelderin bekannt. Dabei ist die die Zündhilfselektrode ZE räumlich benachbart zur ersten Funkenstreckenelektrode FS
1 und beabstandet zur zweiten Funkenstreckenelektrode FS
2 angeordnet. In aller Regel ist die Zündhilfselektrode ZE, bezogen auf die Richtung von ersten Funkenstreckenelektrode FS
1 und zweiter Funkenstreckenelektrode FS
2 lateral zu dieser Richtung angeordnet.
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Zwischen n der Zündhilfselektrode ZE und der ersten Funkenstreckenelektrode FS1 ein gering leitfähiges Material BRZ zur Zündunterstützung eingebracht.
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D.h. im Falle einer Überspannung wird zunächst eine Ionisierung über die Zündhilfselektrode und die erste Funkenstreckenelektrode FS1 erfolgen und sodann die Hauptfunkenstrecke zwischen der ersten Funkenstreckenelektrode FS1 und der zweiten Funkenstreckenelektrode FS2 zur Zündung gelangen.
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In der Erfindung sind nun zwischen der Zündhilfselektrode ZE und der zweiten Funkenstreckenelektrode FS2 eine Mehrzahl von Scheiben S1, S2, ... Sn eingebracht.
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Diese Mehrzahl von Scheiben S1, S2, ... Sn sind mittels eines elektrischen Isolators ISO1 elektrisch isoliert gegenüber der Zündhilfselektrode ZE und der ersten Funkenstreckenelektrode FS1 angebracht.
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Dabei weisen die Scheiben S1, S2, ... Sn jeweils eine Öffnung auf, wobei die Öffnungen der Scheiben S1, S2, ... Sn so angeordnet sind, dass sie einen Lichtbogenkanal zwischen der zweiten Funkenstreckenelektrode FS2 und der ersten Funkenstreckenelektrode FS1 bilden.
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Diese Mehrzahl von Scheiben S1, S2, ... Sn dienen als Kühl- und/oder Dämpfungseinrichtung.
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Im Fall der 1 ist die Funkenstrecke im Auszustand, d.h. die Funkenstrecke 1 leitet keinen Strom. Kommt es nunmehr zu einem Stromfluss, d.h. die Funkenstrecke zündet, so bildet sich ein Lichtbogenplasma aus.
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Je nach Stärke des Impulsereignisses, dass zum Zünden der Funkenstrecke 1 geführt hat, kann sich nun die Funkenstrecke 1 auf das Ereignis einstellen.
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Trift ein starkes Impulsereignis ein, so wird das Lichtbogenplasma eine entsprechend höhere Wärme und Druck aufbauen, sodass nunmehr durch die Druckwirkung die Scheiben in lateraler Richtung wie in 2 gezeigt auseinandergeschoben werden können. Hierdurch verlängert sich zum einen der Funkenstreckenkanal, da gleichzeitig auch die Funkenstreckenelektrode weiter voneinander weg bewegt werden, zum anderen kann nunmehr zumindest eine Teil des Lichtbogenplasmas und der entstandenen Wärme an die Umgebung entsprechend den Pfeilen in den Zwischenräumen der Scheiben abgeleitet werden. Da nunmehr auch zumindest ein Teil des ionisierten Gases aus dem Funkenstreckenkanal entfernt wird, sinkt die Leitfähigkeit des Lichtbogenplasmas ab. Da zum Verschieben der Scheiben Energie notwendig ist und bei auseinanderschieben der Scheiben zumindest ein Teil des Druckes entwicht wird der Druckanstieg gedämpft.
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Trift ein weniger starkes Impulsereignis ein, so wird das Lichtbogenplasma eine entsprechend geringere Wärme und Druck aufbauen, sodass nunmehr durch die Druckwirkung die Scheiben nicht in lateraler Richtung auseinandergeschoben werden können.
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Somit können unterschiedlich starke Impulsereignisse abgeleitet werden während zugleich durch die besondere Ausformung erreicht wird, dass für unterschiedliche Impulsereignisse auch die Netzfolgeströme durch ein zuverlässiges Verlöschen unterdrückt werden können.
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Durch die Ausgestaltung der Funkenstrecke 1 mit besonders dicken Materialschichten kann zudem eine große thermische Masse bereitgestellt werden, wodurch eine hohe Energieabsorption bereitgestellt wird, die sich positiv auf die Plasmakühlung und das Löschen der Funkenstrecke 1 auswirkt. Beispielsweise können die Funkenstreckenelektroden aus WCu oder anderen bevorzugt lichtbogenbeständigen Materialen hergestellt sein.
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Ohne weiteres ist für den Fachmann verständlich, dass die Scheiben S1, S2, ... Sn aus einem geeigneten Material hergestellt sind.
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Obwohl es prinzipiell möglich ist, die Scheiben S1, S2, ... Sn aus einem hartgasenden Material wie z.B. Polyoxymethylen (POM) oder aus Polyetheretherketon (PEEK) herzustellen, werden die Scheiben S1, S2, ... Sn bevorzugt aus einem lichtbogenbeständigem Material wie z.B. WCu hergestellt, sodass in der Regel ein Vielzahl von Impulsereignissen abgeleitet werden kann.
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Beispielsweise kann zumindest ein Teil der Mehrzahl von Scheiben S1, S2, ... Sn ein elektrisch leitfähiges Material aufweisen. Dabei kann z.B. die Wärmekapazität für die Auswahl ein Kriterium sein. Beispielsweise können die Scheiben Kupfer oder Wolfram oder Verbindungen hiervon aufweisen.
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Andererseits kann zumindest ein Teil der Mehrzahl von Scheiben S1, S2, ... Sn ein elektrisch nicht leitfähiges Material aufweisen. Auch hier kann z.B. Wärmekapazität für die Auswahl ein Kriterium sein. Beispielsweise können die Scheiben Keramik aufweisen.
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Ohne weiteres können aber auch Anordnungen bereitgestellt werden, in den sowohl Scheiben aus elektrisch leitenden Materialen als auch Scheiben aus elektrisch nicht-leitenden Materialen Verwendung finden.
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Je nach prognostizierter Lebensdauer der Funkenstrecke können die Mehrzahl von elektrisch leitfähigen Scheiben S1, S2, ... Sn ein mehr oder weniger temperaturbeständiges Material aufweisen.
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Ohne weiteres kann zumindest ein Teil der Mehrzahl von Scheiben S1, S2, ... Sn Riefen oder elektrisch leitfähige / nicht leitfähige Abstandhalter R aufweisen, wie in 4 gezeigt.
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Dabei erlauben sowohl die Riefen als auch die Abstandshalter als auch die Riefen R, dass bereits unmittelbar zu Beginn eines Impulsereignisses Plasma abströmen kann. Tritt ein stärkeres Impulsereignis auf, so können die Scheiben S1, S2, ... Sn zur weiteren Unterstützung des Abströmens unter Einwirkung des weiter ansteigenden Druckes auseinandergeschoben werden. Allerdings ist dies nicht unbedingt notwendig. Die Abstandshalter bzw. Riefen R in den einzelnen Scheiben können z.B. durch Stanzen, Pressen oder Prägen in die Oberfläche eingebracht werden. Werden mehrere Scheiben übereinander gelegt, kann abhängig von der Position der Abstandshalter bzw. Riefen zueinander ein freies Volumen zwischen den Scheiben erzeugt werden. Das Plasma hat die Möglichkeit durch dieses freie Volumen nach außen abzuströmen. Gleiches gilt für Abstandhalter, die auf die Oberfläche der Scheiben S1, S2, ... Sn alternativ oder zusätzlich aufgebracht werden können.
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Obwohl ein hartgasendes Material für die Isolierung ISO1 benachbart zu der ersten Funkenstreckenelektrode FS1 nicht zwingend notwendig ist, ist es für eine effektive Abkühlung des Lichtbogenplasmas vorteilhaft, denn hartgasende Materialen haben die Eigenschaft den Lichtbogenkanal einzuengen.
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Weiterhin kann das gering leitfähige Material BRZ und/oder die Zündhilfselektrode ZE eine ringförmige Öffnung aufweisen, wobei die Öffnungen der Scheiben S1, S2, ... Sn so angeordnet sind, dass sie einen Lichtbogenkanal zwischen der zweiten Funkenstreckenelektrode FS2 und der ersten Funkenstreckenelektrode FS1 bilden. Hierdurch können besonders einfach herstellbare Teile für die Funkenstrecke verwendet werden, sodass der mechanische Aufbau schnell und kostengünstig realisierbar ist.
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Je nach Ausformung der Öffnungen in den einzelnen Scheiben kann nunmehr auch der Funkenstreckenkanal in der Verbindungsrichtung von der ersten Funkenstreckenelektrode zur zweiten Funkenstreckenelektrode gestaltet werden.
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Werden z.B. nicht kreisförmige Öffnungen in den Scheiben verwendet, oder die Öffnung in den Scheiben ist nicht zentriert, so kann eine geringfügige Verdrehung von Scheiben zueinander den Lichtbogenkanal verändern.
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Während sich bei gleichartigen kreisförmigen Öffnungen in den Scheiben ein zylindrischer Kanal ergibt, kann z.B. eine leicht exzentrisch angeordnete Öffnung wie in 3 auf der rechten Seite gezeigt in den Scheiben dazu führen, dass bei einem bestimmten Winkelversatz der scheiben zueinander eine helixförmige Bahn sich ergibt. Ähnliches kann mit einer langlochartigen Öffnung wie in 3 auf der linken Seite gezeigt erreicht werden. Dabei können die Öffnungen im Prinzip alle möglichen Formen annehmen. Auch ist es möglich einen Teil der Scheiben in einer Form zu verwenden und einen anderen Teil in einer anderen Form.
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Von besonderem Vorteil sind jedoch kreisförmige Öffnungen, da diese besonders einfach und damit kostengünstig herstellbar sind.
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Um die adaptive Eigenschaft zu nutzen kann es ausreichend sein, dass die einzelnen Elemente lediglich durch ihr eigenes Gewicht gehalten werden, wobei dann zweckmäßiger Weise Führungseinrichtungen vorzusehen sind, sodass die einzelnen Elemente nach einem auseinanderrücken wieder an ihren vorherigen Platz gelangen.
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Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass die adaptive Eigenschaft nur einmalig genutzt werden kann, z.B. dadurch, dass die Elemente geeignet drucklösbar verbunden werden. Hierzu kann z.B. eine geeigneter Kleber oder ein Lot Verwendung finden.
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Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass die Funkenstrecke 1 ein elastisches Element D aufweist, sodass die Funkenstreckenelektroden FS1, FS2 und die Scheiben S1, S2, ... Sn gehalten werden. Ein derartiges elastisches Element D kann ein Druckbeaufschlagung mittels einer Feder oder aber ein umlaufendes elastische Element z.B. aus einem Elastomer ähnlich einem Gummiband oder dergleichen sein.
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Weiterhin kann die Funkenstrecke 1 auch ein umgreifendes Gehäuse G aufweisen. Besonders vorteilhaft kann aber auch das Gehäuse G zugleich die Funktion des elastischen Elements vereinen. Je nach Form des Gehäuses G wird nun ein Abströmen entweder nur in die Zwischenbereiche der Scheiben ermöglicht oder aber, soweit das Gehäuse G Öffnungen besitzt kann auch weiterhin Plasma in die Umgebung entweichen.
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Um das Lichtbogenplasma gezielt zu lenken kann zudem vorgesehen sein, dass zwischen den Scheiben S1, S2, ... Sn und der Zündhilfselektrode ZE eine Lichtbogenblende ISO2 angebracht ist.
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In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Funkenstrecke 1 weist die Funkenstrecke ein elastisches Element D auf, sodass die Funkenstreckenelektroden FS1, FS2 und die Scheiben S1, S2, ... Sn (druckverschiebbar) gehalten werden und dass die elektrisch leitfähigen Scheiben S1, S2, ... Sn bei Druckeinwirkung in Richtung von der ersten Funkenstreckenelektrode und der zweiter Funkenstreckenelektrode verschoben werden können.
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Ohne weiteres kann die Funkenstrecke gemäß der Erfindung auch in einer Funkenstreckenanordnung mit einem Zündkreis verwendet werden, wobei der Zündkreis die zweite Funkenstreckenelektrode FS2 und die Zündhilfselektrode ZE über ein spannungsschaltendes und/oder ein spannungsbegrenzendes Element verbindet. Beispielsweise kann hierzu wie in 1 und 2 gezeigt ein Varistor und eine Gasentladungsröhre vorgesehen sein.
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Nachfolgend wird eine solche Anordnung beispielhaft nochmals beschrieben werden. Kontaktiert wird die zweite Funkenstreckenelektrode FS2 mit der Zündhilfselektrode ZE durch ein spannungsschaltendes und/oder ein spannungsbegrenzendes Element (beispielsweise Varistor), wodurch ein kontinuierlicher Stromfluss über den Zündkreis unterbunden werden kann.
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Wird ein Stoßstrom durch ein Impulsereignis eingeprägt, so wird das obere Potential über das spannungsschaltende und/oder das spannungsbegrenzende Element an die Zündhilfselektrode ZE geführt. Im Bereich des gering leitfähigen Materials BRZ brennt zumindest ein Teil der Oberfläche zur ersten Funkenstreckenelektrode FS1 auf und ionisiert den Brennkanal. Durch das Plasma entsteht eine Hauptentladung zwischen den beiden Funkenstreckenelektroden. Isolationsmaterial ISO1 bzw. ISO2 vergast und kühlt somit den Lichtbogen. Gleichzeitig steigen die Temperatur und der Druck an. Ab einem bestimmten Schwellwert des Druckes werden die Scheiben S1, S2, ... Sn auseinander gedrückt und bilden somit mehrere große Ausblasvolumina, durch die das ionisierte Gas entweichen kann.
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Dabei kann das Plasma durch die großen Oberflächen zwischen den Scheiben stark gekühlt werden.
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Der Aufbau bildet somit ein sich selbst regulierendes System, da der Druckaufbau und die Druckreduzierung voneinander abhängen und gleichzeitig einander entgegen wirken.
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Besonders vorteilhaft ist der Abstand zwischen den Scheiben so dimensioniert, dass die Strömung des Plasmas so stark gehemmt wird, dass außerhalb der Anordnung keine oder nur sehr gering Anteile ionisierten Gases austreten. Hierdurch wird im Lichtbogenbrennkanal ein auseichend hoher Druck gehalten, und das aus dem Kanal austretende Plasma optimal gekühlt. Die Beabstandung der Kühlflächen kann durch isolierende oder nicht isolierende und resistive, sowie einer Kombination isolierender wie nicht isolierender und resistiver Abstandshalter erzielt werden. Durch geeignete Kombination können die Strömung des Plasmas, die Kühlwirkung sowie die Ausbildung der Leitfähigkeit des Plasmas so eingestellt werden, dass Ableitfähigkeit mit geringem Energieumsatz erzielt wird, während Netzfolgeströme stark begrenzt, bzw. vollständig unterdrückt werden.
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Hierdurch ermöglicht es die Erfindung den Abströmbereich adaptiv auf unterschiedliche Anforderungen durch verschiedene Impulsenergien einzustellen. Dabei ist die erfindungsgemäße Anordnung einfach mechanisch z u realisieren. Insbesondere erlaubt es die Erfindung ein hohes Ableitvermögen durch eine große thermische Masse breitzustellen. Die hohe thermische Masse besitzt zudem eine große Oberfläche, woraus eine hohe Energieabsorption resultiert. Durch das adaptive Öffnen des Abströmbereichs kann der Plasmakanal entionisiert und somit die Leitfähigkeit des Plasmas verringert werden. Weitere Kühlmechanismen können verwendet werden, um eine effiziente Kühlung und den Abtransport des Plasmas zu erreichen. Damit wird ein optimales Ableiten von transienten Strömen erreicht und ein Netzfolgestrom effektiv unterdrückt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Funkenstrecke
- FS1, FS2
- Funkenstreckenelektrode
- ZE
- Zündhilfselektrode
- BRZ
- gering leitfähiges Material
- S1, S2, ... Sn
- elektrisch leitfähige Scheibe
- ISO1
- Isolierung
- D
- elastisches Element
- G
- Gehäuse
- ISO2
- Lichtbogenblende
- R
- Abstandshalter, Riefen
- A1, A2
- Anschluss
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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