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Die Erfindung betrifft einen Kühlmantel für eine elektrische Maschine mit einem zylindrisch ausgebildeten Grundkörper, einer den Grundkörper umgreifenden Außenschale und einem sich zwischen dem Grundkörper und der Außenschale erstreckenden und von einem Kühlmittel durchströmbaren Kühlraum.
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Elektrische Maschinen werden als Motor oder Generator in vielen technischen Bereichen eingesetzt, weisen zumeist einen ruhenden Stator bzw. Ständer sowie einen drehbar gelagerten Rotor bzw. Läufer auf und produzieren im Betrieb Abwärme, welche die Effizienz und Lebensdauer der elektrischen Maschine erheblich einschränken kann.
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Insbesondere elektrische Maschinen hoher Leistungsdichte benötigen eine Kühlung, welche entweder mit Luft oder mit einem Kühlmittel realisiert ist. Eine Kühlung mit Luft erfordert zur effektiven Abführung der in der elektrischen Maschine entstehenden Abwärme große Flächen, wodurch die Gehäuse eine entsprechende Größe aufweisen müssen.
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Elektrische Antriebe, die beispielsweise in einem Kraftfahrzeug oder einem Schienenfahrzeug zu dessen elektrischem Fahrbetrieb eingesetzt werden, müssen jedoch zur Optimierung des zur Verfügung stehenden Bauraumes möglichst kompakt ausgeführt sein. Eine Luftkühlung scheidet deshalb für derartige elektrische Antriebe in der Regel aus.
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Zur Leistungssteigerung und aktiven Kühlung von derartigen elektrischen Maschinen werden insbesondere flüssigkeitsdurchströmte Kühlmäntel eingesetzt. Die bisher bekannten Kühllösungen für elektrische Maschinen beruhen auf Durchströmungen eines Kühlmantels bzw. einer Kühlleitung mit einem flüssigen Kühlmittel. Das Kühlmittel entzieht dabei der elektrischen Maschine die Abwärme, sodass ein störungsfreier Betrieb auf hohem Leistungsniveau gewährleistet werden kann. Als Kühlmittel wird üblicherweise ein Gemisch aus Wasser und Glykol oder Öl oder eine andere geeignete Kühlflüssigkeit verwendet.
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Der Kühlmantel ist doppelwandig ausgebildet und besteht aus einem zylindrischen Grundkörper und einer den Grundkörper umgreifenden Außenschale. Ein als Ringspalt ausgebildeter Kühlraum zwischen der Außenschale und dem Grundkörper kann zur Kühlung der elektrischen Maschine dann von dem flüssigen Kühlmittel durchströmt werden.
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Es ist auch bereits bekannt, in dem Ringspalt mehrere Strömungsleitelemente bzw. Kühlkanäle vorzusehen, die für eine definierte Strömung des Kühlmittels in dem Ringspalt sorgen, um so den Wärmeabtransport zu optimieren. Die Kühlkanäle erstrecken sich dann beispielsweise parallel oder quer zu einer Längsachse des Kühlmantels.
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Die Kühlung der elektrischen Maschine hat wesentlichen Einfluss auf die E-Maschinenperformance hinsichtlich Leistung, Wirkungsgrad und Kosten. Darüber hinaus wird gefordert, dass die Kühlung für die elektrische Maschine als "Kartusche" ausgebildet ist. Bis auf den Kühlmittelzufluss und den Kühlmittelabfluss soll die Kühlung also ein in sich geschlossenes und abgedichtetes System darstellen.
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Aus der
EP 1 953 897 A2 und der
US 6,300,693 B1 ist jeweils bereits ein Kühlmantel für eine elektrische Maschine der eingangs genannten Art bekannt. Zwischen dem Grundkörper und einer den Grundkörper umgreifenden und als Hülse ausgebildeten Außenschale erstreckt sich ein von einem Kühlmittel durchströmbarer Kühlraum. In dem Kühlraum sind mehrere Strömungsleitelemente vorgesehen, welche Kühlkanäle definieren und integraler Bestandteil des Grundkörpers sind.
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Ferner beschreibt die
DE 196 24 519 A1 eine Kühleinrichtung für eine elektrische Maschine, umfassend ein Gehäuse mit einem Gehäuseinnenteil und einem Gehäuseaußenteil. Das Gehäuseinnteil umfasst ein System von mäanderförmig verlaufenden Kühlkanälen, die einen Großteil der Außenfläche des Gehäuseinnenteiles bedecken.
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Als nachteilig erweist es sich bei dem Stand der Technik, dass die Strömungsleitelemente bzw. die Kühlkanäle durch spanende und/oder abtragende Bearbeitungsverfahren in den als Gussteil ausgebildeten Grundkörper eingebracht werden. Hierbei wird eine Mantelfläche des vorgegossenen Grundkörpers zunächst abgedreht und anschließend werden die Kühlkanäle bzw. Strömungsleitelemente beispielsweise durch Fräsen in die Mantelfläche des Grundkörpers eingebracht. Im Anschluss daran erfolgt dann noch ein Entgraten der bearbeiteten Mantelfläche des Grundkörpers, bevor zur Montage des Kühlmantels eine als Hülse ausgebildete Außenschale über den Grundkörper gestülpt und auf diesem fixiert wird. Um eine problemlose Montage des Kühlmantels und die entsprechende Ausbildung der Kühlkanäle zwischen der Außenschale und dem Grundkörper zu gewährleisten, dürfen der Außendurchmesser des Grundkörpers und der Innendurchmesser der Außenschale nur geringe Toleranzen aufweisen.
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Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Kühlmantel zu schaffen, durch welchen die Herstellung und Montage des Kühlmantels vereinfacht sowie der Herstellungsaufwand und die Fertigungs- und Montagezeit reduziert werden.
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Die Aufgabe wird gelöst mit einem Kühlmantel gemäß den Merkmalen der Patentanspruches 1. Die Unteransprüche betreffen besonders zweckmäßige Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Kühlmantels.
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Erfindungsgemäß ist also ein Kühlmantel für eine elektrische Maschine vorgesehen, bei welchem das Strömungsleitelement und die Außenschale eine Baueinheit bildend miteinander verbunden sind. Hierdurch werden die Herstellung und Montage des Kühlmantels vereinfacht und der Herstellungsaufwand sowie die Fertigungs- und Montagezeit reduziert. Die Kühlmittelführung innerhalb des Kühlmantels bzw. des Kühlraumes wird ausschließlich durch die Außenschale bzw. die Baueinheit festgelegt. Eine kosten- und zeitaufwendige spanende oder abtragende Bearbeitung des Grundkörpers zum Einbringen der Strömungsleitelemente bzw. der Kühlkanäle in die Mantelfläche des Grundkörpers ist nun nicht mehr erforderlich. Der Grundkörper kann sowohl als ein Gussteil, als auch als Schmiedeteil ausgebildet sein. Auch eine Ausführung des Grundkörpers und/oder der Außenschale bzw. des Strömungsleitelementes aus Kunststoff ist, insbesondere im Hinblick auf eine Gewichtsreduzierung, denkbar.
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Hierbei erweist es sich als besonders vorteilhaft, dass das Strömungsleitelement und die Außenschale einteilig ausgebildet sind. Durch die einteilige Ausbildung von Außenschale und Strömungsleitelement bilden diese bei der Montage des Kühlmantels eine gemeinsam handhabbare Baueinheit. Vorgeschaltete und zeitaufwendige Arbeitsschritte zur Anordnung bzw. Fixierung des Strömungsleitelementes an der Außenschale entfallen. Auch eine Abdichtung zwischen dem Strömungsleitelement und der Außenschale ist bei einer einteiligen Ausgestaltung der Baueinheit entbehrlich.
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In diesem Fall erweist es sich als besonders zweckmäßig, dass das Strömungsleitelement als eine sich in Richtung des Grundkörpers erstreckende Ausformung in der Außenschale ausgeführt ist. Diese Ausformung kann beispielsweise als Prägung ausgebildet sein und durch einen einfachen vorgeschalteten Arbeitsschritt mittels eines feststehenden Dornes in die rotierende Außenschale eingebracht werden. Durch die Wahl eines umformenden Bearbeitungsverfahrens ist eine nachfolgende Entgratung und eine Entfernung von Spänen vor der Montage der Außenschale auf dem Grundkörper nicht erforderlich. Auch hierdurch wird die Montagezeit des Kühlmantels optimiert.
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Erfindungsgemäß ist weiterhin vorgesehen, dass sich das Strömungsleitelement derart in dem Kühlraum erstreckt, dass ein Kühlmitteleinlass und ein Kühlmittelauslass durch den Kühlkanal strömungstechnisch miteinander verbunden sind. Durch das Strömungsleitelement wird eine definierte Strömung des durch den Kühlmitteleinlass eingeleiteten Kühlmittels durch die Kühlkanäle zum Kühlmittelauslass gewährleistet. Das Strömungsleitelement trennt also den Kühlmitteleinlass vom Kühlmittelauslass und verhindert ein Austreten des Kühlmittels aus dem Kühlmantel ohne vorherige Durchströmung des Kühlkanals. Hierdurch wird eine prozesssichere Kühlung der elektrischen Maschine während des Betriebes gewährleistet.
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Ein weiteres erfindungsgemäßes Merkmal besteht auch darin, dass die Außenschale als Hülse ausgebildet ist. Durch die Ausgestaltung als Hülse wird eine vereinfachte und prozesssichere Montage der Außenschale auf dem Grundkörper gewährleistet. Im Rahmen der Montage wird die aus der Hülse und dem Strömungsleitelement bestehende Baueinheit auf den zylindrisch ausgebildeten Grundkörper aufgeschoben. Anschließend kann das Strömungsleitelement bzw. die Kühlkanäle besonders einfach, durch eine Rotationsbewegung der Baueinheit in der erforderlichen Lage relativ zu dem Kühlmitteleinlass bzw. Kühlmittelauslass positioniert werden. Durch als O-Ringe ausgebildete Abdichtungen zwischen der Hülse und dem Grundkörper kann auf einfache Art und Weise die geforderte in sich geschlossene und abgedichtete Kühlkanalstruktur für das Kühlmittel zur Verfügung gestellt werden. Selbstverständlich kann der Kühlraum auch durch andere Maßnahmen abgedichtet werden. Hierauf wird nachfolgend noch detaillierter eingegangen.
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Eine andere besonders vorteilhafte Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung wird auch dadurch geschaffen, dass die Außenschale als Hülsenabschnitt ausgebildet ist, welcher den zylindrischen Grundkörper nicht vollumfänglich umgreift. Ein Umschließungswinkel zwischen der Außenschale bzw. dem Hülsenabschnitt und dem Grundkörper beträgt also weniger als 360°. Durch die Ausbildung der Außenschale als Hülsenabschnitt wird eine Kühlung ausschließlich dort zur Verfügung gestellt an welchem die elektrische Maschine diese auch unbedingt benötigt. In dem von dem Hülsenabschnitt nicht umgreifenden Bereich wird dagegen Bauraum für an den Kühlmantel angrenzende bzw. benachbarte Bauteile zur Verfügung gestellt. Auch Engstellen am Umfang des Kühlmantels können hierdurch umgangen werden.
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Durch den aus einem Blech bestehenden Hülsenabschnitt können im Vergleich zu einer vollumfänglichen Hülse auch größere Toleranzen des Grundkörpers ausgeglichen werden. Der insbesondere aus Blech bestehende Hülsenabschnitt ist in Grenzen verformbar und kann sich hierdurch fertigungsbedingten Abweichungen des Außendurchmessers des Grundkörpers anpassen. Auch eine Montage der Außenschale auf dem Grundkörper wird hierdurch wesentlich vereinfacht.
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Dabei hat es sich als besonders praxisgerecht herausgestellt, dass der Hülsenabschnitt mehrteilig ausgebildet ist. Der den Grundkörper umgreifende Hülsenabschnitt wird hierbei durch zwei oder mehrere, insbesondere separate Teilabschnitte bzw. Segmente gebildet, welche jeweils an dem Grundkörper fixiert sind. Hierdurch kann eine ausreichende Kühlung unmittelbar in den erforderlichen Bereichen gewährleistet und gleichzeitig der benötigte Bauraum für angrenzende Bauteile geschaffen werden.
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Weiterhin erweist es sich als besonders zweckmäßig, dass die Außenschale durch eine den Kühlraum hermetisch abdichtende Schweißverbindung mit dem Grundkörper verbunden ist. Die Verschweißung erfolgt dabei über den gesamten Konturverlauf der Außenschale, sodass auch bei einer als Hülsenabschnitt ausgebildeten Außenschale ein geschlossener abgedichteter Kühlraum zur Verfügung steht. Hierdurch ist eine prozesssichere Abdichtung auch bei größeren Toleranzwerten gewährleistet. Zusätzliche Dichtungen, beispielsweise O-Ringe, zwischen dem Grundkörper und der Außenschale sind nicht erforderlich.
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In diesem Fall ist es besonders vorteilhaft, dass die Außenschale zumindest einen sich in Richtung des Grundkörpers erstreckenden und den Kühlraum begrenzenden Steg aufweist. Durch den Steg werden einerseits die Abmessungen des Kühlkanals festgelegt und andererseits wird die Außenschale im Bereich des Steges mit der Mantelfläche des Grundkörpers verschweißt.
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Außerdem ist eine zweite Ausführungsform eines Kühlmantels vorgesehen, welcher aus einem zylindrisch ausgebildeten Grundkörper, einer den Grundkörper umgreifenden Außenschale und einem sich zwischen dem Grundkörper und der Außenschale erstreckenden und von einem Kühlmittel durchströmbaren Kühlraum besteht, wobei die Außenschale als ein den Grundkörper nicht vollumfänglich umgreifender Hülsenabschnitt ausgebildet ist. Ein Umschließungswinkel zwischen der Außenschale bzw. dem Hülsenabschnitt und dem Grundkörper beträgt also weniger als 360°. Durch die Ausbildung der Außenschale als Hülsenabschnitt wird eine Kühlung ausschließlich dort zur Verfügung gestellt, an welchem die elektrische Maschine diese auch unbedingt benötigt. In dem von dem Hülsenabschnitt nicht umgreifenden Bereich wird dagegen Bauraum für an den Kühlmantel angrenzende bzw. benachbarte Bauteile zur Verfügung gestellt. Durch den aus einem Blech bestehenden Hülsenabschnitt können im Vergleich zu einer vollumfänglichen Hülse auch größere Toleranzen des Grundkörpers ausgeglichen werden. Der insbesondere aus Blech bestehende Hülsenabschnitt ist in Grenzen elastisch verformbar und kann sich hierdurch fertigungsbedingten Abweichungen des Außendurchmessers des Grundkörpers anpassen. Auch eine Montage der Außenschale auf dem Grundkörper wird hierdurch vereinfacht.
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Die die Kühlkanäle definierenden Strömungsleitelemente können bei dieser zweiten Ausführungsform des Kühlmantels entweder im Grundkörper oder in der Außenschale angeordnet sein. Hierbei erfolgt eine Abdichtung des Kühlraumes bzw. der Kühlkanäle durch eine hermetisch abdichtende Schweißverbindung zwischen der Außenschale und dem Grundkörper. Der Hülsenabschnitt kann einteilig ausgebildet sein oder aus mehreren separaten Teilabschnitten bzw. Segmenten bestehen, welche jeweils mit dem Grundkörper verschweißt sind.
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Die Erfindung lässt zahlreiche Ausführungsformen zu. Zur weiteren Verdeutlichung ihres Grundprinzips ist eine davon in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend beschrieben. Diese zeigt in
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1 eine perspektivische Ansicht eines aus einem Grundkörper und einer Außenschale bestehenden Kühlmantels für eine elektrische Maschine;
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2 eine perspektivische Ansicht des zylindrischen Grundkörpers;
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3 eine perspektivische Ansicht der Außenschale;
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4 eine Schnittdarstellung des Kühlmantels gemäß Ansicht IV-IV aus 1;
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5 eine perspektivische Ansicht einer zweiten Ausführungsform eines aus einem Grundkörper und einer Außenschale bestehenden Kühlmantels.
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Der erfindungsgemäße Kühlmantel 1 wird nachstehend anhand der 1 bis 4 näher erläutert. Der Kühlmantel 1 weist einem Aufnahmeraum 2 für eine nicht weiter gezeigte elektrische Maschine mit einer zentralen Durchbrechung 3 für eine mit der elektrischen Maschine verbundenen Welle auf. Der zur Kühlung der elektrischen Maschine vorgesehene Kühlmantel 1 umfasst einen in 2 dargestellten zylindrischen Grundkörper 4 und eine in 3 dargestellte Außenschale 5 auf.
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Die Außenschale 5 umgreift den Grundkörper 4 derart, dass sich zwischen einer Mantelfläche 6 des Grundkörpers 4 und der Außenschale 5 ein in 4 gut zu erkennender Kühlraum 7 ausbildet, welcher zu Kühlung der elektrischen Maschine von einem Kühlmittel durchströmt wird. Die Außenschale 5 und ein einteilig mit dieser verbundenes Strömungsleitelement 8 bilden eine in 3 dargestellte Baueinheit.
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Wie insbesondere in 4 zu erkennen ist, werden durch das sich in Richtung des Grundkörpers 4 erstreckende und an der Mantelfläche 6 des Grundkörpers 4 dichtend anliegende Strömungsleitelement 8 zwei gegensinnig durchströmbare Kühlkanäle 9, 9' definiert.
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Die Außenschale 5 ist wie in 3 abgebildet als nicht umlaufender Hülsenabschnitt ausgebildet und weist eine Aussparung 10 auf. Die Außenschale 5 umgreift den Grundkörper 4 nicht vollumfänglich. Ein Umschließungswinkel zwischen der Außenschale 5 und dem Grundkörper 4 beträgt also weniger als 360°. Entlang der Kontur des Hülsenabschnittes ist ein konturumlaufender Steg 11 vorgesehen. Im Bereich dieses Steges 11 ist die Außenschale 5 durch eine Schweißverbindung 12 an dem Grundkörper 4 fixiert (siehe 4). Durch diese entlang der gesamten Kontur der Außenschale 5 angeordnete Schweißverbindung 12 wird der Kühlraum 7 bzw. die Kühlkanäle 9, 9' hermetisch abgedichtet, sodass ein unerwünschter Austritt von Kühlmittel aus dem Kühlmantel 1 wirksam verhindert wird.
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Wie insbesondere den 1 und 2 zu entnehmen ist, ist zur Einleitung des Kühlmittels in den Kühlmantel 1 ein in den Kühlraum 7 mündender und in dem Grundkörper 4 angeordneter Kühlmitteleinlass 13 vorgesehen. Das durch den Kühlmitteleinlass 13 eingeleitete Kühlmittel durchströmt dann den Kühlkanal 9, wird in einem ersten Umlenkbereich 14 um 180° umgelenkt, durchströmt dann den Kühlkanal 9' bis zu einem zweiten Umlenkbereich 15, wird dort nochmals um 180 ° umgelenkt und wird dann durch einen in dem Grundkörper 4 angeordneten Kühlmittelauslass 16 wieder aus dem Kühlmantel 1 abgeführt. Die Strömungsrichtung 17 des Kühlmittels in den Kühlkanälen 9, 9' ist in den 1, 3 und 4 durch Richtungspfeile dargestellt.
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5 zeigt eine zweite Ausführungsform eines Kühlmantels 1, bei welchem die Strömungsleitelemente 8 bzw. die Kühlkanäle 9, 9' in der Mantelfläche 6 des Grundkörpers 4 integriert sind. Die Außenschale 5 ist wie bei der ersten Ausführungsform gemäß der 1 bis 4 ebenfalls als ein den Grundkörper 4 nicht vollumfänglich umschließender Hülsenabschnitt ausgebildet. Die Außenschale 5 wird dabei durch eine gerollte, insbesondere unstrukturierte Blechzunge gebildet und weist eine Aussparung 10 auf. Der in den 1 bis 5 dargestellte Kühlmantel 1 weist in dem nicht von der Außenschale 5 abgedeckten Bereich 18, also im Bereich der Aussparung 10, Bauraum für nicht dargestellte benachbarte Bauteile auf.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Kühlmantel
- 2
- Aufnahmeraum
- 3
- Durchbrechung
- 4
- Grundkörper
- 5
- Außenschale
- 6
- Mantelfläche
- 7
- Kühlraum
- 8
- Strömungsleitelement
- 9 9'
- Kühlkanal
- 10
- Aussparung
- 11
- Steg
- 12
- Schweißverbindung
- 13
- Kühlmitteleinlass
- 14
- Umlenkbereich
- 15
- Umlenkbereich
- 16
- Kühlmittelauslass
- 17
- Strömungsrichtung
- 18
- Bereich
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 1953897 A2 [0009]
- US 6300693 B1 [0009]
- DE 19624519 A1 [0010]
