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Die Erfindung betrifft einen Elektromotor mit einem Stator und einem Rotor in dem wärmeleitende Mittel angeordnet sind.
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Aus
EP 2 299 565 A1 ist eine Elektromotor mit einem Stator und einem Rotor bekannt, in dem wärmeleitende Mittel angeordnet sind. Dieses wärmeleitende Mittel in Form eines Wärmerohrs ragt aus dem Rotor heraus und dient als Lüfterflügel um die Luftzirkulation zu verbessern. Nachteilig ist, dass in einem geschlossenen System mit Flüssigkeitskühlung die Wärme des Wärmerohrs nicht effizient abgeführt werden kann.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Wärmeabfuhr eines Elektromotors in einem geschlossenen System mit Flüssigkeitskühlung zu verbessern. Diese Aufgabe wird durch die in den unabhängigen Ansprüchen angegebenen Merkmale der Erfindung gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Der erfindungsgemäße Elektromotor, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, mit einem Stator und einem Rotor in dem wärmeleitende Mittel angeordnet sind, zeichnet sich dadurch aus, dass die wärmeleitende Mittel aus dem Rotor geführt und außerhalb des Rotors gebündelt und wärmeleitend verbunden sind.
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Somit ist es möglich, die Wärme, die im inneren des Rotors entsteht gezielt nach außen zu führen. Die Bündelung außerhalb des Rotors dient zum gezielten Sammeln der Wärme, auch Wärmesenke genannt.
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Der erfindungsgemäße Elektromotor zeichnet sich ferner dadurch aus, dass als Verbindung der wärmeleitenden Mittel ein Wärmeleitring vorgesehen ist. Dieser Wärmeleitring befindet sich vorzugsweise auf beiden Seiten des Rotors. Die wärmeleitenden Mittel erstrecken sich durch den Rotor und verbinden die Wärmeleitringe miteinander. Somit kann durch den gesammten Rotor die Wärme auf beiden Seiten des Rotors abgeführt werden.
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Ferner werden durch den Wärmeleitring die wärmeleitenden Mittel gebündet verbunden, so dass die Wärme gezieht außerhalb des Rotors geführt wird. Somit kann der Rotor kompakter gebaut werden oder bei gleichem Bauraum mehr Energie umsetzen.
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Auch zeichnet sich der erfindungsgemäße Elektromotor dadurch aus, dass der Wärmeleitring nicht direkt anliegend an den Rotor angeordnet ist.
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Dadurch, dass der Wärmeleitring nicht dicht an dem Rotor anliegt, ist es möglich, dass vom Wärmeleitring in mehreren Richtungen die Wärme abgestrahlt wird. Somit wird die Wärmeabstrahlung weiter verbessert.
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Auch könnte der Wärmeleitring Öffnungen in Form von Löchern und/oder Schlitzen haben, so dass die Wärmeabstrahlung weiter verbessert wird. Alternativ könnte der Wärmeleitring Stege und/oder Rippen aufweisen, so dass die Wärmeabstrahlung so auch weiter verbessert wird. Ferner ist eine kombination von Löchern und/oder Schlitzen und/oder Kühlstege und/oder Kühlrippen anwendbar um die Wärmeabstrahlung zu verbessern.
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Bei dem erfindungsgemäßem Elektromotor kann dass die wärmeleitende Mittel als Wärmerohr und/oder als Thermosiphon ausgeführt ausgeführt werden.
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Das Wärmerohr, im englischen auch als Heatpipe bezeichnet, enthält ein hermetisch gekapseltes Volumen. Dieses Wärmerohr ist mit einem wärmeleitende Mittel, zum Bespiel Wasser, Methanol, Acetyl oder Ammoniak gefüllt. Das wärmeleitende Mittel ist zu einem kleinen Teil flüssig, zum Größeren Teil in dampfförmigen Zustand vorhanden. Ferner befindet sich im Wärmerohr eine Wärmeübergangsfläche für Wärmequelle als Dampfraum und ein Kondensationsfläche als Wärmesenke.
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Bei Wärmeeintrag in der Wärmeübergangsfläche durch eine Wärmequelle im Dampfraum, beginnt das wärmeleitende Mittel zu verdampfen. Dadurch wird der Druck im Dampfraum lokal erhöht, was zu einem Druckgefälle innerhalb des Wärmerohres führt. Der entstandene Dampf strömt deswegen in Richtung Kondensationsfläche, wo er wegen der niedrigeren Temperatur (Wärmesenke) kondensiert. Dabei wird die zuvor aufgenommene latente Wärme wieder abgegeben.
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Das nun flüssige wärmeleitende Mittel kehrt im Fall von Thermosiphontechnik durch Schwerkraft und im Fall von einem Wärmerohr durch Kapillarkräfte wieder zurück in den Dampfraum. Auf diese Weise wird gezielt im Inneren des Rotors in dem die Wärme entsteht, diese über das Wärmerohr und/oder den Thermosiphon nach außen geführt.
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Erfindungsgemäß kann neben dem Wärmerohr auch der Wärmeleitring in diese Wärmeaustauschprozess eingebunden sein, indem der Wärmeleitring die Kondensationsfläche als Wärmesenke bildet und das Wärmerohr als Dampfraum ausgebildet ist.
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Im Innerern des Wärmeleitring sind vorzugsweise Stege angeordnet, die bei Rotation den Wärmestrom weiter optimieren. Vorzugsweise sind die Stege im Mittelpunkt gelagert, so dass je nach Drehrichtung durch die Rotationsenergie in die strömungsoptimiere Richtung ausgerichtet werden.
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In dem Wärmeaustauschprozess kann das wärmeleitende Mittel mit Methanol [(CH3)OH] oder [(CH3)CO]Acetylen oder Wasser [H2O] oder Ammoniak [NH3] gefüllt werden. Je nach Tempeatur und Energieleiteigenschaften kann, das für den Einsatz am geeignetzte, wärmeleitende Mittel verwandt werden.
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Da hier vorzugsweise Kupferwärmerohre zu Einsatz kommen sollen, scheidet NH3 als Mittel dafür aus. Die im Wärmerohr verwendeten Medienmengen sind klein, daher ist auch bei Wasser unter Einfrierbedingungen nicht von einer Beschädigung der inneren Heatpipestruktur auszugehen.Im Wärmerohr sind Riefen angeordnet, da so der Wassertransport verbessert wird. Bevorzugt ist deshalb Wasser bzw. Methanol zu verwenden.
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Das Wärmerohr im Rotor kann gerade oder nicht gerade z.B. konvex und/oder nicht in Richtung Rotormittepunkt ausgerichtet sein. Die gerade Ausrichtung des Wärmerohres hat den Vorteil, dass dies fertigungstechnisch einfacher produziert werden kann. Eine konvexe oder entgegen der Richtung des Rotormittelpunktes ausgerichtetes Wärmerohr hat den Vorteil, dass bei zunehmender Umdrehung die Rotationsenergie genutzt wird um den Wärmetransport Richtung Wärmeleitring zu erleichtern. Zusätzlich wird so das wärmeleitende Mittel in flüssiger Form besser zur Mitte des Wärmerohres geleiten.
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Der erfindungsgemäße Elektromotor ist ferner dadurch gekennzeichnet, dass über mindestens einen Ölauslass der Außenfläche des Wärmeleitrings Kühlmittel, insbesondere ein Ölnebel und/oder Öltropfen und/oder Öl zugeführt wird.
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Durch das Zuführen von Ölnebel und/oder Öltropfen und/oder Öl allgemein wird dem Wärmeleitring die Wärme entzogen. Somit kühlt sich der Wärmeleitring ab und kann ständig als Wärmesenke genutzt werden.
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Erfindungsgemäß wird unterhalb des Wärmeleitrings das Öl über einen Öleinlass gesammelt und einem Ölkühlkreislauf zugeführt. Das so gesammelte Öl wird dem Ölkreislauf zugeführt. Über den ohnehin verhandenden Ölkühler wird die Wärme gezielt abgeführt. Somit ist der Ölkühler für das Getriebeöl gleichzeitig der Ölkühler für den Wärmeaustauschprozess.
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In dem erfindungsgemäßen Elektromotor wird vorzugsweise das wärmeleitende Mittel in einen Kurzschlusskäfig integriert. Durch die Integration der wärmeleitenden Mittel in den Kurzschlusskäfig findet auch wiederum eine Doppelausnutzung statt. Dass heißt, der ohnehin zu verwende Kurzschlusskäfig ist gleichzeitig als wärmeleitendes Mitteil in Form eines Wärmerohres und/oder Thermosiphons ausgeführt. Der Kurzschlusskäfigring kann dann als Wärmeleitring dienen.
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Der erfindungsgemäße Elektromotor ist als ein asynchron Elektromotor ausgeführt. Asynchronelektromotoren haben den Vorteil, dass sie keine teuren Dauermagnete oder Kontakte für den Rotor benötigen und sehr robust ausgefüllt sind. Somit bietet es sich an, den Kurzschlusskäfig für einen Asynchronelektromotor erfindungsgemäß auszuführen.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung an mehreren Ausführungsbeispielen erläutert. In der Zeichnung zeigen
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1 eine Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Stators und Rotors als erstes Ausführungsbeispiel,
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2 eine Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Stators und Rotors als zweites Ausführungsbeispiel,
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3 die vordere Ansicht einer erfindungsgemäßen Anordnung Rotors mit geradem Wärmerohr,
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4 die vordere Ansicht einer erfindungsgemäßen Anordnung mit konvexem Wärmerohr,
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5 den inneren Aufbau des Wärmleitrings
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6 den Kühlkreislauf und
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7 Eigenschaften von verschiedenen Wärmeleitmitteln.
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1 zeigt einen Startor 1 mit Spulen 2 und einem Rotor 6. In dem Rotor 6 ist die Welle 5 angeordnet. Ferner ist ein Wärmeleitrohr 4 unmittelbar in der Nähe der Kurzschlusskäfigstege 12 angeordnet. Somit kann die Wärme der Kurzschlusskäfigstege 12 als auch die im Rotor 6 gesammelte Wärme, über die Wärmerohre 4 abgeführt werden.
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2 unterscheidet sich zu 1 derart, dass die Wärmerohre 4 die Kurzschlusskäfigstege 12 darstellen. Im Kurzschlusskäfigsteg 12 entsteht durch den Induktionsstrom Wärme. Die Anordnung der Wärmerohre 4 als Kurzschlusskäfigstege 12 hat den Vorteil, dass die Wärme direkt dort abgeführt wird, wo diese entsteht.
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3 zeigt einen erfindungsgemäßen Elektromotor in einer Draufsicht und in einer Seitenansicht. Der Stator 1 umgibt den Rotor 6. Das Wärmerohr 4 ist jeweils links und rechts aus dem Rotor ausgeführt und endet im Wärmeleitring 3. Der Ölzulauf 10 verteilt das Öl über eine Ölleitung 13. Der Ölauslaß 14 der Ölleitung 13 sorgt dafür, dass ein Ölnebel 7 in Form von vielen Öltröpfchen sich über den Wärmeleitring 3 verbreitet. Der Ölnebel wird vom Ölauslaß 14 vorzugsweise über mehrere kleine Löcher und/oder Düsen, hier nicht dargestellt, erzeugt. Das Öl gelangt aufgrund des Ausströmdurcks und/oder der Schwerkraft in Richtung Wärmeleitring 3 und unter diesem angeodneten Öleinlaß 15. Der Öleinlass 15 kann als Sammelbehälter, hier nicht dargestellt, ausgebildet sein. Das dort aufgefangene Öl gelangt über den Ölrücklauf 9 in den Ölkreislauf Ök, der in 7 dargestellt ist. Während das Öl am Ölzulauf 10 eine Temperatur von ungefähr 60°C aufweist, weist die Öltemperatur am Ölrücklauf 9 eine Temperatur zwischen 90°C und 100°C auf.
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Ferner wird das Öl durch den Ölrücklauf 9 und über einen weiteren den Ölrücklauf 11 in Richtung Ölkreislauf Ök geführt. Somit findet eine Wärmeabtransport über das Getriebeöl statt. Die ohnehin vorhandene Kühlung für das Gebtriebeöl kann hier geschickt doppelt ausgenutzt werden, um die aufgenomme Wärme abzuführen. Durch eine Pumpe, hier nicht dargestellt, kann gezielt der Druck des Ölflusses derart verändert werden, so dass hiermit auf das Abführen der Wärmeergie Einfluss genommen wird. Somit wird in der Startphase, in der keine hohe Wärmeansammlung abzuführen ist, mit weniger bis gar kein Öldruck der Wärmefluß geregelt, um so im Energie zu sparen.
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Auch ist möglich, in einen hier nicht dargestellten Wärmespeicher oder Wärmewandlungsmittel, die abzuführende Wärmeenergie nicht über einen Ölkühler abzuführen, sondern gezielt zu speichern und wieder in weitere elektrische Energie umzuwandeln. Hierzu kann ein Clausius Rankine Prozess verwandt werden. Alternative kann vorgesehen werden, dass ein Teil der abzuführende Wärmeenergie nicht über einen Ölkühler abgeführt wird und ein anderer Teil in Wärmespeicher oder Wärmewandlungsmittel verwandt wird.
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Hinter dem Ölrücklauf 11 kann ein Ventil, hier nicht dargestellt, angeordnet sein um wie später am Ölkeislauf beschrieben, den Ölfluß bedarfsgerecht zu regeln. In diesem Ausführungsbeispiel ist auf der linken Seite der 3 und 4 der Ölzulauf dargestellt. Hier nicht dargestellt aber auch anwendbar ist eine weiterer Ölzulauf auf der rechten Seite und/oder zentral von oben. Somit kann gewährleistet werden, dass der Öldruck in der Ölleitung 13 und somit auch an den Ölauslässen 14 gleich hoch ist.
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In 3 ist das Wärmerohr 4 gerade ausgeführt. Somit ist das Herstellungsverfahren durchaus einfach. Ferner werden die Wärmerohre 4 in dem Wärmeleitring 3 gebündet und sind dort wärmeleitend verbunden.
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Im Unterschied zu 3 ist in 4 das Wärmerohr 4` nicht gerade ausgeführt. Das Wärmerohr 4` kann konvex oder wie dargestellt V-förmig ausgeführt sein. Der tiefste Punkt des Wärmerohres 4` befindet sich im mittleren Bereich des Rotors 6. Dies hat den Vorteil, dass aufgrund der Rotationsenergie der Wärmetransport des wärmeleitenden Mittels im Wärmerohr verbessert wird. Insbesondere, wenn das Wärmerohr nicht über Capilarkräfte sondern wie ein Thermosiphon ausgeführt ist, in dem das wärmeleitende Mittel aufgrund der Schwerkraft zur Wärmesenke geführt wird. Ferner kann das wärmeleitenden Mittels in flüssiger Form im Wärmerohr 4` aufgrund der Rotationsenergie besser in die Mitte des Wärmerohrs 4` gelangen.
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5 zeigt ein Wärmerohr 4 (4`) aus Kupfer. Somit ist das Wärmerohr in den Kurzschlusssteg des Motors integriert. Die Riefen dienen um das wärmeleitende Mittel flüssig MF in sich aufzunehmen. Das wäreleitende Mittel gasförmig MG verteilt sich dort, wo das wärmeleitende Mittel flüssig MF nicht ist.
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6 zeigt den Wärmeleitring 3. Im Wärmeleitring 3 sind Stege S angeordnet, die bei Rotation den Wärmestrom weiter optimieren. Diese Stege S sind im Drehpunkt Dp gelagert, so dass je nach Drehrichtung D durch die Rotationsenergie diese Stege S in die strömungsoptimiere Richtung ausgerichtet werden. In der dort gezeigten Drehrichtung D ist mit Pfeil Wk dargestellt, dass das wärmeleitende Mittel in Richtung Wärmesenke fließt. Ferner ist mit Pfeil Dr dargestellt, dass das wärmeleitende Mittel in Richtung Dampfraum fließt. Der Steg 5 in Verbindung mit der Rotationsenergie sorgt dafür, dass die Fließrichtung des wärmeleitende Mittels positiv beeinflusst wird, in dem das wärmeleitende Mittel durch den Steg geführt werden.
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In einer weiteren, hier nicht dargestellten Ausführung, werden die Stege über Aktuatoren und/oder kleine Elektromotore im Drehpunkt, in die jeweilige gewünschte Richtung verstellt. Somit wird mit etwas mehr aufwand, unabhängig von der Drehrichtung, auf die Fließrichtung des wärmeleitende Mittels eingewirkt.
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7 zeigt den Ölkreislauf Ök. Vom Elektromotor M gelangt das Öl vom Ölrücklauf 9 mit einer Temperatur von 90°C bis 100°C in das Getriebe G. Ferner gelangt auch Öl vom Ölrücklauf 11 mit einer Temperatur von ca. 60°C in das Getriebe G. Über das Ventil V kann dieser Rücklauf bedarfsgerecht geregelt werden. Somit wird durch nicht dargestellte Steuereinheit und Sensoren gezielt der Ölfluss zwischen Getriebe und Rotor geregelt. D.h. je nach Kühlanforderung kann die Ölflussmenge und Öldruck eingestellt werden. Vom Getriebe gelangt dann das Öl zur Ölpumpe P und anschließend in den Ölkühler K. Das Öl verlässt den Ölkühler mit ca. 60°C. Die Pumpe P kann bedarfsgerecht angesteuert werden, so dass entsprechend der nötigen Wärmeabfuhr mehr oder weniger Öl transportiert wird. Ein weiterer Vorteil ist im Systemverbund mit einem Getriebe zu finden, der Ölkühler kann das Öl auf ~60°C kühlen. Das bedeutet für die Kühlung der E-Maschine einen Effizienzgewinn durch ein größeres delta T gegenüber der normalen Getriebeöltemperatur von 90°C. Diese ist für einen höheren Getriebewirkungsgrad nötig. Durch die vorgeschaltete E-Maschine kann, bei regelter Ölkühlung, das Getriebe viskositätsoptimiertes 90°C Öl verwenden und der Systemwirkungsgrad steigt.
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8 zeigt verschiedene wärmeleitende Mittel. Auf der Abszisse ist die Temperatur in Kelvin (K) je Mittel dargestellt. Auf der Ordinate ist der zunehmende Energietransport (E) dargestellt. D.h. welche Mittel einen zunehmenden Wärmetransport ermöglichen. Gemäß der Darstellung hat Wasser [H2O] einen besseren Wärmetransport als Ammoniak [NH3] oder als Methanol [(CH3)OH] oder Acetylen [(CH3)CO].
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Alle Anwendungen die obig auf das Wärmerohr beschrieben wurde sind auch auf den Thermosiphon anwendbar, da aufgrund der Rotationsernergie der Wärmetransport verbessert wird.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Starter
- 2
- Spulen
- 3
- Wärmeleitring
- 4
- Wärmerohr gerade
- 4`
- Wärmerohr nicht gerade
- 5
- Welle
- 6
- Rotor
- 7
- Ölnebel
- 8
- Gehäuse
- 9
- Ölrücklauf
- 10
- Ölzulauf
- 11
- Ölrücklauf
- 12
- Kurzschlusskäfig
- 13
- Ölleitung
- 14
- Ölauslaß
- 15
- Öleinlaß
- M
- Elektromaschine
- G
- Getriebe
- P
- Ölpumpe
- K
- Ölkühler
- Ök
- Ölkreislauf
- D
- Drehrichtung
- Wk
- wärmeleitende Mittel Richtung Wärmesenke
- Dr
- wärmeleitende Mittel Richtung Dampfraum
- S
- Steg
- Dp
- Drehpunkt
- V
- Ventil
- R
- Riefen
- MF
- wärmeleitendes Mittel flüssig
- MG
- wärmeleitendes Mittel gasförmig
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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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