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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Wärmeübertrager für ein Kraftfahrzeug mit jeweils längsendseitig in einem eingangsseitigen und einem ausgangsseitigen Rohrboden gefangenen Rohren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft außerdem eine Turbulenzeinlage für einen derartigen Wärmeübertrager.
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Aus der
WO 2009/120128 A1 ist ein gattungsgemäßer Wärmeübertrager mit jeweils längsendseitig in einem eingangsseitigen und einem ausgangsseitigen Rohrboden gefangenen Rohren bekannt, wobei die Rohre einen ersten Strömungskanal für ein erstes Medium, beispielsweise Abgas, bilden und mit einem die Rohrböden und die Rohre umfassenden Gehäuse mit einem Einlass und einem Auslass. In dem Gehäuse verläuft zwischen den Rohren ein zweiter Strömungskanal für ein zweites Medium, beispielsweise für Kühlmittel. Das erste und das zweite Medium durchströmen dabei den Wärmeübertrager im Gegenstrom. Zusätzlich sind zwischen den Rohren im zweiten Strömungskanal Turbulenzeinlagen angeordnet, die im Wesentlichen quer zur Strömungsrichtung des zweiten Mediums verlaufende Kanäle mit durchlässigen Seitenwänden für das zweite Medium bilden und einen Wärmeübertrag zwischen dem zweiten Medium und den Rohren verbessern sollen. Die Turbulenzeinlage ist dabei zumindest ein Trennwandkanal mit geschlossenen Seitenwänden vorgesehen. Dieser Trennwandkanal soll eine vordefinierte Strömung im zweiten Strömungskanal erzwingen, um dadurch insbesondere die Gefahr von sogenannten Totbereichen, in welchen kein ausreichender Wärmeübertrag erfolgt und beispielsweise ein Sieden eines Kühlmittels zu befürchten ist, vermieden werden können.
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Aus der
EP 1 707 911 B1 ist ein weiterer Wärmeübertrager in der Art eines Ladeluftkühlers für ein Kraftfahrzeug bekannt, bestehend aus einer Vielzahl von Flachrohren, die in Sammelkästen münden und von einem gasförmigen Medium, beispielsweise Abgas, durchströmt sind. Zwischen den Flachrohren verläuft dabei ein Strömungspfad für ein Kühlmittel, der von einem die Flachrohre umfassenden Gehäuse mit einem entsprechenden Ein- und Auslass für das Kühlmittel begrenzt wird. Das Gehäuse setzt sich dabei aus zwei Seitenteilen und zwei Deckeln zusammen, wobei die Seitenteile mit einem Block aus Flachrohren, Rohrböden und Strömungspfaden verlötet sind. An den Deckeln befinden sich die Ein- und Auslässe für das Kühlmittel. Die Deckel sind darüber hinaus mit den Seitenteilen und mit den Rohrböden verschweißt, wogegen die Sammelkästen mit den Rohrböden mechanisch verbunden sind. Hierdurch soll es möglich sein, den Wärmeübertrager kostengünstig herzustellen.
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Mit zunehmender thermischer Last (Temperatur und Ladeluftdurchsatz) erhöht sich naturgemäß auch die Wärmestromdichte in einem Bodenbereich eines Rohrbündelladeluftkühlers. Bauart bedingt ist dabei die Kühlmitteldurchströmung in Bodennähe vergleichsweise schlecht, wodurch es unter ungünstigen Umständen zu Siedeeffekten in diesen Bereichen kommen kann. Ein derartiges Sieden des Kühlmittels ist jedoch unbedingt zu vermeiden. Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich daher mit dem Problem, für einen Wärmeübertrager der gattungsgemäßen Art eine verbesserte oder zumindest eine alternative Ausführungsform anzugeben, die insbesondere eine Siedegefahr eines Kühlmittels reduziert.
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Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Die vorliegende Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, einen Trennwandkanal in eine Turbulenzeinlage eines an sich bekannten Wärmeübertragers zu integrieren, wobei dieser Trennwandkanal erfindungsgemäß an beiden Längsenden offen ausgebildet und dadurch durchströmbar ist. Hierdurch kann insbesondere in einem siedegefährdeten Bodenbereich eine deutlich verbesserte Kühlmittelströmung erzwungen werden, wodurch die dort herrschende Siedegefahr erheblich reduziert werden kann. Zugleich kann auch die Siedegefahr im Bereich des Trennwandkanals signifikant gesenkt werden, da durch das Strömen des Kühlmittels im Trennwandkanal ein verbesserter Wärmetausch und damit auch eine verbesserte Wärmeabfuhr erzwungen werden können. Durch den erfindungsgemäß durchströmbaren Trennwandkanal kann auch ein Druckverlust innerhalb des Wärmeübertragers reduziert werden, da sich das Kühlmittel in dem Trennwandkanal nicht mehr staut, sondern ebenfalls fließt. Durch den erfindungsgemäß ausgebildeten Trennwandkanal kann insbesondere ein Bodenbereich des eingangsseitigen Rohrbodens besser mit Kühlmittel durchströmt und dort die auftretende Siedegefahr reduziert werden.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung ist die zumindest eine Turbulenzeinlage als Blechstanzteil ausgebildet. Das Herstellen der Turbulenzeinlage als kann eine besonders wirtschaftliche und kostengünstige Fertigung ermöglichen, wobei der Trennwandkanal beispielsweise durch eine entsprechende Welle gebildet sein kann. Die Turbulenzeinlage wird dabei zunächst gewalzt und in einem zweiten Fertigungsschritt wird die Trennwand eingestanzt. Üblicherweise sind dabei sämtliche im Gehäuse angeordneten Turbulenzeinlagen als Gleichteile ausgebildet, was die Teilevielfalt reduziert und die Herstellungskosten weiter senkt.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung sind sowohl der Einlass als auch der Auslass an einem Oberteil des Gehäuses angeordnet und der Trennwandkanal verläuft im Wesentlichen orthogonal vom Oberteil zu einem Unterteil des Gehäuses. Der Trennwandkanal ist dabei jedoch in jedem Fall kürzer als die gesamte Höhe zwischen Unterteil und Oberteil des Gehäuses und ermöglicht somit einen hinsichtlich der Strömung beschleunigten Durchtritt von Kühlmittel im nicht durch den Trennwandkanal verschlossenen Bereich. Üblicherweise besitzt der Trennwandkanal einen Abstand h zu einem unteren Rand der Turbulenzeinlage und damit auch zu einem Unterteil des Gehäuses und einen Abstand h1 zu einem oberen Rand der Turbulenzeinlage und erzwingt dadurch eine verbesserte Kühlmittelströmung in einem besonders siedegefährdeten, bodennahen Bereich des Wärmeübertragers, wobei durch die beiden Abstände h, h1 zum Unterteil und zum Oberteil des Gehäuses bzw. zum oberen und unteren Rand der Turbulenzeinlage zugleich eine Durchströmung des Trennwandkanals mit Kühlmittel möglich ist, so dass auch in diesem Bereich keine Siedegefahr mehr auftritt. Zusätzlich oder alternativ ist auch vorstellbar, dass der Trennwandkanal bis zum oberen Rand der Turbulenzeinlage durchläuft und das Oberteil des Gehäuses im Bereich des Trennwandkanals eine Ausbuchtung aufweist, über die wiederum der Abstand h1 definiert wird.
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Rein theoretisch ist auch vorstellbar, dass der Trennwandkanal einen Abstand h zum unteren Rand der Turbulenzeinlage aufweist und bis zum oberen Rand durchgeht, wobei jedoch eine dem Einlass (Kühlmitteleinlass) zugewandte Seitenwand des Trennwandkanals im Bereich des oberen Randes ausgeklinkt ist und darüber die Durchströmung des Trennwandkanals ermöglicht wird. Bereits diese nicht abschließende Aufzählung lässt erahnen, welch mannigfaltige Möglichkeiten zum Durchströmen des Trennwandkanals durch entsprechende Ausgestaltungen möglich sind. Wichtig ist dabei lediglich, dass der Trennwandkanal auf jeden Fall beabstandet zum Unterteil des Gehäuses endet, um dort einen Durchfluss des Kühlmittels und einen verbesserten Wärmeaustausch im Bodenbereich des Wärmeübertragers zu ermöglichen und gleichzeitig an seinem oberen Längsende irgendeine Art von Öffnung hat, um ein Durchströmen mit Kühlmittel zu ermöglichen und damit ein Stauen des Kühlmittels im Trennwandkanal zu vermeiden. Das Stauen des Kühlmittels im Trennwandkanal birgt nämlich nicht nur die Gefahr eines lokal auftretenden Siedens, sondern erhöht zudem auch den Druckverlust.
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Zweckmäßig sieht zumindest eine Turbulenzeinlage eine Höhe 50 mm < H < 96 mm, insbesondere 64 mm oder 80 mm, auf, wobei der Trennwandkanal um die Höhe 10 mm < h < 20 mm kürzer ist als die Höhe H der Turbulenzeinlage. Ein Verhältnis zwischen der Höhe H, der Turbulenzeinlage und des Abstandes h des Trennwandkanals vom unteren Rand der Turbulenzeinlage liegt zwischen 2,5 und 9,6, vorzugsweise bei ca. 6,4. Mit zunehmendem Verhältnis verringert sich der Querschnitt des für Kühlmittel durchlässigen Bereichs, wodurch sich der Kühlmitteldruckverlust erhöht, da das Kühlmittel in dieser Engstelle beschleunigt werden muss. Hieraus wiederum ergibt sich ein erhöhter Geschwindigkeitsvektor direkt zum eingangsseitigen Rohrboden hin.
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Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Komponenten beziehen.
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Es zeigen, jeweils schematisch,
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1 eine Schnittdarstellung durch einen erfindungsgemäßen Wärmeübertrager,
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2 eine mögliche Ausführungsform einer Turbulenzeinlage für einen gemäß der 1 gezeigten erfindungsgemäßen Wärmeübertrager,
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3, 4 unterschiedliche Ausführungsformen einer erfindungsgemäßen Turbulenzeinlage,
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5, 6 eine Schnittdarstellung durch die erfindungsgemäße Turbulenzeinlage im Bereich eines Trennwandkanals bei unterschiedlichen Ausführungsformen,
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7 eine mögliche Strömungsführung eines Kühlmittelstroms durch die erfindungsgemäße Turbulenzeinlage bei einem Trennwandkanal mit ausgeklinkter Seitenwand,
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8 eine Frontalansicht auf die gemäß der 7 gezeigte Turbulenzeinlage,
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9 eine weitere mögliche Ausführungsform der Turbulenzeinlage.
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Entsprechend der 1, weist ein erfindungsgemäßer Wärmeübertrager 1, der beispielsweise als Ladeluftkühler oder Abgaskühler ausgebildet sein kann, Rohre 2, insbesondere Flachrohre auf, die längsendseitig in einem eingangsseitigen Rohrboden 3 und in einem ausgangsseitigen Rohrboden 4 gefangen sind. Eingangsseitig und ausgangsseitig wird dabei in Bezug zu einer Strömungsrichtung eines ersten Mediums 5, beispielsweise Ladeluft oder Abgas, gesetzt, welches durch Rohre 2 strömt. Der gemäß der 1 dargestellte Wärmeübertrager 1 ist somit von links nach rechts von dem ersten Medium 5, beispielsweise Abgas, durchströmt. Die Rohre 2 bilden zusammen mit den beiden Rohrböden 3, 4 und einem diese umfassenden Gehäuse 6 einen zweiten Strömungskanal für ein zweites Medium 7, beispielsweise Kühlmittel. An dem Gehäuse 6 ist dabei ein Einlass 8 (Kühlmitteleinlass) sowie ein Auslass 9 (Kühlmittelauslass) angeordnet. Das erste und zweite Medium 5, 7 durchströmen dabei den Wärmeübertrager 1 im Parallelstrom, hier im Gegenstromverfahren. Selbstverständlich ist dabei auch denkbar, dass die beiden Medien 5, 7 den Wärmeübertrager 1 im Gleichstrom durchströmen. Zwischen den einzelnen Rohren 2 sind in dem zweiten Strömungskanal zudem Turbulenzeinlagen 10 (vgl. auch die 2 bis 8) angeordnet, die im Wesentlichen parallel zur Strömungsrichtung des ersten und zweiten Mediums 5, 7 verlaufende Kanäle 11 mit durchlässigen Seitenwänden 12 für das zweite Medium 7 bilden. Aus den Seitenwänden 12 sind dabei Turbulenzelemente 13 ausgestanzt, die eine Verwirbelung des zweiten Mediums 7 erzwingen und dadurch einen verbesserten Wärmeübertrag bewirken. Je Turbulenzeinlage 10 ist darüber hinaus zumindest ein Trennwandkanal 14 mit geschlossenen Seitenwänden 15 vorgesehen. Dieser Trennwandkanal 14 ist an zumindest einem Längsende, hier am unteren Längsende, vom Gehäuse 6, hier vom unteren Teil 18 bzw. vom Rand 20', beabstandet und schafft dadurch einen Durchgang 22 für das zweite Medium 7 mit der Höhe h. Erfindungsgemäß ist nun dieser zumindest eine Trennwandkanal 14 an beiden Längsenden offen ausgebildet und dadurch in im Gehäuse 6 eingebauten Zustand von dem zweiten Medium 7, das heißt von Kühlmittel, durchströmbar. Durch den im Wesentlichen quer zur Strömungsrichtung des ersten Mediums 5 und quer zu den Kanälen 11 angeordneten Trennwandkanal 14, wird eine Umlenkung des zweiten Mediumstroms 7 dahingehend erzwungen, dass dieser einen besonders siedegefährdeten Bereich 16 (vgl. 1) besonders gut durchströmt und dort ein unerwünschtes Sieden des zweiten Mediums 7, das heißt des Kühlmittels, verhindert. Der Trennwandkanal 14 weist üblicherweise einen Abstand 25 mm ≤ B ≤ 45 mm von dem eingangsseitigen Rohrboden 3 auf.
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Die Turbulenzeinlage 10 kann dabei in fertigungstechnisch einfacher und zugleich kostengünstiger Weise als Blechstanzteil ausgebildet sein, wobei selbstverständlich auch andere Ausführungsformen als gewalztes Bauteil, denkbar sind.
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Betrachtet man die 1, so kann man erkennen, dass sowohl der Einlass 8 als auch der Auslass 9 an einem Oberteil 17 des Gehäuses 6 angeordnet sind und der Trennwandkanal 14 im Wesentlichen orthogonal vom Oberteil 17 zu einem Unterteil 18 des Gehäuses 6 verläuft. Der Trennwandkanal 14 ist dabei wie in 1 gezeigt, im Bereich des Auslasses 9 angeordnet.
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Betrachtet man die 1 genauer, so kann man erkennen, dass das Oberteil 17 im Bereich des Trennwandkanals 14 eine Ausbuchtung 19 ausweist, welche es selbst bei einem in diesem Bereich bis zum Rand 20 der Turbulenzeinlage 10 reichenden Trennwandkanal 14 ermöglicht, diesen in diesem Bereich offen auszubilden. Weist das Oberteil 17 eine derartige Ausbuchtung 19 auf, so kann beispielsweise eine gemäß der 2 dargestellte Turbulenzeinlage 10 eingesetzt werden, ohne dass befürchtet werden muss, dass der Trennwandkanal 14 am oberen Ende verschlossen ist, wie dies bei einem Oberteil 17 ohne eine derartige Ausbuchtung 19 der Fall wäre.
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Weist das Oberteil 17 keine solche Ausbuchtung 19 auf, so kann die Turbulenzeinlage 10 beispielsweise wie in 3 gezeigt ist ausgebildet werden, wobei in diesem Fall der Trennwandkanal 14 einen Abstand h zu einem unteren Rand 20' bzw. zum Unterteil 18 und einen Abstand h1 zum oberen Rand 20 der Turbulenzeinlage 10 bzw. zum Oberteil 17 des Gehäuses 6 aufweist. Der eigentliche Trennwandkanal 14 ist somit um die Summe der beiden Abstände h und h1 kürzer als die gesamte Höhe H der Turbulenzeinlage 10.
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Betrachtet man die Turbulenzeinlage 10 gemäß den 1 und 3, so besitzt diese eine Höhe H zwischen 50 und 96 mm, insbesondere von ca. 64 oder 80 mm, wobei der Trennwandkanal 14 um den Abstand h kürzer ist als die Höhe H der Turbulenzeinlage 10. Die Höhe h, das heißt der Abstand zum Rand 20 beträgt dabei zwischen 10 und 20 mm. Ein Verhältnis zwischen der Höhe H und der Höhe h, das heißt zwischen der Höhe H der Turbulenzeinlage 10 und dem Abstand des Trennwandkanals 14 vom Rand 20 beträgt dabei zwischen 2,5 und 9,6, vorzugsweise ca. 6,4 oder 8. Bei einem derartigen Verhältnis lässt sich sowohl die Gefahr des Siedens des Kühlmittels optimal reduzieren als auch ein Druckverlust innerhalb des Wärmeübertragers 1 noch in einem tolerierbaren Maß halten.
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In 4 ist nochmals die Turbulenzeinlage 10 gemäß der 2 in einer perspektivischen Ansicht dargestellt.
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Zusätzlich oder alternativ zu dem im Bereich des Oberteils 17 zurückgesetzten Trennwandkanal 14 kann dieser auch einen Abstand h zum unteren Rand 20' aufweisen und ist zum Oberteil 17, das heißt bis zu einem Rand 20 (vgl. 8) der Turbulenzeinlage 10 durchgehend, wobei jedoch eine dem Einlass 8 zugewandte Seitenwand 15a des Trennwandkanals 14 im Bereich des oberen Randes 20 ausgeklinkt ist. Auch hierdurch kann eine Durchströmung des Trennwandkanals 14 und damit ein verbesserter Wärmeübertrag in diesem Bereich erzielt werden. Außerdem kann eine den Druckverlust steigernde Stauung des Kühlmittels, das heißt des zweiten Mediums 7, im Trennwandkanal 14 zuverlässig vermieden werden. Die Ausklinkung 21 ist dabei an den Turbulenzeinlagen 10 gemäß den 7 und 8 dargestellt.
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Betrachtet man nochmals die 5 und 6, so kann man an diesen unterschiedliche Ausführungsformen des Trennwandkanals 14 erkennen. Hergestellt wird der Trennwandkanal 14 einer derartigen Turbulenzeinlage 10 beispielsweise durch unterschiedliche Verfahrensschritte, wobei in einem ersten Schritt zunächst im Bereich des Trennwandkanals 14 einen Wellenstruktur eingebracht, beispielsweise gewalzt oder gestanzt wird, woraufhin in einem zweiten Verfahrensschritt dann der nicht durchgängige Trennwandkanal 14 in diesem Bereich eingeprägt wird. Dies kann selbstverständlich vollautomatisch erfolgen.
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Betrachtet man die Turbulenzeinlage 10 gemäß der 9, so dass kann man erkennen, dass der Trennwandkanal 14 auch hier einen Abstand h zum unteren Rand 20' der Turbulenzeinlage 10 aufweist und in dem nicht durch den Trennwandkanal 14 belegten Bereich die Kanäle 11 durchgehen. Dies bedeutet, dass der Trennwandkanal 14 nicht ausgeklinkt oder längsendseitig ausgestanzt sein muss und trotzdem einen Durchgang 22 für das zweite Medium 7 bildet. Es entfällt somit das Ausstanzen.
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Mit dem erfindungsgemäßen Wärmeübertrager 1 und den erfindungsgemäßen Turbulenzeinlagen 10 kann insbesondere eine deutliche verbesserte Kühlmitteldurchströmung bei indirekten Ladeluftkühler, in Rohrbündelbauweise erreicht werden, wodurch insbesondere die Gefahr einer Siedeneigung erheblich verringert werden kann. Durch das Vermeiden des Siedens des zweiten Mediums 7, das heißt des Kühlmittels, kann zudem auch die Haltbarkeit des zweiten Mediums 7, insbesondere des Kühlmittels, verbessert werden, da bei einem Sieden ein Abbau von Inhibitoren im Kühlmittel erfolgt und darüber hinaus überhöhte thermisch bedingte Spannungen auftreten. Durch die Integration des Trennwandkanals 14 in die Turbulenzeinlage 10 lässt sich zudem die Teilevielfalt reduzieren.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2009/120128 A1 [0002]
- EP 1707911 B1 [0003]
