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Die Erfindung betrifft einen Energiespeicher für einen Kraftwagen, mit einem durch ein Energiespeichergehäuse begrenzten Energiespeicherinnenraum und mit einer Öffnung zum Gasaustausch zwischen dem Energiespeicherinnenraum und der Umgebung.
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Der Einsatz derartiger Energiespeicher ist insbesondere im Kraftfahrzeugsektor weit verbreitet. Je nach Bauart des Energiespeichers kann es jedoch zu ungewollter Energiefreisetzung, beispielsweise in Form von einem erhöhten Innendruck im Energiespeicher, kommen, welcher gegenüber der Umgebung gezielt abzubauen ist, um einen Strukturschaden am Energiespeicher zu vermeiden.
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So ist beispielsweise aus der
DE 10 2007 063 191 A1 ein als Batterie ausgebildeter Energiespeicher bekannt, welcher ein blattfederbelastetes Ventil als Vorrichtung zur Verringerung des Innendrucks aufweist. Das Ventil öffnet dabei selbständig bei einem bestimmten Innendruckgrenzwert, und ermöglicht ein Ausströmen von Gas aus der Batterie. Nach erfolgtem Druckabbau schließt das Ventil wiederum selbständig.
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In der
EP 1 717 884 A1 ist ein Entgasungsventil für Säurebatterien offenbart, welches eine durch mehrere Vliese gebildete Filtereinheit aufweist. Diese Filtereinheit ist gasdurchlässig und verhindert ein Austreten von Flüssigkeit aus einer Batterie. Eine ähnliche Funktionsweise ist in der
US 4400450 beschrieben, welche einen Entlüftungsstutzen für eine Batterie zeigt, mittels welchem ein Gasaustausch mit der Umgebung herbeigeführt werden kann, ohne dass dabei ätzende Batteriesäure an die Umgebung gelangt.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Energiespeicher der eingangs genannten Art zu schaffen, welcher eine besonders hohe Betriebssicherheit aufweist.
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Diese Aufgabe wird durch einen Energiespeicher mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Die Erfindung geht von einem Energiespeicher für einen Kraftwagen, mit einem durch ein Energiespeichergehäuse begrenzten Energiespeicherinnenraum und mit einer Öffnung zum Gasaustausch zwischen dem Energiespeicherinnenraum und der Umgebung aus. Durch diese Öffnung kann beispielsweise ein Druckausgleich mit der Umgebung erfolgen.
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Erfindungsgemäß weist der Energiespeicher wenigstens eine den Energiespeicherinnenraum zumindest bereichsweise in einen Abbremsbereich und in einen Restbereich unterteilende Fangvorrichtung auf, mittels welcher bei einer Energiefreisetzung in dem Energiespeicherinnenraum in Richtung der Öffnung beschleunigte Energiespeicherelemente vor dem Erreichen der Öffnung in oder an dem Abbremsbereich abfangbar sind. Die Fangvorrichtung fängt also zumindest einen Teil der Energiespeicherelemente ab und verhindert dadurch, dass diese an die Öffnung gelangen und diese verstopfen. Ein Verstopfen der Öffnung könnte zu einem erheblichen Schaden an dem Energiespeicher führen, da im Falle eines zumindest teilweisen Verschließens der Öffnung durch die Energiespeicherelemente ein nur unzureichender Gasaustausch mit der Umgebung erfolgen kann. Steht der Energiespeicher beispielsweise unter erhöhtem Druck, so ist es besonders wichtig, dass die Öffnung frei gehalten wird, um einen zügigen Druckausgleich mit der Umgebung zu ermöglichen. Ist der Energiespeicher beispielsweise als Batterie ausgebildet, so können sogenannte Venting-Partikel unterschiedlicher Größe durch die Fangvorrichtung abgefangen, bzw. aufgehalten werden, bevor diese an die Öffnung gelangen. Im Falle einer Schädigung der Batterie, bei welcher die Energiespeicherelemente – beispielsweise infolge einer lokal begrenzten Explosion eines Zellblocks der Batterie – als flüssige oder erschmolzene Materialien und zusätzlich oder alternativ als Festkörper, bzw. Bruchstücke vorliegen, verhindert die Fangvorrichtung besonders wirksam ein Verstopfen der Öffnung durch diese Energiespeicherelemente. Die Fangvorrichtung begrenzt den besagten Abbremsbereich und baut die kinetische Energie etwaiger Energiespeicherelemente in oder an dem Abbremsbereich ab und verhindert gleichzeitig das Verstopfen der Öffnung. Dies führt zu einer besonders hohen Betriebssicherheit des Energiespeichers.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform weist die Fangvorrichtung wenigstens ein Gitterelement auf. Das Gitterelement ermöglicht ein gezieltes Abfangen einzelner Energiespeicherelemente, so dass – je nach Maschenweite des Gitterelements – beispielsweise nur besonders große Energiespeicherelemente abgefangen werden. Ein Gitterelement weist – im Gegensatz zu einem Gewebe, wie es ein Filter oder ein Vlies darstellt – einen besonders geringen Strömungswiderstand auf, wenn es von Gas durchströmt wird. Somit behindert das Gitterelement einen etwaigen Druckausgleich mit der Umgebung nur unwesentlich.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform unterteilt die Fangvorrichtung den Abbremsbereich in eine Mehrzahl von Teilbereichen, welche durch mehrere rechtwinkelig, oder spitzwinkelig, oder stumpfwinkelig zueinander angeordnete Verbindungsöffnungen miteinander verbunden sind. Die Teilbereiche können dabei durch einzelne Trennwände unterteilt sein, wobei die Trennwände labyrinthartig angeordnet sind. Durch diese labyrinthartige Anordnung fluchten die Verbindungsöffnungen nicht miteinander, so dass ein Abprallen der Energiespeicherelemente nahezu sichergestellt werden kann, bevor diese die Öffnung erreichen.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist die Fangvorrichtung einen Entlüftungskanal auf, über welchen Gas unter Vermittlung der Öffnung zwischen dem Energiespeicherinnenraum und der Umgebung austauschbar ist. Der Entlüftungskanal kann beispielsweise wenigstens einen Winkel zum Umlenken der Energiespeicherelemente aufweisen. Dies stellt eine besonders einfache Maßnahme dar, um zu vermeiden, dass die Energiespeicherelemente die Öffnung erreichen.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform umfasst die Fangvorrichtung ein Steuergerät und/oder ein Elektronikbauteil. Ist der Energiespeicher beispielsweise als elektrischer Energiespeicher ausgestaltet, so können Steuerorgane bzw. Regelorgane, wie das Steuergerät und zusätzlich oder alternativ das Elektronikbauteil als Teile der Fangvorrichtung eingesetzt werden. Somit kann auf bereits vorhandene Komponenten des Energiespeichers zur Gestaltung der Fangvorrichtung zurückgegriffen werden, was eine besonders kostengünstige Gestaltung des Energiespeichers erlaubt.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist der Energiespeicher eine Batterie. In einer Batterie kann die Fangvorrichtung besonders effektiv eingesetzt werden, um gezielt diejenigen Energiespeicherelemente vor dem Erreichen der Öffnung abzufangen, welche die Öffnung verstopfen können.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen und bevorzugte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Haltevorrichtung sind auch als vorteilhafte Ausgestaltungen und bevorzugte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Halteanordnung anzusehen und umgekehrt.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
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Dabei zeigen die 1 bis 6 jeweils schematische Schnittdarstellungen verschiedener Ausführungsformen eines erfindungsgemäßen Energiespeichers.
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In den Figuren sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit denselben Bezugszeichen versehen.
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Die 1 bis 6 zeigen jeweils verschiedene Ausführungsformen eines vorliegend als Batterie ausgebildeten Energiespeichers 10. Der Energiespeicher 10 kann als Fahrzeugbatterie und dementsprechend beispielsweise als Hochvolt-Batterie ausgebildet sein. Hochvolt-Batterien für Fahrzeuganwendungen besitzen häufig aufgrund ihrer hohen Anforderungen an Berührschutz und Dichtigkeit eine sogenannte Berstöffnung bzw. Berstschutzeinheit, welche im Folgenden vereinfacht als Öffnung 22 bezeichnet wird. Die Berstöffnung, welche beispielsweise auch einen Berstscheiben-Mechanismus umfassen kann, dient dazu einen internen Batterie-Überdruck gegenüber der Umgebung 24 abbauen zu können und eine Zerstörung der Batterie zu vermeiden.
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Die in einem Energiespeichergehäuse 12 des Energiespeichers 10 vorgesehene Öffnung 22 kann beispielsweise als zerstörbarer Membranverschluss oder alternativ dazu als Sollbruchstelle und somit als aufreißbarer Gehäusebereich also als lokale Schwächung ausgebildet sein, um nur einige mögliche Ausführungsformen zu nennen. Die Öffnung 22 ist jedoch anfällig gegenüber Verstopfungen bzw. Blockaden. Gleiches gilt für die Anfälligkeit von Auslösemechanismen (wie beispielsweise bei Druck öffnenden Ventilen), welche die Öffnung 22 bei einem Druckabbau freigeben sollen. Bei diesem Druckabbau soll aus einem Energiespeicherinnenraum 14 des Energiespeichers 10 eine Entspannung über die Öffnung 22 erfolgen, wobei Gas über die Öffnung 22 an die Umgebung 24 ausströmt.
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So können z. B. bestimmte Energiespeicherelemente 26a, zu denen beispielsweise schmelzende Materialien, Partikel oder Bruchstücke gehören, die Öffnung 22 verstopfen, insbesondere wenn die Öffnung 22 in tiefen Bereichen des Energiespeichers 10 und somit, wie beispielsweise in 1 und 3 gezeigt, nur knapp oberhalb einer Füllhöhe H für Schmelzgut liegt, oder wie in 2 und 4, 5 und 6 gezeigt, sogar geodätisch tiefer liegt, als die Füllhöhe H. Das Verstopfen führt in der Folge zu unkontrollierbaren Beschädigungen am Energiespeichergehäuse 12 bzw. zur Überlastung von hier nicht näher beschriebenen Dichtungsbereichen und undefinierter Abblasung des Überdrucks (sogar außerhalb der Öffnung 22). Es kann jedoch auch sinnvoll sein, andere Energiespeicherelemente 26b, welche beispielsweise Venting-Partikel darstellen und somit kleiner sind als die Energiespeicherelemente 26a, an die Öffnung 22, bzw. durch die Öffnung 22 an die Umgebung 24 gelangen zu lassen, um einen zügigen Druckabbau zu gewährleisten.
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Um die Gefahr einer Verstopfung der Öffnung 22 zumindest weitgehend zu unterbinden und damit dem Energiespeicher 10 eine besonders hohe Betriebssicherheit zu verleihen, weist der Energiespeicher 10 wenigstens eine den Energiespeicherinnenraum 14 zumindest bereichsweise in einen Abbremsbereich 16 und in einen Restbereich 20 unterteilende Fangvorrichtung 30 auf, mittels welcher bei einer Energiefreisetzung in dem Energiespeicherinnenraum 14 die in Richtung der Öffnung 22 beschleunigten Energiespeicherelemente 26a vor dem Erreichen der Öffnung 22 in oder an dem Abbremsbereich 16 abfangbar sind. Die Fangvorrichtung 30 ist in den vorliegenden Ausführungsbeispielen so ausgelegt, dass die Energiespeicherelemente 26b (Venting-Partikel) an die Öffnung 22 und durch diese an die Umgebung 24 gelangen können.
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In den 1 bis 6 weist der Energiespeicher 10 wenigstens einen, aus mehreren Einzelzellen gebildeten Zellblock 28 auf, von welchem die Energiespeicherelemente 26a, 26b aus in Richtung der Öffnung 22 beschleunigt werden, sofern es zu einem Schaden an dem Energiespeicher kommt. Mit dem Begriff „beschleunigen” sollen auch Umstände umfasst sein, wonach die Energiespeicherelemente 26a, 26b auch an dem Energiespeichergehäuse 12 abprallen können und erst dann in Richtung der Öffnung 22 bewegt werden.
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1 und 3 zeigen jeweils Ausführungsformen des Energiespeichers 10, in welchen die Fangvorrichtung 30 ein Gitterelement 32 aufweist. In 1 umschließt das Gitterelement 32 die Öffnung 22 unter besonders raumgreifender Begrenzung des Abbremsbereichs 16. Durch diese raumgreifende des Abbremsbereichs 16 und damit des Gitterelements 32 ist der Restbereich 20 des Energiespeicherinnenraums 14 entsprechend kleiner. In 3 hingegen ist das Gitterelement 32 direkt an der Öffnung 22 angebracht, wodurch der Abbremsbereich 16 im Gegensatz zum in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel besonders kompakt ist. Dementsprechend ist der Restbereich 20 in 3 größer, als in 1. Das Gitterelement 32, welches auch eine Gittereinheit bilden kann, kann auch als Netz ausgebildet sein, dessen Maschenweite ausgelegt ist um die unkritischen kleinen Energiespeicherelemente 26b zu der Öffnung 22 durchzulassen, wohingegen die kritischen und größeren Energiespeicherelemente 26a abgefangen werden. Um ein Verstopfen der Schutzgitter-Einheit (Gitterelement 32) zu vermeiden, ist deren Oberfläche hinreichend groß ausgeführt. Ausführungskriterien sind Anzahl und Art der möglichen Partikel, die nicht zu einer Reduzierung eines notwendigen, für Venting-Gase bzw. Venting-Substanzen 40 passierbaren Venting-Querschnitts der Öffnung 22 führen. Dabei ist auch der Einfluss der möglichen Schmelzgut-Füllhöhe H zu berücksichtigen.
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Die in 3 gezeigte Ausführungsform der Fangvorrichtung 30 kann z. B. bei geringen Bauraumreserven verwendet werden. In 3 ist das Gitterelement 32 der Öffnung 22 derart vorgeschaltet, dass nicht die gesamte Berstschutzeinrichtung im Energiespeicherinnenraum 14 abgesichert ist, sondern nur der Einlassbereich der Venting-Substanzen 40 bzw. Venting-Gase. Hierbei ist jedoch abzusichern, dass die Anzahl der potentiell kritischen Partikel nicht den notwendigen Restquerschnitt überschreitet.
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Das Schutzgitter (Gitterelement 32) muss nicht unbedingt als Gitter, sondern kann auch in Form eines Netzes oder groß-porigen Materials wie es z. B. Keramiken oder Filze und Gewebe darstellen, ausgeführt sein. Wichtig bei der Auslegung ist die Absicherung einer entsprechend chemischen und thermischen sowie mechanischen Beständigkeit des Materials gegenüber Chemikalien, kritischen Temperaturbereichen oder auch Druckstößen und Partikel-Einschlägen.
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Ein Verstopfen des Gitterelements 32 kann auch durch ein kaskadiertes Vorschalten (nicht dargestellt) von Netzen, Gittern und zusätzlich oder alternativ porösen Strukturen verbessert werden, wobei die abgeschiedenen Partikel immer kleiner werden und somit nicht alle Partikel auf einer Netz- bzw. Gitterstruktur, bzw. Gitterebene (Energiespeicherelemente 26a, 26b) abzufangen sind.
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Ein ähnliches Prinzip gilt auch bei einer in 2 dargestellten Fangvorrichtung 30, bei welcher ein Labyrinth durch immer enger werdende Abstände mehrerer Prallplatten 19 gebildet wird. Die in 2 veranschaulichte Fangvorrichtung 30 mit den Prallplatten 19 ermöglicht eine tendenziell etwas gröbere Filterung der Energiespeicherelemente 26a, 26b, als die in 1 und 3 vorgestellten Ausführungsformen. Die Prallplatten 19, welche den Abbremsbereich 16 in mehrere Teilbereiche 17a, 17b, 17c unterteilen, sind in einem vertikalen und horizontalen Abstand zueinander angeordnet, so dass die Prallplatten 19 in deren Zusammenwirken mehrere Verbindungsöffnungen 18a, 18b, 18c begrenzen. Die Teilbereiche 17a, 17b, 17c sind dabei durch die rechtwinkelig, oder spitzwinkelig, oder stumpfwinkelig zueinander angeordneten Verbindungsöffnungen 18a, 18b, 18c miteinander verbunden. Dadurch erfolgt die Abscheidung der Partikel vorrangig durch deren Aufprall bzw. Umlenkung an den Prallplatten 19, zumal ein direktes Passieren der Verbindungsöffnungen 18a, 18b, 18c aufgrund deren relativer Anordnung zueinander nicht möglich ist. Durch den Abstand der Platten kann auch eine entsprechende Partikelgröße, deren Passieren zulässig ist, eingestellt werden, so dass dementsprechend wiederum die Energiespeicherelemente 26a am Passieren gehindert werden, wohingegen die Energiespeicherelemente 26b an die Öffnung 22 gelangen dürfen.
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4 und 5 zeigen jeweils eine Ausführungsform, in welcher die Fangvorrichtung 30 einen Entlüftungskanal 34 aufweist, über welchen Gas unter Vermittlung der Öffnung 22 zwischen dem Energiespeicherinnenraum 14 und der Umgebung 24 austauschbar ist.
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Bei besonders hohen Füllhöhen H durch ein Schmelzgut kann das Venting-Gas, bzw. können die Venting-Substanzen 40 auch über den Entlüftungskanal 34, welcher auch als Venting-Kanal bzw. Führungsrohr bezeichnet werden kann, abgeführt werden. In 4 ist der Entlüftungskanal 34 über dessen Haupterstreckungsrichtung an dem Energiespeichergehäuse 34 fixiert und in 5 in freistehender Ausführung, in welcher der Entlüftungskanal 34 lediglich an der Öffnung 22 gehalten ist, gezeigt. Dieser Entlüftungskanal 34 hat durch einen entsprechenden Einlass in sinnvoller Höhe, der auch mit einem Gitter/Netz versehen sein kann, kein Schmelzgut mit daraus resultierender Verstopfung zu erwarten. Die Berstschutzeinheit (Öffnung 22) kann prinzipiell von Schmelzgut überflutet sein, da die Einlassöffnung des Entlüftungskanals 34 für die Venting-Gase über der kritischen Füllhöhe H liegt.
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6 zeigt schließlich einen anderen Ansatz zur Partikel-Abscheidung, um Verstopfungen/Blockaden der Berstschutzeinheit (Öffnung 22) zu vermeiden. Hierbei umfasst die Fangvorrichtung 30 ein Steuergerät 36, sowie ein vorliegend als Stromschiene ausgebildetes Elektronikbauteil 38a und ein als elektrische Einheit (beispielsweise ein Relais) ausgebildetes Elektronikbauteil 38b. Mit anderen Worten umfasst in 6 die Fangvorrichtung 30 Batteriekomponenten/Einbauteile. Hierbei ist deren Anordnung so gewählt, dass durch entsprechend enge Abstände bzw. Hohlräume größere Partikel (Energiespeicherelemente 26a) an einem Durchbruch zur Berstschutzeinheit (Öffnung 22) gehindert werden. Wichtig ist dabei, dass diese Komponenten (Steuergerät 36, Elektronikbauteile 38a, 38b) derartig ausgeführt sind, dass sie nicht selbst zur Bildung kritischer Partikel beitragen oder durch z. B. thermische Einflüsse deformiert werden können und entsprechende, zur Entlüftung notwendige Venting-Spalte verkleinern bzw. verschließen und somit die Berstschutzeinheit (Öffnung 22) verschließen, bzw. zu deren Verstopfung beitragen.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Energiespeicher
- 12
- Energiespeichergehäuse
- 14
- Energiespeicherinnenraum
- 16
- Abbremsbereich
- 17a
- Teilbereich
- 17b
- Teilbereich
- 17c
- Teilbereich
- 18a
- Verbindungsöffnung
- 18b
- Verbindungsöffnung
- 18c
- Verbindungsöffnung
- 19
- Prallplatte
- 20
- Restbereich
- 22
- Öffnung
- 24
- Umgebung
- 26a
- Energiespeicherelement
- 26b
- Energiespeicherelement
- 28
- Zellblock
- 30
- Fangvorrichtung
- 32
- Gitterelement
- 34
- Entlüftungskanal
- 36
- Steuergerät
- 38a
- Elektronikbauteil
- 38b
- Elektronikbauteil
- 40
- Venting-Substanzen
- H
- Füllhöhe
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102007063191 A1 [0003]
- EP 1717884 A1 [0004]
- US 4400450 [0004]
