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Die Erfindung betrifft eine Kühlanlage, die an einem mobil transportablen Container angebracht ist, um den Containerinhalt zu kühlen, die mit Hilfe eines Solarthermiepanels in dem Kühlkreislauf den Stromverbrauch der Kühlanlage reduziert, wobei ein Bypass um das Solarthermiepanel mit einer eigenen Steuereinheit den Kältefluß in der Kühlanlage ständig so reguliert, daß das Solarthermiepanel den Betrieb der Kühlanlage in allen Betriebsmodi positiv unterstützt und den Stromverbrauch senkt. Durch zusätzliche Stromquellen wie PV Anlagen, Wind- und Stromgeneratoren kann die Stromaufnahme von dem Netz weiterhin reduziert werden und die Anlage unter günstigen Umständen autark vom Netz betrieben werden.
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Stand der Technik
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Mobile Kühlcontainer werden heute in hoher Stückzahl in der Schiffahrt eingesetzt. Mit diesen werden temperaturempfindliche Produkte, wie z. B. Obst, Gemüse, Fleisch, Fisch etc. rund um die Welt transportiert. Auf dem Land existieren Kühlhäuser, die ebenfalls Lebensmittel lagern. Diese Kühlhäuser sind für einen wirtschaftlichen Betrieb groß ausgelegt, zu groß für manche Gegenden. In vielen Gegenden vor allem in Entwicklungs- und Schwellenländern gibt es wegen der geforderten Mindestgröße keine Kühlläger, da diese dort nicht ausreichend belegt und damit wirtschaftlich betrieben werden können oder die lokalen Stromnetze für den Betrieb nicht ausreichen. In solchem Fall würden sich mobile und kleinere Kühlcontainer anbieten.
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Kühlcontainer sind auf 3 Größen standardisiert, werden in hohen Stückzahlen hergestellt und sind daher eine wirtschaftliche Alternative zu den Kühlhäusern. Sie zu setzen heutzutage hauptsächlich Kühlanlagen ein, die auf dem Kompressionsprinzip basieren. Gasförmiges Kältemittel wird von einem Kompressor verdichtet und danach in einem Verflüssiger abgekühlt. Das unter Druck stehende Kältemittel wird dabei flüssig, wird durch das Expansionsventil in den Verdampfer im Containerinneren eingespritzt, wo es verdampft. Hierbei entzieht das Kältemittel die Wärme aus am Verdampfer vorbeigeführter Luft, die sich ihrerseits abkühlt. Die heruntergekühlte Luft wird in den abzukühlenden Containerinnenraum geblasen, in dem sie ihrerseits die gelagerten Vorräte abkühlt.
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Der Kompressor des Kältekreislaufes benötigt sehr viel Energie zum Betrieb. Weit über 60% der für den Betrieb einer Kühlanlage notwendigen Energie werden ausschließlich für den Betrieb des Kompressors benötigt.
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Die Kühlanlagen der Container benötigen zum Betrieb elektrische Energie, die meist vom lokalen Stromnetz bereitgestellt wird. In vielen Fällen kann das lokale Stromnetz jedoch die geforderte Strommenge nicht bereitstellen. Dann werden alternative Stromquellen zum Betrieb genutzt, wie Photovolatikanlagen (
DE10011540 ) oder Dieselmotoren mit angeflanschtem Stromgeneratoren (”Dieselgenerator”).
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Die derzeit bekannten Photovoltaikanlagen sind oft zu schwach, um die von der Kühlanlage geforderte Strommenge zu liefern. Häufig reicht die vom Container bereitgestellte Fläche nicht aus, sodaß Ausklappmechanismen eingebaut werden, die seitlich hochklappen und weitere Flächen für Photovoltaikmodule zur Stromgenerierung bereit stellen. (
TWM502671 ,
US2014238467 ,
JP2012246021 ). Diese Mechanismen sind jedoch kompliziert, störanfällig im Betrieb und teuer. Die für den Betrieb der Kühlanlagen notwendige PV Installation ist dann so teuer, daß sich ein wirtschaftlicher Betrieb nicht mehr lohnt oder viele sich die hohe Investition für die PV Anlage nicht leisten können.
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Eine alternative Stromversorgung ist der Einsatz von mit Diesel betriebenen Stromgeneratoren. Diese sind kleine Motoren, die mit Diesel, Benzin oder LPG arbeiten und die einen Stromgenerator antreiben, der dann den Kühlcontainer mit Strom versorgt. Diese sind zwar in der Anschaffung deutlich günstiger als eine äquivalente PV Anlage, jedoch im Betrieb sehr teuer, da ständig der Brennstoff bezahlt werden muß.
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Von solar gestützten Klimaanlagen im Kompressionsprinzip ist bekannt, daß eine dem Kompressor nachgelagerte Erhitzung des Kältemittels den Energiebedarf des Kompressors reduzieren kann. (
US 2012/0117986 A1 ) Die Erwärmung erfolgt im Solarpanel und als Wirkprinzip zur Stromeinsparung wird das ideal Gasgesetz genannt. Die Erfindung bezieht sich ausschließlich auf Klimaanlagen und läßt Kühlanlagen unberücksichtigt.
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Je nach Sonneneinstrahlung wird das Kältemittel, das durch das Solarthermiepanel fliesst, erhitzt oder wenn keine Sonne scheint, abgekühlt. Für den Normalbetrieb der Kühlanlage wirken sich beide Fälle positiv aus.
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Kühlanlagen für den mobilen Kühlcontainer besitzen im Kreislauf Bypässe, die je nach Betriebszustand das vom Kompressor verdichtete und erhitzte Kältemittel sofort nach Verlassen des Kompressors an verschiedene andere Stellen in den Kreislauf einschiessen. Dadurch sollen unter anderem Vereisungen am Verdampfer abgebaut werden, oder die Anlage im Heizmodus betrieben werden, um den Containerinhalt zu erwärmen oder Leistungssteigerungen des Gesamtprozesses erreicht werden. Für diese besonderen Betriebsfälle muß sichergestellt werden, daß das Kältemittel bei fehlendem Sonnenschein nicht durch das Solarthermiepanel abgekühlt wird, da es sich sonst negativ auf den Gesamtprozeß auswirkt. Das Kältemittel darf in diesen Fällen nicht durch das Solarthermiepanel abgekühlt werden.
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Kühlanlagen im Kompressionsprinzip für den mobilen Kühlcontainer haben den Nachteil, daß sie für den Betrieb sehr viel Energie benötigen und ein autarker Betrieb mit zusätzlichen Stromquellen wie PV oder Dieselstromgenerator unwirtschaftlich oder das lokale Stromnetz zu schwach für das Betreiben der Anlage ist. Ein in den Kühlkreislauf integriertes Solarthermiepanel kann den Stromverbrauch senken und damit die beiden genannten Problem umgehen. Je nach Betriebszustand der Kühlanlage muß jedoch das Solarthermiepanel ab- oder zugeschaltet werden, um den gesamten Kühlkreislauf zu unterstützen und nicht nachteilig zu wirken. Damit läßt sich der Stromverbrauch deutlich reduzieren und die Kühlanlage für den jeweiligen Betriebsmodus optimal betreiben. Dieses ist im Rahmen der heutigen Klimadiskussion und damit verbundenen CO2 Problematik besonders wünschenswert. Zudem lassen sich in den vorher beschriebenen Regionen diese Kühlcontainer bezahlbar betreiben. Die Ausschußrate an verdorbenen Lebensmitteln reduziert sich, da sie nun gekühlt werden können, was vorher nicht möglich war
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, mit Hilfe eines in den Kühlkreislauf eingebundenen Solarthermiepanels den Stromverbrauch der Kühlanlage zu senken und den Kältemittelfluß durch das Solarthermiepanel ständig so zu steuern, daß das Solarthermiepanel die Kühlanlage vorteilig unterstützt, indem es den Stromverbrauch senkt, die von der Kühlanlage geforderten Zielparameter schneller erreichen läßt und sich nicht negativ auf einzelne Betriebsfälle auswirkt.
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Die Aufgabe wird gelöst durch die Ausbildung einer Kühlanlage, die wenigstens aus den Bestandteilen Kompressor, Solarthermiepanel, Verflüssiger, Expansionsventil, Verdampfer, Steuereinheit, Kältemittelleitungen, Signalleitungen besteht und die in einem Kühlkreislauf miteinander verbunden sind, wobei die Kältemittelleitungen den Kompressor mit dem Solarthermiepanel, das Solarthermiepanel mit dem Verflüssiger, den Verflüssiger mit dem Expansionsventil, das Expansionsventil mit dem Verdampfer, den Verdampfer wieder mit dem Kompressor verbindet, wobei der Kompressor mit gesteuert veränderbarer Verdichtungsleistung ausgebildet und mit einer Steuereinheit verbunden ist, die mit Druck und/oder Temperatursensoren an den Kältemittelleitungen oder Bestandteilen des Kältekreislaufes und mit dem Kompressor zu dessen Steuerung in Abhängigkeit der ermittelten Druck- und/oder Temperaturwerten derart verbunden sind, daß bei Erreichen eines vorgegeben Drucks oder Temperaturwertes die Verdichtungsleistung des Kompressors gesteuert verändert werden kann.
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Die Aufgabe wird gelöst durch die Ausbildung einer Kühlanlage in der der Kompressor mit veränderbarer Verdichtungsleistung ausgebildet ist und mit der Steuereinheit zur Steuerung der Verdichtungsleistung verbunden ist. Je mehr das Solarthermiepanel zum thermodynamischen Prozeß beiträgt, desto weniger Energie muß der mechanisch arbeitende Kompressor aufbringen. Die Steuereinheit ermittelt die in dem Kältekreislauf vorliegenden Drücke und/oder Temperaturen und regelt aufgrund der vom Nutzer eingestellten Kälteleitung sowie intern vorhandenen Regelalgorithmen die Verdichtungsleistung des mechanisch arbeitenden Kompressors. Die Verdichtungsregelung des Kompressors kann gleitend, zum Beispiel über Änderung der Antriebsdrehzahl oder in Stufen erfolgen. Die Mehrstufigkeit kann auch durch mehrere in Reihe und/oder parallel geschaltete Kompressoren erreicht werden.
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Die Aufgabe wird gelöst durch die Einbindung eines Bypass, bestehend aus zwei Dreiwegeventilen mit Anschluss an ein dezentrale Steuereinheit für den Bypass, Kältemittelleitungen, die die Dreiwegeventile direkt miteinander verbinden, der das Kältemittel am Solarthermiepanel vorbei führt. Dies kann gewünscht sein, wenn zum Beispiel das Kältemittel bei fehlender Sonnenstrahlung abgekühlt wird. Je nach Betriebszustand der Kühlanlage könnte eine Abkühlung des Kältemittels das Erreichen des jeweiligen Betriebszieles erschweren oder unmöglich machen, zum Beispiel die Enteisung des Verdampfers oder den Heizmodus, wenn heisses Kältemittel direkt nach dem Kompressor dort hingeführt und eingespritzt wird. Je nach Integrationsgrad der Gesamtanlage kann die dezentrale Steuereinheit für den Bypass in die zentrale Steuereinheit der Kühlanlage integriert werden.
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Ein zusätzliches Vierwegeventil und eine veränderte Führung der Kältemittelleitungen erlaubt, daß die Kühlanlage mit den Merkmalen aus Anspruch 1 den Containerinhalt auch wärmen kann. Die Aufgabe wird gelöst durch die Ausbildung einer Kühlanlage, die zusätzlich ein mit der Steuereinheit verbundenes Vierwegeventil enthält, wobei die Kältemittelleitungen das Vierwegeventil mit dem Solarthermiepanel und dem Verflüssiger und dem Verdampfer und dem Kompressor verbindet, wobei der Kältemittelfluß durch die Leitungen entweder vom Solarthermiepanel zum Verflüssiger, danach zum Expansionsventil, danach zum Verdampfer, danach wieder zum Vierwegeventil, danach zum Kompressor oder vom Solarthermiepanel zum Verdampfer, danach zum Expansionsventil, danach zum Verflüssiger, danach wieder zum Vierwegeventil, danach zum Kompressor erfolgt, wobei die Stellung des Vierwegeventils und damit die Unterscheidung zwischen Kühlen und Wärmen von der Steuereinheit aufgrund der Nutzervorgaben und/oder den im Kühlkreislauf gemessenen Drücken und/oder Temperaturen gesteuert wird.
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Wird das Vierwegeventil der Kühlanlage für den Heizbetrieb gestellt, so erfolgt der Kältemittelfluß vom Kompressor zum Solarthermiepanel, danach zum Vierwegeventil, danach zum Verdampfer, danach zum Expansionsventil und/oder an diesem im Bypass vorbei zum Verflüssiger, danach wieder zum Vierwegeventil, danach wieder zum Kompressor. Die vom Kompressor während der Verdichtung erzeugte und vom Solarthermiepanel in das Kältemittel zusätzlich übertragene Wärme kann im Verdampfer als Wärme an die Umgebung abgegeben werden. Das Solarthermiepanel kann hier den mechanischen Kompressor entlasten und zusätzliche Wärme an das Kältemittel übertragen, sodaß die Wärmeleistung der gesamten Kühlanlagen zumindest gleich bleibt oder sogar ansteigen kann, während der Energieaufwand zum Betreiben des mechanisch arbeitenden Kompressors reduziert werden kann.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen. Nachfolgend sind Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung prinzipmäßig dargestellt.
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Ausführungsbeispiel
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Die Erfindung ist an Hand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Darin zeigen
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1: Prinzipielle Anordnung des Kältekreislaufes mit den mindest darin enthaltenden Bestandteilen und Leitungen mit Anbindung des Bypass für das Solarthermiepanel
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2: Anordnung der inneren Verrohrung für das Solarthermiepanel
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3 Absorberschichten für Solarthermiepanele
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4: Prinzipielle Anordnung des Kältekreislaufes mit den mindest darin enthaltenden Bestandteilen, Leitungen und einem zusätzlichen 4-Wegeventil für die Erweiterung der Kühlanlage zu einer Wärmepumpe
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5: Anordnung einer Kühlanlage mit integriertem Solarthermiepanel und Stromversorgung aus verschiedenen Stromquellen
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1 zeigt den schematischen Aufbau der Kühlanlage zur Kühlung des Containerinhaltes mit den Merkmalen gemäß dem Anspruch 1.
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Der Verdampfer (6) befindet sich im Innenraum des Containers, um die dort vorhandenen Vorräte abzukühlen, während die restlichen Komponenten der Kühlanlage meist außerhalb am Container angebracht sind. Die gesamte Containereinheit ist mitsamt Kühlanlage mobil transportabel.
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Der Kompressor (1) saugt das gasförmige Kältemittel an, verdichtet es und befördert dieses durch die Kältemittelleitung (11) an das angeschlossene Solarpanel (3). Der Solarpanel (3) absorbiert die Sonnenstrahlung und erhitzt das durchfliessende Kältemittel. Ist die Sonneneinstrahlung zu schwach, so kühlt sich das Kältemittel in dem Solarthermiepanel aufgrund der niedrigeren Umgebungstemperatur ab.
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Das flüssige Kältemittel wird über das Expansionsventil (5) in den Verdampfer (6) eingelassen, wo es verdampft. Für die Verdampfung wird Wärme aus der Umgebung in Form von vorbeigeführter Luft mit ausreichendem Volumenstrom abgezogen und an das Kältemittel übergeben. Die Temperaturen der vorbeigeführten Luft werden abgesenkt, was als Kühleffekt wahrgenommen wird.
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Die Verdichtungsleistung des Kompressors (1) wird von der Steuereinheit (7) über Regelalgorithmen und die im Kältekreislauf gemessenen Drücke und/oder Temperaturen geregelt. Zu Beginn des Prozesses wird die Verdichtung des Kompressors (1) so weit angehoben, bis die für die gewünschte Klimatisierung geforderten Drücke und/oder Temperaturen erreicht werden. Sobald sich die Erhitzung des Kältemittels in dem Solarpanel (3) auswirkt, reduziert die Steuereinheit (7) die Verdichtungsleistung des Kompressors (1) so weit, daß die geforderten Drücke und/oder Temperaturen noch aufrecht erhalten werden. Sobald die geforderten Drücke und/oder Temperaturen unterschritten werden, erhöht die Steuereinheit (7) wieder die Verdichtungsleistung des Kompressors (1) und ein neuer Zyklus beginnt.
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Ein vor dem Solarpanel eingebrachter Bypass (23), bestehend aus den Dreiwegeventilen (21) und (22) mit Anschluss an eine dezentrale Steuereinheit (71), Kältemittelleitung (23), die die Dreiwegeventile (21), (22) direkt verbinden, kann das Kältemittel am Solarpanel (3) vorbei führen. Dies kann gewünscht sein, wenn keine Erhitzung des Kältemittels im Solarpanel gewünscht wird oder das Kältemittel bei fehlendem Sonnenschein abgekühlt wird. In letzterem Fall wird das Kältemittel nicht mehr warm genug, um für die Betriebsmodi Defrost oder Heizung den Verdampfer (6) ausreichend zu versorgen. Mittels der 3-Wege Ventile vor (21) und nach (22) dem Solarpanel (3) kann das Kältemittel mit Hilfe der dezentralen Steuereinheit (71) komplett oder auch dosiert an dem Solarpanel (3) vorbeigeleitet werden.
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Je nach Integrationsgrad der Gesamtanlage kann kann die dezentrale Steuereinheit (71) für den Bypass (23) in die zentrale Steuereinheit (7) der Kühlanlage integriert werden
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2 zeigt die Anordnung der inneren Verrohrung des Solarthermiepanels (3). Das durchfliessende Kältemittel befindet sich im gasförmigen Zustand und bedarf einer längeren Fließstrecke zur ausreichenden Erhitzung. Das wird erreicht durch eine Auftrennung in viele kleinere Rohre. Das in dem Sammlerrohr (33) einfliessende Kältemittel wird von dort in viele kleinere Kältemittelrohre (34) aufgeteilt, die mittels Absorption der Sonnenstrahlen erwärmt werden und fliesst wieder zusammen in einem Sammlerrohr Ablauf (32).
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3 zeigt wie die einzelnen Kältemittelleitungen (34) einzeln erwärmt werden. Dies erfolgt entweder, indem jeweils eine einzelne Kältemittelleitung (34) sich in einer Glasvakuumröhre (37) befindet, die ihrerseits über eine solare Absorptionsschicht verfügt, die die Sonnenstrahlen im Inneren der Röhre (37) in Wärme umwandelt und damit die Kältemittelleitung (34) erwärmt oder indem die gesamte Rohranordnung (31) sich unter einer Flachglasscheibe mit Absorberschicht (39), die die Sonne absorbiert und den darunter liegenden Raum mit der darin befindlichen Rohranordnung (31) erhitzt, befindet.
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4 zeigt die Weiterentwicklung der Kühlanlage mit den Merkmalen nach Anspruch 1 zu einer Wärmepumpe, die je nach Richtung des Kältemittelflusses auch heizt. Die Kühlanlage enthält ein zusätzliches, mit der Steuereinheit verbundenes Vierwegeventil (101), wobei die Kältemittelleitungen (11) das Vierwegeventil (101) mit dem Solarpanel (3) und dem Verflüssiger (4) und dem Verdampfer (6) und dem Kompressor (1) verbindet, wobei der Kältemittelfluß durch die Leitungen (11) entweder vom Solarpanel (3) zum Verflüssiger (4), danach zum Expansionsventil (5), danach zum Verdampfer (6), danach wieder zum Vierwegeventil (101), danach zum Kompressor (1) oder vom Solarpanel (3) zum Verdampfer (6), danach zum Expansionsventil (5), danach zum Verflüssiger (4), danach wieder zum Vierwegeventil (101), danach zum Kompressor (1) erfolgt, wobei die Stellung des Vierwegeventils (101) und damit die Unterscheidung zwischen Kühlen und Heizen von der Steuereinheit (7) aufgrund der Nutzervorgaben und/oder den im Kühlkreislauf gemessenen Drücken und/oder Temperaturen gesteuert wird.
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5 zeigt die gesamthafte Anordnung eines Kühlcontainers (81) mit einer fest angebrachten Kühlanlage (82) und integriertem Solarthermiepanel (3), das über Kältemittelleitungen (11) an die Kühlanlage (82) angeschlossen ist. Die Stromversorgung der Kühlanlage (82) kann über verschiedene Stromquellen einzeln oder in Kombination erfolgen: Über das lokale Stromnetz (84), eine eventuell zusätzliche PV Anlage, die ihrerseits aus den PV Solarpanelen (91), der Inverter und Steuereinheit für die PV Anlage (92) und den verbindenden Stromleitungen (93) besteht, einen verbundenen lokalen Windgenerator (86), einen verbundenen lokalen Stromgenerator (85), der mit Diesel, Benzin, Flüssiggas oder Brennstoffzelle angetrieben wird und Strom an die Kühlanlage liefert. Der Kühlcontainer (81) mitsamt seinen fest angebrachten Komponenten ist transportabel und kann mit den entsprechenden Mitteln angehoben und an eine andere Stelle transportiert werden, ohne die Kühlanlage auseinander bauen zu müssen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10011540 [0005]
- TW 502671 [0006]
- US 2014238467 [0006]
- JP 2012246021 [0006]
- US 2012/0117986 A1 [0008]
