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Die Erfindung betrifft eine Schaltungseinrichtung zur Versorgung eines Klimageräts, insbesondere eines mit einem Gebäudeteil fest verbundenen Klimageräts.
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Aus dem allgemeinen Stand der Technik ist es bekannt, elektrische Anlagen beispielsweise mittels regenerativer Energiequellen zu versorgen. So ist es gebräuchlich, photovoltaische Anlagen beispielsweise auf Gebäudedächern zu installieren, die bei Sonneneinstrahlung entsprechende elektrische Energie abgeben können. Hierbei kann es vorgesehen sein, die elektrische Energie entweder über einen entsprechenden Wandler in das Energieversorgungsnetz einzuspeisen oder über Batterien zu speichern, so dass die erzeugte Energie lokal genutzt werden kann.
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Photovoltaische Anlagen liefern in Abhängigkeit der Sonneneinstrahlung entsprechende elektrische Energie, wobei oftmals bei starker Sonneneinstrahlung im Inneren eines Gebäudes hohe Temperaturen herrschen, die jahreszeitbedingt mittels eines Klimagerätes reduziert werden, um eine angenehme Umgebungstemperatur im Inneren des Gebäudes zu schaffen. Folglich besteht eine Korrelation zwischen elektrischer Energie, die durch Sonneneinstrahlung genutzt werden kann, und bedarf an elektrischer Energie zur Versorgung von Klimageräten.
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Auch außerhalb von Gebäuden wurde dieser Zusammenhang bereits erkannt. So ist in der
DE 10 2006 003 424 A1 ein Kraftfahrzeug mit Solarmodul beschrieben, das eine Klimaanlage mit einem elektrisch betreibbaren Kompressor und einen von einem Fahrzeugantrieb betreibbaren Generator zum Erzeugen elektrischer Energie aufweist. Eine Batterie ist durch die von dem Generator erzeugte elektrische Energie aufladbar. Es ist eine weitere Batterie vorgesehen, die durch die von einem Solarmodul erzeugte elektrische Energie aufladbar ist, wobei der elektrisch betreibbare Kompressor durch in der ersten Batterie gespeicherte Energie und/oder in der weiteren Batterie gespeicherte Energie betreibbar ist. Im Falle eines Hybridfahrzeugs kann es vorgesehen sein, dass die Batterie sowohl durch den Generator als auch durch das Solarmodul aufgeladen wird. Hierfür kann auch eine einzige Batterie verwendet werden.
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Um den Energieverbrauch von Gebäuden weiter senken zu können, wäre es wünschenswert, eine Schaltungseinrichtung nutzen zu können, die ohne größere Umbauten direkt mit den bereits fest installierten Klimageräten verbunden werden kann und den Betrieb mittels einer Solaranlage ermöglichen würde.
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Schaltungseinrichtung zu schaffen, die den Betrieb einer Klimaanlage mittels unterschiedlicher Energiequellen ermöglicht, ohne dass dabei umfangreiche Änderungen an bereits installierten Klimageräten notwendig sind.
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Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind jeweils Gegenstand der Unteransprüche. Diese können in technologisch sinnvoller Weise miteinander kombiniert werden. Die Beschreibung, insbesondere im Zusammenhang mit der Zeichnung charakterisiert und spezifiziert die Erfindung zusätzlich.
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Gemäß der Erfindung wird eine Schaltungseinrichtung zur Versorgung eines Klimageräts geschaffen, die zwischen einem Netzanschluss zur Versorgung mit Netzspannung und einem Ausgangsanschluss für einen mehrphasigen Wechselstrommotor einen über einen Gleichrichter mit der Netzspannung verbundenen Gleichspannungszwischenkreis umfasst, wobei der Gleichspannungszwischenkreis mit einem von einem photovoltaischen Element gespeisten und eine Stromquelle repräsentierenden Hochsetzsteller verbunden ist, dessen Ausgangsstrom mittels einer von der Netzspannung abgeleiteten Referenzspannung und mittels einer Regelschaltung unter Leistungsanpassung bezüglich des photovoltaischen Elements derart geregelt ist, dass ein Energiefluß zwischen dem photovoltaischen Element und dem Wechselstrommotor entsteht, wobei fehlende Energie zur Versorgung des Wechselstrommotors dem Netzspannungsanschluss entnehmbar ist.
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Die erfindungsgemäße Schaltungseinrichtung ermöglicht es, ein bereits bestehendes Klimagerät auf einfache Weise für einen Betrieb mit photovoltaischen Elementen zu modifizieren. Dazu muss lediglich der oftmals bereits vorhandene Gleichspannungszwischenkreis mit den zusätzlichen Schaltungselementen bestückt werden. Gemäß der Erfindung ist es insbesondere nicht vorgesehen, die erzeugte Energie aus dem photovoltaischen Element an den Netzanschluss abzugeben. Sollte die erzeugte Energie aus dem photovoltaischen Element nicht ausreichen, wird die zusätzliche Energie über den Netzspannungsanschluss entnommen.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung fliest mittels der Leistungsanpassung keine oder nahezu keine überschüssige Energie aus dem photovoltaischen Element, die nicht zur Versorgung des Wechselstrommotors benötigt ist.
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Sofern seitens des Klimagerätes keine Energie verbraucht wird, wird eine entsprechende Leistungsanpassung vorgenommen, so dass über die Regelschaltung gerade diejenige Menge an Energie erzeugt wird, die auch von dem mehrphasigen Wechselstrommotor benötigt wird.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist zusätzlich eine von dem photovoltaischen Element aufladbare Batterie vorgesehen.
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Die Batterie wirkt als Puffer und kann zusätzlich zu einem am Ausgangsanschluss vorgesehenen Kondensator in Zwischenphasen, in denen das photovoltaische Element nicht genügend Energie produziert, für eine stabile Leistungsversorgung des mehrphasigen Wechselstrommotors herangezogen werden.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist überschüssige Energie aus dem photovoltaischen Element in der Batterie speicherbar, wobei ein Laden der Batterie anhand der Leistungsanpassung des photovoltaischen Elements je nach Ladezustand der Batterie erfolgt.
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Demnach wird eine Leistungsanpassung vorgenommen, so dass überschüssige Energie des photovoltaischen Elements in der Batterie zwischengespeichert wird, und bei Bedarf über den Hochsetzsteller an den mehrphasigen Wechselstrommotor abgegeben werden kann. Die Leistungsanpassungsstufe muss dazu so geregelt werden, dass in Abhängigkeit des Ladezustands der Batterie die Leistungsabgabe des photovoltaischen Elements entsprechend gewählt wird. Wenn die Batterie beispielsweise vollständig geladen ist und der mehrphasige Wechselstrommotor keine Energie aufnimmt, wird die Leistungsanpassung in den Leerlaufbetrieb versetzt. Bei vollständig entladener Batterie kann überschüssige Energie zum Zwischenspeichern in der Batterie verwendet werden. Demnach ist es möglich, den eventuell fehlenden Anteil zur Versorgung des mehrphasigen Wechselstrommotors auch in Zeiten geringer Lichteinstrahlung aus der Batterie zu entnehmen, so dass weniger Energie über den Netzspannungsanschluss bereitgestellt werden muss, was den über den Netzanschluss bereitgestellten Stromverbrauch des Klimagerätes weiter reduziert.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung umfasst die Regelschaltung einen Maximum-Power-Point-Tracker.
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Photovoltaik-Module werden üblicherweise in einem Arbeitspunkt betrieben, bei dem ihre Ausgangsleistung optimal ist. Dieser Arbeitspunkt wird als MPPT bezeichnet, was für „maximum power point tracking“, also sinngemäß Nachführen am maximalen Arbeitspunkt, steht, was durch eine Leistungsanpassung erreicht wird.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die Regelschaltung so ausgeführt, dass die Ausgangsspannung der Regelschaltung auf einen Maximalwert begrenzt ist.
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Der Hochsetzsteller ist mit als Stromquelle ausgebildet, was bedeutet, dass seine Ausgangsspannung nicht geregelt ist. Um den Stromfluss vom Hochsetzsteller zum mehrphasigen Wechselstrommotors regeln zu können, ist es vorgesehen, die Spannung am Gleichspannungszwischenkreis zu begrenzen, so dass diese im Zwischenkreis bei variierender Leistungsabgabe des photovoltaischen Elements nicht beliebig steigen kann.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist ein erster Teil der Regelschaltung mit Eingangssignalen verbunden, die als Referenzspannung von der Netzspannung, vorzugsweise über einen Hilfsgleichrichter, und von der Zwischenkreisspannung abgeleitet sind.
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Diese Vorgehensweise stellt sicher, dass die Regelschaltung genügend Energie bereitstellt, um den mehrphasigen Wechselstrommotors betreiben zu können. Das Überwachen der Zwischenkreisspannung kann dazu genutzt werden, ab einem bestimmten Wert das weitere Ansteigen zu begrenzen.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist ein zweiter Teil der Regelschaltung mit Eingangssignalen verbunden, die von einem Ausgangsstrom der Leistungsanpassung des photovoltaischen Elements und von einem Ausgangsstrom des Hochsetzstellers abgeleitet sind.
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Auch diese Vorgehensweise stellt sicher, dass die Regelschaltung genügend Energie bereitstellt, um den mehrphasigen Wechselstrommotor betreiben zu können.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung sind der erste Teil der Regelschaltung und der zweite Teil der Regelschaltung jeweils Ausgangssignale abgeben, die als Eingangssignal an den Hochsetzsteller geführt.
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Hierdurch wird erreicht, dass der Hochsetzsteller und damit auch die Leistungsanpassung in Abhängigkeit der genannten Signale eine Energiezufuhr an den mehrphasigen Wechselstrommotor zu ermöglichen.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist der Gleichspannungszwischenkreis mit einem FU-Umrichter zur Versorgung des mehrphasigen Wechselstrommotors verbunden, wobei der Gleichspannungszwischenkreis vorzugsweise mit einem Kondensator versehen ist.
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Ein FU-Umrichter wandelt die Gleichspannung im Zwischenkreis auf fachübliche Weise in eine dreiphasige Wechselspannung, so dass ein Klimakompressor oder dergleichen betrieben werden kann. Die vorgestellte Schaltungseinrichtung ermöglicht es, ein bereits bestehendes Klimagerät auf einfache Weise für einen Betrieb mit photovoltaischen Elementen zu modifizieren. Dazu muss lediglich der bereits vorhandene Gleichspannungszwischenkreis mit den zusätzlichen Schaltungselementen verbunden werden. Als Klimageräte können kommen Geräte in Frage, die in einem Raum beispielsweise am Fenster montiert sind und dort für eine Klimatisierung sorgen. Die Erfindung kann aber auch an zentralen Klimageräten, die für ein Gebäude oder Gebäudeteil vorgesehen sind, eingesetzt werden. Die Leistungsabgabe des photovoltaischen Elements kann über Anzahl und Fläche festgelegt werden, wobei für typischerweise 2 kW Leistungsverbrauch eines Klimageräts je nach verwendeter Solarzelle und damit zusammenhängendem Wirkungsgrad eine Fläche von ca. 15 m2 bis 30m2 bereitgestellt werden muss.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist der Gleichspannungszwischenkreis mit einem Umrichter zur Versorgung einer bürstenlosen Drehstrom-Synchronmaschine mit Erregung durch Permanentmagnete verbunden, wobei der Gleichspannungszwischenkreis vorzugsweise mit einem Kondensator versehen ist.
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Demnach kann auch ein sogenannter bürstenloser Gleichstrommotor, der als Drehstrom-Synchronmaschine mit Erregung durch Permanentmagnete ausgebildet ist, verwendet werden. Als Antriebsumrichter wird hier üblicherweise ein Frequenzumrichter verwendet.
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Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt:
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1 ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Schaltungseinrichtung.
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In der Figur sind gleiche oder funktional gleich wirkende Bauteile mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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In 1 ist eine Schaltungseinrichtung SE gemäß der Erfindung gezeigt. Die Schaltungseinrichtung SE weist einen Netzanschluss NA auf, der auf übliche Weise mit einem Hausnetz verbunden sein kann, das von einem Energieversorger mit elektrischer Energie versorgt wird. Desweiteren weist die Schaltungseinrichtung SE einen Ausgangsanschluss AA auf, der mit einem mehrphasigen Wechselstrommotor WM verbunden ist, wobei der mehrphasige Wechselstrommotor WM beispielsweise ein Kompressor eines Klimagerätes sein kann. Zwischen dem Ausgangsanschluss AA und dem Netzanschluss NA ist ein Gleichrichter GR angeordnet, der die Wechselspannung am Netzanschluss NA in eine Gleichspannung in einem Zwischenkreis ZK wandelt. Der Gleichspannungszwischenkreis ZK ist darüber hinaus über einen Kondensator KO gepuffert.
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Zwischen dem Ausgangsanschluss AA und dem mehrphasigen Wechselstrommotor WM ist ein FU-Umrichter UR angeordnet, der die Gleichspannung im Zwischenkreis ZK auf fachübliche Weise in eine dreiphasige Wechselspannung wandelt, wobei die dafür benötigte Ansteuerelektronik in 1 nicht gezeigt ist. Desweiteren ist der Netzanschluss NA mit einem Hilfsgleichrichter HGR verbunden, der die Netzspannung ebenfalls in eine Gleichspannung wandelt, die eventuell mit einem Versatz beaufschlagt an eine Regelschaltung RS weiter leitet. Die Regelschaltung RS ist in 1 anhand der gestrichelten Linie dargestellt.
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Desweiteren ist wenigstens ein photovoltaisches Element PV vorgesehen, das bei Bestrahlung mit Licht entsprechende elektrische Energie abgeben kann. Die Ausgänge des photovoltaischen Elements PV sind mit einem Hochsetzsteller HS verbunden, der an seinem Ausgang eine Stromquelle repräsentiert, und mit dem Gleichspannungszwischenkreis ZK verbunden ist.
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Desweiteren ist das photovoltaische Element PV über einen Spannungssensor SS1 und einen Stromsensor SS2 mit einer Leistungsanpassungsstufe LA verbunden, die beispielsweise auf fachübliche Weise als Maximum-Power-Point-Tracker ausgebildet sein kann. Der eine Stromquelle repräsentierende Hochsetzsteller HS weist darüber hinaus weitere Anschlüsse auf, die mit einer aufladbaren Batterie BA verbunden sind. Am Stromausgang des Hochsetzstellers HS ist ein weiterer Stromsensor SS3 angeordnet, dessen Ausgangssignal zusammen mit dem Ausgangsstromsignal der Leistungsanpassungsstufe LA an einen ersten Teil ET der Regelschaltung RS weiter gegeben wird. Ein zweiter Teil ZT der Regelschaltung RS wird über einen weiteren Spannungssensor SS4, der die Gleichspannung im Zwischenkreis ZK detektiert und dem oben beschriebenen Ausgangssignal des Hilfsgleichrichters HGR als Eingangssignal zugeführt. Die Ausgänge des ersten Teils ET der Regelschaltung RS und des zweiten Teils ZT der Regelschaltung RS werden als Strom- bzw. Spannungssignal als Eingangssignal dem Hochsetzsteller HS zugeführt.
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Die Funktionsweise der Schaltungseinrichtung SE wird nun in einem ersten Beispiel ohne die Verwendung der Batterie BA erläutert. Der Hochsetzsteller HS ist über die Eingangssignale der Regelschaltung RS so gesteuert, dass das photovoltaische Element PV die durch Lichteinstrahlung erzeugte elektrische Energie über den Gleichspannungszwischenkreis ZK an den mehrphasigen Wechselstrommotor WM abgeben kann. Folglich wird unter Lichteinfall nur ein geringerer Energiebedarf über die Netzspannung am Netzspannungsanschluss NA gedeckt, wobei das photovoltaische Element PV insbesondere auch so ausgeführt sein kann, dass es in einem Volllastbetrieb die erforderliche Energie des mehrphasigen Wechselstrommotors WM vollständig decken kann. In diesem Fall würde über den Netzanschluss NA keine oder nahezu keine Leistung aufgenommen werden. Sobald nun, beispielsweise durch nachlassenden Lichteinfall, weniger Energie über das photovoltaische Element PV erzeugt wird, wird die fehlende Energie über den Netzanschluss NA bereitgestellt. Um den Stromfluss zum einen zwischen dem Hochsetzsteller HS und zum anderen dem Gleichrichter GR und dem mehrphasigen Wechselstrommotor WM entsprechend regeln zu können, ist es vorgesehen, dass die Eingangssignale des Hochsetzstellers HS, die aus dem ersten Teil ET und dem zweiten Teil ZT der Regelschaltung RS abgeleitet werden, die Spannung am Gleichspannungszwischenkreis ZK begrenzen, so dass die Gleichspannung im Zwischenkreis ZK bei variierender Leistungsabgabe des photovoltaischen Elements PV nicht beliebig steigen kann. Dabei kann es insbesondere vorgesehen sein, dass die Energieabgabe des photovoltaischen Elements PV über die Leistungsanpassungsstufe LA begrenzt werden kann, so dass auch bei nur geringer Leistungsaufnahme des mehrphasigen Wechselstrommotors WM eine entsprechende Anpassung erzielt werden kann.
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Die vorgestellte Schaltungseinrichtung SE ermöglicht es, ein bereits bestehendes Klimagerät auf einfache Weise für einen Betrieb mit photovoltaischen Elementen zu modifizieren. Dazu muss lediglich der oftmals bereits vorhandene Gleichspannungszwischenkreis mit den zusätzlichen Schaltungselementen wie in 1 dargestellt bestückt werden. Gemäß der Erfindung ist es insbesondere nicht vorgesehen, eine Zuführung der erzeugten Energie aus dem photovoltaischen Element PV an den Netzanschluss NA abzugeben. Sofern seitens des Klimagerätes keine Energie verbraucht wird, wird über die Leistungsanpassungsstufe LA eine entsprechende Leistungsreduzierung vorgenommen, so dass über die Regelschaltung RS gerade diejenige Menge an Energie erzeugt wird, die auch von dem mehrphasigen Wechselstrommotor WM benötigt wird. Sollte die erzeugte Energie aus dem photovoltaischen Element PV nicht ausreichen, wird die zusätzliche Energie über den Netzspannungsanschluss NA entnommen.
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In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann zusätzlich die Batterie BA vorgesehen sein. Hier ist im Unterschied zur soeben beschriebenen Ausführungsform auch eine Regelung der Leistungsanpassungsstufe LA derart möglich, dass überschüssige Energie des photovoltaischen Elements PV in der Batterie BA zwischengespeichert wird, und bei Bedarf über den Hochsetzsteller HS an den mehrphasigen Wechselstrommotor WM abgegeben werden kann. Die Leistungsanpassungsstufe LA muss dazu so geregelt werden, dass in Abhängigkeit des Ladezustands der Batterie BA die Leistungsabgabe des photovoltaischen Elements PV entsprechend gewählt wird. Wenn die Batterie BA beispielsweise vollständig geladen ist und der mehrphasigen Wechselstrommotor WM keine Energie aufnimmt, wird die Leistungsanpassungsstufe LA wieder in den Leerlaufbetrieb versetzt. Bei vollständig entladener Batterie BA kann überschüssige Energie zum Zwischenspeichern in der Batterie BA verwendet werden. Demnach ist es möglich, den eventuell fehlenden Anteil zur Versorgung des mehrphasigen Wechselstrommotors WM auch in Zeiten geringer Lichteinstrahlung aus der Batterie BA zu entnehmen, so dass weniger Energie über den Netzspannungsanschluss NA bereit gestellt werden muss, was den über den Netzanschluss NA bereitgestellten Stromverbrauch des Klimagerätes weiter reduziert.
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Die vorstehend und die in den Ansprüchen angegebenen sowie die den Abbildungen entnehmbaren Merkmale sind sowohl einzeln als auch in verschiedener Kombination vorteilhaft realisierbar. Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern im Rahmen fachmännischen Könnens in mancherlei Weise abwandelbar.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102006003424 A1 [0004]
