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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Stabilisieren der Temperatur eines Speichermediums eines thermischen Energiespeichers und einen thermischen Energiespeicher.
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Thermische Energiespeicher, die mit einem Speichermedium gefüllt sind, werden zwischen eine Energiequelle und einen Verbraucher geschaltet, insbesondere dann, wenn die Energiequelle nicht stetig Leistung abgibt, wie z. B. Sonne, Wind oder Wasserkraft. Ein solcher thermischer Energiespeicher wird z. B. in der
US 6,712,069 B1 vorgestellt.
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Liefert die Energiequelle zeitweise keine Leistung, verlieren die Energiespeicher Wärmeenergie. Um diesen Energieverlust zu kompensieren bzw. um die Temperatur im Energiespeicher zu stabilisieren, wird nach dem Stand der Technik dem Energiespeicher Wärmeenergie zugeführt, entweder durch ein Heizelement im Energiespeicher, das z. B. elektrisch beheizt wird oder durch eine Wärmepumpe, die das Speichermedium aufheizt, so wie in der
DE 10 2006 024 020 A1 offenbart.
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Bekannte Verfahren und Vorrichtungen zum Stabilisieren der Temperatur eines Speichermediums eines thermischen Energiespeichers sind entweder apparativ aufwändig oder führen zu Energieverlusten beim Umwandeln von z. B. Primärenergie in elektrische Energie und weiter in thermische Energie. Es besteht also Bedarf an einem einfachen Verfahren und einer einfachen Vorrichtung zum Stabilisieren der Temperatur eines thermischen Energiespeichers.
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Diese Aufgabe wird gelöst mit einem Verfahren nach Anspruch 1 und einer Vorrichtung nach Anspruch 6. Bevorzugte Ausführungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zur Stabilisierung einer Temperatur eines fluiden Speichermediums in einem thermischen Energiespeicher ist dadurch gekennzeichnet, dass bei Temperaturabfall ein Gas in den Energiespeicher gepumpt wird.
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Ein thermischer Energiespeicher kann ein Behälter, typisch ein Druckkessel sein. Es kann sich aber auch um andere Aufnahmen für ein Speichermedium handeln, wie z. B. eine natürliche oder künstliche Kaverne, die z.B. unterirdisch angelegt ist. Der Energiespeicher ist bevorzugt ein geschlossener Behälter. Nach einer bevorzugten Ausführungsform ist der thermische Energiespeicher ein Metallbehälter, der als Druckbehälter z. B. einem Druck von bis zu 20 MPa standhält. Der Energiespeicher kann eine beliebige Form aufweisen, ist aber bevorzugt zylindrisch oder rund. Die Größe des Energiespeichers kann nach den jeweiligen Anforderungen gewählt werden; sie ist in der Obergrenze nur technisch limitiert, z. B. durch die maximale Herstellgröße für einen Druckkessel aus Metall. Die Untergrenze ist limitiert durch die minimale Herstellgröße sowie auch durch die Wirtschaftlichkeit eines kleinen Energiespeichers. Um ein Beispiel für die Größenordnung des Energiespeichers zu geben, ist für die Energieversorgung eines Einfamilienhauses mit z. B. 130 m2 Wohnfläche ein Energiespeicher mit ca. 100 l bis 150 l Volumen erforderlich.
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Es ist weiter vorteilhaft, wenn der Energiespeicher thermisch isoliert ist. Thermische Isolierungen für Behälter sind an sich bekannt und werden vom Fachmann nach Bedarf ausgewählt. Isolierungen auf der Basis von Schaum- oder Faserstoffen sind gut geeignet.
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Der Energiespeicher nimmt ein fluides Speichermedium auf. Bei dem fluiden bzw. flüssigen Speichermedium kann es sich insbesondere um Öle oder Salzlösungen handeln. Bevorzugt weist das Speichermedium einen Siedepunkt von 130 °C oder höher, insbesondere einen Siedepunkt von 150 °C bis 350 °C auf. Ein mineralisches oder synthetisches Thermoöl ist ein typisches Speichermedium. Das Speichermedium verfügt vorteilhaft über einen niedrigen Dampfdruck und kann sowohl in drucklos betriebenen Energiespeichern eingesetzt werden als auch in Energiespeichern, die unter Druck betrieben werden. Das Speichermedium kann Thermospeicheradditive aufweisen, die die thermische Speicherfähigkeit des Speichermediums weiter steigern. Bevorzugt handelt es sich um Additive, die stabil gegen Oxidation und thermische Belastung sind.
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In den thermischen Energiespeicher wird bei Temperaturabfall des Speichermediums ein Gas gepumpt. Eine Pumpe fördert Gas in den Energiespeicher; ein Rückschlagventil, das vorzugsweise zwischen Pumpe und Energiespeicher angeordnet ist, hindert das Gas am Entweichen aus dem Energiespeicher. Die Leistung der Pumpe wird mit Blick auf den maximal aufzubringenden Druck im Energiebehälter ausgewählt. Gaspumpen sind in zahlreichen Ausführungen verfügbar und werden vom Fachmann nach Bedarf ausgewählt. Mit dem Zuführen des Gases baut sich ein Druck im Energiespeicher auf, der einen weiteren Temperaturabfall verringert oder verhindert. Der Vorteil dieses Verfahrens ist es, dass unnötige Energieumwandlungen z. B. von Primärenergie in elektrische Energie und weiter in thermische Energie vermieden wird. Auch weitere Vorrichtungen zum Erwärmen des Speichermediums sind nicht erforderlich. Im Vergleich zu bekannten Verfahren ist die Leistung der Pumpe, die zum Fördern des Gases benötigt wird, geringer als die bei bekannten Verfahren zum Erwärmen des Speichermediums einzusetzende Leistung. Um einen Energiespeicher für ein Einfamilienhaus nach dem erfindungsgemäßen Verfahren mit Druck zu beaufschlagen, genügt eine Pumpe von maximal 1 kW, typisch von 0,3 bis 0,8 kW.
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Der thermische Energiespeicher, der an sich drucklos betrieben werden kann, kann durch die Pumpe, die dem Energiespeicher Gas zuführt, vom Umgebungsdruck auf einen Druck von z. B. bis zu 8 MPa gebracht werden. Der Druck kann vom Umgebungsdruck in einem Schritt auf den maximalen Druck gebracht werden, für den der Energiespeicher zugelassen ist. Der Druck kann aber auch in mehreren Schritten oder stufenlos erhöht werden. Vorzugsweise wird der Druck schnell angehoben, z. B. in weniger als 5 Sekunden vom Umgebungsdruck auf 10 MPa. Die Pumpe kann an jeder beliebigen Stelle des Energiespeichers angeordnet sein. Es wird weiterhin bevorzugt, wenn die Pumpe dem Energiespeicher das Gas an der tiefsten Stelle des Energiespeichers zuführt, weil die Verteilung des Gases dann besonders gleichmäßig erfolgt und die Stabilisierung der Temperatur des Speichermediums besonders effizient ist.
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Im einfachsten Fall wird Luft als Gas eingesetzt, aber auch andere Gase wie z. B. Stickstoff können für das erfindungsgemäße Verfahren genutzt werden. Vorteilhaft wird ein inertes Gas eingesetzt, das mit dem Speichermedium nicht reagiert. Das Gas kann aus einem Druckspeicher entnommen werden, so dass die Pumpe mit geringerer Leistung ausgelegt werden kann, weil nur eine geringe Druckdifferenz zu überwinden ist und der Druck im Energiespeicher schneller angehoben werden kann.
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Besonders vorteilhaft wird die Temperatur des Speichermediums im thermischen Energiespeicher stabilisiert, wenn eine Steuerung vorgesehen ist, die mit einem Temperaturfühler verbunden ist, der die Temperatur des Speichermediums anzeigt. Die Steuerung schaltet dann die Pumpe ein, sofern die Temperatur des Speichermediums einen vorgegebenen Grenzwert unterschreitet und/oder sofern der Temperaturabfall des Speichermediums pro Zeiteinheit einen vorgegebenen Grenzwert überschreitet. Die Steuerung erfasst vorzugsweise den Druck, der im Energiespeicher herrscht, z. B. mittels eines Druckmessers, und schaltet die Pumpe aus, wenn der maximale Druck erreicht ist. Alternativ fördert die Pumpe Gas in den Behälter bis der maximale Förderdruck der Pumpe erreicht ist, der bevorzugt unter dem maximalen Druck des Energiespeichers liegt, und schaltet dann selbsttätig ab.
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Soll das Gas aus dem Energiespeicher wieder abgelassen werden, so wird ein am Energiespeicher angebrachtes Auslassventil betätigt. Ein Gemisch aus Gas und Speichermedium tritt aus und geht vom Auslassventil vorzugsweise in eine Scheidevorrichtung über, in der Gas und Speichermedium voneinander getrennt werden. Das Speichermedium kann wieder zurück in den Energiespeicher überführt werden.
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Nach einer vorteilhaften Ausführung ist der thermische Energiespeicher mit einer Energiequelle verbunden, die das Speichermedium aufheizt. Eine typische Energiequelle ist z. B. eine Solaranlage. Alternativ kann der Energiespeicher z. B. auch mit einer Biogasanlage in Verbindung stehen. Typische Energiequellen im Sinne dieser Erfindung sind also solche, die nicht permanent sondern intermittierend zur Verfügung stehen. Ist die Energiequelle eine Solaranlage, sind Zu- und Rückleitungen zwischen Energiespeicher und Solaranlage vorgesehen, durch die dann das Speichermedium strömt. Es wird in der Solaranlage erwärmt, typisch auf eine Speichertemperatur, die zwischen Umgebungstemperatur und Siedetemperatur des fluiden Speichermediums liegt, bevorzugt auf ca. 20 °C unterhalb der Siedetemperatur des Speichermediums. Typische Speichertemperaturen betragen zwischen 100°C und 300°C. Unabhängig von der Art der Energiequelle verursacht das Aufheizen des Speichermediums, das außerhalb oder innerhalb des Energiespeichers erfolgt, eine Strömung im Energiespeicher, weil in der Regel nur eine kleinen Menge des Speichermediums erhitzt wird, während das Speichermedium im Durchfluss an der Energiequelle vorbei oder durch die Energiequelle hindurch geführt wird. Diese Strömung bewirkt eine gleichmäßige Energieverteilung. Das Ausbilden der Strömung kann optional auch durch eine Pumpe induziert bzw. unterstützt werden.
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Nach einer weiter bevorzugten Ausführung weist der Energiespeicher einen Wärmetauscher auf, typischerweise eine Rohrspirale aus gut Wärme leitendem Metall, wie z. B. Kupfer, die den Energiespeicher durchsetzt. Der Wärmetauscher wird vorteilhaft von einem Arbeitsmedium durchströmt, dessen Temperatur vom Eingang in den Wärmetauscher zum Ausgang des Wärmetauschers steigt. Nach einer besonders vorteilhaften Ausführungsform findet ein Phasenwechsel des Arbeitsmediums von der flüssigen zur gasförmigen Phase statt. Als Arbeitsmedium wird bevorzugt Wasser eingesetzt, aber auch andere Flüssigkeiten oder Gemische von Flüssigkeiten mit einem Siedepunkt, der unterhalb der Speichertemperatur liegt. Flüssige Alkohole, wie z. B. Glykol, Wasser, Salzlösungen oder Gemische der vorgenannten Flüssigkeiten eigenen sich als Arbeitsmedium.
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Es ist weiter bevorzugt, wenn das Arbeitmedium einen ersten Energieerzeuger für elektrische oder mechanische Energie antreibt, z. B. eine Turbine oder einen Stirlingmotor. Der Energieerzeuger setzt vorzugsweise thermische Energie in mechanische oder elektrische Energie um. Wird ein gasförmiges Arbeitsmedium, z. B. Wasserdampf, eingesetzt, kondensiert das Arbeitsmedium in der Regel, nachdem es Energie an den Energieerzeuger abgegeben hat. Das flüssige Arbeitsmedium kann dann im Kreis geführt werden, also erneut dem Wärmetauscher zugeführt werden. Es ist vorteilhaft, wenn das flüssige Arbeitsmedium nach dem Passieren des ersten Energieerzeugers, der eine erste Teilmenge der thermischen Energie des Arbeitsmediums verbraucht, auch eine zweite Teilmenge der thermischen Energie an einen Verbraucher abgibt, z. B. an eine Heizanlage zum Heizen von Räumen, an eine Anlage zum Erwärmen von Luft oder an einen Trockner, z. B. zum Trocknen von Biomasse oder von anderen Produkten.
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Bei einer Ausführung des thermischen Energiespeichers, die einen Wärmetauscher und ein Arbeitsmedium aufweist, die an eine Energiequelle, z. B. eine Solaranlage angeschlossen ist und die mit einem Energieerzeuger und/oder Verbraucher in Verbindung steht, wird über die Energiequelle thermische Energie zugeführt. Diese thermische Energie wird über das Arbeitsmedium, das den Wärmetauscher durchströmt, dem Energiespeicher wieder entnommen. Fällt die Energiequelle zeitweise aus, z. B. weil Nacht ist oder weil der Himmel bedeckt ist, dann verfügt der Energiespeicher über genügend Volumen – und damit über genügend gespeicherte thermische Energie, dass das Arbeitsmedium weiterhin erhitzt und der Energieerzeuger und ggf. Verbraucher betrieben werden kann. Erfindungsgemäß kann bei gleichem Volumen des Energiespeichers ein längerer Ausfall der Energiequelle kompensiert werden oder der Energiespeicher kann kleiner dimensioniert werden, um einen gleich langen Ausfall der Energiequelle zu kompensieren. Die Leistung des Energiespeichers nach Ausfall der Energiequelle kann mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und der erfindungsgemäßen Vorrichtung um 15% bis 20% verbessert werden.
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Fällt die Energiequelle aus und sinkt dadurch die Temperatur des Speichermediums, kann dieser Temperaturabfalls durch Zuführen eines Gases stabilisiert bzw. verlangsamt werden, so dass ein fortgesetztes Erhitzen und ggf. Verdampfen des Arbeitsmediums möglich ist.
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Gegenstand der Erfindung ist weiter eine Vorrichtung zum Stabilisieren der Arbeitstemperatur des Speichermediums in einem thermischen Energiespeicher. Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist eine Pumpe zum Zuführen von Gas in den Energiespeicher auf. Optional weist die erfindungsgemäße Vorrichtung ein Ventil, insbesondere ein Rückschlagventil, auf, das zwischen Pumpe und Energiespeicher angeordnet ist. Zusätzlich kann ein Ablassventil vorgesehen sein, dass zum Ablassen von Gas aus dem Energiespeicher dient. Das Ablassventil ist vorzugsweise mit einer Scheidevorrichtung von Gas und Speichermedium verbunden.
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Weiter vorteilhaft steht die erfindungsgemäße Vorrichtung in Verbindung mit einer Energiequelle. Bevorzugt weist der Energiespeicher einen Wärmetauscher auf. Weiter bevorzugt ist der Wärmetauscher über eine Leitung mit einem Energieerzeuger verbunden, der thermische Energie in mechanische oder elektrische Energie umwandelt, insbesondere einer Turbine oder einem Stirlingmotor. Vorteilhaft schließt sich an den Energieerzeuger ein Verbraucher an, der Wärmeenergie verbraucht, z. B. eine Heizung oder ein Trockner.
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Details der Erfindung werden nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
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1 zeigt eine bevorzugte Ausführung des erfindungsgemäßen thermischen Energiespeichers 2, der zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens gut geeignet ist. Der Energiespeicher 2 ist hier ausgeführt als runder Druckkessel 4 aus Metall, der ein Volumen von 150 l aufweist und der einem maximalen Druck von 20 MPa standhält. Eine Wärmeisolierung 6 umgibt den Druckkessel vollständig und minimiert damit Energieverluste.
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Der Druckkessel 4 ist vollständig mit einem mineralölbasischen Thermoöl 8 gefüllt. Das Thermoöl 8 hat einen Siedepunkt von 360 °C. Der Dampfdruck des Thermoöls ist bei der hier beschriebenen Ausführung der Erfindung so niedrig, dass bis zu einer Speichertemperatur von 320 °C, das ist die maximale Speichertemperatur, drucklos gearbeitet werden kann.
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Unter dem Druckkessel 4 ist eine Druckpumpe 10 mit einer Leistung von 0,8 kW angebracht, die bei Unterschreiten einer vorgegebenen Grenztemperatur oder bei Überschreiten einer vorgegebenen Temperaturdifferenz pro Zeiteinheit von einer Steuerung 12 eingeschaltet wird. Die Steuerung 12 erfasst die Temperatur des Thermoöls durch einen Temperaturfühler 14, der im Druckkessel 4 angebracht ist. Die Druckpumpe 10 fördert Druckluft 16 aus einem Tank 18 in den Druckkessel 4. Die Druckluft 16 verteilt sich in Form feiner Bläschen im Thermoöl 8 im Druckkessel 4. Zwischen der Pumpe 10 und dem Energiespeicher 2 kann ein Rückschlagventil eingesetzt sein. Der Druck im Druckkessel 4 wird im Betriebszustand auf bis zu 18 MPa erhöht. Die Steuerung 12 kann, ausgehend vom Umgebungsdruck, die Druckerhöhung in einer Stufe bis zum maximalen Betriebsdruck erhöhen. Der Druck kann aber auch in mehreren Stufen oder stufenlos gleitend erhöht werden.
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Steigt die Temperatur im Druckkessel wieder an, kann der Druck im Druckkessel 4 wieder verringert werden, indem die Steuerung 12 das Druckablassventil 20 öffnet. Ein Gemisch aus überwiegend Druckluft, aber auch aus Thermoöl entweicht aus dem Kessel, bis der gewünschte Druck erreicht ist. Das Druckluft-Öl-Gemisch wird in einen Ölabscheider 22 überführt, von wo das Thermoöl über eine erste Leitung 24, in die ggf. eine Pumpe eingesetzt ist, wieder in den Druckkessel 4 rückgeführt wird. Über eine zweite Leitung 26 wird Druckluft wieder in den Tank 18 zurückgeführt, ggf. auch hier mit Unterstützung einer Pumpe.
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Der Energiespeicher 2 ist mit einer Energiequelle verbunden, hier mit einer Solaranlage 26. Das Thermoöl 8 strömt, ggf. durch eine Pumpe unterstützt, durch eine Zuleitung 28 in die Solaranlage und wird dort erhitzt. Das erhitzte Thermoöl 28 strömt über eine Rückleitung 30 in den Druckkessel 4.
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Das im Druckkessel 4 gespeicherte, erhitzte Thermoöl 8 dient zum Verdampfen von Wasser, das in einem Wasserkreislauf 32 geführt ist. Das Wasser gelangt in flüssigem Zustand aus einem Pufferbehälter 34 in einen Wärmetauscher 36, der im Druckkessel 4 als gewendeltes Rohr geführt ist. Der Wärmetauscher 36 ist aus Kupfer, so dass die thermische Energie oder Wärme aus dem Thermoöl 8 möglichst vollständig auf das zu erhitzende Wasser übertragen wird. Das flüssige Wasser wird bis über den Siedepunkt erhitzt; im Wärmetauscher 36 entsteht Wasserdampf. Der Wasserdampf treibt einen Energieerzeuger, hier einen Dampfturbine 38 an, die thermische Energie in elektrische Energie umwandelt. Durch die Entnahme einer ersten Teilmenge an Wärmeenergiet kondensiert das Wasser, verfügt aber auch in flüssiger Form noch über Wärmeenergie. In die Rückleitung 40 zum Pufferbehälter 34 ist daher ein Verbraucher, hier eine Heizung 42 eingeschaltet, die dem Wasser eine zweite Teilmenge an Wärmeenergie entzieht. Das nun weitgehend abgekühlte Wasser gelangt über die Rückleitung 40 in den Pufferbehälter 34. Damit ist der Kreislauf des Arbeitsmediums Wasser im thermischen Energiespeicher 2 geschlossen.
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Erhitzt die Solaranlage 26 das Thermoöl 8 nicht, beispielsweise während der Nacht oder bei bedecktem Wetter, ist aber die Dampfturbine 38 und/oder die Heizung 43 in Betrieb, wird dem Speichermedium, hier dem Thermoöl 8, thermische Energie zum Verdampfen des Wassers entnommen und die Temperatur des Thermoöls 8 sinkt ab. Sinkt die Temperatur unter 150°C, ist ein vollständiges Verdampfen des Wassers nicht mehr gewährleistet. Um dies zu verhindern, schaltet die Steuerung 12 bei Unterschreiten einer Temperatur von 200 °C die Pumpe 10 an und der Druck im Druckkessel wird in drei Sekunden auf 5 MPa erhöht. Wird eine Temperatur von 180 °C unterschritten, wird der Druck im Druckkessel 4 auf 10 MPa erhöht, wird die Temperatur von 160 °C unterschritten, wird der Druck auf 18 MPa erhöht, jeweils induziert durch die Steuerung 12, die die Pumpe 10 betätigt, um Druckluft 16 aus dem Tank 18 zuzuführen. Jede Druckerhöhung verringert das Absinken der Temperatur und gewährleistet das Verdampfen von Wasser im Wärmetauscher 36. Insgesamt wird die Speicherkapazität des thermischen Energiespeichers 2 um 20% erhöht. Auf diese Weise verlängert sich bei Betrieb der Dampfturbine 38 der Zeitraum bis zum Absinken der Temperatur des Thermoöls 8 auf einen Temperatur von 150°C um 20% im Vergleich zum Betrieb des Druckkessels 4 ohne Druckerhöhung.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 6712069 B1 [0002]
- DE 102006024020 A1 [0003]
